JP4208777B2 - マイクロバルブの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、マイクロバルブの製造方法に関する。詳しくは半導体加工技術を用いて製造した圧力調整、特に減圧機構を有するマイクロバルブの製造方法に関するものでる。
従来、減圧弁は機械加工技術を用いて様々なタイプのものが製造されてきた。減圧弁は、アクティブ駆動のもの、パッシブ駆動のものに大きく分類される。アクティブ駆動の減圧弁は、圧力センサとバルブ駆動手段、制御機構とを備え、2次圧力が設定圧力に減圧されるようにバルブを駆動する。一方、パッシブ駆動の減圧弁は、設定圧力になると、圧力差を利用して、バルブが自動的に開閉する。これらの減圧弁は大型のものではあるが、すでに実用化されている。
一方、半導体加工技術を用いて様々な微小機械要素が製造されてきた。半導体加工技術は、サブミクロンオーダーの微細加工が可能な上、バッチプロセスにより大量生産化が容易であるという特徴を有する。非特許文献1においては、複数の半導体基板を材料を用い、半導体加工技術を用いて製造したアクティブ駆動のマイクロバルブについて開示している。本マイクロバルブはPZTに電圧をかけることによって駆動されている。
一方、小型の電気機器に搭載するエネルギー源として、小型の燃料電池が注目されている。燃料電池が小型電気機器の駆動源として有用な理由に体積当たり、重量当たりの供給可能なエネルギー量が従来のリチウムイオン2次電池に比べて、数倍から十倍近くであることが挙げられる。特に、大きな出力を得るための燃料電池には、水素を燃料に使用するのが最適である。しかし、水素は常温で気体であり、小型の燃料タンクの中に高密度に水素を貯蔵するための技術が必要である。
第一の方法は水素を圧縮して高圧ガスとして保存する方法である。タンク内のガスの圧力を200気圧にすると体積水素密度は18mg/cm3 程度となる。第二の方法は水素を低温にして、液体として貯蔵する方法である。水素を液化するためには、大きなエネルギーが必要であること、また、液体水素が自然気化して、漏れだしてしまうことが問題であるが、高密度な保存が可能である。第三の方法は水素吸蔵合金を使用して水素を貯蔵する方法である。この方法では、水素吸蔵合金の比重が大きいため、重量ベースでは、2wt%程度の水素しか吸蔵できず、燃料タンクが重たくなってしまうという問題点があるが、体積ベースでの吸蔵量は大きいので、小型化には有効である。
一方、固体高分子型燃料電池の発電は以下の様にして行われる。高分子電解質膜には、パーフルオロスルホン酸系の陽イオン交換樹脂がよく用いられる。例えば、このような膜としては、デュポン社のナフィオンなどがよく知られている。固体高分子電解質膜を、白金などの触媒を担持した一対の多孔質電極、すなわち、燃料極と酸化剤極とで狭持した膜電極複合体が発電セルとなる。この発電セルに対して、酸化剤極には酸化剤を、燃料極には燃料を供給することにより、高分子電解質膜中をプロトンが移動し、発電が行われる。
高分子電解質膜は機械的強度を保ち、また、燃料ガスが透過しないようにするために通常50〜100μm程度の厚さのものが使用される。これらの固体高分子電解質膜の強度は300〜500kPa(3〜5kg/cm2 )程度である。従って、差圧による膜の破断を防ぐためには、燃料電池の酸化剤極室と燃料極室との差圧が、平常時には50kPa(0.5kg/cm2 )、非常時でも100kPa(1kg/cm2 )以下になるように制御することが好ましい。
燃料タンク圧と酸化剤極室との差圧が上記圧力よりも小さい場合、燃料タンクと燃料極室とを直結し、特に減圧の必要はないが、一方、酸化剤極室が大気に解放されており、また、より高密度に燃料を充填する場合においては、燃料タンク内の圧力が高くなるので、高分子電解質膜の破断を防ぐために燃料タンクから燃料極室に燃料を供給する過程において、減圧する事が必要となる。また、発電の起動・停止操作や、発電電力を安定させるためにも、上記圧力調整機構は必要となる。
特許文献1においては、小型バルブを燃料タンクと燃料電池セルの間に設けることにより、燃料電池セルを大きな圧力差による破断から防ぎ、発電の起動、停止を制御し、発電電力を安定に保っている。特に、燃料供給路と酸化剤供給路との境界にダイヤフラムを使用し、バルブに直結することで、電気を使用しないで、燃料供給路と酸化剤供給路との差圧により駆動し、燃料電池セルに供給する燃料圧を最適に制御する減圧弁を実現している。
特開平2004−31199号公報 H.Jerman,"J.Micromech.Microeng.",4,210−216,1994年
しかしながら、バルブを作製するのに、従来の機械加工技術・組み立て技術では、精度が十分でなく、超小型の圧力調整バルブ(レギュレータ)を製造するのは非常に困難であった。また、製造コストが高くなってしまうという問題を有していた。
また、半導体加工技術を用いた従来のマイクロバルブ製造技術では、1次流路に高い圧力をかけたときに作動流体が漏れやすいという欠点があった。特に、バルブをクローズ状態で維持するためには、エネルギーを必要とするという課題があった。
本発明は、この様な背景技術に鑑みてなされたものであり、半導体ウエハを材料とし、半導体加工技術を用いて、バルブを非常に小型化した減圧機構を有する圧力調整用のマイクロバルブの製造方法を提供するものである。
また、半導体ウエハ部材同士を接合することにより、部材間の隙間からの漏れが非常に少ない圧力調整用のマイクロバルブの製造方法を提供するものである。
本発明の第一は、複数のシリコンウェハを用いて、気体の導入口と導出口を結ぶ流路と、前記流路中に設けられた弁体と、前記弁体とバルブ軸を介して連結して設けられたダイアフラムを有する圧力調整用のマイクロバルブを製造する方法であって、
(1)第1のシリコンウェハに第1のアルミマスクを形成する工程、前記第1のマスクの上に、第2のマスクで覆われていない部分が有るように第2のマスクを形成する工程、前記第1のマスクおよび前記第2のマスクがない部分をエッチングして、ダイヤフラムの形成部分を形成する工程、前記第2のマスク及び前記第1のマスクをエッチングして、バルブ軸の一部分および周辺支持部を形成する部分にマスクを残し、それ以外の部分のマスクを除去する工程、前記マスクを除去した部分をエッチングして、前記ダイアフラムの形成部分を薄くしてダイアフラム、第一の流路バルブ軸の一部分および周辺支持部を形成する工程、前記マスクを除去する工程
(2)前記第1のシリコンウェハで形成された前記バルブ軸の一部分及び前記周辺支持部が形成された側の面に第2のシリコンウェハを接合し、前記第2のシリコンウェハをエッチングして前記バルブ軸の一部分の上に前記バルブ軸の残りの部分を接合したバルブ軸と、その周りを囲む第2のシリコンウェハとの間に前記第一の流路と連通する環状の第二の流路を形成する工程、
(3)前記第2のシリコンウェハで形成された前記バルブ軸と、その周りを囲む第2のシリコンウェハの上に、表面にシリコン酸化物層を有する第3のシリコンウェハを前記シリコン酸化物層を介して接合し、前記第3のシリコンウェハを前記シリコン酸化物層を残してエッチングして、前記環状の第二の流路よりも径が大きい弁体と、その周りを囲む第3のシリコンウェハとの間に第三の流路を形成する工程、
(4)前記シリコン酸化物層をエッチングして、前記第三の流路と前記環状の第二の流路を連通して、前記シリコン酸化物層を介して接合した前記弁体と前記バルブ軸を前記第二および第三の流路から解放し、前記バルブ軸の周りを囲む第2のシリコンウェハの一部分に前記弁体によって開閉する弁座を形成する工程を順に行うことを特徴とするマイクロバルブの製造方法である。
本発明の第二は、複数のシリコンウェハを用いて、気体の導入口と導出口を結ぶ流路と、前記流路中に設けられた弁体と、前記弁体とバルブ軸を介して連結して設けられたダイアフラムを有する圧力調整用のマイクロバルブを製造する方法であって、
(1)第1のシリコンウェハに第1のアルミマスクを形成する工程、前記第1のマスクの上に、第2のマスクで覆われていない部分が有るように第2のマスクを形成する工程、前記第1のマスクおよび前記第2のマスクがない部分をエッチングして、ダイヤフラムの形成部分を形成する工程、前記第2のマスク及び前記第1のマスクをエッチングして、バルブ軸の一部分および周辺支持部を形成する部分にマスクを残し、それ以外の部分のマスクを除去する工程、前記マスクを除去した部分をエッチングして、前記ダイアフラムの形成部分を薄くしてダイアフラム、第一の流路バルブ軸の一部分および周辺支持部を形成する工程、前記マスクを除去する工程を順に行う第1の工程群と、
(2)第2のシリコンウェハと、表面にシリコン酸化物層を有する第3のシリコンウェハを前記シリコン酸化物層を介して接合したウェハの第2のシリコンウェハをエッチングして、第2のシリコンウェハに前記バルブ軸の一部分に接合するための前記バルブ軸の残りの部分と、その周りを囲む第2のシリコンウェハとの間に環状の第二の流路を形成する工程からなる第2の工程群と、
(3)前記第1の工程群で形成された前記第1のシリコンウェハの前記バルブ軸の一部分及び前記周辺支持部に、前記第2の工程群で形成された前記第2のシリコンウェハの前記バルブ軸の残りの部分及びその周りを囲む第2のシリコンウェハをそれそれ接合して、前記第一の流路と環状の第二の流路を連通し、第3のシリコンウェハを外側に配置する工程からなる第3の工程群と、
(4)第3の工程群で外側に配置された前記第3のシリコンウェハを前記シリコン酸化物層を残してエッチングして、前記環状の第二の流路よりも径が大きい弁体と、その周りを囲む第3のシリコンウェハとの間に第三の流路を形成する工程からなる第4の工程群と、
(5)前記シリコン酸化物層をエッチングして、前記第三の流路と前記環状の第二の流路を連通して、前記シリコン酸化物層を介して接合した前記弁体と前記バルブ軸を前記第二および第三の流路から解放し、前記バルブ軸の周りを囲む第2のシリコンウェハの一部分に前記弁体によって開閉する弁座を形成する工程からなる第5の工程群を順に行うことを特徴とするマイクロバルブの製造方法である。
前記第1の半導体ウェハに位置あわせのためのアライメントマークをつける工程を含むことを特徴とする。
前記第1の半導体ウェハにアルミマスクを形成する工程は、2枚のアルミマスクを重ねて形成することを特徴とする。
前記第3の半導体ウェハをエッチングしてバルブ軸と連結した弁体を形成する工程の後に、マイクロバルブの表面を改質する表面改質工程を含むことを特徴とする。
前記表面改質工程の後に、表面にコーティング材を被覆する表面被覆工程を含むことを特徴とする。
本発明は、半導体ウエハを材料とし、半導体加工技術を用いて、バルブを非常に小型化した減圧機構を有する圧力調整用のマイクロバルブの製造方法を提供することができる。
また、半導体ウエハ部材同士を接合することにより、部材間の隙間からの漏れが非常に少ない圧力調整用のマイクロバルブの製造方法を提供することができる。
本発明のマイクロバルブについて説明する。
本発明のマイクロバルブは、半導体ウェハを用いて製造された圧力調整用のマイクロバルブであって、気体の導入口と導出口を結ぶ流路と、前記流路中に設けられた弁体と、前記弁体とバルブ軸を介して連結して設けられたダイアフラムを有し、前記ダイアフラムは流路の内部と外部とを隔てて配置され、前記流路の内部の圧力と外部の圧力の差圧によって変形することにより弁体が変位して開閉することを特徴とする。
前記弁体、バルブ軸およびダイアフラムは、シリコンウェハおよびSOIウェハの少なくとも一つからなることを特徴とする。
複数の半導体基板を構造材料に用いることを特徴とする圧力調整機構を有するマイクロバルブで、弁体とダイヤフラムとの間にシリコン酸化物層を有することを特徴とする。また、マイクロバルブは下記の製造方法によって製造される。
次に、本発明のマイクロバルブの製造方法について説明する。
本発明のマイクロバルブの製造方法の第一の方法は、複数の半導体ウェハを用いて圧力調整用のマイクロバルブを製造する方法であって、第1の半導体ウェハにアルミマスクを形成する工程、前記アルミマスクがない部分をエッチングした後、アルミマスクのある部分をエッチングしてダイアフラム、流路およびバルブ軸の一部分を形成する工程、前記バルブ軸の一部分の面の上に第2の半導体ウェハを接合し、エッチングして前記バルブ軸の一部分の上に他の部分を接合したバルブ軸を形成する工程、前記バルブ軸の面の上に第3の半導体ウェハを接合し、エッチングしてバルブ軸と連結した弁体を形成する工程を有することを特徴とするマイクロバルブの製造方法である。
本発明のマイクロバルブの製造方法の第二の方法は、複数の半導体ウェハを用いて圧力調整用のマイクロバルブを製造する方法であって、第1の半導体ウェハにアルミマスクを形成する工程、前記アルミマスクがない部分をエッチングした後、アルミマスクのある部分をエッチングしてダイアフラム、流路およびバルブ軸の一部分を形成する工程、第2の半導体ウェハと第3の半導体ウェハが接合されたウェハの第2の半導体ウェハをエッチングしてバルブ軸の他の部分を形成する工程、前記第1の半導体ウェハのバルブ軸の一部分と第2の半導体ウェハのバルブ軸の他の部分とを合わせて第1〜第3の半導体ウェハを接合する工程、前記第3の半導体ウェハをエッチングしてバルブ軸と連結した弁体を形成する工程を有することを特徴とするマイクロバルブの製造方法である。
上記の本発明の製造方法は、いずれも半導体加工技術を用いた微細構造製造方法であって、構造材料に複数の半導体ウェハを用いることを特徴とする圧力調整機構を有するマイクロバルブ製造方法である。
前記半導体加工技術が成膜工程、フォトリソグラフィ工程、エッチング工程、ボンディング工程、リリーシング工程からなることを特徴とする。
半導体基板上に位置あわせのためのアライメントマークをつける工程を含むことを特徴とする。
シリコン異方性エッチング工程を含むことを特徴とする。
ICP−RIE(反応性イオンエッチング)工程を含むことを特徴とする。
エッチングに2枚のアルミマスクを重ねて使用することを特徴とする。
加工済みのウェハにベアウェハをボンディングする工程を含むことを特徴とする。
リリース工程にvapor HF(フッ化水素蒸気)を用いることを特徴とする。
表面改質工程および表面被覆工程を含むことを特徴とする。
前記表面被覆工程における被覆材料がパリレンであることを特徴とする。
前記表面被覆工程の前にエッチング工程を行うことを特徴とする。
構造材料にSOIウェハを用いることを特徴とする。
ダイヤフラム、バルブ軸、弁体の順に製造することを特徴とする。
前記構造作成後に弁体のリリーシング工程を行うことを特徴とする。
前記リリーシング工程の後に表面被覆工程を行うことを特徴とする。
さらに、本発明の燃料電池は、上記のマイクロバルブを搭載することを特徴とする燃料電池である。
実施例1
本発明のマイクロバルブ製造方法について説明する。
本発明のマイクロバルブは、まず半導体ウェハにダイヤフラム部を作製し、その上に新規ウェハを接合後、バルブ軸部を作製し、さらに、その上に新規ウェハを接合後、弁体を作製し、最後に弁体をリリース(解放)することによって、製造される。ウェハには両面研磨されたものを使用するのが好ましい。
図1Aおよび図1Bは、本発明のマイクロバルブ製造方法の一例を示す工程図である。図1Aおよび図1Bに基づいて、本発明のマイクロバルブ製造方法を説明する。
まず、図1(a)示す第1のステップは、半導体ウェハ001の表面に位置あわせのためのアライメントマーク021を作製するプロセス(工程)である。ウェハには厚さ300μmの両面研磨シリコンウェハ001(第1のシリコンウェハ)を用いた。Shipley社、商品名 S1805をフォトレジストに使用し、パターニング後、ICP−RIEエッチング(反応性イオンエッチング)によって、深さ30μmのアライメントマーク021を作製した。
図1(b)に示す第2のステップでは、ダイヤフラム、バルブ軸の一部分、および、その支持部のためのマスクを作製する。まず、2枚のアルミマスクを順番にウェハ001の第1のステップで作製したアライメントマーク021と反対側の面にパターニングした。1枚目のアルミマスク011はShipley社、商品名 S1805をフォトレジストに使用し、周辺支持部027と支持部022、出口流路026(第一の流路)を形成するためのマスクをパターニング後、真空蒸着によって成膜した。さらに、その上に、2枚目のアルミマスク012をフォトレジストによって、バルブ軸023の一部分と周辺支持部027になる部分をパターニング後、真空蒸着によって成膜した。
図1(c)に示す第3のステップでは、1枚目のアルミマスク011および2枚目のアルミマスク012のないダイヤフラム024になる部分のシリコンウェハを、ICP−RIEエッチング(反応性イオンエッチング)によって垂直に150μmエッチングして、ダイヤフラムの形成部分を形成した。
図1(d)に示す第4のステップでは、エッチング時間を制御することによって、アルミマスク011、0012をエッチングして、バルブ軸023の一部分および周辺支持部027を形成する部分にマスクを残し、それ以外の部分のマスクを除去した。
図1(e)に示す第5のステップでは、残ったマスクを用いて、ICP−RIEエッチングによって125μmシリコンウェハのマスクのない部分を垂直にエッチングした。これにより25μmのシリコンウェハ部分が残り、ダイアフラムの形成部分が薄くなり、これがダイヤフラム024となる。また、出口流路026(第一の流路)、バルブ軸023の一部分および周辺支持部027が形成される。
2枚のマスクを重ねて使用する方法は、これまで、フォトレジストとアルミマスクの組み合わせでは試みられてきた。しかし、この方法では、2段階目のエッチングがうまくいかないという課題があった。そこで、本発明では、2枚のアルミマスクを用いた。
図1(f)に示す第6のステップは、ウェハのダイレクトボンディング工程である。まず、残ったアルミマスクをウェットエッチングで取り除いた。厚さ300μmの両面研磨シリコンウェハをまず、SPM洗浄(過酸化水素水と硫酸の混合液中で80℃10分間洗浄)後、1%フッ酸で洗浄し、SC1洗浄(過酸化水素水とアンモニア水の混合液中で75℃10分間洗浄)した。次に前の工程までに作製したウェハ001(第1のシリコンウェハ)と新しいウェハ002(第2のシリコンウェハ)とを、前記ウェハ001で形成された前記バルブ軸の一部分及び前記周辺支持部が形成された側の面にウェハ002を重ね合わせ、450kPa(約4.5atm)の圧力で10分間保持した。その後、試料を3時間で1100℃に加熱し、4時間保持後、自然冷却によりアニールを行って接合した。
図1(g)に示す第7のステップは、バルブ軸023の残りの部分および環状流路028(環状の第二の流路)を作製する工程である。アルミを新しいウェハ002の表面に成膜後、第1のステップで作製したアライメントマークをもとに、Shipley社、商品名 S1805フォトレジストによってバルブ軸をパターニングした。ICP−RIEによって、ウェハ002のバルブ軸となる部分を垂直にエッチングして、前記バルブ軸の一部分の上に前記バルブ軸の残りの部分を接合したバルブ軸023と、その周りを囲む第2のシリコンウェハとの間に前記出口流路026(第一の流路)と連通する環状流路028を形成した。
図1(h)に示す第8のステップは、弁体になるウェハを接合する工程である。まず、アルミマスクをウェットエッチングによって取り除いた。その後、試料を超音波洗浄によって数分間洗浄した。新しい厚さ300μmの両面研磨シリコンウェハ003(第3のシリコンウェハ)の表面を熱酸化し、シリコン酸化物層を形成した。
前の工程までに作製した前記第2のシリコンウェハで形成された前記バルブ軸と、その周りを囲む第2のシリコンウェハの上に、表面にシリコン酸化物層を有する第3のシリコンウェハを前記シリコン酸化物層を介して接合した。接合条件は第6のステップの場合と同様である。
図1(i)に示す第9のステップは、弁体を形成する工程である。ウェハ003の接合されていない側のシリコン酸化物層を取り除き、その上にアルミマスク015を成膜した。Shipley社、商品名 S1805フォトレジストによって弁体025が形成されるように、ICP−RIEによって垂直にエッチングした。ウェハ003は、ウェハ002とウェハ003の間のシリコン酸化物層を残してエッチングされ、前記環状の第二の流路よりも径が大きい弁体025と、その周りを囲む第3のシリコンウェハとの間に流路033(第三の流路)が形成された。
図1(j)に示す第10のステップは、弁体025をリリース(解放)する工程である。vapor HF(フッ化水素蒸気)によってシリコン酸化物層の25μmの長さをサイドエッチングした。エッチング時間は2時間であった。この工程は25%のフッ酸溶液でのエッチングでは、数時間のエッチング後にシリコン酸化物層が残ってしまい、リリースできなかった。これは、フッ酸溶液では、埋もれたシリコン酸化物を等方的にエッチングできないためである。
前記シリコン酸化物層をエッチングすることにより、流路033(第三の流路)と環状流路028(環状の第二の流路)を連通し、シリコン酸化物層を介して接合した前記弁体と前記バルブ軸を前記第二および第三の流路から解放し、前記バルブ軸023の周りを囲むウェハ002(第2のシリコンウェハ)の一部分に前記弁体025によって開閉する弁座029が形成される。
さらにマイクロバルブのシール性を向上させるために、マイクロバルブ表面を改質する工程を付け加えてもよい。表面改質工程は、表面にコーティング材を被覆する表面被覆工程、表面をエッチングするエッチング工程、表面に薄膜を成膜する成膜工程、表面を酸化あるいは窒化する工程、イオンを注入する注入工程の少なくとも一つからなる。例えば、改質工程には以下の様なものがある。
まず、マイクロバルブ表面をコーティングするステップを付け加えても良い。また、コーティング工程の前に、コーティング材の密着性を向上させ、また、コーティングに伴い、各部材が厚くなってしまうのを相殺するため、マイクロバルブ表面をエッチングする工程を付け加えても良い。
次に、前記図1(j)に示す第10のステップで半導体ウェハをエッチングしてバルブ軸と連結した弁体を形成する工程の後に行う、マイクロバルブの表面改質工程について説明する。
図2はマイクロバルブのエッチング工程および表面被覆工程の説明図である。図2(a)に示す第11のステップは、マイクロバルブ表面をエッチングする工程である。エッチングには、例えば、XeF2 ガスを使用する。本ガスを使用することにより、等方的にエッチングすることができ、また、表面を粗くすることができる。エッチング量は次のコーティング厚さとのバランスで決定する。
図2(b)に示す第12のステップは、マイクロバルブ表面をポリパラキシリレンやポリモノクロロキシリレン等のコーティング材でコーティングする工程である。コーティングには、シール性の高い弾性材料が好ましく、さらには気層成膜可能なものが可能である。このようなコーティング材には、例えば、パリレンがある。パリレン026(商品名、日本パリレン(株)社製)をマイクロバルブ表面に1〜2μmの厚さにコーティングする。
また、マイクロバルブ表面をエッチングする工程の替わりに、マイクロバルブのダイヤフラムを押し、マイクロバルブを開いた状態で、コーティング工程を行うことで、弁体と弁座がコーティング材によって接着してしまうのを防ぐこともできる。
また、ダイヤフラム表面にTiNiなどの形状記憶合金膜や残留応力を有する薄膜をスパッタリングなどによって成膜したり、ダイヤフラム表面を酸化や窒化など改質したり、ホウ素やリンなどをドーピングすることにより、ダイヤフラムに反りをもたせることができる。これにより、バルブに予圧がかけられ、本バルブが開閉する圧力を変化させることができる。
また、各ウェハのボンディング工程において、ウェハ同士の結晶面をずらすことで、バルブ全体の機械強度を向上させることができる。
実施例2
図3は、本発明のマイクロバルブ製造方法の他の例を示す工程図である。
本発明のマイクロバルブの製造方法において、SOIウェハを基板材料とした場合について説明する。製造方法の第5のステップまでの、第1のシリコンウェハにバルブ軸の一部分及び前記周辺支持部を形成するステップは、実施例1と同様である。
図3(a)に示す第6のステップでは、バルブ軸を作製する工程である。シリコン基板300μm(厚さ300μm)の上にシリコン酸化物層1μm、シリコン層300μmが形成されているSOIウェハ004を用いる。アルミをウェハ004の表面に成膜後、Shipley社、商品名 S1805フォトレジストによってバルブ軸が形成されるように、パターニングする。ICP−RIEによって、バルブ軸となる部分を垂直にエッチングして作製する。
すなわち、上記のSOIウェハ004は、第2のシリコンウェハと、表面にシリコン酸化物層を有する第3のシリコンウェハを前記シリコン酸化物層を介して接合したウェハである。そのウェハの第2のシリコンウェハをエッチングして、第2のシリコンウェハに前記バルブ軸の一部分に接合するための前記バルブ軸の残りの部分と、その周りを囲む第2のシリコンウェハとの間に環状の第二の流路を形成する。
図3(b)に示す第7のステップでは、第5のステップでダイヤフラムを形成したウェハと第7のステップで弁体を形成したウェハをボンディングする工程である。2枚のウェハをアライメントして重ねあわせ、450kPa(約4.5atm)の圧力で10分間保持する。その後、試料を3時間で1100℃に加熱し、4時間保持後、自然冷却によりアニールを行う。
すなわち、第1のシリコンウェハのバルブ軸の一部分及び前記周辺支持部に、上記で形成された第2のシリコンウェハの前記バルブ軸の残りの部分及びその周りを囲む第2のシリコンウェハをそれそれ接合して、前記第一の流路と環状の第二の流路を連通し、第3のシリコンウェハを外側に配置する。
図3(c)に示す第8のステップでは、弁体を形成する工程で、図3(c)に示す第9のステップは、弁体をリリースする工程であり、それぞれ実施例1の第9および第10のステップと同様である。
すなわち、外側に配置された前記第3のシリコンウェハを前記シリコン酸化物層を残してエッチングして、前記環状の第二の流路よりも径が大きい弁体と、その周りを囲む第3のシリコンウェハとの間に第三の流路を形成する工程、および前記シリコン酸化物層をエッチングして、前記第三の流路と前記環状の第二の流路を連通して、前記シリコン酸化物層を介して接合した前記弁体と前記バルブ軸を前記第二および第三の流路から解放し、前記バルブ軸の周りを囲む第2のシリコンウェハの一部分に前記弁体によって開閉する弁座を形成する工程からなるステップである。
さらにマイクロバルブのシール性を向上させるために、マイクロバルブ表面をコーティングするステップを付け加えても良い。また、コーティング工程の前に、コーティング材の密着性を向上させ、また、コーティングに伴い、各部材が厚くなってしまうのを相殺するため、マイクロバルブ表面をエッチングする工程を付け加えても良い。これらの工程は、実施例1の図2(a)の第11のステップ、および図2(b)の第12のステップと同様である。また、マイクロバルブ表面をエッチングする工程の替わりに、マイクロバルブのダイヤフラムを押し、マイクロバルブを開いた状態で、コーティング工程を行うことで、弁体と弁座がコーティング材によって接着してしまうのを防ぐこともできる。
また、ダイヤフラム表面にTiNiなどの形状記憶合金膜や残留応力を有する薄膜をスパッタリングなどによって成膜したり、ダイヤフラム表面を酸化や窒化など改質したり、ホウ素やリンなどをドーピングすることにより、ダイヤフラムに反りをもたせることができる。これにより、バルブに予圧がかけられ、本バルブが開閉する圧力を変化させることができる。
また、各ウェハのボンディング工程において、ウェハ同士の結晶面をずらすことで、バルブ全体の機械強度を向上させることができる。
実施例3
本発明のマイクロバルブの動作について説明する。
図4は本発明の製造方法により作製したマイクロバルブの断面図である。
図5は本発明のマイクロバルブの開閉の動作を示す説明図である。図5(a)は、マイクロバルブのクローズ状態の各部の圧力および断面積を表す説明図、図5(b)はマイクロバルブが開いた状態を表す説明図である。
本発明のマイクロバルブは、気体の導入口031と導出口032を結ぶ流路033と、流路033中に設けられた弁体025と、弁体025とバルブ軸023を介して連結して設けられたダイアフラム024を有し、前記ダイアフラム24は流路033の内部034と外部035とを隔てて配置され、流路033の内部034の圧力と外部035の圧力の差圧によって変形することにより弁体025が変位して開閉する。
即ち、図5(a)のようにダイヤフラム上部の圧力をP0 、バルブ上流の1次圧力をP1 、バルブ下流の圧力をP2 とし、弁体の面積をS1 、ダイヤフラム面積をS2 とする。このとき、圧力の釣り合いから、図5bのようにバルブが開く条件は、(P1 −P2 )S1 <(P0 −P2 )S2 となる。P2 がこの条件の圧力より高いとバルブは閉じ、低いとバルブは開く。これによって、P2 を一定に保つことができる。弁体の面積やダイヤフラムの面積、バルブ軸の長さ、ダイヤフラムの厚さなどを調整することで、バルブが開閉する圧力や流量を最適に設計することができる。
実施例4
図6および図7により、本発明のマイクロバルブを搭載した燃料電池について説明する。
図6は本発明の燃料電池の概観を表す斜視図である。図7は本発明の燃料電池のシステムの概要図である。
燃料電池の外寸法は50mm×30mm×10mmであり、通常コンパクトデジタルカメラで使用されているリチウムイオン電池の大きさとほぼ同じである。このように本発明の燃料電池は小型で一体化されているため、携帯機器に組み込みやすい形状となっている。本発明の燃料電池は、酸化剤として反応に用いる酸素を外気から取り入れるため、上下面、及び側面に外気を取り入れるための通気孔13を有する。また、この通気孔は生成した水を水蒸気として逃がしたり、反応により発生した熱を外に逃がす働きもしている。また、一方の側面には、電気を取り出すための電極12がある。電池内部は、高分子電解質膜112、酸化剤極111、燃料極113からなる燃料電池セル11と、燃料を貯蔵する燃料タンク14、燃料タンクと各セルの燃料極とをつなぎ、燃料の流量を制御するマイクロバルブ15によって構成されている。
燃料タンク14について説明する。タンクの内部には水素を吸蔵することが可能な水素吸蔵合金が充填されている。燃料電池に用いる高分子電解質膜の耐圧が0.3〜0.5MPaであることから、外気との差圧が0.1MPa以内の範囲で用いる必要がある。
水素の解放圧が常温で0.2MPaの特性を持つ水素吸蔵合金として、例えばLaNi5 などを用いる。燃料タンクの容積を燃料電池全体の半分とし、タンク肉厚を1mm、タンク材質をチタンとすると、この時、燃料タンクの重量は50g程度となり、また、燃料タンク体積は5.2cm3 になる。LaNi5 は重量当たり1.1wt%の水素を吸脱着可能なので、燃料タンクに蓄えられている水素量は0.4gであり、発電可能なエネルギーは、約11.3[W・hr]であり、従来のリチウムイオン電池の約4倍である。
一方、水素の解放圧が常温で0.2MPaを超えるような水素吸蔵材料を超える場合には、燃料タンク14と燃料極113との間に減圧のためのマイクロバルブ15を設ける必要がある。尚、LaNi5 の各温度における解離圧は下記の表1に示すようになっている。タンクに蓄えられた水素はマイクロバルブ15で減圧され、燃料極113に供給される。また酸化剤極111には通気孔13から外気が供給される。燃料電池セルで発電された電気は電極12から小型電気機器に供給される。
Figure 0004208777
図8は実施例3のマイクロバルブを燃料電池に搭載した状態を示す概略図である。マイクロバルブの1次側は、燃料タンク14とつながっている。出口流路026は、燃料極113へとつながり、ダイヤフラム024の出口流路と反対面は酸化剤極(外気)と接している。バルブ全体のサイズは1cm角以内であり、弁体の大きさは1mm角以内となっている。このように小さなバルブ機構を実現することにより、小型燃料電池に燃料流量の制御機構を組み込むことが可能になっている。
以下に燃料電池の発電に伴うバルブの開閉動作を説明する。発電停止中はマイクロバルブ15は閉じている。発電が始まると燃料極室の燃料は消費され、燃料極室の燃料の圧力は下がっていく。ダイヤフラム024は、外気圧と燃料極室の圧力との差圧から、燃料極室側にたわみ、ダイヤフラム024にバルブ軸023で直結された弁体025は押し下げられ、バルブは開く。これにより、燃料タンク14から、燃料極室113に燃料が供給される。燃料極室の圧力が回復すると、ダイヤフラム024は上に押し上げられ、弁体025も押し上げられ、マイクロバルブ15は閉じる。
本発明のマイクロバルブは、半導体ウエハを材料とし、半導体加工技術を用いて、バルブを非常に小型化し、小型燃料電池の燃料タンクからの燃料ガスの圧力を一定に保って燃料電池セルに供給することができるので、小型の電気機器に搭載する小型の燃料電池に利用することができる。
本発明のマイクロバルブ製造方法の一例の前半の工程を示す工程図である。 本発明のマイクロバルブ製造方法の一例の後半の工程を示す工程図である。 マイクロバルブの表面改質工程および表面被覆工程の説明図である。 本発明のマイクロバルブ製造方法の他の例を示す工程図である。 本発明の製造方法により作製したマイクロバルブの断面図である。 本発明のマイクロバルブの開閉の動作を示す説明図である。 本発明の燃料電池の概観を表す斜視図である。 本発明の燃料電池のシステムの概要図である。 本発明のマイクロバルブを燃料電池に搭載した状態を示す概略図である。
符号の説明
001 第1のウェハ(第1のシリコンウェハ)
002 第2のウェハ(第2のシリコンウェハ)
003 第3のウェハ(第3のシリコンウェハ)
005 SOIウェハ
011 第1のアルミマスク
012 第2のアルミマスク
013 第3のアルミマスク
014 シリコン酸化物層
015 第4のアルミマスク
021 アライメントマーク
022 支持部
023 バルブ軸
024 ダイヤフラム
025 弁体
026 出口流路(第一の流路)
027 周辺支持部
028 環状流路(環状の第二の流路)
029 弁座
031 気体の導入口
032 気体の導出口
033 流路(第三の流路)
034 内部
035 外部
11 燃料電池セル
111 酸化剤極
112 高分子電解質膜
113 燃料極
12 電極
13 通気孔
14 燃料タンク
15 マイクロバルブ

Claims (8)

  1. 複数のシリコンウェハを用いて、気体の導入口と導出口を結ぶ流路と、前記流路中に設けられた弁体と、前記弁体とバルブ軸を介して連結して設けられたダイアフラムを有する圧力調整用のマイクロバルブを製造する方法であって、
    (1)第1のシリコンウェハに第1のアルミマスクを形成する工程、前記第1のマスクの上に、第2のマスクで覆われていない部分が有るように第2のマスクを形成する工程、前記第1のマスクおよび前記第2のマスクがない部分をエッチングして、ダイヤフラムの形成部分を形成する工程、前記第2のマスク及び前記第1のマスクをエッチングして、バルブ軸の一部分および周辺支持部を形成する部分にマスクを残し、それ以外の部分のマスクを除去する工程、前記マスクを除去した部分をエッチングして、前記ダイアフラムの形成部分を薄くしてダイアフラム、第一の流路バルブ軸の一部分および周辺支持部を形成する工程、前記マスクを除去する工程、
    (2)前記第1のシリコンウェハで形成された前記バルブ軸の一部分及び前記周辺支持部が形成された側の面に第2のシリコンウェハを接合し、前記第2のシリコンウェハをエッチングして前記バルブ軸の一部分の上に前記バルブ軸の残りの部分を接合したバルブ軸と、その周りを囲む第2のシリコンウェハとの間に前記第一の流路と連通する環状の第二の流路を形成する工程、
    (3)前記第2のシリコンウェハで形成された前記バルブ軸と、その周りを囲む第2のシリコンウェハの上に、表面にシリコン酸化物層を有する第3のシリコンウェハを前記シリコン酸化物層を介して接合し、前記第3のシリコンウェハを前記シリコン酸化物層を残してエッチングして、前記環状の第二の流路よりも径が大きい弁体と、その周りを囲む第3のシリコンウェハとの間に第三の流路を形成する工程、
    (4)前記シリコン酸化物層をエッチングして、前記第三の流路と前記環状の第二の流路を連通して、前記シリコン酸化物層を介して接合した前記弁体と前記バルブ軸を前記第二および第三の流路から解放し、前記バルブ軸の周りを囲む第2のシリコンウェハの一部分に前記弁体によって開閉する弁座を形成する工程を順に行うことを特徴とするマイクロバルブの製造方法。
  2. 複数のシリコンウェハを用いて、気体の導入口と導出口を結ぶ流路と、前記流路中に設けられた弁体と、前記弁体とバルブ軸を介して連結して設けられたダイアフラムを有する圧力調整用のマイクロバルブを製造する方法であって、
    (1)第1のシリコンウェハに第1のアルミマスクを形成する工程、前記第1のマスクの上に、第2のマスクで覆われていない部分が有るように第2のマスクを形成する工程、前記第1のマスクおよび前記第2のマスクがない部分をエッチングして、ダイヤフラムの形成部分を形成する工程、前記第2のマスク及び前記第1のマスクをエッチングして、バルブ軸の一部分および周辺支持部を形成する部分にマスクを残し、それ以外の部分のマスクを除去する工程、前記マスクを除去した部分をエッチングして、前記ダイアフラムの形成部分を薄くしてダイアフラム、第一の流路バルブ軸の一部分および周辺支持部を形成する工程、前記マスクを除去する工程を順に行う第1の工程群と、
    (2)第2のシリコンウェハと、表面にシリコン酸化物層を有する第3のシリコンウェハを前記シリコン酸化物層を介して接合したウェハの第2のシリコンウェハをエッチングして、第2のシリコンウェハに前記バルブ軸の一部分に接合するための前記バルブ軸の残りの部分と、その周りを囲む第2のシリコンウェハとの間に環状の第二の流路を形成する工程からなる第2の工程群と、
    (3)前記第1の工程群で形成された前記第1のシリコンウェハの前記バルブ軸の一部分及び前記周辺支持部に、前記第2の工程群で形成された前記第2のシリコンウェハの前記バルブ軸の残りの部分及びその周りを囲む第2のシリコンウェハをそれそれ接合して、前記第一の流路と環状の第二の流路を連通し、第3のシリコンウェハを外側に配置する工程からなる第3の工程群と、
    (4)第3の工程群で外側に配置された前記第3のシリコンウェハを前記シリコン酸化物層を残してエッチングして、前記環状の第二の流路よりも径が大きい弁体と、その周りを囲む第3のシリコンウェハとの間に第三の流路を形成する工程からなる第4の工程群と、
    (5)前記シリコン酸化物層をエッチングして、前記第三の流路と前記環状の第二の流路を連通して、前記シリコン酸化物層を介して接合した前記弁体と前記バルブ軸を前記第二および第三の流路から解放し、前記バルブ軸の周りを囲む第2のシリコンウェハの一部分に前記弁体によって開閉する弁座を形成する工程からなる第5の工程群を順に行うことを特徴とするマイクロバルブの製造方法。
  3. 前記第2のシリコンウェハと第3のシリコンウェハをシリコン酸化物層を間に設けて接合したウェハが、SOIウェハからなることを特徴とする請求項2に記載のマイクロバルブの製造方法。
  4. 前記第1のシリコンウェハに位置あわせのためのアライメントマークをつける工程を含むことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかの項に記載のマイクロバルブの製造方法。
  5. 前記第1のシリコンウェハに第1および第2のマスクを形成する工程は、2枚のアルミマスクを重ねて形成することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかの項に記載のマイクロバルブの製造方法。
  6. 前記第3のシリコンウェハをエッチングしてバルブ軸と連結した弁体を形成する工程の後に、マイクロバルブの表面を改質する表面改質工程を含むことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかの項に記載のマイクロバルブの製造方法。
  7. 前記表面改質工程が、表面にコーティング材を被覆する表面被覆工程、表面をエッチングするエッチング工程、表面に薄膜を成膜する成膜工程、表面を酸化あるいは窒化する工程の少なくとも一つからなることを特徴とする請求項6に記載のマイクロバルブの製造方法。
  8. 前記エッチング工程の後に、表面にコーティングする表面被覆工程を行うことを特徴とする請求項7に記載のマイクロバルブの製造方法。
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