JP3634400B2

JP3634400B2 - バルーン流体吐出装置およびその製造方法

Info

Publication number: JP3634400B2
Application number: JP07871594A
Authority: JP
Inventors: 肇宮崎; 司村中; 孝良藤森
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1994-04-18
Filing date: 1994-04-18
Publication date: 2005-03-30
Anticipated expiration: 2020-03-30
Also published as: JPH07284646A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はマイクロマシーニング等の微小加工、接合を応用し、管による流路抵抗を用いて、入出力口の圧力差により流体の流量を制御する流体制御装置およびその製造方法に係わるものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種の流体制御装置はステンレス管およびガラス管により作製し使用されてきている。例えば特表昭６２−５０１３３３号公報の請求項３にあるように、吐出器の先端にガラス管を流体抵抗としてつけることにより流量を制御している。またステンレス管、プラスチック管を用いることもある。
【０００３】
図１０にバルーン流体制御装置の従来例を示す。
図１０（ａ）はガラスの細管である。
図１０（ｂ）は図１０（ａ）のガラスの細管を利用した流体吐出装置であり、チューブ状ハウジング内２１に設けられたエラストマー壺２２は使用前に液体が封入され、ある内圧を保っている。
【０００４】
エラストマー壺２２の中の圧力と出力口の内圧差により、流れレギュレーター２４により一定流量の流体が、チューブ２３から流出する。流れレギュレーター２４は流れレギュレーター２５によって保護されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、一般にガラス管、ステンレス管、プラスチック管などにおいては、微少な口径の穴を作製することが難しく、それゆえ微小流量の制御時に精度が取れないという欠点がある。流量は流路抵抗の一般式より開口面積の３乗に比例するため、管が小さくなるほど精度が悪くなるという欠点があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のバルーン流体吐出装置は、
（１）管抵抗により流体の流量を制御する流量制御素子と圧力を発生するバルーンを設けたバルーン流体吐出装置において、前記流量制御素子は、少なくとも一つの流路溝が形成された少なくとも１枚の流路基板と、少なくとも１枚の保持基板とを貼り合わされてなることを特徴とするバルーン流体吐出装置。
【０００７】
（２）手段１において、前記流路基板は単結晶シリコン基板であり、前記保持基板はガラス基板であることを特徴とするバルーン流体吐出装置。
【０００８】
本発明のバルーン吐出装置の製造方法は、
(３) 管抵抗により流体の流量を制御する流量制御素子と圧力を発生するバルーンを設けたバルーン流体吐出装置の製造方法であって、
前記流量制御素子は、複数本の流路溝が形成された少なくとも１枚の単結晶シリコン基板である流路基板と、少なくとも１枚のガラス基板である保持基板とを陽極接合し、前記流路基板と前記保持基板との接合部を所望の形状および本数に分割して製造されることを特徴とする。
【０００９】
（４）手段３において、該単結晶シリコン基板は（１００）単結晶シリコン基板であり、ＫＯＨ溶液などのエッチング液を用いて異方性エッチングすることによりマスク形状に応じた正確な寸法のＶミゾ状の該流路溝を形成した流量制御素子を具備することを特徴とする。
【００１０】
手段３において、前記流路基板が接合された面とは反対の面の前記保持基板を流路溝に至らない深さで前記流体が流れる方向に切削し、ブレークを行なって前記流路基板と前記保持基板との接合部を所望の形状および本数に分割して流量制御素子を製造することを特徴とする。
【００１１】
手段３において、前記流路溝に至らない深さのミゾを流路基板の該流路溝が形成された面の反対の面に形成し、該ミゾに沿ってブレークし、流量制御素子を製造することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明のバルーン流体吐出装置は、
（７）手段１のバルーン流体吐出装置において、該流路基板に少なくとも２つの異なる大きさの流入口と少なくとも１つの流出口を設けた流量制御素子および該流入口あるいは該流出口の選択手段を具備することを特徴とする。
【００１４】
（９）手段７のバルーン流体吐出装置において、流入口にフィルターを設けた流量制御素子を具備することを特徴とする。
【００１５】
（１０）手段７の該選択手段は３方弁からなることを特徴とする。
【００１６】
（１１）管抵抗により流体の流量を制御する流量制御素子と圧力を発生するバルーンを設けたバルーン流体吐出装置において、１枚の基板に穴を設けた流量制御素子を具備することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明のバルーン流体吐出装置の製造方法は、
（１２）手段１１のバルーン流体吐出装置の基板が（１１０）単結晶シリコン基板であり、該穴を異方性エッチングにより形成した流量制御素子を具備することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明のバルーン流体吐出装置は、
（１３）手段１１のバルーン流体吐出装置において、複数の流入口とそれに対応する複数の流出口を設けた流量制御素子と該流入口あるいは該流出口の選択手段を具備することを特徴とする。
【００１９】
手段１のバルーン流体吐出装置において、流入口および流出口を該流路基板の該流路溝が形成された面の反対の面に形成した流量制御素子を具備することを特徴とする。
【００２０】
【実施例】
（実施例１）
図１（ａ）は本発明のバルーン流体吐出装置に用いる流量制御素子の流路と垂直方向の正面図、図１（ｂ）は概略図である。
【００２１】
図１においてガラス基板１１、（１００）の単結晶シリコン基板１２を具備し、単結晶シリコン基板１２にＫＯＨ溶液、ＴＭＡＨ溶液などの異方性エッチングにより形成されたｖミゾ状の流路１３が形成されている。単結晶シリコン基板１２は径４インチ、３００ミクロンメーターのウエハー、ガラス基板１１は径４インチ、厚み１ミリメーターの物を用い、ガラス基板１１と単結晶シリコン基板１２は陽極接合した後に切断している。エッチングはフォトリソグラフィー技術を用いるので、精度プラスマイナス１μｍ以下の幅を形成することが可能である。また、（１００）ウエハーは異方性エッチングにより約２４度の角度でエッチングされるため、Ｖミゾ状にエッチングされ、その深さは充分な時間エッチングした場合には、エッチング時間にかかわらずエッチングの幅により一義的に決まる。よって管内の流体抵抗は断面積および管長さにより求められる。また、幅も１μｍ付近から選択自由であるので、様々な長さと断面積をもつ流路を形成することが可能である。
【００２２】
（実施例２）
図２は本発明の流量制御素子を組み込んだバルーン流体吐出装置の一例である。
【００２３】
図２において、最初バルーン３１に液体が注入され、その際にバルーン３１はある一定下の圧力となる。カバー３２によってバルーン３１は保護されている。バルーン３１に蓄えられた圧力により出力口３５に液体を押しだそうとする力が働く。ケース３３に固定された流量制御素子３４とバルーン３１の圧力と出力口３５の圧力差により、ある一定の吐出量を保つ。
【００２４】
（実施例３）
図３は本発明の流量制御素子の製造方法の一例を示している。
【００２５】
図３の（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）において左側の図は流路の垂直方向の図面、右図は線４０部における流路の断面図である。
【００２６】
図３（ａ）において単結晶シリコン基板４１にはエッチングマスク用の酸化膜４２および４４が形成されており、レジスト塗布後にパターニング、フッ酸処理した後の図である。流路形成部４３、切断部のエッチング面４５を異方性エッチングにより形成する。
【００２７】
図３（ｂ）においては、ＫＯＨ溶液などのエッチング液にて異方性エッチングを行なったあとの形状を示してある。（１００）ウエハーの場合、約２４度の角度でエッチングされていくため、パターン幅により一義的にエッチング深さが決定される。よって流路４６のごとくＶミゾ状の流路が得られる。また切断部４７は後に破断しやすいようにあらかじめエッチングされている。例えば、深さ７０ミクロンの溝が欲しい場合には、パターン幅を１００μｍとすることにより、所望の形状を得ることができる。その場合の断面積は３．５×１０マイナス９乗平方マイクロメーターの断面積が得られる。長さを１ｃｍとするならば、０．１気圧の圧力においてほぼ０．０２ｍｌ／分の流量が得られる。
【００２８】
図３（ｃ）において、単結晶シリコン基板４１とガラス基板４８を陽極接合する。陽極接合は一般的に単結晶シリコン基板を陽極、ガラス基板を陰極として、３００〜４００℃に加熱をし、５００〜１０００ｖの電界を印加することによって単結晶シリコン基板とガラス基板が接合される方法である。
【００２９】
図３（ｄ）において、ダイシングを行ない、ウエハーを切断する。流路４５と平行な面４９は全切断し、垂直部４１０は流路を完全に切断しないようにガラス部４８の上面のみ切断している。そして、切断が終了したのち、垂直部４１０の切断面に力を加え、おのおのの流量制御素子に分割する。
【００３０】
（実施例４）
図４（ａ）は２つ以上の溶液を混合可能な流体制御装置の一実施例の上面図である。入力口５１、入力口５２と入力口が２つある場合である。それぞれ圧力の同じ２つの加圧口より導入され、例えば、流入口の流体抵抗比を１：２とすると、混合比１：２の溶液が吐出口５３に得られる。ゆえに流体抵抗を変化させることにより様々な混合比の溶液を極めて簡便に選ぶことができる。
【００３１】
図４（ｂ）は断面図を示す。単結晶シリコン基板５４に設けられた流路５１、流路５２は深さが異なるが、異方性エッチングにより、流路５２のエッチングが終了する時間行なうことにより流路５１も同様に形成され、ガラス基板５５によって封止されている。
【００３２】
なお入力口は２本のみでなく、多数本あってもよい。また、流出口も複数設けてもよい。
【００３３】
（実施例５）
図５は図４の構造を用いて流路選択部を設けた流路制御部を示している。入力口６１はバルーンにつながっており、ある一定圧力で液体を押されている。三方弁６２により流体の流れ路がチューブ６３あるいはチューブ６４、またはその両方に選択される。流路６６と流路６８はそれぞれ異なる流体抵抗を持ち、流出口６９、出口６１０へとそれぞれ一定の吐出量にて液体を吐出する。接合部６７はガラス基板と単結晶シリコン基板が接合により封止されている。図の丸い部分６５はＯリングなどのシール材であり、ケース６１１や外に液体が漏れないようにしている。
【００３４】
（実施例６）
図６はフィルター付き流体制御装置の一実施例の上面図である。シリコンとガラス基板の接合部が７１である。入力口７２から導入された液体はフィルター７４を通して大きなゴミを止め流体抵抗部７３が詰まらないようにする。フィルター７４は流体抵抗部７３と比して、同サイズで流体抵抗が大きすぎないよう長さが極力短いのが望ましい。またフィルターの製作工程はフォトパターンで流体抵抗部の形成と同じプロセスで作ることが可能である。
【００３５】
（実施例７）
図７は実施例１に対してエッチング時間をコントロールして台形状の流路を形成した場合の流量制御素子の正面図である。単結晶シリコン基板８１は流体抵抗部８３を異方性エッチングにて形成している。この場合、エッチング時間をコントロールすることにより任意の深さが選択可能なため、任意の流体抵抗を選択することが可能である。そしてガラス基板８２を単結晶シリコン基板に接合している。
【００３６】
（実施例８）
図８は（１１０）単結晶シリコン基板を用いて流量制御素子を作った例である。（１１０）単結晶シリコン基板は異方性エッチングを行なうと垂直方向に対して異方性を持つため、パターンに応じた穴が形成される。よって図８（ｂ）のように流量制御素子９１に異方性エッチングにより流路９３が形成される。図８（ａ）はこれを３インチウエハーから取る場合の例である。流路９３の大きさに応じて切断部９２が決められる。この場合は単結晶シリコン基板のみで流量制御素子を形成する。
【００３７】
（実施例９）
図９は流入口および流出口を流路と反対の面に設けた流量制御素子を作った例である。図９（ａ）は流路の断面図であり、（１００）単結晶シリコン基板１０１には流路１０３、流入口１０４、流出口１０５が形成され、ガラス基板１０２と接合されている。図９（ａ）のＡ−Ａ’断面図が図９（ｂ）であり、流出口１０５が設けられている。図９（ｃ）は流量制御素子の切断後の断面図である。（１００）単結晶シリコン基板に設けられた流路１０３、流入口１０４、流出口１０５はガラス基板１０２に接合されている。切断前に保護シート１０６を流入口１０４および流出口１０５を保護するよう貼り付ける。そして切断面１０７および切断面１０８において切断をおこなう。その後に保護シート１０６を剥し流量制御素子を完成する。
【００３８】
なお、ここに示した例は一例に過ぎない。ミゾについては複数本設けることも可能であり、また、ガラス側にミゾをつけることも可能である。材料についても単結晶シリコン−ガラスだけでなく、フィルム−金属板などを利用することも可能である。
【００３９】
【発明の効果】
（１）以上記したように、本発明のバルーン流体吐出装置に用いる流量制御素子は異方性エッチングを用いることにより現状の流量制御素子では得られなかった精度が１ミクロン以下で、１０ミクロン以下の微小な口径の流路を得ることが可能となる。管深さは幅に応じて得られるので、同様にプラスマイナス１ミクロン以下が得られる。よって管断面積としても同様に得られる。ハーゲンポワゼイユの式より管抵抗は管断面積と管長さに依存する。これにより同じ管抵抗を得るために管断面積を小さくし、管長さを短くできる。よって現状と比較して流量制御素子の小型化が可能となる。
【００４０】
（２）単結晶シリコン基板を用いると、３インチ基板であれば同基板上にマスクパターンにより数１００本の流量制御素子を同時に一括形成することが可能であり、またＶミゾを形成する際には、パターン幅に応じた一定の深さでエッチングが停止するため、エッチング時間に依存せずに同じ製品が作製できる。よって、ばらつきが少ない製品が作製できる。
【００４１】
（３）接合後の基板の切断を流路部を残すようにして行なった場合、流路部を切り屑で汚染することなく作製可能となり、また後工程で切り屑の洗浄が不必要であり、また陽極接合までは通常クリーンルームで行なう工程のためにゴミの少ない流路が作製可能である。ゴミの少ない流路により均一の流体抵抗が得られるので、性能のよい流量制御素子を作製することが可能である。
【００４２】
（４）ガラス基板と単結晶シリコン基板の接合の際に接着剤などを使用することなく接合しているため、人体に薬液を注入する際でも害のない流量制御素子が得られる。
【００４３】
（５）複数本の入力口あるいは出力口を設けることにより、一つの部品で簡便にある一定混合比の得られる溶液をつくることが可能で、また入力口あるいは出力口に３方弁を設けることで、溶液の種類や量を簡便に選択することが可能となる。あるいは、３方弁により流量を段階的に制御することが可能である。
【００４４】
（６）複数本の流路抵抗の同じ流路を持つ事により、流量の選択を簡便に１本の流量の整数倍で選択可能となり、例えば電気回路により流路を選択することによりプログラム可能な分解能の高い流量制御をすることが可能となる。
【００４５】
（６）フィルターを設けた流量制御装置においては、溶液内などのゴミをあらかじめフィルター部で取り除くことが可能となるため、流量制御素子が目詰まりを起こすことなく、吐出することが可能となる。
【００４６】
（７）（１１０）単結晶シリコン基板を用いた流量制御素子においては、フォトマスク形状に応じた流路穴が形成可能であるため、基板に垂直方向に精度よく流路穴を形成可能である。そのため、単結晶シリコン基板のみで小口径で小型の流量制御素子が作製可能である。
【００４７】
（８）流入口および流出口を流路と反対の面に設けた流量制御素子においては、切断時に保護シートにて流入口、流出口を保護するため、切断時の切り屑、冷却水の流路への侵入がないため、流路を清浄な状態に保てる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のバルーン流体吐出装置の流量制御素子部の正面図、概略図。
【図２】本発明の流量制御素子を組み込んだバルーン流体吐出装置の一例の図。
【図３】本発明の流量制御素子の製造方法の一例の図。
【図４】本発明の複数本の入力口と１本の出力口を持つ流量制御素子の上面図、断面図。
【図５】本発明の図４の流量制御素子に流路選択部を設けたバルーン吐出装置の一例の図。
【図６】本発明のフィルター部を設けた流量制御素子の一例の図。
【図７】本発明の異方性エッチングをコントロールし、エッチング深さを調整した流量制御素子の一例の図。
【図８】本発明の（１１０）単結晶シリコン基板を用いて異方性エッチングにより流量制御素子を形成する一例の図。
【図９】本発明の流入口および流出口を流路と反対の面に設けた流量素子を設ける例の図。
【図１０】バルーン流体吐出装置の従来例の図。
【符号の説明】
１１・・ガラス基板
１２・・（１００）単結晶シリコン基板
１３・・Ｖミゾ流路
３１・・バルーン
３２・・カバー
３３・・ケース
３４・・流量制御素子
３５・・出力口
４０・・線
４１・・単結晶シリコン基板
４２、４４・・エッチングマスク用酸化膜
４３・・流路形成部
４５・・切断面のエッチング面
４６・・流路
４７・・切断部
４８・・ガラス基板
４９・・平行な面
４１０・・垂直部
５１、５２・・流路
５３・・吐出口
５４・・単結晶シリコン基板
５５・・ガラス基板
６１・・入力口
６２・・三方弁
６３、６４・・チューブ
６５・・丸い部分
６６、６８・・流路
６７・・接合部
６９・・流出口
６１０・・出口
６１１・・ケース
７１・・接合部
７２・・流入口
７３・・流体抵抗部
７４・・フィルター
８１・・単結晶シリコン基板
８２・・ガラス基板
８３・・流体抵抗部
９１・・流量制御素子
９２・・切断部
９３・・流路
１０１・・単結晶シリコン基板
１０２・・ガラス基板
１０３・・流路
１０４・・流入口
１０５・・流出口
１０６・・保護シート
１０７、１０８・・切断面

Claims

管抵抗により流体の流量を制御する流量制御素子と圧力を発生するバルーンを設けたバルーン流体吐出装置であって、
前記流量制御素子は、少なくとも一つの流路溝が形成された少なくとも１枚の流路基板と、少なくとも１枚の保持基板とを貼り合わされてなることを特徴とするバルーン流体吐出装置。
前記流路基板は単結晶シリコン基板であり、前記保持基板はガラス基板であることを特徴とする請求項１記載のバルーン流体吐出装置。
管抵抗により流体の流量を制御する流量制御素子と圧力を発生するバルーンを設けたバルーン流体吐出装置の製造方法であって、
前記流量制御素子は、複数本の流路溝が形成された少なくとも１枚の単結晶シリコン基板である流路基板と、少なくとも１枚のガラス基板である保持基板とを陽極接合し、前記流路基板と前記保持基板との接合部を所望の形状および本数に分割して製造されることを特徴とするバルーン流体吐出装置の製造方法。
前記単結晶シリコン基板は（１００）単結晶シリコン基板であり、異方性エッチングによってＶミゾ状の該流路溝を形成した前記流量制御素子を具備することを特徴とする請求項３記載のバルーン流体吐出装置の製造方法。
請求項３記載のバルーン流体吐出装置の製造方法であって、
前記流路基板が接合された面とは反対の面の前記保持基板を流路溝に至らない深さで前記流体が流れる方向に切削し、ブレークを行なって前記流路基板と前記保持基板との接合部を所望の形状および本数に分割して流量制御素子を製造することを特徴とする請求項３記載のバルーン流体吐出装置の製造方法。
請求項３記載のバルーン流体吐出装置の製造方法であって、前記流路溝に至らない深さのミゾを流路基板の該流路溝が形成された面の反対の面に形成し、該ミゾに沿ってブレークし、流量制御素子を製造することを特徴とする請求項３記載のバルーン流体吐出装置の製造方法。
前記請求項１記載のバルーン流体吐出装置は、前記流路基板に少なくとも２つの異なる大きさの流入口と、少なくとも１つの流出口を設けた流量制御素子および該流入口あるいは該流出口の選択手段を具備することを特徴とするバルーン流体吐出装置。
前記流入口にフィルターを設けた流量制御素子を具備することを特徴とする請求項７記載のバルーン流体吐出装置。
前記選択手段は３方弁からなることを特徴とする請求項７記載のバルーン流体吐出装置。
前記請求項９記載のバルーン流体吐出装置は、複数の流入口と該流入口
に対応する複数の流出口を設けた流量制御素子と該流入口あるいは該流出口の選択手段を
具備することを特徴とするバルーン流体吐出装置。
前記請求項１記載のバルーン流体吐出装置は、流入口および流出口を該流路基板の該流路溝が形成された面の反対の面に形成した流量制御素子を具備することを特徴とするバルーン流体吐出装置。