(57)【要約】【課題】高流量及び高速応答性を実現するマイクロバルブを提供する。【解決手段】バルブは、流体経路プレートと、変位可能なメンブレン部分を有するメンブレンプレートと、前記変位可能なメンブレン部分を比例式に駆動するための手段を備える。前記流体経路プレートは、頂面と、底面と、前記頂面及び前記底面に接続する入口ポート及び出口ポートを有する。前記メンブレンプレートは、さらに、頂面と、前記流体経路プレートの前記頂面に取り付けられた底面を有する。前記変位可能なメンブレン部分は、前記流体経路プレートの前記入口ポートを選択的に塞ぐ。【選択図】図６
2007509286.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
頂面と、底面と、前記頂面及び前記底面に接続する少なくとも２つの入口ポート及び少なくとも１つの出口ポートを有する流体経路プレートと、
頂面と、前記流体経路プレートの前記頂面に取り付けられた底面と、変位可能なメンブレン部分を有するメンブレンプレートと、
前記メンブレンプレートの前記頂面に取り付けられた前記変位可能なメンブレン部分を比例式に駆動するための手段とを備え、
前記変位可能なメンブレン部分は前記流体経路プレートの前記入口ポートのうち少なくとも１つを選択的に塞ぐことを特徴とするバルブ。
【請求項２】
請求項１記載のバルブであって、前記入口ポートの周囲長の合計の前記入口ポートの面積の合計の平方根に対する比が４より大きいことを特徴とするバルブ。
【請求項３】
請求項１記載のバルブであって、前記バルブは、マイクロマシン加工されたバルブであることを特徴とするバルブ。
【請求項４】
請求項３記載のバルブであって、前記入口ポートの周囲長の合計の前記入口ポートの面積の合計の平方根に対する比が４より大きいことを特徴とするバルブ。
【請求項５】
請求項３に記載のバルブであって、前記メンブレンプレートは、アルミナ、ゲルマニウム、ガラス、パイレックスガラス、シリコン及び二酸化シリコンからなる群から形成されることを特徴とするバルブ。
【請求項６】
請求項３記載のバルブであって、前記入口ポートの頂面は、前記ポートの直径よりも小さい寸法の環形を有し、かつ、前記流体経路プレートの頂面の上方へ延在することを特徴とするバルブ。
【請求項７】
請求項３記載のバルブであって、前記メンブレンプレートは、単結晶シリコンから形成され、前記変位可能なメンブレン部分は、１００μｍより小さい厚みであることを特徴とするバルブ。
【請求項８】
請求項３記載のバルブであって、前記駆動されていない変位可能なメンブレン部分は、前記入口ポートの前記頂面から１００μｍより小さい位置に位置決めされていることを特徴とするバルブ。
【請求項９】
頂面と、底面と、前記頂面の周囲に複数の屈曲形状を有する少なくとも１つの入口ポートと、前記頂面及び前記底面に接続する少なくとも１つの出口ポートを有する流体経路プレートと、
頂面と、前記流体経路プレートの前記頂面に取り付けられた底面と、変位可能なメンブレン部分を有するメンブレンプレートと、
前記ダイヤフラムプレートの前記頂面に取り付けられた前記変位可能なメンブレン部分を比例式に駆動する手段とを備え、
前記変位可能なメンブレン部分は、前記流体経路プレートの前記入口ポートのうち少なくとも１つを選択的に塞ぐことを特徴とするマイクロマシン加工されたマイクロバルブ。
【請求項１０】
バルブの入口圧力を最小化し、流量を最大化する方法であって、
流体を選択するステップと、
接液面材質を選択するステップと、
流量、温度、入口圧力、出口圧力、入口ポートで囲まれる面積、該入口ポートの周囲長及び、フルスケールフローでの変位可能なメンブレンと前記入口ポートの前記頂面との離間距離とからなる一覧のうちの６個の変数に対して動作値を選択するステップと、
高流量周囲部アルゴリズム（Ｈｉｇｈ  Ｆｌｏｗ  Ｐｅｒｉｐｈｅｒｙ  Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）を用いて７番目の変数の値を計算するステップと、
を備えることを特徴とするバルブの入口圧力を最小化し、流量を最大化する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロマシン加工されたマイクロバルブの分野に関し、特に、高流量の流体を制御するためのマイクロバルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
「マイクロバルブ」という概念は、産業用プロセスでの流体供給や流体制御において高流量の用途にマイクロバブルを使用することを、表面上は拒絶しているようにみえる。半導体プロセスにおけるマスフローコントローラ（MFC）では、最大５０標準リットル毎分（ｓｌｍ）のガス流量を必要とする。ガスや液体クロマトグラフィー機器においても、同程度の流量が必要となる。また、冷凍機では、最大１２立方センチメートル毎分（ｃｃｍ）、すなわち１２ｓｌｍのガス流量と同程度の液体流量が必要となる。自動車用エンジンのマニホールドエア流量用途においても、車両用原動機の効率や馬力を最適化するために、高流量のエアが必要となる。高純度流体制御、比例式流量制御、高速応答性といった要求が、上述した高流量用途へのマイクロバルブの使用に対して障壁となっている。
【０００３】
米国特許４５３８６４２号[１]および米国特許４５８５２０９号[２]では、小さいバルブの入口部および／または弁座に開口部を配列する技術を開示している。この開口部の配列に対してダイヤフラムまたはカンチレバーを静電駆動させることで、フローのオンやオフを行う。この構成においては、弁座における開口部の配列は、ダイヤフラムまたはカンチレバーを機械的に支持するようになっており、また、静電力を利用して開閉を行う。[１]や[２]では、複数の開口部を流れることの効果は議論されていない。
【０００４】
米国特許５３３３８３１号[３]では、マイクロバルブを通過するフローの抵抗を低減させるために、マイクロバルブの弁座にエッジを立てる技術が開示されている。この発明では、単一の入口部および単一の出口部を有するマイクロバルブを開示している。
【０００５】
ズデブリック（Ｚｄｅｂｌｉｃｋ）[４]は、熱空気圧(ｔｈｅｒｍｏｐｎｅｕｍａｔｉｃ)駆動を用いたマイクロバルブの極めて重要な動作および技術を開示している。米国特許４９６６６４６号は、ここに参照することにより、開示に含む。
【０００６】
リヒター（Ｒｉｃｈｔｅｒ）[５]は、弁座を構成する複数のバルブ開口部に対して駆動するバルブフラップを有するマイクロバルブを開示している。ここで開示されている構造は、様々な種類の出口ポート経路構成および開口部構成を含んでおり、その中のひとつの構成は、流動抵抗を最小にするため弁座エッジを立てることに関して、[３]の教示を含んでいる。そこでは、流量が、バルブ開口部の数およびバルブフラップまでの距離に比例するように、定性的に説明されている。リヒター（Ｒｉｃｈｔｅｒ）の発明では、バルブは、開閉のみの２ポジションバルブであり、比例制御方式ではない。また、ズデブリック（Ｚｄｅｂｌｉｃｋ）以外の発明において、流れ方向は、垂直または水平であり、変形しないダイヤフラムを通って、弁座の面を通じて出て行く。
【０００７】
ワン（Ｗａｎｇ）[６]は、“大流量”マイクロバルブのフローモデルを説明している。このモデルにおいて、流量は、ダイヤフラム上の変形しない突起部と弁座との間のギャップに対して直線的に比例する。しかしながら、このモデルは、オリフィスの弁座直径に比較して前述のギャップが比較的大きい場合のフローを説明していない。フロー有効面積は、４つのオリフィス面の合計とギャップ距離との積として定量的に与えられる。ワン（Ｗａｎｇ）は、圧縮性気体に対する理想的な音速流の方程式の単純化したものを用いようとしていると考えられる。
【０００８】
米国特許６１２９３３１号[７]では、エッジが立てられた弁座に対して変形可能なメンブレンを有するマイクロバルブが開示されている。ここでいう「変形可能」とは、メンブレンが、必ずしも平坦ではなく、メンブレンの厚さ及びメンブレンを支持するフレームの縁端構造に規定されながら湾曲部を有することが可能であることを意味する。この文献では、また、表面実装されたマイクロバルブも開示している。すなわち、上述したマイクロバルブと異なり、流れは単一の平面を通ってマイクロバルブを通って、入り、出ていく。この単一平面は、マイクロバルブとその支持パッケージ若しくはマニホールドとの取付け面でもある。このような表面実装の構成においては、制御流体と接触する部分はバルブ材、取付け材、マニホールド材に制限される。米国特許６１２９３３１号は、ここに参照することにより、開示に含む。
【０００９】
ファン  デア  ウィジンガ（ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｗｉｊｎｇａａｒｔ）[８]は、マイクロバルブフローの有限要素シミュレーションを報告している。そこでは、種々の弁座配列形態が検討されている。各配列は、正方形オリフィスの配列であり、あるものはエッジが立てられている。複雑な形状のダイヤフラムは、ダイヤフラムを通って流体を流すための入口孔を有し、弁座配列に対して均等に近づく、または、離れるように昇降動作する。すなわち、ここでのダイヤフラムは、変形可能ではない。他の構造では、フローが側面から流入し、ダイヤフラ上の隆起した突起部が作動して弁座をシールする。ファン  デア  ウィジンガ（ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｗｉｊｉｎｇａａｒｔ）は、ダイヤフラム又は突起部が弁座に近接する場合、弁座のオリフィスを通る流量は、突起部外周で定義される面積とギャップｚの関数になるとしている。突起部が、半径ｒのオリフィスからr／２の長さよりも離れる場合、オリフィス面積は、流量を決定する際の重要なパラメータとなる。ファン  デア  ウィジンガ（ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｗｉｊｉｎｇａａｒｔ）は、５０μｍよりも小さい、短ストロークバルブを中心に取り上げている。そこでは、ストローク長の半分の半径を有するオリフィスで対応できる流量以上の流量を達成するという課題を解決しようとしている。ファン  デア  ウィジンガ（Ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｗｉｊｉｎｇａａｒｔ）は、許容される最大径である複数のオリフィスを作製し、弁座制御領域つまりｒ／２以内の状態におくことで解決しようとしている。なお、ファン  デア  ウィジンガ（ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｗｉｊｉｎｇａａｒｔ）は、オリフィス周囲部の重要性には言及していない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来技術におけるマイクロバルブは、すべて５ｓｌｍ以下の流量に制限されているが、さらに高流量のマイクロバルブの要求がある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
マイクロバルブのフローを最適化するとき、応答時間は、一般に、移動しなければならないメンブレン−弁座間ギャップの線形関数であるため、マイクロバルブの応答時間を同時に考慮しなければならない。マイクロバルブの周囲部の効果を明らかにするフローモデルによって、今までに予想できず明確でなかった、高流量と高速応答性の２つを実現しようという課題に対する解決法が明らかとなるだろう。
【００１２】
さらに、高流量MFCは、広い流量制御範囲及び高い流量精度が要求されるが、ダイヤフラムが平坦で、変形可能でない場合は、弁座配列に対してダイヤフラムを実現が難しいほどの高い精度で位置決めしなければならない。駆動面が、メンブレンのように、変形可能な場合のみ、高流量、広い流量制御範囲及び高い流量精度に対する仕様を一度に満たすことが可能となる。ここで用いられる「ダイヤフラム」という用語は、変形可能でないプレートに対して使われ、平面状態で上下動作することによって、弁座の開口部の流れを制御する。「メンブレン」という用語は、変形可能な部分を有する構造に対して用いられ、弁座に向かって駆動すると楕円形状や環形状になる。弁座と接触すると、メンブレンが平らになり始め、弁座開口部を徐々に覆っていき、完全駆動および完全閉鎖が達成される。
【００１３】
例えば、窒素ガス５ｓｌｍすなわち５０００ｓｃｃｍが流れる圧力型MFCを考える。ここで、フローセンサ内のクリティカルオリフィスは、圧力１５ｐｓｉａにおいて５ｓｌｍ流れる。このＭＦＣは、５０：１の流量設定値範囲に対して、設定値の１％以内の流量精度が必要となる。すなわち、設定値がフルスケールの２％、つまり、１００ｓｃｃｍを流す場合、ＭＦＣはこの値の１％、つまり、１ｓｃｃｍの精度で制御しなければならない。ここで、変形しないダイヤフラムを使用する際の必要条件と変形可能なメンブレンの場合とを対比してみる。文献[１０]のフローモデルを用いると、５００μｍの孔径を有する２３個の孔で構成される弁座配列が、入口圧力１５ｐｓｉａ、温度２９８Ｋ、弁座配列−メンブレン間ギャップ１５μｍで５０００ｓｃｃｍの流量を流せる。フルスケールの１００％の設定値に対して１％の流量精度をとるには（すなわち、流量設定値５０００ｓｃｃｍで５０ｓｃｃｍの精度）、変形可能なメンブレンの位置を１５ｎｍの精度内に収めなければならない。これは実現可能な値である。しかしながら、フルスケールの２％の設定値に対して１％の流量精度をとるには（すなわち、流量設定値１００ｓｃｃｍで１ｓｃｃｍの精度）、変形しないダイヤフラムの位置を０．３ｎｍの精度内に収めなければならない。これは実現可能な値ではない。このもっとも厳しい仕様の例においては、変形可能なメンブレンのみが必要な精度を達成できる。すなわち、弁座配列に対するギャップが均等でない、特にバルブ閉鎖をする部分近傍のギャップが均等でないメンブレンのみが、必要な精度を達成できる。配列全体にわたって徐々に開口部を閉じることによって、高精度を達成することの困難性が解決される。
【００１４】
大部分のＭＦＣは、１５ｐｓｉａよりもかなり高いバルブ入口圧力で動作するようになっており、ダイヤフラム位置精度の要求の制約が更に強くなって、変形可能なメンブレンは、より必須となってくる。
【００１５】
文献[３]、[６]、[９]では、弁座周囲部の幅の重大な効果については議論していない。この幅が大きすぎると、寄生抵抗効果が現れてくる。これらの効果によって、マイクロバルブフローにおいて２つの現象が観測され、マイクロバルブの性能を制限する。第一は、いわゆる「ソフトターンオン」と呼ばれ、ターンオン特性が弱まる、若しくは、抑えられてしまう。第二は、所与の圧力及び温度境界条件に対する最大流量値が低くなる。本発明では、この幅の重要な態様について、また、この幅を最小化する必要性を報告する。
【００１６】
このように、本発明は、この段階においては、明らかではないが、以下、当業者によって理解されるであろう。具体的には、高流量比例制御式マイクロバルブが開示される。このバルブにおいて、弁座周囲長のフロー断面積に対する比が大きい弁座構造を用いて、高流量が達成される。同時に、マイクロバルブの最高流量状態と最低流量状態とを達成するためにメンブレンが移動しなければならないギャップを最小にすることによって、高速応答性を達成する。さらに、弁座構造に対して変形可能なメンブレンを駆動することによって、優れた比例制御、高い流量精度、広い流量制御範囲を達成する。さらに、カンチレバーの代わりにメンブレンを用いることで、また、穿孔のないメンブレンを用いることで、高純度流体にも対応する。このメンブレンによって、フローは、弁座構造からフロー出口構造へ、又は、フロー入口構造から弁座構造に向かって、弁座構造と同一平面を通じて流れる。
【００１７】
ここでの議論では、主にバルブにおける衝突流について説明する。この議論が、効果又は一般性を失わずに、吸込流に対しても容易に説明できることは、当業者にとって明らかであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は、弁座周囲長の線形パラメータに対する比を最大化することにより高流量を達成するバルブの設計方法を開示する。ここで、線形パラメータとは、弁座周囲部によって囲まれた面積の平方根と等しい。また、所与の弁座面積に対する好適な構造も開示される。この流量の最大化は、また、所望の最大流量に対応してアクチュエータと弁座とのギャップを最小化する。そのため、これらバルブの設計では、ギャップ高さ制御領域でのバルブ動作が仮定されている。このギャップは弁座開口部の半径の１／２よりも小さい。しかしながら、本発明のバルブフローモデルが示すように、この古典的な状態は常に成り立つわけではない。オリフィス制御フローもまた、考慮されなければならない。ギャップ制御フローからオリフィス制御フローへの遷移は、バルブの実設計パラメータの関数であり、以下に示すように、完全フローモデルが重要となる。
【００１９】
弁座面積のある束縛条件に対する流量を最大化することによって、ある圧力境界条件に対する流量も最大化される。
【００２０】
本発明に係るバルブを設計するために用いられる古典圧縮気体の流体方程式は以下である。気体がマイクロバルブの最も狭搾した部分を流れる際、流出係数によって境界層効果が説明される。気体が上記以外の部分を流れる際は、フロー係数によって古典論からの逸脱が説明される。
【００２１】
【数１】
2007509286.tif 000003
【００２２】
【数２】
2007509286.tif 000004
【００２３】
マイクロバルブフローを記述するために、古典方程式は以下のように修正される。
【００２４】
【数３】
2007509286.tif 000005
【００２５】
これらの方程式は、第一に、流量とバルブ入口圧力及び出口圧力との関係を扱う。第二に、バルブの有効フロー面積、メンブレン−弁座ギャップ距離及び弁座周囲長の関係を扱う。完全な説明は、文献[９]に記載されている。文献[９]は、ここに参照されることで開示に含まれる（液体に対する流体方程式も記述することができる。それらの方程式は、流量とバルブ入口圧力及び出口圧力との関係に違いがあるが、有効面積に関する上記の関係は保持する。）。
【００２６】
一例として、直径が５００μｍの円形弁座の１０個の配列を考えると、周囲長Ｗはπ＊５００＊１０μｍ、面積Ａは１０＊π＊（５００）2／４、インレット長パラメータはＤh＝√Ａ＝１４００μｍである。前述の比φは１１．２となる。
【００２７】
パラメータｒ0は、このモデルの枠では、実験から得られるフィッティングパラメータである。弁座の直径が０．０８５ｍｍ〜２．０ｍｍの弁座直径であるマイクロバルブに対して、実験事実では、０．１３＜ｒ0＜０．１７となる。注意する点として、有効面積関数及びそれらの一次導関数の連続性により、ｒ0がこのモデルにおける唯一の自由パラメータになっている。このｒ0は、理論結果を所与のバルブ及びマニホールド構成に対する実際の結果に修正することで決定される。
【００２８】
これらの方程式によって、種々の構成を最適化することができる。例えば、圧力及びフロー境界条件に対する仕様が与えられると、本モデルを用いて、独立変数としてのメンブレン−弁座ギャップと従属変数としての弁座周囲長とが関連付けられる関数が得られる。バルブアクチュエータの速度又は電力消費に対する仕様に基づいて、ギャップを選択することができる。得られる周囲長は、入り組んだ周囲の単一オリフィスの弁座構成として、または、正方形、円形或いは任意の形状の複数のオリフィスの配列として、達成される。
【００２９】
また、周囲長とメンブレン−弁座間の最大振幅で定義される弁座構造が与えられるとバルブ入口圧力及び出口圧力と流量とを関連付ける関数が得られる。
【００３０】
ここで述べておくと、本発明は、マイクロバルブに関するものであるが、実際はいかなるサイズのバルブ構造にも一般化可能である。そのため、本発明の適用範囲は、マイクロバルブ関連を超えて、例えば、炉や燃焼装置での天然ガスや蒸気流の制御のような工業用途も含まれる。
【００３１】
本発明に係るマイクロバルブの好適な実施形態であるバルブ構造８００を図８に示す。前記バルブは、マニホールド８８０に取り付けられ、ガラス層８９０、支持構造８１０を有するシリコンメンブレン８３０、及びシリコン弁座構造８５０で構成される。弁座構造８５０は、円形状のオリフィスの配列で構成され、マイクロマシン技術を用いてシリコンより作製される。さらに入口流８６０および出口流８７０も図示されている。各オリフィスの直径は、ほぼ４５０μｍであるが、５０μｍから１．５ｍｍの間で変更可能である。流量を落とすには、より小さい径のオリフィス及びより小さいバルブで制御できる。好適な実施形態で示されているものよりも大きな面積のメンブレンを用いれば、大きな径のオリフィスを使うことができる。そのように範囲を追加することは、本発明の意図している部分であり、当業者であれば、本発明におけるサイズを大きく、または、小さくしたりする方法は理解できるであろう。配列内のオリフィスの中心間距離は、６２５μｍ程度である。各オリフィスの弁座の周囲部幅は、５０μｍ程度である。弁座配列内のオリフィス数は、好適なアクチュエータメンブレンの変形性質に合わせて、少なくて２個、多くて２５個である。しかしながら、小さいオリフィス径であれば、配列内のオリフィス数を相当に増やして、メンブレン内に収めることもできる。径が大きいオリフィスであれば、アクチュエータメンブレンの面積を増やすことで配列内のオリフィス数を増やすことができる。
【００３２】
寄生フロー抵抗を抑えるために、個々のオリフィスは、弁座配列を支持する構造平面の上方、ほぼ１００μｍのところに座面を有する。この高さは、程度の差はあるが、１００μｍがよい。実際には、ある設計に対する構造を流れる最大流量を制限する寄生フロー抵抗を犠牲にして高い精度を得るために、完全な平面板を用いることができる。
【００３３】
弁座配列の支持構造はまたフロー出口孔を有する。オリフィス配列が入口の態様から出口の態様に変更された場合、これらの出口孔は入口孔となる。これらの孔は、支持構造の縁端部に沿って、スロットとして配置されたり、配列に対して対称に配置された１つ以上の孔として配置される。さらに、本フローモデルは、逆流の条件にも当てはまる。
【００３４】
本実施形態における弁座配列に対して駆動されるメンブレンは、シリコンからマイクロマシン加工されることが好ましい。平坦で可撓性の板材であり、約４ｍｍ角、厚さは５０μｍ程度である。メンブレンには穿孔はなく、マイクロバルブにそのようなメンブレンを使用することで、「表面実装」マイクロバルブが容易に得られる。この表面実装マイクロバルブでは、フローは同一平面を通って弁座配列及びその支持構造を流入及び流出する。穿孔がないため、そのようなマイクロバルブは、できるだけ構成材と接触させてはならなかったり、ある限られた構成材との接触のみが許されるような流体の使用をする際に適している。特に、半導体デバイスの製造に用いられる高純度流体の制御、供給用のＭＦＣには、そのような厳しい仕様がある。メンブレンはまた、弁座配列と接触する文献[６]のような複雑な構造は含まない。そのような構造は厚みにゆらぎがあり、本発明の好適な実施形態であるメンブレンの変形自在な性質を殺してしまうことがある。
【００３５】
メンブレンと弁座配列との間のギャップ最大値は、弁座周囲長、流体の種類、温度、圧力境界条件と同様に、マイクロバルブの質量流量のレートを決定する。この好適な実施形態において、ギャップの値は、高流量に対しては５〜５０μｍの範囲である。ギャップを小さくすれば、流量を下げることができる。メンブレンの駆動範囲が大きい機構やその他のトレードオフとなる性能を犠牲にすれば大きなギャップでも可能である。
【００３６】
メンブレンに穿孔がない状態を維持できるような手段を介して、メンブレンは駆動される。等圧力をメンブレンのアクチュエータ側に供給するような、空気圧式及び熱空気圧式（ｔｈｅｒｍｏｐｎｅｕｍａｔｉｃ）駆動が、この構造にはもっとも理想的である。また、圧電性物質、形状記憶合金、バイメタルのような他の駆動方法も選択できる。
【００３７】
また、図３や図４に示すように、正弦曲線や入り組んだ周囲を有するオリフィス形状を採用することもできる。入り組んだ形状によって、（メンブレンによって覆われる）所与の面積における周囲長を効率よく増加させることができる。入り組んだ弁座構造では、正弦曲線形状の弁座構造よりも周囲長対面積の比がより高い。
【００３８】
本発明に係るマイクロバルブの設計方法は文献[１０]で説明されている高流量アルゴリズムと密接な関係がある。これらの方法は、図９及び図１０で叙述されている。この方法のもっとも顕著な特徴は、２つの手法のうちのひとつを選択できるという点である。第一の方法は、温度及び圧力境界条件とともに、流体の種類が選択される。そして、文献[１０]のアルゴリズムによって、流量が有効面積の関数として得られる。この有効面積は、それ自体、バルブ入口配列のバルブ入口ポートのサイズ（面積及び周囲長）とポート数の関数である。第二の方法は、温度とともに、流体の種類が再度選択される。有効面積は、入口ポートの構造の詳細（面積、周囲長及び数）から決定されるように固定する。そして、文献[１０]のアルゴリズムから、流量は入口圧力及び出口圧力の関数として得られる。
【００３９】
上述したように、本発明の実施形態を例示してきたが、それらは、本発明を制限するものではない。特に、ここで記載された本発明の機能は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア及び／又はその他の機能部品または構成要素において、等価に実施される。その他の改変形態及び実施形態は、上述の教示に照らし合わせて、可能であり、ゆえに、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって示されるものであり、詳細な説明によって限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】最新のマイクロバルブの断面図である。メンブレンは、バルブを開閉させるために、弁座から近接、又は、離間するように駆動される。これによって、バルブを流れる流量が減少又は増加する。矢印は、メンブレンに対する駆動力を示す。メンブレンは、突起部を含んでもよいし、含まなくてもよい。通常、突起部があることで、駆動されるメンブレンと弁座との間の平坦部分が保持され、バルブ漏洩が抑制される。
【図２】本発明に係るマイクロバルブの断面図である。弁座は、複数のオリフィスの配列、若しくは、複雑で入り組んだ周囲構造を有する単一オリフィスである。弁座エッジは、弁座構造を支持する基板に対して立っていてもよく、立っていなくてもよい。それによって、寄生フロー抵抗を低減する。矢印は、入口流及び出口流を示す。
【図３】異なる円周構造に正弦的に変化する半径関数を適用した単一オリフィス弁座の平面図である。周囲長対面積の比が大きくなり、狭いメンブレン−弁座間ギャップにおいて高流量が可能となる。示される数値はマイクロメータでの寸法である。
【図４】入り組んだ周囲構造の単一オリフィス弁座の平面図である。周囲長対面積の比が大きくなり、狭いメンブレン−弁座間ギャップにおいて高流量が可能となる。示される数値は、ミリメータ寸法であるＬの値以外は、マイクロメータでの寸法である。
【図５】円形オリフィスの配列で構成される弁座構造の平面図である。周囲長対面積の比が大きくなり、狭いメンブレン−弁座間ギャップにおいて高流量が可能となる。
【図６】マイクロバルブ６００の断面概略図である。主要な構成要素として、オリフィス配列を含む弁座構造６５０に対して変形可能６４０に動くメンブレン６３０を含む。メンブレンは、フレーム６１０に支持され、弁座構造は、フレーム６２０に支持される。入口流６６０は、弁座構造６５０を通って、出口流６７０として流出する。メンブレンが一様に変形しない性質により、ギャップが中心から端部へ移動するように、メンブレンと弁座構造とのギャップが増加する。
【図７】正方形で膜厚の薄い変形可能なメンブレンと１２個のオリフィスの配列を含む弁座構造を表わす平面との接触シミュレーション結果の平面図である。対照性を考慮して、メンブレンと弁座構造の１／４の領域のみを示している。示されている等高線は、メンブレン膜間差圧の所与の値におけるメンブレンと弁座構造との接触領域を示す。
【図８】マイクロバルブのメンブレンと関連付けられたアクチュエータを含む、本発明に係る好ましい実施形態の断面図である。
【図９】マイクロバルブフローと、構造パラメータ、ガスパラメータ及び、温度、圧力等の境界条件とを関連付ける、以下に説明される高流量アルゴリズム（ｔｈｅ  ｈｉｇｈ  ｆｌｏｗ  ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）に係るマイクロバルブ設計方法のフローチャートである。
【符号の説明】
【００４１】
６００…マイクロバルブ          ６１０、６２０…フレーム
６３０…メンブレン              ６４０…変形自在なメンブレン
６５０…弁座構造                ６６０、８６０…入口流
６７０、８７０…出口流          ８００…バルブ構造
８１０…支持構造                ８３０…シリコンメンブレン
８５０…シリコン弁座構造        ８８０…マニホールド
８９０…ガラス層
【図１】
2007509286.tif 000006
【図２】
2007509286.tif 000007
【図３】
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【図４】
2007509286.tif 000009
【図５】
2007509286.tif 000010
【図６】
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【図７】
2007509286.tif 000012
【図８】
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【図９】
2007509286.tif 000014
【国際調査報告】
2007509286.tif 000015