JPH0415377A - Electrostatic drive type microvalve - Google Patents
Electrostatic drive type microvalveInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
[産業上の利用分野]
本発明は静電駆動型マイクロバルブ、特にガスの高速制
御が可能な静電駆動型マイクロバルブに関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to an electrostatically driven microvalve, and particularly to an electrostatically driven microvalve that is capable of high-speed gas control.
[従来の技術]
半導体素子の微細化、高性能化に伴い、半導体プロセス
装置のガスバルブにおいても、超りリーン化、高速応答
化といったことが要求される。[Prior Art] As semiconductor elements become smaller and more sophisticated, gas valves for semiconductor processing equipment are required to be extremely lean and have high-speed response.
従来一般的に使用されているガスバルブは、電磁バルブ
やエアーバルブ等のように機械加工によって作られてい
た。このため、ガス流路または全体形状の小型には限界
があり、デッドスペースとなる部分も多くなり、これが
クリーン化、高速応答化の大きな障害となっていた。ま
た、この種のガスバルブは、シール部材によってはベー
キングができず、超高真空用途に向かないという問題も
あった。Gas valves commonly used in the past have been manufactured by machining, such as electromagnetic valves and air valves. For this reason, there is a limit to the miniaturization of the gas flow path or the overall shape, and there are many dead spaces, which has been a major obstacle to achieving cleanliness and high-speed response. Additionally, this type of gas valve has the problem that it cannot be baked depending on the sealing member, making it unsuitable for ultra-high vacuum applications.
これを解決するため、シリコン基板を用いたマイクロバ
ルブの提案もなされており(江刺能、“集積化サーマル
マスフローコントローラ”信学技報、SDM87−72
.1987)、第4図には、従来の高速制御可能なマイ
クロバルブの一例が示されている。To solve this problem, a micro valve using a silicon substrate has been proposed (Noh Esashi, "Integrated Thermal Mass Flow Controller", IEICE Technical Report, SDM87-72).
.. 1987), and FIG. 4 shows an example of a conventional microvalve that can be controlled at high speed.
このマイクロバルブは、シリコン基板10と、このシリ
コン基板10の上部に接合されたパイレックスガラス2
0とを含む。前記シリコン基板10には、流路12.バ
ルブロッド14.ダイヤフラム16がエツチングによっ
て形成されている。This microvalve includes a silicon substrate 10 and a Pyrex glass 2 bonded to the top of the silicon substrate 10.
Including 0. The silicon substrate 10 has a flow path 12. Valve rod 14. A diaphragm 16 is formed by etching.
また、前記パイレックスガス20は、陽極接合によりシ
リコン基板10と気密接合されており、バルブロッド1
4に対応する箇所にアウトレット22が、流路12の一
部に対応する箇所にインレット24が形成されている。Further, the Pyrex gas 20 is hermetically bonded to the silicon substrate 10 by anodic bonding, and the valve rod 1
An outlet 22 is formed at a location corresponding to 4, and an inlet 24 is formed at a location corresponding to a part of the flow path 12.
さらに、前記流路12の中間には流量計18が設けられ
ている。Furthermore, a flow meter 18 is provided in the middle of the flow path 12.
また、シリコン基板10の下部には、バルブロッド14
と対応する箇所にピエゾアクチュエータ26が支え28
により取り付は固定されている。Further, a valve rod 14 is provided at the bottom of the silicon substrate 10.
A piezo actuator 26 supports 28 at a location corresponding to
The installation is fixed.
次に、このマイクロバルブの動作を説明する。Next, the operation of this microvalve will be explained.
まずピエゾアクチュエータ26に電圧を印加しない状態
では、バルブロッド14とアウトレット22の間に隙間
が開いており、ガスか流れる。First, when no voltage is applied to the piezo actuator 26, there is a gap between the valve rod 14 and the outlet 22, and gas flows therethrough.
ピエゾアクチュエータ26に電圧を印加すると、ピエゾ
アクチュエータ26は伸び、ダイヤフラム16を上方に
変形させ、バルブロッド14を突き上げる。これにより
、アウトレット22は塞がり、ガスを止める。When a voltage is applied to the piezo actuator 26, the piezo actuator 26 extends, deforms the diaphragm 16 upward, and pushes the valve rod 14 upward. This blocks the outlet 22 and stops the gas.
このとき、バルブの実質的なデッドスペースはガス遮断
部以降である。このマイクロバルブにおいては、パイレ
ックスガラス20に開けられたアウトレット22の孔の
部分だけがデッドスペースとなり、その範囲か非常に小
さいため、高速応答が可能となる。At this time, the substantial dead space of the valve is after the gas cutoff section. In this microvalve, only the hole of the outlet 22 made in the Pyrex glass 20 becomes a dead space, and since this area is extremely small, high-speed response is possible.
[発明か解決しようとする課題]
このように、従来のマイクロバルブは、ガス遮断時にお
いては、ピエゾアクチュエータの駆動により締切刃を調
整することができ、しかも駆動速度もピエゾアクチュエ
ータの性能によって決まるという優れた特徴を有する。[Problem to be solved by the invention] In this way, in the conventional microvalve, when the gas is cut off, the cutting blade can be adjusted by driving the piezo actuator, and the driving speed is also determined by the performance of the piezo actuator. It has excellent characteristics.
しかし、逆にバルブを開ける場合は、ダイヤフラムの弾
性を利用しているため、バルブを外部から強制的に開放
することができない。このため、バルブの応答速度を十
分に高めることができず、しかもバルブのコンダクタン
スの低下という問題があった。However, when opening the valve, the elasticity of the diaphragm is used, so the valve cannot be forcibly opened from the outside. For this reason, there was a problem in that the response speed of the valve could not be sufficiently increased, and furthermore, the conductance of the valve decreased.
また、前記マイクロバルブは、ピエゾアクチュエータ2
6自体や、その支え28に接着剤を用いいるため、ベー
キングができず、超高真空用途に用いることかできない
という問題もあった。Further, the micro valve is connected to a piezo actuator 2.
Since an adhesive is used for the 6 itself and its support 28, there is a problem in that it cannot be baked and can only be used for ultra-high vacuum applications.
[発明の目的]
本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたもの
であり、その目的は、ガスの高速制御、高精度制御を可
能とし、しかもベーキング可能な構造とし、超高真空も
しくは超クリーン環境への使用に耐え得る静電駆動型マ
イクロバルブを提供することにある。[Object of the Invention] The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and its purpose is to provide a structure that enables high-speed and high-precision control of gas, and also has a structure that can be baked, and which is suitable for use in ultra-high vacuum. Another purpose is to provide an electrostatically driven microvalve that can withstand use in ultra-clean environments.
[課題を解決するための手段]
前記目的を達成するため、本発明の静電駆動型マイクロ
バルブは、
ガス流路の一部が裏面を通過するよう形成された第1の
シリコン基板と、
前記第1のシリコン基板の表面側に接合され、第1のシ
リコン基板との間にガス流路を形成する第1のガラス基
板と、
前記第1のシリコン基板の裏面側に、ガス流路を開閉す
るよう取り付けられた多結晶シリコンよりなるバルブシ
ートと、
前記第1のシリコン基板の裏面側に設けられ、前記バル
ブシートを駆動するバルブロッドとこのバルブロッドを
支えるダイヤフラムとが基板の一部として形成された第
2のシリコン基板と、前記バルブロッドの表面および裏
面と隙間をあけて面対向するよう設置された第1のロッ
ド駆動電極および第2のロッド駆動電極と、
を含み、第1のロッド駆動電極および第2のロッド駆動
電極とバルブロッドとの間に電圧を印加することにより
発生する静電引力で、バルブシトによるガス流路の開閉
制御を行うことを特徴とする。[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, the electrostatically driven microvalve of the present invention includes: a first silicon substrate formed such that a part of the gas flow path passes through the back surface; a first glass substrate that is bonded to the front side of the first silicon substrate and forms a gas flow path between it and the first silicon substrate; and a gas flow path that is opened and closed on the back side of the first silicon substrate. a valve seat made of polycrystalline silicon attached to the substrate; a valve rod provided on the back side of the first silicon substrate for driving the valve seat; and a diaphragm for supporting the valve rod, formed as part of the substrate. a first rod drive electrode and a second rod drive electrode, which are installed to face the front and back surfaces of the valve rod with a gap therebetween; It is characterized in that the opening and closing of the gas flow path by the valve seat is controlled by electrostatic attraction generated by applying a voltage between the drive electrode and the second rod drive electrode and the valve rod.
このような構成のマイクロバルブを、微細に、しかも高
精度に形成するには以下の方法を用いればよい。すなわ
ち、ガス流路、バルブロッド、ダイヤフラムは、前記第
1.第2のシリコン基板を、例えばKOH溶液を用いた
シリコン結晶異方性エツチングすることによって高精度
に形成できる。The following method may be used to form microvalves with such a configuration minutely and with high precision. That is, the gas flow path, valve rod, and diaphragm are the same as the first. The second silicon substrate can be formed with high precision by, for example, silicon crystal anisotropic etching using a KOH solution.
また、ガラス基板の加工、例えばガスインレット。Also, processing of glass substrates, such as gas inlets.
アウトレットを形成するためのガラス加工は、電界放電
加工によって高性能に行うことができる。Glass processing for forming the outlet can be performed with high performance by electric discharge processing.
また、本発明のマイクロバルブは、
前記第2のシリコン基板の裏面側に接合され、前記バル
ブロッドと隙間を介して面対向するよう前記第2のロッ
ド駆動電極が設けられた第2のガラス基板を含み、
前記第1のシリコン基板と第2のシリコン基板とが絶縁
層を介して接合され、
前記第1のシリコン基板そのものを第1のロッド駆動電
極として用いることが好ましい。Further, the microvalve of the present invention includes a second glass substrate bonded to the back side of the second silicon substrate and provided with the second rod driving electrode so as to face the valve rod with a gap therebetween. Preferably, the first silicon substrate and the second silicon substrate are bonded via an insulating layer, and the first silicon substrate itself is used as the first rod driving electrode.
また、本発明のマイクロバルブは、
前記第1のシリコン基板と第1のガラス基板を陽極接合
すると共に、
前記第1のシリコン基板と第2のシリコン基板とを低温
陽極接合し、
さらに前記第2のシリコン基板と第2のガラス基板とを
陽極接合することにより、ベーキング可能に形成するこ
とが好ましい。Further, in the microvalve of the present invention, the first silicon substrate and the first glass substrate are anodically bonded, the first silicon substrate and the second silicon substrate are bonded by a low temperature anodic bond, and the second silicon substrate and the second glass substrate are anodically bonded. It is preferable that the silicon substrate and the second glass substrate be formed in a bakeable manner by anodic bonding.
また、本発明のマイクロバルブは、
前記第2のシリコン基板のバルブロッド領域マたはダイ
ヤフラム領域に圧力調整孔を設けることが好ましい。Further, in the microvalve of the present invention, it is preferable that a pressure adjustment hole is provided in the valve rod region or the diaphragm region of the second silicon substrate.
発明の原理 次に本発明の詳細な説明する。principle of invention Next, the present invention will be explained in detail.
従来のように、ピエゾアクチュエータを用いたマイクロ
バルブでは、ピエゾアクチュエータとハルプロットとを
直接接触させながらバルブロッドを移動させ、ガス流路
の開閉を行う。従って、ガス流路の開操作と閉操作の双
方をピエゾアクチュエータを用いて行うためには、バル
ブロッドの両側にピエゾアクチュエータを配置するか、
バルブロッドにピエゾアクチュエータを固定しなくては
ならない。Conventionally, in a microvalve using a piezo actuator, the valve rod is moved while the piezo actuator and the Hull plot are brought into direct contact to open and close the gas flow path. Therefore, in order to use piezo actuators to both open and close the gas flow path, piezo actuators should be placed on both sides of the valve rod, or
The piezo actuator must be fixed to the valve rod.
しかし、ピエゾアクチュエータは、その駆動力を大きい
ものとするためには積層する必要があり、体積が大きく
なってしまう。従って、前者の方法ではマイクロバルブ
そのものを小型化できないという問題が生じる。また、
後者の方法では、バルブロッドとピエゾアクチュエータ
の固定に何等かの接着剤を用いる必要があり、この種の
バルブに要求されるミクロンオーダの隙間(バルブロッ
トとアウトレットとの隙間)の制御が難しいという問題
か生ずる。However, in order to increase the driving force of the piezo actuator, it is necessary to stack the piezo actuators in layers, resulting in a large volume. Therefore, the former method poses a problem in that the microvalve itself cannot be miniaturized. Also,
The latter method requires the use of some kind of adhesive to secure the valve rod and piezo actuator, making it difficult to control the micron-order gap (the gap between the valve rod and the outlet) required for this type of valve. A problem arises.
これに対し、本発明は、マイクロバルブで利用される駆
動力として静電引力を用いたことを特徴とする。この静
電引力は、面に働く力であるため、駆動系を大型化する
ことなく比較的大きな力を得ることができる。In contrast, the present invention is characterized in that electrostatic attraction is used as the driving force used in the microvalve. Since this electrostatic attraction is a force acting on a surface, a relatively large force can be obtained without increasing the size of the drive system.
すなわち、円形のバルブロッドの駆動を静電引力Pで行
うことを考えた場合、バルブロッドの変位Wは次式で与
えられる。That is, when considering that a circular valve rod is driven by electrostatic attraction P, the displacement W of the valve rod is given by the following equation.
たたし、Eはシリコンのヤング率1 hはダイヤフラム
の板厚、aはダイヤフラムの外半径、hはダイヤフラム
の形状に依存する係数、Fはバルブの抗力(締切刃)で
ある。また静電力Pは印加電圧をVとした時、次式で与
えられる。where, E is the Young's modulus of silicon 1, h is the plate thickness of the diaphragm, a is the outer radius of the diaphragm, h is a coefficient depending on the shape of the diaphragm, and F is the drag force of the valve (closing edge). Further, the electrostatic force P is given by the following equation when the applied voltage is V.
たたし、ε。は真空の誘電率1 sは電極面積。Tatashi, ε. is the dielectric constant of vacuum 1s is the electrode area.
!は電極間距離である。! is the distance between the electrodes.
(1)式、(2)式よりFは、
F 輸
・・・ (3)
となる。ただし、!。は電圧を印加しない時の電極間距
離である。(3)式より、バルブロッドを駆動するのに
必要な印加電圧、またはバルブ耐圧を求めることができ
る。From equations (1) and (2), F becomes F import... (3) however,! . is the distance between the electrodes when no voltage is applied. From equation (3), the applied voltage or valve withstand voltage required to drive the valve rod can be determined.
前記第(2)、(3)式からも明らかなように、電極面
積Sを大きく形成することにより、比較的大きな静電引
力Pを発生させることができる。As is clear from the above equations (2) and (3), by forming the electrode area S to be large, a relatively large electrostatic attractive force P can be generated.
本発明のマイクロバルブは、この点に着目し、バルブロ
ッドの表面および裏面と隙間を開けて面対向するよう第
1のロッド駆動電極および第2のロッド駆動電極を設置
し、平面的な構成で大きな静電引力を発生できるよう形
成している。これにより、小型で、しかも高速制御、高
精度制御が可能なマイクロバルブを実現することができ
る。Focusing on this point, the microvalve of the present invention has a planar configuration in which a first rod driving electrode and a second rod driving electrode are installed so as to face the front and back surfaces of the valve rod with a gap between them. It is designed to generate large electrostatic attraction. This makes it possible to realize a microvalve that is small and capable of high-speed control and high-precision control.
さらに、本発明では、マイクロバルブを、シリコン基板
、ガラス基板1多結晶シリコン等を用いて形成している
ため、従来のような特別な組立技術が不要となり、IC
製造技術で精度よく形成することが可能となる。Furthermore, in the present invention, since the microvalve is formed using a silicon substrate, a glass substrate, polycrystalline silicon, etc., special assembly techniques as in the past are not required, and the IC
Manufacturing technology makes it possible to form with high precision.
特に、本発明ではマイクロバルブ自体をIC技術で形成
でき、従来のように接着剤等を用いることがないため、
駆動系のベーキングを行っても同等問題か発生せず、超
高真空もしくは超クリーン環境で使用に耐え得るマイク
ロバルブ’t−14るコトができる。In particular, in the present invention, the microvalve itself can be formed using IC technology, and there is no need to use adhesives as in the past.
Even if the drive system is baked, the same problem will not occur, and the micro valve 't-14 can be used in ultra-high vacuum or ultra-clean environments.
[作 用コ
本発明は以上の構成からなり、次にその作用を説明する
。[Function] The present invention consists of the above structure, and its function will be explained next.
本発明のマイクロバルブでは、外部からの電圧印加によ
りバルブの開閉を行うことができる。In the microvalve of the present invention, the valve can be opened and closed by applying a voltage from the outside.
すなわち、本発明では、第1のロッド駆動電極とバルブ
ロッドとが隙間を介しコンデンサを形成すると共に、第
2のロッド駆動電極とバルブロッドとが隙間を介しコン
デンサを形成している。従って、第1のロッド駆動電極
とバルブロッドとの間に電圧を印加することにより、両
者の間には前記(2)式で示す静電引力Pが発生し、ガ
ス流路を閉じるようバルブシートを駆動する。That is, in the present invention, the first rod drive electrode and the valve rod form a capacitor with a gap therebetween, and the second rod drive electrode and the valve rod form a capacitor with a gap in between. Therefore, by applying a voltage between the first rod driving electrode and the valve rod, an electrostatic attractive force P shown in equation (2) above is generated between the two, which causes the valve seat to close the gas flow path. to drive.
また、これとは逆にバルブロッドと第2のロッド駆動電
極との間に電圧を印加することにより、両者の間に前記
(2)式で示す静電引力を発生させ、ガス流路が開放さ
れるようバルブシートを駆動する。Conversely, by applying a voltage between the valve rod and the second rod driving electrode, an electrostatic attraction shown by the above equation (2) is generated between the two, and the gas flow path is opened. drive the valve seat so that
このように、バルブの開操作と、閉操作の双方を静電引
力を利用して行うため、ガスの高速制御。In this way, both the opening and closing operations of the valve are performed using electrostatic attraction, allowing for high-speed gas control.
高精度制御が可能となる。High precision control becomes possible.
さらに、バルブの開閉に静電引力を利用する構成とする
ことにより、バルブ全体を平面的に小型化でき、例えば
半導体プロセス装置においてチャンバー直付か可能とな
る。Furthermore, by adopting a configuration that uses electrostatic attraction to open and close the valve, the entire valve can be made smaller in plan view, and can be directly attached to a chamber in, for example, a semiconductor processing device.
また、本発明のマイクロバルブは、基本的にはシリコン
基板とガラス基板等を用いて形成されるため、IC等の
製造技術を用いて形成することができる。従って、ミク
ロオーダの電極間距離を極めて高精度に実現するためこ
とができるため、比較的低い電圧で駆動が可能であり、
放電等の心配がない。さらに、ガス流路、インレット、
アウトレットも微細に形成できるため、デッドスペース
を最小限に押えることができる。特に、アウトレット部
のデッドスペースは、ガスの高速切換えに大きな悪影響
を及ぼすが、本発明ではこのアウトレット部を構造的に
小さく形成できるため、問題がない。Furthermore, since the microvalve of the present invention is basically formed using a silicon substrate, a glass substrate, etc., it can be formed using a manufacturing technology such as an IC. Therefore, it is possible to achieve a micro-order distance between electrodes with extremely high precision, and it is possible to drive with a relatively low voltage.
There is no need to worry about electrical discharge. Furthermore, the gas flow path, inlet,
Since the outlet can also be formed finely, dead space can be kept to a minimum. In particular, dead space in the outlet section has a large negative effect on high-speed gas switching, but in the present invention, this outlet section can be made structurally small, so there is no problem.
さらに、本発明のマイクロバルブは、IC製造技術等を
用いて基本的にバッチ処理で製造が可能であるため、素
子間のばらつきが小さいく品質の揃った静電駆動型マイ
クロバルブを量産性良く製造することができる。Furthermore, since the microvalve of the present invention can basically be manufactured by batch processing using IC manufacturing technology, it is possible to mass-produce electrostatically driven microvalves with uniform quality and small variations between elements. can be manufactured.
さらに、本発明のマイクロバルブは、全体の組立、シー
リング等に熱的に安定な方法、例えば陽極接合笠を用い
ることができるため、ベーキング、特にそのアクチュエ
ータ部分のベーキングが可能となる。Furthermore, since the microvalve of the present invention can use a thermally stable method, such as an anodic bonding cap, for assembly, sealing, etc. of the whole, baking, especially baking of its actuator part, becomes possible.
ところで、前記バルブロッドの表面側および裏面側に形
成された隙間かそれぞれ気密封止されていると、バルブ
ロッドの移動により両者の間に圧力変動が生じ、不要な
力が発生する。このため、本発明は、第2のシリコン基
板のバルブロフト領域またはダイヤフラム領域に圧力調
整用の貫通孔を設けることが好ましい。これにより、バ
ルブロッドの表面および裏面側に形成された隙間には差
圧が生ぜず、しかも貫通孔の個数、大きさを調整するこ
とにより、バルブロッドのダンピングファクタを変更で
きる。また、前記各隙間内に気圧を封止することによっ
て、バルブロッドの高速応答を実現することかできる。By the way, if the gaps formed on the front and back sides of the valve rod are respectively hermetically sealed, pressure fluctuations will occur between the two due to movement of the valve rod, and unnecessary force will be generated. Therefore, in the present invention, it is preferable to provide a through hole for pressure adjustment in the valve loft region or diaphragm region of the second silicon substrate. As a result, no differential pressure is generated between the gaps formed on the front and back sides of the valve rod, and the damping factor of the valve rod can be changed by adjusting the number and size of the through holes. Furthermore, by sealing air pressure within each of the gaps, high-speed response of the valve rod can be achieved.
[発明の効果]
以上説明したように、本発明によれば、バルブの開閉を
全て静電引力を利用して行うため、ガスの高速制御、高
精度制御が可能となり、しかも全体を平面的に小型化す
ることができる静電駆動型マイクロバルブを得ることが
できるという効果がある。[Effects of the Invention] As explained above, according to the present invention, all valves are opened and closed using electrostatic attraction, which makes it possible to control gas at high speed and with high precision. This has the effect of providing an electrostatically driven microvalve that can be miniaturized.
また、本発明は、第1のシリコン基板と第1のガラス基
板を陽極接合すると共に、前記第1のシリコン基板と第
2のシリコン基板とを低温陽極接合し、さらに前記第2
のシリコン基板と第2のガラス基板とを陽極接合する構
成とすることにより、バルブ全体の組立、シーリングを
熱的に安定な方法を用いて行なうこととができ、ベーキ
ング、特に駆動部分のベーキングが可能な静電駆動型マ
イクロバルブを得ることができる。Further, the present invention provides a method for anodic bonding a first silicon substrate and a first glass substrate, and low temperature anodic bonding for the first silicon substrate and a second silicon substrate;
By anodically bonding the silicon substrate and the second glass substrate, the assembly and sealing of the entire bulb can be performed using a thermally stable method, and baking, especially the driving part, can be performed easily. A possible electrostatically actuated microvalve can be obtained.
さらに、本発明は、バルブロッドの表面側に形成された
隙間と、裏面側に形成された隙間との間に、定常状態で
差圧が生じないよう貫通孔を設ける構成とし、この貫通
孔の個数、大きさを調整することにより、バルブロッド
のダンピングファクタを調整でき、さらにバルブロッド
の高速動作が可能となる。Furthermore, the present invention has a configuration in which a through hole is provided between the gap formed on the front side of the valve rod and the gap formed on the back side so that a pressure difference does not occur in a steady state. By adjusting the number and size, the damping factor of the valve rod can be adjusted, and high-speed operation of the valve rod is also possible.
[実施例]
次に本発明の好適な実施例を図面に基づき詳細に説明す
る。[Example] Next, a preferred example of the present invention will be described in detail based on the drawings.
第1実施例
第1図には、本発明にかかる静電駆動型マイクロバルブ
の好適な第1実施例が示されている。実施例のマイクロ
バルブは、ガス流路32が形成された第1のシリコン基
板30と、前記ガス流路32のインレット42および2
つのアウトレット44A、44Bが形成された第1のガ
ラス基板40とが陽極接合により気密接合されている。First Embodiment FIG. 1 shows a preferred first embodiment of the electrostatically driven microvalve according to the present invention. The microvalve of the embodiment includes a first silicon substrate 30 on which a gas flow path 32 is formed, and inlets 42 and 2 of the gas flow path 32.
The first glass substrate 40 on which two outlets 44A and 44B are formed is hermetically sealed by anodic bonding.
前記ガス流路32は、第1のシリコン基板30の表面側
から裏面側を通り、さらに裏面側から表面側に戻るよう
に形成されており、実施例ではシリコン基板30を、K
OH溶液によるシリコン結晶異方性エツチングすること
によって高い精度で形成される。また、前記インレット
42.アウトレット44A、44Bは、電界放電加工を
用いて精度良く形成される。The gas flow path 32 is formed to pass from the front side of the first silicon substrate 30 to the back side, and then return from the back side to the front side.
It is formed with high precision by anisotropically etching a silicon crystal using an OH solution. Further, the inlet 42. The outlets 44A, 44B are formed with high precision using electric discharge machining.
また、前記第1のシリコン基板30の裏面側には、ガス
流路32を開閉するバルブシート50が取付けられてい
る。このバルブシート50は、多結晶シリコンから形成
され、その周辺部かシリコン基板30の裏面側に気密に
固定され、シートの中央部が上下することによってアウ
トレット44Aを開閉するよう構成されている。Furthermore, a valve seat 50 for opening and closing the gas flow path 32 is attached to the back side of the first silicon substrate 30. This valve seat 50 is made of polycrystalline silicon, and is airtightly fixed to its periphery or to the back side of the silicon substrate 30, and is configured to open and close the outlet 44A by moving the central part of the seat up and down.
また、この第1のシリコン基板30の裏面側には、第2
のシリコン基板60が接合されている。Further, on the back side of the first silicon substrate 30, a second
A silicon substrate 60 is bonded thereto.
実施例では低融点ガラス62を用いて低温陽極接合によ
り第2のシリコン基板60の周囲が第1のシリコン基板
30の裏面側に接合されている。この第2のシリコン基
板60は、バルブシート50を駆動するバルブロッド6
4と、このバルブロッド64の周囲を支えるダイヤフラ
ム66とが工・ソチングにより形成された可動構造とな
っている。In the embodiment, the periphery of the second silicon substrate 60 is bonded to the back side of the first silicon substrate 30 by low-temperature anodic bonding using a low melting point glass 62. This second silicon substrate 60 is connected to the valve rod 6 that drives the valve seat 50.
4 and a diaphragm 66 that supports the periphery of the valve rod 64 form a movable structure formed by machining and sawing.
そして、バルブロッド64の中央にバルブシート50が
接合され、バルブロッド64の上下動に応じ、バルブシ
ート50がアウトレット44Aを開閉するよう動作する
。A valve seat 50 is joined to the center of the valve rod 64, and operates to open and close the outlet 44A in accordance with the vertical movement of the valve rod 64.
また、第2のシリコン基板60の裏面側には、第2のガ
ラス基板70が陽極接合されている。この第2のガラス
基板70上には、前記バルブロッド64と隙間100A
を介して面対向するよう第2のロッド駆動電極72が、
例えばAI等によりプレート状に形成されている。これ
により、この第2のロッド駆動電極72と、バルブロッ
ト64は、隙間100Aを介しコンデンサを形成するこ
とになる。Further, a second glass substrate 70 is anodically bonded to the back side of the second silicon substrate 60. On this second glass substrate 70, there is a gap 100A between the valve rod 64 and the gap 100A.
A second rod driving electrode 72 is arranged so as to face each other via the second rod driving electrode 72 .
For example, it is formed into a plate shape using AI or the like. Thereby, this second rod drive electrode 72 and the valve rod 64 form a capacitor with the gap 100A interposed therebetween.
また、前記第1のシリコン基板30と第2のシリコン基
板60とは低融点ガラス62により電気的に絶縁されて
いるため、両者の間には隙間100Bを介しコンデンサ
が形成されることになる。Further, since the first silicon substrate 30 and the second silicon substrate 60 are electrically insulated by the low melting point glass 62, a capacitor is formed between them with a gap 100B between them.
そして、前記第1のシリコン基板30.第2のシリコン
基板60.第2のロッド駆動電極72には、スルーホー
ル74A、74B、74Cを介し外部と電気的に接続さ
れる端子76A、76B。Then, the first silicon substrate 30. Second silicon substrate 60. The second rod drive electrode 72 has terminals 76A, 76B electrically connected to the outside via through holes 74A, 74B, 74C.
76Cが接続されている。これにより、前記第1ノシリ
コン基板30は、バルブロッド64と隙間100Bを介
して面対向する第1のロッド駆動電極として機能するこ
とになる。76C is connected. Thereby, the first silicon substrate 30 functions as a first rod driving electrode that faces the valve rod 64 through the gap 100B.
従って、前記各端子76A、76B、76Cを介し電圧
を選択的に印加することにより、上下方向へ向けた静電
引力をバルブロッド64に対し任意に作用させ、アウト
レット44Aの開閉制御を行うことができる。Therefore, by selectively applying a voltage through each of the terminals 76A, 76B, and 76C, an electrostatic attraction force directed upward and downward can be applied to the valve rod 64, thereby controlling the opening and closing of the outlet 44A. can.
すなわち、バルブロッド64と第1のシリコン基板30
との間に電圧を印加することより、両者の間に前記(2
)式で示す静電引力を発生させ、バルブロッド64をバ
ルブシート50と共に上方に移動させ、アウトレット4
4を遮断することができる。That is, the valve rod 64 and the first silicon substrate 30
By applying a voltage between them, the above (2
), the valve rod 64 is moved upward together with the valve seat 50, and the outlet 4
4 can be blocked.
また、バルブロッド64と、第2のロッド駆動電極72
との間に電圧を印加することで、バルブロッド60をバ
ルブシート50と共に下方に移動させ、アウトレット4
4Aを開放することができる。Also, a valve rod 64 and a second rod driving electrode 72
By applying a voltage between them, the valve rod 60 is moved downward together with the valve seat 50, and the outlet
4A can be opened.
このように、本発明によればバルブシート50の開操作
および閉操作の双方を静電引力を利用して行うため、ガ
スの高速制御、高精度制御が可能となる。As described above, according to the present invention, since both the opening and closing operations of the valve seat 50 are performed using electrostatic attraction, high-speed control and high-precision control of gas is possible.
さらに、本発明によれば、バルブ全体を全面的に小型化
できるため、例えばチャンバー等への直付けが可能とな
ることも理解されよう。Furthermore, it will be understood that according to the present invention, the entire valve can be downsized in its entirety, so that it can be directly attached to a chamber or the like, for example.
さらに、本実施例によれば、第1のシリコン基板30と
第1のガラス基板40とを陽極接合し、第2のシリコン
基板60と第2のガラス基板70とを同様に陽極接合し
、しかも第1のシリコン基板30と第2のシリコン基板
60とを低融点ガラス62を用いた低温陽極接合してい
る。このように、本発明のマイクロバルブは、バルブ全
体の組立、シーリング等に熱的に安定な方法を用いてい
るため、ベーキングが可能となり、特にそのアクチュエ
ータ部分のベーキングが可能となるため、超りリーン環
境、超高真空用途での使用が可能となることか理解され
よう。Furthermore, according to this embodiment, the first silicon substrate 30 and the first glass substrate 40 are anodically bonded, and the second silicon substrate 60 and the second glass substrate 70 are similarly anodically bonded. A first silicon substrate 30 and a second silicon substrate 60 are bonded by low-temperature anodic bonding using a low-melting glass 62. As described above, since the microvalve of the present invention uses a thermally stable method for assembling and sealing the entire valve, it is possible to bake it, and in particular, it is possible to bake its actuator part. It will be understood that it can be used in lean environments and ultra-high vacuum applications.
第2図は、ハルプロット64と第1のシリコン基板30
との間に印加する電圧と、バルブシート50によるガス
流路32の遮断耐圧との関係を示す実測データである。FIG. 2 shows the Hull plot 64 and the first silicon substrate 30.
This is actually measured data showing the relationship between the voltage applied between the valve seat 50 and the cutoff pressure of the gas flow path 32 by the valve seat 50.
実施例のマイクロバルブでは、印加電圧を8vにするこ
とによってバルブシト50はガス流路32を遮断し、そ
れ以上の電圧を印加することにより、遮断耐圧が増して
いく。In the microvalve of the embodiment, the valve seat 50 blocks the gas flow path 32 by applying an applied voltage of 8 V, and by applying a higher voltage, the blocking voltage increases.
このことからも、アクチュエータ部分を平面的に形成し
た場合でも、比較的大きなバルブシート50の開閉操作
用駆動力を得られることが理解されよう。From this, it will be understood that even if the actuator portion is formed in a planar manner, a relatively large driving force for opening and closing the valve seat 50 can be obtained.
第2実施例
第3図には、本発明にかかる静電駆動型マイクロバルブ
の好適な第2実施例が示されている。Second Embodiment FIG. 3 shows a second preferred embodiment of the electrostatically driven microvalve according to the present invention.
前記第1実施例にかかる静電駆動型マイクロバルブでは
、隙間100Bが気密封止されているため、バルブロッ
ド64か移動することとによって圧力変動が生じ、不要
な力か発生するため、これら高速応答の妨げとなる。ま
た、隙間100Aは、外部に通じており、外界の湿度等
によるバルブ動作への影響か問題となる。In the electrostatically driven microvalve according to the first embodiment, since the gap 100B is hermetically sealed, pressure fluctuations occur due to the movement of the valve rod 64, and unnecessary force is generated. hinders response. In addition, the gap 100A communicates with the outside, which raises the question of whether external humidity or the like will affect the valve operation.
本実施例の特徴は、このような問題を解決するため、第
2のシリコン基板60のバルブロッド領域またはダイヤ
フラム領域のいずれかに圧力調整用の貫通孔を設け、隙
間100A、100B間に定常状態で差圧が生しないよ
うな構成としたことにある。本実施例では、バルブロッ
ド64に貫通孔80が形成されている。The feature of this embodiment is that in order to solve such a problem, a through hole for pressure adjustment is provided in either the valve rod region or the diaphragm region of the second silicon substrate 60, and a steady state is maintained between the gaps 100A and 100B. The reason is that the structure is such that no differential pressure occurs. In this embodiment, a through hole 80 is formed in the valve rod 64.
さらに、本実施例では、スルーホール74Cを、例えば
シリコンよりなるキャップ82て封止し、第2のロッド
駆動電極72からのフィードスルを気密を破らず可能と
した。Further, in this embodiment, the through hole 74C is sealed with a cap 82 made of silicon, for example, to enable feedthrough from the second rod drive electrode 72 without breaking the airtightness.
以上の構成とすることにより、本実施例によれば貫通孔
80の個数、大きさを調整することにより、バルブロッ
ド64のダンピングファクタを変更でき、しかも前述し
たように内部に気体を封止することによってバルブロッ
ド64の高速応答を実現することが可能となる。実験に
よれば、バルブ64のチャタリングが十分抑制されてい
ることが確認された。With the above configuration, according to this embodiment, the damping factor of the valve rod 64 can be changed by adjusting the number and size of the through holes 80, and as described above, the gas can be sealed inside. This makes it possible to achieve high-speed response of the valve rod 64. According to experiments, it was confirmed that chattering of the valve 64 was sufficiently suppressed.
なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、
本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。Note that the present invention is not limited to the above embodiments,
Various modifications are possible within the scope of the invention.
第1図は、本発明にかかる静電駆動型マイクロバルブの
好適な第1実施例の断面説明図、第2図は、前記第1実
施例におけるガス遮断特性図、
第3図は、本発明にかかる静電駆動型マイクロバルブの
好適な第2実施例の断面説明図、第4図は、従来のマイ
クロバルブの断面説明図である。
30・・・第1のシリコン基板、32・・・ガス流路、
40・・・第1のガラス基板、42・・・インレット、
44A、44B・・・アウトレット、
50・・・バルブシート、
60・・・第2のシリコン基板、
62・・・低融点ガラス、64・・バルブロッド、66
・・・ダイヤフラム、70・・・第2のガラス基板、7
2・・・第2のロッド駆動電極、80・・・貫通孔、8
2・・・キャップ、100A、100B・・・隙間。FIG. 1 is a cross-sectional explanatory diagram of a first preferred embodiment of the electrostatically driven microvalve according to the present invention, FIG. 2 is a gas cutoff characteristic diagram of the first embodiment, and FIG. 3 is a diagram of the present invention. FIG. 4 is a cross-sectional explanatory view of a second preferred embodiment of the electrostatically driven microvalve according to the present invention, and FIG. 4 is a cross-sectional explanatory view of a conventional microvalve. 30... first silicon substrate, 32... gas flow path,
40... First glass substrate, 42... Inlet,
44A, 44B... Outlet, 50... Valve seat, 60... Second silicon substrate, 62... Low melting point glass, 64... Valve rod, 66
...Diaphragm, 70...Second glass substrate, 7
2... Second rod drive electrode, 80... Through hole, 8
2...Cap, 100A, 100B...Gap.
Claims (1)
第1のシリコン基板と、 前記第1のシリコン基板の表面側に接合され、第1のシ
リコン基板との間にガス流路を形成する第1のガラス基
板と、 前記第1のシリコン基板の裏面側に、ガス流路を開閉す
るよう取り付けられた多結晶シリコンよりなるバルブシ
ートと、 前記第1のシリコン基板の裏面側に設けられ、前記バル
ブシートを駆動するバルブロッドとこのバルブロッドを
支えるダイヤフラムとが基板の一部として形成された第
2のシリコン基板と、前記バルブロッドの表面および裏
面と隙間をあけて面対向するよう設置された第1のロッ
ド駆動電極および第2のロッド駆動電極と、 を含み、第1のロッド駆動電極および第2のロッド駆動
電極とバルブロッドとの間に電圧を印加することにより
発生する静電引力で、バルブシートによるガス流路の開
閉制御を行うことを特徴とする静電駆動型マイクロバル
ブ。(1) A first silicon substrate formed such that a part of the gas flow path passes through the back surface thereof, and a gas flow path bonded to the front surface side of the first silicon substrate between the first silicon substrate and the first silicon substrate. a first glass substrate forming a polycrystalline silicon substrate; a valve seat made of polycrystalline silicon attached to the back side of the first silicon substrate to open and close a gas flow path; A valve rod that drives the valve seat and a diaphragm that supports the valve rod face a second silicon substrate formed as a part of the substrate with a gap between the front and back surfaces of the valve rod. a first rod driving electrode and a second rod driving electrode arranged so as to generate a voltage by applying a voltage between the first rod driving electrode and the second rod driving electrode and the valve rod. An electrostatically driven microvalve that uses electrostatic attraction to control the opening and closing of a gas flow path using a valve seat.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11428090A JPH0415377A (en) | 1990-04-30 | 1990-04-30 | Electrostatic drive type microvalve |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11428090A JPH0415377A (en) | 1990-04-30 | 1990-04-30 | Electrostatic drive type microvalve |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0415377A true JPH0415377A (en) | 1992-01-20 |
Family
ID=14633881
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11428090A Pending JPH0415377A (en) | 1990-04-30 | 1990-04-30 | Electrostatic drive type microvalve |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0415377A (en) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6163734A (en) * | 1996-07-05 | 2000-12-19 | Amada Co Ltd | Punching tool provided with tool identification medium and punch press provided with a tool identification medium reader cross reference to related application |
| US6663078B1 (en) | 1998-05-14 | 2003-12-16 | Festo Ag & Co. | Microvalve |
| KR100409145B1 (en) * | 1995-06-30 | 2004-03-26 | 로베르트 보쉬 게엠베하 | Micro valve and its manufacturing method |
| JP2005003200A (en) * | 2003-06-11 | 2005-01-06 | Lg Electron Inc | Micro-actuator, manufacturing method for the actuator, and micro operation valve |
| JP2005180530A (en) * | 2003-12-18 | 2005-07-07 | Matsushita Electric Works Ltd | Electrostatic drive type semiconductor micro-valve |
| JP2005220971A (en) * | 2004-02-04 | 2005-08-18 | Nissan Motor Co Ltd | Micro valve |
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-
1990
- 1990-04-30 JP JP11428090A patent/JPH0415377A/en active Pending
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