JP2010216398A - Piezoelectric pump - Google Patents

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Makoto Shibata
誠 柴田
Takeshi Wada
健 和田
Michihiro Kumagai
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric pump transferring fluid with sufficient stability. <P>SOLUTION: This piezoelectric pump includes: a structure having a piezoelectric element and a support member supporting the piezoelectric element; and a first substrate and a second substrate that sandwich the structure. The piezoelectric pump has: a pump chamber surrounded by the second substrate and the structure; and a first opening and a second opening that communicate with the pump chamber. The piezoelectric element includes: a displacement part displaced by application of a voltage; and a fixed part fixed by being directly or indirectly sandwiched between the first substrate and second substrate. From a state where the first substrate is joined to the structure, the portion of the first substrate, facing the displacement part and the surrounding part of the support member surrounding the periphery of the displacement part, is removed to expose the displacement part and the surrounding part. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、圧電ポンプに関するものである。   The present invention relates to a piezoelectric pump.

従来、ごく微少量の流体を移送するための種々のマイクロポンプが検討されている。その一形態として、圧電素子をアクチュエータとして備えた圧電ポンプも提案されている。例えば特許文献1には、外圧の変化によらず常に一定の吐出を実現でき、かつ双方向への送液が可能であるマイクロポンプの提供を意図して、流体の流路を形成するシリコン基板(Si基板)の外側に圧電素子が配設された圧電ポンプが提案されている。この圧電ポンプによると、ダイアフラムとして機能するシリコン基板と圧電素子のユニモルフ構造を採用しているために、非常に薄く製作することが可能である、とされている。   Conventionally, various micropumps for transferring a very small amount of fluid have been studied. As one form thereof, a piezoelectric pump including a piezoelectric element as an actuator has been proposed. For example, Patent Document 1 discloses a silicon substrate that forms a fluid flow path for the purpose of providing a micropump capable of always delivering a constant discharge regardless of changes in external pressure and capable of bidirectional liquid feeding. A piezoelectric pump in which a piezoelectric element is disposed outside a (Si substrate) has been proposed. According to this piezoelectric pump, since the unimorph structure of the silicon substrate functioning as a diaphragm and the piezoelectric element is adopted, it can be manufactured very thin.

特開平10−299659号公報JP 10-299659 A

しかしながら、本発明者らが、上記特許文献1で提案されたような従来の圧電ポンプについて詳細に検討を行ったところ、このような従来の圧電ポンプは、流体を一定流量で安定的に移送することが困難であることを見出した。特に圧電ポンプを小型化ないし薄層化しようとすると、流体を安定的に移送することができる圧電ポンプを精度よく製造することが困難となるため、そのような能力(移送安定性)に対する要求が高くなる。   However, the present inventors have examined the conventional piezoelectric pump as proposed in Patent Document 1 in detail, and such a conventional piezoelectric pump stably transfers fluid at a constant flow rate. I found it difficult. In particular, if the piezoelectric pump is to be miniaturized or thinned, it is difficult to accurately produce a piezoelectric pump capable of stably transferring a fluid. Therefore, there is a demand for such capability (transfer stability). Get higher.

そこで、本発明は上記事情にかんがみてなされたものであり、流体を十分安定的に移送することができる圧電ポンプを提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a piezoelectric pump capable of transferring a fluid sufficiently stably.

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、従来の圧電ポンプが流体を安定的に移送できないのは、下記要因によるものであることを知見した。すなわち、従来の圧電ポンプでは、例えば特許文献1の図1に示されているように、圧電素子の全体がダイヤフラムの可動部分に貼り付けられている。ダイヤフラムは圧電素子の変位に伴い動作するところ、その動作の駆動手段である圧電素子自体がダイヤフラムにのみ固定されている。そのため、圧電素子の変位とダイヤフラムの動作とが互いに干渉し合ってしまい、その結果、ポンプとして安定的に流体を移送できないことを、本発明者らは突き止めた。そして、圧電素子の一部を変位しないように固定すれば、そこを支点として圧電素子が変位し、しかも、ダイヤフラムとして機能する部材の動作によっても、圧電素子の変位が安定性を維持することを本発明者らは見出し、更に詳細に検討を進めた結果、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have found that the conventional piezoelectric pump cannot stably transfer the fluid due to the following factors. That is, in the conventional piezoelectric pump, as shown in FIG. 1 of Patent Document 1, for example, the entire piezoelectric element is attached to the movable part of the diaphragm. When the diaphragm operates in accordance with the displacement of the piezoelectric element, the piezoelectric element itself, which is the driving means for the operation, is fixed only to the diaphragm. For this reason, the inventors have found that the displacement of the piezoelectric element and the operation of the diaphragm interfere with each other, and as a result, the fluid cannot be stably transferred as a pump. If a part of the piezoelectric element is fixed so as not to be displaced, the piezoelectric element is displaced with the fulcrum as a fulcrum, and the displacement of the piezoelectric element is maintained stable even by the operation of the member functioning as a diaphragm. As a result of the inventors' finding and further studying in detail, the present invention has been completed.

すなわち、本発明は、圧電素子とその圧電素子を支持する支持部材とを備える構造体と、上記構造体を挟む第1及び第2の基板とを含有し、第2の基板と上記構造体とによって囲まれたポンプ室と、ポンプ室と連通する第1及び第2の開口部とを有する圧電ポンプであって、圧電素子は、電圧を印加することによって変位する変位部と、第1及び第2の基板に直接的又は間接的に狭持されることにより固定された被固定部とを含み、第1の基板は、上記構造体に接合された状態から、上記変位部と支持部材における上記変位部の外周を包囲する包囲部とを露出させるように、変位部と包囲部とに対向する部分が除去されたものである圧電ポンプを提供する。   That is, the present invention includes a structure including a piezoelectric element and a support member that supports the piezoelectric element, and first and second substrates sandwiching the structure, and the second substrate and the structure. And a first and second openings communicating with the pump chamber, wherein the piezoelectric element is displaced by applying a voltage, and the first and first A fixed portion that is fixed by being directly or indirectly sandwiched between two substrates, and the first substrate is connected to the structure from the above-described displacement portion and the support member. Provided is a piezoelectric pump in which a portion facing the displacement portion and the surrounding portion is removed so as to expose the surrounding portion surrounding the outer periphery of the displacement portion.

かかる構成を有する本発明の圧電ポンプにおいて、圧電素子に電圧を印加すると、圧電素子を構成する圧電体が面内方向(d31方向)及び厚み方向(d33方向)に変位する。この変位に伴い、構造体が、支持部材との形状効果により、第1及び/又は第2の基板に固定された部分を支点として厚み方向に振動する。この振動により流体の流路となるポンプ室の容積及び内圧が変化し、これにより、流体が、第1の開口部、ポンプ室及び第2の開口部を経由して圧電ポンプ内を移送される。   In the piezoelectric pump of the present invention having such a configuration, when a voltage is applied to the piezoelectric element, the piezoelectric body constituting the piezoelectric element is displaced in the in-plane direction (d31 direction) and the thickness direction (d33 direction). Along with this displacement, the structure vibrates in the thickness direction with the portion fixed to the first and / or second substrate as a fulcrum due to the shape effect with the support member. Due to this vibration, the volume and internal pressure of the pump chamber, which becomes a fluid flow path, change, whereby the fluid is transferred through the piezoelectric pump via the first opening, the pump chamber, and the second opening. .

また、本発明の圧電ポンプにおいては、圧電素子に電圧を印加しても、被固定部が、第1及び第2の基板に直接的又は間接的に狭持されることにより固定されているので、その変位が抑制(規制)される。そのため、圧電素子は、その被固定部を支点として変位部が変位することによって振動する。その結果、上述の如く従来見られた不都合な点、すなわち、ダイヤフラムとして機能する支持部材の動作と圧電素子の変位との干渉が十分に抑制されので、本発明の圧電ポンプによれば、流体を安定的に移送することができる。   Further, in the piezoelectric pump of the present invention, even if a voltage is applied to the piezoelectric element, the fixed portion is fixed by being directly or indirectly held between the first and second substrates. The displacement is suppressed (restricted). Therefore, the piezoelectric element vibrates when the displacement portion is displaced with the fixed portion as a fulcrum. As a result, the disadvantages seen in the prior art as described above, that is, the interference between the operation of the support member functioning as a diaphragm and the displacement of the piezoelectric element is sufficiently suppressed. It can be transported stably.

さらに、本発明の圧電ポンプにおいて、第1の基板は、上記構造体に接合された状態から、上記変位部と支持部材における上記変位部の外周を包囲する包囲部とが露出するように、変位部と包囲部とに対向する部分がエッチングにより除去されている。これにより、それらの変位部及び包囲部は、第1の基板と接合して拘束されることにより生じていた引張応力や圧縮応力(以下、単に「応力」という)を外部に開放することができる。その一方で、第1の基板のそれら以外の部分はそのまま(引き続き)構造体に接合して支持されている。これらの結果、構造体を第1の基板に精度よくかつ確実に固定することができるため、流体をより安定的に移送することができる。   Further, in the piezoelectric pump of the present invention, the first substrate is displaced from the state bonded to the structure so that the displacement portion and the surrounding portion surrounding the outer periphery of the displacement portion in the support member are exposed. The part facing the part and the surrounding part is removed by etching. As a result, the displacement portion and the surrounding portion can release the tensile stress and the compressive stress (hereinafter simply referred to as “stress”) generated by being bonded and restrained to the first substrate to the outside. . On the other hand, the other parts of the first substrate are supported by being joined (as is) to the structure as it is. As a result, the structure can be fixed to the first substrate with high accuracy and reliability, so that the fluid can be transferred more stably.

ところで、圧電ポンプにおける上記構造体は、そのいずれか片側(例えば本発明における第2の基板側)のみが固定されるよりも両側が狭持されて固定される方が、動作の支点となる部分が強固に支持されるため、その動作は当然に安定的なものとなる。本発明の圧電ポンプのような構造の場合、第1の基板により構造体を固定する方法としては、その側、すなわち第2の基板とは反対側に何も接合していない状態から、構造体の動作部分以外の部分に第1の基板を接合する方法と、一旦その側の全面に第1の基板を接合した後、動作部分に接合した第1の基板の部分のみを選択的に除去する方法とが考えられる。   By the way, the structure in the piezoelectric pump is a portion that becomes a fulcrum of operation when the both sides of the structure are fixed rather than only one side (for example, the second substrate side in the present invention) is fixed. Therefore, the operation is naturally stable. In the case of a structure such as the piezoelectric pump of the present invention, as a method of fixing the structure by the first substrate, the structure is started from the state where nothing is bonded to that side, that is, the opposite side to the second substrate. A method of bonding the first substrate to a portion other than the operating portion, and once the first substrate is bonded to the entire surface of the first substrate, only the portion of the first substrate bonded to the operating portion is selectively removed. A method is considered.

前者の方法の場合、構造体の片側に部分的に第1の基板を接合することになるため、その際に第1の基板に接合されていない動作部分が部分的に緩和されたり部分的に引っ張られたりする。その結果、動作部分における応力(分布)が一様でなくなり、それに伴って動作のバラツキが生じるため、そのような構造を有する圧電ポンプでは、流体の安定的な移送が困難となる。一方、本発明に係る後者の構造を有する圧電ポンプの場合、構造体の片側の全面に第1の基板が接合されるため、構造体の全面が第1の基板に拘束され、その応力(分布)が一様となる。その後、動作部分、すなわち上記変位部及び包囲部に接合した第1の基板の部分を除去して、その動作部分を露出しても、それ以外の部分はそのまま第1の基板との接合により拘束されている。その結果、動作部分における応力は引き続き一様に維持されるので、そのような構造を有する本発明の圧電ポンプによれば、流体を十分安定的に移送することが可能となる。   In the case of the former method, the first substrate is partially bonded to one side of the structure, so that the operating portion that is not bonded to the first substrate is partially relaxed or partially It will be pulled. As a result, the stress (distribution) in the operating portion is not uniform, and the operation varies accordingly. Therefore, it is difficult to stably transfer the fluid in the piezoelectric pump having such a structure. On the other hand, in the case of the piezoelectric pump having the latter structure according to the present invention, since the first substrate is bonded to the entire surface on one side of the structure, the entire surface of the structure is constrained by the first substrate and the stress (distribution) ) Becomes uniform. After that, even if the operation portion, that is, the portion of the first substrate bonded to the displacement portion and the surrounding portion is removed and the operation portion is exposed, the other portions are restrained by bonding with the first substrate. Has been. As a result, since the stress in the operating portion is continuously maintained uniformly, the piezoelectric pump of the present invention having such a structure can transfer the fluid sufficiently stably.

更に本発明の圧電ポンプは、圧電素子の変位部のみでなく、それを包囲する支持部材の包囲部も露出しているため、それら動作部分が大きく作動でき(換言すれば、大きく変位することが可能であり)、ポンプ容量を増大させることが可能となる。   Furthermore, since the piezoelectric pump of the present invention exposes not only the displacement portion of the piezoelectric element but also the surrounding portion of the support member that surrounds it, these operation portions can operate greatly (in other words, they can be displaced greatly). And the pump capacity can be increased.

本発明の圧電ポンプにおいて、圧電素子は、第1の基板側から順に積層された第1の電極と圧電体と第2の電極とを含有し、第1の電極と圧電体とからなる第1の積層体が、第2の電極よりも低いヤング率と厚さとの積を有すると好ましい。また、圧電素子は、第2の電極の第2の基板側に硬質層を更に含有し、第1の積層体が第2の電極と硬質層とからなる第2の積層体よりも低いヤング率と厚さとの積を有しても好ましい。そのようにすれば、構造体の動作部分が第1の基板側により大きく撓みやすくなり、第2の基板側への撓みの程度が低くなるため、圧電素子の動作に不具合が生じ難くなり、液体を更に安定的に移送することができる。   In the piezoelectric pump according to the aspect of the invention, the piezoelectric element includes a first electrode, a piezoelectric body, and a second electrode that are sequentially stacked from the first substrate side, and includes a first electrode that includes the first electrode and the piezoelectric body. This laminate preferably has a product of Young's modulus and thickness lower than those of the second electrode. In addition, the piezoelectric element further includes a hard layer on the second substrate side of the second electrode, and the first laminated body has a lower Young's modulus than the second laminated body including the second electrode and the hard layer. It is also preferable to have a product of thickness and thickness. By doing so, the operation part of the structure is more easily bent toward the first substrate side, and the degree of bending toward the second substrate side is reduced. Can be transported more stably.

本発明の圧電ポンプにおいて、硬質層は、クロム、タングステン、タンタル及び白金からなる群より選ばれる少なくとも1種の金属からなるものであると好ましい。これらの金属は特にヤング率が高いため、上述したのと同様の理由により、硬質層を薄くしても、一層安定的な流体の移送が可能となるので、圧電ポンプの小型化及び薄層化に有利である。   In the piezoelectric pump of the present invention, the hard layer is preferably made of at least one metal selected from the group consisting of chromium, tungsten, tantalum and platinum. Since these metals have a particularly high Young's modulus, for the same reason as described above, even if the hard layer is thinned, more stable fluid transfer is possible. Therefore, the piezoelectric pump can be made smaller and thinner. Is advantageous.

本発明によれば、流体を十分安定的に移送することができる圧電ポンプを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the piezoelectric pump which can transfer a fluid sufficiently stably can be provided.

本実施形態の圧電ポンプの製造方法を模式的に示す工程図である。It is process drawing which shows typically the manufacturing method of the piezoelectric pump of this embodiment. 本実施形態に係る圧電素子の平面形状を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the plane shape of the piezoelectric element which concerns on this embodiment. 本実施形態の圧電ポンプの動作を模式的に示す工程図である。It is process drawing which shows typically operation | movement of the piezoelectric pump of this embodiment. 別の本実施形態の圧電ポンプを模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the piezoelectric pump of another this embodiment. 別の本実施形態の圧電ポンプの動作を模式的に示す工程図である。It is process drawing which shows typically operation | movement of the piezoelectric pump of another this embodiment. 別の本実施形態の圧電ポンプを部分的に拡大した概略断面図である。It is the schematic sectional drawing which expanded the piezoelectric pump of another this embodiment partially. 実施例における試料を模式的に示す図である。It is a figure which shows the sample in an Example typically. 硬質層の厚さを変化させた際の構造体の撓みの程度を示すプロット図である。It is a plot figure which shows the grade of the bending of a structure at the time of changing the thickness of a hard layer. さらに別の本実施形態の圧電ポンプを模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the piezoelectric pump of another this embodiment.

以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本発明を実施するための形態(以下、単に「本実施形態」という。)について詳細に説明する。なお、図面中、同一要素には同一符号を付すこととし、重複する説明は省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。更に、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。   Hereinafter, a form for carrying out the present invention (hereinafter simply referred to as “the present embodiment”) will be described in detail with reference to the drawings as necessary. In the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Further, the positional relationship such as up, down, left and right is based on the positional relationship shown in the drawings unless otherwise specified. Further, the dimensional ratios in the drawings are not limited to the illustrated ratios.

図1は、第1の本実施形態の圧電ポンプ170の製造方法を模式的に示す工程図である。まず、(a1)工程において、成膜用基板を兼ねる第1の基板102上に下部電極層104、圧電体層106、上部電極層108をこの順で積層する。より具体的には、まず、第1の基板102の表面上に下部電極層104を、例えばスパッタ法、CVD法、蒸着法により形成し、第1の基板102に下部電極層104を接合する。第1の基板102は、その表面上に下部電極層104、圧電体層106を形成可能なものであれば特に限定されず、通常の薄膜形成に用いられる基板であってもよい。ただし、後述の圧電体層106の材料及び成膜法との組合せの観点、並びに高配向の圧電体を得る観点から、Si基板であると好ましい。下部電極層104の材料は、圧電素子の電極材料として用いられ得るものであれば特に限定されず、例えば白金、金、銅、及びこれらを含む合金が挙げられる。また、下部電極層104の厚さは、例えば0.05μm〜1.0μmである。   FIG. 1 is a process diagram schematically showing a method of manufacturing the piezoelectric pump 170 according to the first embodiment. First, in the step (a1), the lower electrode layer 104, the piezoelectric layer 106, and the upper electrode layer 108 are laminated in this order on the first substrate 102 that also serves as a film formation substrate. More specifically, first, the lower electrode layer 104 is formed on the surface of the first substrate 102 by, for example, sputtering, CVD, or vapor deposition, and the lower electrode layer 104 is bonded to the first substrate 102. The first substrate 102 is not particularly limited as long as the lower electrode layer 104 and the piezoelectric layer 106 can be formed on the surface thereof, and may be a substrate used for normal thin film formation. However, the Si substrate is preferable from the viewpoint of the combination of the material of the piezoelectric layer 106 and the film forming method described later, and the viewpoint of obtaining a highly oriented piezoelectric body. The material of the lower electrode layer 104 is not particularly limited as long as it can be used as an electrode material of the piezoelectric element, and examples thereof include platinum, gold, copper, and alloys containing these. Further, the thickness of the lower electrode layer 104 is, for example, 0.05 μm to 1.0 μm.

次いで、下部電極層104の表面、及び必要に応じて露出した第1の基板102の表面上に圧電体層106を形成する。圧電体層106の形成方法は、スパッタ法、CVD法、蒸着法などであってもよいが、特にSi基板上でのエピタキシャル成長を利用した成膜法であると、配向性が高く圧電特性に優れた圧電体が得られ、また、圧電ポンプ170製造の際の歩留まりも向上するので好ましい。そのような成膜法は、例えば、本出願人による特開2000−332569号公報に開示されている。圧電体層106の材料は薄膜形成可能な圧電材料であれば特に限定されず、例えば、PZT、チタン酸バリウムなどが挙げられる。それらの中でも、優れた圧電特性を示し、入手も容易な観点から、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)が好ましい。圧電体層106の材料にPZTを採用し、Si基板上でのエピタキシャル成長を利用した成膜法で形成する場合、Si(100)上でPZT(001)薄膜をエピタキシャル成長により形成することが、特に優れた配向性を得る観点から好ましい。圧電体層106の厚さは、例えば0.5μm〜5.0μmである。   Next, a piezoelectric layer 106 is formed on the surface of the lower electrode layer 104 and, if necessary, the exposed surface of the first substrate 102. The formation method of the piezoelectric layer 106 may be a sputtering method, a CVD method, a vapor deposition method, or the like, but in particular, a film formation method utilizing epitaxial growth on a Si substrate has high orientation and excellent piezoelectric characteristics. This is preferable because a piezoelectric body can be obtained and the yield in manufacturing the piezoelectric pump 170 can be improved. Such a film forming method is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-332569 by the present applicant. The material of the piezoelectric layer 106 is not particularly limited as long as it is a piezoelectric material capable of forming a thin film, and examples thereof include PZT and barium titanate. Among these, PZT (lead zirconate titanate) is preferable from the viewpoint of showing excellent piezoelectric characteristics and being easily available. When PZT is adopted as the material of the piezoelectric layer 106 and it is formed by a film forming method using epitaxial growth on a Si substrate, it is particularly excellent to form a PZT (001) thin film on Si (100) by epitaxial growth. From the viewpoint of obtaining a good orientation. The thickness of the piezoelectric layer 106 is, for example, 0.5 μm to 5.0 μm.

続いて、圧電体層106の表面上に上部電極層108を、例えばスパッタ法、CVD法、蒸着法により形成する。上部電極層108の材料は、圧電素子の電極材料として用いられ得るものであれば特に限定されず、例えば白金、金、銅、及びこれらを含む合金が挙げられる。上部電極層108の厚さは、例えば0.05μm〜1.0μmであってもよい。   Subsequently, the upper electrode layer 108 is formed on the surface of the piezoelectric layer 106 by, for example, sputtering, CVD, or vapor deposition. The material of the upper electrode layer 108 is not particularly limited as long as it can be used as an electrode material of a piezoelectric element, and examples thereof include platinum, gold, copper, and alloys containing these. The thickness of the upper electrode layer 108 may be, for example, 0.05 μm to 1.0 μm.

次に、(a2)工程において、上述のようにして積層した下部電極層104、圧電体層106、上部電極層108を所望の形状にパターニングする。パターニングの方法は、特に限定されず、例えば、エッチマスクとしてマスクレジストを上部電極層108の表面上に形成した後に、エッチングによりマスクレジストで被覆されていない上記各層の部分を除去し、その後、マスクレジストを除去してもよい。他のパターニングの方法として、レジストパターニング、成膜、不要部分の除去を行うリフトオフ法を用いてもよい。これにより、下部電極114、圧電体116及び上部電極118をこの順に積層して備えた圧電素子120が、第1の基板102に接合した状態で得られる。なお、(a1)及び(a2)工程に加えて/代えて、下部電極層104、圧電体層106、上部電極層108を、例えばレーザー描画法により、その成膜と共に直接パターニングしてもよく、成膜及びパターニングを各層毎に行い、これを繰り返すことで圧電素子120を得てもよい。   Next, in the step (a2), the lower electrode layer 104, the piezoelectric layer 106, and the upper electrode layer 108 laminated as described above are patterned into a desired shape. The patterning method is not particularly limited. For example, after a mask resist is formed on the surface of the upper electrode layer 108 as an etch mask, portions of the respective layers not covered with the mask resist are removed by etching, and then the mask is masked. The resist may be removed. As another patterning method, a lift-off method for resist patterning, film formation, and removal of unnecessary portions may be used. As a result, the piezoelectric element 120 including the lower electrode 114, the piezoelectric body 116, and the upper electrode 118 stacked in this order is obtained in a state of being bonded to the first substrate 102. In addition to / in place of the steps (a1) and (a2), the lower electrode layer 104, the piezoelectric layer 106, and the upper electrode layer 108 may be directly patterned together with the film formation, for example, by a laser drawing method. The piezoelectric element 120 may be obtained by performing film formation and patterning for each layer and repeating this.

パターニングによって形成される圧電素子120の平面形状としては、例えば図2に示される形状が挙げられる。図2は、圧電素子120の平面形状と、後述のエッチングにより除去される第1の基板102の部分を模式的に示す概略図である。図2の(b)に示すように、圧電素子120は、絞り部分120aを有する平面形状であると、少ない電圧の印加により圧電素子を大きく変位することができ、流体の流量を増大させることが可能となる。ただし、図2の(a)に示すように、圧電素子120が絞り部分を有しない平面形状であってもよい。   An example of the planar shape of the piezoelectric element 120 formed by patterning is the shape shown in FIG. FIG. 2 is a schematic view schematically showing a planar shape of the piezoelectric element 120 and a portion of the first substrate 102 to be removed by etching described later. As shown in FIG. 2B, if the piezoelectric element 120 has a planar shape having a throttle portion 120a, the piezoelectric element can be greatly displaced by applying a small voltage, and the flow rate of fluid can be increased. It becomes possible. However, as shown in FIG. 2A, the piezoelectric element 120 may have a planar shape having no diaphragm portion.

また、図2の(c)に示すように、圧電素子120の絞り部分の幅が電極の取り出し部分に向かって徐々に面内方向に狭くなる平面形状であってもよく、(d)に示すように、圧電素子120が円形の平面形状を有していてもよい。さらに、圧電素子120における圧電体116と各電極114、118の平面形状とが同一であっても異なっていてもよい。例えば、図2の(a)及び(b)では、圧電体116と各電極114、118の平面形状とが実質的に同一となっている。一方、図2の(c)及び(d)のように、各電極114、116が、圧電体116に対して更に突条部120bを設けた平面形状を有していてもよい。その突条部120bは、各電極114、116の取り出し部として機能することもできる。なお、これら図2(c)及び(d)の場合、(a1)及び(a2)工程に代えて、下部電極層104の形成及びそのパターニング、圧電体層106の形成及びそのパターニング、上部電極層108の形成及びそのパターニングの処理を経て、圧電素子120を得てもよい。   Also, as shown in FIG. 2C, the piezoelectric element 120 may have a planar shape in which the width of the aperture portion gradually narrows in the in-plane direction toward the electrode extraction portion, as shown in FIG. As described above, the piezoelectric element 120 may have a circular planar shape. Furthermore, the piezoelectric body 116 in the piezoelectric element 120 and the planar shapes of the electrodes 114 and 118 may be the same or different. For example, in FIGS. 2A and 2B, the piezoelectric body 116 and the planar shapes of the electrodes 114 and 118 are substantially the same. On the other hand, as shown in FIGS. 2C and 2D, each of the electrodes 114 and 116 may have a planar shape in which a protrusion 120 b is further provided on the piezoelectric body 116. The protruding portion 120b can also function as an extraction portion for the electrodes 114 and 116. 2C and 2D, in place of the steps (a1) and (a2), the lower electrode layer 104 is formed and patterned, the piezoelectric layer 106 is formed and patterned, and the upper electrode layer is formed. The piezoelectric element 120 may be obtained through the formation 108 and the patterning process.

なお、圧電素子120は、その支持部材の面内方向に加えて/代えて、それらの厚み方向に絞り部分を有していてもよい。これによっても、さらに、移送される流体の種類に応じて、面内方向と厚み方向との変位をバランス良く制御するため、絞り部分の形状を適宜変形させることも可能である。   The piezoelectric element 120 may have a throttle portion in the thickness direction in addition to / in place of the in-plane direction of the support member. Also according to this, in order to control the displacement in the in-plane direction and the thickness direction in a well-balanced manner according to the type of fluid to be transferred, it is possible to appropriately change the shape of the throttle portion.

次いで、(a3)工程において、第1の基板102及び圧電素子120の表面上に絶縁部材122を形成する。絶縁部材122は、圧電ポンプの支持部材を構成する部材である。絶縁部材122の材料は、絶縁性を有する材料であって、かつ、圧電素子120の変位によっても破損することなく適度に湾曲して追従することが必要となるため、柔軟性を有する材料であることが好ましい。絶縁部材122の材料として柔軟性を有する材料を採用すると、圧電素子120の変位をポンプ室に良好に伝えることが可能となるため、圧電ポンプの効率(流体移送効率、作動効率)が高くなる。絶縁部材122の材料は、具体的には樹脂材料であることが好ましい。絶縁部材122の材料が樹脂材料である場合、(a3)工程ではまず、その樹脂材料の原料となる樹脂組成物(例えば、樹脂及び/又は単量体と溶媒との混合物)を第1の基板102及び圧電素子120の表面上に塗布する。次いで、塗布した樹脂組成物を乾燥などにより固化又は加熱若しくは光照射などにより硬化させた後、所望の形状にパターニングする。パターニングは樹脂材料をパターニングする公知の方法によればよく、例えば、フォトリソグラフィ法が挙げられる。樹脂材料としては、第1の基板102及び圧電素子120に良好に接着し、更に現像性などのパターニング性が良好である材料が好ましく、例えば、シリコーン樹脂、ポリイミド、パリレン等が挙げられる。パターニングにより得られた絶縁部材122の表面形状は、圧電ポンプのポンプ室を形成する壁面に適した形状であればよい。こうして、圧電素子120とその圧電素子120を支持する絶縁部材122とを備える構造体124を得る。   Next, in the step (a3), the insulating member 122 is formed on the surfaces of the first substrate 102 and the piezoelectric element 120. The insulating member 122 is a member constituting a support member of the piezoelectric pump. The material of the insulating member 122 is a material having an insulating property and is flexible because it is necessary to bend and follow appropriately without being damaged by the displacement of the piezoelectric element 120. It is preferable. When a material having flexibility is used as the material of the insulating member 122, the displacement of the piezoelectric element 120 can be transmitted well to the pump chamber, so that the efficiency (fluid transfer efficiency and operation efficiency) of the piezoelectric pump is increased. Specifically, the material of the insulating member 122 is preferably a resin material. When the material of the insulating member 122 is a resin material, in the step (a3), first, a resin composition (for example, a mixture of a resin and / or a monomer and a solvent) that is a raw material of the resin material is first substrate. 102 and the surface of the piezoelectric element 120 are applied. Next, the applied resin composition is solidified by drying or the like, or cured by heating or light irradiation, and then patterned into a desired shape. The patterning may be performed by a known method for patterning a resin material, for example, a photolithography method. The resin material is preferably a material that adheres well to the first substrate 102 and the piezoelectric element 120 and has good patternability such as developability, and examples thereof include silicone resin, polyimide, and parylene. The surface shape of the insulating member 122 obtained by patterning may be a shape suitable for the wall surface forming the pump chamber of the piezoelectric pump. In this way, a structure 124 including the piezoelectric element 120 and the insulating member 122 that supports the piezoelectric element 120 is obtained.

次に、(a4)工程において、第1の基板102を部分的にエッチングする。再び図1と共に図2をも参照して、この(a4)工程について具体的に説明する。(a4)工程では、第1の基板102の圧電素子120に対向する部分と、絶縁部材122における圧電素子120の外周を包囲する部分に対向する部分とをエッチングにより除去して、開口部112を形成する。図2において、一点鎖線で囲まれた部分が第1の基板102の開口部112である。これにより、圧電素子120における成形用基板102側の表面の一部と絶縁部材122における成形用基板102側の表面の一部とが露出する。表面が露出した圧電素子120の一部は、後述する変位部120cとして機能し、圧電素子120の表面が露出していない部分は、被固定部120dとして機能する。また、表面が露出した絶縁部材122の一部は、圧電素子120の変位部120cを包囲する包囲部122aであり、圧電素子120の変位により伸縮及び湾曲することができる。   Next, in the step (a4), the first substrate 102 is partially etched. The step (a4) will be specifically described with reference to FIG. 2 together with FIG. In the step (a4), the portion of the first substrate 102 facing the piezoelectric element 120 and the portion of the insulating member 122 facing the portion surrounding the outer periphery of the piezoelectric element 120 are removed by etching, so that the opening 112 is formed. Form. In FIG. 2, a portion surrounded by a one-dot chain line is an opening 112 of the first substrate 102. As a result, a part of the surface of the piezoelectric element 120 on the molding substrate 102 side and a part of the surface of the insulating member 122 on the molding substrate 102 side are exposed. A part of the piezoelectric element 120 whose surface is exposed functions as a displacement part 120c described later, and a part where the surface of the piezoelectric element 120 is not exposed functions as a fixed part 120d. Further, a part of the insulating member 122 whose surface is exposed is an enveloping portion 122 a that surrounds the displacing portion 120 c of the piezoelectric element 120, and can be expanded and contracted by the displacement of the piezoelectric element 120.

エッチングの方法は、特に限定されず、例えば、エッチマスクとして所定形状のマスクレジストを第1の基板102の表面上に形成した後に、エッチングによりマスクレジストで被覆されていない第1の基板102の部分を除去し、その後、マスクレジストを除去してもよい。他のエッチングの方法としては、レジストパターニング、成膜、不要部分の除去を行うリフトオフ法、が挙げられる。エッチングとしては、ドライエッチングが好ましく、例えば、反応性ガスエッチング、反応性イオンエッチング、反応性イオンビームエッチング、イオンビームエッチング、反応性レーザービームエッチングが例示される。こうして、開口部112を有する第1の基板102と、その第1の基板102に接合して形成された圧電素子120と、絶縁部材122とを備える第1の複合体126を得る。   The etching method is not particularly limited. For example, after a mask resist having a predetermined shape is formed on the surface of the first substrate 102 as an etch mask, the portion of the first substrate 102 that is not covered with the mask resist by etching. Then, the mask resist may be removed. Other etching methods include resist patterning, film formation, and lift-off method for removing unnecessary portions. The etching is preferably dry etching, and examples thereof include reactive gas etching, reactive ion etching, reactive ion beam etching, ion beam etching, and reactive laser beam etching. In this manner, a first composite 126 including the first substrate 102 having the opening 112, the piezoelectric element 120 formed by bonding to the first substrate 102, and the insulating member 122 is obtained.

一方、(b1)工程において、まず、材料基板130を準備する。この材料基板130としては例えばガラス基板、セラミック基板が挙げられ、その厚さは、例えば0.2mm〜2.0mmである。続いて、(b2)工程において、材料基板130表面をエッチング等により所定の形状に加工する。更に、(b3)工程において、材料基板130の所定の位置に、その厚み方向に貫通した第1の開口部130a及び第2の開口部130bをエッチング等により形成する。こうして、開口部130a、130bを有する第2の基板132を得る。ここで、加工して得られた第2の基板132の表面形状は、圧電ポンプのポンプ室を形成する壁面に適した形状であればよい。   On the other hand, in the step (b1), first, a material substrate 130 is prepared. Examples of the material substrate 130 include a glass substrate and a ceramic substrate, and the thickness thereof is, for example, 0.2 mm to 2.0 mm. Subsequently, in the step (b2), the surface of the material substrate 130 is processed into a predetermined shape by etching or the like. Further, in the step (b3), the first opening 130a and the second opening 130b penetrating in the thickness direction are formed at predetermined positions of the material substrate 130 by etching or the like. Thus, a second substrate 132 having openings 130a and 130b is obtained. Here, the surface shape of the second substrate 132 obtained by processing may be a shape suitable for the wall surface forming the pump chamber of the piezoelectric pump.

次に、(c)工程において、第1の複合体126の絶縁部材122を形成した側に第2の基板132を貼り付ける。この際、第2の基板132をそのエッチング等により加工された表面が第1の複合体126に対向するように、かつ開口部130a、130bを圧電ポンプのポンプ室と連通するように位置合わせして貼り付ける。貼り付ける方法としては、第1の複合体126と第2の基板132とが接触する部位に、例えば、接着剤や樹脂を塗布して貼り付ける方法が挙げられる。こうして、本実施形態の圧電ポンプ170を得る。   Next, in step (c), the second substrate 132 is attached to the side of the first composite 126 where the insulating member 122 is formed. At this time, the second substrate 132 is aligned so that the surface processed by etching or the like faces the first composite 126 and the openings 130a and 130b communicate with the pump chamber of the piezoelectric pump. And paste. Examples of the attaching method include a method in which an adhesive or a resin is applied and attached to a portion where the first composite 126 and the second substrate 132 are in contact with each other. Thus, the piezoelectric pump 170 of this embodiment is obtained.

得られた本実施形態の圧電ポンプ170は、複数の圧電素子120と圧電素子120を支持する支持部材である絶縁部材122とを備える構造体124と、構造体124を直接狭持する第1及び第2の基板102、132と、を含有し、第2の基板132と構造体124とによって囲まれたポンプ室178と、ポンプ室178と連通する第1及び第2の開口部130a、130bとを有するものである。圧電素子120は、電圧を印加することによって変位する変位部120cと第1及び第2の基板102、132に狭持されることにより固定された被固定部120dとを含む。絶縁部材122は、圧電素子120の変位部120cの外周を包囲する包囲部122aを有する。変位部120c及び包囲部122aは、第1の基板102側の表面が露出している。また、第1の基板102は、変位部120cと包囲部122aとに対向していた部分が除去されて形成した開口部112を有する。   The obtained piezoelectric pump 170 according to the present embodiment includes a structure 124 that includes a plurality of piezoelectric elements 120 and an insulating member 122 that is a support member that supports the piezoelectric elements 120, and first and second structures that directly sandwich the structure 124. A pump chamber 178 containing the second substrates 102 and 132 and surrounded by the second substrate 132 and the structure 124; and first and second openings 130a and 130b communicating with the pump chamber 178; It is what has. The piezoelectric element 120 includes a displacement portion 120c that is displaced by applying a voltage, and a fixed portion 120d that is fixed by being held between the first and second substrates 102 and 132. The insulating member 122 has a surrounding portion 122 a that surrounds the outer periphery of the displacement portion 120 c of the piezoelectric element 120. The displacement portion 120c and the surrounding portion 122a are exposed at the surface on the first substrate 102 side. In addition, the first substrate 102 has an opening 112 formed by removing a portion facing the displacement portion 120c and the surrounding portion 122a.

より詳細には、本実施形態の圧電ポンプ170に含有される構造体124は、複数の圧電素子120と、その圧電素子120に直接接合して支持する絶縁部材122とを備える。絶縁部材122は、圧電素子120の第2の基板側に接合した膜状部122bと、その薄膜部及び圧電素子120を包囲する周縁部122cとを有する。その周縁部122cのうち、第1の基板120側に表面が露出した部分が包囲部122aである。圧電素子120は薄膜状であり、絶縁部材122の膜状部122b下側に埋め込まれるように配置されており、絶縁部材122が圧電素子120のポンプ室(流路)178側の面を被覆するように接合している。   More specifically, the structure 124 contained in the piezoelectric pump 170 of this embodiment includes a plurality of piezoelectric elements 120 and an insulating member 122 that is directly bonded to and supported by the piezoelectric elements 120. The insulating member 122 includes a film-like portion 122 b bonded to the second substrate side of the piezoelectric element 120 and a peripheral edge portion 122 c surrounding the thin film portion and the piezoelectric element 120. A portion of the peripheral edge portion 122c whose surface is exposed on the first substrate 120 side is the surrounding portion 122a. The piezoelectric element 120 has a thin film shape and is disposed so as to be embedded under the film-like portion 122b of the insulating member 122. The insulating member 122 covers the surface of the piezoelectric element 120 on the pump chamber (flow path) 178 side. Are joined together.

第1の基板122はその上面を、構造体124の動作しない部分の下面に接合している。一方、第2の基板132は、圧電ポンプ170が動作しない状態では、ポンプ室178を形成する絶縁部材122の一部と接触していてもよいが、その部分で接合はされていない。また、第2の基板132は、その厚み方向に貫通する第1及び第2の開口部130a、130bを有しているが、これらの開口部130a、130bはポンプ室178と連通している。第2の基板132の開口部130a、130bの下側には、複数の圧電素子120のうちの一部が配置されている。その圧電素子120と開口部130a、130bとの間に位置する絶縁部材122の膜状部122bは、圧電ポンプ170が動作しない状態において、開口部130a、bを閉塞している。   The upper surface of the first substrate 122 is bonded to the lower surface of a portion where the structure 124 does not operate. On the other hand, the second substrate 132 may be in contact with a part of the insulating member 122 forming the pump chamber 178 in a state where the piezoelectric pump 170 is not operated, but is not bonded at that part. The second substrate 132 has first and second openings 130 a and 130 b that penetrate in the thickness direction, and these openings 130 a and 130 b communicate with the pump chamber 178. A part of the plurality of piezoelectric elements 120 is disposed below the openings 130 a and 130 b of the second substrate 132. The film-like portion 122b of the insulating member 122 located between the piezoelectric element 120 and the openings 130a and 130b closes the openings 130a and b when the piezoelectric pump 170 does not operate.

次に、本実施形態の圧電ポンプ170の動作方法について説明する。本実施形態の圧電ポンプ170において、薄膜状の圧電体116に電圧を印加すると、圧電素子120が面内方向(d31方向)及び厚み方向(d33方向)において変位する。特に、圧電素子120は薄膜状であり、しかも第1及び第2の基板102、132により構造体124の周縁部が固定されているため、圧電体116の面内方向の変位に伴い、厚み方向に湾曲する。そして電圧印加のオン/オフ、あるいは印加する電圧の方向を順方向/逆方向に切り替える(交流電圧を印加する)ことによって、構造体174は、第1及び第2の基板102、132に固定された構造体124の周縁部を支点として厚み方向に上下動を繰り返す。この動作により流路でもあるポンプ室178の容積及び内圧が変化することで、第1の開口部130a、ポンプ室178及び第2の開口部130bを順に経由して流体が圧電ポンプ170内を移送される。   Next, an operation method of the piezoelectric pump 170 of this embodiment will be described. In the piezoelectric pump 170 of this embodiment, when a voltage is applied to the thin film piezoelectric body 116, the piezoelectric element 120 is displaced in the in-plane direction (d31 direction) and the thickness direction (d33 direction). In particular, the piezoelectric element 120 has a thin film shape, and the periphery of the structure 124 is fixed by the first and second substrates 102 and 132. To curve. Then, the structure 174 is fixed to the first and second substrates 102 and 132 by turning on / off the voltage application or switching the direction of the applied voltage between the forward direction and the reverse direction (applying an alternating voltage). The vertical movement is repeated in the thickness direction with the peripheral edge of the structure 124 as a fulcrum. By this operation, the volume and internal pressure of the pump chamber 178 that is also a flow path are changed, so that the fluid is transferred through the piezoelectric pump 170 through the first opening 130a, the pump chamber 178, and the second opening 130b in this order. Is done.

本実施形態の圧電ポンプ170の動作方法について、図3を参照しながら更に詳細に説明する。まず、(a)工程において、圧電ポンプ170は停止状態にあり、構造体124の上面は第2の基板132と接触している。それにより、ポンプ室178を形成する絶縁部材122により開口部130a、130bが閉塞されている。次いで、(b)工程において、複数の圧電素子120のうち最上流の圧電素子120xに電圧を印加する。すると、圧電素子120xにおける圧電体122の変位に伴い圧電素子120xが絶縁部材122を伴って下側に湾曲すると共に、その湾曲により絶縁部材122が下側へ引っ張られて、第2の基板132と離間する。これにより、ポンプ室178が負圧になると共に、第1の開口部130aを経由して外部と連通するため、圧電ポンプ170は、第1の開口部130aからポンプ室178に流体を吸入する。   The operation method of the piezoelectric pump 170 of this embodiment will be described in more detail with reference to FIG. First, in step (a), the piezoelectric pump 170 is in a stopped state, and the upper surface of the structure 124 is in contact with the second substrate 132. Thereby, the openings 130 a and 130 b are closed by the insulating member 122 that forms the pump chamber 178. Next, in step (b), a voltage is applied to the most upstream piezoelectric element 120 x among the plurality of piezoelectric elements 120. Then, along with the displacement of the piezoelectric body 122 in the piezoelectric element 120x, the piezoelectric element 120x is bent downward along with the insulating member 122, and the insulating member 122 is pulled downward due to the bending, and the second substrate 132 and Separate. As a result, the pump chamber 178 becomes negative pressure and communicates with the outside via the first opening 130a, so that the piezoelectric pump 170 sucks fluid into the pump chamber 178 from the first opening 130a.

次いで、(c)工程において、中流の圧電素子120yに電圧を印加すると共に最上流の圧電素子120xへの電圧の印加を停止する。すると、圧電素子120yにおける圧電体122の変位に伴い圧電素子120yが絶縁部材122を伴って下側に湾曲すると共に、その湾曲により絶縁部材122が下側へ引っ張られて、第2の基板132と離間する。また、圧電素子120xが停止時の状態に戻り絶縁部材122と再び接触して第1の開口部130aを閉塞する。これにより、圧電素子120x上方のポンプ室178の部分が加圧されると共に、圧電素子120y上方のポンプ室178の部分が負圧になるため、圧電ポンプ170は、ポンプ室178内の流体を下流側に押し出す。また、第1の開口部130aを閉塞するため外部からの流体の吸入を一時的に停止する。   Next, in step (c), the voltage is applied to the middle-stream piezoelectric element 120y and the voltage application to the most upstream piezoelectric element 120x is stopped. Then, along with the displacement of the piezoelectric body 122 in the piezoelectric element 120y, the piezoelectric element 120y is bent downward along with the insulating member 122, and the insulating member 122 is pulled downward due to the bending, and the second substrate 132 and Separate. Further, the piezoelectric element 120x returns to the stopped state and comes into contact with the insulating member 122 again to close the first opening 130a. As a result, the pump chamber 178 above the piezoelectric element 120x is pressurized and the pump chamber 178 above the piezoelectric element 120y has a negative pressure. Therefore, the piezoelectric pump 170 moves the fluid in the pump chamber 178 downstream. Extrude to the side. Further, in order to close the first opening 130a, the suction of fluid from the outside is temporarily stopped.

続いて、(d)工程において、最下流の圧電素子120zに電圧を印加すると共に中流の圧電素子120yへの電圧の印加を停止する。すると、圧電素子120zにおける圧電体122の変位に伴い圧電素子120zが絶縁部材122を伴って下側に湾曲すると共に、その湾曲により絶縁部材122が下側へ引っ張られて、第2の基板132と離間する。また、圧電素子120yが停止時の状態に戻り絶縁部材122と再び接触する。これにより、圧電素子120y上方のポンプ室178の部分が加圧されると共に、圧電素子120z上方のポンプ室178の部分が負圧になるため、圧電ポンプ170は、ポンプ室178内の流体を更に下流側に押し出す。また、ポンプ室178が第2の開口部130bを経由して外部と連通するため、圧電ポンプ170は、ポンプ室178から第2の開口部130bを経由して外部に流体を吐出する。   Subsequently, in step (d), the voltage is applied to the most downstream piezoelectric element 120z and the voltage application to the middle-stream piezoelectric element 120y is stopped. Then, along with the displacement of the piezoelectric body 122 in the piezoelectric element 120z, the piezoelectric element 120z is bent downward along with the insulating member 122, and the insulating member 122 is pulled downward due to the bending, and the second substrate 132 and Separate. Further, the piezoelectric element 120y returns to the stopped state and comes into contact with the insulating member 122 again. As a result, the portion of the pump chamber 178 above the piezoelectric element 120y is pressurized and the portion of the pump chamber 178 above the piezoelectric element 120z becomes negative pressure, so that the piezoelectric pump 170 further supplies the fluid in the pump chamber 178. Extrude downstream. Further, since the pump chamber 178 communicates with the outside via the second opening 130b, the piezoelectric pump 170 discharges fluid from the pump chamber 178 to the outside via the second opening 130b.

上述の各工程を繰り返すことで、本実施形態の圧電ポンプ170により流体を移送することができる。この場合、例えば上記(d)工程の開始と共に、上記(b)工程を開始してもよい。これにより、更に圧電ポンプ170による単位時間当たりの流体の移送量を増大させることが可能となる。   By repeating the above steps, the fluid can be transferred by the piezoelectric pump 170 of the present embodiment. In this case, for example, the step (b) may be started together with the start of the step (d). Thereby, the amount of fluid transferred per unit time by the piezoelectric pump 170 can be further increased.

本実施形態の圧電ポンプ170において、圧電素子120に電圧を印加しても、その被固定部120dは、第1及び第2の基板102、132に直接的に狭持されることにより固定されているため、その変位が抑制される。一方、圧電素子120の変位部120cは、第1及び第2の基板102、132に狭持されていない。そのため、圧電素子120は、その被固定部120dを支点として変位部120cが良好に変位することで振動する。その結果、ダイヤフラムとして機能する絶縁部材122の動作と圧電素子120の変位との干渉が従来に比して十分に抑制され、圧電ポンプ170は流体を安定的に移送することができる。   In the piezoelectric pump 170 of this embodiment, even if a voltage is applied to the piezoelectric element 120, the fixed portion 120 d is fixed by being directly held between the first and second substrates 102 and 132. Therefore, the displacement is suppressed. On the other hand, the displacement portion 120 c of the piezoelectric element 120 is not sandwiched between the first and second substrates 102 and 132. Therefore, the piezoelectric element 120 vibrates when the displacement portion 120c is favorably displaced with the fixed portion 120d as a fulcrum. As a result, interference between the operation of the insulating member 122 functioning as a diaphragm and the displacement of the piezoelectric element 120 is sufficiently suppressed as compared with the conventional case, and the piezoelectric pump 170 can stably transfer the fluid.

さらに、圧電ポンプ170において、第1の基板102は、上記構造体124に接合された状態から、変位部120cと絶縁部材における変位部120cの外周を包囲する包囲部122aとが露出するように、変位部120cと包囲部122aとに対向する部分がエッチングにより除去されている。これにより、変位部120c及び包囲部122aは、第1の基板102上に蒸着等により接合して拘束されることにより生じていた応力を開放することができる。その一方で、第1の基板102のそれら以外の部分は構造体124にそのまま接合されて支持されている。これらの結果、構造体124を第1の基板102に精度よくかつ確実に固定することができるため、圧電ポンプ170は流体をより安定的に移送することができる。   Further, in the piezoelectric pump 170, the first substrate 102 is exposed to the displacement portion 120c and the surrounding portion 122a that surrounds the outer periphery of the displacement portion 120c of the insulating member from the state bonded to the structure 124. A portion facing the displacement portion 120c and the surrounding portion 122a is removed by etching. Thereby, the displacement part 120c and the surrounding part 122a can release the stress which has arisen by joining and restraining on the 1st board | substrate 102 by vapor deposition etc. As shown in FIG. On the other hand, the other parts of the first substrate 102 are joined and supported by the structure 124 as they are. As a result, the structure 124 can be fixed to the first substrate 102 with high accuracy and reliability, so that the piezoelectric pump 170 can transfer the fluid more stably.

本実施形態の圧電ポンプ170の製造に際し、構造体124は、その片側の全面が第1の基板に一旦接合される。圧電ポンプは主に薄膜法で形成されているため、構造体124を構成する各部材は、蒸着法などの比較的高温の環境下で他の部材と接合されたり、あるいは、絶縁部材122の場合は、溶融した樹脂を塗布したりして接合される。その後の冷却により、構造体124は収縮しようとするものの、その全面が第1の基板102に拘束されているため、その応力(分布)が高いレベルで一様となる。次いで、圧電素子120変位部120c及び絶縁部材122の包囲部122aに接合した第1の基板102の部分がエッチングにより除去されるが、それらの部分を露出しても、その他の部分は第1の基板102との接合により拘束されている。その結果、変位部120c及び包囲部122aにおける応力は引き続き一様に高いレベルで維持されるので、圧電ポンプ170は十分安定的に、しかも大きな流量で流体を移送することができる。   When manufacturing the piezoelectric pump 170 of this embodiment, the entire surface of one side of the structure 124 is temporarily bonded to the first substrate. Since the piezoelectric pump is mainly formed by a thin film method, each member constituting the structure 124 is joined to another member in a relatively high temperature environment such as a vapor deposition method, or the member is an insulating member 122. Are joined by applying a molten resin. Subsequent cooling causes the structure 124 to shrink, but since the entire surface is constrained by the first substrate 102, the stress (distribution) becomes uniform at a high level. Next, portions of the first substrate 102 bonded to the piezoelectric element 120 displacement portion 120c and the surrounding portion 122a of the insulating member 122 are removed by etching. Even if these portions are exposed, the other portions are the first portion. Restrained by bonding with the substrate 102. As a result, the stress in the displacement portion 120c and the surrounding portion 122a is continuously maintained at a high level, so that the piezoelectric pump 170 can transfer the fluid sufficiently stably and at a large flow rate.

更に圧電ポンプ170では、圧電素子120の変位部120cのみでなく、それを包囲する絶縁部材122の包囲部122aも露出しているため、それらの部分が大きく作動でき、ポンプ容量を増大させることが可能となる。   Further, in the piezoelectric pump 170, not only the displacement portion 120c of the piezoelectric element 120 but also the surrounding portion 122a of the insulating member 122 surrounding the piezoelectric element 120 is exposed, so that those portions can be operated greatly and the pump capacity can be increased. It becomes possible.

本実施形態の圧電ポンプ170は、流体の流通方向上流側から下流側に向けて、複数の圧電素子120に順に電圧を印加する。これにより、圧電素子120を全体として蠕動様に(うごめくように)動作させて流体を移送する。薄膜状の圧電素子は、一般に、ポンプ容量が小さく、圧電素子の変位量も大きくなくポンプ室の内圧をさほど高めることができないため、流体の移送量を増大させることが困難である。ところが、本実施形態の圧電ポンプ170によると、上述のとおり複数の圧電素子120を全体として蠕動様に動作させて流体を移送する。このように、1つの圧電素子当たりの液体の移送量が少なくとも、複数の圧電素子を同時に作動することで、圧電ポンプ170の全体としての移送量を増大させることができる。特に、上流側の圧電素子を下側への湾曲状態から元の状態に戻して対応するポンプ室の部分を加圧すると同時に、下流側にある圧電素子を下側に湾曲させて対応するポンプ室の部分を減圧することにより、より小さな電圧で大きな移送量を実現できるため、圧電ポンプ170の効率は非常に高いものとなる。   The piezoelectric pump 170 according to the present embodiment sequentially applies a voltage to the plurality of piezoelectric elements 120 from the upstream side to the downstream side in the fluid flow direction. As a result, the piezoelectric element 120 is moved as a whole (moving) to transfer the fluid. In general, a thin-film piezoelectric element has a small pump capacity, a displacement amount of the piezoelectric element is not large, and an internal pressure of the pump chamber cannot be increased so much, and therefore it is difficult to increase a fluid transfer amount. However, according to the piezoelectric pump 170 of the present embodiment, the fluid is transferred by operating the plurality of piezoelectric elements 120 as a whole in a peristaltic manner as described above. As described above, the transfer amount of the liquid per one piezoelectric element can be increased at least by simultaneously operating a plurality of piezoelectric elements. In particular, the piezoelectric element on the upstream side is returned from the bent state to the original state to pressurize the corresponding pump chamber portion, and at the same time, the piezoelectric element on the downstream side is bent downward and the corresponding pump chamber By depressurizing this portion, a large transfer amount can be realized with a smaller voltage, so that the efficiency of the piezoelectric pump 170 becomes very high.

さらには、本実施形態の圧電ポンプ170は、第2の基板132と構造体124とによってポンプ室178が囲まれているため、ポンプ室178での複数の圧電素子120変位を効率的に流体の圧縮(加圧)及び膨張(減圧)に変換することができる。しかも、流体はポンプ室178を上流側から下流側に移動可能になっているため、上記圧縮及び膨張を効率的にポンプ室間の流体の移送に変換することができる。これらの結果、圧電ポンプ170は圧電素子120に印加する電圧をより効率的に流体の移送量に変換することができる。   Furthermore, since the pump chamber 178 is surrounded by the second substrate 132 and the structural body 124 in the piezoelectric pump 170 of the present embodiment, the displacement of the plurality of piezoelectric elements 120 in the pump chamber 178 can be efficiently performed. It can be converted into compression (pressurization) and expansion (decompression). In addition, since the fluid can move through the pump chamber 178 from the upstream side to the downstream side, the compression and expansion can be efficiently converted into fluid transfer between the pump chambers. As a result, the piezoelectric pump 170 can more efficiently convert the voltage applied to the piezoelectric element 120 into a fluid transfer amount.

また、本実施形態の圧電ポンプ170は、複数の圧電素子120の各々が1組の電極(下部電極114、上部電極118)を備えるため、それらの電極114、118に対して圧電素子120の寸法は大きくなく、圧電素子120の変位に伴う電極の湾曲範囲も大きくならない。よって、圧電ポンプ170は、電極の剥離を十分に抑制することができる。また、本実施形態の圧電ポンプ170は、1つの絶縁部材12に支持された複数の圧電素子120を備えており、いずれかの圧電素子120に印加した電圧が、その他の圧電素子120の変位に影響を与えない。そのため、この圧電ポンプ170は、高速駆動時の十分に安定した運転も可能になり、かつ、圧電素子120の変位量のばらつきも十分に抑制することができる。   In the piezoelectric pump 170 of the present embodiment, each of the plurality of piezoelectric elements 120 includes a pair of electrodes (lower electrode 114 and upper electrode 118). Is not large, and the bending range of the electrode accompanying the displacement of the piezoelectric element 120 does not increase. Therefore, the piezoelectric pump 170 can sufficiently suppress electrode peeling. In addition, the piezoelectric pump 170 of this embodiment includes a plurality of piezoelectric elements 120 supported by one insulating member 12, and a voltage applied to any one of the piezoelectric elements 120 causes displacement of the other piezoelectric elements 120. Does not affect. Therefore, the piezoelectric pump 170 can be operated sufficiently stably during high-speed driving, and variations in the displacement amount of the piezoelectric element 120 can be sufficiently suppressed.

また、本実施形態の圧電ポンプ170は、圧電素子120を薄膜状にすることで、いわゆるバルクの圧電ポンプと比較して、設計に沿った最適な形状のものを作製することができる。さらには、薄膜状の圧電素子120を採用することにより、バルクの圧電ポンプと比較して、圧電ポンプの更なる小型化、薄層化が可能となる。そのため、圧電ポンプ170は、これを備えた電子部品の更なる高密度集積化を実現することができ、MEMS技術を応用した製品に有効に利用することができる。   In addition, the piezoelectric pump 170 according to the present embodiment can be manufactured in an optimum shape according to the design as compared with a so-called bulk piezoelectric pump by making the piezoelectric element 120 into a thin film shape. Furthermore, by adopting the thin film piezoelectric element 120, the piezoelectric pump can be further reduced in size and layered as compared with the bulk piezoelectric pump. Therefore, the piezoelectric pump 170 can realize further high-density integration of electronic components including the piezoelectric pump 170, and can be effectively used for products to which the MEMS technology is applied.

なお、本実施形態の圧電ポンプ170において、圧電素子120を構成する下部電極114、圧電体116及び上部電極118が、下記関係を満足すると好ましい。すなわち、下部電極114と圧電体116とからなる積層体が、上部電極118よりも低いヤング率と厚さとの積を有すると好ましい。つまり、上記積層体のヤング率をE1(N/m2)、厚さをD1(nm)とし、上部電極118のヤング率をE2(N/m2)、厚さをD2(nm)とすると、下記式(1)で表される条件を満足することが好ましい。
E1×D1<E2×D2 (1)
In the piezoelectric pump 170 of the present embodiment, it is preferable that the lower electrode 114, the piezoelectric body 116, and the upper electrode 118 constituting the piezoelectric element 120 satisfy the following relationship. That is, it is preferable that the laminated body including the lower electrode 114 and the piezoelectric body 116 has a product of Young's modulus and thickness lower than those of the upper electrode 118. That is, if the Young's modulus of the laminate is E1 (N / m 2 ), the thickness is D1 (nm), the Young's modulus of the upper electrode 118 is E2 (N / m 2 ), and the thickness is D2 (nm). It is preferable that the condition represented by the following formula (1) is satisfied.
E1 × D1 <E2 × D2 (1)

部材のヤング率と厚さとの積は、その部材の硬さを表す指標の一つである。この指標が上記式(1)で表される条件を満足すると、構造体124の動作部分が第1の基板102側により大きく撓みやすくなる一方、第2の基板132側への撓みの程度が低くなる。これは、上部電極118が上記積層体よりも硬くなっており、延びたり湾曲し難くなっているからである。   The product of the Young's modulus and the thickness of a member is one of the indices that represent the hardness of the member. When this index satisfies the condition expressed by the above formula (1), the operating portion of the structure 124 is more easily bent toward the first substrate 102 side, while the degree of bending toward the second substrate 132 side is low. Become. This is because the upper electrode 118 is harder than the laminated body and is difficult to extend or bend.

上述のとおり、本実施形態の圧電ポンプ170は、圧電素子120が下側に湾曲することで流体を移送するものである。一方、圧電ポンプ170は、その停止時にはポンプ室178において構造体124と第2の基板132とが接触しているため、圧電素子120が上側に湾曲することは困難であり、ポンプとして正常に動作し難くなる。したがって、圧電素子120が上記式(1)を満足するように、各部材の材料及び厚さを選択することで、圧電ポンプ170がより安定に作動し、更に安定的に流体を移送することができる。   As described above, the piezoelectric pump 170 of the present embodiment transfers fluid by the piezoelectric element 120 being bent downward. On the other hand, when the piezoelectric pump 170 is stopped, since the structure 124 and the second substrate 132 are in contact with each other in the pump chamber 178, it is difficult for the piezoelectric element 120 to bend upward, and the piezoelectric pump 120 operates normally. It becomes difficult to do. Therefore, by selecting the material and thickness of each member so that the piezoelectric element 120 satisfies the above formula (1), the piezoelectric pump 170 can be operated more stably and the fluid can be more stably transferred. it can.

なお、上記ヤング率は、室温、10-4Paの条件下で、既知のヤング率を有する参照基板上に100nmの厚さを有する薄膜を形成したものを試料とし、その試料のヤング率を表面弾性法(例えば、ALOtec社製超薄膜ヤング率測定装置を用いる)によって測定することができる。その際、薄膜が積層体である場合は、圧電素子を構成する積層体の各部材の厚さの比と同一の厚さの比にして測定する。 The Young's modulus is a sample obtained by forming a thin film having a thickness of 100 nm on a reference substrate having a known Young's modulus under conditions of room temperature and 10 −4 Pa. It can be measured by an elastic method (for example, using an ultra-thin film Young's modulus measuring device manufactured by ALOtec). At that time, when the thin film is a laminated body, the measurement is performed with the same thickness ratio as the thickness ratio of each member of the laminated body constituting the piezoelectric element.

また、本実施形態の圧電ポンプ170において、圧電素子120が、上部電極118の第2の基板132側に更に硬質層(図示せず)を含有すると好ましい。その硬質層は、下部電極114と圧電体116とからなる上記積層体(第1の積層体)が、上部電極118と硬質層との積層体(第2の積層体)よりも低いヤング率と厚さとの積を有するように、その材料と厚さとを設定される。すなわち、第1の積層体のヤング率をE1(N/m2)、厚さをD1(nm)とし、第2の積層体のヤング率をE3(N/m2)、厚さをD3(nm)とすると、下記式(2)で表される条件を満足することが好ましい。
E1×D1<E3×D3 (2)
In the piezoelectric pump 170 of the present embodiment, it is preferable that the piezoelectric element 120 further includes a hard layer (not shown) on the second substrate 132 side of the upper electrode 118. The hard layer has a Young's modulus lower than that of the stacked body (first stacked body) composed of the lower electrode 114 and the piezoelectric body 116 than the stacked body of the upper electrode 118 and the hard layer (second stacked body). The material and thickness are set to have a product of the thickness. That is, the Young's modulus of the first laminate is E1 (N / m 2 ), the thickness is D1 (nm), the Young's modulus of the second laminate is E3 (N / m 2 ), and the thickness is D3 ( nm), it is preferable that the condition represented by the following formula (2) is satisfied.
E1 × D1 <E3 × D3 (2)

上記式(2)で表される条件を満足しても、構造体124の動作部分が第1の基板102側により大きく撓みやすくなる一方、第2の基板132側への撓みの程度が低くなる。これは、第2の積層体が第1の積層体よりも硬くなっており、延びたり湾曲し難くなっているからである。圧電素子120が上記式(2)を満足することで、圧電ポンプ170がより安定に作動し、更に安定的に流体を移送することができる。上記式(2)を確実に満足するには、硬質層が、クロム(Cr;上述のようにして導出されたヤング率(以下同様)=248N/m2)、タングステン(W;345N/m2)、タンタル(Ta;186N/m2)及び白金(Pt;152N/m2)からなる群より選ばれる少なくとも1種の金属からなると好ましい。 Even if the condition represented by the above formula (2) is satisfied, the operating portion of the structure 124 is more likely to bend more easily on the first substrate 102 side, while the degree of the bend toward the second substrate 132 side is reduced. . This is because the second laminated body is harder than the first laminated body, and is difficult to extend or bend. When the piezoelectric element 120 satisfies the above formula (2), the piezoelectric pump 170 operates more stably, and the fluid can be transferred more stably. To satisfy the above equation (2) ensures the hard layer, a chromium (Cr; To a Young's modulus which is derived as described above (the same applies hereinafter) = 248N / m 2), tungsten (W; 345N / m 2 ), Tantalum (Ta; 186 N / m 2 ) and platinum (Pt; 152 N / m 2 ).

硬質層は、上記(a1)工程において、上部電極層108の表面上に更に硬質層を構成する材料の層を、例えばスパッタ法、CVD法、蒸着法により形成し、(a2)工程において、その層を、下部電極層104、圧電体層106、上部電極層108と共にパターニングすることにより得られる。   In the step (a1), the hard layer is formed by further forming a layer of a material constituting the hard layer on the surface of the upper electrode layer 108 by, for example, a sputtering method, a CVD method, or a vapor deposition method, and in the step (a2) The layer is obtained by patterning together with the lower electrode layer 104, the piezoelectric layer 106, and the upper electrode layer.

次に、第2の本実施形態の圧電ポンプについて説明する。図4は、この本実施形態の圧電ポンプを模式的に示す透視平面図である。また、図5は、第2の本実施形態の圧電ポンプの動作を示す概略図であり、(a)は、圧電ポンプを図1に示すII−II線で切断して現れる断面を模式的に示している。更に図6は、第2の本実施形態の圧電ポンプを部分的に拡大した概略断面図ある。第2の本実施形態の圧電ポンプ200は、流体の流通方向(図4中の矢印Aの方向)に沿って配設された6つの圧電素子202、204、206、208、210、212(まとめて「202〜212」と表記する。以下同様。)と、それらの圧電素子202〜212を支持する1つの支持部材214とを備える構造体220と、構造体220を挟む第1及び第2の基板222、224とを含有し、第2の基板224と構造体220とによって囲まれて形成されるポンプ室230と、動作時にそのポンプ室230と連通する第1及び第2の開口部250、252とを有するものである。また、圧電素子202〜212は、電圧を印加することによって変位する変位部202c〜212cと、第1及び第2の基板222、224に狭持されることにより固定された被固定部202d〜212d、202e〜212eとを含む。さらに第1の基板222は、構造体220に接合された状態から、変位部202c〜212cと支持部材214における変位部202c〜212cの外周を包囲する包囲部214aとが露出するように、変位部202c〜212cと包囲部214aとに対向する部分がエッチングにより除去され、開口部222aを形成したものである。上記変位部202c〜212cと包囲部214aとは構造体の動作部分を構成する。   Next, the piezoelectric pump of the second embodiment will be described. FIG. 4 is a perspective plan view schematically showing the piezoelectric pump of this embodiment. FIG. 5 is a schematic view showing the operation of the piezoelectric pump according to the second embodiment. FIG. 5A schematically shows a cross section that appears when the piezoelectric pump is cut along the line II-II shown in FIG. Show. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a partially enlarged piezoelectric pump according to the second embodiment. The piezoelectric pump 200 according to the second embodiment has six piezoelectric elements 202, 204, 206, 208, 210, 212 (summary) arranged along the fluid flow direction (the direction of arrow A in FIG. 4). And the same, and so on), and a structure 220 having one support member 214 that supports the piezoelectric elements 202 to 212, and a first and a second that sandwich the structure 220. A pump chamber 230 containing the substrates 222 and 224 and surrounded by the second substrate 224 and the structure 220, and first and second openings 250 communicating with the pump chamber 230 during operation, 252. The piezoelectric elements 202 to 212 include displacement parts 202c to 212c that are displaced by applying a voltage, and fixed parts 202d to 212d that are fixed by being sandwiched between the first and second substrates 222 and 224. , 202e to 212e. Further, the first substrate 222 is displaced from the state where the first substrate 222 is bonded to the structure 220 such that the displacement portions 202c to 212c and the surrounding portion 214a surrounding the outer periphery of the displacement portions 202c to 212c in the support member 214 are exposed. A portion facing 202c to 212c and the surrounding portion 214a is removed by etching to form an opening 222a. The displacement parts 202c to 212c and the surrounding part 214a constitute an operation part of the structure.

より詳細には、本実施形態の圧電ポンプ200に含有される構造体220は、6つの上記圧電素子202〜212と、それらの圧電素子202〜212に直接接合して支持する1つの支持部材214とを備える。支持部材214は、例えば樹脂を材料とし、1.0μm〜10μmの厚さを有する薄膜である。支持部材214の一方の主面(上面)におけるポンプ室230に対向した部分214aは、一列に並んだ6つの円形面をその周縁の一部で互いに重ねた、いわば数珠つなぎのような平面形状を有する。   More specifically, the structure 220 contained in the piezoelectric pump 200 of the present embodiment includes the six piezoelectric elements 202 to 212 and one support member 214 that is directly joined to and supported by the piezoelectric elements 202 to 212. With. The support member 214 is a thin film made of resin, for example, and having a thickness of 1.0 μm to 10 μm. A portion 214a facing the pump chamber 230 on one main surface (upper surface) of the support member 214 has a planar shape like a so-called rosary chain in which six circular surfaces arranged in a row overlap each other at a part of the periphery. Have.

圧電素子202〜212は、例えば厚さ0.5μm〜10.0μmの薄膜状であって円形の主面を有し、図6に示すように、各々が下部電極202a〜212a(ただし、圧電素子210、212に備えられる下部電極210a、212aは図示せず。)、圧電体202b〜212b(ただし、圧電素子210、212に備えられる圧電体210b、212bは図示せず。)及び上部電極202c〜212c(ただし、圧電素子210、212に備えられる上部電極210c、212cは図示せず。)をこの順に積層して備える。圧電素子202〜212の各々は、下部電極202a〜212aが開口部222aに露出した状態で支持部材214に埋め込まれている。各圧電素子202〜212は互いに直接接触しておらず、その間では支持部材214の下面が露出している。   The piezoelectric elements 202 to 212 are, for example, a thin film with a thickness of 0.5 μm to 10.0 μm and have a circular main surface. As shown in FIG. 6, each of the piezoelectric elements 202 a to 212 a (however, the piezoelectric element) The lower electrodes 210a and 212a included in the 210 and 212 are not shown.), The piezoelectric bodies 202b to 212b (however, the piezoelectric bodies 210b and 212b included in the piezoelectric elements 210 and 212 are not shown), and the upper electrodes 202c to 202c. 212c (however, upper electrodes 210c and 212c included in the piezoelectric elements 210 and 212 are not shown) are stacked in this order. Each of the piezoelectric elements 202 to 212 is embedded in the support member 214 with the lower electrodes 202a to 212a exposed to the opening 222a. The piezoelectric elements 202 to 212 are not in direct contact with each other, and the lower surface of the support member 214 is exposed between them.

第1の基板222は、構造体220の動作部分の下面を露出するように開口部222aを有している一方で、構造体220の動作部分以外の部分と接合する。ここで、構造体220の第1の基板222と接合した部分は、支持部材214の下面である。また、第2の基板224はその下面の一部を支持部材214の上面の一部と接合する。これらにより、支持部材214を備える構造体220が第1及び第2の基板222、224に狭持されて固定される。   The first substrate 222 has an opening 222 a so as to expose the lower surface of the operating portion of the structure 220, and is bonded to a portion other than the operating portion of the structure 220. Here, the portion of the structure 220 bonded to the first substrate 222 is the lower surface of the support member 214. In addition, the second substrate 224 has a part of its lower surface joined to a part of the upper surface of the support member 214. Accordingly, the structure 220 including the support member 214 is nipped and fixed to the first and second substrates 222 and 224.

圧電ポンプが停止している際、第2の基板は構造体220の動作部分の上面と接触しているものの接合していない。第2の基板224には、その厚み方向に貫通した第1及び第2の開口部250、252が設けられており、これらの開口部は圧電ポンプ200の動作時にポンプ室230と連通できる。ポンプ室230は、各圧電素子202〜212に対応する部分的なポンプ室232、234、236、238、240、242を有する。   When the piezoelectric pump is stopped, the second substrate is in contact with the upper surface of the operating portion of the structure 220 but not bonded. The second substrate 224 is provided with first and second openings 250 and 252 penetrating in the thickness direction, and these openings can communicate with the pump chamber 230 when the piezoelectric pump 200 is operated. The pump chamber 230 has partial pump chambers 232, 234, 236, 238, 240, 242 corresponding to the piezoelectric elements 202 to 212.

6つの圧電素子202〜212に備えられる下部電極202a〜212aの各々からは突条の配線202d〜212dが2本ずつ取り出され、上部電極202c〜212cからは突条の配線202e〜212eが1本ずつ取り出される。それらの配線は、上述のとおり、被固定部202d〜212d、202e〜212eでもある。取り出されたそれらの配線202d〜212d、202e〜212eは端子260まで延びており、その端子260を介して電源(図示せず。)に接続されている。ここで、各1組の電極と配線との連結部は、流体の流通方向に沿って上流側から、下部電極と配線との連結部、上部電極と配線との連結部、下部電極と配線との連結部の順で並んでいる。例えば、下部電極202aと2本の配線202dとの連結部202f、202h、上部電極202cと配線202eとの連結部202gについて見てみると、流体の流通方向に沿って上流側から、連結部202f、202h、202gの順で並んでいる。他の連結部(204f〜204h、206f〜206h、208f〜208h、210f〜210h、212f〜212h)についても同様である。   Two ridge wirings 202d to 212d are taken out from each of the lower electrodes 202a to 212a provided in the six piezoelectric elements 202 to 212, and one ridge wiring 202e to 212e is taken from the upper electrodes 202c to 212c. It is taken out one by one. These wirings are also the fixed parts 202d to 212d and 202e to 212e as described above. The extracted wires 202d to 212d and 202e to 212e extend to the terminal 260, and are connected to a power source (not shown) through the terminal 260. Here, the connection part between each set of electrodes and wiring is a connection part between the lower electrode and the wiring, a connection part between the upper electrode and the wiring, a lower electrode and the wiring from the upstream side in the fluid flow direction. Are arranged in the order of the connecting parts. For example, when looking at the connection portions 202f and 202h between the lower electrode 202a and the two wires 202d and the connection portion 202g between the upper electrode 202c and the wire 202e, the connection portion 202f from the upstream side along the fluid flow direction. , 202h, 202g are arranged in this order. The same applies to the other connecting portions (204f to 204h, 206f to 206h, 208f to 208h, 210f to 210h, 212f to 212h).

かかる圧電ポンプ200は、例えば下記のようにして製造される。   The piezoelectric pump 200 is manufactured as follows, for example.

まず、成膜用基板を兼ねる第1の基板222上に、突条の配線202d〜212dをそれぞれ含む下部電極202a〜212a、圧電体202b〜212b、突条の配線202e〜212eをそれぞれ含む上部電極202c〜212cをこの順で積層する。より具体的には、まず、第1の基板の表面上に下部電極202a〜212aとなる層を、例えばスパッタ法、CVD法、蒸着法により形成する。第1の基板222は、その表面上に下部電極202a〜212aとなる層を形成可能なものであれば特に限定されず、通常の薄膜形成に用いられる基板であってもよく、Si基板であると好ましい。下部電極202a〜212aとなる層の材料は、圧電素子の電極材料として用いられ得るものであれば特に限定されず、例えば白金、金、銅、及びこれらを含む合金が挙げられる。また、下部電極202a〜212aとなる層の厚さは、例えば0.05μm〜1.0μmである。   First, on the first substrate 222 that also serves as a film formation substrate, lower electrodes 202a to 212a each including protrusion wirings 202d to 212d, piezoelectric bodies 202b to 212b, and upper electrodes each including protrusion wirings 202e to 212e. 202c to 212c are stacked in this order. More specifically, first, layers to be the lower electrodes 202a to 212a are formed on the surface of the first substrate by, for example, a sputtering method, a CVD method, or a vapor deposition method. The first substrate 222 is not particularly limited as long as a layer to be the lower electrodes 202a to 212a can be formed on the surface thereof, and may be a substrate used for normal thin film formation, and is a Si substrate. And preferred. The material of the layer to be the lower electrodes 202a to 212a is not particularly limited as long as it can be used as the electrode material of the piezoelectric element, and examples thereof include platinum, gold, copper, and alloys containing these. Moreover, the thickness of the layer used as the lower electrodes 202a-212a is 0.05 micrometer-1.0 micrometer, for example.

次いで、下部電極202a〜212aとなる層を所望の形状にパターニングする。パターニングの方法は、特に限定されず、例えば、エッチマスクとしてマスクレジストを上部電極となる層の表面上に形成した後に、エッチングによりマスクレジストで被覆されていない上記層の部分を除去し、その後、マスクレジストを除去してもよい。これにより、下部電極202a〜212aが得られる。   Next, the layer to be the lower electrodes 202a to 212a is patterned into a desired shape. The patterning method is not particularly limited. For example, after forming a mask resist on the surface of the layer to be the upper electrode as an etch mask, the portion of the layer not covered with the mask resist is removed by etching, and then The mask resist may be removed. Thereby, lower electrodes 202a to 212a are obtained.

次いで、下部電極202a〜212aの表面上(ただし配線202d〜212dの表面上を除く)に圧電体202b〜212bを形成する。圧電体202b〜212bの形成方法としては、スパッタ法、CVD法、蒸着法が挙げられる。圧電体202b〜212bの材料は薄膜形成可能な圧電材料であれば特に限定されず、例えば、PZT、チタン酸バリウムなどが挙げられる。それらの中でも、優れた圧電特性を示し、入手も容易な観点から、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)が好ましい。圧電体202b〜212bの厚さは、例えば0.5μm〜5.0μmである。   Next, piezoelectric bodies 202b to 212b are formed on the surfaces of the lower electrodes 202a to 212a (except for the surfaces of the wirings 202d to 212d). Examples of the method for forming the piezoelectric bodies 202b to 212b include a sputtering method, a CVD method, and a vapor deposition method. The material of the piezoelectric bodies 202b to 212b is not particularly limited as long as it is a piezoelectric material capable of forming a thin film, and examples thereof include PZT and barium titanate. Among these, PZT (lead zirconate titanate) is preferable from the viewpoint of showing excellent piezoelectric characteristics and being easily available. The thickness of the piezoelectric bodies 202b to 212b is, for example, 0.5 μm to 5.0 μm.

続いて、圧電体202b〜212bの表面上に上部電極202c〜212cを、例えばスパッタ法、CVD法、蒸着法により形成する。上部電極202c〜212cの材料は、圧電素子の電極材料として用いられ得るものであれば特に限定されず、例えば白金、金、銅、及びこれらを含む合金が挙げられる。上部電極202c〜212cの厚さは、例えば0.05μm〜1.0μmである。   Subsequently, upper electrodes 202c to 212c are formed on the surfaces of the piezoelectric bodies 202b to 212b by, for example, a sputtering method, a CVD method, or a vapor deposition method. The material of the upper electrodes 202c to 212c is not particularly limited as long as it can be used as the electrode material of the piezoelectric element, and examples thereof include platinum, gold, copper, and alloys containing these. The thickness of the upper electrodes 202c to 212c is, for example, 0.05 μm to 1.0 μm.

上記圧電体202b〜212b及び上部電極202c〜212cを形成する際、例えば上部電極202c〜212c上に所定形状のレジストを形成した後に圧電体202b〜212b及び上部電極202c〜212cを順に形成し、その後、レジストを除去してもよい。こうして、第1の基板222上に、下部電極202a〜212a、圧電体202b〜212b及び上部電極202c〜212cをこの順で積層した圧電素子202〜212を得る。   When the piezoelectric bodies 202b to 212b and the upper electrodes 202c to 212c are formed, for example, after a resist having a predetermined shape is formed on the upper electrodes 202c to 212c, the piezoelectric bodies 202b to 212b and the upper electrodes 202c to 212c are sequentially formed. The resist may be removed. Thus, the piezoelectric elements 202 to 212 are obtained by laminating the lower electrodes 202a to 212a, the piezoelectric bodies 202b to 212b, and the upper electrodes 202c to 212c in this order on the first substrate 222.

次に、圧電素子202〜212を被覆するようにして支持部材214となる層を形成する。この層の材料は、絶縁性を有する材料であって、かつ、圧電体202b〜212bの変位によっても破損することなく湾曲することが必要となるため、柔軟性を有する材料であることが好ましい。支持部材214となる層の材料として柔軟性を有する材料を採用すると、圧電体202b〜212bの変位をポンプ室230に良好に伝えることが可能となるため、圧電ポンプ200の効率が高くなる。支持部材214となる層の材料は、具体的には樹脂材料であることが好ましい。この場合、まず、その樹脂材料の原料となる樹脂組成物(例えば、樹脂及び/又は単量体と溶媒との混合物)を第1の基板222及び圧電素子202〜212の表面上に塗布する。次いで、塗布した樹脂組成物を乾燥などにより固化又は加熱若しくは光照射などにより硬化させる。その後、必要に応じて硬化した樹脂組成物を所望の形状にパターニングする。パターニングは樹脂材料をパターニングする公知の方法によればよく、例えば、フォトリソグラフィ法が挙げられる。樹脂材料としては、成膜用基板及び圧電素子202〜212に良好に接着し、更に現像性などのパターニング性が良好である材料が好ましく、例えば、シリコーン樹脂、ポリイミド、パリレン等が挙げられる。こうして、成膜用基板上に形成された圧電素子202〜212と支持部材214とを備える構造体220を得る。   Next, a layer that becomes the support member 214 is formed so as to cover the piezoelectric elements 202 to 212. The material of this layer is an insulating material, and since it is necessary to bend without being damaged even by displacement of the piezoelectric bodies 202b to 212b, a material having flexibility is preferable. When a material having flexibility is employed as the material of the layer that becomes the support member 214, the displacement of the piezoelectric bodies 202b to 212b can be satisfactorily transmitted to the pump chamber 230, so that the efficiency of the piezoelectric pump 200 is increased. Specifically, the material of the layer to be the support member 214 is preferably a resin material. In this case, first, a resin composition (for example, a mixture of a resin and / or a monomer and a solvent) serving as a raw material for the resin material is applied on the surfaces of the first substrate 222 and the piezoelectric elements 202 to 212. Next, the applied resin composition is solidified by drying or the like and cured by heating or light irradiation. Thereafter, the cured resin composition is patterned into a desired shape as necessary. The patterning may be performed by a known method for patterning a resin material, for example, a photolithography method. The resin material is preferably a material that adheres well to the film formation substrate and the piezoelectric elements 202 to 212 and has good patternability such as developability, and examples thereof include silicone resin, polyimide, and parylene. In this way, a structure 220 including the piezoelectric elements 202 to 212 and the support member 214 formed on the film formation substrate is obtained.

上述の構造体220とは別に、第2の基板224を作製する。第2の基板224は例えば厚さ0.2mm〜2.0mmのガラス基板及びセラミック基板から得られる。その基板表面をエッチング等により所定の形状に加工し(凹凸加工)、さらに基板の所定の位置に、その厚み方向に貫通した第1の開口部250及び第2の開口部252をエッチング等により形成する。こうして、開口部250、252を有し、その下面に所定形状の凹凸加工が施された第2の基板224を得る。   Separately from the structure body 220 described above, the second substrate 224 is manufactured. The second substrate 224 is obtained from a glass substrate and a ceramic substrate having a thickness of 0.2 mm to 2.0 mm, for example. The substrate surface is processed into a predetermined shape by etching or the like (unevenness processing), and a first opening 250 and a second opening 252 penetrating in the thickness direction are formed at a predetermined position of the substrate by etching or the like. To do. In this way, the second substrate 224 having the openings 250 and 252 and having a predetermined shape on the lower surface thereof is obtained.

次いで、上記構造体220上に第2の基板224を貼り付ける。この際、第2の基板224の凹凸加工が施された上記下面と構造体220の支持部材214が形成された側の面とを対向し、かつポンプ室230を形成するように位置合わせして、第2の基板224の下面と支持部材214とを、ポンプ室230となるべき部分の周囲で接合して貼り付ける。ただし、動作部分を構成する変位部202c〜212cはもちろんのこと、支持部材214における包囲部214aには、第2の基板224を接触させるのみであり、それらを接合しない。貼り付ける方法としては、支持部材214と第2の基板224とが接触する部位に、例えば接着剤を塗布して貼り付ける方法が挙げられる。
次に、第1の基板222を部分的にエッチングする。具体的には第1の基板222の上記動作部分に対向する部分をエッチングにより除去して、開口部222aを形成する。これにより、動作部分である変位部202c〜212cと包囲部214aとの表面が露出する。それらは圧電素子202〜212の変位に伴い伸縮、湾曲することができる。
Next, a second substrate 224 is attached to the structure body 220. At this time, the lower surface of the second substrate 224 that has been subjected to the uneven processing and the surface of the structure 220 on the side on which the support member 214 is formed are opposed to each other and the pump chamber 230 is formed. The lower surface of the second substrate 224 and the support member 214 are bonded and bonded around the portion to be the pump chamber 230. However, the second substrate 224 is only brought into contact with the surrounding portion 214a of the support member 214 as well as the displacement portions 202c to 212c constituting the operation portion, and they are not joined. Examples of the attaching method include a method in which an adhesive is applied and attached to a portion where the support member 214 and the second substrate 224 are in contact with each other.
Next, the first substrate 222 is partially etched. Specifically, a portion of the first substrate 222 facing the operation portion is removed by etching to form an opening 222a. Thereby, the surface of the displacement parts 202c-212c which are an operation | movement part, and the surrounding part 214a is exposed. They can expand and contract and bend as the piezoelectric elements 202 to 212 are displaced.

エッチングの方法は、特に限定されず、例えば、エッチマスクとして所定形状のマスクレジストを第1の基板222の表面上に形成した後に、エッチングによりマスクレジストで被覆されていない第1の基板222の部分を除去し、その後、マスクレジストを除去してもよい。他のエッチングの方法としては、レジストパターニング、成膜、不要部分の除去を行うリフトオフ法、が挙げられる。エッチングとしては、ドライエッチングが好ましく、例えば、反応性ガスエッチング、反応性イオンエッチング、反応性イオンビームエッチング、イオンビームエッチング、反応性レーザービームエッチングが例示される。   The etching method is not particularly limited. For example, after a mask resist having a predetermined shape is formed on the surface of the first substrate 222 as an etch mask, the portion of the first substrate 222 that is not covered with the mask resist by etching. Then, the mask resist may be removed. Other etching methods include resist patterning, film formation, and lift-off method for removing unnecessary portions. The etching is preferably dry etching, and examples thereof include reactive gas etching, reactive ion etching, reactive ion beam etching, ion beam etching, and reactive laser beam etching.

こうして、第2の本実施形態の圧電ポンプ200を得る。
このように本実施形態の圧電ポンプ200は、いわゆる薄膜プロセスを基本として作製されるため、品質のばらつきを抑制可能であり、その歩留まりを高めることができると共に、製造コストを低減することも可能である。
Thus, the piezoelectric pump 200 of the second embodiment is obtained.
As described above, since the piezoelectric pump 200 according to the present embodiment is manufactured based on a so-called thin film process, it is possible to suppress variation in quality, increase the yield, and reduce the manufacturing cost. is there.

次に、本実施形態の圧電ポンプ200の動作方法について、図5を参照しながら説明する。まず、(a)工程において、圧電ポンプ200は停止状態にあり、構造体220の上面は第2の基板224と接触している。それにより、ポンプ室230を形成する支持部材214により第1及び第2の開口部250、252は閉塞されている。次いで、(b)工程において、配線202dから連結部202hを介して圧電素子202の下部電極202aと、配線202eから連結部202gを介して上部電極202cとの間に電圧を印加すると同時に、配線204dから連結部204fを介して圧電素子204の下部電極204aと、配線204eから連結部204gを介して上部電極204cとの間に電圧を印加する。すると、圧電体202b、204bの変位に伴い圧電素子202、204が支持部材214を伴って同時に下側に湾曲すると共に、その湾曲により圧電素子202、204上方及びそれらの間にある支持部材214が下側へ引っ張られて、その部分で支持部材214と第2の基板224が離間する。これにより、ポンプ室232、234が負圧になるため、圧電ポンプ200は、第1の開口部250からそれらのポンプ室232、234に流体を吸入する。なお、湾曲した圧電素子202の頂部は、その面内方向中心部よりも、連結部202hと連結部202gとの中間地点の仮想の連結部にやや近づいた部分となり、湾曲した圧電素子204の頂部は、その面内方向中心部よりも、連結部204fと連結部204gとの中間地点の仮想の連結部にやや近づいた部分となる。   Next, an operation method of the piezoelectric pump 200 of the present embodiment will be described with reference to FIG. First, in step (a), the piezoelectric pump 200 is in a stopped state, and the upper surface of the structure 220 is in contact with the second substrate 224. Thereby, the first and second openings 250 and 252 are closed by the support member 214 forming the pump chamber 230. Next, in step (b), a voltage is applied between the wiring 202d from the lower electrode 202a of the piezoelectric element 202 via the connecting portion 202h and the upper electrode 202c from the wiring 202e via the connecting portion 202g, and at the same time, the wiring 204d. A voltage is applied between the lower electrode 204a of the piezoelectric element 204 through the connecting portion 204f and the upper electrode 204c through the connecting portion 204g from the wiring 204e. Then, as the piezoelectric bodies 202b and 204b are displaced, the piezoelectric elements 202 and 204 simultaneously bend downward along with the supporting member 214, and the bending causes the supporting member 214 above and between the piezoelectric elements 202 and 204 to be bent. The support member 214 and the second substrate 224 are separated from each other by being pulled downward. Accordingly, since the pump chambers 232 and 234 have negative pressure, the piezoelectric pump 200 sucks fluid into the pump chambers 232 and 234 from the first opening 250. It should be noted that the top of the curved piezoelectric element 202 is a portion that is slightly closer to the virtual connecting portion at the midpoint between the connecting portion 202h and the connecting portion 202g than the central portion in the in-plane direction. Is a portion slightly closer to a virtual connecting portion at a midpoint between the connecting portion 204f and the connecting portion 204g than the center portion in the in-plane direction.

次いで、(c)工程において、下部電極202aと上部電極202cとの間への電圧の印加を停止し、配線204dから連結部204hを介して圧電素子204の下部電極204aと、配線204eから連結部204gを介して上部電極204cとの間に電圧を印加すると同時に、配線206dから連結部206fを介して圧電素子206の下部電極206aと、配線206eから連結部206gを介して上部電極206cとの間に電圧を印加する。すると、圧電素子202が停止時の状態に戻り圧電素子202、204上方及びそれらの間で構造体220と支持部材214とが再び直接接触すると共に、圧電体206bの変位に伴い圧電素子206が支持部材214を伴って下側に湾曲する。また、その湾曲により圧電素子204、206上方及びそれらの間にある支持部材214が下側へ引っ張られて、その部分で構造体220と支持部材214とが離間する。これにより、ポンプ室232が加圧されると共にポンプ室236が負圧になるため、圧電ポンプ200は、ポンプ室232内の流体を押し出す一方で、ポンプ室236内に流体を吸入し、流体をより下流側に移送する。また、下部電極204aへの電圧の印加を連結部204f経由から連結部204h経由に切り換えたため、湾曲した圧電素子204の頂部が、その面内方向中心部よりも、連結部204fと連結部204gとの中間地点の仮想の連結部にやや近づいた部分から、連結部204hと連結部204gとの中間地点の仮想の連結部にやや近づいた部分、すなわち流体の流通方向下流側に移動する。これにより、ポンプ室234内において流体が下流側に押し出されるため、流体の下流への移送が一層促進される。   Next, in step (c), application of voltage between the lower electrode 202a and the upper electrode 202c is stopped, and the lower electrode 204a of the piezoelectric element 204 is connected from the wiring 204d via the connecting portion 204h, and the connecting portion is connected from the wiring 204e. A voltage is applied between the upper electrode 204c via 204g and at the same time between the lower electrode 206a of the piezoelectric element 206 from the wiring 206d via the connecting portion 206f and the upper electrode 206c from the wiring 206e via the connecting portion 206g. Apply voltage to Then, the piezoelectric element 202 returns to the stopped state, and the structure 220 and the support member 214 come into direct contact again above and between the piezoelectric elements 202 and 204, and the piezoelectric element 206 is supported by the displacement of the piezoelectric body 206b. Curved downward with member 214. Further, the bending causes the support member 214 above and between the piezoelectric elements 204 and 206 to be pulled downward, and the structure 220 and the support member 214 are separated from each other at that portion. As a result, the pump chamber 232 is pressurized and the pump chamber 236 has a negative pressure. Therefore, the piezoelectric pump 200 pushes out the fluid in the pump chamber 232, while sucking the fluid into the pump chamber 236. Transfer further downstream. In addition, since the voltage application to the lower electrode 204a is switched from the connection portion 204f to the connection portion 204h, the top of the curved piezoelectric element 204 is connected to the connection portion 204f and the connection portion 204g rather than the central portion in the in-plane direction. From the portion slightly approaching the virtual connecting portion at the intermediate point to the portion slightly approaching the virtual connecting portion at the intermediate point between the connecting portion 204h and the connecting portion 204g, that is, the downstream side in the fluid flow direction. As a result, the fluid is pushed downstream in the pump chamber 234, so that the downstream transfer of the fluid is further promoted.

続いて、(d)工程において、下部電極204aと上部電極204cとの間への電圧の印加を停止し、配線206dから連結部206hを介して圧電素子206の下部電極206aと、配線206eから連結部206gを介して上部電極206cとの間に電圧を印加すると同時に、配線208dから連結部208fを介して圧電素子208の下部電極208aと、配線208eから連結部208gを介して上部電極208cとの間に電圧を印加する。すると、圧電素子204が停止時の状態に戻り圧電素子204、206の上方及びそれらの間で構造体220と支持部材214とが再び直接接触すると共に、圧電体208bの変位に伴い圧電素子208が支持部材214を伴って下側に湾曲する。また、その湾曲により圧電素子206、208上方及びそれらの間にある支持部材214が下側へ引っ張られて、その部分で構造体220と支持部材214とが離間する。これにより、ポンプ室234が加圧されると共にポンプ室238が負圧になるため、圧電ポンプ200は、ポンプ室234内の流体を押し出す一方で、ポンプ室238内に流体を吸入し、流体をより下流側に移送する。また、下部電極206aへの電圧の印加を連結部206f経由から連結部206h経由に切り換えたため、湾曲した圧電素子206の頂部が、その面内方向中心部よりも、連結部206fと連結部206gとの中間地点の仮想の連結部にやや近づいた部分から、連結部206hと連結部206gとの中間地点の仮想の連結部にやや近づいた部分、すなわち流体の流通方向下流側に移動する。これにより、ポンプ室236内において流体が下流側に押し出されるため、流体の下流への移送が一層促進される。   Subsequently, in step (d), application of voltage between the lower electrode 204a and the upper electrode 204c is stopped, and the lower electrode 206a of the piezoelectric element 206 is connected to the wiring 206e from the wiring 206d through the connecting portion 206h. A voltage is applied to the upper electrode 206c through the portion 206g, and at the same time, the lower electrode 208a of the piezoelectric element 208 from the wiring 208d through the connecting portion 208f, and the upper electrode 208c from the wiring 208e through the connecting portion 208g. A voltage is applied between them. Then, the piezoelectric element 204 returns to the stopped state, and the structure 220 and the support member 214 come into direct contact again above and between the piezoelectric elements 204 and 206, and the piezoelectric element 208 is moved along with the displacement of the piezoelectric body 208b. It curves downward with the support member 214. Also, due to the bending, the support member 214 above and between the piezoelectric elements 206 and 208 is pulled downward, and the structure 220 and the support member 214 are separated from each other at that portion. As a result, the pump chamber 234 is pressurized and the pump chamber 238 has a negative pressure. Therefore, the piezoelectric pump 200 pushes out the fluid in the pump chamber 234, while sucking the fluid into the pump chamber 238, Transfer further downstream. In addition, since the voltage application to the lower electrode 206a is switched from the connection portion 206f to the connection portion 206h, the top portion of the curved piezoelectric element 206 is connected to the connection portion 206f and the connection portion 206g rather than the central portion in the in-plane direction. From the part slightly approaching the virtual connecting part at the intermediate point to the part slightly approaching the virtual connecting part at the intermediate point between the connecting part 206h and the connecting part 206g, that is, downstream in the fluid flow direction. As a result, the fluid is pushed downstream in the pump chamber 236, so that the downstream transfer of the fluid is further promoted.

次に、(e)工程において、下部電極206aと上部電極206cとの間への電圧の印加を停止し、配線208dから連結部208hを介して圧電素子208の下部電極208aと、配線208eから連結部208gを介して上部電極208cとの間に電圧を印加すると同時に、配線210dから連結部210fを介して圧電素子210の下部電極210aと、配線210eから連結部210gを介して上部電極210cとの間に電圧を印加する。すると、圧電素子206が停止時の状態に戻り圧電素子206、208の上方及びそれらの間で構造体220と支持部材214とが再び直接接触すると共に、圧電体210bの変位に伴い圧電素子210が支持部材214を伴って下側に湾曲する。また、その湾曲により圧電素子208、210の上方及びそれらの間にある支持部材214が下側へ引っ張られて、その部分で構造体220と支持部材214とが離間する。これにより、ポンプ室236が加圧されると共にポンプ室240が負圧になるため、圧電ポンプ200は、ポンプ室236内の流体を押し出す一方で、ポンプ室240内に流体を吸入し、流体をより下流側に移送する。また、下部電極208aへの電圧の印加を連結部208f経由から連結部208h経由に切り換えたため、湾曲した圧電素子208の頂部が、その面内方向中心部よりも、連結部208fと連結部208gとの中間地点の仮想の連結部にやや近づいた部分から、連結部208hと連結部208gとの中間地点の仮想の連結部にやや近づいた部分、すなわち流体の流通方向下流側に移動する。これにより、ポンプ室238内において流体が下流側に押し出されるため、流体の下流への移送が一層促進される。   Next, in the step (e), the application of voltage between the lower electrode 206a and the upper electrode 206c is stopped, and the lower electrode 208a of the piezoelectric element 208 is connected from the wiring 208e via the connecting portion 208h from the wiring 208d. A voltage is applied to the upper electrode 208c through the portion 208g, and at the same time, the lower electrode 210a of the piezoelectric element 210 from the wiring 210d through the connecting portion 210f, and the upper electrode 210c from the wiring 210e through the connecting portion 210g. A voltage is applied between them. Then, the piezoelectric element 206 returns to a stopped state, and the structure 220 and the support member 214 directly contact each other above and between the piezoelectric elements 206 and 208, and the piezoelectric element 210 is moved along with the displacement of the piezoelectric body 210b. It curves downward with the support member 214. Further, the bending causes the support member 214 above and between the piezoelectric elements 208 and 210 to be pulled downward, and the structure 220 and the support member 214 are separated from each other at that portion. As a result, the pump chamber 236 is pressurized and the pump chamber 240 has a negative pressure. Therefore, the piezoelectric pump 200 pushes out the fluid in the pump chamber 236, while sucking the fluid into the pump chamber 240, Transfer further downstream. In addition, since the voltage application to the lower electrode 208a is switched from the connection portion 208f to the connection portion 208h, the top portion of the curved piezoelectric element 208 is connected to the connection portion 208f and the connection portion 208g rather than the central portion in the in-plane direction. From the portion slightly approaching the virtual connecting portion at the intermediate point to the portion slightly approaching the virtual connecting portion at the intermediate point between the connecting portion 208h and the connecting portion 208g, that is, downstream in the fluid flow direction. As a result, the fluid is pushed downstream in the pump chamber 238, so that the downstream transfer of the fluid is further promoted.

そして、(f)工程において、下部電極208aと上部電極208cとの間への電圧の印加を停止し、配線210dから連結部210hを介して圧電素子210の下部電極210aと、配線210eから連結部210gを介して上部電極210cとの間に電圧を印加すると同時に、配線212dから連結部212fを介して圧電素子212の下部電極212aと、配線212eから連結部212gを介して上部電極212cとの間に電圧を印加する。すると、圧電素子208が停止時の状態に戻り圧電素子108、110の上方及びそれらの間で構造体220と支持部材214とが再び直接接触すると共に、圧電体212bの変位に伴い圧電素子212が支持部材214を伴って下側に湾曲する。また、その湾曲により圧電素子210、212の上方及びそれらの間にある支持部材214が下側へ引っ張られて、その部分で突出部224eと支持部材214とが離間する。これにより、ポンプ室238が加圧されると共にポンプ室242が負圧になるため、圧電ポンプ200は、ポンプ室238内の流体を押し出す一方で、ポンプ室242内に流体を吸入し、第2の開口部252から流体を吐出する。また、下部電極210aへの電圧の印加を連結部210f経由から連結部210h経由に切り換えたため、湾曲した圧電素子210の頂部が、その面内方向中心部よりも、連結部210fと連結部210gとの中間地点の仮想の連結部にやや近づいた部分から、連結部210hと連結部210gとの中間地点の仮想の連結部にやや近づいた部分、すなわち流体の流通方向下流側に移動する。これにより、ポンプ室240内において流体が下流側に押し出されるため、流体の下流への移送が一層促進される。   Then, in the step (f), the application of voltage between the lower electrode 208a and the upper electrode 208c is stopped, and the lower electrode 210a of the piezoelectric element 210 and the connecting portion from the wiring 210e are connected to the connecting portion 210h from the wiring 210d. A voltage is applied between the upper electrode 210c via 210g and at the same time between the lower electrode 212a of the piezoelectric element 212 from the wiring 212d via the connecting portion 212f and the upper electrode 212c from the wiring 212e via the connecting portion 212g. Apply voltage to Then, the piezoelectric element 208 returns to the stopped state, and the structural body 220 and the support member 214 come into direct contact again above and between the piezoelectric elements 108 and 110, and the piezoelectric element 212 is moved along with the displacement of the piezoelectric body 212b. It curves downward with the support member 214. Also, due to the bending, the support member 214 above and between the piezoelectric elements 210 and 212 is pulled downward, and the protruding portion 224e and the support member 214 are separated from each other at that portion. As a result, the pump chamber 238 is pressurized and the pump chamber 242 has a negative pressure, so that the piezoelectric pump 200 pushes out the fluid in the pump chamber 238 while sucking the fluid into the pump chamber 242 and the second The fluid is discharged from the opening portion 252. In addition, since the voltage application to the lower electrode 210a is switched from the connection part 210f to the connection part 210h, the top of the curved piezoelectric element 210 is connected to the connection part 210f and the connection part 210g rather than the center in the in-plane direction. From the portion slightly approaching the virtual connecting portion at the intermediate point to the portion slightly approaching the virtual connecting portion at the intermediate point between the connecting portion 210h and the connecting portion 210g, that is, downstream in the fluid flow direction. Thereby, since the fluid is pushed downstream in the pump chamber 240, the downstream transfer of the fluid is further promoted.

上述の各工程を繰り返すことで、本実施形態の圧電ポンプ200を経由して流体を移送することができる。この場合、例えば上記(e)工程の開始と共に、上記(b)工程を開始してもよい。これにより、更に圧電ポンプ200による単位時間当たりの流体の移送量を増大することが可能となる。   By repeating the above steps, the fluid can be transferred via the piezoelectric pump 200 of the present embodiment. In this case, for example, the step (b) may be started together with the start of the step (e). As a result, the amount of fluid transferred per unit time by the piezoelectric pump 200 can be further increased.

第2の本実施形態の圧電ポンプ200は、第1の本実施形態の圧電ポンプ170と類似の構造を有し類似の動作をするため、その圧電ポンプ170と同様の効果を発揮することができる、それに加えて、第2の本実施形態の圧電ポンプ200は下記効果をも奏することができる。すなわち、本実施形態の圧電ポンプ200は、電極と配線との連結部を上述のように配列することで、1つの湾曲した圧電素子の頂部を下流側に移動することができる。このように、第2の本実施形態の圧電ポンプは、複数の圧電素子202〜212の全体が蠕動様に動作するだけでなく、そのうち1つの圧電素子を見ても蠕動様に動作して流体を移送する。これにより、流体の下流への移送が促進されるので、印加した電圧を更に効率的に流体の移送量に変換することができる。   Since the piezoelectric pump 200 of the second embodiment has a similar structure and operates similarly to the piezoelectric pump 170 of the first embodiment, the same effects as the piezoelectric pump 170 can be exhibited. In addition, the piezoelectric pump 200 of the second embodiment can also achieve the following effects. That is, the piezoelectric pump 200 of the present embodiment can move the top of one curved piezoelectric element to the downstream side by arranging the connecting portions between the electrodes and the wiring as described above. As described above, the piezoelectric pump according to the second embodiment not only operates in a swinging manner as a whole of the plurality of piezoelectric elements 202 to 212 but also operates in a swinging manner even when one of the piezoelectric elements is viewed. Transport. Thereby, since the downstream transfer of the fluid is promoted, the applied voltage can be more efficiently converted into the transfer amount of the fluid.

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は上記本実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。例えば、別の本実施形態において、圧電ポンプがただ一つの圧電素子を有するものであってもよい。図9はそのような圧電ポンプの一例を模式的に示すものであり、動作中の状態を示している。図9に示す圧電ポンプ900は、1つの圧電素子902と、その圧電素子902を支持する1つの支持部材914とを備える構造体920と、構造体920を挟む第1及び第2の基板922、924とを含有し、第2の基板924と構造体920とによって囲まれて形成されるポンプ室930と、動作時にそのポンプ室930と連通する第1及び第2の開口部950、952とを有するものである。また、圧電素子902は、電圧を印加することによって変位する変位部と、第1及び第2の基板922、924に狭持されることにより固定された被固定部とを含む。さらに第1の基板922は、構造体920に接合された状態から、圧電素子902の変位部と、支持部材914における上記変位部の外周を包囲する包囲部とが露出するように、それら変位部と包囲部とに対向する部分がエッチングにより除去され、開口部922aを形成したものである。上記変位部、被固定部及び包囲部は、第2の本実施形態における圧電素子の1つと同様の構造及び配置であればよい。圧電素子902は、電極と配線との連結部を第2の本実施形態と同様に配列することで、第2の本実施形態における複数の圧電素子のうちの1つと同様に、蠕動様に動作することができるため、効率的に流体を移送することができる。図9においては、上流側の開口部950とポンプ室930とが連通する一方で、下流側の開口部952が構造体920によって閉塞されており、この状態により、圧電ポンプ902は、外部から流体を吸入できる。
また、上記各本実施形態では、圧電ポンプが停止しているときは、構造体と第2の基板とが接触してポンプ室に空間がほとんど存在しない状態であったが、圧電ポンプの停止時においても、構造体と第2の基板との間のポンプ室に空間を設けてもよい。そのような空間を設けるためには、構造体と第2の基板との間にそれらを接着する樹脂を適度な厚さで設けたり、あるいは更なる基板を設けたりすればよい。
As mentioned above, although the form for implementing this invention was demonstrated, this invention is not limited to the said this embodiment. The present invention can be variously modified without departing from the gist thereof. For example, in another embodiment, the piezoelectric pump may have only one piezoelectric element. FIG. 9 schematically shows an example of such a piezoelectric pump, and shows a state during operation. A piezoelectric pump 900 shown in FIG. 9 includes a structure 920 including one piezoelectric element 902 and one support member 914 that supports the piezoelectric element 902, first and second substrates 922 sandwiching the structure 920, 924, and is formed by being surrounded by the second substrate 924 and the structure 920, and first and second openings 950 and 952 communicating with the pump chamber 930 during operation. It is what you have. The piezoelectric element 902 includes a displacement portion that is displaced by applying a voltage, and a fixed portion that is fixed by being sandwiched between the first and second substrates 922 and 924. Furthermore, the first substrate 922 has a displacement portion such that the displacement portion of the piezoelectric element 902 and the surrounding portion surrounding the outer periphery of the displacement portion of the support member 914 are exposed from the state of being joined to the structure 920. A portion facing the surrounding portion is removed by etching to form an opening 922a. The displacement part, the fixed part, and the surrounding part may have the same structure and arrangement as one of the piezoelectric elements in the second embodiment. The piezoelectric element 902 operates in a swing-like manner like one of the plurality of piezoelectric elements in the second embodiment by arranging the connection portions between the electrodes and the wiring in the same manner as in the second embodiment. Therefore, the fluid can be efficiently transferred. In FIG. 9, the upstream side opening 950 and the pump chamber 930 communicate with each other, while the downstream side opening 952 is closed by the structure 920. In this state, the piezoelectric pump 902 is fluidly connected from the outside. Can be inhaled.
Further, in each of the above embodiments, when the piezoelectric pump is stopped, the structure and the second substrate are in contact with each other and there is almost no space in the pump chamber. In this case, a space may be provided in the pump chamber between the structure and the second substrate. In order to provide such a space, a resin for bonding them between the structure body and the second substrate may be provided with an appropriate thickness, or a further substrate may be provided.

以下、実施例によって本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited to these Examples.

(第1の基板の作製方法の違いによる効果確認試験)
本試験では、圧電ポンプにおける圧電素子の変位量を確認するため、図7の(a)及び(b)に示すような試料を作製した。まず、実施例に係る図7の(a)に示す試料の作製は、厚さ400μmのSi基板の上に蒸着法及びスパッタリング法により下部電極層(図示せず。材質Pt、厚さ0.1μm)、圧電体層(図示せず。材質PZT、厚さ2〜2.5μm)、上部電極層(図示せず。材質Pt、厚さ0.1μm)をこの順に積層することから始めた。次いで、それら下部電極層、圧電体層、上部電極層をイオンミリング及びエッチング法により図7の(c)に示す平面形状にパターニングして圧電素子を得た。次に、圧電素子の支持部材として絶縁性のポリイミド樹脂を、Si基板及び圧電素子上に塗布した後、それらの全体を280℃で1時間加熱して、ポリイミド樹脂を硬化させた。
(Effect confirmation test by difference in manufacturing method of first substrate)
In this test, samples as shown in FIGS. 7A and 7B were prepared in order to confirm the amount of displacement of the piezoelectric element in the piezoelectric pump. First, the sample shown in FIG. 7A according to the example is prepared by depositing a lower electrode layer (not shown; material Pt, thickness 0.1 μm) on a 400 μm thick Si substrate by vapor deposition and sputtering. ), A piezoelectric layer (not shown; material PZT, thickness 2 to 2.5 μm), and an upper electrode layer (not shown; material Pt, thickness 0.1 μm) were laminated in this order. Subsequently, the lower electrode layer, the piezoelectric layer, and the upper electrode layer were patterned into a planar shape shown in FIG. 7C by ion milling and etching methods to obtain a piezoelectric element. Next, an insulating polyimide resin as a support member for the piezoelectric element was applied onto the Si substrate and the piezoelectric element, and then the whole was heated at 280 ° C. for 1 hour to cure the polyimide resin.

更に、その支持部材の周縁部に同じポリイミド樹脂を接着用及び空間形成用に塗布し、加熱することなくガラス基板をその上に載置した。その後、それら全体を280℃で1時間加熱して、接着用のポリイミド樹脂を硬化させることで、そのポリイミド樹脂を介して支持部材とガラス基板とを接合した。そして、Si基板の一部を裏側から、Deep−RIEを用いた反応性イオンエッチングによりエッチングして、実施例の試料を得た。なお、Si基板のエッチングは、図7の(c)に示す平面形状を有する開口部を形成するように行った。   Furthermore, the same polyimide resin was apply | coated to the peripheral part of the support member for adhesion | attachment and space formation, and the glass substrate was mounted on it, without heating. Thereafter, the whole was heated at 280 ° C. for 1 hour to cure the adhesive polyimide resin, thereby joining the support member and the glass substrate via the polyimide resin. A part of the Si substrate was etched from the back side by reactive ion etching using Deep-RIE to obtain a sample of the example. Note that the etching of the Si substrate was performed so as to form an opening having a planar shape shown in FIG.

一方、比較例に係る図7の(b)に示す試料の作製は、成形用のSi基板の上に蒸着法及びスパッタリング法により下部電極層(図示せず。材質Pt、厚さ0.1μm)、圧電体層(図示せず。材質PZT、厚さ2〜2.5μm)、上部電極層(図示せず。材質Pt、厚さ0.1μm)をこの順に積層することから始めた。次いで、それら下部電極層、圧電体層、上部電極層をイオンミリング及びエッチング法により図7の(c)に示す平面形状にパターニングして圧電素子を得た。次に、圧電素子の支持部材として絶縁性のポリイミド樹脂を、Si基板及び圧電素子上に塗布した後、それらの全体を280℃で1時間加熱して、ポリイミド樹脂を硬化させた。   On the other hand, the preparation of the sample shown in FIG. 7B according to the comparative example is performed by forming a lower electrode layer (not shown; material Pt, thickness 0.1 μm) on a forming Si substrate by vapor deposition and sputtering. The piezoelectric layer (not shown, material PZT, thickness 2 to 2.5 μm) and the upper electrode layer (not shown, material Pt, thickness 0.1 μm) were laminated in this order. Subsequently, the lower electrode layer, the piezoelectric layer, and the upper electrode layer were patterned into a planar shape shown in FIG. 7C by ion milling and etching methods to obtain a piezoelectric element. Next, an insulating polyimide resin as a support member for the piezoelectric element was applied onto the Si substrate and the piezoelectric element, and then the whole was heated at 280 ° C. for 1 hour to cure the polyimide resin.

更に、その支持部材の周縁部に同じポリイミド樹脂を接着用及び空間形成用に塗布し、加熱することなくガラス基板をその上に載置した。その後、それら全体を280℃で1時間加熱して、接着用のポリイミド樹脂を硬化させることで、そのポリイミド樹脂を介して支持部材とガラス基板とを接合した。そして、成形用のSi基板の全体を裏側から、フッ酸によるエッチングによりエッチングした。その後、圧電素子と支持部材との構造体の、Si基板のエッチングにより全体的に露出した側の面に、図7の(c)に示す平面形状の開口部を有するガラス基板を膜転写により接合して、比較例の試料を得た。   Furthermore, the same polyimide resin was apply | coated to the peripheral part of the support member for adhesion | attachment and space formation, and the glass substrate was mounted on it, without heating. Thereafter, the whole was heated at 280 ° C. for 1 hour to cure the adhesive polyimide resin, thereby joining the support member and the glass substrate via the polyimide resin. Then, the entire Si substrate for molding was etched from the back side by etching with hydrofluoric acid. Thereafter, a glass substrate having a planar opening as shown in FIG. 7C is bonded to the surface of the structure of the piezoelectric element and the support member, which is exposed entirely by etching the Si substrate, by film transfer. Thus, a sample of a comparative example was obtained.

得られた試料の圧電素子に対して、電圧(駆動電圧=0〜10V、駆動周波数=10Hz)を印加して、そのときの圧電素子及び支持部材からなる構造体の湾曲に伴う厚み方向の(最大)変位量を測定した。なお、評価機としてPolytec社製のレーザードップラー振動計を用いた。結果を表1に示す。   A voltage (driving voltage = 0 to 10 V, driving frequency = 10 Hz) was applied to the piezoelectric element of the obtained sample, and the thickness direction (with the curvature of the structure including the piezoelectric element and the support member at that time ( Maximum) displacement was measured. A laser Doppler vibrometer manufactured by Polytec was used as an evaluation machine. The results are shown in Table 1.

Figure 2010216398
この結果より、実施例に係る試料の方が、比較例に係る試料よりも圧電素子及び支持部材からなる構造体の変位量が大きいことが判明した。
Figure 2010216398
From this result, it was found that the sample according to the example had a larger displacement amount of the structure including the piezoelectric element and the support member than the sample according to the comparative example.

(硬質層の効果確認試験)
次に、硬質層の効果を確認するために、下記のような試験を行った。まず、上部電極層上に、更に種々の厚さを有する硬質層(図示せず。)をスパッタリング法により積層すること以外は、上記「第1の基板の作製方法の違いによる効果確認試験」における図7の(a)に示す試料の作製方法と同様にして、試料を作製した。なお、本試験における試料として、硬質層がクロム(Cr)又はチタン(Ti;ヤング率=116N/m2)からなるものを作製した。
(Effect confirmation test of hard layer)
Next, in order to confirm the effect of the hard layer, the following test was performed. First, in the above “Effect confirmation test by difference in manufacturing method of the first substrate” except that a hard layer (not shown) having various thicknesses is further laminated on the upper electrode layer by a sputtering method. A sample was manufactured in the same manner as the sample manufacturing method shown in FIG. As a sample in this test, a hard layer made of chromium (Cr) or titanium (Ti; Young's modulus = 116 N / m 2 ) was prepared.

得られた試料の圧電素子に対して、圧電体が上側(ガラス基板側)に撓むように電圧(駆動電圧=0〜10V、駆動周波数=10Hz)を印加し、そのときの構造体のガラス基板への接触面積を画像解析により測定した。結果を図8に示す。   A voltage (drive voltage = 0 to 10 V, drive frequency = 10 Hz) is applied to the piezoelectric element of the obtained sample so that the piezoelectric body bends upward (glass substrate side), and to the glass substrate of the structure at that time The contact area was measured by image analysis. The results are shown in FIG.

この結果より、硬質層の材質にクロムを用いると、硬質層が厚くなるにつれて上方への撓みが減少するため、圧電ポンプは安定的に流体を移送できることが分かった。一方、硬質層の材質にチタンを用いると、硬質層が厚くなっても上方への撓みがそれほど減少しないため、圧電ポンプは、硬質層の材質にクロムを用いた場合と比較すると、安定的に流体を移送できないことが分かった。   From this result, it was found that when chromium is used as the material of the hard layer, the upward deflection decreases as the hard layer becomes thicker, so that the piezoelectric pump can stably transfer the fluid. On the other hand, when titanium is used as the material of the hard layer, the upward deflection does not decrease so much even when the hard layer is thick, so the piezoelectric pump is more stable than when using chromium as the material of the hard layer. It was found that the fluid could not be transferred.

本発明の圧電ポンプは、微少化学反応に用いられる液状試薬や高精細印刷装置のインクなどの液体、ガスクロマトグラフの被検査ガス、燃料電池における反応ガスなどの気体等、流体を移送するための各種装置に適用することが可能である。例えば本発明の圧電ポンプは、ガスセンサへの流体供給装置や微少なフィルタ装置に備えられ得るものである。   The piezoelectric pump of the present invention is used for transferring fluids such as liquid reagents used in microchemical reactions, liquids such as inks in high-definition printing apparatuses, gases to be inspected in gas chromatographs, gases such as reaction gases in fuel cells, etc. It can be applied to a device. For example, the piezoelectric pump of the present invention can be provided in a fluid supply device to a gas sensor or a minute filter device.

102…第1の基板、114…下部電極、116…圧電体、118…上部電極、120…圧電素子、122…絶縁部材、124…構造体、130a…第1の開口部、130b…第2の開口部、132…第2の基板、170…圧電ポンプ。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 102 ... 1st board | substrate, 114 ... Lower electrode, 116 ... Piezoelectric body, 118 ... Upper electrode, 120 ... Piezoelectric element, 122 ... Insulating member, 124 ... Structure, 130a ... 1st opening part, 130b ... 2nd Opening portion, 132 ... second substrate, 170 ... piezoelectric pump.

Claims (4)

圧電素子と前記圧電素子を支持する支持部材とを備える構造体と、
前記構造体を挟む第1及び第2の基板と、
を含有し、
前記第2の基板と前記構造体とによって囲まれたポンプ室と、
前記ポンプ室と連通する第1及び第2の開口部と、
を有する圧電ポンプであって、
前記圧電素子は、電圧を印加することによって変位する変位部と、前記第1及び第2の基板に直接的又は間接的に狭持されることにより固定された被固定部とを含み、
前記第1の基板は、前記構造体に接合された状態から、前記変位部と前記支持部材における前記変位部の外周を包囲する包囲部とを露出させるように、前記変位部と前記包囲部とに対向する部分が除去されたものである、圧電ポンプ。
A structure including a piezoelectric element and a support member that supports the piezoelectric element;
First and second substrates sandwiching the structure;
Containing
A pump chamber surrounded by the second substrate and the structure;
First and second openings communicating with the pump chamber;
A piezoelectric pump comprising:
The piezoelectric element includes a displacement portion that is displaced by applying a voltage, and a fixed portion that is fixed by being directly or indirectly sandwiched between the first and second substrates.
The first substrate has the displacement portion and the surrounding portion so as to expose the displacement portion and the surrounding portion that surrounds the outer periphery of the displacement portion in the support member from the state of being joined to the structure. Piezoelectric pump in which the part opposite to is removed.
前記圧電素子は、前記第1の基板側から順に積層された第1の電極と圧電体と第2の電極とを含有し、前記第1の電極と前記圧電体とからなる第1の積層体が、前記第2の電極よりも低いヤング率と厚さとの積を有する、請求項1に記載の圧電ポンプ。   The piezoelectric element includes a first electrode, a piezoelectric body, and a second electrode that are sequentially stacked from the first substrate side, and the first stacked body that includes the first electrode and the piezoelectric body. The piezoelectric pump of claim 1, wherein the piezoelectric pump has a lower Young's modulus and thickness product than the second electrode. 前記圧電素子は、前記第2の電極の前記第2の基板側に硬質層を更に含有し、前記第1の積層体が前記第2の電極と前記硬質層とからなる第2の積層体よりも低いヤング率と厚さとの積を有する、請求項2に記載の圧電ポンプ。   The piezoelectric element further includes a hard layer on the second substrate side of the second electrode, and the first stacked body is a second stacked body including the second electrode and the hard layer. The piezoelectric pump according to claim 2, wherein the piezoelectric pump has a product of low Young's modulus and thickness. 前記硬質層は、クロム、タングステン、タンタル及び白金からなる群より選ばれる少なくとも1種の金属からなるものである、請求項3に記載の圧電ポンプ。   The piezoelectric pump according to claim 3, wherein the hard layer is made of at least one metal selected from the group consisting of chromium, tungsten, tantalum, and platinum.
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