專利名稱：壓力控制閥及其生產(chǎn)方法、具有該閥的燃料電池系統(tǒng)以及壓力控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
0001本發(fā)明涉及一種壓力控制閥、壓力控制閥的生產(chǎn)方法、
具有壓力控制閥的燃料電池系統(tǒng)以及壓力控制方法。
背景技術(shù)：
0002迄今為止，當自壓力容器供給流體時，已設(shè)置減壓閥， 從而減小以固定壓力穩(wěn)定地供給流體的壓力。
0003此外，當壓力容器的壓力減小時，為了防止流體自流路 回流到壓力容器，在許多情況下與減壓閥 一 同設(shè)置止回閥。
0004尤其是，日本特開平第H05-039898號公報公開了減壓 閥和止回閥容納在一個單元中以節(jié)省空間。
0005存在各種類型的減壓閥，且減壓閥主要分成主動驅(qū)動減 壓閥和^皮動驅(qū)動減壓閥。
0006主動驅(qū)動型減壓閥配備有壓力傳感器、閥驅(qū)動單元以及 控制機構(gòu)，且閥,皮驅(qū)動成可將二次壓力減小到失見定壓力。
0007相反，被動驅(qū)動型減壓閥這樣構(gòu)造，以致當壓力到達規(guī) 定壓力時，閥自動地利用壓差打開和關(guān)閉。此外，被動型減壓閥主要 分成導(dǎo)向型和直接驅(qū)動型。導(dǎo)向型具有導(dǎo)閥，其特征在于操作穩(wěn)定。
0008另外，直接驅(qū)動型在高速反應(yīng)上是有利的。此外，當氣 體用作工作流體時，為了可靠地即便通過可壓縮流體的微小力也執(zhí)行
閥的打開/關(guān)閉， 一般將隔膜用作壓差感知機構(gòu)。
0009通常，在直接驅(qū)動隔膜減壓閥中，隔膜、諸如活塞一類 的用于將隔膜的動作傳遞給閥體的傳動機構(gòu)以及閥體，與螺釘?shù)纫惑w 連接。
0010不過，在比如公開在日本特開平第H10-268943號公報 中的配備有安全機構(gòu)的閥中，單獨地設(shè)有隔膜(可動部)和傳動機構(gòu) 以實現(xiàn)安全操作。
0011這是因為，當減壓閥中的二次壓力高于預(yù)定壓力時，隔
膜(可動部)彎到大氣側(cè)且遠離活塞(傳動機構(gòu))，由此通過隔膜(可 動部)內(nèi)設(shè)的端口釋放過多的壓力。
0012為了實現(xiàn)安全機構(gòu)，閥體和傳動機構(gòu)需由一個不同于隔 膜(可動部)的元件支承。
0013通常，這樣實現(xiàn)支承，即，在閥體或其周圍設(shè)置導(dǎo)向件， 還在傳動機構(gòu)的可動軸上、相對于閥體、在傳動機構(gòu)的相對側(cè)i殳置螺
旋彈簧。
0014在日本特開第2005-339321號公報中，活塞設(shè)有充當減 壓閥的一次調(diào)節(jié)閥和二次調(diào)節(jié)閥，該二次調(diào)節(jié)閥通過與 一次調(diào)節(jié)閥反 向的打開/關(guān)閉操作而調(diào)節(jié)壓力，并且相對于一次壓力變化具有與一次 調(diào)節(jié)閥相反的壓力調(diào)節(jié)特性。
0015二次調(diào)節(jié)閥在用于給使用液體燃料的燃料電池供給燃料 時、在不使用時關(guān)閉并充當止回閥。
0016另外，將若千閥體連接且各個閥體位于單獨閥座上的閥 稱作梭動閥。
0017例如，日本特開平第H05-149457號公報公開了一種梭 動閥的具體結(jié)構(gòu)。
0018根據(jù)日本特開平第H05-149457號公報，由于兩個閥體 連接，當一個閥體落座時，另一個閥體打開。
0019作為減壓岡特別減小尺寸的結(jié)構(gòu)實例，正如日本特開第 2004-031199號公報披露的，已提出一種閥，其包括隔膜、閥體以及直 接連接閥體和隔膜的閥軸。
0020作為具有該結(jié)構(gòu)的減壓閥的生產(chǎn)方法，已知一種由 A.Debray等人披露在J.Micromech.Microeng.2005年第15期s202-209 中的方法。該生產(chǎn)方法的特征在于，小的機械元件是通過采用半導(dǎo)體 加工技術(shù)生產(chǎn)的。
0021在半導(dǎo)體加工技術(shù)中，半導(dǎo)體基板用作原材料且通過組 合諸如薄膜沉積、光刻以及蝕刻之類的技術(shù)形成結(jié)構(gòu)。
0022因此，半導(dǎo)體加工技術(shù)的有利之處在于，亞微細級的精 細加工是可行的，還容易地通過成批加工實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。
0023尤其是，因為減壓閥具有復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，采用了垂直 蝕刻半導(dǎo)體基板的反應(yīng)離子蝕刻(ICP-RIE)、將兩個或多個半導(dǎo)體基 板相結(jié)合的結(jié)合技術(shù)等。
0024此外，通過比如二氧化珪或類似物的犧牲層連接閥體和 閥座，且在后半工藝中，通過蝕刻犧牲層而使閥體與閥座脫離。
0025另一方面，小型燃料電池作為安裝在小型電器件中的能 源而引人注目。燃料電池之所以用作小型電氣設(shè)備的驅(qū)動源，是因為 每單位體積或每單位重量提供的能量是傳統(tǒng)鋰離子二次電池的幾乎十 倍。
0026特別是在提供大輸出的燃料電池中，將氫用作燃料為佳。 不過，由于氫在常溫下是氣態(tài)的，需要一種在小燃料箱中貯存高密度 氫的技術(shù)。
0027下述方法被認為是此類氫貯存技術(shù)。
0028第一種方法是在高壓氣體狀態(tài)下壓縮和貯存氫。當箱中 的氣壓定為200atm時，氫的體積密度約為18mg/cm3。
0029第二種方法是將氫冷卻到低溫并將其貯存為液體。該方 法能進行高密度貯存，盡管它存在這樣的缺陷，即，需要較大的能量 液化氫且氫會自然地蒸發(fā)并泄漏。
0030第三種方法是通過采用氫貯存合金來貯存氫。該方法的 問題在于，燃料箱重，因為具有大比重的氫貯存合金僅能吸收約2% 重量的氫，但利于減小尺寸，因為每單位體積的貯存量大。
0031在這樣的聚合物電解質(zhì)燃料電池中，以下列方式發(fā)電。
0032常將全氟磺酸基的陽離子交換樹脂用作聚合物電解質(zhì)膜。 對于此類薄膜，例如DuPont的Nafion是眾所周知的。通過將聚合物 電解質(zhì)膜與一對承載催化劑(比如鉑)的多孔電極即燃料電極和氧化
劑電極相插而形成的薄膜電極組件構(gòu)成發(fā)電電池。
0033通過在此發(fā)電電池中給氧化劑電極提供氧化劑并給燃料 電極提供燃料，質(zhì)子在聚合物電解質(zhì)膜上移動以執(zhí)行發(fā)電。
0034聚合物電解質(zhì)膜一般具有約50-200nm的厚度，以便維 持機械強度并讓燃料氣體不透入其中。
0035這樣的聚合物電解質(zhì)膜具有約3-5kg/cn^的強度。
0036因此，為了防止膜因壓差而破損，優(yōu)選燃料電池中氧化 劑電極室與燃料電極室之間的壓差在常態(tài)下控制在0.5kg/cm2以下， 即便在異常狀態(tài)下也控制在lkg/cn^以下。
0037在燃料箱與氧化劑電極室之間的壓差小于上述壓力的情 況下，燃料箱和燃料電極室彼此可直接連接而不用減小壓力。
0038不過，在氧化劑電極室通向大氣且燃料以較高密度填充 的情況下，需要減小自燃料箱向燃料電極室供給燃料過程中的壓力。
0039此外，上述機構(gòu)需要致動/中止發(fā)電，以便穩(wěn)定產(chǎn)生的電 力。日本特開第2004-031199號公報披露了一種在燃料箱與燃料電池 單元之間提供小閥的技術(shù)，由此防止燃料電池單元因大壓差而破損， 還控制了發(fā)電的致動/中止，以及穩(wěn)定地維持所產(chǎn)生的電力。尤其是， 隔膜設(shè)置在燃料供給路徑與氧化劑供給路徑之間的邊界處，并且直接 與閥相連以通過燃料供給路徑與氧化劑供給路徑之間的壓差而不采用 電力驅(qū)動閥，由此實現(xiàn)較佳地控制供給到燃料電池單元上的燃料壓力 的減壓閥。
0040另外，在小型燃料電池中，經(jīng)常采用這樣一種系統(tǒng)(閉 端系統(tǒng))，其中的燃料不循環(huán)且量等于消耗燃料量的燃料在關(guān)閉出口的 狀態(tài)下自燃料箱供給。不過，該系統(tǒng)的問題在于，摻雜氣體比如氮氣 和水蒸汽通過電解質(zhì)膜并積聚在燃料流路中，這樣發(fā)電特性隨著時間 的消耗有所劣化。
0041因此，在閉端系統(tǒng)的燃料電池中，經(jīng)常放氣以便排放積 聚的摻雜氣體。
0042另一方面，當剩余燃料量小或燃料箱冷卻時，燃料箱中
的壓力減小。當更換燃料箱或在這樣的狀態(tài)下進行上述放氣時，外部 空氣因燃料箱中減小的壓力而回流到燃料箱中。
0043當燃料箱裝有氫貯存合金時，合金表面氧化或沾污，這 會減少氫貯存量。
0044因此，日本特開第2002-158020號公報提出了在燃料電 池系統(tǒng)中、在燃料箱與減壓閥之間和減壓閥與燃料電池之間設(shè)置止回 閥。
0045不過，在上述日本特開平第H05-039898號公才艮披露的 單獨設(shè)置減壓閥和止回閥的結(jié)構(gòu)中，難于實現(xiàn)尺寸減小，且生產(chǎn)成本 也高。
0046此外，正如上述日本特開平第H10-268943號^^艮披露 的，配備有安全機構(gòu)的減壓閥可采用隔膜(可動部)和活塞(傳動機 構(gòu))可單獨設(shè)置的結(jié)構(gòu)。
0047不過，關(guān)閉閥的彈簧設(shè)在閥體活塞(傳動機構(gòu))側(cè)的相 對側(cè)、活塞(傳動機構(gòu))軸延長部上。
0048因此，構(gòu)成減壓閥的部件數(shù)量增加，這使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
0049此外，在這樣的結(jié)構(gòu)中，為了防止閥體出現(xiàn)位置偏差， 除了設(shè)置彈簧外，還需在閥體、活塞(傳動機構(gòu))或類似物上提供導(dǎo) 向件。
0050不過，在小型減壓閥中，生產(chǎn)小型軸承相當難。因此， 存在導(dǎo)向部的摩擦大從而難于驅(qū)動閥的問題。
0051此外，比如螺旋形彈簧、長活塞軸等部件具有難于利用 半導(dǎo)體加工技術(shù)或緊湊設(shè)計和大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)(比如蝕刻或加壓)而
生產(chǎn)的形狀。
0052換句話說，那些部件的結(jié)構(gòu)并不適用于實現(xiàn)緊湊的結(jié)構(gòu)。0053此外，正如上述日本特開第2005-339321號公報中公開
止回閥。
0054不過，此類閥是雙閥類型的壓力調(diào)節(jié)器，且一次調(diào)節(jié)閥
一體設(shè)置在與二次調(diào)節(jié)閥互鎖的軸上，于是就存在當二次壓力因泄漏 等原因增大時應(yīng)力會施加到軸上由此造成閥破損的擔(dān)心。
0055這樣的結(jié)構(gòu)不僅存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，還存在難于滿足 當前小型燃料電池系統(tǒng)的尺寸進一步減小的需求的問題。此外，作為 上述日本特開平第H05-149457號公報中披露的梭動閥，具有若干閥 體彼此連接的結(jié)構(gòu)的元件難于實現(xiàn)尺寸的減小。
0056此外，在上述日本特開第2004-031199號公報披露的減 壓閥(其釆用傳統(tǒng)半導(dǎo)體加工技術(shù)生產(chǎn))中，隔膜(可動部)、活塞(傳 動機構(gòu))以及閥體是通過結(jié)合而一體形成為閥結(jié)構(gòu)的。
0057因此，當減壓閥中的二次壓力過度增加時，大的應(yīng)力作 用到活塞(傳動機構(gòu))和閥體上，這會導(dǎo)致閥受損。
0058尤其是，因為需要大的結(jié)合強度，就存在缺陷單元的產(chǎn) 生率因結(jié)合強度差而增加的擔(dān)心。
0059此外，當存在結(jié)合若干半導(dǎo)體基板且隨后釋放犧牲層的 步驟時，可利用彈性材料等涂敷，以便提高閥體或閥座表面的密封性。
0060不過，生產(chǎn)過程復(fù)雜，此外難于提供厚度足夠大的密封層。
0061另外，在配備有傳統(tǒng)小型減壓閥的小型燃料電池中，閥 部分的密封不足，因此存在燃料電池因滲漏而受破壞的擔(dān)心。
0062并且，日本特開第2002-158020號公報披露了在燃料箱 與減壓閥之間和減壓閥與燃料電池之間配備有止回閥的裝置。
0063不過，日本特開第2002-158020號公報并沒有4皮露其任 何具體結(jié)構(gòu)，迄今為止尚沒有具有既充當止回閥又充當減壓閥的閥的 小型燃料電池。
0064此外，還存在一種擔(dān)心，即，因為小型減壓閥昂貴，燃 料電池的生產(chǎn)成本會增大。

發(fā)明內(nèi)容
0065考慮到上述問題，本發(fā)明提供了一種壓力控制閥，其具 有優(yōu)良的密封性和耐久性，既充當止回閥又充當減壓閥，實現(xiàn)了尺寸
減小，還提供了一種壓力控制閥的生產(chǎn)方法、配備有壓力控制閥的燃 料電池系統(tǒng)、以及壓力控制方法。
0066本發(fā)明提供了具有下述具體特征的壓力控制閥、壓力控 制閥的生產(chǎn)方法、配備有壓力控制閥的燃料電池系統(tǒng)以及壓力控制方 法。
0067本發(fā)明壓力控制閥的特征在于，包括通過壓差操作的可 動部；將一次壓力減至二次壓力的第一岡；第二閥，當?shù)谝婚y操作以 打開入口流路而引導(dǎo)具有一次壓力的流體時，該第二閥操作以阻擋入 口流路與排放二次壓力的出口流路之間的流路；以及傳動機構(gòu)，其將 可動部的操作與第一閥和第二閥的操作連接起來，其中，可動部和第 一閥中的任一個與傳動機構(gòu)分離。
0068此外，本發(fā)明壓力控制閥的特征在于，第一閥包括第一 閥座、第一閥體以及支承部，支承部支承第一閥體，于是根據(jù)傳動機 構(gòu)傳遞的可動部的動作產(chǎn)生或封閉第一閥體與第一閥座之間的間隙。
0069并且，本發(fā)明壓力控制閥的特征在于，支承第一閥體的 支承部包括一彈性體，以支承設(shè)于平面上的第一閥體，該平面垂直于 傳動機構(gòu)動作的方向并包括第一閥體。
0070另外，本發(fā)明壓力控制閥的特征在于，第二閥位于流路 中第一閥的上游。
0071并且，本發(fā)明壓力控制閥的特征在于，第二閥是通過在 流路中第一閥的上游設(shè)置第二閥座而構(gòu)成的。
0072此外，本發(fā)明壓力控制閥的特征在于，可動部是隔膜。
0073并且，本發(fā)明壓力控制閥的特征在于，壓力控制閥是通 過堆疊各自由片狀元件或板狀元件形成的第一閥、第二閥、可動部以 及傳動才幾構(gòu)而構(gòu)成的。
0074本發(fā)明壓力控制閥的生產(chǎn)方法是這樣一種壓力控制閥的 生產(chǎn)方法，壓力控制閥包括通過壓差操作的可動部；將一次壓力減至 二次壓力的第一閥；第二閥，當?shù)谝婚y操作以打開入口流路而引導(dǎo)具 有 一 次壓力的流體時，該第二閥操作以阻擋入口流路與排放二次壓力的出口流路之間的流路；以及傳動機構(gòu)，其將可動部的操作與第一閥 和第二閥的操作連接起來，其中，可動部和第一閥中的任一個與傳動 機構(gòu)分離，該方法包括采用片狀元件和板狀元件中的一個形成可動 部；采用片狀元件和板狀元件中的一個形成傳動機構(gòu)；采用片狀元件 或板狀元件形成第一閥和第二閥；以及將上述形成的部件彼此堆疊以 組裝壓力控制閥。
0075此外，本發(fā)明壓力控制閥的生產(chǎn)方法的特征在于，在片 狀元件或板狀元件的至少一部分中采用半導(dǎo)體基板。
0076另外，本發(fā)明壓力控制閥的生產(chǎn)方法的特征在于，選自 蝕刻和加壓的至少一個結(jié)構(gòu)形成過程和選自結(jié)合和粘合的至少一個組
裝過程用于可動部形成、傳動機構(gòu)形成、第一閥和第二閥形成以及組 裝。
0077本發(fā)明燃料電池系統(tǒng)的特征在于，包括燃料容器；燃料 電池發(fā)電部；設(shè)于其間的燃料流路，以自燃料容器給燃料電池發(fā)電部 供給燃料；以及設(shè)于燃料流路中的壓力控制機構(gòu)，其中，上述壓力控 制閥和由上述方法生產(chǎn)的壓力控制閥中的一個安裝為壓力控制機構(gòu)。
0078本發(fā)明提供了一種在上述燃料電池系統(tǒng)中控制壓力控制 閥的壓力的方法，包括根據(jù)燃料容器的規(guī)定壓力調(diào)節(jié)第二閥的工作壓 力。
0079此外，本發(fā)明壓力控制方法的特征在于，這樣進行控制， 當一次壓力是燃料容器正常操作狀態(tài)下的壓力時，二次壓力高于外部 空氣壓力。
0080本發(fā)明壓力控制方法的特征在于，這樣進行控制，在一 次壓力大于預(yù)定壓力的情況下，當二次壓力等于外部空氣壓力時，第 二閥處于打開狀態(tài)，而在一次壓力小于預(yù)定壓力的情況下，當二次壓 力等于外部空氣壓力時，第二閥處于關(guān)閉狀態(tài)。
0081本發(fā)明可提供具有密封性和耐久性、既充當止回閥又充 當減壓閥以及實現(xiàn)緊湊結(jié)構(gòu)的壓力控制閥；提供了生產(chǎn)該壓力控制閥 的方法；具有該壓力控制閥的燃料電池系統(tǒng)；以及壓力控制方法。
0082本發(fā)明的其它特征將自下列參照附圖的示范性實例的說 明中變得顯而易見。


0083圖1是示出本發(fā)明實例1中、小型減壓閥的結(jié)構(gòu)實例的 剖視0084圖2A和2B是示出了本發(fā)明實例1中、小型減壓閥的結(jié) 構(gòu)實例的支承部形式的視圖，圖2A是示出了支承部第一形式的平面 圖，而圖2B是示出了支承部第二形式的平面0085圖3A、 3B和3C是示出了本發(fā)明實例1中、小型減壓 閥操作的視圖，圖3A是第一閥關(guān)閉狀態(tài)下的剖視圖；圖3B是第一閥 打開狀態(tài)下的剖視圖；圖3C是第二閥關(guān)閉狀態(tài)下的剖視0086圖4是示出了本發(fā)明實例1中、小型減壓閥的一次壓力 和二次壓力之間關(guān)系的圖表；
0087圖5是示出了本發(fā)明實例1中、小型減壓閥的結(jié)構(gòu)實例 的傳動機構(gòu)的另一形式的剖視0088圖6A和6B是示出了本發(fā)明實例1中結(jié)構(gòu)實例的小型減 壓閥應(yīng)用實例的剖視0089圖7是示出了本發(fā)明實例1中、小型減壓閥的結(jié)構(gòu)實例 的分解透視0090圖8A、 8B、 8C和8D是示出了本發(fā)明實例1中、小型 減壓閥的結(jié)構(gòu)實例的各個單元的視圖，圖8A是示出了本發(fā)明實例1 中、小型減壓閥的結(jié)構(gòu)實例中具有活塞的單元的平面圖；圖8B是示 出了本發(fā)明實例l中、小型減壓閥的結(jié)構(gòu)實例中、隔膜下表面的下方 具有流路的單元的平面圖；圖8C是示出了本發(fā)明實例1中、小型減 壓閥的結(jié)構(gòu)實例中具有閥座的單元的平面圖；圖8D是示出了本發(fā)明 實例1中、小型減壓閥的結(jié)構(gòu)實例中具有閥體的單元的平面0091圖9A、 9B、 9C、 9D、 9E、 9F、 9G、 9H、 91、 9J、 9K、 9L、 9M和9N是示出了本發(fā)明實例1中、小型減壓閥的生產(chǎn)流程的步 驟的剖視0092圖IO是示出了本發(fā)明實例2中、小型減壓閥的結(jié)構(gòu)實例 的剖視0093圖11是示出了本發(fā)明實例2中、小型減壓閥的墊片和第 二閥座結(jié)構(gòu)的剖視0094圖12A、 12B和12C是示出了本發(fā)明實例2中、小型減 壓閥操作的視圖，圖12A是第一閥關(guān)閉狀態(tài)下的剖視圖；圖12B是第 一閥打開狀態(tài)下的剖視圖；圖12C是第二閥關(guān)閉狀態(tài)下的剖視0095圖13是示出了本發(fā)明實例2中、小型減壓閥的結(jié)構(gòu)實例 的傳動機構(gòu)另一形式的剖視0096圖14是示出了本發(fā)明實例2中、小型減壓閥的結(jié)構(gòu)實例 的分解透視0097圖15A、 15B、 15C和15D是示出了本發(fā)明實例2中、 小型減壓閥的結(jié)構(gòu)實例的各個單元的視圖，圖15A是示出了本發(fā)明實 例2中、小型減壓閥的結(jié)構(gòu)實例中具有活塞的單元的平面圖；圖15B 是示出了本發(fā)明實例2中、小型減壓閥的結(jié)構(gòu)實例中、隔膜下表面的 下方具有流路的單元的平面圖；圖15C是示出了本發(fā)明實例2中、小 型減壓閥的結(jié)構(gòu)實例中具有閥座的單元的平面圖；圖15D是示出了本 發(fā)明實例2中、小型減壓閥的結(jié)構(gòu)實例中具有閥體的單元的平面0098圖16A、 16B、 16C、 16D、 16E、 16F、 16G 、 16H、 161、 16J、 16K、 16L、 16M、 16N、 160、 16P和16Q是示出了本發(fā)明實例 2中、小型減壓閥的第一生產(chǎn)方法的生產(chǎn)流程的步驟的剖視0099圖17A、 17B、 17C、 17D、 17E、 17F、 17G、 17H、 171、 17J和17K是示出了本發(fā)明實例2中、小型減壓閥的第二生產(chǎn)方法的 生產(chǎn)流程的步驟的剖視0100圖18是示出了本發(fā)明實例3中燃料電池的透視0101圖19是示出了本發(fā)明實例3中燃料電池系統(tǒng)的示意0102圖20是示出了本發(fā)明實例3中、燃料電池系統(tǒng)中的小型 減壓閥的位置關(guān)系的剖視示意0103圖21A、 21B和21C是示出了本發(fā)明實例3中燃料電池
放氣的視0104圖22是示出了本發(fā)明實例3中燃料電池工作壓力設(shè)置的
視0105圖23是本發(fā)明實例3中、燃料電池系統(tǒng)中氫貯存合金 (LaNi5)的離解壓力表。
具體實施例方式
0106現(xiàn)將依據(jù)下列實例描述執(zhí)行本發(fā)明的最佳模式。 [實例1
0107在實例1中，將描述應(yīng)用了本發(fā)明的小型減壓閥的第一 結(jié)構(gòu)實例。
0108圖1是示出了本發(fā)明該實例中、小型減壓閥的結(jié)構(gòu)實例 的剖視圖。
0109在圖1中，參考標號1、 2、 3、 4、 5、 8、 10、 11和12
分別表示隔膜、活塞、第一閥座、第一閥體、支承部、出口流路、第
二閥座、第二閥體以及入口流路。
0110本實例的減壓閥包括充當可動部的隔膜1;作為傳動機
構(gòu)的活塞2;形成第一閥的第一閥座3、第一閥體4以及支承部5;形
成第二閥的第二閥座IO和第二閥體11、入口流路12以及出口流路8。0111尤其是，第一閥體4的周圍是由支承部5支承的。0112支承部5由具有彈性的梁形成，其可采取如圖2A和2B
所示的結(jié)構(gòu)。
0113當使用第一閥座3從其周圍突出的結(jié)構(gòu)時，施加在閥打 開/關(guān)閉部上的壓力增加，以在閥關(guān)閉的同時彎曲支承部的彈簧，由此 改善閥的密封性。
0114而且，可以通過在閥體和閥座中至少一個的表面上涂敷 閥密封材料來改善閥的密封性。
0115下面，將參照圖1、 3A、 3B和3C來描述減壓閥的操作。
0116隔膜(可動部)l上方位置的壓力定義為PG，閥上游的 一次壓力定義為Pn閥下游的壓力定義為P2，第一閥體4的打開面積
定義為Sj，第二閥座10的打開面積定義為S2,隔膜(可動部)1的面 積定義為S。。彈簧常數(shù)定義為k,位移量定義為x。這時，第一閥體4 打開的條件通過下面基于壓力平衡的方程式來表示
<formula>formula see original document page 15</formula>
0117另一方面，第二閥體11打開的條件通過下面的方程式來
表示
<formula>formula see original document page 15</formula>0118當各個壓力分別被定義為Pn和P22時，建立下面的方程
式
<formula>formula see original document page 15</formula>
0119順便說一下，Xi和X2分別表示當每個閥關(guān)閉時隔膜1的 位移。因此，由于壓力P2的改變而引起的閥的操作在圖3A至3C中 示出。
0120更具體地說，在P,Pu的情況下，第一閥關(guān)閉(圖3A)，
在P2^P^P^的情況下，閥打開(圖3B)，在P^P22的情況下，第二
閥關(guān)閉(圖3C)。當壓力P!改變時，壓力P^和Pn也改變。圖4是
當壓力P!改變時壓力Pu和P22也發(fā)生變化的圖表。
0121可以看出，當壓力P,增加時，壓力P^和P22都減少。 當壓力P,足夠大時，受控制的二次壓力P2在P^的線上。不過，當壓 力P，減小時，壓力Pi和P2相等。當壓力P!進一步減小時，P2與線 Pu相交，第二閥關(guān)閉。因此，壓力P2的變化由圖中實線表示。
0122通過調(diào)節(jié)第一閥體4的面積、隔膜(可動部)1的面積、 活塞(傳動機構(gòu))2的長度、隔膜(可動部)1的厚度以及支承部5 梁的形狀，可以將閥打開/關(guān)閉的壓力和流量調(diào)至最佳。
0123尤其是，當隔膜(可動部)1的彈簧常數(shù)大于支承部5
的彈簧常數(shù)時，閥打開的壓力由隔膜(可動部)l來決定。
0124相反，當支承部5的彈簧常數(shù)大于隔膜(可動部)1的 彈簧常數(shù)時，閥的行為由支承部5來決定。
0125閥的密封性和閥操作時的壓力隨第一閥體4的突起的高 度而變。
0126壓力P22可以通過優(yōu)化確定活塞(傳動機構(gòu))2自第二閥 體11到第一閥體4的長度來調(diào)節(jié)。
0127另一方面，當閥下游的壓力P2大于規(guī)定壓力時，隔膜(可 動部)1向上彎曲而關(guān)閉閥。
0128這時，因為活塞(傳動機構(gòu))2沒有結(jié)合在第一閥體4 上，當?shù)谝婚y體4接觸到第一閥座3時，第一閥體4便停止。這樣， 只有活塞(傳動機構(gòu))2與隔膜(可動部)l一起移動。
0129這樣一來就可以防止閥因壓力增加而受到損壞。
0130而且，如圖5所示，減壓閥可以以這樣的方式構(gòu)造，即， 活塞2與第一閥體4連成整體，并與隔膜l分開。
0131同樣，在這種情況下，操作原理與圖1中所示結(jié)構(gòu)的相同。
0132此外，如圖6A所示，閥的打開/關(guān)閉狀態(tài)可這樣確認， 即，在閥座和閥體上設(shè)置電極并設(shè)置檢測兩電極之間接觸狀態(tài)的檢測 電路。
0133而且，如圖6B所示，閥的打開也可這樣確i人，即，在 電極表面上設(shè)置絕緣層并設(shè)置檢測兩電極之間存儲的電量的檢測電 路。
0134本實例中的減壓閥可例如使用如下的機械加工技術(shù)生產(chǎn)。0135圖7是從第一閥體4側(cè)觀看減壓閥時的分解透視圖。0136如透視圖所示，減壓閥是由片狀元件或板狀元件堆疊而成的。
0137每個元件的尺寸是8mmx8mm。
0138隔膜(可動部)1可以用比如氟橡膠和硅橡膠的彈性材 料、比如不銹鋼(sus)、鋁的金屬材料、塑料等制成。
0139例如，當不銹鋼用作隔膜1的材料時，活塞可以通過蝕 刻、切割等方法與隔膜l一體成型。
0140在本實例中，隔膜1采用一種熱熔性片材(由NITTO SHINKO公司制造)，該熱熔性片材在50nm厚的PET基材上具有 25jun厚的帶有氣密性的粘合層。
0141活塞部是由不銹鋼體蝕刻而成的，其中的隔膜支承部14、 第二閥體11和活塞2—體成型，如圖8A的平面圖所示。
0142隔膜支承部14的厚度是50jim,活塞2的高度是250jim。 熱熔性片材和不銹鋼元件以它們互相重疊的狀態(tài)被加熱到約140。C ， 并保持幾秒鐘，由此在其間粘連。
0143隔膜(可動部)l下方的空間和活塞(傳動機構(gòu))2通過 的流路可通過不銹鋼體的機械加工或蝕刻形成。
0144比如切割和蝕刻的機械加工可以付諸實施。
0145在本實例中， 一種熱熔性片材(由NITTO SHINKO公 司制造)可用于形成隔膜(可動部)1下方的空間，該熱熔性片材在 50pm厚的PET基材兩側(cè)具有25jim厚的帶有氣密性的粘合層。圖8B 的平面圖示出了這一點。
0146活塞(傳動機構(gòu))2通過的流路可通過不銹鋼體的機械 加工或蝕刻來形成。這在圖8C的平面圖中示出。
0147250nm厚的不銹鋼板被蝕刻，第一閥座3的突出高度被 設(shè)置成100fim。在第二閥座10上不一定非要形成突起。通過背側(cè)蝕 刻將突出高度設(shè)為10jim。
0148密封材料在閥座或閥體上的涂敷可通過聚對二甲苯或特 氟隆(商標名稱)等的蒸鍍來實現(xiàn)，或者通過施加、旋涂或噴射硅橡 膠、聚酰亞胺、特氟隆(商標名稱)等來實現(xiàn)。
0149在本實例中，珪橡膠通過旋涂(3000RPMx30秒)被施 加在圖8C中帶有閥座的元件兩側(cè)的表面，從而可以得到大約40fim 厚的均勻密封層。
0150用于形成可動部1下方空間的熱熔性片材和具有活塞(傳 動機構(gòu))2通過的流路的不銹鋼(SUS)元件在重疊狀態(tài)下被加熱到 大約14(TC，并保持幾秒鐘，直到它們互相粘連在一起。
0151具有支承部5和第一閥體的元件可通過不銹鋼體的機械 加工或蝕刻來生產(chǎn)。圖8D是該元件的平面圖。
0152該元件可以通過蝕刻200jim厚的SUS元件而得到。支 承部5的厚度為50jim。
0153在該減壓閥的生產(chǎn)方法中，經(jīng)常進行不銹鋼的兩級蝕刻。 通過在正面和背面形成不同的掩模并從兩側(cè)蝕刻，得以精確而容易地 進行兩級蝕刻。
0154在上述生產(chǎn)的減壓閥中，當大氣壓大約是latm時，在 一次壓力等于或大于latm的情況下，二次壓力大約是0.8atm (絕對 壓力)。
0155而且，上述生產(chǎn)的減壓閥具有O.lsccm或更小的泄漏特 性，甚至當二次壓力為2.5atm (絕對壓力)時，該減壓閥也不會受到 損壞。此外，當一次壓力減少時，第二閥關(guān)閉。
0156在本實例中，熱熔性片材用于粘合。
0157這種方法在厚度或定位方面的控制表現(xiàn)優(yōu)良。除了這種 方法外，施加別的粘合劑的方法或者利用金屬擴散結(jié)合的方法也是很 有效的。
0158而且，因為每個元件都采用片材形式，蝕刻和加壓適用 于金屬元件的加工，加壓和注射成型適用于樹脂元件的加工。
0159此外，在下面描述的實例中提到的利用半導(dǎo)體加工技術(shù) 制成的元件也可以用于本實例中描述的部分或所有元件。
0160接著，將描述使用半導(dǎo)體加工技術(shù)來生產(chǎn)本實例中減壓 閥的方法。
0161本實例中生產(chǎn)的減壓閥具有這樣的結(jié)構(gòu)，即，傳動機構(gòu) (活塞)2與隔膜(可動部)1 一體成型，如圖1所示，并與第一閥體 4分開。
0162本實例中生產(chǎn)的小型減壓閥的每個部分的尺寸可設(shè)置如
下，但可根據(jù)設(shè)計而變。
0163隔膜(可動部)可調(diào)節(jié)為3.6mm的直徑和40jim的厚度。0164活塞(傳動機構(gòu))可調(diào)節(jié)為260jtm的直徑和200至400nm
的長度。
0165活塞通過流路可調(diào)節(jié)為400nm的直徑。0166突起可調(diào)節(jié)為寬20jim且高10nm,密封層可調(diào)節(jié)為5nm
的厚度，閥體可調(diào)節(jié)為lOOOjim的直徑和200nm的厚度。
0167支承部可調(diào)節(jié)為lOOOfim的長度、200nm的寬度和10nm
的厚度。
0168接下來，將描述本實例中生產(chǎn)小型減壓閥的具體方法。0169圖9A至9N示出了本發(fā)明實例中小型減壓閥的生產(chǎn)工藝 的步驟。
0170圖9A所示的第一步驟是用于蝕刻的掩模圖案形成步驟。
0171
一面拋光的硅晶片也可用于第一硅晶片101。然而，理 想的是，使用兩面都拋光的硅晶片。
0172而且，在下述蝕刻步驟中，為了控制蝕刻深度，理想的 是，使用硅絕緣體(SOI)晶片。
0173此外，為了改善第二閥體119與閥座接觸部分的平面度， 優(yōu)選使用具有兩層氧化層的雙層SOI晶片。
0174對于硅晶片，可以使用具有500jim厚的操作層、ljim厚 的氧化層(BOX層)和40nm厚的器件層的硅晶片。
0175為用作蝕刻掩模，第一硅晶片101的正面是加熱氧化過的。
0176第一硅晶片置于熔爐中，氫氣和氧氣以預(yù)定的流量流入 加熱到大約1000。C的熔爐中，從而在硅晶片表面形成氧化層。
0177接著，為了在這一步和下一步中執(zhí)行兩級蝕刻，生成具 有氧化硅層和光致抗蝕層兩層結(jié)構(gòu)的掩模。
0178首先，硅晶片的正面受到光致抗蝕劑的保護。0179然后，光致抗蝕劑被旋涂在硅晶片背面、預(yù)烘干并膝光。 然后，實行在隔膜(可動部)下表面的下方形成流路的圖案形成。
0180而且，顯影并后烘干。以光致抗蝕劑作為掩模、用氫氟 酸去除氧化層。此外，在用于形成第二閥體119的掩模上形成圖案。
0181具體而言，光致抗蝕劑經(jīng)過旋涂、預(yù)烘干、爆光、顯影 和后烘干的工序。
0182在本實例中，光致抗蝕劑和氧化硅層用作兩層掩模。然 而，這一過程可以通過使用不同厚度的氧化硅層或者使用鋁層進行。
0183圖9B中示出的第二步驟是使用反應(yīng)離子蝕刻(ICP-RTE ) 形成傳動機構(gòu)的支承部的步驟。
0184蝕刻深度通過調(diào)節(jié)蝕刻的時間來控制，大約蝕刻190nm 的深度。
0185最后，用丙酮將光致抗蝕掩模去除。
0186這時，當使用雙層SOI晶片時，氧化層可用作蝕刻停止層。
0187圖9C中示出的第三步驟是生產(chǎn)隔膜(可動部)111和傳 動機構(gòu)115的步驟。
0188晶片通過反應(yīng)離子蝕刻方法(ICP-RIE)來蝕刻。
0189蝕刻深度可以通過調(diào)節(jié)蝕刻時間來控制，或者SOI晶片 的氧化層(BOX層)可用作蝕刻停止層，如圖所示。
0190用于掩模的氧化硅層被氫氟酸去除。
0191如上所述，在本實例中，使用兩層掩模的兩級蝕刻是為 了在傳動機構(gòu)和隔膜(可動部)之間形成支承部而進行的。然而，依
據(jù)所需彈簧常數(shù)的情況，支承部不是必需的。在這種情況下，單層掩
模足夠作為在本實例中使用的掩模，第二步不是必需的。
0192圖9D中示出的第四步驟是涂敷密封面的步驟。
0193如圖9D所示，涂敷可以在閥體側(cè)或閥座側(cè)進行。涂敷
材料的實例包括聚對二甲苯、CYTOP、聚四氟乙烯(PTFE)和聚酰
亞胺等。
0194聚對二甲苯和PTFE可以通過蒸鍍的方式來涂敷，而 CYTOP和聚酰亞胺可以通過旋涂的方式來涂敷。另外，也可使用噴 涂的方式。
0195圖9E中所示的第五步驟是用于蝕刻的掩模圖案形成步
0196理想的是，將兩側(cè)都拋光的硅晶片用于第二硅晶片102。 而且，在下面所述的蝕刻步驟中，為了控制蝕刻深度，理想的是，使 用硅絕緣體(SOI)晶片。
0197此外，為了改善第二閥體與閥座接觸部分的平面度，優(yōu) 選使用帶兩層氧化層的雙層SOI晶片。
0198對于硅晶片而言，通過翻轉(zhuǎn)硅晶片使得操作層位于圖的 頂部，可使用具有500nm厚的操作層、ljim厚的氧化層(BOX層) 以及40nm厚的器件層的硅晶片。
0199為用作蝕刻掩模，第二硅晶片102的正面被熱氧化。
0200第二硅晶片置于熔爐中，氫氣和氧氣以預(yù)定的流量流入 加熱到大約1000。C的熔爐中，因此在硅晶片表面形成氧化層。
0201緊接著，為了執(zhí)行這一步驟和隨后的步驟中的兩級蝕刻，
生成了帶有氧化硅層和光致抗蝕層的兩層結(jié)構(gòu)的掩模。0202首先，硅晶片的背面由光致抗蝕劑來保護。0203然后，光致抗蝕劑被旋涂、預(yù)烘干和膝光。然后，實行
在隔膜(可動部)下表面的下方形成流路的圖案形成。
0204此外，執(zhí)行顯影和后烘干。使用光致抗蝕劑作為掩模，
用氫氟酸對氧化層進行蝕刻。而且，形成用于傳動機構(gòu)115的掩模的圖案。
0205具體而言，光致抗蝕劑被旋涂、預(yù)烘干、膝光、顯影和 后烘干。
0206在本實例中，光致抗蝕劑和氧化硅層被用作兩層掩模。 然而，這一過程可通過使用不同厚度的氧化硅層來實現(xiàn)，或者使用鋁 層來實現(xiàn)。
0207圖9F中所示的第六步驟是通過反應(yīng)離子蝕刻(ICP-RIE) 形成傳動機構(gòu)的支承部的步驟。蝕刻的深度通過調(diào)節(jié)蝕刻時間來控制， 蝕刻大約200ftm的深度。最后，用丙酮將光致抗蝕劑掩模去除。這時， 當使用雙層SOI晶片時，氧化層可以用作蝕刻停止層。
0208關(guān)閉第二閥體119的二次壓力基于該第六步中的蝕刻深 度和第二步中的蝕刻深度之間的相互關(guān)系來確定。
0209圖9G所示的第七步驟是在隔膜(可動部)下表面的下 方形成流路的步驟。
0210晶片通過反應(yīng)離子蝕刻(ICP-RIE)來蝕刻。蝕刻深度 可以通過調(diào)節(jié)蝕刻時間來控制，或者可以用SOI晶片的氧化層(BOX 層)來作為蝕刻停止層。
0211關(guān)閉第二閥119的二次壓力基于第六步和第二步中的蝕 刻深度之間的相互關(guān)系來確定。
0212圖9G中所示的第七步驟是形成閥座112的步驟。
0213光致抗蝕劑被旋涂在晶片的背面、預(yù)烘干和膝光。氧化 硅層被氫氟酸蝕刻并形成圖案。
0214蝕刻是用反應(yīng)離子蝕刻(ICP-RIE)實行的，因此形成 閥座112。當SOI晶片用于第一硅晶片101時，中間氧化層可用作蝕 刻停止層；閥座的突起的高度可精確調(diào)節(jié)；蝕刻后的正面可以保持平 坦。蝕刻之后，掩模用氫氟酸去除。
0215圖9H中所示的第八步驟是使用第三硅晶片103蝕刻的 掩模圖案形成步驟。
0216
一側(cè)拋光的硅晶片可用于第三硅晶片103。然而理想的 是，使用兩側(cè)都拋光的硅晶片。
0217而且，在下述蝕刻步驟中，為了控制蝕刻深度，理想的 是，使用硅絕緣體(SOI)晶片。
0218對于硅晶片來說，可以使用具有200fim厚的操作層、lnm 厚的氧化層(BOX層)和l(Him厚的器件層的硅晶片。
0219為用作蝕刻掩模，第三硅晶片103的表面被熱氧化。第三硅晶片被放置在熔爐中，氬氣和氧氣以預(yù)定的流量流入被加熱到大
約1000。C的熔爐中，因此在硅晶片表面形成氧化層。
0220接著，用光致抗蝕劑來保護硅晶片的正面，隨后，實行 在背面上形成閥體的圖案形成。之后，旋涂、預(yù)烘干和曝光光致抗蝕 劑。
0221而且，進行顯影和后烘干。以光致抗蝕劑作為掩模、通 過氫氟酸來蝕刻氧化層。
0222正面和背面上的光致抗蝕劑用丙酮去除。在這一步驟中， 除了氧化硅外，光致抗蝕劑或鋁可以用作掩模。
0223圖9I示出的第九步驟是生成用于形成支承部114的掩模 的步驟。
0224硅晶片的背面用光致抗蝕劑來保護，隨后，實行在硅晶
片的正面形成支承部的圖案形成。光致抗蝕劑被旋涂、預(yù)烘干和啄光。0225此外，進行顯影和后烘干。以光致抗蝕劑作為掩模、通
過氫氟酸來蝕刻氧化層。正面和背面上的光致抗蝕劑用丙酮來去除。0226圖9J所示的第十步驟是形成第一閥體113的步驟。0227硅晶片的背面通過反應(yīng)離子蝕刻(ICP-RIE)蝕刻。蝕
刻深度通過調(diào)節(jié)蝕刻時間來控制，或者將SOI晶片的氧化層(BOX
層)用作蝕刻停止層。
0228圖9K示出的第十一步驟是形成支承部的步驟。0229晶片的正面通過反應(yīng)離子蝕刻(ICP-RIE)蝕刻。0230當使用SOI晶片時，支承部的厚度在這時可以精確控制，
所以可以得到彈簧常數(shù)誤差小的支承部。在蝕刻之后，用于掩模的氧
化層用氫氟酸去除。
0231圖9L示出的第十二步驟是涂敷密封面的步驟。如圖9L
所示，涂敷既可以在閥體側(cè)進行也可以在閥座側(cè)進行。涂敷材料的實
例包括聚對二甲苯、CYTOP、 PTFE(聚四氟乙烯)、聚酰亞胺等。
0232聚對二曱苯和PTFE可以通過蒸鍍的方式涂敷，CYTOP
和聚酰亞胺可以通過旋涂的方式來涂敷。此外，也可以采用噴涂的方 式。
0233圖9M所示的第十三步驟是組裝步驟。
0234小型減壓閥是這樣完成的，即，堆疊第一至第六步驟中 生成的帶有隔膜(可動部)111和閥座112的元件和第七至第十一步 驟中生成的帶有第一閥體113的元件(圖9N)。 [實例2
0235在實例2中將描述應(yīng)用了本發(fā)明的小型減壓閥的第二結(jié) 構(gòu)實例。
0236圖IO是示出了本發(fā)明該實例中、小型減壓閥結(jié)構(gòu)實例的 剖視圖。
0237在圖10中，參考標號201、 202、 203、 204、 205、 208、 210、 212和213分別指隔膜、活塞、第一閥座、第一閥體、支承部、 出口流路、第二閥座、入口流路和墊片。
0238本實例中的減壓閥包括用作可動部的隔膜201、作為傳 動機構(gòu)的活塞202、第一閥座203、閥體204、支承部205、第二閥座 210、入口流路212、出口流路208和墊片213。
0239特別是，第一閥體4的周圍由支承部5支承。
0240尤其是，閥體204的周圍由支承部205支承且每個上表 面和下表面?zhèn)瓤煞謩e位于第一閥座203和第二閥座210上。
0241支承部205是由具有彈性的梁形成的，可采取例如圖2A 和2B所示的結(jié)構(gòu)。
0242當使用第一閥座203高于其周圍的結(jié)構(gòu)時，施加在閥打 開/關(guān)閉部的壓力增加，以在閥關(guān)閉的同時彎曲支承部的彈簧，由此 改善閥的密封性。
0243而且，可以通過在閥體和閥座中至少一個的表面上涂敷 閥密封材料來改善閥的密封性。
0244本實例的結(jié)構(gòu)與實例1的主要區(qū)別之處在于，具有防逆
流功能的第二閥位于具有減壓功能的第一閥的上游，并且第一閥體和 第二閥體一體連接形成單一的單元。0245這種結(jié)構(gòu)的一個優(yōu)點在于，具有本發(fā)明功能的減壓閥可 以容易地通過堆疊片材狀或板狀結(jié)構(gòu)而形成。
0246此外，還有一個優(yōu)點就是，本發(fā)明的功能可僅通過將具 有墊片213和第二閥座210的元件添加給圖13中所示的現(xiàn)有的小型減 壓閥來實現(xiàn)。
0247下面將參照附圖IO來描述減壓閥的操作。
0248隔膜(可動部)201上方位置的壓力定義為PG，閥上游
的一次壓力定義為P,，閥下游的壓力定義為P2。
0249此外，第一閥體204的打開面積定義為Sn第二閥座210
的打開面積定義為S2，隔膜(可動部)201的面積定義為S。，彈簧常
數(shù)定義為k,位移量定義為x。這時，第一閥體204打開的條件通過下
面基于壓力平衡的方程式來表示
0250另一方面，第二閥座210打開的條件通過下面的方程式 來表示
(尸0-尸2)-Ax + Fo〉尸,S廣尸250251當各個壓力分別凈皮定義為P2!和P22時，建立下面的方程
式
22 = ^
0252順便說一下，Xi和&分別表示當每個閥關(guān)閉時隔膜201 的位移。因此，由于壓力P2的改變而引起的閥的操作在圖12A至12C 中示出。更具體地說，在P^Pm的情況下，第一閥關(guān)閉(圖12A)，
在P22〈P^Pu的情況下，閥打開(圖12B),在P2〈P22的情況下，第二
閥關(guān)閉(圖12C)。
0253當壓力PJ文變時，壓力P^和P22也改變。圖4是當壓
力P,改變時壓力P;n和P22也發(fā)生變化的圖表。
0254可以看出，當壓力Pi增加時，壓力P^和P22都減少。
當壓力h足夠大時，受控制的二次壓力P2在P^的線上。不過，當壓 力P"咸小時，壓力^和P2相等。當壓力^進一步減小時，P2與線 P^相交，第二閥關(guān)閉。因此，壓力P2的變化由圖中實線表示。
0255通過調(diào)節(jié)閥體204的面積、隔膜(可動部)201的面積、 活塞(傳動機構(gòu))202的長度、隔膜(可動部)201的厚度以及支承部 205的梁的形狀，可以將閥打開/關(guān)閉的壓力和流量調(diào)至最佳。
0256尤其是，當隔膜(可動部)201的彈簧常數(shù)大于支承部 205的彈簧常數(shù)時，閥打開的壓力由隔膜(可動部)201來決定。
0257相反，當支承部205的彈簧常數(shù)大于隔膜(可動部)201 的彈簧常數(shù)時，岡的行為由支承部205來決定。閥的密封性和閥操作 時的壓力隨第一閥204的突起的高度而變。
0258壓力P22可以通過優(yōu)化墊片213的厚度來調(diào)節(jié)。
0259另一方面，當閥下游的壓力P2大于規(guī)定壓力時，隔膜(可 動部)201向上彎曲而關(guān)閉閥。
0260這時，因為活塞(傳動機構(gòu))202沒有結(jié)合在閥體204 上，當閥體204接觸到第一閥座203時，閥體204便停止。這樣，只 有活塞(傳動機構(gòu))202與隔膜(可動部)201 —起移動。
0261這就可以防止閥因壓力增加而受到損壞。
0262而且，如圖13所示，該實例中的減壓閥可以以這樣的方 式構(gòu)造，即，活塞202與第一閥體204連成一個整體，并與隔膜201 分開。
0263在這種情況下，操作原理仍與圖IO中所示結(jié)構(gòu)的相同。
0264與實例1 一樣，閥的打開/關(guān)閉狀態(tài)可這樣確認，即，在 閥座和閥體上設(shè)置電極并設(shè)置檢測兩電極之間接觸狀態(tài)的檢測電路。
0265而且，閥打開的程度也可這樣確認，即，在電極表面上 設(shè)置絕緣層并設(shè)置檢測兩電極之間存儲的電量的檢測電路。
0266本實例中的減壓閥可例如使用如下的機械加工技術(shù)生產(chǎn)。
0267圖14是從第二閥座210側(cè)觀看減壓閥時的分解透^L圖。
0268如透視圖所示，減壓閥是由片狀元件或板狀元件堆疊而 成的。每個元件的尺寸是8mmx8mm。
0269隔膜(可動部)201可以用比如氟橡膠和硅橡膠的彈性 材料、比如不銹鋼(SUS)、鋁的金屬材料、塑料等制成。
0270例如，當不銹鋼用作隔膜201的材料時，活塞可以通過 蝕刻、切割等方法與隔膜201—體成型。
0271在本實例中，隔膜201采用一種熱熔性片材(由NITTO SHINKO公司制造)，該熱熔性片材在50nm厚的PET基材上具有 25ftm厚的帶有氣密性的粘合層?；钊渴怯刹讳P鋼體蝕刻而成的， 其中如圖15A的平面圖所示的隔膜支承部214和活塞202 —體成型。
0272隔膜支承部214的厚度是50nm，活塞202的高度是 250pm。
0273熱熔性片材和不銹鋼元件在重疊狀態(tài)下被加熱到約 140。C，并在該溫度保持幾秒鐘以彼此粘連。
0274隔膜(可動部)201下表面下方的空間和活塞(傳動機 構(gòu))202通過的流路可通過不銹鋼體的才幾械加工或蝕刻形成。
0275在本實例中， 一種熱熔性片材(由NITTO SHINKO公 司制造)可用于形成隔膜(可動部)201下方的空間，該熱熔性片材 在50nm厚的PET基材兩側(cè)具有25nm厚的帶有氣密性的粘合層。圖 15B的平面圖示出了這一點。
0276活塞(傳動機構(gòu))202通過的流路可通過不銹鋼體的機 械加工或蝕刻來形成。這在圖15C的平面圖中示出。
0277250nm厚的不銹鋼板被蝕刻，第一閥座203的突起的高 度被i殳置成100jim。
0278密封材料在第一閥座203或閥體上的涂敷可通過聚對二 曱苯或特氟隆(商標名稱)等的蒸鍍來實現(xiàn)。
0279作為替換，通過施加、旋涂或噴涂硅橡膠、聚酰亞胺、 特氟隆(商標名稱)材料等來實現(xiàn)涂敷。
0280在本實例中，珪橡膠通過旋涂(3000RPMx30秒)；陂施 加在圖15C中帶有閥座的元件兩側(cè)的表面，從而可以得到大約40nm 厚的均勻密封層。
0281形成可動部201下方空間的熱熔性片狀元件和具有活塞 (傳動機構(gòu))202通過的流路的不銹鋼元件在重疊狀態(tài)下被加熱到大 約140。C，并在該溫度保持幾秒鐘以互相粘連。
0282具有支承部205和閥體204的元件可通過不銹鋼體的才幾 械加工或蝕刻來生產(chǎn)。圖15D是該元件的平面圖。
0283該元件通過蝕刻200nm厚的不銹鋼元件而得到。支承部 205的厚度為50jim。
0284比如不銹鋼的金屬材料和樹脂材料可用作墊片材料。
0285在本實例中，通過蝕刻來加工150nm厚的不銹鋼板，其 兩面旋涂有珪橡膠。
0286涂敷條件與第一閥座203的相同。
0287此外，具有第二閥座210的元件的形狀和加工方法與具 有第一閥座203的元件的相同。本實例的減壓閥可通過堆疊這些元件、 采用機械加工技術(shù)而獲得。
0288在本實例的減壓閥的生產(chǎn)方法中，經(jīng)常進行不銹鋼的兩 級蝕刻。通過在正面和背面形成不同的掩模并從兩側(cè)蝕刻，得以精確 而容易地進行兩級蝕刻。
0289較之實例1的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)容易形成，因為無需 實行多級蝕刻以形成活塞和第一閥體或第一閥座和第二閥座。
0290在上述生產(chǎn)的減壓閥中，當大氣壓大約是latm時，在 一次壓力等于或大于latm的情況下，二次壓力大約是0.8atm (絕對 壓力)。
0291而且，上述生產(chǎn)的減壓閥具有O.lsccm或更小的泄漏特 性，甚至當二次壓力增加到2.5atm (絕對壓力)時，該減壓閥也不會 受到損壞。此外，當一次壓力減少時，第二閥關(guān)閉。
0292在本實例中，熱熔性片材用于粘合。
0293這種方法在厚度或定位方面的控制表現(xiàn)優(yōu)良。除了這種 方法外，施加別的粘合劑的方法或者利用金屬擴散結(jié)合的方法也是很 有效的。
0294而且，因為每個元件都采用片材形式，蝕刻和加壓適用 于金屬元件的加工，加壓和注射成型適用于樹脂元件的加工。
0295此外，在下面描述的實例中提到的利用半導(dǎo)體加工技術(shù) 制成的元件也可以用于本實例中描述的部分或所有元件。
0296接著，將描述使用半導(dǎo)體加工技術(shù)來生產(chǎn)本實例中減壓 閥的第一種方法。
0297本實例中生產(chǎn)的小型減壓閥具有這樣的結(jié)構(gòu)，即，活塞 (傳動機構(gòu))與閥體一體成型，并與隔膜(可動部)分開，如圖13 所示。
0298本實例中生產(chǎn)的小型減壓閥的每個部分的尺寸可設(shè)置如
下，但可根據(jù)設(shè)計而變。
0299隔膜(可動部)可調(diào)節(jié)為3.6mm的直徑和40nm的厚度。0300活塞(傳動機構(gòu))可調(diào)節(jié)為260fim的直徑和200至400jim
的長度。
0301活塞通過流路可調(diào)節(jié)為400jim的直徑。0302突起可調(diào)節(jié)為寬20nm且高10fim,密封層可調(diào)節(jié)為5nm
的厚度，閥體可調(diào)節(jié)為1000pm的直徑和200jim的厚度。
0303支承部可調(diào)節(jié)為1000nm的長度、200nm的寬度和lOpm
的厚度。
0304接下來，將詳細描述本實例中第一種方法的生產(chǎn)步驟。 圖16A至16Q示出了本實例中小型減壓閥的生產(chǎn)流程的步驟。
0305圖16A所示的第一步驟是使用第一硅晶片101制作隔膜 (可動部)的步驟。
0306
一面拋光的硅晶片也可用于第一硅晶片。然而，理想的 是，使用兩面都拋光的硅晶片。
0307而且，在下述蝕刻步驟中，為了控制蝕刻深度，理想的
是，使用硅絕緣體(SOI)晶片。
0308對于硅晶片，例如，可以使用具有200jim厚的操作層、 ljim厚的氧化層(BOX層)和40nm厚的器件層的硅晶片。
0309蝕刻掩模形成在第一硅晶片101上。釆用反應(yīng)離子蝕刻 (ICP-RIE )蝕刻大約200nm的深度。
0310在這種情況下，可將lnm以上厚度的厚光致抗蝕劑、比 如鋁的金屬薄膜或通過熱氧化硅晶片表面得到的氧化硅層用于掩才莫。 在將氧化硅層用于掩模的情況下，例如，將第一硅晶片置于熔爐中， 氫氣和氧氣以預(yù)定的流量流入加熱到大約IOO(TC的熔爐中，從而在硅 晶片表面形成氧化層。
0311接著，光致抗蝕劑被旋涂在硅晶片表面、預(yù)烘干并曝光。
0312此外，進行顯影并后供干。以光致抗蝕劑作為掩模、利 用氫氟酸去除氧化層。
0313通過如此獲得的掩模，經(jīng)反應(yīng)離子蝕刻(ICP-RIE)形 成隔膜(可動部)111。
0314蝕刻深度可通過調(diào)節(jié)蝕刻的時間來控制，或?qū)OI硅晶 片的氧化層(BOX層)用作蝕刻停止層。
0315蝕刻之后，利用氫氟酸去除用于掩模的氧化硅層。
0316圖16B所示的第二步驟是晶片的直接結(jié)合步驟。另一硅 晶片(第二硅晶片)102的表面被熱氧化。
0317理想的是，將兩面拋光的硅晶片用于第二硅晶片。
0318此外，在下述蝕刻步驟中，為了控制第一閥座112的突 起的高度，理想的是，采用硅絕緣體(SOI)晶片。
0319對于硅晶片，例如可采用具有200nm厚的操作層、lpm 厚的氧化層(BOX層)以及5nm厚的器件層的硅晶片。熱氧化過程 與第一過程相同。接著，用SPM洗滌(在加熱80。C的過氧化氫溶液 和硫酸的混合液體中洗滌)第一硅晶片IOI和第二硅晶片102，隨后 用弱氫氟酸洗滌。
0320第一硅晶片IOI和第二硅晶片102彼此疊加，且在大約1500N的條件下加壓的同時在1100。C下加熱樣品3小時。合成物l呆持 4小時，隨后自然冷卻以實行退火。
0321圖16C中示出的第三步驟是形成容許活塞(傳動機構(gòu)) 穿過其中的流路的步驟。
0322為了在該步驟和隨后的步驟中實行兩級蝕刻，制備具有 氧化硅層和光致抗蝕層兩層結(jié)構(gòu)的掩模。
0323首先，在背面旋涂光致抗蝕劑、預(yù)烘千且膝光，隨后進 行形成第一閥座112的圖案形成。
0324此外，實行顯影和后烘干。以光致抗蝕劑作為掩模、利 用氫氟酸蝕刻氧化層。
0325而且，實行形成流路的掩模的圖案形成。具體而言，光 致抗蝕劑旋涂在背面、預(yù)烘干、曝光、顯影以及后烘千。
0326隨后，通過反應(yīng)離子蝕刻方法(ICP-RIE)形成流路。 當使用SOI晶片時，在中間氧化層上進行蝕刻，隨后用氫氟酸去除氧 化層。
0327最后，用丙酮去除用于掩模的光致抗蝕劑。
0328圖16D所示的第四步驟是釆用前面步驟中制備的形成第
一閥座112的掩模、通過反應(yīng)離子蝕刻(ICP-RIE)形成第一閥座112
的步驟。
0329當使用SOI晶片時，可將中間氧化層用作蝕刻停止層， 由此第一閥座的突起的高度可精確調(diào)節(jié)，且蝕刻之后的正面可保持平 坦。
0330蝕刻之后，用于掩模的氧化硅層用氬氟酸去除。
0331在該實例中，光致抗蝕劑和氧化硅層用作兩層掩模。不 過，該過程可采用具有不同厚度的氧化硅層或鋁層進行。
0332圖16E所示的第五步驟是采用第三硅晶片103制作形成 第一閥體113的掩模的步驟。
0333
一面拋光的硅晶片可用于硅晶片。不過，理想的是，采 用兩面都拋光的硅晶片。
0334此外，在下述蝕刻步驟中，為了控制蝕刻深度，理想的 是，采用硅絕緣體(SOI)晶片。
0335對于硅晶片，可采用具有200fim厚的操作層、lnm厚的 氧化層(BOX層)以及10jim厚的器件層的硅晶片。
0336首先，熱氧化第三硅晶片103。熱氧化如此進行，即， 第一層置于熔爐中，氫氣和氧氣以預(yù)定的流量流入加熱到大約1000。C 的熔爐中。
0337緊接著，正面上的氧化層受到光致抗蝕劑的保護，隨后 背面上的氧化層形成圖案。光致抗蝕劑被旋涂在硅晶片的背面上、預(yù) 烘干和膝光。此外，進行顯影和后烘干。以光致抗蝕劑作為掩模、用 氫氟酸蝕刻氧化層，由此實行形成閥座的圖案形成。
0338在圖案形成之后，各正面和背面上的光致抗蝕劑用丙酮去除。
0339圖16F中所示的第六步驟是制備形成支承部114的掩模 的步驟。
0340首先，背面上的氧化層得到光致抗蝕劑的保護，隨后正
面上的氧化層形成圖案。
0341光致抗蝕劑旋涂在晶片的正面上、預(yù)烘干且曝光。此外，
進行顯影和后烘干。以光致抗蝕劑作為掩模、用氬氟酸蝕刻氧化層，
由此實行形成支承部的圖案形成。
0342圖案形成之后，正面和背面上的光致抗蝕劑用丙酮去除。0343圖16G所示的第七步驟是形成閥體的步驟。0344硅晶片的背面通過反應(yīng)離子蝕刻(ICP-RIE)而被蝕刻。0345蝕刻深度可通過調(diào)節(jié)蝕刻時間控制，或SOI晶片的氧化
層(BOX層)可用作蝕刻停止層。
0346圖16H所示的第八步驟是形成支承部的步驟。0347硅晶片表面通過反應(yīng)離子蝕刻(ICP-RIE)而被蝕刻。0348當使用SOI晶片時，支承部的厚度可在此時得到精確控
制。因此，可獲得彈簧常數(shù)誤差小的支承部。
0349蝕刻之后，用于掩模的氧化層用氫氟酸去除。
0350圖16I所示的第九步驟是將第四晶片104結(jié)合到第三晶
片103上的步驟。
0351理想的是，采用兩面都拋光的晶片。晶片的厚度是根據(jù)
活塞(傳動機構(gòu))的高度選擇的，例如使用400pm厚的活塞。0352第四晶片104的正面通過熱氧化得以氧化。0353接著，第三晶片103和第四晶片104用SPM洗滌(在
加熱80。C的過氧化氫溶液和硫酸的混合液體中洗滌)，隨后用弱氫氟
酸洗涂。
0354第三晶片103和第四晶片104彼此疊加，且在大約1500N 的條件下加壓的同時在1100。C下加熱樣品3小時。合成物保持4小時， 隨后自然冷卻以實行退火。
0355圖16J示出的第十步驟是形成傳動機構(gòu)115的步驟。0356首先，形成蝕刻掩模的圖案。晶片表面上的氧化硅層用 于掩模。
0357接著，通過反應(yīng)離子蝕刻(ICP-RIE)進行蝕刻，從而 形成傳動機構(gòu)。在結(jié)合表面的氧化硅層上停止蝕刻。
0358圖16K所示的第十一步驟是涂敷密封面的步驟。如圖16K 所示，涂敷既可以在閥體側(cè)進行也可以在閥座側(cè)進行。涂敷材料的實 例包括聚對二曱苯、CYTOP、聚四氟乙烯(PTFE)、聚酰亞胺等。
0359聚對二甲苯和PTFE可以通過蒸鍍的方式涂敷，CYTOP 和聚酰亞胺可以通過旋涂的方式來涂敷。此外，也可以采用噴涂的方 式。
0360圖16L所示的第十二步驟是蝕刻用的掩模圖案形成步驟。
0361
一面拋光的硅晶片可用于第五硅晶片105。不過，理想 的是，采用兩面都拋光的硅晶片。
0362此外，在下述蝕刻步驟中，為了控制蝕刻深度，理想的 是，采用硅絕緣體(SOI)晶片。
0363尤其是，優(yōu)選采用具有兩個氧化層的雙層SOI晶片。
0364采用具有300jim厚的硅層、l^im厚的氧化層(BOX層)、
5jim厚的硅層、lpm厚的氧化層(BOX層)以及l(fā)Ojim厚的硅層的珪
晶片，其中這些層是沿著圖中向上的方向以上述順序堆疊的。
0365為用作蝕刻掩模，第五硅晶片105的正面被熱氧化。0366第一層置于熔爐中，氫氣和氧氣以預(yù)定的流量流入加熱
到大約1000。C的熔爐中，由此在晶片表面上形成氧化層。
0367緊接著，晶片正面上的氧化層受到光致抗蝕劑的保護。
隨后晶片背面上的氧化層形成圖案。光致抗蝕劑被旋涂在晶片的背面
上、預(yù)烘干和曝光。
0368此外，進行顯影和后烘干。以光致抗蝕劑作為掩模、用
氫氟酸蝕刻氧化層，由此實行形成入口流路117的圖案形成。在圖案
形成之后，用丙酮去除正面和背面上的光致抗蝕劑。
0369圖16M所示的第十三步驟是形成入口流路117的步驟。0370晶片的背面通過反應(yīng)離子蝕刻(ICP-RIE)蝕刻。0371蝕刻深度可通過將SOI硅晶片的氧化層(BOX層)用
作蝕刻停止層而得到控制。
0372圖16N中所示的第十四步驟是形成第二閥座120的圖案
形成步驟。
0373為了在該步驟和隨后的步驟中進行兩級蝕刻，制備具有 氧化硅層和光致抗蝕層的兩層結(jié)構(gòu)的掩模。
0374旋涂、預(yù)烘干且曝光光致抗蝕劑。隨后，實行形成墊片 121的圖案形成。
0375此外，進行顯影和后烘干。以光致抗蝕劑作為掩模、利 用氫氟酸蝕刻氧化層。
0376另外，使形成第二閥座120的掩模形成圖案。
0377具體而言，光致抗蝕劑被旋涂、預(yù)烘干、膝光、顯影以 及后烘干。
0378在本實例中，光致抗蝕劑和氧化硅層用作兩層掩模。不 過，該步驟可采用具有不同厚度的氧化硅層或鋁層進行。
0379第二閥座120通過反應(yīng)離子蝕刻(ICP-RIE)而形成。0380圖160所示的第十五步驟是形成墊片121的步驟。0381晶片由反應(yīng)離子蝕刻(ICP-RIE)蝕刻。用于掩模的氧
化硅層用氫氟酸去除。
0382圖16P所示的第十六步驟是涂敷密封面的步驟。0383涂敷材料的實例包括聚對二甲苯、CYTOP、聚四氟乙烯 (PTFE)、聚酰亞胺等。
0384聚對二曱苯和PTFE可以通過蒸鍍的方式涂敷，CYTOP
和聚酰亞胺可以通過旋涂的方式來涂敷。此外，也可以采用噴涂的方式。
0385圖16Q所示的第十七步驟是組裝步驟。
0386小型減壓閥是這樣完成的，即，堆疊具有隔膜(可動部) 111和第一閥座112的元件、具有傳動機構(gòu)115和第一閥體113的元件 以及具有第二閥座120的元件。
0387在本實例中，采用硅的擴散結(jié)合技術(shù)進行結(jié)合。不過， 本實例中生成的減壓閥不需要結(jié)合活塞(傳動機構(gòu))的高強度。
0388因此，還可采用事先在結(jié)合面上形成金屬薄膜、隨后將 金屬彼此結(jié)合的方法，和采用粘合劑的方法。
0389接著，將描述采用半導(dǎo)體加工技術(shù)生產(chǎn)本實例中小型減 壓閥的第二種方法。
0390本實例中生產(chǎn)的小型減壓閥具有這樣的結(jié)構(gòu)，即，活塞 (傳動機構(gòu))與隔膜(可動部)一體連接而與閥體分開，如圖IO所示。0391較之實例1，因為結(jié)合步驟的次數(shù)從兩次減到一次，成 品率和生產(chǎn)率得到提高。
0392此外，因為晶片數(shù)從四個減到三個，生產(chǎn)成本也得以降低。
0393另外，如下所述，第二種生產(chǎn)方法的優(yōu)點還在于，隔膜 (可動部)的形狀為中心具有支承部的環(huán)狀，由此優(yōu)化隔膜(可動部) 的剛度。
0394本實例中生產(chǎn)的小型減壓閥各部分的尺寸例如規(guī)定如下，
但可隨設(shè)計而變。
0395隔膜(可動部)可調(diào)節(jié)為3.6mm的直徑和40nm的厚度。0396活塞(傳動機構(gòu))可調(diào)節(jié)為260nm的直徑和200至400nm
的長度。
0397活塞通過流路可調(diào)節(jié)為400nm的直徑。0398突起可調(diào)節(jié)為寬20jim且高10fim,密封層可調(diào)節(jié)為5nm
的厚度，閥體可調(diào)節(jié)為1000nm的直徑和200nm的厚度。
0399支承部可調(diào)節(jié)為lOOOjim的長度、200nm的寬度和10nm
的厚度。
0400接下來，將參照圖17A至17K描述本實例中生產(chǎn)小型減 壓閥的第二種方法的具體生產(chǎn)步驟。
0401圖17A所示的第一步驟是用于蝕刻的掩模圖案形成步驟。
0402
一面拋光的硅晶片也可用于第一硅晶片101。然而，理 想的是，使用兩面都拋光的硅晶片。
0403而且，在下述的蝕刻步驟中，為了控制蝕刻深度，理想 的是，使用硅絕緣體(SOI)晶片。
0404對于硅晶片，通過翻轉(zhuǎn)硅晶片使得操作層在圖中面朝上， 可使用具有300jim厚的操作層、lfim厚的氧化層(BOX層)和50nm 厚的器件層的硅晶片。
0405為用作蝕刻掩模，熱氧化第一硅晶片IOI的表面。
0406第一硅晶片置于熔爐中，氫氣和氧氣以預(yù)定的流量流入 加熱到大約1000。C的熔爐中，從而在硅晶片表面形成氧化層。
0407接著，為了在該步驟和隨后的步驟中實行兩級蝕刻，制 備具有氧化硅層和光致抗蝕層兩層結(jié)構(gòu)的掩模。
0408隨后，旋涂、預(yù)烘干以及曝光光致抗蝕劑。之后，實行 在隔膜(可動部)下表面的下方形成流路的圖案形成。
0409此外，進行顯影并后烘干。以光致抗蝕劑作為掩模、利 用氫氟酸蝕刻氧化層。另外，形成傳動機構(gòu)115的掩模形成圖案。
0410具體而言，旋涂、預(yù)烘干、曝光、顯影以及后烘干光致 抗蝕劑。
0411在本實例中，光致抗蝕劑和氧化硅層用作兩層掩模。不 過，該步驟可通過采用具有不同厚度的氧化硅層或鋁層進行。
0412圖17B所示的第二步驟是通過反應(yīng)離子蝕刻(ICP-RIE) 形成活塞(傳動機構(gòu))的步驟。
0413蝕刻深度是通過調(diào)節(jié)蝕刻時間而控制的，蝕刻大約 150jim。最后，用丙酮去除光之抗蝕劑掩才莫。
0414圖17C所示的第三步驟是在隔膜(可動部)的下方形成 流路的步驟。
0415晶片是通過反應(yīng)離子蝕刻(ICP-RIE)而蝕刻的。
0416蝕刻深度可通過調(diào)節(jié)蝕刻時間而控制，或可將SOI晶片 的氧化層(BOX層)用作如圖所示的蝕刻停止層。
0417用于掩模的氧化硅層用氫氟酸去除。
0418圖17D所示的第四步驟是晶片的直接結(jié)合步驟。理想的 是，第二硅晶片采用兩面都拋光的硅晶片。
0419此外，在下述蝕刻步驟中，為了控制第一閥座112的高 度，理想的是，采用硅絕緣體(SOI)晶片。
0420作為硅晶片的一個實例，可采用具有200nm厚的操作層、 lnm厚的氧化層(BOX層)以及40nm厚的器件層的硅晶片，器件層 用作隔膜(可動部)。
0421當將氧化硅用作下述蝕刻過程中的蝕刻掩模時，與第一 步驟同樣地進行熱氧化。
0422接著，用SPM洗滌(在加熱80。C的過氧化氫溶液和硫 酸的混合液體中洗滌)第一硅晶片IOI和第二硅晶片102,隨后用弱 氫氟酸洗滌。
0423第一硅晶片IOI和第二硅晶片102彼此疊加，且在大約 1500N的條件下加壓的同時在IIO(TC下加熱樣品3小時。合成物保持 4小時，隨后自然冷卻以實行退火。
0424圖17E中示出的第五步驟是形成隔膜(可動部)的步驟。0425晶片是通過反應(yīng)離子蝕刻(ICP-RIE)而蝕刻的。蝕刻
深度可通過調(diào)節(jié)蝕刻時間而控制，或可將SOI晶片的氧化層(BOX
層)用作如圖所示的蝕刻停止層。
0426隔膜(可動部)的形狀可為圓形。作為替換，如圖所示，
還可使用環(huán)狀隔膜或具有梁的隔膜。
0427圖17F所示的第六步驟是形成第一閥座112的步驟。0428除了厚膜光致抗蝕劑外，氧化硅層、鋁等都可用于掩模。0429光致抗蝕劑旋涂在晶片表面上、預(yù)烘干并曝光。當掩模
使用不同于光致抗蝕劑的材料時，掩模層通過蝕刻形成圖案。
0430蝕刻是通過反應(yīng)離子蝕刻(ICP-RIE)進行的，由此形
成第一閥座112。
0431當將SOI晶片用于第一硅晶片101時，中間氧化層可用
作蝕刻停止層，閥座的突起的高度可精確調(diào)節(jié)，并且蝕刻之后的正面
可保持平坦。
0432掩模在蝕刻之后去除。
0433圖17G所示的第七步驟是釆用第三硅晶片103蝕刻的掩 模圖案形成步驟。
0434
一面拋光的硅晶片可用于第三硅晶片103。不過，理想 的是，使用兩面都拋光的硅晶片。
0435此外，在下述蝕刻步驟中，為了控制蝕刻深度，理想的 是，采用硅絕緣體(SOI)晶片。
0436硅晶片可采用具有200jim厚的操作層、ljim厚的氧化層 (BOX層)以及10nm厚的器件層的硅晶片。
0437為了用在蝕刻掩模中，熱氧化第三硅晶片103的表面。
0438第三硅晶片置于熔爐中，氫氣和氧氣以預(yù)定的流量流入 加熱到大約1000。C的熔爐中，由此在硅晶片表面上形成氧化層。
0439緊接著，硅晶片的正面受到光致抗蝕劑的保護，隨后， 實行在背面上形成閥體的圖案形成。之后，旋涂、預(yù)烘干和爆光光致
抗蝕劑。
0440此外，進行顯影和后烘干。以光致抗蝕劑作為掩模、用 氫氟酸蝕刻氧化層。
0441正面和背面上的光致抗蝕劑用丙酮去除。在該步驟中， 除了氧化硅外，光致抗蝕劑或鋁可用于掩模。
0442圖17H中所示的第八步驟是制備形成支承部114的掩模 的步驟。
0443硅晶片的背面得到光致抗蝕劑的保護，隨后實行在晶片 的正面上形成支承部的圖案形成。旋涂、預(yù)烘干和膝光光致抗蝕劑。
0444此外，進行顯影和后烘干。以光致抗蝕劑作為掩模、用 氫氟酸蝕刻氧化層。正面和背面上的光致抗蝕劑用丙酮去除。
0445圖171所示的第九步驟是形成第一岡體113的步驟。晶 片的背面通過反應(yīng)離子蝕刻(ICP-RIE)蝕刻。
0446蝕刻深度可通過調(diào)節(jié)蝕刻時間而控制，或可將SOI晶片 的氧化層(BOX層)用作蝕刻停止層。
0447圖17J所示的第十步驟是形成支承部的步驟。
0448晶片的正面通過反應(yīng)離子蝕刻(ICP-RIE)而蝕刻。
0449當使用SOI晶片時，支承部的厚度可在這時精確控制， 于是就可獲得彈簧常數(shù)誤差小的支承部。在蝕刻之后，用于掩模的氧 化層用氫氟酸去除。
0450圖17K所示的第十一步驟是涂敷密封面的步驟。如圖17K 所示，涂敷可在閥體側(cè)或閥座側(cè)進行。
0451涂敷材料的實例包括聚對二甲苯、CYTOP、聚四氟乙烯 (PTFE)和聚酰亞胺等。
0452聚對二曱苯和PTFE可通過蒸鍍涂敷，而CYTOP和聚 酰亞胺可通過旋涂涂敷。
0453此外，還可采用噴涂。
0454上述步驟之后的步驟與圖16L至16Q所示的相同。實例3
0455在實例3中，描述了一種裝有本發(fā)明小型減壓閥的燃料電池。
0456圖18是示出了本發(fā)明燃料電池的示意透視圖。0457此外，圖19是示出了本發(fā)明燃料電池系統(tǒng)的示意圖。0458本實例燃料電池的外尺寸是50mmx30mmxl0mm，尺寸
幾乎與通常用于小型數(shù)碼相機的鋰離子電池的尺寸相同。
0459如上所述，因為本實例的燃料電池小型且一體組裝，其
形狀就容易裝入便攜裝置中。
0460本實例的燃料電池自外部空氣吸收氧氣作為用于反應(yīng)的
氧化劑，于是吸收外部空氣的氣孔133設(shè)于上表面、下表面以及側(cè)面上。
0461此外，氣孔還用于將產(chǎn)生的水釋放為水蒸汽并用于將反 應(yīng)產(chǎn)生的熱量釋放到外部。
0462而且，燃料電池的內(nèi)部由燃料電池單元131、存儲燃料 的燃料箱134以及小型減壓閥135構(gòu)成，燃料電池單元131包括氧化 劑電極136、聚合物電解質(zhì)膜137、燃料電極138，其中，燃料箱與各 電池單元的燃料電極連接，由此控制燃料的流量。
0463接著，將描述燃料箱134。
0464燃料箱134的內(nèi)部填充可吸留氫的氫貯存合金?；谟?于燃料電池的聚合物電解質(zhì)膜的加壓阻力為0.3-0.5MPa的事實，外部 空氣與箱內(nèi)之間的壓差需等于或小于O.lMPa。
0465LaNi5等用作常溫下氫釋放壓力為0.2MPa的氫貯存合金。
0466當燃料箱的體積為燃料電池整個體積的一半、箱壁厚度 為lmm、鈦用作箱材料時，燃料箱的重量約為50g且燃料箱的體積為 5.2cm3。
0467當將常溫下氫釋放壓力超過0.2MPa的氫貯存材料置于 燃料箱中時，需要在燃料箱134與燃料電極138之間設(shè)置小型減壓閥 135以減小壓力。
0468每單位重量的LaNis可吸收/放出1.1wt。/。的氫。圖23示
出了 LaNis各溫度下的離解壓力。貯存在箱中的氫利用小型減壓閥135
減壓并供給到燃料電極138。
0469此外，外部空氣通過氣孔133供給到氧化劑電極1016。
由燃料電池單元產(chǎn)生的電通過電極132供給到小型電子裝置。
0470圖20是示出了具有本發(fā)明實例2的結(jié)構(gòu)的小型減壓閥安
裝在燃料電池上時的位置關(guān)系的剖視圖。
0471小型減壓閥的一次側(cè)與燃料箱134連接。
0472出口流路208與燃料電極138連接，與隔膜(可動部)
201的出口流路側(cè)相對的一側(cè)與氧化劑電極(外部空氣)接觸。0473整個閥的尺寸約為10mmxlOmmxlmm。0474如上所述，通過實現(xiàn)這樣的小型閥機構(gòu)，控制燃料流量
的機構(gòu)可裝入小型燃料電池中。
0475下面將描述涉及燃料電池發(fā)電的閥開/關(guān)操作。0476在停止發(fā)電的過程中，小型減壓閥1015保持關(guān)閉。當啟
動發(fā)電時，燃料電極室中的燃料消耗，由此降低燃料電極室中燃料的壓力。
0477隔膜(可動部)通過大氣壓與燃料電極室內(nèi)壓力之間的 壓差朝燃料電極室彎曲，由此下壓通過閥軸直接與隔膜(可動部)連 接的閥體部，由此打開閥。
0478因此，燃料通過燃料箱1014供給到燃料電極室。當燃料 電極室中的壓力回復(fù)時，隔膜(可動部)向上推，由此關(guān)閉小型減壓 閥1015。
0479根據(jù)上述實施例中描述的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)方法，可實現(xiàn)減壓 閥的尺寸減小，并賦予減壓閥優(yōu)良的密封性和耐久性。
0480通過使用控制小型燃料電池的小型減壓閥，燃料電池系 統(tǒng)可減小尺寸。
0481此外，根據(jù)上述實施例7，除了普通的減壓閥功能外， 伴隨根據(jù)溫度移動的元件的使用，減壓閥可具備隨溫度而變的截止閥
的功能。
0482在實例3中，描述具有本發(fā)明小型減壓閥的燃料電池。0483圖18是示出了本發(fā)明燃料電池的透視圖。0484圖19示意性地示出了本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)。0485本實例燃料電池的外尺寸為50mmx30mmxl0mm,尺寸
幾乎與通常用于小型數(shù)碼相機的鋰離子電池的尺寸相同。
0486如上所述，因為本實例的燃料電池小型且一體組裝，其
形狀就容易裝入便攜裝置中。
0487本實例的燃料電池自外部空氣吸收氧氣作為用于反應(yīng)的
氧化劑，于是吸收外部空氣的氣孔133設(shè)于上表面、下表面以及側(cè)面上。
0488該氣孔將產(chǎn)生的水釋放為水蒸汽，或?qū)⒎磻?yīng)產(chǎn)生的熱量 釋放到外部。燃料電池的內(nèi)部包括燃料電池單元131、存儲燃料的燃 料箱134以及小型減壓閥135，燃料電池單元131包括氧化劑電極136、 聚合物電解質(zhì)膜137、燃料電極138，其中，燃料箱與各電池單元的燃 料電極連接，由此控制燃料的流量。
0489接著，將描述燃料箱134。
0490燃料箱的內(nèi)部填充可吸留氫的氫貯存合金?；谟糜谌?料電池的聚合物電解質(zhì)膜的加壓阻力為0.3-0.5MPa的事實，外部空氣 與箱內(nèi)之間的壓差需等于或小于O.lMPa。
0491例如，LaNis等用作常溫下氫釋放壓力為0.2MPa的氬5!i 存合金。
0492當燃料箱的體積為燃料電池整個體積的一半、箱壁厚度 調(diào)節(jié)為lmm、并且鈦用作箱材料時，燃料箱的重量約為50g且燃料箱 的體積為5.2cm3。
0493當將常溫下氫釋放壓力超過0.2MPa的氬貯存合金置于 本實例的燃料箱中時，需要在燃料箱134與燃料電極138之間設(shè)置小 型減壓閥135以減小壓力。
0494例如，每單位重量的LaNis可吸收/放出1.1wt。/。的氫。
圖23示出了 LaNis各溫度下的離解壓力。貯存在箱中的氫利用小型減 壓閥135減壓并供給到燃料電極138。
0495外部空氣通過氣孔133供給到氧化劑電極136。由燃料 電池單元產(chǎn)生的電通過電極132供給到小型電子機器和設(shè)備。
0496圖20是示出了具有實例2結(jié)構(gòu)的小型減壓閥安裝在燃料 電池上時的位置關(guān)系的視圖。
0497小型減壓閥的一次側(cè)與燃料箱134連接。出口流路208 與燃料電極138連接，出口流路和與隔膜(可動部)201相對的一側(cè) 與氧化劑電極(外部空氣)接觸。
0498整個閥的尺寸約為10mmxl0mmxlmm。
0499如上所述，通過實現(xiàn)這樣的小型閥機構(gòu)，控制燃料流量 的機構(gòu)可裝入小型燃料電池中。
0500下面將描述涉及燃料電池發(fā)電的閥開/關(guān)操作。
0501在停止發(fā)電的過程中，小型減壓閥135保持關(guān)閉。
0502當啟動發(fā)電時，燃料電極室中的燃料消耗，由此降低燃 料電極室中燃料的壓力。
0503隔膜(可動部)201通過外界氣壓與燃料電極室內(nèi)壓力 之間的壓差朝燃料電極室彎曲，且隔膜(可動部)201的作用經(jīng)由活 塞202傳遞給閥體204，由此打開閥。
0504因此，燃料自燃料箱134供給到燃料電極室138。當停 止發(fā)電時，燃料不消耗，于是燃料電極室中的壓力增加，由此隔膜(可 動部)201向上推，由此關(guān)閉閥體204。
0505燃料箱134內(nèi)的壓力根據(jù)環(huán)境溫度和燃料剩余量而變。
0506當燃料箱134內(nèi)的壓力變化時，減壓之后的二次壓力也 改變，如圖4的粗線所示。
0507不像大燃料電池，在本實例的燃料電池中，為了減小尺 寸，使用燃料不循環(huán)的閉端系統(tǒng)，并且，等于已消耗燃料量的燃料量 自燃料箱134供給。不過，在閉端系統(tǒng)的燃料電池中，當比如氮氣和 水蒸汽的雜質(zhì)積聚在燃料電極室中時，發(fā)電特性變差。因此，需要頻
繁放氣。
0508放氣是通過打開和關(guān)閉放氣閥139進行的。0509在放氣過程中，燃料電極室的壓力P2變成外部氣壓Po。 因此，為了有效放氣，正常操作中的壓力P2需大于外部氣壓P。。否則， 外部空氣回流到燃料電極室中(圖21A所示的狀態(tài))。
0510此外，在正常操作中第二閥的工作壓力P22大于外部氣
壓Po的情況下，第二閥在放氣時關(guān)閉，這就不可能自燃料箱供給放氣 所需的燃料(圖21B所示的狀態(tài))。
0511另一方面，在正常操作中第二閥的工作壓力Pm小于外 部氣壓Pq的情況下，當燃料箱的壓力Pi小于放氣時的外部氣壓P。時， 外部空氣回流到燃料箱134中(圖21C所示的狀態(tài))
0512因此，當本發(fā)明的減壓閥安裝在燃料電池上時，需將壓
力P^和P22規(guī)定如下。
0513具體而言，對于正常操作狀態(tài)下燃料箱的一次壓力P,，
以滿足關(guān)系式P2^P2^P。的方式規(guī)定壓力。此外，對于箱內(nèi)剩余燃料 量減小時的壓力P產(chǎn)Pu。，以滿足關(guān)系式P^P2尸P()的方式規(guī)定壓力。
0514圖22示出了滿足這些條件的狀態(tài)。首先，在正常操作時， 二次壓力P2等于高于外部氣壓P。的壓力P21。
0515當此時放氣時，二次壓力P2減小到Po，但因為P22〈Po，
不用關(guān)閉第二閥就可進行放氣。
0516另一方面，當燃料箱134的壓力P,降到燃料消耗時圖中 "剩余量變小"所表示的量時，因為該壓力區(qū)域中的P22>P。，第二閥關(guān) 閉，于是即便試圖放氣，也無法放氣，由此防止外部空氣混入燃料箱 134中。
0517此外，當燃料消耗且燃料箱內(nèi)的壓力降到圖中"剩余量為 零"的狀態(tài)時，P2=P22，由此第二閥關(guān)閉而停止發(fā)電。
0518此時，通過提供如實例1和2所述的檢測電路，可以通 知用戶燃料箱內(nèi)的剩余燃料量，或安全地中止電子設(shè)備。
0519正如上述實例中詳細描述的，根據(jù)本發(fā)明的閥結(jié)構(gòu)和閥 生產(chǎn)方法，可實現(xiàn)一種減壓閥，其非常緊湊、密封性和耐久性優(yōu)良、 具有防逆流功能。
0520此外，通過采用此類小型減壓閥控制小型燃料電池，在 燃料容器內(nèi)的壓力下降時可防止摻雜氣體混入燃料容器，還可減小燃
料電池系統(tǒng)的尺寸。
0521雖然已參照示范性實例描述了本發(fā)明，但應(yīng)該理解，本 發(fā)明不局限于所披露的示范性實例。下列權(quán)利要求的范圍要與最寬泛 的解釋一致，從而涵蓋所有此類改型和等價結(jié)構(gòu)及功能。
0522本申請要求2006年8月29日提交的日本專利申請第 2006-232851號的權(quán)益，在此將其全部內(nèi)容并入以供參考。
權(quán)利要求
1.一種壓力控制閥，包括通過壓差操作的可動部；將一次壓力減至二次壓力的第一閥；第二閥，當?shù)谝婚y操作以打開入口流路而引導(dǎo)具有一次壓力的流體時，該第二閥操作以阻擋入口流路與排放二次壓力的出口流路之間的流路；以及傳動機構(gòu)，其將可動部的操作與第一閥和第二閥的操作連接起來，其中，可動部和第一閥中的任一個與傳動機構(gòu)分離。
2. 如權(quán)利要求1所述的壓力控制閥，其中，第一閥包括第一閥座、 第一岡體以及支承部，支承部支承第一閥體，以根據(jù)傳動機構(gòu)傳遞的 可動部的動作產(chǎn)生或封閉第一閥體與第一閥座之間的間隙。
3. 如權(quán)利要求2所述的壓力控制閥，其中，支承第一閥體的支承 部包括彈性體，以支承設(shè)于平面上的第一閥體，該平面垂直于傳動機 構(gòu)動作的方向并包括第一閥體。
4. 如權(quán)利要求1所述的壓力控制閥，其中，第二閥位于流路中第 一閥的上游。
5. 如權(quán)利要求4所述的壓力控制閥，其中，第二閥是通過在流路 中第一閥的上游設(shè)置第二閥座而構(gòu)成的。
6. 如權(quán)利要求1至5中任一項所述的壓力控制閥，其中，可動部 是隔膜。
7. 如權(quán)利要求1所述的壓力控制閥，其中，壓力控制閥是通過堆 疊均由片狀元件或板狀元件形成的第一閥、第二閥、可動部以及傳動 才幾構(gòu)而構(gòu)成的。
8. —種壓力控制閥的生產(chǎn)方法，壓力控制閥包括通過壓差操作的 可動部；將一次壓力減至二次壓力的第一閥；第二閥，當?shù)谝婚y操作 以打開入口流路而引導(dǎo)具有一次壓力的流體時，該第二閥操作以阻擋 入口流路與排》丈二次壓力的出口流路之間的流路；以及傳動才幾構(gòu)，其 將可動部的操作與第一閥和第二閥的操作連接起來，其中，可動部和第一閥中的任一個與傳動機構(gòu)分離，該方法包括 采用片狀元件和板狀元件中的一個形成可動部； 采用片狀元件和板狀元件中的一個形成傳動機構(gòu)； ; 采用片狀元件或板狀元件形成第 一閥和第二岡；將上述形成的部件彼此堆疊以組裝壓力控制閥。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中，在片狀元件和板狀元件中的 一個的至少一部分中采用半導(dǎo)體基板。
10. 如權(quán)利要求8或9所述的方法，其中，選自蝕刻和加壓的至少 , 一個結(jié)構(gòu)形成過程和選自結(jié)合和粘合的至少一個組裝過程用于可動部形成、傳動機構(gòu)形成、第一閥和第二閥形成以及組裝。
11. 一種燃料電池系統(tǒng)，包括 燃料容器； 燃料電池發(fā)電部；設(shè)于燃料容器和燃料電池發(fā)電部之間的燃料流路，以自燃料容器 給燃料電池發(fā)電部供給燃料；以及 設(shè)于燃料流路中的壓力控制機構(gòu)，其中，如權(quán)利要求1至7中的任一項所述的壓力控制閥和由權(quán)利 要求8至10中的任一項所述的方法生產(chǎn)的壓力控制閥中的一個安裝為 ,壓力控制機構(gòu)。
12. —種在如權(quán)利要求11所述的燃料電池系統(tǒng)中控制壓力控制閥 的壓力的方法，包括根據(jù)燃料容器的規(guī)定壓力調(diào)節(jié)第二閥的工作壓力。
13. 如權(quán)利要求12所述的壓力控制方法，其中，這樣進行控制， 當一次壓力是燃料容器正常操作狀態(tài)下的壓力時，二次壓力高于外部;空氣壓力。
14. 如權(quán)利要求12或13所述的壓力控制方法，其中，這樣進行控 制，在一次壓力大于預(yù)定壓力的情況下，當二次壓力等于外部空氣壓 力時，第二閥處于打開狀態(tài)，而在一次壓力小于預(yù)定壓力的情況下， 當二次壓力等于外部空氣壓力時，第二閥處于關(guān)閉狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種壓力控制閥，包括通過壓差操作的可動部(1)；將一次壓力減至二次壓力的第一閥(3，4，5)；第二閥(10，11)，當?shù)谝婚y操作以打開入口流路(12)而引導(dǎo)具有一次壓力的流體時，該第二閥操作以阻擋入口流路(12)與排放二次壓力的出口流路(8)之間排放二次壓力的流路；以及傳動機構(gòu)(2)，其將可動部的操作與第一閥和第二閥的操作連接起來，其中，可動部和第一閥中的任一個與傳動機構(gòu)分離。
文檔編號F16K7/17GK101371208SQ20078000293
公開日2009年2月18日 申請日期2007年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月29日
發(fā)明者中窪亨, 茂木聰史 申請人:佳能株式會社