JP2007002924A - マイクロバルブ - Google Patents
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Abstract
【課題】駆動手段により弁体を変位させていない状態における弁体による流出口の閉止力を従来に比べて高めることができ、流入口側内部空間へ流入した流体の圧力が低くても流体が漏れるのを防止することができるマイクロバルブを提供する。
【解決手段】弁座形成基板１０との間に流出口側内部空間Ｓ２を形成する第１のダイヤフラム部２２、流出口１２を開閉する弁体２３、弁座形成基板１０との間に流入口側内部空間Ｓ１を形成する第２のダイヤフラム部２５を有する弁体形成基板２０と、弁体形成基板２０との間に閉鎖空間３６を形成する閉鎖空間形成用基板３０とを備える。弁体形成基板２０における第１のダイヤフラム部２２とフレーム２１における第１のダイヤフラム部２２の周辺部とに跨って積層された応力付与膜２８が、駆動手段により弁体２３を変位させていない状態で閉止力を増大させるバイアス手段を構成している。
【選択図】 図１
【解決手段】弁座形成基板１０との間に流出口側内部空間Ｓ２を形成する第１のダイヤフラム部２２、流出口１２を開閉する弁体２３、弁座形成基板１０との間に流入口側内部空間Ｓ１を形成する第２のダイヤフラム部２５を有する弁体形成基板２０と、弁体形成基板２０との間に閉鎖空間３６を形成する閉鎖空間形成用基板３０とを備える。弁体形成基板２０における第１のダイヤフラム部２２とフレーム２１における第１のダイヤフラム部２２の周辺部とに跨って積層された応力付与膜２８が、駆動手段により弁体２３を変位させていない状態で閉止力を増大させるバイアス手段を構成している。
【選択図】 図１
Description
本発明は、流体の流れを制御するマイクロバルブに関するものである。
従来から、マイクロエレクトロニクス分野や医療用のエレクトロニクス分野などにおいて、微量な流体の流れを制御するポンプとして、シリコン基板のような半導体基板をマイクロマシンニング技術により加工して形成した構造体を用いたマイクロバルブが各所で研究開発されており、例えば、構造体に形成した弁体を、静電引力を利用して駆動する静電型アクチュエータが一体化されたものが提案されている（特許文献１参照）。
この種のマイクロバルブは、例えば、図１７（ａ）に示すように、流体の流入口１１および流出口（弁口）１２が厚み方向に貫設され一表面側（図１７（ａ）の上面側）において流出口１２の周部に弁座１３が突設された弁座形成基板１０と、弁座形成基板１０の上記一表面側に固着されるフレーム２１およびフレーム２１の内側に連続一体に設けられ弁座形成基板１０の上記一表面から離間した第１のダイヤフラム部２２および第１のダイヤフラム部２２の中央部から弁座形成基板１０側へ突出して設けられ流出口１２を開閉する弁体２３を有する弁体形成基板２０と、弁体形成基板２０における弁座形成基板１０側とは反対側に固着され弁体形成基板２０との間に閉鎖空間３６を形成する閉鎖空間形成用基板３０とを備えている。ここにおいて、上述のマイクロバルブは、弁体形成基板２０がシリコン基板を用いて形成されるとともに、弁座形成基板１０および閉鎖空間形成用基板３０がそれぞれガラス基板を用いて形成されており、弁体形成基板２０と弁座形成基板１０とが陽極接合により固着されるとともに、弁体形成基板２０と閉鎖空間形成用基板３０とが陽極接合により固着されている。
また、上述のマイクロバルブは、流出口１２を開放する向きに弁体２３を変位させる駆動手段として、第１のダイヤフラム部２２の中央部に設けられた不純物拡散層（例えば、ボロンを高濃度に拡散した不純物拡散層）からなる可動電極２４と、閉鎖空間形成用基板３０に設けられ可動電極２４と対向する金属膜からなる固定電極３１とを備えており、可動電極２４に電気的に接続されたパッド２７ａと固定電極３１に電気的に接続されたパッド（図示せず）との間に電圧を印加したときに可動電極２４と固定電極３１との間に発生する静電力によって流出口１２を開放する向きに弁体２３を変位させるようになっている。すなわち、上述のマイクロバルブは、可動電極２４と固定電極３１との間に電圧を印加していない状態では、図１７（ａ）に示すように弁体２３により流出口１２が閉止されている。これに対して、可動電極２４と固定電極３１との間に駆動電圧源Ｅから規定電圧以上の電圧を印加すると、図１７（ｂ）に示すように弁体２３が流出口１２から離れる向きに変位して流出口１２が開放される。要するに、上述のマイクロバルブは、ノーマリクローズ型のマイクロバルブを構成している。なお、図１７（ａ）は、流入口１１を通して第１のダイヤフラム部２２と弁座形成基板１０との間の流出口側内部空間Ｓ２へ流体が導入された状態を示しており、図１７（ｂ）に示すように流出口１２が開放されると、流入口１１を通して流出口側内部空間Ｓ２へ導入された流体が流出口１２を通って流出することとなる（図１７（ｂ）中の矢印は流体の流れる経路を示している）。
ところで、上述のマイクロバルブでは、流出口１２が弁体２３により閉止された状態において、流入口１１を通して流出口側内部空間Ｓ２に流れ込んだ流体の圧力により弁体２３が浮き上がって流出口１２が開放されるのを防止するために、弁体形成基板２０のフレーム２１の上記一表面側に第２のダイヤフラム部２５が形成されており、上記閉鎖空間３６には、例えば、不活性ガスや空気などの気体からなる受圧媒体が大気圧に等しい圧力で封入されている。したがって、上述のマイクロバルブでは、駆動手段により弁体２３を変位させていない状態で流入口１１を通して弁座形成基板１０と第２のダイヤフラム部２５との間の流入口側内部空間Ｓ１へ流入した流体の圧力を受けて、流入口側内部空間Ｓ１と閉鎖空間３６とを仕切る第２のダイヤフラム部２５が撓む（閉鎖空間形成用基板３０側へ凸となる形で変形する）ことによって弁体２３が流出口１２を閉止する向きの力である閉止力が作用する。
特開２００４−１７６８０２号公報
しかしながら、上述のマイクロバルブでは、駆動手段により弁体２３を駆動していない状態において、流入口側内部空間Ｓ１へ導入された流体の圧力が低くなるにつれて閉止力が小さくなるので、流入口側内部空間Ｓ１へ流入した流体の圧力によっては流体が流出口１２を通して漏れることがあった。
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、駆動手段により弁体を変位させていない状態における弁体による流出口の閉止力を従来に比べて高めることができ、流入口側内部空間へ流入した流体の圧力が低くても流体が漏れるのを防止することができるマイクロバルブを提供することにある。
請求項１の発明は、流体の流入口および流出口が厚み方向に貫設され一表面側において流出口の周部に弁座が突設された弁座形成基板と、半導体基板を用いて形成されて弁座形成基板の前記一表面側に固着されるフレームおよびフレームの内側に設けられ弁座形成基板との間に流出口側内部空間を形成する第１のダイヤフラム部および第１のダイヤフラム部の中央部から弁座形成基板側へ突出し流出口を開閉する弁体および弁座形成基板との間に流入口および流出口側内部空間に連通する流入口側内部空間を形成する第２のダイヤフラム部を有する弁体形成基板と、弁体形成基板における弁座形成基板とは反対側に固着され弁体形成基板との間に前記閉鎖空間を形成する閉鎖空間形成用基板と、流出口を開放する向きに弁体を変位させる駆動手段とを備え、駆動手段により弁体を変位させていない状態で流入口側内部空間と閉鎖空間とを仕切る第２のダイヤフラム部が流入口側内部空間に流入した流体の圧力を受けて撓むことによって弁体が流出口を閉止する向きの力である閉止力が作用するマイクロバルブであって、駆動手段により弁体を変位させていない状態における閉止力を増大させるバイアス手段が設けられてなることを特徴とする。
この発明によれば、駆動手段により弁体を変位させていない状態における閉止力を増大させるバイアス手段が設けられているので、駆動手段により弁体を変位させていない状態における弁体による流出口の閉止力を従来に比べて高めることができ、流入口側内部空間へ流入した流体の圧力が低くても流体が漏れるのを防止することができる。
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記駆動手段は、前記弁体形成基板において前記第１のダイヤフラム部の中央部に設けられた不純物拡散層からなる可動電極と、前記閉鎖空間形成用基板に設けられ可動電極と対向する固定電極とを備え、可動電極と固定電極との間に電圧を印加したときに可動電極と固定電極との間に発生する静電力によって前記流出口を開放する向きに前記弁体を変位させるものであり、前記バイアス手段は、前記弁体形成基板における前記閉鎖空間形成用基板との対向面側で前記第１のダイヤフラム部と前記フレームにおける前記第１のダイヤフラム部の周辺部とに跨って積層され前記駆動手段により前記弁体を変位させていない状態で前記閉止力が増大するように前記第１のダイヤフラム部に応力を与える応力付与膜からなることを特徴とする。
この発明によれば、前記バイアス手段を一般的な半導体製造プロセスにより精度良く形成することができる。
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記バイアス手段は、前記第１のダイヤフラム部の周部であって前記フレームに近づくにつれて前記弁座形成基板側へ近づくように断面凹状に形成された部位からなることを特徴とする。
この発明によれば、前記第１のダイヤフラム部を半導体製造プロセスにより形成する際のマスクを適宜設計することにより、前記バイアス手段を形成することが可能となり、請求項２に発明に比べて製造プロセスを簡略化できる。
請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記駆動手段は、前記弁体形成基板において前記第１のダイヤフラム部の中央部に設けられた可動電極と、前記閉鎖空間形成用基板に設けられ可動電極と対向する固定電極とを備え、可動電極と固定電極との間に電圧を印加したときに可動電極と固定電極との間に発生する静電力によって前記流出口を開放する向きに前記弁体を変位させるものであり、前記閉鎖空間形成用基板は、前記第１のダイヤフラム部に対向する部位に形成され前記第１のダイヤフラム部の変位空間を確保する第１の凹部であって内底面に固定電極が設けられたギャップ形成用凹部と、前記第２のダイヤフラム部に対向する部位に形成され前記第２のダイヤフラム部の変位空間を確保する第２の凹部であって第１の凹部よりも深い圧力調整空間用凹部と、前記弁体形成基板との対向面側においてギャップ形成用凹部と圧力調整空間用凹部とを連通させる第３の凹部からなる連通用凹部とを有し、前記バイアス手段は、圧力調整空間用凹部において前記第２のダイヤフラム部の周部に対応する部位の深さを前記第２のダイヤフラム部の中央部に対応する部位の深さに比べて浅くするように圧力調整空間用凹部の内面に突設された段突起からなることを特徴とする。
この発明によれば、前記バイアス手段が、圧力調整空間用凹部において前記第２のダイヤフラム部の周部に対応する部位の深さを前記第２のダイヤフラム部の中央部に対応する部位の深さに比べて浅くするように圧力調整空間用凹部の内面に突設された段突起からなるので、前記閉鎖空間のうち圧力調整空間用凹部において前記第２のダイヤフラム部の周部に対応する空間での圧力損失を低減でき、前記閉止力を高めることができる。
請求項５の発明は、請求項１の発明において、前記駆動手段は、前記弁体形成基板において前記第１のダイヤフラム部の中央部に設けられた可動電極と、前記閉鎖空間形成用基板に設けられ可動電極と対向する固定電極とを備え、可動電極と固定電極との間に電圧を印加したときに可動電極と固定電極との間に発生する静電力によって前記流出口を開放する向きに前記弁体を変位させるものであり、前記弁体形成基板は、前記第２のダイヤフラム部における前記閉鎖空間形成用基板との対向面に複数の環状の凹溝が同心的に形成され、前記閉鎖空間形成用基板は、前記第１のダイヤフラム部に対向する部位に形成され前記第１のダイヤフラム部の変位空間を確保する第１の凹部であって内底面に固定電極が設けられたギャップ形成用凹部と、前記第２のダイヤフラム部に対向する部位に形成され前記第２のダイヤフラム部の変位空間を確保する第２の凹部であって第１の凹部よりも深い圧力調整空間用凹部と、前記弁体形成基板との対向面側においてギャップ形成用凹部と圧力調整空間用凹部とを連通させる第３の凹部からなる連通用凹部とを有し、前記バイアス手段は、圧力調整空間用凹部の内底面において各凹溝それぞれに対向する各部位から突設された複数の小突起よりなることを特徴とする。
この発明によれば、前記第２のダイヤフラム部における前記閉鎖空間形成用基板との対向面に複数の環状の凹溝が同心的に形成されていることにより、前記第２のダイヤフラム部を平板状の形状に形成する場合に比べて撓みやすくなり、前記バイアス手段が、圧力調整空間用凹部の内底面において各凹溝それぞれに対向する各部位から突設された複数の小突起よりなるので、前記閉鎖空間のうち圧力調整空間用凹部において前記第２のダイヤフラム部との間に形成されている空間での圧力損失を低減でき、前記閉止力を高めることができる。
請求項６の発明は、請求項１の発明において、前記バイアス手段は、前記流出口側内部空間と前記流入口側内部空間との間に形成される流路であって前記流出口側内部空間の圧力が前記流入口側内部空間の圧力に比べて低くなるように圧力損失を生じさせる圧力調整用流路からなることを特徴とする。
この発明によれば、前記駆動手段により弁体を変位させていない状態において前記流出口側内部空間の圧力が前記流入口側内部空間の圧力に比べて低くなるので、前記流出口側内部空間の圧力に対する前記閉鎖空間の相対的な圧力を高めることができ、前記閉止力を高めることができる。
請求項７の発明は、請求項１の発明において、前記バイアス手段は、前記閉鎖空間に大気圧よりも高い圧力で封入された気体からなることを特徴とする。
この発明によれば、製造時に前記閉鎖空間に封入する気体の圧力を適宜設定することで前記閉止力を高めることができる。
請求項８の発明は、請求項１の発明において、前記駆動手段は、前記弁体形成基板において前記第１のダイヤフラム部の中央部に設けられた可動電極と、前記閉鎖空間形成用基板に設けられ可動電極と対向する固定電極とを備え、可動電極と固定電極との間に電圧を印加したときに可動電極と固定電極との間に発生する静電力によって前記流出口を開放する向きに前記弁体を変位させるものであり、前記閉鎖空間形成用基板は、前記第１のダイヤフラム部に対向する部位に形成され前記第１のダイヤフラム部の変位空間を確保する第１の凹部であって内底面に固定電極が設けられたギャップ形成用凹部と、前記第２のダイヤフラム部に対向する部位に形成され前記第２のダイヤフラム部の変位空間を確保する第２の凹部であって第１の凹部よりも深い圧力調整空間用凹部と、前記弁体形成基板との対向面側においてギャップ形成用凹部と圧力調整空間用凹部とを連通させる第３の凹部からなる連通用凹部と、前記弁体形成基板との対向面側においてギャップ形成用凹部に連続して形成される溝であって固定電極と前記弁体形成基板に重ならない部位に設けられるパッドとを接続する配線が内底面に設けられる配線形成用溝とを有し、前記弁体形成基板と前記閉鎖空間形成用基板とを固着した状態において配線形成用溝により形成される通気路は樹脂により封止され、前記バイアス手段は、前記閉鎖空間に大気圧よりも高い圧力で封入された気体からなることを特徴とする。
この発明によれば、製造時に前記閉鎖空間に封入する気体の圧力を適宜設定することで前記閉止力を高めることができる。また、前記閉鎖空間を加圧封止するために前記閉鎖空間と外部とを連通させる貫通孔を別途に形成する場合に比べて、製造が容易になるという利点がある。
請求項１の発明では、駆動手段により弁体を変位させていない状態における弁体による流出口の閉止力を従来に比べて高めることができ、流入口側内部空間へ流入した流体の圧力が低くても流体が漏れるのを防止することができるという効果がある。
（実施形態１）
以下、本実施形態のマイクロバルブについて図１〜図５を参照しながら説明する。なお、本実施形態のマイクロバルブは、例えば、小型の燃料電池や燃料改質器への液体燃料（例えば、メタノール、純水、メタノール水溶液など）の供給路上に設けて使用することができるが、他の用途への使用も可能である。 本実施形態のマイクロバルブは、流体（例えば、液体燃料）の流入口１１および流出口（弁口）１２が厚み方向に貫設されるとともに一表面（図１における上面）側において流出口１２の周部に弁座１３が突設された弁座形成基板１０と、弁座形成基板１０の上記一表面側に固着されるフレーム２１およびフレーム２１の内側に連続一体に設けられ弁座形成基板１０の上記一表面から離間した第１のダイヤフラム部２２および第１のダイヤフラム部２２の中央部から弁座形成基板１０側へ突出して設けられ流出口１２を開閉する弁体２３を有する弁体形成基板２０と、弁体形成基板２０における弁座形成基板１０側とは反対側に固着され弁体形成基板２０との間に閉鎖空間３６を形成する閉鎖空間形成用基板３０とを備えている。ここにおいて、本実施形態のマイクロバルブは、弁体形成基板２０が低不純物濃度のｐ形のシリコン基板２００（図７（ａ）参照）を用いて形成されるとともに、弁座形成基板１０がパイレックス（登録商標）からなる第１のガラス基板１００（図９（ａ）参照）を用いて形成され、閉鎖空間形成用基板３０もパイレックス（登録商標）からなる第２のガラス基板３００（図１０（ａ）参照）を用いて形成されており、弁体形成基板２０と弁座形成基板１０とが陽極接合により固着されるとともに、弁体形成基板２０と閉鎖空間形成用基板３０とが陽極接合により固着されている。なお、上述のｐ形のシリコン基板２００としては、主表面が（１００）面のｐ形シリコン基板を用いている。また、本実施形態では、シリコン基板２００が弁体形成基板２０の基礎となる半導体基板を構成している。
以下、本実施形態のマイクロバルブについて図１〜図５を参照しながら説明する。なお、本実施形態のマイクロバルブは、例えば、小型の燃料電池や燃料改質器への液体燃料（例えば、メタノール、純水、メタノール水溶液など）の供給路上に設けて使用することができるが、他の用途への使用も可能である。 本実施形態のマイクロバルブは、流体（例えば、液体燃料）の流入口１１および流出口（弁口）１２が厚み方向に貫設されるとともに一表面（図１における上面）側において流出口１２の周部に弁座１３が突設された弁座形成基板１０と、弁座形成基板１０の上記一表面側に固着されるフレーム２１およびフレーム２１の内側に連続一体に設けられ弁座形成基板１０の上記一表面から離間した第１のダイヤフラム部２２および第１のダイヤフラム部２２の中央部から弁座形成基板１０側へ突出して設けられ流出口１２を開閉する弁体２３を有する弁体形成基板２０と、弁体形成基板２０における弁座形成基板１０側とは反対側に固着され弁体形成基板２０との間に閉鎖空間３６を形成する閉鎖空間形成用基板３０とを備えている。ここにおいて、本実施形態のマイクロバルブは、弁体形成基板２０が低不純物濃度のｐ形のシリコン基板２００（図７（ａ）参照）を用いて形成されるとともに、弁座形成基板１０がパイレックス（登録商標）からなる第１のガラス基板１００（図９（ａ）参照）を用いて形成され、閉鎖空間形成用基板３０もパイレックス（登録商標）からなる第２のガラス基板３００（図１０（ａ）参照）を用いて形成されており、弁体形成基板２０と弁座形成基板１０とが陽極接合により固着されるとともに、弁体形成基板２０と閉鎖空間形成用基板３０とが陽極接合により固着されている。なお、上述のｐ形のシリコン基板２００としては、主表面が（１００）面のｐ形シリコン基板を用いている。また、本実施形態では、シリコン基板２００が弁体形成基板２０の基礎となる半導体基板を構成している。
また、本実施形態のマイクロバルブは、流出口１２を開放する向きに弁体２３を変位させる駆動手段として、第１のダイヤフラム部２２の中央部に設けられた高濃度の不純物拡散層（例えば、ボロンを高濃度に拡散した不純物拡散層）からなる可動電極２４と、閉鎖空間形成用基板３０に設けられ可動電極２４と対向する金属膜（例えば、白金膜とクロム薄膜との積層膜）からなる固定電極３１とを備えており、可動電極２４に電気的に接続されたパッド２７ａと固定電極３１に電気的に接続されたパッド３７ａ（図５参照）との間に電圧を印加したときに可動電極２４と固定電極３１との間に発生する静電力によって流出口１２を開放する向きに弁体２３を変位させるようになっている。すなわち、本実施形態のマイクロバルブの基本的な動作原理は図１７に示した従来例と同じであり、可動電極２４と固定電極３１との間に電圧を印加していない状態では、弁体２３により流出口１２が閉止されている。これに対して、可動電極２４と固定電極３１との間に駆動電圧源Ｅ（図１７（ｂ）参照）から規定電圧以上の電圧を印加すると、弁体２３が流出口１２から離れる向きに変位して流出口１２が開放される。要するに、本実施形態のマイクロバルブは、ノーマリクローズ型のマイクロバルブを構成している。なお、固定電極３１を構成する金属膜の材料は白金やクロムに限らず、例えば、アルミニウム、ニッケル、チタン、タングステン、金などを採用してもよい。
また、本実施形態のマイクロバルブでは、流出口１２が弁体２３により閉止された状態において、流入口１１を通して弁座形成基板１０と第１のダイヤフラム部２２との間の流出口側内部空間Ｓ２に流れ込んだ流体の圧力により弁体２３が浮き上がって流出口１２が開放されるのを防止するために、弁体形成基板２０のフレーム２１の上記一表面側に第２のダイヤフラム部２５が形成されており、閉鎖空間３６には、例えば、不活性ガスや空気などの気体からなる受圧媒体が大気圧に等しい圧力で封入されている。したがって、本実施形態のマイクロバルブでは、駆動手段により弁体２３を変位させていない状態で流入口１１を通して弁座形成基板１０と第２のダイヤフラム部２５との間の流入口側内部空間Ｓ１へ流入した流体の圧力を受けて、流入口側内部空間Ｓ１と閉鎖空間３６とを仕切る第２のダイヤフラム部２５が撓む（閉鎖空間形成用基板３０側へ凸となる形で変形する）ことによって弁体２３が流出口１２を閉止する向きの力である閉止力が作用する。
上述の弁座形成基板１０の上記一表面には、流入口１１と流出口１２との間において流体の流路となる流路用凹部１５が流入口１１および流出口１２を囲むように形成されており、流入口側内部空間Ｓ１と流出口側内部空間Ｓ２とが連通するようになっている。ここで、流入口１１および流出口１２の開口形状は円形状とし、流路用凹部１５の内周形状は矩形状としてある。また、弁座形成基板１０における流出口１２の周部には、上述の弁座１３が流路用凹部１５の内底面よりも突出する形で連続一体に形成されており、弁座１３の表面には、弁体形成基板２０のフレーム２１と弁座形成基板１０とを陽極接合により固着する際に、弁体２３と弁座１３とが接合されるのを防止する金属薄膜（例えば、クロム薄膜）からなる接合防止膜１４が形成されている。
弁体形成基板２０は、上述のシリコン基板２００をマイクロマシンニング技術により加工することで形成してあり、具体的には、リソグラフィ技術、エッチング技術などを利用してあり、弁体２３が第１のダイヤフラム部２２を介してフレーム２１に支持されている。弁体２３は弁座形成基板１０の厚み方向に直交する断面形状が八角形状となっており、第１のダイヤフラム部２２から離れる（弁座１３に近づく）につれて断面積が徐々に小さくなっている。また、弁体形成基板２０は、弁座形成基板１０側とは反対の一表面側に高濃度の不純物拡散層（例えば、ボロンを高濃度に拡散した不純物拡散層）２０４が形成されており、当該不純物拡散層２０４のうち第１のダイヤフラム部２２の中央部に形成された部位が可動電極２４を構成している。また、第１のダイヤフラム部２２は、周方向に交差する断面がコルゲート板状の形状となっており、閉鎖空間形成用基板３０との対向面側に複数の環状の凹溝２２ａが同心的に形成されている。また、第２のダイヤフラム部２５も、周方向に交差する断面がコルゲート板状の形状となっており、閉鎖空間形成用基板３０との対向面側に複数の環状の凹溝２５ａが同心的に形成されている。このように、各ダイヤフラム部２２，２５を断面コルゲート状の形状とすることで各ダイヤフラム部２２，２５それぞれを平板状の形状に形成されている場合に比べて撓みやすくすることができる。
なお、可動電極２４と電気的に接続されるパッド２７ａは、固定電極３１と電気的に接続されるパッド３７ａとともに、閉鎖空間形成用基板３０に設けられており、可動電極２４は、不純物拡散層２０４の一部と、閉鎖空間形成用基板３０においてパッド２７ａに連続一体に形成された金属配線２６ａとを介して、パッド２７ａと電気的に接続されている。
また、閉鎖空間形成用基板３０の外周形状は、矩形状に形成されているが、弁体形成基板２０に固着した状態において上述の各パッド２７ａ，３７ａが露出するように、長辺の寸法（図１（ａ）における左右方向の寸法）が弁体形成基板２０の長辺の寸法（図１（ａ）における左右方向の寸法）よりも長く設定されている。ここにおいて、閉鎖空間形成用基板３０は、弁体形成基板２０の周部と陽極接合により固着されている。なお、平成空間形成用基板３０における弁体形成基板２０との対向面は、ギャップ形成用凹部３３に連続して形成される溝であって固定電極３１と弁体形成基板２０に重ならない部位に設けられるパッド３７ａとを接続する金属配線からなる配線３９ａが内底面に設けられる配線形成用溝３８（図５（ｂ）および図６）参照）が形成されており、弁体形成基板２０と閉鎖空間形成用基板３０とを固着した状態において配線形成用溝３８により形成される通気路は、後述のように樹脂（例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂など）からなる封止部４０（図１１（ｃ）参照）により封止される。
閉鎖空間形成用基板３０における弁体形成基板２０との対向面において、第１のダイヤフラム部２２に対向する部位には弁座形成基板１０の厚み方向への弁体２３の変位空間を確保する第１の凹部であるギャップ形成用凹部３３が形成されており、ギャップ形成用凹部３３の内底面に上述の金属膜からなる固定電極３１が形成されている。また、ギャップ形成用凹部３３は、円形状に開口されている。なお、閉鎖空間形成用基板３０には、弁体形成基板２０のフレーム２１と閉鎖空間形成用基板３０とを陽極接合により固着する際に、ギャップ形成用凹部３３の内底面と第１のダイヤフラム部２２とが接合されるのを防止するためにギャップ形成用凹部３３よりも深い溝部４１も形成されている。
また、閉鎖空間形成用基板３０における弁体形成基板２０との対向面において、第２のダイヤフラム部２５に対向する部位には第２のダイヤフラム部２５の変位空間を確保する第２の凹部であり第１の凹部よりも深い圧力調整空間用凹部３４が形成されており、圧力空間用凹部３４の内底面には、弁体形成基板２０のフレーム２１と閉鎖空間形成用基板３０とを陽極接合により固着する際に、第２のダイヤフラム部２５と圧力調整空間用凹部３４の内底面とが接合されるのを防止する金属膜（例えば、白金膜とクロム膜との積層膜）からなる接合防止膜３２が形成されている。ここに、圧力調整空間用凹部３４は、円形状に開口されている。
また、閉鎖空間形成用基板３０は、弁体形成基板２０との対向面に、ギャップ形成用凹部３３と圧力調整空間用凹部３４とを連通させる第３の凹部からなる連通用凹部３５が形成されている。ここにおいて、閉鎖空間形成用基板３０に各凹部３３，３４，３５を設けたことにより閉鎖空間形成用基板３０と弁体形成基板２０とを固着した状態で閉鎖空間形成用基板３０と弁体形成基板２０の間に形成される閉鎖空間３６には、上述の受圧媒体が封入されている。
したがって、本実施形態のマイクロバルブにおいても、流入口１１を通して弁座形成基板１０と第２のダイヤフラム部２５との間の流入口側内部空間Ｓ１へ流入した流体の圧力を受けて閉鎖空間３６の容積が縮小するように第２のダイヤフラム部２５が変形する（閉鎖空間形成用基板３０側へ凸となる形で撓む）ことによって、閉鎖空間３６内の受圧媒体が圧縮されて圧力が高まって弁体２３が流出口１２を閉止する向き（つまり、弁体２３を押し下げる向き）の力である閉止力が作用するので、可動電極２４と固定電極３１との間に電圧が印加されていない状態では、図１７（ａ）と同様に第２のダイヤフラム部２５が変形し、弁体２３により流出口１２が閉止される。これに対して、可動電極２４と固定電極３１との間に上記閉止力に抗して弁体２３が流出口１２を開くのに必要な規定電圧以上の電圧を印加すれば、可動電極２４と固定電極３１との間に発生する静電力によって可動電極２４が固定電極３１に近づくように第１のダイヤフラム部２２が撓んで流出口１２が開放されるので、流体が流れることとなる。なお、弁体２３のストローク量を数μｍ程度に設定すれば、応答性が良く、粘性が高い流体であっても数μｌ／ｍｉｎレベルの微量な流体を精度良く高速に制御することができる。また、弁体２３のストローク量が小さいので、数Ｖ程度の電圧を印加することにより、流出口１２の開閉を行うことができる。
ところで、本実施形態のマイクロバルブでは、駆動手段により弁体２３を変位させていない状態における上記閉止力を増大させるバイアス手段として、弁体形成基板２０における閉鎖空間形成用基板３０との対向面側で第１のダイヤフラム部２２とフレーム２１における第１のダイヤフラム部２２の周辺部とに跨って積層され駆動手段により弁体２３を変位させていない状態で上記閉止力が増大するように第１のダイヤフラム部２２に応力を与える応力付与膜２８を備えており、応力付与膜２８を設けていない場合に引張応力が働いている第１のダイヤフラム部２２に圧縮応力が働くようになっている。ここで、応力付与膜２８は周部は、フレーム２１の厚みが一定となっている部位に重なっている。なお、本実施形態では、応力付与膜２８を、ＴＥＯＳ（Ｓｉ(ＯＣ２Ｈ５)４）とＯ２とを原料ガスとしたプラズマＣＶＤ法により堆積させたシリコン酸化膜により構成してあるが、シリコン酸化膜に限らず、例えば、ＣＶＤ法により堆積させたシリコン窒化膜により構成してもよい。なお、応力付与膜２８として上述のシリコン酸化膜を採用する場合の膜厚は例えば１μｍ程度に設定すればよく、応力付与膜２８として上述のシリコン窒化膜を採用する場合の膜厚は例えば１２０ｎｍ程度に設定すればよい。
以下、本実施形態のマイクロバルブの製造方法に関して、弁体形成基板２０、弁座形成基板１０、閉鎖空間形成用基板３０それぞれについて個別に説明する。
まず、弁体形成基板２０の形成方法について図７および図８を参照しながら説明する。
上述のシリコン基板２００の主表面側（図７（ａ）における上面側）および裏面（図７（ａ）の下面側）にパイロジェニック酸化によりシリコン酸化膜２０１，２０２を形成することにより、図７（ａ）に示す構造を得る。なお、パイロジェニック酸化の工程において、例えば、酸化温度を１１００℃、酸化時間を１４５分とすれば、各シリコン酸化膜２０１，２０２の膜厚は１０００ｎｍ程度となるが、酸化条件や膜厚は特に限定するものではない。
その後、シリコン基板２００において上述の各ダイヤフラム部２２，２５の各凹溝２２ａ，２５ａに対応する部位を露出させるために、シリコン基板２００の主表面側のシリコン酸化膜２０１上に、上述の各ダイヤフラム部２２，２５の各凹溝２２ａ，２５ａに対応する部位が開孔された第１のレジスト層（図示せず）を形成してから、第１のレジスト層をマスクとしてシリコン基板２００の主表面側のシリコン酸化膜２０１をドライエッチンすることでシリコン酸化膜２０１をパターニングし、続いて、第１のレジスト層を除去することにより、図７（ｂ）に示す構造を得る。
そして、パターニングされたシリコン酸化膜２０１をマスクとして、フッ酸系の薬液（例えば、ＨＦ：ＨＮＯ３：ＣＨ３ＣＯＯＨ＝１：３：８）を用いた等方性エッチングによってシリコン基板２００の主表面に各凹溝２２ａ，２５ａを形成することにより、図７（ｃ）に示す構造を得る。なお、各凹溝２２ａ，２５ａの深さは２５μｍに設定してあるが、この値は特に限定するものではない。
その後、シリコン基板２００の裏面側のシリコン酸化膜２０２を第２のレジスト層（図示せず）により覆ってから、シリコン基板２００の主表面側のシリコン酸化膜２０１をエッチング除去し、続いて、第２のレジスト層を除去することにより、図７（ｄ）に示す構造を得る。
その後、シリコン基板２００の主表面側にボロンを固相拡散させることで高濃度の不純物拡散層２０４を形成するとともに、不純物拡散層２０４の表面側にシリコン酸化膜２０５を形成することにより、図７（ｅ）に示す構造を得る。なお、固相拡散の工程において、例えば、拡散温度を１１２５℃、拡散時間を１２時間とすれば、シリコン酸化膜２０５の膜厚は４００ｎｍ程度となる。
その後、シリコン基板２００の裏面側のシリコン酸化膜２０２上に、各ダイヤフラム部２２，２５を形成するためにパターニングされた第３のレジスト層（図示せず）を形成してから、第３のレジスト層をマスクとしてシリコン基板２００の裏面側のシリコン酸化膜２０２をドライエッチングすることでシリコン酸化膜２０２をパターニングし、続いて、第３のレジスト層を除去し、さらにその後、シリコン基板２００の主表面側のシリコン酸化膜２０５をエッチング除去することにより、図７（ｆ）に示す構造を得る。
さらにその後、シリコン基板２００の主表面側に、応力付与膜２８の基礎となるシリコン酸化膜２０８を、ＴＥＯＳ（Ｓｉ(ＯＣ２Ｈ５)４）とＯ２とを原料ガスとしたプラズマＣＶＤ法により堆積させることにより、図７（ｇ）に示す構造を得る。
その後、シリコン基板２００の主表面側のシリコン酸化膜２０８上にクロム膜２０９を形成することにより、図８（ａ）に示す構造を得る。
その後、シリコン基板２００の主表面側のクロム膜２０９上に、所望パターンの応力付与膜２８を形成するためにパターニングされた第４のレジスト層（図示せず）を形成してから、第４のレジスト層をマスクとしてクロム膜２０９をエッチングすることでクロム膜２０９をパターニングし、続いて、第４のレジスト層を除去することにより、図８（ｂ）に示す構造を得る。
そして、ダイシングを行ってから、シリコン基板２００の裏面側のパターニングされたシリコン酸化膜２０２をマスクとしてシリコン基板２００を裏面側から不純物拡散層２０４に達する深さまでエッチングすることで第１のダイヤフラム部２２および第２のダイヤフラム部２５を形成することにより、図８（ｃ）に示す構造を得る。このエッチング工程における薬液として、例えば、ＥＰＷ（エチレンジアミンピロカテコール）の溶液を用いることによって、ボロンが高濃度に拡散された不純物拡散層２０４をエッチングストッパ層として利用することができ、各ダイヤフラム部２２，２５がそれぞれ不純物拡散層２０４の一部により構成され、厚くなりすぎたり薄くなりすぎるのを防止することができる。なお、第１のダイヤフラム部２２の中央部が可動電極２４を構成する。
その後、上述のパターニングされたクロム膜２０９をマスクとしてシリコン酸化膜２０８の不要部分をウェットエッチングすることで残りのシリコン酸化膜２０２よりなる応力付与膜２８を形成してから、クロム膜２０９を除去することにより、図８（ｄ）に示す構造の弁体形成基板２０が得られる。
次に、弁座形成基板１０の形成方法について図９を参照しながら説明する。
まず、第１のガラス基板１００の一表面側（図９（ａ）における上面側）の全面にクロム膜１０１をスパッタ法などにより形成した後、第１のガラス基板１００の上記一表面に流路用凹部１５および弁座１３を形成するためにパターニングされた第５のレジスト層（図示せず）を形成してから、第５のレジスト層をマスクとしてクロム膜１０１をエッチングすることでクロム膜１０１をパターニングし、続いて、第５のレジスト層を除去することにより、図９（ａ）に示す構造を得る。
そして、パターニングされたクロム膜１０１をマスクとしてフッ酸系の薬品（例えば、ＢＨＦ、濃度が５０％のＨＦなど）を利用して第１のガラス基板１００の上記一表面に流路用凹部１５を形成してから、クロム膜１０１を除去することにより、図９（ｂ）に示す構造を得る。
その後、第１のガラス基板１００に厚み方向に貫通する流入口１１および流出口１２をドリル加工によって形成することにより、図９（ｃ）に示す構造を得る。
その後、第１のガラス基板１００の上記一表面側に、上述の接合防止膜１４の基礎となるクロム膜１０４をスパッタ法などによって形成することにより、図９（ｄ）に示す構造を得る。
その後、第１のガラス基板１００の上記一表面側のクロム膜１０４上に、接合防止膜１４を形成するためにパターニングされた第６のレジスト層（図示せず）を形成してから、第６のレジスト層をマスクとしてクロム膜１０４の不要部分をウェットエッチングすることで残りのクロム膜１０４からなる接合防止膜１４を形成し、続いて、第６のレジスト層を除去してから、ダイシングを行うことにより、図９（ｅ）に示す構造の弁座形成基板１０が得られる。
次に、閉鎖空間形成用基板３０の形成方法について図１０を参照しながら説明する。
まず、第２のガラス基板３００の一表面側（図１０（ａ）における上面側）の全面にクロム膜３０１をスパッタ法などにより形成した後、第２のガラス基板３００の上記一表面に圧力調整空間用凹部３４および溝部４１を形成するためにパターニングされた第７のレジスト層３０１を形成してから、第７のレジスト層３０２をマスクとしてクロム膜３０１をエッチングすることでクロム膜３０１をパターニングすることにより、図１０（ａ）に示す構造を得る。
そして、パターニングされたクロム膜３０１をマスクとしてフッ酸系の薬品（例えば、濃度が５０％のＨＦなど）を利用して第２のガラス基板３００の上記一表面に圧力調整空間凹凹部３４および溝部４１を形成することにより、図１０（ｂ）に示す構造を得る。
その後、第２のガラス基板３００の上記一表面側の全面にクロム膜３０３をスパッタ法などによって形成することにより、図１０（ｃ）に示す構造を得る。
その後、第２のガラス基板３００の上記一表面側のクロム膜３０３上に、ギャップ形成用凹部３３および連通用凹部３５を形成するためにパターニングされた第８のレジスト層（図示せず）を形成してから、第８のレジスト層をマスクとしてクロム膜３０３の不要部分をエッチングすることでクロム膜３０３をパターニングし、続いて、第８のレジスト層を除去することにより、図１０（ｄ）に示す構造を得る。
その後、パターニングされたクロム膜３０３をマスクとして第２のガラス基板３００の上記一表面にギャップ形成用凹部３３および連通用凹部３５を形成してから、クロム膜３０３を除去することにより、図１０（ｅ）に示す構造を得る。
その後、メタルマスクを利用してスパッタ法などによって白金膜とクロム膜との積層膜からなる固定電極３１および接合防止膜３２を形成してから、ダイシングを行うことにより、図１０（ｆ）に示す構造の閉鎖空間形成用基板３０が得られる。
次に、上述の弁体形成基板２０と弁座形成基板１０と閉鎖空間形成用基板３０とでマイクロバルブを形成するにあたっては、まず、図１１（ａ）に示すように、弁体形成基板２０と閉鎖空間形成用基板３０とを重ね合わせてから、真空中で第１の所定温度（例えば、４００℃）に加熱して弁体形成基板２０と閉鎖空間形成用基板３０との間に閉鎖空間形成用基板３０を低電位側として直流電圧源Ｅ１から第１の所定電圧（例えば、６００Ｖ）を印加して陽極接合し、その後、図１１（ｂ）に示すように、弁体形成基板２０に弁座形成基板１０を重ね合わせてから、真空中で第２の所定温度（例えば、４００℃）に加熱して弁体形成基板２０と弁座形成基板１０との間に弁座形成基板１０を低電位側として直流電圧源Ｅ２から第２の所定電圧（例えば、６００Ｖ）を印加して陽極接合を行ない、続いて、図１１（ｃ）に示すように上述の配線形成用溝３８により形成される通気路を大気圧中で樹脂（例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂など）により封止して封止部４０を形成する。
以上説明した本実施形態のマイクロバルブでは、駆動手段により弁体２３を変位させていない状態における閉止力を増大させるバイアス手段が設けられているので、駆動手段により弁体２３を変位させていない状態における弁体２３による流出口１２の閉止力を従来に比べて高めることができ、流入口側内部空間Ｓ１へ流入した流体の圧力が低くても流体が漏れるのを防止することができる。また、バイアス手段が上述の応力付与膜２８により構成されているので、バイアス手段を一般的な半導体製造プロセスにより精度良く形成することができる。
（実施形態２）
ところで、実施形態１では、上述の応力付与膜２８が、駆動手段により弁体２３を変位させていない状態における閉止力を増大させるバイアス手段を構成していたが、本実施形態のマイクロバルブでは、図１２に示すように、第１のダイヤフラム部２２の周部であってフレーム２１に近づくにつれて弁座形成基板１０側へ近づくように断面凹状に形成された部位２２ｂが、駆動手段により弁体２３を変位させていない状態における閉止力を増大させるバイアス手段を構成している。また、本実施形態では、弁体形成基板２０のフレーム２１と閉鎖空間形成用基板３０とを陽極接合により固着する際に可動電極２４と固定電極３１とが接合されないように可動電極２４における固定電極３１との対向面に、接合防止膜２９が形成されている。なお、実施形態１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。
ところで、実施形態１では、上述の応力付与膜２８が、駆動手段により弁体２３を変位させていない状態における閉止力を増大させるバイアス手段を構成していたが、本実施形態のマイクロバルブでは、図１２に示すように、第１のダイヤフラム部２２の周部であってフレーム２１に近づくにつれて弁座形成基板１０側へ近づくように断面凹状に形成された部位２２ｂが、駆動手段により弁体２３を変位させていない状態における閉止力を増大させるバイアス手段を構成している。また、本実施形態では、弁体形成基板２０のフレーム２１と閉鎖空間形成用基板３０とを陽極接合により固着する際に可動電極２４と固定電極３１とが接合されないように可動電極２４における固定電極３１との対向面に、接合防止膜２９が形成されている。なお、実施形態１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。
しかして、本実施形態のマイクロバルブでは、第１のダイヤフラム部２２の周部であってフレーム２１に近づくにつれて弁座形成基板１０側へ近づくように断面凹状に形成された部位２２ｂを設けたことにより、実施形態１にて説明した不純物拡散層２０４の一部により構成される第１のダイヤフラム部２２に、当該部位２２ｂを設けていない場合に比べて弁体２３を弁座形成基板１０側へ押し下げる向きの力が作用するこことなる。本実施形態における弁体形成基板２０の形成にあたっては、実施形態１にて説明した弁体形成基板２０の形成方法において、凹溝２２ａ，２５ａを形成する際のマスクの形状を変更すればよい。要するに、本実施形態のマイクロバルブでは、第１のダイヤフラム部２２および第２のダイヤフラム部２５を半導体製造プロセスにより形成する際のマスクを適宜設計することにより、バイアス手段を形成することが可能となり、実施形態１に比べて製造プロセスを簡略化できる。
（実施形態３）
本実施形態のマイクロバルブの基本構成は実施形態１と略同じであって、駆動手段により弁体２３を変位させていない状態における閉止力を増大させるバイアス手段が、図１３に示すように、圧力調整空間用凹部３４において第２のダイヤフラム部２５の周部に対応する部位の深さを第２のダイヤフラム部２５の中央部に対応する部位の深さに比べて浅くするように圧力調整空間用凹部３４の内面に突設された段突起３４ｂにより構成されている点が相違する。また、本実施形態では、弁体形成基板２０のフレーム２１と閉鎖空間形成用基板３０とを陽極接合により固着する際に可動電極２４と固定電極３１とが接合されないように可動電極２４における固定電極３１との対向面に、接合防止膜２９が形成されている。なお、実施形態１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。
本実施形態のマイクロバルブの基本構成は実施形態１と略同じであって、駆動手段により弁体２３を変位させていない状態における閉止力を増大させるバイアス手段が、図１３に示すように、圧力調整空間用凹部３４において第２のダイヤフラム部２５の周部に対応する部位の深さを第２のダイヤフラム部２５の中央部に対応する部位の深さに比べて浅くするように圧力調整空間用凹部３４の内面に突設された段突起３４ｂにより構成されている点が相違する。また、本実施形態では、弁体形成基板２０のフレーム２１と閉鎖空間形成用基板３０とを陽極接合により固着する際に可動電極２４と固定電極３１とが接合されないように可動電極２４における固定電極３１との対向面に、接合防止膜２９が形成されている。なお、実施形態１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。
しかして、本実施形態のマイクロバルブでは、圧力調整空間用凹部３４において第２のダイヤフラム部２５の周部に対応する部位の深さを第２のダイヤフラム部２５の中央部に対応する部位の深さに比べて浅くする段突起３４ｂが圧力調整空間用凹部３４の内面に突設されているので、段突起３４ｂが突設されていない場合に比べて閉鎖空間３６の体積を小さくでき、第２のダイヤフラム部２５が流入口側内部空間Ｓ１の圧力によって圧力調整空間用凹部３４の内底面側へ撓んだときに閉鎖空間３６のうち第２のダイヤフラム部２５の周部に対応する空間を狭くすることができるから、閉鎖空間３６のうち圧力調整空間用凹部３４において第２のダイヤフラム部２５の周部に対応する空間での圧力損失を低減でき、上記閉止力を高めることができる。
なお、上述の段突起３４ｂは、実施形態１にて説明した閉鎖空間形成用基板３０の形成方法において、マスクの形状を変更することにより形成できるので、製造プロセスが複雑になることはない。
（実施形態４）
本実施形態のマイクロバルブの基本構成は実施形態３と略同じであって、駆動手段により弁体２３を変位させていない状態における閉止力を増大させるバイアス手段を、実施形態３にて説明した段突起３４ｂではなく、図１４に示すように、圧力調整空間用凹部３４の内底面において第２のダイヤフラム部２５の各凹溝２５ａそれぞれに対向する各部位から突設された複数の小突起３４ａにより構成している点が相違するだけである。なお、実施形態３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。
本実施形態のマイクロバルブの基本構成は実施形態３と略同じであって、駆動手段により弁体２３を変位させていない状態における閉止力を増大させるバイアス手段を、実施形態３にて説明した段突起３４ｂではなく、図１４に示すように、圧力調整空間用凹部３４の内底面において第２のダイヤフラム部２５の各凹溝２５ａそれぞれに対向する各部位から突設された複数の小突起３４ａにより構成している点が相違するだけである。なお、実施形態３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。
しかして、本実施形態のマイクロバルブでは、バイアス手段が、圧力調整空間用凹部３４の内底面において第２のダイヤフラム部２５の各凹溝２５ａそれぞれに対向する各部位から突設された複数の小突起３４ａよりなるので、各小突起３４ａが設けられていない場合に比べて閉鎖空間３６の体積を低減でき、閉鎖空間３６のうち圧力調整空間用凹部３４において第２のダイヤフラム部２５との間に形成されている空間での圧力損失を低減でき、上記閉止力を高めることができる。
（実施形態５）
本実施形態のマイクロバルブの基本構成は実施形態１と略同じであって、実施形態１では弁座形成基板１０の上記一表面に設けられた流路用凹部１５の内周形状が流入口１１と流出口１２との両方を囲む矩形状に形成されていたのに対して、図１５に示すように、弁座形成基板１０の上記一表面に形成されている流路用凹部１５の形状が相違する。なお、他の構成は実施形態１にて説明した応力付与膜２８を備えていない点以外は実施形態１と同じなので図示および説明を省略する。
本実施形態のマイクロバルブの基本構成は実施形態１と略同じであって、実施形態１では弁座形成基板１０の上記一表面に設けられた流路用凹部１５の内周形状が流入口１１と流出口１２との両方を囲む矩形状に形成されていたのに対して、図１５に示すように、弁座形成基板１０の上記一表面に形成されている流路用凹部１５の形状が相違する。なお、他の構成は実施形態１にて説明した応力付与膜２８を備えていない点以外は実施形態１と同じなので図示および説明を省略する。
本実施形態における弁座形成基板１０に形成された流路用凹部１５は、流出口１２を囲み内周形状が矩形状の流出口側凹部１５ｂと、流入口１１を囲み内周形状が矩形状の流入口側凹部１５ａと、流出口側凹部１５ｂと流入口側凹部１５ａとを繋ぎ流出口側内部空間Ｓ２と流入口側内部空間Ｓ１との間に形成される流路であって流出口側内部空間Ｓ２の圧力が流入口側内部空間Ｓ１の圧力に比べて低くなるように圧力損失を生じさせる圧力調整用流路を形成するための圧力調整用凹部１５ｃとで構成してある。なお、圧力調整用凹部１５ｃはつづら折れ状の形状に形成されている。このような流路用凹部１５を形成するには、実施形態１にて説明した弁座形成基板１０の形成方法において流路用凹部１５を形成する際のマスクの形状を変更すればよい。
しかして、本実施形態のマイクロバルブでは、駆動手段により弁体２３を変位させていない状態における閉止力を増大させるバイアス手段が、実施形態１にて説明した流出側内部空間Ｓ２と流入口側内部空間Ｓ１との間に形成される流路であって流出口側内部空間Ｓ２の圧力が流入口側内部空間Ｓ１の圧力に比べて低くなるように圧力損失を生じさせる圧力調整用流路により構成されているので、駆動手段により弁体２３を変位させていない状態において流出口側内部空間Ｓ２の圧力が流入口側内部空間Ｓ１の圧力に比べて低くなるから、流出口側内部空間Ｓ２の圧力に対する閉鎖空間３６の相対的な圧力を高めることができ、上記閉止力を高めることができる。
（実施形態６）
本実施形態のマイクロバルブの基本構成は実施形態１と略同じであって、実施形態１にてバイアス手段として設けていた応力付与膜２８を設けずに、図１６に示すように、閉鎖空間形成用基板３０に、厚み方向に貫通する貫通孔４２を設けておき、閉鎖空間３６に乾燥空気などの気体からなる受圧媒体を、大気圧よりも規定圧力（例えば、５ｋＰａ〜５０ｋＰａ程度）だけ高い圧力で封入してあり、閉鎖空間３６に大気圧よりも高い圧力で封入された気体がバイアス手段を構成している点に特徴がある。また、本実施形態では、弁体形成基板２０のフレーム２１と閉鎖空間形成用基板３０とを陽極接合により固着する際に可動電極２４と固定電極３１とが接合されないように可動電極２４における固定電極３１との対向面に、接合防止膜２９が形成されている。なお、実施形態１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。
本実施形態のマイクロバルブの基本構成は実施形態１と略同じであって、実施形態１にてバイアス手段として設けていた応力付与膜２８を設けずに、図１６に示すように、閉鎖空間形成用基板３０に、厚み方向に貫通する貫通孔４２を設けておき、閉鎖空間３６に乾燥空気などの気体からなる受圧媒体を、大気圧よりも規定圧力（例えば、５ｋＰａ〜５０ｋＰａ程度）だけ高い圧力で封入してあり、閉鎖空間３６に大気圧よりも高い圧力で封入された気体がバイアス手段を構成している点に特徴がある。また、本実施形態では、弁体形成基板２０のフレーム２１と閉鎖空間形成用基板３０とを陽極接合により固着する際に可動電極２４と固定電極３１とが接合されないように可動電極２４における固定電極３１との対向面に、接合防止膜２９が形成されている。なお、実施形態１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。
本実施形態では、閉鎖空間３６となる空間を加圧状態で封止するには、弁体形成基板２０と閉鎖空間形成用基板３０とを陽極接合により固着し、弁体形成基板２０と弁座形成基板１０とを陽極接合により固着した後で、乾燥空気で内部空間が加圧された加圧容器内で閉鎖空間形成用基板２０の貫通孔４２および実施形態１にて説明した配線形成用溝３８を樹脂などにより封止すればよい。
しかして、本実施形態のマイクロバルブでは、製造時に閉鎖空間３６に封入する気体の圧力を適宜設定することで上記閉止力を高めることができる。
なお、本実施形態では、閉鎖空間３６となる空間を加圧するための通気経路として貫通孔４２と配線形成用溝３８との両方を採用しているが、通気経路としては、貫通孔４２と配線形成用溝３８との少なくとも一方が形成されていればよく、通気経路として、配線形成用溝３８のみが形成されているようにすれば、つまり、配線形成用溝３８を通気経路として兼用すれば、閉鎖空間３６を加圧封止するために閉鎖空間３６と外部とを連通させる上述の貫通孔４２を別途に形成する場合に比べて、製造が容易になるという利点がある。
１０ 弁座形成基板
１１ 流入口
１２ 流出口
１３ 弁座
１５ 流路用凹部
２０ 弁体形成基板
２１ フレーム
２２ 第１のダイヤフラム部
２３ 弁体
２４ 可動電極
２５ 第２のダイヤフラム部
２８ 応力付与膜
３０ 閉鎖空間形成用基板
３１ 固定電極
３６ 閉鎖空間
Ｓ１ 流入口側内部空間
Ｓ２ 流出口側内部空間
１１ 流入口
１２ 流出口
１３ 弁座
１５ 流路用凹部
２０ 弁体形成基板
２１ フレーム
２２ 第１のダイヤフラム部
２３ 弁体
２４ 可動電極
２５ 第２のダイヤフラム部
２８ 応力付与膜
３０ 閉鎖空間形成用基板
３１ 固定電極
３６ 閉鎖空間
Ｓ１ 流入口側内部空間
Ｓ２ 流出口側内部空間
Claims (8)
- 流体の流入口および流出口が厚み方向に貫設され一表面側において流出口の周部に弁座が突設された弁座形成基板と、半導体基板を用いて形成されて弁座形成基板の前記一表面側に固着されるフレームおよびフレームの内側に設けられ弁座形成基板との間に流出口側内部空間を形成する第１のダイヤフラム部および第１のダイヤフラム部の中央部から弁座形成基板側へ突出し流出口を開閉する弁体および弁座形成基板との間に流入口および流出口側内部空間に連通する流入口側内部空間を形成する第２のダイヤフラム部を有する弁体形成基板と、弁体形成基板における弁座形成基板とは反対側に固着され弁体形成基板との間に前記閉鎖空間を形成する閉鎖空間形成用基板と、流出口を開放する向きに弁体を変位させる駆動手段とを備え、駆動手段により弁体を変位させていない状態で流入口側内部空間と閉鎖空間とを仕切る第２のダイヤフラム部が流入口側内部空間に流入した流体の圧力を受けて撓むことによって弁体が流出口を閉止する向きの力である閉止力が作用するマイクロバルブであって、駆動手段により弁体を変位させていない状態における閉止力を増大させるバイアス手段が設けられてなることを特徴とするマイクロバルブ。
- 前記駆動手段は、前記弁体形成基板において前記第１のダイヤフラム部の中央部に設けられた不純物拡散層からなる可動電極と、前記閉鎖空間形成用基板に設けられ可動電極と対向する固定電極とを備え、可動電極と固定電極との間に電圧を印加したときに可動電極と固定電極との間に発生する静電力によって前記流出口を開放する向きに前記弁体を変位させるものであり、前記バイアス手段は、前記弁体形成基板における前記閉鎖空間形成用基板との対向面側で前記第１のダイヤフラム部と前記フレームにおける前記第１のダイヤフラム部の周辺部とに跨って積層され前記駆動手段により前記弁体を変位させていない状態で前記閉止力が増大するように前記第１のダイヤフラム部に応力を与える応力付与膜からなることを特徴とする請求項１記載のマイクロバルブ。
- 前記バイアス手段は、前記第１のダイヤフラム部の周部であって前記フレームに近づくにつれて前記弁座形成基板側へ近づくように断面凹状に形成された部位からなることを特徴とする請求項１記載のマイクロバルブ。
- 前記駆動手段は、前記弁体形成基板において前記第１のダイヤフラム部の中央部に設けられた可動電極と、前記閉鎖空間形成用基板に設けられ可動電極と対向する固定電極とを備え、可動電極と固定電極との間に電圧を印加したときに可動電極と固定電極との間に発生する静電力によって前記流出口を開放する向きに前記弁体を変位させるものであり、前記閉鎖空間形成用基板は、前記第１のダイヤフラム部に対向する部位に形成され前記第１のダイヤフラム部の変位空間を確保する第１の凹部であって内底面に固定電極が設けられたギャップ形成用凹部と、前記第２のダイヤフラム部に対向する部位に形成され前記第２のダイヤフラム部の変位空間を確保する第２の凹部であって第１の凹部よりも深い圧力調整空間用凹部と、前記弁体形成基板との対向面側においてギャップ形成用凹部と圧力調整空間用凹部とを連通させる第３の凹部からなる連通用凹部とを有し、前記バイアス手段は、圧力調整空間用凹部において前記第２のダイヤフラム部の周部に対応する部位の深さを前記第２のダイヤフラム部の中央部に対応する部位の深さに比べて浅くするように圧力調整空間用凹部の内面に突設された段突起からなることを特徴とする請求項１記載のマイクロバルブ。
- 前記駆動手段は、前記弁体形成基板において前記第１のダイヤフラム部の中央部に設けられた可動電極と、前記閉鎖空間形成用基板に設けられ可動電極と対向する固定電極とを備え、可動電極と固定電極との間に電圧を印加したときに可動電極と固定電極との間に発生する静電力によって前記流出口を開放する向きに前記弁体を変位させるものであり、前記弁体形成基板は、前記第２のダイヤフラム部における前記閉鎖空間形成用基板との対向面に複数の環状の凹溝が同心的に形成され、前記閉鎖空間形成用基板は、前記第１のダイヤフラム部に対向する部位に形成され前記第１のダイヤフラム部の変位空間を確保する第１の凹部であって内底面に固定電極が設けられたギャップ形成用凹部と、前記第２のダイヤフラム部に対向する部位に形成され前記第２のダイヤフラム部の変位空間を確保する第２の凹部であって第１の凹部よりも深い圧力調整空間用凹部と、前記弁体形成基板との対向面側においてギャップ形成用凹部と圧力調整空間用凹部とを連通させる第３の凹部からなる連通用凹部とを有し、前記バイアス手段は、圧力調整空間用凹部の内底面において各凹溝それぞれに対向する各部位から突設された複数の小突起よりなることを特徴とする請求項１記載のマイクロバルブ。
- 前記バイアス手段は、前記流出口側内部空間と前記流入口側内部空間との間に形成される流路であって前記流出口側内部空間の圧力が前記流入口側内部空間の圧力に比べて低くなるように圧力損失を生じさせる圧力調整用流路からなることを特徴とする請求項１記載のマイクロバルブ。
- 前記バイアス手段は、前記閉鎖空間に大気圧よりも高い圧力で封入された気体からなることを特徴とする請求項１記載のマイクロバルブ。
- 前記駆動手段は、前記弁体形成基板において前記第１のダイヤフラム部の中央部に設けられた可動電極と、前記閉鎖空間形成用基板に設けられ可動電極と対向する固定電極とを備え、可動電極と固定電極との間に電圧を印加したときに可動電極と固定電極との間に発生する静電力によって前記流出口を開放する向きに前記弁体を変位させるものであり、前記閉鎖空間形成用基板は、前記第１のダイヤフラム部に対向する部位に形成され前記第１のダイヤフラム部の変位空間を確保する第１の凹部であって内底面に固定電極が設けられたギャップ形成用凹部と、前記第２のダイヤフラム部に対向する部位に形成され前記第２のダイヤフラム部の変位空間を確保する第２の凹部であって第１の凹部よりも深い圧力調整空間用凹部と、前記弁体形成基板との対向面側においてギャップ形成用凹部と圧力調整空間用凹部とを連通させる第３の凹部からなる連通用凹部と、前記弁体形成基板との対向面側においてギャップ形成用凹部に連続して形成される溝であって固定電極と前記弁体形成基板に重ならない部位に設けられるパッドとを接続する配線が内底面に設けられる配線形成用溝とを有し、前記弁体形成基板と前記閉鎖空間形成用基板とを固着した状態において配線形成用溝により形成される通気路は樹脂により封止され、前記バイアス手段は、前記閉鎖空間に大気圧よりも高い圧力で封入された気体からなることを特徴とする請求項１記載のマイクロバルブ。
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