JPH0671790B2 - シリコン弁とその製作方法 - Google Patents

シリコン弁とその製作方法

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、化学的に腐蝕してシリコン弁構造を製作する
構造および方法に関する。
背景技術 電子装置のアメリカ電気・電子通信学会誌、巻ED−25、
No.10、1978年10月、頁1178〜85のE.バソウスによる「1
00および110シリコンの異方性腐蝕法による新規な三次
元微小構造の製作」と題する論文は、インクジエツトノ
ズル、光学導波管、多重ソケツトの小型電気継手および
電気機械装置を製作するための単結晶シリコンの異方性
腐蝕法の使用を教示する。
ソリストによる米国特許第4,157,935号およびタマイに
よる米国特許第4,455,192号は、シリコンウエフアの化
学腐蝕法によつてインクジエツトノズル配列を形成する
方法を教示する。
また、非常に精密に機械加工された金属構成要素の適合
する継手を使用するものの様な通常の金属流体制量弁を
製作することは、公知である。これは、複雑で労働集約
的な時間の掛かる製作工程であり、燃料および燃料汚染
物への露出と摩耗とによる内部の交差変化の様な信頼性
の問題に晒される高価な構成要素を生じる。あまり複雑
でない製作工程を使用しかなり少ない労力および時間に
よつて燃料噴射器およびその他の弁を製作することは望
ましい。即ち、高位の公差は、燃料汚染物に対する無感
能および改良される信頼性の様に望ましい。これ等は、
本発明が克服する問題の幾つかである。
発明の開示 本発明は、第１シリコン部材および第２シリコン部材を
使用し流体の流れを制御するシリコン弁を教示する。第
１シリコン部材は、ほぼ平坦であり、流体を流通するオ
リフイスを有している。第２シリコン部材は、オリフイ
スを選択的に開閉しこれによりオリフイスを通る流体の
流れを制御する様にオリフイスに対して相対的に可動で
オリフイスに整合する平坦なシリコン面を有している。
実施例 シリコン弁は、立上つた中心メサ（地卓）12と、部分的
な壁周辺13と、中心メサ12と壁周辺13との間の可撓性薄
膜17とを有する平坦な上側シリコン弁部材11を備えてい
る。４つの通路16は、壁周辺13を横切る流体の流れを可
能にする様に壁周辺13の部分間に配置される（第１図、
第２図参照）。また、シリコン弁は、メサ12に整合する
ノズルオリフイス15を有するほぼ平坦な下側シリコンウ
エフア14を備えている（第３図、第４図参照）。シリコ
ン弁は、メサ12がノズルオリフイス15を被う様にシリコ
ン部材11,14を相互に隣接して位置決めすることによつ
て操作される。部材11が撓わめられて、メサ12が開口部
15から離れるとき、流体は、壁周辺13の部分間の通路16
を通つて側部から流入して、ノズルオリフイス15を通つ
て流出可能である。第16図は、周辺壁を横切る流体の流
れを可能にする通路が下側シリコン弁部材に配置される
本発明の他の実施例による一部切除された組立て斜視図
を与える。シリコン部材11,14の各々は、有利に平坦な
光学面を有するほぼ平坦なシリコンウエフアから腐蝕法
によつて形成される。シリコン部材11の端縁のまわりの
立上つた壁周辺13は、オリフイス15へのシリコン部材1
1,14の間の流体の流れを増大するために開放する付加的
な通路を有してもよい。所望により、通路16に隣接する
シリコン部材11の厚さは、構造的な補強を与える様に薄
膜17におけるよりも厚くてもよい。
第６図を参照すると、シリコン部材61は、立上つた中心
円形メサ62を有するほぼ円形の形状と、半径方向通路66
を有する部分的な壁周辺63を形成するほぼ弧状の部分
と、メサ62と壁周辺63との間の環状薄膜67とを備えて
る。
第７図を参照すると、下側シリコン部材14の代りの実施
例は、流体の流れを選択的に調節するために大きな単一
のメサまたは複数の小さいメサのいずれかに整合する様
に構成される４つのノズルオリフィス72を有するシリコ
ン部材71でもよい。有利に、各ノズルオリフイス72は、
それを流通する流体が渦巻きを与えられる様に、シリコ
ン部材71を貫通して斜めの角度に形成される。
第7A図は、２方向に示される傾斜を有するノズルオリフ
イス72の拡大平面図を示す。該傾斜は、ノズル72を出る
際に流体に噴霧または渦巻きを与え、これは、流体の霧
化が重要な際に特に望ましい。この特徴は、燃焼シリン
ダに燃料を噴射する際に有利に使用されてもよい。シリ
コンの異方性腐蝕法は、該傾斜したノズル開口部を形成
する特に有利な方法である。シリコンは、強塩基を除い
て大抵の流体による腐蝕に抵抗性であるため、使用する
のに望ましい材料である。更に、可撓性弁部材として使
用する単結晶シリコンは、固有の疲労機構が存在しない
ため、有利である。
第10図は、第７図の下側シリコン部材71に使用するのに
好適な上側部材の底面斜視図を示し、シリコン部材100
は、シリコン部材71のノズルオリフイス72に整合し該オ
リフイスを被うのに充分に大きい４つの中心メサ101を
有している。
第８図を参照すると、シリコン弁80は、貫通する開口部
83のある立上つた中心メサ82を有する上側シリコン部材
81を備えている。シリコン部材81は、流体を流通する中
間通路85を有する４つの隅壁状周辺部分84を更に備えて
いる。通路85は、メサ82まで延びる。下側シリコン部材
90は、立上つたメサ82によつて被われる様に整合する４
つのノズルオリフイス91を有している。弁80は、下側シ
リコン部材90の中心部分を押圧しこれにメサ82によるノ
ズルオリフイス91の被いを除去して流体がノズルオリフ
イス91を流通するのを可能にする如く上側シリコン部材
81の開口部83を通つて延びるプランジヤ120を有するこ
とにより、第12図、第12A図に示す様に作用する。
第9A図の断面図を参照すると、下側シリコン部材90は、
低減した厚さの薄膜93を形成する様にノズルオリフイス
91のまわりの下側シリコン部材90の底に形成される環状
樋92を備えている。これは、プランジヤ120がシリコン
部材90の中心部分を押し下げるとき、ノズル91を有する
シリコン部材90の中心部分が撓わめられるのを可能にす
る。
第12図を参照すると、弁80が燃料噴射器121に装着され
るとき、流体の流路122は、中心メサ82に達する様に上
側シリコン部材81の通路85に整合される。しかしなが
ら、下側シリコン部材90が撓わめられないとき、中心メ
サ82は、ノズルオリフイス91を被い、下側にシリコン部
材90の中心部分の下方の通路123に流体の流れが連続す
るのを遮断する。
第12A図を参照すると、プランジヤ120は、下側シリコン
部材90の中心部分を撓わめ、これにより、燃料がノズル
91を通つて下側通路123に流入するのを可能にする様
に、下方へ移動する。
第12図、第12A図に示すプランジヤ120は、電流が加わる
のに応答して伸びる圧電材料のものでもよい。この場
合、プランジヤ120の長さが増大し、下側シリコン部材9
0の中心部分を下方へ撓わめる。
また、第12図、第12A図は、上側シリコン部材81の厚み
を貫通する随意の付加的な流体流路129を示し、該流路
は、流体を流通可能であつて、下側シリコン部材90が下
方へ撓わめられるとき、ノズル91に連通する。
第11図、第11A図を参照すると、本発明の一実施例によ
る燃料噴射器の分解図と、組立図とが夫々示される。シ
リコン弁130は、第１図、第３図に夫々示される上側シ
リコン部材11および下側シリコン部材14の様な部材を使
用してもよい。該噴射器は、中心燃料路と、弁130の支
持とを与える噴射器体部131,132,133を有している。部
材132は、燃料を側部開口部135から側部の半径方向開口
部136へ流通する中心燃料路134を有している。ほぼ正方
形の座137は、下側シリコン部材14の底を受ける。ほぼ
円形の座141は、上側部材11に取付けられ上側部材11を
撓わめ得る円形圧電バイモルフウエフア要素140を受け
る。上側シリコン部材11の通路16は、半径方向開口部13
6から燃料を受取る様に整合される。ばね138は、燃料の
流れを阻止する様に、メサ12をノズル15に当接させて維
持する。復帰ばね138は、圧電要素140に下向きの力を加
える。第11図の噴射器の作動の際、ばね力は、圧電バイ
モルフウエフア要素140に電気エネルギを加えることに
よつて克服され、要素140は、上側シリコン部材11の中
心部分に上向きの撓わみを生じさせ、ノズル15からメサ
12を離し、これにより、燃料の流れを許容する。圧電部
材に力を加える復帰ばね138は、電気エネルギが除去さ
れる際に、可撓性部材を閉じさせる。第11A図は、第11
図にほぼ同様な組立図を示す。
上側シリコンウエフア11および下側シリコンウエフア14
に類似するウエフアを使用する弁130の代りの実施例
は、第15図、第15A図に示される。第13図に示す弁150の
上側部材は、壁状連続周辺152と、立上つた中心メサ153
と、立上つた中心メサ153と周辺152との間の薄い薄膜15
4とを有する上側シリコン部材151を備えている。
第14図を参照すると、上側シリコン部材151に関連して
使用される下側シリコン部材160の上部斜視図が示され
る。中心ノズルオリフイス161は、下側シリコン部材160
を貫通して形成される。側部の流体流れチヤンネル162
は、シリコン部材160の低減した厚さが存在する様に、
下側シリコン部材160の４辺の各々に形成される。第15
図に認められる様に、ノズルオリフイス161に向う流体
チヤンネル162の長さは、周辺壁152の巾よりも大きく、
従つて、流体は中心メサ153まで上方に薄膜154に隣接し
てチヤンネル162を流通可能である。第13図、第14図の
要素の組立図は、第16図に示される。この図と、その他
の図とは、明瞭にするために実際よりもかなり厚い弁板
を示す。
第15図を参照とすると、弁は、メサ153がノズルオリフ
イス161を遮断するとき、該オリフイスを通る流体の流
れを許容しない。圧電隔膜165は、シリコン付着物166に
よつて上側シリコン部材151に取付けられる。第15A図
は、上側シリコン部材152を撓わませ、これにより、下
側シリコン部材160のノズルオリフイス161からメサ153
を持上げる圧電隔膜165の作動を示す。
第16図に示す様なシリコン弁の製造の代表的な製作シー
ケンスは、次の通りである。
上側板の製作（メサ座および低減した厚さの隔膜を含
む）は、半分のウエフア（半分に切断される5.08cm
（２″）ウエフア）を洗浄し、１マイクロメータの厚さ
の酸化物を成長させ、ウエフウから裏側の酸化物を剥離
し、隔膜を限定する様にボロンを堆積し、硼珪酸ガラス
（BSG）を除去し、酸化物を成長させ（少なくとも2000
A）、酸化物に弁座パターンを限定し、EDP（異方性エツ
チング用試薬）でウエフアを腐蝕し、約５分間にわたり
緩衝されたHFで残りのSiO2を腐蝕する手順を備えてい
る。
下側板（即ち、オリフイス板）の製作は、ウエフアの洗
浄と、酸化物の成長（少なくとも2000A）と、オリフイ
スを限定するために上側での酸化物パターンの成形と、
EDPでのウエフアの腐蝕と、ウエフアの洗浄と、酸化物
の成長と、オリフイスおよび板寸法の裏側酸化物パター
ンの成形と、EDPでのウエフアの腐蝕と、BHFによる残り
のSiO2の除去とを含む。
上側板および下側板の両者が完成されると、これ等は、
弁を形成する様に一体に接着され、従つて、上側シリコ
ン部材の壁部分は、下側シリコン部材の面に結合され、
上側シリコン部材の面は、流体の通過を遮断するために
オリフイスを密封すると共に、オリフイスを通る流体の
流通を許容するためにオリフイスから離される如く、下
側シリコン部材のオリフイスに対して相対的に可動であ
る。
種々な変更および変形は、本発明が関連する種種な技術
の熟達者に疑いもなく考えつかれる。例えば、メサ、立
上つた周辺および／またはオリフイスの特定の寸法およ
び形状は、ここに開示されるものから変更されてもよ
い。また、シリコン部材の寸法および形状（円形、正方
形、三角形等）は、ここに開示されるものから変更され
てもよい。当該技術を進歩させたこの開示の教示に基本
的に依存するこれ等の変更および総てのその他の変更
は、適正に本発明の範囲内と見做される。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例による可動なシリコン弁部材
の平面図、第２図は第１図の側面図、第３図は本発明の
一実施例により第１図の部材に結合して使用するノズル
オリフイスを有するシリコン弁部材の平面図、第４図は
第３図の線IV−IVに沿う断面図、第５図は第１図の部材
の斜視図、第６図は正方形の形状の代りに円形を使用す
る第１図の部材の異なる実施例の図、第７図は１つの開
口部の代りに４つのノズル開口部を使用する第３図の弁
部材の異なる実施例の図、第7A図は第７図の部材の平坦
面に対して該部材を斜めに貫通して腐蝕されるノズルオ
リフイスを有する該部材の平面図の部分的な拡大図、第
８図は第７図に示す様な下側弁部材と、該下側弁部材を
撓わめる様にプランジヤを挿通する開口部を有する本発
明の他の実施例による上側シリコン弁部材とを備えるシ
リコン弁の２部材の分解斜視図、第９図は第８図の上側
弁部材の底部斜視図、第9A図は第８図の下側弁部材の線
9A−9Aに沿う断面図、第10図は第８図の下側板に関連し
て使用する本発明の他の実施例による上側弁部材の底面
斜視図、第11図は本発明の一実施例によるシリコン弁を
使用する流体制量弁の部分的に切除された分解斜視図、
第11A図は本発明の一実施例による燃料噴射器の一部断
面の側面図、第12図は下側シリコン弁部材の密封された
ノズル開口部への矢印による流路を示し上側シリコン弁
部材の中心開口部に挿通されるプランジヤを有し第８図
に示す弁を使用する流体制量弁の弁部分の拡大断面図、
第12A図は矢印で示す様な下側シリコン部材のノズル開
口部を通る流体路を開放する撓わめられた下側シリコン
弁部材および押下げられたプランジヤを有する第12図と
同様な図、第13図は本発明の他の実施例による上側シリ
コン弁部材の第５図と同様な底面斜視図、第14図は第13
図の上側シリコン弁部材と協働して使用する様にノズル
オリフイス有する下側弁部材の上部斜視図、第15図は矢
印により流体路を示し燃料噴射器に組立てられ第13図、
第14図に示す部材を使用するシリコン弁の断面図、第15
A図は流体の流れを示す矢印によつて示す様に下側シリ
コン部材を流通するのを流体に許容する撓わんだ位置の
第15図の弁構造の図、第16図は第15図のシリコン弁部材
の一部切除した斜視図を示す。 11,81,100,151……上側シリコン部材、12,82,101,153…
…中心メサ、13……壁周辺、14,71,90,160……下側シリ
コン部材、15,72,91,161……ノズルオリフイス、16……
通路、17,93,154……薄膜、80,130,150……シリコン
弁、83……開口部、85……中間通路、92……環状樋、12
0……プランジヤ、129……流路、152……壁状連続周辺
（周辺壁）、162……流体流れチヤンネル

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】流体を流通するオリフイスと、端縁から該
    オリフイスに向って延びる低減された厚さの流体の流路
    とを有するほぼ平坦な第１シリコン部材と， 該オリフイスを密封するために、該オリフイスよりも面
    積の広い平坦面を有し該オリフイスに整合する厚いメサ
    装置と、該第１シリコン部材に結合する立上った周辺部
    分とを備えるほぼ平坦な第２シリコン部材とを具備し， 該周辺部分が、該オリフイスの方向の前記流体の流路の
    長さよりも小さい巾を有し，前記メサ装置が流体の流れ
    を遮断するために該オリフイスを密封する様に位置決め
    可能であると共に、該オリフイスを通る流体の流通を許
    容するために該オリフイスから離れる様に移動可能な如
    く充分な可撓性を与えられる様に、前記第２シリコン部
    材が、該メサ装置の周辺に低減された厚さの薄膜部分を
    備え，該低減された厚さの薄膜部分が、該メサ装置と前
    記第１シリコン部材の流体の流路との間に流体の流路を
    与える流体の流れを制御するシリコン弁。
  2. 【請求項２】前記第１シリコン部材が、ほぼ正方形であ
    り、その４辺の各々から内方へ延びる前記流体の流路を
    有する特許請求の範囲第１項に記載のシリコン弁。
  3. 【請求項３】流れを流通するオリフイスと、可撓性を増
    大するために該オリフイスの周辺の低減された厚さの部
    分とを有するほぼ平坦な第１シリコン部材と， 該オリフイスを密封する平坦面と、該第１シリコン部材
    を離す様に移動させて流体の流れに対して該オリフイス
    を開放すべくアクチュエータを挿通する開口部とを有す
    るほぼ平坦な第２シリコン部材と を備える流体の流れを制御するシリコン弁。
  4. 【請求項４】前記第１シリコン部材が前記第２シリコン
    部材から離れる様に撓められた際前記オリフイスに連通
    して前記オリフイスを通る流体の流れを与え、該第１シ
    リコン部材が撓わめられないと前記オリフイスに連通さ
    れず、該オリフイスを通る流体の流れを与えないような
    流体流路を、前記第２シリコン部材が更に備える特許請
    求の範囲第３項に記載のシリコン弁。
  5. 【請求項５】前記流体流路が、前記第２シリコン部材の
    側部から内方へ延び、前記第１シリコン部材に対面する
    該第２シリコン部材の面の凹みである特許請求の範囲第
    ４項に記載のシリコン弁。
  6. 【請求項６】前記流体流路が、前記第２シリコン部材の
    厚みを貫通して延びる部分を有する特許請求の範囲第４
    項に記載のシリコン弁。
  7. 【請求項７】ほぼ平坦な第１シリコン部材にオリフイス
    を形成し， 閉鎖路の内側に立上ったメサ装置を残し該閉鎖路のまわ
    りに立上った壁部分を残すように、第２シリコン部材に
    凹状閉鎖路を形成し、該壁部分が前記第１シリコン部材
    の面に結合される如く、且つ該メサ装置が流体の流通を
    遮断すべく前記オリフイスを密封し得ると共に、該オリ
    フイスを通る流体の流通を許容すべく該オリフイスから
    離れ得る様に該オリフイスに対して相対的に可動な如
    く、該第１シリコン部材と前記第２シリコン部材とを一
    体に接着することからなる， 流体の流れを制御するシリコン弁を製作する方法。
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