JP3020488B2 - 液体マイクロポンプ - Google Patents

液体マイクロポンプ

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JP3020488B2 JP11014089A JP1408999A JP3020488B2 JP 3020488 B2 JP3020488 B2 JP 3020488B2 JP 11014089 A JP11014089 A JP 11014089A JP 1408999 A JP1408999 A JP 1408999A JP 3020488 B2 JP3020488 B2 JP 3020488B2
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【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、液体マイクロバ
ルブとマイクロポンプに関するものである。さらに詳し
くは、この発明は、血液のpHをモニタするシステム
や、血液、尿、脳脊髄液などの生体液中の極微量の生体
物質を分離分析する液体クロマトグラフィーシステムに
有用な超小型液体マイクロバルブとマイクロポンプに関
するものである。
【0002】
【従来の技術】血液のpHモニタシステムや化学分析用
に用いられる液体クロマトグラフは、すでに様々な方式
と構成からなる装置が開発され、実用に供されている。
しかしながら、これらはいずれもバルブやポンプなどの
機構部や検知部が大型となっており、測定試料がある一
定量以上必要であるという制約があり、さらに測定時間
がかかるという問題があった。
【0003】特に、血液pHの常時モニタシステムや、
血液、尿、脳脊髄液などの生体液中の生体物質を分離・
分析するシステムにおいては、極微量の測定試料を高速
で測定できることが不可欠である。しかしながら、現状
のシステムにおいては、この要求を満足することはでき
ない。このような問題を解決するために、シリコン基板
状にポンプやカラムを形成した超小型の集積化ガスクロ
マトグラフィーが提案されているが、その用途はガス分
析に限定され、かつ、従来の微量ポンプでは脈動が大き
く、分析装置の検出器で雑音の原因となるなど、精度や
分解能の点で問題があり実用化はされていない。
【0004】シリコン基板上に、マイクロマシニング技
術を用いてマイクロバルブやマイクロポンプを形成する
場合には、液体分析用に用いるものはガス用に比較して
高度な製造技術が必要とされるため、さらに実用化は困
難である。その理由には以下のことがあげられる。第1
に、液体は気体に比べ粘性が高いため、液体用のバルブ
は気体用に比べて流路やバルブ部分の抵抗を小さくする
必要があり、それぞれの寸法を大きくしなければならな
い。第2に、それに従ってバルブやそれを可動するアク
チュエータの変位を大きくとることが必要であり、この
ような大きな変位のもとで安定に動作するバルブやアク
チュエータを選択することは簡単ではない。第3に、ポ
ンプの場合、逆流を防ぐための逆止弁が必要となり、安
定に動作するための材料選択や構造設計が極めて難し
い。第4に、流路やバルブの寸法が大きくなるために、
強度の大きな基板を用いる必要があり、かつ安全な気密
性を有する基板間接合を開発することが必要となるが、
これは、いままで実現されてきていない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】この発明は、以上の問
題点ならびに技術的な課題に鑑みてなされたものであ
り、マイクロマシニング技術を用いて形成した液体用の
マイクロバルブあるいはマイクロポンプを提供すること
を目的としている。さらにまた、この発明は、極微量の
生体液を高速で高精度に分析できるシステムをも提供す
るものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】この発明は、上記の目的
を実現するために、液体の流路とともに液体の導入出口
穴を有するシリコン基板と、液体の流路を有するシリコ
ン基板あるいはガラス基板とを気密接合した構造からな
り、シリコンゴムシートの弁と、この弁の開閉のための
アクチュエータを配設し、アクチュエータによって弁を
導入出口穴に押し付けて閉じ、アクチュエータが戻るこ
とによって弁を開くことを特徴とするノーマリオープン
型またはノーマリクローズ型の液体マイクロバルブを提
供する。
【0007】また、この発明は、メサとダイアフラムを
形成したシリコン基板、逆止弁、およびアクチュエータ
を配設した液体マイクロポンプをも提供する。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、図面によりこの発明の液体
マイクロバルブとマイクロポンプについて説明する。図
1は、この発明の一例としてノーマリクローズ型とノー
マリオープン型のマイクロバルブの構造を例示したもの
である。この例においては、数100μmのバルブの変
位を実現させるために、形状記憶合金コイル(1)とバ
イアスバネ(2)からなるアクチュエータ(3)を配設
している。
【0009】この例の構造は、強度を大きくするために
アルミ板(4)を支持材とし、その上部にエッチングあ
るいはサンドブラスト法により形成した流路(5)を有
するガラス基板(6)と、エッチングの結晶軸異方性な
どの性質を利用したマイクロマニシング技術により微細
加工した流路(7)と液体の導入出口穴(8)を有する
シリコン基板(9)とを気密接合させて流体の流路を形
成しシリコンゴムシート(10)を接着し、これを弁と
するとともに、アルミ板(11)を補強板として積層
し、さらに上記のアクチュエータ(3)を配設したもの
である。
【0010】パイレックスのガラス基板(6)とシリコ
ン基板(9)とは、完全気密接合とするために、350
℃〜500℃の加熱のもとにパイレックスガラス基板
(6)をマイナス側として、たとえば500Vの電圧を
印加して陽極接合することができる。図2は、他の例の
構造を例示したものである。パイレックスのガラス基板
(12)(13)とシリコン基板(14)とを陽極接合
して形成した液体の流路を有し、かつシリコンゴムシー
ト(15)を弁としているアルミ板(17)およびアル
ミ板(16)を支持材としている。この例では、アクチ
ュエータ(18)をピエゾバイモルフ型とするところに
特徴がある。これは、圧電効果を利用して変形を与える
ものであり、形状記憶合金アクチュエータに比べ応答時
間が約1/100で、消費電力も小さいという特長があ
る。
【0011】図2に示した例の場合にはノーマリオープ
ン型の構造を示しているが、同様な構造のままで、シリ
コンゴムシートを押し付けた状態でピエゾバイモルフを
固定し、電圧印加で逆方向に動かすようにすることによ
り、ノーマリクローズ型とすることも容易に可能であ
る。図3は、この発明の例により得られた流量制御の状
態を示す特性図である。図3(a)は、ノーマリオープ
ン型であり、図3(b)はノーマリクローズ型の場合を
示している。数ml/minと極微量の流量制御が可能
であることを示している。
【0012】図4および図5は、この発明の液体マイク
ロバルブの応用例を示す図である。図4は血液pHモニ
タマイクロシステムの概略を示しており、図5はその内
部構造を示している。このシステムにおいては、図4に
示したように、リンゲル液(20)と校正液(21)を
送り、また、留置針(22)を通じて血液を流入させ
る。廃液は吸引ポンプ(23)を通じて排出する。
【0013】このシステムは、図5に示したように、液
体マイクロバルブ(24)(25)とpHセンサである
ISFET(26)をシリコン基板上に集積化したもの
であって比較電極(27)も備えており、血液を間欠的
に体外に採取しpH分析を行うものである。マイクロバ
ルブ(24)はノーマリオープン型、マイクロバルブ
(25)はノーマリクローズ型としている。通常、点滴
液を体内に供給する装置の留置針(22)の部分に取り
付け、点滴液を体内に供給し測定時のみ同じ針をを通じ
て血液を採取して分析を行うように構成する。さらに、
この構造の特長は、校正液(21)を用いて測定の直前
にセンサの校正を自動的に行う機能を有していることで
あり、そのために1つのノーマリオープン型のマイクロ
バルブ(24)と2つのノーマリクローズ型のマイクロ
バルブ(25)から構成され、留置針(22)からの血
液とリンゲル液(20)と校正液(21)の流れを自由
に変えることができることにある。
【0014】図6は、この応用例であるpHモニタマイ
クロシステムの動作特性を示したものである。1サイク
ルの測定に要する時間が約20秒と非常に短縮されてい
る。図7は、液体マイクロポンプの例を示したものであ
る。これは、液体の導出口穴(30)を有し、シリコン
基板(31)との接合面に凹部(32)を有するガラス
基板(33)と、液体の導入口穴(34)と導出口穴
(35)を有するシリコン基板(31)と、マイクロマ
ニシング技術を用いて加工したメサ(36)とダイアフ
ラム(37)を有するシリコン基板(38)とを積層
し、かつ完全気密となるように接合した構造からなる。
液体の導入口穴(34)と導出口穴(35)を有する中
間層のシリコン基板(31)の液体の出口側に相当する
基板表面に、逆流を防ぐ逆止弁(39)を有することを
特徴とし、ダイアフラム(37)の下部に配設されたア
クチュエータ(40)によってダイアフラム(37)を
可動させ、それによって逆止弁(39)を開閉させる。
【0015】また、液体の導入口穴(34)にも、逆止
弁(41)を設けている。用いたマイクロマシニング技
術や陽極接合技術は前述と同様である。さらに、シリコ
ン基板間の接合として低融点ガラスを一方の基板側にR
Fスパッタ法により被覆した後、陽極接合する方法も適
用できる。この実施例では、積層型ピエゾアクチュエー
タを用いることができるが、変位の大きくとれる超小型
アクチュエータであればどのような形態でも適用可能で
あることはいうまでもない。
【0016】図8は、この実施例に用いた超小型逆止弁
の構造を例示したものである。これは、4つの梁(4
2)で支えられた円盤状の多結晶シリコン膜(43)を
用いたものであり、シリコン基板に形成された貫通穴を
弁の両端の圧力差により開閉させるものである。弁部分
の圧力損失や圧力−流量特性は、梁(42)の大きさや
円盤部分と貫通穴の寸法比により変化するが、たとえ
ば、多結晶シリコンの膜厚1.5μm、貫通穴の形状5
0×50μm2 、円盤弁の半径r1 200μm、梁の幅
Wと長さLがそれぞれ200μm、300μmとする
と、2kg/cm2 の圧力で150nl/minの流量
を押し出すことができる。
【0017】この発明の超小型液体マイクロポンプの1
つの応用例として極微量測定・超高速液体クロマトグラ
フィーシステムが考えられる。
【0018】
【発明の効果】以上のように、この発明により、様々な
応用が期待される超小型・液体分析システムに有用な液
体マイクロバルブあるいは液体マイクロポンプが提供さ
れる。脈量を小さくすることができ、また、集積化でき
ることで配管の無効体積の問題もない。差圧ポンプなど
の流量計、圧力計と一体化したり、別のポンプと一体化
してデュアルポンプとして脈量をなくすこともできる。
極微量の液体サンプルの高速、高精度での測定が可能と
なる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の液体マイクロバルブの一例を示した
断面図である。
【図2】この発明の液体マイクロバルブの他例を示した
断面図である。
【図3】この発明の液体マイクロバルブの電圧−流量特
性を示した相関図であり、(a)は、ノーマリオープン
型のものを示し、(b)は、ノーマリクローズ型のもの
を示す。
【図4】この発明の液体マイクロバルブを用いた血液p
Hモニタマイクロシステムについて示した斜視図であ
る。
【図5】図4に示す血液pHモニタマイクロシステムの
断面図である。
【図6】図4に示す血液pHモニタマイクロシステムの
動作特性図である。
【図7】この発明の液体マイクロポンプの例を示した断
面図である。
【図8】図7に示す液体マイクロポンプに用いる逆止弁
の例を示した平面図である。
【符号の説明】
1 形状記憶合金コイル 2 バイアスバネ 3 アクチュエータ 4 アルミ板 5 流路 6 ガラス基板 7 流路 8 導入出口穴 9 シリコン基板 10 シリコンゴムシート 11 アルミ板 12、13 ガラス基板 14 シリコン基板 15 シリコンゴムシート 16、17 アルミ板 18 アクチュエータ 24、25 マイクロバルブ 26 ISFET 30 導出口穴 31 シリコン基板 32 凹部 33 ガラス基板 34 導入口穴 35 導出口穴 36 メサ 37 ダイアフラム 38 シリコン基板 39 逆止弁 40 アクチュエータ 41 逆止弁 42 梁 43多結晶シリコン膜

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 液体の導出口穴とともに接合面に凹部を
    有するガラス基板と、液体の導入出口穴を有する中間層
    シリコン基板と、メサとダイアフラムを有するシリコン
    基板とを積層し、完全気密接合した構造からなり、中間
    層シリコン基板の液体出口側に相当する基板表面に逆止
    弁を有し、ダイアフラムを可動させ逆止弁を開閉させる
    アクチュエータをダイアフラムの下部に配設してなるこ
    とを特徴とする液体マイクロポンプ。
  2. 【請求項2】 逆止弁を梁で支えた円盤状のポリシリコ
    ンで形成してなる請求項1記載の液体マイクロポンプ。
  3. 【請求項3】 ガラス基板とシリコン基板、あるいはシ
    リコン基板相互を陽極接合により気密接合させてなる請
    求項1記載の液体マイクロポンプ。
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