JP2008025362A - マイクロポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】極めてシンプルな構造で、小型化が容易に可能で、高い耐久性を有するマイクロポンプを提供する。
【解決手段】駆動回路ＤＲ（図１）は、不図示のセンサにより磁性体の２つの微小球４の位置を検出し、それより時計回り方向に離れた電磁石５Ａ、５Ｄを選択して励磁する。すると、電磁石５Ａ、５Ｄから発生した磁力により、磁性体である微小球４が付勢され、時計回りに移動しようとする。残りの微小球３は磁力の影響を受けないので、微小球４に押されて同方向に移動する。循環路Ｒ内の微小球３，４が全て同方向に移動すると、その内部の流体もつれて同方向に移動するようになる。これにより、供給路Ｉから取り込んだ流体を、排出路Ｏから排出することが可能となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、微量の液体を圧送するマイクロポンプに関する。

近年、微量な流体を制御するニーズが高まり、特に化学やバイオ分野においては微小流路の内部に微量な液体を流すことで分析を可能にするために、微細加工技術を用いて作製される微小流路やマイクロポンプなどの研究が試みられている。例えば特許文献１には、ダイヤフラムを電磁的に駆動することで、流体を圧送する小型のポンプが開示されている。
特開２００６−２２６５６号公報

ところで、近年、燃料電池やμ−ＴＡＳなどチップ上に微細な流路を作製し、その流路内部に流体の流れを発生させるための小型ポンプの開発が活発に行われている。このような流体の流れを発生させるための機構として、従来より静電気やピエゾによる基板の変形や動作を用いたもの、ＭＥＭＳ技術により作製したダイヤフラムを可動変位させるポンプ、微小なモータの駆動力を利用したポンプなどが考えられている。

しかし、以上のようなポンプの構造を採用して、更なる小型化を図ろうとしても、素子の構造が複雑であるために技術的にも容易でないという問題点があり、更に大量生産にも不向きである。また、個々のポンプがもつ問題点の一例として以下があげられる。
（１）モータを用いたポンプでは、ポンプ力が大きいが小型化が特に難しい。
（２）ダイヤフラム型のポンプでは、強いポンピング力を発生できず、粘度が大きな油などの流体を攪拌することができない。又、ダイヤフラムの耐久性にも問題がある。

本発明は、以上にあげた従来の不都合な点からなる課題を解決するものであり、極めてシンプルな構造で、小型化が容易に可能で、高い耐久性を有するマイクロポンプを提供することを目的とする。

本発明のマイクロポンプは、
流体の供給路及び排出路に連結された循環路を有するハウジングと、
前記循環路内を移動可能に配置された磁性体の物体及び非磁性体の物体と、
前記循環路に沿って配置された複数の電磁石と、
前記磁性体の物体に近い電磁石に電力を供給することにより、発生した磁力により前記磁性体の物体を、前記非磁性体の物体と共に、前記循環路内で所定の方向に移動させることにより、前記供給路から前記循環路を介して前記排出路へと流体を導くようになっていることを特徴とする。

本発明のマイクロポンプは、前記磁性体の物体に近い電磁石に電力を供給することにより、発生した磁力により前記磁性体の物体を、前記非磁性体の物体と共に、前記循環路内で所定の方向に移動させることにより、前記供給路から前記循環路を介して前記排出路へと流体を導くようになっているので、モータやダイヤフラム等を用いることなく流体の圧送が可能であり、極めてシンプルな構造で、小型化が容易に可能で、高い耐久性を有するものである。

より具体的には、比較的駆動力の大きな磁気力を用いて、磁性体の物体を循環路内で循環移動させることで流体の流れを発生する極めて簡易なポンプの構造とすることができ、例えば半導体プロセス技術をもちいて循環路を形成すると容易に大量生産が可能となる。

更に、本発明に係るマイクロバルブに用いるハウジングに、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術を利用して循環路を作製する場合、ガラスやシリコン基板、ＰＤＭＳ（ｐｏｌｙ−ｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）、セラミック材料を筐体の素材として、その表面に微小な溝を作製し、蓋とハウジングの貼り合わせを行うことで一体型のハウジングを形成し、最後に電磁石を取り付けることで簡単に構造の製作が可能であり、微細化、高い耐圧構造を極めて安価に実現できる上に、種々の材料を用いた設計が可能であるため耐薬品性にも優れた幅広い材料設計ができる。

また、本発明に係るマイクロポンプにおいては、例えば循環路内を移動する物体として微小球を用いた簡素な構成とでき、弾性支持部が存在しないために耐久信頼性が高く、磁力により微小球を移動するだけでポンプの動作が可能であり、循環路と微小球との間の摩擦力が小さいため、省エネに優れ安定した流体の供給を行うことが可能である。なお、微小球に限らず微小円筒（これらを総称して微小体という）であっても良い。

前記循環路は、前記ハウジングの素材にエッチングマスクとレジストとをこの順序で形成した後に、露光と現像とにより前記レジストの一部を除去し、更にエッチング処理により前記レジストと前記エッチングマスクとを除去することにより形成されると好ましい。

前記循環路は、前記ハウジングの素材に膜材料とエッチングマスクとレジストとをこの順序で形成した後に、露光と現像により前記レジストの一部を除去し、更にエッチング処理により前記レジストと前記エッチングマスクと前記膜材料の一部とを除去することにより形成されると好ましい。

前記循環路は、前記ハウジングの素材にレジストを形成した後に、露光と現像とにより前記レジストの一部を除去することにより形成されると好ましい。

前記循環路は、金型を用いて形成されると好ましい。

次に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態にかかるマイクロポンプの側面断面図である。図２は、図１の構成をII-II線で切断して矢印方向に見た図である。

図１、２において、ブロック状のハウジング本体１は、平面である上面１ａに、断面が半円形状などの環状の溝１ｂを形成している。ハウジング本体１の素材としては、ガラス基板、シリコン基板、ＰＤＭＳ（ｐｏｌｙ-ｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）、セラミック基板などを用いることができる。ガラス基板上に溝１ｂを作製する場合は、ガラス基板上に光硬化樹脂または熱硬化樹脂、レジスト類や、ポリミドなどをスピンコートすることによって膜を形成して、露光、現像、エッチングなどを経て微小溝を作製する。そのほかにも、基板本体のウェットエッチング、ＲＩＥによるドライエッチングなどを用いて流路をエッチングするための各種加工手法を用いて作製してもよい。

一方、ハウジング１と同様な素材から形成できる板状の蓋部材２は、平面である下面２ａに、溝１ｂに対応して断面が半円形状などの環状の溝２ｂを形成している。ハウジング本体１に蓋部材２を重ね合わせたとき、溝１ｂ、２ｂが対向することで、環状の循環路Ｒが形成されることとなる。ハウジング本体１と蓋部材２とでハウジングを構成する。

蓋部材３は、ハウジング本体１に対して、接着剤、フッ酸を用いた接合、陽極接合、機械的な固定などをもちいて貼り合わせを行い、循環路Ｒを外気から孤立させる機能を有するが、高圧流体を流す必要がなければ特に機械固定をする必要はない。尚、循環路Ｒに対して接線方向に接続するようにして、直線状の供給路Ｉと排出路Ｏとが同様な手法で形成され、外部に対して開口している。

かかる循環路Ｒ内には、それぞれ供給路Ｉと排出路Ｏより大きい径を有している、例えば１１個の非磁性体の微小球３と、１個の磁性体の微小球４とが転動自在に配置されている。微小球４としては強磁性材料を含む鉄球などを用いてもよいし、表面を保護するために各種メッキ、蒸着や表面処理加工などを行ってよい。微小球３としては、磁性材料以外の金属や樹脂、セラミックなどを用いることができる。尚、微小球３，４の径は数μｍオーダーまで小さくできる。

蓋部材２の上面には、循環路Ｒに沿って例えば６つの電磁石５Ａ〜５Ｆが周方向に等間隔に配置されている。電磁石５Ａ〜５Ｆは、駆動回路ＤＲにより選択的に駆動され、励磁されるようになっている。

本実施の形態の動作について説明する。図３は、マイクロポンプの動作を示す図２と同様な図である。供給路Ｉは流体の供給源、排出路Ｏは流体の供給部に接続されている。まず、図３（ａ）において、駆動回路ＤＲ（図１）は、不図示のセンサにより磁性体の微小球４（ハッチングで示す）の位置を検出し、それより時計回り方向に離れた電磁石５Ａを選択して励磁する。すると、電磁石５Ａから発生した磁力により、磁性体である微小球４が付勢され、時計回りに移動しようとする。残りの微小球３は磁力の影響を受けないので、微小球４に押されて同方向に移動する。循環路Ｒ内の微小球３，４が全て同方向に回転移動すると、その内部の流体もつれて同方向に移動するようになる。これにより、供給路Ｉから取り込んだ流体を、排出路Ｏから排出することが可能となる。

続いて図３（ｂ）において、駆動回路ＤＲ（図１）は、磁性体の微小球４が電磁石５Ａに接近したことを検出したときは、電磁石５Ａの励磁を停止して、それより時計回り方向に隣り合う電磁石５Ｂを選択して励磁する。すると、電磁石５Ｂから発生した磁力により、磁性体である微小球４が同方向に付勢され、電磁石５Ａを通り過ぎて他の微小球３と共に更に時計回りに移動しようとする。

更に図３（ｃ）において、駆動回路ＤＲ（図１）は、磁性体の微小球４が電磁石５Ｂに接近したことを検出したときは、電磁石５Ｂの励磁を停止して、それより時計回り方向に隣り合う電磁石５Ｃを選択して励磁する。すると、電磁石５Ｃから発生した磁力により、磁性体である微小球４が同方向に付勢され、電磁石５Ｂを通り過ぎて他の微小球３と共に更に時計回りに移動しようとする。以上の制御を繰り返すことで、微小球３、４を連続的に回転移動させることができ、流体の連続圧送が可能となる。

図４は、別な実施の形態にかかるマイクロポンプの動作を示す図２と同様な図である。本実施の形態においては、循環路Ｒ内に、例えば１０個の非磁性体の微小球３と、１８０度位相で２個の磁性体の微小球４とが転動自在に配置されている。それ以外の構成については上述の実施の形態と同様であるため説明を省略する。

本実施の形態の動作を説明すると、図４（ａ）において、駆動回路ＤＲ（図１）は、不図示のセンサにより磁性体の２つの微小球４、４の位置を検出し、それぞれ時計回り方向に離れた電磁石５Ａ、５Ｄを選択して励磁する。すると、電磁石５Ａ、５Ｄから発生した磁力により、磁性体である微小球４、４が付勢され、時計回りに移動しようとする。残りの微小球３は磁力の影響を受けないので、微小球４に押されて同方向に移動する。循環路Ｒ内の微小球３，４が全て同方向に移動すると、その内部の流体もつれて同方向に移動するようになる。これにより、供給路Ｉから取り込んだ流体を、排出路Ｏから排出することが可能となる。

続いて図４（ｂ）において、駆動回路ＤＲ（図１）は、磁性体の微小球４、４が電磁石５Ａ、５Ｄに接近したことを検出したときは、電磁石５Ａ、５Ｄの励磁を停止して、それより時計回り方向に隣り合う電磁石５Ｂ，５Ｅを選択して励磁する。すると、電磁石５Ｂ，５Ｅから発生した磁力により、磁性体である微小球４、４が同方向に付勢され、電磁石５Ａ、５Ｄを通り過ぎて他の微小球３と共に更に時計回りに移動しようとする。

更に図４（ｃ）において、駆動回路ＤＲ（図１）は、磁性体の微小球４、４が電磁石５Ｂ，５Ｅに接近したことを検出したときは、電磁石５Ｂ，５Ｅの励磁を停止して、それより時計回り方向に隣り合う電磁石５Ｃ，５Ｆを選択して励磁する。すると、電磁石５Ｃ，５Ｆから発生した磁力により、磁性体である微小球４、４が同方向に付勢され、電磁石５Ｂ，５Ｅを通り過ぎて他の微小球３と共に更に時計回りに移動しようとする。以上の制御を繰り返すことで、微小球３、４を連続的に回転移動させることができ、流体の連続圧送が可能となる。本実施の形態によれば、２個の微小球４が同時に付勢されるので、回転速度が約２倍となり流体の高速圧送が可能となる。

図５は、本実施の形態の変形例を示す図１と同様な図である。図５（ａ）に示す変形例においては、ハウジング本体１の上面１ａにのみ環状の溝１ｂが形成され、蓋部材２の下面には環状の溝が形成されていない。これに対し、図５（ｂ）に示す変形例においては、蓋部材２の下面２ａにのみ環状の溝２ｂが形成され、ハウジング本体１の上面には環状の溝が形成されていない。

更に、図５（ｃ）に示す変形例においては、蓋部材２の上面に電磁石５Ａ〜５Ｆを配置する代わりに、薄厚のハウジング本体１の下面に、電磁石５Ａ〜５Ｆを配置している。又、図５（ｄ）に示す変形例においては、蓋部材２の上面に電磁石５Ａ〜５Ｆを配置する代わりに、ハウジング１と蓋部材２の側面に凹部１ｃ、２ｃを全周にわたって形成し、組み付け時に凹部１ｃ、２ｃで形成される環状の空間内に電磁石５Ａ〜５Ｆを埋設配置している。更に、図５（ｅ）に示す変形例においては、蓋部材２の上面に電磁石５Ａ〜５Ｆを配置する代わりに、ハウジング１と蓋部材２の側面に対向して、その外方に外部の電磁石５Ａ〜５Ｆを配置している。

次に、ハウジング１（又は蓋部材２）に、循環路を構成する微細な溝１ｂ（又は２ｂ）を形成する方法について説明する。かかる形成方法としては、以下の３つがあげられる。以下、ハウジング又は蓋部材の素材を基板Ｓと呼ぶこととする。
（１）エッチング流路加工法：
これは、基板Ｓに、ウエットエッチングまたはドライエッチングを用いて循環路用の微細な溝Ｓｇを加工する方法である。図６に、エッチング流路加工法のプロセスフローを示す。まずエッチング部分以外を保護するためのエッチングマスク層ＥＭとして、クロムなどを真空蒸着やスパックリングなどにより基板Ｓの上面に成膜する（図６（ａ）参照）。次にスピンコートによりレジストＲＳを、エッチングマスク層ＥＭの上面に均一の厚さで被覆する（図６（ｂ）参照）。その後、フォトリソグラフィーやその他の露光技術により（例えば中央が最も露光量が高くそこから離れるにつれて漸次露光量が低下するようにして）、微細な溝１ｂの形状にレジストのＲＳパターニング（パターン転写）を行った後（図６（ｃ）参照）、エッチングマスク層ＥＭをエッチングし（図６（ｄ）参照）、基板Ｓのエッチングを行い（図６（ｅ）参照）、最終的には、不要なエッチングマスク層ＥＭとレジストＲＳを除去して、基板Ｓに断面が半円形状の微細な溝Ｓｇの形成を行う。収容部も同様にして形成できる。

エッチング流路加工法に用いる材料構成の実施例を以下に示す。
（実施例１）基板：石英又はガラス／エッチングマスク：Ｃｒ等／レジスト：フォトレジスト／マスクのエッチング液：Ｃｒエッチャント／基板エッチング：フッ酸溶液（ウエットエッチング）
（実施例２）基板：シリコン／エッチングマスク：ＳｉＯ₂＋Ｃｒ等／レジスト：フォトレジスト／マスクのエッチング液：Ｃｒエッチャント（硝酸二アンモニウムセリウム＋過塩素酸）、ＳｉＯ₂エッチャント（フッ酸緩衝溶液）／基板エッチング：ＫＯＨ又はＴＭＡＨを用いたウェットエッチング、又はＳＦ₆を用いたドライエッチング、プラズマエッチング、ＲＩＥエッチング）

（２）膜材料を用いた流路加工法：
これは、基板に成膜した膜材料に流路用の微細な溝を加工する方法である。図７、８に膜材料を用いた流路加工法のプロセスフローを示す。本手法は、感光性の膜材料を露光することで微細な溝を形成できるｉ）感光材料を使用する場合と、ｉｉ)基板上の膜材料をエッチングで加工する非感光性材料を使用した場合などがある。

ｉ）感光材料を使用する場合は、基板Ｓ上にフォトレジストＰＲを塗布し（図７（ａ）参照）、フォトリソグラフィーやその他の露光技術でパターニングし（図７（ｂ）参照）、更に現像することで一部のフォトレジストＰＲを除去して微細な溝Ｓｇを形成することができる（図７（ｃ）参照）。

ｉｉ)非感光材料を使用する場合は、図６を参照して説明したエッチング流路加工法に類似した作製方法を用いる。より具体的には、膜材料ＰＲとエッチングマスクＥＭとレジストＲＳを、この順序で基板Ｓの上面に成膜する（図８（ａ）参照）。次に、フォトリソグラフィーやその他の露光技術により、微細な溝Ｓｇの形状にレジストのＲＳパターニング（パターン転写）を行った後（図８（ｂ）参照）、エッチングマスク層ＥＭをエッチングし（図８（ｃ）参照）、膜材料ＰＲのエッチングを行い（図８（ｄ）参照）、最終的には、不要なエッチングマスク層ＥＭとレジストＲＳを除去して、膜材料ＰＲに微細な溝Ｓｇの形成を行う。収容部も同様にして形成できる。

膜材料を用いた流路加工法に用いる材料構成の実施例を以下に示す。なお、基板としてはガラス又はシリコンを用いることができるが、材料を特定せず非磁性材料であれば様々なものが使用できる。特に、膜材料にシリコンを用いる場合は、ＳＯＩ基板を使用することもできる。

（感光材料を使用する実施例１）膜材料：光硬化樹脂、厚膜レジスト又は感光性ポリミド
（非感光材料を使用する実施例２）膜材料：ＳｉＯ₂ガラス等／レジスト：フォトレジスト／エッチングマスク：Ｃｒ等／膜のエッチング：フッ酸溶液（ウエットエッチング）
（非感光材料を使用する実施例３）膜材料：ポリミド等／レジスト：フォトレジスト／エッチングマスク：Ｃｒ、ＳｉＯ₂等／膜のエッチング：ＫＯＨ又はＴＭＡＨを用いたウェットエッチング）
（非感光材料を使用する実施例４）膜材料：レジスト等／レジスト：フォトレジスト／エッチングマスク：ＳｉＯ₂等／膜のエッチング：Ｏ₂ガスを用いたドライエッチング
（非感光材料を使用する実施例５）膜材料：シリコン等／レジスト：フォトレジスト／エッチングマスク：Ｃｒ、ＳｉＯ₂等／膜のエッチング：ＫＯＨ又はＴＭＡＨを用いたウェットエッチング、又はＳＦ₆を用いたドライエッチング

なお、ＳｉＯ₂エッチャントはフッ酸緩衝溶液であり、シリコン基板のエッチングは、ＫＯＨ又はＴＭＡＨを用いたウェットエッチング、又はＳＦ₆を用いたドライエッチングが好適である。膜材料を用いた流路加工法においては、流路の深さが膜材料の膜厚より浅く加工されていてもよい。

（３）金型を用いた成形による流路加工法：
これは、流路用の微細な溝のパターンを転写するために準備した金型を利用して、金型の表面形状に相反する形状を転写することで流路用の微細な溝を作製する手法であるが、これは大量生産に適している。ＰＤＭＳ（ｐｏｌｙ‐ｄｉｍｅｔｈｙlｓｉｌｏｘａｎｅ）やシリコンゴムなどを金型の上で成型する成型手法とプラスチックに圧力をかけて金型に押しつけて成形する成形手法によってもよい。

図９は、金型からＰＤＭＳに微細な溝を形成するプロセスフローを示す図である。図９（ａ）において、微細な溝に対応する凸部を有する金型Ｍを製造する。続いて、図９（ｂ）に示すように、金型Ｍの凸部によりＰＤＭＳ上に微細溝Ｓｇを転写形成する。更に図９（ｃ）に示すように、金型ＭよりＰＤＭＳを離型させることで、微細溝Ｓｇを有するハウジング等を形成できる。

図１０は、金型から樹脂に微細な溝を形成するプロセスフローを示す図である。図１０（ａ）において、微細な溝に対応する凸部を有する金型Ｍを製造する。続いて、図１０（ｂ）に示すように、金型Ｍの凸部上に溶融した樹脂ＰＬをかぶせることで、微細溝Ｓｇを転写形成する。更に樹脂ＰＬが固化した後に、図１０（ｃ）に示すように、金型Ｍより樹脂ＰＬを離型させることで、微細溝Ｓｇを有するハウジング等を形成できる。

以上述べた本実施の形態のマイクロポンプは、油などの粘度の高い流体を圧送するのに使用でき（この場合は、粘度の大きな流体は、ヒータなどを備えてチップ全体を加熱することにより流体を加熱してもよい。）、また燃料電池用のメタノール搬送ポンプとして使用でき、更に細胞培養など、養分を含んだ流体を搬送するために使用でき、また医療分野における薬液の注入ポンプとして使用でき、更にバイオチップ、μ−ＴＡＳ用の流体搬送小型ポンプとして使用できるが、これ以外に種々の用途に用いることができる。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。

本実施の形態にかかるマイクロポンプの側面断面図である。 図１の構成をII-II線で切断して矢印方向に見た図である。 マイクロポンプの動作を示す図２と同様な図である。 別な実施の形態にかかるマイクロポンプの動作を示す図２と同様な図である。 本実施の形態の変形例を示す図１と同様な図である。 エッチング流路加工法のプロセスフローを示す図である。 感光性の膜材料を用いた流路加工法のプロセスフローを示す図である。 非感光性の膜材料を用いた流路加工法のプロセスフローを示す図である。 金型からＰＤＭＳに微細な溝を形成するプロセスフローを示す図である。 金型から樹脂に微細な溝を形成するプロセスフローを示す図である。

符号の説明

１ ハウジング本体
１ａ 上面
１ｂ 溝
１ｃ 凹部
２ 蓋部材
２ａ 下面
２ｂ 溝
３ 非磁性体の微小球
４ 磁性体の微小球
５Ａ〜５Ｆ 電磁石
ＤＲ 駆動回路
Ｉ 供給路
Ｏ 排出路
Ｒ 循環路

Claims (5)

1. 流体の供給路及び排出路に連結された循環路を有するハウジングと、
   前記循環路内を移動可能に配置された磁性体の物体及び非磁性体の物体と、
   前記循環路に沿って配置された複数の電磁石と、
   前記磁性体の物体に近い電磁石に電力を供給することにより、発生した磁力により前記磁性体の物体を、前記非磁性体の物体と共に、前記循環路内で所定の方向に移動させることにより、前記供給路から前記循環路を介して前記排出路へと流体を導くようになっていることを特徴とするマイクロポンプ。
2. 前記循環路は、前記ハウジングの素材にエッチングマスクとレジストとをこの順序で形成した後に、露光と現像とにより前記レジストの一部を除去し、更にエッチング処理により前記レジストと前記エッチングマスクとを除去することにより形成されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。
3. 前記循環路は、前記ハウジングの素材に膜材料とエッチングマスクとレジストとをこの順序で形成した後に、露光と現像により前記レジストの一部を除去し、更にエッチング処理により前記レジストと前記エッチングマスクと前記膜材料の一部とを除去することにより形成されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。
4. 前記循環路は、前記ハウジングの素材にレジストを形成した後に、露光と現像とにより前記レジストの一部を除去することにより形成されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。
5. 前記循環路は、金型を用いて形成されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。
   

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