JP2003227572A - 受動マイクロバルブ - Google Patents
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- Electrical Discharge Machining, Electrochemical Machining, And Combined Machining (AREA)
- Electrically Driven Valve-Operating Means (AREA)
- Check Valves (AREA)
- Details Of Reciprocating Pumps (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 本発明は、全体の製造プロセスが簡略化さ
れ、システム全体が小型化される受動マイクロバルブを
提供する。 【解決手段】 本発明の受動マイクロバルブは、第１孔
部（２）を有する基板（１）を備える。上側プレート
（７ａ）は、基板上に実装され、基板と上側プレートの
間に形成された空間と連通する第２孔部（７ｂ）を有す
る。閉塞部材（４）が空間内に実装され、第１位置と第
２位置の移動することができる。第１位置にある閉塞部
材により、流体が第１孔部と第２孔部の間を流れること
を可能とし、第２位置にある閉塞部材により、第２孔部
が閉塞される。
れ、システム全体が小型化される受動マイクロバルブを
提供する。 【解決手段】 本発明の受動マイクロバルブは、第１孔
部（２）を有する基板（１）を備える。上側プレート
（７ａ）は、基板上に実装され、基板と上側プレートの
間に形成された空間と連通する第２孔部（７ｂ）を有す
る。閉塞部材（４）が空間内に実装され、第１位置と第
２位置の移動することができる。第１位置にある閉塞部
材により、流体が第１孔部と第２孔部の間を流れること
を可能とし、第２位置にある閉塞部材により、第２孔部
が閉塞される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、微小流体
システムにおける液体または気体の流れを制御する際に
利用可能な受動マイクロバルブに関する。
システムにおける液体または気体の流れを制御する際に
利用可能な受動マイクロバルブに関する。
【０００２】
【関連技術および解決課題】先行技術において、液体ま
たは気体の流れを微小流体システム内で制御する上で利
用できるいくつかの形式の受動マイクロバルブがある。
これらの殆どのバルブは、シリコンのマイクロマシーン
技術を用いて製造される。
たは気体の流れを微小流体システム内で制御する上で利
用できるいくつかの形式の受動マイクロバルブがある。
これらの殆どのバルブは、シリコンのマイクロマシーン
技術を用いて製造される。
【０００３】米国特許第５，３７５，９７９号によれ
ば、マイクロバルブは、単結晶シリコンのバルクマイク
ロマシーン技術により製造される。このマイクロバルブ
は、開閉するために加えられる正方向または逆方向の圧
力に呼応して湾曲するシリコン製の片持ち梁（カンチレ
バー）またはプレートを備える。欧州特許出願第０４８
３４６９号によれば、表面マイクロマシーン技術を用い
た同種のカンチレバーバルブの製造方法が開示されてい
る。
ば、マイクロバルブは、単結晶シリコンのバルクマイク
ロマシーン技術により製造される。このマイクロバルブ
は、開閉するために加えられる正方向または逆方向の圧
力に呼応して湾曲するシリコン製の片持ち梁（カンチレ
バー）またはプレートを備える。欧州特許出願第０４８
３４６９号によれば、表面マイクロマシーン技術を用い
た同種のカンチレバーバルブの製造方法が開示されてい
る。
【０００４】米国特許第５，５２９，４６５号によれ
ば、表面マイクロマシーン技術で形成されたバルブを有
するマイクロポンプが開示されている。カンチレバーブ
リッジが、すべての表面上において蝶番式に取り付けら
れ、フレキシブルアームにより中心部が支持されたフラ
ップまたはプレートを有する。中央プレートは、正方向
および逆方向の圧力に対して開き、そして閉じる。
ば、表面マイクロマシーン技術で形成されたバルブを有
するマイクロポンプが開示されている。カンチレバーブ
リッジが、すべての表面上において蝶番式に取り付けら
れ、フレキシブルアームにより中心部が支持されたフラ
ップまたはプレートを有する。中央プレートは、正方向
および逆方向の圧力に対して開き、そして閉じる。
【０００５】上述のマイクロバルブは、流体がまず基板
内の孔部を通過して、バルブを介して外側へ流れる方向
において動作する。したがって、マイクロポンプ等への
用途において、入口バルブと出口バルブをシリコンウェ
ーハの対向する表面上に形成する必要性が生じる。ウェ
ーハの両面に精密な加工を施すことは、複雑な製造プロ
セスを強要するものであり、システム全体をさらに小型
化する上で障害となる。
内の孔部を通過して、バルブを介して外側へ流れる方向
において動作する。したがって、マイクロポンプ等への
用途において、入口バルブと出口バルブをシリコンウェ
ーハの対向する表面上に形成する必要性が生じる。ウェ
ーハの両面に精密な加工を施すことは、複雑な製造プロ
セスを強要するものであり、システム全体をさらに小型
化する上で障害となる。
【０００６】米国特許第５，１７１，１３２号、第５，
２５９，７３７号、第５，７５９，０１５号、および国
際特許出願第９２／０１１６０号によれば、マイクロポ
ンプを構成するために、入力バルブと出力バルブを複合
化できる、バルクマイクロマシーン技術によるバルブが
開示されている。バルブウェーハは、キャビティウェー
ハにより包囲され、入口および出口孔部、または入口お
よび出口チャンネルを含む別のウェーハに固定される。
２５９，７３７号、第５，７５９，０１５号、および国
際特許出願第９２／０１１６０号によれば、マイクロポ
ンプを構成するために、入力バルブと出力バルブを複合
化できる、バルクマイクロマシーン技術によるバルブが
開示されている。バルブウェーハは、キャビティウェー
ハにより包囲され、入口および出口孔部、または入口お
よび出口チャンネルを含む別のウェーハに固定される。
【０００７】先行技術によるマイクロバルブは、バルク
または表面マイクロマシーン技術を用いて形成され、独
立式（スタンドアロン式）のデバイスとして用いる場
合、あるいはマイクロポンプなどの他の微小流体デバイ
スに組み込む場合、少なくとも３つの基板を処理する必
要がある。
または表面マイクロマシーン技術を用いて形成され、独
立式（スタンドアロン式）のデバイスとして用いる場
合、あるいはマイクロポンプなどの他の微小流体デバイ
スに組み込む場合、少なくとも３つの基板を処理する必
要がある。
【０００８】
【解決手段および動作態様】本発明の受動マイクロバル
ブは、第１孔部を有する基板と、基板上に実装された上
側プレートとを備え、上側プレートは、基板と上側プレ
ートの間に形成された空間と連通する第２孔部を有し、
空間内に実装され、第１位置と第２位置の移動できる閉
塞部材をさらに備え、第１位置にある閉塞部材により、
流体が第１孔部と第２孔部の間を流れることを可能と
し、第２位置にある閉塞部材により、第２孔部が閉塞さ
れることを特徴とする。一般に、このマイクロバルブ
は、出力バルブとして形成され、第１孔部が出口孔部
を、第２孔部が入口孔部を構成する。
ブは、第１孔部を有する基板と、基板上に実装された上
側プレートとを備え、上側プレートは、基板と上側プレ
ートの間に形成された空間と連通する第２孔部を有し、
空間内に実装され、第１位置と第２位置の移動できる閉
塞部材をさらに備え、第１位置にある閉塞部材により、
流体が第１孔部と第２孔部の間を流れることを可能と
し、第２位置にある閉塞部材により、第２孔部が閉塞さ
れることを特徴とする。一般に、このマイクロバルブ
は、出力バルブとして形成され、第１孔部が出口孔部
を、第２孔部が入口孔部を構成する。
【０００９】本発明のマイクロバルブによれば、使用ま
たは処理される基板の数を最小限に抑えることができ
る。これにより、全体の製造プロセスを簡略化し、シス
テム全体の小型化を実現することができる。このマイク
ロバルブは、好適には、表面マイクロマシーン技術を用
いて形成される。流体は、まずマイクロバルブおよび基
板（例えばウェーハ）内を通って流れる方向に、すなわ
ち先行技術の表面バルブとは逆の方向に流れる。本発明
の主要な利点は、マイクロポンプなどの入力および出力
バルブを組み合わせた構造体を製造する上で、両方の形
式のバルブを同じ基板表面上に形成できる点にある。バ
ルブを使用する殆どの場合において、２マ枚の基板だけ
を処理すればよい。
たは処理される基板の数を最小限に抑えることができ
る。これにより、全体の製造プロセスを簡略化し、シス
テム全体の小型化を実現することができる。このマイク
ロバルブは、好適には、表面マイクロマシーン技術を用
いて形成される。流体は、まずマイクロバルブおよび基
板（例えばウェーハ）内を通って流れる方向に、すなわ
ち先行技術の表面バルブとは逆の方向に流れる。本発明
の主要な利点は、マイクロポンプなどの入力および出力
バルブを組み合わせた構造体を製造する上で、両方の形
式のバルブを同じ基板表面上に形成できる点にある。バ
ルブを使用する殆どの場合において、２マ枚の基板だけ
を処理すればよい。
【００１０】一方向バルブ（またはチェックバルブ）を
流れる流体フローは、先行技術によるデザインとは反対
方向に流れ、集積化されたシステムにおいては、極めて
重要なことである。
流れる流体フローは、先行技術によるデザインとは反対
方向に流れ、集積化されたシステムにおいては、極めて
重要なことである。
【００１１】数多くの方法を用いて、閉塞部材を基板上
に実装することができる。例えば、カンチレバー式に、
閉塞部材をフレキシブルアーム上に支持してもよい。し
かし、好適には、一連の（通常４つの）フレキシブルア
ームを用いて、閉塞部材を支持する。都合のよいこと
に、閉塞部材とアームは、フレキシブルダイアフラムと
して構成される
に実装することができる。例えば、カンチレバー式に、
閉塞部材をフレキシブルアーム上に支持してもよい。し
かし、好適には、一連の（通常４つの）フレキシブルア
ームを用いて、閉塞部材を支持する。都合のよいこと
に、閉塞部材とアームは、フレキシブルダイアフラムと
して構成される
【００１２】いくつかの場合において、閉塞部材が第１
孔部を閉塞するまで物理的に移動できないように、閉塞
部材を構成することができる。このとき、マイクロバル
ブは、第１孔部に向かう閉塞部材の移動を規制するため
の少なくとも１つのストップ部材をさらに有する。この
ストップ部材は、閉塞部材上に形成することもできる
が、好適には、基板上に形成される。
孔部を閉塞するまで物理的に移動できないように、閉塞
部材を構成することができる。このとき、マイクロバル
ブは、第１孔部に向かう閉塞部材の移動を規制するため
の少なくとも１つのストップ部材をさらに有する。この
ストップ部材は、閉塞部材上に形成することもできる
が、好適には、基板上に形成される。
【００１３】上述のように、マイクロバルブは、従来の
マイクロマシーン技術を用いて、シリコンまたはガリウ
ム砒素等の一般的な半導体材料、ガラス、ポリアミド、
クォーツ、セラミック、プラスチック、または金属を用
いて製造することができる。好適な実施形態において
は、基板は単結晶シリコンウェーハからなり、上側プレ
ートおよび閉塞部材の一方または両方は、多結晶質シリ
コンで形成される。
マイクロマシーン技術を用いて、シリコンまたはガリウ
ム砒素等の一般的な半導体材料、ガラス、ポリアミド、
クォーツ、セラミック、プラスチック、または金属を用
いて製造することができる。好適な実施形態において
は、基板は単結晶シリコンウェーハからなり、上側プレ
ートおよび閉塞部材の一方または両方は、多結晶質シリ
コンで形成される。
【００１４】本発明によるマイクロバルブは、マイクロ
ポンプまたはマルチチャンネルアナライザ等の微小流体
デバイスを含む広範な用途において用いることができ
る。
ポンプまたはマルチチャンネルアナライザ等の微小流体
デバイスを含む広範な用途において用いることができ
る。
【００１５】すなわち、マイクロポンプは、基板と、ポ
ンプチャンバを形成するために基板の上方に配置された
フレキシブルなダイアフラムと、基板の１つの表面上に
実装され、フレキシブルなダイアフラムに面し、基板内
を貫通して延びる各開口部を介して連通する入力および
出力マイクロバルブとを備え、少なくとも１つのマイク
ロバルブが本発明にしたがって構成され、ダイアフラム
を湾曲させ、流体をポンプ方向でマイクロポンプを介し
て流すためのアクチュエータをさらに備える。
ンプチャンバを形成するために基板の上方に配置された
フレキシブルなダイアフラムと、基板の１つの表面上に
実装され、フレキシブルなダイアフラムに面し、基板内
を貫通して延びる各開口部を介して連通する入力および
出力マイクロバルブとを備え、少なくとも１つのマイク
ロバルブが本発明にしたがって構成され、ダイアフラム
を湾曲させ、流体をポンプ方向でマイクロポンプを介し
て流すためのアクチュエータをさらに備える。
【００１６】
【発明の実施の形態】添付図面を参照しながら、受動マ
イクロバルブ、マイクロポンプ、およびマイクロバルブ
の製造方法に関するいくつかの具体例について、以下説
明する。
イクロバルブ、マイクロポンプ、およびマイクロバルブ
の製造方法に関するいくつかの具体例について、以下説
明する。
【００１７】受動的な単一方向性のマイクロバルブ構造
物は、フレキシブルなアームにより支持された可動式バ
ルブプレートを有する。このバルブプレートは、液体ま
たは気体の流速が増大または低減するように、加えられ
た圧力に呼応して移動する。
物は、フレキシブルなアームにより支持された可動式バ
ルブプレートを有する。このバルブプレートは、液体ま
たは気体の流速が増大または低減するように、加えられ
た圧力に呼応して移動する。
【００１８】図１は、図２に示す３つの主要な層を有す
るマイクロバルブの断面図である。基板層（基板プレー
ト）１は、図２ａにおいて、流体が流れ出るための外向
きに傾斜する出口孔部２を有する。第２の層（第２プレ
ート）３は、図２ｂにおいて、複数のフレキシブルな支
持アーム５を含む可動式バルブプレートまたは閉塞部材
４からなり、第２層の外側端部は基板層１に固定されて
いる。バルブ動作時、流体は、これらの支持アーム５の
周囲にあるホール６を通過して流れる。最上層（上側プ
レート）７ａには、図２ｃに示すように、流体の流れを
可能にするための入口孔部７ｂを含むバルブ閉塞ブリッ
ジが形成される。上側プレート７ａおよび基板プレート
１は、両者の間にバルブチャンバを構成する。
るマイクロバルブの断面図である。基板層（基板プレー
ト）１は、図２ａにおいて、流体が流れ出るための外向
きに傾斜する出口孔部２を有する。第２の層（第２プレ
ート）３は、図２ｂにおいて、複数のフレキシブルな支
持アーム５を含む可動式バルブプレートまたは閉塞部材
４からなり、第２層の外側端部は基板層１に固定されて
いる。バルブ動作時、流体は、これらの支持アーム５の
周囲にあるホール６を通過して流れる。最上層（上側プ
レート）７ａには、図２ｃに示すように、流体の流れを
可能にするための入口孔部７ｂを含むバルブ閉塞ブリッ
ジが形成される。上側プレート７ａおよび基板プレート
１は、両者の間にバルブチャンバを構成する。
【００１９】正方向の圧力下にあるとき、可動式バルブ
プレート４は、図３ａに示すように下方向へ湾曲し、流
体は、ブリッジ７ａ上の入口孔部７ｂを通って流れるこ
とができる。そして流体は、支持アーム５の周囲にある
ホール６を通過し、最終的には出口孔部２を通過して流
れ出る。正方向の高い圧力が加わったとき、バルブプレ
ート４が出口孔部２を完全に塞いで、流れが堰き止めら
れることを防止するために、複数のピラー（柱部）９が
基板プレート１上に形成される。逆方向の圧力が加わっ
たとき、バルブプレート４は、図３ｂに示すように、バ
ルブブリッジ７ａに向かって持ち上げられ、これに対し
て押圧される。こうして入口孔部７ｂは塞がれ、流れが
止まる。
プレート４は、図３ａに示すように下方向へ湾曲し、流
体は、ブリッジ７ａ上の入口孔部７ｂを通って流れるこ
とができる。そして流体は、支持アーム５の周囲にある
ホール６を通過し、最終的には出口孔部２を通過して流
れ出る。正方向の高い圧力が加わったとき、バルブプレ
ート４が出口孔部２を完全に塞いで、流れが堰き止めら
れることを防止するために、複数のピラー（柱部）９が
基板プレート１上に形成される。逆方向の圧力が加わっ
たとき、バルブプレート４は、図３ｂに示すように、バ
ルブブリッジ７ａに向かって持ち上げられ、これに対し
て押圧される。こうして入口孔部７ｂは塞がれ、流れが
止まる。
【００２０】本発明のデバイスの択一的な実施形態にお
いて、入口孔部７ｂ、出口孔部２、および／またはバル
ブプレート４は、円形形状を有していてもよい。製造方
法に依存するが、下部犠牲層を除去しやすくするため
に、フレキシブル支持アーム５に孔部を設けることが好
ましい。バルブプレート４は、剛性を増大させるため
に、フレキシブル支持アーム５より厚くなるように形成
される。
いて、入口孔部７ｂ、出口孔部２、および／またはバル
ブプレート４は、円形形状を有していてもよい。製造方
法に依存するが、下部犠牲層を除去しやすくするため
に、フレキシブル支持アーム５に孔部を設けることが好
ましい。バルブプレート４は、剛性を増大させるため
に、フレキシブル支持アーム５より厚くなるように形成
される。
【００２１】基板（基板プレート）は、一般に、単結晶
シリコンウェーハである。必要ならば、数多くのバルブ
をこのウェーハ上に同時に形成してもよい。こうした技
術によれば、他の流体構成部品を同時に形成して、複数
のシステムまたは複合的なシステムを各シリコンウェー
ハ上に形成することができる。
シリコンウェーハである。必要ならば、数多くのバルブ
をこのウェーハ上に同時に形成してもよい。こうした技
術によれば、他の流体構成部品を同時に形成して、複数
のシステムまたは複合的なシステムを各シリコンウェー
ハ上に形成することができる。
【００２２】図４において、符号１０で示すバルブが微
小流体システム１１の一部として、流体チャンネル内に
組み込まれた状態が図示されている。３層の基板が用い
られているが、そのうち２層だけにパターン形成されて
いる。上側基板１２は、ガラス、シリコン、または他の
適当な材料で構成されていてもよいが、その底面に形成
された入口チャンネルまたは凹部１３を有する。中間基
板１４は、一般には、シリコンウェーハであるが、マイ
クロバルブ１０を有し、その底面に形成された流体チャ
ンネル（出口チャンネル）１５をさらに有する。下側チ
ャンネル１６は、シリコンまたはガラスからなるが、出
口チャンネル１５を包囲する。（すなわち、図４に示す
基板１４は、図１に示す基板プレート１の機能を果た
す。）作動時において、流体は、入口チャンネル１３を
介して、バルブ１０を通り、出口チャンネル１５から流
れ出ることができる。反対方向の圧力が加えられたと
き、このバルブは閉じ、流体の流れを抑制または阻止す
る。
小流体システム１１の一部として、流体チャンネル内に
組み込まれた状態が図示されている。３層の基板が用い
られているが、そのうち２層だけにパターン形成されて
いる。上側基板１２は、ガラス、シリコン、または他の
適当な材料で構成されていてもよいが、その底面に形成
された入口チャンネルまたは凹部１３を有する。中間基
板１４は、一般には、シリコンウェーハであるが、マイ
クロバルブ１０を有し、その底面に形成された流体チャ
ンネル（出口チャンネル）１５をさらに有する。下側チ
ャンネル１６は、シリコンまたはガラスからなるが、出
口チャンネル１５を包囲する。（すなわち、図４に示す
基板１４は、図１に示す基板プレート１の機能を果た
す。）作動時において、流体は、入口チャンネル１３を
介して、バルブ１０を通り、出口チャンネル１５から流
れ出ることができる。反対方向の圧力が加えられたと
き、このバルブは閉じ、流体の流れを抑制または阻止す
る。
【００２３】マイクロバルブをマイクロポンプに集積化
する方法の一例を図５に示す。マイクロポンプ２０は、
シリコンまたはガラス製の下側基板２１を有し、下側基
板２１が中間基板２２を支持し、さらに中間基板２２が
上側基板２３を支持する。中間基板２２は、入力開口部
および出力開口部２６，２７とそれぞれ流体連通する入
口および出口チャンネル２４，２５を有する。中間基板
２２には、同様に、入力バルブ２８が形成され、この入
力バルブ２８は、図１に示すマイクロバルブの第２プレ
ート３と同様の形態を有していてもよく、入力開口部２
６を塞ぐように湾曲することができる。加えて、中間基
板２２には、図１に示すマイクロバルブと同様の構造を
有する出力バルブ２９が形成されている。
する方法の一例を図５に示す。マイクロポンプ２０は、
シリコンまたはガラス製の下側基板２１を有し、下側基
板２１が中間基板２２を支持し、さらに中間基板２２が
上側基板２３を支持する。中間基板２２は、入力開口部
および出力開口部２６，２７とそれぞれ流体連通する入
口および出口チャンネル２４，２５を有する。中間基板
２２には、同様に、入力バルブ２８が形成され、この入
力バルブ２８は、図１に示すマイクロバルブの第２プレ
ート３と同様の形態を有していてもよく、入力開口部２
６を塞ぐように湾曲することができる。加えて、中間基
板２２には、図１に示すマイクロバルブと同様の構造を
有する出力バルブ２９が形成されている。
【００２４】ポンプチャンバ３０は、上側基板２３のダ
イアフラム３１と中間基板２２との間に形成される。上
側基板２３は、ダイアフラム３１を形成した後に、中間
基板２２に固定される。この製造方法において、３つの
基板を必要とするが、パターン加工する必要がある基板
は２つだけである。
イアフラム３１と中間基板２２との間に形成される。上
側基板２３は、ダイアフラム３１を形成した後に、中間
基板２２に固定される。この製造方法において、３つの
基板を必要とするが、パターン加工する必要がある基板
は２つだけである。
【００２５】ポンプを作動させるためには、ダイアフラ
ム３１を湾曲させる手段が必要となる。すなわち、圧
電、熱、または他の形態によるアクチュエータ３２を用
いて、これを実現することができる。ダイアフラム３１
が下方へ湾曲すると、ポンプチャンバ３０内の圧力が増
加し、出力バルブ２９が開き、流体が出口チャンネル２
５に流れる。ダイアフラム３１が元の位置に戻るか、上
方へ湾曲すると、ポンプチャンバ３０内の圧力が減少
し、出力バルブ２９が閉じ、入力バルブ２８が開き、そ
の結果、ポンプチャンバが入口チャンネル２４から流れ
込む流体で充填される。
ム３１を湾曲させる手段が必要となる。すなわち、圧
電、熱、または他の形態によるアクチュエータ３２を用
いて、これを実現することができる。ダイアフラム３１
が下方へ湾曲すると、ポンプチャンバ３０内の圧力が増
加し、出力バルブ２９が開き、流体が出口チャンネル２
５に流れる。ダイアフラム３１が元の位置に戻るか、上
方へ湾曲すると、ポンプチャンバ３０内の圧力が減少
し、出力バルブ２９が閉じ、入力バルブ２８が開き、そ
の結果、ポンプチャンバが入口チャンネル２４から流れ
込む流体で充填される。
【００２６】（マイクロバルブの製造方法）マイクロバ
ルブ構造体は、表面およびバルクマイクロマシーン技術
の組み合わせを用いて製造することができる。マイクロ
バルブの製造を可能とするための１つの方法について以
下説明するが、当業者ならば択一的な製造方法の可能性
を認識することができる。
ルブ構造体は、表面およびバルクマイクロマシーン技術
の組み合わせを用いて製造することができる。マイクロ
バルブの製造を可能とするための１つの方法について以
下説明するが、当業者ならば択一的な製造方法の可能性
を認識することができる。
【００２７】ここに開示される製造方法は、シリコン局
所酸化法（ＬＯＣＯＳ）および化学機械的研磨法（ＣＭ
Ｐ）を用いて、表面マイクロマシーン法の利用に際し
て、合理的に平坦な表面を維持することを支援する。
所酸化法（ＬＯＣＯＳ）および化学機械的研磨法（ＣＭ
Ｐ）を用いて、表面マイクロマシーン法の利用に際し
て、合理的に平坦な表面を維持することを支援する。
【００２８】ベース基板（下側基板）１の製造プロセス
は、シリコン基板ウェーハ４０上に（通常、１００ｎｍ
の厚みを有する）酸化シリコン層４１と、（通常、１０
０ｎｍの厚みを有する）窒化シリコン層４２とを被膜す
ることから始まる。そして、これらの層は、標準的なフ
ォトリソグラフィ技術を用いてパターン形成され、露出
されたシリコンは、図６において、４つの突出したピラ
ー９を含む凹部４３が形成されるように、通常１．５μ
ｍの深さまでエッチングされる。次に、図７に示すよう
に、標準的なＬＯＣＯＳ技術を用いて、これを熱酸化し
て、酸化シリコンからなる凹状層４４を形成する。
は、シリコン基板ウェーハ４０上に（通常、１００ｎｍ
の厚みを有する）酸化シリコン層４１と、（通常、１０
０ｎｍの厚みを有する）窒化シリコン層４２とを被膜す
ることから始まる。そして、これらの層は、標準的なフ
ォトリソグラフィ技術を用いてパターン形成され、露出
されたシリコンは、図６において、４つの突出したピラ
ー９を含む凹部４３が形成されるように、通常１．５μ
ｍの深さまでエッチングされる。次に、図７に示すよう
に、標準的なＬＯＣＯＳ技術を用いて、これを熱酸化し
て、酸化シリコンからなる凹状層４４を形成する。
【００２９】窒化シリコン層４２は除去され、図８に示
すように、（通常、１μｍの厚みを有する）酸化シリコ
ン層４５が積層され、バルブの周囲に相当する領域にお
いてシリコンウェーハが露出するようにエッチングを行
う。次に、（通常、３μｍの厚みを有する）多結晶質シ
リコン層４６を積層する。これは、図９に示すように、
表面を平坦化するために研磨される。ウェーハの裏面上
に形成されるすべての多結晶質シリコンが除去される。
すように、（通常、１μｍの厚みを有する）酸化シリコ
ン層４５が積層され、バルブの周囲に相当する領域にお
いてシリコンウェーハが露出するようにエッチングを行
う。次に、（通常、３μｍの厚みを有する）多結晶質シ
リコン層４６を積層する。これは、図９に示すように、
表面を平坦化するために研磨される。ウェーハの裏面上
に形成されるすべての多結晶質シリコンが除去される。
【００３０】図１０は、閉塞バルブプレート４および４
つの支持アーム５の製造方法を示す。これらの製造は、
平坦な表面を維持するために、ＬＯＣＯＳ法を用いて行
われる。図９に示すウェーハに酸化シリコン層４７と、
窒化シリコン層４８を被膜し、後にこれらの層にパター
ンを形成する。多結晶質シリコン層４６の約１／２から
約２／３の厚みに達するまで、露出した多結晶質シリコ
ン領域がエッチングされる。エッチングして形成された
凹部内に残存する多結晶質シリコンを消費するために、
酸化シリコン層５０を熱成長させる。酸化シリコン層５
０の表面は、多結晶質シリコン層４６の上面とほぼ同じ
高さにある。窒化シリコン層４８は実質的に除去され
る。
つの支持アーム５の製造方法を示す。これらの製造は、
平坦な表面を維持するために、ＬＯＣＯＳ法を用いて行
われる。図９に示すウェーハに酸化シリコン層４７と、
窒化シリコン層４８を被膜し、後にこれらの層にパター
ンを形成する。多結晶質シリコン層４６の約１／２から
約２／３の厚みに達するまで、露出した多結晶質シリコ
ン領域がエッチングされる。エッチングして形成された
凹部内に残存する多結晶質シリコンを消費するために、
酸化シリコン層５０を熱成長させる。酸化シリコン層５
０の表面は、多結晶質シリコン層４６の上面とほぼ同じ
高さにある。窒化シリコン層４８は実質的に除去され
る。
【００３１】（通常、１μｍの厚みを有する）酸化シリ
コン層５１が積層され、第１の多結晶質シリコン層４６
が露出するようにエッチングされる。図１２において、
（通常、２．５μｍの厚みを有する）第２の多結晶質シ
リコン層５２が積層され、入口孔部７ｂを含む閉塞バル
ブブリッジを形成するようにエッチングされる。多結晶
質シリコンは、裏面において、プラズマエッチングによ
り除去される。
コン層５１が積層され、第１の多結晶質シリコン層４６
が露出するようにエッチングされる。図１２において、
（通常、２．５μｍの厚みを有する）第２の多結晶質シ
リコン層５２が積層され、入口孔部７ｂを含む閉塞バル
ブブリッジを形成するようにエッチングされる。多結晶
質シリコンは、裏面において、プラズマエッチングによ
り除去される。
【００３２】（通常、２００ｎｍの厚みを有する）窒化
シリコン層５３が第２の多結晶質シリコン層５２上（マ
イクロバルブ表面）および酸化シリコン層４１上（マイ
クロバルブ裏面）に積層される。マイクロバルブ表面上
の窒化シリコン層は、多結晶質バルブ構造体を保護する
機能を有する。マイクロバルブ裏面にある窒化シリコン
層にはパターンが形成され、図１３に示すような孔部２
を形成するために、シリコン基板４０が水酸化カリウム
溶液を用いてエッチングされる。最後に、酸化層が濃縮
フッ酸溶液（ＨＦ）を用いて除去して、バルブ構造体を
形成する。
シリコン層５３が第２の多結晶質シリコン層５２上（マ
イクロバルブ表面）および酸化シリコン層４１上（マイ
クロバルブ裏面）に積層される。マイクロバルブ表面上
の窒化シリコン層は、多結晶質バルブ構造体を保護する
機能を有する。マイクロバルブ裏面にある窒化シリコン
層にはパターンが形成され、図１３に示すような孔部２
を形成するために、シリコン基板４０が水酸化カリウム
溶液を用いてエッチングされる。最後に、酸化層が濃縮
フッ酸溶液（ＨＦ）を用いて除去して、バルブ構造体を
形成する。
【００３３】上述のプロセスを用いて製造された、この
デザインによるマイクロバルブが有する一般的なフロー
特性を図１４および図１５に示す。消イオン水をバルブ
に流したとき、正方向および逆方向の流れを測定した結
果について評価した。図１４は、マイクロバルブの支持
アームの長さが４００μｍおよび５００μｍである場合
のマイクロバルブの正方向における流速−圧力特性を示
す。同様に、マイクロバルブの逆方向における流速−圧
力特性を図１５に示す。これらの特定のデバイスに関し
て、正方向の流速は、逆方向の流速よりも約１０倍速
い。
デザインによるマイクロバルブが有する一般的なフロー
特性を図１４および図１５に示す。消イオン水をバルブ
に流したとき、正方向および逆方向の流れを測定した結
果について評価した。図１４は、マイクロバルブの支持
アームの長さが４００μｍおよび５００μｍである場合
のマイクロバルブの正方向における流速−圧力特性を示
す。同様に、マイクロバルブの逆方向における流速−圧
力特性を図１５に示す。これらの特定のデバイスに関し
て、正方向の流速は、逆方向の流速よりも約１０倍速
い。
【図１】 図１は、マイクロバルブの具体例を示す概略
的な断面図である。
的な断面図である。
【図２】 図２（ａ）ないし（ｃ）は、図１に示すマイ
クロバルブを構成する主要な３つの層を示す平面図であ
る。
クロバルブを構成する主要な３つの層を示す平面図であ
る。
【図３】 図３（ａ）および（ｂ）は、図１と同様の図
であるが、圧力が加えられる方向が異なるときのマイク
ロバルブを示す。
であるが、圧力が加えられる方向が異なるときのマイク
ロバルブを示す。
【図４】 図４は、微小流体デバイスに組み込まれたマ
イクロバルブの概略的な断面図である。
イクロバルブの概略的な断面図である。
【図５】 図５は、マイクロポンプに組み込まれたマイ
クロバルブの概略的な断面図である。
クロバルブの概略的な断面図である。
【図６】 図６は、マイクロバルブの製造方法の１つの
段階を示す。
段階を示す。
【図７】 図７は、マイクロバルブの製造方法の１つの
段階を示す。
段階を示す。
【図８】 図８は、マイクロバルブの製造方法の１つの
段階を示す。
段階を示す。
【図９】 図９は、マイクロバルブの製造方法の１つの
段階を示す。
段階を示す。
【図１０】 図１０は、マイクロバルブの製造方法の１
つの段階を示す。
つの段階を示す。
【図１１】 図１１は、マイクロバルブの製造方法の１
つの段階を示す。
つの段階を示す。
【図１２】 図１２は、マイクロバルブの製造方法の１
つの段階を示す。
つの段階を示す。
【図１３】 図１３は、マイクロバルブの製造方法の１
つの段階を示す。
つの段階を示す。
【図１４】 図１４は、マイクロバルブに対して実施さ
れた試験結果を示すグラフである。
れた試験結果を示すグラフである。
【図１５】 図１５は、マイクロバルブに対して実施さ
れた試験結果を示すグラフである。
れた試験結果を示すグラフである。
１…基板層（基板プレート）、２…出口孔部、３…第２
の層（第２プレート）、４…可動式バルブプレート（閉
塞部材）、５…フレキシブルな支持アーム、６…ホー
ル、７ａ…最上層（上側プレート、ブリッジ）、７ｂ…
入口孔部、９…ピラー（柱部）、１０…マイクロバル
ブ、１１…微小流体システム、１２…上側基板、１４…
中間基板、１５…流体チャンネル（出口チャンネル）、
１６…下側チャンネル、２０…マイクロポンプ、２１…
下側基板、２２…中間基板、２３…上側基板、２４…入
口チャンネル、２５…出口チャンネル、２６…入力開口
部、２７…出力開口部、２８…入力バルブ、２９…出力
バルブ、３０…ポンプチャンバ、３１…ダイアフラム、
３２…アクチュエータ、４０…シリコン基板ウェーハ、
４１…酸化シリコン層、４２…窒化シリコン層、４３…
凹部、４４…凹状層、４５…酸化シリコン層、４６…多
結晶質シリコン層、４７…酸化シリコン層、４８…窒化
シリコン層、５０…酸化シリコン層、５１…酸化シリコ
ン層、５２…第２の多結晶質シリコン層、５３…窒化シ
リコン層。
の層（第２プレート）、４…可動式バルブプレート（閉
塞部材）、５…フレキシブルな支持アーム、６…ホー
ル、７ａ…最上層（上側プレート、ブリッジ）、７ｂ…
入口孔部、９…ピラー（柱部）、１０…マイクロバル
ブ、１１…微小流体システム、１２…上側基板、１４…
中間基板、１５…流体チャンネル（出口チャンネル）、
１６…下側チャンネル、２０…マイクロポンプ、２１…
下側基板、２２…中間基板、２３…上側基板、２４…入
口チャンネル、２５…出口チャンネル、２６…入力開口
部、２７…出力開口部、２８…入力バルブ、２９…出力
バルブ、３０…ポンプチャンバ、３１…ダイアフラム、
３２…アクチュエータ、４０…シリコン基板ウェーハ、
４１…酸化シリコン層、４２…窒化シリコン層、４３…
凹部、４４…凹状層、４５…酸化シリコン層、４６…多
結晶質シリコン層、４７…酸化シリコン層、４８…窒化
シリコン層、５０…酸化シリコン層、５１…酸化シリコ
ン層、５２…第２の多結晶質シリコン層、５３…窒化シ
リコン層。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 ハロルド・サミュエル・ギャンブル
イギリス、ビーティ25・１エイチエイ・カ
ウンティ・ダウン、ドロモアー、アイラン
ド・ヒル16番
(72)発明者 サミュエル・ジョン・ニール・ミッチェル
イギリス、ビーティ34・１エヌゼット・カ
ウンティ・ダウン、ニューリー、ブレイ・
ロード６番
(72)発明者 ダニエル・チア・シェン・ビエン
マレイシア43000セランゴール・ダルル・
イーサン、カヤング、タマン・ブキット・
メワー、ジャラン３、11番
(72)発明者 スティーブン・ピーター・フィッツジェラ
ルド
イギリス、ノーザン・アイルランド、ビー
ティ29・４キューワイ、カウンティ・アン
トリム、クラムリン、ダイヤモンド・ロー
ド、アードモア、ランドックス・ラボラト
リーズ・リミテッド内
Ｆターム(参考） 3H058 AA03 AA13 BB22 CB01 CC05
EE01 EE24
3H071 AA01 AA06 BB01 CC31 CC33
DD04 EE01 EE07 EE11 EE15
3H077 AA01 AA11 CC02 CC09 DD09
DD13 EE36 EE37 FF10 FF45
Claims (9)
- 【請求項１】 受動マイクロバルブであって、 第１孔部を有する基板と、 基板上に実装された上側プレートとを備え、 上側プレートは、基板と上側プレートの間に形成された
空間と連通する第２孔部を有し、 空間内に実装され、第１位置と第２位置の移動できる閉
塞部材をさらに備え、 第１位置にある閉塞部材により、流体が第１孔部と第２
孔部の間を流れることを可能とし、 第２位置にある閉塞部材により、第２孔部が閉塞される
ことを特徴とする受動マイクロバルブ。 - 【請求項２】 請求項１に記載の受動マイクロバルブで
あって、 閉塞部材は、少なくとも１つのフレキシブルアームによ
り支持されることを特徴とする受動マイクロバルブ。 - 【請求項３】 請求項１または２に記載の受動マイクロ
バルブであって、 閉塞部材は、フレキシブルなダイアフラムの一部を構成
することを特徴とする受動マイクロバルブ。 - 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれか一に記載の
受動マイクロバルブであって、 第２孔部に向かって閉塞部材が移動することを規制する
ための少なくとも１つのストップ部材をさらに有するこ
とを特徴とする受動マイクロバルブ。 - 【請求項５】 請求項４に記載の受動マイクロバルブで
あって、 ストップ部材は、基板上に設けられることを特徴とする
受動マイクロバルブ。 - 【請求項６】 請求項１ないし５のいずれか一に記載の
受動マイクロバルブであって、 基板は、単結晶シリコン、ガリウム砒素、ガラス、クォ
ーツ、セラミック、金属またはプラスチックからなるウ
ェーハを含むことを特徴とする受動マイクロバルブ。 - 【請求項７】 請求項１ないし５のいずれか一に記載の
受動マイクロバルブであって、 上側プレートおよび／または閉塞部材は、多結晶質シリ
コン、金属、ポリアミド、ガラス、またはプラスチック
を用いて構成されることを特徴とする受動マイクロバル
ブ。 - 【請求項８】 微小流体デバイスであって、 基板の同一平面上に形成された複数のマイクロバルブを
備え、 各マイクロバルブは、基板内を貫通して延びる各開口部
を介して連通し、 少なくとも１つのマイクロバルブが、請求項１ないし７
のいずれか一に記載されたように構成されたことを特徴
とする受動マイクロバルブ。 - 【請求項９】 マイクロポンプであって、 基板と、 ポンプチャンバを形成するために基板の上方に配置され
たフレキシブルなダイアフラムと、 基板の１つの表面上に実装され、フレキシブルなダイア
フラムに面し、基板内を貫通して延びる各開口部を介し
て連通する入力および出力マイクロバルブとを備え、 少なくとも１つのマイクロバルブが、請求項１ないし７
のいずれか一に記載されたように構成され、 ダイアフラムを湾曲させ、流体をポンプ方向でマイクロ
ポンプを介して流すためのアクチュエータをさらに備え
たことを特徴とするマイクロポンプ。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GBGB0123054.9A GB0123054D0 (en) | 2001-09-25 | 2001-09-25 | Passive microvalve |
| GB0123054-9 | 2001-09-25 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003227572A true JP2003227572A (ja) | 2003-08-15 |
| JP2003227572A5 JP2003227572A5 (ja) | 2005-11-10 |
Family
ID=9922660
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002279388A Pending JP2003227572A (ja) | 2001-09-25 | 2002-09-25 | 受動マイクロバルブ |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20030071235A1 (ja) |
| EP (1) | EP1296067B1 (ja) |
| JP (1) | JP2003227572A (ja) |
| AT (1) | ATE319016T1 (ja) |
| DE (1) | DE60209449T2 (ja) |
| GB (1) | GB0123054D0 (ja) |
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| WO2024070487A1 (ja) * | 2022-09-30 | 2024-04-04 | 大研医器株式会社 | 弁構成部材 |
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| US7867194B2 (en) | 2004-01-29 | 2011-01-11 | The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. | Drug delivery apparatus |
| DE102006011545B4 (de) * | 2006-03-14 | 2016-03-17 | Robert Bosch Gmbh | Mikromechanisches Kombi-Bauelement und entsprechendes Herstellungsverfahren |
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| WO2008094672A2 (en) | 2007-01-31 | 2008-08-07 | Charles Stark Draper Laboratory, Inc. | Membrane-based fluid control in microfluidic devices |
| WO2011008070A1 (en) * | 2009-07-13 | 2011-01-20 | Mimos Berhad | Cantilever microvalve structure and method of fabricating same |
| WO2012036627A1 (en) * | 2010-09-17 | 2012-03-22 | Agency For Science, Technology And Research | A microfluidic device for altering a fluid flow and a microfluidic system including the microfluidic device |
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| US9528633B2 (en) | 2012-12-17 | 2016-12-27 | Novartis Ag | MEMS check valve |
| US9572712B2 (en) | 2012-12-17 | 2017-02-21 | Novartis Ag | Osmotically actuated fluidic valve |
| WO2014136090A1 (en) | 2013-03-07 | 2014-09-12 | Debiotech S.A. | Microfluidic valve having improved tolerance to particles |
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