(57)【要約】【課題】少なくとも弁体部のフランジの反りを低減する。【解決手段】フレーム枠、この内部に設けられ一の面側の外周縁にフランジ１１０を持つ弁体部１１、フランジ１１１とフレーム枠の内周縁との間に架設されフレーム枠の厚み方向に沿って変位自在に弁体部１１を支持するビーム、および弁体部１１の一の面側に形成された可動電極を有する弁体基板と、弁口が形成され、その弁口縁部に可動電極と対向する固定電極を有し、両電極の少なくとも一方に形成された絶縁層を介して弁体部１１と接離自在に接触する弁座とにより構成される静電誘導型マイクロバルブにおいて、弁体部１１およびビームのうち少なくとも弁体部１１における弁座との対向面に、弁体部１１およびビームよりも線膨張係数の大きい薄膜層１１１を、弁体部１１およびビームよりも線膨張係数の小さい薄膜層１１２を挟むようにして積層した。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレーム枠、このフレーム枠内に設けられ一の面側の外周縁にフランジを持つ弁体部、この弁体部のフランジと前記フレーム枠の内周縁との間に架設され前記フレーム枠の厚み方向に沿って変位自在に前記弁体部を支持するビーム、および前記弁体部の一の面側に形成された可動電極を有する弁体基板と、
弁口が形成され、その弁口の少なくとも縁部に前記可動電極と対向する固定電極を有し、この固定電極および前記可動電極の少なくとも一方に形成された絶縁層を介して前記弁体部と接離自在に接触する弁座とにより構成され、
前記可動電極および前記固定電極間に電圧が印加する場合に、それら両電極間に生じる静電力により前記弁体部を前記弁座に付勢する静電誘導型マイクロバルブであって、
前記弁体部および前記ビームのうち少なくとも前記弁体部における前記弁座との対向面には、前記弁体部および前記ビームよりも線膨張係数の大きい第１薄膜層が、前記弁体部および前記ビームよりも線膨張係数の小さい第２薄膜層を挟むようにして積層されていることを特徴とする静電駆動型マイクロバルブ。
【請求項２】
少なくとも前記弁体部のフランジにおける前記弁座との対向面の全部または一部では、前記第１薄膜層が除去されて前記第２薄膜層が露出していることを特徴とする請求項１記載の静電駆動型マイクロバルブ。
【請求項３】
前記弁体部および前記ビームにおける前記弁座との対向面には、前記弁体部および前記ビームよりも線膨張係数の大きい第１薄膜層が、前記弁体部および前記ビームよりも線膨張係数の小さい第２薄膜層を挟むようにして積層されており、
前記ビームにおける前記弁体部側の前記弁座との対向面では、最長で当該ビームの中程まで前記第１薄膜層が除去されて前記第２薄膜層が露出していることを特徴とする請求項１または２記載の静電駆動型マイクロバルブ。
【請求項４】
フレーム枠、このフレーム枠内に設けられた弁体部、この弁体部と前記フレーム枠の内周縁との間に架設され前記フレーム枠の厚み方向に沿って変位自在に前記弁体部を支持するビーム、および前記弁体部の一の面側に形成された可動電極を有する弁体基板と、
弁口が形成され、その弁口の少なくとも縁部に前記可動電極と対向する固定電極を有し、この固定電極および前記可動電極の少なくとも一方に形成された絶縁層を介して前記弁体部と接離自在に接触する弁座とにより構成され、
前記可動電極および前記固定電極間に電圧が印加する場合に、それら両電極間に生じる静電力により前記弁体部を前記弁座に付勢する静電誘導型マイクロバルブであって、
前記ビームにより支持される前記弁体部の面が前記弁座方向に向かって傾斜していることを特徴とする静電駆動型マイクロバルブ。
【請求項５】
前記弁体部の隅を面取りしてなることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の静電駆動型マイクロバルブ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置等の産業用途、化学分析用途、バイオテクノロジー用途、および血圧計等の民生・医療用途等で用いられる流体（気体または液体）の流路の開閉ないしは流量、圧力の制御を行う静電駆動型マイクロバルブに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）  技術を用いたマイクロバルブには、熱駆動型、電磁駆動型、圧電駆動型、静電駆動型などの各種駆動方式に分類されるものが存在している。
【０００３】
図６に従来の静電駆動型マイクロバルブの概略構成を示す。この図の静電駆動型マイクロバルブは、例えばシリコンウエハなどから作製される弁体基板１と、例えばシリコンウエハなどから作製される弁座２とにより構成されている。
【０００４】
弁体基板１は、枠状に形成され一辺の中央部に切欠け１０１を持つフレーム枠１０と、このフレーム枠１０内に設けられ、プロセスの都合上、一の面側の外周縁に薄膜状のフランジ１１０が生じる四角錐台状の弁体部１１と、この弁体部１１のフランジ１１０とフレーム枠１０の内周縁１００との間に架設され、フレーム枠１０の厚み方向に沿って変位自在に弁体部１１を支持する複数のビーム１２と、弁体部１１の一の面側に形成された可動電極（図では紙面の裏側に隠れている）とを一体に有する構造になっている。
【０００５】
弁座２は、弁体部１１の一の面よりも小さい弁口２０が形成され、その弁口２０の少なくとも縁部に上記可動電極と対向する固定電極２１を有し、この固定電極２１および上記可動電極の少なくとも一方に形成された絶縁層（図示せず）を介して弁体部１１と接離自在に接触するようになっている。
【０００６】
また、弁体基板１および弁座２には、それぞれ可動電極および固定電極２１と電気的に接続される一対の電極パッドが設けられる。
【０００７】
ここで、弁体部１１および弁座２にそれぞれ形成される可動電極および固定電極２１を、誘電率ε［Ｃ／（Ｎ・ｍ２）］の物質で覆い、電極パッドを通じて一定の電圧Ｅ［Ｖ］を印加したとき、それらの両電極間に生じる静電力［Ｎ］は、各対向電極の面積をＳ［ｍ２］とし、平行となる両電極間の距離をＤ［ｍ］としたとき、次式で与えられる。
【０００８】
静電力＝（１／２）×Ｅ２×Ｓ×ε／Ｄ２
この式から分かるように、静電力は両電極間の距離Ｄが短くなるほどより強くなるため、距離Ｄを短くして静電力を強くすれば、弁体部１１を支持するビーム１２の剛性の影響を小さくすることができるため、弁体部１１を弁座２の弁口２０縁部に接触させることが容易となる。距離Ｄが少しでも長くなると静電力が極端に弱くなるため、図６の静電駆動型マイクロバルブでは、あらゆる角度にてバルブを使用可能とするべく、弁体部１１を弁座２に接離自在に接触してある。また、弁体部１１を弁口２０側に反らせる構造としている。
【０００９】
上記構成の静電駆動型マイクロバルブでは、可動電極および固定電極２１間に電圧を印加すると、それら両電極間に生じる静電力により、弁口２０を開閉自在に閉じている弁体部１１が、弁座２に付勢されるので、可動電極および固定電極２１間に印加する電圧を調整することにより、弁口２０を通る流路の開閉ないし流量、圧力制御が可能となる。
【００１０】
このほか、静電駆動型マイクロバルブとして、特許文献１には、バルブビームの屈撓によりバルブがノズルを開閉するようにバルブビームを設けてなる弁素子が開示されている。また、特許文献２には、弁台板の入口オリフィスを、流通出口穴の形成された閉鎖板で開閉する電子マイクロ弁装置が記載されている。さらに、特許文献３には、カンチレバー・リーフ・スプリング・バルブでバルブの孔を開閉するミニチュアバルブが記載されている。
【００１１】
【特許文献１】
特許第２００１７２６号公報
【特許文献２】
特開平３−２３４９８２号公報
【特許文献３】
米国特許第４５８５２０９号明細書
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図６の従来の静電駆動型マイクロバルブでは、弁体部１１を弁口２０側に反らせる構造にすると、プロセスの都合上、薄膜状のフランジ１１０が弁体部１１の一の面側の外周縁に生じるため、図６のＡ部の断面図である図７に示すように、弁口側へのフランジ１１０の反りが大きくなる。このように、フランジ１１０の反りが大きいと、弁体部１１は、中心側のシール付近で弁座２と接触せずに浮いた状態となり、電圧印加時に非接触の部分が生じたり、あるいは接触しても反りを矯正する力が余分に必要となる問題が発生する。なお、図７において、１１１は、弁体部１１よりも線膨張係数の大きい薄膜層である。
【００１３】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、少なくとも弁体部のフランジの反りを低減することができる静電駆動型マイクロバルブを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための請求項１記載の発明は、フレーム枠、このフレーム枠内に設けられ一の面側の外周縁にフランジを持つ弁体部、この弁体部のフランジと前記フレーム枠の内周縁との間に架設され前記フレーム枠の厚み方向に沿って変位自在に前記弁体部を支持するビーム、および前記弁体部の一の面側に形成された可動電極を有する弁体基板と、弁口が形成され、その弁口の少なくとも縁部に前記可動電極と対向する固定電極を有し、この固定電極および前記可動電極の少なくとも一方に形成された絶縁層を介して前記弁体部と接離自在に接触する弁座とにより構成され、前記可動電極および前記固定電極間に電圧が印加する場合に、それら両電極間に生じる静電力により前記弁体部を前記弁座に付勢する静電誘導型マイクロバルブであって、前記弁体部および前記ビームのうち少なくとも前記弁体部における前記弁座との対向面には、前記弁体部および前記ビームよりも線膨張係数の大きい第１薄膜層が、前記弁体部および前記ビームよりも線膨張係数の小さい第２薄膜層を挟むようにして積層されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の静電駆動型マイクロバルブにおいて、少なくとも前記弁体部のフランジにおける前記弁座との対向面の全部または一部では、前記第１薄膜層が除去されて前記第２薄膜層が露出していることを特徴とする。
【００１６】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の静電駆動型マイクロバルブにおいて、前記弁体部および前記ビームにおける前記弁座との対向面には、前記弁体部および前記ビームよりも線膨張係数の大きい第１薄膜層が、前記弁体部および前記ビームよりも線膨張係数の小さい第２薄膜層を挟むようにして積層されており、前記ビームにおける前記弁体部側の前記弁座との対向面では、最長で当該ビームの中程まで前記第１薄膜層が除去されて前記第２薄膜層が露出していることを特徴とする。
【００１７】
請求項４記載の発明は、フレーム枠、このフレーム枠内に設けられた弁体部、この弁体部と前記フレーム枠の内周縁との間に架設され前記フレーム枠の厚み方向に沿って変位自在に前記弁体部を支持するビーム、および前記弁体部の一の面側に形成された可動電極を有する弁体基板と、弁口が形成され、その弁口の少なくとも縁部に前記可動電極と対向する固定電極を有し、この固定電極および前記可動電極の少なくとも一方に形成された絶縁層を介して前記弁体部と接離自在に接触する弁座とにより構成され、前記可動電極および前記固定電極間に電圧が印加する場合に、それら両電極間に生じる静電力により前記弁体部を前記弁座に付勢する静電誘導型マイクロバルブであって、前記ビームにより支持される前記弁体部の面が前記弁座方向に向かって傾斜していることを特徴とする。
【００１８】
請求項５記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の静電駆動型マイクロバルブにおいて、前記弁体部の隅を面取りしてなることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１は本発明による第１実施形態の静電駆動型マイクロバルブの一部断面図である。
【００２０】
第１実施形態の静電駆動型マイクロバルブは、図６の従来の静電駆動型マイクロバルブと同様に、フレーム枠１０、このフレーム枠１０内に設けられ一の面側の外周縁にフランジ１１０を持つ弁体部１１、この弁体部１１のフランジ１１０とフレーム枠１０の内周縁１００との間に架設されフレーム枠１０の厚み方向に沿って変位自在に弁体部１１を支持するビーム１２、および弁体部１１の一の面側に形成された可動電極を有する弁体基板１と、弁口２０が形成され、その弁口２０の少なくとも縁部に可動電極と対向する固定電極２１を有し、この固定電極２１および可動電極の少なくとも一方に形成された絶縁層を介して弁体部１１と接離自在に接触する弁座２とにより構成され、可動電極および固定電極２１間に電圧が印加する場合に、それら両電極間に生じる静電力により弁体部１１を弁座２に付勢するようになっている。
【００２１】
そして、第１実施形態の特徴として、弁体部１１およびビーム１２のうち、図１に示すように、少なくとも弁体部１１における弁座２との対向面には、弁体部１１およびビーム１２よりも線膨張係数の大きいＳｉＮ（窒化膜）などの薄膜層１１１が、弁体部１１およびビーム１２よりも線膨張係数の小さいＳｉＯ２（酸化膜）などの薄膜層１１２を挟むようにして積層されている。
【００２２】
以上のように、弁体部１１およびビーム１２よりも線膨張係数の大きい薄膜層１１１を、弁体部１１およびビーム１２よりも線膨張係数の小さい薄膜層１１２を挟むようにして積層することにより、少なくとも弁体部１１のフランジ１１０の反りを低減することができる。
【００２３】
（第２実施形態）
図２は本発明による第２実施形態の静電駆動型マイクロバルブの一部断面図である。
【００２４】
第２実施形態の静電駆動型マイクロバルブは、第１実施形態の静電駆動型マイクロバルブにおいて、図２に示すように、少なくとも弁体部１１のフランジ１１０における弁座２との対向面の全部または一部（図では端部を除く一部）では、薄膜層１１１が除去されて薄膜層１１２が露出していることを特徴とする。
【００２５】
以上のように、フランジ１１０側において、薄膜層１１１を除去して薄膜層１１２を露出させることにより、少なくとも弁体部１１のフランジ１１０の反りをより一層低減することができる。これにより、反りの方向が反転するため、反りを矯正する力が必要でなくなる。
【００２６】
（第３実施形態）
図３は本発明による第３実施形態の静電駆動型マイクロバルブの一部を示す図である。
【００２７】
第３実施形態の静電駆動型マイクロバルブは、例えば第２実施形態との相違点として、図３に示すように、弁体部１１およびビーム１２における弁座２との対向面には、弁体部１１およびビーム１２よりも線膨張係数の大きい薄膜層１１１が、弁体部１１およびビーム１２よりも線膨張係数の小さい薄膜層１１２を挟むようにして積層されており、弁体部１１のフランジ１１０における弁座２との対向面の全部または一部では、薄膜層１１１が除去されて薄膜層１１２が露出している一方、ビーム１２における弁体部１１側の弁座２との対向面では、最長で当該ビーム１２の中程まで（図では弁体部１１側の基部のみ）、薄膜層１１１が除去されて薄膜層１１２が露出していることを特徴とする。
【００２８】
ここで、薄膜層１１１を部分的に除去する領域を限定することにより、弁体部１１の縁部のそり量を低減しながら、弁体部１１の中央の反りを大きくすることが可能となる。ビーム１２が両端支持状態のため、変形状態が上に凸と下に凸の個所ができる。下に凸の箇所を、薄膜層１１１を除去する領域にすれば、エネルギー的に安定した状態になるため、変形しやすくなる。
【００２９】
以上のように、ビーム１２における弁体部１１側の弁座２との対向面で、薄膜層１１１を除去して薄膜層１１２を露出させることにより、弁体部１１のフランジ１１０の反りとビーム１２の弁体部１１側の反りとを低減することができる。
これにより、弁体部１１の中心部の反りを大きくすることが可能となる。
【００３０】
（第４実施形態）
図４は本発明による第４実施形態の静電駆動型マイクロバルブの一部断面図である。
【００３１】
第４実施形態の静電駆動型マイクロバルブは、フレーム枠１０、このフレーム枠１０内に設けられた弁体部１１、この弁体部１１とフレーム枠１０の内周縁１００との間に架設されフレーム枠１０の厚み方向に沿って変位自在に弁体部１１を支持するビーム１２、および弁体部１１の一の面側に形成された可動電極を有する弁体基板１と、弁口２０が形成され、その弁口２０の少なくとも縁部に可動電極と対向する固定電極２１を有し、この固定電極２１および可動電極の少なくとも一方に形成された絶縁層を介して弁体部１１と接離自在に接触する弁座２とにより構成され（図６参照）、可動電極および固定電極２１間に電圧が印加する場合に、それら両電極間に生じる静電力により弁体部１１を弁座２に付勢するようになっている。
【００３２】
そして、第４実施形態の特徴として、図４に示すように、ビーム１２により支持される弁体部１１の面が弁座２方向に向かって傾斜している。図４の例では、弁体部１１の一の面（下面）側の中心に向かうように傾斜している。なお、図４において、１１１Ａは絶縁膜などである。
【００３３】
以上のように、弁体部１１から、反りの生じやすいフランジ１１０を無くし、ビーム１２により支持される弁体部１１の面を弁座２方向に向かって傾斜させることにより、少なくとも弁体部のフランジの反りを無くすことができるほか、弁体部１１の中心側と弁座２との接触が容易になる。また、反りを矯正する力が必要でなくなる。
【００３４】
（第５実施形態）
図５は本発明による第５実施形態の静電駆動型マイクロバルブの一部を示す図である。
【００３５】
第５実施形態の静電駆動型マイクロバルブは、例えば第２実施形態との相違点として、図３の丸印に示すように、弁体部１１の隅を面取りしてなることを特徴とする。ただし、図３の例では、弁体部１１のフランジ１１０における弁座２との対向面の端部も、薄膜層１１１が除去されて薄膜層１１２が露出している。
【００３６】
以上のように、弁体部１１の隅を面取りすることにより、弁体部１１の隅で発生しうる反りを低減することができる。また、弁体部１１の最も反りが大きい箇所を面取りするため、端部の反りが減少し、反りを矯正する力が少なくて済む。
【００３７】
【発明の効果】
以上のことから明らかなように、請求項１記載の発明は、フレーム枠、このフレーム枠内に設けられ一の面側の外周縁にフランジを持つ弁体部、この弁体部のフランジと前記フレーム枠の内周縁との間に架設され前記フレーム枠の厚み方向に沿って変位自在に前記弁体部を支持するビーム、および前記弁体部の一の面側に形成された可動電極を有する弁体基板と、弁口が形成され、その弁口の少なくとも縁部に前記可動電極と対向する固定電極を有し、この固定電極および前記可動電極の少なくとも一方に形成された絶縁層を介して前記弁体部と接離自在に接触する弁座とにより構成され、前記可動電極および前記固定電極間に電圧が印加する場合に、それら両電極間に生じる静電力により前記弁体部を前記弁座に付勢する静電誘導型マイクロバルブであって、前記弁体部および前記ビームのうち少なくとも前記弁体部における前記弁座との対向面には、前記弁体部および前記ビームよりも線膨張係数の大きい第１薄膜層が、前記弁体部および前記ビームよりも線膨張係数の小さい第２薄膜層を挟むようにして積層されているので、少なくとも弁体部のフランジの反りを低減することができる。
【００３８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の静電駆動型マイクロバルブにおいて、少なくとも前記弁体部のフランジにおける前記弁座との対向面の全部または一部では、前記第１薄膜層が除去されて前記第２薄膜層が露出しているので、少なくとも弁体部のフランジの反りをより一層低減することができる。
【００３９】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の静電駆動型マイクロバルブにおいて、前記弁体部および前記ビームにおける前記弁座との対向面には、前記弁体部および前記ビームよりも線膨張係数の大きい第１薄膜層が、前記弁体部および前記ビームよりも線膨張係数の小さい第２薄膜層を挟むようにして積層されており、前記ビームにおける前記弁体部側の前記弁座との対向面では、最長で当該ビームの中程まで前記第１薄膜層が除去されて前記第２薄膜層が露出しているので、弁体部のフランジの反りとビームの弁体部側の反りとを低減することができる。これにより、弁体部の中心部の反りを大きくすることが可能となる。
【００４０】
請求項４記載の発明は、フレーム枠、このフレーム枠内に設けられた弁体部、この弁体部と前記フレーム枠の内周縁との間に架設され前記フレーム枠の厚み方向に沿って変位自在に前記弁体部を支持するビーム、および前記弁体部の一の面側に形成された可動電極を有する弁体基板と、弁口が形成され、その弁口の少なくとも縁部に前記可動電極と対向する固定電極を有し、この固定電極および前記可動電極の少なくとも一方に形成された絶縁層を介して前記弁体部と接離自在に接触する弁座とにより構成され、前記可動電極および前記固定電極間に電圧が印加する場合に、それら両電極間に生じる静電力により前記弁体部を前記弁座に付勢する静電誘導型マイクロバルブであって、前記ビームにより支持される前記弁体部の面が前記弁座方向に向かって傾斜しているので、弁体部から、反りの生じやすいフランジを無くし、ビームにより支持される弁体部の面を弁座方向に向かって傾斜させることにより、少なくとも弁体部のフランジの反りを無くすことができるほか、弁体部の中心側と弁座との接触が容易になる。
【００４１】
請求項５記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の静電駆動型マイクロバルブにおいて、前記弁体部の隅を面取りしてなるので、弁体部の隅で発生しうる反りを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による第１実施形態の静電駆動型マイクロバルブの一部断面図である。
【図２】本発明による第２実施形態の静電駆動型マイクロバルブの一部断面図である。
【図３】本発明による第３実施形態の静電駆動型マイクロバルブの一部を示す図である。
【図４】本発明による第４実施形態の静電駆動型マイクロバルブの一部断面図である。
【図５】本発明による第５実施形態の静電駆動型マイクロバルブの一部を示す図である。
【図６】従来の静電駆動型マイクロバルブの概略構成を示す図である。
【図７】図６のＡ部の断面図である。
【符号の説明】
１  弁体基板
１０  フレーム枠
１１  弁体部
１２  ビーム
２  弁座
２０  弁口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004324709.tif 000009