JP2000266230A

JP2000266230A - 半導体マイクロバルブ

Info

Publication number: JP2000266230A
Application number: JP6919999A
Authority: JP
Inventors: Masaari Kamakura; 將有鎌倉; Shigeaki Tomonari; 恵昭友成; Hitoshi Yoshida; 仁吉田; Hiroshi Kawada; 裕志河田; Keiko Fujii; 圭子藤井
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1999-03-15
Filing date: 1999-03-15
Publication date: 2000-09-26

Abstract

(57)【要約】【課題】可撓部の変位量が大きく且つ良好なシール特性
が得られる半導体マイクロバルブを提供する。【解決手段】弁口１０ａが形成された第１のシリコン基
板１０の周部１１と、弁口１０ａを開閉する弁体２３を
有する第２のシリコン基板２０の周部２１とが接合され
ている。第１のシリコン基板１０は、弁体２３が接離す
る弁座１３を設けてある。第２のシリコン基板２０は、
周部２１よりなる支持部に支持された可撓性を有する可
撓部２２の中央部に上記弁体２３を備えている。可撓部
２２の要所には、流体の通る流通孔が形成されている。
可撓部２２には、図示しない不純物拡散層が形成されて
いる。可撓部２２は、支持部２１と弁体２３との間に、
弁体２３側の端部の方が支持部２１側の端部よりも第１
のシリコン基板１０の上記一面に近づくようにあらかじ
め変形された変形部２２ｄが形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、気体などの流体の
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】従来より、気体などの流体の流量制御に
用いられる半導体マイクロバルブとして、図３に示す構
成のものが提案されている（例えば、特開平７−４５３
８号公報）。図３に示した半導体マイクロバルブは、常
開型のバルブであって、厚み方向の一面（図３における
上面）から他面（図３における下面）にわたって貫通し
た貫通孔よりなる弁口１０ａが形成されたシリコン基板
１０と、中央部２２ａが図３および図４（ａ）に示すよ
うに弁口１０ａを開閉する弁体を兼ねた可撓部２２’と
を備えている。ここに、可撓部２２’は、周部２２ｃが
スペーサ３０を介してシリコン基板１０の上記一面側に
結合されている。なお、可撓部２２’の要所には、流体
の通る流通孔（図示せず）が形成されている。この流通
孔は、弁体により弁口１０ａが開かれた状態で弁口１０
ａと連通する。

【０００３】また、この半導体マイクロバルブでは、可
撓部２２’に通電し発熱させることによって可撓部２
２’を熱膨張させることにより、可撓部２２’を湾曲変
位させている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来構
成の半導体マイクロバルブでは、弁口１０ａを入力側と
して流体を導入するようにして使用する場合、図４
（ａ）に示すように弁口１０ａを可撓部２２’の中央部
２２ａよりなる弁体によって閉じた状態において、可撓
部２２’は、弁口１０ａから図４（ｂ）中に矢印で示す
向きに流体の圧力を受ける。つまり、弁口１０ａ側から
の流体の圧力によって、可撓部２２’を押し戻す向きに
力が働く。可撓部２２’の材料として例えばシリコンを
使用した場合、消費電力や変位量の設計仕様にもよる
が、可撓部２２’の厚みはおよそ１０μｍ〜数１０μｍ
程度であることが多く、入力圧力が高い場合には、弁体
（可撓部２２’の中央部２２ａ）の一部が図４（ｂ）に
示すように変形して浮き上がってしまい、リークが発生
する恐れがあった（つまり、バルブを完全に締め切れな
い状態が発生してしまう恐れがあった）。

【０００５】また、可撓部２２’自身の熱膨張により湾
曲変位を生じさせる方式の場合、他の一般的に良く知ら
れているバイメタルによる駆動と比較して、可撓部２
２’の変位量を大きくとりにくいという不具合もあっ
た。

【０００６】本発明は上記事由に鑑みて為されたもので
あり、その目的は、可撓部の変位量が大きく且つ良好な
シール特性が得られる半導体マイクロバルブを提供する
ことにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、上記
目的を達成するために、厚み方向の一面から他面にわた
って弁口が形成され且つ上記一面において弁口の周縁か
ら厚み方向に突設された弁座を有する半導体基板と、半
導体基板の上記一面側に結合された支持部に支持された
可撓性を有する可撓部と、可撓部に設けられ熱膨張を利
用して可撓部を変形させる駆動部と、可撓部から上記一
面に近づく向きに突設され可撓部の撓みに応じて上記弁
座に接離する弁体とを備え、可撓部は、支持部と弁体と
の間に、弁体側の端部と支持部側の端部とが上記厚み方
向において段違いになるように該可撓部を変形させる向
きへあらかじめ変形された変形部が形成されてなること
を特徴とするものであり、バルブを閉じた状態では可撓
部から半導体基板の上記一面に近づく向きに突設された
弁体が弁座に接触することによって弁口を閉じているの
で、従来のように可撓部の中央部が弁体を兼ねている場
合に比べて、半導体基板の上記他面側から上記一面側へ
向かって弁口を通る流体の圧力によって可撓部が変形し
て弁口が開くことを抑制することができるから、良好な
シール特性を得ることができ、また、熱膨張を利用して
可撓部を変形させる駆動部が可撓部に設けられているこ
とにより、従来のように可撓部自身の熱膨張を利用して
可撓部を変位させる場合に比べて可撓部の変位量を大き
くすることができる。さらに、可撓部は、支持部と弁体
との間に、弁体側の端部と支持部側の端部とが上記厚み
方向において段違いになるように該可撓部を変形させる
向きへあらかじめ変形された変形部が形成されているの
で、駆動部により可撓部を変形させる場合に可撓部を確
実に所望の向きへ変形させることができ、また、従来よ
りも可撓部の変位量を大きくすることができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】まず、本実施形態の半導体マイク
ロバルブの基本構成を図２に基づいて説明する。

【０００９】本基本構成では、図２（ａ）に示すよう
に、厚み方向の一面（図２（ａ）における上面）から他
面（図２（ａ）における下面）にわたって貫通する貫通
孔よりなる弁口１０ａが形成された第１のシリコン基板
１０の周部１１と、弁口１０ａを開閉する弁体２３を有
する第２のシリコン基板２０の周部２１とが接合されて
いる。なお、本実施形態の半導体マイクロバルブは常開
型のバルブであって、図２（ｂ）は弁体２３により弁口
１０ａが閉じられた状態を示す。

【００１０】第１のシリコン基板１０は、上記弁体２３
が接離する弁座１３を、上記一面側において弁口１０ａ
の周縁から厚み方向に突設してある。

【００１１】一方、第２のシリコン基板２０は、枠状に
形成され第１のシリコン基板１０の周部１１に接合され
た該第２のシリコン基板２０の周部２１よりなる支持部
と、該支持部２１に支持された可撓性を有する可撓部２
２と、可撓部２２の中央部において第１のシリコン基板
１０に近づく向きに突設され可撓部２２の撓みに応じて
上記弁座１３に離接する上記弁体２３とを備えている。
ここにおいて、弁体２３は、可撓部２２の他の部位より
も厚肉に形成されている。なお、可撓部２２の要所に
は、流体の通る流通孔（図示せず）が形成されている。
この流通孔は、弁体２３により弁口１０ａが開かれた状
態で弁口１０ａと連通する。また、弁体２３、可撓部２
２、支持部２１、上記流通孔は第２のシリコン基板２０
をエッチング加工することによって形成されている。

【００１２】また、可撓部２２には、不純物拡散層（図
示せず）が形成され、可撓部２２上には該不純物拡散層
へ通電するための配線（図示せず）が形成されている。
要するに、本実施形態では、不純物拡散層が、熱膨張を
利用して可撓部２２を変形させる駆動部を構成してい
る。ここに、不純物拡散層と弁体２３との間、および不
純物拡散層と支持部２１との間それぞれに熱絶縁手段を
設けることにより、可撓部２２の温度を所望温度まで上
昇させるのに要する時間を短くすることができる。

【００１３】次に、本実施形態の半導体マイクロバルブ
を図１に基づいて説明する。なお、図２と同様の構成要
素には同一の符号を付して説明を省略する。

【００１４】本実施形態の半導体マイクロバルブは、上
述の図２を基本構成とし、図１に示すように、可撓部２
２において、支持部２１と弁体２３との間に、弁体２３
側の端部の方が支持部２１側の端部よりも第１のシリコ
ン基板１０の上記一面に近づくようにあらかじめ変形さ
れた変形部２２ｄが形成されている。

【００１５】なお、本実施形態では、可撓部２２をシリ
コンにより形成しているが、シリコンに限らず、例えば
金属膜薄膜により形成してもよく、金属薄膜により形成
した場合には、金属部分に直接通電すればよい。また、
弁体２３もシリコンに限らず金属により形成してもよ
い。

【００１６】しかして、本実施形態では、バルブを閉じ
た状態では可撓部２２から第１のシリコン基板１０の上
記一面に近づく向きに突設された弁体２３が弁座１３に
接触することによって弁口１０ａを閉じているので、従
来のように可撓部２２’の中央部２２ａが弁体を兼ねて
いる場合に比べて、第１のシリコン基板１０の上記他面
側から上記一面側へ向かって弁口１０ａを通る流体の圧
力によって可撓部２２が変形して弁口１０ａが開くこと
を抑制することができるから、良好なシール特性を得る
ことができる。また、熱膨張を利用して可撓部２２を変
形させる駆動部が可撓部２２に設けられていることによ
り、従来のように可撓部２２’自身の熱膨張を利用して
可撓部２２’を変位させる場合に比べて可撓部２２の変
位量を大きくすることができる。なお、可撓部２２にお
いて、第１のシリコン基板１０とは反対側の面に金属薄
膜よりなるバイメタル素膜を積層し、バイメタル素膜と
可撓部２２とでバイメタルを構成すれば、可撓部２２の
変位量をより大きくすることができる。

【００１７】さらに、本実施形態では、可撓部２２にお
いて、支持部２１と弁体２３との間に、弁体２３側の端
部の方が支持部２１側の端部よりも第１のシリコン基板
１０の上記一面に近づくようにあらかじめ変形された変
形部２２ｄが形成されているので、駆動部により可撓部
２２を変形させて弁体２３によって弁口１０ａを閉じる
場合に可撓部２２を確実に所望の向きへ変形させること
ができ、可撓部２２が変位しやすくなる。また、変形部
２２ｄが形成されていることにより可撓部２２の長さを
長くすることができ、従来よりも可撓部２２の変位量を
大きくすることができる。

【００１８】ところで、本実施形態では、常開型のバル
ブについて説明したが、常閉型のバルブの場合には、可
撓部２２に、弁体２３側の端部の方が支持部２１側の端
部よりも第１のシリコン基板１０の上記一面から離れる
ようにあらかじめ変形された変形部を設ければよい。要
するに、変形部２２ｄは、弁体２３側の端部と支持部側
の端部とが上記厚み方向において段違いになるように該
可撓部２２を駆動部により変形させる向きへあらかじめ
変形されていればよい。

【００１９】なお、可撓部２２に上述のような変形部２
２ｄを設けるという技術思想は、従来構成において可撓
部２２’を平板状のダイアフラム構造とした場合あるい
はビーム構造とした場合のいずれにも適用できる。

【００２０】

【発明の効果】請求項１の発明は、厚み方向の一面から
他面にわたって弁口が形成され且つ上記一面において弁
口の周縁から厚み方向に突設された弁座を有する半導体
基板と、半導体基板の上記一面側に結合された支持部に
支持された可撓性を有する可撓部と、可撓部に設けられ
熱膨張を利用して可撓部を変形させる駆動部と、可撓部
から上記一面に近づく向きに突設され可撓部の撓みに応
じて上記弁座に接離する弁体とを備え、可撓部は、支持
部と弁体との間に、弁体側の端部と支持部側の端部とが
上記厚み方向において段違いになるように該可撓部を変
形させる向きへあらかじめ変形された変形部が形成され
ているので、バルブを閉じた状態では可撓部から半導体
基板の上記一面に近づく向きに突設された弁体が弁座に
接触することによって弁口を閉じているから、従来のよ
うに可撓部の中央部が弁体を兼ねている場合に比べて、
半導体基板の上記他面側から上記一面側へ向かって弁口
を通る流体の圧力によって可撓部が変形して弁口が開く
ことを抑制することができて、良好なシール特性を得る
ことができ、また、熱膨張を利用して可撓部を変形させ
る駆動部が可撓部に設けられていることにより、従来の
ように可撓部自身の熱膨張を利用して可撓部を変位させ
る場合に比べて可撓部の変位量を大きくすることができ
るという効果がある。さらに、可撓部は、支持部と弁体
との間に、弁体側の端部と支持部側の端部とが上記厚み
方向において段違いになるように該可撓部を変形させる
向きへあらかじめ変形された変形部が形成されているの
で、駆動部により可撓部を変形させる場合に可撓部を確
実に所望の向きへ変形させることができ、また、従来よ
りも可撓部の変位量を大きくすることができるという効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態を示し、（ａ）はバルブが開いた状態
の概略断面図、（ｂ）はバルブが閉じた状態の概略断面
図である。

【図２】同上の基本構成を示し、（ａ）はバルブが開い
た状態の概略断面図、（ｂ）はバルブが閉じた状態の概
略断面図である。

【図３】従来例を示す概略断面図である。

【図４】同上の動作説明図である。

【符号の説明】

１０第１のシリコン基板１０ａ弁口１１周部１３弁座２０第２のシリコン基板２１周部２２可撓部２２ｄ変形部２３弁体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者吉田仁大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者河田裕志大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者藤井圭子大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内Ｆターム(参考） 3H057 AA05 BB04 BB06 BB07 CC07 DD12 FA22 FC03 FD10 HH05 3H062 AA02 AA12 BB04 BB10 CC29 EE06 FF39 HH06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】厚み方向の一面から他面にわたって弁口
が形成され且つ上記一面において弁口の周縁から厚み方
向に突設された弁座を有する半導体基板と、半導体基板
の上記一面側に結合された支持部に支持された可撓性を
有する可撓部と、可撓部に設けられ熱膨張を利用して可
撓部を変形させる駆動部と、可撓部から上記一面に近づ
く向きに突設され可撓部の撓みに応じて上記弁座に接離
する弁体とを備え、可撓部は、支持部と弁体との間に、
弁体側の端部と支持部側の端部とが上記厚み方向におい
て段違いになるように該可撓部を変形させる向きへあら
かじめ変形された変形部が形成されてなることを特徴と
する半導体マイクロバルブ。