マイクロバルブ
【課題】スティッキング現象の発生を抑制することで信頼性の高い動作を実現できるマイクロバルブを提供する。
【解決手段】半導体基板を用いて形成され、フレーム１１、弁体部１２、およびビーム１３を有する弁体基板１と、表面に開口する弁孔２１を有し、該弁孔２１に弁体部１２が一致するようにしてフレーム１１を表面に固定することにより弁体基板１が搭載される弁座基板２と、弁体基板１における弁座基板２側とは反対側の表面に搭載される第１基板３と、を具備する。弁体部１２と弁座基板２との互いの対向面の少なくとも一方の表面に、弁孔２１を弁体部１２で閉止した状態において流体リーク量が許容範囲に納まるように高さ設計され弁体部１２と弁座基板２とが固着するのを防止する複数の微小突起８を設けてある。
【解決手段】半導体基板を用いて形成され、フレーム１１、弁体部１２、およびビーム１３を有する弁体基板１と、表面に開口する弁孔２１を有し、該弁孔２１に弁体部１２が一致するようにしてフレーム１１を表面に固定することにより弁体基板１が搭載される弁座基板２と、弁体基板１における弁座基板２側とは反対側の表面に搭載される第１基板３と、を具備する。弁体部１２と弁座基板２との互いの対向面の少なくとも一方の表面に、弁孔２１を弁体部１２で閉止した状態において流体リーク量が許容範囲に納まるように高さ設計され弁体部１２と弁座基板２とが固着するのを防止する複数の微小突起８を設けてある。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板をマイクロマシンニング加工して形成した弁体基板を使用し、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。
【背景技術】
【０００２】
従来から、マイクロエレクトロニクス分野や医療機器用途等における流体制御部品として、シリコン基板等の半導体基板をマイクロマシンニング技術により微細構造加工してバルブ部材としてのマイクロ構造体を形成し、これを用いて流体の流通制御をできるようにしたマイクロバルブが各所で研究開発されている。一般に、この種のマイクロバルブ（半導体マイクロバルブ）では、バルブ部材に弁孔を開閉するための弁体が形成されており、前記弁孔を有する弁座基板部材と前記バルブ部材とを一体に組合せて構成し、前記バルブ部材に形成した弁体を前記弁座基板部材に対し変位動作させることにより前記弁孔を開閉して当該弁孔を流れる流体の流通を制御できるようになっている。この半導体マイクロバルブの弁開閉動作の駆動方式としては、いわゆるバイメタル原理を応用した熱駆動型と対向電極間に生じる静電気力を利用した静電駆動型がある（例えば、特許文献１，２）。なお、特許文献２に開示されたマイクロバルブは、ノーマリーオープン型である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２１９６９４号公報
【特許文献２】特開昭６３−３０７９５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、マイクロバルブにおける弁体と弁孔との相対面は、通常いずれも鏡面若しくはそれに近い状態に形成されており、スティッキング（つまり、固着）現象が発生し易くなってしまい、信頼性が低くなってしまう。
【０００５】
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、スティッキング現象の発生を抑制することで信頼性の高い動作を実現できるマイクロバルブを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の発明は、半導体基板を用いて形成され、フレームと、該フレームの開口内に配置された弁体部と、該弁体部と前記フレームとを連結し、前記弁体部が前記フレームに対し前記半導体基板の厚み方向に変位可能となる撓み性を有する薄肉のビームと、を備える弁体基板と、表面に開口する弁孔を有し、該弁孔に前記弁体部が一致するようにして前記フレームを表面に固定することにより前記弁体基板が搭載される弁座基板と、前記弁体基板における前記弁座基板側とは反対側の表面に搭載される第１基板と、を具備するマイクロバルブであって、前記弁体部と前記弁座基板との互いの対向面の少なくとも一方の表面に、前記弁孔を弁体部で閉止した状態において流体リーク量が許容範囲に納まるように高さ設計され前記弁体部と前記弁座基板とが固着するのを防止する複数の微小突起が設けられてなることを特徴とする。
【０００７】
この発明によれば、スティッキング現象の発生を抑制することで信頼性の高い動作を実現できる。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記微小突起は、前記弁体部のみに設けられてなることを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、製造プロセスの簡略化を図れる。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記半導体基板は、シリコン基板であり、前記微小突起の材料は、ＳｉＯ２であることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、前記微小突起を酸化工程とフォトリソグラフィ工程とエッチング工程とで形成することができる。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記微小突起は、前記弁座基板のみに設けられてなることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、製造プロセスの簡略化を図れる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、スティッキング現象の発生を抑制することで信頼性の高い動作を実現できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態１のマイクロバルブを示す概略断面図である。
【図２】参考例のマイクロバルブを示し、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は概略断面図、（ｃ）は要部概略平面図である。
【図３】同上のマイクロバルブの変形例を示す概略断面図である。
【図４】同上のマイクロバルブの変形例を示す概略断面図である。
【図５】実施形態２のマイクロバルブの基本構成を示し、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は概略断面図である。
【図６】同上のマイクロバルブの変形例の基本構成を示す概略断面図である。
【図７】同上のマイクロバルブの変形例の基本構成を示す概略断面図である。
【図８】同上のマイクロバルブの変形例の基本構成を示す概略断面図である。
【図９】同上のマイクロバルブの変形例の基本構成を示す概略断面図である。
【図１０】図８のマイクロバルブの実装形態の基本構成を示す概略断面図である。
【図１１】図９のマイクロバルブの実装形態の基本構成を示す概略断面図である。
【図１２】実施形態３のマイクロバルブの基本構成を示す概略断面図である。
【図１３】同上のマイクロバルブの変形例の基本構成を示す概略断面図である。
【図１４】実施形態４のマイクロバルブの基本構成を示す概略断面図である。
【図１５】実施形態５のマイクロバルブの基本構成を示す概略断面図である。
【図１６】実施形態６のマイクロバルブの基本構成を示す概略断面図である。
【図１７】実施形態７のマイクロバルブの基本構成を示す概略断面図である。
【図１８】実施形態８のマイクロバルブの基本構成を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（参考例）
本参考例のマイクロバルブは、図２に示すように、半導体基板を用いて形成された弁体基板１と、弁座基板２と、第１基板３とを備えている。なお、マイクロバルブの上下方向は、実際の使用状態での方位性に依存するため一義的に規定できないが、本参考例の記述では説明の便宜上、図２（ｂ）における弁座基板２の配置側を下側、第１基板３の配置側を上側というように上下方向を規定するものとする。また、図２（ｂ）は、図２（ｃ）でのＡ−Ａ断面に相当する箇所における概略断面図である。
【００１７】
弁体基板１は、半導体基板であるシリコン基板をマイクロマシンニング加工することにより形成されたいわゆるＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）構造体であって、例えば、前記シリコン基板の主面の中央領域に略正方形に開口を有するとともに上下方向（前記シリコン基板の厚み方向）から見た外形の平面視も矩形状に形成されたフレーム１１と、フレーム１１の開口内に配置された弁体部１２と、弁体部１２とフレーム１１を連結し弁体部１２がフレーム１１に対し上下方向に変位可能となる撓み性を有する薄肉のビーム１３とを備えた構成である。なお、本参考例においては、弁体基板１は、例えば、４本のビーム１３を有し、各ビーム１３は、フレーム１１内の各辺から延出して略卍状をなすよう配置されている。
【００１８】
弁座基板２は、例えば、ガラス基板を用いて形成され、上面（表面）に開口する弁孔２１を有し、弁孔２１に弁体部１２が一致するようにしてフレーム１１を表面に固定することによって弁体基板１が搭載される構成である。また、第１基板３は、例えば、ガラス基板で構成され、弁体基板１の上面に搭載される。なお、本参考例においては、図２（ａ）に示すように、第１基板３は、流体の流れを確保するために、フレーム１１の上面の全面を覆う必要はない。また、弁座基板２の上面には、図２（ｂ）に示すように、弁孔２１の開口周縁部を囲むように例えば、凹溝２２が形成されている。
【００１９】
ここで、弁体基板１は、弁体部１２における第１基板３への対向面に可動電極４を有しており、第１基板３は、可動電極４に対向する表面に固定電極５を有している。また、本参考例においては、可動電極４における固定電極５との対向面は、絶縁層６を備えており、可動電極４と固定電極５との間には勿論、絶縁層６と固定電極５との間にも、所定量のギャップを設けている。なお、可動電極４及び固定電極５の少なくとも一方の表面に、これら両電極４、５間の導通を防止するための絶縁層が形成されていればよい。
【００２０】
フレーム１１と弁座基板２との接合は、例えば、陽極接合にて行い、フレーム１１と第１基板３との接合は、接合層７を介して行う。この場合、接合層７を設けることで、絶縁層６と固定電極５との間のギャップが形成されている。なお、弁体基板１と第１基板３との接合を陽極接合にて行う場合、陽極接合用の電極がそのまま接合層７になる。また、接合層７がシリコンペースト等の接着剤であってもよく、この場合、接着剤の量を加減して接合層７の厚みを決定することができる。
【００２１】
可動電極４、固定電極５の材料は、例えばＡｌやＣｒの薄膜を用いる。また、絶縁層６の材料は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、高誘電体薄膜であるチタン酸ストロンチウム（ＳＴＯ）やチタン酸バリウム（ＢＴＯ）を用いる。また、シリコン基板からなる弁体基板１に可動電極４を形成する方法の一例として、イオン注入等によってシリコン基板の表面側に高不純物濃度領域（例えば、不純物濃度が約１０20ｃｍ-3程度の領域）を形成し、当該高不純物濃度領域を可動電極４として用いる方法を挙げることができる。
【００２２】
ここで、本参考例のマイクロバルブの動作について以下に説明する。本参考例のマイクロバルブは、可動電極４と固定電極５間に電圧を印加しない初期状態では、弁体部１２が弁孔２１をその接触圧によって塞ぐように弁孔２１の開口周辺領域に接触、つまり非接着状態にて接触させるような構成であり、当該マイクロバルブを開状態にするには、可動電極４と固定電極５と間に電圧を印加し、弁体部１２に働く流体の圧力に打ち勝つだけの静電引力を発生させて、弁体部１２を固定電極５側に引寄せる構成である。
【００２３】
なお、本参考例のマイクロバルブは、弁孔２１が閉じている状態において弁体部１２の下面と弁座基板２とが広い面積で密着するような構成になっていると、弁体部１２の下面と弁体部１２との界面でのエア抜きができなくなりやすく、例えばダンパー効果によりバルブの開閉応答性が悪くなる恐れがある。しかしながら、弁座基板２に上述の凹溝２２を設けることで、弁孔２１を閉じる瞬間及び開放する瞬間における前述の界面でのエア逃がしが行えるため、マイクロバルブの開閉応答性が比較的良好に確保される。
【００２４】
本参考例のマイクロバルブは、弁体部１２における第１基板３への対向面に可動電極４を設け、第１基板３における可動電極４に対向する表面に固定電極５を設け、可動電極４及び固定電極５の少なくとも一方の表面には、これら両電極４、５間の導通を防止するための絶縁層６を設けるとともに、絶縁層６と固定電極５との間には、所定量のギャップを設けて、可動電極４及び固定電極５の間に電圧を印加しない状態では、弁体部１２が弁孔２１をその接触圧により塞ぐようにして弁孔２１の開口周辺領域に接触させるようにすることで、流体流量の良好な制御が可能なノーマリークローズ型の構成を実現することができる。
【００２５】
また、本参考例のマイクロバルブは、絶縁層６と固定電極５との間のギャップ内に弁体部１２の変位する範囲を限定した構成にすることにより、過剰な変位による薄肉であるビーム１３の破損を防ぐことができ、更に、当該マイクロバルブの開状態でのギャップ量も一律に規定できるため、流体流量のばらつきを低減することが可能となる。
【００２６】
なお、図３、図４には、本参考例におけるマイクロバルブの変形例を示している。図３に示す構成のマイクロバルブは、例えば、弁体部１２の上面をエッチング加工し、フレーム１１の上面よりも低い形状とすることで、弁体部１２における第１基板３への対向面をフレーム１１に比べて薄肉にし、可動電極４と固定電極５との間のギャップは勿論、絶縁層６と固定電極５との間のギャップを形成する構成である。この場合、図２に示すような構成のマイクロバルブより接合層７を薄く設けるだけでよい。
【００２７】
また、図４に示す構成のマイクロバルブは、第１基板３における弁体部１２への対向面に凹部３１を設けて、絶縁層６と固定電極５との間のギャップを形成する構成である。この場合、図２に示すような構成のマイクロバルブより接合層７を薄く設けるだけでよい。なお、凹部３１は、弁体部１２の変位にともない弁体部１２が接触することのないような、例えば図４に示すように弁体部１２の形状にあわせた所望の凹形状であればよい。
【００２８】
（実施形態１）
本実施形態のマイクロバルブの基本構成は図２に示した参考例のマイクロバルブと同じであって、図１に示すように、弁体部１２と弁座基板２の対向面の弁体部１２側における接触部位の表面に弁体部１２と弁座基板２とが接触界面で固着するのを防止する微小突起８を備えた構成である。ここにおいて、図１は、図２（ｃ）でのＡ−Ａ断面に相当する箇所における概略断面図である。なお、参考例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。
【００２９】
弁体部１２と弁孔２１との相対面は、通常いずれも鏡面若しくはそれに近い状態となり、スティッキング現象が発生し易くなるが、本実施形態のマイクロバルブでは、複数の微小突起８により、弁体部１２と弁座基板２との接触界面中に介在するような、水分に起因する固着力を低減させ、スティッキング現象の発生を抑制することで信頼性の高いマイクロバルブの動作が実現できる。ここにおいて、微小突起８の突出高は、余り大きすぎると接触界面から流体の好ましくないリークを生じるので、接触界面からの流体リーク量が許容範囲に納まるように高さ設計する必要がある。
【００３０】
なお、微小突起８の形成方法は、例えば、弁体部１２を有する弁体基板１を構成するシリコン基板の基礎となるウエハの全面を酸化工程で酸化しておき、フォトリソグラフィ工程とエッチング工程とによって微小突起形成部分以外の酸化膜を選択的にエッチング除去する方法等により行う。微小突起８は、弁体部１２と一体化していなくても、別途形成した後、所望箇所に接着するような構成であっても勿論よい。また、微小突起８は、弁体部１２と弁座基板２との互いの対向面の少なくとも一方の接触部位の表面に形成されていればよい。
【００３１】
（実施形態２）
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、図５に示すように、第１基板３が少なくともフレーム１１の開口部全面を覆うサイズである点などが相違する。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。
【００３２】
図５に示す本実施形態のマイクロバルブの実施形態１との相違点は、第１基板３がフレーム１１の上面の全面を覆っており、第１基板３とフレーム１１との間に接合層７を備え、その接合層７の一部を除去して流体が出入りする微小な流入孔９（９ａ）を備えた点である。つまり、本実施形態においては、流体の出入りが可能な箇所は、流入孔９（９ａ）と弁孔２１のみである。
【００３３】
また、本実施形態のマイクロバルブの第１の変形例は、図６に示すように、図３の構成において第１基板３がフレーム１１の開口部全面を覆い、接合層７の一部を除去し、フレーム１１の一部をエッチング等により除去して微小な流入孔９（９ｂ）を備えた点が、第２の変形例は、図７に示すように、図４において第１基板３がフレーム１１の開口部全面を覆い、第１基板３に設けた凹部３１を基板の周辺部まで延設して微小な流入孔９（９ｃ）を備えた点が、第３の変形例は、図８に示すように、図２において第１基板３がフレーム１１の開口部全面を覆い、第１基板３に対して上下方向（厚み方向）に貫通する微小な流入孔９（９ｄ）を備えた点が、第４の変形例は、図９に示すように、図２において第１基板３がフレーム１１の開口部全面を覆い、弁座基板２に対して上下方向（厚み方向）に貫通する微小な流入孔９（９ｅ）を備えた点が実施形態１と相違する点である。
【００３４】
本実施形態のマイクロバルブは、第１基板３が少なくともフレーム１１の開口部全面を覆うサイズである場合、第１基板３、接合層７、フレーム１１、弁座基板２の少なくともいずれかに微小な流入孔９を設けることで、弁体部１２の変位する領域が略閉空間となる。これにより入力（流入）側の圧力と略閉空間の圧力に差が生じ、結果として略閉空間と流出側との圧力差が縮小されることになり、マイクロバルブの駆動に必要な発生力が小さくて済むので、駆動電圧の低減が図れる。
【００３５】
ここで、マイクロバルブの実装形態は、例えば、図１０に示すように、弁孔２１に連通する導通孔５１を備えた実装用基板（例えば、パッケージ）５０ａに図８に示したマイクロバルブの弁座基板２側を接着し、第１基板３側からマイクロバルブを覆うような例えば蓋５０ｂを設けた構成を例示することができる。なお、蓋５０ｂは、導通孔５２を備えている。この場合、マイクロバルブは、導通孔５２から流入孔９ｄへ流体を導入し、弁孔２１から導通孔５１へ流体を流出させる。
【００３６】
また、図１０の構成の場合、マイクロバルブは、平常時で弁体部１２と弁座基板２とが接触した状態であるため、入力側である流入孔９ｄから流体導入よる圧力が印加された場合でも、圧力が弁体部１２を弁座基板２に押し付ける方向に働き、逆止弁的な動作をするため、ノーマリクローズ（つまり、常時閉）型のマイクロバルブとして機能する。なお、マイクロバルブを開状態にするには、可動電極４と固定電極５と間に電圧を印加し、弁体部１２に働く圧力に打ち勝つだけの静電引力を発生させて、弁体部１２を固定電極５側に引寄せることにより実現できる。参考例および実施形態１において示したマイクロバルブに対しても勿論同様の効果を奏する。
【００３７】
また、マイクロバルブの他の実装形態としては、例えば、図１１に示すように、弁孔２１に連通する導通孔５３と弁座基板２に設けた流通孔９ｅに連通する導通孔５４を備えた実装用基板（例えば、パッケージ）５０ｃに図９に示したマイクロバルブの弁座基板２側を接着した構成を例示することができる。
【００３８】
この場合、マイクロバルブは、流体の滞留空間が当該マイクロバルブの内部、つまり弁体基板１と第１基板３との間の空間だけに略限定されるので、デッドボリュームを低減する構成となる。
【００３９】
本実施形態のマイクロバルブは、図示していないが、実施形態１と同様、弁体部１２と弁座基板２の対向面の少なくとも一方の接触部位の表面に、弁体部１２と弁座基板２とが接触界面で固着するのを防止する微小突起を備えた構成である。
【００４０】
（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、図１２に示すように、弁体基板１と第１基板３の間に可動電極用電極パッド４０と固定電極用電極パッド５０を設けた点が相違する。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。
【００４１】
本実施形態においては、参考例及び実施形態１に示したマイクロバルブを基本構成にして、図１２に示すように、接合層７をＡｌ等の電極で構成し、固定電極５を可動電極４に対向する表面部分だけから更にフレーム１１の一端部まで延設し、弁体基板１における第１基板３の対向面に絶縁層６を設けた構成である。なお、この絶縁層６は、図１２に示すように、弁体基板１と可動電極用電極パッド４０とを電気的に接続させるために、フレーム１１の一部には設けていない。
【００４２】
可動電極４と電気的に接続する可動電極用電極パッド４０は、前述した絶縁層６を設けていない箇所を含む接合層７（図１２の右側の接合層７）を用いて構成する。また、固定電極５と電気的に接続する固定電極用電極パッド５０は、可動電極用電極パッド４０と電気的に分離された他の接合層７（図１２の左側の接合層７）を用いて固定電極５と電気的に接続して構成する。ここで、第１基板３は、可動電極用電極パッド４０、可動電極用電極パッド５０を上面に露出させるために、図１２に示すように、フレーム１１部分の全面を覆うような構成ではない。
【００４３】
本実施形態のマイクロバルブは、弁体基板１と第１基板３との間の接合層７を可動電極用電極パッド４０、固定電極用電極パッド５０と兼ねる構成とすることで、工数減により製造コストの削減を図ることができる。
【００４４】
なお、マイクロバルブは、図１３に示すように、図１２とは弁体基板１の上下方向を逆転させて構成であってもよい。この場合、可動電極４の面積をより大きくとることができるので、低電圧での駆動には有利な構成である。
【００４５】
本実施形態のマイクロバルブは、図示していないが、実施形態１と同様、弁体部１２と弁座基板２の対向面の少なくとも一方の接触部位の表面に、弁体部１２と弁座基板２とが接触界面で固着するのを防止する微小突起を備えた構成である。
【００４６】
（実施形態４）
本実施形態のマイクロバルブの基本構成は上述の図１３と略同じであって、図１４に示すように、弁体基板１と弁座基板２の間に可動電極用電極パッド４０を設けた点が相違する。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。
【００４７】
本実施形態においては、Ａｌ等の金属からなる導電性の接合層７１を弁座基板２におけるフレーム１１の対向面に形成し、図１４に示すように、この接合層７１の一部上面が露出するようにフレーム１１と接合することで、この接合層７１の一部が可動電極用電極パッド４０を構成している。なお、固定電極用電極パッド５０の構成は、実施形態３にて説明した構成と同様のため説明は省略する。
【００４８】
本実施形態のマイクロバルブは、弁体基板１と弁座基板２の間の接合層７１を可動電極用電極パッド４０と兼ね、弁体基板１と第１基板３との間の接合層７を固定電極用電極パッド５０と兼ねる構成とすることで、工数減により製造コストの削減をはかることができる。
【００４９】
本実施形態のマイクロバルブは、図示していないが、実施形態１と同様、弁体部１２と弁座基板２の対向面の少なくとも一方の接触部位の表面に、弁体部１２と弁座基板２とが接触界面で固着するのを防止する微小突起を備えた構成である。
【００５０】
（実施形態５）
本実施形態のマイクロバルブは、実施形態４のマイクロバルブの変形形態であって、図１５に示すように、フレーム１１と弁座基板２との間に設けたＡｌ等の金属からなる導電性の接合層７１と、弁孔２１を介して弁座基板２の上下（表裏）が電気的に導通するＡｌ、Ａｕ、Ｃｒ等の材料からなる金属配線７２を備え、接合層７１と金属配線７２とを電気的に接続することにより、この金属配線７２の弁座基板２下面（裏面）の箇所を可動電極用電極パッド４０として用い、弁座基板２の弁体基板１との接合面とは反対面に可動電極用電極パッド４０を取り出す構成である。ここにおいて、金属配線７２と可動電極用電極パッド４０とは各々別途形成しそれらを電気的に接続するようにした構成であってもよい。なお、実施形態４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。
【００５１】
本実施形態のマイクロバルブは、可動電極用電極パッド４０をバルブチップの下面（裏面）側に取り出すことができるので、表面実装によりパッケージの小型化や低背化が可能となる。また、可動電極用電極パッド４０のためにチップの面積を割く必要がないため、チップの小型化及び製造コストの削減を図ることができる。
【００５２】
本実施形態のマイクロバルブは、図示していないが、実施形態１と同様、弁体部１２と弁座基板２の対向面の少なくとも一方の接触部位の表面に、弁体部１２と弁座基板２とが接触界面で固着するのを防止する微小突起を備えた構成である。
【００５３】
（実施形態６）
図１６に示す本実施形態のマイクロバルブの基本構成は実施形態５と略同じであって、実施形態５における弁体基板１がＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いて形成されている点が相違する。なお、実施形態５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。
【００５４】
本実施形態と実施形態５との異なる点は、弁体基板１が活性層１０１、中間酸化膜１０２、支持層１０３からなるＳＯＩ基板を用いて形成されており、弁体基板１における第１基板３との対向面に活性層１０１を配置して、活性層１０１から支持層１０３まで貫通し導電性を有する例えば凹状導電層７３を設けた点である。
【００５５】
本実施形態のマイクロバルブは、凹状導電層７３が例えば導電性の膜であり、凹状導電層７３にて活性層１０１と支持層１０３とを電気的に接続し活性層１０１、支持層１０３を導通させ、弁体基板１内を通じて可動電極４を可動電極用電極パッド４０まで引き出した構成である。
【００５６】
本実施形態のマイクロバルブは、弁体基板１にＳＯＩ基板を採用することができ、薄肉のビーム１３を厚み精度よく均一に作ることができる。また、このことにより、チップ間ばらつきを低減させる効果や、チップ内のビーム１３の厚みの不均一性に起因する弁体部１２、ビーム１３の傾きを低減して当該マイクロバルブの動作を安定化させる等の効果が生まれる。
【００５７】
本実施形態のマイクロバルブは、図示していないが、実施形態１と同様、弁体部１２と弁座基板２の対向面の少なくとも一方の接触部位の表面に、弁体部１２と弁座基板２とが接触界面で固着するのを防止する微小突起を備えた構成である。
【００５８】
（実施形態７）
図１７に示す本実施形態のマイクロバルブは、実施形態６と同様に弁体基板１がＳＯＩ基板を用いて形成されている。なお、実施形態６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。
【００５９】
本実施形態と実施形態６との異なる点は、フレーム１１における弁体部１２への対向面に、活性層１０１と支持層１０３とを電気的に接続する導電性を有する導電層７４を設けた点である。なお、図１７に示すように、本実施形態においては、ビーム１３にもＡｌ、Ａｕ、Ｃｒ等の導電層７５を設け、弁体部１２にも導電層を設けてこの導電層の第１基板３に面する側を用いて可動電極４を形成する。なお、導電層７４，７５、弁体部１２に設ける導電層は、同一の導電層として弁体基板１に一括して同時に形成してもよい。
【００６０】
本実施形態のマイクロバルブは、導電層７４が例えば導電性の膜であり、導電層７４にて活性層１０１と支持層１０３とを電気的に接続し活性層１０１、支持層１０３を導通させ、フレーム１１の壁面を通じて可動電極４を可動電極用電極パッド４０まで引き出した構成である。
【００６１】
ところで、本実施形態のマイクロバルブは、弁体基板１にＳＯＩ基板を採用することができ、薄肉のビーム１３を厚み精度よく均一に作ることができる。また、このことにより、チップ間ばらつきを低減させる効果や、チップ内のビーム１３の厚みの不均一性に起因する弁体部１２、ビーム１３の傾きを低減して当該マイクロバルブの動作を安定化させる等の効果が生まれる。また、活性層１０１と支持層１０３との接続部の面積を大きく取ることができるので、接続部の断線の危険性を低減し、信頼性を高めることができる。
【００６２】
本実施形態のマイクロバルブは、図示していないが、実施形態１と同様、弁体部１２と弁座基板２の対向面の少なくとも一方の接触部位の表面に、弁体部１２と弁座基板２とが接触界面で固着するのを防止する微小突起を備えた構成である。
【００６３】
（実施形態８）
図１８に示す本実施形態のマイクロバルブは、第１基板３が図８に示したような厚み方向に貫通する流入孔９ｄを備えており、第１基板３における弁体基板１の非対向面、つまり、第１基板３の上面に、可動電極用電極パッド４０と固定電極用電極パッド５０を備えた構成である。
【００６４】
また、本実施形態のマイクロバルブにおける、フレーム１１と弁座基板２との間には実施形態３等に示したＡｌ等の電極等の接合層７を備え、第１基板の上下（表裏）には、流入孔９ｄを介して電気的に導通するようにＡｌ等の材料からなる金属配線７６が形成されており、金属配線７６と接合層７とを電気的に接続することにより可動電極用電極パッド４０を第１基板３における弁体基板１の非対向面、つまり、第１基板３の上面に取り出した構成となっている。
【００６５】
また、固定電極５についても、可動電極４と同様に、第１基板３の上下には流入孔９ｄを介して電気的に導通するようにＡｌ等の材料からなる金属配線７７を形成し、固定電極５と金属配線７７とを電気的に接続することにより、固定電極用電極パッド５０を第１基板３の上面に取り出した構成となっている。
【００６６】
本実施形態のマイクロバルブは、可動電極用電極パッド４０、固定電極用電極パッド５０を第１基板３の上面（表面）側に取り出すことができるので、チップ表面側を下にしてパッケージに表面実装することにより、パッケージの小型化、低背化、及びチップの小型化及び製造コスト削減をはかることができる。
【００６７】
本実施形態のマイクロバルブは、図示していないが、実施形態１と同様、弁体部１２と弁座基板２の対向面の少なくとも一方の接触部位の表面に、弁体部１２と弁座基板２とが接触界面で固着するのを防止する微小突起を備えた構成である。
【符号の説明】
【００６８】
１ 弁体基板
２ 弁座基板
３ 第１基板
８ 微小突起
１１ フレーム
１２ 弁体部
１３ ビーム
２１ 弁孔
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板をマイクロマシンニング加工して形成した弁体基板を使用し、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。
【背景技術】
【０００２】
従来から、マイクロエレクトロニクス分野や医療機器用途等における流体制御部品として、シリコン基板等の半導体基板をマイクロマシンニング技術により微細構造加工してバルブ部材としてのマイクロ構造体を形成し、これを用いて流体の流通制御をできるようにしたマイクロバルブが各所で研究開発されている。一般に、この種のマイクロバルブ（半導体マイクロバルブ）では、バルブ部材に弁孔を開閉するための弁体が形成されており、前記弁孔を有する弁座基板部材と前記バルブ部材とを一体に組合せて構成し、前記バルブ部材に形成した弁体を前記弁座基板部材に対し変位動作させることにより前記弁孔を開閉して当該弁孔を流れる流体の流通を制御できるようになっている。この半導体マイクロバルブの弁開閉動作の駆動方式としては、いわゆるバイメタル原理を応用した熱駆動型と対向電極間に生じる静電気力を利用した静電駆動型がある（例えば、特許文献１，２）。なお、特許文献２に開示されたマイクロバルブは、ノーマリーオープン型である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２１９６９４号公報
【特許文献２】特開昭６３−３０７９５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、マイクロバルブにおける弁体と弁孔との相対面は、通常いずれも鏡面若しくはそれに近い状態に形成されており、スティッキング（つまり、固着）現象が発生し易くなってしまい、信頼性が低くなってしまう。
【０００５】
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、スティッキング現象の発生を抑制することで信頼性の高い動作を実現できるマイクロバルブを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の発明は、半導体基板を用いて形成され、フレームと、該フレームの開口内に配置された弁体部と、該弁体部と前記フレームとを連結し、前記弁体部が前記フレームに対し前記半導体基板の厚み方向に変位可能となる撓み性を有する薄肉のビームと、を備える弁体基板と、表面に開口する弁孔を有し、該弁孔に前記弁体部が一致するようにして前記フレームを表面に固定することにより前記弁体基板が搭載される弁座基板と、前記弁体基板における前記弁座基板側とは反対側の表面に搭載される第１基板と、を具備するマイクロバルブであって、前記弁体部と前記弁座基板との互いの対向面の少なくとも一方の表面に、前記弁孔を弁体部で閉止した状態において流体リーク量が許容範囲に納まるように高さ設計され前記弁体部と前記弁座基板とが固着するのを防止する複数の微小突起が設けられてなることを特徴とする。
【０００７】
この発明によれば、スティッキング現象の発生を抑制することで信頼性の高い動作を実現できる。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記微小突起は、前記弁体部のみに設けられてなることを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、製造プロセスの簡略化を図れる。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記半導体基板は、シリコン基板であり、前記微小突起の材料は、ＳｉＯ２であることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、前記微小突起を酸化工程とフォトリソグラフィ工程とエッチング工程とで形成することができる。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記微小突起は、前記弁座基板のみに設けられてなることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、製造プロセスの簡略化を図れる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、スティッキング現象の発生を抑制することで信頼性の高い動作を実現できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態１のマイクロバルブを示す概略断面図である。
【図２】参考例のマイクロバルブを示し、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は概略断面図、（ｃ）は要部概略平面図である。
【図３】同上のマイクロバルブの変形例を示す概略断面図である。
【図４】同上のマイクロバルブの変形例を示す概略断面図である。
【図５】実施形態２のマイクロバルブの基本構成を示し、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は概略断面図である。
【図６】同上のマイクロバルブの変形例の基本構成を示す概略断面図である。
【図７】同上のマイクロバルブの変形例の基本構成を示す概略断面図である。
【図８】同上のマイクロバルブの変形例の基本構成を示す概略断面図である。
【図９】同上のマイクロバルブの変形例の基本構成を示す概略断面図である。
【図１０】図８のマイクロバルブの実装形態の基本構成を示す概略断面図である。
【図１１】図９のマイクロバルブの実装形態の基本構成を示す概略断面図である。
【図１２】実施形態３のマイクロバルブの基本構成を示す概略断面図である。
【図１３】同上のマイクロバルブの変形例の基本構成を示す概略断面図である。
【図１４】実施形態４のマイクロバルブの基本構成を示す概略断面図である。
【図１５】実施形態５のマイクロバルブの基本構成を示す概略断面図である。
【図１６】実施形態６のマイクロバルブの基本構成を示す概略断面図である。
【図１７】実施形態７のマイクロバルブの基本構成を示す概略断面図である。
【図１８】実施形態８のマイクロバルブの基本構成を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（参考例）
本参考例のマイクロバルブは、図２に示すように、半導体基板を用いて形成された弁体基板１と、弁座基板２と、第１基板３とを備えている。なお、マイクロバルブの上下方向は、実際の使用状態での方位性に依存するため一義的に規定できないが、本参考例の記述では説明の便宜上、図２（ｂ）における弁座基板２の配置側を下側、第１基板３の配置側を上側というように上下方向を規定するものとする。また、図２（ｂ）は、図２（ｃ）でのＡ−Ａ断面に相当する箇所における概略断面図である。
【００１７】
弁体基板１は、半導体基板であるシリコン基板をマイクロマシンニング加工することにより形成されたいわゆるＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）構造体であって、例えば、前記シリコン基板の主面の中央領域に略正方形に開口を有するとともに上下方向（前記シリコン基板の厚み方向）から見た外形の平面視も矩形状に形成されたフレーム１１と、フレーム１１の開口内に配置された弁体部１２と、弁体部１２とフレーム１１を連結し弁体部１２がフレーム１１に対し上下方向に変位可能となる撓み性を有する薄肉のビーム１３とを備えた構成である。なお、本参考例においては、弁体基板１は、例えば、４本のビーム１３を有し、各ビーム１３は、フレーム１１内の各辺から延出して略卍状をなすよう配置されている。
【００１８】
弁座基板２は、例えば、ガラス基板を用いて形成され、上面（表面）に開口する弁孔２１を有し、弁孔２１に弁体部１２が一致するようにしてフレーム１１を表面に固定することによって弁体基板１が搭載される構成である。また、第１基板３は、例えば、ガラス基板で構成され、弁体基板１の上面に搭載される。なお、本参考例においては、図２（ａ）に示すように、第１基板３は、流体の流れを確保するために、フレーム１１の上面の全面を覆う必要はない。また、弁座基板２の上面には、図２（ｂ）に示すように、弁孔２１の開口周縁部を囲むように例えば、凹溝２２が形成されている。
【００１９】
ここで、弁体基板１は、弁体部１２における第１基板３への対向面に可動電極４を有しており、第１基板３は、可動電極４に対向する表面に固定電極５を有している。また、本参考例においては、可動電極４における固定電極５との対向面は、絶縁層６を備えており、可動電極４と固定電極５との間には勿論、絶縁層６と固定電極５との間にも、所定量のギャップを設けている。なお、可動電極４及び固定電極５の少なくとも一方の表面に、これら両電極４、５間の導通を防止するための絶縁層が形成されていればよい。
【００２０】
フレーム１１と弁座基板２との接合は、例えば、陽極接合にて行い、フレーム１１と第１基板３との接合は、接合層７を介して行う。この場合、接合層７を設けることで、絶縁層６と固定電極５との間のギャップが形成されている。なお、弁体基板１と第１基板３との接合を陽極接合にて行う場合、陽極接合用の電極がそのまま接合層７になる。また、接合層７がシリコンペースト等の接着剤であってもよく、この場合、接着剤の量を加減して接合層７の厚みを決定することができる。
【００２１】
可動電極４、固定電極５の材料は、例えばＡｌやＣｒの薄膜を用いる。また、絶縁層６の材料は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、高誘電体薄膜であるチタン酸ストロンチウム（ＳＴＯ）やチタン酸バリウム（ＢＴＯ）を用いる。また、シリコン基板からなる弁体基板１に可動電極４を形成する方法の一例として、イオン注入等によってシリコン基板の表面側に高不純物濃度領域（例えば、不純物濃度が約１０20ｃｍ-3程度の領域）を形成し、当該高不純物濃度領域を可動電極４として用いる方法を挙げることができる。
【００２２】
ここで、本参考例のマイクロバルブの動作について以下に説明する。本参考例のマイクロバルブは、可動電極４と固定電極５間に電圧を印加しない初期状態では、弁体部１２が弁孔２１をその接触圧によって塞ぐように弁孔２１の開口周辺領域に接触、つまり非接着状態にて接触させるような構成であり、当該マイクロバルブを開状態にするには、可動電極４と固定電極５と間に電圧を印加し、弁体部１２に働く流体の圧力に打ち勝つだけの静電引力を発生させて、弁体部１２を固定電極５側に引寄せる構成である。
【００２３】
なお、本参考例のマイクロバルブは、弁孔２１が閉じている状態において弁体部１２の下面と弁座基板２とが広い面積で密着するような構成になっていると、弁体部１２の下面と弁体部１２との界面でのエア抜きができなくなりやすく、例えばダンパー効果によりバルブの開閉応答性が悪くなる恐れがある。しかしながら、弁座基板２に上述の凹溝２２を設けることで、弁孔２１を閉じる瞬間及び開放する瞬間における前述の界面でのエア逃がしが行えるため、マイクロバルブの開閉応答性が比較的良好に確保される。
【００２４】
本参考例のマイクロバルブは、弁体部１２における第１基板３への対向面に可動電極４を設け、第１基板３における可動電極４に対向する表面に固定電極５を設け、可動電極４及び固定電極５の少なくとも一方の表面には、これら両電極４、５間の導通を防止するための絶縁層６を設けるとともに、絶縁層６と固定電極５との間には、所定量のギャップを設けて、可動電極４及び固定電極５の間に電圧を印加しない状態では、弁体部１２が弁孔２１をその接触圧により塞ぐようにして弁孔２１の開口周辺領域に接触させるようにすることで、流体流量の良好な制御が可能なノーマリークローズ型の構成を実現することができる。
【００２５】
また、本参考例のマイクロバルブは、絶縁層６と固定電極５との間のギャップ内に弁体部１２の変位する範囲を限定した構成にすることにより、過剰な変位による薄肉であるビーム１３の破損を防ぐことができ、更に、当該マイクロバルブの開状態でのギャップ量も一律に規定できるため、流体流量のばらつきを低減することが可能となる。
【００２６】
なお、図３、図４には、本参考例におけるマイクロバルブの変形例を示している。図３に示す構成のマイクロバルブは、例えば、弁体部１２の上面をエッチング加工し、フレーム１１の上面よりも低い形状とすることで、弁体部１２における第１基板３への対向面をフレーム１１に比べて薄肉にし、可動電極４と固定電極５との間のギャップは勿論、絶縁層６と固定電極５との間のギャップを形成する構成である。この場合、図２に示すような構成のマイクロバルブより接合層７を薄く設けるだけでよい。
【００２７】
また、図４に示す構成のマイクロバルブは、第１基板３における弁体部１２への対向面に凹部３１を設けて、絶縁層６と固定電極５との間のギャップを形成する構成である。この場合、図２に示すような構成のマイクロバルブより接合層７を薄く設けるだけでよい。なお、凹部３１は、弁体部１２の変位にともない弁体部１２が接触することのないような、例えば図４に示すように弁体部１２の形状にあわせた所望の凹形状であればよい。
【００２８】
（実施形態１）
本実施形態のマイクロバルブの基本構成は図２に示した参考例のマイクロバルブと同じであって、図１に示すように、弁体部１２と弁座基板２の対向面の弁体部１２側における接触部位の表面に弁体部１２と弁座基板２とが接触界面で固着するのを防止する微小突起８を備えた構成である。ここにおいて、図１は、図２（ｃ）でのＡ−Ａ断面に相当する箇所における概略断面図である。なお、参考例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。
【００２９】
弁体部１２と弁孔２１との相対面は、通常いずれも鏡面若しくはそれに近い状態となり、スティッキング現象が発生し易くなるが、本実施形態のマイクロバルブでは、複数の微小突起８により、弁体部１２と弁座基板２との接触界面中に介在するような、水分に起因する固着力を低減させ、スティッキング現象の発生を抑制することで信頼性の高いマイクロバルブの動作が実現できる。ここにおいて、微小突起８の突出高は、余り大きすぎると接触界面から流体の好ましくないリークを生じるので、接触界面からの流体リーク量が許容範囲に納まるように高さ設計する必要がある。
【００３０】
なお、微小突起８の形成方法は、例えば、弁体部１２を有する弁体基板１を構成するシリコン基板の基礎となるウエハの全面を酸化工程で酸化しておき、フォトリソグラフィ工程とエッチング工程とによって微小突起形成部分以外の酸化膜を選択的にエッチング除去する方法等により行う。微小突起８は、弁体部１２と一体化していなくても、別途形成した後、所望箇所に接着するような構成であっても勿論よい。また、微小突起８は、弁体部１２と弁座基板２との互いの対向面の少なくとも一方の接触部位の表面に形成されていればよい。
【００３１】
（実施形態２）
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、図５に示すように、第１基板３が少なくともフレーム１１の開口部全面を覆うサイズである点などが相違する。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。
【００３２】
図５に示す本実施形態のマイクロバルブの実施形態１との相違点は、第１基板３がフレーム１１の上面の全面を覆っており、第１基板３とフレーム１１との間に接合層７を備え、その接合層７の一部を除去して流体が出入りする微小な流入孔９（９ａ）を備えた点である。つまり、本実施形態においては、流体の出入りが可能な箇所は、流入孔９（９ａ）と弁孔２１のみである。
【００３３】
また、本実施形態のマイクロバルブの第１の変形例は、図６に示すように、図３の構成において第１基板３がフレーム１１の開口部全面を覆い、接合層７の一部を除去し、フレーム１１の一部をエッチング等により除去して微小な流入孔９（９ｂ）を備えた点が、第２の変形例は、図７に示すように、図４において第１基板３がフレーム１１の開口部全面を覆い、第１基板３に設けた凹部３１を基板の周辺部まで延設して微小な流入孔９（９ｃ）を備えた点が、第３の変形例は、図８に示すように、図２において第１基板３がフレーム１１の開口部全面を覆い、第１基板３に対して上下方向（厚み方向）に貫通する微小な流入孔９（９ｄ）を備えた点が、第４の変形例は、図９に示すように、図２において第１基板３がフレーム１１の開口部全面を覆い、弁座基板２に対して上下方向（厚み方向）に貫通する微小な流入孔９（９ｅ）を備えた点が実施形態１と相違する点である。
【００３４】
本実施形態のマイクロバルブは、第１基板３が少なくともフレーム１１の開口部全面を覆うサイズである場合、第１基板３、接合層７、フレーム１１、弁座基板２の少なくともいずれかに微小な流入孔９を設けることで、弁体部１２の変位する領域が略閉空間となる。これにより入力（流入）側の圧力と略閉空間の圧力に差が生じ、結果として略閉空間と流出側との圧力差が縮小されることになり、マイクロバルブの駆動に必要な発生力が小さくて済むので、駆動電圧の低減が図れる。
【００３５】
ここで、マイクロバルブの実装形態は、例えば、図１０に示すように、弁孔２１に連通する導通孔５１を備えた実装用基板（例えば、パッケージ）５０ａに図８に示したマイクロバルブの弁座基板２側を接着し、第１基板３側からマイクロバルブを覆うような例えば蓋５０ｂを設けた構成を例示することができる。なお、蓋５０ｂは、導通孔５２を備えている。この場合、マイクロバルブは、導通孔５２から流入孔９ｄへ流体を導入し、弁孔２１から導通孔５１へ流体を流出させる。
【００３６】
また、図１０の構成の場合、マイクロバルブは、平常時で弁体部１２と弁座基板２とが接触した状態であるため、入力側である流入孔９ｄから流体導入よる圧力が印加された場合でも、圧力が弁体部１２を弁座基板２に押し付ける方向に働き、逆止弁的な動作をするため、ノーマリクローズ（つまり、常時閉）型のマイクロバルブとして機能する。なお、マイクロバルブを開状態にするには、可動電極４と固定電極５と間に電圧を印加し、弁体部１２に働く圧力に打ち勝つだけの静電引力を発生させて、弁体部１２を固定電極５側に引寄せることにより実現できる。参考例および実施形態１において示したマイクロバルブに対しても勿論同様の効果を奏する。
【００３７】
また、マイクロバルブの他の実装形態としては、例えば、図１１に示すように、弁孔２１に連通する導通孔５３と弁座基板２に設けた流通孔９ｅに連通する導通孔５４を備えた実装用基板（例えば、パッケージ）５０ｃに図９に示したマイクロバルブの弁座基板２側を接着した構成を例示することができる。
【００３８】
この場合、マイクロバルブは、流体の滞留空間が当該マイクロバルブの内部、つまり弁体基板１と第１基板３との間の空間だけに略限定されるので、デッドボリュームを低減する構成となる。
【００３９】
本実施形態のマイクロバルブは、図示していないが、実施形態１と同様、弁体部１２と弁座基板２の対向面の少なくとも一方の接触部位の表面に、弁体部１２と弁座基板２とが接触界面で固着するのを防止する微小突起を備えた構成である。
【００４０】
（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、図１２に示すように、弁体基板１と第１基板３の間に可動電極用電極パッド４０と固定電極用電極パッド５０を設けた点が相違する。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。
【００４１】
本実施形態においては、参考例及び実施形態１に示したマイクロバルブを基本構成にして、図１２に示すように、接合層７をＡｌ等の電極で構成し、固定電極５を可動電極４に対向する表面部分だけから更にフレーム１１の一端部まで延設し、弁体基板１における第１基板３の対向面に絶縁層６を設けた構成である。なお、この絶縁層６は、図１２に示すように、弁体基板１と可動電極用電極パッド４０とを電気的に接続させるために、フレーム１１の一部には設けていない。
【００４２】
可動電極４と電気的に接続する可動電極用電極パッド４０は、前述した絶縁層６を設けていない箇所を含む接合層７（図１２の右側の接合層７）を用いて構成する。また、固定電極５と電気的に接続する固定電極用電極パッド５０は、可動電極用電極パッド４０と電気的に分離された他の接合層７（図１２の左側の接合層７）を用いて固定電極５と電気的に接続して構成する。ここで、第１基板３は、可動電極用電極パッド４０、可動電極用電極パッド５０を上面に露出させるために、図１２に示すように、フレーム１１部分の全面を覆うような構成ではない。
【００４３】
本実施形態のマイクロバルブは、弁体基板１と第１基板３との間の接合層７を可動電極用電極パッド４０、固定電極用電極パッド５０と兼ねる構成とすることで、工数減により製造コストの削減を図ることができる。
【００４４】
なお、マイクロバルブは、図１３に示すように、図１２とは弁体基板１の上下方向を逆転させて構成であってもよい。この場合、可動電極４の面積をより大きくとることができるので、低電圧での駆動には有利な構成である。
【００４５】
本実施形態のマイクロバルブは、図示していないが、実施形態１と同様、弁体部１２と弁座基板２の対向面の少なくとも一方の接触部位の表面に、弁体部１２と弁座基板２とが接触界面で固着するのを防止する微小突起を備えた構成である。
【００４６】
（実施形態４）
本実施形態のマイクロバルブの基本構成は上述の図１３と略同じであって、図１４に示すように、弁体基板１と弁座基板２の間に可動電極用電極パッド４０を設けた点が相違する。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。
【００４７】
本実施形態においては、Ａｌ等の金属からなる導電性の接合層７１を弁座基板２におけるフレーム１１の対向面に形成し、図１４に示すように、この接合層７１の一部上面が露出するようにフレーム１１と接合することで、この接合層７１の一部が可動電極用電極パッド４０を構成している。なお、固定電極用電極パッド５０の構成は、実施形態３にて説明した構成と同様のため説明は省略する。
【００４８】
本実施形態のマイクロバルブは、弁体基板１と弁座基板２の間の接合層７１を可動電極用電極パッド４０と兼ね、弁体基板１と第１基板３との間の接合層７を固定電極用電極パッド５０と兼ねる構成とすることで、工数減により製造コストの削減をはかることができる。
【００４９】
本実施形態のマイクロバルブは、図示していないが、実施形態１と同様、弁体部１２と弁座基板２の対向面の少なくとも一方の接触部位の表面に、弁体部１２と弁座基板２とが接触界面で固着するのを防止する微小突起を備えた構成である。
【００５０】
（実施形態５）
本実施形態のマイクロバルブは、実施形態４のマイクロバルブの変形形態であって、図１５に示すように、フレーム１１と弁座基板２との間に設けたＡｌ等の金属からなる導電性の接合層７１と、弁孔２１を介して弁座基板２の上下（表裏）が電気的に導通するＡｌ、Ａｕ、Ｃｒ等の材料からなる金属配線７２を備え、接合層７１と金属配線７２とを電気的に接続することにより、この金属配線７２の弁座基板２下面（裏面）の箇所を可動電極用電極パッド４０として用い、弁座基板２の弁体基板１との接合面とは反対面に可動電極用電極パッド４０を取り出す構成である。ここにおいて、金属配線７２と可動電極用電極パッド４０とは各々別途形成しそれらを電気的に接続するようにした構成であってもよい。なお、実施形態４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。
【００５１】
本実施形態のマイクロバルブは、可動電極用電極パッド４０をバルブチップの下面（裏面）側に取り出すことができるので、表面実装によりパッケージの小型化や低背化が可能となる。また、可動電極用電極パッド４０のためにチップの面積を割く必要がないため、チップの小型化及び製造コストの削減を図ることができる。
【００５２】
本実施形態のマイクロバルブは、図示していないが、実施形態１と同様、弁体部１２と弁座基板２の対向面の少なくとも一方の接触部位の表面に、弁体部１２と弁座基板２とが接触界面で固着するのを防止する微小突起を備えた構成である。
【００５３】
（実施形態６）
図１６に示す本実施形態のマイクロバルブの基本構成は実施形態５と略同じであって、実施形態５における弁体基板１がＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いて形成されている点が相違する。なお、実施形態５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。
【００５４】
本実施形態と実施形態５との異なる点は、弁体基板１が活性層１０１、中間酸化膜１０２、支持層１０３からなるＳＯＩ基板を用いて形成されており、弁体基板１における第１基板３との対向面に活性層１０１を配置して、活性層１０１から支持層１０３まで貫通し導電性を有する例えば凹状導電層７３を設けた点である。
【００５５】
本実施形態のマイクロバルブは、凹状導電層７３が例えば導電性の膜であり、凹状導電層７３にて活性層１０１と支持層１０３とを電気的に接続し活性層１０１、支持層１０３を導通させ、弁体基板１内を通じて可動電極４を可動電極用電極パッド４０まで引き出した構成である。
【００５６】
本実施形態のマイクロバルブは、弁体基板１にＳＯＩ基板を採用することができ、薄肉のビーム１３を厚み精度よく均一に作ることができる。また、このことにより、チップ間ばらつきを低減させる効果や、チップ内のビーム１３の厚みの不均一性に起因する弁体部１２、ビーム１３の傾きを低減して当該マイクロバルブの動作を安定化させる等の効果が生まれる。
【００５７】
本実施形態のマイクロバルブは、図示していないが、実施形態１と同様、弁体部１２と弁座基板２の対向面の少なくとも一方の接触部位の表面に、弁体部１２と弁座基板２とが接触界面で固着するのを防止する微小突起を備えた構成である。
【００５８】
（実施形態７）
図１７に示す本実施形態のマイクロバルブは、実施形態６と同様に弁体基板１がＳＯＩ基板を用いて形成されている。なお、実施形態６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。
【００５９】
本実施形態と実施形態６との異なる点は、フレーム１１における弁体部１２への対向面に、活性層１０１と支持層１０３とを電気的に接続する導電性を有する導電層７４を設けた点である。なお、図１７に示すように、本実施形態においては、ビーム１３にもＡｌ、Ａｕ、Ｃｒ等の導電層７５を設け、弁体部１２にも導電層を設けてこの導電層の第１基板３に面する側を用いて可動電極４を形成する。なお、導電層７４，７５、弁体部１２に設ける導電層は、同一の導電層として弁体基板１に一括して同時に形成してもよい。
【００６０】
本実施形態のマイクロバルブは、導電層７４が例えば導電性の膜であり、導電層７４にて活性層１０１と支持層１０３とを電気的に接続し活性層１０１、支持層１０３を導通させ、フレーム１１の壁面を通じて可動電極４を可動電極用電極パッド４０まで引き出した構成である。
【００６１】
ところで、本実施形態のマイクロバルブは、弁体基板１にＳＯＩ基板を採用することができ、薄肉のビーム１３を厚み精度よく均一に作ることができる。また、このことにより、チップ間ばらつきを低減させる効果や、チップ内のビーム１３の厚みの不均一性に起因する弁体部１２、ビーム１３の傾きを低減して当該マイクロバルブの動作を安定化させる等の効果が生まれる。また、活性層１０１と支持層１０３との接続部の面積を大きく取ることができるので、接続部の断線の危険性を低減し、信頼性を高めることができる。
【００６２】
本実施形態のマイクロバルブは、図示していないが、実施形態１と同様、弁体部１２と弁座基板２の対向面の少なくとも一方の接触部位の表面に、弁体部１２と弁座基板２とが接触界面で固着するのを防止する微小突起を備えた構成である。
【００６３】
（実施形態８）
図１８に示す本実施形態のマイクロバルブは、第１基板３が図８に示したような厚み方向に貫通する流入孔９ｄを備えており、第１基板３における弁体基板１の非対向面、つまり、第１基板３の上面に、可動電極用電極パッド４０と固定電極用電極パッド５０を備えた構成である。
【００６４】
また、本実施形態のマイクロバルブにおける、フレーム１１と弁座基板２との間には実施形態３等に示したＡｌ等の電極等の接合層７を備え、第１基板の上下（表裏）には、流入孔９ｄを介して電気的に導通するようにＡｌ等の材料からなる金属配線７６が形成されており、金属配線７６と接合層７とを電気的に接続することにより可動電極用電極パッド４０を第１基板３における弁体基板１の非対向面、つまり、第１基板３の上面に取り出した構成となっている。
【００６５】
また、固定電極５についても、可動電極４と同様に、第１基板３の上下には流入孔９ｄを介して電気的に導通するようにＡｌ等の材料からなる金属配線７７を形成し、固定電極５と金属配線７７とを電気的に接続することにより、固定電極用電極パッド５０を第１基板３の上面に取り出した構成となっている。
【００６６】
本実施形態のマイクロバルブは、可動電極用電極パッド４０、固定電極用電極パッド５０を第１基板３の上面（表面）側に取り出すことができるので、チップ表面側を下にしてパッケージに表面実装することにより、パッケージの小型化、低背化、及びチップの小型化及び製造コスト削減をはかることができる。
【００６７】
本実施形態のマイクロバルブは、図示していないが、実施形態１と同様、弁体部１２と弁座基板２の対向面の少なくとも一方の接触部位の表面に、弁体部１２と弁座基板２とが接触界面で固着するのを防止する微小突起を備えた構成である。
【符号の説明】
【００６８】
１ 弁体基板
２ 弁座基板
３ 第１基板
８ 微小突起
１１ フレーム
１２ 弁体部
１３ ビーム
２１ 弁孔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板を用いて形成され、フレームと、該フレームの開口内に配置された弁体部と、該弁体部と前記フレームとを連結し、前記弁体部が前記フレームに対し前記半導体基板の厚み方向に変位可能となる撓み性を有する薄肉のビームと、を備える弁体基板と、
表面に開口する弁孔を有し、該弁孔に前記弁体部が一致するようにして前記フレームを表面に固定することにより前記弁体基板が搭載される弁座基板と、
前記弁体基板における前記弁座基板側とは反対側の表面に搭載される第１基板と、
を具備するマイクロバルブであって、
前記弁体部と前記弁座基板との互いの対向面の少なくとも一方の表面に、前記弁孔を弁体部で閉止した状態において流体リーク量が許容範囲に納まるように高さ設計され前記弁体部と前記弁座基板とが固着するのを防止する複数の微小突起が設けられてなることを特徴とするマイクロバルブ。
【請求項２】
前記微小突起は、前記弁体部のみに設けられて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３】
前記半導体基板は、シリコン基板であり、前記微小突起の材料は、ＳｉＯ２であることを特徴とする請求項２記載のマイクロバルブ。
【請求項４】
前記微小突起は、前記弁座基板のみに設けられて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１】
半導体基板を用いて形成され、フレームと、該フレームの開口内に配置された弁体部と、該弁体部と前記フレームとを連結し、前記弁体部が前記フレームに対し前記半導体基板の厚み方向に変位可能となる撓み性を有する薄肉のビームと、を備える弁体基板と、
表面に開口する弁孔を有し、該弁孔に前記弁体部が一致するようにして前記フレームを表面に固定することにより前記弁体基板が搭載される弁座基板と、
前記弁体基板における前記弁座基板側とは反対側の表面に搭載される第１基板と、
を具備するマイクロバルブであって、
前記弁体部と前記弁座基板との互いの対向面の少なくとも一方の表面に、前記弁孔を弁体部で閉止した状態において流体リーク量が許容範囲に納まるように高さ設計され前記弁体部と前記弁座基板とが固着するのを防止する複数の微小突起が設けられてなることを特徴とするマイクロバルブ。
【請求項２】
前記微小突起は、前記弁体部のみに設けられて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３】
前記半導体基板は、シリコン基板であり、前記微小突起の材料は、ＳｉＯ２であることを特徴とする請求項２記載のマイクロバルブ。
【請求項４】
前記微小突起は、前記弁座基板のみに設けられてなることを特徴とする請求項１記載のマイクロバルブ。
【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１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【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１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２００９−１８６０１７（Ｐ２００９−１８６０１７Ａ）
【公開日】平成２１年８月２０日（２００９．８．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１２７０３３（Ｐ２００９−１２７０３３）
【出願日】平成２１年５月２６日（２００９．５．２６）
【分割の表示】特願２００３−４２０３８０（Ｐ２００３−４２０３８０）の分割
【原出願日】平成１５年１２月１８日（２００３．１２．１８）
【出願人】（０００００５８３２）パナソニック電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月２０日（２００９．８．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月２６日（２００９．５．２６）
【分割の表示】特願２００３−４２０３８０（Ｐ２００３−４２０３８０）の分割
【原出願日】平成１５年１２月１８日（２００３．１２．１８）
【出願人】（０００００５８３２）パナソニック電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
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