JP2824975B2 - 弁及びその弁を組込んだマイクロポンプ - Google Patents
弁及びその弁を組込んだマイクロポンプInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 発明の属する技術分野 本発明はマイクロポンプに関し、特に、ポンプの機構
の少なくとも一部がフォトリトグラフィー技術などの微
細機械加工技術を使用してウェハを機械加工することに
より形成されるような種類のマイクロポンプ、詳細に
は、そのようなマイクロポンプのための弁に関する。
の少なくとも一部がフォトリトグラフィー技術などの微
細機械加工技術を使用してウェハを機械加工することに
より形成されるような種類のマイクロポンプ、詳細に
は、そのようなマイクロポンプのための弁に関する。
従来の技術 この種のポンプは薬剤をその場で投与するために特に
使用可能であるが、その場合、ポンプがごく小型である
ため、患者はポンプを身につけることができ、あるい
は、任意にポンプを患者の体内に直接埋込むこともでき
る。さらに、この種のポンプを使用すると、少量の液体
を正確に投与できる。
使用可能であるが、その場合、ポンプがごく小型である
ため、患者はポンプを身につけることができ、あるい
は、任意にポンプを患者の体内に直接埋込むこともでき
る。さらに、この種のポンプを使用すると、少量の液体
を正確に投与できる。
「Sensors and Actuators」第15号（1988年）の153〜
167ページに発表されたH.van Lintel他の論文「A piezo
electric micropump based on micromachining of sili
con」は、それぞれ、３枚のウェハを重ね合わせたも
の、すなわち、２枚のガラスのウェハの間に配置された
機械加工シリコンのウェハから構成されるマイクロポン
プの２つの実施例を説明している。そのようなマイクロ
ポンプの別の実施例は、1989年６月14付のスイス特許出
願第02 241/89−１号に記載されている。
167ページに発表されたH.van Lintel他の論文「A piezo
electric micropump based on micromachining of sili
con」は、それぞれ、３枚のウェハを重ね合わせたも
の、すなわち、２枚のガラスのウェハの間に配置された
機械加工シリコンのウェハから構成されるマイクロポン
プの２つの実施例を説明している。そのようなマイクロ
ポンプの別の実施例は、1989年６月14付のスイス特許出
願第02 241/89−１号に記載されている。
この公報において、シリコンウェハは一方のガラスウ
ェハと共に１つのポンプ室を規定し、このポンプ室と符
号する部分を駆動手段、この場合には圧電結晶，により
変形させることができる。圧電結晶は、交流電圧源に接
続されたときに結晶の変形、従って、ガラスウェハの変
形を発生させる電極を含み、そこで、そのガラスウェハ
はポンプ室の容積を変化させるのである。
ェハと共に１つのポンプ室を規定し、このポンプ室と符
号する部分を駆動手段、この場合には圧電結晶，により
変形させることができる。圧電結晶は、交流電圧源に接
続されたときに結晶の変形、従って、ガラスウェハの変
形を発生させる電極を含み、そこで、そのガラスウェハ
はポンプ室の容積を変化させるのである。
ポンプ室は両側で逆止め弁に接続しており、逆止め弁
には膜と、密封リングがシリコンから機械加工され、そ
の弁座は他方のガラスウェハから構成されている。
には膜と、密封リングがシリコンから機械加工され、そ
の弁座は他方のガラスウェハから構成されている。
そのような弁の製造は２段階で実施される。第１の工
程では、密封リングを形成するためにウェハの一部をエ
ッチングから保護しながら、膜を形成するためにシリコ
ンウェハをエッチングし、第２の工程では、密封リング
の上と、任意に膜の一部の上とに酸化物の薄い層を形成
する。これにより、弁の弁座を密封リングの方向へ向か
わせるある程度の機械的事前制約、すなわち、予圧が膜
に与えられる。
程では、密封リングを形成するためにウェハの一部をエ
ッチングから保護しながら、膜を形成するためにシリコ
ンウェハをエッチングし、第２の工程では、密封リング
の上と、任意に膜の一部の上とに酸化物の薄い層を形成
する。これにより、弁の弁座を密封リングの方向へ向か
わせるある程度の機械的事前制約、すなわち、予圧が膜
に与えられる。
発明が解決しようとする課題 この種のマイクロポンプの欠点の１つは、そのような
マイクロポンプの歩留まりは同一であるように見える
が、同じではないということである。その原因は、主と
して、シリコンのエッチングの深さを調整するのは相対
的に容易であるが、シリコンのウェハの厚さがその表面
全体にわたって一定ではなく、その逆に何らかの変化を
示すので、膜の厚さを調整するのがより難しいことであ
る。膜の厚さは予圧の量を左右し、従って、最終的に
は、弁の開閉に関わるパラメータを決定する。このこと
は、より大きな予圧を要求する出力弁の場合に特に重要
である。
マイクロポンプの歩留まりは同一であるように見える
が、同じではないということである。その原因は、主と
して、シリコンのエッチングの深さを調整するのは相対
的に容易であるが、シリコンのウェハの厚さがその表面
全体にわたって一定ではなく、その逆に何らかの変化を
示すので、膜の厚さを調整するのがより難しいことであ
る。膜の厚さは予圧の量を左右し、従って、最終的に
は、弁の開閉に関わるパラメータを決定する。このこと
は、より大きな予圧を要求する出力弁の場合に特に重要
である。
本発明の目的は、一定の歩留まりで作れるマイクロポ
ンプ用弁を提供することである。この目的は請求の範囲
第１項に記載の弁により達される。また、請求の範囲第
７項は、この欠点を少なくした本発明による弁を規定し
ている。請求の範囲第８項は、本発明による弁を少なく
とも１つ具備するマイクロポンプを規定している。
ンプ用弁を提供することである。この目的は請求の範囲
第１項に記載の弁により達される。また、請求の範囲第
７項は、この欠点を少なくした本発明による弁を規定し
ている。請求の範囲第８項は、本発明による弁を少なく
とも１つ具備するマイクロポンプを規定している。
別の材料の層は、たとえば、熱酸化により膜を被覆す
るように膜の上に実現されても良く、あるいは、たとえ
ば、膜表面に大量の不純物を添加することにより膜の中
に実現されても良い。
るように膜の上に実現されても良く、あるいは、たとえ
ば、膜表面に大量の不純物を添加することにより膜の中
に実現されても良い。
本発明の特徴と利点は例示を目的とする以下の説明及
び添付の図面を参照することによりさらに良く示される
が、以下の説明は限定的な意味をもつものではない。図
面中： −図１は、本発明によるマイクロポンプの概略横断面
図を示し， −図２は、図１に示すマイクロポンプの中間ウェハの
平面図を示し， −図3A,図3B及び図3Cは、本発明による弁の一実施例
の断面図を示し、 −図４は、本発明による別の弁の断面図を示す。
び添付の図面を参照することによりさらに良く示される
が、以下の説明は限定的な意味をもつものではない。図
面中： −図１は、本発明によるマイクロポンプの概略横断面
図を示し， −図２は、図１に示すマイクロポンプの中間ウェハの
平面図を示し， −図3A,図3B及び図3Cは、本発明による弁の一実施例
の断面図を示し、 −図４は、本発明による別の弁の断面図を示す。
発明の実施の形態 まず、本発明による弁を有するマイクロポンプを示す
図１及び図２を参照する。
図１及び図２を参照する。
尚、図面では、明確を期するために、マイクロポンプ
を形成する様々なウェハの厚さを非常に誇張して示して
あることに注意すべきである。
を形成する様々なウェハの厚さを非常に誇張して示して
あることに注意すべきである。
図１及び図２のマイクロポンプは、たとえば、ガラス
から成るベースウェハ２を含み、そのガラスウェハに
は、ポンプの入口通路と、出口通路とをそれぞれ形成す
る２本の通路４及び６が穴あけされている。それらの通
路４及び６は接続部８及び10にそれぞれ結合している。
から成るベースウェハ２を含み、そのガラスウェハに
は、ポンプの入口通路と、出口通路とをそれぞれ形成す
る２本の通路４及び６が穴あけされている。それらの通
路４及び６は接続部８及び10にそれぞれ結合している。
接続部８の先には管12があり、その管自体はポンプで
供給すべき液体の入ったリザーバ14に結合している。リ
ザーバは穴あきキャップによって密封され、可動ピスト
ンがリザーバ14の有効容積を外部から分離している。た
とえば、厳密に定められた投与量の薬剤を人体に注入す
る目的でポンプを使用すべきであるような状況では、こ
のリザーバに薬剤を入れておいても良い。この場合、マ
イクロポンプを患者の身体に装着するか、又は埋込んで
も良い。
供給すべき液体の入ったリザーバ14に結合している。リ
ザーバは穴あきキャップによって密封され、可動ピスト
ンがリザーバ14の有効容積を外部から分離している。た
とえば、厳密に定められた投与量の薬剤を人体に注入す
る目的でポンプを使用すべきであるような状況では、こ
のリザーバに薬剤を入れておいても良い。この場合、マ
イクロポンプを患者の身体に装着するか、又は埋込んで
も良い。
出口通路６の接続部10を注射針（図示せず）に接続
し、それと管16により接続すれば良い。
し、それと管16により接続すれば良い。
このようにして本発明のマイクロポンプを使用する方
法は、ある種の癌をペプチドにより治療するのに特に適
しており、その場合には、薬剤を厳密な投与量で与え、
その投与を少量ずつ規則的な間隔で繰返すのが好まし
い。考えうる別の用途は、１日を通して規則的に少量の
薬剤を与えられなければならない糖尿病患者の治療であ
り、たとえば、自体公知の手段により、血糖値を測定
し、適切な量のインシュリンを注入できるようにポンプ
を自動的に制御することによって、投与量を決定するこ
とが可能である。
法は、ある種の癌をペプチドにより治療するのに特に適
しており、その場合には、薬剤を厳密な投与量で与え、
その投与を少量ずつ規則的な間隔で繰返すのが好まし
い。考えうる別の用途は、１日を通して規則的に少量の
薬剤を与えられなければならない糖尿病患者の治療であ
り、たとえば、自体公知の手段により、血糖値を測定
し、適切な量のインシュリンを注入できるようにポンプ
を自動的に制御することによって、投与量を決定するこ
とが可能である。
シリコン又はフォトリトグラフィー技術を使用して機
械加工することができる他の材料から成るウェハ18がガ
ラスウェハ２に接合されている。このシリコンウェハの
上にはガラスの閉鎖用ウェハ20がある。ウェハ18には、
ここで説明する本発明の実施例においては交流発電機28
に接続する電極26a及び26bを具備した圧電円板である制
御素子24により変形できるような厚さの膜22が形成され
ている。この円板はPhilipsが照合番号PXE−52として製
造しているものであっても良く、適切な接着剤を使用し
てウェハ18に接合されても良い。
械加工することができる他の材料から成るウェハ18がガ
ラスウェハ２に接合されている。このシリコンウェハの
上にはガラスの閉鎖用ウェハ20がある。ウェハ18には、
ここで説明する本発明の実施例においては交流発電機28
に接続する電極26a及び26bを具備した圧電円板である制
御素子24により変形できるような厚さの膜22が形成され
ている。この円板はPhilipsが照合番号PXE−52として製
造しているものであっても良く、適切な接着剤を使用し
てウェハ18に接合されても良い。
この例の便宜上、中間シリコンウェハ18をエッチング
に適するようにすると共に、ウェハに必要な強度を与え
るため、ウェハは＜100＞結晶方位を有することができ
る。ウェハ２及び20は十分に研磨されているのが好まし
い。
に適するようにすると共に、ウェハに必要な強度を与え
るため、ウェハは＜100＞結晶方位を有することができ
る。ウェハ２及び20は十分に研磨されているのが好まし
い。
ウェハ２とウェハ18は、合わせて、まず第１に、膜22
の下方に位置するほぼ円形のポンプ室30を規定する。
の下方に位置するほぼ円形のポンプ室30を規定する。
入口通路４とポンプ室30との間には、シリコンウェハ
18に機械加工された、逆止め弁である第１の弁32があ
る。この弁は、中心付近にオリフィス36を有するほぼ円
形の膜34から構成されており、ここに図示した実施例で
は、オリフィス36は矩形である。弁32は、おおよそ台形
の断面をもつ環状リブ、すなわち、密封リング38をさら
に含む。この密封リングはオリフィス36を包囲し、同様
にフォトグラフィー技術によって得られる薄い酸化物層
40で被覆されている。これにより、密封リング38がガラ
スウェハ２に圧接されるとき、膜34にある程度の予圧が
与えられることになり、そこで、ガラスウェハ２は弁32
の弁座として作用する。
18に機械加工された、逆止め弁である第１の弁32があ
る。この弁は、中心付近にオリフィス36を有するほぼ円
形の膜34から構成されており、ここに図示した実施例で
は、オリフィス36は矩形である。弁32は、おおよそ台形
の断面をもつ環状リブ、すなわち、密封リング38をさら
に含む。この密封リングはオリフィス36を包囲し、同様
にフォトグラフィー技術によって得られる薄い酸化物層
40で被覆されている。これにより、密封リング38がガラ
スウェハ２に圧接されるとき、膜34にある程度の予圧が
与えられることになり、そこで、ガラスウェハ２は弁32
の弁座として作用する。
ポンプの出口通路６は、構成の上では弁32に類似して
いる弁42を介してポンプ室30と連通する。ところが、こ
の場合、膜の一部の上に酸化物層を形成し及び／又は層
40を弁32の場合とは異なる厚さにするなどの方法によっ
て、この酸化物層40が与える予圧を弁32について使用す
るのと異なる大きさにしても良い。このように、弁42は
膜44と、酸化物層40で被覆された密封リング46とを具備
する。さらに、図１に示す通り、この膜には、弁32のオ
リフィス36のような中心のオリフィスは設けられていな
い。
いる弁42を介してポンプ室30と連通する。ところが、こ
の場合、膜の一部の上に酸化物層を形成し及び／又は層
40を弁32の場合とは異なる厚さにするなどの方法によっ
て、この酸化物層40が与える予圧を弁32について使用す
るのと異なる大きさにしても良い。このように、弁42は
膜44と、酸化物層40で被覆された密封リング46とを具備
する。さらに、図１に示す通り、この膜には、弁32のオ
リフィス36のような中心のオリフィスは設けられていな
い。
尚、ポンプ室30は、共にシリコンウェハ18に機械加工
されているオリフィス48と、通路50とをそれぞれ介して
弁32及び弁42と連通する。
されているオリフィス48と、通路50とをそれぞれ介して
弁32及び弁42と連通する。
特定の例として示すと、ウェハ２、18及び20は、たと
えば、それぞれ0.6mm、0.3mm、0.6mmの厚さであって良
く、また、ポンプの表面は10×20mmであって良い。さら
に、ウェハはボンディング、たとえば、陽極ボンディン
グとして知られている特定の技術などの様々な技術の方
法により互いに固着されれば良い。
えば、それぞれ0.6mm、0.3mm、0.6mmの厚さであって良
く、また、ポンプの表面は10×20mmであって良い。さら
に、ウェハはボンディング、たとえば、陽極ボンディン
グとして知られている特定の技術などの様々な技術の方
法により互いに固着されれば良い。
弁42は、外部からの影響を受けずに密封リングを弁座
に圧接しようとする予圧を有する。この予圧は酸化物層
の厚さと、膜の厚さと、密封リングの厚さとによって決
まる。
に圧接しようとする予圧を有する。この予圧は酸化物層
の厚さと、膜の厚さと、密封リングの厚さとによって決
まる。
マイクロポンプ及びそのポンピング機構の一般的な動
作は下記の通りである。制御素子（圧電円板）24は交流
発電機28から周期的な交流電圧を受ける。これは、ポン
プ室30を定める膜22の上下ストロークを生じる。膜22が
下へ動かされると、ポンプ室30中の圧力は上昇される。
この圧力が弁42を閉じさせている予圧を越えると、弁42
は開く。弁42が開くと、流体は出口通路６から流出しそ
してポンプ室30中の圧力は下降する。その短期間後に、
ポンプ室30中の圧力は弁42の上記予圧よりも下降しそし
て弁42は閉じる。膜22が上へ動くと、ポンプ室30中の圧
力は下降しそして今度は弁32が開く。弁32が開くと、流
体はリザーバ14から入口通路４、オリフィス36、48を通
ってポンプ室30に流入し、そしてこの状態はポンプ室30
中の圧力が弁32を閉じるのに足りるほど上昇するまで続
く。このポンピング機構は上述したH.van Lintel他の論
文に詳しく記載されている。
作は下記の通りである。制御素子（圧電円板）24は交流
発電機28から周期的な交流電圧を受ける。これは、ポン
プ室30を定める膜22の上下ストロークを生じる。膜22が
下へ動かされると、ポンプ室30中の圧力は上昇される。
この圧力が弁42を閉じさせている予圧を越えると、弁42
は開く。弁42が開くと、流体は出口通路６から流出しそ
してポンプ室30中の圧力は下降する。その短期間後に、
ポンプ室30中の圧力は弁42の上記予圧よりも下降しそし
て弁42は閉じる。膜22が上へ動くと、ポンプ室30中の圧
力は下降しそして今度は弁32が開く。弁32が開くと、流
体はリザーバ14から入口通路４、オリフィス36、48を通
ってポンプ室30に流入し、そしてこの状態はポンプ室30
中の圧力が弁32を閉じるのに足りるほど上昇するまで続
く。このポンピング機構は上述したH.van Lintel他の論
文に詳しく記載されている。
１例として、次に、図3A〜図3Cを参照して、出口弁を
形成する方法を説明する。入口弁の形成にも同じ手順を
用いれば良い。いずれの場合にも、入口弁について要求
される予圧は出口弁について要求される予圧より小さ
い。通常、入口弁の膜の上には酸化物層を形成しない。
形成する方法を説明する。入口弁の形成にも同じ手順を
用いれば良い。いずれの場合にも、入口弁について要求
される予圧は出口弁について要求される予圧より小さ
い。通常、入口弁の膜の上には酸化物層を形成しない。
そこで、出口弁は本発明に従って次のように製造され
れば良い。シリコンウェハ18の、密封リング46を形成す
べき部分をフォトリトグラフィー技術で保護しながら、
シリコンウェハ18を、たとえば、KOHの溶液の中でエッ
チングすることにより、密封リング46を有する膜44を形
成する（図3A）。
れば良い。シリコンウェハ18の、密封リング46を形成す
べき部分をフォトリトグラフィー技術で保護しながら、
シリコンウェハ18を、たとえば、KOHの溶液の中でエッ
チングすることにより、密封リング46を有する膜44を形
成する（図3A）。
次に、酸化物層が未だ形成されておらず且つ外部の影
響を受けていない状態において、密封リング46が弁座と
してのガラスウェハ２と接触しないようにするために、
膜44の一面にさらにエッチング52を実施する（このさら
なるエッチングは一度目のエッチングの前にシリコンウ
ェハ18を実施しても良い）か、或いはシリコンウェハ18
（又は膜44）の代わりにガラスウェハ２をエッチングし
ても良い。
響を受けていない状態において、密封リング46が弁座と
してのガラスウェハ２と接触しないようにするために、
膜44の一面にさらにエッチング52を実施する（このさら
なるエッチングは一度目のエッチングの前にシリコンウ
ェハ18を実施しても良い）か、或いはシリコンウェハ18
（又は膜44）の代わりにガラスウェハ２をエッチングし
ても良い。
次に、膜の一部の上に熱酸化により酸化物層40を形成
する。この酸化物層は、膜に、その湾曲（図3B）を発生
させるせん断力を誘起し、酸化物層は膜の凸側にある。
酸化物層の厚さは、ガラスウェハ２がシリコンウェハ18
と接触しているときに、影響を及ぼす外部の力が全く存
在しないところで密封リング46がこのガラスウェハに圧
接される（図3C）ように選択される。たとえば、さらに
３μｍのエッチングを行う場合、約1.5μｍの酸化物層
を形成する。図3Bに示すように、膜の前面、すなわち、
密封リングを有する側で、この酸化物層の一部を残して
も良い。また、前面ではなく、背面に酸化物を残すと決
めても良い。ところが、膜を同一の方向に湾曲できるよ
うにするためには、酸化物を膜の周囲にリングの形態で
残すべきである。
する。この酸化物層は、膜に、その湾曲（図3B）を発生
させるせん断力を誘起し、酸化物層は膜の凸側にある。
酸化物層の厚さは、ガラスウェハ２がシリコンウェハ18
と接触しているときに、影響を及ぼす外部の力が全く存
在しないところで密封リング46がこのガラスウェハに圧
接される（図3C）ように選択される。たとえば、さらに
３μｍのエッチングを行う場合、約1.5μｍの酸化物層
を形成する。図3Bに示すように、膜の前面、すなわち、
密封リングを有する側で、この酸化物層の一部を残して
も良い。また、前面ではなく、背面に酸化物を残すと決
めても良い。ところが、膜を同一の方向に湾曲できるよ
うにするためには、酸化物を膜の周囲にリングの形態で
残すべきである。
この湾曲を生じさせるために酸化ケイ素以外の材料を
使用しても良いことは言うまでもなくきわめて明白であ
る。しかしながら、これはウェハを熱酸化するのに十分
であるという点で最も単純な解決方法となっている。膜
の上ではなく、膜の中に機械的ひずみを発生させる材料
の層を設けることもできるであろう。これは、たとえ
ば、ホウ素拡散などの方法を経て膜の表面の一部に大量
の不純物を添加することにより得られるであろう。
使用しても良いことは言うまでもなくきわめて明白であ
る。しかしながら、これはウェハを熱酸化するのに十分
であるという点で最も単純な解決方法となっている。膜
の上ではなく、膜の中に機械的ひずみを発生させる材料
の層を設けることもできるであろう。これは、たとえ
ば、ホウ素拡散などの方法を経て膜の表面の一部に大量
の不純物を添加することにより得られるであろう。
密封リング46（図3B）を被覆し、それにより、密封リ
ングのガラスウェハへの接着を阻止するための保護層を
形成するために、酸化物層又は他の何らかの別の適切な
材料の層を使用すると有利であろう。
ングのガラスウェハへの接着を阻止するための保護層を
形成するために、酸化物層又は他の何らかの別の適切な
材料の層を使用すると有利であろう。
この保護層は密封リングの有効厚さを増し、それによ
り、組立て時にリングに加わる予圧を変化させる。尚、
膜の上に酸化物がない場合、密封リングが外部の影響を
受けないところで密封リングの表面と弁座とが同一平面
上にあるような厚さ（公称厚さという）であるときに、
密封リングによって予圧は発生しないことを理解すべき
である。そのような、さらなるエッチング52を実施する
前の状況を図3Aに示す。
り、組立て時にリングに加わる予圧を変化させる。尚、
膜の上に酸化物がない場合、密封リングが外部の影響を
受けないところで密封リングの表面と弁座とが同一平面
上にあるような厚さ（公称厚さという）であるときに、
密封リングによって予圧は発生しないことを理解すべき
である。そのような、さらなるエッチング52を実施する
前の状況を図3Aに示す。
密封リングの有効厚さがその公称厚さを越える場合、
たとえば、酸化物層が密封リングを覆っている場合、こ
の酸化物層で覆われている密封リングは弁座に対してあ
る程度の予圧を加える。この予圧の程度は、特に、密封
リングの公称厚さに対する有効厚さと、膜44の弾性、す
なわち、その厚さとの差によって決まる。この予圧は膜
の厚さの３乗に相当する。それは、膜を覆っている酸化
物層によって起こり、同様に、膜の厚さ、ただし、その
１乗のみによって決まる予圧に加えられる。この従来の
ケースでは、厚すぎる膜は、密封リング上の酸化物層に
よる予圧と、膜上の酸化物層による予圧の双方を増加さ
せる。総予圧の変化は２つの予圧の変化の和である。
たとえば、酸化物層が密封リングを覆っている場合、こ
の酸化物層で覆われている密封リングは弁座に対してあ
る程度の予圧を加える。この予圧の程度は、特に、密封
リングの公称厚さに対する有効厚さと、膜44の弾性、す
なわち、その厚さとの差によって決まる。この予圧は膜
の厚さの３乗に相当する。それは、膜を覆っている酸化
物層によって起こり、同様に、膜の厚さ、ただし、その
１乗のみによって決まる予圧に加えられる。この従来の
ケースでは、厚すぎる膜は、密封リング上の酸化物層に
よる予圧と、膜上の酸化物層による予圧の双方を増加さ
せる。総予圧の変化は２つの予圧の変化の和である。
密封リング上の酸化物層によって起こる予圧は、それ
が３乗の関係をもつという点で、この変化において重要
な役割を果たすといえる。
が３乗の関係をもつという点で、この変化において重要
な役割を果たすといえる。
この３乗の関与を少なくする、さらには、それを有益
に利用すると有利であろう。
に利用すると有利であろう。
まず、密封リング上の酸化物のみを考える。密封リン
グの有効厚さがその公称厚さより少ない場合、たとえ
ば、密封リングのエッチングが既に行われており、密封
リング上の酸化物層がこのエッチングの深さより薄い場
合には、密封リングは弁座と接触しない。先の場合と同
様に、そこで、密封リングの間隙は、密封リングを弁座
と同一の平面に位置させるために膜に加わらなければな
らないであろう圧力と等しい絶対値を有する負の予圧を
発生することは明白である。この場合に膜の上にも酸化
物層を形成すると、弁が受ける予圧は、この負の予圧に
より減少した膜の湾曲によって起こる予圧と等しくなる
であろう。
グの有効厚さがその公称厚さより少ない場合、たとえ
ば、密封リングのエッチングが既に行われており、密封
リング上の酸化物層がこのエッチングの深さより薄い場
合には、密封リングは弁座と接触しない。先の場合と同
様に、そこで、密封リングの間隙は、密封リングを弁座
と同一の平面に位置させるために膜に加わらなければな
らないであろう圧力と等しい絶対値を有する負の予圧を
発生することは明白である。この場合に膜の上にも酸化
物層を形成すると、弁が受ける予圧は、この負の予圧に
より減少した膜の湾曲によって起こる予圧と等しくなる
であろう。
先に説明した通り、膜の厚さの変化は予圧の変化を発
生させる。本発明に従った状況においては、膜の酸化物
の予圧の変化は密封リング間隙の負の予圧の変化により
ほぼ補償される。
生させる。本発明に従った状況においては、膜の酸化物
の予圧の変化は密封リング間隙の負の予圧の変化により
ほぼ補償される。
寸法を適切に選択すれば、ある範囲の膜の厚さについ
て総予圧はほぼ一定のままである。
て総予圧はほぼ一定のままである。
シミュレーションによれば、本発明による出口弁を具
備するマイクロポンプは、25μｍの平均厚さを有する弁
の膜の厚さ±2.5μｍの差があるにもかかわらず、ほぼ
等しい予圧、従って、ほぼ同じ特性を示す（尚、さらな
るエッチングの深さは約３μm;酸化物層の厚さは約1.5
μｍ）ことがわかっている。
備するマイクロポンプは、25μｍの平均厚さを有する弁
の膜の厚さ±2.5μｍの差があるにもかかわらず、ほぼ
等しい予圧、従って、ほぼ同じ特性を示す（尚、さらな
るエッチングの深さは約３μm;酸化物層の厚さは約1.5
μｍ）ことがわかっている。
酸化物層の厚さｅは下記の関係で増える。
ｅ＝kt1/2 但し、ｔは酸化時間で、ｋは比例定数である。
その結果、 1/2e＝ｋ（1/4t）1/2 となる。
上記のように酸化物層の厚さｅは酸化時間ｔの平方根
に従って増えてゆくので、酸化物層40を形成するための
シリコンウェハ18の酸化は相対的に長い工程である。こ
の作業の時間を四分の一に短縮することが可能である。
これを実行するためには、図４に示すように、膜の両面
を酸化するだけで良い。たとえば、酸化物層40bが膜44
の反対側にて酸化物層40aで覆われていない面を被覆す
るように、0.5μｍの厚さを有する酸化物層40a及び40b
を形成すれば、膜の片面に１μｍの厚さに形成された酸
化物層40により発生する予圧とほぼ等しい予圧が得られ
そして製造時間が約四分の一になる。酸化物層40aと酸
化物層40bが重なり合っていると、それらの酸化物層の
重複部分は相反する効果を有するので、互いに相殺しあ
う。
に従って増えてゆくので、酸化物層40を形成するための
シリコンウェハ18の酸化は相対的に長い工程である。こ
の作業の時間を四分の一に短縮することが可能である。
これを実行するためには、図４に示すように、膜の両面
を酸化するだけで良い。たとえば、酸化物層40bが膜44
の反対側にて酸化物層40aで覆われていない面を被覆す
るように、0.5μｍの厚さを有する酸化物層40a及び40b
を形成すれば、膜の片面に１μｍの厚さに形成された酸
化物層40により発生する予圧とほぼ等しい予圧が得られ
そして製造時間が約四分の一になる。酸化物層40aと酸
化物層40bが重なり合っていると、それらの酸化物層の
重複部分は相反する効果を有するので、互いに相殺しあ
う。
さらに、図3Aに示すようなさらなるエッチングに頼ら
ずとも、膜の両面を酸化すると、マイクロポンプの特性
について一層良い再現性が得られると言えるであろう。
これは、膜の密封リング側のみを酸化する場合と比べて
狭い範囲で密封リングの有効厚さが増すためである。そ
の結果、密封リング上の酸化物層によって起こされる望
ましくない予圧は少なくなり、その一方、膜上の酸化物
層によって起こされる予圧はわずかに増加する。
ずとも、膜の両面を酸化すると、マイクロポンプの特性
について一層良い再現性が得られると言えるであろう。
これは、膜の密封リング側のみを酸化する場合と比べて
狭い範囲で密封リングの有効厚さが増すためである。そ
の結果、密封リング上の酸化物層によって起こされる望
ましくない予圧は少なくなり、その一方、膜上の酸化物
層によって起こされる予圧はわずかに増加する。
また、膜の両側を酸化する場合、酸化物層の半径に関
して適切な値を選択することにより予圧を所望の値に容
易に調整できる点を強調しても良いであろう。ところ
が、多くの場合、流体抵抗がほとんどないために薄い膜
を可能にするためには、最大曲げ効率が有利であろう。
して適切な値を選択することにより予圧を所望の値に容
易に調整できる点を強調しても良いであろう。ところ
が、多くの場合、流体抵抗がほとんどないために薄い膜
を可能にするためには、最大曲げ効率が有利であろう。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F04B 21/02 F04B 43/02
Claims (8)
- 【請求項１】変形自在の膜（34、44）が形成されている
第１のウェハ（18）と、第１のウェハ（18）に接合され
る第２のウェハ（２）とを有し、一方のウェハの面には
密封リング（38,46）が設けられており、その密封リン
グは、変形自在の膜の位置に従って他方のウェハの面に
接触する（弁閉鎖）か、又は他方のウェハの面から離間
する（弁開放）ことができる自由面を有し、膜の一部に
は、外部の影響がないところで弁（32,42）を閉鎖位置
に保持する機械的ひずみを誘起する他の材料から成る少
なくとも１つの層（40,40a,40b）が設けられている弁に
おいて、１つ又は複数の層（40,40a,40b）が省略される
場合には、前記弁（32,42）は外部の影響がないところ
で開放位置にあるように、ウェハの少なくとも一方は機
械加工されることを特徴とする弁。 - 【請求項２】閉塞部（38,46）は、第１のウェハ（18）
の膜（34,44）を機械加工することにより形成されるこ
とを特徴とする請求項１記載の弁。 - 【請求項３】膜（44）のそれぞれの面の一部に、第２の
材料の層（40a,40b）が設けられていることを特徴とす
る請求項１又は請求項２記載の弁。 - 【請求項４】第１のウェハ（18）はシリコンウェハであ
り、第２の材料は酸化ケイ素であることを特徴とする請
求項１から３のいずれか１項に記載の弁。 - 【請求項５】前記閉塞部の反対側のウェハの面への接着
を阻止するために、密封リング（38,46）の自由面は第
３の材料の層により被覆されていることを特徴とする請
求項１から４のいずれか１項に記載の弁。 - 【請求項６】前記第３の材料は第２の材料と同一である
ことを特徴とする請求項５記載の弁。 - 【請求項７】変形自在の材料から成る膜（34,44）が形
成されている第１のウェハ（18）と、第１のウェハ（1
8）に接合される第２のウェハ（２）とを具備し、ウェ
ハの一方の面には密封リング（38,46）も設けられてお
り、その密封リングは、変形自在の膜の位置に従って他
方のウェハの面に接触する（弁閉鎖）か、又は他方のウ
ェハの面から離間する（弁開放）ことができる自由面を
有する弁において、膜（44）のそれぞれの面の一部に、
外部の影響がないところで弁を閉鎖位置に保持するため
の機械的ひずみを誘起する他の材料から成る少なくとも
１つの層（40a,40b）が設けられていることを特徴とす
る弁。 - 【請求項８】第１のウェハ（18）と、第１のウェハに面
と面を合わせて接合される少なくとも１つの第２の支持
ウェハ（２）とを有し、それらのウェハは合わせてポン
プ室（30）を規定し、そのポンプ室は、前記ポンプ室
（30）をマイクロポンプの少なくとも１つの入口（４）
と選択的に連通させることができる少なくとも１つの弁
（32）と、前記ポンプ室（30）をマイクロポンプの出口
（６）と選択的に連通させることができる少なくとも１
つの別の弁（42）とを有し、前記ポンプ室（30）の容積
を周期的に変化させるための手段（24,26a,26b、28）が
設けられているマイクロポンプにおいて、弁（32,42）
の少なくとも一方は請求項１から７のいずれか１項に記
載されていることを特徴とするマイクロポンプ。
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CH2302/90A CH683634A5 (fr) | 1990-07-10 | 1990-07-10 | Clapet intégré et micropompe comprenant un tel clapet. |
| CH02302/90 | 1990-07-10 | ||
| CH03680/90 | 1990-11-20 | ||
| CH3680/90A CH684209A5 (fr) | 1990-11-20 | 1990-11-20 | Clapet intégré et micropompe comprenant un tel clapet. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05502083A JPH05502083A (ja) | 1993-04-15 |
| JP2824975B2 true JP2824975B2 (ja) | 1998-11-18 |
Family
ID=25690063
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP51162291A Expired - Fee Related JP2824975B2 (ja) | 1990-07-10 | 1991-07-03 | 弁及びその弁を組込んだマイクロポンプ |
Country Status (9)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5277556A (ja) |
| EP (1) | EP0491026B1 (ja) |
| JP (1) | JP2824975B2 (ja) |
| AT (1) | ATE119241T1 (ja) |
| AU (1) | AU642285B2 (ja) |
| CA (1) | CA2065735A1 (ja) |
| DE (1) | DE69107813T2 (ja) |
| ES (1) | ES2069896T3 (ja) |
| WO (1) | WO1992001160A1 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007111049A1 (ja) * | 2006-03-29 | 2007-10-04 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | マイクロポンプ |
Families Citing this family (97)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4006152A1 (de) * | 1990-02-27 | 1991-08-29 | Fraunhofer Ges Forschung | Mikrominiaturisierte pumpe |
| US5264375A (en) * | 1992-04-15 | 1993-11-23 | Massachusetts Institute Of Technology | Superconducting detector and method of making same |
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