(57)【要約】【課題】消費電力を増大させることなく、スティッキングの発生しない半導体マイクロバルブを提供する。【解決手段】流体の流入口となる弁孔１１を有する弁座１２と、弁孔１１を開閉する弁蓋（可動子２２）と、弁蓋（可動子２２）を押圧する押圧手段（押圧部３２）とを備えてなる半導体マイクロバルブであって、弁座１２と弁蓋（可動子２２）の対向面のいずれか一方に、弁孔１１を取り囲む複数の突起部１を設けた構成とする。また、突起部１を均等配置に形成した構成とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流入口となる弁孔を有する弁座と、前記弁孔を開閉する弁蓋と、該弁蓋を押圧する押圧手段とを備えてなる半導体マイクロバルブであって、
前記弁座と前記弁蓋の対向面のいずれか一方に、前記弁孔を取り囲む複数の突起部を設けたことを特徴とする半導体マイクロバルブ。
【請求項２】
前記突起部を、均等配置に形成した請求項１に記載の半導体マイクロバルブ。
【請求項３】
前記突起部の高さは、０．１μｍ以上０．５μｍ以下である請求項１又は請求項２に記載の半導体マイクロバルブ。
【請求項４】
前記突起部を、前記弁座側に設けた請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体マイクロバルブ。
【請求項５】
前記突起部を、前記弁蓋側に設けた請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体マイクロバルブ。
【請求項６】
前記突起部の材料は、ポリイミドである請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の半導体マイクロバルブ。
【請求項７】
前記弁座を有するベースと、前記弁蓋を有する中間弁体と、周縁部より内方に突設されたバイメタルに連設されて前記中間弁体を押圧する押圧手段である可動エレメントを有するアクチュエータと、を備え、
前記ベースの上に前記中間弁体を設け、該中間弁体の上に前記アクチュエータを設けた請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の半導体マイクロバルブ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体等の流体の流量制御に用いられる半導体マイクロバルブに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体マイクロバルブとしては、例えば、ベースに形成され流体の流入口となる弁孔（弁口）を有する弁座と、この弁孔（弁口）を開閉する弁蓋（可動子）と、弁蓋（可動子）を押圧する押圧手段（押圧部）とを備え、この押圧手段（押圧部）によって弁蓋（可動子）が押し下げられ変位することによって、弁孔（弁口）の開閉及び流体流量の制御を行うものを挙げることができる（特許文献１参照）。なお、押圧手段（押圧部）は、枠状の支持部から、可撓部である懸垂手段（腕片）によって懸垂されている。
【０００３】
上述の半導体マイクロバルブにおいては、バルブが動作し、弁孔（弁口）が閉じた状態となる時、弁孔（弁口）の周囲の弁座（ベース）と弁蓋（可動子）とが接触し、流体のシールを行う。なお、弁座（ベース）、弁蓋（可動子）は、シリコン又はシリコンの酸化膜、シリコンの窒化膜であることが多いので、その表面は、鏡面である。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２１９６９４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述のような半導体マイクロバルブにおいては、弁座、弁蓋は、シリコン又はシリコンの酸化膜、シリコンの窒化膜であることが多く、弁座、弁蓋の両者の表面は、鏡面であることが多いため、弁座、弁蓋の両者が接触した際に、マイクロマシン特有の現象であるスティッキング（固着）が発生する可能性があった。
【０００６】
なお、固着力が小さい場合であれば、懸垂手段の剛性を上げ、その復元力によって自然に解離させる事も可能ではあるが、懸垂手段の剛性が増えた分だけ、変位させるための力も必要となってしまい、その結果として消費電力が増大する可能性があった。また、固着力が大きいと、弁座、弁蓋の両者を強制的に解離する事自体が困難となってしまう可能性もあった。
【０００７】
本発明は上記問題点を改善するためになされたものであり、消費電力を増大させることなく、スティッキングの発生しない半導体マイクロバルブを提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の半導体マイクロバルブは、例えば図１乃至図３にその一例を示すように、流体の流入口となる弁孔１１を有する弁座１２と、弁孔１１を開閉する弁蓋（可動子２２）と、弁蓋（可動子２２）を押圧する押圧手段（押圧部３２）とを備えてなる半導体マイクロバルブであって、弁座１２と弁蓋（可動子２２）の対向面のいずれか一方に、弁孔１１を取り囲む複数の突起部１を設けたことを特徴とするものである。
【０００９】
また、請求項２に記載の半導体マイクロバルブは、請求項１に記載の発明において、突起部１を均等配置に形成したことを特徴とするものである。
【００１０】
また、請求項３に記載の半導体マイクロバルブは、請求項１又は請求項２に記載の発明において、突起部１の高さは、０．１μｍ以上０．５μｍ以下である。
【００１１】
また、請求項４に記載の半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発明において、突起部１を弁座１２側に設けたことを特徴とするものである。
【００１２】
また、請求項５に記載の半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発明において、突起部１を弁蓋（可動子２２）側に設けたことを特徴とするものである。
【００１３】
また、請求項６に記載の半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の発明において、突起部１の材料は、ポリイミドであることを特徴とするものである。
【００１４】
また、請求項７に記載の半導体マイクロバルブは、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の発明において、弁座１２を有するベース１０と、弁蓋（可動子２２）を有する中間弁体２０と、周縁部（第２枠部３１）より内方に突設されたバイメタル（腕片３３）に連設されて中間弁体２０を押圧する押圧手段である可動エレメント（押圧部３２）を有するアクチュエータ３０と、を備え、ベース１０の上に中間弁体２０を設け、中間弁体２０の上にアクチュエータ３０を設けたことを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図１乃至図３に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る半導体マイクロバルブを示す概略断面図であり、図２は、一部破断した半導体マイクロバルブの概略斜視図（半導体マイクロバルブは、破断面で対称形状）である。また、図３は、弁座１２周囲を示す概略平面図である。なお、図４、図５は、図１とは異なる中間弁体２０の概略平面図を示したものである。
【００１６】
まず、本実施形態においては、図１、図２に示すように、半導体マイクロバルブは、例えば常開型であり、シリコン基板よりなるベース１０に形成され、所望の流体の流入口となる弁孔１１を有する弁座１２と、弁孔１１を開閉する弁蓋である可動子２２を有する中間弁体２０と、周縁部である第１枠部２１より内方に突設された例えばバイメタル構造の可撓部３８に連設されて中間弁体２０を押圧する押圧手段である押圧部３２を有するアクチュエータ３０とを備え、ベース１０の上に中間弁体２０を設け、中間弁体２０の上にアクチュエータ３０を設けた構成である。
【００１７】
弁座１２は、図１、図３に示すように、弁孔１１の周部において可動子２２との対向面に他のベース１０部位よりも突出するように形成されており、弁座１２の先端面は、可動子２２が密着して弁孔１１を確実に閉止できるように平面状に仕上げられている。
【００１８】
ここで、本実施形態においては、弁座１２と可動子２２の対向面のうち、弁座１２側に弁孔１１を取り囲む複数の突起部１、本実施形態では４つの四角柱形状の突起部１が設けられている。なお、弁座１２側に突起部１を形成することは、製造プロセスが容易であるため、接合・組立て時の位置合わせずれの影響も受けにくい。なお、突起部１の数は、４つに限ったものではなく、所望の数であってもよい。なお、突起部の配置位置は、弁蓋である可動子２２を安定させるために、弁孔１１の周囲に点状に均等配置になるように形成することが好ましい。本実施形態においては、弁孔１１は、例えば四角形状であり、その４辺を取り囲むように各辺の４隅近傍に突起部１が配置されている。
【００１９】
なお、弁座１２と可動子２２との接触面積を減らすためには、突起部１の数は、少ない方が望ましいが、突起部１を１つ（１点）のみにすると、バルブを閉じた時の可動子２２の安定性が失われる恐れがあり、可動子２２が大きく傾くことによって、締切り時のリークが増大する懸念がある。そのため、突起部１は、複数箇所に形成することが好ましく、このことにより、可動子２２の位置が安定し、リークのばらつきやバルブ性能悪化を防止することができる。
【００２０】
ここで、本実施形態においては、各突起部１の接触面積は、例えば各２０μｍ２であり、突起部１の接触面積の合計は、８０μｍ２である。なお、突起部１の接触面積は、所望の最小サイズ以上１００μｍ２以下であることが、懸垂手段である後述の腕片３３の復元力を接触領域における固着力が上回ることはないため好適である。
【００２１】
また、突起部１の接触面積の下限値は、突起部１の強度面から決まるが、突起部１の破壊強度が例えば２００ＭＰａ〜５００ＭＰａの場合、マイクロバルブが動作し、弁蓋部が突起に接触する際に作用する力は約１０ｍＮであるから、接触時の応力を突起部の破壊強度以下とするためには、突起部の面積の下限値は２０μｍ２〜５０μｍ２となる。なお、上述の通り、突起部１の接触面積の下限値は、マイクロバルブの動作時に突起部に作用する力により変化し、突起部１の接触面積の上限値も、中間弁体２０の持つ剛性等の復元力によって変化するので、突起部１の接触面積の上限値及び下限値は、マイクロバルブに必要な強度等に合わせて、所定の値に設計すればよい。
【００２２】
また、突起部１の高さは、例えば０．３μｍである。なお、突起部１の高さが０．１μｍ以上０．５μｍ以下であることが、バルブ締切り時のリークを最小限に抑えつつ、スティッキングの発生を防止することができるため好適である。
【００２３】
これは、突起部１を弁座１２側に形成するということは、突起部１以外の弁座１２と可動子２２との接触部分では小さなギャップを生じさせていることになるため、弁座１２と可動子２２を全面で接触させてバルブを閉じた場合と比較すると、リーク量が増大することは避けることができない。しかしながら、半導体マイクロバルブの基本特性の一つとして、バルブを閉じた状態での漏れ流量（リーク量）が含まれるのが一般的であり、用途によって値は異なるが、例えば、０．０５ｍＬ／分〜０．１ｍＬ／分である事が多い。突起部１の高さが０．５μｍ以下であれば、上述のリーク量を満たす事ができるからである。
【００２４】
なお、突起部１の高さ、つまり上述のギャップを小さくし過ぎると、弁座１２と可動子２２表面の距離が近付くことによって液架橋が発生し易くなるため、０．１μｍ以上のギャップを設ける必要がある。
【００２５】
また、突起部１の材料は、例えばポリイミドである。突起部１をポリイミドで形成すれば、弁座１２と可動子２２との接触時に、ポリイミドが力を受けて弾性変形するため、形状の馴染みが良く、安定性の向上が期待でき、また弁座１２と可動子２２との間での熱の流出も防止することができる。
【００２６】
また、中間弁体２０は、弁蓋である例えばシリコンよりなる可動子２２を備えており、可動子２２を弁孔１１の開口面に直交する方向に移動させることで弁孔１１を開閉する。なお、可動子２２は、四角錐台状に形成されており、弁孔１１との対向面は平面になっている。可動子２２の平面形状は矩形状になる。なお、中間弁体２０は、第１枠部２１、例えば各々シリコンからなる可動子２２、連結片２３を備え、各部は、例えば一体に形成されているが、勿論各部を接合するようにして構成してもよい。
【００２７】
可動子２２は、ベース１０に重ねて接合された半導体（例えば、シリコン）よりなる第１枠部２１に対して可撓部材としての連結片２３を介して結合されている。第１枠部２１は、例えば矩形枠状に形成されており、可動子２２は、第１枠部２１の内側に配置される。また、第１枠部２１と可動子２２とを連結する連結片２３は例えば２本設けられており、周縁が矩形状に形成されている可動子２２の２辺に可撓部材としての連結片２３の一端部が連結され、連結片２３の他端部が第１枠部２１に連結されている。なお、ベース１０と中間弁体２０とは、陽極接合や金共晶接合等により結合（接合）すればよい。
【００２８】
ところで、２本の連結片２３は、第１枠部２１の厚み方向（図１の上下方向）に可撓性を有し且つ第１枠部２１の厚み方向に直交する面内で可動子２２を中心として対称性（回転対称性）を有するように配置されている。しかして、可動子２２を傾くことなく上記厚み方向へ平行に変位させることができる。なお、連結片２３の本数は２本に限定されるものではない。
【００２９】
また、アクチュエータ３０は、可動子２２を押圧可能な半導体（例えば、シリコン）よりなる可動エレメントである押圧部３２を備え、押圧部３２を上記厚み方向（図１の上下方向）に移動させることで弁孔１１を可動子２２にて開閉させる。すなわち、押圧部３２を図１における下方向に移動させることで、押圧部３２により可動子２２が押圧され、可動子２２と弁座１２とが密着するように押圧させることで、弁孔１１を閉止することができる。
【００３０】
アクチュエータ３０は、例えば各々シリコンからなる第２枠部３１、押圧部３２、腕片３３を備え、各部は、例えば一体に形成されているが、勿論各部を接合するようにして構成してもよい。ここで、押圧部３２は、例えば四角錘台状に形成されており、可動子２２との対向面は平面になっている。また、押圧部３２の平面形状は矩形状になる。
【００３１】
押圧部３２は、例えば半導体（例えば、シリコン）よりなる第２枠部３１に対して可撓部材としての腕片３３を介して結合されている。第２枠部３１は、例えば矩形枠状に形成されており、押圧部３２は、第２枠部３１の内側に配置される。また、第２枠部３１と押圧部３２とを連結する腕片３３は、例えば１本であり、腕片３３は、押圧部３２を片持ちで支持している。
【００３２】
また、アクチュエータ３０と中間弁体２０とは、第２枠部３１と第１枠部２１とを重ねた形で接合されている。本実施形態では、第１枠部２１と第２枠部３１とで半導体よりなる矩形枠状の支持部を構成している。腕片３３は、押圧部３２と第２枠部３１との間に半導体（例えば、シリコン）よりなる撓み層３６と金属膜（例えば、アルミニウム、ニッケル）からなる撓み層３７とを積層して形成した直熱型のバイメタルを備える可撓部３８を有し、可撓部３８における撓み層３６にはバイメタルを加熱するヒータとしての加熱部（図示せず）が拡散抵抗により形成されている。
【００３３】
なお、撓み層３７の構成材料の撓み層３６への拡散を防止したり、撓み層３６と撓み層３７との結合力を高めたり、加熱部と撓み層３７とを電気的に絶縁したりするために、撓み層３６と撓み層３７との間に例えば、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜等の薄い絶縁膜（図示せず）を介在させるのが望ましい。４２は、パッドであり、４３は、配線である。
【００３４】
また、本実施形態においては、腕片３３において、第２枠部３１側の端部には可撓部３８と第１枠部３１との間の熱絶縁をする熱絶縁性材料（例えば、感光性のポリイミド樹脂）よりなる熱絶縁部３４ａを設け、腕片３３において押圧部３２側の端部には可撓部３８と押圧部３２との間の熱絶縁をする熱絶縁性材料（例えば、感光性のポリイミド樹脂）よりなる熱絶縁部３４ｂを設けている。また、図示していないが腕片３３は熱絶縁部３４ａが形成された部位において幅方向の端部にシリコンよりなる部分を設けてある。ここに、熱絶縁部３４ａが形成された部位において幅方向に設けられたシリコンよりなる部分は上述の配線４３と加熱部との電気的接続に用いることができる。なお、熱絶縁部３４ａ、３４ｂは、例えば、腕片３３における熱絶縁部３４ａ、３４ｂの形成部位に対応した部位にそれぞれ幅の異なる溝を形成した後、例えばポリイミド樹脂を塗布して、続いてポリイミド樹脂をパターニングすることにより形成することができる。
【００３５】
かかる半導体マイクロバルブにおいては、可動子２２と対向する弁座１２側の弁孔１１を取り囲む箇所に、複数の突起部１を点状に設けたことで、弁座１２と可動子２２との接触面積が大幅に低減され、弁座１２、可動子２２間で発生する固着力が大幅に低減するので、消費電力を増大させることなく、スティッキングの発生を抑制することができる。
【００３６】
また、弁孔１１を取り囲む箇所に、複数の突起部１が均等配置となるように設けたことで、弁蓋である可動子２２の位置が安定し、リークのばらつきやバルブ性能の悪化を防止することができる。
【００３７】
また、突起部の高さは、０．１μｍ以上０．５μｍ以下とすることで、バルブ締切り時のリークを最小限に抑えつつ、容易にスティッキングの発生の抑制が可能となる。また、突起部を弁座１２側に設けることは、スティッキングの発生を抑制することができるマイクロバルブを容易なプロセスで製造することができる。
【００３８】
なお、本実施形態においては、可動子２２の底面の面積は、図２に示すように、弁座１２の上面の面積よりも大きいので、このような場合、弁座１２側に突起部を設けることで、バルブを閉じた時の弁座１２と可動子２２との接触安定性に対するマイクロバルブの接合、組み立て時に生じる可動子２２の位置合わせズレ等の影響がでにくくなる。つまり、バルブを閉じた時の弁座１２と可動子２２との接触安定性を保つことができる。
【００３９】
また、突起部１をポリイミドで形成すれば、弁座１２と可動子２２との接触時に、ポリイミドが力を受けて弾性変形するため、形状の馴染みが良く、安定性の向上が期待でき、また弁座１２と可動子２２との間での熱の流出も防止することができる。
【００４０】
ここで、本実施形態においては、突起部１は、弁座１２と可動子２２の対向面のうち、弁座１２側に形成したが、弁蓋である可動子２２側に形成してもよい（不図示）。この場合、可動子２２が弁孔１１に向う際に、弁孔１１を取り囲むように点状に均等配置する。突起部１は、可動子２２側に設けることで、スティッキングの発生を抑制することができるマイクロバルブを容易なプロセスで製造することができる。また、可動子２２の底面の面積が、弁座１２の上面の面積よりも小さい場合、可動子２２側に突起部１を設けることで、バルブを閉じた時の弁座１２と可動子２２との接触安定性に対するマイクロバルブの接合、組み立て時に生じる可動子２２の位置合わせズレ等の影響がでにくくなる。つまり、バルブを閉じた時の弁座１２と可動子２２との接触安定性を保つことができる。
【００４１】
また、中間弁体２０は、図４に示すように、可動子２２を中心として十字状に中間弁体２０に４本の各連結片２３を一体に形成、配置してもよい。また、その他の例として、中間弁体２０は、図１２に示すように、可動子２２を中心としてＬ字状に中間弁体２０に４本の各連結片２３を形成、配置してもよい。また、本実施形態においては、半導体マイクロバルブは、常開型であったが、常閉型であってもよい。
【００４２】
【発明の効果】
上記のように本願の請求項１に係る発明の半導体マイクロバルブにあっては、弁座と弁蓋の対向面のいずれか一方に、弁孔を取り囲む複数の突起部を設けたので、弁座と弁蓋との接触面積が大幅に低減され、弁座、弁蓋間で発生する固着力が大幅に低減するので、消費電力を増大させることなく、スティッキングの発生を抑制することができるという効果を奏する。
【００４３】
また、請求項２に係る発明の半導体マイクロバルブにあっては、請求項１に記載の発明における効果に加えて、突起部を均等配置になるように形成したので、弁蓋の位置が安定し、リークのばらつきやバルブ性能の悪化を防止することができるという効果を奏する。
【００４４】
また、請求項３に係る発明の半導体マイクロバルブにあっては、請求項１又は請求項２に記載の発明における効果に加えて、突起部の高さを０．１μｍ以上０．５μｍ以下とすることで、バルブ締切り時のリークを最小限に抑えつつ、容易にスティッキングの発生の抑制が可能となるという効果を奏する。
【００４５】
また、請求項４に係る発明の半導体マイクロバルブにあっては、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発明における効果に加えて、突起部を弁座側に設けることで、スティッキングの発生を抑制することができるマイクロバルブを容易なプロセスで製造できるという効果を奏する。
【００４６】
また、請求項５に係る発明の半導体マイクロバルブにあっては、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発明における効果に加えて、突起部を弁蓋側に設けることで、スティッキングの発生を抑制することができるマイクロバルブを容易なプロセスで製造できるという効果を奏する。
【００４７】
また、請求項６に係る発明の半導体マイクロバルブにあっては、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の発明における効果に加えて、突起部の材料をポリイミドとすることで、弁座と弁蓋との接触時に、ポリイミドが力を受けて弾性変形するため、形状の馴染みが良く、安定性の向上が期待でき、また弁座と弁蓋との間での熱の流出も防止することができるという効果を奏する。
【００４８】
また、請求項７に係る発明の半導体マイクロバルブにあっては、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の発明における効果に加えて、弁座を有するベースと、弁蓋を有する中間弁体と、周縁部より内方に突設されたバイメタルに連設されて中間弁体を押圧する可動エレメントを有するアクチュエータとを備え、ベースの上に中間弁体を設け、中間弁体の上にアクチュエータを設けて、押圧手段を可動エレメントとすることで、高性能でかつ、消費電力を増大させることなく、スティッキングの発生を抑制することができる半導体マイクロバルブを提供できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体マイクロバルブを示す概略断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る一部破断した半導体マイクロバルブの概略斜視図である。
【図３】本発明の実施形態に係る弁座周囲を示す概略平面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る他の中間弁体を示す概略平面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る他の中間弁体を示す概略平面図である。
【符号の説明】
１  突起部
１０  ベース
１１  弁孔
１２  弁座
２０  中間弁体
２１  枠部
２２  可動子
２３  連結片
３０  アクチュエータ
３１  枠部
３２  押圧部
３３  腕片
３４ａ、３４ｂ  熱絶縁部
３８  可撓部
【図１】
2004232731.tif 000003
【図２】
2004232731.tif 000004
【図３】
2004232731.tif 000005
【図４】
2004232731.tif 000006
【図５】
2004232731.tif 000007