(57)【要約】【課題】  ダイヤフラムまたはダイヤフラムの支持部を通して流路を設けることにより、導出口がダイヤフラムを介して導入口の反対側にある、小型の単純な構成のリリーフバルブを提供する。【解決手段】  半導体基板を材料とし、流体の導入口２の圧力が導出口６の圧力に比べて設定圧力値よりも高くなった場合に動作する圧力調整用のリリーフバルブであって、流体の導入口２と導出口６を結ぶ流路５と、流体の導入口と導出口の圧力差により変形して流路を開閉するダイヤフラム４とを有し、前記流路５がダイヤフラム４を貫通、あるいは、ダイヤフラム面側面に配置され、該ダイヤフラム４と弁座３とが接触して設けられ、ダイヤフラム４が変形することにより流路を開閉するリリーフバルブ。【選択図】        図１
2007040322.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の導入口の圧力が導出口の圧力に比べて設定圧力値よりも高くなった場合に動作する圧力調整用のリリーフバルブであって、半導体ウェハを材料として形成されており、流体の導入口と導出口を結ぶ流路と、流体の導入口と導出口の圧力差により変形して流路を開閉するダイヤフラムとを有することを特徴とするリリーフバルブ。
【請求項２】
前記流路が前記ダイヤフラムまたはダイヤフラムを支持している支持部を貫通して設けられていることを特徴とする請求項１に記載のリリーフバルブ。
【請求項３】
前記流路がダイヤフラムを貫通し、該ダイヤフラムと弁座とが接触して設けられ、ダイヤフラムが変形することによりダイヤフラムと弁座との接触を開閉することを特徴とする請求項２に記載のリリーフバルブ。
【請求項４】
前記流路がダイヤフラムを支持している支持部を貫通し、該支持部と弁座とが接触して設けられ、ダイヤフラムが変形することにより支持部と弁座との接触を開閉することを特徴とする請求項２に記載のリリーフバルブ。
【請求項５】
前記ダイヤフラムを支持している支持部が弁体であることを特徴とする請求項４に記載のリリーフバルブ。
【請求項６】
前記流路がダイヤフラムを支持している支持部の一部分を貫通し、該支持部の他の部分と弁座とが接触して設けられ、ダイヤフラムが変形することにより支持部の他の部分と弁座との接触を開閉することを特徴とする請求項２に記載のリリーフバルブ。
【請求項７】
前記ダイヤフラムを支持している支持部の他の部分が弁体であることを特徴とする請求項６に記載のリリーフバルブ。
【請求項８】
前記流体の導入口と導出口の圧力差の調整が、前記ダイヤフラムにたわみを発生させるかまたは応力を発生させるかのいずれかによることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかの項に記載のリリーフバルブ。
【請求項９】
流体の導入口と導出口を結ぶ流路と流体の導入口と導出口の圧力差により変形して流路を開閉するダイヤフラムとを有し、流体の導入口の圧力が導出口の圧力に比べて設定圧力値よりも高くなった場合に動作する圧力調整用のリリーフバルブの製造方法であって、半導体ウェハにダイヤフラムおよび流路を形成する工程、基板に流路を形成する工程を有することを特徴とするリリーフバルブの製造方法。
【請求項１０】
前記半導体ウェハに弁体を形成する工程を含むことを特徴とする請求項９に記載のリリーフバルブの製造方法。
【請求項１１】
前記基板に弁座を形成する工程を含むことを特徴とする請求項９または１０に記載のリリーフバルブの製造方法。
【請求項１２】
前記半導体ウェハと前記基板とを接合する工程を含むことを特徴とする請求項９乃至１１のいずれかの項に記載のリリーフバルブの製造方法。
【請求項１３】
前記半導体ウェハと基板とを接合する前に犠牲層を形成する工程と、接合後に犠牲層を取り除く工程を含むことを特徴とする請求項１２に記載のリリーフバルブの製造方法。
【請求項１４】
前記ダイヤフラム表面に薄膜を成膜する工程を含むことを特徴とする請求項９乃至１３のいずれかの項に記載のリリーフバルブの製造方法。
【請求項１５】
さらに、リリーフバルブの表面を改質あるいはコーティングする工程を含むことを特徴とする請求項９乃至１４のいずれかの項に記載のリリーフバルブの製造方法。
【請求項１６】
前記基板として半導体ウェハを用いることを特徴とする請求項９乃至１５のいずれかの項に記載のリリーフバルブの製造方法。
【請求項１７】
請求項１乃至８のいずれかに記載のリリーフバルブを搭載した燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体加工技術を用いて製造したリリーフバルブ、その製造方法および燃料電池に関する。詳しくは直動型ダイヤフラムを有するリリーフバルブに関するものである。また、前記リリーフバルブを搭載した、小型電気機器に搭載可能な発電量が数ミリワットから数百ワットまでの小型固体高分子型燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、リリーフバルブは機械加工技術を用いて様々なタイプのものが製造されてきた。これらは、駆動機構によって、直動型、パイロット型に大別される。直動型はパイロット型に比べ、構成が単純であるという利点を有する。また、微小な差圧で動作するため、動作流体が気体である場合に多く用いられる。しかしながら、圧力に対して敏感に動作しすぎて、使用圧力領域によっては、弁体が振動するチャタリング現象が発生する場合もある。また、感圧部分には、ポペットやダイヤフラム、ベローズが使用されてきた。中でも、微小な圧力差によって動作させるには、ダイヤフラムが多く使用されてきた。特許文献１には、ダイヤフラムを用いた直動型リリーフバルブの例が開示されている。特許文献１においては、ダイヤフラムによって差圧を感知し、ダイヤフラムが弁座より離れた後、弁体が動作する構造となっている。
【０００３】
また、ダイヤフラム直動型リリーフバルブの中で、流路を有するダイヤフラムが差圧によって変形し、流体を制御するものには、特許文献２に示すようなリリーフバルブがある。
【０００４】
一方、半導体加工技術を用いて様々な微小機械要素が製造されてきた。半導体加工技術は、サブミクロンオーダーの微細加工が可能な上、バッチプロセスにより大量生産化が容易であるという特徴を有する。非特許文献１においては、複数の半導体基板（シリコン材料）を用い、半導体加工技術を用いて製造したアクティブ駆動のマイクロバルブについて開示している。このマイクロバルブは圧電素子であるＰＺＴ（Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉ）に電圧をかけることによって駆動される。
【０００５】
小型の電気機器に搭載するエネルギー源として、小型の燃料電池が注目されている。燃料電池が小型電気機器の駆動源として有用な理由としては、体積当たり、重量当たりの供給可能なエネルギー量が従来のリチウムイオン２次電池に比べて、数倍から十倍近くであることが挙げられる。特に、大きな出力を得るための燃料電池に用いられる燃料としては、水素が最適である。しかし、水素は常温で気体であるため、小型の燃料タンクの中に高密度に水素を貯蔵するための技術が必要である。
【０００６】
水素を高密度で保存する第一の方法は、水素を圧縮して高圧ガスとしてタンク内に保存する方法である。タンク内のガスの圧力を２００気圧にすると体積水素密度は１８ｍｇ／ｃｍ3程度となる。第二の方法は、水素を低温にして、液体として貯蔵する方法である。水素を液化するためには、大きなエネルギーが必要であること、また、液化状態を維持するための冷却機構が必要となることが問題であるが、高密度な保存が可能である。第三の方法は、水素吸蔵合金を使用して水素を貯蔵する方法である。この方法では、水素吸蔵合金の２ｗｔ％程度の水素を吸蔵することが可能である。
【０００７】
一方、固体高分子型燃料電池の発電は以下の様にして行われる。高分子電解質膜には、パーフルオロスルホン酸系の陽イオン交換樹脂がよく用いられる。例えば、このような膜としては、デュポン社のナフィオン（登録商標）などがよく知られている。固体高分子電解質膜を、白金などの触媒を担持した一対の多孔質電極、すなわち、燃料極と酸化剤極とで狭持した膜電極複合体によって発電セルが構成される。この発電セルに対して、酸化剤極には酸化剤を、燃料極には燃料を供給することにより、高分子電解質膜中をイオンが移動し、発電が行われる。
【０００８】
高分子電解質膜は機械的強度を保ち、また、燃料が透過しないようにするために通常５０〜１００μｍ程度の厚さのものが使用される。これらの固体高分子電解質膜の強度は３００〜５００ｋＰａ（３〜５ｋｇ／ｃｍ2）程度である。従って、差圧による膜の破断を防ぐためには、燃料電池の酸化剤極室と燃料極室との差圧が、平常時には５０ｋＰａ（０．５ｋｇ／ｃｍ2）、非常時でも１００ｋＰａ（１ｋｇ／ｃｍ2）以下になるように制御することが好ましい。
【０００９】
そこで、燃料極室内の圧力が上記圧力より高くなった場合、高分子電解質膜の破断を避けるため、極室内の圧力を下げる必要がある。特許文献３においては、燃料電池の燃料流路にリリーフバルブを備え、流路内が設定圧力より高くなった場合に、燃料ガスを外部に排出することにより、システムの破損を防ぐ機構を開示している。
【特許文献１】特開平６−９４１４７号公報
【特許文献２】特開昭６４−６４６０９号公報
【特許文献３】特開平１０−２８４０９８号公報
【非特許文献１】Ｈ．Ｊｅｒｍａｎ，“Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．”，４，２１０−２１６，１９９４年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
超小型のバルブを作製するのに、従来の機械加工技術・組み立て技術では、精度が十分でなく、超小型のリリーフバルブを製造するのは非常に困難であった。また、製造コストが高くなってしまうという問題を有していた。
【００１１】
また、半導体加工技術を用いて作製されたマイクロバルブ類の中にはリリーフバルブはなかった。また、従来の半導体加工技術を用いたマイクロバルブは、アクティブ駆動を前提としたものが多く、リリーフバルブとして最適な圧力設定が可能な構造にはなっていなかった。
【００１２】
本発明は、この様な背景技術に鑑みてなされたものであり、半導体ウェハを材料とし、半導体加工技術を用いてバルブを製造することにより、非常に小型化したリリーフバルブを提供するものである。
【００１３】
また、本発明は、半導体ウェハ部材同士を接合してバルブを製造することにより、部材間の隙間からの漏れが非常に少ない圧力調整用のリリーフバルブの製造方法を提供するものである。
【００１４】
また、本発明は、上記のリリーフバルブを搭載することによって、燃料タンクからの燃料ガスの圧力を一定に保って燃料電池セルに供給することができる燃料電池を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明のリリーフバルブは、流体の導入口の圧力が導出口の圧力に比べて設定圧力値よりも高くなった場合に動作する圧力調整用のリリーフバルブであって、以下の特徴を有する。該リリーフバルブは半導体ウェハを材料とし、流体の導入口と導出口を結ぶ流路と、流体の導入口と導出口の圧力差により変形して流路を開閉するダイヤフラムとを有する。
【００１６】
前記流路が前記ダイヤフラムまたはダイヤフラムを支持している支持部を貫通して設けられていることが好ましい。
前記流路がダイヤフラムを貫通し、該ダイヤフラムと弁座とが接触して設けられ、ダイヤフラムが変形することによりダイヤフラムと弁座との接触を開閉するのが好ましい。
【００１７】
前記流路がダイヤフラムを支持している支持部を貫通し、該支持部と弁座とが接触して設けられ、ダイヤフラムが変形することにより支持部と弁座との接触を開閉するのが好ましい。
【００１８】
前記ダイヤフラムを支持している支持部が弁体であるのが好ましい。
前記流路がダイヤフラムを支持している支持部の一部分を貫通し、該支持部の他の部分と弁座とが接触して設けられ、ダイヤフラムが変形することにより支持部の他の部分と弁座との接触を開閉するのが好ましい。
【００１９】
前記ダイヤフラムを支持している支持部の他の部分が弁体であるのが好ましい。
前記流体の導入口と導出口の圧力差の調整が、前記ダイヤフラムにたわみを発生させるかまたは応力を発生させるかのいずれかによるのが好ましい。
【００２０】
また、本発明は、流体の導入口と導出口を結ぶ流路と流体の導入口と導出口の圧力差により変形して流路を開閉するダイヤフラムとを有し、流体の導入口の圧力が導出口の圧力に比べて設定圧力値よりも高くなった場合に動作する圧力調整用のリリーフバルブの製造方法であって、半導体ウェハにダイヤフラムおよび流路を形成する工程、基板に流路を形成する工程を有することを特徴とするリリーフバルブの製造方法である。
【００２１】
本発明のリリーフバルブの製造方法には、更に前記半導体ウェハに弁体を形成する工程を含むことが好ましい。
本発明のリリーフバルブの製造方法には、更に前記基板に弁座を形成する工程を含むことが好ましい。
本発明のリリーフバルブの製造方法には、更に前記半導体ウェハと基板とを接合する工程を含むことが好ましい。
【００２２】
本発明のリリーフバルブの製造方法には、更に前記半導体ウェハと基板とを接合する前に犠牲層を形成する工程と、接合後に犠牲層を取り除く工程を含むことが好ましい。
本発明のリリーフバルブの製造方法には、更に前記ダイヤフラム表面に薄膜を成膜する工程を含むことが好ましい。
【００２３】
本発明のリリーフバルブの製造方法には、更にリリーフバルブの表面を改質あるいはコーティングする工程を含むことが好ましい。
本発明のリリーフバルブに用いられる前記基板が半導体ウェハであることが好ましい。
【００２４】
さらに、本発明に係る燃料電池は、上記のリリーフバルブを搭載した燃料電池である。
【発明の効果】
【００２５】
本発明により、半導体ウェハを材料とし、小型の単純な構成のリリーフバルブを提供できる。
また、本発明により、半導体ウェハを材料とし、半導体加工技術を用いてバルブを製造することにより、小型化したリリーフバルブの製造方法を提供できる。
【００２６】
また、本発明により、半導体ウェハ部材同士を接合してバルブを製造することにより、部材間の隙間からの漏れが非常に少ない圧力調整用のリリーフバルブの製造方法を提供できる。
【００２７】
また、本発明により、上記のリリーフバルブを小型燃料電池に搭載することによって、燃料タンクからの燃料ガスの圧力を一定に保って燃料電池セルに供給することができる燃料電池を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明のリリーフバルブは、半導体ウェハを材料とし、流体の導入口と導出口を結ぶ流路と、流体の導入口と導出口の圧力差により変形して流路を開閉するダイヤフラムとを有することを特徴とする。
【００２９】
以下、図面に基づいて、本発明のリリーフバルブの構成について説明する。図１は、本発明のリリーフバルブの一実施態様を示す断面図である。図１（ａ）はバルブが閉じた状態、図１（ｂ）はバルブが開いた状態を示す。図１に示されたバルブは、流路がダイヤフラムを貫通し、該ダイヤフラムと弁座とが接触して設けられ、ダイヤフラムが変形することにより流路を開閉するリリーフバルブである。図１（ａ）において、ダイヤフラム４は流体導入口２と流体導出口６との間に配置され、流路５がダイヤフラムを貫通している。流路５はダイヤフラム４が弁座３に押し付けられることにより閉じている。流体導入口２の圧力が流体導出口６での圧力を設定値よりも上回った場合に、ダイヤフラム４が流体導出口側に押し上げられて変形することにより、弁座３とダイヤフラム４の間に隙間ができ、流体は流体導入口２から流体導出口６へと流れる（図１（ｂ））。一方、流体導入口２の圧力が流体導出口６での圧力に比べ、設定値以下になった場合、ダイヤフラム４は着座し、ダイヤフラム４が弁座３に押し付けられ（図１（ａ））、流体の流通は停止する。
【００３０】
バルブの開放圧力を設定する第一の方法は、弁座３の厚さを調節することにより、ダイヤフラムにあらかじめ所定量のたわみを持たせることである。また、開放圧力を設定する第二の方法は、ダイヤフラムに内部応力を有する材料を使用することである。また、バルブの応答性は、ダイヤフラムの材料および厚さや径により決定される。
【００３１】
図２は、本発明のリリーフバルブの他の実施態様を示す断面図である。図２（ａ）〜図２（ｃ）はバルブが閉じた状態を示す。図２（ａ）のリリーフバルブにおいては、ダイヤフラム４は、支持部７１ａである弁体７の両側に支持されている。この場合、弁体７とダイヤフラム４は一体に形成されているのが、好ましい。弁体７の両側に形成されたダイヤフラム４は流体導入口２と流体導出口６との間に配置され、流路５がダイヤフラム４を貫通して設けられている。ダイヤフラム４と一体に形成されている弁体７が弁座３に押し付けられることにより流体は遮断されている。流体導入口の圧力が流体導出口での圧力を設定値よりも上回った場合に、ダイヤフラム４が流体導出口側に押し上げられて変形することにより、弁体７と弁座３との間に隙間ができる。すると流体は、ダイヤフラム４を貫通している流路５を通り、流体導入口から流体導出口へと流れる。一方、流体導入口の圧力が流体導出口での圧力に比べ、設定値以下になった場合、ダイヤフラム４は着座し、弁体７は弁座３に押し付けられ流体の流通は停止する。
【００３２】
また、図２（ｂ）のリリーフバルブは、流路をダイヤフラム外に設けた場合であり、流路５がダイヤフラム４を支持している支持部７１ｂを貫通して設けられ、図２（ａ）と同様の動作が行われて、ダイヤフラムが変形することにより流路を開閉する構成からなる。
【００３３】
また、図２（ｃ）のリリーフバルブは、ダイヤフラム４と一体に形成されている弁体７に突起部８を有する構成からなる。この場合、図２（ａ）と同様の動作が行われて、ダイヤフラムの両面にかかる圧力差により、ダイヤフラムが変形することにより流路を開閉する。
【実施例】
【００３４】
以下、実施例と比較例に基づいて本発明を説明する。
比較例１
まず、比較例として、従来の機械加工技術を用いてリリーフバルブを作製した場合の構成について説明する。図３は、機械加工技術により作製されたリリーフバルブを示す概略図である。図３（ａ）は断面図、図３（ｂ）は平面図、図３（ｃ）は底面図である。基板１０１は、流体導入口１０２および弁座１０３を有している。基板材料として  はステンレスやアルミなどの金属材料のほか、アクリルなどのプラスチック材料が用いられる。
【００３５】
ダイヤフラム１０４は弾性材料からなり、中央に流路１０５を有している。ダイヤフラムの材料には、フッ素ゴムやシリコーンゴム、ウレタンゴムなどのプラスチック材料や、ステンレス、りん青銅、ベリリウムなどの金属材料が用いられる。金属材料を使用する場合には、より小さな力で大きな変位を得るために、波型に整形しておくことも可能である。
【００３６】
ダイヤフラム１０４を基板１０１に設置した後、流体導出口１０６を有する蓋１０７によって、ダイヤフラム１０４を固定する。このように組み立てられたリリーフバルブは、ネジ部１０９によって流路に取り付けられる。ネジ部には、シール１０８があり、流体がネジ部を通して外に漏れるのを防いでいる。シール１０８にはシリコーンゴムやフッ素ゴムなどが使用される。
【００３７】
ダイヤフラム１０４に金属材料を使用する場合、シール性を高めるために、弁座１０３と接する部分にシリコーンゴムやフッ素ゴムなどゴム材料からなる部材を用いることもできる。一方、ダイヤフラム１０４にゴム材料を使用する場合、弁座１０３と接する部分の裏側に金属などの固い材料で補強することも可能である。
【００３８】
リリーフバルブの動作圧力ｐはダイヤフラム１０４の初期たわみωと材料、半径ｒ、厚さｈによって決定される。これらの関係はおよそ以下の式（１）に従う。ただし、Ｅ：ヤング率、ｍ：ポアッソン比-1とする。
【００３９】
【数１】
2007040322.tif 000003
【００４０】
ここで、Ｄは、
【００４１】
【数２】
2007040322.tif 000004
【００４２】
である。
表１は、ダイヤフラムの材料、径、厚さ、初期たわみ（予圧用たわみ）を変えたときの、リリーフバルブが開く時の流体導入口と流体導出口との圧力差（クラッキング圧力）を表す。
【００４３】
【表１】
2007040322.tif 000005
【００４４】
このように、ダイヤフラムに初期たわみを与えておくことにより、動作圧力を変えることが可能である。また、流体導入口と導出口との圧力差が１０ｋＰａ増加した場合の、バルブの変位量を表したものである。圧力差が大きくなるに従い、バルブの変位量は増加する。
【００４５】
一方、バルブが開いているときの、バルブを通過する流体の流量は、流路径、ダイヤフラムの変位量および流体導入口と導出口との圧力差によって決定される。ダイヤフラムの変位、および、流体導入口と導出口との圧力差による、流量Ｑの変化は以下の式（２）によって表される。
【００４６】
【数３】
2007040322.tif 000006
【００４７】
ただし、ｄ1：ダイヤフラムの穴径、ｄ2：弁座径、ｄ：ダイヤフラム穴径と弁座径の平均、Ｐ1：導入口側圧力、Ｐ0：導出口側圧力、μ：粘度、ｘ：変位である。
表２は、ダイヤフラムの変位量が変化したときの、バルブを通過する流体の流量を表したものである。また、ダイヤフラムの変位量が大きくなるほど、また、圧力差が大きくなるほど、流量は大きくなる。
【００４８】
【表２】
2007040322.tif 000007
【００４９】
バルブの最大流量Ｑは、流路１０５の大きさによって以下の式（３）によって、決定される。
【００５０】
【数４】
2007040322.tif 000008
【００５１】
ただし、Ｃｄ：流量係数（通常は０．７）、ρ：流体密度、ΔＰ：流路前後の圧力差、Ａ：流路の断面積である。
流路１０５の径を変えた場合の流体導入口と流体導出口との圧力差による最大流量の変化を表３に示す。
【００５２】
【表３】
2007040322.tif 000009
【００５３】
バルブの応答速度は、ダイヤフラム１０４の固有振動数によって決定される。固有振動数が大きなバルブほど、応答性は速くなり感度が向上するが、チャタリングなどの問題を起こす可能性もある。ダイヤフラム１０４の質量をｍ、バネ定数をｋとすると、固有振動数ω＝√（ｋ／ｍ）で表されるので、表１にダイヤフラム１０４の材料、サイズなどを変えた場合の固有振動数を示す。
【００５４】
ダイヤフラム１０４にかかる最大応力（σmax）は以下の式（４）で表される。
【００５５】
【数５】
2007040322.tif 000010
【００５６】
ただし、ｒ：ダイヤフラム半径、ｈ：ダイヤフラム厚さ、ｐ：圧力である。上式に従って、使用圧力範囲でバルブが破損しない材料、寸法を決定する。
実施例１
本発明のリリーフバルブを半導体加工技術を用いて製造する第１の方法について説明する。本発明のリリーフバルブは、第１のウェハに流体導入口および弁座を作製する工程と、第２のウェハにダイヤフラムおよび流体導出口を作製する工程と、第１のウェハと第２のウェハを接合する工程の後、最後に弁体をリリースすることによって、製造される。
【００５７】
図４Ａ〜図４Ｃは、本発明の実施例１のリリーフバルブの製造方法を示す工程図である。本発明のリリーフバルブ製造方法を説明する。
まず、図４（ａ）に示す第１の工程は、第１のウェハにダイヤフラムおよび弁体のマスクを作製する工程である。ウェハには厚さ３００μｍ両面研磨シリコンウェハ２０１を用いる。まず、２枚のアルミマスクを順番にシリコンウェハ２０１にパターニングする。１枚目のアルミニウムマスク２０３は、Ｓｈｉｐｌｅｙ社、商品名  Ｓ１８０５をフォトレジストに使用し、ダイヤフラム２１１と弁体２１２を形成するためのマスクをパターニングする。さらに、その上に、２枚目のアルミニウムマスク２０４を真空蒸着によって成膜し、パターニングする。マスク材料にはその他にシリコン酸化膜や厚膜のフォトレジストなどを使用することも可能である。
【００５８】
図４（ｂ）に示す第２の工程では、ダイヤフラム２１１を作製する。ＩＣＰ−ＲＩＥエッチング（反応性イオンエッチング）によってシリコンウェハを垂直に１５０μｍエッチングする。
【００５９】
図４（ｃ）に示す第３の工程では、エッチング時間を制御することによって、２枚目のアルミニウムマスク２０４のみをウェットエッチングによって取り除く。
図４（ｄ）に示す第４の工程では、残ったマスクを用いて、ＩＣＰ−ＲＩＥエッチング（反応性イオンエッチング）によって１２５μｍシリコンウェハを垂直にエッチングする。これにより２５μｍのシリコンウェハ部分が残り、これがダイヤフラム２１１となる。また、中央部は厚さ１７５μｍとなり、これが弁体２１２となる。
【００６０】
図４（ｅ）に示す第５の工程では、アルミニウムマスクをウェットエッチングによって取り除く。
図４（ｆ）に示す第６の工程では、流路形成のためのマスク２０５を作製する。ウェハ２０１の裏面にアルミニウムを真空蒸着し、フォトレジストを用いて、パターニングして、流路形成のためのマスク２０５を作製する。
【００６１】
図４（ｇ）に示す第７の工程では、流路を形成する。ＩＣＰ−ＲＩＥエッチング（反応性イオンエッチング）によってシリコンウェハを垂直にエッチングし径５００μｍの貫通孔２１６を形成する。
【００６２】
図４（ｈ）に示す第８の工程では、アルミニウムマスクをウェットエッチングによって取り除く。
図４（ｉ）に示す第９の工程では、第２のウェハ２０２に弁座を形成するためのマスクを作製する。ウェハ２０２の表面にアルミニウムを真空蒸着し、フォトレジストを用いて、パターニングしてマスク２０６を作製する。
【００６３】
図４（ｊ）に示す第１０の工程では、弁座２１４を形成する。ＩＣＰ−ＲＩＥエッチング（反応性イオンエッチング）によってシリコンウェハを垂直にエッチングする。ウェハには厚さ３００μｍのシリコンウェハを使用し、１５０μｍエッチングする。この際のエッチング量によって、接合後の、ダイヤフラムの初期たわみが決定される。この場合は初期たわみは２５μｍとなる。
【００６４】
図４（ｋ）に示す第１１の工程では、アルミニウムマスクをウェットエッチングによって取り除く。
図４（ｌ）に示す第１２の工程では、流体導入口形成のためのマスクを作製する。ウェハ２０２の裏面にアルミニウムを真空蒸着し、フォトレジストを用いて、パターニングする（２０７）。
【００６５】
図４（ｍ）に示す第１３の工程では、流体導入口２１５を形成する。ＩＣＰ−ＲＩＥエッチング（反応性イオンエッチング）によってシリコンウェハを垂直にエッチングし径３００μｍの貫通孔を４本形成する。
【００６６】
図４（ｎ）に示す第１４の工程では、アルミニウムマスクをウェットエッチングによって取り除く。
図４（ｏ）に示す第１５の工程では、第１のシリコンウェハ２０１の表面を酸化して第１の酸化シリコンウェハ２０１ａを形成する。熱酸化により、ウェハ表面を厚さ１μｍ酸化する。
【００６７】
図４（ｐ）に示す第１６の工程では、第１のウェハ２０１と第２のウェハ２０２を接合する工程である。２枚のウェハを赤外線によって位置決めし、重ね合わせた後、４５０ｋＰａ（約４．５ａｔｍ）の圧力で１０分間保持する。その後、試料を３時間で１１００℃に加熱し、４時間保持後、自然冷却によりアニールを行う。
【００６８】
図４（ｑ）に示す第１７の工程は、弁体２１２をリリースする工程である。フッ酸によって２５μｍの長さをサイドエッチングする。
以上により本発明のリリーフバルブは形成される。
【００６９】
これらの工程においてＩＣＰ−ＲＩＥの代わりに、ＫＯＨやＴＭＡＨなどによる異方性エッチングを使用することもできる。
また、第１のウェハにハンドル層、あるいは、デバイス層の厚さが弁座の高さとなっているＳＯＩウェハを用いると、弁座高さの誤差を小さくすることができ、より設定圧のばらつきを少なくすることができる。
【００７０】
また、第２のウェハにハンドル層、あるいは、デバイス層の厚さがダイヤフラムの厚さとなっているＳＯＩウェハを用いると、シリコン酸化物層をエッチングのエッチストップレイヤーとして利用することができ、均一なダイヤフラムを作製することができる。
【００７１】
また、各ウェハのボンディング工程において、ウェハ同士の結晶面をずらすことで、バルブ全体の機械強度を向上させることができる。
また、基板と半導体ウェハとは、基板表面と半導体ウェハとの隙間が十分に小さく、リークが発生しない場合には第１６の工程の接合工程を省くことも可能である。この際には、犠牲層となる第１４の成膜工程、および、第１７のリリース工程も不要になる。
【００７２】
また、第９の工程において、ウェハを裏返さずに表面にマスクを作製し、エッチングを行うことも可能である。
また、以下に挙げる方法により、ダイヤフラムに反りをもたせることができる。ダイヤフラム表面にＴｉＮｉなどの形状記憶合金膜や残留応力を有する薄膜をスパッタリングなどによって成膜する。ダイヤフラム表面を酸化や窒化などの処理により改質する。ダイヤフラムの部分にホウ素やリンなどをドーピングする。これにより、バルブに予圧がかけられ、本バルブが開閉する圧力を変化させることができる。この場合、第６乃至第８の工程を省略することも、あわせて用いることも可能である。
【００７３】
また、リリーフバルブのシール性を向上させるために、リリーフバルブ表面をコーティングする工程を付け加えても良い。コーティングにはポリパラキシリレンやポリモノクロロキシリレン等が使用できる。コーティングには、シール性の高い弾性材料が好ましく、さらには気相成長可能なものが好ましい。このようなコーティング材には、例えば、パリレンがある。パリレン０２６（商品名、日本パリレン（株）社製）を表面に１〜２μｍの厚さにコーティングする。
【００７４】
その他のコーティング材料にはサイトップ（登録商標）やＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などがある。ＰＴＦＥのコーティングには、例えば、ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）装置などを使用することが可能である。
【００７５】
また、コーティング工程の前に、コーティング材の密着性を向上させ、また、コーティングに伴い、各部材が厚くなってしまうのを相殺するため、リリーフバルブ表面をエッチングする工程を付け加えても良い。エッチングには、例えば、ＸｅＦ2ガスが使用できる。本ガスを使用することにより、等方的にエッチングすることができ、また、表面を粗くすることができる。エッチング量は次のコーティング厚さとのバランスで決定する。
【００７６】
また、弁座および弁体でのシール性を向上させる別の方法としては、弁体と弁座との接触面積を小さくし、シール面の面圧を上昇させることも有効である。
面圧を上昇させるには、例えば、ＸｅＦ2ガスなどにより、弁座、あるいは、弁体の少なくとも一方の表面を粗くすることにより実現できる。
【００７７】
あるいは、図１１に示すように弁体にリング状の凹凸１８をつけることも有効である。上記リング状構造の形成には、ＩＣＰ−ＲＩＥによる垂直エッチングやＫＯＨやＴＭＡＨによる異方性エッチング、フォトレジストのリフローなどが使用可能である。
【００７８】
上記リング形状は弁座に形成することも可能である。
また、リリーフバルブのダイヤフラムを押し上げ、リリーフバルブを開いた状態で、コーティング工程を行うことで、弁体と弁座がコーティング材によって接着してしまうのを防ぐことができる。
【００７９】
実施例２
本発明のリリーフバルブを半導体加工技術を用いて製造する第２の方法について説明する。大きな工程の流れは実施例１と同様である。
【００８０】
図５Ａ〜図５Ｂは、本発明の実施例２のリリーフバルブの製造方法を示す工程図である。実施例２の第１の工程において、マスクパターンを図５（ａ）に示すように、マスク２０４をマスク２０３よりも厚く形成する。以下、第２乃至５の工程を図５（ｂ）〜（ｅ）に示すように進めると、弁体２１２が周囲よりも厚くなる。
【００８１】
その後、実施例１における第６乃至８の工程と同様に行い、流路２１３を形成する。ここで、実施例２における第９の工程におけるマスクパターンを図５（ｉ）に示すように変更する。以下、第１０および第１１の工程（図５（ｊ）、（ｋ））により、流体導入口２１５が形成される。実施例１における第１２乃至１４の工程は省き、第１５乃至１７の工程を行うことにより、図５（ｏ）〜（ｑ）のようにリリーフバルブを作製する。
さらに、実施例１の場合と同様に、表面の改質やコーティング、成膜を行うことができる。
【００８２】
実施例３
本発明のリリーフバルブを半導体加工技術を用いて製造する第３の方法について説明する。大きな工程の流れは実施例１と同様である。
【００８３】
図６Ａ〜図６Ｃは、本発明の実施例３のリリーフバルブの製造方法を示す工程図である。本実施例の構成では、弁座部に流体導入口を有し、ダイヤフラム部に流路を有することを特徴とする。
【００８４】
実施例１における第１乃至５の工程を行い、ダイヤフラム部を形成する。次に、第６の工程におけるマスクパターンを図６（ｆ）に示すように変更し、続いて、第７、第８の工程を図６（ｇ）、（ｈ）に示すように行うことで、ダイヤフラム２１１に流路が形成される。第２のウェハには、まず、実施例２における第９乃至１１の工程を行い、第１２の工程におけるマスクパターンを図６（ｌ）に示すように変更することで、第１３、第１４の工程において、図６（ｍ）、（ｎ）に示すように流体導入口２１５を弁座２１４に形成する。さらに、実施例１における第１５乃至１７の工程を、図６（ｐ）、（ｑ）に示すように進め、リリーフバルブが完成する。
【００８５】
さらに、実施例１の場合と同様に、表面の改質やコーティング、成膜を行うことができる。
また、実施例２のように、弁体部を周囲に比べて厚くすることで、ダイヤフラム２１１に初期たわみを与えることも可能である。
【００８６】
実施例４
本発明のリリーフバルブを半導体加工技術を用いて製造する第４の方法について説明する。大きな工程の流れは実施例１と同様である。
【００８７】
図７Ａ〜図７Ｂは、本発明の実施例４のリリーフバルブの製造方法を示す工程図である。本実施例の構成では、弁座部に流体導入口を有し、ダイヤフラム外に流路を有することを特徴とする。
【００８８】
実施例１の第１の工程において第２のアルミマスクパターンを図７（ａ）に示すように変更する。以下実施例１における第２乃至５の工程を図７（ｂ）〜（ｅ）のように進めることで、ダイヤフラム２１１とともに流路２１３が形成される。次に、第２のウェハを実施例３の第９乃至１４の工程と同様に加工する。その後、実施例１における第１５乃至１７の工程を、図７（ｐ）、（ｑ）に示すように進め、リリーフバルブが完成する。
【００８９】
さらに、実施例１の場合と同様に、表面の改質やコーティング、成膜を行うことができる。
また、実施例２のように、弁体部を周囲に比べて厚くすることで、ダイヤフラム２１１に初期たわみを与えることも可能である。
【００９０】
実施例５
本発明のリリーフバルブを小型燃料電池に搭載した場合について説明する。
図８は本発明の燃料電池の概観を表す斜視図である。図９は本発明の燃料電池のシステムの概要図である。
【００９１】
燃料電池の外寸法は５０ｍｍ×３０ｍｍ×１０ｍｍであり、通常コンパクトデジタルカメラで使用されているリチウムイオン電池の大きさとほぼ同じである。このように本発明の燃料電池は小型で一体化されているため、携帯機器に組み込みやすい形状となっている。本発明の燃料電池は、酸化剤として反応に用いる酸素を外気から取り入れるため、上下面、及び側面に外気を取り入れるための通気孔１３を有する。また、この通気孔は生成した水を水蒸気として逃がしたり、反応により発生した熱を外に逃がす働きもしている。また、一方の側面には、電気を取り出すための電極１２がある。電池は高分子電解質膜１１２、酸化剤極１１１、燃料極１１３からなる燃料電池セル１１、燃料を貯蔵する燃料タンク１４、燃料の流量を制御するレギュレータ１５、流路内の圧力が高くなった場合に燃料を外に放出するリリーフバルブ１６によって構成されている。
【００９２】
燃料タンク１４について説明する。タンクの内部には水素を吸蔵することが可能な水素吸蔵合金が充填されている。燃料電池に用いる高分子電解質膜の耐圧が０．３〜０．５ＭＰａであることから、外気との差圧が０．１ＭＰａ程度で用いる必要がある。
【００９３】
水素の解放圧が常温で０．２ＭＰａの特性を持つ水素吸蔵合金として、例えばＬａＮｉ5などがある。燃料タンクの容積を燃料電池全体の半分とし、タンク肉厚を１ｍｍ、タンク材質をチタンとすると、この時、燃料タンクの重量は５０ｇ程度となり、また、燃料タンク体積は５．２ｃｍ3になる。ＬａＮｉ5は重量当たり１．１ｗｔ％の水素を吸脱着可能なので、燃料タンクに蓄えられている水素量は０．４ｇであり、発電可能なエネルギーは、約１１．３［Ｗ・ｈｒ］であり、同体積の従来のリチウムイオン電池の約４倍である。
【００９４】
一方、水素の解放圧が常温で０．２ＭＰａを超える場合には、燃料タンク１４と燃料極１１３との間に減圧のためのレギュレータ１５を設ける必要がある。尚、ＬａＮｉ5の各温度における解離圧は下記の表４に示すようになっている。タンクに蓄えられた水素はレギュレータ１５で減圧され、燃料極１１３に供給される。また酸化剤極１１１には通気孔１３から外気が供給される。燃料電池セルで発電された電気は電極１２から小型電気機器に供給される。
【００９５】
しかしながら、レギュレータの応答特性などによっては、燃料極室内の圧力が一時的に上昇してしまう場合がある。このような場合、燃料流路内に設けられたリリーフバルブ１６が動作することにより、燃料極室内の圧力の上昇を避けることができる。
【００９６】
図３に示すリリーフバルブを従来の機械加工技術を使用して作製した場合、ダイヤフラム１０４の材料をシリコーンゴム、直径５ｍｍ、厚さ０．８ｍｍ、流路１０５の直径を０．５ｍｍとし、弁座１０３によりダイヤフラム１０４に０．０７ｍｍの変位を与える。この場合、リリーフバルブ１０４は、燃料極室内の圧力が３０ｋＰａＧを超えた場合に開き、５０ｋＰａＧ〜１００ｋＰａＧの範囲において、流量は２７０〜３９０ｓｃｃｍ程度なので、燃料電池を破損することなく、燃料極室内の圧力を開放することができる。また、バルブ自体も９００ｋＰａＧ程度まで破損しないため、十分な強度を有する。また、固有振動数は６７０ｋＨｚ程度となり、十分な応答速度を有する。
【００９７】
一方、図４に示すリリーフバルブを半導体加工技術を利用して作製した場合、ダイヤフラム２１１の材料をシリコン、直径５ｍｍ、厚さを０．０２５ｍｍ、流路２１３の直径０．５ｍｍとし、弁座２１４によりダイヤフラムに０．００７ｍｍの変位を与える。この場合、リリーフバルブは、燃料極室内の圧力が３０ｋＰａＧを超えた場合に開き、５０ｋＰａＧ〜１００ｋＰａＧの範囲  において、流量は２９〜３９０ｓｃｃｍ程度なので、燃料電池を破損することなく、燃料極室内の圧力を開放することができる。また、バルブ自体も９００ｋＰａＧ程度まで破損しないため、十分な強度を有する。また、固有振動数は８．６ＭＨｚ程度となり、十分な応答速度を有する。
【００９８】
特にリリーフバルブにおける流路抵抗が、燃料電池における他の部分の各流路抵抗よりも小さくなるように設計しておけば、流路内での過剰な圧力上昇を防ぐことができる。
【００９９】
【表４】
2007040322.tif 000011
【０１００】
実施例６
本発明のリリーフバルブを小型燃料電池に搭載した場合の第２の実施例を説明する。図１０は本実施例の燃料電池システムの概要図である。本システムは実施例５におけるレギュレータ１５のかわりに第２のリリーフバルブ１７を使用する。第２のリリーフバルブ１７の設定圧力は、第１のリリーフバルブ１６の設定圧力よりも低くなっており、さらに、燃料タンク１４の通常使用温度における圧力が導入口に供給された場合に、導出口の圧力が燃料電池の駆動に最適な圧力になるように調節されている。これにより、燃料タンク１４の圧力が通常範囲であれば、発電に最適な圧力の燃料が燃料極１１３に供給され、さらに、燃料タンク１４の圧力が異常上昇した場合には、第１のリリーフバルブ１６が開くことにより、燃料流路内の圧力は開放される。従って、燃料流路内の圧力を最適な状態に保つことができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本発明のリリーフバルブは簡単な構造を有するため、小型化しやすい。また、本発明の半導体ウェハを材料としたリリーフバルブは、半導体加工技術を用いて、バルブを非常に小型化することが可能である。さらに本発明のリリーフバルブを小型燃料電池に搭載した場合、燃料流路内の圧力が異常に上昇して燃料電池が破損するのを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明のリリーフバルブの一実施態様を示す断面図である。
【図２】本発明のリリーフバルブの他の実施態様を示す断面図である。
【図３】機械加工技術により作製された本発明のリリーフバルブを示す概略図である。
【図４Ａ】本発明の実施例１のリリーフバルブの製造方法を示す工程図である。
【図４Ｂ】本発明の実施例１のリリーフバルブの製造方法を示す工程図である。
【図４Ｃ】本発明の実施例１のリリーフバルブの製造方法を示す工程図である。
【図５Ａ】本発明の実施例２のリリーフバルブの製造方法を示す工程図である。
【図５Ｂ】本発明の実施例２のリリーフバルブの製造方法を示す工程図である。
【図６Ａ】本発明の実施例３のリリーフバルブの製造方法を示す工程図である。
【図６Ｂ】本発明の実施例３のリリーフバルブの製造方法を示す工程図である。
【図６Ｃ】本発明の実施例３のリリーフバルブの製造方法を示す工程図である。
【図７Ａ】本発明の実施例４のリリーフバルブの製造方法を示す工程図である。
【図７Ｂ】本発明の実施例４のリリーフバルブの製造方法を示す工程図である。
【図８】本発明の燃料電池を表す斜視図である。
【図９】本発明の燃料電池のシステムの概要図である。
【図１０】本発明の燃料電池の第２のシステムの概要図である。
【図１１】本発明のリリーフバルブのシール面の（ａ）平面図および（ｂ）断面図である。
【符号の説明】
【０１０３】
１  基板
２  流体導入口
３  弁座
４  ダイヤフラム
５  流路
６  流体導出口
７  弁体
８  突起部
１２  電極
１３  通気孔
１４  燃料タンク
１５  レギュレータ
１６  リリーフバルブ
１７  第２のリリーフバルブ
１８  リング状の凹凸
７１ａ、７１ｂ  支持部
１０１  基板
１０２  流体導入口
１０３  弁座
１０４  ダイヤフラム１０５  流路
１０６  流体導出口
１０７  蓋
１０８  シール
１０９  ネジ部
２０１  第１のウェハ（シリコンウェハ１）
２０１ａ  第１の酸化ウェハ（第１の酸化シリコンウェハ）
２０２  第２のウェハ（シリコンウェハ２）
２０３  第１のマスク
２０４  第２のマスク
２０５  第３のマスク
２０６  第４のマスク
２０７  第５のマスク
２１１  ダイヤフラム
２１２  弁体
２１３  流路
２１４  弁座
２１５  流体導入口
２１６  貫通孔
１１  燃料電池セル
１１１  酸化剤極
１１２  高分子電解質膜
１１３  燃料極
【図１】
2007040322.tif 000012
【図２】
2007040322.tif 000013
【図３】
2007040322.tif 000014
【図４Ａ】
2007040322.tif 000015
【図４Ｂ】
2007040322.tif 000016
【図４Ｃ】
2007040322.tif 000017
【図５Ａ】
2007040322.tif 000018
【図５Ｂ】
2007040322.tif 000019
【図６Ａ】
2007040322.tif 000020
【図６Ｂ】
2007040322.tif 000021
【図６Ｃ】
2007040322.tif 000022
【図７Ａ】
2007040322.tif 000023
【図７Ｂ】
2007040322.tif 000024
【図８】
2007040322.tif 000025
【図９】
2007040322.tif 000026
【図１０】
2007040322.tif 000027
【図１１】
2007040322.tif 000028