JP2007303410A - Structure of micropump - Google Patents

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Isaku Jinno
伊策 神野
Jacob Loverich
ヤコブ・ロベルヒ
Hidetoshi Kodera
秀俊 小寺
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a micropump with a small size and a simple configuration. <P>SOLUTION: The micropump is provided with (a) a diaphragm 25 formed on an inner side of a peripheral part of an insulating film having rubber elasticity by supporting the peripheral part of the insulating film, (b) a pair of electrodes 26 and 28 abutted to both surfaces of the diaphragm 25 without restricting the surfaces in a surface direction, and (c) a flow passage 12d arranged adjacently to a diaphragm 23 and varying its capacity interlocked with the deformation of the diaphragm 23. An area of the diaphragm 25 is varied and capacity of the flow passage 12d is varied when a voltage is applied between the electrodes 26 and 28, and thereby, the fluid in the flow passage 12d is carried by the micropump. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明はマイクロポンプの構造に関する。   The present invention relates to a structure of a micropump.

微小領域で化学反応を起こし、搬送・分離・検出等の機能デバイスをチップ上で実現するマイクロチップの開発が進められている。   Development of a microchip that causes a chemical reaction in a minute region and realizes functional devices such as transport, separation, and detection on the chip is underway.

マイクロチップは、遺伝子解析、臨床診断、薬物スクリーニングなどの化学、生化学、薬学、医学、獣医学分野のみならず、化学工業、環境測定などの幅広い用途に使用できる。マイクロチップ内のマイクロチャンネルや反応容器では流体、主に薬液やサンプル等の液体を扱うが、そのためには流体の流れや移送を制御する流体制御素子、すなわちマイクロポンプ等が必要になる。   The microchip can be used not only in the fields of chemistry such as gene analysis, clinical diagnosis and drug screening, biochemistry, pharmacy, medicine and veterinary medicine but also in a wide range of applications such as chemical industry and environmental measurement. The microchannel and reaction vessel in the microchip handle fluids, mainly liquids such as chemicals and samples. For this purpose, a fluid control element that controls the flow and transfer of the fluid, that is, a micropump is required.

従来、マイクロポンプは、多くのタイプのものが開発されており、非メカニカルポンプとメカニカルポンプに分けられる。一般的には、後者のメカニカルポンプの方が、流体の電気的性質に作用されず、汎用性に優れているとされている。   Conventionally, many types of micropumps have been developed, and are divided into non-mechanical pumps and mechanical pumps. In general, the latter mechanical pump is considered to be more versatile because it does not affect the electrical properties of the fluid.

メカニカルポンプには、高い発生応力が得られる圧電材料を用いたアクチュエータによって駆動するものがある。この種のものは、低電圧で駆動でき、周波数応答性が高い。   Some mechanical pumps are driven by an actuator using a piezoelectric material capable of obtaining a high generated stress. This type can be driven at a low voltage and has high frequency response.

また、特許文献1には、マイクロポンプなどの使用を目的として吐出圧力を高めるためのダイヤフラムポンプが開示されている。このマイクロポンプは、圧電材料を用いてダイヤフラムを駆動している。
特開2005ー188355号公報
Patent Document 1 discloses a diaphragm pump for increasing the discharge pressure for the purpose of using a micropump or the like. This micro pump uses a piezoelectric material to drive a diaphragm.
JP 2005-188355 A

圧電材料は通常セラミックスのため小型化が難しく、無機材料であるため大変形に不向きであるため、圧電材料を用いたマイクロポンプは、小型化、高性能化が困難である。また、特許文献1のダイヤフラムポンプは構造が複雑である。   Piezoelectric materials are usually ceramics and difficult to miniaturize, and since they are inorganic materials, they are not suitable for large deformations. Therefore, micropumps using piezoelectric materials are difficult to miniaturize and improve performance. Further, the diaphragm pump of Patent Document 1 has a complicated structure.

本発明は、かかる実情に鑑み、小型で構成が簡単なマイクロポンプを提供しようとするものである。   In view of such circumstances, the present invention intends to provide a micro pump having a small size and a simple configuration.

本発明は、上記課題を解決するために、以下のように構成したマイクロポンプを提供する。   In order to solve the above problems, the present invention provides a micropump configured as follows.

マイクロポンプは、(a)ゴム弾性を有する絶縁体の膜の周辺部を支持することにより、前記周辺部の内側に形成されたダイヤフラム部と、(b)前記ダイヤフラム部の両面を面方向に拘束することなく該両面にそれぞれ接する一対の電極と、(c)前記ダイヤフラム部に隣接して配置され、前記ダイヤフラム部の変形に連動して容積が変化する流路とを備える。マイクロポンプは、前記電極間に電圧が印加されると前記ダイヤフラム部の面積が変化して前記流路の容積が変化することにより、前記流路内の流体を搬送する。   The micropump (a) supports the peripheral part of the insulating film having rubber elasticity, thereby restraining the diaphragm part formed inside the peripheral part, and (b) restraining both surfaces of the diaphragm part in the surface direction. A pair of electrodes that are in contact with each of the both surfaces, and (c) a channel that is disposed adjacent to the diaphragm portion and whose volume changes in conjunction with deformation of the diaphragm portion. When a voltage is applied between the electrodes, the micropump changes the area of the diaphragm and changes the volume of the flow path, thereby transporting the fluid in the flow path.

上記構成によれば、ゴム弾性を有する絶縁体の膜(例えば、絶縁体のエラストマーの膜)により形成されるダイヤフラム部は、電極間に電圧が印加されて電極間に引き合う力が作用すると、電極は電極が接するダイヤフラム部の両面を面方向には拘束しないため、ダイヤフラム部は電極間の圧縮された部分が圧縮方向に垂直な方向に伸び、面積が変化する。例えば、ダイヤフラム部又はダイヤフラムと一体に変形する部分が流路の壁面の一部となるように構成し、ダイヤフラム部の面積の変化に追随して流路の容積が変化する。マイクロポンプは、このような流路の容積変化を利用することで、流路内の流体を搬送することができる。   According to the above configuration, when a diaphragm portion formed by an insulating film having rubber elasticity (for example, an insulating elastomer film) is applied with a voltage between the electrodes and an attractive force acts between the electrodes, In the diaphragm portion, both surfaces of the diaphragm portion in contact with the electrode are not constrained in the surface direction, so that the compressed portion between the electrodes extends in a direction perpendicular to the compression direction and the area of the diaphragm portion changes. For example, the diaphragm part or a part that deforms integrally with the diaphragm is configured to be a part of the wall surface of the flow path, and the volume of the flow path changes following the change in the area of the diaphragm part. The micropump can convey the fluid in the flow path by utilizing such a change in volume of the flow path.

上記構成によれば、小型で構成が簡単なマイクロポンプが実現できる。   According to the above configuration, a micro pump having a small size and a simple configuration can be realized.

好ましくは、前記ダイヤフラム部と前記流路との間に、ゴム弾性を有する第2の膜の周辺部を支持することにより、前記周辺部の内側に形成された第2のダイヤフラム部を備える。前記ダイヤフラム部と前記第2のダイヤフラム部との間に、前記一対の電極の一方となる導電性を有する流動体が密閉される。前記ダイヤフラム部の前記流路とは反対側の面に、前記一対の電極の他方となる導電性を有する流動体が粘着されている。   Preferably, a second diaphragm portion formed inside the peripheral portion is provided between the diaphragm portion and the flow path by supporting the peripheral portion of the second film having rubber elasticity. A conductive fluid serving as one of the pair of electrodes is sealed between the diaphragm portion and the second diaphragm portion. A conductive fluid serving as the other of the pair of electrodes is adhered to the surface of the diaphragm portion opposite to the flow path.

この場合、導電性を有する流動体(例えば、導電性グリース)を密封したり、粘着することで、ダイヤフラム部の両面を面方向に拘束することなく該両面に接する電極を簡単に構成することができる。   In this case, by sealing or adhering a conductive fluid (for example, conductive grease), it is possible to easily configure an electrode that is in contact with both surfaces of the diaphragm without constraining both surfaces of the diaphragm portion in the surface direction. it can.

なお、第2のダイヤフラム部を構成する第2の膜は、導電性を有していてもよいが、ダイヤフラム部と同じ膜(絶縁体の膜)を用いると、構成要素を共通化することができるので、第2のダイヤフラム部とダイヤフラム部とが同じ膜であることが好ましい。   Note that the second film constituting the second diaphragm portion may have conductivity. However, if the same film (insulator film) as the diaphragm portion is used, the constituent elements may be shared. Since it can do, it is preferable that the 2nd diaphragm part and a diaphragm part are the same films | membranes.

好ましくは、前記ダイヤフラム部は、絶縁体のエラストマーの膜に予め引張りひずみを加えた状態で該膜の周辺部を支持することにより、該周辺部の内側に形成される。前記ダイヤフラム部の厚みは100μm以下である。前記ダイヤフラム部は、前記一対の電極に印加される電圧により、前記電極間において電界が50V/μm以上となる。   Preferably, the diaphragm portion is formed inside the peripheral portion by supporting the peripheral portion of the insulating elastomer film in a state in which a tensile strain is applied in advance. The thickness of the diaphragm portion is 100 μm or less. The diaphragm portion has an electric field of 50 V / μm or more between the electrodes due to a voltage applied to the pair of electrodes.

エラストマーはゴム弾性を有するが、そのままでは剛性が弱いため、予め引張りひずみをかけて厚みを薄くすることで、剛性も向上し実効的な電界も増加するため、ダイヤフラム部の駆動力を大きくすることができる。ダイヤフラム部の厚みは100μm以下、電界が50V/μm以上となるようにすると、ポンプ駆動に必要な良好なマクスウェル応力を得ることができ、流体を搬送することができる。   Elastomers have rubber elasticity, but the rigidity is weak as it is, so reducing the thickness by applying tensile strain beforehand improves the rigidity and increases the effective electric field, so the driving force of the diaphragm part must be increased. Can do. When the thickness of the diaphragm portion is 100 μm or less and the electric field is 50 V / μm or more, good Maxwell stress necessary for driving the pump can be obtained, and the fluid can be conveyed.

好ましくは、前記ダイヤフラム部の大きさは、直径3mm以下である。前記ダイヤフラム部を構成する前記エラストマーは、予め、150%以上500%未満の引張りひずみが加えられている。   Preferably, the diaphragm portion has a diameter of 3 mm or less. The elastomer constituting the diaphragm part is preliminarily applied with a tensile strain of 150% or more and less than 500%.

ダイヤフラム部の直径が大きすぎたり、エラストマーの引張りひずみが小さすぎたりすると、ダイヤフラム部の剛性が低下し、発生力低下を招くが、上記の場合、ダイヤフラム部の面積変化と張力とが大きくなり、流体の搬送が可能な駆動力を得ることができる。   If the diameter of the diaphragm part is too large, or if the tensile strain of the elastomer is too small, the rigidity of the diaphragm part will be reduced and the generated force will be reduced, but in the above case, the area change and tension of the diaphragm part will increase, A driving force capable of transporting fluid can be obtained.

好ましくは、前記ダイヤフラム部を構成する前記エラストマーの比誘電率が4以上である。   Preferably, a relative dielectric constant of the elastomer constituting the diaphragm portion is 4 or more.

この場合、ダイヤフラム部に発生する力は、比誘電率に比例し、比誘電率の値が4以上の材料を用いることで、ポンプ駆動に必要な良好なマクスウェル応力を得ることができる。   In this case, the force generated in the diaphragm portion is proportional to the relative dielectric constant, and by using a material having a relative dielectric constant of 4 or more, a good Maxwell stress necessary for driving the pump can be obtained.

好ましくは、前記流路に2つの弁が設けられる。前記流路において、前記弁の間に隣接して前記ダイヤフラム部が配置される。前記弁は、PDMS(Polydimethylsiloxane)を用いて、前記流路と一体にモールディングにより形成される。   Preferably, two valves are provided in the flow path. In the flow path, the diaphragm portion is disposed adjacent to the valve. The valve is formed by molding integrally with the flow path using PDMS (Polydimethylsiloxane).

この場合、光硬化性樹脂であるPDMSを鋳型に流し込み硬化させることにより、マイクロポンプや弁を容易に作製することができる。PDMSは、流路の壁面形状を保持するとともに、弁となる部分が弾性変形する程度の剛性を有する。PDMSは透明であるため、流路を流れる流体を外部から光を利用して観察することができる。   In this case, a micropump or a valve can be easily produced by pouring PDMS, which is a photocurable resin, into a mold and curing it. PDMS retains the shape of the wall surface of the flow path, and has such rigidity that a portion that becomes a valve is elastically deformed. Since PDMS is transparent, the fluid flowing through the channel can be observed from the outside using light.

好ましくは、前記弁は、前記流路の幅が異なる部分の境界付近に、前記流路の壁面から1μm以上、10μm以下の隙間を設けて形成される。   Preferably, the valve is formed with a gap of 1 μm or more and 10 μm or less from the wall surface of the flow path in the vicinity of a boundary between portions where the widths of the flow paths are different.

この場合、流路と弁とが同じ材質であるため、接触による摩擦や吸着力が大きくなるが、流路の壁面と弁との間に隙間を設けることにより、マイクロポンプは安定な動作が可能となる。流路の壁面と弁との間の隙間が1μm以上であれば、加工精度にばらつきがあっても、弁が流路の壁面と接触しないように作製することができる。一方、流路の壁面と弁との間の隙間が10μm以下であれば、隙間からの流体の漏れは、実用上問題にならない。   In this case, since the flow path and the valve are made of the same material, friction and adsorption force due to contact increases, but by providing a gap between the wall surface of the flow path and the valve, the micropump can operate stably. It becomes. If the gap between the wall surface of the flow path and the valve is 1 μm or more, the valve can be manufactured so as not to contact the wall surface of the flow path even if the processing accuracy varies. On the other hand, if the gap between the wall surface of the flow path and the valve is 10 μm or less, fluid leakage from the gap does not cause a problem in practice.

また、本発明は、以下のように構成したアクチュエータを提供する。   The present invention also provides an actuator configured as follows.

アクチュエータは、(a)ゴム弾性を有する絶縁体の膜の周辺部を支持することにより、前記周辺部の内側に形成されたダイヤフラム部と、(b)前記ダイヤフラム部の両面を面方向に拘束することなく該両面にそれぞれ接する一対の電極とを備える。アクチュエータは、前記電極間に電圧が印加されたときの前記ダイヤフラム部のたわみを駆動に利用する。   The actuator supports (a) a peripheral portion of an insulating film having rubber elasticity, thereby restraining a diaphragm portion formed inside the peripheral portion and (b) both surfaces of the diaphragm portion in a surface direction. And a pair of electrodes that are in contact with both surfaces. The actuator uses the deflection of the diaphragm when a voltage is applied between the electrodes for driving.

上記構成において、ゴム弾性を有する絶縁体の膜で形成されたダイヤフラム部は、電極間に電圧が印加されて変形してたわむ。ダイヤフラム部のたわみによる変位は、マイクロポンプのダイヤフラムの駆動に限らず、例えば、流路の開閉、スイッチの接離などの駆動に利用することができる。   In the above structure, the diaphragm portion formed of an insulating film having rubber elasticity deforms and bends when a voltage is applied between the electrodes. The displacement due to the deflection of the diaphragm portion is not limited to the driving of the diaphragm of the micropump, and can be used for, for example, driving such as opening and closing of a flow path and contact and separation of a switch.

本発明によれば、小型で構成が簡単なマイクロポンプを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a micro pump having a small size and a simple configuration.

以下、本発明の実施の形態について、図1〜図10を参照しながら説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.

<実施例1> マイクロポンプを備えたマイクロチップ10について、図1〜図9を参照しながら説明する。   <Example 1> A microchip 10 including a micropump will be described with reference to FIGS.

図1の断面図に示すように、マイクロチップ10は、一方の開口12xから供給された液体が、マイクロチャンネル(流路)12a〜12gを流れ、他方の開口12yから排出されるようになっている。   As shown in the cross-sectional view of FIG. 1, in the microchip 10, the liquid supplied from one opening 12x flows through the microchannels (flow channels) 12a to 12g and is discharged from the other opening 12y. Yes.

マイクロチャンネルの中間部分12dの底面には、図において上下方向に昇降するダイヤフラム21が設けられ、その前後には弁12s,12tが設けられ、液体が一方向(図において左から右)に流れるようになっている。   A diaphragm 21 that moves up and down in the drawing is provided on the bottom surface of the intermediate portion 12d of the microchannel, and valves 12s and 12t are provided on the front and back of the diaphragm 21 so that the liquid flows in one direction (from left to right in the drawing). It has become.

マイクロチャンネル12a〜12gや開口12x,12yが形成された流路基板12の下側には、断面円形の貫通穴15,17が形成された一対の2枚の基板14,16が、貫通穴15,17同士が連通するように対向して配置されている。基板14,16の間には、粘着性を有するエラストマーの2枚のシート22,24が面方向に引っ張った状態で挟持されている。2枚のシート22,24は、それぞれ隣接する基板14,16の貫通穴15,17内に略半球状に膨出するダイヤフラム部23,25が形成され、ダイヤフラム部23,25の間に略球状の空間内に、導電性を有する導電性グリース26が充填され密封されている。導電性グリース26は、粘着性があり自由に変形するグリースに、例えばカーボンのような導電性を有する材料が混合されたものであり、導電性を有する。   A pair of two substrates 14 and 16 having through holes 15 and 17 having a circular cross section are formed below the flow path substrate 12 in which the microchannels 12a to 12g and the openings 12x and 12y are formed. , 17 are arranged to face each other so as to communicate with each other. Between the substrates 14 and 16, two sheets 22 and 24 of an adhesive elastomer are sandwiched while being pulled in the surface direction. The two sheets 22 and 24 are formed with substantially hemispherical diaphragm portions 23 and 25 in the through holes 15 and 17 of the adjacent substrates 14 and 16, respectively, and the substantially spherical shape is formed between the diaphragm portions 23 and 25. In this space, conductive grease 26 having conductivity is filled and sealed. The conductive grease 26 is made by adhering a freely-deformable grease to a conductive material such as carbon, and has conductivity.

2枚のシート22,24の間には、片面に導電膜32が形成された薄板30が挟持されている。薄板30及び導電膜32は、基板14,16よりも外側に突出し、導電膜32は外部電源40の一方の端子に接続される。薄板30及び導電膜32には、基板14,16の貫通穴15,17よりも小さい貫通孔31,33が形成され、薄板30及び導電膜32が基板14,16の貫通穴15,17より内側に入り込み、シート22,24の間に充填されている導電性グリース26は、導電膜32に接し、外部電源40の一方の端子に電気的に接続されるようになっている。   A thin plate 30 having a conductive film 32 formed on one side is sandwiched between the two sheets 22 and 24. The thin plate 30 and the conductive film 32 protrude outward from the substrates 14 and 16, and the conductive film 32 is connected to one terminal of the external power supply 40. The thin plate 30 and the conductive film 32 are formed with through holes 31 and 33 smaller than the through holes 15 and 17 of the substrates 14 and 16, and the thin plate 30 and the conductive film 32 are inside the through holes 15 and 17 of the substrates 14 and 16. The conductive grease 26 that enters and is filled between the sheets 22 and 24 is in contact with the conductive film 32 and is electrically connected to one terminal of the external power supply 40.

一対の基板14,16のうち、マイクロチャンネル12a〜12gに対向する基板14には、マイクロチャンネル12a〜12gに対向する面に樹脂のカバー層20が形成されている。カバー層20は、基板14の貫通穴15にも形成され、基板14の貫通穴15に形成された部分はダイヤフラム部23に接合し、ダイヤフラム部23と一体に移動してダイヤフラム21を構成する。   Of the pair of substrates 14 and 16, the substrate 14 facing the microchannels 12a to 12g has a resin cover layer 20 formed on the surface facing the microchannels 12a to 12g. The cover layer 20 is also formed in the through hole 15 of the substrate 14, and a portion formed in the through hole 15 of the substrate 14 is joined to the diaphragm portion 23, and moves together with the diaphragm portion 23 to form the diaphragm 21.

一対の基板14,16のうち、マイクロチャンネル12a〜12gとは反対側の基板16には、マイクロチャンネル12a〜12gと反対側の面に、片面に導電膜36が形成された薄板34が、貼り付けられている。薄板34及び導電膜36は、基板16よりも外側に突出し、導電膜36には外部電源40の他方の端子が接続される。   Of the pair of substrates 14 and 16, a thin plate 34 having a conductive film 36 formed on one side is attached to the substrate 16 opposite to the microchannels 12 a to 12 g on the surface opposite to the microchannels 12 a to 12 g. It is attached. The thin plate 34 and the conductive film 36 protrude outward from the substrate 16, and the other terminal of the external power supply 40 is connected to the conductive film 36.

基板16の貫通穴17の両端は、シート24のダイヤフラム部25と導電膜36とで塞がれ、貫通穴17の内部には、隙間29ができる程度に導電性グリース28が配置されている。導電性グリース29は、ダイヤフラム部25に全体的に接触するとともに、導電膜36に接触し、外部電源40の他方の端子に電気的に接続されている。導電性グリース29は、粘着性があり自由に変形するグリースにカーボン粉末が混合されたものであり、導電性を有する。   Both ends of the through hole 17 of the substrate 16 are closed by the diaphragm portion 25 and the conductive film 36 of the sheet 24, and the conductive grease 28 is disposed in the through hole 17 to the extent that a gap 29 is formed. The conductive grease 29 contacts the diaphragm part 25 as a whole, contacts the conductive film 36, and is electrically connected to the other terminal of the external power supply 40. The conductive grease 29 is a mixture of carbon powder mixed with grease that is sticky and freely deformed, and has conductivity.

図1の線II−IIに沿って切断した断面図である図2に示すように、基板12には、マイクロチャンネル12a〜12gと一体に、弁12s,12tが形成されている。弁12s,12tは、幅が広いマイクロチャンネル12c,12fと幅が狭いマイクロチャンネル12b,12eとの境界付近において、幅が狭いマイクロチャンネル12b,12eに連通する開口を覆うように形成されている。弁12s,12tは、マイクロチャンネル12c,12fの壁面に固着しないように、マイクロチャンネル12c,12fの壁面との間に隙間を設けて形成されている。   As shown in FIG. 2, which is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG. 1, valves 12 s and 12 t are formed on the substrate 12 integrally with the microchannels 12 a to 12 g. The valves 12s and 12t are formed so as to cover the openings communicating with the narrow microchannels 12b and 12e in the vicinity of the boundary between the wide microchannels 12c and 12f and the narrow microchannels 12b and 12e. The valves 12s and 12t are formed with a gap between the microchannels 12c and 12f so as not to adhere to the wall surfaces of the microchannels 12c and 12f.

すなわち、図3の要部拡大図に示すように、幅が広いマイクロチャンネル12c,12fの段差面には、弁12s,12tとの接触面積を減らす、幅が狭いマイクロチャンネル12b,12eに連通する開口に沿って筋状に延在する突起、すなわち突条12kが形成されている。   That is, as shown in the enlarged view of the main part of FIG. 3, the step surfaces of the wide microchannels 12c and 12f are communicated with the narrow microchannels 12b and 12e, which reduce the contact area with the valves 12s and 12t. A protrusion extending in a streak shape along the opening, that is, a protrusion 12k is formed.

例えば、図2及び図3において、幅が広いマイクロチャンネル12c,12fの幅(図のいて上下方向の寸法)は100μ、幅が狭いマイクロチャンネル12b,12eの幅は50μm、弁12s,12tの厚さ(図において左右方向の寸法)は10μmである。   For example, in FIG. 2 and FIG. 3, the width of the wide microchannels 12c and 12f (the vertical dimension in the figure) is 100 μ, the width of the narrow microchannels 12b and 12e is 50 μm, and the thickness of the valves 12s and 12t. The dimension (the dimension in the left-right direction in the figure) is 10 μm.

突条12kと弁12s,12tとの間には隙間S1が形成され、弁12s,12tとマイクロチャンネル12c,12fの壁面との間には隙間S2が設けられている。また、図3の線IV−IVに沿って切断した要部拡大断面図である図4に示すように、マイクロチャンネル12c,12fの底面20aと弁12s,12tの下端12p,12qとの間には隙間S3が設けられている。   A gap S1 is formed between the protrusion 12k and the valves 12s and 12t, and a gap S2 is provided between the valves 12s and 12t and the wall surfaces of the microchannels 12c and 12f. Further, as shown in FIG. 4 which is an enlarged cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG. 3, between the bottom surface 20a of the microchannels 12c and 12f and the lower ends 12p and 12q of the valves 12s and 12t. Is provided with a gap S3.

これらの隙間S1,S2,S3の大きさは、それぞれ、1μm以上、10μm以下とすることが好ましい。マイクロチャンネル12c,12fの壁面と弁12s,12tとが同じ材質であるため、接触による摩擦や吸着力が大きくなるが、マイクロチャンネル12c,12fの壁面と弁12s,12tとの間に隙間S1,S2,S3を設けることにより、マイクロポンプは安定な動作が可能となる。隙間S1,S2,S3の大きさが1μmであれば、加工精度にばらつきがあっても、弁12s,12tがマイクロチャンネル12c,12fの壁面に接触しないように作製することができる。隙間S1,S2,S3の大きさが10μm以下であれば、隙間S1,S2,S3からの流体の漏れは、実用上問題にならない。   The sizes of these gaps S1, S2, S3 are preferably 1 μm or more and 10 μm or less, respectively. Since the wall surfaces of the microchannels 12c and 12f and the valves 12s and 12t are made of the same material, friction and adsorption force due to contact increase, but the gaps S1 and S1 between the wall surfaces of the microchannels 12c and 12f and the valves 12s and 12t are increased. By providing S2 and S3, the micropump can operate stably. If the sizes of the gaps S1, S2, and S3 are 1 μm, the valves 12s and 12t can be manufactured so as not to contact the wall surfaces of the microchannels 12c and 12f even if the processing accuracy varies. If the sizes of the gaps S1, S2, and S3 are 10 μm or less, fluid leakage from the gaps S1, S2, and S3 is not a problem in practice.

次に、マイクロポンプの動作について、図5及び図6を参照しながら説明する。   Next, the operation of the micropump will be described with reference to FIGS.

図5(a)に示すように、シート52の両面に電極54,56が接するように配置し、図5(b)に示すように、電極54,56を電源50に接続して電圧を印加すると、電極54,56の電荷により引き合う力が作用する。この力によって、シート54は、電極54,56間に挟まれた部分が圧縮される。このとき、電極54,56が導電性を有する導電性グリースのようにシート54の面に接触しながら自由に変形するものであれば、シート54は電極54,56によって面方向の変形が拘束されないので、電極54,56による圧縮で厚みが小さくなり、矢印58で示すように面方向に伸びる。   As shown in FIG. 5 (a), the electrodes 54 and 56 are arranged so as to be in contact with both surfaces of the sheet 52, and as shown in FIG. 5 (b), the electrodes 54 and 56 are connected to the power source 50 to apply a voltage. Then, an attractive force acts on the electric charges of the electrodes 54 and 56. By this force, the portion of the sheet 54 sandwiched between the electrodes 54 and 56 is compressed. At this time, if the electrodes 54 and 56 are freely deformed while being in contact with the surface of the sheet 54 like conductive grease having conductivity, the sheet 54 is not restrained from being deformed in the surface direction by the electrodes 54 and 56. Therefore, the thickness is reduced by the compression by the electrodes 54 and 56 and extends in the surface direction as indicated by an arrow 58.

図6(a)に示すように、導電性グリース26,28間に電圧を印加すると、導電性グリース26,28間に挟まれたダイヤフラム部25が伸びる。このとき、他方のダイヤフラム部23は張力が作用した状態であり、ダイヤフラム部23,25の間に導電性グリース26が密封されているので、上側のダイヤフラム23が縮む。これによって、矢印50で示すように、マイクロチャンネル12dの壁面の一部を構成するダイヤフラム21が下降し、マイクロチャンネル12dの容積が増え、マイクロチャンネル12d内に流体が吸引される。この吸引によって、弁12s,12tはマイクロチャンネル12d側にたわむので、幅の相対的に広いマイクロチャンネル12cと幅が相対的に狭いマイクロチャンネル12bとの境界付近に設けられた上流側の弁12sは開き、幅が相対的に狭いマイクロチャンネル12eと幅の相対的に広いマイクロチャンネル12fとの境界付近に設けられた下流側の弁12tは閉じ、矢印52で示すように、上流側からマイクロチャンネル12d内に流体が流れ込む。   As shown in FIG. 6A, when a voltage is applied between the conductive greases 26 and 28, the diaphragm 25 sandwiched between the conductive greases 26 and 28 extends. At this time, the other diaphragm portion 23 is in a state where a tension is applied, and the conductive grease 26 is sealed between the diaphragm portions 23 and 25, so that the upper diaphragm 23 contracts. As a result, as indicated by the arrow 50, the diaphragm 21 constituting a part of the wall surface of the microchannel 12d is lowered, the volume of the microchannel 12d is increased, and the fluid is sucked into the microchannel 12d. Due to this suction, the valves 12s and 12t bend toward the microchannel 12d, so that the upstream valve 12s provided near the boundary between the relatively wide microchannel 12c and the relatively narrow microchannel 12b The downstream valve 12t provided near the boundary between the microchannel 12e having a relatively narrow width and the microchannel 12f having a relatively wide width is closed. As indicated by an arrow 52, the microchannel 12d from the upstream side is closed. Fluid flows into the inside.

導電性グリース28は、基板16の貫通穴17に隙間29が形成される程度に充填され、ダイヤフラム部25が伸びたときでも隙間29が形成され、ダイヤフラム部25が自由に変形できるようにする。   The conductive grease 28 is filled to such an extent that a gap 29 is formed in the through hole 17 of the substrate 16, so that the gap 29 is formed even when the diaphragm portion 25 is extended so that the diaphragm portion 25 can be freely deformed.

次いで、導電性グリース26,28に電圧を印加するのを止めると、図6(b)に示すように、下側のダイヤフラム部25が伸びた状態から縮み、上側のダイヤフラム部23が縮んだ状態から伸び、矢印54で示すように、ダイヤフラム12が上昇し、マイクロチャンネル12d内から流体が吐出される。このときには、上流側の弁12sが閉じ、下流側の弁12tが開き、矢印56で示すように、マイクロチャンネル12d内の流体が下流側に流れ出る。   Next, when the application of voltage to the conductive greases 26 and 28 is stopped, as shown in FIG. 6B, the lower diaphragm portion 25 contracts from the extended state, and the upper diaphragm portion 23 contracts. As shown by the arrow 54, the diaphragm 12 rises and fluid is discharged from the microchannel 12d. At this time, the upstream valve 12s is closed, the downstream valve 12t is opened, and the fluid in the microchannel 12d flows downstream, as indicated by the arrow 56.

次に、マイクロチップ10の作製例について、図7〜図9を参照しながら説明する。   Next, an example of manufacturing the microchip 10 will be described with reference to FIGS.

図7(a)に示すように、シート60の両端を治具で挟み、矢印64で示すように引っ張る。このとき、一方向(X方向)に引っ張った後、さらにこれと直角方向(Y方向)に引張り、面方向に張力を加えた状態で保持する。シート60には、エラストマーのシート、例えば『3M VHB 粘着フィルム(adhesive film)』を用い、元の寸法からX,Y方向に500%ずつ引張り、厚さを25μmにする。3M VHB 粘着フィルムは、比誘電率が4.7のエラストマーである。   As shown in FIG. 7A, both ends of the sheet 60 are sandwiched by jigs and pulled as indicated by arrows 64. At this time, after pulling in one direction (X direction), it is further pulled in a direction perpendicular to this direction (Y direction) and held in a state where tension is applied in the surface direction. As the sheet 60, an elastomer sheet, for example, “3M VHB adhesive film” is used, and is stretched by 500% in the X and Y directions from the original dimensions to a thickness of 25 μm. The 3M VHB adhesive film is an elastomer having a relative dielectric constant of 4.7.

シート60には、比誘電率が4以上のエラストマーを用いることが好ましい。シート60により形成されるダイヤフラム部に発生する力は、シート60の材料が示す比誘電率に比例し、比誘電率の値が4以上の材料を用いることで、ポンプ駆動に必要な良好なマクスウェル応力を得ることができる。   The sheet 60 is preferably made of an elastomer having a relative dielectric constant of 4 or more. The force generated in the diaphragm portion formed by the sheet 60 is proportional to the relative dielectric constant indicated by the material of the sheet 60, and by using a material having a relative dielectric constant of 4 or more, a good Maxwell necessary for driving the pump is obtained. Stress can be obtained.

次いで、図7(b)に示すように、シート60の片面に、貫通穴15,17が形成された基板14,16を貼り付け、基板14,16からはみ出たシート60を切断する。例えば、基板14には厚さ0.5mmの透明なアクリル板を用い、基板16には厚さ1.0mmの透明なアクリル板を用いる。各基板14,16には、直径1.5mmの貫通穴15,17を形成する。   Next, as shown in FIG. 7B, the substrates 14 and 16 in which the through holes 15 and 17 are formed are attached to one side of the sheet 60, and the sheet 60 protruding from the substrates 14 and 16 is cut. For example, a transparent acrylic plate having a thickness of 0.5 mm is used for the substrate 14, and a transparent acrylic plate having a thickness of 1.0 mm is used for the substrate 16. Each substrate 14 and 16 is formed with through holes 15 and 17 having a diameter of 1.5 mm.

次いで、図7(c)に示すように、基板14,16のシート60を貼り付けていない面に、貫通穴15,17を覆うように吸引治具70を取り付け、矢印72に示すように吸引し、シート60が基板14,16の貫通穴15,17を覆う部分23,25に、凹み23x,25xを形成する。例えば、大気圧との差圧が0.1Paとなるように吸引する。   Next, as shown in FIG. 7C, a suction jig 70 is attached to the surface of the substrates 14 and 16 where the sheet 60 is not attached so as to cover the through holes 15 and 17, and suction is performed as indicated by an arrow 72. Then, recesses 23x and 25x are formed in portions 23 and 25 where the sheet 60 covers the through holes 15 and 17 of the substrates 14 and 16, respectively. For example, the suction is performed so that the differential pressure from the atmospheric pressure is 0.1 Pa.

次いで、図7(d)に示すように、凹み23x,25xに導電性グリース26を充填し、シート22,24同士が対向するように配置した基板14,16の間に、片面に導電膜32が形成された薄板30を配置し、薄板30及び導電膜32の貫通穴31,33の位置と凹み23x,25xの位置とを揃えて重ね合わせ、接合する。例えば、薄板30として厚さ100μmのOHPシート(ポリエステルシート)を用い、その片面に、導電膜32としてAlを蒸着する。   Next, as shown in FIG. 7D, the conductive grease 26 is filled in the recesses 23x and 25x, and the conductive film 32 is provided on one side between the substrates 14 and 16 disposed so that the sheets 22 and 24 face each other. The positions of the through holes 31 and 33 of the thin plate 30 and the conductive film 32 and the positions of the recesses 23x and 25x are aligned and joined together. For example, an OHP sheet (polyester sheet) having a thickness of 100 μm is used as the thin plate 30, and Al is deposited as the conductive film 32 on one surface thereof.

次いで、図8(e)に示すように、一方の基板14の上面と貫通穴15に樹脂を塗布してカバー層20とダイヤフラム21とを形成するとともに、他方の基板16の貫通穴17に導電性グリース28を充填する。例えば、PDMS(Polydimethylsiloxane)をスピンコートし、加熱して硬化させることにより、基板14上に厚さ30μmのカバー層20を形成する。   Next, as shown in FIG. 8 (e), a resin is applied to the upper surface of one substrate 14 and the through hole 15 to form a cover layer 20 and a diaphragm 21, and conductive to the through hole 17 of the other substrate 16. The functional grease 28 is filled. For example, a cover layer 20 having a thickness of 30 μm is formed on the substrate 14 by spin-coating PDMS (Polydimethylsiloxane) and heating to cure.

次いで、図8(f)に示すように、上面に導電膜36が形成された薄板34に、他方の基板16の下面側を重ね、接合し、導電性グリース28が充填された他方の基板16の貫通穴17を塞ぐ。   Next, as shown in FIG. 8 (f), the lower surface of the other substrate 16 is overlapped and joined to the thin plate 34 having the conductive film 36 formed on the upper surface, and the other substrate 16 filled with the conductive grease 28 is joined. The through hole 17 is closed.

次いで、図8(g)に示すように、一方の基板14の上面に形成されたカバー層20の上に、予めマイクロチャンネル12a〜12g、弁12s,12t、開口12x,12yが形成された基板12を重ね、基板12をカバー層20に接合する。これによって、マイクロチップが完成する。例えば、基板12は、カバー層20と同じ材料PDMSで形成することにより、基板12とカバー層20とを接触させるだけで接合することができる。なお、カバー層20と基板12とでは、PDMSに添加する硬化剤の量を変えて、それぞれの用途に応じた特性を得るようにする。   Next, as shown in FIG. 8G, a substrate in which microchannels 12a to 12g, valves 12s and 12t, and openings 12x and 12y are formed in advance on a cover layer 20 formed on the upper surface of one substrate 14. 12 are stacked, and the substrate 12 is bonded to the cover layer 20. Thereby, the microchip is completed. For example, the substrate 12 is formed of the same material PDMS as that of the cover layer 20, so that the substrate 12 and the cover layer 20 can be bonded by simply contacting them. In addition, with the cover layer 20 and the board | substrate 12, the quantity according to each use is acquired by changing the quantity of the hardening | curing agent added to PDMS.

マイクロチャンネル12a〜12g、弁12s,12t、開口12x,12yが形成された基板12は、図9に示すように作製する。   The substrate 12 on which the microchannels 12a to 12g, the valves 12s and 12t, and the openings 12x and 12y are formed is manufactured as shown in FIG.

すなわち、図9(a)に示すように、ベース80上に、図4に示す弁12s,12tの下端12p,12qとマイクロチャンネル底面20aとの間の隙間S3に対応して、底上部82を、弁12s,12tの下端12p,12q及びその近傍に対応する位置に形成する。底上部82は、例えば、光硬化性樹脂であるSU−8(microchem社製)を塗布し、底上部82となる部分に平行光を露光した後に加熱して、平行光の透過部分を硬化さ、現像液を用いて非透過部分を除去する。これによって、例えば3μmの高さの底上部82を形成する。   That is, as shown in FIG. 9A, the bottom upper portion 82 is formed on the base 80 corresponding to the gap S3 between the lower ends 12p, 12q of the valves 12s, 12t and the microchannel bottom surface 20a shown in FIG. The valves 12s and 12t are formed at positions corresponding to the lower ends 12p and 12q and the vicinity thereof. For example, SU-8 (manufactured by Microchem), which is a photo-curing resin, is applied to the bottom upper portion 82, and the portion that becomes the bottom upper portion 82 is exposed to parallel light and then heated to cure the transmission portion of the parallel light. Then, the non-transparent portion is removed using a developer. Thereby, for example, a bottom upper portion 82 having a height of 3 μm is formed.

次いで、図9(b)に示すように、マイクロチャンネル12a〜12gの空間に対応する流路部分84を作製する。流路部分84は、例えばSU−8を用い、平行光を露光した後に加熱、現像して、50μmの高さに形成する。   Next, as shown in FIG. 9B, a flow path portion 84 corresponding to the space of the microchannels 12a to 12g is produced. The flow path portion 84 is formed, for example, using SU-8, exposed to parallel light and then heated and developed to have a height of 50 μm.

次いで、図9(c)に示すように、ベース80上に樹脂88を流し込み、底上部82及び流路部分84の形状を、樹脂88に転写する。樹脂88を流し込む前又は流し込んだ後に開口12x,12yに対応する位置に円柱状の部材86を挿入し、円柱状の部材86を挿入したままの状態で、樹脂88を硬化させる。   Next, as shown in FIG. 9C, the resin 88 is poured onto the base 80, and the shapes of the bottom upper part 82 and the flow path part 84 are transferred to the resin 88. Before or after pouring the resin 88, the columnar member 86 is inserted into a position corresponding to the openings 12x and 12y, and the resin 88 is cured with the columnar member 86 still inserted.

例えば、樹脂88には、PDMSを用いる。PDMSは、透明な光硬化性樹脂であるので、鋳型に流し込み硬化させることにより、マイクロポンプを容易に作製することができる。PDMSは、マイクロチャンネル12a〜12gの形状を保持するとともに、弁12s,12tが弾性変形する程度の剛性を有する。PDMSは透明であるため、マイクロチャンネルを流れる流体を外部から光を利用して観察することができる。   For example, PDMS is used for the resin 88. Since PDMS is a transparent photocurable resin, a micropump can be easily produced by pouring into a mold and curing. The PDMS retains the shape of the microchannels 12a to 12g and has rigidity sufficient to elastically deform the valves 12s and 12t. Since PDMS is transparent, the fluid flowing through the microchannel can be observed from the outside using light.

次いで、樹脂88のみを取り出すことにより、図9(d)に示すように基板12が完成する。   Next, by removing only the resin 88, the substrate 12 is completed as shown in FIG.

次に、マイクロチップ10に作製したマイクロポンプの特性について、図10〜図12のグラフを参照しながら説明する。   Next, the characteristics of the micropump fabricated on the microchip 10 will be described with reference to the graphs of FIGS.

図10(a)は、導電性グリース26,28間に印加する電圧(Voltage)と、ダイヤフラム部23の変位(Displacement)の関係を示す。ダイヤフラム部23の変位は、導電性グリース26にAg粒子を混合し、基板12側からレーザー変位計を用い、導電性グリース26からの反射光により測定した。なお、Ag粒子を導電性グリース26に混合しても、ポンプ特性に変化は見られなかった。灰色の△は予めX、Y方向に200%ずつの引張りひずみを与えたエラストマーのシート60を用いた場合、灰色の□は予めX、Y方向に300%ずつの引張りひずみを与えたエラストマーのシート60を用いた場合、黒色の◆は予めX、Y方向に400%ずつの引張りひずみを与えたエラストマーのシート60を用いた場合を示す。予め与える引張りひずみが150%以上であれば、電圧に応じて変位が変化し、マイクロポンプを駆動できることが分かる。予め与える引張りひずみが500%以上では、引張りひずみを大きくしても、電圧と変位との関係が変らなくなり、引張りひずみを予め与えることによる効果が飽和する。   FIG. 10A shows the relationship between the voltage (Voltage) applied between the conductive greases 26 and 28 and the displacement of the diaphragm 23 (Displacement). The displacement of the diaphragm 23 was measured by reflected light from the conductive grease 26 by mixing Ag particles into the conductive grease 26 and using a laser displacement meter from the substrate 12 side. Even when the Ag particles were mixed with the conductive grease 26, no change was seen in the pump characteristics. Gray triangle indicates an elastomer sheet 60 that has been given a tensile strain of 200% in each of the X and Y directions, and gray square indicates an elastomer sheet that has previously been provided with a 300% of the tensile strain in the X and Y directions. When 60 is used, black ♦ indicates a case where an elastomer sheet 60 is used in which tensile strains of 400% are applied in the X and Y directions in advance. It can be seen that if the tensile strain applied in advance is 150% or more, the displacement changes according to the voltage, and the micropump can be driven. When the tensile strain applied in advance is 500% or more, even if the tensile strain is increased, the relationship between the voltage and the displacement does not change, and the effect obtained by applying the tensile strain in advance is saturated.

図10(b)は、導電性グリース26,28間に印加する電圧(Voltage)の周波数(Frequency)とダイヤフラム部23の変位(Displacement)の関係を示す。灰色の△は予めX、Y方向に200%ずつの引張りひずみを与えたエラストマーのシート60を用い、2.4kVの電圧を印加した場合、灰色の□は予めX、Y方向に300%ずつの引張りひずみを与えたエラストマーのシート60を用い、2.7kVの電圧を印加した場合、黒色の◆は予めX、Y方向に400%ずつの引張りひずみを与えたエラストマーのシート60を用い、3.3kVの電圧を印加した場合を示す。   FIG. 10B shows the relationship between the frequency (Frequency) of the voltage (Voltage) applied between the conductive greases 26 and 28 and the displacement (Displacement) of the diaphragm 23. The gray triangle indicates that when a voltage of 2.4 kV is applied using an elastomer sheet 60 preliminarily applied with tensile strains of 200% in the X and Y directions, the gray square indicates 300% in advance in the X and Y directions. 2. When a 2.7 kV voltage is applied using a tensile strained elastomer sheet 60, the black ♦ uses an elastomer sheet 60 that has been previously given 400% tensile strain in the X and Y directions. The case where a voltage of 3 kV is applied is shown.

図11(a)は、導電性グリース26,28間に印加する電圧の周波数と、流速(Flow rate;黒い◆)及び背圧(Blocked pressure;灰色の□)の関係を示す。導電性グリース26,28間に印加する電圧の周波数が10Hz〜100Hz程度の範囲内で、良好に駆動することができることが分かる。   FIG. 11A shows the relationship between the frequency of the voltage applied between the conductive greases 26, 28, the flow rate (black rate), and the back pressure (blocked pressure; gray square). It can be seen that it can be driven well when the frequency of the voltage applied between the conductive greases 26 and 28 is in the range of about 10 Hz to 100 Hz.

図11(b)は、導電性グリース26,28間に印加する電圧の大きさと、流速(Flow rate;黒い◆)及び背圧(Blocked pressure;灰色の□)の関係を示す。電圧を大きくするほど、駆動力が大きくなることが分かる。   FIG. 11B shows the relationship between the magnitude of the voltage applied between the conductive greases 26 and 28, the flow rate (black rate), and the back pressure (blocked pressure; gray square). It can be seen that the driving force increases as the voltage is increased.

図12(a)は、導電性グリース26,28間に印加する電圧の周波数と、出力(Power;黒い◆)及び効率(Efficency;灰色の□)の関係を示す。出力は流体を搬送するときのエネルギーである。効率は、電圧印加による入力した電気エネルギーに対し、出力として得られる流体の搬送エネルギーの割合である。周波数が10Hz〜100Hz程度の範囲内では効率よく駆動することができることが分かる。   FIG. 12A shows the relationship between the frequency of the voltage applied between the conductive greases 26 and 28, the output (Power; black ◆), and the efficiency (Efficiency; gray square). The output is energy when transporting the fluid. The efficiency is the ratio of the transport energy of the fluid obtained as an output with respect to the electric energy input by voltage application. It can be seen that the drive can be efficiently performed within the frequency range of about 10 Hz to 100 Hz.

図12(b)は、導電性グリース26,28間に印加する電圧の周波数と、ダイヤフラム部23の変位との関係を示す。黒色は背圧がない場合、灰色は背圧が3.5kPaの場合を示す。いずれの場合も、マイクロポンプで搬送する流体は水である。   FIG. 12B shows the relationship between the frequency of the voltage applied between the conductive greases 26 and 28 and the displacement of the diaphragm 23. Black indicates no back pressure, and gray indicates a back pressure of 3.5 kPa. In either case, the fluid conveyed by the micropump is water.

図10(a)及び図11(b)から、導電性グリース26,28間に印加する電圧が1kV以上であれば、流体を搬送することができる。このとき、ダイヤフラム部25の厚さは20μm程度であるので、ダイヤフラム部25に印加される電界が50V/μm以上であれば、流体を搬送することができる。   From FIG. 10A and FIG. 11B, if the voltage applied between the conductive greases 26 and 28 is 1 kV or more, the fluid can be conveyed. At this time, since the thickness of the diaphragm portion 25 is about 20 μm, the fluid can be conveyed if the electric field applied to the diaphragm portion 25 is 50 V / μm or more.

<実施例2> 実施例2のマイクロポンプについて、図13の要部断面図を参照しながら説明する。 <Example 2> The micropump of Example 2 will be described with reference to a cross-sectional view of the main part of FIG.

実施例2のマイクロポンプは、実施例1と略同様に構成されている。実施例1と同様の構成部分には同じ符号を用い、以下では相違点を中心に説明する。   The micropump of the second embodiment is configured in substantially the same manner as the first embodiment. The same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the differences will be mainly described below.

実施例2のマイクロポンプは、カバー層20xとダイヤフラム部23との間に、導電性グリース27を充填している。ダイヤフラム部23に接する導電性グリース27は不図示の配線によって電源部に電気的に接続されている。電源部は、導電膜36を介して、ダイヤフラム部25に接する導電性グリース28にも電気的に接続されている。ダイヤフラム部23,25の間に充填された導電性グリース26は、導電膜32を介して、接地されている。電源部は、±Vの交流電圧を印加するが、−V〜0の負の電圧はダイヤフラム部23に接する導電性グリース27のみに印加し、0〜+Vの正の電圧はダイヤフラム部25に接する導電性グリース28に印加する回路を含んでいる。これによって、±Vの交流電圧の半周期ごとに、ダイヤフラム部23,25が交互に伸縮するので、同じ交流電圧を印加した場合、ダイヤフラム21xの変位量は、ダイヤフラム部25のみが伸縮する実施例1の場合の2倍となり、ダイヤフラム21xの駆動周波数はダイヤフラム部25のみが伸縮する実施例1の場合の半分となる。 In the micro pump of the second embodiment, conductive grease 27 is filled between the cover layer 20 x and the diaphragm portion 23. The conductive grease 27 in contact with the diaphragm portion 23 is electrically connected to the power source portion by wiring (not shown). The power supply unit is also electrically connected to the conductive grease 28 in contact with the diaphragm unit 25 through the conductive film 36. The conductive grease 26 filled between the diaphragm portions 23 and 25 is grounded through the conductive film 32. The power supply unit applies an AC voltage of ± V 0 , but a negative voltage of −V 0 to 0 is applied only to the conductive grease 27 in contact with the diaphragm unit 23, and a positive voltage of 0 to + V 0 is applied to the diaphragm unit 25 includes a circuit that is applied to the conductive grease 28 in contact with 25. Accordingly, the diaphragm portions 23 and 25 alternately expand and contract every half cycle of the AC voltage of ± V 0. Therefore, when the same AC voltage is applied, the displacement amount of the diaphragm 21x is such that only the diaphragm portion 25 expands and contracts. The driving frequency of the diaphragm 21x is half that of the first embodiment in which only the diaphragm portion 25 expands and contracts.

<まとめ> 以上に説明したように、マイクロポンプは、駆動源としてエラストマー材料の伸縮を用いている。一般に市販されているエラストマーは剛性が弱いが、予め引張りひずみをかけて厚みを薄くすることで、剛性も向上し実効的な電界も増加するため、マイクロポンプの駆動力を大きくすることができる。エラストマーは絶縁性が高いので、高い電圧を印加することができ、マイクロポンプの高出力化を図ることができる。   <Summary> As described above, the micropump uses expansion and contraction of an elastomer material as a drive source. In general, commercially available elastomers have low rigidity, but by reducing the thickness by applying tensile strain in advance, the rigidity is improved and the effective electric field is increased, so that the driving force of the micropump can be increased. Since the elastomer has high insulation, a high voltage can be applied, and the output of the micropump can be increased.

電極に導電性グリースを用いることにより、エラストマーは、面方向の変形が拘束されないため、面方向に大きく変形することができる。また、エラストマーを2層構造とすることで、安定に導電性グリースを封じ込めることができる。   By using conductive grease for the electrodes, the elastomer can be greatly deformed in the surface direction because deformation in the surface direction is not constrained. In addition, since the elastomer has a two-layer structure, the conductive grease can be stably contained.

本発明のマイクロポンプは、高電圧を必要とするが、ポンプ自体の構造は小型化が可能である。   Although the micropump of the present invention requires a high voltage, the structure of the pump itself can be reduced in size.

ポンプとして機能させるためには、流路のバルブ機能を付与する必要があるが、PDMSに型を転写して、マイクロチャンネル12a〜12gと弁12s,12tとを一体化して作製することにより、工程の簡略化と信頼性の高いマイクロバルブの作製が可能である。   In order to function as a pump, it is necessary to provide a valve function of the flow path. However, by transferring the mold to PDMS and integrating the microchannels 12a to 12g and the valves 12s and 12t, It is possible to manufacture a highly reliable microvalve.

なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、種々変更を加えて実施することが可能である。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented with various modifications.

電極には導電性グリース以外を用いてもよい。例えば、ダイヤフラム部23,25の間には、導電性グリース以外の導電性を有する流動体を密閉してもよい。   An electrode other than conductive grease may be used. For example, a fluid having conductivity other than the conductive grease may be sealed between the diaphragm portions 23 and 25.

また、ダイヤフラム部の周囲を連続的に支持する代わりに、2箇所以上を間欠的に支持してもよい。ダイヤフラム部の平面形状は円形に限らず、三角形、矩形、多角形、非対称形など、任意の形状とすることができる。   Moreover, you may support two or more places intermittently instead of supporting the periphery of a diaphragm part continuously. The planar shape of the diaphragm portion is not limited to a circle, and may be an arbitrary shape such as a triangle, a rectangle, a polygon, or an asymmetric shape.

ダイヤフラム部の昇降は、マイクロポンプ以外の駆動に利用することができる。例えば、ダイヤフラム部の昇降によって、流路が開閉されるようにしたり、スイッチが接離するようにしたりしてもよい。   The raising / lowering of the diaphragm part can be used for driving other than the micropump. For example, the flow path may be opened and closed by raising and lowering the diaphragm part, or the switch may be contacted and separated.

マイクロチップの断面図である。(実施例1)It is sectional drawing of a microchip. Example 1 図1の線II−IIに沿って切断した断面図である。(実施例1)It is sectional drawing cut | disconnected along line II-II of FIG. Example 1 図2の要部拡大断面図である。(実施例1)It is a principal part expanded sectional view of FIG. Example 1 図3の線IV−IVに沿って切断した断面図である。(実施例1)FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG. 3. Example 1 シートの伸縮の説明図である。(実施例1)It is explanatory drawing of the expansion-contraction of a sheet | seat. Example 1 マイクロポンプの動作の説明図である。(実施例1)It is explanatory drawing of operation | movement of a micropump. Example 1 マイクロチップの作製工程の説明図である。(実施例1)It is explanatory drawing of the manufacturing process of a microchip. Example 1 マイクロチップの作製工程の説明図である。(実施例1)It is explanatory drawing of the manufacturing process of a microchip. Example 1 マイクロチップの作製工程の説明図である。(実施例1)It is explanatory drawing of the manufacturing process of a microchip. Example 1 マイクロポンプの特性を示すグラフである。(実施例1)It is a graph which shows the characteristic of a micropump. Example 1 マイクロポンプの特性を示すグラフである。(実施例1)It is a graph which shows the characteristic of a micropump. Example 1 マイクロポンプの特性を示すグラフである。(実施例1)It is a graph which shows the characteristic of a micropump. Example 1 マイクロポンプの要部拡大断面図である。(実施例2)It is a principal part expanded sectional view of a micropump. (Example 2)

符号の説明Explanation of symbols

12a〜12g マイクロチャンネル(流路)
12s,12t 弁
20 カバー層
21 ダイヤフラム
22 シート(膜)
23 ダイヤフラム部(第2のダイヤフラム部)
22 シート(膜)
25 ダイヤフラム部
26 導電性グリース(電極)
28 導電性グリース(電極)
12a-12g Microchannel (flow path)
12s, 12t Valve 20 Cover layer 21 Diaphragm 22 Sheet (membrane)
23 Diaphragm part (second diaphragm part)
22 Sheet (membrane)
25 Diaphragm part 26 Conductive grease (electrode)
28 Conductive grease (electrode)

Claims (8)

ゴム弾性を有する絶縁体の膜の周辺部を支持することにより、前記周辺部の内側に形成されたダイヤフラム部と、
前記ダイヤフラム部の両面を面方向に拘束することなく該両面にそれぞれ接する一対の電極と、
前記ダイヤフラム部に隣接して配置され、前記ダイヤフラム部の変形に連動して容積が変化する流路と、
を備え、
前記電極間に電圧が印加されると前記ダイヤフラム部の面積が変化して前記流路の容積が変化することにより、前記流路内の流体を搬送することを特徴とする、マイクロポンプ。
By supporting the peripheral portion of the insulator film having rubber elasticity, a diaphragm portion formed inside the peripheral portion;
A pair of electrodes that are in contact with both surfaces of the diaphragm part without constraining both surfaces in the surface direction;
A flow path that is arranged adjacent to the diaphragm portion and whose volume changes in conjunction with deformation of the diaphragm portion;
With
When a voltage is applied between the electrodes, the area of the diaphragm changes to change the volume of the flow path, thereby transporting the fluid in the flow path.
前記ダイヤフラム部と前記流路との間に、ゴム弾性を有する第2の膜の周辺部を支持することにより、前記周辺部の内側に形成された第2のダイヤフラム部を備え、
前記ダイヤフラム部と前記第2のダイヤフラム部との間に、前記一対の電極の一方となる導電性を有する流動体が密閉され、
前記ダイヤフラム部の前記流路とは反対側の面に、前記一対の電極の他方となる導電性を有する流動体が粘着されていることを特徴とする、請求項1に記載のマイクロポンプ。
By supporting the peripheral part of the second film having rubber elasticity between the diaphragm part and the flow path, a second diaphragm part formed inside the peripheral part is provided,
Between the diaphragm portion and the second diaphragm portion, a conductive fluid that becomes one of the pair of electrodes is sealed,
2. The micropump according to claim 1, wherein a conductive fluid serving as the other of the pair of electrodes is adhered to a surface of the diaphragm portion opposite to the flow path.
前記ダイヤフラム部は、絶縁体のエラストマーの膜に予め引張りひずみを加えた状態で該膜の周辺部を支持することにより、該周辺部の内側に形成され、
前記ダイヤフラム部の厚みは100μm以下であり、
前記ダイヤフラム部は、前記一対の電極に印加される電圧により、前記電極間において電界が50V/μm以上となることを特徴とする、請求項1又は2に記載のマイクロポンプ。
The diaphragm part is formed inside the peripheral part by supporting the peripheral part of the film in a state in which tensile strain is applied in advance to the elastomer film of the insulator,
The diaphragm portion has a thickness of 100 μm or less,
The micro pump according to claim 1, wherein the diaphragm portion has an electric field of 50 V / μm or more between the electrodes due to a voltage applied to the pair of electrodes.
前記ダイヤフラム部の大きさは、直径3mm以下であり、
前記ダイヤフラム部を構成する前記エラストマーは、予め、150%以上500%未満の引張りひずみが加えられていることを特徴とする、請求項1、2又は3に記載のマイクロポンプ。
The diaphragm portion has a diameter of 3 mm or less,
4. The micropump according to claim 1, wherein a tensile strain of 150% or more and less than 500% is applied in advance to the elastomer constituting the diaphragm portion. 5.
前記ダイヤフラム部を構成する前記エラストマーの比誘電率が4以上であることを特徴とする、請求項1、2又は3に記載のマイクロポンプ。   The micropump according to claim 1, 2, or 3, wherein a relative dielectric constant of the elastomer constituting the diaphragm portion is 4 or more. 前記流路に2つの弁が設けられ、
前記流路において、前記弁の間に隣接して前記ダイヤフラム部が配置され、
前記弁は、PDMS(Polydimethylsiloxane)を用いて、前記流路と一体にモールディングにより形成されることを特徴とする、請求項1〜5に記載のマイクロポンプ。
Two valves are provided in the flow path,
In the flow path, the diaphragm portion is disposed adjacent to the valve,
The micro pump according to claim 1, wherein the valve is formed by molding integrally with the flow path using PDMS (Polydimethylsiloxane).
前記弁は、前記流路の幅が異なる部分の境界付近に、前記流路の壁面から1μm以上、10μm以下の隙間を設けて形成されていることを特徴とする、請求項6に記載のマイクロポンプ。   The micro valve according to claim 6, wherein the valve is formed with a gap of 1 μm or more and 10 μm or less from a wall surface of the flow channel in the vicinity of a boundary between portions having different widths of the flow channel. pump. ゴム弾性を有する絶縁体の膜の周辺部を支持することにより、前記周辺部の内側に形成されたダイヤフラム部と、
前記ダイヤフラム部の両面を面方向に拘束することなく該両面にそれぞれ接する一対の電極と、
を備え、
前記電極間に電圧が印加されたときの前記ダイヤフラム部のたわみを駆動に利用することを特徴とする、アクチュエータ。
By supporting the peripheral portion of the insulator film having rubber elasticity, a diaphragm portion formed inside the peripheral portion;
A pair of electrodes that are in contact with both surfaces of the diaphragm part without constraining both surfaces in the surface direction;
With
An actuator using the deflection of the diaphragm portion when a voltage is applied between the electrodes for driving.
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