JPH04282085A - 多層構造のマイクロ弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、請求項１の上位概念に
記載のマイクロ弁に関する。

【０００２】

【従来の技術】既に米国特許第２１５５１５２号明細書
にマイクロ弁が公開されており、該マイクロ弁は主とし
て３つの層から構成されている。シリコン支持層には、
入口、出口及び弁座が形成されている。シリコン支持層
の上には中間層が、またこの中間層の上には被覆層が、
夫々装着されており、その際これらの層は、両接続部の
間で圧力媒体結合部を構成している室を形成している。 被覆層は同時に薄膜として形成されており、その内方に
は弁座に配設される閉鎖部材が組み込まれている。この
マイクロ弁の運転の際、薄膜の上に配置された静電気的
な操作装置は、ばね付勢された薄膜の力に打ち克つだけ
でなく、入口に発生する流体の圧力にも打ち克たなけれ
ばならない。それは、弁座を閉鎖している薄膜がこの圧
力に対して補償されていないからである。

【０００３】

【発明の効果】請求項１の特徴を備えた本発明のマイク
ロ弁の利点は、弁の積極的な閉鎖が可能な、２側部の静
電気的な駆動部を備えているという点である。この関係
で特に有利なことは、弁プレートが対称的に構成されて
おり、かつ被覆層内で入口と出口とが、弁プレートに関
し対称的に配置されていることである。この配置によっ
て入口側と出口側とは互いに分離され、これによって装
置の組立の際、顕者な利点を期待することができる。更
に対称的なサンドウィッチ構造のため、製作中極めて応
力フリーな構造体になる。更に有利な点は、少くとも１
つの閉鎖部材が静電的に操作可能な弁プレートから構成
されており、かつこの弁プレートが同時に、静電気的な
駆動部の電極面として使用されているという点である。

【０００４】請求項２以下に述べられている対策により
、請求項１で述べたマイクロ弁の更に有利な構成が可能
である。入口及び出口を包含している被覆層に対しては
、有利にはガラス薄膜又は多層式被覆層が使用されてお
り、その際織り目模様の付けられたシリコン支持層に向
い合う多層式被覆層の層は、ガラス薄膜である。この場
合にあっては、電極及び電極接続部として被覆層の上に
織り目模様の付けられた金属被覆を使用すると有利であ
る。この金属被覆は、例へば蒸着又はスパッダされたア
ルミニウム薄膜であって宜い。更に金属被覆の形状をし
た電極接続部が、織り目模様の付けられたシリコン支持
層内のエッチング路を貫いてマイクロ弁の外側部に案内
されていると有利である。別の有利な構成にあっては、
被覆層としてシリコン支持層を使用することも可能であ
る。その際入口孔及び出口孔は、エッチング操作により
簡単に形成することができる。被覆層に対する織り目模
様の付けられたシリコン支持層の電気的な絶縁は、この
ような配置の場合、シリコン酸化薄膜によって又はガラ
ス薄膜によって、これを達成することができる。この配
置の特に有利な点は、電極並びに電極接続部を被覆層の
シリコン材料内に分散させることができるという点であ
る。これによって、弁の外側部における金属電極接続部
を、エッチング路を貫いて織り目の付けられたシリコン
ウエハ内に設けることを省略することができ、ひいては
更に、弁の封止操作を省略することもできる。分散され
た電極による別の利点は、流体の流れ特性が弁の内室に
おける材料段部によって乱されることがないという点で
ある。弁プレートの構造部材としての閉鎖部材の特に有
利な型態は封止リップであって、該封止リップは、弁の
機能に基いて夫々、弁座に対し弁の入口乃至出口の周辺
で円形状に押圧可能である。出口の弁座に対して押圧可
能な封止リップだけが形成されているような場合には、
封止リップの反対側に位置している弁プレートの表面上
に少くとも１つの距離維持部が配置されていると有利で
あることが判明した。該維持部は、弁が外側部に開放さ
れている場合弁の閉鎖を入口側で阻止する。更に重要な
ことは、封止リップ及び（又は）距離維持部が弁プレー
ト上に配置されていて、これらが被覆層の接続の際電極
又は電極接続部に導電的に接触することなく、静電気的
な駆動部の短絡を阻止することができるようになってい
るということである。被覆層に向い合っている弁プレー
トの表面の溝状の窪みを貫いて、流体の貫流及び流れ特
性は、静電気的な駆動部の大きさに殆んど無関係に有利
な影響を受けることができる。本発明のマイクロ弁は、
切換弁として、また定常的な制御弁としても、共に有利
にこれを使用することができる。

【０００５】

【実施例】本発明の実施例を図面に図示し、次にこれを
詳細に説明する。

【０００６】図１は、多層構造体の個々のマイクロ弁の
概略拡大縦断面図である。この多層構造体の製作に対し
ては、特にシリコンの等方性エッチング及び異方性エッ
チング並びにガラスの織り目模様化といった、精密機械
工学及び半導体工学では公知の仕上げ技術が使用されて
いる。多層構造体内に所定の３次元形状を製作するため
のこれらの技術、及び構造の詳細によって決定される機
械的な部材の製作の形式は、この際公知のものとして仮
定している。

【０００７】図１のマイクロ弁は、織り目模様が付けら
れて構造体の中間層を形成しているシリコン支持層１０
と、両側部でシリコン支持層１０に装着されている２つ
の被覆層３１及び３２とを備えている。図１に図示の実
施例にあっては、両被覆層３１及び３２のための材料と
して特にガラスが適合している。それは、その場合織り
目模様の付けられたシリコン支持層１０と被覆層３１及
び３２との間の結合部が、陽極結合剤によって容易に製
作可能であるからである。その１方の被覆層３１は、入
口３３として使用される貫通孔を有している。この入口
３３に向い合う別の被覆層３２内には、出口として使用
される貫通孔３４が配置されている。被覆層３１及び３
２の間に配置されたシリコンウエハ１０から、入口３３
及び出口３４の領域内で運動可能な弁プレート２０が製
作されている。この弁プレート２０は、被覆層３１及び
３２に向い合う表面に関してほぼ対称形になっており、
かつ１つ又は複数のウエブ１５でシリコン支持層１０に
結合されている。該プレート２０は、片側が非対称形で
、又は両側が対称形で、又は星形状で、シリコン支持層
１０に結合されていても宜い。しかしこのマイクロ弁の
組立の際に注意すべきことは、懸架ウエブ１５の間に充
分に大きな開口部が存在していて、流体の最小量が入口
から出口へ到達できるようになっているということであ
る。弁プレート２０の上方には、出口３４の領域の周辺
で円形状に封止リップ２２が形成されており、該封止リ
ップ２２は、弁座３４１に対し出口３４の周辺で円形状
に押圧可能である。このことは弁プレート２２の静電気
的な操作によって行われる。両被覆層３１及び３２上の
弁プレート２０の領域内には、電極接続部３７及び３８
と１緒に電極３５及び３６が装着されている。この電極
３５，３６及び電極接続部３７，３８を実現する簡単な
形式は、この実施例の場合、織り目模様の付けられた金
属被覆内で例へばアルミニウムの蒸着又はスパッタによ
って実現されている。電極３５又は３６と弁プレート２
０との間に電圧を印加することにより、弁２０は、被覆
層３２の方向つまり出口の方向にも、又被覆層３１の方
向つまり入口の方向にも、共に運動できるようになる。 つまり本発明の弁は、積極的に閉鎖することも積極的に
開放することもできる。出口側で弁を開放する際入口３
３が閉鎖されるのを阻止するため、距離維持部２１が弁
２０から入口３３の領域内で形成されている。対応電極
として使用されている弁プレート２０と、電極３５及び
３６乃至電極接続部３７及び３８との短絡を阻止するた
め、封止リップ２２及び距離維持部２１は、これらが被
覆層３１及び３２に接触する際電極３５及び３６乃至電
極接続部３７及び３８と導電的に接触しないように配置
されている。電極接続部３７及び３８は、シリコン支持
層１０内のエッチング溝２５，２６を貫いてマイクロ弁
の外側部に案内されている。これらのエッチング溝２５
，２６は、マイクロ弁の機能能力を保証するため適切に
封止されていなければならない。流体の供給乃至排出を
良くするため、弁プレート２０内に溝状のエッチング溝
２３，２４を設けることもできる。

【０００８】図３には、シリコン支持層１０から形成さ
れた弁プレート２０の可能な構成が、平面図で図示され
ている。弁プレート２０は、長方形乃至正方形に形成さ
れており、かつその中央部には、弁プレート２０の表面
に比較してより高くなっている枠状の封止リップ２２が
設けられている。封止リップ２２から出発して弁プレー
ト２０の縁部にまで、溝状のエッチング溝２４が星状に
形成されている。弁プレート２０は、弁プレート２０の
角隅部から出発している８つの薄いウエブ１５でシリコ
ン支持層１０に結合されている。しかし本発明は、ウエ
ブ１５及びエッチング溝２４のこの特別な数、配置及び
構成に限定されるものではなく、寧ろマイクロ弁の夫々
の機能に対して有利な総ての変化態様を包含している。

【０００９】図２にはマイクロ弁の縦断面図が図示され
ており、該マイクロ弁は、図１に図示のマイクロ弁とほ
ぼ正確に同じように構成されていて、織り目模様の付け
られたシリコン支持層１０と、薄いウエブ１５に懸装さ
れた弁プレート２０と、出口３４の方向における封止リ
ップ２２と、入口３３の方向における距離維持部２１と
、を有している。更に溝状エッチング溝２３及び２４も
弁プレート２０の表面に設けられている。しかし図２に
図示のマイクロ弁にあっては、被覆層３１及び３２がシ
リコン支持層３１１及び３２１によって形成されており
、そのシリコン支持層１０に向い合う表面上ではシリコ
ン酸化薄膜３１２，３２２が分離されており、該薄膜３
１２，３２２は、被覆層３１及び３２と織り目模様の付
けられたシリコンウエハ１０乃至弁プレート２０との間
の電気的な絶縁のために、また機械的な保護のために使
用されている。被覆層３１及び３２としてシリコン支持
層を使用することの利点は、入口乃至出口として使用さ
れる孔を簡単にエッチングすることができ、またＮａ含
有ガラスの処理を行う必要がないという点である。更に
電極４５及び４６並びに電極接続部４７及び４８をシリ
コン支持層３１１及び３２１内に分散させることができ
る。これによって、マイクロ弁内方の流体の流れ特性に
影響を与えるような金属被覆の蒸着乃至装着を省くこと
ができる。この形式の場合には、電極接続部をエッチン
グ路を貫通して織り目模様の付けられたシリコン支持層
１０内に形成することも、また引続いてこのエッチング
路を封止することも不必要になるため、このマイクロ弁
の実施型態はこれを極めて簡単に構成することができる
。従ってこのマイクロ弁の実施態様は、弁を貫流する液
体が化学的に安定した例へばシリコン酸化物又はシリコ
ンのような材料とだけ接触するような場合には極めて有
利である。

【００１０】図１及び図３に図示のマイクロ弁は、２つ
又は３つの切換位置を備えた切換弁としてこれを有利に
使用することができる。しかし又、例へば図４に図示さ
れているように、これを定常的な制御弁として使用する
ことも考えられる。その場合弁の中心層には、弁プレー
ト２０を備えて織り目模様の付けられたシリコン支持層
１０が形成されており、該弁プレート２０は薄いウエブ
１５で支持層１０に結合されている。また被覆層３１及
び３２内の互いに向い合って配置されている流入開口部
３３及び３４の領域内には、夫々１つの封止リップ２２
が設けられている。弁の両流入開口部３３及び３４には
、流体流れが接しており、そのため弁は、流体流れ間の
結合部材になっている。弁プレート２０の位置の変更に
より、弁プレートと夫々の流入開口部との間の有効な横
断面積が変化せしめられる。１方の側から他方の側への
乃至は貫流の方向への、弁を貫く貫流量は、弁プレート
２０の位置により決定される。これは常に変更可能であ
るため、弁は制御弁としてこれを有利に使用することが
できる。この実施例にあっては被覆層３１，３２が夫々
、織り目模様の付けられたシリコン支持層に向い合って
いるガラス薄膜３１２，３２２と、その上に装着された
シリコン支持層３１１，３２１とから成っている。被覆
層３１及び３２のこの２層状の構造にあっては、電極及
び電極接続部のどちらかを弁プレート２０に合う被覆層
３１及び３２の表面上に装着することができ、また電極
及び電極接続部を弁プレート２０に向い合うシリコン支
持層３１１，３２１の表面内に分散せしめることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】切換弁の断面図である。

【図２】別の切換弁の断面図である。

【図３】図１及び図２に図示の弁の弁プレートの平面図
である。

【図４】制御弁の断面図である。

【符号の説明】

１０　　　　シリコン支持層 １５　　　　ウエブ ２０　　　　弁プレート ２１　　　　距離維持部 ２２　　　　封止リップ ２３，２４　　　　エッチング溝 ２５，２６　　　　エッチング路 ３１，３２　　　　被覆層 ３３　　　　入口 ３４　　　　貫通孔 ３５，３６　　　　電極 ３７，３８　　　　電極導線 ４５，４６　　　　電極 ４７，４８　　　　電極接続部

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　多層状に構成されているマイクロ弁で
   あって、その際少くとも１つの層が織り目模様の付けら
   れたシリコン支持層によって形成されており、また入口
   と、出口と、少くとも１つの弁座と、少くとも１つの閉
   鎖部の静電的な操作のための手段と、を有している形式
   のものにおいて、 −織り目模様の付けられたシリコン支持層（１０）が、
   夫々１つ又は複数の層（３１１，３１２，３２１，３２
   ２）から成る２つの被覆層（３１，３２）の間に配置さ
   れており、 −入口（３３）が貫通孔を貫いて両被覆層の１方（３１
   ）に形成され、 −出口（３４）は貫通孔を貫いて別の被覆層（３２）に
   形成されたおり、 −入口（３３）及び出口（３４）の領域においてシリコ
   ン支持層（１０）から、 両被覆層（３１，３２）に向い合う表面に関しほぼ対称
   的な弁プレート（２０）が形成されており、−この弁プ
   レート（２０）は、少くとも１つの撓み可能なウエブを
   介してシリコン支持層（１０）に結合されており、また −弁プレート（２０）は入口（３３）及び（又は）出口
   の領域内で封止部材（２２）として形成されており、か
   つ −被覆層（３１，３２）には弁プレート（２０）に向い
   合って電極（３５，３６，４５，４６）が配置されてお
   り、また −弁プレート（２０）は電極（３５，３６，４５，４６
   ）に対する対応電極として使用されていることを特徴と
   する多層構造のマイクロ弁。
2. 【請求項２】　　入口（３３）及び出口（３４）は、互
   いに向い合って配置されていることを特徴とする、請求
   項１記載のマイクロ弁。
3. 【請求項３】　　シリコン支持層（１０）に向い合う被
   覆層（３１，３２）の薄膜（３１２，３２２）が、ガラ
   ス薄膜であることを特徴とする、請求項１又は２記載の
   マイクロ弁。
4. 【請求項４】　　シリコン支持層（１０）に向い合う被
   覆層（３１，３２）の表面に、電極（３５，３６）及び
   電極接続部材（３７，３８）が織り目模様の付けられた
   金属被覆の形状で装着されていることを特徴とする、請
   求項１から３までのいづれか１項記載の弁プレート。
5. 【請求項５】　　電極接続部材（３７，３８）は、シリ
   コン支持層（１０）内のエッチング溝（２５）を貫通し
   てマイクロ弁の外側部に案内されていることを特徴とす
   る、請求項４記載のマイクロ弁。
6. 【請求項６】　　被覆層（３１，３２）は、その上に装
   着された少くとも１つの絶縁薄膜（３１２，３２２）を
   備えている夫々１つのシリコン支持層（３１１，３２１
   ）を有しており、該絶縁薄膜（３１２，３２２）は、シ
   リコン支持層（１０）を被覆層（３１，３２）のシリコ
   ン支持層（３１１，３２１）に対して電気的に絶縁して
   いることを特徴とする、請求項１から３までのいづれか
   １項記載のマイクロ弁。
7. 【請求項７】　　絶縁薄膜（３１２，３２２）がシリコ
   ン酸化薄膜であることを特徴とする、請求項６記載のマ
   イクロ弁。
8. 【請求項８】　　電極（４５，４６）及び電極接続部（
   ４７，４８）が、シリコン支持層（１０）に向い合って
   いる被覆層のシリコン支持層（３１１，３２１）の表面
   に分散されていることを特徴とする、請求項６又は７記
   載のマイクロ弁。
9. 【請求項９】　　弁プレート（２０）が、１側部、２側
   部、３側部又は４側部で、シリコン支持層（１０）に結
   合されていることを特徴とする、請求項１から８までの
   いづれか１項記載のマイクロ弁。
10. 【請求項１０】　　弁プレート（２０）は、入口（３３
    ）及び（又は）出口（３４）の領域内に閉鎖部材として
    封止リップ（２２）を有しており、該封止リップ（２２
    ）は、少くとも１つの弁座（３３１，３４１）に対して
    押圧可能であることを特徴とする、請求項１から９まで
    のいづれか１項記載のマイクロ弁。
11. 【請求項１１】　　弁プレート（２０）は、出口（３４
    ）の弁座（３４１）に対して押圧可能な封止リップ（２
    ２）を有しており、また封止リップ（２２）の反対側に
    位置している弁プレート（２０）の表面には、被覆層（
    ３１）に対し少くとも１つの距離維持部（２１）が設け
    られていることを特徴とする、請求項１から１０までの
    いずれか１項記載のマイクロ弁。
12. 【請求項１２】　　弁プレート（２０）は、その被覆層
    （３１，３２）に向い合う表面に溝状の窪み（２３，２
    ４）を有していることを特徴とする、請求項１から１１
    までのいづれか１項記載のマイクロ弁。
13. 【請求項１３】　　マイクロ弁が切換弁として使用され
    ていることを特徴とする、請求項１から１２までのいづ
    れか１項記載のマイクロ弁。
14. 【請求項１４】　　マイクロ弁が定常的な制御弁として
    使用されていることを特徴とする、請求項１から１２ま
    でのいづれか１項記載のマイクロ弁。