JP3066925U - マイクロダイヤフラムポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 少数の作業工程を用いるだけで単純な構造で
形成することのできるマイクロダイヤフラムポンプを提
供する。 【解決手段】 ポンプダイヤフラム３に結合された加熱
エレメント４が設けられており、さらに各ポンプハウジ
ング部分１，２に１つまたは複数の互い接続された溝シ
ステムが設けられており、該溝システムが、ダイヤフラ
ムに向かって開いていて、しかも該溝システムとダイヤ
フラムとが、それ自体閉じた連繋した中空室システムを
形成しており、該中空室システムが接着剤で完全に充填
されている。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【考案の属する技術分野】

本考案は、マイクロダイヤフラムポンプであって、ポンプハウジング上側部分 と、ポンプハウジング下側部分と、両ポンプハウジング部分の間に配置されたダ イヤフラムとが設けられており、ポンプハウジング上側部分とポンプハウジング 下側部分とダイヤフラムとが、一緒になってポンプ室と、２つの弁と、流れ通路 とを形成しており、しかもダイヤフラムがポンプ室の範囲でポンプダイヤフラム を形成しており、ダイヤフラムが弁の範囲で弁機能のそれぞれ一部を引き受けて おり、さらにポンプダイヤフラムのための駆動装置が設けられている形式のもの に関する。

【０００２】

【従来の技術】

既に種々のマイクロダイヤフラムポンプが知られている。たとえば、Ｈ．Ｔ． Ｇ．ｖａｎ Ｌｉｎｔｅｌ、Ｆ．Ｃ．Ｍ．ｖａｎ ｄｅ Ｐｏｌ著の「ア・ピエ ゾエレクトリック・マイクロポンプ・ベースド・オン・マイクロマシニング・オ ブ・シリコン（Ａ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｉｃｒｏｐｕｍｐ ｂａｓ ｅｄ ｏｎ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ）」、セン サ・アンド・アクチュエータス（Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ ａｃｔｕａｔｏｒｓ ）、１５、１９８８年、第１５３頁〜第１６７頁およびＨ．Ｔ．Ｇ．ｖａｎ Ｌ ｉｎｔｅｌ、Ｍ．Ｅｌｗｅｎｓｐｏｅｋ、Ｊ．Ｈ．Ｊ．Ｆｌｕｉｔｍａｎ著の「 ア・サーモニューマチック・ポンプ・ベースド・オン・マイクロエンジニアリン グ・テクニクス（Ａ Ｔｈｅｒｍｏ―ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｐｕｍｐ ｂａｓｅ ｄ ｏｎ ｍｉｃｒｏ―ｅｎｇｅｎｅｅｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ」、セ ンサ・アンド・アクチュエータス（Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ ａｃｔｕａｔｏｒ ｓ）、Ａ２１〜Ａ２３、１９９０年、第１９８頁〜第２０２頁に記載されている ような、互いに異なる駆動形式を有する２つのポンプが公知である。第１のポン プは接着固定された圧電セラミックスを備えたポンプダイヤフラムを有しており 、第２のポンプはポンプダイヤフラムの上方で、熱供給時に膨張する空気容量の 形のサーモニューマチック式の駆動装置を有している。両ポンプは一体に組み込 まれた流入弁と流出弁とを有している。

【０００３】 別のマイクロポンプは、Ｒｏｌａｎｄ Ｚｅｎｇｅｒｌｅ、Ａｘｅｌ Ｒｉｃ ｈｔｅｒ著の「ミクロプンペン・アルス・コンポネンテン・ヒゥア・ミクロジュ ステーメ（Ｍｉｋｒｏｐｕｍｐｅｎ ａｌｓ Ｋｏｍｐｏｎｅｎｔｅｎ ｆｕｅｒ Ｍｉｋｒｏｓｙｓｔｅｍｅ」、フィジーク・イン・ウンゼラ・ツァイト（Ｐｈ ｙｓｉｋ ｉｎ ｕｎｓｅｒｅｒ Ｚｅｉｔ）、第２４巻、１９９３年、第２号 に記載されている。この公知のマイクロポンプも、やはり一体に組み込まれた弁 を有しており、ポンプダイヤフラムは静電気力によって変位される。

【０００４】 今日の公知先行技術を代表する前記マイクロダイヤフラムポンプの固定部分と 可動部分とは、主として基礎材料であるシリコンおよびガラスから製造されてい る。前記マイクロダイヤフラムポンプの弾性的な部分、つまり特にポンプダイヤ フラムおよび弁ダイヤフラムは、種々異なるエッチング法によって薄くエッチン グされる。最小ダイヤフラム厚さは２０ｍｍのオーダにある。上記公知のマイク ロダイヤフラムポンプでは、ダイヤフラムの厚さおよびガラスもしくはシリコン の材料特性が、ポンプ効率を制限する境界条件となっている。比較的大きなダイ ヤフラム直径においては、小さな変位しか可能にならない。その結果、このよう なポンプダイヤフラムでは、気体の圧送のために必要となる圧縮比を達成するこ とができない。さらに、弁ダイヤフラムのフレキシブル性、ひいては通過方向に おける圧力損失を小さく保持するためには、弁の直径が極めて大きく設定されな ければならない。

【０００５】 さらに別のポンプは、Ｒ．Ｒａｐｐ、Ｗ．Ｋ．Ｓｃｈｏｍｂｕｒｇ、Ｐ．Ｂｌ ｅｙ著の「コンツェプチオーン、エントビックルング・ウント・レアリジールン グ・アイナ・マイクロメンブランプンペ・イン・ＬＩＧＡ―テヒニク（Ｋｏｎｚ ｅｐｔｉｏｎ，Ｅｎｔｗｉｃｋｌｕｎｇ ｕｎｄ Ｒｅａｌｉｓｉｅｒｕｎｇ ｅｉｎｅｒ Ｍｉｋｒｏｍｅｍｂｒａｎｐｕｍｐｅ ｉｎ ＬＩＧＡ−Ｔｅｃｈ ｎｉｋ）」、ＫｆＫベリヒト（ＫｆＫ−Ｂｅｒｉｃｈｔ）、第５２５１号（１９ ９３年）に記載されている。このポンプは外部のニューマチック式アクチュエー タによって駆動され、かつガス状の媒体を圧送することができる。このポンプは 、チタンから成るポンプダイヤフラムと、チタンダイヤフラムおよびポリイミド ダイヤフラムから成る弁とを有している。このポンプダイヤフラムはポンプ室の 底部にまで変位され得るので、高い圧縮比を有している。しかし、このポンプダ イヤフラムを変位させるためには、比較的高い圧力が必要とされ、このような高 い圧力は組み込まれたアクチュエータによっては形成され得ない。さらに、製造 時には全てのポンプが個々に接着されなければならず、このことは高い手間を必 要とする。このようなポンプの製造は、順次に実施されなければならない多数の 個別ステップを必要とする。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】

本考案の課題は、冒頭で述べた形式のマイクロダイヤフラムポンプを改良して 、少数の作業工程を用いるだけで単純な構造で形成することのできるマイクロダ イヤフラムポンプを提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

この課題を解決するために本考案の構成では、ポンプダイヤフラムに結合され た加熱エレメントが設けられており、さらに各ポンプハウジング部分に１つまた は複数の互い接続された溝システムが設けられており、該溝システムが、ダイヤ フラムに向かって開いていて、しかも該溝システムとダイヤフラムとが、それ自 体閉じた連繋した中空室システムを形成しており、該中空室システムが接着剤で 完全に充填されているようにした。

【０００８】

【考案の効果】

本考案によるマイクロダイヤフラムポンプの特別な利点は、少数の製造ステッ プを用いて、しかもできるだけ僅かな手間をかけるだけで、多数のポンプを平行 して同時に製造することが可能となる点にある。できるだけ僅かな製造手間は、 ポンプの個別構成部分、たとえばポンプハウジング、ポンプダイヤフラムおよび 弁の製造にも、また１つのステップにおける多数のマイクロ構成要素の同時でか つ正確な接着にも云える。さらに、アクチュエータ室の範囲にダイヤフラムを形 成することに基づき、圧力損失も最小限に抑えられている。

【０００９】

【考案の実施の形態】

以下に、本考案の実施の形態を図面につき詳しく説明する。

【００１０】 マイクロポンプの構造、各構成要素の名称： 図１には、マイクロポンプの基本構造が図示されている。２ｍｍの厚さを有す るポリイミドダイヤフラム３の上面はポンプハウジング上側部分１に接着されて おり、ポリイミドダイヤフラム３の下面はポンプハウジング下側部分２に接着さ れている。ポンプハウジングはポンプの非可動の機能要素を有している。これら の非可動の機能要素としてはポンプハウジング上側部分１において、アクチュエ ータ室１７と、種々の流れ通路６と、弁室８と、流入弁の弁座１０と、流出弁の 弁室１３と、流体入口５と、流体出口７と、接着剤を充填するための連繋した中 空室システム１９と、接着剤を充填するための装入開口２０および流出開口とが 設けられている。さらに、ポンプの電気的な接触接続のための開口（図示しない ）も設けられている。さらに、非可動の機能要素としては、ポンプハウジング下 側部分においてポンプ室１６と、弁とポンプ室との間の流れ通路６と、流入弁の 弁室９と、流出弁の弁座１４と、接着剤を充填するための中空室システム１８と 、接着剤入口２２と、接着剤出口２３とが設けられている。接着剤充填過程のた めの中空室１８，１９およびその他の中空室６，８，９，１２，１３，１６，１ ７は、複数のウェブ２４によって互いに仕切られている。これらのウェブ２４に よって横方向構造体（ｌａｔｅｒａｌ．Ｓｔｒｕｋｔｕｒｅｎ）が形成され、構 造高さが正確に規定される。ポリイミドダイヤフラム３は高い弾性率によりすぐ れていて、アクチュエータ室１７の範囲にポンプダイヤフラムを形成している。 流入弁８，９，１０および流出弁１２，１３，１４の範囲では、ポリイミドダイ ヤフラム３に各１つの孔１１，１５が設けられている。弁作用は、弁座とは反対 の側に正圧が形成される場合にはダイヤフラムに設けられた孔が扁平な弁座によ って閉じられ、また逆に弁座の側に正圧が形成される場合にはダイヤフラムが弁 座から持ち上がって、ダイヤフラムに設けられた孔が開放されて、通流が生ぜし められることにより得られる。マイクロダイヤフラムポンプの駆動は、アクチュ エータ室１７内に存在する、ポリイミドダイヤフラムに被着された金属性の加熱 コイル４によって加熱される流体の熱膨張により行われる。

【００１１】 マイクロポンプの機能形式： 加熱コイル４に短い電流パルスが与えられる。この加熱コイル４は昇温し、ア クチュエータ室１７内の媒体にも、ポンプ室内の媒体にも、熱を放出する。アク チュエータ室１７およびポンプ室１６内にガス状の媒体が存在していると、加熱 により生ぜしめられる、アクチュエータガスの圧力上昇に基づきポンプダイヤフ ラムが変位される。ポンプダイヤフラム３の変位はポンプ室１６の容積を減少さ せると同時に、ポンプガスが加熱されることによりポンプ室１６内の圧力上昇を もたらす。アクチュエータ室１７内で、低い温度で沸騰する液状の媒体が使用さ れる場合、媒体の膨張は媒体の蒸発によって得られる。これによって、極めて高 いアクチュエータ圧を形成することができる。アクチュエータ室１７内で圧力上 昇が行われる結果、やはりポンプダイヤフラム３はポンプ室１６の方向に変位さ れる。いずれの場合にも、ポンプ輸送したい流体に生ぜしめられる圧力上昇は流 れ通路を介して弁に伝播され、その結果、ダイヤフラムは流入弁の範囲では、対 応する弁座１０に接触し、この弁を閉鎖する。それに対して、流出弁の範囲では ダイヤフラムが弁座１４から持ち上げられて、弁ダイヤフラムに設けられた開口 を開放する。ポンプ媒体は吐出される。

【００１２】 電流パルスの終了後に、熱伝導および熱放射により、アクチュエータ室１７内 の媒体の冷却が開始する。アクチュエータ室１７内にガス状の媒体が存在する場 合には、気体の法則に基づき、アクチュエータ室１７の内部の圧力と容積とが減 少する。蒸発された液体が存在する場合には、凝縮により再び出発状態に戻され る。ポンプダイヤフラムは再び出発位置に戻り、こうして、先に吐出されたポン プ媒体に基づきポンプ室１６と弁とに負圧を生ぜしめる。上記弁機能に基づき、 流出弁は閉鎖され、それに対して流出弁は開放されて、ポンプ媒体がポンプ室に 流入する。この過程は各ポンプサイクル毎に繰り返される。

【００１３】 直接にポンプダイヤフラムに被着された加熱コイルは、これによって得られる 簡単な製造法の利点の他に別の大きな利点を有している。第１に、加熱段階にお けるポンプハウジングへの熱伝達が最小限に抑えられている。第２に、アクチュ エータ媒体として低い沸点を有する液体が使用される場合に、圧送された媒体に 基づくアクチュエータ媒体の再凝縮が加熱コイルの個所で行われる。これにより 、次の加熱段階の開始時には加熱コイルがアクチュエータ液との最適な熱接触状 態にあることが達成される。

【００１４】 弁： 図３には、弁の１実施例が示されている。この弁は、無支持状態に張設された フレキシブルなダイヤフラム３から成っていることを特徴としている。このダイ ヤフラムは中心の範囲に、マイクロ構造化された弁開口１１を有している。弁開 口１１およびダイヤフラム緊締部２５の輪郭は、図４に例示したように円形、楕 円形または多角形によって描くことができる。図３には、製造されたポンプに導 入されるような弁の基本的な構造が示されている。ダイヤフラムの一方の側には 、平らな固定の弁座１０が設けられており、この弁座１０は弁ダイヤフラムに設 けられた開口を少なくとも、ダイヤフラムと弁座との間の所要のシール面の幅分 だけカバーしている。弁座は、ダイヤフラムに結合された両ポンプ体のうちの一 方のポンプ体の一部である。遮断方向における弁のシール性は弁ダイヤフラムと 弁座との重なり程度、表面粗さおよび特に弁ダイヤフラムのフレキシブル性によ って規定される。極めて薄いポリイミドダイヤフラムによって、不潔な条件のも とでもシール作用を維持することができる。なぜならば、このダイヤフラムは、 小さなダスト粒子を取り囲んで密着することができるからである。

【００１５】 弁座の高さによって、弁の開放特性および閉鎖特性を設定することができる（ 図５ａ、図５ｂおよび図５ｃ参照）。図５ａに示した実施例による弁の開閉特性 では、ダイヤフラム緊締部と弁座とが１つの平面に位置している。図５ｂには、 高い弁座の実施例が示されている。この弁座は無負荷の状態においてダイヤフラ ムを上方に湾曲させている。この場合、弁を開放するためには既にかなりの圧力 差が必要となり、弁座は、通流方向においてこの圧力差が達成されるまで閉じた ままとなる。所定の通流時における圧力降下、ひいては出力降下は図５ａに示し た実施例の場合よりも大きい。しかし、負荷交番時の逆流は比較的小さな衝撃容 積と、より強力に張設された無支持状態のダイヤフラムの比較的小さなフレキシ ブル性とに基づき減少する。このような構成は、小さな容積流を大きな圧力差の もとで整流させたい場合または負荷交番周波数が高い場合に有利となる。図５ｃ に示した実施例では、弁座の高さがダイヤフラム緊締部の平面に到達しておらず 、ダイヤフラムは無負荷の状態でその全面にわたって無支持状態に張設されてい る。弁は通流方向において、図５ａの実施例の場合よりも小さな流れ抵抗を有し ているが、しかし遮断方向においては所定の遮断圧が達成された後でしか閉じな い。このような弁座およびダイヤフラムの構成は、大きな容積流を小さな圧力差 のもとで整流させたい場合に有利となる。

【００１６】 接着： 上側のポンプハウジングと、ダイヤフラムと、下側のポンプハウジングとの個 別構成部分が慣用の形式で接着されると、つまり各個別構成部分に接着剤がディ スペンス、スクリーン印刷またはタンポン印刷のような技術によって塗布される と、既にマイクロ構造体自体のオーダと比較可能となり得る約１０μｍの厚さを 有する接着剤層が形成される。この場合、接着接合部厚さの高い製造誤差は回避 され得ない。このことは特にマイクロ弁の機能に対して不都合な影響を与える。 なぜならば、弁ダイヤフラムと弁座との間の所望の間隔を正確に維持することが できないからである。慣用の接着技術の別の欠点は、マイクロ構造体に対する、 接着剤の横分配の付加的な位置決めである。なぜならば、種々の範囲、つまりた とえば弁座および通路構造体が接着剤で湿潤されてはならないからである。つま り接着剤が被着されていると、接着部分の正確な相互位置決めや、引き続き行わ れる塗布汚れなしの接合に基づき、試料の取扱いに対して極めて高い要求が課せ られる。すなわち、位置決めされた２つの作業工程が必要となる。

【００１７】 この場合、両ポンプハウジング部分にそれぞれ１つまたは複数の互いに接続さ れた、ダイヤフラムに向かって開いた溝システムを設けて、マイクロダイヤフラ ムポンプを製造するための方法において、次の方法ステップ： ａ）一方または両方のポンプハウジング部分１，２とダイヤフラム３とを位置調 整し、位置調整されたこれらの構成部分を押し合わせ、この場合、溝システムと ダイヤフラムとから、それ自体密な連繋した中空室システムを形成し、 ｂ）該中空室システムを接着剤で完全に充填する を実施することを特徴とする、マイクロダイヤフラムポンプを製造するための方 法が用いられると有利である。このような接着技術は上記欠点の全てを克服し、 しかもその単純性および少ない作業ステップ数に基づきマイクロ構造体の同時平 行な接着のために好適となる。この場合、既にマイクロ構造体の設計において、 有効な接着を得るための前提条件が得られる。基本思想は、多数のマイクロ構造 体を有していてよい基板にマイクロ構造体を取り囲むように凹面状の構造体を設 けることである。この凹面状の構造体は互いに連繋しているかまたは部分連繋し ていてよく、しかもマイクロ構造体の機能範囲から一定の高さのウェブによって 分離されている。この凹面状の構造体は、固有の接着ステップにおいて接着剤を 収容する役目を持っている。したがって、接着後に接着剤はウェブによって分離 された状態でマイクロ構造体を全周にわたって取り囲むように位置する。接着剤 は接合部分の機械的な結合の機能と、個々のマイクロ構造体および接合部分同士 のシールの機能とを引き受けて、内部応力弛緩過程もしくは内部リラクセーショ ン過程により、たとえば各接着部分の間の熱交換に基づき生じる固有応力の低減 のために働く。前記ウェブは、その高さに基づき、接着接合部厚さの調節のため の正確に再現可能な基準高さを規定し、かつ接着過程時におけるマイクロ構造体 への接着剤の流入を回避する役目を持っている。

【００１８】 図６には、このようにして製造されたマイクロポンプのハウジング下側部分の 平面図が示されている。符号１８は凹面状の構造体を示しており、この凹面状の 構造体１８には接着剤が充填される。符号２４は接着範囲を仕切るウェブを示し ており、符号１６，９，６，１４はそれぞれ接着剤不含に維持されなければなら ない機能範囲、つまりポンプ室、弁室、ポンプの流れ通路および弁座を示してい る。符号２２は、接着剤が流入する開口を示しており、符号２３は過剰接着剤が 再び流出し得るか、または過剰接着剤が別のマイクロ構造体に流入し得る開口を 示している。

【００１９】 図１２ａおよび図１２ｂには、２つのマイクロ構造体の間で接着剤を収容する ための凹面状の構造体の横断面図が示されている。符号２４は、接着剤範囲を固 有のマイクロ構造体から仕切るウェブを示している。符号２６，３１は局所的に 関与した接着部分を示している。図１２ａに示した事例では、接着層高さがウェ ブ２４の高さ（＝基準高さ）に相当している。図１２ｂでは、接着剤を収容する ための凹面状の構造体が、特に接着剤被覆のために働く大きな構造体高さ３６の 範囲と、実際の接着剤厚さの、接着剤に適合された正確な調節を可能にする低い 構造体高さの範囲とに分割されている。接着過程は、接着部分を互いに位置調整 し（図７ａ）、引き続き緊締装置によって接着部分を位置固定する（図７ｂ）こ とにより開始する。緊締装置による緊締により、一方の接合部分に設けられたウ ェブ２４は他方の接合部分に圧着され、これによって密な接触が保証されている 。この密な接触は両接合部分の所望の構造体間隔の正確な維持を可能にし、かつ 実際の接着プロセス時に十分なシールを提供する。位置調整過程および緊締過程 は、接着剤の存在なしに行われる。このことは、接着剤の取扱いによる問題が接 着精度に不都合な影響を与えないという利点を有している。実際の接着ステップ （図７ｃ）では、接着剤が、接合により形成された中空構造体内に充填される。 この場合、接着剤入口２０と接着剤出口２１とを有するマイクロ構造体を個々に 充填するか（図６参照）、または相応して準備された複数の中空室を有する多数 のマイクロ構造体を通路システムを介して充填するか（図９参照）、または１つ の完全な中空室システムを介して多数のマイクロ構造体を充填することができる （図１０参照）。充填過程の経過は使用される接着剤の流体力学的特性に関連し ている。充填を制御するためには、接着剤入口に密に装着されるカニューレを介 して接着剤を供給することができる。接着剤の粘度および湿潤性ならびに所望の 流入速度に応じて、接着剤は、流出開口から流出するまで正圧でマイクロ構造体 内に圧送される。このときに、接着剤流および接着剤分配は中空室システムのジ オメトリにより制御される。流れプロセスの別の制御は、流出開口２１を負圧で 負荷することにより行うことができる。このことは、完全な通路システムの構造 において均一な充填のための流体力学的な前提条件を十分に正確に考慮すること ができない場合に特に必要となり得る。充填後に、接着剤の硬化が接着剤の規格 に応じて行われる。

【００２０】 このような手段のためには、許容可能な圧力でマイクロ通路およびマイクロ中 空室内に圧送することのできる、満足し得る付着力を有する全ての接着剤が適し ている。さらに接着剤の表面張力、ひいては接合部分との協働による毛管特性も 特に重要となる。高湿潤性の接着剤は、極めて小さなギャップに侵入する特性を 有している。したがって、上で説明したように接着部分に導入される接着剤がｎ ｍ（ナノメータ）域の粗さにより、接着部分に押圧されたウェブの下を通って漏 出する恐れが生じる。このことは特にマイクロ構成部分の機能にとって望ましく ない。一般にこのような望ましくない効果は、接着剤が、接着中空室とは反対の 側に向けられたウェブ縁部を越えて流れて、接着剤不含の状態に維持したいマイ クロ構造体を湿潤するようなことがなければ、マイクロ構成部分の機能故障を生 ぜしめる恐れはない。ウェブの下を通る接着剤の流入を完全に遮断したい場合に は、ウェブ下方の完全なシールを生ぜしめる、位置調整されていない中間ステッ プにより接着プロセスを拡張することができる。このためには、ウェブを有する マイクロ構造体がポンチ法において、平らな基板に一定の厚さで塗布された、高 粘性でかつ化学的に安定した層と接触させられる。このような層は、たとえば接 着後に溶剤を用いて再び残分なしに洗出することのできる工業グリースである。 ウェブが接着部分に押圧されると（図７ｂ）、表面粗さのオーダで被着された層 は接着剤不含の機能範囲から接着中空室を完全にシールする。毛管作用による接 着剤の侵入はもはや行われない。

【００２１】 さらに、処理温度が接合部分を破壊したり損なったりしない限りは、溶融接着 剤の使用も考えられる。この場合、接着部分は充填前に接着剤の処理温度にまで もたらされなければならない。

【００２２】 また、２つよりも多い接着部分を接着に関与させることも可能である。このこ とは、たとえば図１１に示した実施例におけるように第１の構造体２８，２６を 第２の構造体３１に接着させるために補助構造体３２が使用される場合に云える 。補助構造体３２に基づき、接着剤を供給したい範囲は、接着剤不含の状態に維 持されなければならない範囲から隔離され、各接着部分の間での所望の間隔が正 確に維持される。この補助構造体３２は１つまたは複数の部分から成っていてよ い。また、この補助構造体３２は別個に導入されるか、または接着部分のうちの １つに一体に形成されていてもよい。

【００２３】 １実施例につき、マイクロポンプの各個別構成要素の製造を説明する： ３つの個別構成要素、つまり図１に示したマイクロポンプにおけるポンプハウ ジング上側部分１、被着された金属構造体４を有するポンプダイヤフラム３およ びポンプハウジング下側部分２はそれぞれ別個に製造される。したがって、各個 別構成要素は組立前に検査することができる。

【００２４】 本体、成形挿入体、作業経過： ポンプハウジング上側部分１とポンプハウジング下側部分２とは、マイクロ構 造化された型取り工具を用いてプラスチック加工法、つまり射出成形法および真 空圧刻成形法により製造される。図２には、図１のポンプハウジング上側部分１ のための型取り工具の構造が例示されている。プラスチック型取り装置に挿入す るために準備された、型取り面で研削されかつ研磨された黄銅から成る半製品は 、硬質金属製のマイクロフライス（直径：３００μｍ）を用いて構造化される。 この半製品は請求項２に記載の弁座のための構造を有していてもよいし、請求項 １に記載のマイクロポンプの機能範囲と接着範囲とを隔離するための構造体を有 していてもよい。ポンプハウジングが一定の幅（フライス幅）のウェブと少数の 弁座とからしか成っていないことに基づき、成形挿入体は短い機械時間で単純な ジオメトリの溝の形でフライス加工することができる。第１の型取り工具には、 １２個のポンプハウジング上側部分１のための構造体が設けられており、第２の 成形挿入体には、１２個のポンプハウジング下側部分２のための構造が設けられ ている。

【００２５】 プラスチックポンプ本体を製造するために、真空圧刻成形装置のパラメータも 、射出成形機のパラメータも、型取りされた部分の全厚さが１ｍｍとなるように 設定される。材料としては、プラスチックのポリスルホン（ＰＳＵ）（射出成形 機において）およびポリビニルジフルオリド（ＰＶＤＦ）（真空圧刻機において ）が使用される。上記材料は高い化学的耐性、透光性および耐熱性によりすぐれ ている。全てのプラスチックの、ポンプ運転のために不都合な材料特性は、金属 や半導体に比べて低い熱伝導率である。プラスチック製のポンプハウジングを使 用する結果は、ポンプの運転時に導出される熱出力が同じ厚さの金属から成るポ ンプハウジングに比べて小さくなり、ひいては過剰加熱を回避するためにポンプ を小さな出力で運転することができることである。ポンプハウジングの全厚さを 極めて小さく設定し、かつ高い熱伝導率のベース基板に対する集中的な熱コンタ クトと、場合によってはヒートシンクとを形成することにより、不都合を回避す ることができる。層厚さの減少は型取りパラメータの設定、超音波フライスを用 いた後加工またはプラズマエッチングステップにより行うことができる。流体入 口および流体出口（図１の符号５，７）、接着剤供給部および通気部（図１の符 号２０，２１，２２，２３）のための孔ならびに電気的な一貫した連続接触接続 のための孔は、まだ成形挿入体の設計には考慮されておらず、あとから直径０． ４５ｍｍおよび０．６５ｍｍのドリルを用いて穿孔される。

【００２６】 製造過程ＰＩ，Ｔｉ： マイクロポンプのコア部分は、直接に被着された加熱コイルを有するポリイミ ドシートである。多数の個別ポンプのために唯一つのマスクを用いてリソグラフ により構造化されるポリイミドシートは、個々のポンプダイヤフラムの役目も、 弁ダイヤフラムの役目をも引き受ける。ポリイミドシートには、薄膜技術の方法 を用いて導電性の層が被着される。この層は個々のポンプダイヤフラムの範囲で 構造化されて加熱コイルを形成する。加熱コイルの電気的な接続のためのコンタ クト面は、それぞれポンプダイヤフラムの外側に位置している。次に、構造化さ れたポリイミドシートおよび加熱コイルの製造プロセスを、製造されたポンプの 実施例につき詳しく説明する（図８ａ、図８ｂ、図８ｃ、図８ｄおよび図８ｅ参 照）。薄膜プロセスのための支持基板としては、１００ｍｍの直径を有するシリ コンウェーハが使用される。ポリイミドシートは第１の接着後にウェーハから分 離されなければならないので、薄い金から成る分離層２７がウェーハにスパッタ リング被覆される（図８ａ）。５ｍｍの縁部３３はスパッタリングプロセスの間 、ウェーハを円形に取り囲むようにカバーされ、これによりこの場所でシリコン 基板に対するポリイミドの付着が維持され、ひいてはウェーハからのポリイミド シートの早期の剥離が阻止される。引き続き（図８ｂ）、シバガイギ（ＣＩＢＡ −ＧＥＩＧＹ）社のフォト構造化可能なポリイミド・プロビミデ（Ｐｒｏｂｉｍ ｉｄｅ）４０８のポリイミド層２８が、ラッカースピン塗布器によって３μｍの 厚さにまでスピン塗布されて、熱処理ステップで乾燥させられる。乾燥させられ たラッカー層は引き続き、コンタクト法で紫外線３４で照射される。使用される ポリイミドがネガラッカーであるので、このために使用されるクロムマスク２９ により、ポリイミドシートを残したい範囲は照射され、現像時に溶出させたい範 囲は遮蔽される。この、現像時に溶出させたい範囲は弁１５の孔および種々の位 置調整マークとなる。続いて、ポリイミドの現像および真空炉中でのポストベー クが行われる（図８ｃ）。

【００２７】 ポリイミドの構造化後に、チタン層３０がマグネトロンスパッタリングによっ て２μｍの厚さで被着され、これによりポリイミドに対する良好な付着を有する 加熱コイル１５が構造化される。チタン層３０はポジラッカーＡＺ４２１０によ るリソグラフ処理および引き続き行われる、フッ化水素酸含有の溶液中でのエッ チングプロセスにより構造化される。使用されるフォトラッカーの照射は、ポリ イミド層に設けられた位置調整マークと、チタン層を構造化するためのマスクに 設けられた位置調整マークとにより位置調整されて行われる。図８ｅには、補助 基板に設けられた、完成したダイヤフラム構造が示されている。

【００２８】 チタン層を製造する際にスパッタリングパラメータ（温度、バイアス電圧、ガ ス流およびプラズマを発生させる電力）は、チタンに内部引張応力が形成される ように調節される。したがって、加熱コイルはチタン層に応じて、同じく引張応 力を受けている。加熱コイル４とポリイミドダイヤフラム３との複合体をシリコ ンウェーハ２６から剥離させた後に、ポリイミドよりもはるかに高い弾性モジュ ールを有するチタンはポリイミドシートと共に収縮する。ポリイミドシートはこ のときに圧縮される。被着された加熱コイルのこのような形状付与に基づき、ポ ンプダイヤフラムが引張応力を有しないだけではなく、垂れ下がることも達成さ れる。このように垂れ下がったポンプダイヤフラムを変位させるためには、ほと んどエネルギを使用しなくて済む。加熱コイルが二重渦巻き体として形成される と、基板の引き離し後に加熱コイルの応力減少により、加熱コイル長さの減少が 得られる。これによりジオメトリの法則に基づき、ポリイミドダイヤフラムの内 側に設けられた範囲は、弾性的な材料延伸に比べて大きな、中心へ向かう半径方 向移動を受けるようになる。このような移動はダイヤフラムの湾曲を生ぜしめる 。ダイヤフラムの湾曲は、接線方向の配向の別の任意の構造体がダイヤフラムを 取り囲むように設けられるか、またはダイヤフラム自体に設けられることによっ ても達成することができる。このような構造体とは、閉じた円形体または中断さ れた円形体、閉じた多角形体または中断された多角形体または螺旋状に配置され た、閉じた多角形体または中断された多角形体であってよい。

【００２９】 直接に加熱コイルに被着された加熱コイルは２つの大きな利点を有している。 つまり第１に、加熱段階においてポンプハウジングへの熱伝達が最小限に抑えら れる。第２に、アクチュエータ媒体として低い沸点を有する液体が使用される場 合に、圧送された媒体によるアクチュエータ媒体の再凝縮が加熱コイルの個所で 行われる。これにより、次の加熱段階の開始時では、加熱コイルがアクチュエー タ液との最適な熱接触状態にあることが達成される。

【００３０】 ダイヤフラム材料としてポリイミドを使用する代わりに、別のプラスチックま たは金属を使用することもできる。ただし、金属ダイヤフラムの場合には、ダイ ヤフラムと加熱コイルとの間に付加的な電気絶縁層が設けられなければならない 。

【００３１】 マイクロダイヤフラムの組立て： こうして製造された個別構成要素、すなわちポンプハウジング上側部分、ポン プハウジング下側部分およびチタン加熱コイルを備えたポリイミドダイヤフラム は、欠陥の有無を検査され、次いで接着できる状態となる。上記３つの個別構成 要素は前記２つの接着過程（図７ａ、図７ｂ、図７ｃ、図７ｄ、図７ｅおよび図 ７ｆ）により互いに接着される。このためには、簡単な装置３５が使用される。 接着部分はこの装置３５に挿入されて、互いに位置調整され、引き続き互いに緊 締される。第１の接着過程では、シリコン基板２６に設けられたポリイミドシー トが、特にアクチュエータ室と全てのポンプ接続部とを有するポンプハウジング 上側部分１と接着される（図７ａ、図７ｂおよび図７ｃ）。マイクロポンプの無 支持状態のダイヤフラム範囲においてさらに応力を減少させるためには、位置調 整、張設および接着剤充填が約１００℃で行われる。ＰＳＵもしくはＰＶＤＦか ら成るポンプハウジングはシリコン基板よりも著しく高い熱膨張率を有している ので、既に接着部分の横寸法は、１００℃にまで一緒に加熱された後ではじめて 完全に互いに正確に嵌合するように互いに調和されている。室温では、基板２６ に設けられたダイヤフラムと加熱コイルの構造寸法が、ポンプハウジングの対応 する寸法よりも大きく形成されている。接着が行われた後に接着部分が再び室温 にまで冷却されると、プラスチックポンプハウジングの収縮によりダイヤフラム の圧縮が行われる。

【００３２】 １５０℃で接着部を完全に硬化させた後に、連繋した、接着固定されたポンプ ハウジング上側部分１を備えたウェーハは緊締装置３５から取り出され、ポリイ ミドシートは方形のプラスチック部分を円形に取り囲むように切り込まれる。冷 却が進行するにつれて、ポリイミドシートは切り込まれた縁部から出発して、プ ラスチック部分、つまりポンプハウジング上側部分１の、冷却に基づく収縮によ って助成されて自動的にシリコンウェーハから剥がれる（図７ｄ）。

【００３３】 続いて、第２の接着ステップにおいて、ポンプハウジング下側部分２が同様に してダイヤフラム面と接着される（図７ｅおよび図７ｆ）。ポンプの運転を開始 するためには、所要の電気接続部および流体接続部が設けられ、ポンプは個別化 される。

【００３４】 上記ポンプは１５Ｖの電圧および３Ｈｚの周波数で運転される。電圧はそれぞ れ５８ｍｓで印加される。平均的に供給される電力は０．２７Ｗである。２６ｍ ｌ／分の空気圧送速度が測定される。ポンプダイヤフラム３がポンプ室１６の底 部にまで変位することは肉眼でもはっきりと認めることができる。また、ポンプ ダイヤフラムの運動と同期化された、弁ダイヤフラムの開閉も顕微鏡で観察され る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案によるマイクロポンプの概略的な横断面
図である。

【図２】マイクロポンプを製造するための型取り工具を
示す概略図である。

【図３】マイクロポンプにおいて使用される弁の基本的
な構造を横断面図および平面図で示す概略図である。

【図４】弁開口およびダイヤフラム緊締部の種々の輪郭
形状を示す概略図である。

【図５ａ】弁の１実施例を示す横断面図である。

【図５ｂ】弁の別の実施例を示す横断面図である。

【図５ｃ】弁のさらに別の実施例を示す横断面図であ
る。

【図６】マイクロポンプのハウジング下側部分の平面図
である。

【図７ａ】接着過程の第１の段階を示す概略図である。

【図７ｂ】接着過程の別の段階を示す概略図である。

【図７ｃ】接着段階のさらに別の段階を示す概略図であ
る。

【図７ｄ】接着段階のさらに別の段階を示す概略図であ
る。

【図７ｅ】接着段階のさらに別の段階を示す概略図であ
る。

【図７ｆ】接着段階のさらに別の段階を示す概略図であ
る。

【図８ａ】加熱コイルの製造プロセスの第１の段階を示
す概略図である。

【図８ｂ】加熱コイルの製造プロセスの別の段階を示す
概略図である。

【図８ｃ】加熱コイルの製造プロセスのさらに別の段階
を示す概略図である。

【図８ｄ】加熱コイルの製造プロセスのさらに別の段階
を示す概略図である。

【図８ｅ】加熱コイルの製造プロセスのさらに別の段階
を示す概略図である。

【図９】多数のマイクロ構造体を接着剤で充填するため
の通路システムを示す概略図である。

【図１０】多数のマイクロ構造体を接着剤で充填するた
めの１つの中空室システムを示す概略図である。

【図１１】補助構造体を使用する実施例を示す概略図で
ある。

【図１２ａ】２つのマイクロ構造体の間で接触剤を収容
するための凹面状の構造体の１実施例を示す横断面図で
ある。

【図１２ｂ】２つのマイクロ構造体の間で接触剤を収容
するための凹面状の構造体の別の実施例を示す横断面図
である。

【符号の説明】

１ ポンプハウジング上側部分、 ２ ポンプハウジン
グ下側部分、 ３ ダイヤフラム、 ４ 加熱コイル、
１０ 弁座、 １１ 孔、 １４ 弁座、１５ 孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 ゲルハルト シュテルン ドイツ連邦共和国 Ｄ−76327 プフィン ツタール グレッツィンガー シュトラー セ 30 (72)考案者 ヴォルフガング ケラー ドイツ連邦共和国 Ｄ−76707 ハムブリ ュッケン ブーヘンヴェーク 10 (72)考案者 ディーター ザイデル ドイツ連邦共和国 Ｄ−76344 エッゲン シュタイン−レオポルツハーフェン ヴュ ルッテムベルガーシュトラーセ １ (72)考案者 ディーター マース ドイツ連邦共和国 Ｄ−68723 オフター スハイム アウグスタシュトラーセ 44

Claims (4)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 マイクロダイヤフラムポンプであって、
   ポンプハウジング上側部分と、ポンプハウジング下側部
   分と、両ポンプハウジング部分の間に配置されたダイヤ
   フラムとが設けられており、ポンプハウジング上側部分
   とポンプハウジング下側部分とダイヤフラムとが、一緒
   になってポンプ室と、２つの弁と、流れ通路とを形成し
   ており、しかもダイヤフラムがポンプ室の範囲でポンプ
   ダイヤフラムを形成しており、ダイヤフラムが弁の範囲
   で弁機能のそれぞれ一部を引き受けており、さらにポン
   プダイヤフラムのための駆動装置が設けられている形式
   のものにおいて、ポンプダイヤフラム（３）に結合され
   た加熱エレメント（４）が設けられており、さらに各ポ
   ンプハウジング部分（１，２）に１つまたは複数の互い
   接続された溝システムが設けられており、該溝システム
   が、ダイヤフラムに向かって開いていて、しかも該溝シ
   ステムとダイヤフラムとが、それ自体閉じた連繋した中
   空室システムを形成しており、該中空室システムが接着
   剤で完全に充填されていることを特徴とするマイクロダ
   イヤフラムポンプ。
2. 【請求項２】 加熱エレメント（４）が、電気的に加熱
   可能な加熱コイルとして形成されている、請求項１記載
   のマイクロダイヤフラムポンプ。
3. 【請求項３】 ポンプダイヤフラムと弁ダイヤフラムと
   が、唯一つの連繋した構造体の一部である、請求項１ま
   たは２記載のマイクロダイヤフラムポンプ。
4. 【請求項４】 弁が、両ポンプハウジング部分（１，
   ２）に構造化された弁座（１０，１４）と、ダイヤフラ
   ムに設けられた孔（１１，１５）とから形成されてい
   る、請求項１から３までのいずれか１項記載のマイクロ
   ダイヤフラムポンプ。