マイクロバルブおよびその製造方法、ならびにマイクロバルブの開閉検出方法
【課題】異物の侵入などによって弁体部に開閉不良が生じた場合、確実にこれを検出することが可能なマイクロバルブを提供する。
【解決手段】ダイアフラム１２は、開閉検出手段２６を構成する第１の電極（可動電極）を兼ねている。また、第２の基板２０の溝部２２において、ダイアフラム１２と対面する位置に、開閉検出手段２６を構成する第２の電極（固定電極）２８が形成される。
【解決手段】ダイアフラム１２は、開閉検出手段２６を構成する第１の電極（可動電極）を兼ねている。また、第２の基板２０の溝部２２において、ダイアフラム１２と対面する位置に、開閉検出手段２６を構成する第２の電極（固定電極）２８が形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロバルブ及びその製造方法、ならびにマイクロバルブの開閉検出方法に関し、詳しくは、流体の流入口及び流出口を開閉させる弁体部の開閉状態を確実に検出可能なマイクロバルブ及びその製造方法、ならびにマイクロバルブの開閉検出方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、シリコン等の半導体基板にマイクロマシニング技術を適用したダイアフラム構造を有するマイクロバルブが提案され実用に供されている。例えば、特許文献１には、弁体基板の弁体部における第１の基板への対向面に可動電極を形成するとともに、第１の基板の可動電極に対向する表面に固定電極を形成し、これら可動電極と固定電極との間に所定量のギャップを持たせたマイクロバルブが記載されている。こうした構成により、弁体部が可動電極及び固定電極に電圧を印加しない状態では、弁孔をその接触圧により塞ぐことができる。
【０００３】
また、例えば、特許文献２には、枠体となる半導体基板に熱絶縁領域を介して可撓領域の一端が連結されるとともに、可撓領域の他端は弁体となる可動エレメントが連設され、この可撓領域を互いに熱膨張係数の異なる薄肉部と薄膜から構成してマイクロバルブが記載されている。これにより、薄肉部の表面に形成された拡散抵抗が加熱されると、薄肉部と薄膜の熱膨張差により可撓領域が変位し、弁体である可動エレメントが弁孔を塞ぐことができる。
【特許文献１】特開２００５−１８０５３０号公報
【特許文献２】特開２０００−３０９０００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した特許文献１に示すマイクロバルブでは、例えば、可動電極と固定電極の間に絶縁物などの異物が挟まり、駆動電圧を印加した際に弁体が第１の基板に向かって十分に上昇できずに弁孔の開閉不良を引き起こしても、こうした不具合の発生を検出できないという課題があった。
【０００５】
同様に、特許文献２に示すマイクロバルブも、例えば、可動エレメントと弁孔の形成されている台座の間に異物が挟まり、駆動電圧を印加した際に異物のため可動エレメントの動作が制限されるなとの開閉不良を引き起こしても、こうした不具合の発生を検出できないという課題があった。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、異物の侵入などによって弁体部に開閉不良が生じた場合、確実にこれを検出することが可能なマイクロバルブを提供することを目的とする。
【０００７】
また、異物の侵入などによって生じた弁体部の開閉不良を検出可能なマイクロバルブの製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
更に、異物の侵入などによって弁体部に開閉不良が生じた場合、確実にこれを検出することが可能なマイクロバルブの開閉検出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は次のようなマイクロバルブを提供した。
すなわち、本発明のマイクロバルブは、ダイアフラム部の一方の面側に弁体部及び固定部を備えた第１の基板と、前記ダイアフラム部に相対する位置に溝部が形成された第２の基板と、前記弁体部に相対する位置に、流体の流入口及び流出口のうち、少なくとも一方、または両方が形成された第３の基板とを備え、これら第３の基板、第１の基板及び第２の基板を重ね合わせ、前記固定部にて接合一体化してなるマイクロバルブであって、前記ダイアフラム部の変形を検出する開閉検出手段を備えたことを特徴とする。
【００１０】
前記開閉検出手段は、前記ダイアフラム部の他方の面側に形成した第１の電極と、前記溝部において前記第１の電極と対面する位置に形成した第２の電極とから形成されていればよい。また、前記開閉検出手段は、前記ダイアフラム部に形成されたピエゾ抵抗素子から形成されていればよい。前記ピエゾ抵抗素子は複数形成され、前記ダイアフラム部の変形時に、応力の印加される方向が互いに異なるように配置すればよい。前記溝部には、前記弁体部及び前記ダイアフラム部を駆動するための流体の開孔部がさらに形成されていればよい。
【００１１】
本発明のマイクロバルブの製造方法は、ダイアフラム部の一方の面側に弁体部及び固定部を備えた第１の基板と、前記ダイアフラム部に相対する位置に溝部が形成された第２の基板と、前記弁体部に相対する位置に、流体の流入口及び流出口のうち、少なくとも一方、または両方が形成された第３の基板とを備え、これら第３の基板、第１の基板及び第２の基板を重ね合わせ、前記固定部にて接合一体化してなるマイクロバルブの製造方法であって、前記ダイアフラム部の他方の面側に第１の電極を形成する工程と、前記溝部において前記第１の電極と対面する位置に第２の電極を形成する工程とを少なくとも備えたことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明のマイクロバルブの製造方法は、ダイアフラム部の一方の面側に弁体部及び固定部を備えた第１の基板と、前記ダイアフラム部に相対する位置に溝部が形成された第２の基板と、前記弁体部に相対する位置に、流体の流入口及び流出口のうち、少なくとも一方、または両方が形成された第３の基板とを備え、これら第３の基板、第１の基板及び第２の基板を重ね合わせ、前記固定部にて接合一体化してなるマイクロバルブの製造方法であって、前記ダイアフラム部にピエゾ抵抗素子を形成する工程を少なくとも備えたことを特徴とする。
【００１３】
本発明のマイクロバルブの開閉検出方法は、ダイアフラム部の一方の面側に弁体部及び固定部を形成するとともに、該ダイアフラム部の他方の面側に第１の電極を形成した第１の基板と、前記ダイアフラム部に相対する位置に溝部を形成し、該溝部において前記第１の電極と対面する位置に第２の電極を形成した第２の基板と、前記弁体部に相対する位置に、流体の流入口及び流出口のうち、少なくとも一方、または両方が形成された第３の基板とを備え、これら第３の基板、第１の基板及び第２の基板を重ね合わせ、前記固定部にて接合一体化してなるマイクロバルブの開閉検出方法であって、前記第１の電極と前記第２の電極との間の静電容量を測定することにより、前記弁体部の前記流入口及び流出口に対する開閉状態を検出することを特徴とする。
【００１４】
前記溝部には流体を流出入させる開孔部が形成され、該開孔部を介して流体を流出入させることにより、前記弁体部及び前記ダイアフラム部を駆動させればよい。また、前記第１の電極と前記第２の電極との間に、前記弁体部及び前記ダイアフラム部を駆動させる直流電流を印加するとともに、前記第１の電極と前記第２の電極との間に、前記直流電流の電圧値よりも低い電圧の交流電流を印加して前記第１の電極と前記第２の電極との間の静電容量を測定すればよい。また、前記ダイアフラム部にピエゾ抵抗素子を形成し、前記ピエゾ抵抗素子の抵抗値に応じて変化する電圧値を測定ればよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のマイクロバルブによれば、ダイアフラム部に形成された弁体部の開閉状態を検出するための開閉検出手段を設けた。これにより、外部の流路に圧力センサや流量センサなどを付加することなく、弁体部の開閉状態を外部から確認することができる。よって、弁体部に異物などが侵入して、弁体部に開閉不良が生じても、確実にこれを検出することが可能なマイクロバルブを実現することができる。
【００１６】
また、本発明のマイクロバルブの製造方法によれば、開閉検出手段を形成する工程を備えることにより、弁体部の開閉状態を外部から確実に確認可能なマイクロバルブを製造することができる。
【００１７】
さらに、本発明のマイクロバルブの開閉検出方法によれば、ダイアフラム部に形成された弁体部の開閉状態を検出するための開閉検出手段を設けたマイクロバルブを用いることによって、弁体部の開閉状態を外部から確認することが可能になる。これにより、弁体部に異物などが侵入して、弁体部に開閉不良が生じても、確実にこれを検出することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係るマイクロバルブ及びその製造方法、ならびにマイクロバルブの開閉検出方法の最良の形態について、図面に基づき説明する。なお、本実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００１９】
［第一の実施形態（マイクロバルブ）］
図１は、本発明のマイクロバルブの一例を示す断面図である。本実施形態に係るマイクロバルブ１は、例えば、第１の基板１０、第２の基板２０、および第３の基板３０を重ね合わせて接合一体化してなる。
【００２０】
第１の基板１０は、例えば、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板１１の一部がシリコン側からエッチング加工されてダイアフラム部１９とされる。このダイアフラム部１９の下面（一方の面）側に、酸化膜２５を介して弁（弁体部）１３及び固定部１４が設けられている。また、ダイアフラム部１９の上面（他方の面）はダイアフラム１２が形成される。このダイアフラム部１９は、開閉検出手段２６を構成する第１の電極（可動電極）を兼ねている。さらに、ダイアフラム１２の上面には、酸化膜２７が設けられている。
【００２１】
第２の基板２０は、第１の基板１０と同じ大きさであり、かつ陽極接合できる材質、例えばＮａ等の可動イオンを含むガラス基板２１のダイアフラム１２に相対する位置に下側からのエッチング加工により、ダイアフラム１２が湾曲するために必要な空隙２４を構成する溝部２２が形成される。また、この溝部２２の一端部に、弁１３及びダイアフラム１２を駆動するための流体の流入口及び流出口である開孔部２３が形成されている。
溝部２２においてダイアフラム１２と対面する位置に、開閉検出手段２６を構成する第２の電極（固定電極）２８が形成される。さらに、第２の基板２０の一端には、ダイアフラム（第１の電極）１２の電位を外部に取り出すための貫通電極２９が形成されている。
【００２２】
第３の基板３０は、ガラス基板３１から形成され、弁１３に対応する位置に、流体の流入口３２及び流出口３３が形成されている。
【００２３】
なお、ＳＯＩ基板からなる第１の基板１０は、例えば、１〜１００μｍ程度の厚さの単結晶Ｓｉ（１００）であるダイアフラム１２と、１００〜６００μｍ程度の厚さの単結晶Ｓｉ（１００）からなる弁（弁体部）１３及び固定部１４と、これらダイアフラム１２と弁１３及び固定部１４との間の厚さ０．１〜１０μｍ程度の埋め込み酸化膜である酸化膜２５から構成されていればよい。これら各層の厚みは、マイクロバルブ１が制御する流体の流量、圧力などによって適宜、最適化されればよい。また、第１の基板１０のサイズも製造装置の仕様に応じて、４インチ基板、６インチ基板等、各種サイズから選択されればよい。
【００２４】
第２の基板２０や第３の基板３０を構成するガラス基板は、例えば、Ｎａなどの可動イオンを含み第１の基板１０と陽極接合可能な硼珪酸ガラス、直接接合が可能な無アルカリガラスなどによって構成されればよい。
【００２５】
このような構成のマイクロバルブ１は、第１の基板１０のダイアフラム１２と、第２の基板２０の溝部２２により構成される空隙２４内の圧力が高い場合、弁１３が第３の基板３０に押しつけられ、弁１３により流入口３２及び流出口３３が閉塞される。これにより、流入口３２から流出口３３に至る流路は遮断され、流体は流れることができない。すなわち、マイクロバルブ１は「閉」の状態となる。
【００２６】
一方、空隙２４内の圧力を低くすると、この圧力の低下に伴いダイアフラム１２は上方、即ち溝部２２に入り込むように湾曲する。ダイアフラム１２が湾曲すると、流体の流入口３２及び流出口３３を閉鎖していた弁１３は第３の基板３０の表面から離れ、流入口３２及び流出口３３は開放される。これにより流入口３２から流出口３３に至る流路を流体が流れることが可能になる。すなわち、マイクロバルブ１は「開」の状態になる。
【００２７】
このように、空隙２４内の圧力を増減することで、ダイアフラム１２の湾曲を制御し、マイクロバルブ１の開閉を制御することができる。空隙２４内の圧力を増減するには、開孔部２３から流体を空隙２４に導入したり、あるいは空隙２４から流体を排出することによって行うことができる。
【００２８】
即ち、マイクロバルブ１では、開孔部２３から空隙２４内に流体を導入し、空隙２４内を所定の圧力以上にすることで、マイクロバルブ１は「閉」状態となる。また、開孔部２３から空隙２４内の流体を排出し、空隙２４内を所定の圧力以下にすることで、マイクロバルブ１は「開」状態となる。なお、こうした空隙２４内の圧力の増減による弁１３の開閉制御では、空隙２４に圧力を印加しない状態で弁１３が閉まっているノーマリクローズ型、空隙２４に圧力を印加しない状態で弁１３が開いているノーマリオープン型があり、必要に応じて適切なタイプが選択されれば良い。
【００２９】
なお、この第一の実施形態のマイクロバルブ１では、開閉検出手段２６をなす第１の電極と第２の電極のうち、第１の電極をダイアフラム１２と兼用する構成、即ち、ダイアフラム１２は、湾曲により弁１３を開閉させる機能と、可動電極としての機能とを兼ね備えた構成としたが、ダイアフラム１２とは別に、第２の電極と対面する位置に第１の電極を形成してもよい。
【００３０】
また、上述した図１に示す実施形態では、弁体部に相対する位置に、流体の流入口及び流出口を両方とも形成しているが、これ以外にも、弁体部に相対する位置には、流入口または流出口のいずれか一方を形成した構成であってもよい。
例えば、図１３に示すように、第３の基板４３０において、第１の基板４１０の弁（弁体部）４１３に相対する位置には、流体を流入させる流入口４３２だけを形成し、弁（弁体部）４１３にから外れた位置に流出口４３３を形成した構成であってもよい。この場合、流出口４３３は常に開放された状態となる。更に、流出口４３３の先に逆止弁などを設けるのも好ましい。
【００３１】
［第一の実施形態（マイクロバルブの開閉検出方法）］
第一の実施形態に示すマイクロバルブの作用、即ち、本発明のマイクロバルブの開閉検出方法について述べる。図１に示すマイクロバルブ１は、開閉検出手段２６によって、弁１３の開閉状態を検出する。即ち、開閉検出手段２６を構成する、互いに対面したダイアフラム（第１の電極：可動電極）１２と第２の電極（固定電極）２８との隙間ｄに形成される静電容量Ｃの値を測定することで、弁１３の開閉状態が検出できる。
【００３２】
例えば、図１に示すマイクロバルブ１が「閉」状態の時、ダイアフラム１２と第２の電極２８との隙間ｂは最大となる。この時の静電容量Ｃの値は最小値をとる。一方、マイクロバルブ１が「開」状態のとき、ダイアフラム１２と第２の電極２８との隙間ｄは最小となる。この時の静電容量Ｃの値は最大値をとる。従って、ダイアフラム１２と第２の電極２８との隙間ｄが形成する静電容量の値Ｃを測定した結果が最小値である時には、マイクロバルブ１が「閉」状態であり、最大値である時には、マイクロバルブ１が「開」状態であることを検出することが可能になる。
【００３３】
こうした、ダイアフラム（第１の電極）と第２の電極２８との隙間ｄが形成する静電容量の値を計測するためには、例えば、図２に示すような回路を用いればよい。即ち、ダイアフラム１２と第２の電極２８との隙間ｄが形成する静電容量Ｃ１に対して直列に、固定の静電容量Ｃ２を接続し、これらの静電容量Ｃ１，Ｃ２に電圧Ｖを印加する。静電容量Ｃ１、静電容量Ｃ２の合成静電容量をＣ、静電容量Ｃ１、静電容量Ｃ２の両端電圧をそれぞれＶ１、Ｖ２、静電容量Ｃ１、静電容量Ｃ２に蓄積される電荷量をＱとすると、下記のようになる。
Ｖ＝Ｖ１＋Ｖ２
Ｖ＝Ｑ／Ｃ
Ｃ＝（Ｃ１×Ｃ２）／（Ｃ１＋Ｃ２） ： Ｃ１とＣ２の合成静電容量
Ｖ１＝Ｑ／Ｃ１
Ｖ２＝Ｑ／Ｃ２
【００３４】
したがって、
Ｖ１＝｛Ｃ２／（Ｃ１＋Ｃ２）｝×Ｖ
Ｖ２＝｛Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃ２）｝×Ｖ
ここで、マイクロバルブ１が「開」状態の時の静電容量Ｃ１をＣ１ｏ、「閉」状態の時の静電容量Ｃ１をＣ１ｃ、「開」状態の時に静電容量Ｃ１の両端に印加される電圧をＶ１ｏ、「閉」状態の時に静電容量Ｃ１の両端に印加される電圧をＶ１ｃで表すと、
Ｖ１ｏ＝｛Ｃ２／（Ｃ１ｏ＋Ｃ２）｝×Ｖ
Ｖ１ｃ＝｛Ｃ２／（Ｃ１ｃ＋Ｃ２）｝×Ｖ
ここで、Ｃ１ｏ＞Ｃ１ｃなので、
Ｖ１ｏ＜Ｖ１ｃ
となるため、マイクロバルブ１の開閉状態を電圧の変化として検出することができる。
【００３５】
なお、ダイアフラム１２と第２の電極２８とが形成する静電容量Ｃ１の値と、マイクロバルブ１の開度、すなわちマイクロバルブ１を流れる液体の流量は相関関係があるため、静電容量Ｃを測定し、その値に従って空隙２４内の圧力を制御することで、マイクロバルブ１を流れる流体の流量を制御することも可能である。
【００３６】
即ち、ダイアフラム１２と第２の電極２８との間に形成される静電容量Ｃ１は、これら電極の面積をＳ、両電極間の間隔をｄ、誘電率をεとすると、
Ｃ１＝ε×Ｓ／ｄ
即ち
ｄ＝ε×Ｓ／Ｃ１
なので、静電容量Ｃ１を測定することによって、ダイアフラム１２と第２の電極２８との間隔が計算できる。弁１３と第３の基板３０の表面との間隔は、ダイアフラム１２と第２の電極２８との間隔から計算でき、かつマイクロバルブ１によって制御される流体の流量は、弁１３と第３の基板３０の表面との間隔に依存している。よって、ダイアフラム１２と第２の電極２８との隙間によって形成される静電容量Ｃ１の値を用いることで、マイクロバルブ１の開度、すなわちマイクロバルブ１を流れる液体の流量を制御することが可能になる。
【００３７】
［第一の実施形態（マイクロバルブの製造方法）］
第一の実施形態に示すマイクロバルブの製造方法について述べる。図１に示すマイクロバルブ１の製造にあたっては、まず、図３（ａ）に示すように、第１の基板となるＳＯＩ基板１００を用意する。ＳＯＩ基板１００は、Ｓｉ（１００）単結晶からなる薄膜層１０１、支持基板１０３と、この薄膜層１０１、支持基板１０３の間に形成された埋め込み酸化膜１０２からなる。
【００３８】
ＳＯＩ基板１００をＲＣＡ洗浄法などを用いて洗浄した後、表面（薄膜層側）と裏面（支持基板側）を熱酸化する等により、酸化膜１１１ａ、１１１ｂを形成する（図３（ｂ）参照）。そして、裏面側にフォトレジスト１２１を塗布する（図３（ｃ）参照）。これを露光、現像することによって、固定部のパターン１２１ａと弁（弁体部）のパターン１２１ｂを形成する（図３（ｄ）参照）。
【００３９】
次に、ウェットエッチング法、ないしはドライエッチング法を用いて、酸化膜１１１ｂをエッチングし、凹部１１２を形成する（図３（ｅ）参照）。ウェットエッチング法ではエッチング液として希釈フッ酸、緩衝フッ酸などを用いればよい。また、界面活性剤を含んだエッチング液を用いても良い。ドライエッチング法では、ＣＦ４などフッ素を含むガスのプラズマなどを用いる。なお、第１の基板の表面側の酸化膜１１１ａは、特にウェットエッチングにおいては、除去されてしまわないように、治具ないしはフォトレジストなどを用いて保護するのが好ましい。
【００４０】
次に、加熱した濃硫酸、あるいは濃硫酸と過酸化水素水の混合液（ピラニア）などの薬液で処理することによってフォトレジスト１２１ａ、１２１ｂを除去する（図３（ｆ）参照）。なお、酸素プラズマ処理などを用いてフォトレジスト１２１ａ、１２１ｂを灰化しても良く、灰化処理後に前記薬液で処理しても良い。
【００４１】
次に、酸化膜１１１ｂに形成された凹部１１２を通して、アルカリ性のエッチング液を用いて支持基板１０３を結晶異方性エッチングし、支持基板１０３に、例えば断面台形の凹部１０４を形成する（図３（ｇ）参照）。これにより、弁１０６、およびダイアフラム（第１の電極）１０７が形成される（第１の電極を形成する工程）。アルカリ性のエッチング液としては、例えば、ＫＯＨ、ＴＭＡＨ、ヒドラジンないしはＥＤＰ（エチレンジアミン＋ピロカテコール）などを用いることができる。
【００４２】
ＫＯＨをエッチング液として用いる場合は、ＫＯＨによるエッチング速度の遅いシリコン窒化膜を酸化膜１１１ｂの代わりに用いることが望ましい。この場合、シリコン窒化膜と第１の基板の間に酸化膜を形成した積層膜構造とし、シリコン窒化膜の応力を緩和することが望ましい。なお、この場合、凹部１１２を形成するためのシリコン窒化膜のエッチングには、ＣＦ４などのフッ素を含むガスを用いたドライエッチング法を利用するとよい。
【００４３】
次に、酸化膜１１１ａの表面にフォトレジスト１２２を塗布し、露光、現像することによって、フォトレジスト１２２にダイアフラムの電位を取り出すための開孔パターン１２２ａを形成する（図３（ｈ）参照）。
【００４４】
次に、この開孔パターン１２２ａを形成したフォトレジスト１２２をマスクとして、ウェットエッチング法、ないしはドライエッチング法を用いて酸化膜１１１ａをエッチングし、開孔部１１３を形成する（図４（ａ）参照）。ウェットエッチング法では、例えば、希釈フッ酸、緩衝フッ酸などをエッチング液として用いればよい。界面活性剤を含んだエッチング液を用いても良い。また、ドライエッチング法では、ＣＦ４などのフッ素を含むガスなどを用いればよい。なお、この時、支持基板１０３に形成された開孔部１０４の底部に露出している埋め込み酸化膜１０２も同時にエッチングされ開孔部１０５が形成される。
【００４５】
そして、加熱した濃硫酸、濃硫酸と過酸化水素水の混合液（ピラニア）などの薬液で処理することにより、フォトレジスト１２２を除去する（図４（ｂ）参照）。なお、酸素プラズマ処理などを用いてフォトレジスト１２２を灰化しても良く、また、灰化処理後に前記薬液で処理しても良い。以上で、第１の基板１００には、支持基板１０３に弁１０６、薄膜層１０１にダイアフラム１０７、ダイアフラム１０７の上に酸化膜１１１ｃが形成される。
【００４６】
次に、第２の基板１３１として、ガラス基板、例えばナトリウムなどの可動イオンを含みシリコン基板と陽極接合が可能な硼珪酸ガラス基板、シリコン基板と直接接合が可能な無アルカリガラス基板などを用意する。この第２の基板１３１の裏面（第１の基板と接合される面）側にＣｒ膜などのエッチングマスク膜１３２をスパッタリング法、蒸着法などを用いて形成する（図４（ｃ）参照）。
【００４７】
次に、フォトリソグラフィ技術（フォトレジスト塗布、露光、現像）とエッチング技術を用いて、エッチングマスク膜１３２に開口１３３を形成する（図４（ｄ）参照）。エッチング技術としては、例えば、ウェットエッチング技術、ドライエッチング技術などを用いればよい。
【００４８】
次に、第２の基板１３１をフッ酸などガラスをエッチング可能なエッチング液でウェットエッチングし、裏面側に溝部１３４を形成する（図４（ｅ）参照）。なお、ドライエッチング技術を用いて溝部１３４を形成しても良い。エッチング後には、加熱した濃硫酸、濃硫酸と過酸化水素水の混合液（ピラニア）などの薬液で処理することによってフォトレジスト膜を除去すればよい。なお、酸素プラズマ処理などを用いてフォトレジスト膜を灰化しても良く、また、灰化処理後に前記薬液で処理しても良い。そして、Ｃｒ膜などで形成したエッチングマスク膜をウェットエッチング技術などを用いて除去する（図４（ｆ）参照）。
【００４９】
次に、第２の基板の表面（第１の基板と陽極接合により接合される面の反対側の面）側にドライフィルムレジスト膜１３６を貼り付け、露光、現像することにより弁１０６を駆動するための圧力を導入する開孔パターン１３７ａと、ダイアフラム１０７の電位を取り出すための電極１４０ｂを象った開孔パターン１３７ｂのそれぞれを形成する（図４（ｆ）参照）。そして、ドライフィルムレジスト膜１３６をマスクとして、ブラスト加工法等を用いて、第２の基板１３１に弁１０６を駆動するための圧力を導入する貫通穴１３８ａ、後工程で形成する電極を象った貫通穴１３８ｂを形成する（図４（ｇ）参照）。
【００５０】
次に、ドライフィルムレジスト膜１３６を除去し、第２の基板の裏面（第１の基板と接合される面）側にＣｒ膜などの導電膜１３５を形成する（図４（ｈ）参照）。そして、フォトリソグラフィ技術（フォトレジスト塗布、露光、現像）とエッチング技術を用いて第２の電極（固定電極）１３５ａを形成する（第１の電極を形成する工程）。この後、加熱した濃硫酸、濃硫酸と過酸化水素水の混合液（ピラニア）などの薬液で処理することによってフォトレジスト膜を除去する（図５（ａ）参照）。なお、酸素プラズマ処理などを用いてフォトレジスト膜を灰化しても良く、灰化処理後に前記薬液で処理しても良い。
【００５１】
続いて、第１の基板１００と第２の基板１３１とを、例えば、陽極接合法、直接接合法などを用いて接合する（図５（ｂ）参照）。接合後、第２の基板１３１の表面（第１の基板と接合される面の反対側の面）側にアルミニウムなどの金属膜１３９を形成する。金属膜１３９の形成は、スパッタ法、電子ビーム蒸着法など、真空中で成膜する方法を用いれば良い。
【００５２】
金属膜１３９が形成された第１の基板１００と第２の基板１３１を大気中に取り出すと、第２の基板１３１に開孔した溝部１３４と第１の基板１００のダイアフラム部１０７で囲まれる空隙２４が真空で、これら基板の外部は大気圧になっているため、第１の基板１００に形成されたダイアフラム部１０７が圧力差によって変形し、弁１０６が第２の基板１３１に引きつけられる。この時、弁１０６上のダイアフラム１０７には酸化膜１１１ｃが形成されており、ダイアフラム（第１の電極）１０７は酸化膜１１１ｃを挟んで、第２の基板１３１に形成された第２の電極１３５ａに接触する。
【００５３】
次に、第３の基板１４１として、硼珪酸ガラス基板、無アルカリガラス基板などを用意する（図５（ｃ）参照）。この第３の基板１４１に、ドライフィルムレジスト膜１４２を貼り付け、露光、現像を行うことにより、流体の流入口、流出口となるパターン１４３を形成する。
【００５４】
次に、このドライフィルムレジスト膜１４２をマスクとして、ブラスト技術等を利用して、第３の基板１４１を厚さ方向に貫通し、流体の流入口、流出口となる貫通穴１４４を形成する（図５（ｄ）参照）。その後、ドライフィルムレジスト膜１４２を除去する（図５（ｅ）参照）。
なお、流入口、流出口となる２つ貫通穴１４４のうち、いずれか一方を第１の基板１００の弁１０６に相対する位置に形成し、他方を弁１０６にから外れた位置に形成してもよい。
【００５５】
前工程で接合され一体化している第１の基板１００と第２の基板１３１に、第３の基板１４１を、例えば直接接合法、陽極接合法などを用いて接合する（図５（ｆ）参照）。この時、第１の基板に形成した弁１０６は第２の基板１３１に引きつけられているため、第２の基板１３１に形成した溝部１３４の深さを適切に設定することによって、第３の基板１４１と弁１０６とを充分にに離間させることができる。したがって直接接合の際に、弁１０６が第３の基板１４１と密着していないため、これらが接合されてしまうことはない。
【００５６】
また、陽極接合法を用いた場合であっても、弁１０６を第３の基板１４１から充分に離間させることで、第１の基板１００と第３の基板１４１に印加される電圧によって生じる静電気力で、弁１０６が第３の基板に引きつけられないようにすることができる。このため、弁１０６と第３の基板とが陽極接合されることはない。
【００５７】
次に、第２の基板１３１に形成した金属膜１３９を、例えば、フォトリソグラフィ技術（フォトレジスト塗布、露光、現像）とエッチング技術を用いて電極１４０ｂとなる部分を残してエッチングする。なお、エッチング方法としては、ウェットエッチング法、ドライエッチング法などを用いることができる。また、弁１０６を駆動するための圧力を導入する貫通穴１３８ａから金属膜１３９を除去すると、この貫通穴１３８ａから大気が流入し、第２の基板１３１に開孔した溝部１３４と、酸化膜１１１ｃで囲まれる空隙２４は大気圧となる。すると、ダイアフラム１０７を変形させていた圧力差が無くなるため、ダイアフラム１０７は元の形に戻り、弁１０６は第３の基板１４１に接触し、流体の流入口１４４、流出口１４５を閉塞する（図５（ｆ）参照）。
以上のような工程を経て、図１に示す第一の実施形態のマイクロバルブ１を製造することができる。
【００５８】
［第二の実施形態（マイクロバルブ）］
図６は、本発明のマイクロバルブの別な一例を示す断面図である。本実施形態に係るマイクロバルブ２は、例えば、第１の基板４０、第２の基板５０、および第３の基板６０を重ね合わせて接合一体化してなる。
【００５９】
第１の基板４０は、例えば、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板１１の一部がシリコン側からエッチング加工されてダイアフラム部４９とされ、このダイアフラム部４９の下面（一方の面）側に、酸化膜５５を介して弁（弁体部）４３及び固定部４４が設けられている。また、ダイアフラム部４９の上面（他方の面）はダイアフラム４２が形成される。このダイアフラム部４９は、開閉検出手段５６を構成する第１の電極（可動電極）を兼ねている。さらに、ダイアフラム４２の上面には、酸化膜５７が設けられている。
【００６０】
第２の基板５０は、空隙５４を構成する溝部５２が形成される。この溝部５２においてダイアフラム４２と対面する位置に、開閉検出手段５６を構成する第２の電極（固定電極）５８が形成される。そして、溝部５２の一端には、第２の電極５８に電力を供給するとともに、第２の電極５８の電位を外部に取り出すための貫通電極５９ａが形成されている。また、第２の基板５０の一端には、ダイアフラム（第１の電極）４２に電力を供給するとともに、ダイアフラム４２の電位を外部に取り出すための貫通電極５９ｂが形成されている。
【００６１】
第３の基板６０は、ガラス基板６１から形成され、弁４３に対応する位置に、流体の流入口６２及び流出口６３が形成されている。
【００６２】
このような構成のマイクロバルブ２は、ダイアフラム４２を静電気力で駆動（湾曲）させて、弁４３を開閉させる。即ち、マイクロバルブ２は、ダイアフラム（第１の電極）４２と対になって静電容量を形成する第２の電極５８に電圧が印加されていない時は、ダイアフラムと第２の電極５８との間には静電気力が働かない。このため、弁４３が第３の基板６０に押しつけられ、弁４３により流入口６２及び流出口６３が閉塞される。これにより、流入口６２から流出口６３に至る流路は遮断され、流体は流れることができない。すなわち、マイクロバルブ２は「閉」の状態となる。
【００６３】
一方、ダイアフラム（第１の電極）４２と第２の電極５８との間に電圧が印加されると、ダイアフラム４２と第２の電極５８との間に静電気力が生じ、ダイアフラム４２は第２の電極５８に引き付けられ湾曲する。ダイアフラム４２が湾曲すると、流体の流入口６２及び流出口６３を閉鎖していた弁４３は第３の基板６０の表面から離れ、流入口６２及び流出口６３は開放される。これにより流入口６２から流出口６３に至る流路を流体が流れることが可能になる。すなわち、マイクロバルブ２は「開」の状態になる。
【００６４】
［第二の実施形態（マイクロバルブの開閉検出方法）］
第二の実施形態に示すマイクロバルブの作用、即ち、本発明のマイクロバルブの開閉検出方法について述べる。図７は、マイクロバルブを構成するダイアフラムの駆動回路、および第１２の電極と第２の電極との静電容量の測定回路を示す概略図である。
【００６５】
弁４３を開閉するために必要な電圧は、制御したい流体の圧力、ダイアフラム４２の面積と厚さや剛性、流体の流入口６２や流出口６３の開口面積などによって異なり、適切に設計することが必要である。ダイアフラム４２を第２の電極５８側に湾曲させ、マイクロバルブ２は「開」状態にするには、貫通電極５９ａ，５９ｂを介して、ダイアフラム４２を第２の電極５８との間に直流電圧（駆動電圧）Ｖを印加させる。
【００６６】
一方、ダイアフラム４２の湾曲状態、即ち、弁４３の開閉状態を検出する際には、直流の駆動電圧Ｖに重畳して、この駆動電圧よりも低い電圧値の交流電圧Ｖ（ｔ）を印加する。例えば、ダイアフラム（第１の電極）４２と第２の電極５８によって構成される静電容量Ｃ１のインピーダンスをＺ１、静電容量Ｃ１に流れる電流をｉ（ｔ）とする。また、マイクロバルブが「開」状態の時の静電容量Ｃ１をＣ１ｏ、インピーダンスＺ１をＺ１ｏ、静電容量Ｃ１に流れる電流ｉ（ｔ）をｉｏ（ｔ）、「閉」状態の時の静電容量Ｃ１をＣ１ｃ、インピーダンスＺ１をＺ１ｃ、静電容量Ｃ１に流れる電流ｉ（ｔ）をｉｃ（ｔ）とすると、Ｃ１ｏ＞Ｃ１ｃ、Ｚ１ｏ＜Ｚ１ｃとなり、交流電圧ｖ（ｔ）を印加したときの電流ｉ（ｔ）は、
ｉｏ（ｔ）＞ｉｃ（ｔ）
となるため、マイクロバルブの開閉状態を電流の変化として検知することができる。なお、直流の駆動電圧Ｖに重畳する微小な交流電圧ｖ（ｔ）は、弁４３の開閉に影響を与えないように、駆動電圧Ｖ＞＞微小な交流電圧ｖ（ｔ）とするのが好ましい。
【００６７】
［第三の実施形態（マイクロバルブ）］
図８（ａ）は、本発明のマイクロバルブの別な一例を示す平面図である。また、図８（ｂ）は、図８（ａ）のＡ−Ａ線での断面図である。本実施形態に係るマイクロバルブ３は、第１の基板７０、第２の基板８０、および第３の基板９０を重ね合わせて接合一体化してなる。
【００６８】
第１の基板７０は、例えば、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板７１の一部がシリコン側からエッチング加工されてダイアフラム部７９とされる。このダイアフラム部７９の下面（一方の面）側に、酸化膜８５を介して弁（弁体部）７３及び固定部７４が設けられている。また、ダイアフラム部７９の上面（他方の面）はダイアフラム７２が形成される。このダイアフラム７２には、開閉検出手段を構成するピエゾ抵抗素子８８が形成されている。さらに、このダイアフラム７２の上面には、酸化膜８７が設けられている。
【００６９】
ピエゾ抵抗素子８８は、例えば、４つのピエゾ抵抗素子８８ａ〜８８ｄの長手方向が互いに直交するように配置され、互いにブリッジ回路を成すように接続されたものであればよい。これにより、ピエゾ抵抗素子８８ａ〜８８ｄの長手方向に電流を流した状態で、例えば、ダイアフラム部７９が上方に湾曲して弁７３が開状態になると、ピエゾ抵抗素子８８ａ，８８ｃと、ピエゾ抵抗素子８８ｂ，８８ｄとでは、互いに応力の加わる方向が９０°ずれることとなる。これにより、ブリッジ回路のバランスが崩れ、弁７３の位置を検出することが可能になる。
【００７０】
第２の基板８０は、第１の基板７０と同じ大きさであり、かつ陽極接合できるガラス基板８１のダイアフラム７２に相対する位置に下側からのエッチング加工により、ダイアフラム７２が湾曲するために必要な空隙８４を構成する溝部８２が形成される。また、この溝部８２の一端部に、弁７３及びダイアフラム７２を駆動するための流体の流入口及び流出口である開孔部８３が形成されている。さらに、第２の基板８０の一端には、ピエゾ抵抗素子８８の電位を外部に取り出すための貫通電極８９が形成されている。
【００７１】
第３の基板９０は、ガラス基板９１から形成され、弁７３に対応する位置に、流体の流入口９２及び流出口９３が形成されている。
【００７２】
以上の構成のマイクロバルブ３は、第１の基板７０のダイアフラム７２と、第２の基板８０の溝部８２により構成される空隙８４内の圧力が高い場合、弁７３が第３の基板９０に押しつけられ、弁７３により流入口９２及び流出口９３が閉塞される。これにより、流入口９２から流出口９３に至る流路は遮断され、マイクロバルブ１は「閉」の状態となる。
【００７３】
一方、空隙８４内の圧力を低くすると、この圧力の低下に伴いダイアフラム７２は上方、即ち溝部８２に入り込むように湾曲する。ダイアフラム７２が湾曲すると、流体の流入口９２及び流出口９３を閉鎖していた弁７３は第３の基板９０の表面から離れ、流入口９２及び流出口９３は開放されて、マイクロバルブ１は「開」の状態になる。
【００７４】
［第三の実施形態（マイクロバルブの開閉検出方法）］
第三の実施形態に示すマイクロバルブの作用、即ち、本発明のマイクロバルブの開閉検出方法について述べる。図８に示すマイクロバルブ３は、開閉検出手段であるピエゾ抵抗素子８８によって、弁７３の開閉状態を検出する。即ち、ダイアフラム７２の湾曲に応じて、抵抗値が変化するピエゾ抵抗素子８８ａ〜８８ｄの電圧値を測定することで、弁７３の開閉状態が検出できる。こうしたピエゾ抵抗素子８８ａ〜８８ｄは、例えば、ブリッジ回路を成すように接続されれば良い。
【００７５】
例えば、図８に示すマイクロバルブ３が「閉」状態の時、ダイアフラム７２は平坦になり、ピエゾ抵抗素子８８ａ〜８８ｄにダイアフラム７２の湾曲による歪は加わらないため、ピエゾ抵抗素子８８ａ〜８８ｄの抵抗値は一定となる。これにより、マイクロバルブ３が「閉」状態であることを検出できる。
【００７６】
一方、マイクロバルブ３が「開」状態のとき、ダイアフラム７２は上方に湾曲する。すると、互いに長手方向が直交するように配置されたピエゾ抵抗素子８８ａ，８８ｃと、ピエゾ抵抗素子８８ｂ，８８ｄに、互いに９０°ずれた方向の応力が印加される。これにより、例えば、ピエゾ抵抗素子８８ａ，８８ｃの抵抗値は減少し、逆にピエゾ抵抗素子８８ｂ，８８ｄの抵抗値は増加する。これにより、マイクロバルブ３が「閉」状態のときは一定であったピエゾ抵抗素子８８ａ〜８８ｄの抵抗値は変化し、ブリッジ回路のバランスが崩れるため、ブリッジ回路の電圧を測定することによって、マイクロバルブ３の「開」状態を検出することが可能になる。
【００７７】
こうした、ダイアフラム７２に形成されたピエゾ抵抗素子８８の電圧値の値を計測するためには、例えば、図９に示すような回路を用いればよい。マイクロバルブ３が「閉」状態の時、ダイアフラム７２は平坦であるため、ピエゾ抵抗素子８８によって形成されるブリッジ回路に電流ｉを印加したときの出力電圧Ｖは０になる。一方、ダイアフラム７２を湾曲させてマイクロバルブを「開」状態にすると、ピエゾ抵抗素子８８によって形成されるブリッジ回路の出力電圧Ｖが変化し、０ではない一定の値Ｖをとる。
【００７８】
なお、この時の出力電圧Ｖの値、電圧の正負は、ピエゾ抵抗素子８８の設計によって決まる。また、マイクロバルブ３の「閉」状態の時、あるいは「開」状態の時の出力電圧Ｖの値は、ピエゾ抵抗素子８８からなるブリッジ回路の平衡を調整する可変抵抗９５を調整することによって、電圧を０でないオフセット電圧に設定することもできる。
【００７９】
また、ダイアフラム７２と、ピエゾ抵抗素子８８からなるブリッジ回路の出力電圧Ｖの値と、マイクロバルブ３の開度、すなわちマイクロバルブ３を流れる液体の流量は相関があるため、この出力電圧Ｖを測定し、その値に従って空隙８４内の圧力を制御することにより、マイクロバルブ３を流れる流体の流量を制御することもできる。
【００８０】
［第三の実施形態（マイクロバルブの製造方法）］
第三の実施形態に示すマイクロバルブの製造方法について述べる。図８に示すマイクロバルブ３の製造にあたっては、まず、図１０（ａ）に示すように、第１の基板３００としてＳＯＩ基板を用いる。薄膜層３０１、支持基板３０３共にｎ型Ｓｉ（１００）単結晶基板を用いる。また、薄膜層３０１、支持基板３０３の間には埋め込み酸化膜３０２が形成されている。
【００８１】
ＳＯＩ基板３００をＲＣＡ洗浄法などを用いて洗浄した後、表面（薄膜層側）と裏面（支持基板側）を熱酸化する等によって酸化膜３１１ａ、３１１ｂを形成する。表面側にフォトレジスト３５１を塗布し、露光、現像することによって、ピエゾ抵抗素子のパターン３５１ａと拡散層配線部のパターン３５１ｂを形成する（図１０（ｂ）参照）。そして、フォトレジストパターンをマスクにして燐イオンを薄膜層３０１にイオン注入し、ピエゾ抵抗素子となるイオン注入層３５２ａと拡散層配線部となるイオン注入層３５２ｂを形成する。
【００８２】
次に、加熱した濃硫酸、濃硫酸と過酸化水素水の混合液（ピラニア）などの薬液で処理することによってフォトレジスト３５１を除去する（図１０（ｃ）参照）。なお、酸素プラズマ処理などを用いてフォトレジスト３５１を灰化しても良く、また、灰化処理後に前記薬液で処理しても良い。ＳＯＩ基板３００を９００℃〜１１００℃程度の温度で窒素、アルゴンガスなどの不活性ガス中で熱処理することにより、燐イオンを注入した部分を活性化し、ｐ型半導体層であるピエゾ抵抗素子３５３ａと拡散層配線部３５３ｂを形成する（ダイアフラム部にピエゾ抵抗素子を形成する工程）。その後、裏面側にフォトレジスト３２１を塗布する。
【００８３】
フォトレジスト３２１を露光、現像することによって、固定部のパターン３２１ａと弁体部のパターン３２１ｂを形成する（図１０（ｄ）参照）。そして、ウェットエッチング法、ないしはドライエッチング法を用いて、フォトレジスト３２１をマスクとして酸化膜３１１ｂをエッチングし、開孔部３１２を形成する（図１０（ｅ）参照）。ウェットエッチング法ではエッチング液として希釈フッ酸、緩衝フッ酸などを用いればよい。また、界面活性剤を含んだエッチング液を用いても良い。ドライエッチング法では、ＣＦ４などのフッ素を含むガスのプラズマなどを用いる。なお、第１の基板３００の表面側の酸化膜３１１ａは、本工程のエッチングの際、特にウェットエッチングにおいては、除去されてしまわないように、治具ないしはフォトレジストなどを用いて保護するのが好ましい。
【００８４】
次に、加熱した濃硫酸、濃硫酸と過酸化水素水の混合液（ピラニア）などの薬液で処理することによってフォトレジスト３２１ａ、３２１ｂを除去する（図１０（ｆ）参照）。なお、酸素プラズマ処理などを用いてフォトレジスト３２１ａ、３２１ｂを灰化しても良く、灰化処理後に前記薬液で処理しても良い。
【００８５】
酸化膜３１１ｂに形成された開孔部３１２を通して、アルカリ性のエッチング液を用いて支持基板３０３を結晶異方性エッチングする。これにより、支持基板３０３に凹部３０４が形成される（図１０（ｇ）参照）。アルカリ性のエッチング液としては、ＫＯＨ、ＴＭＡＨ、ヒドラジンないしはＥＤＰ（エチレンジアミン＋ピロカテコール）などを用いることができる。ＫＯＨをエッチング液として用いる場合は、ＫＯＨによるエッチング速度の遅いシリコン窒化膜を酸化膜３１１ｂの代わりに用いることが望ましい。この場合、シリコン窒化膜と第１の基板の間に酸化膜を形成した積層膜構造とし、シリコン窒化膜の応力を緩和することが望ましい。なお、この場合、開孔部３１２を形成するためのシリコン窒化膜のエッチングには、ＣＦ４などのフッ素を含むガスを用いたドライエッチング法を利用すればよい。
【００８６】
次に、表面側にフォトレジスト３２２を塗布し、露光、現像することによって、酸化膜３１１ａ上にピエゾ抵抗３５３ａ、拡散層配線部３５３ｂに電圧を供給するための開孔パターン３２２ａを形成する（図１０（ｈ）参照）。そして、ウェットエッチング法、ないしはドライエッチング法を用いて酸化膜３１１ａをエッチングし、開孔部３１３を形成する（図１１（ａ）参照）。ウェットエッチング法では希釈フッ酸、緩衝フッ酸などをエッチング液として用いればよい。また、界面活性剤を含んだエッチング液を用いても良い。ドライエッチング法では、ＣＦ４などのフッ素を含むガスなどを用いる。なお、この際、支持基板３０３に形成された凹部３０４の底部に露出している埋め込み酸化膜３０２も同時にエッチングされ開孔部３０５が形成される。
【００８７】
次に、加熱した濃硫酸、濃硫酸と過酸化水素水の混合液（ピラニア）などの薬液で処理することによってフォトレジスト３２２を除去する（図１１（ｂ）参照）。なお、酸素プラズマ処理などを用いてフォトレジスト３２２を灰化しても良く、また、灰化処理後に前記薬液で処理しても良い。以上の工程で、第１の基板３００には、支持基板３０３に弁３０６、薄膜層３０１にはダイアフラム部３０７、ダイアフラム部３０７上には酸化膜３１１ｃ、およびピエゾ抵抗３５３ａが形成される。
【００８８】
次に、第２の基板３３１としてガラス基板、例えばナトリウムなどの可動イオンを含みシリコン基板と陽極接合が可能な硼珪酸ガラス基板、シリコン基板と直接接合が可能な無アルカリガラス基板などを用意する。第２の基板３３１の裏面（第１の基板と接合される面）側にＣｒ膜などのエッチングマスク膜３３２をスパッタリング法、蒸着法などを用いて形成する（図１１（ｃ）参照）。
【００８９】
フォトリソグラフィ技術（フォトレジスト塗布、露光、現像）とエッチング技術を用いてエッチングマスク膜３３２に開孔部３３３を形成する（図１１（ｄ）参照）。エッチング技術としては、ウェットエッチング技術、ドライエッチング技術などを用いることができる。
【００９０】
次に、エッチングマスク膜３３２をマスクとして、第２の基板３３１をフッ酸などのガラスをエッチングするエッチング液でウェットエッチングし、裏面側に溝部３３４を形成する（図１１（ｅ）参照）。なお、ドライエッチング技術を用いて溝部３３４を形成しても良い。エッチングマスク膜３３２のフォトレジスト膜は、加熱した濃硫酸、濃硫酸と過酸化水素水の混合液（ピラニア）などの薬液で処理することによって除去する。なお、酸素プラズマ処理などを用いてフォトレジスト膜を灰化しても良く、また、灰化処理後に前記薬液で処理しても良い。
【００９１】
次に、Ｃｒ膜などで形成したエッチングマスク膜３３２をウェットエッチング技術などを用いて除去する（図１１（ｆ）参照）。そして、第２の基板の表面（第１の基板と陽極接合により接合される面の反対側の面）側にドライフィルムレジスト膜３３６を貼り付け、露光、現像することにより弁を駆動するための圧力を導入するための開孔パターン３３７ａ、ピエゾ抵抗３５３ａと拡散層配線部３５３ｂに電圧を印加するための電極３４０ｂを取り出すための開孔パターン３３７ｂを形成する（図１１（ｇ）参照）。
【００９２】
次に、例えば、ブラスト加工法等を用いて第２の基板３３１に弁を駆動するための圧力を導入するための貫通穴３３８ａ、電極３４０ｂ用の貫通穴３３８ｂを形成する（図１１（ｈ）参照）。この後、ドライフィルムレジスト膜３３６を除去する（図１２（ａ）参照）。
【００９３】
第１の基板３００と第２の基板３３１を陽極接合法、直接接合法などを用いて接合する。接合後、第２の基板３３１の表面（第１の基板と接合される面の反対側の面）側にアルミなどの金属膜３３９を形成する（図１２（ｂ）参照）。金属膜３３９の形成は、スパッタ法、電子ビーム蒸着法などの真空中で成膜する方法を利用する。
【００９４】
金属膜が形成された第１の基板３００と第２の基板３３１を大気中に取り出すと、第２の基板３３１に開孔した溝部３３４と第１の基板３００のダイアフラム部３０７で囲まれる空隙が真空で、これらの基板の外部は大気圧になっているため、第１の基板３００に形成されたダイアフラム部３０７が圧力差によって変形し、弁３０６が第２の基板３３１に引きつけられる。
【００９５】
次に、第３の基板として、硼珪酸ガラス基板、無アルカリガラス基板などを用意する。この第３の基板３４１にドライフィルムレジスト膜３４２を貼り付け、露光、現像することによって、流体の流入口、流出口となる開孔部のパターン３４３を形成する（図１２（ｃ）参照）。そして、このドライフィルムレジスト膜３４２をマスクとして、ブラスト技術等を利用して、第３の基板３４１を厚さ方向に貫通し、流体の流入口、流出口となる貫通穴３４４を形成する（図１２（ｄ）参照）。その後、ドライフィルムレジスト膜３４２を除去する（図１２（ｅ）参照）。
【００９６】
前工程で接合されて一体化している第１の基板３００と第２の基板３３１に、第３の基板３４１を直接接合法、陽極接合法などを用いて接合する（図１２（ｆ）参照）。この時、第１の基板に形成した弁３０６は第２の基板３３１に引きつけられているため、第２の基板３３１に形成した溝部３３４の深さを適切に設定することによって、第３の基板３４１と弁３０６を十分離すことができる。従って、直接接合の際に弁３０６が第３の基板３４１と密着していないため、これらが接合されてしまうことはない。
【００９７】
また、陽極接合法を用いた場合も、弁３０６を第３の基板３４１から十分に離しておくことで、第１の基板３００と第３の基板３４１に印加される電圧によって発生する静電気力によって弁３０６が第３の基板に引きつけられないようにできるので、陽極接合されることはない。
【００９８】
次に、第２の基板３３１に形成した金属膜３３９をフォトリソグラフィ技術（フォトレジスト塗布、露光、現像）とエッチング技術を用いて電極３４０ｂとなる部分を残してエッチングする（図１２（ｇ）参照）。なお、エッチング方法としては、ウェットエッチング法、ドライエッチング法などを用いることができる。
【００９９】
また、弁を駆動するための圧力を導入するための貫通穴３３８ａから金属膜３３９を除去すると貫通穴３３８ａから大気が流入するため、第２の基板３３１に開孔した溝部３３４と第１の基板３００のダイアフラム部３０７で囲まれる空隙８４は大気圧となる。するとダイアフラム部３０７を変形させていた圧力差が無くなるため、ダイアフラム部３０７は元の形に戻り、弁３０６は第３の基板３４１に接触し、流体の流入口、流出口３４４を閉塞する。
以上のような工程を経て、図８に示す第三の実施形態のマイクロバルブ３を製造することができる。
【０１００】
上述したマイクロバルブの製造方法において、第１の基板としてはＳＯＩ基板を用いる例を示したが、単結晶シリコン基板を用いることもできる。また、第１の基板の支持基板の結晶異方性エッチングの代わりにドライエッチング法を用いることもできる。
【０１０１】
第２の基板、もしくは第３の基板のエッチングにおいて、これらの基板をエッチングする前に、エッチングマスク膜のパターン形成に利用したフォトレジスト膜を除去するとしたが、エッチングマスク膜上のフォトレジスト膜を残したまま第２の基板、ないしは第３の基板をエッチングしてもよい。この場合、フォトレジスト膜は基板のエッチング後、除去する。エッチングマスクが２層構造になるため、エッチングマスクのエッチング耐性が向上し、エッチングマスクのピンホール等に起因する欠陥の発生を抑制することができる。
【０１０２】
また、一般的な半導体デバイスの製造方法と同様に、複数のマイクロバルブを同時に１組の基板上に形成し、最後にダイシング等の手段を用いて切断することにより、マイクロバルブを一括して大量生産することもできる。
【０１０３】
マイクロバルブの駆動手段として、気体（真空、気体圧力）、静電気力を例に挙げた、ダイアフラム上に圧電素子からなるユニモルフ構造を設ける、磁気を利用する等、各種の駆動力を用いることもできる。これらの駆動手段を用いた場合も、本発明のように、ダイアフラム部に形成した可動電極と基板等に形成した固定電極間の静電容量の変化や、ダイアフラム部に形成したピエゾ抵抗の変化を用いてマイクロバルブの開閉状態を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明のマイクロバルブの一例を示す断面図である。
【図２】本発明のマイクロバルブの開閉検出方法を示す説明図である。
【図３】本発明のマイクロバルブの製造方法の一例を示す断面図である。
【図４】本発明のマイクロバルブの製造方法の一例を示す断面図である。
【図５】本発明のマイクロバルブの製造方法の一例を示す断面図である。
【図６】本発明のマイクロバルブの別な一例を示す断面図である。
【図７】本発明のマイクロバルブの開閉検出方法を示す説明図である。
【図８】本発明のマイクロバルブの別な一例を示す平面図、断面図である。
【図９】本発明のマイクロバルブの開閉検出方法を示す説明図である。
【図１０】本発明のマイクロバルブの製造方法の一例を示す断面図である。
【図１１】本発明のマイクロバルブの製造方法の一例を示す断面図である。
【図１２】本発明のマイクロバルブの製造方法の一例を示す断面図である。
【図１３】本発明のマイクロバルブの別な一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１０５】
１ マイクロバルブ
１０ 第１の基板
１２ ダイアフラム
１３ 弁（弁体部）
１９ ダイアフラム部
２０ 第２の基板
２６ 開閉検出手段
３０ 第３の基板
３２ 流入口
３３ 流出口
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロバルブ及びその製造方法、ならびにマイクロバルブの開閉検出方法に関し、詳しくは、流体の流入口及び流出口を開閉させる弁体部の開閉状態を確実に検出可能なマイクロバルブ及びその製造方法、ならびにマイクロバルブの開閉検出方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、シリコン等の半導体基板にマイクロマシニング技術を適用したダイアフラム構造を有するマイクロバルブが提案され実用に供されている。例えば、特許文献１には、弁体基板の弁体部における第１の基板への対向面に可動電極を形成するとともに、第１の基板の可動電極に対向する表面に固定電極を形成し、これら可動電極と固定電極との間に所定量のギャップを持たせたマイクロバルブが記載されている。こうした構成により、弁体部が可動電極及び固定電極に電圧を印加しない状態では、弁孔をその接触圧により塞ぐことができる。
【０００３】
また、例えば、特許文献２には、枠体となる半導体基板に熱絶縁領域を介して可撓領域の一端が連結されるとともに、可撓領域の他端は弁体となる可動エレメントが連設され、この可撓領域を互いに熱膨張係数の異なる薄肉部と薄膜から構成してマイクロバルブが記載されている。これにより、薄肉部の表面に形成された拡散抵抗が加熱されると、薄肉部と薄膜の熱膨張差により可撓領域が変位し、弁体である可動エレメントが弁孔を塞ぐことができる。
【特許文献１】特開２００５−１８０５３０号公報
【特許文献２】特開２０００−３０９０００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した特許文献１に示すマイクロバルブでは、例えば、可動電極と固定電極の間に絶縁物などの異物が挟まり、駆動電圧を印加した際に弁体が第１の基板に向かって十分に上昇できずに弁孔の開閉不良を引き起こしても、こうした不具合の発生を検出できないという課題があった。
【０００５】
同様に、特許文献２に示すマイクロバルブも、例えば、可動エレメントと弁孔の形成されている台座の間に異物が挟まり、駆動電圧を印加した際に異物のため可動エレメントの動作が制限されるなとの開閉不良を引き起こしても、こうした不具合の発生を検出できないという課題があった。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、異物の侵入などによって弁体部に開閉不良が生じた場合、確実にこれを検出することが可能なマイクロバルブを提供することを目的とする。
【０００７】
また、異物の侵入などによって生じた弁体部の開閉不良を検出可能なマイクロバルブの製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
更に、異物の侵入などによって弁体部に開閉不良が生じた場合、確実にこれを検出することが可能なマイクロバルブの開閉検出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は次のようなマイクロバルブを提供した。
すなわち、本発明のマイクロバルブは、ダイアフラム部の一方の面側に弁体部及び固定部を備えた第１の基板と、前記ダイアフラム部に相対する位置に溝部が形成された第２の基板と、前記弁体部に相対する位置に、流体の流入口及び流出口のうち、少なくとも一方、または両方が形成された第３の基板とを備え、これら第３の基板、第１の基板及び第２の基板を重ね合わせ、前記固定部にて接合一体化してなるマイクロバルブであって、前記ダイアフラム部の変形を検出する開閉検出手段を備えたことを特徴とする。
【００１０】
前記開閉検出手段は、前記ダイアフラム部の他方の面側に形成した第１の電極と、前記溝部において前記第１の電極と対面する位置に形成した第２の電極とから形成されていればよい。また、前記開閉検出手段は、前記ダイアフラム部に形成されたピエゾ抵抗素子から形成されていればよい。前記ピエゾ抵抗素子は複数形成され、前記ダイアフラム部の変形時に、応力の印加される方向が互いに異なるように配置すればよい。前記溝部には、前記弁体部及び前記ダイアフラム部を駆動するための流体の開孔部がさらに形成されていればよい。
【００１１】
本発明のマイクロバルブの製造方法は、ダイアフラム部の一方の面側に弁体部及び固定部を備えた第１の基板と、前記ダイアフラム部に相対する位置に溝部が形成された第２の基板と、前記弁体部に相対する位置に、流体の流入口及び流出口のうち、少なくとも一方、または両方が形成された第３の基板とを備え、これら第３の基板、第１の基板及び第２の基板を重ね合わせ、前記固定部にて接合一体化してなるマイクロバルブの製造方法であって、前記ダイアフラム部の他方の面側に第１の電極を形成する工程と、前記溝部において前記第１の電極と対面する位置に第２の電極を形成する工程とを少なくとも備えたことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明のマイクロバルブの製造方法は、ダイアフラム部の一方の面側に弁体部及び固定部を備えた第１の基板と、前記ダイアフラム部に相対する位置に溝部が形成された第２の基板と、前記弁体部に相対する位置に、流体の流入口及び流出口のうち、少なくとも一方、または両方が形成された第３の基板とを備え、これら第３の基板、第１の基板及び第２の基板を重ね合わせ、前記固定部にて接合一体化してなるマイクロバルブの製造方法であって、前記ダイアフラム部にピエゾ抵抗素子を形成する工程を少なくとも備えたことを特徴とする。
【００１３】
本発明のマイクロバルブの開閉検出方法は、ダイアフラム部の一方の面側に弁体部及び固定部を形成するとともに、該ダイアフラム部の他方の面側に第１の電極を形成した第１の基板と、前記ダイアフラム部に相対する位置に溝部を形成し、該溝部において前記第１の電極と対面する位置に第２の電極を形成した第２の基板と、前記弁体部に相対する位置に、流体の流入口及び流出口のうち、少なくとも一方、または両方が形成された第３の基板とを備え、これら第３の基板、第１の基板及び第２の基板を重ね合わせ、前記固定部にて接合一体化してなるマイクロバルブの開閉検出方法であって、前記第１の電極と前記第２の電極との間の静電容量を測定することにより、前記弁体部の前記流入口及び流出口に対する開閉状態を検出することを特徴とする。
【００１４】
前記溝部には流体を流出入させる開孔部が形成され、該開孔部を介して流体を流出入させることにより、前記弁体部及び前記ダイアフラム部を駆動させればよい。また、前記第１の電極と前記第２の電極との間に、前記弁体部及び前記ダイアフラム部を駆動させる直流電流を印加するとともに、前記第１の電極と前記第２の電極との間に、前記直流電流の電圧値よりも低い電圧の交流電流を印加して前記第１の電極と前記第２の電極との間の静電容量を測定すればよい。また、前記ダイアフラム部にピエゾ抵抗素子を形成し、前記ピエゾ抵抗素子の抵抗値に応じて変化する電圧値を測定ればよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のマイクロバルブによれば、ダイアフラム部に形成された弁体部の開閉状態を検出するための開閉検出手段を設けた。これにより、外部の流路に圧力センサや流量センサなどを付加することなく、弁体部の開閉状態を外部から確認することができる。よって、弁体部に異物などが侵入して、弁体部に開閉不良が生じても、確実にこれを検出することが可能なマイクロバルブを実現することができる。
【００１６】
また、本発明のマイクロバルブの製造方法によれば、開閉検出手段を形成する工程を備えることにより、弁体部の開閉状態を外部から確実に確認可能なマイクロバルブを製造することができる。
【００１７】
さらに、本発明のマイクロバルブの開閉検出方法によれば、ダイアフラム部に形成された弁体部の開閉状態を検出するための開閉検出手段を設けたマイクロバルブを用いることによって、弁体部の開閉状態を外部から確認することが可能になる。これにより、弁体部に異物などが侵入して、弁体部に開閉不良が生じても、確実にこれを検出することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係るマイクロバルブ及びその製造方法、ならびにマイクロバルブの開閉検出方法の最良の形態について、図面に基づき説明する。なお、本実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００１９】
［第一の実施形態（マイクロバルブ）］
図１は、本発明のマイクロバルブの一例を示す断面図である。本実施形態に係るマイクロバルブ１は、例えば、第１の基板１０、第２の基板２０、および第３の基板３０を重ね合わせて接合一体化してなる。
【００２０】
第１の基板１０は、例えば、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板１１の一部がシリコン側からエッチング加工されてダイアフラム部１９とされる。このダイアフラム部１９の下面（一方の面）側に、酸化膜２５を介して弁（弁体部）１３及び固定部１４が設けられている。また、ダイアフラム部１９の上面（他方の面）はダイアフラム１２が形成される。このダイアフラム部１９は、開閉検出手段２６を構成する第１の電極（可動電極）を兼ねている。さらに、ダイアフラム１２の上面には、酸化膜２７が設けられている。
【００２１】
第２の基板２０は、第１の基板１０と同じ大きさであり、かつ陽極接合できる材質、例えばＮａ等の可動イオンを含むガラス基板２１のダイアフラム１２に相対する位置に下側からのエッチング加工により、ダイアフラム１２が湾曲するために必要な空隙２４を構成する溝部２２が形成される。また、この溝部２２の一端部に、弁１３及びダイアフラム１２を駆動するための流体の流入口及び流出口である開孔部２３が形成されている。
溝部２２においてダイアフラム１２と対面する位置に、開閉検出手段２６を構成する第２の電極（固定電極）２８が形成される。さらに、第２の基板２０の一端には、ダイアフラム（第１の電極）１２の電位を外部に取り出すための貫通電極２９が形成されている。
【００２２】
第３の基板３０は、ガラス基板３１から形成され、弁１３に対応する位置に、流体の流入口３２及び流出口３３が形成されている。
【００２３】
なお、ＳＯＩ基板からなる第１の基板１０は、例えば、１〜１００μｍ程度の厚さの単結晶Ｓｉ（１００）であるダイアフラム１２と、１００〜６００μｍ程度の厚さの単結晶Ｓｉ（１００）からなる弁（弁体部）１３及び固定部１４と、これらダイアフラム１２と弁１３及び固定部１４との間の厚さ０．１〜１０μｍ程度の埋め込み酸化膜である酸化膜２５から構成されていればよい。これら各層の厚みは、マイクロバルブ１が制御する流体の流量、圧力などによって適宜、最適化されればよい。また、第１の基板１０のサイズも製造装置の仕様に応じて、４インチ基板、６インチ基板等、各種サイズから選択されればよい。
【００２４】
第２の基板２０や第３の基板３０を構成するガラス基板は、例えば、Ｎａなどの可動イオンを含み第１の基板１０と陽極接合可能な硼珪酸ガラス、直接接合が可能な無アルカリガラスなどによって構成されればよい。
【００２５】
このような構成のマイクロバルブ１は、第１の基板１０のダイアフラム１２と、第２の基板２０の溝部２２により構成される空隙２４内の圧力が高い場合、弁１３が第３の基板３０に押しつけられ、弁１３により流入口３２及び流出口３３が閉塞される。これにより、流入口３２から流出口３３に至る流路は遮断され、流体は流れることができない。すなわち、マイクロバルブ１は「閉」の状態となる。
【００２６】
一方、空隙２４内の圧力を低くすると、この圧力の低下に伴いダイアフラム１２は上方、即ち溝部２２に入り込むように湾曲する。ダイアフラム１２が湾曲すると、流体の流入口３２及び流出口３３を閉鎖していた弁１３は第３の基板３０の表面から離れ、流入口３２及び流出口３３は開放される。これにより流入口３２から流出口３３に至る流路を流体が流れることが可能になる。すなわち、マイクロバルブ１は「開」の状態になる。
【００２７】
このように、空隙２４内の圧力を増減することで、ダイアフラム１２の湾曲を制御し、マイクロバルブ１の開閉を制御することができる。空隙２４内の圧力を増減するには、開孔部２３から流体を空隙２４に導入したり、あるいは空隙２４から流体を排出することによって行うことができる。
【００２８】
即ち、マイクロバルブ１では、開孔部２３から空隙２４内に流体を導入し、空隙２４内を所定の圧力以上にすることで、マイクロバルブ１は「閉」状態となる。また、開孔部２３から空隙２４内の流体を排出し、空隙２４内を所定の圧力以下にすることで、マイクロバルブ１は「開」状態となる。なお、こうした空隙２４内の圧力の増減による弁１３の開閉制御では、空隙２４に圧力を印加しない状態で弁１３が閉まっているノーマリクローズ型、空隙２４に圧力を印加しない状態で弁１３が開いているノーマリオープン型があり、必要に応じて適切なタイプが選択されれば良い。
【００２９】
なお、この第一の実施形態のマイクロバルブ１では、開閉検出手段２６をなす第１の電極と第２の電極のうち、第１の電極をダイアフラム１２と兼用する構成、即ち、ダイアフラム１２は、湾曲により弁１３を開閉させる機能と、可動電極としての機能とを兼ね備えた構成としたが、ダイアフラム１２とは別に、第２の電極と対面する位置に第１の電極を形成してもよい。
【００３０】
また、上述した図１に示す実施形態では、弁体部に相対する位置に、流体の流入口及び流出口を両方とも形成しているが、これ以外にも、弁体部に相対する位置には、流入口または流出口のいずれか一方を形成した構成であってもよい。
例えば、図１３に示すように、第３の基板４３０において、第１の基板４１０の弁（弁体部）４１３に相対する位置には、流体を流入させる流入口４３２だけを形成し、弁（弁体部）４１３にから外れた位置に流出口４３３を形成した構成であってもよい。この場合、流出口４３３は常に開放された状態となる。更に、流出口４３３の先に逆止弁などを設けるのも好ましい。
【００３１】
［第一の実施形態（マイクロバルブの開閉検出方法）］
第一の実施形態に示すマイクロバルブの作用、即ち、本発明のマイクロバルブの開閉検出方法について述べる。図１に示すマイクロバルブ１は、開閉検出手段２６によって、弁１３の開閉状態を検出する。即ち、開閉検出手段２６を構成する、互いに対面したダイアフラム（第１の電極：可動電極）１２と第２の電極（固定電極）２８との隙間ｄに形成される静電容量Ｃの値を測定することで、弁１３の開閉状態が検出できる。
【００３２】
例えば、図１に示すマイクロバルブ１が「閉」状態の時、ダイアフラム１２と第２の電極２８との隙間ｂは最大となる。この時の静電容量Ｃの値は最小値をとる。一方、マイクロバルブ１が「開」状態のとき、ダイアフラム１２と第２の電極２８との隙間ｄは最小となる。この時の静電容量Ｃの値は最大値をとる。従って、ダイアフラム１２と第２の電極２８との隙間ｄが形成する静電容量の値Ｃを測定した結果が最小値である時には、マイクロバルブ１が「閉」状態であり、最大値である時には、マイクロバルブ１が「開」状態であることを検出することが可能になる。
【００３３】
こうした、ダイアフラム（第１の電極）と第２の電極２８との隙間ｄが形成する静電容量の値を計測するためには、例えば、図２に示すような回路を用いればよい。即ち、ダイアフラム１２と第２の電極２８との隙間ｄが形成する静電容量Ｃ１に対して直列に、固定の静電容量Ｃ２を接続し、これらの静電容量Ｃ１，Ｃ２に電圧Ｖを印加する。静電容量Ｃ１、静電容量Ｃ２の合成静電容量をＣ、静電容量Ｃ１、静電容量Ｃ２の両端電圧をそれぞれＶ１、Ｖ２、静電容量Ｃ１、静電容量Ｃ２に蓄積される電荷量をＱとすると、下記のようになる。
Ｖ＝Ｖ１＋Ｖ２
Ｖ＝Ｑ／Ｃ
Ｃ＝（Ｃ１×Ｃ２）／（Ｃ１＋Ｃ２） ： Ｃ１とＣ２の合成静電容量
Ｖ１＝Ｑ／Ｃ１
Ｖ２＝Ｑ／Ｃ２
【００３４】
したがって、
Ｖ１＝｛Ｃ２／（Ｃ１＋Ｃ２）｝×Ｖ
Ｖ２＝｛Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃ２）｝×Ｖ
ここで、マイクロバルブ１が「開」状態の時の静電容量Ｃ１をＣ１ｏ、「閉」状態の時の静電容量Ｃ１をＣ１ｃ、「開」状態の時に静電容量Ｃ１の両端に印加される電圧をＶ１ｏ、「閉」状態の時に静電容量Ｃ１の両端に印加される電圧をＶ１ｃで表すと、
Ｖ１ｏ＝｛Ｃ２／（Ｃ１ｏ＋Ｃ２）｝×Ｖ
Ｖ１ｃ＝｛Ｃ２／（Ｃ１ｃ＋Ｃ２）｝×Ｖ
ここで、Ｃ１ｏ＞Ｃ１ｃなので、
Ｖ１ｏ＜Ｖ１ｃ
となるため、マイクロバルブ１の開閉状態を電圧の変化として検出することができる。
【００３５】
なお、ダイアフラム１２と第２の電極２８とが形成する静電容量Ｃ１の値と、マイクロバルブ１の開度、すなわちマイクロバルブ１を流れる液体の流量は相関関係があるため、静電容量Ｃを測定し、その値に従って空隙２４内の圧力を制御することで、マイクロバルブ１を流れる流体の流量を制御することも可能である。
【００３６】
即ち、ダイアフラム１２と第２の電極２８との間に形成される静電容量Ｃ１は、これら電極の面積をＳ、両電極間の間隔をｄ、誘電率をεとすると、
Ｃ１＝ε×Ｓ／ｄ
即ち
ｄ＝ε×Ｓ／Ｃ１
なので、静電容量Ｃ１を測定することによって、ダイアフラム１２と第２の電極２８との間隔が計算できる。弁１３と第３の基板３０の表面との間隔は、ダイアフラム１２と第２の電極２８との間隔から計算でき、かつマイクロバルブ１によって制御される流体の流量は、弁１３と第３の基板３０の表面との間隔に依存している。よって、ダイアフラム１２と第２の電極２８との隙間によって形成される静電容量Ｃ１の値を用いることで、マイクロバルブ１の開度、すなわちマイクロバルブ１を流れる液体の流量を制御することが可能になる。
【００３７】
［第一の実施形態（マイクロバルブの製造方法）］
第一の実施形態に示すマイクロバルブの製造方法について述べる。図１に示すマイクロバルブ１の製造にあたっては、まず、図３（ａ）に示すように、第１の基板となるＳＯＩ基板１００を用意する。ＳＯＩ基板１００は、Ｓｉ（１００）単結晶からなる薄膜層１０１、支持基板１０３と、この薄膜層１０１、支持基板１０３の間に形成された埋め込み酸化膜１０２からなる。
【００３８】
ＳＯＩ基板１００をＲＣＡ洗浄法などを用いて洗浄した後、表面（薄膜層側）と裏面（支持基板側）を熱酸化する等により、酸化膜１１１ａ、１１１ｂを形成する（図３（ｂ）参照）。そして、裏面側にフォトレジスト１２１を塗布する（図３（ｃ）参照）。これを露光、現像することによって、固定部のパターン１２１ａと弁（弁体部）のパターン１２１ｂを形成する（図３（ｄ）参照）。
【００３９】
次に、ウェットエッチング法、ないしはドライエッチング法を用いて、酸化膜１１１ｂをエッチングし、凹部１１２を形成する（図３（ｅ）参照）。ウェットエッチング法ではエッチング液として希釈フッ酸、緩衝フッ酸などを用いればよい。また、界面活性剤を含んだエッチング液を用いても良い。ドライエッチング法では、ＣＦ４などフッ素を含むガスのプラズマなどを用いる。なお、第１の基板の表面側の酸化膜１１１ａは、特にウェットエッチングにおいては、除去されてしまわないように、治具ないしはフォトレジストなどを用いて保護するのが好ましい。
【００４０】
次に、加熱した濃硫酸、あるいは濃硫酸と過酸化水素水の混合液（ピラニア）などの薬液で処理することによってフォトレジスト１２１ａ、１２１ｂを除去する（図３（ｆ）参照）。なお、酸素プラズマ処理などを用いてフォトレジスト１２１ａ、１２１ｂを灰化しても良く、灰化処理後に前記薬液で処理しても良い。
【００４１】
次に、酸化膜１１１ｂに形成された凹部１１２を通して、アルカリ性のエッチング液を用いて支持基板１０３を結晶異方性エッチングし、支持基板１０３に、例えば断面台形の凹部１０４を形成する（図３（ｇ）参照）。これにより、弁１０６、およびダイアフラム（第１の電極）１０７が形成される（第１の電極を形成する工程）。アルカリ性のエッチング液としては、例えば、ＫＯＨ、ＴＭＡＨ、ヒドラジンないしはＥＤＰ（エチレンジアミン＋ピロカテコール）などを用いることができる。
【００４２】
ＫＯＨをエッチング液として用いる場合は、ＫＯＨによるエッチング速度の遅いシリコン窒化膜を酸化膜１１１ｂの代わりに用いることが望ましい。この場合、シリコン窒化膜と第１の基板の間に酸化膜を形成した積層膜構造とし、シリコン窒化膜の応力を緩和することが望ましい。なお、この場合、凹部１１２を形成するためのシリコン窒化膜のエッチングには、ＣＦ４などのフッ素を含むガスを用いたドライエッチング法を利用するとよい。
【００４３】
次に、酸化膜１１１ａの表面にフォトレジスト１２２を塗布し、露光、現像することによって、フォトレジスト１２２にダイアフラムの電位を取り出すための開孔パターン１２２ａを形成する（図３（ｈ）参照）。
【００４４】
次に、この開孔パターン１２２ａを形成したフォトレジスト１２２をマスクとして、ウェットエッチング法、ないしはドライエッチング法を用いて酸化膜１１１ａをエッチングし、開孔部１１３を形成する（図４（ａ）参照）。ウェットエッチング法では、例えば、希釈フッ酸、緩衝フッ酸などをエッチング液として用いればよい。界面活性剤を含んだエッチング液を用いても良い。また、ドライエッチング法では、ＣＦ４などのフッ素を含むガスなどを用いればよい。なお、この時、支持基板１０３に形成された開孔部１０４の底部に露出している埋め込み酸化膜１０２も同時にエッチングされ開孔部１０５が形成される。
【００４５】
そして、加熱した濃硫酸、濃硫酸と過酸化水素水の混合液（ピラニア）などの薬液で処理することにより、フォトレジスト１２２を除去する（図４（ｂ）参照）。なお、酸素プラズマ処理などを用いてフォトレジスト１２２を灰化しても良く、また、灰化処理後に前記薬液で処理しても良い。以上で、第１の基板１００には、支持基板１０３に弁１０６、薄膜層１０１にダイアフラム１０７、ダイアフラム１０７の上に酸化膜１１１ｃが形成される。
【００４６】
次に、第２の基板１３１として、ガラス基板、例えばナトリウムなどの可動イオンを含みシリコン基板と陽極接合が可能な硼珪酸ガラス基板、シリコン基板と直接接合が可能な無アルカリガラス基板などを用意する。この第２の基板１３１の裏面（第１の基板と接合される面）側にＣｒ膜などのエッチングマスク膜１３２をスパッタリング法、蒸着法などを用いて形成する（図４（ｃ）参照）。
【００４７】
次に、フォトリソグラフィ技術（フォトレジスト塗布、露光、現像）とエッチング技術を用いて、エッチングマスク膜１３２に開口１３３を形成する（図４（ｄ）参照）。エッチング技術としては、例えば、ウェットエッチング技術、ドライエッチング技術などを用いればよい。
【００４８】
次に、第２の基板１３１をフッ酸などガラスをエッチング可能なエッチング液でウェットエッチングし、裏面側に溝部１３４を形成する（図４（ｅ）参照）。なお、ドライエッチング技術を用いて溝部１３４を形成しても良い。エッチング後には、加熱した濃硫酸、濃硫酸と過酸化水素水の混合液（ピラニア）などの薬液で処理することによってフォトレジスト膜を除去すればよい。なお、酸素プラズマ処理などを用いてフォトレジスト膜を灰化しても良く、また、灰化処理後に前記薬液で処理しても良い。そして、Ｃｒ膜などで形成したエッチングマスク膜をウェットエッチング技術などを用いて除去する（図４（ｆ）参照）。
【００４９】
次に、第２の基板の表面（第１の基板と陽極接合により接合される面の反対側の面）側にドライフィルムレジスト膜１３６を貼り付け、露光、現像することにより弁１０６を駆動するための圧力を導入する開孔パターン１３７ａと、ダイアフラム１０７の電位を取り出すための電極１４０ｂを象った開孔パターン１３７ｂのそれぞれを形成する（図４（ｆ）参照）。そして、ドライフィルムレジスト膜１３６をマスクとして、ブラスト加工法等を用いて、第２の基板１３１に弁１０６を駆動するための圧力を導入する貫通穴１３８ａ、後工程で形成する電極を象った貫通穴１３８ｂを形成する（図４（ｇ）参照）。
【００５０】
次に、ドライフィルムレジスト膜１３６を除去し、第２の基板の裏面（第１の基板と接合される面）側にＣｒ膜などの導電膜１３５を形成する（図４（ｈ）参照）。そして、フォトリソグラフィ技術（フォトレジスト塗布、露光、現像）とエッチング技術を用いて第２の電極（固定電極）１３５ａを形成する（第１の電極を形成する工程）。この後、加熱した濃硫酸、濃硫酸と過酸化水素水の混合液（ピラニア）などの薬液で処理することによってフォトレジスト膜を除去する（図５（ａ）参照）。なお、酸素プラズマ処理などを用いてフォトレジスト膜を灰化しても良く、灰化処理後に前記薬液で処理しても良い。
【００５１】
続いて、第１の基板１００と第２の基板１３１とを、例えば、陽極接合法、直接接合法などを用いて接合する（図５（ｂ）参照）。接合後、第２の基板１３１の表面（第１の基板と接合される面の反対側の面）側にアルミニウムなどの金属膜１３９を形成する。金属膜１３９の形成は、スパッタ法、電子ビーム蒸着法など、真空中で成膜する方法を用いれば良い。
【００５２】
金属膜１３９が形成された第１の基板１００と第２の基板１３１を大気中に取り出すと、第２の基板１３１に開孔した溝部１３４と第１の基板１００のダイアフラム部１０７で囲まれる空隙２４が真空で、これら基板の外部は大気圧になっているため、第１の基板１００に形成されたダイアフラム部１０７が圧力差によって変形し、弁１０６が第２の基板１３１に引きつけられる。この時、弁１０６上のダイアフラム１０７には酸化膜１１１ｃが形成されており、ダイアフラム（第１の電極）１０７は酸化膜１１１ｃを挟んで、第２の基板１３１に形成された第２の電極１３５ａに接触する。
【００５３】
次に、第３の基板１４１として、硼珪酸ガラス基板、無アルカリガラス基板などを用意する（図５（ｃ）参照）。この第３の基板１４１に、ドライフィルムレジスト膜１４２を貼り付け、露光、現像を行うことにより、流体の流入口、流出口となるパターン１４３を形成する。
【００５４】
次に、このドライフィルムレジスト膜１４２をマスクとして、ブラスト技術等を利用して、第３の基板１４１を厚さ方向に貫通し、流体の流入口、流出口となる貫通穴１４４を形成する（図５（ｄ）参照）。その後、ドライフィルムレジスト膜１４２を除去する（図５（ｅ）参照）。
なお、流入口、流出口となる２つ貫通穴１４４のうち、いずれか一方を第１の基板１００の弁１０６に相対する位置に形成し、他方を弁１０６にから外れた位置に形成してもよい。
【００５５】
前工程で接合され一体化している第１の基板１００と第２の基板１３１に、第３の基板１４１を、例えば直接接合法、陽極接合法などを用いて接合する（図５（ｆ）参照）。この時、第１の基板に形成した弁１０６は第２の基板１３１に引きつけられているため、第２の基板１３１に形成した溝部１３４の深さを適切に設定することによって、第３の基板１４１と弁１０６とを充分にに離間させることができる。したがって直接接合の際に、弁１０６が第３の基板１４１と密着していないため、これらが接合されてしまうことはない。
【００５６】
また、陽極接合法を用いた場合であっても、弁１０６を第３の基板１４１から充分に離間させることで、第１の基板１００と第３の基板１４１に印加される電圧によって生じる静電気力で、弁１０６が第３の基板に引きつけられないようにすることができる。このため、弁１０６と第３の基板とが陽極接合されることはない。
【００５７】
次に、第２の基板１３１に形成した金属膜１３９を、例えば、フォトリソグラフィ技術（フォトレジスト塗布、露光、現像）とエッチング技術を用いて電極１４０ｂとなる部分を残してエッチングする。なお、エッチング方法としては、ウェットエッチング法、ドライエッチング法などを用いることができる。また、弁１０６を駆動するための圧力を導入する貫通穴１３８ａから金属膜１３９を除去すると、この貫通穴１３８ａから大気が流入し、第２の基板１３１に開孔した溝部１３４と、酸化膜１１１ｃで囲まれる空隙２４は大気圧となる。すると、ダイアフラム１０７を変形させていた圧力差が無くなるため、ダイアフラム１０７は元の形に戻り、弁１０６は第３の基板１４１に接触し、流体の流入口１４４、流出口１４５を閉塞する（図５（ｆ）参照）。
以上のような工程を経て、図１に示す第一の実施形態のマイクロバルブ１を製造することができる。
【００５８】
［第二の実施形態（マイクロバルブ）］
図６は、本発明のマイクロバルブの別な一例を示す断面図である。本実施形態に係るマイクロバルブ２は、例えば、第１の基板４０、第２の基板５０、および第３の基板６０を重ね合わせて接合一体化してなる。
【００５９】
第１の基板４０は、例えば、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板１１の一部がシリコン側からエッチング加工されてダイアフラム部４９とされ、このダイアフラム部４９の下面（一方の面）側に、酸化膜５５を介して弁（弁体部）４３及び固定部４４が設けられている。また、ダイアフラム部４９の上面（他方の面）はダイアフラム４２が形成される。このダイアフラム部４９は、開閉検出手段５６を構成する第１の電極（可動電極）を兼ねている。さらに、ダイアフラム４２の上面には、酸化膜５７が設けられている。
【００６０】
第２の基板５０は、空隙５４を構成する溝部５２が形成される。この溝部５２においてダイアフラム４２と対面する位置に、開閉検出手段５６を構成する第２の電極（固定電極）５８が形成される。そして、溝部５２の一端には、第２の電極５８に電力を供給するとともに、第２の電極５８の電位を外部に取り出すための貫通電極５９ａが形成されている。また、第２の基板５０の一端には、ダイアフラム（第１の電極）４２に電力を供給するとともに、ダイアフラム４２の電位を外部に取り出すための貫通電極５９ｂが形成されている。
【００６１】
第３の基板６０は、ガラス基板６１から形成され、弁４３に対応する位置に、流体の流入口６２及び流出口６３が形成されている。
【００６２】
このような構成のマイクロバルブ２は、ダイアフラム４２を静電気力で駆動（湾曲）させて、弁４３を開閉させる。即ち、マイクロバルブ２は、ダイアフラム（第１の電極）４２と対になって静電容量を形成する第２の電極５８に電圧が印加されていない時は、ダイアフラムと第２の電極５８との間には静電気力が働かない。このため、弁４３が第３の基板６０に押しつけられ、弁４３により流入口６２及び流出口６３が閉塞される。これにより、流入口６２から流出口６３に至る流路は遮断され、流体は流れることができない。すなわち、マイクロバルブ２は「閉」の状態となる。
【００６３】
一方、ダイアフラム（第１の電極）４２と第２の電極５８との間に電圧が印加されると、ダイアフラム４２と第２の電極５８との間に静電気力が生じ、ダイアフラム４２は第２の電極５８に引き付けられ湾曲する。ダイアフラム４２が湾曲すると、流体の流入口６２及び流出口６３を閉鎖していた弁４３は第３の基板６０の表面から離れ、流入口６２及び流出口６３は開放される。これにより流入口６２から流出口６３に至る流路を流体が流れることが可能になる。すなわち、マイクロバルブ２は「開」の状態になる。
【００６４】
［第二の実施形態（マイクロバルブの開閉検出方法）］
第二の実施形態に示すマイクロバルブの作用、即ち、本発明のマイクロバルブの開閉検出方法について述べる。図７は、マイクロバルブを構成するダイアフラムの駆動回路、および第１２の電極と第２の電極との静電容量の測定回路を示す概略図である。
【００６５】
弁４３を開閉するために必要な電圧は、制御したい流体の圧力、ダイアフラム４２の面積と厚さや剛性、流体の流入口６２や流出口６３の開口面積などによって異なり、適切に設計することが必要である。ダイアフラム４２を第２の電極５８側に湾曲させ、マイクロバルブ２は「開」状態にするには、貫通電極５９ａ，５９ｂを介して、ダイアフラム４２を第２の電極５８との間に直流電圧（駆動電圧）Ｖを印加させる。
【００６６】
一方、ダイアフラム４２の湾曲状態、即ち、弁４３の開閉状態を検出する際には、直流の駆動電圧Ｖに重畳して、この駆動電圧よりも低い電圧値の交流電圧Ｖ（ｔ）を印加する。例えば、ダイアフラム（第１の電極）４２と第２の電極５８によって構成される静電容量Ｃ１のインピーダンスをＺ１、静電容量Ｃ１に流れる電流をｉ（ｔ）とする。また、マイクロバルブが「開」状態の時の静電容量Ｃ１をＣ１ｏ、インピーダンスＺ１をＺ１ｏ、静電容量Ｃ１に流れる電流ｉ（ｔ）をｉｏ（ｔ）、「閉」状態の時の静電容量Ｃ１をＣ１ｃ、インピーダンスＺ１をＺ１ｃ、静電容量Ｃ１に流れる電流ｉ（ｔ）をｉｃ（ｔ）とすると、Ｃ１ｏ＞Ｃ１ｃ、Ｚ１ｏ＜Ｚ１ｃとなり、交流電圧ｖ（ｔ）を印加したときの電流ｉ（ｔ）は、
ｉｏ（ｔ）＞ｉｃ（ｔ）
となるため、マイクロバルブの開閉状態を電流の変化として検知することができる。なお、直流の駆動電圧Ｖに重畳する微小な交流電圧ｖ（ｔ）は、弁４３の開閉に影響を与えないように、駆動電圧Ｖ＞＞微小な交流電圧ｖ（ｔ）とするのが好ましい。
【００６７】
［第三の実施形態（マイクロバルブ）］
図８（ａ）は、本発明のマイクロバルブの別な一例を示す平面図である。また、図８（ｂ）は、図８（ａ）のＡ−Ａ線での断面図である。本実施形態に係るマイクロバルブ３は、第１の基板７０、第２の基板８０、および第３の基板９０を重ね合わせて接合一体化してなる。
【００６８】
第１の基板７０は、例えば、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板７１の一部がシリコン側からエッチング加工されてダイアフラム部７９とされる。このダイアフラム部７９の下面（一方の面）側に、酸化膜８５を介して弁（弁体部）７３及び固定部７４が設けられている。また、ダイアフラム部７９の上面（他方の面）はダイアフラム７２が形成される。このダイアフラム７２には、開閉検出手段を構成するピエゾ抵抗素子８８が形成されている。さらに、このダイアフラム７２の上面には、酸化膜８７が設けられている。
【００６９】
ピエゾ抵抗素子８８は、例えば、４つのピエゾ抵抗素子８８ａ〜８８ｄの長手方向が互いに直交するように配置され、互いにブリッジ回路を成すように接続されたものであればよい。これにより、ピエゾ抵抗素子８８ａ〜８８ｄの長手方向に電流を流した状態で、例えば、ダイアフラム部７９が上方に湾曲して弁７３が開状態になると、ピエゾ抵抗素子８８ａ，８８ｃと、ピエゾ抵抗素子８８ｂ，８８ｄとでは、互いに応力の加わる方向が９０°ずれることとなる。これにより、ブリッジ回路のバランスが崩れ、弁７３の位置を検出することが可能になる。
【００７０】
第２の基板８０は、第１の基板７０と同じ大きさであり、かつ陽極接合できるガラス基板８１のダイアフラム７２に相対する位置に下側からのエッチング加工により、ダイアフラム７２が湾曲するために必要な空隙８４を構成する溝部８２が形成される。また、この溝部８２の一端部に、弁７３及びダイアフラム７２を駆動するための流体の流入口及び流出口である開孔部８３が形成されている。さらに、第２の基板８０の一端には、ピエゾ抵抗素子８８の電位を外部に取り出すための貫通電極８９が形成されている。
【００７１】
第３の基板９０は、ガラス基板９１から形成され、弁７３に対応する位置に、流体の流入口９２及び流出口９３が形成されている。
【００７２】
以上の構成のマイクロバルブ３は、第１の基板７０のダイアフラム７２と、第２の基板８０の溝部８２により構成される空隙８４内の圧力が高い場合、弁７３が第３の基板９０に押しつけられ、弁７３により流入口９２及び流出口９３が閉塞される。これにより、流入口９２から流出口９３に至る流路は遮断され、マイクロバルブ１は「閉」の状態となる。
【００７３】
一方、空隙８４内の圧力を低くすると、この圧力の低下に伴いダイアフラム７２は上方、即ち溝部８２に入り込むように湾曲する。ダイアフラム７２が湾曲すると、流体の流入口９２及び流出口９３を閉鎖していた弁７３は第３の基板９０の表面から離れ、流入口９２及び流出口９３は開放されて、マイクロバルブ１は「開」の状態になる。
【００７４】
［第三の実施形態（マイクロバルブの開閉検出方法）］
第三の実施形態に示すマイクロバルブの作用、即ち、本発明のマイクロバルブの開閉検出方法について述べる。図８に示すマイクロバルブ３は、開閉検出手段であるピエゾ抵抗素子８８によって、弁７３の開閉状態を検出する。即ち、ダイアフラム７２の湾曲に応じて、抵抗値が変化するピエゾ抵抗素子８８ａ〜８８ｄの電圧値を測定することで、弁７３の開閉状態が検出できる。こうしたピエゾ抵抗素子８８ａ〜８８ｄは、例えば、ブリッジ回路を成すように接続されれば良い。
【００７５】
例えば、図８に示すマイクロバルブ３が「閉」状態の時、ダイアフラム７２は平坦になり、ピエゾ抵抗素子８８ａ〜８８ｄにダイアフラム７２の湾曲による歪は加わらないため、ピエゾ抵抗素子８８ａ〜８８ｄの抵抗値は一定となる。これにより、マイクロバルブ３が「閉」状態であることを検出できる。
【００７６】
一方、マイクロバルブ３が「開」状態のとき、ダイアフラム７２は上方に湾曲する。すると、互いに長手方向が直交するように配置されたピエゾ抵抗素子８８ａ，８８ｃと、ピエゾ抵抗素子８８ｂ，８８ｄに、互いに９０°ずれた方向の応力が印加される。これにより、例えば、ピエゾ抵抗素子８８ａ，８８ｃの抵抗値は減少し、逆にピエゾ抵抗素子８８ｂ，８８ｄの抵抗値は増加する。これにより、マイクロバルブ３が「閉」状態のときは一定であったピエゾ抵抗素子８８ａ〜８８ｄの抵抗値は変化し、ブリッジ回路のバランスが崩れるため、ブリッジ回路の電圧を測定することによって、マイクロバルブ３の「開」状態を検出することが可能になる。
【００７７】
こうした、ダイアフラム７２に形成されたピエゾ抵抗素子８８の電圧値の値を計測するためには、例えば、図９に示すような回路を用いればよい。マイクロバルブ３が「閉」状態の時、ダイアフラム７２は平坦であるため、ピエゾ抵抗素子８８によって形成されるブリッジ回路に電流ｉを印加したときの出力電圧Ｖは０になる。一方、ダイアフラム７２を湾曲させてマイクロバルブを「開」状態にすると、ピエゾ抵抗素子８８によって形成されるブリッジ回路の出力電圧Ｖが変化し、０ではない一定の値Ｖをとる。
【００７８】
なお、この時の出力電圧Ｖの値、電圧の正負は、ピエゾ抵抗素子８８の設計によって決まる。また、マイクロバルブ３の「閉」状態の時、あるいは「開」状態の時の出力電圧Ｖの値は、ピエゾ抵抗素子８８からなるブリッジ回路の平衡を調整する可変抵抗９５を調整することによって、電圧を０でないオフセット電圧に設定することもできる。
【００７９】
また、ダイアフラム７２と、ピエゾ抵抗素子８８からなるブリッジ回路の出力電圧Ｖの値と、マイクロバルブ３の開度、すなわちマイクロバルブ３を流れる液体の流量は相関があるため、この出力電圧Ｖを測定し、その値に従って空隙８４内の圧力を制御することにより、マイクロバルブ３を流れる流体の流量を制御することもできる。
【００８０】
［第三の実施形態（マイクロバルブの製造方法）］
第三の実施形態に示すマイクロバルブの製造方法について述べる。図８に示すマイクロバルブ３の製造にあたっては、まず、図１０（ａ）に示すように、第１の基板３００としてＳＯＩ基板を用いる。薄膜層３０１、支持基板３０３共にｎ型Ｓｉ（１００）単結晶基板を用いる。また、薄膜層３０１、支持基板３０３の間には埋め込み酸化膜３０２が形成されている。
【００８１】
ＳＯＩ基板３００をＲＣＡ洗浄法などを用いて洗浄した後、表面（薄膜層側）と裏面（支持基板側）を熱酸化する等によって酸化膜３１１ａ、３１１ｂを形成する。表面側にフォトレジスト３５１を塗布し、露光、現像することによって、ピエゾ抵抗素子のパターン３５１ａと拡散層配線部のパターン３５１ｂを形成する（図１０（ｂ）参照）。そして、フォトレジストパターンをマスクにして燐イオンを薄膜層３０１にイオン注入し、ピエゾ抵抗素子となるイオン注入層３５２ａと拡散層配線部となるイオン注入層３５２ｂを形成する。
【００８２】
次に、加熱した濃硫酸、濃硫酸と過酸化水素水の混合液（ピラニア）などの薬液で処理することによってフォトレジスト３５１を除去する（図１０（ｃ）参照）。なお、酸素プラズマ処理などを用いてフォトレジスト３５１を灰化しても良く、また、灰化処理後に前記薬液で処理しても良い。ＳＯＩ基板３００を９００℃〜１１００℃程度の温度で窒素、アルゴンガスなどの不活性ガス中で熱処理することにより、燐イオンを注入した部分を活性化し、ｐ型半導体層であるピエゾ抵抗素子３５３ａと拡散層配線部３５３ｂを形成する（ダイアフラム部にピエゾ抵抗素子を形成する工程）。その後、裏面側にフォトレジスト３２１を塗布する。
【００８３】
フォトレジスト３２１を露光、現像することによって、固定部のパターン３２１ａと弁体部のパターン３２１ｂを形成する（図１０（ｄ）参照）。そして、ウェットエッチング法、ないしはドライエッチング法を用いて、フォトレジスト３２１をマスクとして酸化膜３１１ｂをエッチングし、開孔部３１２を形成する（図１０（ｅ）参照）。ウェットエッチング法ではエッチング液として希釈フッ酸、緩衝フッ酸などを用いればよい。また、界面活性剤を含んだエッチング液を用いても良い。ドライエッチング法では、ＣＦ４などのフッ素を含むガスのプラズマなどを用いる。なお、第１の基板３００の表面側の酸化膜３１１ａは、本工程のエッチングの際、特にウェットエッチングにおいては、除去されてしまわないように、治具ないしはフォトレジストなどを用いて保護するのが好ましい。
【００８４】
次に、加熱した濃硫酸、濃硫酸と過酸化水素水の混合液（ピラニア）などの薬液で処理することによってフォトレジスト３２１ａ、３２１ｂを除去する（図１０（ｆ）参照）。なお、酸素プラズマ処理などを用いてフォトレジスト３２１ａ、３２１ｂを灰化しても良く、灰化処理後に前記薬液で処理しても良い。
【００８５】
酸化膜３１１ｂに形成された開孔部３１２を通して、アルカリ性のエッチング液を用いて支持基板３０３を結晶異方性エッチングする。これにより、支持基板３０３に凹部３０４が形成される（図１０（ｇ）参照）。アルカリ性のエッチング液としては、ＫＯＨ、ＴＭＡＨ、ヒドラジンないしはＥＤＰ（エチレンジアミン＋ピロカテコール）などを用いることができる。ＫＯＨをエッチング液として用いる場合は、ＫＯＨによるエッチング速度の遅いシリコン窒化膜を酸化膜３１１ｂの代わりに用いることが望ましい。この場合、シリコン窒化膜と第１の基板の間に酸化膜を形成した積層膜構造とし、シリコン窒化膜の応力を緩和することが望ましい。なお、この場合、開孔部３１２を形成するためのシリコン窒化膜のエッチングには、ＣＦ４などのフッ素を含むガスを用いたドライエッチング法を利用すればよい。
【００８６】
次に、表面側にフォトレジスト３２２を塗布し、露光、現像することによって、酸化膜３１１ａ上にピエゾ抵抗３５３ａ、拡散層配線部３５３ｂに電圧を供給するための開孔パターン３２２ａを形成する（図１０（ｈ）参照）。そして、ウェットエッチング法、ないしはドライエッチング法を用いて酸化膜３１１ａをエッチングし、開孔部３１３を形成する（図１１（ａ）参照）。ウェットエッチング法では希釈フッ酸、緩衝フッ酸などをエッチング液として用いればよい。また、界面活性剤を含んだエッチング液を用いても良い。ドライエッチング法では、ＣＦ４などのフッ素を含むガスなどを用いる。なお、この際、支持基板３０３に形成された凹部３０４の底部に露出している埋め込み酸化膜３０２も同時にエッチングされ開孔部３０５が形成される。
【００８７】
次に、加熱した濃硫酸、濃硫酸と過酸化水素水の混合液（ピラニア）などの薬液で処理することによってフォトレジスト３２２を除去する（図１１（ｂ）参照）。なお、酸素プラズマ処理などを用いてフォトレジスト３２２を灰化しても良く、また、灰化処理後に前記薬液で処理しても良い。以上の工程で、第１の基板３００には、支持基板３０３に弁３０６、薄膜層３０１にはダイアフラム部３０７、ダイアフラム部３０７上には酸化膜３１１ｃ、およびピエゾ抵抗３５３ａが形成される。
【００８８】
次に、第２の基板３３１としてガラス基板、例えばナトリウムなどの可動イオンを含みシリコン基板と陽極接合が可能な硼珪酸ガラス基板、シリコン基板と直接接合が可能な無アルカリガラス基板などを用意する。第２の基板３３１の裏面（第１の基板と接合される面）側にＣｒ膜などのエッチングマスク膜３３２をスパッタリング法、蒸着法などを用いて形成する（図１１（ｃ）参照）。
【００８９】
フォトリソグラフィ技術（フォトレジスト塗布、露光、現像）とエッチング技術を用いてエッチングマスク膜３３２に開孔部３３３を形成する（図１１（ｄ）参照）。エッチング技術としては、ウェットエッチング技術、ドライエッチング技術などを用いることができる。
【００９０】
次に、エッチングマスク膜３３２をマスクとして、第２の基板３３１をフッ酸などのガラスをエッチングするエッチング液でウェットエッチングし、裏面側に溝部３３４を形成する（図１１（ｅ）参照）。なお、ドライエッチング技術を用いて溝部３３４を形成しても良い。エッチングマスク膜３３２のフォトレジスト膜は、加熱した濃硫酸、濃硫酸と過酸化水素水の混合液（ピラニア）などの薬液で処理することによって除去する。なお、酸素プラズマ処理などを用いてフォトレジスト膜を灰化しても良く、また、灰化処理後に前記薬液で処理しても良い。
【００９１】
次に、Ｃｒ膜などで形成したエッチングマスク膜３３２をウェットエッチング技術などを用いて除去する（図１１（ｆ）参照）。そして、第２の基板の表面（第１の基板と陽極接合により接合される面の反対側の面）側にドライフィルムレジスト膜３３６を貼り付け、露光、現像することにより弁を駆動するための圧力を導入するための開孔パターン３３７ａ、ピエゾ抵抗３５３ａと拡散層配線部３５３ｂに電圧を印加するための電極３４０ｂを取り出すための開孔パターン３３７ｂを形成する（図１１（ｇ）参照）。
【００９２】
次に、例えば、ブラスト加工法等を用いて第２の基板３３１に弁を駆動するための圧力を導入するための貫通穴３３８ａ、電極３４０ｂ用の貫通穴３３８ｂを形成する（図１１（ｈ）参照）。この後、ドライフィルムレジスト膜３３６を除去する（図１２（ａ）参照）。
【００９３】
第１の基板３００と第２の基板３３１を陽極接合法、直接接合法などを用いて接合する。接合後、第２の基板３３１の表面（第１の基板と接合される面の反対側の面）側にアルミなどの金属膜３３９を形成する（図１２（ｂ）参照）。金属膜３３９の形成は、スパッタ法、電子ビーム蒸着法などの真空中で成膜する方法を利用する。
【００９４】
金属膜が形成された第１の基板３００と第２の基板３３１を大気中に取り出すと、第２の基板３３１に開孔した溝部３３４と第１の基板３００のダイアフラム部３０７で囲まれる空隙が真空で、これらの基板の外部は大気圧になっているため、第１の基板３００に形成されたダイアフラム部３０７が圧力差によって変形し、弁３０６が第２の基板３３１に引きつけられる。
【００９５】
次に、第３の基板として、硼珪酸ガラス基板、無アルカリガラス基板などを用意する。この第３の基板３４１にドライフィルムレジスト膜３４２を貼り付け、露光、現像することによって、流体の流入口、流出口となる開孔部のパターン３４３を形成する（図１２（ｃ）参照）。そして、このドライフィルムレジスト膜３４２をマスクとして、ブラスト技術等を利用して、第３の基板３４１を厚さ方向に貫通し、流体の流入口、流出口となる貫通穴３４４を形成する（図１２（ｄ）参照）。その後、ドライフィルムレジスト膜３４２を除去する（図１２（ｅ）参照）。
【００９６】
前工程で接合されて一体化している第１の基板３００と第２の基板３３１に、第３の基板３４１を直接接合法、陽極接合法などを用いて接合する（図１２（ｆ）参照）。この時、第１の基板に形成した弁３０６は第２の基板３３１に引きつけられているため、第２の基板３３１に形成した溝部３３４の深さを適切に設定することによって、第３の基板３４１と弁３０６を十分離すことができる。従って、直接接合の際に弁３０６が第３の基板３４１と密着していないため、これらが接合されてしまうことはない。
【００９７】
また、陽極接合法を用いた場合も、弁３０６を第３の基板３４１から十分に離しておくことで、第１の基板３００と第３の基板３４１に印加される電圧によって発生する静電気力によって弁３０６が第３の基板に引きつけられないようにできるので、陽極接合されることはない。
【００９８】
次に、第２の基板３３１に形成した金属膜３３９をフォトリソグラフィ技術（フォトレジスト塗布、露光、現像）とエッチング技術を用いて電極３４０ｂとなる部分を残してエッチングする（図１２（ｇ）参照）。なお、エッチング方法としては、ウェットエッチング法、ドライエッチング法などを用いることができる。
【００９９】
また、弁を駆動するための圧力を導入するための貫通穴３３８ａから金属膜３３９を除去すると貫通穴３３８ａから大気が流入するため、第２の基板３３１に開孔した溝部３３４と第１の基板３００のダイアフラム部３０７で囲まれる空隙８４は大気圧となる。するとダイアフラム部３０７を変形させていた圧力差が無くなるため、ダイアフラム部３０７は元の形に戻り、弁３０６は第３の基板３４１に接触し、流体の流入口、流出口３４４を閉塞する。
以上のような工程を経て、図８に示す第三の実施形態のマイクロバルブ３を製造することができる。
【０１００】
上述したマイクロバルブの製造方法において、第１の基板としてはＳＯＩ基板を用いる例を示したが、単結晶シリコン基板を用いることもできる。また、第１の基板の支持基板の結晶異方性エッチングの代わりにドライエッチング法を用いることもできる。
【０１０１】
第２の基板、もしくは第３の基板のエッチングにおいて、これらの基板をエッチングする前に、エッチングマスク膜のパターン形成に利用したフォトレジスト膜を除去するとしたが、エッチングマスク膜上のフォトレジスト膜を残したまま第２の基板、ないしは第３の基板をエッチングしてもよい。この場合、フォトレジスト膜は基板のエッチング後、除去する。エッチングマスクが２層構造になるため、エッチングマスクのエッチング耐性が向上し、エッチングマスクのピンホール等に起因する欠陥の発生を抑制することができる。
【０１０２】
また、一般的な半導体デバイスの製造方法と同様に、複数のマイクロバルブを同時に１組の基板上に形成し、最後にダイシング等の手段を用いて切断することにより、マイクロバルブを一括して大量生産することもできる。
【０１０３】
マイクロバルブの駆動手段として、気体（真空、気体圧力）、静電気力を例に挙げた、ダイアフラム上に圧電素子からなるユニモルフ構造を設ける、磁気を利用する等、各種の駆動力を用いることもできる。これらの駆動手段を用いた場合も、本発明のように、ダイアフラム部に形成した可動電極と基板等に形成した固定電極間の静電容量の変化や、ダイアフラム部に形成したピエゾ抵抗の変化を用いてマイクロバルブの開閉状態を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明のマイクロバルブの一例を示す断面図である。
【図２】本発明のマイクロバルブの開閉検出方法を示す説明図である。
【図３】本発明のマイクロバルブの製造方法の一例を示す断面図である。
【図４】本発明のマイクロバルブの製造方法の一例を示す断面図である。
【図５】本発明のマイクロバルブの製造方法の一例を示す断面図である。
【図６】本発明のマイクロバルブの別な一例を示す断面図である。
【図７】本発明のマイクロバルブの開閉検出方法を示す説明図である。
【図８】本発明のマイクロバルブの別な一例を示す平面図、断面図である。
【図９】本発明のマイクロバルブの開閉検出方法を示す説明図である。
【図１０】本発明のマイクロバルブの製造方法の一例を示す断面図である。
【図１１】本発明のマイクロバルブの製造方法の一例を示す断面図である。
【図１２】本発明のマイクロバルブの製造方法の一例を示す断面図である。
【図１３】本発明のマイクロバルブの別な一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１０５】
１ マイクロバルブ
１０ 第１の基板
１２ ダイアフラム
１３ 弁（弁体部）
１９ ダイアフラム部
２０ 第２の基板
２６ 開閉検出手段
３０ 第３の基板
３２ 流入口
３３ 流出口
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイアフラム部の一方の面側に弁体部及び固定部を備えた第１の基板と、前記ダイアフラム部に相対する位置に溝部が形成された第２の基板と、前記弁体部に相対する位置に、流体の流入口及び流出口のうち、少なくとも一方、または両方が形成された第３の基板とを備え、これら第３の基板、第１の基板及び第２の基板を重ね合わせ、前記固定部にて接合一体化してなるマイクロバルブであって、
前記ダイアフラム部の変形を検出する開閉検出手段を備えたことを特徴とするマイクロバルブ。
【請求項２】
前記開閉検出手段は、前記ダイアフラム部の他方の面側に形成した第１の電極と、前記溝部において前記第１の電極と対面する位置に形成した第２の電極とからなることを特徴とする請求項１マイクロバルブ。
【請求項３】
前記開閉検出手段は、前記ダイアフラム部に形成されたピエゾ抵抗素子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。
【請求項４】
前記ピエゾ抵抗素子は複数形成され、前記ダイアフラム部の変形時に、応力の印加される方向が互いに異なるように配置したことを特徴とする請求項３記載のマイクロバルブ。
【請求項５】
前記溝部には、前記弁体部及び前記ダイアフラム部を駆動するための流体の開孔部がさらに形成されていることを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項記載のマイクロバルブ。
【請求項６】
ダイアフラム部の一方の面側に弁体部及び固定部を備えた第１の基板と、前記ダイアフラム部に相対する位置に溝部が形成された第２の基板と、前記弁体部に相対する位置に、流体の流入口及び流出口のうち、少なくとも一方、または両方が形成された第３の基板とを備え、これら第３の基板、第１の基板及び第２の基板を重ね合わせ、前記固定部にて接合一体化してなるマイクロバルブの製造方法であって、
前記ダイアフラム部の他方の面側に第１の電極を形成する工程と、前記溝部において前記第１の電極と対面する位置に第２の電極を形成する工程と
を少なくとも備えたことを特徴とするマイクロバルブの製造方法。
【請求項７】
ダイアフラム部の一方の面側に弁体部及び固定部を備えた第１の基板と、前記ダイアフラム部に相対する位置に溝部が形成された第２の基板と、前記弁体部に相対する位置に、流体の流入口及び流出口のうち、少なくとも一方、または両方が形成された第３の基板とを備え、これら第３の基板、第１の基板及び第２の基板を重ね合わせ、前記固定部にて接合一体化してなるマイクロバルブの製造方法であって、
前記ダイアフラム部にピエゾ抵抗素子を形成する工程を少なくとも備えたことを特徴とするマイクロバルブの製造方法。
【請求項８】
ダイアフラム部の一方の面側に弁体部及び固定部を形成するとともに、該ダイアフラム部の他方の面側に第１の電極を形成した第１の基板と、前記ダイアフラム部に相対する位置に溝部を形成し、該溝部において前記第１の電極と対面する位置に第２の電極を形成した第２の基板と、前記弁体部に相対する位置に、流体の流入口及び流出口のうち、少なくとも一方、または両方が形成された第３の基板とを備え、これら第３の基板、第１の基板及び第２の基板を重ね合わせ、前記固定部にて接合一体化してなるマイクロバルブの開閉検出方法であって、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の静電容量を測定することにより、前記弁体部の前記流入口及び流出口に対する開閉状態を検出することを特徴とするマイクロバルブの開閉検出方法。
【請求項９】
前記溝部には流体を流出入させる開孔部が形成され、該開孔部を介して流体を流出入させることにより、前記弁体部及び前記ダイアフラム部を駆動させることを特徴とする請求項８記載のマイクロバルブの開閉検出方法。
【請求項１０】
前記第１の電極と前記第２の電極との間に、前記弁体部及び前記ダイアフラム部を駆動させる直流電流を印加するとともに、前記第１の電極と前記第２の電極との間に、前記直流電流の電圧値よりも低い電圧の交流電流を印加して前記第１の電極と前記第２の電極との間の静電容量を測定することを特徴とする請求項８記載のマイクロバルブの開閉検出方法。
【請求項１１】
前記ダイアフラム部にピエゾ抵抗素子を形成し、前記ピエゾ抵抗素子の抵抗値に応じて変化する電圧値を測定することを特徴とする請求項８記載のマイクロバルブの開閉検出方法。
【請求項１】
ダイアフラム部の一方の面側に弁体部及び固定部を備えた第１の基板と、前記ダイアフラム部に相対する位置に溝部が形成された第２の基板と、前記弁体部に相対する位置に、流体の流入口及び流出口のうち、少なくとも一方、または両方が形成された第３の基板とを備え、これら第３の基板、第１の基板及び第２の基板を重ね合わせ、前記固定部にて接合一体化してなるマイクロバルブであって、
前記ダイアフラム部の変形を検出する開閉検出手段を備えたことを特徴とするマイクロバルブ。
【請求項２】
前記開閉検出手段は、前記ダイアフラム部の他方の面側に形成した第１の電極と、前記溝部において前記第１の電極と対面する位置に形成した第２の電極とからなることを特徴とする請求項１マイクロバルブ。
【請求項３】
前記開閉検出手段は、前記ダイアフラム部に形成されたピエゾ抵抗素子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。
【請求項４】
前記ピエゾ抵抗素子は複数形成され、前記ダイアフラム部の変形時に、応力の印加される方向が互いに異なるように配置したことを特徴とする請求項３記載のマイクロバルブ。
【請求項５】
前記溝部には、前記弁体部及び前記ダイアフラム部を駆動するための流体の開孔部がさらに形成されていることを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項記載のマイクロバルブ。
【請求項６】
ダイアフラム部の一方の面側に弁体部及び固定部を備えた第１の基板と、前記ダイアフラム部に相対する位置に溝部が形成された第２の基板と、前記弁体部に相対する位置に、流体の流入口及び流出口のうち、少なくとも一方、または両方が形成された第３の基板とを備え、これら第３の基板、第１の基板及び第２の基板を重ね合わせ、前記固定部にて接合一体化してなるマイクロバルブの製造方法であって、
前記ダイアフラム部の他方の面側に第１の電極を形成する工程と、前記溝部において前記第１の電極と対面する位置に第２の電極を形成する工程と
を少なくとも備えたことを特徴とするマイクロバルブの製造方法。
【請求項７】
ダイアフラム部の一方の面側に弁体部及び固定部を備えた第１の基板と、前記ダイアフラム部に相対する位置に溝部が形成された第２の基板と、前記弁体部に相対する位置に、流体の流入口及び流出口のうち、少なくとも一方、または両方が形成された第３の基板とを備え、これら第３の基板、第１の基板及び第２の基板を重ね合わせ、前記固定部にて接合一体化してなるマイクロバルブの製造方法であって、
前記ダイアフラム部にピエゾ抵抗素子を形成する工程を少なくとも備えたことを特徴とするマイクロバルブの製造方法。
【請求項８】
ダイアフラム部の一方の面側に弁体部及び固定部を形成するとともに、該ダイアフラム部の他方の面側に第１の電極を形成した第１の基板と、前記ダイアフラム部に相対する位置に溝部を形成し、該溝部において前記第１の電極と対面する位置に第２の電極を形成した第２の基板と、前記弁体部に相対する位置に、流体の流入口及び流出口のうち、少なくとも一方、または両方が形成された第３の基板とを備え、これら第３の基板、第１の基板及び第２の基板を重ね合わせ、前記固定部にて接合一体化してなるマイクロバルブの開閉検出方法であって、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の静電容量を測定することにより、前記弁体部の前記流入口及び流出口に対する開閉状態を検出することを特徴とするマイクロバルブの開閉検出方法。
【請求項９】
前記溝部には流体を流出入させる開孔部が形成され、該開孔部を介して流体を流出入させることにより、前記弁体部及び前記ダイアフラム部を駆動させることを特徴とする請求項８記載のマイクロバルブの開閉検出方法。
【請求項１０】
前記第１の電極と前記第２の電極との間に、前記弁体部及び前記ダイアフラム部を駆動させる直流電流を印加するとともに、前記第１の電極と前記第２の電極との間に、前記直流電流の電圧値よりも低い電圧の交流電流を印加して前記第１の電極と前記第２の電極との間の静電容量を測定することを特徴とする請求項８記載のマイクロバルブの開閉検出方法。
【請求項１１】
前記ダイアフラム部にピエゾ抵抗素子を形成し、前記ピエゾ抵抗素子の抵抗値に応じて変化する電圧値を測定することを特徴とする請求項８記載のマイクロバルブの開閉検出方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１０−１４１３１（Ｐ２０１０−１４１３１Ａ）
【公開日】平成２２年１月２１日（２０１０．１．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１７１８４９（Ｐ２００８−１７１８４９）
【出願日】平成２０年６月３０日（２００８．６．３０）
【出願人】（０００１０１７１０）アルバック成膜株式会社 (39)
【出願人】（５９８１６３０６４）学校法人千葉工業大学 (101)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月２１日（２０１０．１．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月３０日（２００８．６．３０）
【出願人】（０００１０１７１０）アルバック成膜株式会社 (39)
【出願人】（５９８１６３０６４）学校法人千葉工業大学 (101)
【Ｆターム（参考）】
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