JP2013522512A - 屈曲トランスデューサ、マイクロ・ポンプおよびマイクロ・バルブの製造方法、マイクロ・ポンプおよびマイクロ・バルブ - Google Patents

屈曲トランスデューサ、マイクロ・ポンプおよびマイクロ・バルブの製造方法、マイクロ・ポンプおよびマイクロ・バルブ Download PDF

Info

Publication number
JP2013522512A
JP2013522512A JP2012556389A JP2012556389A JP2013522512A JP 2013522512 A JP2013522512 A JP 2013522512A JP 2012556389 A JP2012556389 A JP 2012556389A JP 2012556389 A JP2012556389 A JP 2012556389A JP 2013522512 A JP2013522512 A JP 2013522512A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
membrane
pump
drive means
valve
micro
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2012556389A
Other languages
English (en)
Other versions
JP5480983B2 (ja
Inventor
マルクス ヘルツ
マルティーン リヒター
マルティーン ヴァッカーレ
Original Assignee
フラウンホッファー−ゲゼルシャフト ツァ フェルダールング デァ アンゲヴァンテン フォアシュンク エー.ファオ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by フラウンホッファー−ゲゼルシャフト ツァ フェルダールング デァ アンゲヴァンテン フォアシュンク エー.ファオ filed Critical フラウンホッファー−ゲゼルシャフト ツァ フェルダールング デァ アンゲヴァンテン フォアシュンク エー.ファオ
Publication of JP2013522512A publication Critical patent/JP2013522512A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5480983B2 publication Critical patent/JP5480983B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/02Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B43/04Pumps having electric drive
    • F04B43/043Micropumps
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K99/00Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • F16K99/0001Microvalves
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K99/00Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • F16K99/0001Microvalves
    • F16K99/0003Constructional types of microvalves; Details of the cutting-off member
    • F16K99/0015Diaphragm or membrane valves
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K99/00Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • F16K99/0001Microvalves
    • F16K99/0034Operating means specially adapted for microvalves
    • F16K99/0042Electric operating means therefor
    • F16K99/0048Electric operating means therefor using piezoelectric means
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K99/00Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • F16K99/0001Microvalves
    • F16K99/0034Operating means specially adapted for microvalves
    • F16K99/0055Operating means specially adapted for microvalves actuated by fluids
    • F16K99/0057Operating means specially adapted for microvalves actuated by fluids the fluid being the circulating fluid itself, e.g. check valves
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01Manufacture or treatment
    • H10N30/07Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base
    • H10N30/072Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by laminating or bonding of piezoelectric or electrostrictive bodies
    • H10N30/073Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by laminating or bonding of piezoelectric or electrostrictive bodies by fusion of metals or by adhesives
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/204Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
    • H10N30/2047Membrane type
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/204Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
    • H10N30/2047Membrane type
    • H10N30/2048Membrane type having non-planar shape
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K99/00Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • F16K2099/0073Fabrication methods specifically adapted for microvalves
    • F16K2099/008Multi-layer fabrications
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K99/00Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • F16K2099/0082Microvalves adapted for a particular use
    • F16K2099/0094Micropumps
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00Metal working
    • Y10T29/49Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49229Prime mover or fluid pump making
    • Y10T29/49236Fluid pump or compressor making

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Reciprocating Pumps (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Electrically Driven Valve-Operating Means (AREA)
  • Details Of Reciprocating Pumps (AREA)

Abstract

駆動手段および膜を含む屈曲トランスデューサの製造方法が提供され、この方法は、膜(110)および駆動手段(210)を準備するステップ(1010)、および接合後に駆動手段にプレストレスが与えられるように、膜(110)に駆動手段を接合する間駆動手段に製造信号(Uproduction)を適用するステップ(1020)を含み、製造信号が屈曲トランスデューサを動作させる動作信号と同じ種類のものである。
【選択図】図1A

Description

本発明は、屈曲トランスデューサ、マイクロ・ポンプおよびマイクロ・バルブの製造方法、およびこの方法によって製造される屈曲トランスデューサを含むマイクロ・ポンプおよびマイクロ・バルブに関する。
従来技術の発明によれば、多数の異なるマイクロ膜ポンプが存在し、使用される駆動概念は電磁的、熱的および圧電的な駆動原理である。しかしながら、市場において利用可能なマイクロ膜ポンプのほぼ全ては、圧電駆動原理によって駆動されている。
マイクロ・ポンプの圧縮比は、ガスが送り出される媒体であるとき、マイクロ・ポンプの泡許容度および逆圧能力を定める重要なパラメータである。流体ポンプに関して、ガスの泡がいつでもポンプチャンバに入り込む可能性があり、流体ポンプに対する逆圧能力は、実際には、(大きい動作隔膜力および低いバルブの漏れに加えて)圧縮比によっても規定される。圧縮比は、1回のブローまたはサイクルにおけるポンプ膜によって変位する容積、いわゆる行程容積と、死容積、すなわちポンプ膜がポンプチャンバに含まれる媒体をポンプチャンバ外に送り出した時に残っている最小の容積との間の比と定義される。死容積は、最大ポンプチャンバ容積と行程容積との間の容積の差ということができる。周知のマイクロ・ポンプの圧縮比は比較的小さく、0.1〜1の範囲内にある。
例えば、特許出願公開EP0424087A1は、電圧信号によって第1および第2の方向に、すなわち上下方向に変形可能な圧電手段を有し、それによって、液体をマイクロ・ポンプの液体貯留室に引き込み、あるいは液体貯留室から送り出すマイクロ・ポンプを開示している。しかしながら、EP0424087A1に記載されているマイクロ・ポンプは、それらがかなり大きい死容積を含み、または上方へのストロークが小さく、小さい行程容積が得られるだけであるという点で不利である。
さらに、圧電的に駆動されるマイクロ・膜ポンプの圧縮比は、通常、以下の境界条件によって規定される。正電圧を圧電膜トランスデューサに印加すると、膜トランスデューサは下方に偏向することができるだけである。また、上方への偏向は、負の電圧を印加することによって可能なだけであり、圧電セラミックが消極されないように、下方へのストロークのわずか約20%が達成可能なだけである。膜の動きを下方への運動に制限すると、死容積を減らして、圧縮比を上げることは困難である。したがって、従来のマイクロ・ポンプに対して、例えば米国特許出願公開US2005/0123420A1のマイクロ膜ポンプおよび米国特許明細書US6,261,066B1の蠕動マイクロ・ポンプを見ると、圧電手段が一方向へ移動するだけであり、および/またはその輪郭を膜の曲げラインに適応させて死容積を減らし、圧縮比を最大にするようにポンプチャンバが形成されている。ポンプ膜の曲げラインへのこの適応は、生産技術に関して手間がかかって費用がかかり、さらに、例えば接着工程におけるポンプ膜の歪みなどのために、ポンプ膜は完全に対称に偏向しないため、曲げラインへの完全な適応は通常不可能であり、それにより、ポンプチャンバ内に圧縮比を減少させる隙間が残る。さらに、隔膜の端部が固定される場合、標準アクチュエータの行程容積は境界条件によって制限される。最後に、シリコンを用いて、この調整はいくつかのステップでウェーハにエッチングすることによって部分的に成し遂げられることができるだけであり、それによって高い効果が生じる。
米国特許明細書US5,759,014は、ガラスベース板上に配置されるシリコン・ポンプ膜、およびポンプ膜の両側において互いに対向するように配置された入口バルブおよび出口バルブを有するマイクロ・ポンプを開示している。ポンプ膜は、休止位置において上方へ膨らんだ形状を有する。圧電素子は、膜の表面に固着される。圧電素子が駆動されると、膜は下方へ変位する。膜の膨らんだ形状は、密閉された膜の上に位置するチャンバを真空下におくことにより、または、プレストレスで適切な変形を有する酸化被膜をその上側表面に適用することによって得ることができる。ポンプチャンバと入口弁および出口弁との間に接続スペースによって生じる死容積がまだかなり高いという点で、US5,759,014によるマイクロ・ポンプは不利であり、膜の達成可能な膨らみの高さは制限され(したがって、限られた圧縮比を促進しているだけである)、膜の付着または吸着を防止するために、膜の下面上の酸化ケイ素のかなりの量の円領域を必要とする。さらに、バルブの横方向の配置は著しくポンプチャンバの流動抵抗を増加させ、それによって、行程容積は最大のポンプ速度を制限する非常に低いポンプ周波数で運搬するだけである。酸化被膜または吸引による座屈の他の不利な点は、圧電が正の電圧によって作動する場合、ダイアフラムは完全に平坦な位置へ移動することができないという事実である。このように、ダイアフラムの境界における死容積は残る。
米国特許出願公開US2009/0158923A1は、2つの金属層のレーザ溶接によって実現されるポンプダイヤフラムのプレストレスを記載している。この適用は、(明らかに、溶接プロセスの熱衝撃のため)ダイアフラムおよびポンプチャンバのプレストレスが実現され得ることを示している。しかしながら、また、(US5,759,014における酸化被膜による死容積よりさらに大きい)大きい死容積が、圧電の作動の後にダイアフラムの境界に残る。
事実、図8に示すように、レーザ溶接によって作動膜をポンプチャンバに接続することは膜の避けられない座屈を引き起こし、それは最小化された死容積に関して最適化されない。図8は、ポンプ本体810と、ポンプ膜の境界でレーザ溶接によってポンプ本体に接合された膜820を有するマイクロ・ポンプの2つの略図を示す。図8の上図はプレストレスが与えられた非作動状態のポンプ膜820を示し、図8の下図はポンプ膜の上に配置される圧電素子830によって下方に曲げられる同じ膜820を示す。図8の下図から分かるように、膜820は完全に平坦ではなく、膜の縁部の膨らみ840によって示される容積のため増加した死容積の原因となるポンプ膜の縁部の膨らみまたは偏向840が示される。
米国特許出願公開2004/0036047A1および米国特許出願公開2006/0027772A1は、常閉バルブを開示している。2つのシリコンチップの積層によって形成され、下側のシリコンチップはバルブの入口および出口を含み、下側のチップの上に配置される上側のチップは、バルブチャンバの凹部、バルブリップおよび下側のチップに向かう側のタペット、および膜を規定するための下側のチップから離れて面している上側のチップの反対側の凹部を含み、タペットより上の膜に、バルブを開くために下側のチップに形成されたバルブシャッターを下方に動かすように、圧電駆動が配置される。閉鎖状態において、すなわち圧電性セラミックが作動していないとき、バルブリップは流体的にバルブ入口をバルブチャンバから切り離す。圧電セラミックが作動している場合、圧電セラミックはタペットを介して膜に接続されているバルブシャッターを下方に移動させる。この場合、バルブリップはもうタペットに当接せず、バルブは開いている。バルブの製造の後、膜が時々下方に向かって偏る傾向があることが認められている。下方に向かうこれらの偏向が大きいものである場合、バルブは常閉バルブの密度要件を満たさないかもしれず、または膜への逆方向のわずかな圧力で開くかもしれない。バルブの非作動状態のこの種の望まれていない流れは、不利で、医療技術または燃料電池の分野において危機的でさえありえる。
特許出願公開EP0424087A1 米国特許出願公開US2005/0123420A1 米国特許明細書US6,261,066B1 米国特許明細書US5,759,014 米国特許出願公開US2009/0158923A1 米国特許出願公開2004/0036047A1 米国特許出願公開2006/0027772A1
本発明の目的は、先行技術の1つまたは全ての上述の不利な点を除去することができる屈曲トランスデューサを製造する方法を提供することである。本発明の更なる目的は、高い圧縮比を提供することができ、容易に製品を設計することができるマイクロ・ポンプを提供することである。本発明のさらに別の目的は、信頼性が高い密度特性を有するマイクロ・バルブを提供することである。
本発明の目的は、請求項1に記載の屈曲トランスデューサ、請求項13に記載のマイクロ・ポンプを製造する方法、請求項14に記載のマイクロ・バルブを製造する方法、請求項17に記載のマイクロ・ポンプおよび請求項20に記載のマイクロ・バルブによって達成される。
本発明の実施例は、駆動手段および膜を含む屈曲トランスデューサを製造する方法を提供し、この方法は、膜および駆動手段を準備するステップと、接合後に駆動手段にプレストレスが与えられるように、膜に駆動手段を接合している間、屈曲トランスデューサを動作させるための動作信号と同じ種類の製造信号を駆動手段に適用するステップを含む。
屈曲トランスデューサの実施例は、膜と、膜に結合される駆動手段とを含み、駆動手段は、駆動手段の主面で屈曲可能または偏向可能な膜に接合され、駆動手段に適用される作動または動作信号を駆動手段が膜に接合される主面に垂直な屈曲トランスデューサの動きに変換する。換言すれば、駆動信号は、駆動手段が膜に結合される主面に関して垂直の動き(また、垂直範囲または方向と呼ばれる)に変換される、駆動手段が膜に接合される主面に平行な(また、水平範囲または方向と呼ばれる)駆動手段の寸法変化(収縮または抽出)を達成する。変換の程度は、駆動手段のd31係数によって規定される。製造法のため、これらの屈曲トランスデューサには、プレストレスが与えられるか、予め膨らみが与えられる。この種のプレストレスが与えられた屈曲トランスデューサは、上述した課題を解決するために、マイクロ・ポンプおよびマイクロ・バルブに用いられることができる。
駆動手段は、例えば、特定の作動信号または入力が駆動手段に与えたられたときに、その体積または少なくとも一つの次元を変えるのに適した圧電駆動手段または他のいかなる駆動手段でもありえる。圧電駆動手段の場合、製造信号および動作信号は、圧電駆動手段に印加される電圧である。正の電圧が印加された場合、圧電駆動手段は収縮し、駆動手段と膜との間の接合面に対して膜の向きに膜を動かす。
駆動手段の別の実施例は、例えば、磁気拘束性の駆動手段、または磁界が磁気拘束性の駆動手段に与えられた場合にその体積を変える磁気拘束性の材料から成る駆動手段である。この場合、製造信号および動作信号(後の通常運転の間、駆動手段に与えられる信号)は電磁界である。
上述の実施例から明らかになるように、製造信号および動作信号は同じ種類の信号(圧電駆動手段、磁気拘束性の駆動手段のための磁界のための電圧)である。
製造信号の大きさ(圧電駆動手段のための製造信号および動作信号の電圧レベル、磁気拘束性の駆動手段のための磁界の強さ)は、製造信号および駆動信号に関して同じものとすることができ、または、異なったものとすることができる。
製造信号の極性または方向(圧電駆動手段のための電圧の極性、磁気拘束性の駆動手段のための磁界の方向)は、製造信号および駆動信号に関して同じにすることができ、または、異なったもの、例えば逆向きとすることができる。
製造信号および動作信号の極性が同じである場合、発明の方法によって達成される(膜および/または駆動手段の)屈曲トランスデューサの予め与えられる膨らみは、駆動手段が動作したときに膜または屈曲トランスデューサの対応するストロークと同様である。
特定の実施例において、アプリケーションに応じて、製造信号は、製造信号と同じ極性を有し、製造信号の大きさが製造信号と同じ大きさをもち、または、より小さいあるいはより大きい大きさを有する。
本発明の別の実施例は、マイクロ・ポンプを製造する方法を提供し、マイクロ・ポンプは膜および屈曲トランスデューサおよび駆動手段を含み、膜は、ポンプ膜を形成して、駆動手段によって第1の膨らんだ位置と第2の膨らみの少ない位置との間で移動するように構成され、ポンプ本体はポンプ膜に接続されて、ポンプ本体とポンプ膜との間にポンプチャンバを設定し、この方法は、駆動手段が作動しないときに、ポンプ膜が第1の膨らんだ位置において第1の予め膨らんだ形状をとるように、発明の方法によって屈曲トランスデューサを製造するステップを含む。
本発明のさらに別の実施例は、マイクロ・バルブを製造する方法を提供し、マイクロ・バルブは膜および駆動手段を有する屈曲トランスデューサを含み、膜は、バルブ膜を形成して、マイクロ・バルブを開閉するために駆動手段によって第1の位置と第2の位置との間で移動するように構成され、この方法は、発明の方法によって屈曲トランスデューサを製造するステップを含む。
この実施例は、マイクロ・ポンプを提供し、このマイクロ・ポンプは、膜および駆動手段を含む屈曲トランスデューサを含み、膜は、マイクロ・ポンプのポンプ膜を形成して、駆動手段によって第1の膨らんだ位置と第2の膨らみの少ない位置との間で移動するように構成され、ポンプ本体とポンプ膜との間にポンプチャンバを設定するためにポンプ本体がポンプ膜に接続され、駆動手段が作動しないときにポンプ膜は第1の膨らんだ位置において予め膨らんだ形状をとり、屈曲トランスデューサは発明の方法によって製造される。
さらに、実施例はマイクロ・バルブを提供し、このマイクロ・バルブは膜および駆動手段を含む屈曲トランスデューサを含み、膜は、バルブ膜を形成して、マイクロ・バルブを開閉するために駆動手段によって第1の位置と第2の位置との間で移動するように構成され、屈曲トランスデューサは発明の方法によって製造される。
本発明の実施例は、図8に示されるマイクロ・ポンプの膨らみ840および対応する死容積が、プレストレスが与えられたダイアフラムまたは膜の屈曲形状が必ずしも圧電アクチュエータの対応するストロークと同様ではないという事実によって生じることを発見したことに基づく。換言すれば、製造中(例えば酸化被膜またはレーザ溶接)にプレストレスが与えられることによるプレストレスが与えられた膜の偏向は、マイクロ・ポンプの駆動の間、圧電動作主体によって生じる膜の偏向と異なる。
本発明の実施例は、予め膨らんだ方法をポンプ膜に提供することによって圧縮比を最大にすることができ、それは圧電膜の動きに、または、一般的に、動作膜の動きに適している。このように、膨らみ840および対応する死容積は、回避されることができるかまたは少なくとも減らされることができる。ポンプ膜に接合される駆動手段によって生じるポンプ膜の動きに適しているポンプ膜に予め与えられた膨らみを達成するために、方法の実施例は、駆動手段が作動しないときにポンプ膜が予め膨らんだ形状をとるように、ポンプ膜に駆動手段を接合するステップを含む。駆動手段が作動すると、それに対応して、膜は第2の膨らみの少ない位置をとり、非作動状態の駆動手段によって生じるポンプ膜の緊張または応力は低減される。予め膨らんだポンプ膜を製造する方法の実施例において、両方とも平面形状を有するときに、駆動手段は、例えば、ポンプ膜に接合されることができる。ポンプ膜に駆動手段を接合するときに、横方向に駆動手段を収縮させるための異なる温度係数および/または製造信号の適用により、駆動手段が作動しないときに、駆動手段とポンプ膜は第1の膨らんだ位置において上方の予め膨らんだ形状をとる。駆動手段の作動は(ポンプ膜の緊張を減らすと同時に)駆動手段を再び収縮させ、膜の下方への偏向は予め膨らんだ状態とは逆の偏向を示し、駆動手段を駆動するかまたは作動させるための駆動信号が十分に強い場合、駆動手段は縁部において膨らみがないか無視できるように平坦なあるいは最小の基本的に平坦な形状をとる。
換言すれば、駆動手段の作動によって生じる膜の変形は、予め与えられた膨らみとは逆の効果および変形を示し、したがって、ポンプ膜の縁部で、少なくとも膨らみまたは偏向840を低減する。
さらに換言すれば、本発明の実施例は、マイクロ・ポンプを提供し、予め膨らんだポンプ膜の屈曲形状は駆動手段の作動によって生じる変形に適合しており、それにより、ポンプ膜が第2の膨らみの少ないまたは平坦な位置にあり、逆圧が与えられないときに、ポンプ本体に向かっているポンプ膜は平面基本形状を有する。「平面基本形状」という用語は、ポンプチャンバ床が平面または空洞を有する平面である場合にポンプ膜が平面形状を有し、ポンプチャンバ床またはポンプ膜がポンプチャンバ床に分布する付着防止手段としての突起を含む場合、ポンプ膜はポンプチャンバ床の縁部でわずかに膨らみ、外側の付着防止手段がそこからポンプチャンバの中央部に向かって配置され、付着防止用の突起によってもたらされる平面形状はその剛性による。
マイクロ・ポンプを製造する方法の実施例によれば、駆動手段、例えば圧電駆動手段は、縮小した状態、すなわち所定の製造信号または電圧が駆動手段に収縮をもたらすために駆動手段に与えられた状態でポンプ膜に接合され、その後、信号電圧が開放される。信号または電圧の開放により、駆動手段は復元され、ポンプチャンバから上方に離れて、駆動手段と共に膜を屈曲させる。
マイクロ・ポンプを製造する方法の他の実施例によれば、ポンプ膜および駆動手段、例えば圧電駆動手段は所定の製造温度に更に加熱され、この製造温度で互いに接合され、その後、例えば通常の外界温度に冷却される。駆動手段およびポンプ膜の異なる熱膨張係数のため、屈曲トランスデューサには、付加的な方法でプレストレスが与えられる。
一方、この効果は、例えば、ポンプまたはバルブ膜に更に増加した予め膨らんだ高さを提供するために用いることができる増加したプレストレス特性を有する屈曲トランスデューサを製造するために用いることができる。
その一方で、駆動手段とポンプ膜との異なる温度膨張係数が通常下方(駆動手段からポンプ膜に向かう方向)への予め膨らんだ形状につながる場合、製造信号を開放することによって達成される第1の向きにおけるポンプ膜に予め与えられた膨らみが、駆動手段およびポンプ膜が例えば通常のまたは環境の温度に冷却されることによって達成される第1の向きと対向する第2の向きにおけるポンプ膜に予め与えられる膨らみとの釣り合い以上となるように、製造信号は適用されることができる。
この第2の態様は、圧電セラミックまたは他の圧電駆動手段より典型的に低い熱膨張係数を有し、下方へ予め不必要に膨らむ半導体膜にとって有利である。圧電駆動手段を収縮させる製造信号を圧電駆動手段に適用することによって、予め下方に与えられる膨らみは釣り合い以上にすることができ、(ポンプ膜から圧電駆動手段に向かって)予め上方に与えられる膨らみが達成されることができる。
このように、米国特許出願公開2004/0036047A1および米国特許出願公開2006/0027772A1にて説明されている常閉バルブは、圧電駆動手段およびシリコン膜によって形成される屈曲トランスデューサにプレストレスを与えることにより非作動状態においてより確実に閉じるか密閉することができる。
マイクロ・ポンプに関して、マイクロ・ポンプの圧縮比cは、行程容積ΔVおよび死容積V0の比、すなわちc=ΔV/V0によって定義される。したがって、2つの計測は、主として圧縮比を上昇させるために最初に考慮されることができる。第1に、行程容積ΔVを増加させ、第2に死容積V0を減らす。本発明の実施例は、両方の計測に対処し、圧縮比を上昇させることができる。
膜に対向して下方にありポンプ本体の中にある入力および出力チェックバルブの配置は、高い行程容積を達成して、同時に死容積を低減することができる。さらに、ポンプ膜に予め与えられる膨らみは、一方向へ(例えば、下方だけに)駆動手段および特に圧電駆動手段を使用するかまたは作動させることを必要とするだけであり、駆動手段の複雑さを低減して、圧電駆動手段の場合には減極の危険度を低減する。
ポンプチャンバ床を形成しているポンプ本体の上側表面の形状および第2の膨らみの少ない位置におけるポンプ膜の形状に応じて、マイクロ・ポンプの死容積は低減されることができる。したがって、マイクロ・ポンプの実施例は、例えば、ポンプ膜およびポンプチャンバ床の間に配置されるスペーサ手段またはスペーサ構造体を含まず、少なくとも基本的に平らなポンプチャンバ床を含み、ポンプ膜が第2の、すなわち基本的に平らな位置にあるときに、ポンプ膜の形状およびポンプチャンバ床の形状は一致し、ポンプチャンバの死容積がバルブ坑の死容積によって基本的に定義されるだけであるマイクロ・バルブを提供する。
マイクロ・ポンプの実施例は、完全に平らなポンプ本体を含むことができ、(ポンプチャンバ床を定めているポンプ本体の一部だけではなく)全てのポンプ本体は、基本的に平面(例えば、バルブ坑以外の平面)である。シリコンまたはその他半導体物質、金属または高分子材料がポンプ本体に使用されているかどうかとは無関係に、および/または入力および出力チェックバルブがどのように製造され一体化されているかとは無関係に、この種の完全に平らな表面またはポンプ本体は容易に製造される。このように、この種の実施例は、生産工学の複雑さも減らすことができる。
入口および出口チェックバルブの死容積および/または入口および出口チェックバルブのバルブ坑は、−ポンプ膜に対向する入口および出口チェックバルブの配置のため−付着効果を低減して、ポンプチャンバ床からのポンプ膜のより簡単な移動および対応する上方へのポンプ膜の動きを可能にする。さらに、マイクロ・ポンプの実施例は、付着効果を減少させ、および/または流動抵抗を減少させるために、ポンプ膜の中心領域に対向して配置される入口および/または出口チェックバルブを含む。
更なる実施例において、ポンプ膜が第2の位置に移動して、平らな形状をとるとき、例えば、ポンプチャンバに向かって面しているバルブ側のバルブ構造におけるバルブ坑および/または窪みを除いて、ポンプ膜がポンプチャンバ床を形成している上側表面に接するように、ポンプ膜は、ポンプ膜の上側表面に直接接合される。この文脈において、「直接接合」は、例えば接着剤などの接合材料を用いて、あるいは接合材料を用いないで(すなわち、結合材料なし)、例えば超音波溶接、レーザ溶接などを用いて、ポンプ膜がポンプ本体に接続されることができることであると理解されるが、ポンプ膜とポンプ本体との間に間隔層または成分がないと、ポンプ膜が第2の平らな位置にあるときに、ポンプ膜とポンプ本体との間のギャップの原因となる。
したがって、本発明の実施例は、自給動作を有するマイクロ・ポンプを提供し、ガスのような圧縮性の媒体を運搬することに適していて、泡に対する耐性があり、泡とは無関係である。
泡がポンプチャンバに入ったときにマイクロ・ポンプがまだ動いているようにそれらが構成されるとき、マイクロ・ポンプは泡に対する耐性があると考えられ、泡(または泡の一部)はポンプチャンバによって運搬される。しかしながら、ポンプチャンバに気泡(またはそれらの部分)が存在する間、ポンプ速度は変化することができる。
泡がポンプチャンバに入ったときに、マイクロ・ポンプがまだ動いているだけでなく、ポンプ速度がポンプチャンバ内の泡の存在と無関係であるように構成されている場合、マイクロ・ポンプは泡に対して独立しているものと考えられる。
本発明による膜に予め膨らみを与える方法は、予め与えられた膨らみの特に高い範囲、例えば、ポンプチャンバの横方向の拡張に関して、すなわちポンプチャンバの直径に関して、予め膨らんだ部分の高さを実行することができ、高いポンプチャンバ容量Vmaxだけでなく、特に、高い行程容積ΔVおよび最終的に高い圧縮比cを促進する。
さらに、方法の実施例は、付加的な処理ステップ、例えば付加的な酸化被膜の形成を必要とせずに、予め膨らんだポンプ膜またはバルブ−または一般的にプレストレス膜−を製造または生産することができる。
実施例は、添付の図面を参照して、後に説明される。
図1Aは、屈曲トランスデューサを製造する方法の実施例を示すフロー図である。 図1Bは、マイクロ・ポンプの実施例を示し、ポンプ膜自体は第1の予め膨らんだ位置または状態(非動作、または、休止状態)ある。 図1Cは、第2の動作位置または状態における図1Bのマイクロ・ポンプの実施例を示し、ポンプ膜は平面形状をとってポンプチャンバ床に当接する。 図1Dは、第2のより膨らみの少ない形状、ここでは平面形状から第1の膨らんだ形状に移るときのポンプ膜の中間の形状を示す図である。 図2Aは、(第1の非動作または休止状態において)ポンプ膜の上面に配置される圧電駆動手段を有するマイクロ・ポンプの実施例を示す横断面図である。 図2Bは、第2の動作した状態の図2Aにおけるマイクロ・ポンプを示す断面図解図である。 図3Aは、マイクロ・ポンプを製造する方法を説明する断面図解図である。 図3Bは、マイクロ・ポンプを製造する方法を説明する断面図解図である。 図4Aは、マイクロ・ポンプを製造する方法の実施例を説明する断面図解図である。 図4Bは、マイクロ・ポンプを製造する方法の実施例を説明する断面図解図である。 図4Cは、マイクロ・ポンプを製造する方法の実施例を説明する断面図解図である。 図4Dは、マイクロ・ポンプを製造する方法の実施例を説明する断面図解図である。 図4Eは、マイクロ・ポンプを製造する方法の実施例を説明する断面図解図である。 図4Fは、マイクロ・ポンプを製造する方法の実施例を説明する断面図解図である。 図5Aは、図4A〜4Fに基づいて記載されている方法に従って製造されるマイクロ・ポンプの非作動状態を示す断面図解図である。 図5Bは、図4A〜4Fに基づいて記載されている方法に従って製造されるマイクロ・ポンプの作動状態を示す断面図解図である。 図6は、異なる膨らみ効果または膨らむ原因に対するポンプ膜の中央部からポンプ膜の縁部までの標準化された屈曲ライン(半分のポンプ膜)を示す図である。 図7Aは、製造電圧を印加することなく80℃で圧電を結合するためのポンプ膜の中央部からポンプ膜の縁部までのポンプ膜の屈曲ラインを示す図である。 図7Bは、73.6Vの製造電圧を印加して80℃で圧電を結合するためのポンプ膜の中央部からポンプ膜の縁部までのポンプ膜の屈曲ラインを示す図である。 図7Cは、73.6Vの製造電圧を印加して80℃で圧電を結合するためのポンプ膜の中央部から縁部までのポンプ膜の屈曲ラインを示す図である。 図7Dは、178Vの製造電圧を印加して80℃で圧電を結合するためのポンプ膜の中央部から縁部までのポンプ膜の異なる屈曲ラインを示す図である。 図7Eは、プレストレスが与えられた屈曲トランスデューサを有する常閉バルブを示す図解図である。 図7Fは、プレストレスが与えられた屈曲トランスデューサを有する常閉バルブを示す図解図である。 図7FFは、プレストレスが与えられた屈曲トランスデューサを有する常閉バルブを示す図解図である。 図7Gは、プレストレスが与えられた屈曲トランスデューサを有する常閉バルブを示す図解図である。 図7Hは、予め膨らんだバルブ膜を有する常開バルブの第1実施例を示す図である。 図7Iは、予め膨らんだバルブ膜を有する常開バルブの第2実施例を示す図解図である。 図8は、非作動および作動した状態の従来のプレストレスが与えられた膜を有するマイクロ・ポンプを示す図解図である。
同じおよび/または等価な要素は、以下の図の説明において、同じまたは等価な参照番号によって示される。
図1Aは、駆動手段および膜を含む屈曲トランスデューサを製造する方法の実施例のフロー図を示す。ステップ1010において、膜および駆動手段が準備される。ステップ1020において、接合後に駆動手段にプレストレスが与えられるように、膜に駆動手段を接合している間、屈曲トランスデューサを動作させるための動作信号と同じ種類の信号が駆動手段に適用される。換言すれば、製造信号は、屈曲トランスデューサの通常の駆動の間、屈曲トランスデューサおよび膜を曲げるかまたは偏向させるために駆動手段に適用される動作信号と同じ種類の信号である。
製造信号は、好ましくは、結合が終了した後に開放されるか、または全ての接合プロセスの間適用される。
接合自体は、いかなる好適な接合技術によっても実施されることができる。膜への駆動手段の接合は、接合材料なしでまたは接合材料を用いて、例えば接着剤による接着によって、または液状の半田を用いた半田付けによって、実行されることができる。特定の接合材料とは無関係に、接合は駆動手段および膜の間に配置される接合材料によって実行され、接合材料が硬化した後、好ましくは完全に硬化された後に製造信号は開放されるだけである。電圧が早く、例えば接合材料が完全に硬化する前に開放された場合、駆動手段はそのサイズを変え、それにより、駆動手段の接合の後、プレストレスが与えられる範囲を減少させる。
前述したように、駆動手段が膜に接合される駆動手段の表面と平行する範囲の変更におけるトランスデューサの接合の場合、製造信号の適用は駆動手段のサイズの変化につながる。変化は、収縮か復元のどちらかでありえる。圧電アクチュエータは、例えば正の電圧が印加されると縮み、負の電圧が印加されるとある程度拡大する。したがって、実施例は、圧電アクチュエータを収縮した状態にセットして、接合が終了するまで圧電アクチュエータを収縮した状態に保つために、正の製造電圧を圧電アクチュエータに印加する。接合合の後、および、正の製造電圧を開放した後に、圧電アクチュエータは、作動していないときの通常のサイズまたは範囲に復元するか拡張しようとするが、圧電アクチュエータは、現在の寸法を、横方向寸法すなわち膜を有する圧電駆動手段の接触面に平行な寸法に保とうとしている膜に対する全主面を覆うように接合されている。したがって、圧電駆動手段、膜、または一般に屈曲トランスデューサには、プレストレスが与えられている。
圧電アクチュエータおよび膜が、いかなる外周部にも機械的に接続されていないか、または外周部に縁部でのみ接続されている場合、例えばマイクロ・ポンプまたはマイクロ・バルブの場合、製造電圧の開放は、圧電アクチュエータが拡大するという結果をもたらすが、膜に結合されない場合に拡張する通常のサイズではない。一方では、圧電アクチュエータのために膜も拡張される。このように、圧電アクチュエータがその通常の寸法と比較して予め圧縮されるという点で、圧電性アクチュエータにはプレストレスが与えられるが、その通常の寸法と比較して予め引き伸ばされるという点で、膜にはプレストレスが与えられる。同時に、駆動手段および膜は、圧電アクチュエータに向かう方向にプレストレスが与えられているため、予め膨らんでいる。
圧電アクチュエータおよび膜がそれらの縁部で固定されるだけでなく、例えば、それらの中心(例えば米国特許出願公開US2004/0036047A1、米国特許出願公開US2006/0027772A1および図7E〜7Gによる常閉弁を参照)でも固定されている場合、膜および圧電アクチュエータは圧電アクチュエータに向かう方向に屈曲できないが、プレストレスが与えられ、圧電アクチュエータに向かう方向にプレストレスが与えられるものと思われる(圧電アクチュエータが圧縮されて、例えば、他の製造パラメータのため下方へ不必要に予め膨らむことを防止するという点で、プレストレスが与えられる)。
同様の考察は、屈曲トランスデューサを利用できる他のいかなる駆動手段にもあてはまる。
膜に駆動手段を接合するための接着剤を使用する実施例において、接着剤は、しばしば通常の周辺温度より高い特定の所定の製造温度を必要とする。このように、駆動手段と膜との異なる温度係数によって、それが製造信号によって生じるプレストレスに重ねて付加的にプレストレスが生じることがありえる。製造信号によるプレストレスおよび異なる温度膨張係数によるプレストレスが同じ種類(例えば、両方が接合後の駆動手段の圧縮につながるか、両方が接合後の駆動手段に与えられる拡張につながる)である場合、プレストレスが付加され、製造信号によるプレストレスおよび異なる温度膨張係数によるプレストレスが異なる、例えば、逆であるか逆の種類(例えば、製造信号を適用することによるプレストレスが圧縮を引き起こし、異なる温度係数によるプレストレスが予め与えられる拡張を引き起こし、その逆も同様である)である場合、プレストレスは少なくとも部分的に互いに補償することができる。
駆動手段および膜の異なる温度膨張係数によるプレストレスが、プレストレスの増加とそれによって例えばより高く予め与えられた膨らみおよびストロークを達成することに用いられるか、または、異なる温度係数によって不必要な方向に不必要な予め与えられる膨らみが少なくとも部分的に補償され、完全に補償され、または過度に補償されて、必要な範囲および方向に予め与えられる膨らみおよびストロークを達成するようなレベルおよび極性に製造信号を設定するために用いられるというのが、本発明のさらなる発見である。
実施例において、膜(例えば金属)の温度係数は駆動手段(例えば圧電セラミック)の温度係数より大きく、製造信号は駆動手段が接合中収縮した状態にあるようなものである。この場合、両方の効果によるプレストレスは、同じ種類のもの(駆動手段の圧縮)であって、達成可能なプレストレス(予め与えられた圧縮)を増加させ、膜および/または駆動手段の機械的な固定に応じて、達成可能な予め与えられた膨らみの高さを増加させる。
更なる実施例において、膜(例えば、シリコン)の温度膨張係数は駆動手段(例えば、圧電駆動手段)の温度膨張係数より小さく、製造信号は駆動手段が接合中収縮した状態にあるようなものであり、異なる温度膨張係数によるプレストレスは、製造信号によるプレストレスによって補償されるより大きい。
別の実施例は、膜に駆動手段を結合するためにレーザー・ボンディングまたは他の接合技術を使用することができ、上述のように、屈曲アクチュエータのプレストレスを達成して、潜在的に予め与えられる膨らみを得るために、接合中に製造信号を適用することができる。
既存の接合プロセスおよび技術を用いることができるので、製造のための方法の実施例は容易に実施されることができる。膜に駆動手段を接合するステップの間製造信号を駆動手段に適用するための手段だけは、予測されなければならない。製造信号が駆動手段に適用される方法は動作信号が適用されるのと同様にすることができるため、これは更に容易に行うことができる。圧電アクチュエータのために、例えば、(分野の後期における)通常運転の間、動作信号を圧電アクチュエータに適用するために使用されるのと同じ電気的接続が、製造または生産の間、製造信号を適用するために用いられることができる。
以下に、屈曲トランスデューサの実施例を含むマイクロ・ポンプの実施例が記載されており、屈曲トランスデューサの膜はポンプ膜を形成する。
図1Bおよび図1Cは、ポンプ膜110、ポンプ本体120および受動的な入口チェックバルブ130および受動的な出口チェックバルブ140を含むマイクロ・ポンプの実施例の断面図解図を示す。図1Bは、第1の膨らんだ位置の第1実施例の断面図を示す。図1Cは、第2のより膨らみの少ない位置のマイクロ・ポンプの実施例を示す。図1Bにおいて、第1の膨らんだ位置から第2のより膨らみの少ない位置までポンプ膜を駆動するのに適している駆動手段は作動していない。したがって、駆動手段(また、ドライバまたはアクチュエータ;図1Bにおいて示していない)は、非作動状態、非活性状態、非アクティブ状態または休止状態とも呼ばれ、マイクロ・ポンプおよびポンプ膜のこの位置または状態も、非作動、非活性、非アクティブまたは休止位置または状態と呼ばれることができる。図1Cにおいて、駆動手段(図1Cに示されていない)は、活性化するかまたは作動して、ポンプ膜110を第2の位置に移動している。したがって、駆動手段、ポンプ膜およびマイクロ・ポンプに関して、この状態または位置は、活性または作動した状態または位置と呼ばれることができる。
ポンプ膜110は、第1または上の表面112、および第1の表面112の反対側に配置される第2または下の表面114を有する。ポンプ本体120は、第1または上の表面122、および第1の表面122の反対側に配置される第2または下の表面124を含む。ポンプ膜110は、その周囲においてポンプ本体120に接続され、ポンプチャンバ102は、ポンプ膜110およびポンプ本体120間のスペースまたは容量として定義される。ポンプ本体120は、第1のバルブ130および第2のバルブ140が配置されるという点で、入口126および出口128(ポンプ入口/ポンプ出口)およびポンプ本体の上側、すなわちポンプ膜110に面した側面における空洞を含む。第1のバルブ130および第2のバルブ140は、ポンプチャンバ102に流体接続、例えば直接の流体接続を備えている。
図1Bは、マイクロ・ポンプ100の実施例を示し、入口チェックバルブ130および出口チェックバルブ140は、2つの半導体チップ150および160の積み重ね170として設けられ、二重バルブ構造170の上の半導体層またはチップ150は下部の半導体層またはチップ160の上に配置され、上の半導体層150は入口チェックバルブのためのフラップ弁および出口チェックハルブ140のためのバルブシートに提供するように機械的に構築され、下部の半導体層160は入口チェックバルブのためのバルブシートおよび出口チェックバルブの弁フラップを提供するように構築された。第1および/または第2の半導体層150および160は、シリコンまたは他の半導体物質を含むことができる。この種の層状のバルブ構造に関する詳細は、例えば、米国特許6,261,066B1に記載されている。他の実施例は、他の入口および出口バルブ、例えば能動的な入口または出口バルブを含むことができ、半導体物質以外の材料、例えば金属またはポリマーから成ることができる。
図1Bおよび1Cから分かるように、ポンプ本体120の第1の表面122は平面であり、入口および出口のチェックバルブ130、140の上側表面、または、換言すれば、ポンプ膜110に面している上側層150の上側表面152も平面であり、図1Bの垂直配向に関して第1の表面122と同じ高さレベルの状態にある。(表面152、122によって定義される)この共通面の下で、入口チェックバルブ130は空洞132、例えば上下の層150、160の範囲内の空洞を含み、出口チェックバルブ140は、例えば上側層150の範囲内に空洞142を含み、それらは「バルブ坑」132および142とも呼ばれる。
図1Bおよび1Cには、挿入された二重バルブ構造170を有するポンプ本体120を示しているが、マイクロ・ポンプの他の実施例は、ポンプの範囲内で直接構築されるバルブ構造130および140を含み、または、換言すれば、ポンプ本体120の材料に直接構築されたバルブ構造130および140を含む。
他の実施例において、バルブ構造170の上側表面152は、すでにポンプ本体120を形成している(例えば図4A−4Fおよび5A−5Bを参照)。
以下において、ポンプ本体120の表面122および入口および出口チェックバルブ130および140の上側表面152は、一緒に、ポンプ本体の第1の表面、または、ポンプチャンバ床とも呼ばれる。このように、図1Bおよび1Cによるマイクロ・ポンプ100は、基本的に平面の第1の表面122または基本的に平面のポンプチャンバ床、すなわちバルブ坑の空洞132および142以外の平面である第1の表面を含む。
この前後関係の範囲内で、ポンプチャンバ102の最大容量Vmaxは、(予め膨らんだ状態における)図1Bに示すように、ポンプ本体120とポンプ膜110との間の容量およびバルブ坑132および142の容積を含むことに言及されるべきである。図1Cからさらにわかるように、ポンプ膜110が第2のより膨らみの少ない位置の中で平面形状をとり、ポンプ本体120の第1の表面122に当接する実施例において、最低限の容積または死容積V0はバルブ坑132および142の容積によって基本的に定義される。これらの2つの容積の差は、行程容積ΔV、すなわちΔV=Vmax−V0とも呼ばれる。圧縮比cはc=ΔV/V0として定義されるので、図1B〜1Cによるマイクロ・ポンプの実施例は高い圧縮比を提供する。
図1Bから更に見られるように、引用符号Hは、非作動状態のポンプチャンバの高さ、すなわちポンプ本体の表面122およびポンプ膜の中央部104におけるポンプ膜の下面114の間の垂直距離を示す。ポンプチャンバまたはマイクロ・ポンプの直径Dはマイクロ・ポンプの横方向の対向する位置の間の距離によって定義され、そこで、非作動の予め膨らんだ状態において、ポンプ膜110は、一般的に、ポンプ膜110がポンプ本体120にその外周で接続される位置と一致するポンプ本体に接触する。
ポンプチャンバ102は、ポンプ膜110の外周部におけるポンプ膜110とポンプ本体120との間の接続によって、(入口チェックバルブ130および出口チェックバルブ140を除いて)周囲から完全に密封されている。ポンプ膜110の外周部は、角のある形状、任意の点対称の幾何学的形状または他のいかなる形状も有することができる。角のあるおよび点対称の外周部は、それらが動作中の歪曲を回避するため、改良されたポンプ特性を提供する。
図1Dは、第2の平面状態から第1の予め膨らんだ状態へ移動するとき(矢印Aを参照)の初期の中間状態110´におけるポンプ膜110の断面図解図を示す。駆動手段がもう作動しないときに、ポンプ膜110は予め膨らんだ状態を再びとり始める。ポンプ膜110の上方への動きは、例えば、図1Dに示されるように、ポンプ膜の中央部104において小さい膨らみを形成するところから始まり、それが高さを増加させ(矢印A参照)、横方向に広がり(矢印B参照)、最終的に、図1Bに示すように、完全に予め膨らんだ位置に至る。マイクロ・ポンプの典型的課題は、一旦それがポンプ本体120に当接すると、ポンプ膜110がポンプ本体120に貼り付く傾向があるということである。ポンプ膜110に対向して下方に存在する入口チェックバルブ130および出口チェックバルブ140の配置は、これらのバルブによって形成されるポンプ坑により、この付着効果を低減する。更なる実施例は、膜の中央部およびポンプ本体120の対応する中央部から延びる中心領域126に配置される入口バルブ130および出口チェックバルブ140を含む。図1Dから分かるように、対応するバルブ坑を含む入口チェックバルブおよび出口チェックバルブのこのような中心配置は、図1Dに示すように、最初の膨らんだ形状110´をより簡単につくり、更に粘着効果を低減する。中心領域126の直径は、ポンプチャンバ102の直径Dの70%未満、直径Dの50%未満または30%未満の範囲にすることができる。
例えば図1Bに示すような第1の予め膨らんだ位置および図1Cに示すような平面状の第2の位置の間でポンプ膜110を動かすマイクロ・ポンプの実施例のために、ポンプチャンバ102の高さHは、ストローク距離またはストローク高さを表す。
ポンプチャンバ容量Vmaxおよび行程容積ΔVは、ポンプチャンバの直径Dおよび/またはストローク高さHを増加させることによって増加させることができる。後述するように、マイクロ・ポンプを製造する方法の実施例は、大きい直径D、高いストローク高さH、およびストローク高さHとポンプチャンバの直径Dの間の高い比率を有するマイクロ・ポンプの製造を可能にする。
一般的に、マイクロ・ポンプの、または、屈曲トランスデューサの実施例およびマイクロ・ポンプの製造方法は、例えば、動作信号または活性化信号とも呼ばれる特定の駆動信号または製造信号がそれに対して適用されるときに、横に縮むように構成されたモノモルフ圧電素子、多層圧電素子または圧電スタック素子または他の任意の駆動手段などのような一つ以上の圧電駆動手段を含む。これらの駆動信号は、駆動手段を駆動するのに適している(例えば圧電性駆動手段のための)駆動電圧、駆動電流または他の任意の物理的手段でありえる。同じことは、製造信号にあてはまる。
図2Aおよび図2Bは、ポンプ膜110の上面112に接続された圧電駆動素子210を含むマイクロ・ポンプ200の実施例の断面図解図を示す。図2Aは、図1Bに類似していて、第1の予め膨らんだ位置におけるポンプ膜110を有するマイクロ・ポンプを示し、図2Bは、第2の膨らみが少ない位置、この場合においては平面位置にあるマイクロ・ポンプを示す。圧電駆動素子210は、圧電駆動素子210の第1の表面212(上側または上部の表面)上の上部電極および圧電駆動素子210の第2の表面(下側または底部の表面)上の下部電極を含み、第2の表面214は、圧電駆動素子210の対向する主表面(電極は図示せず)に配置される。圧電駆動素子210の上側電極は、第1の接点216に電気的に接続され、圧電駆動素子210の下側電極は、例えば少なくともポンプ膜の表面112の一部に配置される導電塗装膜を介して、マイクロ・ポンプの第2の接点218に電気的に接続される。圧電駆動素子210は、例えば、接着剤または他の接着技術を介してポンプ膜110に接着される。正の電圧が上側電極216と下側電極218との間、それぞれ第1の接点216および第2が218の間に印加されたときに、圧電駆動素子が横方向に縮小して、予め膨らんだポンプ膜110がポンプ本体120側に下がるように、圧電駆動素子は分極される。図2Aにおいては、無電圧(U=0)が、電気接点216、218に印加されている。換言すれば、圧電駆動素子は活性化されておらず、予め膨らんだポンプ膜110はその予め膨らんだ位置を示している。図2Bにおいては、正の電圧、例えばU=UMAXが印加されて、ポンプ膜110が平面ポンプ本体120に向かって下がるように曲がり、それに当接している。
マイクロ・ポンプの好ましい実施例は、ポンプ膜または駆動膜が基本的に平らなポンプチャンバ床、または上方向においてポンプ膜の予め膨らんだ高さHより小さい低い部分を有するポンプチャンバ床に密着するという考えに基づき、ポンプ膜は上方に予め膨らみ、バルブユニット170、例えばバルブ構造130、140はポンプチャンバ床の中に形成される。ポンプ膜がポンプチャンバ床に密着する(図1Cおよび2Bを参照)ように、変形されたか予め変形された(すなわち予め膨らんだ)膜はポンプチャンバ床の向きに変形されるかまたは移動することができる。死容積Voは、このようにバルブ坑132、142の残留する死容積によって、基本的に定義されるだけである。
図2Aおよび2Bに基づいて述べられるように、第1の予め膨らんだ位置から第2の平面位置へのポンプ膜110の動きは、正の電圧が印加されるときに横向きに収縮し、電圧が印加されていないときに横向きに緩和し、負の電圧が印加されるときに緩和した状態の横向きの長さまたは寸法を超えて伸びるさまざまな方法、例えば、ポンプ膜の上に接着された圧電セラミック210または例えば圧電性スタック・アクチュエータなどの他のピエゾ駆動を介して成し遂げられることができる。
更なる実施例において、下方に変形するポンプ膜上への力の放出は、ポンプ膜に永久に結合される圧電スタック・アクチュエータを介して適用される。
たとえば、米国特許第6,261,066B1に関するシリコン超小型弁のバルブ坑は、例えば、約360ナノリットル(0.36マイクロリットル)の残留する死容積を有する。30mmの直径Dを有する、米国特許第6,261,066B1に関するマイクロ・ポンプのポンプ膜の膨らんだ形状と類似の予め膨らんだ形状を有するポンプ膜は、約22マイクロリットルの行程容積を生成することができる。したがって、圧縮比cは、22/0.36=61である。この圧縮比は、0.1〜1.0の範囲内にある周知のマイクロ・ポンプの圧縮比より数倍高い。最適化を通して、上述したシリコン・マイクロ・ポンプのバルブがそれらの死容積に関して更に最適化されることができるので、圧縮比は更に増加させることができる。このように、例えば、約50ナノリットルの残留する死容積を有するシリコンバルブを製造することは可能である。ポンプチャンバを増加させることによって、例えば、行程容積は、50マイクロリットルに増やすことができる。このように、50マイクロリットル/50ナノリットル=1000の圧縮比が達成されることができる。対応して強く必要な大きさにされたピエゾ駆動と組み合わせて、真空状態に近い高い陰圧をつくるか、数百バールの非常に大きい陽圧をつくるかのいずれかが可能なマイクロ・ポンプを得ることができる。
以下に、発明のマイクロ・ポンプ製造実施例の方法の実施例が説明される。
図1Aに従って方法と結び付けられるマイクロ・ポンプの製造方法の実施例が、図3Aおよび3Bに基づいて説明される。実施例によれば、例えば圧電駆動手段などの駆動手段はポンプ膜の上に接合され、ポンプ膜は圧電駆動手段およびポンプ膜の異なる温度膨張係数のため予め膨らんでいる。ポンプ膜110は、例えば、入口チェックバルブ130および出口チェックバルブ140を含むポンプ本体120上にすでに接合されている。ポンプチャンバ床は、例えば図3Aに示すように、平面にすることができ、または、図3Aに示すように、少なくとも基本的に平面にすることができ、ポンプ膜はポンプ本体に平面状に接合されることができる。ポンプ本体およびポンプ膜を含む上述のような構造に加えて、例えば圧電駆動手段などのような駆動手段が提供され、圧電駆動手段210およびポンプ膜110の間に設けられた接着剤320の層を有するポンプ膜110の上に配置される。接着剤320は、例えば、圧電駆動手段の下面上、または、ポンプ膜の上面上に置くことができる。圧電駆動手段は、例えば、接着剤を等しく分布させて薄い接着剤層320を達成するために、シリコン・スタンプを用いて、所定の製造圧力でポンプ膜上に押圧される。接着剤は、製造または接合温度Tproductionで硬化される。
圧電駆動手段210がポンプ膜110の上に載置される前に、または、圧電駆動手段が(接着剤を含めて)ポンプ膜110の上に配置された後に、ポンプ本体120、ポンプ膜110および圧電駆動手段210の加熱を開始することができるが、接着剤の硬化は製造温度Tproductionで実行される。
ポンプの接着剤の硬化の後、(ポンプ本体、ポンプ膜および圧電駆動手段を含む)デバイスはクールダウンされる。圧電駆動素子(すなわち、圧電駆動素子が含んでいるかまたはそれから成る材料)、例えば圧電セラミックの温度膨張係数αpiezoがポンプ膜(すなわち、ポンプ膜が含んでいるかまたはそれから成る材料)の温度膨張係数αmembraneより小さいので、ポンプ膜の収縮はポンプ膜の上に接着された圧電駆動手段の収縮より大きく、それ故に、ポンプ膜および圧電駆動手段を含む駆動装置は(圧電駆動手段が作動しないときに)上方に膨らむ。
マイクロ・ポンプを生産する方法の実施例によるマイクロ・ポンプは、ポンプ膜材料として、例えば20℃において10〜25×10-6/Kの範囲の温度膨張係数を有する金属または金属合金、例えば20℃において10〜250×10-6/Kの範囲の温度膨張係数を有する合成材料および/またはポリマー、および、例えば20℃において2〜7×10-6/Kの範囲の温度膨張係数を有する圧電セラミックなどの圧電駆動手段を有するポンプ膜を含むことができる。
ポンプ膜の温度膨張係数は、駆動手段の温度膨張係数より5倍以上または10倍以上高くすることができる。前述のポンプ膜の温度膨張係数および駆動手段の温度膨張係数の間の比率が高いほど、ポンプ膜110が予め膨らむ程度が大きくなり、したがって、高さH、ストローク高さH、行程容積ΔVが大きくなり、最終的に、圧縮率が高くなる。
膜110に対する圧電性セラミック210の接合および製造温度における接着剤の硬化は、(上述したように)ポンプ膜がポンプ本体に接合されたあと、または、ポンプ本体に対する膜の接合が実行される前に実行されることができる。
図3Aは、ポンプ膜110の上面への圧電セラミック210の接合、シリコーン・スタンプ310を介した図3Aにおける製造圧力(矢印312を参照)の適用、および製造温度Tproductionにおける接着剤320の硬化を示す。図3Bは、ポンプがクールダウンされた後、異なる温度膨張係数のため予め膨らんだ形状の予め膨らんだ膜110を示す(接着剤は図3Bに図示せず)。
図1Aに示すマイクロ・ポンプの製造方法の実施例は、図4A〜4Fに基づいて説明される。図4A〜4Fは、予め膨らんだポンプ膜を有するマイクロ・ポンプの製造の断面図解図を示し、例えば図1Bを用いた文脈において示されるように、2層弁構造170はポンプ本体120を形成し、ポンプ膜は構造化されたおよび薄い第3の層410として設けられている。
図4Aから分かるように、第3の層410は、柔軟なポンプ膜110を提供するために、その上側または第1の表面412の中心領域において薄くなる。さらに、図4Aから分かるように、第3の層410は、例えば中心領域の直径Dより大きい直径を有する更なる中心部分または領域において、第1の表面412に対向するように配置された下側のまたは第2の表面414上でわずかに薄くなっている。ポンプチャンバ102がポンプ本体およびポンプ膜の間に規定されるように、ポンプ膜110、第3の層410およびポンプ本体170はそれぞれ互いに接続されている。
更なる実施例において、第3の層は、平らな第2のまたは下側の表面414を含み(すなわち、ポンプチャンバの中心領域においてキャビティがない、または、換言すれば、第3の層の下面の周囲におけるスペーサ構造またはポンプ本体の上面における同等なスペース構造がない)、その結果、予め膨らんだ構造が実行される前に、ポンプ膜110はポンプ本体の中心部分において上側表面またはポンプチャンバ床に当接する。このような実施例の残りの死容積は、バルブ坑132および142によって基本的に定義されるだけである。
このような積層ポンプ構造の製造は、例えば米国特許明細書US6,261,066に記載されている。3つの層150、160および410は、例えば、半導体物質、例えばシリコンまたはその他の材料から成る。
換言すれば、図4Aには、予め膨らんだ構造の前の、そして、膜に圧電性セラミックを接着する前のマイクロ・ポンプが示されている。
図4Bにおいて、その下面に接着剤320の層を有する圧電セラミック210は、膜110の上面412上に配置される。
図4Cは、圧電セラミックおよびポンプ膜の間の膜110および接着剤320の層に配置される圧電性セラミック210を有するマイクロ・ポンプ構造を示す。
図4Dにおいて、例えば、圧電セラミック210は、シリコーン・スタンプ310を使用して、ポンプ膜110上に所定の製造圧力で押圧される。製造圧力は、接着剤320が好ましくは基本的に均等に圧電性セラミックおよびポンプ膜の接合表面に分布させるものであって、膜の上面の導電層および圧電性セラミックの下部電極との間にピーク接点をつくって、両方を電気的に接続するのに十分小さい接着剤層厚さを提供する。ピーク接点を得るために、圧電性駆動手段をポンプ膜に結合するために絶縁性あるいは非導電性接着剤を使用することができるが、まだ電気的に圧電駆動手段の下側電極を接続している。図4Cおよび4Dによって表されるステップにおいて、接着剤はまだ硬化されていないことを示しておくべきである。
図4Eにおいて、圧電駆動手段が収縮するように、製造電圧Uproductionが圧電駆動手段210(例えば圧電セラミックまたは圧電スタック・アクチュエータ)に適用される。圧電駆動手段の収縮の後、製造電圧Uproductionを適用して、更にシリコン・スタンプ310を介して製造圧力を維持したまま、接着剤は硬化される。
接着剤が硬化した後、製造電圧および圧力は開放される。
換言すれば、圧電セラミックはポンプ膜上に接着され、接着剤の硬化の間、正の製造電圧Uproductionが圧電駆動素子に適用される。したがって、圧電駆動手段セラミックは収縮し、収縮した状態で膜に接着される。接着剤が硬化した後、製造電圧は開放されるだけである。
電圧が開放されたあと、圧電セラミックは再度緩和されるか伸ばされ、図4Fに示すように(接着剤は図4Fに図示せず)、駆動装置(すなわち、ポンプ膜および圧電セラミック)を予め膨らませる。
このように、図4Aのポンプ構造は、プレストレスを与えられたか予め膨らんだ膜またはダイアフラムを含むように変形された。ポンプチャンバ容積および死容積に応じて、説明されたように、このような実施例は高い圧縮比を達成することができる。
マイクロ・ポンプの製造方法の実施例がポンプ本体170にすでに接着された膜410に関して記載されたが、別の実施例において、ポンプ膜または第3の層がポンプ本体に接合される前に、予め与えられる膨らみ(すなわち、圧電セラミックの位置決めおよび製造電圧の下での接着剤の硬化)が実行されることもできる。
図5Aは、図4A〜4Fによる方法によって作製されるマイクロ・ポンプの断面図解図を示す。図5Aは、非作動状態(U=0V)で予め膨らんだ膜110を有するマイクロ・ポンプを示す。図5Bは、作動した状態における図5Aのマイクロ・ポンプを示し、ポンプ膜110は基本的に平らな形状を有する。ポンプ膜110は、逆圧または背圧が適用されない場合においては、製造電圧Uproduction、例えば300Vに等しい動作電圧Uを適用することによって、第2の平面位置へ移動する。逆圧が適用される場合、出力チェックバルブ140が開いて、ポンプチャンバ内の流体がマイクロ・ポンプからポンプで送り出されることができる必要な閾値圧力差を克服するためにポンプチャンバの中で充分な圧力をつくるために、駆動または動作電圧Uは製造電圧Uproductionより高い電圧値に増やされることができる。
前述したように、図4A〜4Fに基づいて説明された方法は、図3Aおよび3Bに基づいて説明された方法と組み合わせることができ、マイクロ・ポンプの更なる製造方法を提供し、ポンプ膜の予め与えられた膨らみを達成することもできる。
上述した実施例において、異なる熱膨張係数のためおよび/または製造電圧が開放されたあとの圧電駆動手段の復元のため、ポンプ膜は駆動手段によって予め伸ばされる。このように、駆動手段が作動して、ポンプ膜を下に曲げ、例えばポンプ膜が第2の平面位置にあるときに、伸びによるポンプ膜の応力は部分的に、または、完全に開放される。
例えば、圧電駆動手段、例えば圧電セラミック、すなわち圧電積層体を用いたマイクロ・ポンプの実施例は、静電的または電磁駆動手段と比べて、比較的低い電圧で、大きいストローク力およびストローク長さまたは高さを提供する。
ポンプ膜がポンプ本体に当接するときに、ポンプ本体へのポンプ膜の付着効果を減らすかまたは付着を回避するために、例えば、流入チェックバルブまたはそれぞれのバルブ坑から放射状に伸びるように星状に配置された窪みが配置されることができ、または、ポンプチャンバ床またはポンプ膜からポンプチャンバに伸びる小さいハブまたは突起は実施されることができる。
半導体物質、例えばシリコンでできている流入チェックバルブおよび流出チェックバルブ130および140を含む主にマイクロ・ポンプの実施例が記載されているが、マイクロ・ポンプの他の実施例は、異なる材質、例えばそれらが組み込まれるポンプ本体から独立している金属またはポリマーから成る類似または異なる受動的な流入および流出チェックバルブを含むことができる。
さらにまた、ポンプ本体に一体化または配置された流入チェックバルブおよび流出チェックバルブ130および140を含むマイクロ・ポンプの実施例が示されているが、別の実施例は、例えばポンプ膜とポンプ本体との間に横方向に配置されるバルブを含んでいてもよい。
マイクロ・ポンプの更なる実施例は、例えば、図4A〜5Bに基づいて記載されているように、流入および流出チェックバルブが一体的に形成されているポンプ本体を含むことができる。
他の実施例は、鋼、ステンレス鋼またはばねステンレス鋼、合成材料またはポリマーなどのような材料を有する一体的に形成されたバルブ入口およびバルブ出口構造130および140を有するポンプ本体を含み、これらのポンプ本体は、バルブ構造を形成するために、一つまたは複数の層を含む。したがって、マイクロ・ポンプの更なる実施例は、金属、合成材料、ポリマーまたはその積層構造でできているポンプ本体およびポンプ膜を含む。シリコンのポンプ本体およびポンプ膜と比較して、金属またはポリマーでできているポンプ本体およびポンプ膜は、製造においてよりコストが低く、より高い柔軟性を提供して、例えば、低いヤング率を提供する。
本発明の他の実施例は、マイクロ・ポンプに駆動膜を提供し、駆動膜は、上方へ予め膨らんだまたは予め変形した位置および基本的に平らな位置との間で移動し、ポンプ本体のポンプ膜に向かって面するように配置された面の一様でない部分は、膜のストローク高さHより小さい。
このようなマイクロ・ポンプは、上方に向かって予め膨らんだ駆動膜を含む。このような実施例は、駆動膜上に接合された圧電セラミックを含むことができる。
マイクロ・ポンプのこのような実施例は、圧電積層アクチュエータによって2つの位置の間で移動する膜を含むことができ、膜は、圧電積層アクチュエータに永久に接合される。
以下に、ポンプ膜の形状のいくつかのシミュレーションの結果が、本発明の実施例の更なる態様および/または効果を説明するために議論される。
ポンプ膜の屈曲形状は、有限要素解析を用いて、シリコン圧電ポンプ(シリコンおよび駆動手段としての圧電駆動手段を含む、または、からなるポンプ膜を有するマイクロ・ポンプ)のために計算された。マイクロ・ポンプの形状のために、辺長6.3mmおよびポンプ膜自体の厚さまたは高さ50mmを有する二次シリコン・ポンプ膜、厚さまたは高さ150mmを有する圧電駆動手段のパラメータが用いられ、圧電駆動手段の辺長の比率は、ポンプ膜の辺長に対して0.8である。屈曲形状は、膜の中心を通る軸に平行してその中心からポンプ膜の縁部まで示される。
ポンプ膜の屈曲形状は、有限要素解析を用いて、シリコン圧電ポンプ(シリコンおよび駆動手段としての圧電駆動手段を含む、または、からなるポンプ膜を有するマイクロ・ポンプ)のために計算された。マイクロ・ポンプの形状のために、辺長6.3mmおよびポンプ膜自体の厚さまたは高さ50mmを有する二次シリコン・ポンプ膜、厚さまたは高さ150mmを有する圧電駆動手段のパラメータが用いられ、圧電駆動手段の辺長の比率は、ポンプ膜の辺長に対して0.8である。屈曲形状は、膜の中心を通る軸に平行してその中心からポンプ膜の境界まで示される。
異なる特性屈曲形状は、屈曲形状の形成が(1a)使用される材料の異なる温度膨張係数によって生じる熱力学的な緊張だけ、(1b)圧電駆動手段に電界を適用することによる屈曲アクチュエータ効果だけ、(2)圧力(ポンプ膜の上側および下側の間の異なる圧力)の適用の効果だけ、(3)固有の緊張を有する構造酸化被膜による屈曲アクチュエータ効果だけ(構造:同じ位置における圧電駆動手段の代わりに酸化被膜)の場合に起因するケースに対して決定される。
ケース(1a)および(1b)は、それらの形状を屈曲させている効果および特性に関して同一で、ケース「U/T」として要約される。ケース(2)は「P」と呼ばれ、ケース(3)は「Ox」と呼ばれる。図6において、これらの3つの上述した「純粋なケース」の屈曲形状は、正規化方法、すなわち対応するケースに対する最大屈曲値zoを拡大した高さzおよびシリコン膜の長さxoを拡大した横方向の位置xで示される。図6の線図の下部において、(中心から縁部まで)長さxoを有するポンプ膜120が示され、中心からポンプ膜の長さの0.8の部分までの圧電駆動手段の長さが示される(辺長の比率0.8)。図6において、参照符号610はケースU/Tについて示し、参照符号620はケースPについて示し、参照符号630はケースOxについて示している。図6は、異なる屈曲効果またはケースのためのポンプ膜の半分(中心から縁部まで)のための正規化屈曲形状を示す。
第一次近似において、屈曲(屈曲形状)に関する温度、圧力および酸化物張力の、そして、排水容積のすべてのこれらの効果は、線形に拡大可能であり、線形に重畳されることができる。
以下に、ポンプ膜の屈曲および排水容積または行程容積が、それらの絶対値に関して述べられる。シミュレーションのためのパラメータは、シリコン膜に対して、側面積または表面6300×6300mm2、厚さ50mm、ヤング率166GPa(ポアソン値0.3)であり、圧電駆動手段に対して、圧電駆動手段の横方向の幅および長さは、シリコン膜の横方向の幅および長さの0.8倍、厚さ150mm、ヤング率90GPa(ポアソン値0.3)である。温度膨張係数αは、シリコンに対して、0.3×10-6/Kであり、圧電ドライブに対して、5×10-6/K(2.7×10-6/Kの差)である。圧電ドライブのd31係数は、330×10-12m/Vである。
図7Aは、従来技術におけるポンプ膜の中心部(線図の左辺)から縁部(線図の右辺)までの屈曲形状を、ポンプ膜の半分長または幅x0に正規化される横方向寸法xおよびマイクロメートルにおいて絶対値として示される縦方向寸法zを有する線図で示す。図7Aは、圧電駆動手段が製造電圧を印加することなく(Uproduction=0)、80℃で取り付けられたかまたは組み立てられた場合において、圧力なし(P=0)で、−50V(引用符号712)、0V(参照符号714)および150V(引用符号716)の場合の20℃における屈曲形状を示す。図の中で、「有する(with)」に省略形「w」を使用し、「有しない(without)」に省略形「wo」を使用した。
図7Aから分かるように、ポンプ膜に対する圧電駆動手段の接合が80℃で接着剤を硬化することによって実行される場合、室温(20℃)における測定は、すでに−60℃の温度差となり、ポンプ膜は下方に5μm屈曲する。換言すれば、シリコン・ポンプ膜の温度膨張係数が圧電駆動手段の温度膨張係数より小さいという事実により、ポンプ膜および圧電駆動手段が例えば室温にクールダウンされるときに、増加した製造温度Tproductionでのポンプ膜への圧電駆動手段の屈曲は、下方(負のz値)へポンプ膜が予め膨らむ原因となる。下方へのポンプ膜に予め与えられる膨らみは、例えば平面ポンプチャンバ床を使用することができず、死容積を増加させおよび/またはポンプチャンバ床をポンプ膜の曲げ線に適応させる必要があり、前述したように複雑で高コストとなるために不利である。さらに、シリコン膜が圧電駆動手段より小さい温度膨張係数を有し、圧電駆動手段をポンプ膜に接着するために用いられる接着剤は通常の環境温度または動作温度より高い温度で硬化されるため、下方へ予め与えられる所定の膨らみは、シリコン膜の場合にはほとんど避けることができない。
前述したように、ポンプ膜の温度膨張係数が圧電駆動手段の温度膨張係数より高い場合、ポンプ膜および圧電駆動手段が例えば室温に冷却された後に、ポンプ膜は反対側、すなわち上方に予め膨らみが与えられる。このように、正であるか上方に予め膨らんだポンプ膜が、付加的な処理ステップ、例えば付加的な酸化被膜の形成を必要とせずに、容易に作製されることができる。
屈曲形状714は、駆動手段が作動せず、他のいかなる外部圧力または影響もポンプ膜に与えられないときに、ポンプ膜が取る屈曲形状と考えることができる。図7Aから分かるように、高さz(またはH)は、ポンプ膜の中央において約−5.35μmである。−50Vの負の駆動電圧が印加される(参照符号712を参照)場合、圧電駆動手段が拡張するため、ポンプ膜は上方へ変形し、+150Vの正の電圧が駆動電圧として印加される場合、ポンプ膜は圧電駆動手段の収縮により、更に下方に屈曲する(参照符号716を参照)。
圧電駆動手段をポンプ膜に接合する間圧電駆動手段に電圧、例えば製造電圧Uproductionを与えることにより、図7Aに示す効果(ポンプ膜の下方への屈曲)が是正され、接合の間与えられる製造電圧に従って部分的に補償され、完全に補償され、または過補償される。例えば、ポンプ膜に対する圧電駆動手段の接合が80℃で実行され、マイクロ・ポンプが後に20℃で動作されるかまたは用いられる場合のような60℃の温度差を補償するために、60℃の温度差によって生じる負の予め与えられた屈曲を補償するために、すなわち、駆動手段が作動していないときに平面形状を得るために、73.6Vの製造電圧が必要とされる。屈曲形状が同一である(すなわち、規格化された同一)ため、外部圧力および電圧が与えられないとき、ストロークおよび容積は同時に補償され、ポンブ膜が平らな形状をとる。
図7Bは、80℃および73.6Vの製造電圧(図7Aと類似の説明)における圧電接合に対するポンプ膜の中心部から縁部までの半分の屈曲形状の線図を示す。参照符号722は、20℃で、駆動電圧−50Vで、外部圧力Pのないときのポンプ膜の屈曲形状を示す。参照符号724は、20℃で、0V(駆動電圧なし)で、外部圧力がないときのポンプ膜の屈曲形状を示し、参照符号726は、20℃で、駆動電圧150Vで、外部圧力1barのときのポンプ膜の屈曲形状を示す。図7Bから分かるように、80℃で圧電駆動手段を接着し、接着の間、73.6Vの製造電圧を印加することにより、−60℃の温度差によって生じる負であるか下方へ予め与えられる屈曲および製造電圧を開放することによる正であるか上方へ予め与えられる屈曲は互いに補償し、その結果、圧電駆動手段が作動しないときにポンプ膜が単純な形状(参照符号724を参照)をとる。すでに図7Aに基づいて説明されているように、圧電駆動手段に対する負の電圧の適用は、ポンプ膜を上方に偏らせ(参照符号722を参照)るが、正の電圧の適用はポンプ膜を下方に膨らませる(参照符号726を参照)。
図7Cは、図7B(図7Bにおけるのと同じポンプ膜のために)の一つと類似の線図を示す。2つの上の屈曲形状は、同一である。しかしながら、参照符号728は、150Vの駆動電圧および1barの外部圧力を適用することから生じている屈曲形状をいう。分かるように、1barの反圧力Pがポンプ膜に適用されるにもかかわらず、150Vの駆動電圧を印加することはポンプ膜を下方に変形させる。
以下に、特定の逆圧において、150Vの駆動電圧を印加したときに、ポンプ膜がポンプ本体の上面にちょうど接触するかまたは当接するように、(80℃で)ポンプ膜に圧電駆動手段を接合する間、どの電圧が印加されるべきかが見本として計算される。圧力は、結果として生じる圧縮比から得られるものである。
図7Dは、図7Aないし7Cにおけるのと同様の表現で、ポンプ膜の屈曲形状の線図を示すが、これは、圧電駆動手段の接合が、80℃において、178Vの製造電圧で実行されたポンプ膜に対してのものである。参照符号732は、20℃、−50Vで、圧力がない場合における中心部から縁部までのポンプ膜の屈曲形状を示す。参照符号734は、非作動状態(駆動電圧U=0V)で、外部圧力のない(P=0)場合のポンプ膜の屈曲形状を示す。参照符号736は、150Vの製造電圧が圧電駆動手段に印加され、1barの逆圧がポンプ膜に適用されるときの同じポンプ膜(80℃および178Vで圧電駆動手段を接着することによって予め与えられる屈曲)を示す。図7Dからわかるように、シリコン・ポンプ膜の温度膨張係数が圧電駆動手段の圧電材料の温度膨張係数より小さいにもかかわらず、図7Bおよび7Cの73.6Vの製造電圧と比較して図7Dの178Vというより高い製造電圧が厚いシリコン・ポンプ膜に予め上方向に膨らみを与える効果を有し、すなわち、異なる温度係数によってポンプ膜に予め与えられる膨らみは、製造電圧を応用することによって過補償される。これらの製造パラメータについては、ほぼ7.5μmの予め膨らんだ高さは、ポンプ膜の中央部において達成されることができる。負の駆動電圧が印加される場合(参照符号732を参照)、ポンプ膜は上方に偏向するが、正の駆動電圧が印加される場合、ポンプ膜はポンプ本体に向かって下方に偏向する(参照符号736を参照)。
分かるように、1barの逆圧が適用されるにもかかわらず、ポンプ膜はポンプチャンバ床またはポンプ本体に当接する。逆圧Pは、縁部においてポンプ膜のわずかな偏向を引き起こす。逆圧が適用されない場合(P=0mbar)、ポンプ膜はポンプチャンバ床に完全に当接するが、その理由は、予め与えられた膨らみは圧電駆動手段の作動によって生じる変形に適応しているからである。ポンプ膜736の下の残留する死容積は、約11.5nLであって、上述した逆圧の場合にのみ発生する。しかしながら、これらの死容積は、約163nLの総行程容積(ポンプ膜の形状732および736間の容積)と比較して小さい。
前述のことを要約すると、予め膨らんだポンプ膜の製造方法の実施例は、ポンプ膜材料および駆動手段、例えば圧電駆動手段の多種多様な組合せを提供して、例えばマイクロ・ポンプが成し遂げなければならない所定の運転パラメータ、例えばストローク高さ、行程容積、圧縮比、逆圧などに対応する製造信号、製造電圧および/または製造温度などの製造パラメータを柔軟に調整することができる。
ほとんどいかなる信号値または電圧値も製造値または製造電圧として使われることができるので、駆動手段を収縮させ、ポンプ膜に収縮した状態の駆動手段を接合するための製造信号を使用して予め膨らんだポンプ膜を製造する方法の実施例は非常に順応性のあるものである。このように、ほとんど、いかなる予め膨らんだ高さ、ストローク高さおよび行程容積も達成されることができる。
ポンプ膜に駆動手段を接着するために接着剤が用いられる場合、接着剤は概して、それらが硬化されなければならない接着剤に特有の製造時の温度を有する。これらの製造時の温度は、一般的に、周囲の室温より高い。製造時の温度の高さおよび製造時の温度と動作温度との差に応じて、マイクロ・ポンプまたは一般に屈曲変換器が後に使用され、ポンプ膜の通常運転の間、ポンプ膜および駆動手段のプレストレスおよび潜在的に予め与えられる膨らみは、駆動手段およびポンプ膜が異なる温度膨張係数を有する場合に本質的に引き起こされる。適切な駆動手段およびポンプ膜材料、例えば膜のためのそれぞれの圧電セラミックおよび鋼または合成材料を選択することによって、異なる温度膨張係数によって生じるプレストレスの効果は、ポンプ膜のプレストレスおよび潜在的に予め与えられる膨らみを増加させるために用いることができる。同じ考察は、接合材料、例えばハンダ付けを使用している他の接合方法にあてはまる。
両方の効果の考察は、通常下方へ予め与えられる膨らみを引き起こすが圧電駆動手段より小さい温度膨張係数を有するポンプ膜材料、例えばシリコン・ポンプ膜のような半導体ポンプ膜を使用することができる。しかしながら、さらに適当な製造信号または製造値を適用することによって、下方へ予め与えられる膨らみは、最終的に上方へ予め与えられる膨らみを達成するためにより大きく補償されえる。
換言すれば、第2の熱膨張係数(第2の材料から成る駆動手段の熱膨張係数)は第1の熱膨張係数(第1の材料から成る膜の熱膨張係数)より高い特定の実施例において、製造信号は、製造信号を開放することによりもたらされるポンプ膜の第1の方向へ予め与えられる膨らみが接合された駆動手段とポンプ膜とを冷却することによりもたらされるポンプ膜の第1の方向に対向する第2の方向へ予め与えられる膨らみをより大きく補償するようなものである。
したがって、予め膨らんだポンプ膜の製造方法の更なる実施例は、駆動手段が作動するときに、ポンプ膜が第2の位置を仮定する所定の逆圧値に基づいて、第1および第2の材料および/または製造信号値を例えば自動的に決定することを含む。
圧電アクチュエータの上で酸化被膜を使用している予め膨らんだ方法と比較して、本発明の実施例は、より材料の少ない材料(酸化被膜がない)、より少ない製造ステップ(ポンプ膜および圧電駆動手段の間の酸化被膜の形成がない)を必要とし、達成可能な行程容積およびストローク高さに関してより順応的で、より高いストローク高さおよび行程容積を提供する。
特定の実施例において、ポンプチャンバは、ポンプ膜が第1の膨らんだ位置にあるときの第1の容積と、ポンプ膜が第2の少ない膨らみの位置にあるときの第2の容積とを有し、第2の容積が第1の容積より小さく、ポンプ膜、ポンプ本体および受動的な入口および出口チェックバルブは、圧縮比が50より大きいか100より大きく、圧縮比がマイクロ・ポンプの行程容積と第2の容積との比によって定義され、行程容積は第1の容積と第2の容積との差によって定義されるように、ポンプ膜への駆動手段の接合が実行される。第2の容積は、例えば、受動的な入口および/または出口チェックバルブの部分におけるポンプ本体の中にあるバルブ坑の容積、および/または受動的な入口または出口チェックバルブ自体における窪み、および/またはポンプ膜が第2の位置にあるときにポンプ膜がポンプ本体の第1の表面に付着するのを避けるように構成される反付着手段によって本質的に定義される。
別の実施例は、駆動手段をポンプ膜に接着するためにレーザー・ボンディングまたは他のボンディング技術を用いることができ、屈曲アクチュエータのプレストレスおよび潜在的に予め与えられる膨らみを達成するために上述のように接着の間、製造信号を適用する。
更なる実施例において、駆動手段は、それがポンプ膜を第2のより少ない膨らみの位置の方へ動かす前に、(例えば、負の電圧を圧電駆動手段に印加することによって)ポンプ膜を第3のより膨らんだ位置に移動させるように構成することができる。
以下に、本発明の実施例によって製造される屈曲トランスデューサから成るマイクロ・バルブの実施例が記載されている。
図7E、7F、7FFおよび図7Gは、常閉マイクロ・バルブ700の断面図解図を示す。図7Eおよび図7Fは、非作動自己遮断状態のマイクロ・バルブを示し、動作または駆動電圧は印加されず(U=0V)、バルブは閉じている。図7Eは入口ポートを有する側面図を示すが、図7Fは出口ポートを有する90°回転した側面図を示す。図7FFおよび7Gは、開口状態のマイクロ・バルブを示す。正の動作電圧または駆動電圧が印加される(U>0V)。図7FFは、図7Eと同じ側面、すなわち入口ポート(しかしながら、開口状態)を有する側面図を示し、図7Gは、図7Fと同じ側面図、すなわち出口ポート(しかしながら、開口状態)を有する側面図と同じ側面図を示す。マイクロ・バルブは、米国特許出願公開US2004/0036047A1および米国特許出願公開US2006/0027772A1に記載されているマイクロ・バルブと類似したデザインを有する。図7E〜7Gから分かるように、マイクロ・バルブ700は第1のチップまたは動作チップ740、および第2のまたはフラップ・チップ750を含む。動作チップ740は、第1の主側面または表面744(図7E〜7Fに関して上面)に凹部または窪み742を有し、対向する主側面745に凹部または窪み743を有し、両方の凹部または窪み742および743の間に形成される膜110を含む。駆動手段、例えば、圧電セラミックが膜110の第1の表面または側面112に配置される。タペット746は、膜110の第2の対向する面114に突出している。第1のチップ740は、更に、タペット746のように、膜110の第2の表面114から突出するシール・リップ748を含む。第2のチップ750は、第2のチップに形成される流体入口752(図7Eおよび7FFを参照)および流体出口または弁出口754(図7Fおよび7Gを参照)を含む。さらに、第2のチップ750は、タペット746を介して膜110に機械的に接続される柔軟シャッタまたは閉鎖エレメント754を含む。図7Fおよび7Gから分かるように、シャッタは、駆動手段210が動作したときに下方に偏向または動くことができるように膜の反対側の面に配置される凹部756を含む。図7Eから分かるように、駆動手段が作動しないとき、シール・リップ748は、バルブチャンバ凹部743とも呼ばれる凹部743から流動的にバルブ入口752を分離するかまたは封止する。駆動手段210が動作する場合、駆動手段210によって形成された屈曲トランスデューサおよび膜110は下に曲がり、同時にシャッタ754を下方に曲げて、弁入口752およびバルブチャンバ凹部743の間の流体接続を形成することによってバルブを開く(図7FFを参照)。図7Fおよび7Gから分かるように、出口ポート754は、常にバルブチャンバ凹部740に流体接続した状態にある。換言すれば、駆動手段210を動作させることによって、バルブ入口752は、バルブチャンバ凹部743を経てバルブ出口754に流体的に接続している。
第1のチップ740および第2のチップ750は、シリコンまたは他のいかなる材料でも形成することができる。しかしながら、第1および第2のチップ740、750がシリコンまたは他の半導体チップである場合、硬化のために特定の製造時の温度を必要とする接着剤を用いた駆動手段210の接着は、シャッタ754に向かってポンプ膜110に予め与えられる不必要な膨らみに至ることがあり、常閉バルブ700の封止信頼性を低減させる。同様の考察は、2つのチップの加熱を遂行するかまたは必要とする他の接着方法にあてはまる。
本発明の実施例は、製造信号、例えば圧電アクチュエータ210の場合には正の製造電圧を適用することによってシャッタ754の方向に予め与えられる膨らみ補償するか、過補償することができる。本発明の実施例にかかる駆動手段、例えば、圧電駆動手段のプレストレスは、マイクロ・バルブが安全に、または、確実に閉じるという効果を有する。すでに、駆動手段の小さいプレストレスは、確実に常閉バルブを提供するのに十分である。さらに、後方の圧力が印加された場合にバルブが閉じたままである閾値圧力は、適当な製造信号を適用することによって、容易に調整されることができる。
図7Hは、第1のチップ740および第2のチップ750を含む常開マイクロ・バルブの実施例を示す。第1のチップ740は、バルブ膜110を形成するように、第1側面744に凹部742を含む。第2のチップ750の反対側における膜110の第1の側面112上において、駆動手段、例えば圧電駆動手段210が膜110に接合される。駆動手段210および膜110は、屈曲トランスデューサを形成する。第1のチップ740は、第1の表面または側面744の反対側の第2の表面または側面745を介して、第2のチップ750に接続される。第2のチップ750は、第2のチップの第1のチップに面した側から第2のチップの反対側まで延びるスルーホールによって形成されるバルブ入力752と、バルブ入力752と同様に第2のチップの第1のチップに面した第1の側から反対側の第2の側面または表面に向かって延びるスルーホールによって形成されるバルブ出力754とを含む。第2のチップ750の第1の側面に、バルブシートまたはバルブリップ759を定めるために凹部758が形成される。
駆動手段210は、本発明の一実施例による膜110に接合されて、第2のチップから離れて面する向きに予め膨らまされる。このように、駆動手段210が作動しない場合、バルブ入口752およびバルブ出口754は流体接続の状態にあり、バルブは開かれる。駆動手段210が作動する場合、バルブを封止するかまたは閉じるためにバルブリップ759に接触するまで、駆動手段210は膜110を下に動かす。
図7Iは、図7Hの常開マイクロ・バルブと類似の常開バルブの更なる実施例を示す。図7Hのマイクロ・バルブとは対照的に、図7Iのマイクロ・バルブは、第1のチップの第2の側面745に形成される更なる凹部743およびバルブ膜110の第2の側面から突出しているタペット746を含む。タペット746は、弁入口752およびバルブシール759に対向して配置される。
駆動手段210は、本発明の一実施例にかかる膜110に接合され、予め膨らまされる。駆動手段210が作動しない場合、膜110の予め膨らんだ形状のためバルブ入口752はバルブ出口754と流体接続の状態にある。駆動手段210が作動する場合、膜は第2のチップへ移動し、タペット746はバルブリップ759に当接して、バルブを閉じる。
予め膨らんだ膜を有する図7Hおよび7Iに示すマイクロ・バルブの実施例は、生産技術、更には機能的利点に関して有利である。膜がシリコンまたは他の半導体材料で形成される場合、バルブシートまたはリップと閉鎖エレメント(膜またはタペット)との間の間隔素子または構造は予知されてはならない。このように、1つのマスク、1つのリソグラフィおよび1つのエッチングステップの低減が要求され、このように、製造コストおよび複雑さは減らされる。
常開バルブが閉じる場合、膜またはタペットは平らな状態にある。特に、非円形のバルブシートまたはリップの場合、または、(流れを増加させるために用いられる)蛇行形状バルブシートであっても、膜がバルブを閉じるために偏る場合に与えられる残りの隙間は回避されることができる。このように、本発明の実施例は、設計および製造が容易である優れた封止特性を有するマイクロ・バルブを提供する。
前への進行状態は、特にその特定の実施例に関して図と共に記載された。形状および詳細のさまざまな他の変形がその趣旨および範囲から逸脱することなく、なされることができることは、当業者によってよく理解されている。したがって、さまざまな変形が本願明細書において開示される上位概念から逸脱することなく、異なる実施例を適応させる際になされることができて、以後の請求項によって理解されることができると理解される。

Claims (20)

  1. 駆動手段および膜を含む屈曲トランスデューサを製造する方法であって、前記方法は、
    膜(110)および駆動手段(210)を準備するステップ(1010)、および
    接合後に前記駆動手段にプレストレスが与えられるように、前記膜(110)への前記駆動手段の接合の間前記駆動手段(210)に製造信号(Uproduction)を適用するステップ(1020)を含み、前記製造信号が屈曲トランスデューサを動作させる動作信号と同じ種類のものである、方法。
  2. 接合が終了したあと、製造信号(Uproduction)は開放されるだけである、請求項1に記載の方法。
  3. 接合は、駆動手段および膜の間に配置される接合材料によって実行され、前記接合材料が硬化されたあと、製造信号は開放されるだけである、請求項1または請求項2に記載の方法。
  4. 接合材料は、接着剤またはハンダ付け材料である、請求項2または請求項3に記載の方法。
  5. 前記膜への前記駆動手段の接合の間、前記膜(110)に前記駆動手段を押し付け、接合材料が硬化されたあと、押圧が終了されるだけである、請求項2ないし請求項4のいずれかに記載の方法。
  6. 前記製造信号は、前記駆動手段(210)が接合の間収縮した状態にあるようなものである、請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の方法。
  7. 前記製造信号は、接合の後、前記屈曲トランスデューサ(110、210)が前記駆動手段と前記膜との間の接合面と関連して前記駆動手段の方向へ予め与えられる膨らみを有する予め膨らんだ形状をとる、請求項1ないし請求項6のいずれかに記載の方法。
  8. 前記駆動手段(210)は圧電駆動手段であり、製造信号(Uproduction)は製造電圧である、請求項1ないし請求項7のいずれかに記載の方法。
  9. 前記膜(110)の温度係数が前記駆動手段(210)の温度係数より大きく、前記膜(110)に対する前記駆動手段(210)の接合は前記駆動手段が後に動作する動作温度より高い製造温度で実行され、前記製造信号は前記駆動手段(210)が接合の間収縮した状態にあるようなものである、請求項1ないし請求項8のいずれかに記載の方法。
  10. 前記駆動手段(210)は圧電駆動手段(210)であり、製造信号は正の製造電圧(Uproduction)であって、前記膜(110)は、金属または合成材料を含む、請求項9に記載の方法。
  11. 前記膜(110)の温度係数は前記駆動手段(210)の温度係数より小さく、前記膜(110)に対する前記駆動手段(210)の接合は、前記駆動手段が後に動作する動作温度より高い製造温度で実行され、製造信号は、製造信号を適用することによってもたらされる第1の種類のプレストレスが、第1の種類のプレストレスと逆向きで異なる温度係数によってもたらされる第2の種類のプレストレスをより大きく補償するようなものである、請求項1ないし請求項8のいずれかに記載の方法。
  12. 前記駆動手段は圧電駆動手段であり、製造信号は正の製造電圧(Uproduction)であって、前記膜は半導体物質を含む、請求項11に記載の方法。
  13. マイクロ・ポンプを製造する方法であって、前記マイクロ・ポンプは、膜(110)および駆動手段(210)を有する屈曲トランスデューサを含み、前記膜は、ポンプ膜を形成して、駆動手段によって第1の膨らんだ位置および第2の膨らみの少ない位置との間で移動するように構成され、さらに、ポンプ本体とポンプ膜との間にポンプチャンバを規定するためにポンプ膜に接続されるポンプ本体(120)を含み、前記方法は、
    前記駆動手段が作動しないときに前記ポンプ膜が第1の膨らんだ位置における予め膨らんだ形状をとるように、請求項1ないし請求項12のいずれかの方法によって屈曲トランスデューサ(110、210)を製造するステップを含む、方法。
  14. マイクロ・バルブを製造する方法であって、前記マイクロ・バルブは、膜および駆動手段を有する屈曲トランスデューサを含み、前記膜は、バルブ膜を形成し、マイクロ・バルブを開閉するために駆動手段によって第1の位置および第2の位置との間で移動するように構成され、前記方法は、
    請求項1ないし請求項12のいずれかに記載の方法によって屈曲トランスデューサを製造するステップを含む、方法。
  15. 第1の位置は膨らんだ位置であり、第2の位置は膨らみの少ない位置であって、駆動手段が作動しないときにバルブ膜が第1の膨らんだ位置における予め膨らんだ形状をとるように製造が実行される、請求項14に記載の方法。
  16. 屈曲トランスデューサの製造の後、マイクロ・バルブにおいて、前記駆動手段が前記駆動手段と膜との間の接合面に対して前記駆動手段の向きに屈曲することができないように駆動手段(210)が配置され、前記駆動手段がその方向に曲がるようにプレストレスが与えられるように前記駆動手段の接着が実行される、請求項14に記載の方法。
  17. マイクロ・ポンプであって、
    膜(110)および駆動手段(210)を含む屈曲トランスデューサを含み、前記膜は、マイクロ・ポンプのポンプ膜(110)を形成し、前記駆動手段(210)によって第1の膨らんだ位置および第2の膨らみの少ない位置との間で移動するように構成され、
    ポンプ本体と前記ポンプ膜との間にポンプチャンバを規定するために前記ポンプ膜(110)に接合されるポンプ本体(120)を含み、
    前記駆動手段が動作しないときに、前記ポンプ膜(110)が第1の膨らんだ位置における予め膨らんだ形状をとり、前記屈曲トランスデューサが請求項1ないし請求項12のいずれかの方法によって製造される、マイクロ・ポンプ。
  18. 前記マイクロ・ポンプは、両方がポンプチャンバに流体接続し、ポンプ本体において前記ポンプ膜に対向するように配置された入口チェックバルブおよび出口チェックバルブを含む、請求項17に記載のマイクロ・ポンプ。
  19. 前記ポンプ本体(120)は、基本的に平らであるポンプ膜(110)に対向して配置される第1の表面を含み、前記ポンプ膜は第2の位置において基本的に平面形状を有する、請求項17または請求項18に記載のマイクロ・ポンプ。
  20. マイクロ・バルブであって、
    膜(110)および駆動手段(210)を含む屈曲トランスデューサを含み、前記膜(110)は、バルブのバルブ膜を形成して、マイクロ・バルブを開閉するために前記駆動手段によって第1の位置と第2の位置との間で移動するように構成され、前記屈曲トランスデューサは請求項1ないし請求項12のいずれかに記載の方法によって製造された、マイクロ・バルブ。
JP2012556389A 2010-03-05 2010-03-05 屈曲トランスデューサ、マイクロ・ポンプおよびマイクロ・バルブの製造方法、マイクロ・ポンプおよびマイクロ・バルブ Active JP5480983B2 (ja)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/EP2010/052858 WO2011107162A1 (en) 2010-03-05 2010-03-05 Method for manufacturing a bending transducer, a micro pump and a micro valve, micro pump and micro valve

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2013522512A true JP2013522512A (ja) 2013-06-13
JP5480983B2 JP5480983B2 (ja) 2014-04-23

Family

ID=42583971

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2012556389A Active JP5480983B2 (ja) 2010-03-05 2010-03-05 屈曲トランスデューサ、マイクロ・ポンプおよびマイクロ・バルブの製造方法、マイクロ・ポンプおよびマイクロ・バルブ

Country Status (6)

Country Link
US (1) US9410641B2 (ja)
EP (1) EP2542810B1 (ja)
JP (1) JP5480983B2 (ja)
CN (1) CN102884352B (ja)
BR (1) BR112012022433B1 (ja)
WO (1) WO2011107162A1 (ja)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012026274A (ja) * 2010-07-20 2012-02-09 Murata Mfg Co Ltd 圧電ポンプ及びその製造方法
JP2017141824A (ja) * 2016-02-04 2017-08-17 フラウンホーファー−ゲゼルシャフト・ツール・フェルデルング・デル・アンゲヴァンテン・フォルシュング・アインゲトラーゲネル・フェライン 多角形形状圧電ダイアフラムトランスジューサを備えるポンプ
JP2018028265A (ja) * 2016-08-15 2018-02-22 株式会社菊池製作所 マイクロダイヤフラムポンプ
JP2019080911A (ja) * 2017-10-27 2019-05-30 研能科技股▲ふん▼有限公司 マイクロポンプ
JP2019527352A (ja) * 2016-07-04 2019-09-26 フラウンホッファー−ゲゼルシャフト ツァ フェルダールング デァ アンゲヴァンテン フォアシュンク エー.ファオ マイクロ流体アクチュエータを有する装置

Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102207127B1 (ko) 2013-02-01 2021-01-22 스와겔로크 컴패니 용접된 다이어프램 시트 캐리어를 갖는 다이어프램 밸브
US10054048B2 (en) * 2013-07-26 2018-08-21 Lockheed Martin Corporation Suprression of shock-induced airflow separation
US11135354B2 (en) 2014-03-03 2021-10-05 Quasuras, Inc. Fluid delivery pump
CN105805411B (zh) * 2014-12-30 2019-02-01 浙江盾安人工环境股份有限公司 一种刀闸微型阀装置
ITUB20151781A1 (it) * 2015-07-02 2017-01-02 Milano Politecnico Micropompa con attuazione elettrostatica
CN105781948B (zh) * 2016-03-16 2017-09-22 三峡大学 静音泵
CN107574566A (zh) * 2016-07-04 2018-01-12 长春上缘科技发展有限公司 一种预应力可调式压电振子贾卡导纱针
GB201615452D0 (en) 2016-09-12 2016-10-26 Fluidic Analytics Ltd Improvements in or relating to valves for microfluidics devices
US10148199B1 (en) * 2017-05-15 2018-12-04 Baoxiang Shan Loop-band devices configured for motion
US11504472B2 (en) 2017-07-06 2022-11-22 Quasuras, Inc. Medical pump with flow control
CN109578687B (zh) * 2017-09-29 2021-07-23 研能科技股份有限公司 流体系统
CN109578686B (zh) * 2017-09-29 2021-07-27 研能科技股份有限公司 流体系统
CN109578689B (zh) * 2017-09-29 2021-07-27 研能科技股份有限公司 流体系统
CN109578688B (zh) * 2017-09-29 2021-07-23 研能科技股份有限公司 流体系统
DE102018207858B4 (de) 2018-05-18 2021-06-17 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren und Haltevorrichtung zum Herstellen einer Mikropumpe mit mechanisch vorgespanntem Membranaktor
WO2020023576A1 (en) 2018-07-25 2020-01-30 Modular Medical, Inc. Subcutaneous access hub with multiple cannula ports
JP7176108B2 (ja) * 2018-10-16 2022-11-21 フラウンホファー ゲセルシャフト ツール フェールデルンク ダー アンゲヴァンテン フォルシュンク エー.ファオ. アクチュエータとしての曲げ変換器、センサとしての曲げ変換器、曲げ変換器システム
DE102019208023B4 (de) 2019-05-31 2024-01-04 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zum herstellen einer mikromechanischen vorrichtung, mikromechanisches ventil und mikropumpe
EP3772589B1 (en) 2019-08-06 2021-10-20 Infineon Technologies AG Mems pump
DE102019211941B3 (de) 2019-08-08 2020-10-15 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Mikrostrukturierte fluidflussregelvorrichtung
DE102019135153A1 (de) * 2019-12-19 2021-06-24 Prominent Gmbh Dosierpumpe mit Dosiermembran
US11817197B2 (en) 2020-02-07 2023-11-14 Quasuras, Inc. Medical pump electronic pairing with device
JP2023532176A (ja) 2020-05-26 2023-07-27 フラウンホーファー-ゲゼルシャフト・ツール・フェルデルング・デル・アンゲヴァンテン・フォルシュング・アインゲトラーゲネル・フェライン 薬物送達システム
CN111590186B (zh) * 2020-05-29 2022-02-22 西安西材三川智能制造有限公司 一种异种金属材料膜片组件的焊接方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040154730A1 (en) * 2003-02-10 2004-08-12 Clingman Dan J. Single crystal piezo (SCP) apparatus and method of forming same
US20090158923A1 (en) * 2007-12-21 2009-06-25 Paritec Gmbh Chamber, pump having a chamber and method of manufacturing chambers

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0424087A1 (en) 1989-10-17 1991-04-24 Seiko Epson Corporation Micro-pump or micro-discharge device
US5305507A (en) * 1990-10-29 1994-04-26 Trw Inc. Method for encapsulating a ceramic device for embedding in composite structures
CH689836A5 (fr) 1994-01-14 1999-12-15 Westonbridge Int Ltd Micropompe.
DE19719862A1 (de) 1997-05-12 1998-11-19 Fraunhofer Ges Forschung Mikromembranpumpe
DE10048376C2 (de) * 2000-09-29 2002-09-19 Fraunhofer Ges Forschung Mikroventil mit einem normalerweise geschlossenen Zustand
CN1156646C (zh) * 2002-03-14 2004-07-07 胡军 一种超微型液压式电子泵及其制作工艺方法
DE10238600A1 (de) 2002-08-22 2004-03-04 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Peristaltische Mikropumpe
AU2003218730A1 (en) 2003-03-11 2004-09-30 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Forderung Der Angewandten Forschung E. V. Microvalve that is doubly closed in a normal manner

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040154730A1 (en) * 2003-02-10 2004-08-12 Clingman Dan J. Single crystal piezo (SCP) apparatus and method of forming same
US20090158923A1 (en) * 2007-12-21 2009-06-25 Paritec Gmbh Chamber, pump having a chamber and method of manufacturing chambers

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012026274A (ja) * 2010-07-20 2012-02-09 Murata Mfg Co Ltd 圧電ポンプ及びその製造方法
JP2017141824A (ja) * 2016-02-04 2017-08-17 フラウンホーファー−ゲゼルシャフト・ツール・フェルデルング・デル・アンゲヴァンテン・フォルシュング・アインゲトラーゲネル・フェライン 多角形形状圧電ダイアフラムトランスジューサを備えるポンプ
US11131299B2 (en) 2016-02-04 2021-09-28 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V. Pump comprising a polygon-shaped piezo diaphragm transducer
JP2019527352A (ja) * 2016-07-04 2019-09-26 フラウンホッファー−ゲゼルシャフト ツァ フェルダールング デァ アンゲヴァンテン フォアシュンク エー.ファオ マイクロ流体アクチュエータを有する装置
US10845274B2 (en) 2016-07-04 2020-11-24 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V. Device having a micro fluid actuator
JP6992042B2 (ja) 2016-07-04 2022-01-13 フラウンホッファー-ゲゼルシャフト ツァ フェルダールング デァ アンゲヴァンテン フォアシュンク エー.ファオ マイクロ流体アクチュエータを有する装置
JP2018028265A (ja) * 2016-08-15 2018-02-22 株式会社菊池製作所 マイクロダイヤフラムポンプ
JP2019080911A (ja) * 2017-10-27 2019-05-30 研能科技股▲ふん▼有限公司 マイクロポンプ
JP7064409B2 (ja) 2017-10-27 2022-05-10 研能科技股▲ふん▼有限公司 マイクロポンプ

Also Published As

Publication number Publication date
US9410641B2 (en) 2016-08-09
EP2542810B1 (en) 2015-04-15
JP5480983B2 (ja) 2014-04-23
WO2011107162A1 (en) 2011-09-09
EP2542810A1 (en) 2013-01-09
CN102884352A (zh) 2013-01-16
CN102884352B (zh) 2014-06-18
US20130055889A1 (en) 2013-03-07
BR112012022433A2 (pt) 2017-09-05
BR112012022433B1 (pt) 2021-06-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5480983B2 (ja) 屈曲トランスデューサ、マイクロ・ポンプおよびマイクロ・バルブの製造方法、マイクロ・ポンプおよびマイクロ・バルブ
US6261066B1 (en) Micromembrane pump
US6991214B2 (en) Microvalve normally in a closed position
JP4531563B2 (ja) 蠕動マイクロポンプ
DK2556282T3 (en) Microvalve with valve elastically deformable lip, the preparation method and micropump
JP5027930B2 (ja) 安全弁を含むポンプ装置
Loverich et al. Concepts for a new class of all-polymer micropumps
JP3948493B2 (ja) マイクロポンプ
US7631852B2 (en) Normally double-closed microvalve
JP3336017B2 (ja) 微薄膜ポンプ本体の製造方法
US20130068325A1 (en) Valve, layer structure comprising a first and a second valve, micropump and method of producing a valve
JP2019132278A (ja) 多角形形状圧電ダイアフラムトランスジューサを備えるポンプ
JP3202643B2 (ja) マイクロポンプおよびマイクロポンプの製造方法
JP3130483B2 (ja) マイクロポンプ
Feth et al. Design, fabrication and characterization of a piezoelectrically actuated bidirectional polymer micropump
JP4878848B2 (ja) マイクロポンプおよびその製造方法、駆動体
JP2995401B2 (ja) マイクロポンプおよびマイクロポンプの製造方法
JP2005030213A (ja) 圧電マイクロポンプ
JP2008054367A (ja) 圧電アクチュエータ及びこれを用いたポンプ
JP2018028265A (ja) マイクロダイヤフラムポンプ
JP2995400B2 (ja) マイクロポンプおよびマイクロポンプの製造方法
JP4472919B2 (ja) マイクロバルブ
JP2000227073A (ja) マイクロポンプの駆動方法
US20100327211A1 (en) Method for the production of micro/nanofluidic devices for flow control and resulting device

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20130927

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20131008

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20131227

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20140128

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20140214

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5480983

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250