JP2005030307A

JP2005030307A - Micro pump, and method for manufacturing the same

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Publication number: JP2005030307A
Application number: JP2003196617A
Authority: JP
Inventors: Kotaro Tanaka; 康太郎田中; Haruyasu Komano; 晴保駒野; Nobuaki Kitano; 延明北野; Yukio Abe; 由起雄阿部; Makoto Horie; 誠堀江
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2003-07-14
Filing date: 2003-07-14
Publication date: 2005-02-03
Anticipated expiration: 2023-07-14
Also published as: JP4206849B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a micro pump which can be miniaturized and integrated on a Si or quartz substrate, and a method for manufacturing the same. <P>SOLUTION: Integration with an external element is facilitated by forming a pressure chamber 2, valve chambers 4 and 6 and flow passages 8 and 10 in one plane only on one side of a substrate 1 formed of Si, quartz or the like. In the manufacturing step, Si materials 32 and 37 forming a sacrifice layer on the substrate and quartz materials 35 and 38 to form components are deposited, the pattern thereof is formed, and the etching thereof is performed. A drive element 41 of the pressure chamber 2 is provided on an upper surface 42 of the substrate. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、医療、分析等の分野において微小流体の精密な制御が必要とされるマイクロポンプ及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、マイクロポンプは特許文献１に示されるように、主にマイクロマシン技術を用いて製作されている。図１１（ａ）はマイクロポンプの構造を示したものである。
【０００３】
マイクロポンプは下地基板６０、下層Ｓｉ基板６１、上層Ｓｉ基板６２，シール基板６３が順次積層されて形成され、各基板６０〜６３にフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングし、結晶異方性エッチングにてポンプの構成部材が形成される。
【０００４】
下地基板６１には吸入流路６４と吐出流路６５が形成される。下層Ｓｉ基板６１には流入室６６と吐出室６７が形成され、且つその吐出室６７上に吐出側弁体６８が形成される。上層Ｓｉ基板６２には圧力室６９が形成され、その圧力室６９に下層Ｓｉ基板６１の流入室６６に臨んで吸入側弁体７０が形成される。シール基板６３は圧力室６９に臨んだ面にダイヤフラム部７１が形成されるよう凹部７２が形成され、その凹部７２に圧電素子７３が設けられる。
【０００５】
これら基板６０〜６３は、上述のポンプ構成部材の形成後、陽極接合等の方法を用いて多層に接合することでマイクロポンプが製作される。
【０００６】
図１１（ｂ）（ｃ）はマイクロポンプの動作を説明する図である。
【０００７】
圧電素子７３が圧力室６９の内圧を減少させるときは、図１１（ｂ）に示すように、吸入側弁体７０が開き、吐出側弁体６８が閉じて吸入流路６４の流体が圧力室６９へ移動する。逆に、圧電素子７３が圧力室６９の内圧を増加させるときは、図１１（ｃ）に示すように、吐出側弁体６８が開き、吸入側弁体７０が閉じて圧力室６９内の流体は吐出流路６５へ移動する。圧電素子７０が圧力室６９の内圧を増減することにより、上述の動作を繰り返してマイクロポンプの機能を果たす。
【０００８】
【特許文献１】
特開平５−１６６９号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の構造ではＳｉ基板の両面をパターニングする工程やダイヤフラム形状に薄膜化する工程を含む為に、従来から用いていた半導体加工用の装置をそのまま転用することができず装置を特殊仕様とする必要がある。Ｓｉ基板の薄膜化工程がある為に基板の強度的な問題が発生する。そのため、設計上の制限や取り扱う微小流量の制御に限界が生じたり、基板の大型化が難しいといった問題がある。また、個々の構造体を別々に製造してから多層に基板を接合する構造のため工程数が多くなる。他の微小流路を用いた流体センサ等との集積化が困難である。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、基板片面のみの加工により、小型化及び集積化可能なマイクロポンプとその製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、Ｓｉまたは石英等の基板上にＳｉ系材料を成膜し、かつパターニングにて、基板上に、圧力室と吸入側バルブ室と吐出側バルブ室を平面状に形成し、その圧力室と両バルブ室を吸入側及び吐出側流路を介して連通し、上記両バルブ室に圧力室の圧力変動で吸入側及び吐出側流路を開閉する可動弁体をそれぞれ形成したものである。
【００１２】
請求項２の発明は、吸入側及び吐出側の可動弁体は、バルブ室内で圧力室側に通じる流路と吸入口または吐出口間を移動する吸入側及び吐出側可動弁体部と、可動弁体部をバルブ室の壁面に支持する可撓脚部とからなるものである。
【００１３】
請求項３の発明は、基板上面に、圧力室の容積を可変に駆動するための圧電素子を組み込んだ基板で閉じた構造とする。
【００１４】
請求項４の発明は、マイクロポンプを製造する方法において、
ａ）基板上にバルブ室の底面を区画する犠牲層を成膜する工程と、
ｂ）犠牲層を成膜した基板上に、Ｓｉ、石英系材料を成膜する工程と、
ｃ）圧力室の底面を区画するエッチストップ層を形成する工程と、
ｄ）エッチストップ層が形成された基板上に、Ｓｉ、石英系材料を成膜する工程と、
ｅ）石英系材料等の成膜の表面に弁体、圧力室等を形成するために、フォトリソグラフィを用いてパターニングする工程と、
ｆ）パターニングされた以外のＳｉ、石英系材料を反応性イオンエッチングを用いてバルブ室、圧力室を形成する工程と、
ｇ）バルブ室、圧力室底面に残った犠牲層とエッチストップ層を除去する工程とからなる。
【００１５】
請求項５の発明は、Ｓｉまたは石英等の基板上にＳｉ系材料を成膜し、かつパターニングにて、基板上に、圧力室を形成し、その圧力室内に可動ピストンを往復移動自在に設け、その可動ピストンで仕切られた圧力室の前室と後室を結ぶ連通流路を基板上に形成すると共に、前室と後室に吸入側流路と吐出側流路をそれぞれ形成し、吸入側流路に位置した前室に前室弁を形成し、連通流路に位置した後室に後室弁を形成したものである。
【００１６】
請求項６の発明は、基板に設けた可動ピストンを駆動するための、静電、圧力、磁力等を利用して素子を組み込んだ基板で閉じた構造とする。
【００１７】
請求項７の発明は、上述のマイクロポンプを製造する方法において、
ａ）基板上に圧力室の底面を区画する犠牲層を成膜する工程と、
ｂ）犠牲層を成膜した基板上に、Ｓｉ、石英系材料を成膜する工程と、
ｃ）流路等の底面を区画するエッチストップ層を形成する工程と、
ｄ）エッチストップ層が形成された基板上にＳｉ、石英系材料を成膜する工程と、
ｅ）可動ピストン上部に金属膜を成膜する工程と、
ｆ）金属膜が成膜された基板上にＳｉ、石英系材料を成膜する工程と、
ｇ）Ｓｉ、石英系材料等の成膜の表面に可動ピストン、弁体、圧力室等を形成するためにフォトリソグラフィを用いてパターニングする工程と、
ｈ）パターニングされた以外の石英系材料を反応性イオンエッチングを用いて可動ピストン、弁体、圧力室等を形成する工程と、
ｉ）圧力室、流路に残った犠牲層とエッチストップ層を除去する工程とからなる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１９】
図１は、本発明のマイクロポンプの構造の平断面図を示し、図２、図３は図１のマイクロポンプの作動状態を示す平断面図である。
【００２０】
図１〜３において、四角形状に形成された石英基板１の中央に四角形状の圧力室２が形成され、その圧力室２の一方の石英基板１に、吸入口３で外部に開放された吸入バルブ室４が形成され、他方に、吐出口５で外部に開放された吐出バルブ室６が形成される。
【００２１】
圧力室２と吸入バルブ室４は吸入側仕切壁７で仕切られ、その吸入側仕切壁７に圧力室２と連通する吸入側流路８が形成される。吸入側流路８の上辺側の吸入側仕切壁７ａは厚肉に形成され、下辺側の吸入側仕切壁７ｂは逆Ｌ字状に形成されている。吸入側仕切壁７は下辺側７ｂが上辺側７ａよりも長く形成されている。
【００２２】
同様に、圧力室２と吐出バルブ室６は吐出側仕切壁９で仕切られ、その吐出側仕切壁９に圧力室２と吐出バルブ室６を連通する吐出側流路１０が形成される。吐出口５の上辺側の吐出口流路壁１１ａは厚肉に形成され、下辺側の吐出口流路壁１１ｂは逆Ｌ字状に形成されている。下辺側吐出口流路壁１１ｂは上辺側吐出口流路壁１１ａよりも長く形成される。
【００２３】
吸入バルブ室４には圧力室２と吸入バルブ室４の圧力差で移動する吸入側可動弁体１２が形成される。吸入側可動弁体１２は、吸入口３と圧力室２に連通する吸入側流路８を開閉するＬ字状の弁体部１３と、その弁体部１３を基板１に保持し、弁体部１３の移動を許容する薄肉に形成された可撓脚部１４，１４とから形成される。可撓脚部１４、１４間の吸入バルブ室内壁１５には凸状の可撓脚部制御壁１６が形成される。
【００２４】
吐出バルブ室６には、圧力室２と吐出バルブ室６の圧力差で移動する吐出側可動弁体１７が形成される。吐出側可動弁体１７は、吐出口５と圧力室２に連通する吸入側流路９を開閉するＬ字状の弁体部１８とその弁体部１８を基板１に保持し、弁体部１８の移動を許容する薄肉に形成された可撓脚部１９，１９とから形成される。可撓脚部１９、１９間の吐出バルブ室内壁２０には凸状の可撓脚部制御壁２１が形成される。
【００２５】
吸入側可動弁体１２及び吐出側可動弁体１７は、バルブ室４、６内で上面と底面から所定の間隔を有するように形成されて、移動可能になる。
【００２６】
上述の基板１上にマイクロポンプの駆動機構として、後述するが、シリコン基板をダイヤフラム状に加工し、圧電素子を貼り付けたものを接合する。圧電素子は圧力室２の上に設けられる。駆動方法は、圧電素子によるもののほかに静電力、熱膨張力等による駆動も可能である。
【００２７】
次に本発明のマイクロポンプの動作を説明する。
【００２８】
マイクロポンプは、圧力室２の容積を変化させることで、中間工程（図１）→吸入工程（図２）→中間工程（図１）→吐出工程（図３）のサイクルを繰り返し、吸入口３側から外部の液体を吸入バルブ室４に吸い込み、これを圧力室２に、かつ、その圧力室２から吐出バルブ室６より吐出口５側から外部へ吐出させる。
【００２９】
図１に示すように、圧力室２の容積が変化していない中間工程では、圧力室２の圧力と吸入バルブ室４及び吐出バルブ室６の圧力は同じである。吸入側可動弁体１２は、吸入口３と吸入側流路壁７ｂのどちらにも接触せず、同様に、吐出側可動弁体１７は、吐出口流路壁１１ｂ、吐出側流路１０のどちらにも接触しない。このときマイクロポンプ内の液体は移動しない。
【００３０】
図２は吸入工程を示したもので、駆動用ダイヤフラムが圧力室２の容量を増加させる方向に動くとき、圧力室２の内圧が下がり、圧力室２の圧力は吸入バルブ室４と吐出バルブ室６の圧力より低くなる。圧力室２と吸入バルブ室４及び吐出バルブ室６に圧力差が生じる為、吸入側及び吐出側可動弁体１２、１７は圧力室２の方向に共に移動する。この移動により、吸入側可動弁体１２の吸入側流路壁側の面２２は下辺側の吸入側流路壁７ｂに接触するが、上辺側の吸入側流路壁７ａには接触せず、吸入バルブ室４と圧力室２とは吸入側流路８を介して連通した状態になる。一方、吐出側可動弁体１７のシール面２３は吐出側流路壁９ａ、９ｂに接触して吐出側流路１０を閉じる。よって、圧力差により吸入バルブ室４の液体は吸入側流路８を介して圧力室２へ移動し、それに伴って、吸入口３から吸入バルブ室４へ液体が吸入される。
【００３１】
図３は吐出工程を示したもので、駆動用ダイヤフラムが圧力室２の容量を減少させる方向に動くとき、圧力室２の内圧が上がり、圧力室２の圧力は吸入バルブ室４と吐出バルブ室６の内圧より高くなる。圧力室２と吸入バルブ室４及び吐出バルブ室６に圧力差が生じる為、吸入側及び吐出側可動弁体１２、１７は圧力室２と反対方向に共に移動する。この移動により、吐出側可動弁体１７の吐出口流路壁側の面２４は下辺側の吐出口流路壁１１ｂに接触するが、上辺側の吐出口流路壁１１ａには接触せず、吐出バルブ室６と圧力室２とは吐出側流路１０を介して連通した状態になる。一方、吸入側可動弁体１２のシール面２５が吸入口３に接触して吸入口３を閉じる。よって、圧力差により圧力室２の液体は吐出側流路１０を通じて吐出バルブ室６へ移動し、これにより、吐出バルブ室６から吐出口５へ液体が吐出される。
【００３２】
本発明のマイクロポンプの製造方法を図４に示す。図４は、図１におけるＡ−Ａ線に沿ったプロセス断面図である。
【００３３】
図４（ａ）に示す石英基板３１はマイクロポンプの下地基板となり、図４（ｂ）に示すように、石英基板３１上にａ−Ｓｉ膜３２をスパッタリングを用いて成膜し、フォトリソグラフィによりパターニングする。ａ−Ｓｉ膜３２の形成パターンは図１で説明したバルブ室６の底面を区画するために形成される。ａ−Ｓｉ膜３２は可動弁体１７がバルブ室６内を移動する為に、バルブ室６底面と可動弁体１７間に一定隙間を形成する為の犠牲層である。
【００３４】
次に図４（ｃ）に示すように、プラズマＣＶＤを用いてＳｉＯ_２膜３５を成膜した後、図４（ｄ）に示すように、ａ−Ｓｉ膜３７をスパッタリングを用いて成膜し、フォトリソグラフィによりパターニングする。ａ−Ｓｉ膜３７の形成パターンは圧力室２、流路１０の底面を区画するために形成され、ａ−Ｓｉ膜３７はバルブ室６と圧力室２や流路１０との間に段差を形成する為のエッチストップ層となる。
【００３５】
次に図４（ｅ）に示すように、プラズマＣＶＤを用いてＳｉＯ_２膜３８を成膜した後、図４（ｆ）に示すように、ＷＳｉ膜４０をスパッタリングを用いて成膜し、フォトリソグラフィによりパターニングする。ＷＳｉ膜４０ａはポンプ内壁３９を形成する為のマスクであり、ＷＳｉ膜４０ｂは可動弁体１７を形成する為のマスクである。
【００３６】
図４（ｇ）に示すように、パターニングされたＷＳｉ膜４０をマスク材として反応性イオンエッチング装置を用いてＳｉＯ_２膜３８、３５をエッチングする。ＳｉＯ_２膜３８、３５はａ−Ｓｉ３２、３７のエッチストップ層までエッチングされる。ＷＳｉ膜４０ａ下のＳｉＯ_２膜３８，３５はポンプ内壁３９を形成し、ＷＳｉ膜４０ｂ下のＳｉＯ_２膜３８，３５は可動弁体１７を形成する。
【００３７】
次に図４（ｈ）に示すように、ＷＳｉ膜４０及びａ−Ｓｉ膜３２、３７をエッチングする。犠牲層であるａ−Ｓｉ膜３２の除去により、可動弁体１７と下地基板３１間に隙間ができ、可動弁体１７は自立し、バルブ室６が形成される。また、ａ−Ｓｉ膜３４の除去により、圧力室２と流路１０が形成される。
【００３８】
ここで、上述の説明は図１におけるＡ−Ａ線断面の製造方法を示したものであり、ａ−Ｓｉ膜３２によって形成されるパターンは、吐出バルブ室６の他に吸入側バルブ室４に対応している。ａ−Ｓｉ膜３７によって形成されるパターンは、圧力室２及び流路１０の他に、吸入口３、吐出口５、吸入側流路８のパターンに対応している。
【００３９】
最後に図４（ｉ）に示すように、シリコン基板をダイヤフラム状に加工し、駆動用の圧電素子４１を圧力室２上に組み込んだシール基板４２をＳｉＯ_２膜３８上に陽極接合等の方法で接合して完成する。なお、シール基板４２の材質としてシリコンの代わりにガラスを用いることもできる。
【００４０】
この実施形態による発明の作用と効果について説明する。
【００４１】
本発明は、圧力室２、バルブ室４、６が平面的に構成されるマイクロポンプを、半導体加工用装置を用いて基板片面だけ加工するため、製作工程が容易になり、従来のマイクロポンプより構造的強度を増すことができる。また、マイクロポンプとそれに接続する他素子を同じ基板で製作することができる。
【００４２】
このように本発明は基板上に平面的にマイクロポンプを製作できるため、一つの基板上に複数のマイクロポンプを同時に製作できる。
【００４３】
本発明によるマイクロポンプと微小流路を用いた流体センサを集積した例を図５で説明する。図５は、マイクロポンプ５１を集積した形態を示したものである。図５において、上述したように、基板５０上にマイクロポンプ５１を複数形成し、同時に、各吸入側バルブ室側に複数の試薬等を収容した液だめ部５２を形成し、各吐出バルブ室に分析用流路５３を形成し、かつ、これら分析用流路５３から吐出された試薬等を混合する調合室５４を形成し、その調合室５４で調合された試薬等を吸入するマイクロポンプ５５を形成し、さらに、そのマイクロポンプ５５の吐出側の流路５８に加熱用のマイクロヒータ５６を設け、その流路５８に試薬供給室５７を形成したものである。
【００４４】
このようにポンプを平面的に形成することによって、集積化が可能になると共に、任意の試薬等を調合して送り出すことが可能となる。
【００４５】
次に図６、７により本発明の他の実施の形態を説明する。
【００４６】
図６はマイクロポンプ構造の斜視図を示し、図７はマイクロポンプの平断面図を示している。
【００４７】
上述の実施の形態では、基板１上に圧力室２と吸入および吐出バルブ室４，６が流路８，１０によって連通した構造の例を示したが、図６，７に示すマイクロポンプは、圧力室８２内に可動ピストン８３を設け、圧力室８２が、その可動ピストン８３によって圧力室８２に吸入バルブ室となる前室８６と吐出バルブ室となる後室８７を形成したものである。
【００４８】
前室８６と後室８７は連通流路８８を介して連通しており、前室８６には吸入側流路８９が形成され、吸入側流路８９と前室８６の間には前室弁９０が形成される。後室８７には吐出側流路９１が形成され、連通流路８８と後室８７の間には後室弁９２が形成される。
【００４９】
可動ピストン８３の駆動のためにシール基板９３には２本の電磁石９４、９５が設けられ、可動ピストン８３上部には金属膜８４が形成され、可動ピストン８３の両側面部には可動軸部８５，８５が形成される。可動軸８５，８５は可動ピストン８３を保持し、圧力室８２には可動軸部８５，８５が移動できる空間８２ａが形成されている。
【００５０】
次にマイクロポンプの動作を説明する。
【００５１】
シール基板９３上部にある２本の電磁石９４，９５の一方に電圧を印加させると、圧力室内の可動ピストン８３上部には金属膜８４が設けてある為、可動ピストン８３が電圧印加された側に動く。
【００５２】
マイクロポンプは、電磁石９４，９５により可動ピストン８３を駆動させることで、図８における（ａ）中間工程→（ｂ）吸入、吐出工程→（ａ）中間工程→（ｃ）前室から後室への液体移動工程のサイクルを繰り返し、吸入側流路８９から外部の液体を前室８６に吸入し、前室８６の液体を連通流路８８を通じて後室８７に移動し、吐出側流路９１から外部へ吐出する。
【００５３】
図８（ａ）は、電磁石９４，９５に電圧が印加されていない状態で、可動ピストン８３が前室８６及び後室８７の容積を等しくする位置にある工程を示している。前室８６と後室８７の圧力は等しい為、マイクロポンプ内にある液体は移動しない（中間工程）。
【００５４】
図８（ｂ）は、一方の電磁石９５に電圧が印加されている状態で、可動ピストン８３が図示の矢印に示すように、前室８６の容積を大きく、後室８７の容積を小さくする方向に動いている工程を示している。前室８６の圧力は低くなり、後室８７の圧力は高くなる。よって、外部の液体が吸入側流路８９を通じて前室８６に流入し、同時に、後室８７の液体は吐出側流路９１を介して外部に流出する。この際、前室８６と後室８７の圧力差によって後室弁９２が閉じる為、後室８７の液体は連通流路８８には移動しない（吸入、吐出工程）。
【００５５】
図８（ｃ）は、他方の電磁石９４に電圧が印加されている状態で、可動ピストン８３が図示の矢印に示すように、前室８６の容積を小さく、後室８７の容積を大きくする方向に動いている工程を示している。前室８６の圧力は高くなり、後室８７の圧力は小さくなる。前室８６と後室８７の圧力差によって、前室弁９０は閉じた状態、後室弁９２は開いた状態になり、前室８６にある液体は連通流路８８を通じて後室８７に移動される（前室から後室への液体の移動工程）。
【００５６】
本発明のマイクロポンプの製造方法を図９に示す。
【００５７】
図９は、図８（ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿ったプロセス断面図である。
【００５８】
図９（ａ）に示す石英基板１０１はマイクロポンプの下地基板となり、図９（ｂ）に示すように、石英基板１０１上に弁体９０と圧力室８２を形成するためのａ−Ｓｉ膜１０２ａ、１０２ｂを形成する。このａ−Ｓｉ膜１０２ａ，１０２ｂは、石英基板１０１上にａ−Ｓｉ膜をスパッタリングを用いて１μｍの厚さで成膜し、そのａ−Ｓｉ膜に、フォトリソグラフィによりパターンを形成し、パターニングにはフォトレジストを使用する。次に、反応性イオンエッチングによりフォトレジスト膜以外のａ−Ｓｉ膜をエッチングして除去することで、ａ−Ｓｉ膜１０２ａ、１０２ｂが形成される。ａ−Ｓｉ膜１０２ａ，１０２ｂは、可動ピストン８３が圧力室８２内を移動する為に、圧力室８２底面と可動ピストン８３間に一定隙間を形成する為の犠牲層である。
【００５９】
次に、図９（ｃ）に示すように、プラズマＣＶＤを用いて５μｍのＳｉＯ_２膜１０３を成膜した後、図９（ｄ）に示すように、ＳｉＯ_２膜１０３上に流路８９を形成するためのａ−Ｓｉ膜１０４を形成する。このａ−Ｓｉ膜１０４は、ＳｉＯ_２膜１０３上にａ−Ｓｉ膜をスパッタリングを用いて成膜し、そのａ−Ｓｉ膜に、フォトリソグラフィによりパターンを形成し、パターニングにはフォトレジストを使用する。次に、反応性イオンエッチングによりフォトレジスト膜以外のａ−Ｓｉ膜をエッチングして除去することで、ａ−Ｓｉ膜１０４が形成される。ａ−Ｓｉ膜１０４の形成パターンは、流路８９の底面を区画するために形成され、ａ−Ｓｉ膜１０４は、圧力室８２と流路８９の間に段差を形成する為のエッチストップ層となる。
【００６０】
次に、図９（ｅ）に示すように、プラズマＣＶＤを用いて４０μｍのＳｉＯ_２膜１０５を成膜し、図９（ｆ）に示すように、可動ピストン８３上面にＮｉ膜１０６のパターンをリフトオフ法により形成する。Ｎｉ膜１０６はフォトレジストでパターン形成後、スパッタリングを用いて成膜する。形成されるパターンは可動ピストン８３上部に設ける金属膜８４である。
【００６１】
次に、図９（ｇ）に示すように、プラズマＣＶＤを用いて３μｍのＳｉＯ_２膜１０７を成膜し、図９（ｈ）に示すように、スパッタリングを用いて２μｍのＷＳｉ膜１０８を成膜し、フォトリソグラフィによるパターニング、反応性イオンエッチングを用いてエッチングする。ＷＳｉ膜１０８ａは前室弁９０を形成する為のマスク、ＷＳｉ膜１０８ｂは可動ピストン８３を形成する為のマスク、ＷＳｉ膜１０８ｃはポンプ内壁１０９を形成する為のマスクになる。
【００６２】
次に、図９（ｉ）に示すように、反応性イオンエッチングを用いて、ＳｉＯ_２膜１０７，１０５，１０３を４８μｍエッチングする。このとき、流路８９のパターンにおいては、ａ−Ｓｉ膜１０４がエッチストップ層となり、４３μｍの深さでエッチングが停止する。
【００６３】
次に図９（ｊ）に示すように、ａ−Ｓｉ膜１０２，１０４とＷＳｉ１０８膜のエッチングをする。ａ−Ｓｉ膜１０２ａ、１０２ｂの除去により前室弁９０及び可動ピストン１０２ｂがそれぞれ自立可能となり、前室８６が形成される。また、ａ−Ｓｉ膜１０９により流路８９が形成される。
【００６４】
ここで、上述の説明は図８（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面の製造方法を示したものであり、ａ−Ｓｉ膜１０４によって形成されるパターンは、吸入側流路８９の他に連通流路８８、吐出側流路９１に対応している。また、ＷＳｉ膜１０８ａによって形成されるパターンは前室弁９０の他に後室弁９２にも対応している。
【００６５】
次に図９（ｋ）に示すように、シール基板１１０を貼り合わせる。シール基板１１０上部には２本の電磁石９４、９５をそれぞれ前室８６及び後室８７の上方に設け、貼り合わせる基板表面１１１、１１１をそれぞれ薄酸で洗浄してから３００度に加熱しながら接合し、完成とする。
【００６６】
上述のマイクロポンプは可動ピストン８３がシール基板に設けられた電磁石９４，９５により駆動させる例を示したものであるが、マイクロポンプの平面化を図るために、図１０に示すマイクロポンプは、前記マイクロポンプの流路８８、８９、９０とバルブ室８６，８７の構造は同じであるが、可動ピストン８３を平面状に形成した櫛型電極装置１１６で駆動するようにしたものである。
【００６７】
可動ピストン８３の可動軸部８５の一方８５ａは基板１１２に形成され、他方８５ｂは電極室１１３に延出され、その可動軸部８５ｂに多数の可動側電極部材１１４が形成され、電極室１１３の内壁に、その可動側電極部材１１４間に延びる固定電極部材１１５を形成して、櫛型電極装置１１６を形成したものである。
【００６８】
この櫛型電極装置１１６において電極１１７，１１８に電圧を印加すると、可動ピストン８３は前室８６の方向に、電極１１７，１１９に電圧を印加すると可動ピストン８３は後室８７の方向に移動できるようになっている。
【００６９】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、以下に示すごとく優れた効果を発揮するものである。
【００７０】
（１）基板片面のみの加工で平面的にマイクロポンプを構成できる。
【００７１】
（２）従来の技術で用いていた基板の薄膜化工程がないために基板の大型化が望める。
【００７２】
（３）他の微小流路を用いた流体センサとの集積が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のマイクロポンプの一実施形態をを示す平断面図である。
【図２】図１のマイクロポンプの動作の吸入工程を説明する図である。
【図３】図１のマイクロポンプの動作の吐出工程を説明する図である。
【図４】本発明のマイクロポンプの製造方法を示すプロセス断面図である。
【図５】本発明のマイクロポンプをを平面状に集積した実施形態を説明する図である。
【図６】本発明の他の実施形態のマイクロポンプの構造を示す斜視図である。
【図７】図６の平断面図である。
【図８】図６，７のマイクロポンプの動作を説明する図である。
【図９】図６，７のマイクロポンプの製造方法を示すプロセス断面図である。
【図１０】図６におけるマイクロポンプの駆動装置の変形例を示す平断面図である。
【図１１】従来のマイクロポンプの構造を示す断面図及び動作を説明する図である。
【符号の説明】
１石英基板
２圧力室
３吸入口
４吸入バルブ室
５吐出口
６吐出バルブ室
８吸入側流路
１０吐出側流路
１２吸入側可動弁体
１４可撓脚部
１５吸入バルブ室
１７吐出側可動弁体
１９可撓脚部
２０吐出バルブ室
３１石英基板
３２ａ−Ｓｉ膜
３５ＳｉＯ_２膜
３７ａ−Ｓｉ膜
３８ＳｉＯ_２膜
３９ポンプ室内壁
４０ＷＳｉ膜
４１圧電素子
４２シール基板
８１石英基板
８２圧力室
８３可動ピストン
８４金属膜
８５可動軸
８６前室
８７後室
８８連通流路
８９吸入側流路
９０前室弁
９１吐出側流路
９２後室弁
９３シール基板
１０１石英基板
１０２ａ−Ｓｉ膜
１０３ＳｉＯ_２膜
１０４ａ−Ｓｉ膜
１０５ＳｉＯ_２膜
１０６Ｎｉ膜
１０７ＳｉＯ_２膜
１０８ＷＳｉ膜
１０９ａ−Ｓｉ膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a micropump that requires precise control of a microfluid in fields such as medical care and analysis, and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as shown in Patent Document 1, a micropump is mainly manufactured using a micromachine technique. FIG. 11 (a) shows the structure of the micropump.
[0003]
The micropump is formed by sequentially laminating a base substrate 60, a lower layer Si substrate 61, an upper layer Si substrate 62, and a seal substrate 63, and patterning each substrate 60 to 63 using a photolithography technique, and crystal anisotropic etching. Components of the pump are formed.
[0004]
A suction channel 64 and a discharge channel 65 are formed in the base substrate 61. An inflow chamber 66 and a discharge chamber 67 are formed in the lower layer Si substrate 61, and a discharge side valve element 68 is formed on the discharge chamber 67. A pressure chamber 69 is formed in the upper Si substrate 62, and a suction side valve element 70 is formed in the pressure chamber 69 facing the inflow chamber 66 of the lower Si substrate 61. The seal substrate 63 has a recess 72 formed on the surface facing the pressure chamber 69 so that the diaphragm 71 is formed, and the recess 72 is provided with a piezoelectric element 73.
[0005]
These substrates 60 to 63 are joined to a multilayer by using a method such as anodic bonding after the above-described pump constituent members are formed, whereby a micro pump is manufactured.
[0006]
FIGS. 11B and 11C are diagrams for explaining the operation of the micropump.
[0007]
When the piezoelectric element 73 decreases the internal pressure of the pressure chamber 69, as shown in FIG. 11B, the suction side valve body 70 is opened, the discharge side valve body 68 is closed, and the fluid in the suction passage 64 is transferred to the pressure chamber. Move to 69. On the contrary, when the piezoelectric element 73 increases the internal pressure of the pressure chamber 69, as shown in FIG. 11C, the discharge side valve body 68 is opened, the suction side valve body 70 is closed, and the fluid in the pressure chamber 69 is closed. Moves to the discharge channel 65. When the piezoelectric element 70 increases or decreases the internal pressure of the pressure chamber 69, the above operation is repeated to perform the function of the micropump.
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-5-1669 [0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the conventional structure includes a process of patterning both sides of the Si substrate and a process of thinning into a diaphragm shape, the conventional semiconductor processing apparatus cannot be diverted as it is, and the apparatus has a special specification. There is a need to. Due to the thinning process of the Si substrate, a problem of strength of the substrate occurs. For this reason, there are problems such as limitations in design and control of the minute flow rate to be handled, and difficulty in increasing the size of the substrate. In addition, the number of processes is increased due to the structure in which the individual structures are manufactured separately and then the substrates are joined in multiple layers. It is difficult to integrate with fluid sensors using other microchannels.
[0010]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above problems and provide a micropump that can be miniaturized and integrated by processing only one side of a substrate and a method for manufacturing the micropump.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention is that a Si-based material is formed on a substrate of Si or quartz, and a pressure chamber, a suction side valve chamber, and a discharge side valve are formed on the substrate by patterning. The chamber is formed in a flat shape, and the pressure chamber and both valve chambers communicate with each other via the suction side and discharge side flow paths, and the suction side and discharge side flow paths are opened and closed by the pressure fluctuations of the pressure chambers to both the valve chambers. Each of the movable valve bodies is formed.
[0012]
According to the second aspect of the present invention, the movable valve body on the suction side and the discharge side includes a flow path leading to the pressure chamber side in the valve chamber, a suction side and a discharge side movable valve body portion moving between the suction port or the discharge port, and a movable It consists of a flexible leg part which supports a valve body part on the wall surface of a valve chamber.
[0013]
According to a third aspect of the present invention, a structure in which a piezoelectric element for variably driving the volume of the pressure chamber is incorporated on the upper surface of the substrate is closed.
[0014]
The invention of claim 4 is a method of manufacturing a micropump.
a) depositing a sacrificial layer that partitions the bottom surface of the valve chamber on the substrate;
b) forming a Si or quartz-based material on the substrate on which the sacrificial layer is formed;
c) forming an etch stop layer defining the bottom surface of the pressure chamber;
d) forming a Si or quartz-based material on the substrate on which the etch stop layer is formed;
e) a patterning process using photolithography to form a valve body, a pressure chamber, and the like on the surface of the film formation of a quartz-based material or the like;
f) a step of forming a valve chamber and a pressure chamber by using reactive ion etching with Si or quartz-based material other than the patterned material;
g) A step of removing the sacrificial layer and the etch stop layer remaining on the bottom surface of the valve chamber and the pressure chamber.
[0015]
In the invention of claim 5, a Si-based material is formed on a substrate such as Si or quartz, and a pressure chamber is formed on the substrate by patterning, and a movable piston is provided in the pressure chamber so as to be reciprocally movable. In addition, a communication flow path connecting the front chamber and the rear chamber of the pressure chamber partitioned by the movable piston is formed on the substrate, and a suction side flow path and a discharge side flow path are formed in the front chamber and the rear chamber, respectively. A front chamber valve is formed in the front chamber located in the side channel, and a rear chamber valve is formed in the rear chamber located in the communication channel.
[0016]
The invention of claim 6 has a structure closed by a substrate in which an element is incorporated using electrostatic force, pressure, magnetic force or the like for driving a movable piston provided on the substrate.
[0017]
The invention of claim 7 is a method of manufacturing the above-described micropump,
a) forming a sacrificial layer that partitions the bottom surface of the pressure chamber on the substrate;
b) forming a Si or quartz-based material on the substrate on which the sacrificial layer is formed;
c) forming an etch stop layer that defines the bottom surface of the flow path and the like;
d) forming a Si or quartz-based material on the substrate on which the etch stop layer is formed;
e) forming a metal film on the movable piston;
f) forming a Si or quartz-based material on the substrate on which the metal film is formed;
g) patterning using photolithography to form a movable piston, a valve body, a pressure chamber, etc. on the surface of the film of Si, quartz-based material, etc .;
h) forming a movable piston, a valve body, a pressure chamber, etc. using reactive ion etching of a quartz-based material other than the patterned material;
i) The step includes removing the sacrificial layer and the etch stop layer remaining in the pressure chamber and the flow path.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0019]
FIG. 1 is a plan sectional view of the structure of the micropump of the present invention, and FIGS. 2 and 3 are plan sectional views showing the operating state of the micropump of FIG.
[0020]
1 to 3, a quadrangular pressure chamber 2 is formed at the center of a quadrangular quartz substrate 1, and one of the pressure chambers 2 is opened to the outside through a suction port 3. A valve chamber 4 is formed, and on the other hand, a discharge valve chamber 6 opened to the outside through a discharge port 5 is formed.
[0021]
The pressure chamber 2 and the suction valve chamber 4 are partitioned by a suction side partition wall 7, and a suction side channel 8 communicating with the pressure chamber 2 is formed in the suction side partition wall 7. The suction side partition wall 7a on the upper side of the suction side channel 8 is formed thick, and the suction side partition wall 7b on the lower side is formed in an inverted L shape. The suction side partition wall 7 is formed such that the lower side 7b is longer than the upper side 7a.
[0022]
Similarly, the pressure chamber 2 and the discharge valve chamber 6 are partitioned by a discharge side partition wall 9, and a discharge side flow path 10 that connects the pressure chamber 2 and the discharge valve chamber 6 is formed in the discharge side partition wall 9. The discharge port channel wall 11a on the upper side of the discharge port 5 is formed thick, and the discharge port channel wall 11b on the lower side is formed in an inverted L shape. The lower side discharge port channel wall 11b is formed longer than the upper side discharge port channel wall 11a.
[0023]
The suction valve chamber 4 is formed with a suction-side movable valve body 12 that moves due to a pressure difference between the pressure chamber 2 and the suction valve chamber 4. The suction-side movable valve body 12 holds an L-shaped valve body portion 13 that opens and closes the suction-side flow path 8 that communicates with the suction port 3 and the pressure chamber 2, and holds the valve body portion 13 on the substrate 1. The flexible leg portions 14 and 14 are formed to be thin so as to allow the movement of the portion 13. A convex flexible leg control wall 16 is formed on the suction valve indoor wall 15 between the flexible legs 14 and 14.
[0024]
In the discharge valve chamber 6, a discharge-side movable valve body 17 that moves due to a pressure difference between the pressure chamber 2 and the discharge valve chamber 6 is formed. The discharge-side movable valve body 17 holds an L-shaped valve body portion 18 that opens and closes the suction-side flow passage 9 communicating with the discharge port 5 and the pressure chamber 2, and the valve body portion 18 on the substrate 1. It is formed from flexible leg portions 19 and 19 formed to be thin to allow 18 movements. A convex flexible leg control wall 21 is formed on the discharge valve chamber wall 20 between the flexible legs 19 and 19.
[0025]
The suction-side movable valve body 12 and the discharge-side movable valve body 17 are formed in the valve chambers 4 and 6 so as to have a predetermined distance from the upper surface and the bottom surface, and are movable.
[0026]
As described later, as a micropump drive mechanism, a silicon substrate processed into a diaphragm and bonded with a piezoelectric element is bonded onto the substrate 1 described above. The piezoelectric element is provided on the pressure chamber 2. The driving method can be driven by an electrostatic force, a thermal expansion force or the like in addition to a piezoelectric element.
[0027]
Next, the operation of the micropump of the present invention will be described.
[0028]
The micro pump repeats the cycle of the intermediate process (FIG. 1) → the suction process (FIG. 2) → the intermediate process (FIG. 1) → the discharge process (FIG. 3) by changing the volume of the pressure chamber 2, and the suction port 3. External liquid is sucked into the suction valve chamber 4 from the side, and this is discharged into the pressure chamber 2 and from the pressure chamber 2 to the outside from the discharge valve chamber 6 through the discharge port 5 side.
[0029]
As shown in FIG. 1, in the intermediate process in which the volume of the pressure chamber 2 is not changed, the pressure in the pressure chamber 2 and the pressure in the suction valve chamber 4 and the discharge valve chamber 6 are the same. The suction-side movable valve body 12 does not contact either the suction port 3 or the suction-side flow path wall 7b, and similarly, the discharge-side movable valve body 17 has the discharge-port flow path wall 11b and the discharge-side flow path 10 in contact with each other. Do not touch either. At this time, the liquid in the micropump does not move.
[0030]
FIG. 2 shows the suction process. When the driving diaphragm moves in the direction of increasing the capacity of the pressure chamber 2, the internal pressure of the pressure chamber 2 decreases, and the pressure in the pressure chamber 2 is reduced between the suction valve chamber 4 and the discharge valve chamber. The pressure is lower than 6. Since a pressure difference is generated between the pressure chamber 2, the suction valve chamber 4 and the discharge valve chamber 6, the suction side and discharge side movable valve bodies 12 and 17 move together in the direction of the pressure chamber 2. By this movement, the suction-side flow path wall-side surface 22 of the suction-side movable valve body 12 contacts the lower-side suction-side flow path wall 7b, but does not contact the upper-side suction-side flow path wall 7a. The suction valve chamber 4 and the pressure chamber 2 are in communication with each other via the suction side flow path 8. On the other hand, the seal surface 23 of the discharge side movable valve element 17 contacts the discharge side flow path walls 9a and 9b to close the discharge side flow path 10. Accordingly, the liquid in the suction valve chamber 4 moves to the pressure chamber 2 through the suction side flow path 8 due to the pressure difference, and accordingly, the liquid is sucked into the suction valve chamber 4 from the suction port 3.
[0031]
FIG. 3 shows a discharge process. When the driving diaphragm moves in a direction to decrease the capacity of the pressure chamber 2, the internal pressure of the pressure chamber 2 rises, and the pressure in the pressure chamber 2 is reduced between the suction valve chamber 4 and the discharge valve chamber. It becomes higher than the internal pressure of 6. Since a pressure difference is generated between the pressure chamber 2, the suction valve chamber 4 and the discharge valve chamber 6, the suction side and discharge side movable valve bodies 12 and 17 move together in the opposite direction to the pressure chamber 2. By this movement, the surface 24 on the discharge channel wall side of the discharge side movable valve element 17 contacts the discharge channel channel wall 11b on the lower side, but does not contact the discharge channel channel wall 11a on the upper side. The discharge valve chamber 6 and the pressure chamber 2 are in communication with each other via the discharge side flow path 10. On the other hand, the seal surface 25 of the suction side movable valve body 12 contacts the suction port 3 to close the suction port 3. Accordingly, the liquid in the pressure chamber 2 moves to the discharge valve chamber 6 through the discharge-side flow path 10 due to the pressure difference, whereby the liquid is discharged from the discharge valve chamber 6 to the discharge port 5.
[0032]
A method for manufacturing the micropump of the present invention is shown in FIG. FIG. 4 is a process cross-sectional view along the line AA in FIG.
[0033]
A quartz substrate 31 shown in FIG. 4A serves as a base substrate for the micropump. As shown in FIG. 4B, an a-Si film 32 is formed on the quartz substrate 31 by sputtering, and is formed by photolithography. Pattern. The formation pattern of the a-Si film 32 is formed to partition the bottom surface of the valve chamber 6 described with reference to FIG. The a-Si film 32 is a sacrificial layer for forming a constant gap between the bottom surface of the valve chamber 6 and the movable valve body 17 so that the movable valve body 17 moves in the valve chamber 6.
[0034]
Next, as shown in FIG. 4C, an SiO ₂ film 35 is formed using plasma CVD, and then an a-Si film 37 is formed using sputtering as shown in FIG. 4D. Then, patterning is performed by photolithography. The formation pattern of the a-Si film 37 is formed to partition the pressure chamber 2 and the bottom surface of the flow path 10, and the a-Si film 37 forms a step between the valve chamber 6 and the pressure chamber 2 or the flow path 10. It becomes an etch stop layer to do.
[0035]
Next, as shown in FIG. 4E, a SiO ₂ film 38 is formed using plasma CVD, and then a WSi film 40 is formed using sputtering as shown in FIG. Patterning is performed by lithography. The WSi film 40 a is a mask for forming the pump inner wall 39, and the WSi film 40 b is a mask for forming the movable valve body 17.
[0036]
As shown in FIG. 4G, the SiO ₂ films 38 and 35 are etched by using a reactive ion etching apparatus using the patterned WSi film 40 as a mask material. The SiO ₂ films 38 and 35 are etched up to the etch stop layer of a-Si 32 and 37. The SiO ₂ films 38 and 35 under the WSi film 40 a form the pump inner wall 39, and the SiO ₂ films 38 and 35 under the WSi film 40 b form the movable valve body 17.
[0037]
Next, as shown in FIG. 4H, the WSi film 40 and the a-Si films 32 and 37 are etched. By removing the a-Si film 32 that is the sacrificial layer, a gap is formed between the movable valve body 17 and the base substrate 31, and the movable valve body 17 is self-supporting, and the valve chamber 6 is formed. Moreover, the pressure chamber 2 and the flow path 10 are formed by removing the a-Si film 34.
[0038]
Here, the above description shows the method of manufacturing the cross section along the line AA in FIG. 1, and the pattern formed by the a-Si film 32 is formed in the suction side valve chamber 4 in addition to the discharge valve chamber 6. It corresponds. The pattern formed by the a-Si film 37 corresponds to the pattern of the suction port 3, the discharge port 5, and the suction side flow channel 8 in addition to the pressure chamber 2 and the flow channel 10.
[0039]
Finally, as shown in FIG. 4 (i), a silicon substrate is processed into a diaphragm shape, and a sealing substrate 42 in which a driving piezoelectric element 41 is incorporated on the pressure chamber 2 is anodic bonded onto the SiO ₂ film 38. Join to complete. Note that glass can be used as the material of the seal substrate 42 instead of silicon.
[0040]
The operation and effect of the invention according to this embodiment will be described.
[0041]
In the present invention, since the micropump in which the pressure chamber 2 and the valve chambers 4 and 6 are planarly formed is processed only on one side of the substrate using a semiconductor processing apparatus, the manufacturing process becomes easier, and the conventional micropump can Structural strength can be increased. In addition, the micropump and other elements connected thereto can be manufactured on the same substrate.
[0042]
As described above, since the present invention can manufacture a micropump in a plane on a substrate, a plurality of micropumps can be simultaneously manufactured on a single substrate.
[0043]
An example in which a micropump according to the present invention and a fluid sensor using a microchannel are integrated will be described with reference to FIG. FIG. 5 shows a form in which the micropumps 51 are integrated. In FIG. 5, as described above, a plurality of micropumps 51 are formed on the substrate 50, and at the same time, a reservoir 52 containing a plurality of reagents and the like is formed on each suction side valve chamber side. A micropump 55 that forms an analysis flow channel 53 and forms a mixing chamber 54 for mixing the reagents discharged from the analysis flow channel 53 and sucks the reagent mixed in the mixing chamber 54 is provided. Further, a heating microheater 56 is provided in the discharge-side flow path 58 of the micropump 55, and a reagent supply chamber 57 is formed in the flow path 58.
[0044]
By forming the pump in a planar manner in this way, integration becomes possible, and any reagent or the like can be prepared and sent out.
[0045]
Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0046]
6 shows a perspective view of the micropump structure, and FIG. 7 shows a plan sectional view of the micropump.
[0047]
In the above-described embodiment, an example of a structure in which the pressure chamber 2 and the suction and discharge valve chambers 4 and 6 are communicated with each other by the flow paths 8 and 10 on the substrate 1 is illustrated. However, the micropump illustrated in FIGS. A movable piston 83 is provided in the pressure chamber 82, and the pressure chamber 82 forms a front chamber 86 serving as a suction valve chamber and a rear chamber 87 serving as a discharge valve chamber in the pressure chamber 82 by the movable piston 83.
[0048]
The front chamber 86 and the rear chamber 87 communicate with each other via a communication flow path 88. A suction side flow path 89 is formed in the front chamber 86, and a front chamber valve is provided between the suction side flow path 89 and the front chamber 86. 90 is formed. A discharge-side channel 91 is formed in the rear chamber 87, and a rear chamber valve 92 is formed between the communication channel 88 and the rear chamber 87.
[0049]
Two electromagnets 94 and 95 are provided on the seal substrate 93 for driving the movable piston 83, a metal film 84 is formed on the upper portion of the movable piston 83, and movable shaft portions 85, 85 is formed. The movable shafts 85 and 85 hold the movable piston 83, and the pressure chamber 82 is formed with a space 82a in which the movable shaft portions 85 and 85 can move.
[0050]
Next, the operation of the micropump will be described.
[0051]
When a voltage is applied to one of the two electromagnets 94 and 95 on the upper part of the seal substrate 93, the metal film 84 is provided on the upper part of the movable piston 83 in the pressure chamber. Move.
[0052]
The micropump drives the movable piston 83 with the electromagnets 94 and 95, so that (a) intermediate process → (b) suction / discharge process → (a) intermediate process → (c) from the front chamber to the rear chamber in FIG. The liquid moving step is repeated, the external liquid is sucked into the front chamber 86 from the suction side flow path 89, the liquid in the front chamber 86 is moved to the rear chamber 87 through the communication flow path 88, and is discharged from the discharge side flow path 91. Discharge to the outside.
[0053]
FIG. 8A shows a process in which the movable piston 83 is in a position where the volumes of the front chamber 86 and the rear chamber 87 are equalized when no voltage is applied to the electromagnets 94 and 95. Since the pressures in the front chamber 86 and the rear chamber 87 are equal, the liquid in the micropump does not move (intermediate process).
[0054]
FIG. 8B shows a direction in which the volume of the front chamber 86 is increased and the volume of the rear chamber 87 is decreased as the movable piston 83 is indicated by an arrow in the state where a voltage is applied to one electromagnet 95. The process which moves is shown. The pressure in the front chamber 86 is reduced, and the pressure in the rear chamber 87 is increased. Therefore, the external liquid flows into the front chamber 86 through the suction side flow path 89, and at the same time, the liquid in the rear chamber 87 flows out through the discharge side flow path 91. At this time, since the rear chamber valve 92 is closed by the pressure difference between the front chamber 86 and the rear chamber 87, the liquid in the rear chamber 87 does not move to the communication channel 88 (intake and discharge process).
[0055]
FIG. 8C shows a state in which the volume of the front chamber 86 is reduced and the volume of the rear chamber 87 is increased as the movable piston 83 is indicated by the arrow in the figure with the voltage applied to the other electromagnet 94. The process which moves is shown. The pressure in the front chamber 86 increases and the pressure in the rear chamber 87 decreases. Due to the pressure difference between the front chamber 86 and the rear chamber 87, the front chamber valve 90 is closed and the rear chamber valve 92 is opened, and the liquid in the front chamber 86 is moved to the rear chamber 87 through the communication channel 88. (Liquid transfer process from the front chamber to the rear chamber).
[0056]
The manufacturing method of the micro pump of this invention is shown in FIG.
[0057]
FIG. 9 is a process cross-sectional view along the line BB in FIG.
[0058]
A quartz substrate 101 shown in FIG. 9A serves as a base substrate for the micropump. As shown in FIG. 9B, an a-Si film 102a for forming a valve body 90 and a pressure chamber 82 on the quartz substrate 101 is used. , 102b. For the a-Si films 102a and 102b, an a-Si film is formed on the quartz substrate 101 to a thickness of 1 μm by sputtering, and a pattern is formed on the a-Si film by photolithography. Uses photoresist. Next, the a-Si films 102a and 102b are formed by etching away the a-Si film other than the photoresist film by reactive ion etching. The a-Si films 102 a and 102 b are sacrificial layers for forming a constant gap between the bottom surface of the pressure chamber 82 and the movable piston 83 so that the movable piston 83 moves in the pressure chamber 82.
[0059]
Next, as shown in FIG. 9C, a 5 μm thick SiO ₂ film 103 is formed using plasma CVD, and then a flow path 89 is formed on the SiO ₂ film 103 as shown in FIG. 9D. An a-Si film 104 for forming is formed. The a-Si film 104 is formed by sputtering an a-Si film on the SiO ₂ film 103, a pattern is formed on the a-Si film by photolithography, and a photoresist is used for patterning. . Next, the a-Si film 104 is formed by etching away the a-Si film other than the photoresist film by reactive ion etching. The formation pattern of the a-Si film 104 is formed to partition the bottom surface of the flow path 89, and the a-Si film 104 includes an etch stop layer for forming a step between the pressure chamber 82 and the flow path 89. Become.
[0060]
Next, as shown in FIG. 9E, a 40 μm SiO ₂ film 105 is formed using plasma CVD, and as shown in FIG. 9F, the pattern of the Ni film 106 is formed on the upper surface of the movable piston 83. It is formed by the lift-off method. The Ni film 106 is formed by sputtering after pattern formation with a photoresist. The pattern to be formed is a metal film 84 provided on the upper part of the movable piston 83.
[0061]
Next, as shown in FIG. 9G, a 3 μm thick SiO ₂ film 107 is formed using plasma CVD, and as shown in FIG. 9H, a 2 μm WSi film 108 is formed using sputtering. Film and etch using photolithography patterning and reactive ion etching. The WSi film 108a is a mask for forming the front chamber valve 90, the WSi film 108b is a mask for forming the movable piston 83, and the WSi film 108c is a mask for forming the pump inner wall 109.
[0062]
Next, as shown in FIG. 9I, the SiO ₂ films 107, 105, and 103 are etched by 48 μm using reactive ion etching. At this time, in the pattern of the flow path 89, the a-Si film 104 becomes an etch stop layer, and the etching stops at a depth of 43 μm.
[0063]
Next, as shown in FIG. 9J, the a-Si films 102 and 104 and the WSi 108 film are etched. By removing the a-Si films 102a and 102b, the front chamber valve 90 and the movable piston 102b can be independent, and the front chamber 86 is formed. Further, the flow path 89 is formed by the a-Si film 109.
[0064]
Here, the above description shows the manufacturing method of the cross section along the line BB in FIG. 8A, and the pattern formed by the a-Si film 104 is communicated in addition to the suction side flow path 89. It corresponds to the channel 88 and the discharge side channel 91. Further, the pattern formed by the WSi film 108 a corresponds to the rear chamber valve 92 in addition to the front chamber valve 90.
[0065]
Next, as shown in FIG. 9K, the seal substrate 110 is bonded. Two electromagnets 94 and 95 are provided above the front chamber 86 and the rear chamber 87 on the seal substrate 110, respectively, and the substrate surfaces 111 and 111 to be bonded are washed with a thin acid and then heated and heated to 300 degrees. And complete.
[0066]
The above-described micropump shows an example in which the movable piston 83 is driven by the electromagnets 94 and 95 provided on the seal substrate. In order to make the micropump flat, the micropump shown in FIG. The micropump flow paths 88, 89, 90 and the valve chambers 86, 87 have the same structure, but the movable piston 83 is driven by a comb-shaped electrode device 116 formed in a flat shape.
[0067]
One of the movable shaft portions 85 of the movable piston 83 is formed on the substrate 112, the other 85b is extended to the electrode chamber 113, and a plurality of movable side electrode members 114 are formed on the movable shaft portion 85b. A fixed electrode member 115 extending between the movable electrode members 114 is formed on the inner wall to form a comb electrode device 116.
[0068]
When voltage is applied to the electrodes 117 and 118 in the comb electrode device 116, the movable piston 83 can move in the direction of the front chamber 86, and when voltage is applied to the electrodes 117 and 119, the movable piston 83 can move in the direction of the rear chamber 87. It has become.
[0069]
【The invention's effect】
In short, according to the present invention, the following excellent effects are exhibited.
[0070]
(1) A micropump can be configured in a planar manner by processing only one side of the substrate.
[0071]
(2) Since there is no substrate thinning step used in the prior art, it is possible to increase the size of the substrate.
[0072]
(3) Integration with fluid sensors using other microchannels is easy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan sectional view showing an embodiment of a micropump of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a suction process of the operation of the micropump of FIG.
FIG. 3 is a diagram illustrating a discharge process of the operation of the micropump of FIG.
FIG. 4 is a process cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a micropump of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating an embodiment in which the micropumps of the present invention are integrated in a planar shape.
FIG. 6 is a perspective view showing a structure of a micro pump according to another embodiment of the present invention.
7 is a plan sectional view of FIG. 6. FIG.
8 is a diagram for explaining the operation of the micropump in FIGS. 6 and 7. FIG.
9 is a process cross-sectional view showing a method for manufacturing the micropump of FIGS. 6 and 7. FIG.
10 is a cross-sectional plan view showing a modification of the micropump drive device in FIG. 6. FIG.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional micropump and a diagram for explaining the operation.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Quartz substrate 2 Pressure chamber 3 Suction port 4 Suction valve chamber 5 Discharge port 6 Discharge valve chamber 8 Suction side channel 10 Discharge side channel 12 Suction side movable valve body 14 Flexible leg 15 Suction valve chamber 17 Ejection side movable valve Body 19 Flexible leg 20 Discharge valve chamber 31 Quartz substrate 32 a-Si film 35 SiO ₂ film 37 a-Si film 38 SiO ₂ film 39 Pump chamber wall 40 WSi film 41 Piezoelectric element 42 Seal substrate 81 Quartz substrate 82 Pressure chamber 83 movable piston 84 metal film 85 movable shaft 86 front chamber 87 rear chamber 88 communication channel 89 suction side channel 90 front chamber valve 91 discharge side channel 92 rear chamber valve 93 seal substrate 101 quartz substrate 102 a-Si film 103 SiO ₂ film 104 a-Si film 105 SiO ₂ film 106 Ni film 107 SiO ₂ film 108 WSi film 109 a-Si film

Claims

A Si-based material is formed on a substrate such as Si or quartz, and a pressure chamber, a suction side valve chamber, and a discharge side valve chamber are formed in a planar shape on the substrate by patterning, and the pressure chamber and both valves A micropump characterized in that chambers are communicated via a suction side and a discharge side flow path, and movable valve bodies that open and close the suction side and the discharge side flow path by pressure fluctuations of the pressure chambers are formed in both the valve chambers, respectively. .

The movable valve body on the suction side and the discharge side includes a flow path leading to the pressure chamber side in the valve chamber, a suction side and a discharge side movable valve body portion moving between the suction port and the discharge port, and a movable valve body portion in the valve chamber. The micropump according to claim 1, comprising a flexible leg portion supported on the wall surface.

3. The micropump according to claim 1, wherein a sealing substrate incorporating a piezoelectric element for variably driving the volume of the pressure chamber is provided on the upper surface of the substrate to close the pressure chamber and the valve chamber.

In the method of manufacturing the micropump according to any one of claims 1 to 3,
a) depositing a sacrificial layer that partitions the bottom surface of the valve chamber on the substrate;
b) forming a Si or quartz-based material on the substrate on which the sacrificial layer is formed;
c) forming an etch stop layer defining the bottom surface of the pressure chamber;
d) forming a Si or quartz-based material on the substrate on which the etch stop layer is formed;
e) a patterning process using photolithography to form a valve body, a pressure chamber, and the like on the surface of the film formation of a quartz-based material or the like;
f) a step of forming a valve chamber and a pressure chamber by using reactive ion etching with Si or quartz-based material other than the patterned material;
g) A method for manufacturing a micropump comprising the steps of removing a sacrificial layer and an etch stop layer remaining on the bottom surface of the valve chamber and the pressure chamber.

A Si-based material is formed on a substrate such as Si or quartz, and a pressure chamber is formed on the substrate by patterning. A movable piston is reciprocally moved in the pressure chamber, and is partitioned by the movable piston. The communication channel connecting the front chamber and the rear chamber of the pressure chamber is formed on the substrate, and the suction-side channel and the discharge-side channel are formed in the front chamber and the rear chamber, respectively. A micropump characterized in that a front chamber valve is formed in a chamber and a rear chamber valve is formed in a rear chamber located in the communication channel.

6. The micro-chamber according to claim 5, wherein a sealing substrate in which an element is incorporated using electrostatic, pressure, magnetic force or the like for driving a movable piston provided on the substrate is provided, and the pressure chamber is closed. pump.

In the method of manufacturing the micropump according to claim 5 or 6,
a) forming a sacrificial layer that partitions the bottom surface of the pressure chamber on the substrate;
b) forming a Si or quartz-based material on the substrate on which the sacrificial layer is formed;
c) forming an etch stop layer that defines the bottom surface of the flow path and the like;
d) forming a Si or quartz-based material on the substrate on which the etch stop layer is formed;
e) forming a metal film on the movable piston;
f) forming a Si or quartz-based material on the substrate on which the metal film is formed;
g) patterning using photolithography to form a movable piston, a valve body, a pressure chamber, etc. on the surface of the film of Si, quartz-based material, etc .;
h) forming a movable piston, a valve body, a pressure chamber, etc. using reactive ion etching of a quartz-based material other than the patterned material;
i) A method of manufacturing a micropump comprising the steps of removing a pressure chamber, a sacrificial layer remaining in a flow path, and an etch stop layer.