JP2000266231A - 半導体マイクロバルブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】低消費電力化が可能な半導体マイクロバルブを
提供する。 【解決手段】シリコン基板１０には弁口１０ａが貫設さ
れている。可撓部２２は、中央部に弁体２３が設けられ
たシリコンよりなる可動片２２ａを備えており、可動片
２２ａが第１のバイメタル要素を構成している。可動片
２２ａにおいて弁体２３と周部２２ｃとの間の所定部位
上には、絶縁層２６を介して第２のバイメタル要素２４
が積層されている。第１のバイメタル要素と第２のバイ
メタル要素２４とでバイメタルを構成している。第２の
バイメタル要素２４へのみ通電するための通電手段たる
配線２７ｂがバイメタル要素２４へ接続されている。第
１のバイメタル要素と第２のバイメタル要素２４との間
に介在する絶縁層２６は、第１のバイメタル要素と第２
のバイメタル要素２４とを電気的および熱的に絶縁す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、気体などの流体の
流量制御に用いられる半導体マイクロバルブに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、気体などの流体の流量制御に
用いられる半導体マイクロバルブとして、図３に示す構
成のものが提案されている。図３に示した半導体マイク
ロバルブは、常開型のバルブであって、厚み方向の一面
（図３における上面）から他面（図３における下面）に
わたって貫通した貫通孔よりなる弁口１０ａが形成され
たシリコン基板１０と、中央部に弁口１０ａを開閉する
弁体２３が設けられ且つ周部２２ｃがシリコン基板１０
の上記一面側にスペーサ３０を介して結合され可撓性を
有する可撓部２２とを備えている。なお、可撓部２２の
要所には、流体の通る流通孔（図示せず）が形成されて
いる。この流通孔は、弁体２３により弁口１０ａが開か
れた状態で弁口１０ａに連通する。

【０００３】可撓部２２は、中央部に弁体２３が設けら
れたシリコンよりなる可動片２２ａを備え、可動片２２
ａにおいて弁体２３と周部２２ｃとの間の所定部位には
拡散抵抗層２５が形成されている。拡散抵抗層２５には
拡散抵抗層２５へ通電するための配線２７ａが接続され
ている。ここにおいて、可動片２２ａは、第１のバイメ
タル要素を構成しており、拡散抵抗層２５上には、絶縁
層２６’を介して第２のバイメタル要素２４が積層され
ている。第２のバイメタル要素２４は、第１のバイメタ
ル要素と熱膨張係数の異なる材料により形成されてい
る。すなわち、可撓部２２は、第１のバイメタル要素と
第２のバイメタル要素２４とでバイメタルを構成してお
り、温度変化に対応して湾曲するようになっている。な
お、バイメタルは周知のように、熱膨張係数の異なる金
属板を貼り合わせて形成され、両金属板を同じ温度に上
昇させた場合に、２枚の金属板の長さが異なってくるこ
とにより、短い方の金属板を内側にして両金属板が円弧
状に湾曲するというものである。

【０００４】この図３に示した半導体マイクロバルブに
おいて、弁体２３により弁口１０ａを閉じる場合には、
拡散抵抗層２５へ通電し拡散抵抗層２５を発熱させるこ
とによって、バイメタルの温度を上昇させ湾曲させる。
なお、上記絶縁層２６’は、拡散抵抗層２５と第２のバ
イメタル要素２４との電気的絶縁をとるための層であ
り、拡散抵抗層２５から第２のバイメタル要素２４への
熱伝導が妨げられないように（熱絶縁されないように）
厚みを薄くしてある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来構
成の半導体マイクロバルブにおいて、弁体２３の変位量
を大きくするには、バイメタルを湾曲させるために拡散
抵抗層２５へ供給する電力を増加させてバイメタルの温
度をより高く上昇させる必要がある。しかしながら、上
記従来構成の半導体マイクロバルブでは、拡散抵抗層２
５を発熱させることにより第２のバイメタル要素２４の
温度も上昇させているので、バイメタルをより湾曲させ
る（弁体２３の変位量をより大きくする）には、拡散抵
抗層２５と第２のバイメタル要素２４との両方の温度を
上昇させる必要があり、消費電力が高くなってしまうと
いう不具合があった。

【０００６】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、低消費電力化が可能な半導体マイク
ロバルブを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、上記
目的を達成するために、厚み方向の一面から他面にわた
って弁口が形成された半導体基板と、半導体基板の上記
一面側に端部が取り付けられ可撓性を有する可撓部と、
可撓部に設けられ半導体基板の上記一面側において上記
弁口を開閉する弁体と、上記可撓部に設けられ互いに熱
膨張係数の異なる材料によりなる第１のバイメタル要素
と第２のバイメタル要素とが両バイメタル要素間を電気
的および熱的に絶縁する絶縁層を介して積層されたバイ
メタルと、第１のバイメタル要素と第２のバイメタル要
素とのいずれか一方のみに通電する通電手段とを備えて
なることを特徴とするものであり、第１のバイメタル要
素と第２のバイメタル要素とのいずれか一方のみに通電
することによって当該通電があった方のみの温度を上昇
させれば、第１のバイメタル要素と第２のバイメタル要
素との長さの差を従来のように両バイメタル要素が温度
上昇した場合に比べて大きくすることができるので、弁
体の変位量を従来に比べて大きくすることができ、しか
も第１のバイメタル要素と第２のバイメタル要素とのい
ずれか一方のみの温度を上昇させるための電力で済むか
ら、低消費電力化を図ることができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】本実施形態の半導体マイクロバル
ブの基本構成は図３に示した従来構成と略同じであっ
て、図１に示すように、厚み方向の一面（図１における
上面）から他面（図１における下面）にわたって貫通し
た貫通孔よりなる弁口１０ａが形成されたシリコン基板
１０と、中央部に弁口１０ａを開閉する弁体２３が設け
られ且つ周部（端部）２２ｃがシリコン基板１０の上記
一面側にスペーサ３０を介して結合され可撓性を有する
可撓部２２とを備えている。ここにおいて、シリコン基
板１０は、可撓部２２の弁体２３が接離する弁座１３が
弁口１０ａの周縁から該シリコン基板１０の厚み方向に
連続一体に突設されている。なお、可撓部２２の要所に
は、流体の通る流通孔（図示せず）が形成されている。
この流通孔は、弁体２３により弁口１０ａが開かれた状
態で弁口１０ａに連通する。

【０００９】可撓部２２は、中央部に弁体２３が設けら
れたシリコンよりなる可動片２２ａを備えており、可動
片２２ａが第１のバイメタル要素を構成している。可動
片２２ａにおいて弁体２３と周部２２ｃとの間の所定部
位上には、絶縁層２６を介して第２のバイメタル要素２
４が積層されている。第２のバイメタル要素２４は、第
１のバイメタル要素と熱膨張係数の異なる材料により形
成されている。すなわち、可撓部２２は、第１のバイメ
タル要素と第２のバイメタル要素２４とでバイメタルを
構成しており、温度変化に対応して湾曲するようになっ
ている。

【００１０】ところで、本実施形態においては、第２の
バイメタル要素２４へのみ通電するための通電手段たる
配線２７ｂがバイメタル要素２４へ接続されており、第
１のバイメタル要素と第２のバイメタル要素２４との間
に介在する絶縁層２６は、第１のバイメタル要素と第２
のバイメタル要素２４とを電気的および熱的に絶縁する
ために設けられている。要するに、絶縁層２６は、第２
のバイメタル要素２４で発生した熱が第１のバイメタル
要素に伝導するのを防ぐ機能を有している。

【００１１】したがって、本実施形態の半導体マイクロ
バルブにおいて、弁体２３により弁口１０ａを閉じる場
合には、第２のバイメタル要素２４へ通電し第２のバイ
メタル要素２４のみ発熱させることによって、バイメタ
ルを湾曲させる。

【００１２】ここにおいて、本実施形態のバイメタルと
図３に示した従来構成におけるバイメタルの湾曲量の違
いについて図２に示す模式図を用いて説明する。いま、
バイメタルが図２（ａ）に示すように熱膨張係数の異な
る第１の金属板４Ａ（第１のバイメタル要素に対応す
る）と第２の金属板４Ｂ（第２のバイメタル要素２４に
対応する）とを貼り合わせて形成されているとする。こ
のようなバイメタルを湾曲させる場合、従来構成では、
バイメタル全体の温度が上昇するので、図２（ｂ）に示
すように両金属板４Ａ，４Ｂの長さが長くなり（両金属
板４Ａ，４Ｂが熱膨張し）、２枚の金属板４Ａ，４Ｂの
長さが異なってくることにより、図２（ｃ）に示すよう
に短い方の金属板４Ａを内側にして両金属板４Ａ，４Ｂ
が円弧状に湾曲する。

【００１３】これに対し、本実施形態では、第２の金属
板４Ｂ（第２のバイメタル要素２４に対応する）のみの
温度が上昇するので、図２（ｄ）に示すように第２の金
属板４Ｂのみの長さが長くなり（第２の金属板４Ｂのみ
が熱膨張し）、２枚の金属板４Ａ，４Ｂの長さが異なっ
てくることにより、図２（ｅ）に示すように短い方の金
属板４Ａを内側にして両金属板４Ａ，４Ｂが円弧状に湾
曲する。

【００１４】ところで、第２の金属板４Ｂについて着目
すると、従来構成と本実施形態とで第２の金属板４Ｂの
温度を同じ温度まで上昇させた場合、本実施形態の方が
第１の金属板４Ａと第２の金属板４Ｂとの長さの差を大
きくすることができる（図２（ｂ）および図２（ｄ）参
照）。

【００１５】しかして、本実施形態では、第１のバイメ
タル要素と第２のバイメタル要素２４とのうちの第２の
バイメタル要素２４のみに通電することによって第２の
バイメタル要素２４のみの温度を上昇させることができ
るので、第１のバイメタル要素と第２のバイメタル要素
２４との長さの差を従来のように両バイメタル要素が温
度上昇した場合に比べて大きくすることができるから、
弁体２３の変位量を従来に比べて大きくすることがで
き、しかも第２のバイメタル要素２４のみの温度を上昇
させるための電力で済むから、低消費電力化を図ること
ができる。

【００１６】なお、本実施形態では、第２のバイメタル
要素２４にのみ通電するようになっているが、第１のバ
イメタル要素にのみ通電するような構成を採用してもよ
いことは勿論である。

【００１７】

【発明の効果】請求項１の発明は、厚み方向の一面から
他面にわたって弁口が形成された半導体基板と、半導体
基板の上記一面側に端部が取り付けられ可撓性を有する
可撓部と、可撓部に設けられ半導体基板の上記一面側に
おいて上記弁口を開閉する弁体と、上記可撓部に設けら
れ互いに熱膨張係数の異なる材料によりなる第１のバイ
メタル要素と第２のバイメタル要素とが両バイメタル要
素間を電気的および熱的に絶縁する絶縁層を介して積層
されたバイメタルと、第１のバイメタル要素と第２のバ
イメタル要素とのいずれか一方のみに通電する通電手段
とを備えているので、第１のバイメタル要素と第２のバ
イメタル要素とのいずれか一方のみに通電することによ
って当該通電があった方のみの温度を上昇させれば、第
１のバイメタル要素と第２のバイメタル要素との長さの
差を従来のように両バイメタル要素が温度上昇した場合
に比べて大きくすることができるから、弁体の変位量を
従来に比べて大きくすることができ、しかも第１のバイ
メタル要素と第２のバイメタル要素とのいずれか一方の
みの温度を上昇させるための電力で済むから、低消費電
力化を図ることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態を示す概略断面図である。

【図２】同上の要部の動作を説明するための模式図であ
る。

【図３】従来例を示す概略断面図である。

【符号の説明】

１０ シリコン基板 １０ａ 弁口 １３ 弁座 ２２ 可撓部 ２２ａ 可動片 ２３ 弁体 ２４ 第２のバイメタル要素 ２６ 絶縁層 ２７ｂ 配線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉田 仁 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 (72)発明者 河田 裕志 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 (72)発明者 藤井 圭子 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 Ｆターム(参考） 3H057 AA16 BB07 BB41 CC06 DD12 EE10 FA15 FA23 FB13 FC02 FD19 HH05

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 厚み方向の一面から他面にわたって弁口
   が形成された半導体基板と、半導体基板の上記一面側に
   端部が取り付けられ可撓性を有する可撓部と、可撓部に
   設けられ半導体基板の上記一面側において上記弁口を開
   閉する弁体と、上記可撓部に設けられ互いに熱膨張係数
   の異なる材料によりなる第１のバイメタル要素と第２の
   バイメタル要素とが両バイメタル要素間を電気的および
   熱的に絶縁する絶縁層を介して積層されたバイメタル
   と、第１のバイメタル要素と第２のバイメタル要素との
   いずれか一方のみに通電する通電手段とを備えてなるこ
   とを特徴とする半導体マイクロバルブ。