静電駆動型半導体マイクロバルブ
【課題】流体の良好な制御と低消費電力化の両立が高いレベルで達成できる静電駆動型半導体マイクロバルブを提供する。
【解決手段】バルブ構造体１は、フレーム１０と、フレーム１０の開口内に配置された弁体部１１と、ビーム１２とを有する。弁座２は、表面開口する弁孔２０を有し、弁孔２０に弁体部１１が一致するようバルブ構造体１が搭載されている。弁体部１１と弁座２の対向面には、可動電極層１３と固定電極層２１が形成され、可動電極層１３の表面には、絶縁層３が形成されている。弁体部１１は、初期状態で弁孔２０をその接触圧によって塞ぐように弁孔２０の開口周辺領域に接触している。弁座２の上表面には、弁孔２０の開口周縁部２５を囲むように、環状凹溝（環状溝部）２４が形成され、また、環状凹溝２４に一端が連通するとともに他端が開放した凹溝（連通溝部）２４ａが形成されている。
【解決手段】バルブ構造体１は、フレーム１０と、フレーム１０の開口内に配置された弁体部１１と、ビーム１２とを有する。弁座２は、表面開口する弁孔２０を有し、弁孔２０に弁体部１１が一致するようバルブ構造体１が搭載されている。弁体部１１と弁座２の対向面には、可動電極層１３と固定電極層２１が形成され、可動電極層１３の表面には、絶縁層３が形成されている。弁体部１１は、初期状態で弁孔２０をその接触圧によって塞ぐように弁孔２０の開口周辺領域に接触している。弁座２の上表面には、弁孔２０の開口周縁部２５を囲むように、環状凹溝（環状溝部）２４が形成され、また、環状凹溝２４に一端が連通するとともに他端が開放した凹溝（連通溝部）２４ａが形成されている。
【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バルブ構造体を使用し、流体の流れを制御するマイクロバルブに関し、詳しくは静電気力により流体の流れる弁孔の開閉動作を行う静電駆動型半導体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などにおける流体制御部品として、シリコン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。
【０００３】
一般に、この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前記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式と対向電極間に生じる静電気力を利用した静電駆動式がある。そのうち後者方式のものの一例として、例えば特許文献１に開示されたような弁素子がある。
【０００４】
この弁素子は、流体が通過するノズルが形成されたノズルプレートと、電極板と、この電極板を被覆する絶縁層と、前記ノズルを開閉するバルブが屈撓部分に一体的に形成されている可撓性で導電性のあるバルブビームから構成されている。前記電極板と前記電極板を被覆する前記絶縁層は、前記ノズルプレートに積層配置されており、前記バルブビームの屈撓部分は、前記電極板上の前記絶縁層に対して所定の間隔を保持した配置となっており、前記電極板と前記バルブビームとの間に電圧を印加したとき、前記バルブビームの屈撓により前記バルブが前記ノズルを開閉するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】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】
【０００６】
ところで、対向する電極間に生ずる静電気力の大きさは、両電極の表面が平行で且つ一定電圧が印加される条件下で、エネルギー損失を考慮しないものとすると、理論上は次式の如く算出される。
【０００７】
静電気力［Ｎ］＝（１／２）×（印加電圧［Ｖ］）2×（電極面積［ｍ2］）2×（電極間物質の誘電率［Ｃ／Ｎ・ｍ2］）／（電極間距離［ｍ］）2
上式から、電極間に生ずる静電気力は、電極間距離が大きくなるとその２乗に比例して小さくなることがわかる。この点を勘案して、従来技術として示した前記特許文献１に記載の弁素子について考察すると、この弁素子は、前記ノズルビームが導電性であり、電圧を印加しない初期状態では、前記電極板とは前記絶縁層を介して所定の間隔を保持して対向した配置となっているので、前記バルブを変位させて前記ノズルを開閉し前記ノズルを流れる流体の流通を良好に制御するためにより大きな静電気力を得るには、前記所定の間隔を小さく設計したり、印加電圧を大きくしたり、或いは電極面積を大きくすることになる。
【０００８】
しかしながら、前記所定の間隔が余り小さいと前記ノズルを開放状態にしたときに良好な流体の流通を確保できなくなるため、少なくともある一定距離以上の間隔は必ず確保されなければならず、更に大きな静電気力を得るには、印加電圧や電極面積の大きさ設定に依存することとなる。
【０００９】
これに加え、前記所定の間隔が開いた初期状態から電圧印加して前記バルブを前記ノズルに当接するまで変位させ前記ノズルを閉止するときには、単に前記バルブを前記ノズル側に引き寄せる力だけでなく、バルブビームが撓むときに元の状態に戻ろうとする復元弾性に抗するための力も要するため、前記弁孔を流れる流体圧に抗するよりも大きい静電気力が必要である。
【００１０】
これに対し、近年ではデバイスの小型化傾向にあるため、電極面積を大きくする設計は、デバイスのサイズを大きくする要因となり望ましくない。また、近年は低消費電力化も要望されているため、印加電圧を大きくすることはこれと相反する結果となり望ましくない。従って、前記従来技術に係る弁素子の構造では、小型化を追求する上で、ノズルを流れる流体の良好な制御と低消費電力化とを高いレベルで両立するには限界があった。
【００１１】
本発明は、上記事由に鑑みて為されたものであり、流体の良好な制御と低消費電力化の両立が高いレベルで達成できる静電駆動型半導体マイクロバルブ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】
【００１２】
請求項１の発明は、半導体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、開口部を有するフレームと、該フレームの開口部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、を備えるバルブ構造体と、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って前記バルブ構造体が搭載される弁座と、を具備し、前記バルブ構造体は、前記弁体部における前記弁座への対向面において形成された可動電極層を有し、前記弁座は、前記表面において前記可動電極層に対向するよう形成された固定電極層を有し、前記可動電極層と前記固定電極層との少なくとも一方の表面には、これら両電極層間の導通を防止するための絶縁層が形成され、前記弁体部は、前記可動電極層と前記固定電極層との間に電圧を印加しない状態では、前記弁孔をその接触圧により塞ぐようにして前記弁孔の開口周辺領域に接触しており、前記可動電極層と前記固定電極層との間に電圧を印加した状態では、これら両電極層間に前記弁孔を閉止する静電気力が発生するものであり、前記弁座における前記弁体部への対向面、又は前記弁体部における前記弁座への対向面には、前記弁孔の開口周縁部を内側に含むような環状溝部を形成するとともに、該環状溝部に少なくとも一端が連通する連通溝部を形成してなることを特徴とする。
【００１３】
ここで、前述の「前記可動電極層と前記固定電極層との間に電圧を印加しない状態では、前記弁孔をその接触圧により塞ぐようにして前記弁孔の開口周辺領域に接触して」とは、電圧が印加されず且つ前記弁孔に流体圧がかかっていない状況下（以下、初期状態と称する。）にあるときには、前記弁体部が前記弁孔の開口周辺領域に接触していることを意味している。
【００１４】
また、「接触圧」とは、この初期状態において前記弁体部が前記弁孔の開口周辺領域への接触する状態を保持するよう前記ビームの支持力にて前記弁体部が前記弁孔の開口周辺領域に押し付けられる比較的微小な圧力のことである。従って、電圧を印加しない状態であっても前記接触圧よりも大きな流体圧が前記弁孔に加わった場合には、前記弁体部は、押し上げられることになる。
【００１５】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブでは、前述のように、電圧を印加しない状態において、前記弁体部が前記弁座における前記弁孔の開口周辺領域に接触していることから、電圧印加して前記弁孔を閉止するときには、前記弁体部を変位させるエネルギーは無用であるため、必要となる前記静電気力は前記弁孔を流れる流体の圧力に抗するのに要する力だけとなる。
【００１６】
しかも、前記可動電極層と前記固定電極層との距離は、実質的に前記絶縁層の厚み分のみの最小限の大きさとなるため、電圧印加を開始した初期から最大の静電気力が効率良く得られるため、前記弁孔を閉止するのに要する消費電力が比較的小さくてすむ。
【００１７】
一方、前記弁孔を開放する場合には、電圧を印加しない状態で前記弁孔に前記弁体部の接触圧よりも大きい流体圧が加わると前記弁体部が押し上げられて開放状態となる。この前記弁孔の開放しやすさは、前記弁体部の接触圧に依存しており、前記弁体部の接触圧が小さければ小さな流体圧でも前記弁孔が開放するようになる。なお、前記弁体部の接触圧は、例えば前記ビームによる前記弁体部の支持力を調整することで、所望の大きさにすることが可能である。
【００１８】
以上のことから、請求項１の発明によれば、流体の良好な制御と低消費電力化の両立が高いレベルで達成できる。
【００１９】
また、請求項１の発明によれば、環状溝部及び連通溝部により、弁孔から流れ出る流体がスムーズに排出される。また、環状溝部及び連通溝部により、前記弁孔を閉じる瞬間及び開放する瞬間に密閉される界面のエア逃がしを行えるので、開閉応答性は、比較的良好に確保される。
【００２０】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記弁座における前記弁体部への対向面、又は前記弁体部における前記弁座への対向面には、前記弁孔の開口部を内側に含むよう環状に突出し、その先端面が前記弁孔の閉止状態における前記弁体部と前記弁座との封止面となる環状突状部が形成されてなることを特徴とする。
【００２１】
この発明によれば、環状突状部が前記対向面の他の部位より前記弁体部側に突出して前記弁体部に接触するので、確実な接触状態が得やすくなる。
【００２２】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の発明において、前記連通溝部は、前記一端とは反対の他端が外部に開放されてないことを特徴とする。
【００２３】
この発明によれば、製造時のダイシング等において異物が混入することを防止することができる。
【００２４】
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３の発明において、前記弁体部は、前記フレームに比べて薄肉に形成されていることを特徴とする。
【００２５】
この発明によれば、前記弁体部を前記フレームに比べて薄肉に形成することで、前記弁体部の質量が小さくなるため、前記弁孔の開閉動作を行いやすくなる。
【００２６】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記弁体部は、前記可動電極層が形成されている面とは反対側には凹所を備えていることを特徴とする。
【００２７】
この発明によれば、前記凹所を容易に形成することができるので、前記弁体部を容易に薄肉化することができる。
【００２８】
請求項６の発明は、請求項４の発明において、前記弁体部は、前記可動電極層が形成されている面とは反対側の面には補強リブを備えていることを特徴とする。
【００２９】
この発明によれば、前記補強リブを設けることで、前記弁体部に対する補強効果が得られる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明では、流体の良好な制御と低消費電力化の両立が高いレベルで達成できるという効果がある。また、本発明では、環状溝部及び連通溝部により、弁孔から流れ出る流体がスムーズに排出されるという効果があり、環状溝部及び連通溝部により、前記弁孔を閉じる瞬間及び開放する瞬間に密閉される界面のエア逃がしを行えるので、開閉応答性は、比較的良好に確保されるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】第１実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は他の概略断面図、（ｃ）は要部概略斜視図である。
【図２】同上における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略平面図である。
【図３】同上における静電駆動型半導体マイクロバルブの開放状態を示す概略断面図である。
【図４】同上における静電駆動型半導体マイクロバルブの開放状態を示す概略斜視図である。
【図５】同上におけるバルブ構造体の変形形態を示す概略断面図である。
【図６】同上における静電駆動型半導体マイクロバルブの他の変形形態を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は他の概略断面図である。
【図７】第２実施形態における弁座を示す概略断面図である。
【図８】第３実施形態における弁座を示す概略断面図である。
【図９】同上における弁体部を示す概略断面図である。
【図１０】同上における弁体部の変形形態を示す概略平面図である。
【図１１】同上における弁体部の他の変形形態を示す概略断面図である。
【図１２】実施形態１におけるバルブ構造体の上面側構造の加工プロセスを示す工程図である。
【図１３】同上におけるバルブ構造体の下面側構造の加工プロセスを示す工程図である。
【図１４】同上における弁座の加工プロセスを示す工程図及び概略断面図である。
【図１５】第４実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略平面図である。
【図１６】同上におけるバルブ構造体を弁座への搭載側からみた概略平面図である。
【図１７】同上におけるバルブ構造体の概略断面図である。
【図１８】同上における弁座の概略斜視図である。
【図１９】同上における静電駆動型半導体マイクロバルブにおける静電気力と比誘電率との関係説明図である。
【図２０】同上におけるバルブ構造体の変形形態を示す概略平面図である。
【図２１】同上におけるバルブ構造体の変形形態を示し、（ａ）は図２０の要部Ｈ１の拡大平面図、（ｂ）は図２０の要部Ｈ２の拡大平面図である。
【図２２】同上におけるビームの変形形態を示す概略平面図である。
【図２３】同上におけるビームの他の変形形態を示す概略平面図である。
【図２４】第５実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略断面図である。
【図２５】同上における他の静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略断面図である。
【図２６】同上における他の静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略断面図である。
【図２７】同上における他の静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略斜視図である。
【図２８】同上におけるバルブ構造体にストッパ片を設けた静電駆動型半導体マイクロバルブを示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。
【図２９】第６実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は一部破断した概略斜視図である。
【図３０】同上における静電駆動型半導体マイクロバルブの変形形態を示す概略断面図である。
【図３１】同上における静電駆動型半導体マイクロバルブの他の変形形態を示す概略断面図である。
【図３２】第７実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略断面図である。
【図３３】第８実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略断面図である。
【図３４】第９実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略断面図である。
【図３５】第１０実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略断面図である。
【図３６】第１１実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略断面図である。
【図３７】第１２実施形態における弁座を示す概略平面図である。
【図３８】同上における弁座の他の変形形態を示す概略平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において、同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。
【００３３】
まず、第１実施形態を図１乃至図４に基づいて説明する。なお、図１（ａ）は図２のＸ−Ｘ断面の概略断面図であり、図１（ｂ）は図２のＹ−Ｙ断面の概略断面図である。また、図３は開放状態の概略断面図、図４は開放状態の概略斜視図である。
【００３４】
図１乃至図４に示すように、静電駆動型半導体マイクロバルブは、バルブ構造体１と、このバルブ構造体１が搭載される弁座２とを一体に組合せることで構成されている。ここで、静電駆動型半導体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、第１実施形態の記述では説明の便宜上、図１（ａ），（ｂ）に示すように、弁座２の配置側を下側、バルブ構造体１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。
【００３５】
バルブ構造体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、シリコン基板の主面の中央領域に略正方形に開口する開口部１０ａを有するとともに上下方向（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１０と、フレーム１０の開口部１０ａ内に配置された弁体部１１と、弁体部１１とフレーム１０を連結し、弁体部１１がフレーム１０に対し上下方向に変位可能となる撓み性を有する４本の薄肉のビーム１２とを有している。
【００３６】
図２に示すように、バルブ構造体１において、フレーム１０は、上方から見た平面視が長方形となっており、開口部１０ａは、この長方形の一方の短辺側に幾分偏って形成されていて、他方の短辺側におけるフレーム片の幅寸法が大きくなっている。バルブ構造体１は、この幅寸法が大きいフレーム片の位置において、外向きに開放する切欠部１６を備えている。
【００３７】
また、フレーム１０の開口部１０ａ内には、フレーム１０と弁体部１１との間にこれらを離間する分離領域が弁体部１１を囲むよう形成されており、各ビーム１２は、この分離領域内にてバルブ構造体１の下部側に配置されて、フレーム１０の内壁下端部と弁体部１１の下端部とを接続している。
【００３８】
ここで、第１実施形態においては、バルブ構造体１において前述の分離領域のうちビーム１２よりも上側部分は、異方性エッチングにより掘り込み形成されており、故にフレーム１０の内壁及び弁体部１１の外周側壁は、前述の分離領域の幅寸法が下方向に狭小するテ−パ状を成す傾斜面となっている。なお、前述の分離領域は、ＲＩＥ（reactive ion etching）やＩＣＰエッチング（Inductively coupled plasma etching）等のドライエッチングにより垂直に掘り込まれたものであってもよい。
【００３９】
また、弁体部１１を支持している４本のビーム１２は、バルブ構造体１を上方から見た平面視において、弁体部１１を中心として９０度回転させたときのビーム１２の回転写像が隣の他のビーム１２と重なるような略卍状を成すものとなっている。より詳しく述べると、４本の各ビーム１２は各々、その基端がフレーム１０の各内側コーナー近傍位置においてこの内側コーナーで交差するフレーム１０の内側壁の２辺のうちの一辺に連結されており、且つフレーム１０の前記内側コーナーで交差する他辺側の内側壁と弁体部１１の側壁との間（分離領域）に沿って前記基端から先端部に向かって延設され、ビーム１２の先端部は、弁体部１１の方に屈曲して弁体部１１のコーナー辺りに連結されている。
【００４０】
第１実施形態では、ビーム１２の配置は、フレーム１０と弁体部１１とを最短距離で結ぶのではなく、４本のビーム１２が略卍状を成すようフレーム１０と弁体部１１との間の分離領域に沿わせて延設したものとしていることで、前述の分離領域の幅が狭くともビーム１２の長さを大きく取れるため、バルブ構造体１のサイズの小型化設計が容易である。また、弁体部１１が上方に変位するとき、シリコン基板の主面と平行な面において、回転を伴いながら高い位置までの変位ストロークが可能となる。
【００４１】
また、第１実施形態においては、バルブ構造体１の下面、すなわちフレーム１０と弁体部１１と各ビーム１２の下面には、アルミニウム等からなる金属層１４が形成されており、また、バルブ構造体１の上面及び側面にもアルミニウム等からなる金属層１５がフレーム１０と弁体部１１と各ビーム１２を覆うよう形成されており、この金属層１５は、金属層１４とバルブ構造体１の側面下端部辺りで一体接続している。金属層１４の下表面には、金属層１４が弁座２側に導通するのを防止するための絶縁層３が形成されている。
【００４２】
第１実施形態においては、このバルブ構造体１の下面に形成した金属層１４のうち、弁体部１１の下面部分が後述する弁座２の固定電極層２１に対向する可動電極層１３として機能するものとなっている。また、バルブ構造体１の下面における長辺側の両端部には、弁座２の上表面への接合用アルミニウム層４が帯状に設けられている。
【００４３】
ここで、本発明の好ましい態様では、ビーム１２は、弁体部１１を弁座２における弁孔２０の開口周辺領域に対し押し付ける弾性力を有していることが望まれる。つまり、この弾性力により、弁孔２０に対する弁体部１１の良好な接触状態を確実に得ることができるからである。例えば、静電駆動型半導体マイクロバルブがバルブ構造体１と弁座２の配置が上下反対となるような状態で使用される場合を想定すると、弁体部１１の自重による重力は、弁体部１１が弁孔２０から離れる方向に働くこととなるが、ビーム１２が前述の弾性力を有していれば重力に抗して弁孔２０に対する弁体部１１の接触状態を維持できる。
【００４４】
前述の弾性力を得るために、第１実施形態の静電駆動型半導体マイクロバルブは、バルブ構造体１を弁座２に搭載する前の状態において、弁体部１１の下面がバルブ構造体１の下面の接合部分（接合用アルミニウム層４の下面）よりも下方に位置するよう、ビーム１２を無負荷状態（外力が加わらない状態）で下向きに撓ませた状態としている。
【００４５】
このようにすることで、バルブ構造体１を弁座２の上表面に搭載し接合用アルミニウム層４を介して接合一体化する際に、弁体部１１の下面が、接合用アルミニウム層４が弁座２の上表面に当たるよりも先行して弁座２表面（弁孔２０の周り）に接触し、その結果、バルブ構造体１を弁座２に接合した状態では、弁体部１１は、上方に押し上げられ、その分だけビーム１２は、無負荷状態と比べて上方に撓むこととなって、元の位置への復元弾性力が弁体部１１を弁座２に対し押し付ける方向に生じる。
【００４６】
この状態を実現するため、第１実施形態では、絶縁層３の材料としてＳｉＯ２やポリイミド等のようにビーム１２の構成材料であるシリコンよりも線膨張係数が大きい材料からなる薄膜層を用いることで、ビーム１２は、前述の接合一体化の前の状態において、下向きに撓むようにすることができる。つまり、絶縁層３の材料として線膨張係数がシリコンよりも大きい材料を採用した場合、例えば絶縁層３の成膜プロセスにおいては、加熱下で成膜した後、冷却されるとき、シリコン基板と絶縁層３とは両者の線膨張係数の差に起因して冷却による熱収縮率に差を生じ、熱収縮の大きい絶縁層３がシリコン基板を下向きに変形させる残存応力がこれらの界面で発生する。
【００４７】
従って、薄肉に形成されたビーム１２は、この残存応力により歪んで先端側が下向きに撓んだ状態となる。なお、ビーム１２において、芯部分のシリコンと絶縁層３との間に金属層１４が介在しているが、ビーム１２の上表面側の金属層１５と熱収縮率による歪み応力が相殺されるため、金属層１４の存在は特に問題とならない。
【００４８】
なお、図５は、第１実施形態の変形形態を示す断面図であるが、静電駆動型半導体マイクロバルブ（のバルブ構造体１）は、図５に示すように、弁体部１１の部分のみ絶縁層３の厚みを大きくしたり、或いは金属層１４（可動電極層１３部分）の厚みを大きくして、弁体部１１の下面を下方に突き出るようにすることもできる。なお、このように弁体部１１の下面が弁座２との接合前において、両者の接合面よりも下方に突き出ていると、バルブ構造体１を弁座２上に搭載一体化するときに、弁体部１１下面の下方への突出寸法が上下方向のマージンとなり、弁体部１１下面と弁座２との確実な接触が確保できるという効果も期待できる。
【００４９】
次に、弁座２について説明する。例えば図２に示すように、第１実施形態において、弁座２は、ガラス基板を加工することによりバルブ構造体１の外形サイズと略同じサイズの長方形となるよう形成されている。弁座２は、弁体部１１と対応する位置において、下面から上表面に貫通する弁孔２０を備えている。この弁孔２０は、前述のガラス基板の下面から掘り込まれて上表面の開口に向かって狭小するテーパ状となっている。
【００５０】
また、弁座２の上表面には、弁体部１１の底面と対向する領域において、アルミニウム等の金属層からなる固定電極層２１が形成されている。また、弁座２の上表面には、バルブ構造体１の切欠部１６に対応する位置において、外部接続用の電極パッド（以降、外部接続用パッドと称する。）２２が形成されており、外部接続用パッド２２と固定電極層２１は、配線路２３により接続されていて、外部接続用パッド２２を外部電源に接続することにより固定電極層２１に電圧印加できるようになっている。
【００５１】
さらに、弁座２の上表面には、弁孔２０の開口周縁部２５を囲むように、環状溝部である例えば環状凹溝２４が形成され、また、この環状凹溝２４に一端が連通するとともに他端（以降、環状凹溝２４側ではない端を他端と称する。）が弁座２の長辺側端に延びて開放し外部に通じた連通溝部である例えば外部連絡用の凹溝（逃がし溝）２４ａ（図１（ｃ）参照）が形成されている。
【００５２】
第１実施形態において、静電駆動型半導体マイクロバルブは、バルブ構造体１を弁座２に搭載して両者を組合せ、一体化することで構成されており、バルブ構造体１と弁座２との接続固定は、バルブ構造体１の下面に設けた接合用アルミニウム層４を介して弁座２の上表面にバルブ構造体１を陽極接合することでなされている。このとき、図１（ａ），（ｂ）に示すように、絶縁層３がバルブ構造体１と弁座２との間の電気的な絶縁性を確保し、弁体部１１は、可動電極層１３及び固定電極層２１に電圧を印加しない初期状態では、その接触圧によって弁座２の固定電極層２１に接触し弁孔２０を塞いでいる。また図３、図４に示すように、この初期状態から弁孔２０に下方から流体の圧力が加わったとき、流体圧が前記接触圧よりも大きくなると弁体部１１は、押し上げられ、弁孔２０は、開放される。
【００５３】
一方、可動電極層１３と固定電極層２１との間に電圧を印加したとき、これら可動電極層１３と固定電極層２１との間に絶縁層３を介して静電気力が生じて、弁孔２０が強固に閉じる。なお、印加する電圧の大きさを適宜調節することにより、弁孔２０の開放量が調節でき、更に、流体のリーク量の制御が可能となる。
【００５４】
静電駆動型半導体マイクロバルブでは、初期状態において、弁体部１１が弁孔２０を閉じる位置にあることから、電圧印加して弁孔２０を静電気力で強制的に閉止するときに弁体部１１を変位させるエネルギーは無用であり、必要となる静電気力は、弁孔２０を流れる流体の圧力に抗するのに要する力だけとなる。しかも、可動電極層１３と固定電極層２１との距離は、実質的に絶縁層３の厚み分のみであることから、電圧印加を開始した初期から最大の静電気力が効率良く得られる。従って、弁孔２０を閉止するに要するエネルギーは、非常に効率が良く、故に消費電力が小さくてすむ。
【００５５】
第１実施形態においては、図１に示すように、固定電極層２１の表面高さは、環状凹溝２４を挟んで、内側及び外側ともフラットであり、弁体部１１の下面（絶縁層３表面）もフラット面になっている。従って、弁孔２０が閉じているとき、固定電極層２１の表面と弁体部１１の下面は、広い面積で密着することとなるため、弁孔２０を閉じる瞬間及び開放する瞬間に密閉される界面のエア抜きできないとダンパー効果により開閉応答性が悪くなる恐れがあるが、環状凹溝２４及び逃がし溝２４ａを通じて前述の界面のエア逃がしを行えるので、弁孔２０を閉じる瞬間及び開放する瞬間に密閉される界面のエア逃がしを行え、開閉応答性は、比較的良好に確保される。また、環状凹溝２４及び逃がし溝２４ａにより、弁孔２０から流れ出る流体がスムーズに排出される。
【００５６】
なお、第１実施形態では、可動電極層１３と固定電極層２１の対向面積は、弁体部１１の下面面積と略等しくなっているが、図６（ａ），（ｂ）に示す変形形態のように、固定電極層２１の大きさを広げてビーム１２の下面とも対向するようにしてもよい。ここで、図６は、図１において、固定電極層２１を大きくした変形形態を示すものであって、図６（ａ）は、図２のＸ−Ｘ断面に相当する断面での概略断面図であり、図６（ｂ）は、図２のＹ−Ｙ断面に相当する断面での概略断面図である。この場合、ビーム１２の下面の金属層１４も可動電極層１３の一部として機能し、対向面積が大きくなるため、より大きな静電気力が得られ、弁孔２０の閉止力は大きくなり、消費電力の低減に有利となる。
【００５７】
一方、静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、弁孔２０を開放するときの開放しやすさは、弁体部１１の接触圧の大きさに依存しており、この弁体部１１の接触圧は、ビーム１２による弁体部１１の支持力に概ね依存している。第１実施形態では、ビーム１２は、４本の略卍状配置となっているため、例えばダイヤフラムや十字ビーム等で弁体部１１を支持する場合に比べるとテンションの逃げ場があり、またビーム長も比較的大きくでき、上方向の変位ストロークも大きいので、弁孔２０の開放性は良好なものとなる。
【００５８】
なお、弁座２に対する弁体部１１の接触圧は、ビーム１２の幅寸法や厚み寸法、長さ寸法を変更する等してビーム１２が弁体部１１を支持する支持剛性を調整することで適宜設計可能である。
【００５９】
以上のように、かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、流体の良好な制御と低消費電力化を高いレベルで両立できるものとなっている。さらに静電駆動型半導体マイクロバルブは、初期状態において、弁孔２０が弁体部１１により塞がっているので、上方から流体圧が加わったときには、逆止弁としての機能も期待できる。
【００６０】
次に、他の実施形態を、第２実施形態として図７に基づいて説明する。図７は、第２実施形態における弁座２の断面図であり、第１実施形態の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、弁孔２０の周囲を高くした変形形態を示す断面図である。
【００６１】
図７に示すように、弁座２は、例えば弁座２における弁孔２０の開口周縁部２５’をその周囲よりも環状突状部として一段高く環状に突出させ、その先端面が弁孔２０の閉止状態における弁体部１１と当接する封止面となるような構成とする。
【００６２】
この場合、第１実施形態にて前述した「弁体部１１の下面がバルブ構造体１の下面の接合部分（接合用アルミニウム層４の下面）よりも下方に位置するよう」にするときと同様に、ビーム１２に弁体部１１をこの開口周縁部２５’に対し押し付ける弾性力を備えるので、良好な接触状態が得られる。すなわち、弁座２の上表面において、環状突状部である開口周縁部２５’が一段高く突出することで、バルブ構造体１を弁座２に搭載するとき開口周縁部２５’が弁体部１１に当たりやすくなるからである。そして、バルブ構造体１を弁座２に接合固定するとき開口周縁部２５’が弁体部１１を上方に押し上げ、これに伴いビーム１２も上向きに撓むため、下向きに復元弾性力を生ずることとなる。
【００６３】
なお、第２実施形態においては、環状突状部である開口周縁部２５’をその周囲よりも一段高くする形成する場合を挙げたが、同様の考え方で、弁座２と弁体部１１の対向面の何れか一方に、弁孔２０の開口部を内側に含むような環状の突状部（図示せず）を別途設け、この環状の突状部の先端面が弁孔２０の閉止状態において、弁体部１１と当接する封止面となるようにしてもよい。
【００６４】
また、第２実施形態においては、環状突状部である開口周縁部２５’は、弁座２における弁体部１１への対向面に形成されているが、平面視において弁孔２０を内側に含むように、弁体部１１における弁座２への対向面に形成してもよい。
【００６５】
ところで、一般的に、密接させた２つの平行な面の界面内に水分が存在すると、乾燥状態のときと比べて、密接させた２つの面が容易には解離し難くなる、いわゆる界面固着現象が発生する恐れがある。使用条件等によっては、静電駆動型半導体マイクロバルブは、弁孔２０を弁体部１１で閉止した状態において、弁体部１１の下面（絶縁層３の表面）と弁座２の固定電極層２１表面との接触界面内に水分が存在することが想定され、この場合には、界面固着現象が発生して、弁体部１１が弁座２への接触状態から解離し難くなる。このような界面固着現象を解決するためには、静電駆動型半導体マイクロバルブは、弁体部１１の下面（絶縁層３の表面）と弁座２側の対向面（固定電極層２１の表面）における少なくとも一方の接触部位の表面に、前述の界面固着現象を防止するための固着防止手段を備えることが有効である。
【００６６】
そこで、次に、静電駆動型半導体マイクロバルブに固着防止手段を設けた実施形態を、第３実施形態として図８乃至図１１に基づいて説明する。図８は、第３実施形態における弁座２を示す断面図である。なお、図９乃至図１１は、第３実施形態の変形形態を示す図である。
【００６７】
弁座２は、固定電極層２１の表面に微小突起２４ｂを固着防止手段として備えている。微小突起２４ｂは、界面に水分の均一な薄層が形成されるのを防止して、弁体部１１と弁座２とが固着することを防止している。なお、微小突起２４ｂは、突出高が余り大きすぎると前記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高さとする。
【００６８】
なお、固着防止手段は、この微小突起２４ｂの他、弁体部１１の絶縁層３表面又は固定電極層２１の表面に、所望の表面粗面化処理や所望の疎水化処理を施した箇所であってもよいし、所望の表面粗面化処理と所望の疎水化処理の両処理を施した箇所であってもよい。また、固着防止手段は、微小突起２４ｂに表面粗面化処理を施したものであってもよいし、微小突起２４ｂに疎水化処理を施したものであってもよいし、微小突起２４ｂに表面粗面化処理、疎水化処理の両処理を施したものであってもよい。
【００６９】
また、さらに第３実施形態の変形形態について述べると、例えば図９に示すように、弁体部１１は、上面側を除去してフレーム１０に比べて薄肉に形成されていてもよい。なお、図９は、第３実施形態における弁体部１１を示す概略断面図（第１実施形態の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、弁体部１１の厚みを薄肉化した変形形態を示す弁体部１１の概略断面図）である。この場合、弁体部１１の質量が小さくなるので、当該弁体部１１を変位させやすくなり、弁孔２０の開閉動作が行いやすくなる。この弁体部１１を薄肉化する手法は、例えば金属層１５を形成する前にシリコン部分をエッチングして削っておくことでもよく、この場合は、弁体部１１の全体の厚みが薄くなる。
【００７０】
ここで、図１０は、第３実施形態における弁体部１１の変形形態を示す概略平面図であり、第１実施形態の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、可動電極層１３が形成されている面とは反対側の面に補強リブ１１ａを設けた図である。弁体部１１を薄肉化した場合、図１０に示すように、弁体部１１の上表面は、補強リブ１１ａを備えて、薄くなって強度低下した分を補強させるようにするとよい。
【００７１】
また、他の薄肉化手法としては、図１１のように、弁体部１１の上表面において、凹所１１ｂを掘り込み形成してもよい。図１１は、第３実施形態における弁体部１１の変形形態を示す断面図であり、第１実施形態の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、可動電極層１３が形成されている面とは反対側の面に凹所１１ｂを形成して薄肉化した図である。この凹所１１ｂは、弁体部１１のシリコン基板部分を上方から所定厚を残すようにしてエッチングで掘り込むことで形成できる。
【００７２】
ここで、上述の第１実施形態の静電駆動型半導体マイクロバルブについて、バルブ構造体１及び弁座２の形成方法の一例を図１２乃至図１４に基づいて簡単に説明する。
【００７３】
図１２（ａ），（ｂ）は、バルブ構造体１の上面側構造の加工プロセスを示す工程図である。なお、この図１２では、チップレベルでのバルブ構造体１のプロセスについて記載しているが、実際にはシリコンウエハの状態で各セル毎に構造体を形成した後に個別のチップに切断されるものである。
【００７４】
まず、図１２（ａ）に示すように、シリコン基板１００は、除去されて開口部１０ａとなる面１０３と切欠部１６となる面１０４を除いて、弁体部１１の上面部分の面１０２とフレーム１０の上面部分の面１０１とにレジストやＳｉＯ２膜、ＳｉＮ膜等でマスクをされる。そして図１２（ｂ）に示すように、異方性エッチングにより底部に薄肉の厚み部分を残して分離領域１０７と切欠部相当凹部１０８を掘り込み、これにより残存部分であるフレーム相当部１０５、弁体部相当部１０６が形成される。
【００７５】
次に、バルブ構造体１の下側構造の加工プロセスを説明する。なお、図１３（ａ）〜（ｅ）は、バルブ構造体１の下面側構造の加工プロセスを示す工程図である。
【００７６】
まず、図１３（ａ）に示すように、先に上面側構造を形成したシリコン基板１００を裏返し、図１３（ｂ）に示すように、上に向けた下表面の全面にアルミニウムやクロム等からなる金属層１４（例えば１μｍ程度）をスパッタリング等により形成し、さらに図１３（ｃ）に示すように、絶縁層３を金属層１４の表面の全面に形成する。そして、図１３（ｄ）に示すように、絶縁層３表面に所定形状のマスクを施した後、反対面に形成した分離領域１０７に貫通するスリットを形成してフレーム１０と弁体部１１を分離すると共にこれらを連結する４本のビーム１２が形成される。
【００７７】
また、このとき同時に切欠部相当凹部１０８に貫通するよう開口を形成して切欠部１６を形成する。反対面側からは金属層１５をスパッタリング等により形成しておく。そして、絶縁層３の表面において、チップ長辺側の両端部に例えば厚みが１μｍ程度の接合用アルミニウム層４をスパッタリング等で形成すると、バルブ構造体１の構造ができあがる。
【００７８】
次に、弁座２の加工プロセスについて図１４に基づいて説明する。図１４（ａ）〜（ｃ）は、ガラス基板から弁座２形成する工程を順次示す工程図であり、（ｄ）は、（ｃ）のＸ−Ｘ断面での概略断面図である。図１４（ａ）に示すように、ガラス基板２００を準備し、図１４（Ｂ）に示すように、このガラス基板２００の下面から上面にテーパ状に貫通する弁孔２０を形成すると共に、弁孔２０の上面開口を囲むように環状凹溝２４と逃がし溝２４ａとをサンドブラスト等により形成する。
【００７９】
そして、ガラス基板２００の上面側の全面にスパッタリングで金属層を形成した後、固定電極層２１や連絡用の配線路２３や外部接続用パッド２２に相当する残し部にマスクをして、残し部以外の金属層をエッチング除去し、図１３（ｃ），（ｄ）に示すように、固定電極層２１や配線路２３、外部接続用パッド２２を形成する。これにより弁座２が作成される。
【００８０】
なお、ここで述べた加工方法のプロセスは、あくまでバルブ構造体１の形成方法の一例に過ぎず、形状や構成の変更に応じて公知の加工手法を採用し適宜組合せてプロセス設計できる。例えば、半導体基板としてＳＯＩ基板を用いてバルブ構造体１を形成すれば、バルブ構造体１の厚み設計が加工プロセス上、行いやすくなるため好ましく採用される。
【００８１】
更に、他の変形形態である実施形態を、第４実施形態として図１５乃至図２３に基づいて説明する。図１５は、第４実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略平面図（第１実施形態乃至第３実施形態において、可動電極層１３をシリコン基板への不純物ドープによる導電性拡散層により構成した変形形態の静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略平面図）である。
【００８２】
また、図１６は、バルブ構造体１を弁座２への搭載側からみた概略平面図であり、図１７は、図１６のバルブ構造体１のＸ−Ｘ断面での概略断面図であり、図１８は、弁座２の概略斜視図である。また、図１９は、絶縁層３を介して対向する電極（可動電極層１３、固定電極層２１）間において、この電極間の静電気力と絶縁層３の比誘電率との関係を示すグラフである。なお、後述する図２０、図２１は、第４実施形態の変形形態を示す概略平面図である。
【００８３】
第４実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブでは、図１６、図１７に示すように、バルブ構造体１の下面において、金属層１４を形成する代わりに、シリコン基板の加工工程中において、このシリコン基板の下面に不純物ドープして導電性拡散層１７を形成している。この導電性拡散層１７は、フレーム１０、弁体部１１及びビーム１２の下面に形成されており、弁体部１１の下面部分が可動電極層１３として機能する。なおこの変形形態では、バルブ構造体１の上面側に金属層１５は形成されない。その代わり、バルブ構造体１の上面側の表面には、図示しない窒化膜（ＳｉＮ膜）を形成している。
【００８４】
この窒化膜は、線膨張係数がシリコン基板より小さいので、ビーム１２の上表面側においては、この窒化膜形成時の熱が冷めるときにこの窒化膜とシリコン基板との線膨張係数の差に起因した残存応力がこれらの界面にて生じ、ビーム１２を下向きに反らせている。これにより弁体部１１の下面は、弁座２への搭載前の状態において、下方に突出するようになっている。このことの意義は既に前述した通りである。
【００８５】
導電性拡散層１７の表面には、前述した第１実施形態乃至第３実施形態と同様に、絶縁層３が形成され、さらにバルブ構造体１の下面における長辺側の両端部に接合用アルミニウム層４が形成されている。この変形形態では、フレーム１０の下面位置における絶縁層３の一部に導電性拡散層１７にまで至るコンタクトホール３１が形成され、このコンタクトホール３１を形成した部分には、導電性拡散層１７にコンタクトホール３１を介して導通し、絶縁層３の表面に露出するバルブ側電極５が形成されている。このバルブ側電極５は、後述するよう、弁座２側への接続を容易にするためにバンプ電極として形成されている。
【００８６】
第４実施形態において、図１８に示すように、弁座２は、その上表面に２つの外部接続用パッド２２，２６を有している。ここで、説明の便宜上、前者を第１の外部接続用パッド２２、後者を第２の外部接続用パッド２６とする。第１の外部接続用パッド２２と第２の外部接続用パッド２６とは電気的に独立して、静電駆動型半導体マイクロバルブを上から見た平面視において、バルブ構造体１の切欠部１６にて露出している。
【００８７】
また、弁座２の上表面におけるバルブ側電極５と対応する位置には、バルブ通電用の受けパッド２７が形成されており、この受けパッド２７と第２の外部接続用パッド２６とは連絡用の配線路２８により接続されている。そして、バルブ構造体１を弁座２上に搭載一体化するとき、バルブ側電極５が受けパッド２７と一致し接続されるようになっている。この変形形態では、第１の外部接続用パッド２２と第２の外部接続用パッド２６とが共に切欠部１６にて露出しているので、外部電源への接続を容易に行うことができる。
【００８８】
ところで、第４実施形態では、初期状態において、弁体部１１下面側の可動電極層１３と弁座２上の固定電極層２１とは絶縁層３を介して対向していることから、この初期状態からより大きな静電気力を効率良く得るためには、絶縁層３の誘電率を大きくすることが有効である。図１９のグラフは、印加電圧を一定とした条件下でのグラフであり、このグラフからわかるように、電極（可動電極層１３、固定電極層２１）間の絶縁層３が有する比誘電率が大きくなり始める初期範囲において、静電気力が急な勾配で大きくなり、その後、その勾配は、緩やかになる傾向である。従って、絶縁層３の材料として高誘電率の絶縁材料を選択すると好ましい。例えば、ＳｉＯ２は比誘電率が４、ＳｉＮは比誘電率が７であることから、これらよりも高誘電率（例えば比誘電率が３０以上）の絶縁材料を使用すると良い。高誘電率材料の具体例としては、ＢａＴｉＯ３（比誘電率が１００〜３００）、ＳｒＴｉＯ３（比誘電率が１００〜３００）、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（比誘電率が３００〜１０００）などが例示できる。
【００８９】
ここで、図２０は、第４実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブにて、バルブ構造体１のビーム１２の入隅コーナーに面取り部１２ａを設けた態様を示す平面図であり、図２１（ａ）は、図２０の点線Ｈ１で示す部分の拡大図であり、図２１（ｂ）は、点線Ｈ２で示す部分の拡大図である。
【００９０】
第４実施形態においては、その変形形態として、図２０、図２１（ａ），（ｂ）に示すように、ビーム１２がフレーム１０や弁体部１１と連結される付け根部分における入隅コーナーや、ビーム１２の屈曲部に形成される入隅コーナーにおいて、面取り部１２ａが形成されていてもよい。ビーム１２は、薄肉であるため入隅コーナーに応力が一点集中すると応力集中箇所に亀裂を生じやすくなるが、ビーム１２の入隅コーナに面取り部１２ａを形成しておくとで応力集中を防止することができ、ビーム１２の破損等が防止される。この面取り部１２ａは、例えばＣ面やＲ面として形成することができる。
【００９１】
また、第４実施形態においては、略卍状配置の４本のビーム１２により弁体部１１を支持する両持ちタイプの静電駆動型半導体マイクロバルブを説明してきたが、他の変形形態を例示することができる。図２２は、ビーム１２をいわゆる片持ち梁状にした一態様を示す概略平面図であり、ビーム１２をフレーム１０と弁体部１１との分離領域を一周回したような形状とした変形形態であり、図２３は、ビーム１２を片持ち梁状にした他の態様を示す概略平面図であり、ビーム１２を最も一般的な一文字状のカンチレバー形状にした変形形態である。
【００９２】
次に、弁体部１１の変位を規制するストッパを備えた実施形態を、第５実施形態として図２４乃至図２８に基づいて説明する。図２４乃至図２６は、第５実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略断面図（第１実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、ガラスストッパ６を設けた半導体マイクロバルブの一態様を示す概略断面図）である。
【００９３】
図２７は、第５実施形態におけるガラスストッパ６を一部に設けた静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略斜視図である。図２８（ａ）は、第５実施形態におけるバルブ構造体１の構造内にストッパ片７を設けた静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略平面図であり、図２８（ｂ）は、（ａ）のＸ−Ｘ断面での概略断面図である。
【００９４】
まず、第５実施形態においては、図２４乃至図２７に示すように、弁体部１１の変位を規制するストッパの一例として、ガラス製のストッパであるガラスストッパ６を設ける。
【００９５】
図２４に示す静電駆動型半導体マイクロバルブは、第１実施形態である図１乃至図４に示した具体例において、ガラスストッパ６を備えた構成である。このものでは、ガラスストッパ６の下側面に弁体部１１上面とのギャップ確保のための凹部である座ぐり部６１が形成されている。この例では、フレーム１０の上面も金属層１５にて被覆されているので、ガラスストッパ６を陽極接合にて固定できる。ここで、フレーム１０の上に金属層１５を設けず、フレーム１０にガラスストッパ６を直接、陽極接合するようにしても勿論よい。
【００９６】
なお、図２４における座ぐり部６１は、例えば、サンドブラストを用いて、ガラスストッパ６の弁体部１１に相対する部分を所定の厚み分だけ除去することで形成することができる。なお、この場合、サンドブラスト加工は、シリコン基板等をエッチング加工することに比べ、高速で形成することができるため、大流量を得るバルブ用途に適している。
【００９７】
一方、図２５に示す静電駆動型半導体マイクロバルブは、第４実施形態である図１５乃至図１８に示した具体例において、平板状のガラスストッパ６を備えた構成である。この例では、フレーム１０の上面に、ストッパ接合層であるストッパ接合用アルミニウム層８がギャップを確保するに十分な厚みで形成されており、このストッパ接合用アルミニウム層８を介してガラスストッパ６がフレーム１０上に陽極接合されている。なお、ストッパ接合用アルミニウム層８は、スパッタリング等の半導体プロセスを用いることで、０．１μｍ程度の精度で厚み設定が可能であるので、弁体部１１とガラスストッパ６とのギャップが精度良く確保できる。
【００９８】
このように、静電駆動型半導体マイクロバルブは、ガラスストッパ６を設けておくことで、例えば弁孔２０に大きな流体圧が加わった場合等において、弁体部１１がビーム１２の撓みの許容以上に変位してビーム１２を破損するのを防止することができる。
【００９９】
また、図２６に示す静電駆動型半導体マイクロバルブは、弁体部１１の厚みがフレーム１０の厚みより薄い構成である。弁体部１１の厚み加工は、例えば、弁体部１１のガラスストッパ６に対する面を、ＫＯＨ溶液等により異方性エッチングすることで所定厚みだけ除去して行い、弁体部１１の厚みがフレーム１０の厚みより薄くなるように予め加工してもよい。この場合、異方性エッチングで取り除く所定の厚みとは、弁体部１１が変位する際に、弁体部１１の上側面とガラスストッパ６の下側面とのギャップが十分確保されるような厚みであり、異方性エッチングにては、１μｍ以下の精度で設定可能である。なお、図２６のものでは、例えば、フレーム１０にガラスストッパ６を直接、陽極接合する。
【０１００】
ここで、図２４、図２６に示す静電駆動型半導体マイクロバルブは、ガラスストッパ６がフレーム１０の全面を覆うサイズであるが、ガラスストッパ６が少なくとも弁体部１１と所定の間隔、つまり、弁体部１１が変位する際に、弁体部１１の上側面とガラスストッパ６の下側面とのギャップが十分確保されるような間隔が確保されていれば、例えば、図２７に示すように、フレーム１０の一部を覆うようなサイズであってもよい。
【０１０１】
なお、第５実施形態においては、ストッパはガラスを用いているが、例えば、樹脂系の材料のものも用いることもできる。この場合、プレス成形等の加工が容易であるので、低コストでストッパが形成される。
【０１０２】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、ガラスストッパ６は、弁体部１１の変位を規制することで、弁体部１１の変位が過大になることを防止するとともに、弁体部１１の破壊を防止する。また、弁体部１１とガラスストッパ６とのギャップを精度良く形成することで、流体の流量範囲の制御の精度が良くなる。また、前述のギャップにより可動電極層１３と固定電極層２１との間に作用させる静電気力の最大値を決定できるので、駆動電圧を低く抑える設計が可能になる。
【０１０３】
ここで、第５実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブにて、ガラスストッパ６を設ける代わりに、図２８（ａ），（ｂ）に示すように、バルブ構造体１の構造中に突出片であるストッパ片７を有するようにしたものであってもよい。図２８では、フレーム１０の内壁部の一部に下側及び内側に開放する座ぐり部９が形成されており、ストッパ片７は、弁体部１１の側辺部の一部からフレーム１０に向かって延び、座ぐり部９内に導入されていて、座ぐり部９内壁に対してストッパ片７は、間隔を有して遊挿状態となっている。そして弁体部１１が上方に変位したとき、座ぐり部９の天面にストッパ片７が当って、弁体部１１の上方への変位が規制されるようになっている。
【０１０４】
このストッパ片７及び座ぐり部９を形成するにあたっては、例えば座ぐり部９とストッパ片７との離間領域のうち、半導体基板の厚み方向については、下面からのエッチングで掘り込み形成し、また、半導体基板の主面と平行な方向については、犠牲層エッチングで掘り込むといった手法が挙げられる。この際、半導体基板として、犠牲層で除去する位置に埋め込み酸化膜を有するＳＯＩ基板を用いると便利である。なお、図２８のものは、ストッパ片７を弁体部１１の一箇所に設けた例となっているが、弁体部１１の４つの各側面に形成しても良く、また、弁体部１１からではなく、ビーム１２の先端側において側方に突設しても構わない。ストッパ片７は、バルブ構造体１の構造中に形成されたものであってもよい。
【０１０５】
次に、フレーム１０や、ストッパや、ストッパ接合層に開口部を備えた実施形態を、第６実施形態として図２９乃至図３１に基づいて説明する。図２９は、第６実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略断面図及び概略斜視図（（ａ）は、概略断面図であり、（ｂ）は、概略斜視図）である。図３０、図３１は、第６実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブの変形形態を示す概略断面図である。
【０１０６】
図２９に示す静電駆動型半導体マイクロバルブは、第５実施形態である図２５に示した具体例において、排出口の機能を果たす微細な開口部である孔部６ａを備えた構成である。図２５において、ストッパ接合用アルミニウム層８の一部が除去された構成となっており、ストッパ接合用アルミニウム層８の除去は、通常の半導体プロセスにて行い、孔部６ａが形成される。この場合、バルブ構造体１とガラスストッパ６の間で形成される空間Ｓは、孔部６ａの存在のために、完全な閉空間とはならないが、ほとんど閉空間に近い状態になる。なお、ガラスストッパ６は、フレーム１０の全面を覆っているが、図２９（ｂ）にては、便宜上、孔部６ａの上側部を除去した形で図示している。
【０１０７】
ここで、孔部６ａは、半導体プロセスにて形成されるので、加工が高精度になされるため、空間Ｓ内の圧力調整が行いやすい。また、バルブ構造体１とガラスストッパ６の間で、孔部６ａを介して静電駆動型半導体マイクロバルブ外部と空間Ｓとが連通することで、弁体部１１が駆動する際に、空気ダンパーの効果が得られ、更に弁体部１１の破壊を防止することができる。孔部６ａの上下方向の開口長さｈは、微細であるが、その微細の程度は、弁孔２０の開口径（直径）と同オーダー程度である。例えば、弁孔２０の開口径（直径）が０．３ｍｍである場合、孔部６ａの上下方向の開口長さが０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度である。なお、孔部６ａの上下方向の開口長さｈは、弁孔２０の開口径以下であることが好ましい。
【０１０８】
また、その他の変形形態を図３０、図３１に示す。図３０に示す静電駆動型半導体マイクロバルブは、第５実施形態である図２６に示した具体例において、フレーム１０の一部をエッチング等の加工技術により一部除去して開口部である孔部６ａを形成した一例である。また、図３１に示す静電駆動型半導体マイクロバルブは、図２５においてストッパ接合用アルミニウム層８を設けず、かつ、図２４に示す座ぐり部６１と同様に形成可能な、一端が静電駆動型半導体マイクロバルブ外縁まで伸びた段部６１ａを備えるとともに、この段部６１ａの外縁側であるフレーム１０の一部が除去され孔部６ａを備えた構成である。
【０１０９】
なお、段部６１ａは、例えば数十μｍ程度の深さをサンドブラスト加工等により形成する場合には、段部６１ａの形成と同時に、孔部６ａの形成も可能である。この場合、孔部６ａの上下方向の高さは、段部６１ａの高さに等しくなるが、幅方向のサイズは、加工時のマスク形状により自由に制御可能であるので、空間Ｓの圧力調整が効率的に行える。
【０１１０】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、孔部６ａにより、前述の空間Ｓ内の流体の圧力が孔部６ａの外部、つまり静電駆動型半導体マイクロバルブ外部の圧力よりも高くなるので、静電駆動型半導体マイクロバルブに流入してくる側の流体圧力と空間Ｓ内の圧力との圧力差が縮小され、弁体部１１を駆動する静電力が小さくても弁体部１１が駆動可能であり、微小流量を高精度に制御することができる静電駆動型半導体マイクロバルブを提供することができる。
【０１１１】
なお、第６実施形態においては、開口部である微細な孔部６ａは、フレーム１０や、ガラスストッパ６や、ストッパ接合用アルミニウム層８に形成したものを例示しているが、少なくとも、フレーム１０、ガラスストッパ６、ストッパ接合用アルミニウム層８のいずれかに形成されていれば、フレーム１０や、ガラスストッパ６や、ストッパ接合用アルミニウム層８の各部にまたがる形で孔部６ａが形成されていても勿論よい。
【０１１２】
次に、第１実施形態における異なる電極の取り出し構造を示した実施形態を、第７実施形態として図３２に基づいて説明する。図３２は、第７実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略断面図（図２におけるＹ−Ｙ断面での概略断面図）である。
【０１１３】
図３２に示すように、図１（ｂ）に示したＹ−Ｙ断面において、静電駆動型半導体マイクロバルブは、フレーム１０における弁座２に対しての非対向面（図３２ではバルブ構造体１の上面）には、フレーム１０内を通じて可動電極層１３と電気的に接続される可動電極層側電極パッド３０を備えている。
【０１１４】
また、弁座２におけるバルブ構造体１に対しての非対向面（図３２では弁座２の下面）には、固定電極層側電極パッド３００が形成され、弁孔２０に沿った箇所には、固定電極層側電極パッド３００と電気的に接続されている第４導電部３２である配線路等が形成され、第４導電部３２と固定電極層２１とは、電気的に接続されている。なお、可動電極層側電極パッド３０と固定電極層側電極パッド３００との間に外部電源に接続することにより、可動電極層１３と固定電極層２１との間に電圧印加することができる。
【０１１５】
静電駆動型半導体マイクロバルブは、可動電極層１３を半導体基板であるフレーム１０内を通じて、可動電極層側電極パッド３０と導通させることで、可動電極層１３が可動電極層側電極パッド３０のところまで引き出された構成になる。また、静電駆動型半導体マイクロバルブは、弁孔２０を経由して設けた第４導電部３２を介して固定電極層側電極パッド３００と導通させることで、固定電極層２１が固定電極層側電極パッド３００のところまで引き出された構成となる。
【０１１６】
ここで、可動電極層１３、固定電極層２１、可動電極層側電極パッド３０、固定電極層側電極パッド３００、第４導電部３２といった配線の材料は、例えばアルミニウム、クロム等の金属を例示することができるが、これらの金属の薄膜は、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング等の方法により形成することができる。なお、固定電極層側電極パッド３００、第４導電部３２、固定電極層２１は、各々が電気的に接続されていれば、一体形成したものであってもよし、勿論、各々を別途に形成してもよい。
【０１１７】
なお、弁体部１１、フレーム１０、各ビーム１２の下表面に設けた可動電極層１３又は金属層１４の表面には、弁座２側との導通を防止するために絶縁層３が形成されている。
【０１１８】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、可動電極層側電極パッド３０、固定電極層側電極パッド３００といった外部電源に接続する電極をバルブ外部に取り出すことにより、チップサイズの増大がないため、より小型な静電駆動型半導体マイクロバルブを提供することができる。また、小型化によりチップの取れ数が増大するため、製造コストを低減させることができる。
【０１１９】
次に、第７実施形態における変形形態を示した実施形態を、第８実施形態として図３３に基づいて説明する。図３３は、第８実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略断面図（図２におけるＹ−Ｙ断面での概略断面図）である。
【０１２０】
図３２においてバルブ構造体１を構成する半導体基板はシリコン基板であるが、図３３では、バルブ構造体１を構成する半導体基板がＳＯＩ基板である。つまり、バルブ構造体１が、活性層４０、絶縁性である埋め込み中間酸化膜４１、支持層４２からなるＳＯＩ基板で構成されている。なお、第８実施形態においては、活性層４０は、弁座２との対向面側に配置された構成である。
【０１２１】
フレーム１０は、活性層４０から支持層４２まで貫通する凹部４３を備え、この凹部４３の内面には、アルミニウム、クロム等の導電性を有する材料からなる第１導電部４４である導電性の膜を形成して、活性層４０と支持層４２と可動電極層側電極パッド３０とを電気的に接続させ、活性層４０と支持層４２とを導通させ、半導体基板であるフレーム１０内を通じて、可動電極層１３が可動電極層側電極パッド３０まで引き出された構成である。
【０１２２】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、バルブ構造体１の半導体基板にＳＯＩ基板を使用し、活性層４０の薄いものを用いることで、薄肉のビーム１２を精度よく形成することができる。それにより、ビーム１２の剛性を低減させることができるため、バルブの排気性能を向上させるとともに駆動電圧の低減が可能となる。ここで、駆動電圧を低減させる代わりに電極面積を縮小すれば、チップサイズの小型化が実現でき、更なる製造コストの低減が図れる。
【０１２３】
次に、第８実施形態における変形形態を示した実施形態を、第９実施形態として図３４に基づいて説明する。図３４は、第９実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略断面図（図２におけるＹ−Ｙ断面での概略断面図）である。
【０１２４】
図３４に示すように、第２導電部４５である導電性の膜は、例えば、フレーム１０における弁体部１１への対向面から、弁体部１１に対向する側のフレーム１０壁面側を経由して、バルブ構造体１の上面まで形成されており、可動電極層側電極パッドの機能を兼ねており、活性層４０と支持層４２とが電気的に接続される。なお、第２導電部４５に関して、可動電極層側電極パッドとして機能する領域と、フレーム１０における弁体部１１への対向する領域と、弁体部１１に対向する側のフレーム１０壁面側の領域とは、一体形成して電気的に接続するようにしても、各々別々に形成し、電気的に接続するようにしてもよい。なお、第２導電部４５の材料は、一例としてアルミニウム、クロム等である。また、第８実施形態においては、ＳＯＩ基板で構成された弁体部１１、ビーム１２の周辺にも、図３４に示すように、第２導電部４５と同材料の導電性膜４５ａを覆うように形成している。
【０１２５】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、バルブ構造体１にＳＯＩ基板を使用し、活性層４０の薄いものを用いることで、薄肉のビーム１２を精度よく形成することができる。それにより、ビーム１２の剛性を低減させることができるため、バルブの排気性能を向上させるとともに駆動電圧の低減が可能となる。ここで、駆動電圧を低減させる代わりに電極面積を縮小すれば、チップサイズの小型化が実現でき、更なる製造コストの低減が図れる。
【０１２６】
次に、第７実施形態における変形形態を示した実施形態を、第１０実施形態として図３５に基づいて説明する。図３５は、第１０実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略断面図（図２におけるＹ−Ｙ断面での概略断面図）である。
【０１２７】
図３５に示すように、静電駆動型半導体マイクロバルブは、静電駆動型半導体マイクロバルブの外部と貫通する開口部である微細な孔部６ａを備え、弁体部１１の変位を規制する例えばガラスストッパ６をバルブ構造体１の上に備えており、ガラスストッパ６と、バルブ構造体１と、弁座２からなる３層構造である。第１０実施形態においては、フレーム１０の上面に、第７実施形態では可動電極層側電極パッド３０として機能していた金属膜３０ａがギャップを確保するに十分な厚みで形成されており、金属膜３０ａを介してガラスストッパ６がフレーム１０上に陽極接合されている。
【０１２８】
なお、ガラスストッパ６は、例えばフレーム１０と弁体部１１との間の上部に位置する箇所に孔部６ａを設けており、この孔部６ａは、例えば弁孔２０に大きな流体圧が加わった場合等において、第６実施形態の図２９乃至図３１に示した孔部６ａと同様の機能を果たすので、ここでは詳細な説明は省略する。ここで、開口部である孔部６ａは、ガラスストッパ６に対して厚み方向に貫通しているので、孔部６ａの周部に例えば管状の部材（図示せず）を取り付けることで、孔部６ａから流体媒体の取り出しが容易に行える。
【０１２９】
ここで、第１０実施形態においては、孔部６ａには、金属膜３０ａと電気的に接続して、ガラスストッパ６の上面まで形成された第３導電部４６である配線路を備えており、第３導電部４６は、ガラスストッパ６の上面で、外部電源に接続する可動電極層側電極パッド３０ｂと電気的に接続されている。なお、第３導電部４６の材料は、一例としてアルミニウム、クロム等であり、第１０実施形態では、ガラスストッパ６の孔部６ａ及び上面部にわたり第３導電部４６が形成されている構成を一例として示している。
【０１３０】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、金属膜３０ａと第３導電部４６と、可動電極層側電極パッド３０ｂを電気的に接続することで、可動電極層１３がガラスストッパ６の上面まで引き出された構成となり、より小型な静電駆動型半導体マイクロバルブを提供することができる。
【０１３１】
次に、他の実施形態を、第１１実施形態として図３６に基づいて説明する。図３６は、第１１実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略断面図（図２におけるＹ−Ｙ断面での概略断面図）である。
【０１３２】
静電駆動型半導体マイクロバルブは、バルブ構造体１のフレーム１０と弁座２との間に設けられる金属薄膜等の接合用電極５０を備えており、接合用電極５０を介してバルブ構造体１と弁座２とが陽極接合により接合されている。弁座２におけるフレーム１０との接合面側には、図３６に示すように、接合用電極５０と電気的に接続される配線路５１と、可動電極層側電極パッド５２と、固定電極層側電極パッド５３とが形成されている。
【０１３３】
ここで、可動電極層１３は、接合用電極５０と配線路５１と可動電極層側電極パッド５２とを導通させることにより、可動電極層側電極パッド５２まで引き出された状態になる。
【０１３４】
また、固定電極層側電極パッド５３は、図３６に示すように、例えば固定電極層２１を弁座２の端部まで例えば連絡配線を利用して延設して、固定電極層２１と固定電極層側電極パッド５３とを導通させることにより、固定電極層２１を固定電極層側電極パッド５３まで引き出している。なお、接合用電極５０、配線路５１、可動電極層側電極パッド５２、固定電極層側電極パッド５３の材料は、一例としてアルミニウム、クロム等である。
【０１３５】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、可動電極層側電極パッド５２と固定電極層側電極パッド５３とを同一平面上に形成すことができるため、プローブ検査や実装が容易となる。また、可動電極層側電極パッド５２の位置を図３２に示すような構造の場合に比べて低くすることができるため、薄型のパッケージに収めることができ、例えば、薄型化ニーズの高い携帯型商品への搭載で優位性を持たせることができる。
【０１３６】
最後に、第１実施形態における環状凹溝（環状溝部）２４、逃がし溝（連通溝部）２４ａに関する（２つの）変形形態である実施形態を、第１２実施形態として図３７、図３８に基づいて説明する。図３７、図３８は、第１２実施形態における弁座２を示す概略平面図である。
【０１３７】
ここで、第１実施形態においては、図４、図１４に示すように、逃がし溝２４ａは、一端が環状凹溝２４に連通し、他端が静電駆動型半導体マイクロバルブの外部に開放されているが、第１２実施形態においては、静電駆動型半導体マイクロバルブは、図３７に示すように、例えば、他端が固定電極層２１の範囲内に収まるような終点である構成の連通溝部２４ｃを備えている点が異なっている。なお、連通溝部２４ｃにおける前述の他端は、弁座２から外部に開放されず、つまり静電駆動型半導体マイクロバルブから外部に開放されず、弁座２内に収まるような構成であればよい。
【０１３８】
なお、更に第１実施形態における変形形態としての静電駆動型半導体マイクロバルブは、図３８に示すように、弁孔２０から所定の距離をとり、弁座２の各辺に対して放射状に配置された溝部２４ｄを備えた構成である。なお、この放射状に配置された溝部２４ｄは、例えば本数が８本で弁孔２０を取り囲む溝であるが、その本数は所望の数であってよく、弁座２から外部に開放されず、弁座２内に収まるような構成であればよい。
【０１３９】
また、各放射状に配置された溝部２４ｄの配置は、対称対となるように配置されることが好ましく、この場合、放射状に配置された溝部２４ｄにより、弁孔２０から流れ出る流体がスムーズに排出される。なお、上述の連通溝部２４ｃ、放射状に配置された溝部２４ｄは、サンドブラスト等により形成することができる。
【０１４０】
なお、第１２実施形態においては、上述の放射状に配置された溝部２４ｄは、弁座２における弁体部１１への対向面に形成されているが、平面視において弁孔２０から所定の距離をとるように、弁体部１１における弁座２への対向面に形成してもよい。
【０１４１】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、連通溝部２４ｃや放射状に配置された溝部２４ｄが弁座２から外部に開放されず、弁座２内に収まるような構成であるので、製造時のダイシング等において異物が混入することを防止することができる。
【０１４２】
ここで、第７実施形態乃至第９実施形態及び第１１実施形態において、第１実施形態乃至第６実施形態及び第１２実施形態に示したような変形箇所を組み合わせた構成で静電駆動型半導体マイクロバルブを形成しても勿論よく、また、第１０実施形態において、第１実施形態乃至第４実施形態及び第１２実施形態に示した変形形態を組み合わせた構成で静電駆動型半導体マイクロバルブを形成しても勿論よい。
【０１４３】
また、第１実施形態乃至第１２実施形態においては、環状溝部２４及び連通溝部２４ａ（又は連通溝部２４ｃ）は、弁座２における弁体部１１への対向面に形成されているが、平面視において弁孔２０を内側に含むように、弁体部１１における弁座２への対向面に形成してもよい。
【０１４４】
なお、本発明は、前述の実施形態及びその説明に何ら限定されるものではなく、特許請求の範囲を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形形態もこの発明に含まれる。
【符号の説明】
【０１４５】
１ バルブ構造体
２ 弁座
３ 絶縁層
１０ フレーム
１０ａ 開口部
１１ 弁体部
１１ａ 補強リブ
１１ｂ 凹所
１２ ビーム
１３ 可動電極層
２０ 弁孔
２１ 固定電極層
２４ 環状凹溝（環状溝部）
２４ａ 凹溝（連通溝部）
２４ｃ 連通溝部
２５ 開口周縁部
２５’ 開口周縁部（環状突状部）
【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バルブ構造体を使用し、流体の流れを制御するマイクロバルブに関し、詳しくは静電気力により流体の流れる弁孔の開閉動作を行う静電駆動型半導体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などにおける流体制御部品として、シリコン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。
【０００３】
一般に、この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前記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式と対向電極間に生じる静電気力を利用した静電駆動式がある。そのうち後者方式のものの一例として、例えば特許文献１に開示されたような弁素子がある。
【０００４】
この弁素子は、流体が通過するノズルが形成されたノズルプレートと、電極板と、この電極板を被覆する絶縁層と、前記ノズルを開閉するバルブが屈撓部分に一体的に形成されている可撓性で導電性のあるバルブビームから構成されている。前記電極板と前記電極板を被覆する前記絶縁層は、前記ノズルプレートに積層配置されており、前記バルブビームの屈撓部分は、前記電極板上の前記絶縁層に対して所定の間隔を保持した配置となっており、前記電極板と前記バルブビームとの間に電圧を印加したとき、前記バルブビームの屈撓により前記バルブが前記ノズルを開閉するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】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】
【０００６】
ところで、対向する電極間に生ずる静電気力の大きさは、両電極の表面が平行で且つ一定電圧が印加される条件下で、エネルギー損失を考慮しないものとすると、理論上は次式の如く算出される。
【０００７】
静電気力［Ｎ］＝（１／２）×（印加電圧［Ｖ］）2×（電極面積［ｍ2］）2×（電極間物質の誘電率［Ｃ／Ｎ・ｍ2］）／（電極間距離［ｍ］）2
上式から、電極間に生ずる静電気力は、電極間距離が大きくなるとその２乗に比例して小さくなることがわかる。この点を勘案して、従来技術として示した前記特許文献１に記載の弁素子について考察すると、この弁素子は、前記ノズルビームが導電性であり、電圧を印加しない初期状態では、前記電極板とは前記絶縁層を介して所定の間隔を保持して対向した配置となっているので、前記バルブを変位させて前記ノズルを開閉し前記ノズルを流れる流体の流通を良好に制御するためにより大きな静電気力を得るには、前記所定の間隔を小さく設計したり、印加電圧を大きくしたり、或いは電極面積を大きくすることになる。
【０００８】
しかしながら、前記所定の間隔が余り小さいと前記ノズルを開放状態にしたときに良好な流体の流通を確保できなくなるため、少なくともある一定距離以上の間隔は必ず確保されなければならず、更に大きな静電気力を得るには、印加電圧や電極面積の大きさ設定に依存することとなる。
【０００９】
これに加え、前記所定の間隔が開いた初期状態から電圧印加して前記バルブを前記ノズルに当接するまで変位させ前記ノズルを閉止するときには、単に前記バルブを前記ノズル側に引き寄せる力だけでなく、バルブビームが撓むときに元の状態に戻ろうとする復元弾性に抗するための力も要するため、前記弁孔を流れる流体圧に抗するよりも大きい静電気力が必要である。
【００１０】
これに対し、近年ではデバイスの小型化傾向にあるため、電極面積を大きくする設計は、デバイスのサイズを大きくする要因となり望ましくない。また、近年は低消費電力化も要望されているため、印加電圧を大きくすることはこれと相反する結果となり望ましくない。従って、前記従来技術に係る弁素子の構造では、小型化を追求する上で、ノズルを流れる流体の良好な制御と低消費電力化とを高いレベルで両立するには限界があった。
【００１１】
本発明は、上記事由に鑑みて為されたものであり、流体の良好な制御と低消費電力化の両立が高いレベルで達成できる静電駆動型半導体マイクロバルブ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】
【００１２】
請求項１の発明は、半導体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、開口部を有するフレームと、該フレームの開口部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、を備えるバルブ構造体と、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って前記バルブ構造体が搭載される弁座と、を具備し、前記バルブ構造体は、前記弁体部における前記弁座への対向面において形成された可動電極層を有し、前記弁座は、前記表面において前記可動電極層に対向するよう形成された固定電極層を有し、前記可動電極層と前記固定電極層との少なくとも一方の表面には、これら両電極層間の導通を防止するための絶縁層が形成され、前記弁体部は、前記可動電極層と前記固定電極層との間に電圧を印加しない状態では、前記弁孔をその接触圧により塞ぐようにして前記弁孔の開口周辺領域に接触しており、前記可動電極層と前記固定電極層との間に電圧を印加した状態では、これら両電極層間に前記弁孔を閉止する静電気力が発生するものであり、前記弁座における前記弁体部への対向面、又は前記弁体部における前記弁座への対向面には、前記弁孔の開口周縁部を内側に含むような環状溝部を形成するとともに、該環状溝部に少なくとも一端が連通する連通溝部を形成してなることを特徴とする。
【００１３】
ここで、前述の「前記可動電極層と前記固定電極層との間に電圧を印加しない状態では、前記弁孔をその接触圧により塞ぐようにして前記弁孔の開口周辺領域に接触して」とは、電圧が印加されず且つ前記弁孔に流体圧がかかっていない状況下（以下、初期状態と称する。）にあるときには、前記弁体部が前記弁孔の開口周辺領域に接触していることを意味している。
【００１４】
また、「接触圧」とは、この初期状態において前記弁体部が前記弁孔の開口周辺領域への接触する状態を保持するよう前記ビームの支持力にて前記弁体部が前記弁孔の開口周辺領域に押し付けられる比較的微小な圧力のことである。従って、電圧を印加しない状態であっても前記接触圧よりも大きな流体圧が前記弁孔に加わった場合には、前記弁体部は、押し上げられることになる。
【００１５】
このような構成の静電駆動型半導体マイクロバルブでは、前述のように、電圧を印加しない状態において、前記弁体部が前記弁座における前記弁孔の開口周辺領域に接触していることから、電圧印加して前記弁孔を閉止するときには、前記弁体部を変位させるエネルギーは無用であるため、必要となる前記静電気力は前記弁孔を流れる流体の圧力に抗するのに要する力だけとなる。
【００１６】
しかも、前記可動電極層と前記固定電極層との距離は、実質的に前記絶縁層の厚み分のみの最小限の大きさとなるため、電圧印加を開始した初期から最大の静電気力が効率良く得られるため、前記弁孔を閉止するのに要する消費電力が比較的小さくてすむ。
【００１７】
一方、前記弁孔を開放する場合には、電圧を印加しない状態で前記弁孔に前記弁体部の接触圧よりも大きい流体圧が加わると前記弁体部が押し上げられて開放状態となる。この前記弁孔の開放しやすさは、前記弁体部の接触圧に依存しており、前記弁体部の接触圧が小さければ小さな流体圧でも前記弁孔が開放するようになる。なお、前記弁体部の接触圧は、例えば前記ビームによる前記弁体部の支持力を調整することで、所望の大きさにすることが可能である。
【００１８】
以上のことから、請求項１の発明によれば、流体の良好な制御と低消費電力化の両立が高いレベルで達成できる。
【００１９】
また、請求項１の発明によれば、環状溝部及び連通溝部により、弁孔から流れ出る流体がスムーズに排出される。また、環状溝部及び連通溝部により、前記弁孔を閉じる瞬間及び開放する瞬間に密閉される界面のエア逃がしを行えるので、開閉応答性は、比較的良好に確保される。
【００２０】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記弁座における前記弁体部への対向面、又は前記弁体部における前記弁座への対向面には、前記弁孔の開口部を内側に含むよう環状に突出し、その先端面が前記弁孔の閉止状態における前記弁体部と前記弁座との封止面となる環状突状部が形成されてなることを特徴とする。
【００２１】
この発明によれば、環状突状部が前記対向面の他の部位より前記弁体部側に突出して前記弁体部に接触するので、確実な接触状態が得やすくなる。
【００２２】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２の発明において、前記連通溝部は、前記一端とは反対の他端が外部に開放されてないことを特徴とする。
【００２３】
この発明によれば、製造時のダイシング等において異物が混入することを防止することができる。
【００２４】
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３の発明において、前記弁体部は、前記フレームに比べて薄肉に形成されていることを特徴とする。
【００２５】
この発明によれば、前記弁体部を前記フレームに比べて薄肉に形成することで、前記弁体部の質量が小さくなるため、前記弁孔の開閉動作を行いやすくなる。
【００２６】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記弁体部は、前記可動電極層が形成されている面とは反対側には凹所を備えていることを特徴とする。
【００２７】
この発明によれば、前記凹所を容易に形成することができるので、前記弁体部を容易に薄肉化することができる。
【００２８】
請求項６の発明は、請求項４の発明において、前記弁体部は、前記可動電極層が形成されている面とは反対側の面には補強リブを備えていることを特徴とする。
【００２９】
この発明によれば、前記補強リブを設けることで、前記弁体部に対する補強効果が得られる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明では、流体の良好な制御と低消費電力化の両立が高いレベルで達成できるという効果がある。また、本発明では、環状溝部及び連通溝部により、弁孔から流れ出る流体がスムーズに排出されるという効果があり、環状溝部及び連通溝部により、前記弁孔を閉じる瞬間及び開放する瞬間に密閉される界面のエア逃がしを行えるので、開閉応答性は、比較的良好に確保されるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】第１実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は他の概略断面図、（ｃ）は要部概略斜視図である。
【図２】同上における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略平面図である。
【図３】同上における静電駆動型半導体マイクロバルブの開放状態を示す概略断面図である。
【図４】同上における静電駆動型半導体マイクロバルブの開放状態を示す概略斜視図である。
【図５】同上におけるバルブ構造体の変形形態を示す概略断面図である。
【図６】同上における静電駆動型半導体マイクロバルブの他の変形形態を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は他の概略断面図である。
【図７】第２実施形態における弁座を示す概略断面図である。
【図８】第３実施形態における弁座を示す概略断面図である。
【図９】同上における弁体部を示す概略断面図である。
【図１０】同上における弁体部の変形形態を示す概略平面図である。
【図１１】同上における弁体部の他の変形形態を示す概略断面図である。
【図１２】実施形態１におけるバルブ構造体の上面側構造の加工プロセスを示す工程図である。
【図１３】同上におけるバルブ構造体の下面側構造の加工プロセスを示す工程図である。
【図１４】同上における弁座の加工プロセスを示す工程図及び概略断面図である。
【図１５】第４実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略平面図である。
【図１６】同上におけるバルブ構造体を弁座への搭載側からみた概略平面図である。
【図１７】同上におけるバルブ構造体の概略断面図である。
【図１８】同上における弁座の概略斜視図である。
【図１９】同上における静電駆動型半導体マイクロバルブにおける静電気力と比誘電率との関係説明図である。
【図２０】同上におけるバルブ構造体の変形形態を示す概略平面図である。
【図２１】同上におけるバルブ構造体の変形形態を示し、（ａ）は図２０の要部Ｈ１の拡大平面図、（ｂ）は図２０の要部Ｈ２の拡大平面図である。
【図２２】同上におけるビームの変形形態を示す概略平面図である。
【図２３】同上におけるビームの他の変形形態を示す概略平面図である。
【図２４】第５実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略断面図である。
【図２５】同上における他の静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略断面図である。
【図２６】同上における他の静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略断面図である。
【図２７】同上における他の静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略斜視図である。
【図２８】同上におけるバルブ構造体にストッパ片を設けた静電駆動型半導体マイクロバルブを示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。
【図２９】第６実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は一部破断した概略斜視図である。
【図３０】同上における静電駆動型半導体マイクロバルブの変形形態を示す概略断面図である。
【図３１】同上における静電駆動型半導体マイクロバルブの他の変形形態を示す概略断面図である。
【図３２】第７実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略断面図である。
【図３３】第８実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略断面図である。
【図３４】第９実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略断面図である。
【図３５】第１０実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略断面図である。
【図３６】第１１実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略断面図である。
【図３７】第１２実施形態における弁座を示す概略平面図である。
【図３８】同上における弁座の他の変形形態を示す概略平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において、同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。
【００３３】
まず、第１実施形態を図１乃至図４に基づいて説明する。なお、図１（ａ）は図２のＸ−Ｘ断面の概略断面図であり、図１（ｂ）は図２のＹ−Ｙ断面の概略断面図である。また、図３は開放状態の概略断面図、図４は開放状態の概略斜視図である。
【００３４】
図１乃至図４に示すように、静電駆動型半導体マイクロバルブは、バルブ構造体１と、このバルブ構造体１が搭載される弁座２とを一体に組合せることで構成されている。ここで、静電駆動型半導体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、第１実施形態の記述では説明の便宜上、図１（ａ），（ｂ）に示すように、弁座２の配置側を下側、バルブ構造体１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。
【００３５】
バルブ構造体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、シリコン基板の主面の中央領域に略正方形に開口する開口部１０ａを有するとともに上下方向（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１０と、フレーム１０の開口部１０ａ内に配置された弁体部１１と、弁体部１１とフレーム１０を連結し、弁体部１１がフレーム１０に対し上下方向に変位可能となる撓み性を有する４本の薄肉のビーム１２とを有している。
【００３６】
図２に示すように、バルブ構造体１において、フレーム１０は、上方から見た平面視が長方形となっており、開口部１０ａは、この長方形の一方の短辺側に幾分偏って形成されていて、他方の短辺側におけるフレーム片の幅寸法が大きくなっている。バルブ構造体１は、この幅寸法が大きいフレーム片の位置において、外向きに開放する切欠部１６を備えている。
【００３７】
また、フレーム１０の開口部１０ａ内には、フレーム１０と弁体部１１との間にこれらを離間する分離領域が弁体部１１を囲むよう形成されており、各ビーム１２は、この分離領域内にてバルブ構造体１の下部側に配置されて、フレーム１０の内壁下端部と弁体部１１の下端部とを接続している。
【００３８】
ここで、第１実施形態においては、バルブ構造体１において前述の分離領域のうちビーム１２よりも上側部分は、異方性エッチングにより掘り込み形成されており、故にフレーム１０の内壁及び弁体部１１の外周側壁は、前述の分離領域の幅寸法が下方向に狭小するテ−パ状を成す傾斜面となっている。なお、前述の分離領域は、ＲＩＥ（reactive ion etching）やＩＣＰエッチング（Inductively coupled plasma etching）等のドライエッチングにより垂直に掘り込まれたものであってもよい。
【００３９】
また、弁体部１１を支持している４本のビーム１２は、バルブ構造体１を上方から見た平面視において、弁体部１１を中心として９０度回転させたときのビーム１２の回転写像が隣の他のビーム１２と重なるような略卍状を成すものとなっている。より詳しく述べると、４本の各ビーム１２は各々、その基端がフレーム１０の各内側コーナー近傍位置においてこの内側コーナーで交差するフレーム１０の内側壁の２辺のうちの一辺に連結されており、且つフレーム１０の前記内側コーナーで交差する他辺側の内側壁と弁体部１１の側壁との間（分離領域）に沿って前記基端から先端部に向かって延設され、ビーム１２の先端部は、弁体部１１の方に屈曲して弁体部１１のコーナー辺りに連結されている。
【００４０】
第１実施形態では、ビーム１２の配置は、フレーム１０と弁体部１１とを最短距離で結ぶのではなく、４本のビーム１２が略卍状を成すようフレーム１０と弁体部１１との間の分離領域に沿わせて延設したものとしていることで、前述の分離領域の幅が狭くともビーム１２の長さを大きく取れるため、バルブ構造体１のサイズの小型化設計が容易である。また、弁体部１１が上方に変位するとき、シリコン基板の主面と平行な面において、回転を伴いながら高い位置までの変位ストロークが可能となる。
【００４１】
また、第１実施形態においては、バルブ構造体１の下面、すなわちフレーム１０と弁体部１１と各ビーム１２の下面には、アルミニウム等からなる金属層１４が形成されており、また、バルブ構造体１の上面及び側面にもアルミニウム等からなる金属層１５がフレーム１０と弁体部１１と各ビーム１２を覆うよう形成されており、この金属層１５は、金属層１４とバルブ構造体１の側面下端部辺りで一体接続している。金属層１４の下表面には、金属層１４が弁座２側に導通するのを防止するための絶縁層３が形成されている。
【００４２】
第１実施形態においては、このバルブ構造体１の下面に形成した金属層１４のうち、弁体部１１の下面部分が後述する弁座２の固定電極層２１に対向する可動電極層１３として機能するものとなっている。また、バルブ構造体１の下面における長辺側の両端部には、弁座２の上表面への接合用アルミニウム層４が帯状に設けられている。
【００４３】
ここで、本発明の好ましい態様では、ビーム１２は、弁体部１１を弁座２における弁孔２０の開口周辺領域に対し押し付ける弾性力を有していることが望まれる。つまり、この弾性力により、弁孔２０に対する弁体部１１の良好な接触状態を確実に得ることができるからである。例えば、静電駆動型半導体マイクロバルブがバルブ構造体１と弁座２の配置が上下反対となるような状態で使用される場合を想定すると、弁体部１１の自重による重力は、弁体部１１が弁孔２０から離れる方向に働くこととなるが、ビーム１２が前述の弾性力を有していれば重力に抗して弁孔２０に対する弁体部１１の接触状態を維持できる。
【００４４】
前述の弾性力を得るために、第１実施形態の静電駆動型半導体マイクロバルブは、バルブ構造体１を弁座２に搭載する前の状態において、弁体部１１の下面がバルブ構造体１の下面の接合部分（接合用アルミニウム層４の下面）よりも下方に位置するよう、ビーム１２を無負荷状態（外力が加わらない状態）で下向きに撓ませた状態としている。
【００４５】
このようにすることで、バルブ構造体１を弁座２の上表面に搭載し接合用アルミニウム層４を介して接合一体化する際に、弁体部１１の下面が、接合用アルミニウム層４が弁座２の上表面に当たるよりも先行して弁座２表面（弁孔２０の周り）に接触し、その結果、バルブ構造体１を弁座２に接合した状態では、弁体部１１は、上方に押し上げられ、その分だけビーム１２は、無負荷状態と比べて上方に撓むこととなって、元の位置への復元弾性力が弁体部１１を弁座２に対し押し付ける方向に生じる。
【００４６】
この状態を実現するため、第１実施形態では、絶縁層３の材料としてＳｉＯ２やポリイミド等のようにビーム１２の構成材料であるシリコンよりも線膨張係数が大きい材料からなる薄膜層を用いることで、ビーム１２は、前述の接合一体化の前の状態において、下向きに撓むようにすることができる。つまり、絶縁層３の材料として線膨張係数がシリコンよりも大きい材料を採用した場合、例えば絶縁層３の成膜プロセスにおいては、加熱下で成膜した後、冷却されるとき、シリコン基板と絶縁層３とは両者の線膨張係数の差に起因して冷却による熱収縮率に差を生じ、熱収縮の大きい絶縁層３がシリコン基板を下向きに変形させる残存応力がこれらの界面で発生する。
【００４７】
従って、薄肉に形成されたビーム１２は、この残存応力により歪んで先端側が下向きに撓んだ状態となる。なお、ビーム１２において、芯部分のシリコンと絶縁層３との間に金属層１４が介在しているが、ビーム１２の上表面側の金属層１５と熱収縮率による歪み応力が相殺されるため、金属層１４の存在は特に問題とならない。
【００４８】
なお、図５は、第１実施形態の変形形態を示す断面図であるが、静電駆動型半導体マイクロバルブ（のバルブ構造体１）は、図５に示すように、弁体部１１の部分のみ絶縁層３の厚みを大きくしたり、或いは金属層１４（可動電極層１３部分）の厚みを大きくして、弁体部１１の下面を下方に突き出るようにすることもできる。なお、このように弁体部１１の下面が弁座２との接合前において、両者の接合面よりも下方に突き出ていると、バルブ構造体１を弁座２上に搭載一体化するときに、弁体部１１下面の下方への突出寸法が上下方向のマージンとなり、弁体部１１下面と弁座２との確実な接触が確保できるという効果も期待できる。
【００４９】
次に、弁座２について説明する。例えば図２に示すように、第１実施形態において、弁座２は、ガラス基板を加工することによりバルブ構造体１の外形サイズと略同じサイズの長方形となるよう形成されている。弁座２は、弁体部１１と対応する位置において、下面から上表面に貫通する弁孔２０を備えている。この弁孔２０は、前述のガラス基板の下面から掘り込まれて上表面の開口に向かって狭小するテーパ状となっている。
【００５０】
また、弁座２の上表面には、弁体部１１の底面と対向する領域において、アルミニウム等の金属層からなる固定電極層２１が形成されている。また、弁座２の上表面には、バルブ構造体１の切欠部１６に対応する位置において、外部接続用の電極パッド（以降、外部接続用パッドと称する。）２２が形成されており、外部接続用パッド２２と固定電極層２１は、配線路２３により接続されていて、外部接続用パッド２２を外部電源に接続することにより固定電極層２１に電圧印加できるようになっている。
【００５１】
さらに、弁座２の上表面には、弁孔２０の開口周縁部２５を囲むように、環状溝部である例えば環状凹溝２４が形成され、また、この環状凹溝２４に一端が連通するとともに他端（以降、環状凹溝２４側ではない端を他端と称する。）が弁座２の長辺側端に延びて開放し外部に通じた連通溝部である例えば外部連絡用の凹溝（逃がし溝）２４ａ（図１（ｃ）参照）が形成されている。
【００５２】
第１実施形態において、静電駆動型半導体マイクロバルブは、バルブ構造体１を弁座２に搭載して両者を組合せ、一体化することで構成されており、バルブ構造体１と弁座２との接続固定は、バルブ構造体１の下面に設けた接合用アルミニウム層４を介して弁座２の上表面にバルブ構造体１を陽極接合することでなされている。このとき、図１（ａ），（ｂ）に示すように、絶縁層３がバルブ構造体１と弁座２との間の電気的な絶縁性を確保し、弁体部１１は、可動電極層１３及び固定電極層２１に電圧を印加しない初期状態では、その接触圧によって弁座２の固定電極層２１に接触し弁孔２０を塞いでいる。また図３、図４に示すように、この初期状態から弁孔２０に下方から流体の圧力が加わったとき、流体圧が前記接触圧よりも大きくなると弁体部１１は、押し上げられ、弁孔２０は、開放される。
【００５３】
一方、可動電極層１３と固定電極層２１との間に電圧を印加したとき、これら可動電極層１３と固定電極層２１との間に絶縁層３を介して静電気力が生じて、弁孔２０が強固に閉じる。なお、印加する電圧の大きさを適宜調節することにより、弁孔２０の開放量が調節でき、更に、流体のリーク量の制御が可能となる。
【００５４】
静電駆動型半導体マイクロバルブでは、初期状態において、弁体部１１が弁孔２０を閉じる位置にあることから、電圧印加して弁孔２０を静電気力で強制的に閉止するときに弁体部１１を変位させるエネルギーは無用であり、必要となる静電気力は、弁孔２０を流れる流体の圧力に抗するのに要する力だけとなる。しかも、可動電極層１３と固定電極層２１との距離は、実質的に絶縁層３の厚み分のみであることから、電圧印加を開始した初期から最大の静電気力が効率良く得られる。従って、弁孔２０を閉止するに要するエネルギーは、非常に効率が良く、故に消費電力が小さくてすむ。
【００５５】
第１実施形態においては、図１に示すように、固定電極層２１の表面高さは、環状凹溝２４を挟んで、内側及び外側ともフラットであり、弁体部１１の下面（絶縁層３表面）もフラット面になっている。従って、弁孔２０が閉じているとき、固定電極層２１の表面と弁体部１１の下面は、広い面積で密着することとなるため、弁孔２０を閉じる瞬間及び開放する瞬間に密閉される界面のエア抜きできないとダンパー効果により開閉応答性が悪くなる恐れがあるが、環状凹溝２４及び逃がし溝２４ａを通じて前述の界面のエア逃がしを行えるので、弁孔２０を閉じる瞬間及び開放する瞬間に密閉される界面のエア逃がしを行え、開閉応答性は、比較的良好に確保される。また、環状凹溝２４及び逃がし溝２４ａにより、弁孔２０から流れ出る流体がスムーズに排出される。
【００５６】
なお、第１実施形態では、可動電極層１３と固定電極層２１の対向面積は、弁体部１１の下面面積と略等しくなっているが、図６（ａ），（ｂ）に示す変形形態のように、固定電極層２１の大きさを広げてビーム１２の下面とも対向するようにしてもよい。ここで、図６は、図１において、固定電極層２１を大きくした変形形態を示すものであって、図６（ａ）は、図２のＸ−Ｘ断面に相当する断面での概略断面図であり、図６（ｂ）は、図２のＹ−Ｙ断面に相当する断面での概略断面図である。この場合、ビーム１２の下面の金属層１４も可動電極層１３の一部として機能し、対向面積が大きくなるため、より大きな静電気力が得られ、弁孔２０の閉止力は大きくなり、消費電力の低減に有利となる。
【００５７】
一方、静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、弁孔２０を開放するときの開放しやすさは、弁体部１１の接触圧の大きさに依存しており、この弁体部１１の接触圧は、ビーム１２による弁体部１１の支持力に概ね依存している。第１実施形態では、ビーム１２は、４本の略卍状配置となっているため、例えばダイヤフラムや十字ビーム等で弁体部１１を支持する場合に比べるとテンションの逃げ場があり、またビーム長も比較的大きくでき、上方向の変位ストロークも大きいので、弁孔２０の開放性は良好なものとなる。
【００５８】
なお、弁座２に対する弁体部１１の接触圧は、ビーム１２の幅寸法や厚み寸法、長さ寸法を変更する等してビーム１２が弁体部１１を支持する支持剛性を調整することで適宜設計可能である。
【００５９】
以上のように、かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、流体の良好な制御と低消費電力化を高いレベルで両立できるものとなっている。さらに静電駆動型半導体マイクロバルブは、初期状態において、弁孔２０が弁体部１１により塞がっているので、上方から流体圧が加わったときには、逆止弁としての機能も期待できる。
【００６０】
次に、他の実施形態を、第２実施形態として図７に基づいて説明する。図７は、第２実施形態における弁座２の断面図であり、第１実施形態の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、弁孔２０の周囲を高くした変形形態を示す断面図である。
【００６１】
図７に示すように、弁座２は、例えば弁座２における弁孔２０の開口周縁部２５’をその周囲よりも環状突状部として一段高く環状に突出させ、その先端面が弁孔２０の閉止状態における弁体部１１と当接する封止面となるような構成とする。
【００６２】
この場合、第１実施形態にて前述した「弁体部１１の下面がバルブ構造体１の下面の接合部分（接合用アルミニウム層４の下面）よりも下方に位置するよう」にするときと同様に、ビーム１２に弁体部１１をこの開口周縁部２５’に対し押し付ける弾性力を備えるので、良好な接触状態が得られる。すなわち、弁座２の上表面において、環状突状部である開口周縁部２５’が一段高く突出することで、バルブ構造体１を弁座２に搭載するとき開口周縁部２５’が弁体部１１に当たりやすくなるからである。そして、バルブ構造体１を弁座２に接合固定するとき開口周縁部２５’が弁体部１１を上方に押し上げ、これに伴いビーム１２も上向きに撓むため、下向きに復元弾性力を生ずることとなる。
【００６３】
なお、第２実施形態においては、環状突状部である開口周縁部２５’をその周囲よりも一段高くする形成する場合を挙げたが、同様の考え方で、弁座２と弁体部１１の対向面の何れか一方に、弁孔２０の開口部を内側に含むような環状の突状部（図示せず）を別途設け、この環状の突状部の先端面が弁孔２０の閉止状態において、弁体部１１と当接する封止面となるようにしてもよい。
【００６４】
また、第２実施形態においては、環状突状部である開口周縁部２５’は、弁座２における弁体部１１への対向面に形成されているが、平面視において弁孔２０を内側に含むように、弁体部１１における弁座２への対向面に形成してもよい。
【００６５】
ところで、一般的に、密接させた２つの平行な面の界面内に水分が存在すると、乾燥状態のときと比べて、密接させた２つの面が容易には解離し難くなる、いわゆる界面固着現象が発生する恐れがある。使用条件等によっては、静電駆動型半導体マイクロバルブは、弁孔２０を弁体部１１で閉止した状態において、弁体部１１の下面（絶縁層３の表面）と弁座２の固定電極層２１表面との接触界面内に水分が存在することが想定され、この場合には、界面固着現象が発生して、弁体部１１が弁座２への接触状態から解離し難くなる。このような界面固着現象を解決するためには、静電駆動型半導体マイクロバルブは、弁体部１１の下面（絶縁層３の表面）と弁座２側の対向面（固定電極層２１の表面）における少なくとも一方の接触部位の表面に、前述の界面固着現象を防止するための固着防止手段を備えることが有効である。
【００６６】
そこで、次に、静電駆動型半導体マイクロバルブに固着防止手段を設けた実施形態を、第３実施形態として図８乃至図１１に基づいて説明する。図８は、第３実施形態における弁座２を示す断面図である。なお、図９乃至図１１は、第３実施形態の変形形態を示す図である。
【００６７】
弁座２は、固定電極層２１の表面に微小突起２４ｂを固着防止手段として備えている。微小突起２４ｂは、界面に水分の均一な薄層が形成されるのを防止して、弁体部１１と弁座２とが固着することを防止している。なお、微小突起２４ｂは、突出高が余り大きすぎると前記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高さとする。
【００６８】
なお、固着防止手段は、この微小突起２４ｂの他、弁体部１１の絶縁層３表面又は固定電極層２１の表面に、所望の表面粗面化処理や所望の疎水化処理を施した箇所であってもよいし、所望の表面粗面化処理と所望の疎水化処理の両処理を施した箇所であってもよい。また、固着防止手段は、微小突起２４ｂに表面粗面化処理を施したものであってもよいし、微小突起２４ｂに疎水化処理を施したものであってもよいし、微小突起２４ｂに表面粗面化処理、疎水化処理の両処理を施したものであってもよい。
【００６９】
また、さらに第３実施形態の変形形態について述べると、例えば図９に示すように、弁体部１１は、上面側を除去してフレーム１０に比べて薄肉に形成されていてもよい。なお、図９は、第３実施形態における弁体部１１を示す概略断面図（第１実施形態の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、弁体部１１の厚みを薄肉化した変形形態を示す弁体部１１の概略断面図）である。この場合、弁体部１１の質量が小さくなるので、当該弁体部１１を変位させやすくなり、弁孔２０の開閉動作が行いやすくなる。この弁体部１１を薄肉化する手法は、例えば金属層１５を形成する前にシリコン部分をエッチングして削っておくことでもよく、この場合は、弁体部１１の全体の厚みが薄くなる。
【００７０】
ここで、図１０は、第３実施形態における弁体部１１の変形形態を示す概略平面図であり、第１実施形態の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、可動電極層１３が形成されている面とは反対側の面に補強リブ１１ａを設けた図である。弁体部１１を薄肉化した場合、図１０に示すように、弁体部１１の上表面は、補強リブ１１ａを備えて、薄くなって強度低下した分を補強させるようにするとよい。
【００７１】
また、他の薄肉化手法としては、図１１のように、弁体部１１の上表面において、凹所１１ｂを掘り込み形成してもよい。図１１は、第３実施形態における弁体部１１の変形形態を示す断面図であり、第１実施形態の静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、可動電極層１３が形成されている面とは反対側の面に凹所１１ｂを形成して薄肉化した図である。この凹所１１ｂは、弁体部１１のシリコン基板部分を上方から所定厚を残すようにしてエッチングで掘り込むことで形成できる。
【００７２】
ここで、上述の第１実施形態の静電駆動型半導体マイクロバルブについて、バルブ構造体１及び弁座２の形成方法の一例を図１２乃至図１４に基づいて簡単に説明する。
【００７３】
図１２（ａ），（ｂ）は、バルブ構造体１の上面側構造の加工プロセスを示す工程図である。なお、この図１２では、チップレベルでのバルブ構造体１のプロセスについて記載しているが、実際にはシリコンウエハの状態で各セル毎に構造体を形成した後に個別のチップに切断されるものである。
【００７４】
まず、図１２（ａ）に示すように、シリコン基板１００は、除去されて開口部１０ａとなる面１０３と切欠部１６となる面１０４を除いて、弁体部１１の上面部分の面１０２とフレーム１０の上面部分の面１０１とにレジストやＳｉＯ２膜、ＳｉＮ膜等でマスクをされる。そして図１２（ｂ）に示すように、異方性エッチングにより底部に薄肉の厚み部分を残して分離領域１０７と切欠部相当凹部１０８を掘り込み、これにより残存部分であるフレーム相当部１０５、弁体部相当部１０６が形成される。
【００７５】
次に、バルブ構造体１の下側構造の加工プロセスを説明する。なお、図１３（ａ）〜（ｅ）は、バルブ構造体１の下面側構造の加工プロセスを示す工程図である。
【００７６】
まず、図１３（ａ）に示すように、先に上面側構造を形成したシリコン基板１００を裏返し、図１３（ｂ）に示すように、上に向けた下表面の全面にアルミニウムやクロム等からなる金属層１４（例えば１μｍ程度）をスパッタリング等により形成し、さらに図１３（ｃ）に示すように、絶縁層３を金属層１４の表面の全面に形成する。そして、図１３（ｄ）に示すように、絶縁層３表面に所定形状のマスクを施した後、反対面に形成した分離領域１０７に貫通するスリットを形成してフレーム１０と弁体部１１を分離すると共にこれらを連結する４本のビーム１２が形成される。
【００７７】
また、このとき同時に切欠部相当凹部１０８に貫通するよう開口を形成して切欠部１６を形成する。反対面側からは金属層１５をスパッタリング等により形成しておく。そして、絶縁層３の表面において、チップ長辺側の両端部に例えば厚みが１μｍ程度の接合用アルミニウム層４をスパッタリング等で形成すると、バルブ構造体１の構造ができあがる。
【００７８】
次に、弁座２の加工プロセスについて図１４に基づいて説明する。図１４（ａ）〜（ｃ）は、ガラス基板から弁座２形成する工程を順次示す工程図であり、（ｄ）は、（ｃ）のＸ−Ｘ断面での概略断面図である。図１４（ａ）に示すように、ガラス基板２００を準備し、図１４（Ｂ）に示すように、このガラス基板２００の下面から上面にテーパ状に貫通する弁孔２０を形成すると共に、弁孔２０の上面開口を囲むように環状凹溝２４と逃がし溝２４ａとをサンドブラスト等により形成する。
【００７９】
そして、ガラス基板２００の上面側の全面にスパッタリングで金属層を形成した後、固定電極層２１や連絡用の配線路２３や外部接続用パッド２２に相当する残し部にマスクをして、残し部以外の金属層をエッチング除去し、図１３（ｃ），（ｄ）に示すように、固定電極層２１や配線路２３、外部接続用パッド２２を形成する。これにより弁座２が作成される。
【００８０】
なお、ここで述べた加工方法のプロセスは、あくまでバルブ構造体１の形成方法の一例に過ぎず、形状や構成の変更に応じて公知の加工手法を採用し適宜組合せてプロセス設計できる。例えば、半導体基板としてＳＯＩ基板を用いてバルブ構造体１を形成すれば、バルブ構造体１の厚み設計が加工プロセス上、行いやすくなるため好ましく採用される。
【００８１】
更に、他の変形形態である実施形態を、第４実施形態として図１５乃至図２３に基づいて説明する。図１５は、第４実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略平面図（第１実施形態乃至第３実施形態において、可動電極層１３をシリコン基板への不純物ドープによる導電性拡散層により構成した変形形態の静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略平面図）である。
【００８２】
また、図１６は、バルブ構造体１を弁座２への搭載側からみた概略平面図であり、図１７は、図１６のバルブ構造体１のＸ−Ｘ断面での概略断面図であり、図１８は、弁座２の概略斜視図である。また、図１９は、絶縁層３を介して対向する電極（可動電極層１３、固定電極層２１）間において、この電極間の静電気力と絶縁層３の比誘電率との関係を示すグラフである。なお、後述する図２０、図２１は、第４実施形態の変形形態を示す概略平面図である。
【００８３】
第４実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブでは、図１６、図１７に示すように、バルブ構造体１の下面において、金属層１４を形成する代わりに、シリコン基板の加工工程中において、このシリコン基板の下面に不純物ドープして導電性拡散層１７を形成している。この導電性拡散層１７は、フレーム１０、弁体部１１及びビーム１２の下面に形成されており、弁体部１１の下面部分が可動電極層１３として機能する。なおこの変形形態では、バルブ構造体１の上面側に金属層１５は形成されない。その代わり、バルブ構造体１の上面側の表面には、図示しない窒化膜（ＳｉＮ膜）を形成している。
【００８４】
この窒化膜は、線膨張係数がシリコン基板より小さいので、ビーム１２の上表面側においては、この窒化膜形成時の熱が冷めるときにこの窒化膜とシリコン基板との線膨張係数の差に起因した残存応力がこれらの界面にて生じ、ビーム１２を下向きに反らせている。これにより弁体部１１の下面は、弁座２への搭載前の状態において、下方に突出するようになっている。このことの意義は既に前述した通りである。
【００８５】
導電性拡散層１７の表面には、前述した第１実施形態乃至第３実施形態と同様に、絶縁層３が形成され、さらにバルブ構造体１の下面における長辺側の両端部に接合用アルミニウム層４が形成されている。この変形形態では、フレーム１０の下面位置における絶縁層３の一部に導電性拡散層１７にまで至るコンタクトホール３１が形成され、このコンタクトホール３１を形成した部分には、導電性拡散層１７にコンタクトホール３１を介して導通し、絶縁層３の表面に露出するバルブ側電極５が形成されている。このバルブ側電極５は、後述するよう、弁座２側への接続を容易にするためにバンプ電極として形成されている。
【００８６】
第４実施形態において、図１８に示すように、弁座２は、その上表面に２つの外部接続用パッド２２，２６を有している。ここで、説明の便宜上、前者を第１の外部接続用パッド２２、後者を第２の外部接続用パッド２６とする。第１の外部接続用パッド２２と第２の外部接続用パッド２６とは電気的に独立して、静電駆動型半導体マイクロバルブを上から見た平面視において、バルブ構造体１の切欠部１６にて露出している。
【００８７】
また、弁座２の上表面におけるバルブ側電極５と対応する位置には、バルブ通電用の受けパッド２７が形成されており、この受けパッド２７と第２の外部接続用パッド２６とは連絡用の配線路２８により接続されている。そして、バルブ構造体１を弁座２上に搭載一体化するとき、バルブ側電極５が受けパッド２７と一致し接続されるようになっている。この変形形態では、第１の外部接続用パッド２２と第２の外部接続用パッド２６とが共に切欠部１６にて露出しているので、外部電源への接続を容易に行うことができる。
【００８８】
ところで、第４実施形態では、初期状態において、弁体部１１下面側の可動電極層１３と弁座２上の固定電極層２１とは絶縁層３を介して対向していることから、この初期状態からより大きな静電気力を効率良く得るためには、絶縁層３の誘電率を大きくすることが有効である。図１９のグラフは、印加電圧を一定とした条件下でのグラフであり、このグラフからわかるように、電極（可動電極層１３、固定電極層２１）間の絶縁層３が有する比誘電率が大きくなり始める初期範囲において、静電気力が急な勾配で大きくなり、その後、その勾配は、緩やかになる傾向である。従って、絶縁層３の材料として高誘電率の絶縁材料を選択すると好ましい。例えば、ＳｉＯ２は比誘電率が４、ＳｉＮは比誘電率が７であることから、これらよりも高誘電率（例えば比誘電率が３０以上）の絶縁材料を使用すると良い。高誘電率材料の具体例としては、ＢａＴｉＯ３（比誘電率が１００〜３００）、ＳｒＴｉＯ３（比誘電率が１００〜３００）、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３（比誘電率が３００〜１０００）などが例示できる。
【００８９】
ここで、図２０は、第４実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブにて、バルブ構造体１のビーム１２の入隅コーナーに面取り部１２ａを設けた態様を示す平面図であり、図２１（ａ）は、図２０の点線Ｈ１で示す部分の拡大図であり、図２１（ｂ）は、点線Ｈ２で示す部分の拡大図である。
【００９０】
第４実施形態においては、その変形形態として、図２０、図２１（ａ），（ｂ）に示すように、ビーム１２がフレーム１０や弁体部１１と連結される付け根部分における入隅コーナーや、ビーム１２の屈曲部に形成される入隅コーナーにおいて、面取り部１２ａが形成されていてもよい。ビーム１２は、薄肉であるため入隅コーナーに応力が一点集中すると応力集中箇所に亀裂を生じやすくなるが、ビーム１２の入隅コーナに面取り部１２ａを形成しておくとで応力集中を防止することができ、ビーム１２の破損等が防止される。この面取り部１２ａは、例えばＣ面やＲ面として形成することができる。
【００９１】
また、第４実施形態においては、略卍状配置の４本のビーム１２により弁体部１１を支持する両持ちタイプの静電駆動型半導体マイクロバルブを説明してきたが、他の変形形態を例示することができる。図２２は、ビーム１２をいわゆる片持ち梁状にした一態様を示す概略平面図であり、ビーム１２をフレーム１０と弁体部１１との分離領域を一周回したような形状とした変形形態であり、図２３は、ビーム１２を片持ち梁状にした他の態様を示す概略平面図であり、ビーム１２を最も一般的な一文字状のカンチレバー形状にした変形形態である。
【００９２】
次に、弁体部１１の変位を規制するストッパを備えた実施形態を、第５実施形態として図２４乃至図２８に基づいて説明する。図２４乃至図２６は、第５実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略断面図（第１実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブにおいて、ガラスストッパ６を設けた半導体マイクロバルブの一態様を示す概略断面図）である。
【００９３】
図２７は、第５実施形態におけるガラスストッパ６を一部に設けた静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略斜視図である。図２８（ａ）は、第５実施形態におけるバルブ構造体１の構造内にストッパ片７を設けた静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略平面図であり、図２８（ｂ）は、（ａ）のＸ−Ｘ断面での概略断面図である。
【００９４】
まず、第５実施形態においては、図２４乃至図２７に示すように、弁体部１１の変位を規制するストッパの一例として、ガラス製のストッパであるガラスストッパ６を設ける。
【００９５】
図２４に示す静電駆動型半導体マイクロバルブは、第１実施形態である図１乃至図４に示した具体例において、ガラスストッパ６を備えた構成である。このものでは、ガラスストッパ６の下側面に弁体部１１上面とのギャップ確保のための凹部である座ぐり部６１が形成されている。この例では、フレーム１０の上面も金属層１５にて被覆されているので、ガラスストッパ６を陽極接合にて固定できる。ここで、フレーム１０の上に金属層１５を設けず、フレーム１０にガラスストッパ６を直接、陽極接合するようにしても勿論よい。
【００９６】
なお、図２４における座ぐり部６１は、例えば、サンドブラストを用いて、ガラスストッパ６の弁体部１１に相対する部分を所定の厚み分だけ除去することで形成することができる。なお、この場合、サンドブラスト加工は、シリコン基板等をエッチング加工することに比べ、高速で形成することができるため、大流量を得るバルブ用途に適している。
【００９７】
一方、図２５に示す静電駆動型半導体マイクロバルブは、第４実施形態である図１５乃至図１８に示した具体例において、平板状のガラスストッパ６を備えた構成である。この例では、フレーム１０の上面に、ストッパ接合層であるストッパ接合用アルミニウム層８がギャップを確保するに十分な厚みで形成されており、このストッパ接合用アルミニウム層８を介してガラスストッパ６がフレーム１０上に陽極接合されている。なお、ストッパ接合用アルミニウム層８は、スパッタリング等の半導体プロセスを用いることで、０．１μｍ程度の精度で厚み設定が可能であるので、弁体部１１とガラスストッパ６とのギャップが精度良く確保できる。
【００９８】
このように、静電駆動型半導体マイクロバルブは、ガラスストッパ６を設けておくことで、例えば弁孔２０に大きな流体圧が加わった場合等において、弁体部１１がビーム１２の撓みの許容以上に変位してビーム１２を破損するのを防止することができる。
【００９９】
また、図２６に示す静電駆動型半導体マイクロバルブは、弁体部１１の厚みがフレーム１０の厚みより薄い構成である。弁体部１１の厚み加工は、例えば、弁体部１１のガラスストッパ６に対する面を、ＫＯＨ溶液等により異方性エッチングすることで所定厚みだけ除去して行い、弁体部１１の厚みがフレーム１０の厚みより薄くなるように予め加工してもよい。この場合、異方性エッチングで取り除く所定の厚みとは、弁体部１１が変位する際に、弁体部１１の上側面とガラスストッパ６の下側面とのギャップが十分確保されるような厚みであり、異方性エッチングにては、１μｍ以下の精度で設定可能である。なお、図２６のものでは、例えば、フレーム１０にガラスストッパ６を直接、陽極接合する。
【０１００】
ここで、図２４、図２６に示す静電駆動型半導体マイクロバルブは、ガラスストッパ６がフレーム１０の全面を覆うサイズであるが、ガラスストッパ６が少なくとも弁体部１１と所定の間隔、つまり、弁体部１１が変位する際に、弁体部１１の上側面とガラスストッパ６の下側面とのギャップが十分確保されるような間隔が確保されていれば、例えば、図２７に示すように、フレーム１０の一部を覆うようなサイズであってもよい。
【０１０１】
なお、第５実施形態においては、ストッパはガラスを用いているが、例えば、樹脂系の材料のものも用いることもできる。この場合、プレス成形等の加工が容易であるので、低コストでストッパが形成される。
【０１０２】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、ガラスストッパ６は、弁体部１１の変位を規制することで、弁体部１１の変位が過大になることを防止するとともに、弁体部１１の破壊を防止する。また、弁体部１１とガラスストッパ６とのギャップを精度良く形成することで、流体の流量範囲の制御の精度が良くなる。また、前述のギャップにより可動電極層１３と固定電極層２１との間に作用させる静電気力の最大値を決定できるので、駆動電圧を低く抑える設計が可能になる。
【０１０３】
ここで、第５実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブにて、ガラスストッパ６を設ける代わりに、図２８（ａ），（ｂ）に示すように、バルブ構造体１の構造中に突出片であるストッパ片７を有するようにしたものであってもよい。図２８では、フレーム１０の内壁部の一部に下側及び内側に開放する座ぐり部９が形成されており、ストッパ片７は、弁体部１１の側辺部の一部からフレーム１０に向かって延び、座ぐり部９内に導入されていて、座ぐり部９内壁に対してストッパ片７は、間隔を有して遊挿状態となっている。そして弁体部１１が上方に変位したとき、座ぐり部９の天面にストッパ片７が当って、弁体部１１の上方への変位が規制されるようになっている。
【０１０４】
このストッパ片７及び座ぐり部９を形成するにあたっては、例えば座ぐり部９とストッパ片７との離間領域のうち、半導体基板の厚み方向については、下面からのエッチングで掘り込み形成し、また、半導体基板の主面と平行な方向については、犠牲層エッチングで掘り込むといった手法が挙げられる。この際、半導体基板として、犠牲層で除去する位置に埋め込み酸化膜を有するＳＯＩ基板を用いると便利である。なお、図２８のものは、ストッパ片７を弁体部１１の一箇所に設けた例となっているが、弁体部１１の４つの各側面に形成しても良く、また、弁体部１１からではなく、ビーム１２の先端側において側方に突設しても構わない。ストッパ片７は、バルブ構造体１の構造中に形成されたものであってもよい。
【０１０５】
次に、フレーム１０や、ストッパや、ストッパ接合層に開口部を備えた実施形態を、第６実施形態として図２９乃至図３１に基づいて説明する。図２９は、第６実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略断面図及び概略斜視図（（ａ）は、概略断面図であり、（ｂ）は、概略斜視図）である。図３０、図３１は、第６実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブの変形形態を示す概略断面図である。
【０１０６】
図２９に示す静電駆動型半導体マイクロバルブは、第５実施形態である図２５に示した具体例において、排出口の機能を果たす微細な開口部である孔部６ａを備えた構成である。図２５において、ストッパ接合用アルミニウム層８の一部が除去された構成となっており、ストッパ接合用アルミニウム層８の除去は、通常の半導体プロセスにて行い、孔部６ａが形成される。この場合、バルブ構造体１とガラスストッパ６の間で形成される空間Ｓは、孔部６ａの存在のために、完全な閉空間とはならないが、ほとんど閉空間に近い状態になる。なお、ガラスストッパ６は、フレーム１０の全面を覆っているが、図２９（ｂ）にては、便宜上、孔部６ａの上側部を除去した形で図示している。
【０１０７】
ここで、孔部６ａは、半導体プロセスにて形成されるので、加工が高精度になされるため、空間Ｓ内の圧力調整が行いやすい。また、バルブ構造体１とガラスストッパ６の間で、孔部６ａを介して静電駆動型半導体マイクロバルブ外部と空間Ｓとが連通することで、弁体部１１が駆動する際に、空気ダンパーの効果が得られ、更に弁体部１１の破壊を防止することができる。孔部６ａの上下方向の開口長さｈは、微細であるが、その微細の程度は、弁孔２０の開口径（直径）と同オーダー程度である。例えば、弁孔２０の開口径（直径）が０．３ｍｍである場合、孔部６ａの上下方向の開口長さが０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度である。なお、孔部６ａの上下方向の開口長さｈは、弁孔２０の開口径以下であることが好ましい。
【０１０８】
また、その他の変形形態を図３０、図３１に示す。図３０に示す静電駆動型半導体マイクロバルブは、第５実施形態である図２６に示した具体例において、フレーム１０の一部をエッチング等の加工技術により一部除去して開口部である孔部６ａを形成した一例である。また、図３１に示す静電駆動型半導体マイクロバルブは、図２５においてストッパ接合用アルミニウム層８を設けず、かつ、図２４に示す座ぐり部６１と同様に形成可能な、一端が静電駆動型半導体マイクロバルブ外縁まで伸びた段部６１ａを備えるとともに、この段部６１ａの外縁側であるフレーム１０の一部が除去され孔部６ａを備えた構成である。
【０１０９】
なお、段部６１ａは、例えば数十μｍ程度の深さをサンドブラスト加工等により形成する場合には、段部６１ａの形成と同時に、孔部６ａの形成も可能である。この場合、孔部６ａの上下方向の高さは、段部６１ａの高さに等しくなるが、幅方向のサイズは、加工時のマスク形状により自由に制御可能であるので、空間Ｓの圧力調整が効率的に行える。
【０１１０】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、孔部６ａにより、前述の空間Ｓ内の流体の圧力が孔部６ａの外部、つまり静電駆動型半導体マイクロバルブ外部の圧力よりも高くなるので、静電駆動型半導体マイクロバルブに流入してくる側の流体圧力と空間Ｓ内の圧力との圧力差が縮小され、弁体部１１を駆動する静電力が小さくても弁体部１１が駆動可能であり、微小流量を高精度に制御することができる静電駆動型半導体マイクロバルブを提供することができる。
【０１１１】
なお、第６実施形態においては、開口部である微細な孔部６ａは、フレーム１０や、ガラスストッパ６や、ストッパ接合用アルミニウム層８に形成したものを例示しているが、少なくとも、フレーム１０、ガラスストッパ６、ストッパ接合用アルミニウム層８のいずれかに形成されていれば、フレーム１０や、ガラスストッパ６や、ストッパ接合用アルミニウム層８の各部にまたがる形で孔部６ａが形成されていても勿論よい。
【０１１２】
次に、第１実施形態における異なる電極の取り出し構造を示した実施形態を、第７実施形態として図３２に基づいて説明する。図３２は、第７実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略断面図（図２におけるＹ−Ｙ断面での概略断面図）である。
【０１１３】
図３２に示すように、図１（ｂ）に示したＹ−Ｙ断面において、静電駆動型半導体マイクロバルブは、フレーム１０における弁座２に対しての非対向面（図３２ではバルブ構造体１の上面）には、フレーム１０内を通じて可動電極層１３と電気的に接続される可動電極層側電極パッド３０を備えている。
【０１１４】
また、弁座２におけるバルブ構造体１に対しての非対向面（図３２では弁座２の下面）には、固定電極層側電極パッド３００が形成され、弁孔２０に沿った箇所には、固定電極層側電極パッド３００と電気的に接続されている第４導電部３２である配線路等が形成され、第４導電部３２と固定電極層２１とは、電気的に接続されている。なお、可動電極層側電極パッド３０と固定電極層側電極パッド３００との間に外部電源に接続することにより、可動電極層１３と固定電極層２１との間に電圧印加することができる。
【０１１５】
静電駆動型半導体マイクロバルブは、可動電極層１３を半導体基板であるフレーム１０内を通じて、可動電極層側電極パッド３０と導通させることで、可動電極層１３が可動電極層側電極パッド３０のところまで引き出された構成になる。また、静電駆動型半導体マイクロバルブは、弁孔２０を経由して設けた第４導電部３２を介して固定電極層側電極パッド３００と導通させることで、固定電極層２１が固定電極層側電極パッド３００のところまで引き出された構成となる。
【０１１６】
ここで、可動電極層１３、固定電極層２１、可動電極層側電極パッド３０、固定電極層側電極パッド３００、第４導電部３２といった配線の材料は、例えばアルミニウム、クロム等の金属を例示することができるが、これらの金属の薄膜は、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング等の方法により形成することができる。なお、固定電極層側電極パッド３００、第４導電部３２、固定電極層２１は、各々が電気的に接続されていれば、一体形成したものであってもよし、勿論、各々を別途に形成してもよい。
【０１１７】
なお、弁体部１１、フレーム１０、各ビーム１２の下表面に設けた可動電極層１３又は金属層１４の表面には、弁座２側との導通を防止するために絶縁層３が形成されている。
【０１１８】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、可動電極層側電極パッド３０、固定電極層側電極パッド３００といった外部電源に接続する電極をバルブ外部に取り出すことにより、チップサイズの増大がないため、より小型な静電駆動型半導体マイクロバルブを提供することができる。また、小型化によりチップの取れ数が増大するため、製造コストを低減させることができる。
【０１１９】
次に、第７実施形態における変形形態を示した実施形態を、第８実施形態として図３３に基づいて説明する。図３３は、第８実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略断面図（図２におけるＹ−Ｙ断面での概略断面図）である。
【０１２０】
図３２においてバルブ構造体１を構成する半導体基板はシリコン基板であるが、図３３では、バルブ構造体１を構成する半導体基板がＳＯＩ基板である。つまり、バルブ構造体１が、活性層４０、絶縁性である埋め込み中間酸化膜４１、支持層４２からなるＳＯＩ基板で構成されている。なお、第８実施形態においては、活性層４０は、弁座２との対向面側に配置された構成である。
【０１２１】
フレーム１０は、活性層４０から支持層４２まで貫通する凹部４３を備え、この凹部４３の内面には、アルミニウム、クロム等の導電性を有する材料からなる第１導電部４４である導電性の膜を形成して、活性層４０と支持層４２と可動電極層側電極パッド３０とを電気的に接続させ、活性層４０と支持層４２とを導通させ、半導体基板であるフレーム１０内を通じて、可動電極層１３が可動電極層側電極パッド３０まで引き出された構成である。
【０１２２】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、バルブ構造体１の半導体基板にＳＯＩ基板を使用し、活性層４０の薄いものを用いることで、薄肉のビーム１２を精度よく形成することができる。それにより、ビーム１２の剛性を低減させることができるため、バルブの排気性能を向上させるとともに駆動電圧の低減が可能となる。ここで、駆動電圧を低減させる代わりに電極面積を縮小すれば、チップサイズの小型化が実現でき、更なる製造コストの低減が図れる。
【０１２３】
次に、第８実施形態における変形形態を示した実施形態を、第９実施形態として図３４に基づいて説明する。図３４は、第９実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略断面図（図２におけるＹ−Ｙ断面での概略断面図）である。
【０１２４】
図３４に示すように、第２導電部４５である導電性の膜は、例えば、フレーム１０における弁体部１１への対向面から、弁体部１１に対向する側のフレーム１０壁面側を経由して、バルブ構造体１の上面まで形成されており、可動電極層側電極パッドの機能を兼ねており、活性層４０と支持層４２とが電気的に接続される。なお、第２導電部４５に関して、可動電極層側電極パッドとして機能する領域と、フレーム１０における弁体部１１への対向する領域と、弁体部１１に対向する側のフレーム１０壁面側の領域とは、一体形成して電気的に接続するようにしても、各々別々に形成し、電気的に接続するようにしてもよい。なお、第２導電部４５の材料は、一例としてアルミニウム、クロム等である。また、第８実施形態においては、ＳＯＩ基板で構成された弁体部１１、ビーム１２の周辺にも、図３４に示すように、第２導電部４５と同材料の導電性膜４５ａを覆うように形成している。
【０１２５】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、バルブ構造体１にＳＯＩ基板を使用し、活性層４０の薄いものを用いることで、薄肉のビーム１２を精度よく形成することができる。それにより、ビーム１２の剛性を低減させることができるため、バルブの排気性能を向上させるとともに駆動電圧の低減が可能となる。ここで、駆動電圧を低減させる代わりに電極面積を縮小すれば、チップサイズの小型化が実現でき、更なる製造コストの低減が図れる。
【０１２６】
次に、第７実施形態における変形形態を示した実施形態を、第１０実施形態として図３５に基づいて説明する。図３５は、第１０実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略断面図（図２におけるＹ−Ｙ断面での概略断面図）である。
【０１２７】
図３５に示すように、静電駆動型半導体マイクロバルブは、静電駆動型半導体マイクロバルブの外部と貫通する開口部である微細な孔部６ａを備え、弁体部１１の変位を規制する例えばガラスストッパ６をバルブ構造体１の上に備えており、ガラスストッパ６と、バルブ構造体１と、弁座２からなる３層構造である。第１０実施形態においては、フレーム１０の上面に、第７実施形態では可動電極層側電極パッド３０として機能していた金属膜３０ａがギャップを確保するに十分な厚みで形成されており、金属膜３０ａを介してガラスストッパ６がフレーム１０上に陽極接合されている。
【０１２８】
なお、ガラスストッパ６は、例えばフレーム１０と弁体部１１との間の上部に位置する箇所に孔部６ａを設けており、この孔部６ａは、例えば弁孔２０に大きな流体圧が加わった場合等において、第６実施形態の図２９乃至図３１に示した孔部６ａと同様の機能を果たすので、ここでは詳細な説明は省略する。ここで、開口部である孔部６ａは、ガラスストッパ６に対して厚み方向に貫通しているので、孔部６ａの周部に例えば管状の部材（図示せず）を取り付けることで、孔部６ａから流体媒体の取り出しが容易に行える。
【０１２９】
ここで、第１０実施形態においては、孔部６ａには、金属膜３０ａと電気的に接続して、ガラスストッパ６の上面まで形成された第３導電部４６である配線路を備えており、第３導電部４６は、ガラスストッパ６の上面で、外部電源に接続する可動電極層側電極パッド３０ｂと電気的に接続されている。なお、第３導電部４６の材料は、一例としてアルミニウム、クロム等であり、第１０実施形態では、ガラスストッパ６の孔部６ａ及び上面部にわたり第３導電部４６が形成されている構成を一例として示している。
【０１３０】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、金属膜３０ａと第３導電部４６と、可動電極層側電極パッド３０ｂを電気的に接続することで、可動電極層１３がガラスストッパ６の上面まで引き出された構成となり、より小型な静電駆動型半導体マイクロバルブを提供することができる。
【０１３１】
次に、他の実施形態を、第１１実施形態として図３６に基づいて説明する。図３６は、第１１実施形態における静電駆動型半導体マイクロバルブを示す概略断面図（図２におけるＹ−Ｙ断面での概略断面図）である。
【０１３２】
静電駆動型半導体マイクロバルブは、バルブ構造体１のフレーム１０と弁座２との間に設けられる金属薄膜等の接合用電極５０を備えており、接合用電極５０を介してバルブ構造体１と弁座２とが陽極接合により接合されている。弁座２におけるフレーム１０との接合面側には、図３６に示すように、接合用電極５０と電気的に接続される配線路５１と、可動電極層側電極パッド５２と、固定電極層側電極パッド５３とが形成されている。
【０１３３】
ここで、可動電極層１３は、接合用電極５０と配線路５１と可動電極層側電極パッド５２とを導通させることにより、可動電極層側電極パッド５２まで引き出された状態になる。
【０１３４】
また、固定電極層側電極パッド５３は、図３６に示すように、例えば固定電極層２１を弁座２の端部まで例えば連絡配線を利用して延設して、固定電極層２１と固定電極層側電極パッド５３とを導通させることにより、固定電極層２１を固定電極層側電極パッド５３まで引き出している。なお、接合用電極５０、配線路５１、可動電極層側電極パッド５２、固定電極層側電極パッド５３の材料は、一例としてアルミニウム、クロム等である。
【０１３５】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、可動電極層側電極パッド５２と固定電極層側電極パッド５３とを同一平面上に形成すことができるため、プローブ検査や実装が容易となる。また、可動電極層側電極パッド５２の位置を図３２に示すような構造の場合に比べて低くすることができるため、薄型のパッケージに収めることができ、例えば、薄型化ニーズの高い携帯型商品への搭載で優位性を持たせることができる。
【０１３６】
最後に、第１実施形態における環状凹溝（環状溝部）２４、逃がし溝（連通溝部）２４ａに関する（２つの）変形形態である実施形態を、第１２実施形態として図３７、図３８に基づいて説明する。図３７、図３８は、第１２実施形態における弁座２を示す概略平面図である。
【０１３７】
ここで、第１実施形態においては、図４、図１４に示すように、逃がし溝２４ａは、一端が環状凹溝２４に連通し、他端が静電駆動型半導体マイクロバルブの外部に開放されているが、第１２実施形態においては、静電駆動型半導体マイクロバルブは、図３７に示すように、例えば、他端が固定電極層２１の範囲内に収まるような終点である構成の連通溝部２４ｃを備えている点が異なっている。なお、連通溝部２４ｃにおける前述の他端は、弁座２から外部に開放されず、つまり静電駆動型半導体マイクロバルブから外部に開放されず、弁座２内に収まるような構成であればよい。
【０１３８】
なお、更に第１実施形態における変形形態としての静電駆動型半導体マイクロバルブは、図３８に示すように、弁孔２０から所定の距離をとり、弁座２の各辺に対して放射状に配置された溝部２４ｄを備えた構成である。なお、この放射状に配置された溝部２４ｄは、例えば本数が８本で弁孔２０を取り囲む溝であるが、その本数は所望の数であってよく、弁座２から外部に開放されず、弁座２内に収まるような構成であればよい。
【０１３９】
また、各放射状に配置された溝部２４ｄの配置は、対称対となるように配置されることが好ましく、この場合、放射状に配置された溝部２４ｄにより、弁孔２０から流れ出る流体がスムーズに排出される。なお、上述の連通溝部２４ｃ、放射状に配置された溝部２４ｄは、サンドブラスト等により形成することができる。
【０１４０】
なお、第１２実施形態においては、上述の放射状に配置された溝部２４ｄは、弁座２における弁体部１１への対向面に形成されているが、平面視において弁孔２０から所定の距離をとるように、弁体部１１における弁座２への対向面に形成してもよい。
【０１４１】
かかる静電駆動型半導体マイクロバルブにおいては、連通溝部２４ｃや放射状に配置された溝部２４ｄが弁座２から外部に開放されず、弁座２内に収まるような構成であるので、製造時のダイシング等において異物が混入することを防止することができる。
【０１４２】
ここで、第７実施形態乃至第９実施形態及び第１１実施形態において、第１実施形態乃至第６実施形態及び第１２実施形態に示したような変形箇所を組み合わせた構成で静電駆動型半導体マイクロバルブを形成しても勿論よく、また、第１０実施形態において、第１実施形態乃至第４実施形態及び第１２実施形態に示した変形形態を組み合わせた構成で静電駆動型半導体マイクロバルブを形成しても勿論よい。
【０１４３】
また、第１実施形態乃至第１２実施形態においては、環状溝部２４及び連通溝部２４ａ（又は連通溝部２４ｃ）は、弁座２における弁体部１１への対向面に形成されているが、平面視において弁孔２０を内側に含むように、弁体部１１における弁座２への対向面に形成してもよい。
【０１４４】
なお、本発明は、前述の実施形態及びその説明に何ら限定されるものではなく、特許請求の範囲を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形形態もこの発明に含まれる。
【符号の説明】
【０１４５】
１ バルブ構造体
２ 弁座
３ 絶縁層
１０ フレーム
１０ａ 開口部
１１ 弁体部
１１ａ 補強リブ
１１ｂ 凹所
１２ ビーム
１３ 可動電極層
２０ 弁孔
２１ 固定電極層
２４ 環状凹溝（環状溝部）
２４ａ 凹溝（連通溝部）
２４ｃ 連通溝部
２５ 開口周縁部
２５’ 開口周縁部（環状突状部）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体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、開口部を有するフレームと、
該フレームの開口部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、を備えるバルブ構造体と、
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って前記バルブ構造体が搭載される弁座と、
を具備し、
前記バルブ構造体は、前記弁体部における前記弁座への対向面において形成された可動電極層を有し、
前記弁座は、前記表面において前記可動電極層に対向するよう形成された固定電極層を有し、
前記可動電極層と前記固定電極層との少なくとも一方の表面には、これら両電極層間の導通を防止するための絶縁層が形成され、
前記弁体部は、
前記可動電極層と前記固定電極層との間に電圧を印加しない状態では、前記弁孔をその接触圧により塞ぐようにして前記弁孔の開口周辺領域に接触しており、
前記可動電極層と前記固定電極層との間に電圧を印加した状態では、これら両電極層間に前記弁孔を閉止する静電気力が発生するものであり、
前記弁座における前記弁体部への対向面、又は前記弁体部における前記弁座への対向面には、前記弁孔の開口周縁部を内側に含むような環状溝部を形成するとともに、該環状溝部に少なくとも一端が連通する連通溝部を形成してなることを特徴とする静電駆動型半導体マイクロバルブ。
【請求項２】
前記弁座における前記弁体部への対向面、又は前記弁体部における前記弁座への対向面には、前記弁孔の開口部を内側に含むよう環状に突出し、その先端面が前記弁孔の閉止状態における前記弁体部と前記弁座との封止面となる環状突状部が形成されてなることを特徴とする請求項１記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
【請求項３】
前記連通溝部は、前記一端とは反対の他端が外部に開放されてないことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
【請求項４】
前記弁体部は、前記フレームに比べて薄肉に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
【請求項５】
前記弁体部は、前記可動電極層が形成されている面とは反対側には凹所を備えていることを特徴とする請求項４記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
【請求項６】
前記弁体部は、前記可動電極層が形成されている面とは反対側の面には補強リブを備えていることを特徴とする請求項４記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
【請求項１】
半導体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、開口部を有するフレームと、
該フレームの開口部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、を備えるバルブ構造体と、
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って前記バルブ構造体が搭載される弁座と、
を具備し、
前記バルブ構造体は、前記弁体部における前記弁座への対向面において形成された可動電極層を有し、
前記弁座は、前記表面において前記可動電極層に対向するよう形成された固定電極層を有し、
前記可動電極層と前記固定電極層との少なくとも一方の表面には、これら両電極層間の導通を防止するための絶縁層が形成され、
前記弁体部は、
前記可動電極層と前記固定電極層との間に電圧を印加しない状態では、前記弁孔をその接触圧により塞ぐようにして前記弁孔の開口周辺領域に接触しており、
前記可動電極層と前記固定電極層との間に電圧を印加した状態では、これら両電極層間に前記弁孔を閉止する静電気力が発生するものであり、
前記弁座における前記弁体部への対向面、又は前記弁体部における前記弁座への対向面には、前記弁孔の開口周縁部を内側に含むような環状溝部を形成するとともに、該環状溝部に少なくとも一端が連通する連通溝部を形成してなることを特徴とする静電駆動型半導体マイクロバルブ。
【請求項２】
前記弁座における前記弁体部への対向面、又は前記弁体部における前記弁座への対向面には、前記弁孔の開口部を内側に含むよう環状に突出し、その先端面が前記弁孔の閉止状態における前記弁体部と前記弁座との封止面となる環状突状部が形成されてなることを特徴とする請求項１記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
【請求項３】
前記連通溝部は、前記一端とは反対の他端が外部に開放されてないことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
【請求項４】
前記弁体部は、前記フレームに比べて薄肉に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
【請求項５】
前記弁体部は、前記可動電極層が形成されている面とは反対側には凹所を備えていることを特徴とする請求項４記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
【請求項６】
前記弁体部は、前記可動電極層が形成されている面とは反対側の面には補強リブを備えていることを特徴とする請求項４記載の静電駆動型半導体マイクロバルブ。
【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１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【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１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【公開番号】特開２００９−１９８０１１（Ｐ２００９−１９８０１１Ａ）
【公開日】平成２１年９月３日（２００９．９．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１３７５４３（Ｐ２００９−１３７５４３）
【出願日】平成２１年６月８日（２００９．６．８）
【分割の表示】特願２００３−１４２４５７（Ｐ２００３−１４２４５７）の分割
【原出願日】平成１５年５月２０日（２００３．５．２０）
【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９月３日（２００９．９．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月８日（２００９．６．８）
【分割の表示】特願２００３−１４２４５７（Ｐ２００３−１４２４５７）の分割
【原出願日】平成１５年５月２０日（２００３．５．２０）
【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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