(57)【要約】【課題】固定電極層および可動電極層に電圧を印加した際に互いの間に所望の大きさの静電気力を作用させることができる静電駆動型マイクロバルブを提供する。【解決手段】静電駆動型マイクロバルブは、弁孔１０が貫設された弁座基板１と、弁孔１０を開閉する弁体部２０を有し弁座基板１に組み合わされる弁体基板２とを備える。弁体部２０は、弁座基板１において弁体部２０と対向する部位に形成された固定電極層１１と、弁体部２０における弁座基板１との対向面に形成された可動電極層２１との間に生じる静電気力によって弁孔１０を閉塞する。弁座基板１と弁体基板２との間において、固定電極層１１および可動電極層２１を囲繞する部位に弁座基板１と弁体基板２との隙間Ａを埋める形で防護部５が形成され、防護部５は固定電極層１１と可動電極層２１との間に異物が侵入することを防止する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状であって厚み方向に弁孔が貫設された弁座基板と、弁座基板の厚み方向において定位置に固定され弁座基板の厚み方向に貫通する開口部を有するフレームと開口部内に配置され弁孔を開閉するようにフレームに対して開口部の貫通方向に往復移動可能な弁体部とを有する弁体基板とを備え、弁座基板は弁体部に対向する部位に形成される固定電極層を備え、弁体基板は、フレームの一部と弁体部の一部とを連結すると共に弁体部を開口部内において開口部の貫通方向に移動可能とする弾性を有する薄肉の連結部と、弁体部における固定電極層との対向面に形成される可動電極層とを備え、弁体部は固定電極層と可動電極層との間に作用する静電気力によって弁孔を閉塞し、弁座基板と弁体基板との対向面間において固定電極層および可動電極層を囲繞する部位に防護部が弁座基板と弁体基板との隙間を埋める形で形成されて成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】
前記防護部は金属材料からなり、前記固定電極層と前記可動電極層とのいずれか一方から防護部に囲繞された部位の外方まで延設された配線路を備え、防護部は、配線路との交差部位に切欠を有し、配線路とは電気的に非導通であ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】
前記防護部に囲繞された部位において前記固定電極層および前記可動電極層と前記切欠との間に前記弁座基板と前記弁体基板との隙間を埋める形で形成される補助防護部を備え、補助防護部は、前記配線路と交差する方向における寸法を切欠より大きくするように配線路との交差部位から防護部に沿って延設されることを特徴とする請求項２記載の静電駆動型マイクロバルブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弁孔を開閉する弁体部を静電気力により駆動する静電駆動型マイクロバルブに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体微細加工技術を用いて形成されたマイクロマシンと称する微小機械装置が多数研究開発されている。このマイクロマシンのうち、流体の流れを制御するマイクロバルブは、一般に、所謂バイメタル原理を応用した熱駆動型のものと、対向電極間に生じる静電気力を利用した静電駆動型のものとが知られている。
【０００３】
前者の熱駆動型マイクロバルブは、弁孔が貫設された弁座基板と、弁座基板と組み合わされ弁孔を開閉する弁体部を有する弁体基板とを備える。弁体基板は、板状であって厚み方向に貫通する開口部を有するフレームを備え、弁体部を開口部内に配置する。フレームの一部と弁体部の一部とは、薄肉の連結部によって連結される。連結部は、互いに熱膨張係数の異なる２部材により構成され、内蔵する拡散抵抗に通電され拡散抵抗が発熱することによって、弁体部を弁孔に近付ける向きに移動させるように撓む。すなわち、拡散抵抗に対する通電を制御することによって、弁体部が弁孔を開閉する（たとえば、特許文献１参照）。
【０００４】
一方、後者の静電駆動型マイクロバルブとして、本件出願人が先に出願したものがある（特願２００２−３５２９６５号）。この静電駆動型マイクロバルブは、図６に示すように、板状であって厚み方向に弁孔１０が貫設された弁座基板１と、弁孔１０を開閉する弁体部２０を備えた弁体基板２とが弁孔１０の貫通方向に組み合わされて構成される。弁座基板１に形成された固定電極層１１と弁体部２０に形成された可動電極層２１とは互いに対向しており、弁体部２０は、固定電極層１１と可動電極層２１との間に生じる静電気力によって弁孔１０を閉塞する。
【０００５】
弁体基板２は、半導体微細加工技術を用いたマイクロマシニングによってシリコン基板から形成される。弁体基板２は、図７に示すように、図の左右に長い矩形板状のフレーム２２を備え、フレーム２２における長手方向の中央部より図の左寄りの位置に正方形状に開口する開口部２３がフレーム２２の厚み方向に貫通する。フレーム２２における図の右端部には、側方に向かって開放された接続用切欠部２４がフレーム２２の幅方向の中央部に形成される。
【０００６】
開口部２３内には、板状であって板面が開口部２３より小さい正方形状の弁体部２０が配置される。弁体部２０とフレーム２２との対向面には、図６に示すように、フレーム２２の厚み方向の一方に向かって互いの距離を小さくするように傾斜するテーパが設けられ、接続用切欠部２４にも同方向に向かってフレーム２２の板面に沿った切欠の断面を小さくするテーパが設けられる。これらのテーパは、異方性エッチングによって形成される。また、これらのテーパを設けない構成を採用し、弁体基板２をＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）やＩＣＰ（誘電プラズマエッチング）等のドライエッチングによって形成してもよい。
【０００７】
フレーム２２と弁体部２０とは、フレーム２２の厚み方向において互いの距離が小さい側の一端部同士を連結する連結部２５によって結合される。連結部２５は、図７に示すように、弁体部２０の外側縁における各辺に沿って長い矩形板状であって４本設けられている。各連結部２５は夫々、フレーム２２と弁体部２０との間に配置され、長手方向の一端部がフレーム２２における開口部２３の内面に連結され、他端部が弁体部２０に連結される。ここに、各連結部２５と弁体部２０との隙間が夫々隣接する連結部２５とフレーム２２との隙間に連続し、開口部２３内において合計４つのく字状の隙間がフレーム２２の厚み方向に貫通する。連結部２５は薄肉で弁体部２０をフレーム２２の厚み方向に移動可能とする弾性を有するものであって、弁体部２０がフレーム２２の厚み方向に移動する際には、連結部２５に上述した形状を採用していることによってフレーム２２と弁体部２０との距離が小さくとも連結部２５の長さを十分に確保できるから比較的大きなストローク量を確保することができる。
【０００８】
一方、弁座基板１は、図８に示すように、ガラス基板を加工することによって板面が弁体基板２と略一致する矩形状に形成され、弁体基板２に対して開口部２３の貫通方向に重なるように配置される。弁座基板１は、弁体基板２の厚み方向において連結部２５が位置する側（すなわち、フレーム２２と弁体部２０との距離が小さい側）から弁体基板２に対して組み合わされる。弁座基板１において弁体部２０に対向する部位には、弁体部２０における弁座基板１との対向面内に十分に収まる大きさの円形状に開口する弁孔１０が形成される。弁孔１０は、図６に示すように、弁座基板１の厚み方向において弁体基板２から離れる向きに内径を大きくするテーパ状に形成される。また、弁座基板１における弁体基板２との対向面には、図８に示すように、弁孔１０の開口周縁を残して弁孔１０を囲む環状凹溝１２が形成される。さらに、環状凹溝１２における弁座基板１の幅方向の両端部から弁座基板１の幅方向の両端縁に亙って延設される帯状の逃がし溝１３が形成される。
【０００９】
ところで、静電駆動型マイクロバルブは、図６に示すように、弁座基板１に固定電極層１１を備えるとともに弁体基板２に可動電極層２１を備え、固定電極層１１と可動電極層２１との間に生じる静電気力を利用して弁孔１０を開閉するものである。固定電極層１１および可動電極層２１はアルミニウムのような金属層からなり薄膜形成技術を用いて形成されるものであって、固定電極層１１が弁座基板１において弁体基板２の開口部２３に対向する部位の全面に亙って形成され、可動電極層２１が弁体部２０における弁座基板１との対向面の全面に亙って形成される。弁体基板２における弁座基板１との対向面には全面に亙って金属膜２６が形成されており、可動電極層２１はその金属膜２６の一部である。
【００１０】
弁体基板２における弁座基板１との対向面において、絶縁層３が全面に亙って形成され固定電極層１１と可動電極層２１とを絶縁し、図９に示すように、幅方向の両端部には金属膜２６との間に絶縁層３を挟むアルミニウムのような金属層からなる接合用層４が各側縁に沿って夫々形成される。さらに、フレーム２２の接続用切欠部２４と接合用層４との間において、金属膜２６の一部から絶縁層３を貫通して弁座基板１に向かって突出する弁体側電極２７が形成される。
【００１１】
静電駆動型マイクロバルブは、上述した弁座基板１における弁体基板２との対向面に接続用層４を介して弁体基板２を陽極接合することにより構成される。
【００１２】
また、弁座基板１と弁体基板２とを接合した状態で固定電極層１１および可動電極層２１に対して電圧を印加できるように、弁体基板２の接続用切欠部２４を通して露出する弁座基板１の板面には、図８に示すように、固定電極接続パッド１４と可動電極接続パッド１５とが並設される。固定電極接続パッド１４は、固定電極層１１と固定電極接続パッド１４とを結ぶ方向に延設された帯状の配線路１６を介して接続される。さらに、弁座基板１において上述した弁体側電極２７に対向する部位には受けパッド１７が設けられ、受けパッド１７と可動電極接続パッド１５とが帯状の補助配線路１８を介して接続される。つまり、可動電極接続パッド１５は、可動電極層２１と導通する。
【００１３】
上述した静電駆動型マイクロバルブの動作について以下に説明する。固定電極層１１および可動電極層２１に対して電圧を印加しない状態では、弁体部２０における弁座基板１との対向面が弁座基板１の固定電極層１１に接触し、弁体部２０はその接触圧によって弁孔１０を閉塞する。この状態で、弁孔１０における弁体基板２と反対側から弁孔１０内に流体を流入し前記接触圧より流体の流体圧が大きければ、流体は弁体部２０を弁座基板１から離れる向きに移動させ弁孔１０および開口部２３における弁体部２０と連結部２５とを除く部位を通って流れる。対して、固定電極層１１および可動電極層２１に電圧を印加した状態では、弁体部２０を弁座基板１に引き寄せる静電気力が作用し弁孔１０を強固に閉塞するから、上述したように流体を弁孔１０内に流入しても流体は流れない。
【００１４】
すなわち、流体を弁孔１０における弁体基板２と反対側から流入し、固定電極接続パッド１４および可動電極接続パッド１５に印加する電圧をオンオフすることによって、流体の流れを制御することができる。
【００１５】
上述した静電駆動型マイクロバルブを製造するにあたっては、シリコン基板とガラス基板とを用いて複数の静電駆動型マイクロバルブを各セル毎に形成した後にダイシングによって個別のチップに切り分ける。
【特許文献１】特開２０００−３０９０００号公報（第１９頁、図２７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかし、図６に示すように、弁座基板１と弁体基板２とは接合用層４を介して接合されており、しかも、互いの対向面間には固定電極層１１や可動電極層２１や絶縁層３が形成されているので、夫々の対向面は厚み方向に凹凸を有する。したがって、弁座基板１と弁体基板２との間には隙間Ａが生じており、この隙間Ａを通って固定電極層１１と可動電極層２１との間に異物が侵入する可能性がある。
【００１７】
固定電極層１１と可動電極層２１との間に異物が付着すると、固定電極層１１と可動電極層２１との間に異物が存在することによって互いの間の距離が大きくなる。固定電極層１１と可動電極層２１とは、同じ電圧が印加されたとしても互いの間の距離が大きくなると互いの間に生じる静電気力が小さくなるので、固定電極層１１と可動電極層２１との間に異物が存在すれば、固定電極層１１と可動電極層２１との間に生じる静電気力が小さくなる。固定電極層１１と可動電極層２１との間の静電気力が小さくなることは、弁体部２０が弁孔１０を閉塞する力が小さくなることと同義であるから、結果的に、リーク等が生じる可能性がある。
【００１８】
上述した静電駆動型マイクロバルブでは、主に、製造時にダイシングによって生じる切削屑が固定電極層１１と可動電極層２１との間に侵入する可能性がある。すなわち、ダイシングによって生じる切削屑によって固定電極層１１と可動電極層２１との間に生じる静電気力が小さくなりリーク等につながる。
【００１９】
本発明は、上記事由に鑑みて為されたものであって、固定電極層と可動電極層との間に異物が侵入することを防止することによって、固定電極層および可動電極層に電圧を印加した際に互いの間に所望の大きさの静電気力を作用させ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。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
請求項１の発明は、板状であって厚み方向に弁孔が貫設された弁座基板と、弁座基板の厚み方向において定位置に固定され弁座基板の厚み方向に貫通する開口部を有するフレームと開口部内に配置され弁孔を開閉するようにフレームに対して開口部の貫通方向に往復移動可能な弁体部とを有する弁体基板とを備え、弁座基板が弁体部に対向する部位に形成される固定電極層を備え、弁体基板が、フレームの一部と弁体部の一部とを連結すると共に弁体部を開口部内において開口部の貫通方向に移動可能とする弾性を有する薄肉の連結部と、弁体部における固定電極層との対向面に形成される可動電極層とを備え、弁体部が固定電極層と可動電極層との間に作用する静電気力によって弁孔を閉塞し、弁座基板と弁体基板との対向面間において固定電極層および可動電極層を囲繞する部位に防護部が弁座基板と弁体基板との隙間を埋める形で形成されて成ることを特徴とする。
【００２１】
この構成によれば、弁座基板と弁体基板との対向面間において固定電極層および可動電極層が形成された部位は、防護部と弁座基板と弁体基板とによって囲まれるから、当該部位に対する外部からのゴミ等の侵入を防止できる。したがって、主として、静電駆動型マイクロバルブの製造時に、ダイシングの作業によって生じる切削屑が固定電極層および可動電極層に付着することを防止でき、結果的に、固定電極層と可動電極層との間に異物が侵入することが防止されるので、固定電極層と可動電極層との間に所望の大きさの静電気力を作用させることができる。
【００２２】
また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記防護部が金属材料からなり、前記固定電極層と前記可動電極層とのいずれか一方から防護部に囲繞された部位の外方まで延設された配線路を備え、防護部が、配線路との交差部位に切欠を有し、配線路とは電気的に非導通であることを特徴とする。
【００２３】
この構成によれば、防護部を固定電極層と可動電極層とのいずれか一方と電気的に非導通とするものであって、固定電極層と可動電極層とのいずれか一方の静電容量に対して防護部の静電容量が加算されることがない。その結果、固定電極層と可動電極層とのいずれか一方の静電容量が配線路を介して防護部に囲繞された部位の外方から検査できるので、製造時に行われる固定電極層および可動電極層の静電容量の検査が容易になる。
【００２４】
また、請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記防護部に囲繞された部位において前記固定電極層および前記可動電極層と前記切欠との間に前記弁座基板と前記弁体基板との隙間を埋める形で形成される補助防護部を備え、補助防護部が、前記配線路と交差する方向における寸法を切欠より大きくするように配線路との交差部位から防護部に沿って延設されることを特徴とする。
【００２５】
この構成によれば、異物が切欠を通って防護部に囲繞された部位に侵入することがあっても、固定電極層および可動電極層が形成された部位への当該異物の侵入路は補助防護部によって絶たれるから、固定電極層および可動電極層が形成された部位に異物が侵入することを確実に防止できる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明は、弁座基板と弁体基板との対向面間において固定電極層および可動電極層が形成された部位は、防護部と弁座基板と弁体基板とによって囲まれるから、当該部位に対する外部からのゴミ等の侵入を防止できる。したがって、主として、静電駆動型マイクロバルブの製造時に、ダイシングによって生じる切削屑が固定電極層および可動電極層に付着することを防止でき、結果的に、固定電極層と可動電極層との間に異物が侵入することが防止されるので、固定電極層と可動電極層との間に所望の大きさの静電気力を作用させることができるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
（実施形態１）
本実施形態の静電駆動型マイクロバルブは、従来構成において説明した静電駆動型マイクロバルブに対して、固定電極層および可動電極層を弁座基板と弁体基板との間において囲繞することによって固定電極層および可動電極層が形成された部位への異物の侵入を防止する防護部を付加した点に特徴がある。以下では、従来構成と同様の構成および機能のものは従来構成と同符号を用いて説明を省略する。
【００２８】
本実施形態の防護部５は、図２に示すように、アルミニウムのような金属材料からなり、薄膜形成技術を用いて弁座基板１における弁体基板２との対向面に設けられ、固定電極層１１を囲繞する形で略正方形の枠状に形成される。防護部５は、弁座基板１の厚み方向の寸法が弁座基板１と弁体基板２との隙間Ａに略等しくなるように形成されており、図１に示すように、弁座基板１と弁体基板２との間において隙間Ａを埋める。弁体基板２における弁座基板１との対向面においては、防護部５は、図３に示すように開口部２３を囲繞し且つ両接合用層４の間に収まる部位に当接しており、防護部と可動電極層とが、図１に示すように互いの間に介在する絶縁層によって絶縁される。
【００２９】
この構成によれば、固定電極層１１および可動電極層２１に対する異物の侵入路である弁座基板１と弁体基板２との隙間Ａが防護部５によって埋められるから、固定電極層１１と可動電極層２１との間に侵入しようとする異物は防護部５によって侵入を防止される。したがって、シリコン基板とガラス基板とを用いて複数個の静電駆動型マイクロバルブを形成した後、個々の静電駆動型マイクロバルブに切断する際にも、ダイシングによって生じる切削屑が固定電極層１１と可動電極層２１との間に侵入することがない。その結果、固定電極接続パッド１４および可動電極接続パッド１５に電圧を印加すれば、固定電極層１１と可動電極層２１との間に所望の大きさの静電気力を作用させることができる。
【００３０】
また、ガラス基板からなる弁座基板１とシリコン基板からなる弁体基板２とでは、線膨張係数が異なるから、弁座基板１と弁体基板２とを直接接合すると両者の線膨張係数の違いによって接合部位に残留応力が生じてしまう。本実施形態では、弁座基板１と弁体基板２との間にアルミニウムのような金属材料からなる防護部５が介在することによって、防護部５が緩衝材となり弁座基板１と弁体基板２との接合部位に生じる残留応力を緩和する効果も期待できる。上述した例では、防護部５を弁座基板１に形成する構成を採用したが、防護部５を弁体基板２に形成する構成を採用しても同様の効果が得られる。
【００３１】
なお、ダイシング時に弁孔１０またはフレーム２２の開口部２３を通して固定電極層１１と可動電極層２１との間に侵入する切削屑は、ダイシングの前に、接合されたシリコン基板とガラス基板との互いに反対側の板面にテープを夫々密着させておくことによって容易に防止できる。また、異物が弁座基板１の幅方向の両側方から逃がし溝１３を通って固定電極層１１と可動電極層２１との間に侵入することを防止するために、本実施形態では、逃がし溝１３が防護部５に囲繞された部位に収まるように弁座基板１の幅方向における逃がし溝１３の寸法を従来構成より短く形成している。その他の構成および機能は従来構成と同様である。
【００３２】
（実施形態２）
本実施形態の静電駆動型マイクロバルブは、防護部５に切欠を有し防護部５と配線路１６とを絶縁した点が実施形態１の静電駆動型マイクロバルブと相違する。
【００３３】
つまり、本実施形態では、防護部５は、図４に示すように、固定電極層１１に接続された配線路１６に対して弁座基板１の厚み方向に重なる部位に切欠５０を有し、固定電極層１１とは電気的に非導通である。一方、可動電極層２１と防護部５との間には上述したように絶縁層３が介在するので、防護部５は可動電極層２１に対しても絶縁される。
【００３４】
ところで、静電駆動型マイクロバルブでは上述したように弁体部２０が弁孔１０を閉塞する力は固定電極層１１と可動電極層２１との間に生じる静電気力と同義である。そこで、静電駆動型マイクロバルブの製造時には、弁体部２０が弁孔１０を閉塞する力を検査するために、固定電極層１１と可動電極層２１との静電容量が検査される。本実施形態の静電駆動型マイクロバルブでは、防護部５が固定電極層１１および可動電極層２１と電気的に非導通であるから、固定電極層１１と可動電極層２１との静電容量に防護部５の静電容量が加算されることがなく、防護部５に囲繞された部位の外方に設けられた固定電極接続パッド１４および可動電極接続パッド１５を用いて固定電極層１１および可動電極層２１の静電容量が容易に検査できる。
【００３５】
また、防護部５の切欠５０を通って固定電極層１１および可動電極層２１が形成された部位に異物が侵入することを防止するために、図４に示すように、補助防護部６を形成することが望ましい。図の補助防護部６は、防護部５に囲繞された部位において切欠５０が設けられた一辺と固定電極層１１との間に、当該一辺に沿う方向における寸法が切欠５０より大きい帯状に形成される。さらに、補助防護部６は、防護部５と同様に弁座基板１の厚み方向の寸法が弁座基板１と弁体基板２との隙間Ａに略等しく、弁座基板１と弁体基板２との間において隙間Ａを埋める。
【００３６】
この補助防護部６を備える構成によれば、異物が切欠５０を通って防護部５に囲繞された部位に侵入することがあっても、固定電極層１１および可動電極層２１が形成された部位への当該異物の侵入路は補助防護部６によって絶たれるから、固定電極層１１および可動電極層２１が形成された部位に異物が侵入することを確実に防止できる。また、補助防護部６は固定電極層１１に対して導通するが、防護部５に比べてサイズが小さいものであるから、固定電極層１１の静電容量に与える影響は小さい。
【００３７】
なお、図５に示すように、弁座基板１と弁体基板２との接合のために設けられる接合用層４を防護部５の一部に利用する構成も考えられる。その他の構成および機能は実施形態１と同様である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態１を示す縦断面図である。
【図２】同上の弁座基板を示す平面図である。
【図３】同上の弁体基板を示す平面図である。
【図４】本発明の実施形態２の弁座基板を示す平面図である。
【図５】同上の弁体基板を示す平面図である。
【図６】従来例を示す縦断面図である。
【図７】同上を示す平面図である。
【図８】同上の弁座基板を示す斜視図である。
【図９】同上の弁体基板を示す平面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  弁座基板
２  弁体基板
５  防護部
６  補助防護部
１０  弁孔
１１  固定電極層
１６  配線路
２０  弁体部
２１  可動電極層
２２  フレーム
２３  開口部
２５  連結部
５０  切欠
Ａ  隙間
【図１】
2005127422.tif 000003
【図２】
2005127422.tif 000004
【図３】
2005127422.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005127422.tif 000007
【図６】
2005127422.tif 000008
【図７】
2005127422.tif 000009
【図８】
2005127422.tif 000010
【図９】
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