WO2023132311A1 - 弁素子及び弁素子の製造方法 - Google Patents

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WO2023132311A1
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movable electrode
valve element
fluid
electrode portion
film
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佳孝 多田羅
雄喜 内田
孝哲 西岡
義秀 東狐
佳彦 佐野
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オムロンヘルスケア株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • F16K99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • F16K2099/0073—Fabrication methods specifically adapted for microvalves
    • F16K2099/008—Multi-layer fabrications

Definitions

  • the present invention relates to a valve element and a method for manufacturing a valve element.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a valve element 9 having such a structure.
  • FIG. 1A shows a schematic cross-sectional view of the valve element 9 with the valve in the "open” state
  • FIG. 1B shows a schematic cross-sectional view of the valve element 9 with the valve in the "closed” state.
  • fluid is introduced from a fluid inlet 92 provided in a substrate 91 (fixed electrode), and the fluid is introduced into a diaphragm 93 (movable electrode) formed to be movable with respect to the substrate 91. It is configured to be discharged from a discharge port (not shown) provided in the electrode).
  • the diaphragm 93 When electrostatic attraction is generated by applying a voltage to the substrate 91 (fixed electrode) and the diaphragm 93 (movable electrode), the diaphragm 93 is attracted to the substrate 91 by the attraction, and the diaphragm 93 causes the fluid inlet 92 to move. can be sealed. In this manner, the flow rate of the fluid can be controlled by interrupting the flow of the fluid or adjusting the applied voltage to adjust the distance between the diaphragm 93 and the substrate 91 .
  • F is the electrostatic attraction
  • ⁇ is the dielectric constant of air
  • S is the area where both electrodes face each other
  • V is the applied voltage
  • d is the distance between the two electrodes. That is, the electrostatic attractive force F is greatly dependent on the applied voltage V and the inter-electrode distance d. If the applied voltage V is lowered or the inter-electrode distance d is increased, the electrostatic attractive force F is significantly weakened, driving the valve. The driving force for pulling the diaphragm 93 toward the substrate 91 is reduced.
  • valve in a normally closed microvalve formed by bonding two semiconductor substrates, the valve is opened by bending the two semiconductor substrates in opposite directions by a thermal driving method using a bimetal.
  • a technique for making is proposed (for example, Patent Document 2). According to such means, the distance between the valve opening and the valve body can be increased compared to bending only one of the substrates, and good fluid discharge characteristics can be obtained with low power consumption.
  • the microvalve disclosed in Patent Document 2 electrodes for driving the valve are provided above and below (front and back) of the valve element, and it is necessary to wire both upper and lower surfaces of the valve element. be.
  • the microvalve is manufactured by bonding two substrates together, and precise wafer alignment is required to properly bond them. That is, in order to manufacture the microvalve described in Patent Document 2, the manufacturing process becomes complicated, and the degree of difficulty in manufacturing increases.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and provides a technology capable of achieving both miniaturization and low power consumption of a valve element driven by electrostatic attraction through a simple manufacturing process. for the purpose.
  • a valve element for controlling fluid flow comprising: a first movable electrode portion including a fluid inlet through which the fluid flows; A second movable electrode provided with an outlet through which the fluid is discharged, and arranged on one side of the first movable electrode section so as to cover the fluid inlet and spaced from the first movable electrode section.
  • the valve element is characterized in that it is configured to be able to
  • valve port fluid inlet of the first movable electrode portion
  • structure second movable electrode portion
  • each component can be manufactured by laminating thin films on a single semiconductor substrate, so that manufacturing can be easily performed by a semiconductor manufacturing process.
  • valve element may have a plurality of sets of the fluid introduction port and the discharge port corresponding to the fluid introduction port.
  • the sets of the fluid inlets and the outlets corresponding to the fluid inlets may be arranged in an array.
  • the present invention also provides a method for manufacturing a valve element for controlling the flow of fluid, comprising: a first electrode forming step of forming, on a semiconductor substrate, a first movable electrode film having a first movable electrode and a fluid introduction port through which the fluid flows; a sacrificial layer film forming step of forming a sacrificial layer film from an insulating material on the first movable electrode film and the semiconductor substrate; a second electrode film forming step of forming, on the sacrificial layer film, a second movable electrode film having a second movable electrode and an outlet through which the fluid is discharged; a connecting electrode forming step of forming a first connecting electrode connected to the first movable electrode and a second connecting electrode connected to the second movable electrode; a back chamber forming step of forming a back chamber in the semiconductor substrate; a sacrificial layer film etching step of etching the sacrificial layer film while leaving a spacer portion that secures
  • FIG. 1A is a first diagram showing an outline of a conventionally known valve element that drives a valve by electrostatic attraction.
  • FIG. 1A is a second view schematically showing a conventionally known valve element that drives a valve by electrostatic attraction.
  • 2A is a plan view schematically showing a valve element according to Example 1 of the present invention;
  • FIG. 2B is a first view schematically showing a cross section of the valve element according to Example 1 of the present invention;
  • FIG. 2C is a diagram illustrating details of an inlet and an outlet according to the first embodiment of the present invention;
  • FIG. 3A is a first diagram showing the manufacturing process of the valve element according to Example 1 of the present invention.
  • FIG. 3B is a second view showing the manufacturing process of the valve element according to Example 1 of the present invention
  • FIG. 3C is a third view showing the manufacturing process of the valve element according to Example 1 of the present invention
  • FIG. 3D is a fourth view showing the manufacturing process of the valve element according to Example 1 of the present invention
  • FIG. 3E is a fifth view showing the manufacturing process of the valve element according to Example 1 of the present invention
  • FIG. 3F is a sixth view showing the manufacturing process of the valve element according to Example 1 of the present invention
  • 4A is a first diagram showing a modification of the valve element of Example 1.
  • FIG. 4B is a second view showing a modification of the valve element of Example 1.
  • FIG. 5A is a third view showing a modification of the valve element of Example 1.
  • FIG. 5B is a fourth diagram showing a modification of the valve element of Example 1.
  • FIG. 6A is a fifth view showing a modification of the valve element of Example 1.
  • FIG. 6B is a sixth view showing a modification of the valve element of Example 1.
  • FIG. 6C is a seventh view showing a modification of the valve element of Example 1.
  • FIG. 6D is an eighth view showing a modification of the valve element of Example 1.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing the valve element 1 according to this application example
  • FIG. 2A is a plan view schematically showing the valve element 1 according to the application example
  • FIG. 2B is a schematic cross-sectional view showing the AA cross-section when the valve of the valve element 1 in FIG. 2A is in the "open" state, but both ends of the cross-section are omitted.
  • FIG. 2C is an enlarged view of a portion surrounded by a dashed line in FIG. 2A, and is a view for explaining the shape and arrangement of an inlet 111 and an outlet 121, which will be described later.
  • the valve element 1 generally has a frame portion 13 made of a semiconductor, and a first movable electrode portion 11 and a second movable electrode portion 12 formed on the frame portion 13 .
  • the first movable electrode portion 11 and the second movable electrode portion 12 are both formed in the form of thin films having flexibility, are insulated by the spacer portion 14, and are arranged at a predetermined interval.
  • the frame part 13 is composed of a semiconductor substrate or the like, and has a back chamber 131 that serves as a flow path for fluid flowing into the valve.
  • the first movable electrode portion 11 is provided with a plurality of inlets 111 for introducing fluid
  • the second movable electrode portion 12 is provided with a plurality of outlets 121 for discharging the fluid.
  • the inlet 111 and the outlet 121 are schematically shown, and their specific shape and arrangement will be described in detail later.
  • a hollow portion 15 is formed between the second movable electrode portion 12 and the first movable electrode portion 11 when the valve is in the "open” state.
  • the fluid is introduced through the inlet 111 provided in the first movable electrode section 11 and the fluid is introduced through the outlet 121 provided in the second movable electrode section 12 . Fluid can be circulated by discharging.
  • the valve element 1 can open and close the valve by a so-called electrostatic drive method to control the flow of the fluid (control the flow rate including blocking of the flow).
  • a voltage is applied to the first movable electrode 110 of the first movable electrode portion 11 and the second movable electrode 120 of the second movable electrode portion 12 to generate an electrostatic attractive force between the electrodes.
  • By attracting the second movable electrode portion 12 and the first movable electrode portion 11 to each other by can be done.
  • the flow rate of the fluid can be controlled.
  • the inlet port 111 and the outlet port 121 are provided at positions that do not overlap with each other, so that the valve is in the "closed” state. That is, it is possible to block the flow of fluid.
  • both the first movable electrode portion 11 and the second movable electrode portion 12 are movable members formed in the form of thin films. It will be. Therefore, compared to conventional valve elements in which one of the electrodes is a fixed electrode, it is possible to increase the distance between the electrodes and obtain good fluid discharge characteristics. In addition, it becomes possible to put the valve in the "closed" state with a small applied voltage.
  • the valve element 1 can be used, for example, as a MEMS valve for supplying and discharging gas to and from the cuff of a sphygmomanometer. , a first movable electrode portion 11 and a second movable electrode portion 12 . That is, since it has the same configuration as the valve element 1 described in the application example, detailed description of the contents described in the application example will be omitted. Also, in this specification, the same components are described using the same reference numerals.
  • the frame part 13 is a rigid substrate made of a semiconductor such as Si, and has a back chamber 131 that serves as a flow path for fluid flowing into the valve.
  • the first movable electrode portion 11 is a thin-film electrode member having a first movable electrode 110 made of Si, for example, and is arranged over the upper surface side of the frame portion 13 (the side shown in FIG. 2A, the same applies hereinafter).
  • the first movable electrode portion 11 is provided with an insulating film (for example, SiN film) 112 and is insulated from the frame portion 13 by this.
  • the first movable electrode 110 is connected to an electrode pad 113, and is electrically connected to an external power source through the electrode pad 113 so that a voltage is applied.
  • the first movable electrode portion 11 is provided with a plurality of inlets 111 for introducing fluid into the valve. The arrangement and shape of the introduction port 111 will be described later.
  • the second movable electrode portion 12 is a flexible thin-film electrode member configured by coating a second movable electrode 120 made of Si with an insulating film (for example, a SiN film) 122, and includes a plurality of exhaust electrodes.
  • An outlet 121 is provided. The arrangement and shape of the outlet 121 will be described later.
  • the second movable electrode portion 12 in the present embodiment has a substantially circular shape in plan view, and has a configuration in which a plurality of projecting portions 124 are arranged on the circumference.
  • the protruding portion 124 on the circumference is provided with a predetermined distance from the upper surface side of the first movable electrode portion 11 by the spacer portion 14 made of an insulating material, and is arranged while being insulated from the first movable electrode portion 11 .
  • Silicon dioxide (SiO 2 ) for example, can be used as the material of the spacer portion 14, and PSG (Phosphorus Silicon Glass), BPSG (Boron Phosphorus Silicon Glass), or the like may be used.
  • the second movable electrode 120 is connected to an electrode pad 123, and is electrically connected to an external power source through the electrode pad 123 so that a voltage is applied.
  • FIG. 2C is an enlarged view of a portion surrounded by a dashed line in FIG.
  • the introduction port 111 indicated by the dashed line in FIG. 2C is not actually visible when the valve element 1 is viewed from above, but is shown only for understanding the shape and arrangement relationship.
  • the introduction port 111 and the discharge port 121 form a set in which a plurality of discharge ports 121 surround one introduction port 111 in plan view.
  • elliptical outlets 121 are provided at positions corresponding to the sides of a hexagon surrounding the circular inlet 111 .
  • the valve element 1 has a configuration in which a large number of pairs of such inlet ports 111 and outlet ports 121 are arranged in an array in a so-called honeycomb structure.
  • FIGS. 3A to 3F are notional schematic cross-sectional views for convenience in explaining the manufacturing process, and are different from accurate cross-sectional views of any part of the valve element 1.
  • FIG. The valve element 1 can be manufactured by forming a thin film on a semiconductor substrate by a so-called semiconductor manufacturing process.
  • a first movable electrode film which will be the first movable electrode portion 11 having the first movable electrode 110 and the introduction port 111 , is formed on the silicon substrate that constitutes the frame portion 13 .
  • This process corresponds to the first electrode forming step according to the present invention, and FIG. 3A is a schematic cross-sectional view showing the state after this process.
  • FIG. 3B is a schematic cross-sectional view showing the state after this process.
  • FIG. 3C is a schematic cross-sectional view showing the state after this process.
  • FIG. 3D is a schematic cross-sectional view showing the state after this process.
  • FIG. 3E is a schematic cross-sectional view showing the state after this process.
  • the sacrificial layer film is etched while leaving the spacer portion 14 that secures the space between the first movable electrode portion 11 and the second movable electrode portion 12 .
  • This process corresponds to the sacrificial layer film etching step according to the present invention
  • FIG. 3F is a schematic cross-sectional view showing the state after this process.
  • the valve element 1 according to the present embodiment can be manufactured by laminating thin films on one semiconductor substrate by the above-described steps, and can be easily manufactured. Further, according to the valve element 1 of the present embodiment, good fluid discharge characteristics can be obtained without increasing the electrode area and without increasing the applied voltage. That is, it is possible to easily manufacture a valve element that can be miniaturized and consume less power while having good fluid discharge characteristics.
  • the second movable electrode portion 12 was configured to be supported by the spacer portions 14 provided at the four projecting portions 124, but the support structure of the second movable electrode portion 12 is as follows. configuration. 4A, 4B, 5A, and 5B are diagrams showing examples of other support structures for the second movable electrode portion 12, respectively.
  • the second movable electrode portion 12 may be structured to be supported by spacer portions 14 provided on three projecting portions 124 as shown in FIG. 4A, or may be supported by six projecting portions as shown in FIG. 4B.
  • a structure supported by the spacer portion 14 provided at 124 may be employed.
  • the second movable electrode portion 12 may be structured to be supported by the spacer portions 14 provided on the eight protruding portions 124, or the entire circumference of the circular It may be configured such that the spacer portion 14 is provided over the entire length to support.
  • inlet and outlet (Modified example of inlet and outlet)
  • shape and arrangement of the inlet 111 and the outlet 121 are such that the elliptical outlet 121 is provided at each side of the hexagon surrounding the circular inlet 111 .
  • 6A, 6B, 6C, and 6D are diagrams showing other configurations of inlet 111 and outlet 121, respectively.
  • the shape and arrangement relationship between the inlet 111 and the outlet 121 may be such that a smaller circular outlet 121 is provided on the outer periphery of the circular inlet 111 as shown in FIG. 6A.
  • the shape and arrangement relationship between the inlet 111 and the outlet 121 are such that the outlet 121 is provided on the outer circumference of the circular inlet 111 and has the shape of a circular ring divided into four, as shown in FIG. 6B.
  • the elliptical discharge ports 121 are arranged on the outer periphery of the hexagonal inlet 111 at positions corresponding to the sides of the hexagon. It may be in such a mode that it is provided.
  • the shape and arrangement relationship between the inlet 111 and the outlet 121 as shown in FIG. good.
  • a valve element (1) for controlling fluid flow comprising: a first movable electrode section (11) comprising a fluid inlet (111) through which the fluid flows; A discharge port (121) for discharging the fluid is provided, and the first movable electrode portion is arranged on one side of the first movable electrode portion so as to cover the fluid introduction port and is spaced apart from the first movable electrode portion.
  • a valve element characterized by:

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Abstract

流体の流通を制御するための弁素子であって、前記流体が流通する流体導入口を備える第一可動電極部と、前記流体が排出される排出口を備え前記流体導入口を覆うようにして前記第一可動電極部から間隔を設けて配置される第二可動電極部と、前記第一可動電極部と前記第二可動電極部との前記間隔を確保するスペーサ部と、前記流体導入口と連通するバックチャンバーを形成するとともに前記第一可動電極部を支持するフレーム部とを有し、前記第一可動電極と前記第二可動電極に電圧を印加することにより生じる静電引力によって、前記第一可動電極部と前記第二可動電極部とを引き寄せて前記流体導入口を封止可能に構成されている。

Description

弁素子及び弁素子の製造方法
　本発明は、弁素子及び弁素子の製造方法に関する。
　従前より、流体の流通を制御する弁素子として、対向して配置される２つの電極部を有し、該２つの電極部の各電極に電圧を印加することによって静電引力を発生させて、一方の電極部に備えられた流体の導入口を、他方の電極部で封止する構造のものが知られている（例えば特許文献１）。図１に、このような構造の弁素子９の概略図を示す。
　図１Ａは弁が「開」状態の弁素子９の概略断面図を、図１Ｂは弁が「閉」状態の弁素子９の概略断面図を、それぞれ示している。図１に示すように、弁素子９は、基板９１（固定電極）に設けられた流体導入口９２から流体が導入され、該流体は基板９１に対して可動に形成されているダイアフラム９３（可動電極）に設けられた排出口（図示せず）から排出される構成となっている。そして、基板９１（固定電極）とダイアフラム９３（可動電極）とに電圧を印可することにより静電引力を発生させると、当該引力によりダイアフラム９３が基板９１に引き寄せられ、ダイアフラム９３によって流体導入口９２を封止することができる。このようにして、流体の流通を遮断、或いは印可電圧を調整してダイアフラム９３と基板９１の距離を調節することにより、流体の流量を制御することができる。
　そして、この場合の静電引力は次式（１）によってあらわすことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　上記式（１）において、Ｆは静電引力、εは空気の誘電率、Ｓは両電極が対向する面積、Ｖは印加電圧、ｄは両電極間の距離を示している。即ち、静電引力Ｆは、印加電圧Ｖ、電極間距離ｄに大きく依存しており、印加電圧Ｖを下げたり、電極間距離ｄを拡げたりすると著しく静電引力Ｆが弱くなり、弁を駆動する（即ち、ダイアフラム９３を基板９１側に引き寄せる）駆動力が低下することになる。
　一方、流体の排出特性の観点から見ると、両電極間の距離が大きいほど、また、流体導入口９２及び排出口の面積が大きい（即ち、両電極間の対向する面積が狭くなる）ほど、流体の排出を効率的に行うことができる。
　このように、従来から知られている静電引力により駆動する方式の弁は、弁が「開」状態の際の良好な流体排出特性を得るためには、両電極間の距離をある程度確保する必要がある。そうすると、弁の駆動力として十分な静電引力Ｆを得るためには、電極面積Ｓを大きくすることによって調整する、又は印加電圧Ｖを大きくすることによって調整する、ということになる。即ち、良好な流体排出特性を得たうえで、弁素子の小型化・低消費電力化を両立することは困難であった。
　一方、２つの半導体基板を接合して形成される常閉型のマイクロバルブにおいて、バイメタルを用いた熱駆動方式により、２つの半導体基板を互いに反対方向に撓ませることにより、弁を「開」状態にする技術が提案されている（例えば特許文献２）。このような手段によれば、一方の基板のみを撓ませることに比べて弁口と弁体との距離を大きくすることができ、低消費電力で良好な流体排出特性を得ることができる。
特開昭６３－３０７９５９号公報 特開２０００－２６６２２４号公報
　しかしながら、上記特許文献２に開示されているマイクロバルブでは、弁を駆動するための電極が弁素子の上下（表裏）に設けられることになり、弁素子の上下両面に対して配線を行う必要がある。また、当該マイクロバルブは、２枚の基板を貼り合わせることによって製造されており、これらを適切に接合するためには、ち密なウェハアライメントが必要となる。即ち、特許文献２に記載されているマイクロバルブを製造するためには、製造工程が複雑になり、製造の難易度が高くなってしまう。
　本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、簡易な製造工程により、静電引力を用いて駆動する方式の弁素子の小型化及び低消費電力化を両立できる技術を提供することを目的とする。
　上記の課題を解決するための本発明は、以下の構成を採用する。即ち、
　流体の流通を制御するための弁素子であって、
　前記流体が流通する流体導入口を備える第一可動電極部と、
　前記流体が排出される排出口を備え、前記第一可動電極部の一方の面側に前記流体導入口を覆うようにして前記第一可動電極部から間隔を設けて配置される第二可動電極部と、
　前記第一可動電極部と前記第二可動電極部との前記間隔を確保するスペーサ部と、
　前記第一可動電極部の他方の面側において前記流体導入口と連通するバックチャンバーを形成するとともに前記第一可動電極部を支持するフレーム部と、を有し、
　前記第一可動電極部と前記第二可動電極部に電圧を印加することにより生じる静電引力によって、前記第一可動電極部と前記第二可動電極部とを引き寄せて前記流体導入口を封止可能に構成されている、ことを特徴とする弁素子である。
　上記のような、弁口（第一可動電極部の流体導入口）と、これを封止する構造（第二可動電極部）とが、静電引力により互いに引き寄せられる構成を備えることにより、片側が固定電極である場合に比べて、同じ電圧を印加した場合における両電極間の接近距離を大きくすることができる。これにより、片側を固定電極とする場合と比べて、印加電圧を変えずに弁が「開」状態における両電極間の距離を大きくすることができる。
　このようにして、良好な流体排出特性を得るとともに、電極面積を大きくすることなく、弁を閉じる際の印加電圧を小さくすることができ、弁素子の小型化・低消費電力化を実現することが可能になる。また、上記のような構成であれば、１枚の半導体基板上に薄膜を積層して各構成要素を製造することができるため、半導体製造工程により容易に製造することが可能になる。
　また、前記弁素子は前記流体導入口及び該流体導入口に対応する前記排出口の組を複数有する構成であってもよい。また、前記流体導入口及び該流体導入口に対応する前記排出口の組が、アレイ状に配列されるようにしてもよい。
　このような構成によれば、弁が「開」時の流体排出特性をより向上させることができ、電極間距離を小さくしても良好な流体排出特性を得ることができる。これにより、弁素子をより小型化することができる。
　また、本発明は、流体の流通を制御するための弁素子の製造方法であって、
　半導体基板上に、第一の可動電極と前記流体が流通する流体導入口とを備える第一可動電極膜を形成する第一電極形成ステップと、
　前記第一可動電極膜上及び前記半導体基板上に絶縁性の素材により犠牲層膜を形成する犠牲層膜形成ステップと、
　前記犠牲層膜上に、第二の可動電極と前記流体が排出される排出口とを備える第二可動電極膜を形成する第二電極膜形成ステップと、
　前記第一の可動電極に接続される第一接続用電極、及び前記第二の可動電極に接続される第二接続用電極を形成する、接続用電極形成ステップと、
　前記半導体基板に、バックチャンバーを形成するバックチャンバー形成ステップと、
　前記犠牲層膜を、前記第一可動電極膜と前記第二可動電極膜との間隔を確保するスペーサ部を残してエッチングする、犠牲層膜エッチングステップと、を有する、
　ことを特徴とする弁素子の製造方法としても捉えることができる。
　なお、上記構成の各々は技術的な矛盾が生じない限り互いに組み合わせて本発明を構成することができる。
　本発明によれば、簡易な製造工程により、静電引力を用いて駆動する方式の弁素子の小型化及び低消費電力化を両立できる技術を提供することが可能となる。
図１Ａは、従来から知られる静電引力により弁を駆動する方式の弁素子の概略を示す第１の図である。図１Ａは、従来から知られる静電引力により弁を駆動する方式の弁素子の概略を示す第２の図である。 図２Ａは、本発明の実施例１に係る弁素子の概略を示す平面図である。図２Ｂは、本発明の実施例１に係る弁素子の断面の概略を示す第１の図である。図２Ｃは、本発明の実施例１に係る導入口、排出口の詳細を説明する図である。 図３Ａは、本発明の実施例１に係る弁素子の製造工程を示す第１の図である。図３Ｂは、本発明の実施例１に係る弁素子の製造工程を示す第２の図である。図３Ｃは、本発明の実施例１に係る弁素子の製造工程を示す第３の図である。図３Ｄは、本発明の実施例１に係る弁素子の製造工程を示す第４の図である。図３Ｅは、本発明の実施例１に係る弁素子の製造工程を示す第５の図である。図３Ｆは、本発明の実施例１に係る弁素子の製造工程を示す第６の図である。 図４Ａは、実施例１の弁素子の変形例を示す第１の図である。図４Ｂは、実施例１の弁素子の変形例を示す第２の図である。 図５Ａは、実施例１の弁素子の変形例を示す第３の図である。図５Ｂは、実施例１の弁素子の変形例を示す第４の図である。 図６Ａは、実施例１の弁素子の変形例を示す第５の図である。図６Ｂは、実施例１の弁素子の変形例を示す第６の図である。図６Ｃは、実施例１の弁素子の変形例を示す第７の図である。図６Ｄは、実施例１の弁素子の変形例を示す第８の図である。
　＜適用例＞
　以下に本発明の適用例の概要について一部の図面を用いて説明する。本発明は、例えば半導体製造工程により製造されるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍ）弁の弁素子１として適用することができる。図２は、本適用例に係る弁素子１の概略を示す図であり、図２Ａは、適用例に係る弁素子１の概略を示す平面図である。図２Ｂは図２Ａにおける弁素子１の弁が「開」状態におけるＡＡ断面を示す概略断面図であるが、断面の両端が省略された図となっている。図２Ｃは図２Ａ中の一点鎖線で囲んだ部位を拡大した図であり、後述する導入口１１１及び、排出口１２１の形状及び配置について説明する図である。
　弁素子１は概略、半導体からなるフレーム部１３と、当該フレーム部１３上に形成される第一可動電極部１１及び第二可動電極部１２とを有する構成となっている。第一可動電極部１１と第二可動電極部１２とは、いずれも可撓性を有する薄膜状に形成されており、スペーサ部１４によって絶縁されるとともに所定の間隔を空けて配置されている。
　フレーム部１３は半導体基板などで構成されており、弁に流れ込む流体の流路となるバックチャンバー１３１を備えている。第一可動電極部１１には流体を導入する導入口１１１が複数設けられており、また、第二可動電極部１２には、流体を排出する排出口１２１が複数設けられている。なお、図２Ａ中において、導入口１１１及び排出口１２１は模式的に示されており、その具体的な形状および配置関係は後に詳述する。
　そして、図２Ｂに示すように、弁が「開」の状態においては第二可動電極部１２と第一可動電極部１１との間には、中空部１５が形成されている。このように弁が「開」の状態においては、第一可動電極部１１に設けられている導入口１１１から流体を導入し、第二可動電極部１２に設けられている排出口１２１から流体を排出することで、流体を流通させることができる。
　本適用例に係る弁素子１は、いわゆる静電駆動方式により弁を開閉し、流体の流通を制御（流通の遮断を含む流量の制御）することができる。具体的には、第一可動電極部１１の第一可動電極１１０、及び第二可動電極部１２の第二可動電極１２０に電圧を印加することにより両電極間に静電引力を発生させ、これによって第二可動電極部１２と第一可動電極部１１とを互いに引き寄せることで、第二可動電極部１２と第一可動電極部１１との間隔（即ち、中空部１５の体積）を小さくすることができる。そして、この間隔の大小を変更することで流体の流量を制御できる。また、第二可動電極部１２と第一可動電極部１１が完全に密着した場合には、導入口１１１と排出口１２１とが互いに重ならない位置に設けられているため、弁を「閉」状態、即ち流体の流通を遮断することができる。
　本適用例に係る弁素子１では、第一可動電極部１１及び第二可動電極部１２がいずれも薄膜状に形成された可動の部材であるため、静電引力が生じた場合に互いに引き寄せ合うことになる。このため、一方の電極が固定電極で構成されているような従来型の弁素子に比べて、電極間の間隔を大きくとることができ、良好な流体排出特性を得ることができる。また、少ない印加電圧で弁を「閉」状態にすることが可能になる
　＜実施例１＞
　以下に、各図面（上記の適用例で一旦説明した図も含む）を順次参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいてさらに詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている具体的構成は、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
　（弁素子の構成）
　本実施例に係る弁素子１は、例えば、血圧計のカフに気体の供給と排出を行うＭＥＭＳ弁として用いることができ、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃに示すように、概略、フレーム部１３、第一可動電極部１１及び第二可動電極部１２を有する構成となっている。即ち、適用例において説明した弁素子１と同様の構成を有するため、適用例で説明した内容については、詳細な説明は省略する。また、本明細書では同一の構成要素については同一の符号を用いて説明を行う。
　フレーム部１３は、例えばＳｉなどの半導体からなる硬質基板であり、弁に流れ込む流体の流路となるバックチャンバー１３１を備えている。
　第一可動電極部１１は、例えばＳｉからなる第一可動電極１１０を備える薄膜状の電極部材であり、フレーム部１３の上面側（図２Ａで示す側、以下同様）に亘配置される。なお、第一可動電極部１１は、絶縁膜（例えば、ＳｉＮ膜）１１２を備えており、これによってフレーム部１３と絶縁されている。第一可動電極１１０は、電極パッド１１３と接続されており、該電極パッド１１３を介して外部の電源と電気的に接続され、電圧が印加されるようになっている。また、第一可動電極部１１には、流体を弁に導入する複数の導入口１１１が設けられている。当該導入口１１１の配置及び形状については後述する。
　第二可動電極部１２は、例えばＳｉからなる第二可動電極１２０を絶縁膜（例えば、ＳｉＮ膜）１２２で被覆して構成された可撓性を有する薄膜状の電極部材であり、複数の排出口１２１を備えている。当該排出口１２１の配置及び形状については後述する。第本実施例における第二可動電極部１２は、平面視において略円形状であり、円周上に複数の突出部１２４が配置される構成となっている。そして当該円周上の突出部１２４において、絶縁体からなるスペーサ部１４によって第一可動電極部１１の上面側から所定の間隔が設けられるとともに、第一可動電極部１１と絶縁されて配置される。スペーサ部１４の素材には、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）などを用いることができ、ＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ　Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｇｌａｓｓ）、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ　Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ　Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｇｌａｓｓ）などを用いてもよい。また、第二可動電極１２０は、電極パッド１２３と接続されており、該電極パッド１２３を介して外部の電源と電気的に接続され、電圧が印加されるようになっている。
　そして、第二可動電極１２０及び第一可動電極１１０の両電極に電圧が印可されると、静電引力が発生し、第二可動電極部１２と第一可動電極部１１とが互いに引き寄せられ、両者が完全に密着した状態では、導入口１１１が第二可動電極部１２で封止されることで、弁が「閉」の状態となる。なお、静電引力の方式で弁を駆動することについての説明は上述しているため、これ以上の説明は省略する。
　次に、第一可動電極部１１の導入口１１１及び第二可動電極部１２の排出口１２１について説明する。図２Ｃは図２Ａ中の一点鎖線で囲った部分の拡大図であり、導入口１１１及び排出口１２１の配置関係を示している。なお、図２Ｃにおいて破線で示している導入口１１１は実際には弁素子１を平面視して見えるわけではなく、あくまでその形状および配置関係の理解のために示されるものである。図２Ｃに示すように、導入口１１１と排出口１２１とは、平面視において一の導入口１１１の周囲を複数の排出口１２１が囲むような配置関係で設けられた組を成している。具体的な形状としては、円形の導入口１１１の周囲を囲む六角形の各辺に相当する位置に楕円形状の排出口１２１が設けられている。そして、図２Ａに示すように、弁素子１は、このような導入口１１１と排出口１２１の組が多数、いわゆるハニカム構造の態様でアレイ状に配列されている構成となっている。
　このように、導入口１１１と排出口１２１の組が多数、アレイ状に配列される構成となっていることにより流体の流路抵抗を低減することができ、第一可動電極部１１と第二可動電極部１２の間の間隔を小さくしても効率的に流体を排出することができる。これにより、両電極部を静電駆動するために印加する電圧を小さくすることも可能になる。
　（弁素子の製造方法）
　続けて、図３Ａ乃至図３Ｆに基づいて、本実施例に係る弁素子１を製造する方法の一例を説明する。なお、図３Ａ乃至図３Ｆの各図は、製造工程説明の便宜のための観念上の概略断面図であり、弁素子１のいずれかの部位についての正確な断面図とは異なる。弁素子１はいわゆる半導体製造工程によって、半導体基板上に薄膜を形成して製造することができる。
　弁素子１の製造フローではまず、フレーム部１３を構成するシリコン基板上に、第一可動電極１１０と導入口１１１とを備える第一可動電極部１１となる第一可動電極膜を形成する。当該工程が本発明に係る第一電極形成ステップに相当し、図３Ａは当該工程後の状態を示す概略断面図である。
　次に、前記第一可動電極膜上及び前記半導体基板上に、絶縁性の素材により後にスペーサ部１４となる犠牲層膜を形成する。当該工程が、本発明に係る犠牲層膜形成ステップに相当し、図３Ｂは当該工程後の状態を示す概略断面図である。
　続けて、前記犠牲層膜上に、第二可動電極１２０と排出口１２１とを備える第二可動電極部１２となる第二可動電極膜を形成する。当該工程が本発明に係る第二電極膜形成ステップに相当し、図３Ｃは当該工程後の状態を示す概略断面図である。
　次に、第一可動電極１１０に接続される電極パッド１１３、及び第二可動電極１２０に接続される電極パッド１２３を形成する。当該工程が本発明に係る接続用電極形成ステップに相当し、図３Ｄは当該工程後の状態を示す概略断面図である。
　さらに、フレーム部１３にバックチャンバー１３１を形成する。当該工程が本発明に係るバックチャンバー形成ステップに相当し、図３Ｅは当該工程後の状態を示す概略断面図である。次に、前記犠牲層膜を、第一可動電極部１１と第二可動電極部１２との間隔を確保するスペーサ部１４を残してエッチングする。当該工程が本発明に係る犠牲層膜エッチングステップに相当し、図３Ｆは当該工程後の状態を示す概略断面図である。
　本実施例に係る弁素子１は、以上のような工程により１枚の半導体基板上に薄膜を積層して製造することができ、容易に製造することができる。また、本実施例に係る弁素子１によれば、電極の面積を広くせずとも、また、印加電圧を大きくせずとも、良好な流体排出特性を得ることができる。即ち、良好な流体排出特性を備えつつ、小型化、低消費電力化が可能な弁素子を容易に製造することが可能になる。
　（第二可動電極部の支持構造の変形例）
　なお、上記の実施例では第二可動電極部１２は、４本の突出部１２４において設けられるスペーサ部１４で支持される構成となっていたが、第二可動電極部１２の支持構造はこのような構成に限られない。図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、図５Ｂはそれぞれ、第二可動電極部１２のその他の支持構造の例を示す図である。第二可動電極部１２は、図４Ａに示すように３本の突出部１２４に設けられるスペーサ部１４により支持される構造であってもよいし、図４Ｂに示すように、６本の突出部１２４に設けられるスペーサ部１４により支持される構造であってもよい。また、第二可動電極部１２は図５Ａに示すように、８本の突出部１２４に設けられるスペーサ部１４により支持される構造であってもよいし、突出部を設けずに円形の外周全体に亘ってスペーサ部１４を設けて支持されるような構成であってもよい。
　（導入口及び排出口の変形例）
　また、上記の実施例では、導入口１１１と排出口１２１の形状及び配置関係は、円形の導入口１１１の周囲を囲む六角形の各辺に相当する位置に楕円形状の排出口１２１が設けられているような態様であったが、これについても様々な変形が可能である。図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、図６Ｄは、それぞれ導入口１１１及び排出口１２１のその他の構成を示す図である。
　導入口１１１と排出口１２１の形状及び配置関係は、図６Ａに示すように円形の導入口１１１の外周にさらに小さな円形の排出口１２１を備えるような態様であってもよい。また、導入口１１１と排出口１２１の形状及び配置関係は、図６Ｂに示すように円形の導入口１１１の外周に、円環を四分割したような形状の排出口１２１を備えるような態様であってもよい。また、導入口１１１と排出口１２１の形状及び配置関係は、図６Ｃに示すように、六角形の導入口１１１の外周の当該六角形の各辺に相当する位置に楕円形状の排出口１２１を備えるような態様であってもよい。また、導入口１１１と排出口１２１の形状及び配置関係は、図６Ｄに示すように、四角形の導入口１１１のそれぞれの角の外周に沿うように排出口１２１を設けるような態様であってもよい。
　＜その他＞
　上記実施例の説明は、本発明を例示的に説明するものに過ぎず、本発明は上記の具体的な形態には限定されない。本発明は、その技術的思想の範囲内で種々の変形及び組み合わせが可能である。例えば、上記実施例においては、半導体製造工程により半導体基板上に薄膜を積層して弁素子を製造する方法を例示したが、これ以外の方法で本発明に係る弁素子を製造するのであってもよい。
　＜付記１＞
　流体の流通を制御するための弁素子（１）であって、
　前記流体が流通する流体導入口（１１１）を備える第一可動電極部（１１）と、
　前記流体が排出される排出口（１２１）を備え、前記第一可動電極部の一方の面側に前記流体導入口を覆うようにして前記第一可動電極部から間隔を設けて配置される第二可動電極部（１２）と、
　前記第一可動電極部と前記第二可動電極部との前記間隔を確保するスペーサ部（１４）と、
　前記第一可動電極部の他方の面側において前記流体導入口と連通するバックチャンバー（１３１）を形成するとともに前記第一可動電極部を支持するフレーム部１３と、を有し、
　前記第一可動電極部と前記第二可動電極部に電圧を印加することにより生じる静電引力によって、前記第一可動電極部と前記第二可動電極部とを引き寄せて前記流体導入口を封止可能に構成されている、
　ことを特徴とする弁素子。
　１・・・弁素子
　１１・・・第一可動電極部
　１２・・・第二可動電極部
　１３・・・フレーム部
　１４・・・スペーサ部
　１５・・・中空部
　１１０・・・第一可動電極
　１１１・・・導入口
　１１２、１２２・・・絶縁膜
　１１３、１２３・・・電極パッド
　１２０・・・第二可動電極
　１２１・・・排出口

Claims (4)

  1. 　流体の流通を制御するための弁素子であって、
    　前記流体が流通する流体導入口を備える第一可動電極部と、
    　前記流体が排出される排出口を備え、前記第一可動電極部の一方の面側に前記流体導入口を覆うようにして前記第一可動電極部から間隔を設けて配置される第二可動電極部と、
    　前記第一可動電極部と前記第二可動電極部との前記間隔を確保するスペーサ部と、
    　前記第一可動電極部の他方の面側において前記流体導入口と連通するバックチャンバーを形成するとともに前記第一可動電極部を支持するフレーム部と、を有し、
    　前記第一可動電極部と前記第二可動電極部の各電極に電圧を印加することにより生じる静電引力によって、前記第一可動電極部と前記第二可動電極部とを引き寄せて前記流体導入口を封止可能に構成されている、
    　ことを特徴とする弁素子。
  2. 　前記流体導入口及び該流体導入口に対応する前記排出口の組を複数有する、
    　ことを特徴とする、請求項１に記載の弁素子。
  3. 　前記流体導入口及び該流体導入口に対応する前記排出口の組が、アレイ状に配列されている、
    　ことを特徴とする、請求項２に記載の弁素子。
  4. 　流体の流通を制御するための弁素子の製造方法であって、
    　半導体基板上に、第一の可動電極と前記流体が流通する流体導入口とを備える第一可動電極膜を形成する第一電極形成ステップと、
    　前記第一可動電極膜上及び前記半導体基板上に絶縁性の素材により犠牲層膜を形成する犠牲層膜形成ステップと、
    　前記犠牲層膜上に、第二の可動電極と前記流体が排出される排出口とを備える第二可動電極膜を形成する第二電極膜形成ステップと、
    　前記第一の可動電極に接続される第一接続用電極、及び前記第二の可動電極に接続される第二接続用電極を形成する、接続用電極形成ステップと、
    　前記半導体基板に、バックチャンバーを形成するバックチャンバー形成ステップと、
    　前記犠牲層膜を、前記第一可動電極膜と前記第二可動電極膜との間隔を確保するスペーサ部を残してエッチングする、犠牲層膜エッチングステップと、を有する、
    　ことを特徴とする弁素子の製造方法。
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