JP2009228799A - マイクロバルブ - Google Patents

Abstract

【課題】 弁体が導出口を設けた弁座基板に押し付けられた場合でも、流体を導出することができる溝を備えたマイクロバルブを実現する。
【解決手段】 弁座基板に対向させて弁体を設け、この弁体に設けられた電極と前記弁座基板に設けられた電極間を静電引力により前記弁体を変位させ、前記弁座基板に設けた流体を流入させる導入口の流入量を制御するマイクロバルブにおいて、前記弁体を挟んで前記弁座基板と反対側に設けられたバックプレートと、このバックプレートに設けられると共に流体を流出する導出口と、前記弁座基板に設けられると共に前記導入口を囲むように設けられた突起部と、この突起部に対向させて前記弁体に設けられた絶縁膜とを有することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイクロバルブに関し、詳しくは、高圧および微少流量を制御するマイクロバルブに関するものである。

図８は、従来の基本構成を示し、一部破断した概略斜視図である。
弁孔４が厚み方向に貫設された矩形板状の弁座基板１と、弁座基板１の一表面側（図８の上面側）に固着される矩形枠状のフレーム部５およびフレーム部５の内側に配置され弁孔４を開閉する弁体部６を有し弁体部６における弁座基板１とは反対側に可動電極８が形成された弁体形成基板２と、弁体形成基板２における弁座基板１とは反対側に固着され弁体形成基板２との間に弁体部６の変位を可能とする空間であり流体の流入口１５に連通する空間１３を形成するとともに可動電極８に対向する固定電極１２が形成された固定電極形成基板３とを備えている。
また、フレーム部５と連続一体に形成され厚み方向に撓み可能なダイヤフラム部７を有し、ダイヤフラム部７の中央部に弁体部６が連続一体に設けられ、ダイヤフラム部７には、流入口１５と弁孔４との間の流体の流路となる複数（図示例では、２つ）の流路孔１０が厚み方向に貫設されている。
固定電極形成基板３は、弁体形成基板２との対向面と一側面とが開放されている流路用凹部１１が形成されており、固定電極形成基板３の上記一側面側において流路用凹部１１の内面と接合層１４の露出表面とで囲まれた空間が流体の流入口１５を構成している。可動電極８の表面に可動電極８と固定電極１２との導通を防止する絶縁層９を構成している。

マイクロバルブの機能について説明する。
可動電極８と固定電極１２との間に電圧を印加していない状態では、弁体部６により弁孔４が閉止されている。これに対して、可動電極８と固定電極１２との間に駆動電圧源（図示せず）から規定電圧以上の電圧を印加すると、弁体部６が弁孔４から離れる向きに変位して弁孔４が開放されるので、流入口１５−空間１３−ダイヤフラム部７の流路孔１０−弁孔４の経路で流体が流れることとなる。要するに、ノーマリクローズ型のマイクロバルブを構成している。

特開２００７−７１２５７号公報

しかし、このようなマイクロバルブには、次のような問題点があった。

流入される気体の圧力により弁体部が弁孔に押し付けられた場合、弁体部は押し付けられたままの状態になることにより、流体は流れず、流路を閉塞してしまうという問題がある。
流路を閉塞してしまった場合、従来は導入された流体を取り除く、あるいは印加電圧を増大させることにより、押し付けられた弁体を押し付けられない向きに変位させ、流路の閉塞を緩和させていた。

そこで、本発明は、上記のような従来技術の欠点をなくし、弁体が導出口を設けた弁座基板に押し付けられた場合でも、流体を導出することができる溝を備えたマイクロバルブを実現することを目的としたものである。

上記のような目的を達成するために、本発明の請求項１では、弁座基板に対向させて弁体を設け、この弁体に設けられた電極と前記弁座基板に設けられた電極間を静電引力により前記弁体を変位させ、前記弁座基板に設けた流体を流入させる導入口の流入量を制御するマイクロバルブにおいて、前記弁体を挟んで前記弁座基板と反対側に設けられたバックプレートと、このバックプレートに設けられると共に流体を流出する導出口と、前記弁座基板に設けられると共に前記導入口を囲むように設けられた突起部と、この突起部に対向させて前記弁体に設けられた絶縁膜とを有することを特徴とする。

請求項２では、請求項１のマイクロバルブにおいて、前記導出口は、前記弁体が前記バックプレートに押し付けられた場合にも、流体を導出するための溝を設けることを特徴とする。

請求項３では、請求項１のマイクロバルブにおいて、前記突起部は、円形であることを特徴とする。

請求項４では、請求項１のマイクロバルブにおいて、前記弁体形成基板および前記弁体は、梁を介して支持され、かつ一体に形成されていることを特徴とする。

請求項５では、請求項４のマイクロバルブにおいて、前記弁体形成基板および前記弁体および前記梁は、シリコンからなることを特徴とする。

本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を説明すれば下記の通りである。

弁体部が導出口を設けたバックプレートに押し付けられた場合でも、溝を設けることにより、流体を導出することができる。

以下、図面を用いて、本発明のマイクロバルブ２０を説明する。

図１は、本発明の一実施例を示す構成図である。

パイレックス（登録商標）（登録商標）からなる基板を使用している基板を弁座基板２１およびバックプレート２２として使用する。
なお、弁座基板２１およびバックプレート２２は、他の材質を採用しても良い。

マイクロバルブ２０は、流体を流入させる導入口２６と、この導入口２６を囲むように設けられた突起部３２と、この突起部３２を有する弁座基板２１と、この弁座基板２１に対向して設けられた弁体２４と、この弁体２４を挟んで弁座基板２１と反対側に設けられたバックプレート２２と、このバックプレート２２に設けられると共に流体を流出する導出口２７と、弁体２４を梁２５を介して支持する弁体形成基板２３と、弁体２４の弁座基板２１に対向する表面に設けられた電極と、この電極の表面に設けられた絶縁膜３１と、弁座基板２１の弁体２４に対向する表面の電極とから構成されている。また、弁体２４と弁座基板２１との間には、静電ギャップ２８が設けられている。
なお、突起部３２は、円形であっても良い。

また、弁座基板２１から弁体形成基板２３にまで達している電極（以下、弁体形成基板側電極２９とする。）が形成され、弁座基板２１の導入口２６および弁体２４と弁座基板２１が接触する部分等に弁座基板側電極３０が形成されている。
なお、弁体形成基板側電極２９および弁座基板側電極３０は、金属薄膜により構成されている。

また、弁体形成基板２３には、ＲＩＥ深堀加工により、弁体２４と梁２５が形成されている。そして、弁体形成基板２３と弁体２４は梁２５を介して支持され、弁体形成基板２３と弁体２４と梁２５は導電性部材により一体に形成されている。例えば、導電性部材にはシリコンを使用し、他の材質を採用してもよい。

本実施例では、弁形成基板２３が導電性部材からなることにより、この弁形成基板２３が電極として機能をしている。また、弁形成基板２３が導電性部材で無い場合は、弁体２４の弁座基板２１に対向する面に電極が設けられる。

次に、図２は、図１のＡ−Ａ’断面図を示したものである。図において、前記図１と同様のものは同一符号を付して示す。
弁座基板２１には、弁体形成基板側電極２９および弁座基板側電極３０と、流体を制限する導入口２６とが形成されている。

図３は、図１のＢ−Ｂ’断面図を示したものである。図において、前記図１と同様のものは同一符号を付して示す。
弁体形成基板２３には、梁２５が４本と、弁座基板側電極３０を絶縁する絶縁膜３１とが形成されている。
なお、梁２５の本数は、何本であっても良い。

図４は、図１のＣ部分を拡大した拡大図である。図において、前記図１と同様のものは同一符号を付して示す。

弁座基板２１は、導入口２６を囲むように設けられた突起部３２を備えている。また、弁体２４は、突起部３２に対向して弁体２４の表面に絶縁膜３１が設けられている。
突起部３２と絶縁膜３１との間には弁座基板ギャップ３３が設けられ、弁体２４とバックプレート２２との間にはバックプレートギャップ３４が設けられている。
また、弁座基板ギャップ３３は弁体２４が弁座基板２１側に変位できる変位量を表し、バックプレートギャップ３４は弁体２４がバックプレート２２側に変位できる変位量を表している。
弁体２４と弁座基板２１との間には、静電ギャップ２８が設けられている。
導出口２７には、弁体２４がバックプレート２２に押し付けられた場合にも、流体を導出するための溝（以下、空気溝３５とする。）が設けられている。

マイクロバルブ２０に流体が流れる場合において、導入口２６から高い圧力の流体が流れると、高圧力側の導入口２６と低圧力側の導出口２７に圧力の差が生じる場合があり、弁体２４はその差圧の大きさにより、バックプレート２２に押し付けられる場合がある。バックプレート２２に弁体２４が押し付けられた場合でも、流体を導出するための空気溝３５を設けることにより、流路を閉塞せずに、導入口２６−弁座基板ギャップ３３−静電ギャップ２８−空気溝３５−導出口２７の経路で流体を流すことができる。

また、マイクロバルブ２０に流体が流れていない場合において、例えば、バックプレートギャップ３４を０．５μｍ、絶縁膜３１の厚みを１μｍ、弁座基板ギャップ３３を０．５μｍ、突起部３２を１μｍ、静電ギャップ２８を２．５μｍとする。
マイクロバルブ２０に高い圧力の流体が流れると、弁体２４がバックプレート２２に押し付けられ、バックプレートギャップ３４が０μｍ、弁座基板ギャップ３３が１μｍ、静電ギャップ２８が３μｍとなる。この静電ギャップ２８を初期状態の静電ギャップ２８とする。

また、静電アクチュエータは、初期ギャップの１／３以上を駆動するとＰｕｌｌ−ｉｎしてしまうという特徴がある。
そこで、弁体２４がバックプレート２２に押し付けられる場合において、ギャップ等の寸法を上記例のように、バックプレートギャップ３４を０．５μｍ、絶縁膜３１の厚みを１μｍ、弁座基板ギャップ３３を０．５μｍ、突起部３２を１μｍ、静電ギャップ２８が２．５μｍと設計すると、初期ギャップの１／３以上、つまり初期状態の静電ギャップ２８の値の１／３以上である1μｍ以上、弁体２４が駆動できないことにより、Ｐｕｌｌ−ｉｎしなくなる。

また、Ｐｕｌｌ−ｉｎした場合でも、絶縁膜３１により弁座基板２１の弁体２４に対向する表面の電極と弁体２４の弁座基板２１に対向する表面に設けられた電極の間が短絡しない構造をとることができる。

図５は、本発明の流体の流れ説明図であり、静電ギャップ２８に電圧を印加させている図である。

マイクロバルブ２０に高い圧力の流体が流れていない場合で、かつ静電ギャップ２８に駆動電圧源３６から電圧を印加しない場合、弁体２４は変位せず、弁座基板ギャップ３３も狭くならないため、導入口２６−弁座基板ギャップ３３−静電ギャップ２８−バックプレートギャップ３４あるいは空気溝３５−導出口２７の経路で流体が流れることができる。この場合の流体の流れ３７が図に示されている。

一方、マイクロバルブ２０に高い圧力の流体が流れている場合、弁体２４がバックプレート２２に押し付けられている。

弁体２４がバックプレート２２に押し付けられている状態で、静電ギャップ２８に電圧を印加する場合、例えば、弁体２４が“＋”、弁座基板２１が“−”になり、弁体２４と弁座基板２１が引き合って、弁体２４がバックプレート２２から離れる方向に変位させることができる。
つまり、静電ギャップ２８に電圧を印加することにより、弁体２４を弁座基板２１に近づく方向に変位させることができる。

さらに、静電ギャップ２８に印加させる電圧の量を増大させると、弁体２４はバックプレート２２からより離れる方向に変位させることができる。

静電ギャップ２８に電圧を印加することにより、弁体２４が弁座基板２１に押し付けられている場合、静電ギャップ２８に印加する電圧を下げることにより、弁体２４を弁座基板２１から離れる方向に変位することができる。

従って、静電ギャップ２８に印加させる電圧の量を変更させることにより、任意に弁体２４を駆動させることができ、微少な流量を制御することができる。

また、バックプレートギャップ３４、絶縁膜３１の厚み、弁座基板ギャップ３３、突起部３２の寸法により、初期の静電ギャップ２８、弁体２４の移動量、弁体２４を制御する駆動電圧を適切に設計することができる。

つまり、バックプレートギャップ３４、初期の静電ギャップ２８、絶縁膜３１の厚み、弁座基板ギャップ３３、突起部３２、弁体２４の移動量、弁体２４を制御する駆動電圧を適切に設定することにより、弁体２４の駆動距離が小さな範囲で大きな駆動力を得ることができるマイクロバルブ２０を実現することができる。
従って、微少な流量を制御することができる。

また、Ｐｕｌｌ−ｉｎした場合で、かつ静電ギャップ２８に駆動電圧源３６から印加させる電圧を増加させる場合、絶縁膜３１と突起部３２を強固に押し付け合わせることにより、マイクロバルブ２０が完全に閉じている状態で流体の漏洩を減少させることができる。

また、流路、つまり、導入口２６−弁座基板ギャップ３３−静電ギャップ２８−バックプレートギャップ３４あるいは空気溝３５−導出口２７の経路が１軸上にあることにより、全ての空間を流体が流れるため、無駄な空間を従来よりも少なくすることができる。
つまり、従来よりも無駄な空間を少なくすることができることにより、小型なマイクロバルブ２０を実現することができる。

上記より、小型な静電アクチュエータを使用した、高耐圧かつ微少流量制御用のマイクロバルブ２０を作製することができる。

図６は、静電駆動型高耐圧微少流量用のマイクロバルブの全体の構造断面図を示したものである。図において、前記図１と同様のものは同一符号を付して示す。

静電駆動型高耐圧微少流量用のマイクロバルブは、図１のマイクロバルブ２０をフェルール４１で挟み込むように形成し、ナット３９の内側にチューブ３８を設け、静電ギャップに電圧を印加するために弁体形成基板側電極２９および弁座基板側電極３０の各電極毎に電極取出穴４２を設け、ボディ４０を具備している。

図７は、本発明の他の実施例を示す構成図である。図において、前記図１と同様のものは同一符号を付して示す。

実施例１のマイクロバルブ２０と熱式流量計４３とを組み合わせることにより、マイクロマスフローコントローラを作製することができる。
また、１ウエハー中に、マイクロマスフローコントローラアレイを作製することができる。

このマスフローコントローラバルブは、耐腐食性の強いシリコン、パイレックス（登録商標）、金、白金などにより作製されることにより、例えばマイクロリアクタ、燃料電池、半導体製造装置などで使用されるガスの流量をコントロールするのに適している。

本発明の一実施例を示す構成図である。 本発明の図１のＡ−Ａ’断面図である。 本発明の図１のＢ−Ｂ’断面図である。 本発明の図１のＣ部分を拡大した拡大図である。 本発明の流体の流れ説明図である。 本発明の一実施例を示す全体の構造断面図である。 本発明の他の実施例を示す構成図である。 従来の一例を示す構成図である。

符号の説明

１ 弁座基板
２ 弁体形成基板
３ 固定電極形成基板
４ 弁孔
５ フレーム部
６ 弁体部
７ ダイヤフラム部
８ 可動電極
９ 絶縁層
１０ 流路孔
１１ 流路用凹部
１２ 固定電極
１３ 空間
１４ 接合層
１５ 流入口
２０ マイクロバルブ
２１ 弁座基板
２２ バックプレート
２３ 弁体形成基板
２４ 弁体
２５ 梁
２６ 導入口
２７ 導出口
２８ 静電ギャップ
２９ 弁体形成基板側電極
３０ 弁座基板側電極
３１ 絶縁膜
３２ 突起部
３３ 弁座基板ギャップ
３４ バックプレートギャップ
３５ 空気溝
３６ 駆動電圧源
３７ 流体の流れ
３８ チューブ
３９ ナット
４０ ボディ
４１ フェルール
４２ 電極取出穴
４３ 熱式流量計

Claims (5)

1. 弁座基板に対向させて弁体を設け、この弁体に設けられた電極と前記弁座基板に設けられた電極間を静電引力により前記弁体を変位させ、前記弁座基板に設けた流体を流入させる導入口の流入量を制御するマイクロバルブにおいて、
   前記弁体を挟んで前記弁座基板と反対側に設けられたバックプレートと、
   このバックプレートに設けられると共に流体を流出する導出口と、
   前記弁座基板に設けられると共に前記導入口を囲むように設けられた突起部と、
   この突起部に対向させて前記弁体に設けられた絶縁膜と
   を有することを特徴とするマイクロバルブ。
2. 前記導出口は、前記弁体が前記バックプレートに押し付けられた場合にも、流体を導出するための溝を設けることを特徴とする請求項１記載のマイクロバルブ。
3. 前記突起部は、円形であることを特徴とする請求項１記載のマイクロバルブ。
4. 前記弁体形成基板および前記弁体は、梁を介して支持され、かつ一体に形成されていることを特徴とする請求項１記載のマイクロバルブ。
5. 前記弁体形成基板および前記弁体および前記梁は、シリコンからなることを特徴とする請求項４記載のマイクロバルブ。

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