| 【発明の名称】 |
半導体マイクロバルブおよびその製造方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】友成 恵昭
【氏名】鎌倉 將有
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| 【要約】 |
【課題】小型で流量範囲の広い半導体マイクロバルブを提供する。
【解決手段】半導体マイクロバルブを構成する一方の弁座となるシリコン基板１０１の貫通孔１０２に設けた一対の斜面１０３ａ、１０３ｂと、その基板１０１の上部に位置する他方のシリコン基板１０４に形成された弁体１０６の側面１０７がほぼ平行となるように構成される。外部の作用により前記弁体１０６が変位し、前記一対の斜面１０３ａ、１０３ｂと前記弁体１０６の側面１０７との距離が変化することにより、前記斜面１０３ａ、１０３ｂと前記側面１０７との間を流れる流体の流量が制御される。流体の流量を制御するシール部として、貫通孔の側面を使用しているため、前記基板１０１の表面にシール部を設ける必要がなくバルブの小型化が図れると共に、シール部を斜面とすることで、シール部の長さを大きくとることができ、流体の流量範囲を広くできる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 所定の位置に貫通孔を有する第１のシリコン基板と、前記貫通孔に対応する位置に設けられた弁体を有する第２のシリコン基板とによって構成される半導体マイクロバルブであって、前記貫通孔が一対の斜面を有すると共に、前記弁体の側面が前記貫通孔の斜面とほぼ平行であるよう構成され、前記斜面と前記側面の間の距離を変化させることにより、前記斜面と前記側面の間を流れる流体の流量制御を行うことを特徴とする半導体マイクロバルブ。
【請求項２】 請求項１に記載の半導体マイクロバルブの製造方法において、前記第１および第２のシリコン基板はそれぞれ同一の面方位を持ち、前記弁体の形成は前記第２のシリコン基板をその一表面側から異方性エッチングすることにより行い、前記貫通孔の形成は前記第１のシリコン基板をその一表面側から異方性エッチングすることによって行うことを特徴とする半導体マイクロバルブの製造方法。
【請求項３】 所定の位置に貫通孔を有する第１のシリコン基板と、前記貫通孔に対応する位置に設けられた弁体を有する第２のシリコン基板とによって構成される半導体マイクロバルブであって、前記貫通孔が前記第１のシリコン基板の前記弁体に対向する基板面側と、該基板面の反対側とのそれぞれに１対ずつの２対の斜面を有し、該２対の斜面のうち前記弁体に対向する基板面側にある第１の斜面と、前記弁体の側面がほぼ平行であるよう構成され、前記第１の斜面と前記側面の間の距離を変化させることにより、前記第１の斜面と前記側面の間を流れる流体の流量制御を行うことを特徴とする半導体マイクロバルブ。
【請求項４】 請求項３に記載の半導体マイクロバルブの製造方法において、前記第１および第２のシリコン基板はそれぞれ同一の面方位を持ち、前記第２のシリコン基板をその一表面側から異方性エッチングすることにより前記弁体を形成し、また前記第１のシリコン基板をその両方の基板面から異方性エッチングすることにより前記貫通孔の形成を行うことを特徴とする半導体マイクロバルブの製造方法。
【請求項５】 所定の位置に貫通孔を有する第１のシリコン基板と、前記貫通孔に対応する位置に設けられた弁体を有する第２のシリコン基板とによって構成される半導体マイクロバルブであって、前記貫通孔が前記第１のシリコン基板の前記弁体に対向する基板面側と、該基板面の反対側とのそれぞれに１対ずつの２対の斜面を有し、該２対の斜面の一方の対になる斜面と他方の対になる斜面の間に前記第１のシリコン基板の基板面に平行な水平面がそれぞれ形成され、前記２対の斜面のうち前記弁体がある基板面側にある第１の斜面と、前記弁体の側面がほぼ平行であるよう構成されて、前記第１の斜面および水平面と、前記側面の間の距離を変化させることにより、前記第１の斜面と前記側面の間を流れる流体の流量制御を行うことを特徴とする半導体マイクロバルブ。
【請求項６】 請求項５に記載の半導体マイクロバルブの製造方法において、前記第１および第２のシリコン基板はそれぞれ同一の面方位を持ち、前記第２のシリコン基板を一表面から異方性エッチングして前記弁体を形成し、また第１のシリコン基板を前記第１の斜面間の幅が前記第２の斜面間の幅より大きくなるように、その両方の基板面から異方性エッチングすることによって前記貫通孔の形成を行うことを特徴とする半導体マイクロバルブの製造方法。
【請求項７】 請求項３および請求項５に記載の半導体マイクロバルブにおいて、前記貫通孔は前記第１のシリコン基板の前記弁体に対向する基板面側に一対の斜面を有すると共に、前記基板面と反対側の基板面側に前記第１の基板の基板面と垂直な一対の面を有し、かつ前記弁体の側面が、前記貫通孔の斜面とほぼ平行であるよう構成され、前記斜面と前記側面の間の距離を変化させることにより、前記斜面と前記側面の間を流れる流体の流量制御を行うことを特徴とする半導体マイクロバルブ。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、気体の流量制御に用いられるシリコンを用いた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、この種の半導体マイクロバルブとしては、U.S.Patent5,069,419（IC Sensors社）やU.S.Patent5,058,856（Hewlett-Packard社）や特開平５−１２６２７７号公報等に代表される図８に示したような構造のものが知られている。
【０００３】図８は、従来の半導体マイクロバルブの構造を示す断面図である。半導体マイクロバルブは２つのシリコン基板８０１、８０４により構成され、それぞれの基板は図示しないそれぞれの基板の端部で連結されている。
【０００４】８０１は第１のシリコン基板であり、前記第１のシリコン基板８０１にはその両面を貫通した貫通孔８０２が形成されている。また、８０４は前記第１のシリコン基板８０１の上部に位置する第２のシリコン基板であり、外部からの作用により撓む可撓部８０５と、前記貫通孔８０２に対向して形成されると共に前記可撓部８０５の撓みにより変位する弁体８０６が設けられている。
【０００５】前記第１のシリコン基板８０１には、前記貫通孔８０２における基板８０１の上面側の開口部８１２の外側周辺に突起部８１１が設けられている。この突起部８１１と、突起部８１１と対向する前記弁体８０６の下面８１３との両面により流体の流路が形成され、前記弁体８０６の変位により、前記面８１３と突起部８１１の上面のシール面８１４との間の流路幅ｄが変化し、流体の流量が制御される。
【０００６】ここで、流体の流れを止めるためのシール部の長さ（図８では突起８１１の上面８１４の長さ）をＷ、流路幅（図８では面８１３と突起部８１１の上面８１４との間の幅）をｄ、開口幅（図８では開口部８１２の幅）をＤとすると、流路幅ｄが開口幅Ｄに対して十分に小さい場合には、バルブを流れる流体の流量Ｆｌｏｗは、Ｆｌｏｗ ∝ Ｗ（Ｐｉｎ2−Ｐｏｕｔ2）ｄ3／Ｐｏｕｔにて表される。ここに、Ｐｉｎ，Ｐｏｕｔはそれぞれバルブの入口および出口での流体の圧力である。
【０００７】また、バルブが開いた状態でｄが大きい場合には、バルブを流れる流体の流量Ｆｌｏｗは、開口部Ｄ（図８で８１２に相当する）が正方形である場合、Ｆｌｏｗ ∝ Ｄ2・Ｐｉｎにて表される（マイクロマシン研究会資料,Feb・1998,pp35-38）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかし、広範囲にわたる流量の制御を行い、かつ流体の流れを締め切る締切特性を良好にするためには、大きな弁体と大面積のシール部が必要となる。そのため、従来の方式においては、弁体８０６およびシール面８１４を大きくする必要ができ、その分だけチップ面積が増大してしまうという問題があった。
【０００９】本発明は上記の点に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、上記課題を改善し、小型で流量範囲の広い半導体マイクロバルブを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するために、本発明の請求項１では、所定の位置に貫通孔を有する第１のシリコン基板と、前記貫通孔に対応する位置に設けられた弁体を有する第２のシリコン基板とによって構成される半導体マイクロバルブであって、前記貫通孔が一対の斜面を有すると共に、前記弁体の側面が前記貫通孔の斜面とほぼ平行であるよう構成され、前記斜面と前記側面の間の距離を変化させることにより、前記斜面と前記側面の間を流れる流体の流量制御を行うことを特徴とする。
【００１１】また、本発明の請求項２では、請求項１に記載の半導体マイクロバルブの製造方法において、前記第１および第２のシリコン基板はそれぞれ同一の面方位を持ち、前記弁体の形成は前記第２のシリコン基板をその一表面側から異方性エッチングすることにより行い、前記貫通孔の形成は前記第１のシリコン基板をその一表面側から異方性エッチングすることによって行うことを特徴とする。
【００１２】また、本発明の請求項３では、所定の位置に貫通孔を有する第１のシリコン基板と、前記貫通孔に対応する位置に設けられた弁体を有する第２のシリコン基板とによって構成される半導体マイクロバルブであって、前記貫通孔が前記第１のシリコン基板の前記弁体に対向する基板面側と、該基板面の反対側とのそれぞれに１対ずつの２対の斜面を有し、該２対の斜面のうち前記弁体に対向する基板面側にある第１の斜面と、前記弁体の側面がほぼ平行であるよう構成され、前記第１の斜面と前記側面の間の距離を変化させることにより、前記第１の斜面と前記側面の間を流れる流体の流量制御を行うことを特徴とする。
【００１３】また、本発明の請求項４では、請求項３に記載の半導体マイクロバルブの製造方法において、前記第１および第２のシリコン基板はそれぞれ同一の面方位を持ち、前記第２のシリコン基板をその一表面側から異方性エッチングすることにより前記弁体を形成し、また前記第１のシリコン基板をその両方の基板面から異方性エッチングすることにより前記貫通孔の形成を行うことを特徴とする。
【００１４】また、本発明の請求項５では、所定の位置に貫通孔を有する第１のシリコン基板と、前記貫通孔に対応する位置に設けられた弁体を有する第２のシリコン基板とによって構成される半導体マイクロバルブであって、前記貫通孔が前記第１のシリコン基板の前記弁体に対向する基板面側と、該基板面の反対側とのそれぞれに１対ずつの２対の斜面を有し、該２対の斜面の一方の対になる斜面と他方の対になる斜面の間に前記第１のシリコン基板の基板面に平行な水平面がそれぞれ形成され、前記２対の斜面のうち前記弁体がある基板面側にある第１の斜面と、前記弁体の側面がほぼ平行であるよう構成されて、前記第１の斜面および水平面と、前記側面の間の距離を変化させることにより、前記第１の斜面と前記側面の間を流れる流体の流量制御を行うことを特徴とする。
【００１５】また、本発明の請求項６では、請求項５に記載の半導体マイクロバルブの製造方法において、前記第１および第２のシリコン基板はそれぞれ同一の面方位を持ち、前記第２のシリコン基板を一表面から異方性エッチングして前記弁体を形成し、また第１のシリコン基板を前記第１の斜面間の幅が前記第２の斜面間の幅より大きくなるように、その両方の基板面から異方性エッチングすることによって前記貫通孔の形成を行うことを特徴とする。
【００１６】また、本発明の請求項７では、請求項３および請求項５に記載の半導体マイクロバルブにおいて、前記貫通孔は前記第１のシリコン基板の前記弁体に対向する基板面側に一対の斜面を有すると共に、前記基板面と反対側の基板面側に前記第１の基板の基板面と垂直な一対の面を有し、かつ前記弁体の側面が、前記貫通孔の斜面とほぼ平行であるよう構成され、前記斜面と前記側面の間の距離を変化させることにより、前記斜面と前記側面の間を流れる流体の流量制御を行うことを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、図面に従って本発明の実施形態を説明する。
（実施形態１）図１は、本発明の請求項１に対応する半導体マイクロバルブの実施形態の断面図を示したものである。
【００１８】半導体マイクロバルブは、２つのシリコン基板１０１、１０４により構成され、それぞれの基板は図示しないそれぞれの基板の端部で連結されている。弁座となる第１のシリコン基板１０１には両面が貫通した貫通孔１０２が形成されており、貫通孔１０２は前記シリコン基板１０１の上面の開口部１２０が下面の開口部１１２より大きくなるように、一対の斜面１０３ａ、１０３ｂを有している。
【００１９】また、第２のシリコン基板１０４は、前記シリコン基板１０１の上部に位置され、外部からの作用で撓むようになる可撓部１０５と、前記可撓部１０５の撓みにより変位すると共に前記貫通孔１０２に対応する位置に形成された弁体１０６とを有する。このとき、弁体１０６の形状は貫通孔１０２の形状に対応しており、前記弁体の側面１０７は貫通孔の斜面１０３ａ、１０３ｂとほぼ平行である。
【００２０】以上のように構成された半導体マイクロバルブは、熱膨張力、静電力、電磁力等の外部からの作用により前記可撓部１０５が撓み、前記弁体１０６が変位することにより、前記斜面１０３ａ、１０３ｂと前記側面１０７との距離ｄ、即ち流体の流れる流路幅ｄが変化して、流体の流量が制御される。このとき、流体の流量は前記流路幅ｄ、および貫通孔の斜面１０３ａ、１０３ｂの長さＷによって決定される。
【００２１】上述したように前記弁体１０６が変位して、前記斜面１０３ａ、１０３ｂと側面１０７が密着すると、バルブが閉じられた状態になり流体の流れがなくなるようシールされるが、このシール効果をあげるためには、シール部の長さを長くとる必要がある。本実施形態においては、前記貫通孔１０２の斜面１０３ａ、１０３ｂが流体の流れを止めるシール部となるので、例えば斜面１０３ａ、１０３ｂの傾きが第１のシリコン基板１０１の基板面に対して４５度の場合、従来例のように前記基板面に水平にシール面がある場合と比較して、シール部の長さを同じにするためには、前記基板面に水平方向の距離は０.７倍の距離で良い。また従来例のように第１のシリコン基板１０１の表面上の貫通孔周辺にシール部のスペースを別途設ける必要がないので、チップ面積を減らすことができる。
【００２２】図２（ａ）から（ｅ）は、本実施形態の半導体マイクロバルブの製造方法を示した断面図である。
【００２３】まず、図２（ａ）に示したように、弁座となる第１のシリコン基板１０１の全面に窒化膜等の保護膜２１０を形成した後、前記シリコン基板１０１の上部に位置する一部の保護膜２１１をエッチングで除去する。
【００２４】次に、図２（ｂ）に示すように、保護膜２１０の形成された第１のシリコン基板１０１を異方性エッチングして一対の斜面１０３ａ、１０３ｂを形成することにより、貫通孔１０２を形成し、その後前記保護膜２１０を完全に除去する。
【００２５】一方、図２（ｃ）に示すように、第１のシリコン基板と同一の面方位を持つ第２のシリコン基板１０４の全面に窒化膜等の保護膜２２０を形成し、前記第２のシリコン基板１０４の上面側の保護膜を中央部分２２１を一部残してエッチングで除去する。
【００２６】そして、図２（ｄ）に示すように、第２のシリコン基板１０４を異方性エッチングして、側面１０７を有する山形の弁体１０６が両側の可撓部１０５に挟まれる形で形成され、その後保護膜２２０を完全に除去する。
【００２７】最後に、図２（ｅ）に示すように、陽極接合等により第１のシリコン基板１０１、および第２のシリコン基板１０４の図示せぬそれぞれの端部を貼り合わせることで、半導体マイクロバルブを形成する。
【００２８】本実施形態においては、前記第１のシリコン基板１０１と第２のシリコン基板１０４は同一の面方位を持ち、そして前記貫通孔１０２および弁体１０６の形成には異方性エッチングを用いているので、異方性エッチングの際の傾斜角度がエッチングされるシリコン基板の面方位に依存することから、前記貫通孔１０２の斜面１０３ａ、１０３ｂおよび、前記弁体１０６の側面１０７の角度をほぼ同じにすることができ、前記斜面１０３ａ、１０３ｂと前記側面１０７とがほぼ平行となる。
（実施形態２）図３は、本発明の請求項３に対応する半導体マイクロバルブの実施形態の断面図を示したものである。
【００２９】半導体マイクロバルブは、２つのシリコン基板３０１、３０４により構成され、それぞれの基板は図示しないそれぞれの基板の端部で連結されている。
【００３０】弁座となる第１のシリコン基板３０１には、その基板３０１の両面が貫通している貫通孔３０２が形成されており、前記貫通孔３０２は前記第１のシリコン基板３０１の上面側、すなわち後述するシリコン基板３０４に設けられる弁体３０６に対向する基板面側にある一対の第１の斜面３０３ａ、３０３ｂと、前記第１のシリコン基板３０１の下面側、すなわち前記基板面と反対側にある一対の第２の斜面３０８ａ、３０８ｂを有している。
【００３１】また、第２のシリコン基板３０４は、前記シリコン基板３０１の上部に位置され、外部からの作用で撓むようになる可撓部３０５と、前記可撓部３０５の撓みにより変位すると共に前記貫通孔３０２に対応する位置に形成された弁体３０６とを有している。このとき、前記弁体３０６の形状は前記貫通孔３０２の上側の斜面３０３ａ、３０３ｂの形状に対応しており、その側面３０７は貫通孔の斜面３０３ａ、３０３ｂとほぼ平行である。
【００３２】以上のように構成された半導体マイクロバルブは、熱膨張力、静電力、電磁力等の外部からの作用により前記可撓部３０５が撓み、前記弁体３０６が変位することにより、前記斜面３０３ａ、３０３ｂと前記側面３０７との距離ｄ、即ち流体の流れる流路幅ｄが変化して、流体の流量が制御される。
【００３３】上述したように、シール効果をあげるためには、シール部の長さを長くとる必要があり、本実施例においては、前記貫通孔３０２の第１の斜面３０３ａ、３０３ｂがシール部となるので、例えば斜面３０３ａ、３０３ｂの傾きが前記第１のシリコン基板３０１の基板面に対して４５度の場合、従来例のように前記基板面と水平にシール面がある場合と比較して、シール部の長さ同じにするためには水平方向への距離では、０．７倍の距離で良い。また従来例のように第１のシリコン基板３０１の表面上の貫通孔の開口部周辺にシール部のスペースを別途設ける必要がないので、チップ面積を減らすことができる。
【００３４】このとき流量は前記弁体３０６の側面３０７と前記貫通孔３０２の第１の斜面３０３ａ、３０３ｂの距離ｄ(流路幅)、および前記貫通孔３０２の第１の斜面３０３ａ、３０３ｂの長さＷによって決定され、また前記貫通孔３０２内で前記第１の斜面３０３ａ、３０３ｂと第２の斜面３０８ａ、３０８ｂが交わるところである開口部３１２の幅Ｄによって、最大流量が決定されることから、バルブの流量範囲を２段階で制御することができる。
【００３５】図４（ａ）から（ｅ）は、本実施形態の半導体マイクロバルブの製造方法を示した断面図である。
【００３６】まず、図４（ａ）に示すように、第１のシリコン基板３０１の全面に窒化膜等の保護膜４１０を形成し、前記第１のシリコン基板３０１の上面側の一部４１１と下面側の一部４１２をエッチングで除去する。
【００３７】次に、図４（ｂ）に示すように、第１のシリコン基板３０１を異方性エッチングして貫通孔３０２を形成し、その後保護膜４１０を完全に除去する。この異方性エッチングは、シリコン基板３０１の両方の基板面から行われるので、貫通孔３０２は２対の斜面すなわち、前記第１のシリコン基板の上面側に、一対の第１の斜面３０３ａ、３０３ｂ、および同基板３０１の下面側に一対の第２の斜面３０８ａ、３０８ｂができる。
【００３８】一方、図４（ｃ）に示すように、前記第１のシリコン基板３０１と同一の面方位を持つ第２のシリコン基板３０４の全面に窒化膜等の保護膜４２０を形成し、前記第１のシリコン基板の上面側を中央の一部の保護膜４２１を残して保護膜４２２をエッチングで除去する。
【００３９】次に、図４（ｄ）に示すように、第２のシリコン基板３０４を異方性エッチングして、側面３０７を有する山形の弁体３０６が両側の可撓部３０５に挟まれる形で形成され、その後保護膜４２０を完全に除去する。
【００４０】最後に、図４（ｅ）に示すように、陽極接合等により第１のシリコン基板３０１、および第２のシリコン基板３０４の図示せぬそれぞれの端部を貼り合わせることで、マイクロバルブを形成する。
【００４１】本実施形態においては、第１および第２のシリコン基板には同一の面方位を持つものを使用しており、貫通孔３０２および弁体３０６の形成には異方性エッチングを用いているので、異方性エッチングの際の傾斜角度がエッチングされるシリコン基板の面方位に依存することから、貫通孔の第１の斜面３０３ａ、３０３ｂおよび弁体の両側の側面３０７の角度をほぼ同じにすることができる。よって、図４（ｅ）に示すように前記斜面３０３ａ、３０３ｂと前記側面３０７とがほぼ平行になり、バルブのシール効果を高めることができる。
【００４２】また、貫通孔３０２形成のための異方性エッチングを、第１のシリコン基板３０１の両方の基板面から行うので、一表面側からのみエッチングを行う場合と比較して、エッチング時間が約半分に短縮される。
（実施形態３）図５は、本発明の請求項５に対応する半導体マイクロバルブの実施形態の断面図を示したものである。
【００４３】半導体マイクロバルブは、２つのシリコン基板５０１、５０４により構成され、それぞれの基板は図示しないそれぞれの基板の端部で連結されている。
【００４４】弁座となる第１のシリコン基板５０１には、その基板５０１の両面が貫通している貫通孔５０２が形成されており、前記貫通孔５０２は前記第１のシリコン基板５０１の上面側、すなわち後述するシリコン基板５０４に設けられる弁体５０６に対向する基板面側に一対の第１の斜面５０３ａ、５０３ｂと、前記第１のシリコン基板５０１の下面側、すなわち前記基板面と反対側に一対の第２の斜面５０８ａ、５０８ｂを有している。
【００４５】そして、前記２対の斜面の一方の対になる斜面５０３ａ、５０３ｂと他方の対になる斜面５０８ａ、５０８ｂの間に前記第１のシリコン基板の基板面に平行な水平面５０９ａ、５０９ｂがそれぞれ形成されている。
【００４６】また、第２のシリコン基板５０４は、前記シリコン基板５０１の上部に位置され、外部からの作用で撓むようになる可撓部５０５と、前記可撓部５０５の撓みにより変位すると共に前記貫通孔５０２に対応する位置に形成された弁体５０６とを有する。このとき、前記弁体５０６の形状は前記貫通孔５０２の上側の斜面である第１の斜面５０３ａ、５０３ｂの形状に対応しており、その両側の側面５０７は前記第１の斜面５０３ａ、５０３ｂとほぼ平行である。
【００４７】以上のように構成された半導体マイクロバルブは、熱膨張力、静電力、電磁力等の外部からの作用により前記可撓部５０５が撓み、前記弁体５０６が変位することにより、前記斜面５０３ａ、５０３ｂと前記側面５０７との距離ｄ、即ち流体の流れる流路幅ｄが変化して、流体の流量が制御される。
【００４８】上述したように、バルブが閉じられたときに、確実に流体の流れを止めるようシール効果をあげるためには、シール部の長さを長くとる必要がある。本実施例においては、前記貫通孔５０２の第１の斜面５０３ａ、５０３ｂおよび、前記水平面５０９ａ、５０９ｂがシール部となるので、例えば前記斜面５０３ａ、５０３ｂの傾きが前記第１のシリコン基板５０１の基板面に対して４５度の場合、シリコン基板の基板面と水平にシール部を設ける場合と比較して、同じ長さのシール部を設けるのに前記基板面と平行な水平距離が０.７倍の距離で良い。
【００４９】また、第１の斜面５０３ａ、５０３ｂ、水平面５０９ａ、５０９ｂのように、シール部として貫通孔５０２の側面を用いているため、従来例のように第１のシリコン基板５０１の表面上の貫通孔周辺にシール部のスペースを別途設ける必要がなく、チップ面積を減らすことができる。
【００５０】このとき、流量は前記弁体５０６の側面５０７と、前記貫通孔５０２の第１の斜面５０３ａ、５０３ｂおよび前記水平面５０９ａ、５０９ｂの距離ｄ(流路幅）と、前記貫通孔の第１の斜面５０３ａ、５０３ｂの長さＷによって決定され、また、最大流量は前記水平面５０９ａ、５０９ｂと同一水平面上にある開口部５１２の幅Ｄによって決定されることから、バルブの流量範囲を２段階で制御することができる。
【００５１】さらに、シール部として水平面５０９ａ、５０９ｂを設けることによって、バルブを流れる流体の流れを締め切る締切特性を向上させることができる。
【００５２】図６（ａ）から（ｅ）は、本実施形態の半導体マイクロバルブの製造方法を示した断面図である。
【００５３】まず、図６（ａ）に示すように、第１のシリコン基板５０１の全面に窒化膜等の保護膜６１０を形成し、前記基板５０１の上面側の一部の保護膜６１１と前記基板５０１の下面側の一部の保護膜６１２とをエッチングで除去する。このとき、前記保護膜６１１の長さが前記保護膜６１２の長さより長くなるように設定される。
【００５４】次に、図６（ｂ）に示すように、第１のシリコン基板５０１を異方性エッチングして貫通孔５０２を形成し、保護膜６１０を完全に除去する。この異方性エッチングは、シリコン基板５０１の両方の基板面側から行われるので、貫通孔５０２は２対の斜面、すなわち一対の第１の斜面５０３ａ、５０３ｂ、および一対の第２の斜面５０８ａ、５０８ｂを有する。
【００５５】また、上述したように、異方性エッチング前に除去する保護膜の幅をシリコン基板５０１の上面側の方を下面側よりも大きくしたので、第１の斜面５０３ａ、５０３ｂ間の幅が第２の斜面５０８ａ、５０８ｂの間の幅よりも大きくなるように異方性エッチングされ、そのため水平面５０９ａ、５０９ｂが形成される。
【００５６】一方、図６（ｃ）に示すように、第１のシリコン基板５０１と同一の面方位を持つ第２のシリコン基板５０４の全面に窒化膜等の保護膜６２０を形成し、前記基板５０４の上面側の保護膜を一部の保護膜６２１を残して、保護膜６２２をエッチングで除去する。
【００５７】次に、図６（ｄ）に示すように、第２のシリコン基板５０４を異方性エッチングして、側面５０７を有する山形の弁体５０６が両側の可撓部５０５に挟まれる形で形成され、その後保護膜６２０を完全に除去する。
【００５８】最後に、図６（ｅ）に示すように、陽極接合等により第１のシリコン基板５０１、および第２のシリコン基板５０４の図示せぬそれぞれの端部を貼り合わせることで、マイクロバルブを形成する。
【００５９】本実施形態においては、第１および第２のシリコン基板５０１、５０４はそれぞれ同じ面方位を持ち、前記貫通孔５０２および弁体５０６の形成には異方性エッチングを用いているので、異方性エッチングの際の傾斜角度がエッチングされるシリコン基板の面方位に依存することから、前記貫通孔５０２の第１の斜面５０３ａ、５０３ｂおよび弁体５０６の側面５０７の角度をほぼ同じにすることができる。
【００６０】よって、図６（ｅ）に示すように前記斜面５０３ａ、５０３ｂと側面５０７とをほぼ平行にすることができ、バルブのシール効果を高めることができる。
【００６１】また、貫通孔５０２形成のための異方性エッチングを、第１のシリコン基板５０１の両方の基板面から行うので、一表面側からのみエッチングを行う場合と比較して、エッチング時間が約半分に短縮される。
（実施形態４）図７(ａ)、(ｂ)は、本発明の請求項７に対応する半導体マイクロバルブの実施形態の断面図である。
【００６２】図７(ａ)に示す半導体マイクロバルブは、２つのシリコン基板７０１、７０４により構成され、それぞれの基板は図示しないそれぞれの基板の端部で連結されている。
【００６３】弁座となる第１のシリコン基板７０１には、その基板７０１の両面が貫通している貫通孔７０２が形成されており、前記貫通孔７０２は前記第１のシリコン基板７０１の上面側、すなわち後述するシリコン基板７０４に設けられる弁体７０６に対向する基板面側に一対の第１の斜面７０３ａ、７０３ｂと、前記第１のシリコン基板７０１の下面側、すなわち前記基板面と反対側に、前記基板面と垂直な一対の垂直面７０８ａ、７０８ｂを有している。
【００６４】また、第２のシリコン基板７０４は、前記シリコン基板７０１の上部に位置され、外部からの作用で撓むようになる可撓部７０５と、前記可撓部７０５の撓みにより変位すると共に前記貫通孔７０２に対応する位置に形成された弁体７０６とを有する。このとき、前記弁体７０６の形状は前記貫通孔７０２の上側の斜面である斜面７０３ａ、７０３ｂの形状に対応しており、その側面７０７は前記斜面７０３ａ、７０３ｂとほぼ平行である。
【００６５】図７(ａ)のように構成された半導体マイクロバルブと、図７(ｂ)に示される半導体マイクロバルブとの違いは、図７(ｂ)は図７(ａ)に示される前記斜面７０３ａ、７０３ｂと前記垂直面７０８ａ、７０８ｂとの間に前記第１のシリコン基板７０１の基板面と平行な水平面７０９ａ、７０９ｂが設けられているところである。
【００６６】図７（ａ）（ｂ）のように構成された半導体マイクロバルブは、熱膨張力、静電力、電磁力等の外部からの作用により前記可撓部７０５が撓み、前記弁体７０６が変位することにより、前記斜面７０３ａ、７０３ｂと前記側面７０７との距離ｄ、即ち流体の流れる流路幅ｄが変化して、流体の流量が制御される。
【００６７】本実施形態において、図７（ａ）（ｂ）に示す構造は、本発明の第３図、第５図の実施形態と同様であるが、貫通孔の下側の加工には異方性エッチングではなく、イオン反応性エッチング（ＲＩＥ）等によるドライエッチングを用い、管状の孔部７１０を設けている点が異なる。
【００６８】上述したように、シール効果をあげるためには、シール部の長さを長くとる必要がある。本実施形態においては、前記貫通孔７０２の第１の斜面７０３ａ、７０３ｂ、および前記水平面７０９ａ、７０９ｂがシール部となるので、例えば前記斜面７０３ａ、７０３ｂの傾きが前記第１のシリコン基板７０１の基板面に対して４５度の場合、前記基板面と水平にシール面設ける場合と比較して、シール部の長さを同じにするためには前記基板面と水平方向に０.７倍の距離で良い。
【００６９】また、第１の斜面７０３ａ、７０３ｂ、水平面７０９ａ、７０９ｂのように、シール部として貫通孔７０２の側面を用いているため、従来例のように第１のシリコン基板７０１の表面にシール部のスペースを別途設ける必要がないので、チップ面積を減らすことができる。
【００７０】このときバルブを流れる流体の流量は前記弁体７０６の側面７０７と前記貫通孔７０２の第１の斜面７０３ａ、７０３ｂの距離ｄ(流路幅）および貫通孔の第１の斜面７０３ａ、７０３ｂの長さＷによって決定され、また、最大流量は前記孔部７１０の開口部７１２の幅Ｄによって決定されるので、バルブの流量範囲を２段階で制御することができる。
【００７１】また、前記孔部７１０の高さＨを変更することにより、流量の調節が可能となる。
【００７２】さらに、図７（ｂ)の場合、水平なシール面７０９ａ、７０９ｂを設けることによって、バルブが閉じた際の流体の流れを止める締切特性を向上させることができる。
【００７３】
【発明の効果】本発明の請求項１、３、５、７に記載の半導体マイクロバルブにおいては、２つのシリコン基板から構成され、一方のシリコン基板に設けられた貫通孔に形成された斜面と他方のシリコン基板に設けられた弁体の側面との距離を変化させて、流体の流量を制御しているため、すなわち前記貫通孔に形成された斜面が流体の流量を制御するシール部となっているので、シリコン基板の基板面と水平にシール部を設ける場合と比較して、同じ長さのシール部を設けるのに前記基板面と平行な水平距離が短くて良い。よって、シール部の長さを長くすることが可能である。また貫通孔の側面をシール部としてしており、貫通孔を有する基板表面の開口部の外側周囲にシール部のスペースを別途設ける必要がないので、チップ面積を減らすことができる。
【００７４】これに加えて、本発明の請求項３、５、７に記載の半導体マイクロバルブにおいては、半導体マイクロバルブを構成するシリコン基板の貫通孔に２対の斜面を設けたため、一方の対になる斜面と他方の対になる斜面との間にできる貫通孔の開口幅によってバルブに流れる流体の最大流量を制御できる。
【００７５】さらに本発明の請求項５、７に記載の半導体マイクロバルブにおいては、前記貫通孔の２対の斜面の間、すなわち一方の対になる斜面と他方の対になる斜面との間に、前記貫通孔を有するシリコン基板の基板面に水平な水平面を設けたため、そのバルブを流れる流体の流れを締め切る締切特性を更に向上させることができる。
【００７６】また、本発明の請求項２、４、６に記載の半導体マイクロバルブの製造方法においては、異方性エッチングの際の傾斜角度がエッチングされるシリコン基板の面方位に依存することを利用し、同一の面方位を持つシリコン基板を使用して、それぞれの基板に貫通孔、弁体を設けたため、シール部となる貫通孔の斜面と弁体の側面を平行にすることが容易となり、バルブのシール効果を高めることができる。
【００７７】これに加えて、本発明の請求項４、６に記載の半導体マイクロバルブの製造方法においては、貫通孔を形成する際の異方性エッチングを、シリコン基板の両方の基板面から同時に行うことによって、エッチングのプロセス時間をほぼ半分に短縮することができる。
【００７８】そして、本発明の請求項７に記載の半導体マイクロバルブにおいては、貫通孔を有するシリコン基板の基板面と垂直な面を前記貫通孔に設けたため、前記垂直な面の高さを変えることでバルブに流れる流体の流量も調節することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５８３２
【氏名又は名称】松下電工株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年１０月２７日（１９９８．１０．２７） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８７７６７
【弁理士】
【氏名又は名称】西川 惠清 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２０００−４６２３４（Ｐ２０００−４６２３４Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年２月１８日（２０００．２．１８） |
| 【出願番号】 |
特願平１０−３０５０８０ |
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