JP3111319B2 - 位置検出器を備えた弁及び前記弁を組み込んだマイクロポンプ - Google Patents

位置検出器を備えた弁及び前記弁を組み込んだマイクロポンプ

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、位置検出器を装備し、弁本体が、フォトリ
ソグラフィ・テクノロジまたは同様のテクノロジといっ
た微小機械加工技法を用いてシリコン・プレートに機械
加工することによって形成されるタイプの弁、及び、こ
うした弁を組み込んだマイクロポンプに関するものであ
る。
これらのマイクロポンプは、特に、そのままで、薬物
の投与に利用することができるし、オプションで、マイ
クロポンプを小型化することによって、体内に永久移植
することも可能である。このポンプによって、小量の流
体を精確な用量で注入することが可能になる。
こうしたマイクロポンプについては、特に、1988年の
「Sensors and Actuators」153〜167頁に記載された
H.van Lintel他による論文「Ａ piezoelectric mi
cropump base on micromachining of silicon」に
解説されている。これらのポンプは、基本的に、３つの
ウェーハのスタック、すなわち、２つのガラス・ウェー
ハの間にシリコン・ウェーハを挿入したものから構成さ
れる。
ガラス・ウェーハの１つと共に、ポンプ室を形成する
キャビティ、ポンプ室を、それぞれ吸い込みチャネル及
び吐き出しチャネルにつなぐ吸い込み弁及び吐き出し
弁、及び調整弁を形成するため、シリコン・ウェーハに
エッチングが施される。ポンプ室の壁面の１つに、制御
素子、例えば、圧電ディスクが設けられる。この圧電デ
ィスクは、電圧を印加されると、変形し、これによっ
て、ポンプ室の壁面を変形させる、従って、その容積を
変化させることができるようになっている。
マイクロポンプの機能は次の通りである。休止時、吸
い込み弁及び吐き出し弁は閉位置につく。電圧が加えら
れると、ポンプ室の壁面が変形し、吐き出し弁が開くま
で圧力が上昇する。ポンプ室に含まれる流体は、吐き出
しチャネルに押しやられる。この段階の間、吸い込み弁
は、ポンプ室の優勢な圧力によって閉じた状態に保持さ
れる。しかし、電位が除去されるか、あるいは逆になる
と圧力が低下する。この結果、吐き出し弁が閉じ、吸い
込み弁が開くことになる。従って、流体はポンプ室に吸
入される。
このマイクロポンプには、ポンプ室内に気泡が存在す
る場合、圧電ディスクに信号が加えられても吐き出し弁
が十分に開かなかったり、圧電ディスクに加えられた信
号によって吐き出し弁が開いてもその後で直ぐに閉じて
しまったり、また、吐き出しチャネルにおける圧力の上
昇に起因して吐き出し弁の開状態が長引いてしまうなど
の誤動作を生じる問題があった。マイクロポンプは、と
りわけ、薬物の投与に有効であるが上述の誤動作を生じ
ると、正確な用量の薬物が投与できなくなることから、
マイクロポンプが正確に機能しているかをモニタするこ
と、すなわち誤動作が起きていないかどうか検出するこ
とが求められていた。しかしながら、上記のような誤動
作の検出を可能とする弁ないしマイクロポンプは実現さ
れていない。
したがって、本発明は、上記誤動作の検出を可能とす
るため、弁の位置を検出する位置検出器を備えた弁を提
供することを目的とするものである。また、係る位置検
出器を備えたマイクロポンプを提供することも目的とし
ている。
本発明における位置検出器には、弁本体の背面に設け
られた第１の電気的接点と、弁が閉状態になると前記第
１の電気的接点が機械的接触する第２の電気的接点と、
前記第１および第２の電気的接点との間に形成される電
気的インピーダンスに感応する検出回路とを有して、こ
の検出回路は前記機械的接触の期間を示す出力を生成し
て、上記誤動作の検出を可能とすることを特徴とするも
のである。
すなわち、本発明の目的は、第１のウェーハと、この
第１のウェーハに結合されて弁座を形成することになる
第２のウェーハから構成される弁において、弁が開位置
につくと、弁本体と第１の電気的接点の間に機械的接触
が生じるような距離をおいて、弁本体の背面に面する第
１の電気的接点と、前記機械的接触による影響え前記第
１の電気的接点との間に電気的インピーダンスを生じる
ようになっている第２の電気的接点と、前記電気的接点
間における電気的インピーダンスに感応する検出回路か
ら成る位置検出器が設けられていることを特徴とする弁
を提供することにある。
こうして、弁本体と第１の電気的接点との間の機械的
接触によって、弁の開位置と閉位置との間における電気
的インピーダンスの差が可能な範囲で最大値になること
が保証される。
本発明のもう１つの目的は、こうした位置検出器を備
えたマイクロポンプを提供することにある。
本発明の特色をなす特徴及び利点については、例示の
ための下記説明によってさらに明らかにされるが、これ
は、制限を加えるためのものではない。
図面の簡単な説明 添付の図面に言及すると、 図１には、本発明による弁を備えたマイクロポンプの
ラインＩ−Ｉに沿った略断面図が示されている。
図２は、図１に示すマイクロポンプの中間ウェーハに
関するラインII−IIに沿った平面図である。
図３及び４には、本発明第１の実施例による弁の、そ
れぞれ、閉位置と開位置における断面が示されている。
図５には、図３及び４の弁に用いるのに適した検出回
路の概略図が示されている。
図６及び７には、本発明第２の実施例による弁の、そ
れぞれ、閉位置と開位置における断面が示されている。
図８は、図６及び７の弁に用いるのに適した検出回路
の概略図である。
図9aには、本発明第３の実施例による弁の断面が示さ
れており、図9bは、図9aのラインIX−IXに沿った平面図
である。
図10には、本発明の第４の実施例による弁の断面が示
されている。
まず第１に、本発明による弁を備えたマイクロポンプ
を示す、図１及び２を参照する。
分かりやすくするため、マイクロポンプにおける各種
ウェーハの厚さは、図面中においてかなり誇張されてい
ることに留意されたい。
このマイクロポンプは、それぞれ、ポンプの吸い込み
チャネルと吐き出しチャネルを構成する２つのチャネル
４及び６が通った、例えば、ガラス製のベース・ウェー
ハ２を備えている。これらのチャネルは、それぞれ、コ
ネクタ８及び10に通じている。
コネクタ８は、それ自体、ポンプで送り出す液体物質
を収容しているリザーバ14に接続された管12に通じてい
る。このリザーバは、外部からリザーバの有効容積を分
離する穴のあいたキャップと可動ピストン16によって密
封されている。例えば、ポンプを利用して、人体に正確
な用量の薬物を注入するといった状況の場合、このリザ
ーバには、その薬物を収容しておくことができる。この
用途の場合、マイクロポンプを患者の体に取り付けるこ
ともできるし、あるいは、移植することも可能である。
吐き出しコネクタ10は、管18によって接続された注射
針（不図示）に接続することができる。こうしたやり方
によるマイクロポンプの利用は、小量ずつ、規則正しい
間隔で、正確な用量の薬物を投与することが望ましい、
ある種の癌をペプチドで治療する場合に、とりわけ適し
ている。可能性のあるもう１つの用途は、糖尿病患者の
治療のためにインシュリンを注入することである。
シリコンまたはフォトリソグラフィ技法によってエッ
チングを施すことの可能な他の任意の材料によるウェー
ハ20が、ガラス・ウェーハ２に結合される。このウェー
ハ20には、吸い込み弁22、ポンプ室24、及び吐き出し弁
26（調整弁を形成する）を形成するため、機械加工が施
される。ガラス製シーリング・ウェーハ28が、吸い込み
弁22の上方のウェーハ20に結合され、圧電ディスク30
が、吐き出し弁26の上方に位置するポンプ室24の壁面及
びガラス支持体32に結合されている。
吸い込み弁22は、その中心近くにオリフィス36を備え
るほぼ円形の薄膜34、及び吸い込みチャネル４の側面に
隣接した環状シーリング・リング38から構成される。こ
の環状シーリング・リングは、薄い酸化物の層によって
カバーされており、この層が、シーリング・リングをガ
ラス・ウェーハ２に向かって押しやる働きをする所定の
圧迫を、薄膜34に対してあらかじめ加えるようになって
おり、これによって、このウェーハは、弁座の働きをす
ることになる。この弁が開くと、吸い込みチャネル４
は、オリフィス36及びもう１つのオリフィス40によって
ポンプ室と通じることになる。
吐き出し弁26は、やはり、オリフィスのないほぼ円形
の薄膜42と、吸い込み弁の場合と同様、薄い酸化物の層
でカバーされた環状シーリング・リング44を備えてい
る。この弁が開くと、ポンプ室24と吐き出しチャネル６
を直接通じさせることが可能になる。
最後に、留意しておくべきは、ポンプ室の容積を変動
させる圧電ディスクは、圧電ディスクの面に配置された
電極（不図示）を介して、２つの導電体46及び48によっ
て電圧源50に接続されている。
本発明によれば、吐き出し弁26には、位置検出器が装
備されている。弁の逆の面（すなわち、この実施例の場
合、ポンプで送られる流体に接触しない側）に示された
突出部56、及び、支持体32が、この検出器の一部を形成
している。次に、検出器の２つの特殊実施例について説
明する。
図３〜図５には、検出器が容量タイプである第１の実
施例が示されている。
良好な形状制御のため、薄膜の横方向の有効寸法が、
弁の前面からの浅いエッチングによって形成される。ま
た、この場合、弁は、薄膜に熱酸化物を有している。こ
れによって、薄膜に十分な予張力が加えられる。薄膜の
場合、変形が大きくなる可能性がある。
例えばガラス製にすることが可能な支持体32は、ウェ
ーハ20に結合された面にグループ52を設けることができ
る。例えば、Au、Al、あるいは、インジウム・スズ酸化
物（ITO）による電極54が支持体32に形成される。電極5
4（第１の電気的接点）と、弁26の背面、すなわち、突
出部56の表面の上部との距離は、弁が開位置につくと、
弁本体と電極54との間に機械的接触が生じるようになっ
ている。電極54とシリコン・ウェーハ20との間の寄生容
量を減少させるため、やはり、ウェーハ20にグループ55
を形成することによって、それらの間の距離を増すこと
が可能である。また、突出部56の上部表面は、例えば、
薄い（約１μｍの厚さ）酸化層を利用して、絶縁するこ
とが可能である。
従って、弁26が閉じると（図３）、弁と電極54との間
の距離（検出器のギャップ53）は、約５μｍになるが、
弁26が開くと（図４）、弁と電極は、互いに接触する。
図５に示す略回路図には、弁の位置が示されている。
図５の回路には、交流源に接続された一端および電極54
に接続された他端を持つ抵抗器58と、3Vの直流源に接続
されたコレクタおよび電極54に接続されたベースを持つ
トランジスタ60と、トランジスタ60のトランスミッタと
アースの間に配置された抵抗器62から構成されている。
弁26は（利用される装置に応じて、抵抗性、又は、容量
性、又は、抵抗性かつ容量性である）スイッチ64の働き
をする。シリコン・プレート20は、装置に対して、直接
にまたは圧電ディスクの制御回路の導体46を介して、接
続される。そして、図５中のコンデンサ66は、電極54と
シリコンプレートの弁26との間の容量を表している。
この実施例では、導体46は、電気的接点の１つ（第２
の電気的接点）をなし、ウェーハ20に接続されている。
ウェーハ20に電気的に接続するだけで、例えば空気コン
デンサが形成され得る。
例えば、30KHzの高周波信号（得られる検出信号に、
コンポーネントのインピーダンスと、圧電ディスクの制
御信号との干渉の回避とを考慮して、弁位置の関数とし
ての十分な変調が含まれるような信号）が、抵抗器58を
介して電極54に加えられる。トランジスタ60のエミッタ
から検出される信号は、弁の開位置または閉位置の関数
である。
検出信号の持続時間によって、ポンプ室内の気泡の存
在による誤動作（弁が十分に開かなかったり、圧電ディ
スクに加えられた信号によって弁が開いた後、再び急に
閉じてしまうような事態）と、マイクロポンプの吐き出
しチャネルにおける高圧による誤動作（弁の開いた状態
が長引く事態）との区別が、可能になる。
さらに、マイクロポンプは、吐き出し口の圧力が高す
ぎる場合を除き、通常のポンプ動作時に、弁が開位置に
達することのないように構成し、あるいは、操作するこ
とが可能である。こうした場合、吐き出し口の高すぎる
圧力または閉塞の検出に限って、本発明が十分に利用さ
れることになる。
場合によっては、受動的検出タイプの回路を用いるこ
とも可能である。圧電ディスクに信号が加えられると
（約130Vの直流信号）、弁が開位置にある場合には（図
４）、トランジスタ60のトランスミッタに、短い干渉信
号が生じる。ただし、この信号は、再現可能性が低い。
この信号を取り除くためには、検出ラインと直列に小形
のコンデンサを追加すればよい。
図６〜図８には、位置検出器が抵抗器タイプである第
２の実施例が示されている。
図６及び図７は、電極54に向かい合った弁26の背面
に、補助電極68（第２の電気的接点）が設けられている
点を除けば、図４及び図５と同一である。この電極は、
例えば、Au、Al、または、インジウム・スズ酸化物製と
することが可能であり、グループ52に収容されるのと同
じ材料による導体70に接続される。
図８には、検出回路の概略が示されている。この回路
は、電極54と、例えば30KHzの交流電圧といった電圧源
の間に配置された抵抗器から構成される。導体54におけ
る交流電圧の有無は、弁の開位置または閉位置を表して
いる。図５の回路の場合と同様、回路の閉じているのを
検出し、この閉じた状態の持続時間を測定することによ
って、マイクロポンプの誤動作の発生及びその性質に関
する情報が得られる。
図６及び図７の実施例の場合、弁の背面に電極の１つ
が設けられている。電極が別個に形成される、すなわ
ち、堆積するのを回避する方法がある、すなわち、両方
の電極（54,74）を互いに間隔をあけて支持体32に設
け、弁が開位置についた時、両方とも、弁に接触するこ
とがないようにするだけでよい。こうした構造が、図６
及び図７のものと同じ構成要素に同じ参照番号が付けら
れた、図9aに示されている。電極54および電極74（第２
の電気接点）は、図9bに示すような半ディスク形状にす
ることが可能であり、電気的接続は、グループ（図３及
び図６と同様のグループ）を介して行うこともできる
し、あるいは、支持体32の電気メッキした通り穴76、78
を介して行うこともできる。
弁の開位置、すなわち、弁と電極との接触時の検出
は、抵抗タイプでも、あるいは、容量タイプでも可能で
ある。後者の場合、接触は、第１の実施例に比べると、
クリティカルではなく、液体を通るバイパス電流が大幅
に減少するという利点がある。
本発明によるマイクロポンプは、とりわけ、薬物の注
入に用いることを意図したものである。従って、こうし
たマイクロポンプは、弁の精確な開閉を必要とする。し
かし、シリコン・ウェーハのエッチングの深さを制御す
るのは、比較的容易であるが、シリコンの厚さは、その
全表面にわたって一定というわけではなく、逆に、かな
りの変動を示すので、弁の薄膜の厚さを制御するのは、
より困難である。薄膜の厚さは、予張力の量、従って、
最終的には、弁の開閉のパラメータを調節することにな
る。これは、大きい予張力を必要とする吐き出し弁の場
合には、とりわけ重要である。
この予張力の程度は、特に、シーリング・リングにお
ける酸化物の層の厚さによる予張力に依存する。この予
張力は、薄膜の厚さの３乗に相当する。この予張力は、
例えば、薄膜における酸化物の層によって生じる、やは
り、薄膜の厚さによって決まるが、その１乗にしかなら
ない予張力に加えられる。この従来の場合、薄膜が厚す
ぎると、シーリング・リングの酸化物による予張力と、
薄膜における酸化物による予張力を、両方とも、増大さ
せることになる。全予張力の変動は、両方の予張力の変
動の和である。シーリング・リングの酸化物によって生
じる予張力は、３次変動のため、この変動に重要な役割
を果たす可能性がある。
図10には、予張力の薄膜の厚さに対する依存度がより
少なく、これを得るための追加エッチング・ステップを
利用して、検出器のギャップ53の全てまたは一部が形成
される、本発明の第４の実施例が示されている。例え
ば、検出器は、図３〜図５の実施例と同様に、容量タイ
プであり、支持体32の電極は、支持体32に設けられた電
気メッキを施した通し穴76を介して、検出回路に接続さ
れている。この実施例の場合、追加エッチング・ステッ
プにおいてシーリング・リングのエッチングが施されて
おり（その際、薄膜にもエッチングが施されるが、この
場合、その両側にエッチングが施されている）、その酸
化層は、エッチングの深さより薄いので、シーリング・
リングの有効厚さは、その公称厚さより薄くなる。従っ
て、酸化物がシーリング・リングだけに存在し、薄膜に
は存在しない場合、シーリング・リングは、弁座と接触
することになる。従来の場合と同様に、シーリング・リ
ングが予張力を発生するのは明かであるが、この場合、
負の予張力であり、その絶対値は、シーリング・リング
を弁座と同じ高さにするために薄膜に加えられた圧力に
等しい。しかし、この場合、薄膜にも酸化物の層が形成
され（酸化物の層は、薄膜の片側に形成される場合もあ
れば、図10に示すように、両側に形成される場合もあり
得る）、弁が受ける予張力は、この負の予張力のために
減少する薄膜の曲率によって生じる予張力に等しくな
る。この状況の場合、薄膜の酸化物による予備荷重の変
動は、シーリング・リングのギャップで生じる負の予張
力の変動によってほぼ補償される。
寸法は、全予張力が、薄膜の厚さの所定の範囲におい
て、ほぼ一定のままになるように選択される。さらに、
寸法は、同じ追加エッチング・ステップで必要なシーリ
ング・リングのギャップを得るため、必要な検出器のギ
ャップと追加エッチングの整合がとれるように選択する
ことができる。この例の場合、突出部56も、同時に、エ
ッチングが施される。
図10の実施例による吐き出し弁を備えたマイクロポン
プは、平均厚さが25μｍの弁における薄膜の厚さの差が
±2.5μｍ（シーリング・リングのエッチングの深さが
約４μｍ、酸化層の厚さが約１μｍ）であるにもかかわ
らず、ほぼ同じ予張力、従って、ほぼ同じ挙動を示すこ
とが、シミュレーションによって明らかになった。
本発明による位置検出器は、下記の特性を備えてい
る。
− それぞれ、弁の開位置と閉位置（または不完全な
開放）に相当する、信号の２つの値を区別するのは、検
出器だけであるため、機械的較正が不要である。
− 外部信号の干渉に反応しない（例えば、圧電ディ
スクに対する制御信号）。
− コンポーネント及びその製作が単純で、安価であ
る。
上述の実施例に関連して、容量タイプの位置検出器
（図３〜図５）は、弁と電極54の間の電気的接触が良好
でなかったとしても、満足のゆく機能を果たすし、一
方、抵抗タイプの検出器の電気回路（図６〜図８、及
び、図9a、図9b）は、とりわけ、単純であるということ
を付け加えておくことにする。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−225085（ＪＰ，Ａ) 特表 平４−501449（ＪＰ，Ａ) 米国特許4562741（ＵＳ，Ａ) 米国特許4585209（ＵＳ，Ａ) 欧州特許出願公開339528（ＥＰ，Ａ １) 欧州特許出願公開387439（ＥＰ，Ａ １) 仏国特許出願公開2639085（ＦＲ，Ａ １) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F16K 37/00 F16K 15/14 - 15/18 F04B 43/04

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】弁体（26）を形成するように加工された第
    １のウェーハ（20）と、この第１のウェーハに取り付け
    られて弁座を形成する第２のウェーハ（２）から成る弁
    において、 弁体の位置を検出するための、 前記弁体（26）の背面に対向する第１の電気的接点（5
    4）を備え、この第１の電気的接点から前記弁体の背面
    までのギャップが、前記弁体が開位置にある時には前記
    第１の電気的接点（54）と前記弁体の背面との間に機械
    的接触が生じるよう、設定されており、 第２の電気的接点（46、68、74）であって、前記第１の
    電気的接点（54）との間に、前記の機械的接触で変化す
    る電気的インピーダンスが形成されるよう配置されてい
    る、第２の電気的接点（46、68、74）を備え、 前記第１および第２の電気的接点間における電気的イン
    ピーダンスに感応する検出回路（58、60、62、72）を備
    えている 位置検出器 が設けられていることを特徴とする弁。
  2. 【請求項２】前記第１のウェーハ（20）に、弁本体の背
    面に面した支持体（32）が取り付けられており、前記支
    持体に、前記第１の電気的接点が収容されていることを
    特徴とする請求項１に記載の弁。
  3. 【請求項３】前記弁本体の背面には、前記第１の電気的
    接点に対向する突出部（56）が備えられている、ことを
    特徴とする請求項１または請求項２に記載の弁。
  4. 【請求項４】前記第２の電気的接点（46、68）が、前記
    第１のウェーハ（20）に固定または接続されている、こ
    とを特徴とする請求項１、２又は３に記載の弁。
  5. 【請求項５】前記第２の電気的接点（68）が、前記第１
    の電気的接点と向かい合って配置された第２の電極であ
    り、前記検出回路（72）が、前記第１および第２のの電
    気的接点相互間の電気抵抗に感応する、ことを特徴とす
    る請求項４に記載の弁。
  6. 【請求項６】前記第１のウェーハ（20）が半導体材料で
    あり、前記第２の電気的接点（46）が、前記第１のウェ
    ーハに接続され、前記第１の電気的接点に対して電気的
    に絶縁され、前記検出回路が前記第１及び第２の電気的
    接点相互間の電気容量に感応する、ことを特徴とする請
    求項４に記載の弁。
  7. 【請求項７】前記支持体に、弁本体の背面に面し、前記
    第１の電気的接点から電気的に絶縁された前記第２の電
    気的接点が設けられていることを特徴とする、請求項２
    又は３に記載の弁。
  8. 【請求項８】前記検出器が、交流発生器を含む、ことを
    特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の弁。
  9. 【請求項９】前記第１のウェーハ（20）に形成された前
    記弁本体（26）には、変形可能な薄膜（42）およびシー
    リング・リング（44）が含まれ、前記シーリング・リン
    グ（44）は、前記第２のウェーハ（２）に対向してい
    て、前記薄膜（22）の変形によって前記第２のウェーハ
    （２）に接触したり（弁閉鎖）、前記第２のウェーハ
    （２）から離間したり（弁開放）でき、前記薄膜（42）
    の一部分には異なる材料の予張力付与層が設けられて、
    前記薄膜（42）にその変形を生じさせる外力が加えられ
    ていない場合に前記シーリング・リング（44）が前記第
    ２のウェーハに接触するよう、前記薄膜（42）に予張力
    を与える、ことを特徴とする請求項１〜８の何れか１項
    に記載の弁。
  10. 【請求項１０】前記ギャップ（53）を形成するための前
    記弁体の背面の加工、および、前記シーリング・リング
    （44）の加工が、少なくとも部分的には同時に行われる
    ことを特徴とする請求項９に記載の弁。
  11. 【請求項１１】第１のウェーハ（20）と向かい合って取
    り付けられる第２のウェーハ（２）を有するマイクロポ
    ンプであって、前記第１のウェーハ（20）は、前記第２
    のウェーハ（２）と組合わされると、流体を吸い込んだ
    り、吐き出したりする手段を備えるポンプ室（24）を構
    成するよう加工されており、前記ポンプ室（24）の下流
    には、請求項１〜10の何れか１項に記載の弁が設けられ
    ていることを特徴とするマイクロポンプ。
  12. 【請求項１２】第１のウェーハ（20）と向かい合って取
    り付けられる第２のウェーハ（２）を有するマイクロポ
    ンプであって、前記第１のウェーハ（20）は、前記第２
    のウェーハ（２）と組合わされると、流体を吸い込んだ
    り、吐き出したりする手段を備えるポンプ室（24）と、
    前記ポンプ室とマイクロポンプの吸い込み口（４）を選
    択的に通じさせることができる吸い込み弁（22）と、前
    記ポンプ室とマイクロポンプの吐き出し口（６）を選択
    的に通じさせることができる吐き出し弁（26）とを構成
    するよう加工されており、 前記ポンプ室の容積の周期的変動を誘導するための手段
    （30、46、48、50）を備え、前記吐き出し弁（26）は請
    求項１〜10の何れか１項に記載の弁から成っている ことを特徴とする、マイクロポンプ。
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