JP2008121766A - 感温型マイクロ加工ワンショットバルブ、およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バルブの開放温度の設定が容易であり、該開放温度以下での漏れがなく、高い圧力差に耐え、液体環境または気体環境のいずれにも使用でき、小型化を図ることが可能となる感温型マイクロ加工ワンショットバルブを提供する。
【解決手段】感温型マイクロ加工ワンショットバルブであって、シリコン基板１００と、前記シリコン基板の厚さ全体を貫いて構成されているチャンネル１０１と、
前記シリコン基板の一面上に溶着され、前記チャンネルを塞いで配置された低融点金属部材１０２と、を含み構成される。
その際、前記低融点金属部材と前記シリコン基板との間に金属層１０３を有する構成とし、また前記シリコン基板と前記金属層との間に、接着層１０４を有する構成とすることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、感温型マイクロ加工ワンショットバルブ、およびその製造方法に関する。
詳しくは、ラプチャー機構を有する感温型ワンショットバルブに関するものである。あるいは、燃料電池の安全機構、ラボオンチップやスマートマイクロピルの液送開始機構、等に利用可能な感温型マイクロ加工ワンショットバルブ、それらのマイクロ加工技術を用いた製造方法に関するものである。

１９８０年代以来、多くのマイクロ加工技術によって製造されたバルブ（以下、これをマイクロ加工バルブと記す）が開示されてきた（例えば、非特許文献１参照）。
それらの開示によれば、マイクロ加工バルブは、主に２つの分類、すなわち、受動バルブおよび能動バルブに分類される。
一方、別のマイクロ加工バルブとして、一度だけ動作するように設計された、たとえば、ワンショットバルブを含んだマイクロ加工バルブが知られている。

上記ワンショットバルブの応用としては、ラボオンチップにおいて混合反応をトリガするためのバルブ、またはスマートマイクロピルに薬物サンプルを送達するためのバルブとして有効である。
これらのワンショットバルブの動作が温度の作用によって行われる温度作動弁として構成されている場合、小さい燃料タンクを持った、たとえば小型携帯機器用の燃料電池の安全目的用に使うことができる。
すなわち、このようなバルブは、温度上昇によって燃料タンクの圧力が異常に高くなった際、圧力を開放するためのラプチャー機構に応用することができる。
本明細書では、このようなワンショットバルブの動作が温度の作用によって行われ、マイクロ加工技術によって製造される温度作動弁を、感温型マイクロ加工ワンショットバルブと定義する。

以上の感温型マイクロ加工ワンショットバルブは、例えば、非特許文献２において開示されている。
非特許文献２の開示によれば、塞がれているマイクロチャンネルの開放は、ポリエチレン層の融解によって行われる。
したがって、このバルブが動作する温度は、ポリエチレンの融解温度によって設定することができる。
非特許文献３においては、マイクロ球体を使った感温型マイクロ加工ワンショットバルブが報告されている。
この感温型マイクロ加工ワンショットバルブでは、設定された温度以上で、膨張可能なマイクロ球体の体積が、約６０倍に増大する。
チャンネルの内部に挿入されたこれら球体は、膨張したとき、このチャンネルを塞ぐ。
この感温型マイクロ加工ワンショットバルブでは、開放位置から閉止位置への切り換え動作が可能に構成されている。

また、非特許文献４においては、電流によってトリガされるワンショットマイクロ加工バルブが報告されている。
このバルブは、シリコンウェハの内部に実装された槽内に配置している。
該槽の上部には、アノードの役目を果たす金属層が溶着されている。該槽の傍らには、カソードの役目を果たす別の金属層が溶着されている。
このバルブを電解液内に入れ、アノードとカソードとの間に電位差を与えることによって、アノードは酸化され、その後、アノード金属層が電解液内に溶解される。
この仕組みによって、閉止位置から開放位置への切り換えが行われる。

また、特許文献１においては、熱動作バルブについて報告されている。
このバルブは、二つの金属配管が繋がれた結合部の内部にはんだによってシールされた部材であり、配管内の流れを止めている。
はんだに熱を加えることによって、このはんだが溶け、バルブが開放され、金属配管内の流れが可能になる。
特許文献２においては、原子炉圧力容器の過圧破損を防ぐ安全デバイスについて報告されている。
このデバイスは、圧力補償開口部を、はんだでシールして構成されている。具体的にはつぎのように作用する構成を有している。
通常運転の間、はんだは固体であり、かつ開口部は閉止されている。より高い温度において、はんだは溶ける。さらに、管内の過圧によって、融解はんだが押され、管の開口部が開く。
米国特許第４３１３４５３号明細書 米国特許第５５２６３８５号明細書 Ｋ．Ｗ．ＯｈおよびＣ．Ｈ．Ａｈｎ．著、 「マイクロバルブ概説（Ａ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｍｉｃｒｏｖａｌｖｅｓ）」、Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．出版、１６、Ｒ１３〜Ｒ３９、２００６年。 Ｏ．Ｇｕｅｒｉｎ、Ｌ．Ｊ．Ｏ．Ｄｕｂｏｃｈｅｔ、Ｊ．−Ｆ．Ｚｅｂｅｒｌｉ、Ｐｈ．Ｃｌｏｔ、およびＰｈ．Ｒｅｎａｕｄ著、 「小型ワンショットバルブ（Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ ｏｎｅ−ｓｈｏｔ ｖａｌｖｅ）」、米電気電子学会微小電子機械システム会議出版（Ｉｎ ＩＥＥＥ ＭＥＭＳ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）、ｐ．４２５〜４２８、１９９８年。 Ｐ．Ｇｒｉｓｓ、Ａｎｄｅｒｓｓｏｎ Ｈ．、およびＧ．Ｓｔｅｍｍｅ著、 「液体処理用膨張可能マイクロ球体（Ｅｘｐａｎｄａｂｌｅ ｍｉｃｒｏｓｐｈｅｒｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｈａｎｄｌｉｎｇ ｏｆ ｌｉｑｕｉｄｓ）」、Ｌａｂ Ｃｈｉｐ出版，２、ｐ．１１７〜１２０，２００２年。 Ｊ．Ｔ．Ｓａｎｔｉｎｉ、Ａ．Ｃ．Ｒｉｃｈａｒｄｓ、Ｒ．Ｓｃｈｅｉｄｔ、Ｍ．Ｊ．Ｃｉｍａ、およびＲ．Ｌａｎｇｅｒ著、 「制御された薬物送達デバイスとしてのマイクロチップ（Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐｓ ａｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｄｒｕｇ−ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｄｅｖｉｃｅｓ）」、Ａｎｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．Ｉｎｔ．Ｅｄ．出版、３９、ｐ．２３９６〜２４０７、２０００年。

上記従来例のものにおいては、つぎに説明するように、いくつかの問題点を有している。
たとえば、感温型マイクロ加工ワンショットバルブを利用する場合、バルブの動作温度は使用目的によって種々の設定ができることが望ましい。
しかしながら、非特許文献２に開示の感温型マイクロ加工ワンショットバルブの場合、使用目的に応じて望ましい動作温度に設定することができない。
また、これを液送や気体の圧力開放に用いる場合、所望のバルブの動作温度は、たとえば、送達すべき液体の沸点や開放すべき気体の圧力などによって設定される。
また、圧力開放に用いるためには、閉止位置から開放位置への切り換えが必要である。
しかしながら、非特許文献３に開示の感温型マイクロ加工ワンショットバルブの場合、バルブの動作は、開放位置から閉止位置への切り換え動作しか行えない。また、燃料タンクの安全機構や種々の送液開始機構として利用するためには、任意の使用環境で動作可能でなければならない。
非特許文献４に開示のマイクロ加工バルブの場合、バルブの動作は、電解液環境に限定されてしまう。

また、感温型マイクロ加工ワンショットバルブは、小型のシステムに組み込んで利用されるという理由のほかに、以下の特徴をもつ。
一つは、サイズが小さいことによって周囲温度に対する感度が高い点である。
この高感度の理由は、温度拡散が小さいサイズに対してより速いからである。
もう一つは、製造方法として、マイクロ加工技術、とりわけＭＥＭＳ技術を用いることができるため、同一支持体上で同時に複数のデバイスを製造するバッチ製造が可能となる点である。
これは、製造コストの低減と、例えばヒータ等の制御機構を同時に、またバルブ近傍に直接作りこむことを可能にする。
しかしながら、特許文献１、特許文献２で開示されている、はんだを用いた例では、いずれもその製造は、典型的なマクロ的技術による必要がある。
このためデバイスのサイズは、２〜３ｍｍ^３以下に縮小することはできず、また、製造は、バッチ処理が不可能である。
加えて、ヒータ等の制御機構は、直接的に組み込めない。

以上の感温型マイクロ加工ワンショットバルブにおける解決されるべき課題は、つぎのような点にまとめてみることができる。
周囲温度が、予め設定された温度Ｔ_ｍより高いときに、圧力のかかった気体もしくは液体を開放することが必要である。
すなわち、この設定された温度以下においては、圧力のかかった気体もしくは液体を収容しているタンクに連結されているバルブは、閉じたままであり、この設定された温度以上においては、バルブは開放されるように構成されなければならない。
その際、バルブが開放される温度Ｔ_ｍは、システムの設計上容易に設定することができなければならない。
また、バルブは、Ｔ_ｍ以下の温度においてはまったく漏れがなく、かつ設定された範囲内での高い圧力差に耐えることができなければならない。
バルブは、液体環境および気体環境のいずれにも使うことが望ましい。その上、バルブは、小型で、典型的に２〜３ｍｍ^３より小さいものとして形成可能でなければならない。
さらに、その製造工程は、バッチ方式のもので、、開放のオンデマンドトリガを与えるために、ヒータを該システム内に容易に組み込むことが必要である。

本発明は、上記課題に鑑み、バルブの開放温度の設定が容易であり、該開放温度以下での漏れがなく、高い圧力差に耐え、液体環境または気体環境のいずれにも使用でき、小型化を図ることが可能となる感温型マイクロ加工ワンショットバルブの提供を目的とする。
また、本発明は、ヒータを組み込み、バッチ方式で上記感温型マイクロ加工ワンショットバルブを製造することが可能となる製造方法の提供を目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、以下の特徴を有する感温型マイクロ加工ワンショットバルブを提供するものである。
本発明の感温型マイクロ加工ワンショットバルブは、
シリコン基板と、
前記シリコン基板の厚さ全体を貫いて構成されているチャンネルと、
前記シリコン基板の一面上に溶着され、前記チャンネルを塞いで配置された低融点金属部材と、
を含むことを特徴とする。
また、本発明の感温型マイクロ加工ワンショットバルブは、前記低融点金属部材と前記シリコン基板との間に金属層を有することを特徴とする。
また、本発明の感温型マイクロ加工ワンショットバルブは、前記金属層は、銅による金属層で形成されていることを特徴とする。
また、本発明の感温型マイクロ加工ワンショットバルブは、前記シリコン基板と前記金属層との間に、接着層を有することを特徴とする。
また、本発明の感温型マイクロ加工ワンショットバルブは、前記接着層は、クロム層あるいはチタン層であることを特徴とする。
また、本発明の感温型マイクロ加工ワンショットバルブは、前記低融点金属部材は、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｐｄ、Ｉｎ、またはＣｄの中から選択される少なくともひとつの元素を含む合金であることを特徴とする。
また、本発明の感温型マイクロ加工ワンショットバルブは、前記低融点金属部材は、前記チャンネルの内部に一部侵入していることを特徴とする。
また、本発明の感温型マイクロ加工ワンショットバルブは、前記銅による金属層はフォトレジスト層で覆われ、低融点金属部材は前記フォトレジストの内部に一部侵入し、該銅による金属層に溶着されていることを特徴とする。
また、本発明の感温型マイクロ加工ワンショットバルブは、前記シリコン基板上の、前記低融点金属部材が溶着している部分に、溝が形成されていることを特徴とする。
また、本発明の感温型マイクロ加工ワンショットバルブは、前記低融点金属部材の表面および、前記低融点金属部材が溶着している前記シリコン基板表面が、少なくとも部分的にフォトレジストによって覆われていることを特徴とする。
また、本発明の感温型マイクロ加工ワンショットバルブは、前記シリコン基板と前記低融点金属部材との間に、ヒータ構成部が配置されていることを特徴とする。
また、本発明の感温型マイクロ加工ワンショットバルブの製造方法は、
シリコン基板の厚さ全体を貫いて構成されているチャンネルと、チャンネルを塞いで配置された低融点金属部材と、を含み構成された感温型マイクロ加工ワンショットバルブの製造方法であって、
シリコン基板に、厚さ全体を貫いて穿孔するチャンネルを形成する工程と、
前記シリコン基板の一面上に、前記チャンネルを塞いで低融点金属部材を溶着する工程と、を含むことを特徴とする。
また、本発明の感温型マイクロ加工ワンショットバルブの製造方法は、前記チャンネルの形成工程は、反応性イオンエッチンクによってエッチングする工程であることを特徴とする。
また、本発明の感温型マイクロ加工ワンショットバルブの製造方法は、前記チャンネルの形成工程は、ウェットエッチング法によってエッチングする工程であることを特徴とする。
また、本発明の感温型マイクロ加工ワンショットバルブの製造方法は、前記低融点金属部材を溶着する工程は、一方の相が前記低融点金属である二相液浴中に、前記シリコン基板を浸して溶着する工程であることを特徴とする。
また、本発明の感温型マイクロ加工ワンショットバルブの製造方法は、
前記シリコン基板の一面上に金属層を形成する工程と、
前記金属層をパターニングする工程と
前記シリコン基板の、前記金属層がパターニングされた部分に、前記シリコン基板の厚さ全体を貫いて穿孔するチャンネルを形成する工程と、
前記金属層上に、前記チャンネルを塞いで低融点金属部材を溶着する工程と、
を含むことを特徴とする。
また、本発明の感温型マイクロ加工ワンショットバルブの製造方法は、前記金属層を形成する工程は、スパッタリング法によって成膜する工程であることを特徴とする。
また、本発明の感温型マイクロ加工ワンショットバルブの製造方法は、前記金属層をパターニングする工程は、フォトリソグラフィおよび金属エッチングによってパターン形成するプロセスを含むことを特徴とする。
また、本発明の感温型マイクロ加工ワンショットバルブの製造方法は、前記パターン形成によるパターンの形状は、円形であることを特徴とする。
また、本発明の感温型マイクロ加工ワンショットバルブの製造方法は、
前記低融点金属部材を溶着させる工程と、
前記シリコン基板の温度を、前記低融点金属の融解温度よりも高い温度に上昇させる工程と、
前記チャンネルの両端に圧力差を加える工程と、
により、前記低融点金属部材を前記チャンネルの内部に一部侵入させる工程を含むことを特徴とする。
また、本発明の感温型マイクロ加工ワンショットバルブの製造方法は、
前記シリコン基板の一面上に溝を形成する工程と、
前記溝に並んで、前記シリコン基板の厚さ全体を貫いて穿孔するチャンネルを形成する工程と、
前記シリコン基板上の溝、および前記チャンネルを塞いで低融点金属部材を溶着する工程と、
を含むことを特徴とする。
また、本発明の感温型マイクロ加工ワンショットバルブの製造方法は、
前記シリコン基板の一面上に金属層を形成する工程と、
前記金属層を、前記低融点金属部材を溶着させるパターン、およびヒータを形成するパターンを、同時にパターニングする工程と、
前記シリコン基板の、前記金属層が前記低融点金属部材を溶着させるパターンにパターニングされた部分に、前記シリコン基板の厚さ全体を貫いて穿孔するチャンネルを形成する工程と、
前記金属層上に、前記チャンネルを塞いで低融点金属部材を溶着する工程と、
を含むことを特徴とする。

本発明によれば、バルブの開放温度の設定が容易であり、該開放温度以下での漏れがなく、高い圧力差に耐え、液体環境または気体環境のいずれにも使用でき、小型化を図ることが可能となる感温型マイクロ加工ワンショットバルブを実現することができる。
また、ヒータを組み込み、バッチ方式で上記感温型マイクロ加工ワンショットバルブを製造することが可能となる製造方法を実現することができる。

本発明の実施の形態においては、感温型マイクロ加工ワンショットバルブを、シリコン基板の厚さ全体を貫いて、該シリコン基板を穿孔して形成されたチャンネルと、
該シリコン基板の一面上に溶着されかつ前記チャンネルを塞いで配置された低融点金属部材とで構成することができる。
ここで、低融点金属部材は、温度によってその物理的状態（液体または固体）が変化し、チャンネル側からかかる圧力に対する機械的強度が変化するように機能する。
低融点金属部材が固体であるとき、チャンネルは塞がれており、低融点金属部材が液体であるとき、低融点金属部材が破壊され、チャンネルが開放される。

このように低融点金属部材を使うことで、その材料組成によって任意の融解温度の設定が可能となる。
具体的には、摂氏４７度から数百度まで、摂氏２〜３度刻みで設定できるように構成することで、バルブの動作温度を細かく調整することが可能となる。
さらに、設定された動作温度に達するまでのバルブの圧力耐性は、いくつかの手段によって向上させることができる。
一つは、低融点金属部材とシリコン基板表面との溶着面に配置した接着層を含む金属層の採用であり、他の一つは、シリコン基板表面に溝を形成することによる溶着面積の増加である。
また、シリコン基板に形成されたチャンネルに、低融点金属部材が一部侵入させることでも溶着強度を高めることができる。
さらには、シリコン基板とそれに溶着させた低融点金属部材の一部をフォトレジストで覆うことでもバルブの圧力耐性を向上させることが可能である。
さらに、上記構成の感温型マイクロ加工ワンショットバルブにヒータを組み合わせることで、環境温度の変化によってだけではなく、能動的な制御によってバルブを動作させることも可能となる。
なお、上記構成のワンショットバルブは、任意の気体ないし液体の開放機構として用いることができる。
さらに、本実施形態の感温型マイクロ加工ワンショットバルブの製造方法によれば、マイクロ加工技術を使うことで、典型的に２〜３ｍｍ^３より小さく作ることができる。
このため、前述したように周囲温度の変化に対する感度が高くなり、より精密な動作温度設定が可能となる。また、バッチ処理による製造が可能となるため、製造コストの低減や、同時形成によるヒータの取り付けの簡素化を実現することができる。

以下に、図を用いて本発明を実施するための具体的な形態について説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態として、本発明を適用した感温型マイクロ加工ワンショットバルブ及びその製造工程について説明する。
図１に、本実施形態における感温型マイクロ加工ワンショットバルブ及びその製造工程を説明するための断面図を示す。
図１において、１００はシリコン基板、１０１はチャンネル、１０２は低融点金属部材、１０３は金属層、１０４は接着層である。
本実施の形態の感温型マイクロ加工ワンショットバルブの基本構造は、図１に示すように、基板の厚さ全体を貫いて穿孔されたチャンネル１０１と、該チャンネル１０１の上に溶着された低融点金属部材１０２で構成される。

つぎに、感温型マイクロ加工ワンショットバルブの製造工程について説明する。
まず、ディープＲＩＥ（反応性イオンエッチング）用マスクをシリコン基板１００の裏面上に形成する。
このとき、サイズにもよるが、一枚のシリコン基板から多数個のバルブをバッチ処理によって作製することができるので、個々のバルブに対して予めチャンネル１０１が形成される位置にマスクを形成しておく。
なお、マスクは、耐溶剤性であるのが望ましく、アルミニウムまたは二酸化けい素などで作ることができる。
マスクを形成した面と反対のシリコン基板１００表面上に、接着層１０４としてクロム層、および金属層１０３として銅による金属層（以下、銅層と記す）を成膜し、かつパターン形成する。
成膜は、成膜された金属層内にピンホールの形成を防ぐために、スパッタリングによって実施することができる。
該パターン形成は、フォトリソグラフィおよび金属エッチングによるか、リフトオフ処理によるかのいずれかによって実施することができる。
このときのパターンも、一枚の基板から作製される複数個のバルブのそれぞれの位置に対して形成される。
シリコン基板１００の裏面上に前もって作られたマスクを使い、ディープＲＩＥにより、シリコン基板１００の厚さ全体を貫いてエッチングし、チャンネル１０１を形成する。このとき、金属層１０３と接着層１０４はエッチングされないため、チャネル１０１は金属層１０３と接着層１０４によって塞がれた構造となる。

次に、シリコン基板１００を、２つの相、すなわち底部に融解した低融点金属、上部にｐＨ＝１の希塩酸を収容した二相液浴の中に浸す。
この方法は、後に掲載した文献リスト中の文献１に詳述されている。なお、以下の説明における文献２〜４も上記文献リスト中に掲載されている。
最初に、希塩酸によって、銅層の表面に形成された自然酸化銅がエッチングされる。
しかしながら、アルミニウム層の表面に形成された酸化層は、希塩酸によってエッチングされない。
水と銅の界面エネルギは、低融点金属と銅の界面エネルギより高いので、低融点金属によって銅層はコーティングされる。
他方、水と他の物質（酸化アルミニウム、二酸化けい素、およびシリコン）の界面エネルギは、低融点金属とこれらの物質の界面エネルギより小さい。
したがって、低融点金属によって、該物質はコーティングされず、図１に示すように低融点金属部材１０２が金属層１０３上に選択的に溶着される。
最後に、一枚の基板に作製された複数個のバルブをそれぞれ設定されたサイズに切り離す。
なお、バルブの使用時の向きは、図１を参照すると、チャンネル１０１からバルブの表面、すなわち低融点金属部材１０２に向けて圧力差がプラスとなる向きである。

以下、本発明で好ましく用いることのできる低融点金属の材料組成に依存する低融点金属の融解温度を簡単に示す。
データは、文献２、文献３による。
低融点金属の組成が、Ｂｉ４４．７％、Ｐｂ２２．６％、Ｓｎ８．３％、Ｃｄ５．３％、およびＩｎ１９．１％であるとき、低融点金属の融解温度は、摂氏４７度である。これは、非常に低い融解温度の例である。
低融点金属の組成をＢｉ４４．７％、Ｐｂ２２．６％、Ｓｎ１１．３％、Ｃｄ５．３％、およびＩｎ１６．１％に変えると、低融点金属の融解温度は、摂氏５２度に上がる。
したがって、組成を少し変えることによって、低融点金属の融解温度はわずかに変わる。

より高い融解温度もまた、組成を微細に調整することができれば、使用可能になる。
例えば、Ｂｉ３３．３３％、Ｓｎ３３．３３％、およびＰｂ３３．３４％の組成によって、摂氏１４３度の融解温度が得られる一方、Ｂｉ６０％およびＣｄ４０％の組成によって、摂氏１４４度の融解温度が得られる。
ＲｏＨＳ指令（鉛フリーおよびカドミウムフリー）に準拠する低融点金属もまた適用できる。
例えば、Ｂｉ３２．５％、Ｓｎ１６．５％、およびＩｎ５１％の組成によって、摂氏６０度の融解温度が得られる。
また、Ｂｉ５％およびＩｎ９５％の組成によって、摂氏１５０度の融解温度が得られる。
さらに、Ｂｉ１００％の組成によって、摂氏２７１度の融解温度が得られる。
これらにより、ＲｏＨＳ指令内において、広い範囲の融解温度が利用できることが分かる。

低融点金属の融解温度が水の沸騰温度（摂氏１００度）より高い場合、この水は、エチレングリコール（沸点摂氏１９７度）またはテトラエチレングリコール（沸点摂氏３２８度）に置き換えることができる（文献４参照）。
状況に応じて、チャンネル１０１のエッチングに使うディープＲＩＥは、一般的なシリコンエッチング液であるＫＯＨまたはＴＭＡＨなどを使って、ウェットエッチングに置き換えることができる。
したがって、基板１００の裏面上のマスクには、これらのエッチング液に対して、例えば、ＫＯＨに対しては窒化けい素およびＴＭＡＨに対しては二酸化けい素が適応される。
ウェットエッチングの間、基板１００の表面は、テフロン（登録商標）カバーなどのような普通のマクロ的保護によって保護される。

シリコンのウェットエッチングは、ディープＲＩＥよりはるかに安価であるが、ウェットエッチングに使われるパターンは、通常、矩形形状のものであり、さらにシリコン基板の結晶面に位置合わせされている。
矩形パターンの問題点の１つは、それらの角部に生じる機械的応力集中である。金属層１０３の成膜の間に、機械的応力が蓄積した場合、低融点金属のコーティング時に金属層１０３の破断を招く可能性がある。
他方、ディープＲＩＥは、あらゆる形状を有するパターンが可能であり、円形パターンを用いることができるので、金属層１０３の破断の懸念が無い。
さらに、低融点金属を後述の方法によって、チャンネル１０１内に侵入させる必要がある場合、矩形断面を有するチャンネル１０１の角部に低融点金属を侵入させることが難しい場合がある。
この場合にも、円形パターンを用いるディープＲＩＥが望ましい。

特定用途の場合、シリコン基板１００に対する低融点金属部材１０２の接着力が弱すぎて、低融点金属部材１０２がシリコン基板１００から外れるほどになり、低融点金属の融解温度以下の温度でバルブの開放が起こる可能性がある。
この場合には、以下の方法によって、シリコン基板１００に対する低融点金属部材１０２の接着力を増大させることが可能である。
まず、低融点金属が溶ける融解温度以上に低融点金属の温度を高め、バルブの通常動作中とは逆方向の圧力差をチャンネルに加える。
すなわち、図１の低融点金属部材１０２の上部分とチャンネル１０１との間に、低融点金属部材１０２の上部分が高い圧力になるように制御された圧力差を加える。
これにより、融解した低融点金属は、チャンネル１０１の内部に多少侵入することになる。

圧力差を保持しながら低融点金属の温度を下げることによって、低融点金属は、その場所で固まることになる。
低融点金属をチャンネル１０１の内部に多少侵入させることによって、シリコン基板１００と低融点金属部材１０２との接触面が増加する。
その上、増加した接触面は、通常動作中に低融点金属に加えられる圧力差から生じる力に対して平行である。
シリコン基板１００に対する低融点金属の接着力は、同じ圧力差から生じる張力より、シリコン基板１００の上部層に対して平行である低融点金属とシリコン基板１００の界面にあるこのせん断力に対してより抵抗力がある。
低融点金属をチャンネル１０１の内部に侵入するために加える圧力は、液体またはガスの圧力であってもよく、また減圧弁によって容易に制御することができる。
この圧力を、バッチ方式で、すなわち、単一基板上に作られた複数のバルブすべてに、同時に、加え、その後それらを分離することができる。

図６に、本発明の感温型マイクロ加工ワンショットバルブの実際に作製された一例を示す。
図６（ａ）は、バルブの動作温度以下の閉止状態にあるバルブを上方より見たものである。
図６（ａ）中、略四角形に見える黒い部分が低融点金属部材である。図６（ｂ）は、バルブの周囲温度を上昇させ、かつバルブにかかる圧力差を与えることで、バルブを開放させた後の状態を見たものである。
低融点金属部材は取り除かれ、チャンネル（中央の黒い円形の部分）が開放されている。
なお、図６の例では、低融点金属の融点は４７℃のものを用い、バルブにかかる圧力差を２．５気圧とした。バルブは、周囲温度約４９℃で開放された。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態として、第１実施形態と異なる形態の感温型マイクロ加工ワンショットバルブ及びその製造工程について説明する。図２に、本実施形態における感温型マイクロ加工ワンショットバルブ及びその製造工程を説明するための断面図を示す。
図２には図１に示した構成と同様の構成には同一の符号が付されており、重複する部分の説明は省略する。図２において、２００はフォトレジスト層である。

本実施形態は、以下の点において第１実施形態と異なる。
低融点金属コーティングの工程においては、融解した低融点金属を含む二相液浴に浸された銅表面のみが、この低融点金属によってコーティングされる。
本実施形態においては、図２に示すように、クロムの接着層１０４および銅の金属層１０３は、第１実施形態においてなされたパターン形成はされていない。
上部にある銅層は、フォトレジスト層２００によって覆われており、低融点金属をコーティングすべき部分のみ、銅表面が露出するようにフォトリソグラフィによってパターン形成されている。
基板１００を融解した低融点金属が入っている液浴の中に浸したとき、銅表面の露出した部分のみが低融点金属によってコーティングされる。
酸化アルミニウム、シリコン、および二酸化けい素についてと同様に、フォトレジスト層２００表面は、低融点金属によってコーティングされない。

本実施形態のこの製造工程は、金属層１０３がパターン形成されないので、第１実施形態の製造工程より容易である。
このため、リフトオフ処理の場合のように金属エッチングまたはフォトレジスト剥離をまったく必要としない。
その上、金属層１０３の幅が増えるので、クロムの接着層１０４とシリコン基板１００の上面との界面に漏れが発生する可能性が低減される。
特に、燃料電池に使われる水素ガスなどのような小さいモル質量のガスがシステムに使われている場合、該漏れの低減は重要である。
バルブの使用環境が、フォトレジストの耐熱性や化学的安定性、機械的強度などによって制限されない場合は、本実施形態を好ましく実施することができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態として、低融点金属部材の接着力およびバルブのシール状態を向上させるために溝を設けた感温型マイクロ加工ワンショットバルブについて説明する。
図３に、本実施形態における感温型マイクロ加工ワンショットバルブ及びその製造工程を説明するための断面図を示す。
図３には図１に示した構成と同様の構成には同一の符号が付されており、重複する部分の説明は省略する。図３において、３００はシリコン基板表面に形成された溝である。

本実施形態は、シリコン基板１００に対して低融点金属部材１０２の接着力を向上させることを意図している。
設計によって、バルブのシール性能を向上させることもできる。クロムおよび銅の層を成膜する前に、シリコン基板１００の表面上に溝３００を作る。
この溝３００は、従来のマスキング、フォトリソグラフィ、およびシリコンエッチング技術を使って作ることができる。
それ以外の製造工程は、第１および第２実施形態に記載した製造工程と基本的には異ならない。
溝３００の壁面が基板１００に対して略垂直でありかつクロムおよび銅の層をスパッタリングによって蒸着した場合、溝３００の垂直壁面は、これらの金属層によってコーティングされる。
従って、低融点金属コーティング工程を行うと、低融点金属部材１０２は、これらの溝３００に侵入することになる。

図３には、溝３００が、本発明の第２実施形態に適用された例を示しているが、該溝３００は、同様に第１実施形態にも適用することができる。
これらの溝３００を導入することによって、低融点金属部材１０２および金属層１０３の接触面の面積が増える。この接触面積の増加によって、シリコン基板１００に対して低融点金属部材１０２の接着力が向上する結果となる。
その上、溝３００の壁面がシリコン基板１００に略垂直である場合、バルブの両端の圧力差によって低融点金属部材１０２に作用する力は、低融点金属部材１０２と溝３００の壁面との間にせん断力をもたらすことになる。
低融点金属をチャンネルの内部に部分的に侵入させた第１実施形態の場合のように、この溝３００に侵入させることによって、シリコン基板１００に対する低融点金属部材１０２の接着力を結果的に増大させることになる。

さらに、溝３００の形状によって、バルブのシール性能を向上させることができる。
すなわち、溝３００の経路は、チャンネル１０１を取り囲んで閉じており、チャンネル１０１から溝３００を通ってバルブ側面へ流れ出る流体に対して曲がりくねった経路となる。これにより、シール性能は向上する。
なお、溝３００の数は、図３に示すものに限定されることはない。低融点金属部材１０２の接着力をさらに増大させるためには、いくつかの溝を基板表面に加えるとよい。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態として、シリコン基板に対する低融点金属部材の接着力およびシール状態を向上させるため、フォトレジストを溶着させかつその上にパターンを形成した感温型マイクロ加工ワンショットバルブについて説明する。
図４に、本実施形態における感温型マイクロ加工ワンショットバルブ及びその製造工程を説明するための断面図を示す。
図４には図１に示した構成と同様の構成には同一の符号が付されており、重複する部分の説明は省略する。図４において、４００はフォトレジスト層である。

本実施形態は、バルブのシール性能ばかりでなく低融点金属部材１０２の接着力も向上させることを意図している。
これら２つの性能向上を単一工程で与えることができる。
前述の実施形態において記載した製造工程の後、フォトレジスト層４００をバルブの表面上に成膜し、かつフォトリソグラフィによってパターン形成する。

図４は、第１実施形態に適用した例を示している。
フォトレジスト層４００が低融点金属部材１０２の中央の開口部を除いてバルブの表面すべてを覆うようにフォトレジスト層４００をパターン形成する。
開口部の形状は、ディスクの形状または任意の別の形状であってもよい。
シリコン基板１００に対するフォトレジスト層４００の接触面の面積は、シリコン基板１００に対する低融点金属部材１０２の接触面積より大きい。
したがって、シリコン基板１００に対するフォトレジスト層４００の接着力は、シリコン基板１００に対する低融点金属部材１０２の接着力より大きい。
その上、フォトレジスト層４００は、低融点金属部材１０２の一部を覆っており、それゆえフォトレジスト層４００は、シリコン基板１００に対する低融点金属部材１０２の接着力を増大させることになる。
シリコン基板１００とクロムの接着層１０４との間に生じる可能性のある、あらゆる漏れに対して、漏れの経路がフォトレジスト層４００によって大きく延長されるため、結果としてバルブのシール性能が向上することになる。

本実施形態のフォトレジスト層４００を構成する材料は、目的とするバルブの使用環境に適したものを適宜選択すればよい。
例えば、エポキシベースの感光材料であるＳｕ−８は、多くの溶剤および酸（文献５参照）に対し耐性があるので、Ｓｕ−８をフォトレジスト層４００の材料として選択することができる。
その他にも、特に、ＯＭＲフォトレジストなどのような耐溶剤性のあるフォトレジストを使うことができる。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態として、ワンショットバルブの開口にオンデマンドトリガを与えるためにバルブの内部にマイクロヒータを組み込んだ感温型マイクロ加工ワンショットバルブについて説明する。
図５に、本実施形態における感温型マイクロ加工ワンショットバルブ及びその製造工程を説明するための断面図を示す。
図５には図１に示した構成と同様の構成には同一の符号が付されており、重複する部分の説明は省略する。図５において、５００は電極パッドであり、５０１は抵抗器である。

本実施形態においては、バルブの中にマイクロヒータが組み込まれている。
マイクロヒータは、低融点金属部材１０２と基板１００との間に配置されたヒータ構成部であるマイクロ抵抗器５０１と、マイクロ抵抗器５０１に電気的に接続した２つの電極パッド５００によって構成される。
なお、低融点金属部材１０２下部の抵抗器５０１は、実質的に金属層１０３を兼ねている。
電極パッド５００を通じてマイクロ抵抗器５０１に電流を流すことによって、該マイクロヒータの温度が上がり、低融点金属部材１０２の温度が上昇する。
電流によって、低融点金属が溶ける温度になったとき、バルブの両端に圧力差が加わっていれば、該バルブを開口させることができる。
これによって、必要に応じて、バルブを開口させることが可能になる。
ヒーターを用いて外部から電流を通じてバルブ動作を行う場合でも、本発明の、低融点金属の組成を変えて、低融点金属の融解温度を調整することのメリットは変らない。不測の温度上昇が生じた際に、爆発性ガスまたは液体などに対する安全装置として、バルブが自発的に開放されるように動作温度を調整することができるからである。

この第５実施形態の製造工程は、第１実施形態の製造工程と基本的には異ならない。
クロムおよび銅層をパターン形成するとき、該パターンは、銅層に低融点金属部材１０２をコーティングするパターンだけでなくマイクロ抵抗器５０１および電極パッド５００のパターンも含む。
低融点金属部材１０２のコーティングに使われる液浴の中に基板１００を浸す前に、マイクロ抵抗器５００および電極パッド５０１が低融点金属によってコーティングされないように、あらかじめフォトレジストによってコーティングしておくことが望ましい。

［文献リスト］
１．Ｄ．Ｈ．Ｇｒａｃｉａｓ、Ｊ．Ｔｉｅｎ、Ｔ．Ｌ．Ｂｒｅｅｎ、Ｃ．Ｈｓｕ、およびＧ．Ｍ．Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ著、
「自己集合による３次元電気的ネットワークの形成について（Ｆｏｒｍｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｎ ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ ｂｙ ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｙ）」、
Ｓｃｉｅｎｃｅ出版、２８９、ｐ．１１７０〜１１７２、２０００年。
２．「ビスマスを含有するインダロイ金属混合物の材料安全データシート（Ｍａｔｅｒｉａｌ ｓａｆｅｔｙ ｄａｔａ ｓｈｅｅｔ ｏｆ ｉｎｄａｌｌｏｙ ｍｅｔａｌ ｍｉｘ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｂｉｓｍｕｔｈ）」、
Ｉｎｄｉｕｍ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ−Ｅｕｒｏｐｅ−Ａｓｉａ−Ｐａｃｉｆｉｃ出版。
３．「ビスマス合金（Ｂｉｓｍｕｔｈ ａｌｌｏｙｓ）」、Ｓｍａｌｌ Ｐａｒｔｓ Ｉｎｃ．出版、
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｍａｌｌｐａｒｔｓ．ｃｏｍ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｓ／ｌｍａ．ｃｆｍ、２００６年。

４．Ｗ．Ｚｈｅｎｇ、およびＨ．Ｏ．Ｊａｃｏｂｓ著、
「有向３次元自己集合による多成分マイクロシステムの製造（Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｕｌｔｉｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ ｂｙ ｄｉｒｅｃｔｅｄ ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｙ）」、
Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ出版、１５、ｐ ７３２〜７３８、２００５年。
５．Ｈ．Ｌｏｒｅｎｚ、Ｍ．Ｄｅｓｐｏｎｔ、Ｎ．Ｆａｈｒｎｉ、Ｎ．ＬａＢｉａｎｃａ、Ｐ．Ｒｅｎａｕｄ、およびＰ．Ｖｅｔｔｉｇｅｒ著、
「ＭＥＭＳ用低価格ネガティブフォトレジスト、Ｓｕ−８（Ｓｕ−８，ａ ｌｏｗ−ｃｏｓｔ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｐｈｏｔｏ−ｒｅｓｉｓｔ ｆｏｒ ＭＥＭＳ）」、Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．出版、７、ｐ．１２１〜１２４、１９９７年。

本発明の第１実施形態における感温型マイクロ加工ワンショットバルブ及びその製造工程を説明するための断面図。 本発明の第２実施形態における感温型マイクロ加工ワンショットバルブ及びその製造工程を説明するための断面図。 本発明の第３実施形態における感温型マイクロ加工ワンショットバルブ及びその製造工程を説明するための断面図。 本発明の第４実施形態における感温型マイクロ加工ワンショットバルブ及びその製造工程を説明するための断面図。 本発明の第５実施形態における感温型マイクロ加工ワンショットバルブ及びその製造工程を説明するための断面図。 本発明の感温型マイクロ加工ワンショットバルブの実際に作製された一例を示す図。（ａ）はバルブの動作温度以下の閉止状態にあるバルブを上方より見た図。（ｂ）はバルブの周囲温度を上昇させ、かつバルブにかかる圧力差を与えることで、バルブを開放させた後の状態を示す図。

符号の説明

１００：シリコン基板
１０１：チャンネル
１０２：低融点金属部材
１０３：金属層
１０４：接着層
２００：フォトレジスト層
３００：溝
４００：フォトレジスト層
５００：電極パッド
５０１：抵抗器

Claims (22)

1. シリコン基板と、
   前記シリコン基板の厚さ全体を貫いて構成されているチャンネルと、
   前記シリコン基板の一面上に溶着され、前記チャンネルを塞いで配置された低融点金属部材と、
   を含むことを特徴とする感温型マイクロ加工ワンショットバルブ。
2. 前記低融点金属部材と前記シリコン基板との間に金属層を有することを特徴とする請求項１に記載の感温型マイクロ加工ワンショットバルブ。
3. 前記金属層は、銅による金属層で形成されていることを特徴とする請求項２に記載の感温型マイクロ加工ワンショットバルブ。
4. 前記シリコン基板と前記金属層との間に、接着層を有することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の感温型マイクロ加工ワンショットバルブ。
5. 前記接着層は、クロム層あるいはチタン層であることを特徴とする請求項４に記載の感温型マイクロ加工ワンショットバルブ。
6. 前記低融点金属部材は、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｐｄ、Ｉｎ、またはＣｄの中から選択される少なくともひとつの元素を含む合金であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の感温型マイクロ加工ワンショットバルブ。
7. 前記低融点金属部材は、前記チャンネルの内部に一部侵入していることを特徴とする請求項１に記載の感温型マイクロ加工ワンショットバルブ。
8. 前記銅による金属層はフォトレジスト層で覆われ、低融点金属部材は前記フォトレジストの内部に一部侵入し、該銅による金属層に溶着されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の感温型マイクロ加工ワンショットバルブ。
9. 前記シリコン基板上の、前記低融点金属部材が溶着している部分に、溝が形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の感温型マイクロ加工ワンショットバルブ。
10. 前記低融点金属部材の表面および、前記低融点金属部材が溶着している前記シリコン基板表面が、少なくとも部分的にフォトレジストによって覆われていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の感温型マイクロ加工ワンショットバルブ。
11. 前記シリコン基板と前記低融点金属部材との間に、ヒータ構成部が配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の感温型マイクロ加工ワンショットバルブ。
12. シリコン基板の厚さ全体を貫いて構成されているチャンネルと、チャンネルを塞いで配置された低融点金属部材と、を含み構成された感温型マイクロ加工ワンショットバルブの製造方法であって、
    シリコン基板に、厚さ全体を貫いて穿孔するチャンネルを形成する工程と、
    前記シリコン基板の一面上に、前記チャンネルを塞いで低融点金属部材を溶着する工程と、
    を含むことを特徴とする感温型マイクロ加工ワンショットバルブの製造方法。
13. 前記チャンネルの形成工程は、反応性イオンエッチンクによってエッチングする工程であることを特徴とする請求項１２に記載の感温型マイクロ加工ワンショットバルブの製造方法。
14. 前記チャンネルの形成工程は、ウェットエッチング法によってエッチングする工程であることを特徴とする請求項１２に記載の感温型マイクロ加工ワンショットバルブの製造方法。
15. 前記低融点金属部材を溶着する工程は、一方の相が前記低融点金属である二相液浴中に、前記シリコン基板を浸して溶着する工程であることを特徴とする請求項１２に記載の感温型マイクロ加工ワンショットバルブの製造方法。
16. 前記シリコン基板の一面上に金属層を形成する工程と、
    前記金属層をパターニングする工程と
    前記シリコン基板の、前記金属層がパターニングされた部分に、前記シリコン基板の厚さ全体を貫いて穿孔するチャンネルを形成する工程と、
    前記金属層上に、前記チャンネルを塞いで低融点金属部材を溶着する工程と、
    を含むことを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれか１項に記載の感温型マイクロ加工ワンショットバルブの製造方法。
17. 前記金属層を形成する工程は、スパッタリング法によって成膜する工程であることを特徴とする請求項１６に記載の感温型マイクロ加工ワンショットバルブの製造方法。
18. 前記金属層をパターニングする工程は、フォトリソグラフィおよび金属エッチングによってパターン形成するプロセスを含むことを特徴とする請求項１６または請求項１７に記載の感温型マイクロ加工ワンショットバルブの製造方法。
19. 前記パターン形成によるパターンの形状は、円形であることを特徴とする請求項１８に記載の感温型マイクロ加工ワンショットバルブの製造方法。
20. 前記低融点金属部材を溶着させる工程と、
    前記シリコン基板の温度を、前記低融点金属の融解温度よりも高い温度に上昇させる工程と、
    前記チャンネルの両端に圧力差を加える工程と、
    により、前記低融点金属部材を前記チャンネルの内部に一部侵入させる工程を含むことを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれか１項に記載の感温型マイクロ加工ワンショットバルブの製造方法。
21. 前記シリコン基板の一面上に溝を形成する工程と、
    前記溝に並んで、前記シリコン基板の厚さ全体を貫いて穿孔するチャンネルを形成する工程と、
    前記シリコン基板上の溝、および前記チャンネルを塞いで低融点金属部材を溶着する工程と、
    を含むことを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれか１項に記載の感温型マイクロ加工ワンショットバルブの製造方法。
22. 前記シリコン基板の一面上に金属層を形成する工程と、
    前記金属層を、前記低融点金属部材を溶着させるパターン、およびヒータを形成するパターンを、同時にパターニングする工程と、
    前記シリコン基板の、前記金属層が前記低融点金属部材を溶着させるパターンにパターニングされた部分に、前記シリコン基板の厚さ全体を貫いて穿孔するチャンネルを形成する工程と、
    前記金属層上に、前記チャンネルを塞いで低融点金属部材を溶着する工程と、
    を含むことを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれか１項に記載の感温型マイクロ加工ワンショットバルブの製造方法。

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