JP2004332705A

JP2004332705A - マイクロポンプ

Info

Publication number: JP2004332705A
Application number: JP2003168451A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Shimada; 陽一島田; Yasuaki Aoki; 康彰青木
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-05-09
Filing date: 2003-05-09
Publication date: 2004-11-25

Abstract

【目的】小形でポンプ性能が安定し、構造的に強固なマイクロポンプを容易に製造することができるようにする。
【構成】下側基板と上側基板との間に振動子によって振動する通気孔があけられた振動板を挟持して、上側基板との間で背圧室が、ポンプ吐出口が設けられた下側基板との間で吸気口を有する吸排気室が形成されるようにしたマイクロポンプにあって、半導体ウエハの（１００）面の一部をウェットエッチングにより薄膜化することによって振動板が形成された半導体基板を、下側基板と上側基板との間に挟持するように構成する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、振動板の振動によってガス等の流体を吐出する、半導体基板のマイクロマシニング加工によって製造されるマイクロポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のマイクロポンプにあっては、例えば、図７に示すように、ポンプ吐出口７２および吸気口７３が設けられた金属製のケース７１の内部に、圧電素子７４が取り付けられた振動板７５を、ケース７１との間で吸排気室７６が、基板７８との間で背圧室７７が形成されるように、基板７８を介してバネ７９によって加圧保持するように構成されていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−２３６８８０号公報（第５〜６頁、図１）
【０００４】
このような構造によるマイクロポンプでは、その構成部品の全てが機械加工によるもので小形化には自ずと限界があるものとなっている。また、ポンプ性能を高めるためには部材の組付け精度が要求されるが、部材の寸法誤差や、振動板を加圧保持させる際の加圧状態のばらつきなどによって共振周波数、機械電気結合係数等のポンプ特性が個々にばらついてしまい、製品の歩留りの低下につながっている。
【０００５】
特に、センサ本体に作用する角速度に応じたガス流の偏向状態を感熱抵抗素子によって電気的に検出するガスレートセンサで、センサ本体が半導体基板のエッチングによるマイクロマシニング加工によって製造された超小形のものにあって、そのセンサ本体に安定したガス流を送り込むポンプとして、より小形でポンプ性能の良いものが求められており、ポンプの駆動周波数、ガス吐出効率のばらつきはセンサ精度の低下につながるものとなっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
解決しようとする問題点は、機械加工による構成部品を組み立てたマイクロポンプでは小形化に自ずと限界があるものとなっていることである。
【０００７】
また、機械加工による構成部品を組み立てたマイクロポンプでは、振動板の組み付け精度が悪く、ポンプ性能にばらつきを生じてしまうという問題がある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、下側基板と上側基板との間に歪振動子によって振動する通気孔があけられた振動板を挟持して、上側基板との間で背圧室が、ポンプ吐出口が設けられた下側基板との間で吸気口を有する吸排気室が形成されるようにしたマイクロポンプにあって、小形でポンプ性能にばらつきのないものを容易に製造することができるようにするべく、シリコンウエハの（１００）面の一部をウェットエッチングにより薄膜化することによって振動板が形成された半導体基板を、下側基板と上側基板との間に挟持するようにしている。
【０００９】
【実施例】
本発明によるマイクロポンプにあっては、図１および図２に示すように、シリコンウエハをエッチングすることによって吸排気室６となる空間およびポンプ吐出口７が形成された下側基板１と、シリコンウエハをエッチングすることによって背圧室５となる空間が形成された上側基板２と、シリコンウエハをエッチングすることによって薄膜化された振動板３１が形成され、その振動板３１の基部３２において下側基板１と上側基板２との間に挟持されて一体に接着された半導体基板３と、その振動板３１上に接着された平板状の圧電素子４とによって構成されている。
【００１０】
ここでは、振動子として圧電素子を用いているが、その他電磁気的に振動する電歪振動子や磁歪振動子などが広く用いられる。
【００１１】
また、半導体基板３の側壁の一部が切り欠かれて下側基板１との間でガスの吸入口９が形成されている。
【００１２】
振動板３１には、下側基板１に設けられているポンプ吐出口７と同一の中心線上となる位置に通気孔８があけられており、振動板３１が背圧室５側にたわんで背圧室５内のガスを吐出する際、ガスが一直線にポンプ吐出口７に流れて効率良く安定に吐出されるように、ポンプ吐出口７と通気孔８との相対的な位置決めがなされているとともに、ポンプ吐出口７と通気孔８との大きさが最適設定されている。
【００１３】
このようなマイクロポンプにあって、特に本発明では、図３および図４に示すように、シリコンウエハにおける（１００）面からなる片面をウェットエッチングすることによって、薄膜化された振動板３１を形成するようにしている。
【００１４】
半導体（シリコン）ウエハのマイクロマシニング加工には、ドライエッチングおよびウェットエッチングによる加工技術がある。そして、それぞれのエッチングには全ての方向にエッチングする等方性エッチングと特定の方向に選択的にエッチングする異方性エッチングとがあり、半導体ウエハを立体的に加工するフォトリゾグラフィー技術では異方性エッチングが比較的多く用いられる。
【００１５】
本発明では、エッチング速度が速くてスループット性が良く、バッチ処理によりコストの削減が可能であり、ドライエッチングよりも生産性に優れたウェットエッチングを採用して、シリコンウエハを異方性エッチングするようにしている。その際、シリコンウエハの（１００）面をエッチングすると、（１１１）面からなる側面をもった四角錐状に切削加工されて、正方形の薄膜化された振動板３１が形成される。
【００１６】
その正方形の振動板３１上には、振動時に圧電素子４が振動板３１に与える応力が円周上均等に分散して、部分的に集中するようなことがないように、円形の平板状の圧電素子４が同一中心をもって接着されている（図２参照）。
【００１７】
シリコンウエハの（１００）面を異方性のウェットエッチングして薄膜状の振動板３１を形成する工程としては、以下のとおりである。
【００１８】
まず、シリコンウエハの（１００）面における非加工部分をマスキングして、エッチャントに投入する。
【００１９】
エッチャントは、異方性のウェットエッチングのために、ＫＯＨ、ＥＤＰ（エチレンジアミン・ピロカテコール）、ＴＭＡＨ（４メチル水酸化アンモニウム）などのアルカリ性の水溶液を用いる。
【００２０】
エッチャントに投入されたシリコンウエハは、エッチャントの濃度と時間とにより決まるエッチング速度により、エッチングが進行する。そして、シリコンウエハのエッチング部位が予定の薄膜の厚さになったときにエッチャントから引き出してエッチングをストップさせる。
【００２１】
その際、エッチングされた部位は、（１００）面による平面が露出され、（１１１）面による側面が露出された状態になる。（１１１）面は異方性ウェットエッングにおいて最終的に出現する安定な結晶面であり、エッチングにより薄膜状に形成された振動板３１の全周がその（１１１）面からなる部分によって支持される、このような振動板３１の支持状態は安定であるとともに構造的に強固であり、ばらつきなく常に一定の振動特性を発揮することのできる振動板３１を容易に得ることができるようになる。
【００２２】
次いで、そのエッチングにより薄膜化された平面に通気孔８をエッチングにより穿設する。
【００２３】
それは、シリコンウエハの薄膜化された平面に通気孔８があけられる部分以外にマスキングを施して、エッチャントに投入してウェットエッチングを行わせることによって、方形の開口部をもった孔が穿設される。
【００２４】
その通気孔８の穿設は、それをドライエッチングによって行わせるようにしてもよい。その場合には、背圧室５内のガスを吐出する際に比較的乱流になりにくい円形の開口部をもった孔を穿設することができるが、ウェットエッチングに比べてスループットが低下してしまう。
【００２５】
下側基板１および上側基板２にあっても同様に、半導体（シリコン）ウエハの（００１）面を異方性のウェットエッチングすることによって加工するようにしている。
【００２６】
なお、下側基板１および上側基板２にあっては、それが特にシリコンウエハをエッチングにより加工したものに限らず、合成樹脂やセラミックなどの成型品を用いるようにしてもよい。
【００２７】
また、図５はシリコンウエハをエッチングすることにより薄膜化された振動板３１が形成された半導体基板３の他の構成例を示している。
【００２８】
ここでは、シリコンウエハの表裏における（１００）面を両側からそれぞれ異方性のウェットエッチングにより切削して薄膜化するようにしている。
【００２９】
このようにシリコンウエハの両面をエッチングして振動板３１を形成することにより、図３に示すシリコンウエハの片面をエッチングして振動板３１を形成したものに比べて、振動板３１の端部の構造が強化されて、振動に対して耐久性に優れ、破壊に強いものになる。そして、マイクロポンプにおける背圧室５の容量を増大させることができるようになる。
【００３０】
いま、図１に示す本発明によるマイクロポンプ（Ａ）と図７に示す従来構造によるマイクロポンプ（Ｂ）とをそれぞれ８７個作製し、それぞれの共振周波数の平均値と共振周波数の変動率（標準偏差を平均値で割った値）を測定した結果を表１に示す。
【００３１】

【００３２】
また、図６は、各マイクロポンプＡ，Ｂの共振周波数の分布を表わすために、各共振周波数の平均値からのずれ量を平均値で割った値のヒストグラムを示している。階級としては、マイクロポンプＢの分布に対応する１〜８とした。
【００３３】
この測定結果によれば、本発明によるマイクロポンプＡの方が共振周波数の分布が狭く、ポンプ特性が安定していることがわかる。このことから、ポンプ駆動回路の発生周波数を狭くすることができ、共振周波数の適正値の設定によっては検査行程を省略できるといったコストダウンにつながる。
【００３４】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、半導体ウエハの（１００）面の一部をウェットエッチングすることによって薄膜化による振動板が形成された半導体基板を上側基板と下側基板との間に挟持するようにしているので、小形で、ポンプ性能の安定した構造的に強固なマイクロポンプを容易に製造することができるという利点を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施によるマイクロポンプを示す正断面図である。
【図２】本発明の一実施によるマイクロポンプの分解斜視図である。
【図３】半導体ウエハをエッチングすることによって振動板が形成された半導体基板の一例を示す正断面図である。
【図４】その振動板が形成された半導体基板の斜視図である。
【図５】半導体ウエハをエッチングすることによって振動板が形成された半導体基板の他の例を示す正断面図である。
【図６】本発明によって製造されたマイクロポンプと従来構造によるマイクロポンプとをそれぞれ複数製造したときの各共振周波数の分布状態を示すヒストグラム図である。
【図７】従来のマイクロポンプの構成例を示す正断面図である。
【符号の説明】
１下側基板
２上側基板
３半導体基板
３１振動板
４圧電素子
５背圧室
６吸排気室
７ポンプ吐出口
８通気孔
９吸気口

Claims

下側基板と上側基板との間に振動子によって振動する通気孔があけられた振動板を挟持して、上側基板との間で背圧室が、ポンプ吐出口が設けられた下側基板との間で吸気口を有する吸排気室が形成されるようにしたマイクロポンプであって、半導体ウエハの（１００）面の一部をウェットエッチングにより薄膜化することによって振動板が形成された半導体基板を、下側基板と上側基板との間に挟持するようにしたことを特徴とするマイクロポンプ。
半導体基板が、半導体ウエハにおける（１００）面からなる両面をそれぞれウェットエッチングすることによって薄膜化されていることを特徴とする請求項１の記載によるマイクロポンプ。
半導体基板における薄膜化された部分の支持部が、シリコンウエハの（１１１）面によって構成されていることを特徴とする請求項１の記載によるマイクロポンプ。