(57)【要約】【課題】流路内にデッドスペースや流れを乱すことが無く、継ぎ手周りのリーク等の問題を解決し、かつ、ローコスト化を図ったマイクロリアクタを実現する。【解決手段】第１基板と第２基板を貼り合わせ、いずれか一方の基板に複数の凹部を設けて形成された複数のダイアフラムと、流路が形成されると共に該流路中に少なくとも一つの突起を有する第３基板からなり、前記流路に前記複数のダイアフラムを配置して圧力計、差圧流量計、バルブのうちの少なくとも２つを形成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１基板と第２基板を貼り合わせ、いずれか一方の基板に複数の凹部を設けて形成された複数のダイアフラムと、流路が形成されると共に該流路中に少なくとも一つの突起を有する第３基板からなり、前記流路に前記複数のダイアフラムを配置して圧力計、差圧流量計、バルブのうちの少なくとも２つを形成したことを特徴とするマイクロリアクタ。
【請求項２】
前記第１基板は絶縁体、前記第２基板は半導体で構成されたことを特徴とする請求項１に記載のマイクロリアクタ。
【請求項３】
前記流路に配置された前記複数のダイアフラムを構成する周辺部分を残して前記第２基板を除去したことを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロリアクタ。
【請求項４】
前記第１基板を貫通し前記ダイアフラムのそれぞれに所定の空間を隔てて対向して形成された第1貫通電極と、前記第１基板を貫通し前記それぞれのダイアフラム領域外で前記半導体基板に接して形成された第２貫通電極と、前記第１基板を貫通し前記ダイアフラム領域のそれぞれに連通する貫通孔と、を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のマイクロリアクタ。
【請求項５】
前記それぞれのダイアフラム上に線状に形成されたピエゾ抵抗素子と、前記第１基板を貫通し前記それぞれのダイアフラム領域外で前記ピエゾ抵抗素子の両端に接続する一対の第３貫通電極と、前記第１基板を貫通し前記ダイアフラム領域のそれぞれに連通する貫通孔と、を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のマイクロリアクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、数１０〜数１００μｍ程度のマイクロ流路内で圧力計、差圧流量計、弁のうちの少なくとも２種類の機能を有するように構成したマイクロリアクタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、化学反応を行うためのマイクロデバイスはマイクロリアクタと呼ばれており、（１）加熱，冷却速度が速い、（２）流れが層流である、（３）単位体積当たりの表面積が大きい、（４）物質の拡散長が短いので反応が迅速に進行する等の特徴がある。そして、マイクロな反応場は化学反応そのものにも本質的な影響を与える可能性も秘めている。
【０００３】
従来、マイクロリアクタのメイン部品である流路基板に対して、圧力計、流量計やバルブなどは個別に開発、製造されていた。使用時にはそれらの部品を継ぎ手を介してアッセンブリーするか、もしくはマイクロリアクタの流路内にそれらのデバイスを挿入して使用していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−８０３０６号公報
【特許文献２】特開平５−１６６９号公報
【特許文献３】特開平５−２４０３７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来のマイクロリアクタにおいては次のような問題があった。
１）圧力計、流量計やバルブの構造、製法は個々に異なり、製造コスト等がかかる。
２）個別に作製した圧力計、流量計やバルブをアッセンブリーする際、継ぎ手部分での流体の漏れが発生することがある。
３）圧力計や流量計を流路内に挿入すると、デッドスペースを生じたり、流れを乱すことがある。
【０００６】
従って本発明の目的は、
１）マイクロリアクタを構成する基板に構造やプロセスを共通化した圧力計、流量計およびバルブを一括して作り込むことにより、ローコスト化と、継ぎ手周りのリーク等の問題を解決し、
２）流路内にデッドスペースが無く、且つ、流れを乱すことの無いマイクロリアクタを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、請求項１に記載のマイクロリアクタの発明においては、
第１基板と第２基板を貼り合わせ、いずれか一方の基板に複数の凹部を設けて形成された複数のダイアフラムと、流路が形成されると共に該流路中に少なくとも一つの突起を有する第３基板からなり、前記流路に前記複数のダイアフラムを配置して圧力計、差圧流量計、バルブのうちの少なくとも２つを形成したことを特徴とする。
【０００８】
請求項２においては、請求項１に記載のマイクロリアクタの発明において、
前記第１基板は絶縁体、前記第２基板は半導体で構成されたことを特徴とする。
【０００９】
請求項３においては、請求項１または２に記載のマイクロリアクタの発明において、
前記流路に配置された前記複数のダイアフラムを構成する周辺部分を残して前記第２基板を除去したことを特徴とする。
【００１０】
請求項４においては、請求項１乃至３のいずれかに記載のマイクロリアクタの発明において、
前記第１基板を貫通し前記ダイアフラムのそれぞれに所定の空間を隔てて対向して形成された第1貫通電極と、前記第１基板を貫通し前記それぞれのダイアフラム領域外で前記半導体基板に接して形成された第２貫通電極と、前記第１基板を貫通し前記ダイアフラム領域のそれぞれに連通する貫通孔と、を有することを特徴とする。
【００１１】
請求項５においては、請求項１乃至３のいずれかに記載のマイクロリアクタの発明において、
前記それぞれのダイアフラム上に線状に形成されたピエゾ抵抗素子と、前記第１基板を貫通し前記それぞれのダイアフラム領域外で前記ピエゾ抵抗素子の両端に接続する一対の第３貫通電極と、前記第１基板を貫通し前記ダイアフラム領域のそれぞれに連通する貫通孔と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の請求項１，２，４，５によれば、構造やプロセスを共通化した圧力計、流量計やバルブを一括して作り込んてマイクロリアクタを構成したので、ローコスト化と、継ぎ手周りのリーク等の問題がなく、流路内にデッドスペースが無く、且つ、流れを乱すことの無いマイクロリアクタを実現することができる。
【００１３】
本発明の請求項３によれば、流路に配置された複数のダイアフラムを構成する周辺部分を残して第２基板を除去したので、半導体への接触が問題となる化学物質への影響を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明のマイクロリアクタに用いるダイアフラム部の実施形態の一例を示す断面図である。
【図２】本発明のマイクロリアクタ作製の概略工程図を示す断面図である。
【図３】本発明のマイクロリアクタ作製の他の概略工程図を示す断面図である。
【図４】圧力計、差圧流量計、バルブを作り込んだ断面図である。
【図５】本発明のマイクロリアクタの作製例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１（ａ〜ｄ）は本発明のマイクロリアクタに用いるダイアフラム部の構成図である。
図１（ａ）において、１は第１基板であり、例えば絶縁体からなるパイレックス（登録商標）基板である（以下、パイレックス（登録商標）基板という）。２は第２基板であり、例えば半導体からなるシリコン基板（以下、シリコン基板という）である。
【００１６】
パイレックス（登録商標）基板１とシリコン基板２は陽極接合などにより気密に貼り付けられており、パイレックス（登録商標）基板１には例えば直径１ｍｍ、深さ０．１ｍｍ程度の凹部３が形成されている。
【００１７】
シリコン基板２の厚さは例えば３μｍ程度であり、凹部３との間でダイアフラム４として機能する。５はパイレックス（登録商標）基板１を貫通し、一端を凹部３の表面に露出させダイアフラム４の中央部に位置するように形成された第１貫通電極である。
【００１８】
この第１貫通電極５の他端は取り出し配線（図示省略）に接合される。なお、第1貫通電極５の一端は所定の面積を有して形成されており、バイレックス基板１にはダイアフラム４の縁近傍に連通する貫通孔６が形成されている。
【００１９】
７はパイレックス（登録商標）基板１を貫通し、一端がダイアフラム領域外でシリコン基板２に接し、他端は取り出し配線に接合するように形成された第２貫通電極である。
上述の構成において、第１，第２貫通電極間に電気信号を流しておくことによりダイアフラム４の変位量に応じた静電容量の変化を検出することができる。
図１（ｂ）はシリコン基板２側にダイアフラム４を形成した実施例を示すもので、形状・寸法は図１（ａ）のダイアフラム部と同様である。
【００２０】
図１（ｃ）はシリコン基板で形成されたダイアフラム４上に例えば１本の線からなる渦巻きや櫛歯のピエゾ抵抗８を構成した実施例を示すものである。９はパイレックス（登録商標）基板１を貫通し、一端がピエゾ抵抗８の両端に接続された一対の第３貫通電極であり、この実施例ではパイレックス（登録商標）基板１にダイアフラム４の中央付近に連通する貫通孔６が形成されている。
上述の構成において、第３貫通電極間に電気信号を流しておくことによりダイアフラム４の変位量に応じた抵抗値の変化を検出することができる。
【００２１】
図１（ｄ）はシリコン基板２側にダイアフラム４を形成した実施例を示すもので、形状・寸法は図１（ｃ）のダイアフラム部と同様である。
【００２２】
図２（ａ，ｂ）はマイクロリアクタ作製の概略工程を示す断面図であり、図２（ａ）は図１（ａ）に示すようなパイレックス（登録商標）基板１側の凹部３によりダイアフラム４を形成したマイクロリアクタの作製例、図２（ｂ）は図１（ｂ）に示すようなシリコン基板２側の凹部３によりダイアフラム４を形成したマイクロリアクタの作製例を示している。
【００２３】
図２（ａ，ｂ）において、基板準備１の工程では、シリコン基板２としてＳＯＩ基板２を用意する。ＳＯＩ基板はシリコン膜２ａ,２ｂ間に酸化膜２ｃを挟んだものである。ここでシリコン膜２ｂの厚さは凹部３の深さとダイアフラム４の厚さに応じたものを用いる。
エッチング工程２において、図２（ａ）ではパイレックス（登録商標）基板１に凹部３を形成し、図２（ｂ）ではＳＯＩ基板２のシリコン膜２ｂに凹部３を形成する。
なお、貫通電極と貫通孔の作製工程についてはここでは論じないが、半導体加工技術の公知の方法により形成する。
【００２４】
接合工程３において、図２（ａ）ではパイレックス（登録商標）基板１に形成された凹部３側とＳＯＩ基板２を陽極接合などにより接合する。図２（ｂ）ではＳＯＩ基板に形成された凹部３側とパイレックス（登録商標）基板１を陽極接合などにより接合する。
【００２５】
エッチング工程４において、図２（ａ，ｂ）両方ともＳＯＩ基板２の表面のシリコン膜２ａとサンドイッチ状に配置された酸化膜２ｃを除去してシリコン膜２ｂを露出させダイアフラム４を形成する。即ち、図１に示すシリコン基板２はシリコン膜２ｂに相当する。
接合工程５において、図２（ａ，ｂ）両方とも流路１１、堰１２および弁体１３となる凸起が形成された第３基板（パイレックス（登録商標）基板）１０を陽極接合などにより接合する。
【００２６】
図３（ａ，ｂ）は他のマイクロリアクタ作製の概略工程を示す断面図であり、図３（ａ）は図１（ａ，ｃ）に示すようなパイレックス（登録商標）基板１側の凹部３によりダイアフラム４を形成したもの、図３（ｂ）は図１（ｂ，ｄ）に示すようなシリコン基板２側のシリコン膜２ｂに凹部を形成し、凹部の周りのシリコン膜２ｂを除去したマイクロリアクタの作製例を示している。
【００２７】
図３（ａ，ｂ）において、基板準備工程１では、シリコン基板２としてＳＯＩ基板を用意する。ここでシリコン膜２ｂの厚さは凹部３の深さとダイアフラム４の厚さに応じたものを用いる。
エッチング工程２において、図３（ａ）ではＳＯＩ基板２のシリコン膜２ｂ側にダイアフラムとなる部分４ａを形成し、図３（ｂ）ではシリコン膜２ｂ側に凹部３を形成する。なお、後述する流路に位置しない領域はシリコン部分を残しておくものとする。また、貫通電極と貫通孔の作製工程についてはここでは論じないが、半導体加工技術の公知の方法により形成する。
【００２８】
接合工程３において、図３（ａ）ではパイレックス（登録商標）基板１に形成された凹部３側とＳＯＩ基板２を陽極接合などにより接合する。
図３（ｂ）ではＳＯＩ基板２に形成された凹部３側とパイレックス（登録商標）基板１を陽極接合などにより接合する。
【００２９】
エッチング工程４において、ＳＯＩ基板２を構成する上部のシリコン膜１ａと酸化膜２aｃを除去する。
接合工程５において流路１１を形成した第３基板(パイレックス（登録商標）基板)１０を接合する。
上述の工程により作製したマイクロリアクタによれば、流路１１にはシリコン膜はダイアフラム４の部分のみが配置された状態となる。
なお、流路中におけるダイアフラムの存在はきわめて小さいのでシリコンが化学物質に与える影響を少なくすることができる。
【００３０】
なお、図２，３のマイクロリアクタ作製の概略工程において、静電容量式かピエゾ抵抗式にするかは任意に作製可能である。
【００３１】
図４（ａ，ｂ）は構造やプロセスを共通化した圧力計、流量計やバルブを一括して作り込んだマイクロリアクタの実施例を示す断面図である。
図４（ａ，ｂ）において、１０は第３基板であり、例えばパイレックス（登録商標）基板１に流路１１及び堰１２または弁体１３として機能する凸部が形成されている。なお、図４（ａ）は図２（ｂ）、図４（ｂ）は図３（ｂ）に示す工程により作製したものを示している。
【００３２】
流路１１の下方にはダイアフラム４が配置され、圧力計１４、差圧流量計１５、バルブ１６が形成されている。１７は流路の両端に形成された流体の入出力ポートである。
即ち、圧力計１４は流体の圧力によりダイアフラムが歪むのでその歪に応じて変化する静電容量または抵抗値の変化により圧力を測定する。
【００３３】
差圧流量計１５は堰として機能する凸部１２の両側に所定の距離を隔てて一対のダイアフラム４を設け、堰の上流側と下流側の圧力差をダイアフラム４で検出することにより流量を測定するものである。
【００３４】
バルブ１６は弁体として機能する凸部１３を設け、ダイアフラム４と凸部１３の隙間を開閉することにより流路のノーマリオープンまたはノーマリクローズを実現する。
図４においては静電容量式に用いる貫通電極を示したが、静電容量式かピエゾ抵抗式にするかは任意に作製可能である。
【００３５】
図５（ａ〜ｃ）は本発明のマイクロリアクタの製作例を示す平面図、図２（ｄ）は応用例を示す平面図である。
図５（ａ）にはシリコン基板２上の流路に対応する位置に、図１（ａ，ｂ）または図１（ｃ，ｄ）に示すダイアフラム４を複数個作製する。このシリコン基板の裏面には図４（ａ，ｂ）に示すようにパイレックス（登録商標）基板１が陽極接合などにより貼り付けられている。
【００３６】
次に、図５（ｂ）に示すようにシリコン基板２上に、流路１１と堰１２を形成した第３基板１０を陽極接合などにより接合する。なお、図５（ｂ）では第３基板１０の表面から透視した図を示している。
【００３７】
次に図５（ｃ）に示すようにパイレックス（登録商標）基板１の裏面に露出した貫通電極５，７（図４参照）にダイアフラム４を電気的に使用するための電気配線を行う。
図５（ｄ）は基板上に複数の流路を形成し集積化ガスシステムなどに応用した実施例を示すもので、図では電気配線は省略している。
【００３８】
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。例えば絶縁基板の第１基板としてパイレックス（登録商標）基板、半導体からなる第２基板としてシリコン基板を用いたが同様の機能を有する他の部材であってもよい。
従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。
【符号の説明】
【００３９】
１      第１基板（シリコン）
２      第２基板（パイレックス（登録商標））
３      凹部
４      ダイアフラム
５      第１貫通電極
６      貫通孔
７      第２貫通電極
８      ピエゾ抵抗
９      第３貫通電極
１０    第３基板（パイレックス（登録商標））
１１    流路
１２    突起（堰）
１３    突起（弁体）
１４    圧力計
１５    差圧流量計
１６    バルブ
１７    ポート
１８    電気配線
【図１】
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【図４】
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【図５】
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【図２】
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【図３】
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