(57)【要約】【課題】液体を透過せず気体を透過する機能を有し、撓みや緩みを生じ難い気液分離体、を提供する。【解決手段】シリコン膜１に、液体を透過せず気体を透過する開口部１０が設けられた気液分離体であって、開口部１０は、内壁面１１，１３が、シリコン膜１の厚さ方向に対して、開口面積が表面に向かって拡大するように傾斜しており、内壁面１１、１３は撥水処理されている。【選択図】  図１
2005087975.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン膜に、液体を透過せず気体を透過する開口部が設けられた気液分離体であって、
前記開口部は、内壁面が、前記シリコン膜の厚さ方向に対して、開口面積が表面に向かって拡大するように傾斜しており、前記内壁面が撥水処理されていることを特徴とする気液分離体。
【請求項２】
シリコン膜に、液体を透過せず気体を透過する開口部が設けられた気液分離体を製造する方法であって、
シリコン膜に、異方性エッチングにより開口部を形成する工程と、
該開口部の内壁面を撥水処理する工程を有することを特徴とする気液分離体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体を透過せず気体を透過する機能を有する気液分離体と、その製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、現在実用化されている電量式ガスセンサーの気液分離膜としては、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素化合物を延伸して作製した多孔質メンブレンフィルター等が用いられている（下記特許文献１［０００４］〜［０００６］）。
【特許文献１】特開２００２−２６３４５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、かかる多孔質メンブレンフィルターは膜自体が柔軟であるため、緩みやすく、形状精度や寸法精度が低下し易いという問題があった。また撓み易いので、電極等と多孔質メンブレンフィルターとの距離が微小である場合に、これらの位置関係を厳密に管理するのが困難であり、組み立て作業時にも困難を伴うという問題もあった。
このような問題に対して、上記特許文献１では、２枚のシリコン基板を接合し、接合面のいずれかの一面に接合面に沿ってサブミクロンレベルの浅溝を凹設し、このギャップを気体透過孔とすることによって、堅牢な構造の気液分離膜が得られることが記載されている。しかし、かかる構造の気液分離膜は製造工程が複雑であった。
【０００４】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、液体を透過せず気体を透過する機能を有し、撓みや緩みを生じ難い気液分離体、およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題を解決するために本発明の気液分離体は、シリコン膜に、液体を透過せず気体を透過する開口部が設けられた気液分離体であって、前記開口部は、内壁面が、前記シリコン膜の厚さ方向に対して、開口面積が表面に向かって拡大するように傾斜しており、前記内壁面が撥水処理されていることを特徴とする。
【０００６】
また本発明は、シリコン膜に、液体を透過せず気体を透過する開口部が設けられた気液分離体を製造する方法であって、シリコン膜に、異方性エッチングにより開口部を形成する工程と、該開口部の内壁面を撥水処理する工程を有することを特徴とする気液分離体の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の気液分離体は、シリコン膜に開口部を設け、該開口部の内壁面に撥水処理を施すことによって該開口部に気液分離機能を持たせたものである。前記開口部は、シリコン膜の厚さ方向に対して傾斜しているテーパ面となっており、開口面積が表面に向かって拡大しているので、シリコン膜の厚さを厚くしても、シリコン膜の裏面側に微小な孔を容易に、かつ精度良く形成することができる。したがって、シリコン膜の厚さを増大させて剛性を向上させることができ、これによって撓みや緩みが生じ難く、寸法、形状、および微細な位置関係が変動し難い気液分離体を得ることができる。
また、特に開口部の内壁面がテーパ面となっているので、この内壁面に撥水処理を施し易く、撥水処理による耐水圧向上効果が有効に得られ、高い耐水性を達成することができる。
【０００８】
また、本発明の気液分離体の製造方法によれば、異方性エッチングを用いて開口部を形成するので、内壁面が厚さ方向に対して傾斜している開口部を容易に形成することができる。また再現性が良いので、微小な孔を精度良く形成することができ、設計、工程管理も容易である。
したがって、シリコン膜の厚さを厚くして剛性を向上させるとともに、シリコン膜に微小な孔を容易にかつ精度良く形成することができるので、撓みや緩みが生じ難く、寸法、形状、および微細な位置関係が変動し難い気液分離体を容易に、かつ再現性良く製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１〜３は、本発明の気液分離体の一実施形態を模式的に示したもので、図１は開口部の平面図、図２は図１中のＡ−Ａ線に沿う断面図、図３は図１中のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。図中符号１はシリコン膜であり、便宜上１ａを表面、１ｂを裏面とする。
【００１０】
シリコン膜１には略長方形の開口部１０が形成されている。開口部１０の内壁面１１、１３は、シリコン膜１の厚さ方向（図中Ｚ方向）に対して、開口面積が表面１ａ側に向かって拡大するように傾斜しており、裏面１ｂ側である最下部（底）に、平面視ライン状のスリット孔１２が形成されている。
ここで、開口部１０の開口面積とは、開口部１０をシリコン膜１の厚さ方向（Ｚ方向）に対して垂直な断面で切ったときに孔となっている部分の面積をいう。
すなわち、図２に示すように、開口部１０の長さ方向（図中、Ｘ方向）に対して垂直な断面形状は略Ｖ字状に形成されている。また、図３に示すように、開口部１０の長さ方向の両端部の内壁面１３も、Ｚ方向に対して傾斜しており、Ｘ方向における開口部１０の長さは最下部（底）のスリット孔１２で最も小さく、そこから表面１ａ側に向かって漸次拡大している。
【００１１】
開口部１０の内壁面１１、１３には撥水処理が施されている。具体的には、内壁面１１、１３上に撥水剤からなる薄膜が設けられており、所定の液体に対する内壁面１１、１３の静的接触角が所定の範囲内となっている。内壁面１１、１３の静的接触角は、開口部１０において好適な耐水圧が得られる範囲に設計される。
すなわち、開口部１０における耐水圧がある程度高ければ、シリコン膜１の裏面１ｂ側に液体が満たされている状態で、この開口部１０から液体が流出せず、気液分離機能が得られる。開口部１０における耐水圧は液体の表面張力に応じて変化し、開口部１０のスリット孔１２の大きさ（Ｘ方向の長さおよびＹ方向の幅）、および該液体と内壁面１１，１３との接触角によって制御可能である。該液体と内壁面１１，１３との接触角は内壁面１１，１３上に成膜される撥水剤の種類によって制御することができる。
内壁面１１，１３の撥水処理は、少なくとも開口部１０のスリット孔１２の周囲が撥水性となっていればよいが、開口部１０の内壁面１１、１３の全面に撥水処理が施されていることが好ましい。また、該内壁面１１、１３に続くシリコン膜１の表面１ａにも撥水処理が施されていても構わない。一方、液体と接触する側である、シリコン膜１の裏面１ｂは親水性であることが好ましい。
【００１２】
気液分離機能を得るために、開口部１０における耐水圧は２０ｋＰａ以上であることが好ましい。
開口部１０の大きさは、好ましい耐水圧が得られる範囲内であればよいが、例えば本実施形態においては、シリコン膜１の裏面１ｂにおけるスリット孔１２のＸ方向の長さが１〜２ｍｍ、Ｙ方向の幅が０．０００１〜０．００２ｍｍ（０．１〜２μｍ）の範囲内とすることが好ましい。
シリコン膜１の厚さは、好ましい剛性を得るためには５０μｍ以上とすることが好ましく、例えば１００μｍ程度に好ましく設定される。シリコン膜１の厚さの上限は特に限定されないが、厚くなるほど加工に要する時間が長くなるので、４５０μｍ以下とすることが好ましい。
開口部１０の内壁面１１、１３のＺ方向に対する傾斜角は、エッチング条件（エッチングレート）によって決まる。したがって、シリコン膜１の表面１ａにおける開口部１０のＸ方向の長さおよびＹ方向の幅は、エッチング条件によって決まる傾斜角とシリコン膜１の厚さとから、開口部１０の最下部に所望のサイズのスリット孔１２が形成されるように設計される。
液体と内壁面１１、１３との静的接触角は、好ましい耐水圧が得られる範囲内であればよいが、例えば本実施形態においては１２０°以上とすることが好ましい。
【００１３】
本実施形態の気液分離体は、シリコン膜１にウェットエッチングによる結晶異方性エッチングを施して、スリット孔１２を有する開口部１０を形成した後、開口部１０の内壁面１１、１３を撥水処理することによって製造することができる。
シリコン膜１の表面１ａ側から結晶異方性エッチングを行うと、内壁面１１、１３がシリコン膜１の厚さ方向（Ｚ方向）に対して傾斜して形成され、エッチング時間を好適に設定すれば、該内壁面がシリコン膜１の最下部に到達して裏面１ｂ側に貫通するスリット孔１２が形成される。
スリット孔１２における、Ｘ方向の長さおよびＹ方向の幅は、シリコン膜１の厚さおよびエッチング条件（エッチングレート）が決まっているとき、結晶異方性エッチング時に使用するエッチングマスク寸法を調整することによって制御することができる。
エッチングマスクとしては、シリコン膜１上にＳｉＯ２膜を形成し、これをフォトリソグラフ法によりパターニングしたものを用いることができる。、
【００１４】
内壁面１１、１３の撥水処理は、予め、シリコン膜１の裏面１ｂ上に剥離可能な粘着シートを密着させた状態で行うのが好ましい。こうすることにより、撥水処理がシリコン膜１の裏面１ｂにまで及ぶのを防止できるので、該裏面１ｂを親水性とするうえで好ましい。
そして、シリコン膜１の表面１a上に液状の撥水剤を、スプレー法、塗布法、浸漬法などの適宜のコーティング法を用いてコーティングする。このとき、少なくとも開口部１０の内壁面１１、１３の全面上に撥水剤をコーティングすることが好ましい。より好ましくは、シリコン膜１の表面１ａ全面にコーティングを施す。
また、超音波によって、コーティングされた撥水剤に振動を加えて、該撥水剤中の気泡を除去することが好ましい。
この後、コーティングされた撥水剤を乾燥させる。乾燥条件は、コーティングされた撥水剤中の溶剤が除去されて、撥水剤からなる薄膜が形成される程度に設定される。
【００１５】
ここで、乾燥時に、コーティングされた撥水剤中に気泡が存在していると、該気泡の近傍で撥水処理が不十分となり易い。特に、開口部１０の最下部に気泡が滞留し易く、そのためにスリット孔１２の周囲における撥水処理が不十分になると、耐水圧が設計通りに得られなくなるが、上記のように乾燥前に超音波を用いて撥水剤中の気泡を除去することにより、これを防止することができる。
撥水処理に用いる撥水剤は、処理後に所望の接触角が得られ、コーティングされる面への濡れ性が良好であり、微小な開口部１０の内壁面にコーティング可能な膜厚が得られるものが好ましい。具体的には主成分としてフッ素を含有するものが好適であり、具体例としてはＨＩＲＥＣＸ１（商品名；ＮＴＴ−アドバンステクノロジー社製）等が挙げられる。撥水剤の乾燥条件は、例えば５０〜６０℃、６０〜１２０分程度の範囲内が好ましい。
乾燥処理後の撥水剤の薄膜の厚さは、スリット孔１２のＹ方向の幅に比べて十分に小さいことが好ましく、例えば０．１〜０．５μｍ程度が好ましい。
【００１６】
本実施形態の気液分離体は、各種装置の気液分離部において液体と気体との界面に、シリコン膜１の裏面１ｂが液体と接触するように配されて用いられる。
例えば、板状の基体に液体を収容する凹部または液体の流路としての凹溝を形成し、該基体上に本実施形態の気液分離体を、該凹部または凹溝を覆うように積層一体化して用いることもできる。
かかる基体としては、例えば、シリコン膜１からなる気液分離体とガラス板とは化学的に接合が可能であり、かつ接合後は高い密閉性が得られるので、ガラスを好適に用いることができる。
【００１７】
本実施形態にあっては、シリコン膜１を厚くして剛性を持たせることができるので、シリコン膜１を単層で用いることができる。またシリコン膜１を他の補強部材と接合一体化して用いることもできる。
上述したように、シリコン膜１からなる気液分離体はガラス板と化学的に接合が可能であるので、例えば図４に示すように、シリコン膜１の裏面１ｂ上に、開口部６を設けたガラス板５を接合一体化して、シリコン膜１を補強することができる。ガラス板５の開口部６は、シリコン膜１の開口部１０を塞がないように、かつシリコン膜１の開口部１０とガラス板５の開口部６とが連通するように形成する。
このようにシリコン膜１にガラス板５を接合して用いる場合には、ガラス板５と接合せずに用いる場合に比べてシリコン膜１を薄くすることも可能であるが、シリコン膜１の厚さは例えば１００μｍ程度に好ましく設定することができる。スリット孔１２の大きさが同じ場合でも、シリコン膜１の厚さが薄いほど、高精度な加工を行い易いので、より微小な開口部１０を密に設けて気孔率を上げることが可能である。
【００１８】
なお、シリコン膜１に設ける開口部１０の数は、１つでもよいが、シリコン膜１の所望の強度および剛性を確保できる範囲で複数設けることもできる。シリコン膜１におけるスリット孔１２の総面積が大きくなるほど、気液分離体における気体の透過量が大きくなる。開口部１０を複数設ける場合、個々の開口部１０において、それぞれ好ましい耐水圧が得られるように設計する。
【００１９】
また、本実施形態では、スリット孔１２を平面視ライン形としたが、開口部および孔の形状はこれに限らず、例えば図５、６に示すように、略点状の孔２２を有する開口部２０としても、同様の作用効果を得ることができる。図５は開口部２０を模式的に示した平面図であり、図６は図５中のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【００２０】
この図の例が、上記の実施形態と異なる点は、シリコン膜２の表面２ａにおける開口部２０の形状が略正方形状で、開口部２０の最下部（底）に形成されている孔２２が微小な略正方形状となっている点である。開口部２０の内壁面２１は上記実施形態と同様にシリコン膜２の厚さ方向（Ｚ方向）に対して傾斜しており、該内壁面２１には同様に撥水処理が施されている。
【００２１】
かかる構成の開口部２０にあっては孔２２が小さいので、上記実施形態に比べて耐水圧を高くし易いが、気体の透過量は小さい。したがって、シリコン膜２の所望の強度および剛性を確保できる範囲で、かかる開口部２０を複数設けることが好ましい。
この場合、個々の開口部２０において、それぞれ好ましい耐水圧が得られるように設計する。
この例において、開口部２０の大きさは、好ましい耐水圧が得られる範囲内であればよいが、例えばシリコン膜２の裏面２ｂにおける孔２２のＸ方向の長さが０．０００１〜０．００２ｍｍ（０．１〜２μｍ）、Ｙ方向の幅が０．０００１〜０．００２ｍｍ（０．１〜２μｍ）の範囲内とすることが好ましい。
開口部２０の内壁面２１のＺ方向に対する傾斜角は、エッチング条件（エッチングレート）によって決まる。したがって、シリコン膜２の表面２ａにおける開口部２０のＸ方向の長さおよびＹ方向の幅は、エッチング条件によって決まる傾斜角とシリコン膜２の厚さとから、開口部２０の最下部に所望のサイズの孔２２が形成されるように設計される。
液体と内壁面２１との静的接触角は、好ましい耐水圧が得られる範囲内であればよいが、例えば本例においては１２０°以上とすることが好ましい。
【実施例】
【００２２】
（実施例）
図１〜３に示す構成の気液分離体を製造した。
まず、シリコン膜１の表面１ａ上および裏面１ｂ上にそれぞれ酸化膜（ＳｉＯ２膜）を形成した。シリコン膜１の厚さは１００μｍ、その表裏面上の酸化膜の厚さはいずれも０．８μｍとした。なお、シリコン膜１は、その結晶面のうち（１１１）面が、開口部１０の幅方向（Ｙ方向）両端の内壁面１１を形成するように用いた。
次いで、表面１ａ上の酸化膜をフォトリソグラフ法によりパターニングして、該酸化膜にＸ方向の長さ２ｍｍ、Ｙ方向の幅１５３．５μｍの開口部を設けた。
次いで、この開口部を設けた酸化膜をエッチングマスクとしてシリコン膜に異方性エッチングを施した。エッチング液としては、ＫＯＨ５００ｇを蒸留水７９０ｍｌに溶解させ、温度を６０℃に下げてからイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）を液体が飽和するまで加えた液（温度約６０℃）を用いた。このエッチング液を用いてシリコン膜にウェットエッチングを施したときの、各結晶面におけるエッチングレートは、
｛１１１｝：｛１００｝：｛１１０｝＝０．２：２２．５：１６  （μｍ／ｈ）となる。
３００分間エッチングした後、徐々に冷却し、純水で洗浄した後、窒素ガスを用いて乾燥させた。
この後、シリコン膜１の表裏面上の酸化膜をフッ酸を用いて除去して、開口部１０の形成を完了させた。シリコン膜１の裏面１ｂにおけるスリット孔１２のＸ方向の長さは２ｍｍ、Ｙ方向の幅は１μｍ±０．５μｍであった。またシリコン膜１の表面１ａにおける開口部１０のＸ方向の長さは１．５６８ｍｍ、Ｙ方向の幅は２．００３μｍであった。
【００２３】
次いで、シリコン膜１の裏面１ｂ上に、剥離可能な粘着シートとしてダイシングテープを接着した。そして、シリコン膜１の表面１ａの全面に撥水剤としてＨＩＲＥＣＸ１（商品名；ＮＴＴ−アドバンステクノロジー社製）を、シリコン膜１に対して超音波振動（周波数：１００ｋＨｚ）を与えながら塗布した。
撥水剤を塗布した後、オーブンにて７０℃、２時間の加熱を行って乾燥させた。
乾燥後、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したところ、開口部１０の内面１１、１３においては最下部まで撥水剤の薄膜が形成されていた。該撥水剤の薄膜の厚さは３．３μｍであった。
また、撥水処理が施された部分に純水１μｌを滴下したときの静的接触角は１５６°であった。
【００２４】
このような撥水処理を経て得られた気液分離体について、耐水圧の評価を行った。
耐水圧を測定する装置は、図７に示すように、ポンプ４１によって送り出された液体が、圧力センサー４２を通過した後、ゴム管４３に流れ込むように構成されている。
このゴム管４３の開口端に、該開口端を塞ぐように気液分離体４４を配してＯ−リング４５によって液密に固定した。
ポンプ４１を駆動させて１μｍ／ｍｉｎの一定流速で蒸留水を送液した。送液された蒸留水によって、気液分離体４４に静圧がかかり、時間の経過に伴って該圧力が上昇する。この圧力の増減を、圧力センサー４２によって１秒間隔でモニターした。一方、気液分離体４４の開口部１０を光学顕微鏡で観察し、液体の漏れの有無をモニターした。気液分離体４４の開口部１０から液体の漏れが生じたときに、圧力センサー４２における圧力減少が生じることを確認した。
開口部１０から液体の漏れが生じたことにより、開口部１０のスリット孔１２が貫通孔となっていることを確認できた。これにより、スリット孔１２から液体側へ気体が透過可能であることが確認できた。
気液分離体４４の開口部１０から液体（蒸留水）の漏れが生じる前に、圧力センサー４２で測定された圧力の最大値を耐水圧の値とした。
このようにして本実施例で得られた気液分離体の耐水圧を測定した結果、３８ｋＰａであった。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る気液分離体の一実施形態を示す平面図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】図１中のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図４】本発明に係る気液分離体の他の実施形態を示す平面図である。
【図５】本発明に係る気液分離体の他の実施形態を示す平面図である。
【図６】図５中のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図７】耐水圧の測定に用いた装置を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００２６】
１、２  シリコン膜
１ａ、２ａ  表面
１ｂ、２ｂ  裏面
１０、２０  開口部
１１、１３、２１  内壁面
１２  スリット孔
２２  孔
４４  気液分離体
【図１】
2005087975.tif 000003
【図２】
2005087975.tif 000004
【図３】
2005087975.tif 000005
【図４】
2005087975.tif 000006
【図５】
2005087975.tif 000007
【図６】
2005087975.tif 000008
【図７】
2005087975.tif 000009