JP2000154783A

JP2000154783A - マイクロポンプとその製造方法

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Publication number: JP2000154783A
Application number: JP10324759A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiko Sasaki; 康彦佐々木; Yasuhiro Yoshimura; 保廣吉村; Akira Koide; 晃小出; Akira Miyake; 亮三宅; Shigeo Watabe; 成夫渡部; Takao Terayama; 孝男寺山; Hiroshi Mimaki; 弘三巻; Yasuhiko Ishida; 康彦石田; Tomonari Morioka; 友成盛岡
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-11-16
Filing date: 1998-11-16
Publication date: 2000-06-06
Anticipated expiration: 2018-11-16
Also published as: US6283730B1; JP3620316B2

Abstract

(57)【要約】【課題】マイクロポンプを小型化し、かつマイクロポン
プの部材と作動流体との化学反応を防いだマイクロポン
プ及びその製造方法とそれを用いた装置を提供する。【解決手段】マイクロポンプを形成する部材をシリコン
基板として接合する面側全体に金属膜を形成して接合面
とした後、接合面を清浄化して、真空中にて接合面を対
向させて重ね合わせて加熱かつ加圧して接合する。【効果】マイクロポンプの小型化を可能とする。また、
マイクロポンプを形成する部材が作動流体と化学反応を
起こし難くする。さらに、フッ素樹脂膜の耐薬品性が向
上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はマイクロポンプの組
立方法に係り、特に医療、化学分析におけるマイクロマ
シニング技術を用いた微小流体制御デバイス用のマイク
ロポンプ及びその製造方法とそれを用いた装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】予圧可能なバルブを有するマイクロポン
プ及びその製造方法は、例えば特開平4-132887号公報、
特開平5-1669号公報、特開平5-79460号公報、特開平5-5
02083号公報等に記載されている。これらは何れも、マ
イクロポンプの組み立てとして陽極接合法を用いている
ため、マイクロポンプを形成する部材としてシリコン基
板とガラス基板を用いている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、マ
イクロポンプを形成する部材の一部としてガラス基板を
用いているために、ガラス基板へ貫通孔や溝等を加工す
る必要がある。ガラス基板は加工性が悪く、加工精度が
低いためにマイクロポンプの小型化が困難であるという
問題点がある。

【０００４】また、マイクロポンプを形成する部材(シ
リコン基板、ガラス基板)が作動流体に直接触れるため、
部材が作動流体と化学反応して、部材の形状が変化した
り析出物を生じる。このため、マイクロポンプの性能の
低下や作動流体の物性を変えるという問題点がある。

【０００５】本発明の目的はマイクロポンプを小型化
し、かつ、各部材と作動流体との化学反応を防ぐことを
可能としたマイクロポンプとその製造方法を提供するこ
とにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】マイクロポンプを形成す
る部材をシリコン基板として接合する面側全体に金属膜
を形成して接合面とした後、接合面を清浄化した後、真
空中または不活性雰囲気中にて接合面を対向させて重ね
合わせて加圧して接合する。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の１実施例を図面を
用いて説明する。図１は本発明のマイクロポンプを構成
する複数の基板の接合前の各断面図を示す。

【０００８】マイクロポンプは、ダイアフラム基板１
０、チャンバ基板２０、バルブ基板３０、ノズル基板４
０の各基板を加工後接合して形成される。各基板は単結
晶シリコンを母材とし、熱酸化膜をマスクとして水酸化
カリウム水溶液でエッチングして、吸入口１１、ダイア
フラム１２、ポート３１、バルブ２１、梁２２、吐出口
４１等を形成した。

【０００９】エッチング処理後、加熱して基板全面に熱
酸化膜を形成することにより、エッチングで生じた曲率
半径の小さな部分でも熱酸化膜が形成されて曲率半径が
大きくなり、機械的な強度を増加している。

【００１０】図２にチャンバ基板に形成したバルブと、
バルブ基板に形成したポートの構造断面図を示す。

【００１１】図２（ａ）に示すように、バルブ２１は梁
２２によりチャンバ基板２０に支持されている。また、
バルブ２１の一部分が基板表面２３から突出し、その先
端部分にシール部２４が形成されている。チャンバ基板
２０とバルブ基板３０を接合したとき、シール部２４が
基板表面２３から突出した高さに応じて、梁２２が弾性
変形し、押し付け圧力がシール部２４に発生して予圧力
を得る。なお、シール部２４のエッジは面取り加工して
おり、接合時におけるエッジの応力集中を緩和してい
る。

【００１２】また、シール部２４はバルブ２１の内側
（シール部外周寸法Ｌ０＜バルブ外周寸法Ｌ１：Ｌ０は
Ｌ１より一定量以上小さい）に設けてある。さらに、シ
ール部内周寸法Ｌ２をシール部２４と対向するバルブ基
板３０に形成したポート３１のポート内周寸法Ｌ３より
も一定量以上大きく形成した。このように構成すること
で、チャンバ基板２０とバルブ基板３０の接合後におけ
る金属膜形成時にシール部２４の周囲に金属膜の回り込
みによるバルブ21の固着を防いだ。ここで、一定量はシ
ール部高さＨの２００倍の値である。

【００１３】なお、バルブ基板３０に形成したバルブ２
１、梁２２、シール部２４およびチャンバ基板２０に形
成したポート３１も同様な構造を有する。

【００１４】また、図２（ａ）に示すように、バブル２
１上に設けたシール部に代わりにバルブ基板３０側にシ
ール部を設ける例を図２（ｂ）に示す。

【００１５】バルブ２１は梁２２によりチャンバ基板２
０に支持されている。バルブ基板３０のポート３１の周
囲に、基板表面３３より突出したシール部３４を形成し
た。チャンバ基板２０とバルブ基板３０を接合したと
き、バルブ２１と基板表面２３の突出量と、基板表面３
３とシール部３４の突出量とのの高さの合計に応じて、
梁２２が弾性変形し、その押し付け圧力がシール部24に
発生して予圧力を得る。

【００１６】次に、マイクロポンプの組立工程を図３〜
６を用いて説明する。

【００１７】図３（ａ）は、チャンバ基板２０とバルブ
基板３０の接合前の状態を、図３（ｂ）には接合中の状
態を、図３（ｃ）接合完了時の状態を示している。図４
に、図３で接合したチャンバ基板２０とバルブ基板３０
に更にノズル基板４０を接合する工程を示す。図５は、
図４で接合の完了したチャンバ基板２０、バルブ基板３
０、ノズル基板４０にダイアフラム基板１０を接合する
工程を示してある。

【００１８】まず、図３（ａ）に示すように、チャンバ
基板２０とバルブ基板３０をエッチング加工した後、加
熱処理を行い基板全面に熱酸化膜を形成し、その後両基
板の接合する面側全体に金属膜1を成膜して接合面を形
成する。その後、図３（ｂ）に示すように、真空中でAr
プラズマ３を接合面に照射する。そして、図３（ｃ）に
示すように、引き続き真空中にて接合面を対向させて位
置合わせ後、重ね合わせて加熱・加圧して接合した。

【００１９】次に、図４（ａ）に示すように、チャンバ
基板２０/バルブ基板３０の接合体とノズル基板４０
の、夫々の接合する面側全体に金属膜１を成膜して接合
面を形成する。その後、図３（ｂ）及び図３（ｃ）と同
様に、図４（ｂ）及び図４（ｃ）により接合面を接合し
た。

【００２０】そして、図５（ａ）に示すように、チャン
バ基板２０/バルブ基板３０/ノズル基板４０の接合体と
ダイアフラム基板１０の、夫々の接合する面側全体に金
属膜１を成膜して接合面を形成した。その後、図３
（ｂ）及び図３（ｃ）と同様な手順である図５（ｂ）及
び図５（ｃ）により接合面を接合した。

【００２１】図６に図５で組立てた接合体に圧電素子等
の駆動源を設ける手順を示す。

【００２２】前述のような手順で４種類の基板を接合し
た後、図６（ａ）に示すように、ダイアフラム駆動用の
アクチュエータである積層圧電素子１７をダイアフラム
１１に固着する。さらに、固定治具１９を接着によりダ
イアフラム基板１０と高剛性に接続してマイクロポンプ
を組み立てた。なお、ダイアフラム駆動用のアクチュエ
ータとして圧電ディスク１８を用いた場合は、図６
（ｂ）に示すように、圧電ディスク１８をダイアフラム
11に固着してマイクロポンプを組み立てた。

【００２３】図６（ａ）の積層圧電素子１７は素子の上
下の変形でダイアフラムに変位を与えるものであるが、
図６（ｂ）の圧電ディスク１８はディスクの左右方向の
変位でダイアフラムに変位を与える構成のため、積層圧
電素子１７で必要とした固定治具が不要となり、また、
厚さも薄く、構成が簡略化でき小型化が図れる。

【００２４】ここで、各基板表面に成膜した金属膜は、
基板表面上(熱酸化膜)にＴｉ(膜厚：０．０５μｍ)、Ｐ
ｔ(膜厚：０．１μｍ)、Ａｕ(膜厚：１μｍ)順序でスパ
ッタにより形成した。また、真空中での一連の工程中の
雰囲気圧力は０．３ｍＰａであり、Ａｒアトムの接合面
への照射量はＡｕエッチング量で１０ｎｍであり、接合
温度は１５０℃であり、接合圧力は１０ＭＰａである。

【００２５】ここで、図３（ｃ）において、チャンバ基
板２０とバルブ基板３０が１０ＭＰａの接合圧力が加圧
されているとき、バルブ２１のシール部２４とバルブ基
板３０の間の押し付け圧力は０．４ＭＰａであり、この
圧力以下ではバルブ２１のシール部２４とバルブ基板３
０とは接合しないことを確認した。すなわち、梁２２に
加わる弾性力を０．４ＭＰａ以下になるように厚さや長
さが規定される。

【００２６】以上のように、シリコンを母材とする複数
の基板を接合してマイクロポンプを構成することによ
り、加工精度が向上しポンプの小型化が可能となった。
また、接合面を形成する金属膜の成膜時に、作動流体が
接触する部分も同時に金属膜が成膜され、その表面がＡ
ｕであるために作動流体と化学反応を起こし難くなっ
た。

【００２７】以下、本発明の第２の実施例を図７により
説明する。図７はチャンバ基板２０及びバルブ基板３０
の断面図を示したものである。

【００２８】先の実施例と異なる点は、バルブ２１の表
面及びポート３１の周囲にバリア材５を設けた点であ
る。その製造工程を以下に説明する。第１の実施例の図
３（ａ）と同様に、チャンバ基板２０とバルブ基板３０
の夫々の接合する面側全体に金属膜１を成膜して接合面
を形成する。その後、メタルマスクを用いてシール部２
４及びシール部２４に対向するポート３１の周辺部にス
パッタによりバリア材５を形成した。ここで、バリア材
５はＰｔ(膜厚:０．１μｍ)またはＷ(膜厚:０．１μｍ)
とした。なお、両基板の接合による組み立ては、前記実
施例１と同様な工程で行った。

【００２９】その結果、チャンバ基板２０とバルブ基板
３０が１０ＭＰａの接合圧力で加圧されているとき、バ
ルブ２１のシール部２４とバルブ基板３０の間の押し付
け圧力は０．６ＭＰａとなり、この圧力以下ではバルブ
２１のシール部２４とバルブ基板３０とは接合しないこ
とを確認した。

【００３０】以上のように、バリア材をシール部及びシ
ール部に対向するポートの周辺部に形成することによ
り、シール部の押し付け圧力を増加した場合でも、バル
ブが固着することなくマイクロポンプの製造が可能とな
った。

【００３１】以下本発明の第３の実施例を図８を用いて
説明する。図８はノズル基板に撥水被膜として、フッ素
樹脂膜を形成する工程断面図を示したものである。

【００３２】まず図８（ａ）に示すように、ノズル基板
４０の両面に金属膜１としてＴｉ(膜厚：０．０５μ
ｍ)、Ｐｔ(膜厚：０．１μｍ)、Ａｕ(膜厚：１μｍ)順
序でスパッタを行った。

【００３３】次に、図８（ｂ）に示すのように、バルブ
基板と接合する側の面だけにメタルマスクを重ねた状態
で、ノズル基板４０の両面にフッ素樹脂含有塗料を塗布
した。その後、ノズル基板４０を熱処理を行いフッ素樹
脂膜８を形成した。なお、フッ素樹脂膜８の形成に際し
ては、メタルマスクの代わりにテープやレジストを用い
ても同様なフッ素樹脂膜形成が可能であり、この場合に
はディッピングが可能となる。

【００３４】図８（ｃ）はフッ素樹脂膜を形成したバル
ブ基板を用いて、前記実施例１と同様な組立工程を経た
マイクロポンプの断面図である。接合面側に形成したフ
ッ素樹脂膜8の端部は、接合時にノズル基板40の金属膜1
のＡｕとバルブ基板３０の金属膜１のＡｕの接合面に挟
み込まれている。これにより、フッ素樹脂膜の端部が作
動流体に触れないのでフッ素樹脂膜の耐薬品性が向上す
る。

【００３５】図９に本発明のマイクロポンプを用いた一
例として自動分析装置を示す。自動分析装置１００は次
のように構成される。

【００３６】まず、測定すべきサンプルが収納されたサ
ンプル容器１１０を少なくとも１つ以上収納できるサン
プル容器ホルダー１１１と、サンプル容器ホルダー１１
１に収納されたサンプル容器１１０をサンプル吸引位置
まで移送するためのサンプル容器ホルダー回転駆動機構
１１２を備えている。

【００３７】更に、サンプルと少なくとも１種類以上の
試薬を入れて反応させるための反応容器１２０を複数個
収納できる反応容器ホルダー１２１と、反応容器ホルダ
ー１２１に収納された該反応容器１２０をサンプル吐出
位置、第１試薬吐出位置及び第２試薬吐出位置まで移送
するための反応容器ホルダー回転駆動機構１２２とを備
えている。

【００３８】また、サンプル吸引位置まで移送されたサ
ンプル容器１１０内にノズル１２７を挿入してサンプル
容器１１０からサンプルを吸引してサンプル吐出位置の
反応容器１２０内に所要量分注するサンプルピペッタ１
２８と、サンプルピペッタ１２８を洗浄するサンプルピ
ペッタ洗浄機構１２９と、反応容器１２０内のサンプル
及び試薬を一定温度に保つための恒温槽１２３とを有し
ている。

【００３９】また、測定項目に対応する試薬を収納した
試薬容器１３０と、試薬容器１３０に装備された試薬供
給用のマイクロポンプ５４（図１０参照）と、マイクロ
ポンプ５４を装備した試薬容器１３０を複数個収納する
ことのできる試薬ホルダー１４０と、試薬容器ホルダー
１４０に収納された試薬容器１３０を試薬吐出位置まで
移送する試薬ホルダー回転駆動機構１４６とを備えてい
る。なお、試薬容器１３０とマイクロポンプ５４は、後
述するように簡単に取付、取外しが可能に構成し、試薬
容器毎に組合せて使用するものである。

【００４０】このように構成することによって、従来別
に設けていた試薬供給用ピペッタ装置を分析装置本体側
に設ける必要がなくなり、装置の全体構成を小さくでき
る他、試薬装置毎に供給装置を設けることから、供給装
置による別種の試薬によるコンタミネーションを防止で
きる。また、試薬容器のみ廃棄すれば済むため、廃棄物
量の低減を図ることができる。

【００４１】本実施例の自動分析装置では、更に、反応
容器１２０に入れたサンプルと少なくとも１種類以上の
試薬を混ぜ合わせる撹拌機構１２４とを備えている。更
に、反応容器１２０に入れたサンプルと少なくとも１種
類以上の試薬の反応による吸光度の変化を測定する光学
分光計測部１２５と、光学分光計測が終了した反応容器
１２０を洗浄する反応容器洗浄機構１２６から構成され
ている。

【００４２】図１０に本発明の試薬供給部の詳細説明図
を示す。

【００４３】試薬供給部５１は大きく分けると、試薬容
器１３０と、試薬ホルダー１４０と、マイクロポンプ５
４と、試薬ホルダー回転駆動機構１４６の４つの部分か
ら構成される。試薬ホルダー１４０は中心軸５６の回り
に試薬容器１３０を円周上に保持させる構造になってい
る。保持される試薬容器の数と同数のマクロポンプ５４
が試薬ホルダー１４０の底部に設けられている。試薬容
器１３０の底面には接続孔５２１が有り試薬ホルダー１
４０の底部に向かって強く押付けることで、マイクロポ
ンプ５４の吸入孔５４１と接続するようになっている。

【００４４】また、マイクロポンプ５４には吐出孔５４
２が鉛直下方に向かって設けられている。試薬容器１３
０の側面には試薬の種類や使用量等を記録した磁気部５
２２が設けられている。又磁気部５２２に対向する試薬
ホルダー１４０部には磁気記録再生機構５３１が設けら
れている。磁気記録再生機構５３１からの信号線は、判
断部５７に接続されている。更に判断部５７はマイクロ
ポンプ制御部５８と接続されている。マイクロポンプ５
４はマイクロポンプ制御部５８にて駆動される。試薬ホ
ルダー１４０は試薬ホルダー回転駆動機構１４６にて回
転駆動される。

【００４５】このように、本発明のマイクロポンプを試
薬供給用に用いることにより、精度良く試薬を反応容器
に供給でき、高精度の分析が可能となる。また、試薬容
器毎にマイクロポンプを備えているため、試薬同士のコ
ンタミネーションが発生しない等の効果がある。

【００４６】

【発明の効果】本発明によれば、マイクロポンプを構成
する基板の加工精度が向上したのでマイクロポンプの小
型化が可能となる。また、マイクロポンプを形成する部
材が作動流体と化学反応を起こし難くなる。また、バリ
ア材を形成することにより、シール部での押し付け圧力
を増加した場合でもバルブが固着することなくマイクロ
ポンプの製造が可能となる。さらに、ノズル基板の接合
面に形成したフッ素樹脂膜の端部を接合時に接合界面で
挟み込むことにより、フッ素樹脂膜の耐薬品性が向上し
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例のマイクロポンプを構成
する各基板の断面図である。

【図２】図１に示すバルブの構造断面図である。

【図3】本発明のマイクロポンプの組立工程断面図であ
る。

【図4】本発明のマイクロポンプの組立工程断面図であ
る。

【図5】本発明のマイクロポンプの組立工程断面図であ
る。

【図6】本発明のマイクロポンプの組立工程断面図であ
る。

【図7】本発明の実施例2によるバリア材を形成した場合
の構造断面図である。

【図8】本発明の実施例3によるフッ素樹脂膜を形成した
場合の構造断面図である。

【図9】本発明のマイクロポンプを搭載した自動分析装
置の構成図である。

【図１０】図９の試薬供給部の詳細図である。

【符号の説明】

１…金属膜、３…Ａｒプラズマ、５…バリア材、８…フ
ッ素樹脂膜、１０…ダイアフラム基板、１１…吸入口、
１２…ダイアフラム、１７…積層圧電素子、１８…圧電
ディスク、１９…固定治具、２０…チャンバ基板、２１
…バルブ、２２…梁、２３…基板表面、２４…シール
部、３０…バルブ基板、３１…ポート、３３…基板表
面、３４…シール部、４０…ノズル基板、４１…吐出
口。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小出晃茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者三宅亮茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者渡部成夫茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者寺山孝男茨城県ひたちなか市市毛882番地株式会社日立製作所計測器事業部内 (72)発明者三巻弘茨城県ひたちなか市市毛882番地株式会社日立製作所計測器事業部内 (72)発明者石田康彦茨城県ひたちなか市市毛882番地株式会社日立製作所計測器事業部内 (72)発明者盛岡友成茨城県ひたちなか市市毛882番地株式会社日立製作所計測器事業部内Ｆターム(参考） 3H077 AA08 BB10 CC02 CC09 DD06 EE22 EE34 EE36 FF03 FF36 FF60

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ノズル基板と、前記ノズル基板と一面側が
接合されたバルブ基板と、前記バルブ基板の他面側と接
合されるチャンバ基板と、前記チャンバ基板の前記バル
ブ基板と接合された面と反対側の面に接合されるダイア
フラム基板とから構成されたマイクロポンプにおいて、前記各基板はシリコンを母材とし、前記各基板の接合部
にそれぞれ金属膜を形成し、前記接合部同士を接合して
構成したことを特徴とするマイクロポンプ。
【請求項２】前記金属膜は異なる金属を積層して形成さ
れ、表面の金属膜がAuまたはPtであることを特徴とする
請求項1に記載のマイクロポンプ。
【請求項３】前記バルブ基板とチャンバ基板には梁によ
り支持されたバルブを備え、前記バルブ上にはシール部
が形成され、前記バルブ及びシール部はそれを形成して
いる基板表面よりも突出しており、前記バルブ基板とチ
ャンバ基板を接合することにより、前記梁が変形し、前
記変形により発生する押し付け圧力が基板間の接合に必
要とされる値未満となる構造であることを特徴とする請
求項1記載のマイクロポンプ。
【請求項４】ノズル基板と、バルブ基板と、チャンバ基
板とダイアフラム基板とか構成されるマイクロポンプの
製造方法において、前記各基板はシリコンを母材で形成され、前記ノズル基板には吐出口を、前記バルブ基板とチャン
バ基板とにはポートと、バルブ、バルブを基板に支持す
る梁の夫々が、ダイアフラム基板には吸入口とダイアフ
ラムが夫々エッチングで形成する工程と、前記エッチング処理終了後に熱処理して熱酸化膜を形成
する工程と、各基板の接合面全面に金属膜を形成する工程と、前記金属膜形成後、前記接合面を清浄化する工程と、真
空中または不活性雰囲気中で前記接合面同士を対向させ
て加圧して接合する工程とからなることを特徴とするマ
イクロポンプの製造方法。
【請求項５】前記金属膜の表面はAuであることを特徴と
する請求項４に記載のマイクロポンプの製造方法。