JPH06241346A - 超小型弁 - Google Patents

超小型弁

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JPH06241346A
JPH06241346A JP6044845A JP4484594A JPH06241346A JP H06241346 A JPH06241346 A JP H06241346A JP 6044845 A JP6044845 A JP 6044845A JP 4484594 A JP4484594 A JP 4484594A JP H06241346 A JPH06241346 A JP H06241346A
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flow
flow via
valve
armature
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JP6044845A
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Phillip W Barth
ダブリュ バース フィリップ
Gary B Gordon
ビー ゴードン ガリー
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HP Inc
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Hewlett Packard Co
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 弁の製造歩留りを悪化させることなく、空気
特性と熱特性とを向上させた超小型弁と、その製造方法
とを提供する。 【構成】 流体の流れを制御する超小型弁１０で、
（１）対向する第１，第２主面３８，３０と、第１主面
から第２主面に伸張するフローヴァイア１４と、第１主
面の平面から一体的に伸張し、フローヴァイアへのオリ
フィスを形成する内周を持つ座面を有する弁座２８構造
とを有する単結晶基板１２、（２）弁座構造の座面に接
触してオリフィスからフローヴァイアへの流体の流れを
妨害する閉位置と、開位置とを持つ平面を有するアーマ
チュア１８、（３）アーマチュアを閉位置と開位置の間
で選択的に変位する手段２０，２２を有し、（４）弁座
構造が、フローヴァイアが座面から離れるにつれて断面
積が増大する傾斜内面を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、広義には超小型装置に
関し、より詳細には超小型弁に関する。
【０００２】
【技術背景】電子集積回路チップの製造に用いられる多
くの技術は、半導体基板からの機械的装置の微細加工に
適している。Ｇｏｒｄｏｎ等の米国特許第５，０５８，
８５６号には、第１の半導体ウエハを用いて製作される
弁座基板を有する熱によって作動する超小型弁が開示さ
れている。この弁座基板は、フローヴァイア（ｆｌｏｗ
ｖｉａ）と、前面でこのフローヴァイアを取り囲む立
ち上がった弁座構造を有する。第２の半導体ウエハが、
この立ち上がった弁座構造と位置合わせするための中央
アーマチュア（ａｒｍａｔｕｒｅ）を有し、さらにこの
中央アーマチュアから伸張する脚の列を有するように構
成されている。それぞれの脚は、２つの金属層を有し、
これら２つの金属の熱膨脹係数は、大きく異なってい
る。これらの脚が加熱されると、２つの金属層の熱膨脹
の差によって脚が湾曲し、それによって中央アーマチュ
アがフローヴァイアに対して変位する。
【０００３】微細加工された弁は、広く用いられるよう
になってきている。Ｏ’Ｃｏｎｎｏｒの米国特許第４，
５８１，６２４号およびＪｅｒｍａｎの米国特許第５，
０６９，４１９号にも、超小型弁が開示されている。こ
れらの特許には、Ｇｏｒｄｏｎ等の米国特許に開示され
ている脚の列が含まれていないが、共通する特徴として
は、弁当たり面として知られる平滑なシリコン面を有す
る軸方向に可動なアーマチュアを持っていることが挙げ
られる。この弁当たり面は、フローヴァイアを取り囲む
弁座構造に対して開閉する。
【０００４】上述の従来の米国特許の場合、超小型弁の
設計を決定する上で、製造上の実用性が重要になる。半
導体製造におけるエッチング速度の不確定性のために、
弁機構の設計には、製造公差を設けなければならない。
微細な機構の製作においては、エッチングの過不足を考
慮しなければならない。別の製造上の問題として、ミス
アラインメント（ｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔ）があり、
特に弁の弁座基板にフローヴァイアをエッチングする際
に問題になる。
【０００５】
【発明の目的】本発明は、上記のような問題を有せず、
弁の製造歩留りを悪化させることなく、空気特性と熱特
性とを向上させた超小型弁と、このような超小型弁の製
造方法とを提供することを目的とする。
【０００６】
【発明の概要】上述した目的は、立ち上がった弁座の座
面の｛１１１｝平面に沿った壁によって形成されるフロ
ーヴァイアを有する単体基板を含む、流体の流れを制御
するための超小型弁によって達成される。外側の壁もま
た、弁座の径方向に｛１１１｝の向きになっている。弁
座とフローヴァイアの機構は、横方向のミスアラインメ
ントが発生し難いものである。これは、重要な機構が、
立ち上がった弁座を有する基板表面で、異方性（ａｎｉ
ｓｏｔｒｏｐｉｃ）エッチングによって形成されるため
である。この方法は、セルフアライン構造（ｓｅｌｆ−
ａｌｉｇｎｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を提供し、またエ
ッチング速度に影響され過ぎることがない。
【０００７】異方性エッチングによって、弁座の座面か
ら伸張する平行な径方向に、外側に傾斜した壁が形成さ
れる。この座面は、アーマチュアが閉じたときに弁座が
破損しないような広さであるが、弁の空気特性と熱特性
とを向上させるために十分薄くなっている。この構造が
座面の外周内の面積に対する座面の内周におけるフロー
ヴァイアの面積の比率を高くするために、空気特性が向
上する。弁座は、熱によって作動するアーマチュアから
フローヴァイアが形成された基板への熱エネルギーの移
動量を低減するような平行な内壁と外壁とを有するよう
に、エッチングすることができるため、熱特性が向上す
る。
【０００８】異方性エッチングは、エッチング時間にか
かわりなく、一定の弁座形状を提供する。エッチングの
持続時間は、弁座の深さに影響するが、平行な｛１１
１｝方向の壁が形成された後は、弁座の断面構造はほぼ
一定である。
【０００９】超小型弁の製作には、基板の前面と背面の
両方の選択された部分のマスキングの工程が含まれる。
第１の領域が背面に露出されたままにされる。この露出
された第１の領域をエッチングすると、基板の途中まで
伸張するか、あるいは完全に貫通するヴァイアが形成さ
れる。このエッチングは、好適には｛１１１｝壁を形成
する異方性エッチングである。前面のマスクに、弁座の
座面を形成するように、パターンが設けられる。異方性
エッチングは、座面から離れるにつれて径が大きくなる
フローヴァイアを形成する｛１１１｝壁を作成するのに
十分な時間行なわれる。｛１１１｝の方向を有する壁
が、前面の、フローヴァイアに対向するマスクの側面に
も形成される。一実施例において、フローヴァイアの製
作には、垂直方向に主たる方向成分を有する移動中間壁
の形成が含まれる。
【００１０】この超小型弁の設計においては、フローヴ
ァイアの面積の増大と弁座の外周によって区切られる面
積の縮小との間に矛盾がある。フローヴァイアの面積を
増大すれば、弁が開位置にあるとき、流体の流量が大き
くなる。しかし、かかる増大は、通常、弁座の大きさを
増すことによって達成される。弁が制御することのでき
る流体圧力は、熱駆動されるアクチュエータに加えられ
る力を、弁座の面積で割ることによって近似されるが、
外周を大きくすると、制御できる流体圧力が小さくな
る。上述したように、本発明は、弁座の座面の外周内の
面積に対するフローヴァイアの面積の比率を大きくす
る。したがって、ある外周に対してより大量の流体を制
御することができる。
【００１１】本発明の他の利点は、浪費電力が低減され
ることである。浪費電力とは、熱駆動されるアクチュエ
ータの温度変化に直接用いられない電力のことである。
アクチュエータと弁座とが接触するため、アクチュエー
タから弁座基板への熱伝導路が存在する。この熱伝導路
は、アーマチュアの内面と座面とから、弁座を介して、
弁座基板に伸張する。本発明の座面の対向する側面の
｛１１１｝壁は、アクチュエータから弁座基板への熱伝
導性の低減を可能にする。
【００１２】本発明の他の利点は、この超小型弁の形成
法は、フローオリフィスと弁座とが自動的に位置合わし
され、その結果エッチングの過不足が生じない方法であ
ることである。
【００１３】
【実施例】図１において、超小型弁１０は、基礎として
作用する弁座基板１２を有するものとして示されてい
る。この弁座基板には、中央フローヴァイア１４が形成
されている。
【００１４】弁座基板１２は、好適にはバッチ処理ステ
ップにより、ウエハから製作されたシリコンチップであ
る。超小型弁１０は、７ｍｍ×７ｍｍであるが、それ以
外の寸法であってもよい。この弁座基板の外周部の厚み
は、４００μｍである。
【００１５】弁座基板１２上には、固定された固定周辺
部１６と中央アーマチュア１８とを有する第２基板が支
持されている。この第２基板の長さと幅は、弁座基板１
２の寸法に一致する。この基板についても、材料として
は、シリコンが好適である。シリコンの厚みは３０μｍ
であるが、この厚みは超小型弁１０の最大開口量を決定
する要因であるため、このシリコン層の理想的な厚みは
アプリケーションに応じて変化する。
【００１６】固定周辺部１６と中央アーマチュア１８と
を有するこの上部基板の構造と動作については、Ｇｏｒ
ｄｏｎ等の米国特許第５，０５８，８５６号に詳しく説
明されている。簡単に説明すると、ニッケル層が蒸着、
写真製版および電気メッキの技術を用いて上部基板上に
付着され、それにパターンが設けられる。脚２０および
２２により、固定周辺部１６を中央アーマチュア１８に
結合する。上部基板が加熱されると、シリコンとニッケ
ルの熱膨脹係数の差によって脚が湾曲し、中央アーマチ
ュア１８を弁座基板１２から立ち上げる。アーマチュア
が弁座基板から離れると、中央フローヴァイア１４が周
囲の領域２４および２６と液通する。これらの領域２４
および２６は、超小型弁１０によって流れを調整すべき
装置に液通している。
【００１７】超小型弁１０は脚２０および２２を有する
ものとして説明したが、本発明は、湾曲する脚を用いた
作動に限定されるものではない。例えば、中央アーマチ
ュア１８を固定周辺部１６に接続する構造は、選択的に
変形されて、中央フローヴァイア１４と領域２４および
２６との間の流体の流れを調整する一体円形ダイアフラ
ム（ｄｉａｐｈｒａｇｍ）とすることもできる。
【００１８】本発明における重要な構造を、図１および
図２に示す。弁座基板１２は、上部主面３０から上方に
伸張する弁座２８を有する。弁座は、中央アーマチュア
１８が閉じているときに、その上に乗る座面３２を有す
る。
【００１９】後により詳細に説明するように、弁座２８
と中央フローヴァイア１４は、弁座基板１２を、上面に
おいて、異方性エッチングすることによって形成され
る。弁座３２は、座面の径方向内側の端部から、｛１１
１｝平面に沿って下方に伸張して、第１の傾斜壁３４を
形成する。当該技術分野において周知の通り、シリコン
基板を異方性エッチングすることにより、約５４．７゜
の角度が形成される。したがって、第１の傾斜壁３４
は、座面３２に対して約１２５．３°の角度をなす。第
２の傾斜壁３６が、第１の傾斜壁に対して平行に形成さ
れ、弁座基板１２の下部主面３８まで下方に伸張する。
ほぼ垂直な中間壁４０が、第１および第２の傾斜壁を結
合する。
【００２０】弁座２８の幅は、簡単に変更することがで
きるが、中央アーマチュア１８が繰り返し閉じられると
きに弁座が破損しないような大きさが選択される。しか
し、弁が開くことのできる流体圧力は、座面３２の径方
向外側の端部内の面積に左右されるため、弁座の幅は、
不必要に大きいものであってはならない。一実施例にお
いて、フローオリフィスは２００μｍ２であり、座面３
２の径方向の外周は２４０μｍ２である。弁座２８と中
央フローヴァイア１４のこのような構成は、超小型弁１
０の空気特性と熱特性との両方を、従来技術に比べて向
上させる。
【００２１】図３は、典型的な従来の弁座を示す。弁座
基板４２は、立ち上がった弁座４６を有する上面４４を
含む。上面４４は、弁座とフローヴァイアの壁５０との
間に棚４８を有する。その外周部５２において、弁座４
６は、上面４４まで下方に傾斜する。その反対側では、
弁座は、棚４８まで傾斜した傾斜壁５４を有する。
【００２２】超小型弁を製作する目的の１つは、弁座４
６の外周部５２内の面積を小さくして、弁が、より大き
な流体圧力に対して開くことができるようにすることで
ある。もう１つの目的は、壁５０によって形成されるフ
ローヴァイアを大きくして、この弁が制御することので
きる気体の量を増すことである。弁座は弁座基板４２の
一方の側からエッチングされ、フローヴァイアは他方の
側からエッチングされるため、これらの目的を同時に達
成することは困難である。弁座に対するフローヴァイア
の横方向のミスアラインメントに対して、多少のゆとり
を設けなければならない。その結果、弁座の外周部５２
内の面積に対するフローヴァイアの面積の比率は、必ず
非効率性を有するものとなる。従来技術の下方に傾斜し
た傾斜壁５４と棚４８は、超小型弁の性能を低下させ、
その能力を大幅に低下させる。
【００２３】これに対して次に説明する製造ステップ
は、図２に示すものよりむだの少ない構造を提供する。
この好ましい実施例において、フローオリフィスが２０
０μｍ２であり、座面３２の外周の内側の面積が２４０
μｍ２である場合、面積効率は７０％である。これによ
って、流れの効率は約３３％になり、これは従来の超小
型弁の０．０３％に比べてはるかに優れている。
【００２４】図３に戻って、従来技術に対する空気特性
の向上に加えて、本発明は、優れた熱特性を有する。上
述したように、超小型弁は、熱で作動する装置である。
上部基板が加熱されて、弁座４６に対するアーマチュア
の変位が発生する。弁の設計目的は、熱エネルギーの浪
費を最小限にすることにある。しかし、アクチュエータ
から弁座４６まで、また弁座の下の構造を通って弁座基
板４２に通じる熱伝導路が存在する。図１および図２に
示すように、本発明によれば、この熱伝導路のコンダク
タンスは、弁座２８の構造によって大幅に低下する。ま
ず、エッチングの深さを大きくすることができる。従来
の技術では、エッチングの深さが大きくなると、弁座の
反対方向に傾斜した壁が厚くなり、ヴァイアの面積が小
さくなっていた。しかし、本発明の弁座２８は、幅が大
きくならず、また弁座の深さが大きくなっても、フロー
ヴァイアが小さくなることがない。深さとしては、２５
μｍが好適である。
【００２５】弁座２８の対向する平行な側面は、中央ア
ーマチュア１８が繰返し閉じるときにこれに耐え得る十
分な強度を有する構造を提供するが、これらの対向する
側面は広がっていないため、この構造はアーマチュアか
ら弁座基板１２への熱エネルギーの過剰な浪費を防止で
きるよう十分薄くなっている。
【００２６】弁座２８を介して失われる熱エネルギーの
パーセンテージを最小限にすることは、流量が小さいと
きに安定した弁の動作を達成する上で重要である。常閉
の熱作動弁に電力が加えられてこれが開くときに、中央
アーマチュア１８から弁座２８への熱コンダクタンスが
降下する。これは、アーマチュアと弁座との間にギャッ
プがあるためである。熱コンダクタンスは、このギャッ
プに発生するが、ギャップからのエネルギーの散逸は、
弁が開くにつれて減少する。
【００２７】通常、中央アーマチュア１８には一定の電
力が加えられる。弁が閉じているとき、熱エネルギー
は、アーマチュアから弁座２８に関連して説明した熱伝
導路を介して流れるが、アーマチュアの径方向外側の構
造およびアーマチュアを取り囲む気体あるいは流体への
対流および伝導流を含む別の熱伝導路を介しても流れ
る。アーマチュアに電力が加えられたときに発生するこ
の３つの流れは、周囲の温度およびアーマチュアの温度
がどれだけ上昇するかを決定する。
【００２８】弁が開き始め、弁座２８のコンダクタンス
が低下すると、アーマチュアの温度が上昇する。その結
果、超小型弁１０のエネルギー効率が上がり、弁が急激
に開く。この効果を、図４にグラフで示す。同図は、従
来のアーマチュアのアクチュエータの変位と加えられる
電力との関係を示す。変位と加えられる電力との関係
は、弁の開く領域５６と、弁の閉じる領域５８におい
て、非線形性が高いことがわかる。
【００２９】図４のグラフに示す従来の弁の非線形性
は、主として従来の弁座における熱コンダクタンスの変
動によって引き起こされる。殆どの場合、この非線形性
は、フローヴァイアを流れる気体の量の制御を悪化させ
るため望ましくない。このような非線形性は、本発明に
おいては、弁座の熱コンダクタンスの変化に起因する全
熱流のパーセンテージの変化を小さくすることによっ
て、低減される。非線形性は、中央アーマチュア１８を
弁座２８に対してある角度で開いて、アーマチュアが弁
の開放動作のある期間あるいは全期間にわたって、弁の
一部に接触するようにすることによって、さらに幾分か
小さくすることができる。
【００３０】図５から図１０は、図１の弁座基板１２の
第１の製造方法を示す。図５において、従来のマスキン
グ材料が、シリコン基板６０の両方の主面に、写真製版
によってパターン化される。各主面は、第１の酸化ケイ
素層６２および６４と、窒化ケイ素の外層６６および６
８とを有する。従来のプラズマエッチング技術を用い
て、上面の窒化物外層６６の約５０％がところどころで
除去され、弁座を形成するのに用いられる厚い窒化物領
域７０および７２と、上弁当たり面の範囲を規定するの
に用いられる外側の厚い窒化物領域７４および７６とが
残る。
【００３１】シリコン基板６０の下面には、その中央領
域において、酸化物層６４と窒化物層６８とが完全にエ
ッチングされる。下の酸化物をエッチングするには、フ
ッ化水素酸が用いられる。
【００３２】図６において、窒化ケイ素層６８と酸化ケ
イ素層６４のエッチング中に露出されたシリコン基板６
０の底をエッチングするには、水酸化カリウム（ＫＯ
Ｈ）が用いられる。シリコンは、｛１１１｝平面に沿っ
て、より低い速度でエッチングされ、これによって傾斜
壁７８および８０が提供される。シリコンウエハを異方
性エッチングすることによって、約５４．７°の角度を
有する壁が生成される。異方性エッチングは、このシリ
コンウエハを完全に貫通するが、酸化物層６２に達した
ときに、エッチングを停止することは重要ではない。エ
ッチングを継続すると、上部窒化ケイ素層６６と酸化物
層６２を、異方性エッチングによって形成された穴で破
壊するが、弁座基板の製作に悪影響を与えることはな
い。すなわち、図６に示すステップは、過剰なエッチン
グに影響され易いものではない。
【００３３】図７において、窒化ケイ素層がエッチング
され、先に厚く形成されていた領域７０〜７６の一部だ
けが残り、これらの厚い領域の間の窒化物が完全に除去
される。露出された酸化物６２が、次にフッ化水素酸中
でエッチングされる。その結果、上オリフィスと下オリ
フィスとを有する中央ヴァイアが、シリコン基板６０を
貫通して形成される。しかし、この中央ヴァイアは、製
作すべき最終的なフローヴァイアには似ていない。むし
ろ、シリコン基板６０の下面からのエッチングでは、単
にフローヴァイアの“おおまかな”形状が提供されるだ
けである。
【００３４】図８において、ＫＯＨを用いた異方性エッ
チングがシリコン基板６０の両方の主面に対して行なわ
れる。このウエハの上面の露出された領域がエッチング
されて、逆さまの先端を切ったピラミッド状の面８２お
よび８４が形成される。この先端を切ったピラミッド状
の面の深さは、ＫＯＨによるエッチングの持続時間によ
って変わる。
【００３５】始めに、上面に加えられたエッチングによ
って、｛１１１｝平面に沿って、下向きかつ内向きに角
度の付いた傾斜壁８６および８８が作成される。ほぼ垂
直な壁９０および９２が、これらの径方向に内向きの壁
８６および８８を先に形成された壁７８および８０に接
続する。
【００３６】シリコン基板６０の両面の異方性エッチン
グが継続されるにつれて、垂直壁９０および９２が、図
９に示すように、下向きに移動する。上面で発生する異
方性エッチングによって、平行な対向する壁９４および
９６と、平行な対向する壁９８および１００とが提供さ
れるのに伴なって、弁座の最終的な構成が形成され始め
る。同図に示すように、逆さまの先端を切ったピラミッ
ド状の面８２および８４の深さは、エッチング時間の経
過に伴なって大きくなる。
【００３７】図１０では、垂直壁９０および９２は下に
移動しており、ピラミッド状の面８２および８４の深さ
は大きくなっている。しかし、平行な壁９４および９６
と、平行な壁９８および１００とによって形成される弁
座の断面形状は、変わらない。当該技術分野において周
知の通り、この形状は、マスクの角で変わり、そのため
マスクの角で適切な形状になるような手段が講じられ
る。必要であれば、エッチングは、垂直の壁９０および
９２がシリコン基板６０の下面に達するまで続け、それ
によってフローヴァイアのオリフィスに９０°の角を設
けることができる。
【００３８】図１１において、マスキング材料がシリコ
ンウエハの上面と下面とから除去され、図１および図２
に示す弁座基板１２が提供される。この基板は、弁座２
８と弁座の上の座面３２とを有する。上述の利点を有す
る中央フローヴァイア１４が作成される。
【００３９】図１２は、上部主面３０の外周に沿った立
ち上がった領域を除く、弁座基板１２の斜視図である。
【００４０】本発明の弁座を形成するための第２の実施
例を、図１３から図１８に示す。シリコンウエハ１０２
は、その上面が窒化ケイ素層１０４によって、その下面
が窒化ケイ素の写真製版でパターン化された層１０６に
よってコーティングされている。パターンの付いた下層
１０６によって露出されたシリコンウエハを、ＫＯＨエ
ッチングすることによって、｛１１１｝の向きを有する
オリフィス壁１０８および１１０が提供される。異方性
エッチングは、このシリコンウエハの厚みが５０μｍ以
下になったときに終了する。
【００４１】図１４に示すように、窒化ケイ素の上層
は、保護領域１１２、１１４、１１６および１１８を形
成するようにパターンが付けられている。次に、このシ
リコンウエハは、ＫＯＨ中で、両側からエッチングされ
る。深さが２５μｍ以下の内向きに傾斜した壁１２０お
よび１２２が始めに形成される。しかし、図１５に示す
ように、シリコンウエハ中の開口は、この開口部の外側
の端部が窒化ケイ素の中央保護領域１１４および１１６
の内側の端部に合うまで広がる。このようにして、垂直
のヴァイア壁１２４および１２６が形成される。
【００４２】図１６および図１７に示すように、垂直の
ヴァイア壁１２４および１２６は、異方性エッチングが
続いて行くにしたがって下方に移動する。このように、
この製造方法は、エッチング時間に影響され易いもので
はない。図示されていないが、弁座１２８の深さは、シ
リコンウエハの上面の領域１３０および１３２がエッチ
ングされるにつれて大きくなる。
【００４３】異方性エッチングは、垂直ヴァイア壁１２
４および１２６がシリコンウエハ１０２の下面１３４に
達するまで、続けることができる。
【００４４】本発明は、最大６００ｐｓｉの流体圧力で
動作する。これは、従来の技術に比べて大幅な改善であ
る。さらに、流体の流れは、従来の装置の毎分１５０ｃ
ｃに比べて毎分１．５リットルとすることができる。
【００４５】本発明をシリコン基板を用いるものとして
説明したが、他の材料を用いることもできる。例えば、
ひ化ガリウムを用いることもできる。さらに、酸化ケイ
素等のコーティングを、完成した構造の表面に、蒸着あ
るいは成長させることもできる。
【００４６】以上のように、本発明の超小型弁は、
〔１〕流体の流れを制御するための超小型弁であって、
（１）対向する第１および第２の主面と、第１の主面か
ら第２の主面に伸張するフローヴァイアと、第１の主面
の平面から一体的に伸張し、フローヴァイアへのオリフ
ィスを形成する内周を持つ座面を有する弁座構造とを有
する単結晶基板、（２）弁座構造の座面に接触してオリ
フィスからフローヴァイアへの流体の流れを妨害する閉
位置と、開位置とを持つ平面を有するアーマチュア、お
よび（３）アーマチュアを閉位置と開位置の間で選択的
に変位する手段、を有し、（４）弁座構造が、フローヴ
ァイアが座面から離れるにつれて断面積が増大する傾斜
した内面を有することを特徴とし、この超小型弁の好ま
しい実施態様は次の通りである。
【００４７】〔２〕上記の単結晶基板は、半導体基板で
あり、上記の弁座構造の傾斜内面は、座面の内周から伸
張する｛１１１｝平面によって形成される。
【００４８】〔３〕｛１１１｝平面は、座面から、第１
の主面によって形成される少なくとも一つの平面に伸張
する。
【００４９】〔４〕傾斜内面は、複数の内壁であり、弁
座構造は、座面の外周から第１の主面に伸張する複数の
外壁を有し、各外壁は内壁の一つに平行である。
【００５０】〔５〕外壁は、｛１１１｝平面に沿って伸
張する。
【００５１】〔６〕フローヴァイアは、四側面形態（ｆ
ｏｕｒ−ｓｉｄｅｄ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）を
有する。
【００５２】〔７〕フローヴァイアは、第２の主面から
離れるにつれて減少する断面積を有する。
【００５３】また、本発明の超小型弁は、〔８〕流体の
流れを制御するための超小型弁であって、（１）そこ
を通って伸張するフローヴァイアと、弁座を形成するフ
ローヴァイアを取り囲む立ち上がった領域を持つ上面
と、下面とを有する半導体基板、複数の側面を有し、
各側面は上壁と下壁とを有し、各上壁はフローヴァイア
の端部に向かって立ち上がった領域に沿って内部に傾斜
する｛１１１｝平面に沿って方向付けされるフローヴァ
イア、および（２）立ち上がった領域が、フローヴァイ
アの端部においてフローヴァイアのブロックと接触する
閉位置と、開位置とを有するアーマチュア手段からなる
ことを特徴とし、この超小型弁の好ましい実施態様は次
の通りである。
【００５４】
〔９〕フローヴァイアは、各側面が上壁お
よび下壁に結合される内壁を有し、各内壁は、下方が上
記基板の上面であって、しかも垂直面に沿った主方向成
分を持つ平面に沿って方向付けされる。
【００５５】〔１０〕上記基板の立ち上がった領域は、
座面を有し、かつフローヴァイアの上壁に平行な座面に
該基板の上面から伸張する傾斜領域を有する。
【００５６】〔１１〕フローヴァイアの各側面の上壁お
よび下壁は、｛１１１｝平面に沿って平行な壁である。
【００５７】〔１２〕フローヴァイアは、その端部で最
小断面積、およびその下面で最大断面積を有する。
【００５８】
【発明の効果】本発明の超小型弁の構造によれば、セル
フアライン構造となっているため、エッチングの過不足
を考慮する必要がないばかりか、特に弁の弁座基板にフ
ローヴァイアをエッチングする際のミスアラインメント
がなく、良好な製造歩留りである。また、本発明の超小
型弁の構造によれば、流れ効率が向上すると共に、空気
特性と熱特性とを大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のフローオリフィスと弁座とを有する超
小型弁の側断面図である。
【図２】図１の弁座の側面図である。
【図３】超小型弁の従来の弁座の側面図である。
【図４】図３の弁座を有する従来の超小型弁のアクチュ
エータの変位と加えられる電力との関係を示すグラフで
ある。
【図５】図１の弁座とフローオリフィスを製作するため
の一実施例のステップを示す図である。
【図６】図１の弁座とフローオリフィスを製作するため
の一実施例のステップを示す図である。
【図７】図１の弁座とフローオリフィスを製作するため
の一実施例のステップを示す図である。
【図８】図１の弁座とフローオリフィスを製作するため
の一実施例のステップを示す図である。
【図９】図１の弁座とフローオリフィスを製作するため
の一実施例のステップを示す図である。
【図１０】図１の弁座とフローオリフィスを製作するた
めの一実施例のステップを示す図である。
【図１１】図１の弁座とフローオリフィスを製作するた
めの一実施例のステップを示す図である。
【図１２】図５から図１１のステップを用いて製作され
た基板の斜視図である。
【図１３】図１２の基板を製作するための第２実施例の
ステップを示す図である。
【図１４】図１２の基板を製作するための第２実施例の
ステップを示す図である。
【図１５】図１２の基板を製作するための第２実施例の
ステップを示す図である。
【図１６】図１２の基板を製作するための第２実施例の
ステップを示す図である。
【図１７】図１２の基板を製作するための第２実施例の
ステップを示す図である。
【図１８】図１２の基板を製作するための第２実施例の
ステップを示す図である。
【符号の説明】
１０ 超小型弁 １２ 弁座基板 １４ 中央フローヴァイア １６ 固定周辺部 １８ 中央アーマチュア ２０、２２ 脚 ２４、２６ 周囲の領域 ２８ 弁座 ３２ 座面 ３４ 第１の傾斜壁 ３６ 第２の傾斜壁 ３８ 下部主面 ４０ 中間壁 ４２ 弁座基板 ４４ 上面 ４６ 弁座 ４８ 棚 ５０ フローヴァイアの壁 ５２ 外周部 ５４ 傾斜壁 ５６ 弁の開く領域 ５８ 弁の閉じる領域 ６０ シリコン基板 ６２、６４ 第１の酸化ケイ素層 ６６、６８ 窒化ケイ素の外層 ７４、７６ 窒化物領域 ７８、８０ 傾斜壁 ８２、８４ 逆さまの先端を切ったピラミッド状の面 ８６、８８ 傾斜壁 ９０、９２ 垂直な壁 ９４、９６、９８、１００ 平行な対向する壁 １０２ シリコンウエハ １０４ 窒化ケイ素層 １０６ パターンの付いた下層 １０８、１１０ オリフィス壁 １１２、１１４、１１６、１１８ 保護領域 １２０、１２２ 内向きに傾斜した壁 １２４、１２６ 垂直のヴァイア壁 １２８ 弁座 １３０、１３２ シリコンウエハの上面 １３４ シリコンウエハ

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 流体の流れを制御するための超小型弁で
    あって、（１）対向する第１および第２の主面と、該第
    １の主面から該第２の主面に伸張するフローヴァイア
    と、該第１の主面の平面から一体的に伸張し、前記フロ
    ーヴァイアへのオリフィスを形成する内周を持つ座面を
    有する弁座構造とを有する単結晶基板、（２）前記弁座
    構造の前記座面に接触して前記オリフィスから前記フロ
    ーヴァイアへの流体の流れを妨害する閉位置と、開位置
    とを持つ平面を有するアーマチュア、および（３）前記
    アーマチュアを前記閉位置と開位置の間で選択的に変位
    する手段、を有し、（４）前記弁座構造が、前記フロー
    ヴァイアが前記座面から離れるにつれて断面積が増大す
    る傾斜した内面を有することを特徴とする超小型弁。
  2. 【請求項２】 流体の流れを制御するための超小型弁で
    あって、 （１）そこを通って伸張するフローヴァイアと、弁座
    を形成する該フローヴァイアを取り囲む立ち上がった領
    域を持つ上面と、下面とを有する半導体基板、 複数の側面を有し、該各側面は上壁と下壁とを有し、
    該各上壁はフローヴァイアの端部に向かって立ち上がっ
    た領域に沿って内部に傾斜する｛１１１｝平面に沿って
    方向付けされる前記フローヴァイア、および （２）前記立ち上がった領域が、前記フローヴァイアの
    端部において該フローヴァイアのブロックと接触する閉
    位置と、開位置とを有するアーマチュア手段からなるこ
    とを特徴とする超小型弁。
JP6044845A 1993-02-19 1994-02-17 超小型弁 Pending JPH06241346A (ja)

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