JP2006063906A

JP2006063906A - マイクロポンプ

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Publication number: JP2006063906A
Application number: JP2004248576A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Hirokawa; 一彦廣川
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2004-08-27
Filing date: 2004-08-27
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2024-08-27
Also published as: JP4626224B2

Abstract

【課題】構造が簡単で作製が容易であり、弾性表面波の液体へのエネルギー伝達効率が高く安定した液体移送が可能なマイクロポンプを提供する。
【解決手段】圧電性材料からなる圧電基板１０と、圧電基板１０上に設けられ、圧電基板１０の表面に弾性表面波を励振させる櫛型電極１２と、圧電基板１０の櫛型電極１２で励振された弾性表面波の伝搬方向下流側に設けられ、液体を吸入する吸入口１４と液体を吐出させる吐出口１６とを連結する流路１８と、流路１８を覆う天板２０と、櫛型電極１２を駆動する駆動回路２２と、を備えている。流路１８は、吸入口１４から吸入された液体が、流路内を弾性表面波の伝搬方向に沿って移動し、吐出口１６から吐出されるように、電極指と直交する方向に延びる流路溝として形成されている。また、流路１８は、吸入口１４から吐出口１６までの間で、流路幅が拡大し、流路断面積が大きくなるように形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロポンプに関し、詳しくは、微少量の液体の流れを推進するマイクロポンプに関する。

従来、弾性表面波による放射圧を利用したマイクロポンプが種々検討されている（特許文献１）。例えば、同軸２重管の大口径管の内表面に表面弾性波を励起させる超音波振動子を配設し、励起された表面弾性波により小口径管と大口径管との間の空隙に満たされた液体を輸送する液体輸送装置が提案されている（特許文献２）。
特表２００３−５３５３４９号公報特開平８−１７８１９７号公報

しかしながら、従来のマイクロポンプでは、弾性表面波の液体へのエネルギー伝達効率が低いこと、流路の壁面抵抗が高いこと、等の理由から、安定した大きな流量の得られる液体移送を実現することが困難である、という問題があった。また、同軸２重管構造は複雑でマイクロスケールでの作製が困難である。

本発明は、上記問題を解決すべく成されたものであり、本発明の目的は、構造が簡単で作製が容易であり、弾性表面波の液体へのエネルギー伝達効率が高く安定した液体移送が可能なマイクロポンプを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明のマイクロポンプは、表面弾性波を発生する圧電基板と、前記圧電基板の表面に表面弾性波を励振する対電極と、前記圧電基板の表面弾性波が伝搬する伝搬面と接するように設けられ、液体を吸入する吸入口と液体を吐出させる吐出口とを備えた流路と、を備え、前記流路と前記伝搬面の伝搬方向と直交する面との交差部分が、前記吸入口と前記吐出口との間の一部で増加するように、前記流路が形成されたことを特徴とする。

本発明のマイクロポンプでは、対電極により圧電基板の表面に表面弾性波が励振され、圧電基板の表面を伝搬する。この表面弾性波の放射圧により、表面弾性波の伝搬面と接するように設けられた流路の吸入口から吸入された液体が移動され、該流路の吐出口から吐出される。

ここで、液体が移動する流路が、伝搬面の伝搬方向と直交する面との交差部分が吸入口と吐出口との間の一部で増加するように形成されているので、伝搬面の液体との接触面積がこの交差部分の増加した所で大きくなる。これにより、弾性表面波の液体へのエネルギー伝達効率が高くなり、安定した大きな流量の液体移送が可能になる。また、同軸２重管のように複雑な構造を作製する必要がなく、製造が容易である。

例えば、流路の幅が吸入口と吐出口との間で増加する場合、流路に接する伝搬面の表面に突起が形成された場合等には、伝搬面の伝搬方向と直交する面との交差部分が吸入口と吐出口との間で増加する。突起としては、凸型突起、針状突起、繊維状突起が挙げられる。また、流路は圧電基板に溝状に形成されていてもよく圧電基板に埋設されていてもよい。

以上説明したように、本発明のマイクロポンプによれば、構造が簡単で作製が容易であり、弾性表面波の液体へのエネルギー伝達効率が高く安定した液体移送が可能になる、という効果がある。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（マイクロポンプの構成）
図１は、本発明の実施の形態に係るマイクロポンプの概略構成を示す斜視図である。図２は、このマイクロポンプを上方から見た平面図である。図３は、図２のＡ−Ａ線断面図である。

このマイクロポンプは、図１に示すように、圧電性材料からなる圧電基板１０と、圧電基板１０上に設けられ、圧電基板１０の表面に弾性表面波を励振させる櫛型電極１２と、圧電基板１０の櫛型電極１２で励振された弾性表面波の伝搬方向下流側に設けられ、液体を吸入する吸入口１４と液体を吐出させる吐出口１６とを連結する流路１８と、流路１８を覆う天板２０と、櫛型電極１２を駆動する駆動回路２２と、を備えている。

なお、柴山乾夫監修、弾性表面波工学、電子情報通信学会編、P.34によれば、弾性表面波は、深さ方向では伝搬面表面からレイリー波の一波長以内にエネルギーのおよそ９０％が含まれている。

圧電基板１０としては、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、水晶、ランガサイト、Ｌｉ₂ＢＯ₇、Ｂｉ₁₂ＧｅＯ₂₀などのレイリーモードの弾性表面波もしくは擬似弾性波を発生する圧電体結晶を用いることができる。例えば、１２８度Ｙカット、厚さ５００μｍのＬｉＮｂＯ₃基板を用いることができる。

また、圧電基板１０は、縦波を含む表面波を発生することができればよく、ＰＺＴなどの圧電セラミクスや酸化亜鉛などの圧電性薄膜をガラス上に全面もしくは部分的に積層した構造としてもよい。また、圧電性の高分子基板を用いることもできる。高分子基板は加工がし易く好適である。

櫛型電極１２は、すだれ状電極とも呼ばれ、直線状の基端部と、その基端部の一方の側部から直交する方向に延びる複数の互いに平行な電極指とを備えている。櫛型電極は、シングル型でもよいが、一対の櫛型電極を備え、各電極の電極指が互いの電極指間に入り組んだ状態で配置されたダブル型でもよい。

櫛型電極１２は、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｐｔなどの金属もしくはこれらの金属の合金から構成され、圧電基板１０上にフォトリソグラフィーを用いて形成される。

なお、櫛型電極による励振が効率や小型化の観点からは好ましいが、櫛型電極１２に代えて、楔形トランスデューサやバルク波振動子、ガンダイオードなどによる励振手段を用いることもできる。

流路１８は、吸入口１４から吸入された液体が、流路内を弾性表面波の伝搬方向に沿って移動し、吐出口１６から吐出されるように、電極指と直交する方向に延びる流路溝として形成されている。また、流路１８は、圧電基板１０の幅方向において、櫛型電極１２の電極指の内側に形成されるのが好ましい。

本実施の形態では、流路１８は、吸入口１４から吐出口１６までの間で、流路幅が拡大し、流路断面積が大きくなるように形成されている。なお、この例では、図２に示すように、液体の流路１８による流動抵抗を低減するために、流路断面積が大きい部分での流路形状を流線形としたが、三角形、四角形、他の多角形、楕円形等、種々の形状とすることができる。

図４（Ａ）は、図２のＢ−Ｂ線断面図であり、図４（Ｂ）は、図２のＣ−Ｃ線断面図である。図４（Ａ）に示すように、吸入口１４の近傍では流路１８の幅が狭く、弾性表面波が伝搬する圧電基板１０の表面（伝搬面）と伝搬方向と直交する面との交差部分は少ないが、図４（Ｂ）に示すように、流路１８の幅が拡大した部分では、伝搬面と伝搬方向と直交する面との交差部分が多くなる。

この通り、流路溝を形成すると共に、流路１８の途中で流路幅を広げることにより、流路全体として見れば伝搬面と液体との接触面積が大きくなる。これにより、弾性表面波の液体へのエネルギー伝達効率が高くなり、安定した液体移送が可能になる。また、流路断面積が大きくなった部分で、面積に比例して大きな流動駆動力を得ることができ、液体流動性を高めることができる。

天板２０は、流路１８を覆うように流路１８上に載置される。天板２０としては、例えば、厚さ１ｍｍ、幅２ｍｍのポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）製の薄板を用いることができる。

駆動回路２２は、交流電気信号を発生する交流信号発生器２４と、発生した交流電気信号をパルス信号に変換するパルス信号発生器２６と、を含んで構成されている。駆動回路２２としては、例えば、ウェーブテック社製の「ファンクションジェネレータＭｏｄｅｌ８０」などを用いることができる。

（マイクロポンプの動作）
次に、図２を参照して、上記マイクロポンプの動作について説明する。
駆動回路２０から交流パルス信号を櫛型電極１２に入力すると、圧電基板１０の表面に弾性表面波が励振される。励振された弾性表面波は、圧電基板１０の表面を、櫛型電極１２の電極指と直交する方向（矢印Ｘ方向）に伝搬し、圧電基板１０に形成された流路１８の内壁面にも伝達される。これによって、吸入口１４から吸入された液体は、流路１８内で流路１８の内壁面全体から放射圧を受けて弾性表面波の伝搬方向に沿って移動し、吐出口１６から吐出される。

弾性表面波の放射圧は、塩川祥子、“ＳＡＷストリーミング現象の解明”、電子情報学会論文誌，ＵＳ８９−５１（１９８９），４１によれば、下記式に従い計算することができる。

式中、ρ₀は液体の密度、αは液体中への漏れ弾性波の吸収係数、ωは駆動角周波数、Ａは弾性波による振動変位を表す。

流路１８内を移動する液体の流速・流量は、櫛型電極１２から圧電基板１０に与える交流電気信号の電圧、交流パルス信号の電圧やデューティ比を変えることによって制御することができる。また、櫛型電極の中心間距離及び共振周波数、電極対数を変えることによっても制御することができる。

（マイクロポンプの作製例）
次に、マイクロポンプの作製例について説明する。
１２８度Ｙカット、厚さ５００μｍのＬｉＮｂＯ₃基板上に、１０６μｍライン／スペース（中心間距離２１６μｍ）で交差幅５ｍｍ、３０対のＴｉ／Ａｕ（厚さ３０ｎｍ／３００ｎｍ）２層構造の櫛型電極を、長瀬産業社製「ポジレジストＮＰＲ９７１０」を用いたリフトオフプロセスにより作製した。

流路はガタン社製の超音波ディスクカッター「Ｍｏｄｅｌ６０１」に３００μｍφの鉄合金製のピアノ線を装着し、ピアノ線の研削目減り率を１００μｍ長に対し１μｍとして研削し、深さ２００μｍの流路を形成した。このとき、ラスタースキャン的に研削針を数往復させることによって流路面積の広い部分を持つ流路を形成した。

研削針は研削試料ステージの移動制御によってＸ、Ｙ軸制御を行い、研削試料ステージ制御には、駿河精機社製のステッピングモータコントローラ「Ｄ９２」と、「マイクロソフトヴィジュアルベーシック」による自動研削プログラムを用いた。走査間隔を研削溝幅である５００μｍよりやや狭い４５０μｍ幅にすると、一様な深さの流路を形成できる。流路の最大幅を３ｍｍ、最小幅を１ｍｍ、長さを２５ｍｍとし、図２に示すように、流路幅が広い部分を持つ流路溝を形成した。

形成した流路に厚さ１ｍｍ、幅５ｍｍのＰＤＭＳ製の天板を被せてマイクロポンプを構成した。このマイクロポンプを動作させると、吸入口より吸入された液体は、流路内を安定に流動し、吐出口から吐出された。

また、青色水性インクで着色した純水を使用した液体移送実験では、８．９７ＭＨｚ、１６Ｖｐ−ｐの交流パルス電気信号を入力した場合には、安定した状態での液体流速は約２２０μｍ／秒であり、液体流速と流路断面積とから算出した流量は約１．３μｌ／分であった。

以上説明した通り、本実施の形態では、流路が流路溝として形成されると共に、流路の途中で流路幅が広げられているので、伝搬面と液体との接触面積が大きくなる。これにより、弾性表面波による放射圧を効率よく伝達することが可能になり、安定した液体移送が可能になる。また、流路断面積が大きくなった部分で、面積に比例して大きな流動駆動力を得ることができ、液体流動性を高めることができる。

（流路の配設方法）
なお、上記の実施の形態では、流路溝を形成する例について説明したが、流路溝に代えて、図５（Ａ）に示すように、吸入口１４と吐出口１６とが形成されると共に、内部に吸入口１４と吐出口１６とを連結する流路１８が形成されたハウジング２８を、圧電基板１０上に形成してもよい。この場合も、流路の途中で流路幅が広げられることにより、伝搬面と液体との接触面積が大きくなる。
また、図５（Ｂ）に示すように、流路１８が圧電基板１０内に埋設されていてもよい。

例えば、上記と同様にして流路溝を作製した圧電基板を２枚用意し、その後２枚の圧電基板の流路溝が形成された面とは反対の面に、櫛型電極をリフトオフプロセスにより形成する。弾性表面波は、深さ方向では伝搬面表面からレイリー波の一波長以内にエネルギーのおよそ９０％が含まれているため、このときの基板厚さは弾性表面波の一波長以内のものが好ましい。その後、櫛型電極を形成した２枚の圧電基板を、レゾリューション社製の「８２８ＥＬ」、ペルノックス社製の「ＸＷ２３１０」を混合した混合液のメチルイソブチルケトン希釈液を用いて、流路溝面が互いに向き合うように貼り合わせる。

貼り合わせ基板の両側に形成された櫛型電極に、ＮＦエレクトロニック・インスツルメント社製の「ＷＦ１９４６（２ＣＨ）」を用いて逆位相の交流電気信号を与えると、流路溝の場合よりも更に高い液体駆動力を得ることができる。これは、埋め込み流路は四方を伝搬面に囲まれているため、流路内の液体は弾性表面波の伝搬エネルギーを受け易く、流路溝の場合よりも高い液体駆動力を得ることができるためであると推測される。

（伝搬面への凹凸の形成）
また、上記の実施の形態では、圧電基板内に直接流路溝を形成することで伝搬面と液体との接触面積を大きくする例について説明したが、伝搬面と液体との接触面積を大きくする他の方法としては、伝搬面の流路に面した部分に凹凸を形成する方法がある。
例えば、図６（Ａ）に示すように、流路の底面となる圧電基板１０の伝搬面に多数の突起３０を設けることができる。また、図６（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、繊毛（針状突起）３２、鞭毛（繊維状突起）３４を形成してもよい。

伝搬面にこれら突起や繊毛・鞭毛状構造を形成することで、弾性表面波による伝搬面表面の楕円軌道運動に応じて、突起３０、繊毛３２、鞭毛３４は液体に対して流動を促すような揺動運動を行い（「しなり」を発生し）、液体はこの揺動運動によって所定方向に押し出され、液体流動が推進される。
突起３０は、例えば、ガタン社製の超音波ディスクカッター「Ｍｏｄｅｌ６０１」を用いて伝搬面を加工することにより形成することができる。また、化薬マイクロコム社製の「ＳＵ−８」などの厚膜レジストを用いて、５０μｍ厚さで５０μｍ□のドット状パターンを、例えば１００μｍ〜４００μｍピッチで配置してもよい。このとき、突起３０を構成する材料は、流路に面した伝搬面の弾性係数と近い弾性係数を有するものが好ましい。また、表面の親水性を高めるために、伝搬面の表面をＵＶ酸素プラズマ処理することが好ましい。

繊毛３２、鞭毛３４は、特開２００１−３４８２９６号公報に記載されているように、炭素系材料を水素又は水素を主成分とする混合ガスのプラズマで処理することにより形成することができる。伝搬面に３０ｎｍ厚さ程度のカーボン蒸着を行った後、負電圧を印加しながら基板の温度を−５０乃至１０００℃に維持し、圧力が１３３０Ｐａ以下の水素又は水素を主成分とする混合ガスのプラズマで表面処理することにより、伝搬面に繊毛状構造や鞭毛状構造が形成される。

以下、伝搬面の流路に面した部分に凹凸が形成されたマイクロポンプの作製例について説明する。例えば、１２８度Ｙカット、厚さ５００μｍのＬｉＮｂＯ₃基板上に、１０６μｍライン／スペースで交差幅５ｍｍ、３０対のＴｉ／Ａｕ（厚さ３０ｎｍ／３００ｎｍ）２層構造の櫛型電極を、長瀬産業社製「ポジレジストＮＰＲ９７１０」を用いたリフトオフ・プロセスにより作製した。

流路の底面となる圧電基板の伝搬面に、厚さ５０μｍ、５０μｍ□の突起をネガ型レジスト「ＳＵ−８」を用いて以下のプロセスにより作製した。まず、化薬マイクロコム社製の「ＳＵ８−５０」を回転数２０００ｒｐｍ／２５秒でスピンコートし、６５℃／１０分＋９５℃／３０分のソフトベークで揮発性成分を揮発させた後、所定のマスクを用いて１２０ｍＪ／ｃｍ²の露光エネルギーで露光した。次に、６５℃／３分＋９５℃／１０分にわたりＰＥＢ（露光後加熱）を施した後、専用現像液で１０分現像し、厚さ５０μｍ、５０μｍ□、縦横４００μｍピッチの突起状パターンを伝搬面に形成した。

また、青色水性インクで着色した純水を使用した液体移送実験では、８．９７ＭＨｚ、１６Ｖｐ−ｐの交流パルス電気信号を入力した場合には、安定した状態での液体流速は約５００μｍ／秒であり、液体流速と流路断面積とから算出した流量は約３．０μｌ／分であった。

本発明の実施の形態に係るマイクロポンプの概略構成を示す斜視図である。本発明の実施の形態に係るマイクロポンプを上方から見た平面図である。図２のＡ−Ａ線断面図である。（Ａ）は図２のＢ−Ｂ線断面図、（Ｂ）は図２のＣ−Ｃ線断面図である。（Ａ）及び（Ｂ）は流路の他の作製態様を示す断面図である。（Ａ）〜（Ｃ）は伝搬面の流路に面した部分に設けられる凹凸形状を示す概略図である。

符号の説明

１０圧電基板
１２櫛型電極
１４吸入口
１６吐出口
１８流路
２０天板
２２駆動回路
３０突起
３２繊毛（針状突起）
３４鞭毛（繊維状突起）

Claims

表面弾性波を発生する圧電基板と、
前記圧電基板の表面に表面弾性波を励振する対電極と、
前記圧電基板の表面弾性波が伝搬する伝搬面と接するように設けられ、液体を吸入する吸入口と液体を吐出させる吐出口とを備えた流路と、
を備え、
前記流路と前記伝搬面の伝搬方向と直交する面との交差部分が、前記吸入口と前記吐出口との間の一部で増加するように、前記流路が形成されたことを特徴とするマイクロポンプ。
前記流路の幅が前記吸入口と前記吐出口との間で増加する請求項１に記載のマイクロポンプ。
前記流路に接する前記伝搬面の表面に突起が形成された請求項１又は２に記載のマイクロポンプ。
前記流路に接する前記伝搬面の表面に針状突起が形成された請求項３に記載のマイクロポンプ。
前記流路に接する前記伝搬面の表面に繊維状突起が形成された請求項３に記載のマイクロポンプ。
前記圧電基板に前記流路が溝状に形成された請求項１乃至５のいずれか１項に記載のマイクロポンプ。
前記圧電基板に前記流路が埋設された請求項１乃至５のいずれか１項に記載のマイクロポンプ。