JP4005297B2 - Microvalves and micropumps - Google Patents

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JP4005297B2 JP2000134841A JP2000134841A JP4005297B2 JP 4005297 B2 JP4005297 B2 JP 4005297B2 JP 2000134841 A JP2000134841 A JP 2000134841A JP 2000134841 A JP2000134841 A JP 2000134841A JP 4005297 B2 JP4005297 B2 JP 4005297B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は医療分野や分析分野において用いられている、小型でかつ高精度な流体制御をおこなうマイクロバルブやマイクロポンプに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、小型で高精度な流体制御をおこなうポンプとしては、例えば図2の特開平4−66784号に記載されているポンプがある。これは2つの弁15と流体出入口4の位置関係により、それぞれが一方向バルブとして働く構造となっている。そのため、中央部の圧電素子6に電圧を印加しポンプ内部の容積変化を発生させることによって一方向の送液を実現している。また、ガラス基板13とシリコン基板14は陽極接合によって接合されている。
【0003】
また、図3の特開平5−1669号に記載されているマイクロポンプの場合、シリコン基板14上の酸化膜の犠牲層上に金属またはポリシリコン16の薄膜を形成し、さらにエッチングによって犠牲層を除去することにより金属またはポリシリコンの逆止弁を構成し、ガラス基板13上に設けた圧電素子6によりポンプを構成している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
従来のマイクロバルブやマイクロポンプにはいくつかの課題があった。図2や図3に示したマイクロポンプの場合、各層が陽極接合などの手法により、強固に接合されているため、両者を取り外すことができなかった。このため不具合が生じた際には全体を交換しなければならなく、コストが高くなるという課題を有していた。また内部に異物が混入した場合、その異物を取り除くことが非常に困難であるという問題点を有していた。また、内部容積やバルブの遮断力などの性能変更をおこなうことも困難であった。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明のマイクロバルブおよびマイクロポンプでは、ダイアフラムをアクチュエータによって変形させるアクチュエータ用基板と、バルブ部、ポンピング部、流路部などを有するカバー用基板が圧着されることによって固定される構造とする。このため、これらの基板を自由に脱着することが可能となり、異物混入の際などにはアクチュエータ用基板とカバー用基板を取り外すことによって、内部の洗浄をおこなうことが可能となる。また、バルブ部分やポンピング部分の容積や形状を変更する際にも、カバー用基板だけを交換すれば良く、アクチュエータ用基板は共通で使用することが可能となる。
【0006】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
[実施の形態1]
本実施の形態ではアクチュエータ用基板としてシリコン基板を用い、カバー用基板としてシリコーン樹脂を用いた場合のマイクロバルブの一例について説明する。
【0007】
図4は本マイクロバルブの分解図である。マイクロバルブはシリコン基板によるアクチュエータ用基板1とシリコーン樹脂によるカバー用基板2によって構成され、これら2枚の基板は密着した状態で固定される。
【0008】
まず始めにカバー用基板2について説明する。このカバー用基板2は凹部を有しており、この凹部はセパレータ3によって隔てられた構造となっている。またセパレータ3によって二つに分割された凹部は、それぞれカバー用基板2を貫くように貫通穴が形成されており、この貫通穴がマイクロバルブ内部と外部をつなぐ流体出入口4となる。なお、凹部の形状に関しては特に限定はなく、図5のように円形の凹部を用いても構わない。また流体出入口の位置に関しても特に限定はなく、図6のように流路7がそのまま流体出入口となる構造を用いることも可能である。カバー用基板2はフォトリソグラフィーの技術を用いて型を作成しておき、そこに未硬化のシリコーン樹脂を流し込んだ後に硬化させることによって、任意の形状のものを作成することができる。
【0009】
続いてアクチュエータ用基板1について説明する。本実施の形態では、まずシリコン基板に対してKOHによる異方性エッチングをおこなう。このエッチングはシリコン基板の裏面からおこない、所望の厚みのダイアフラム5が形成されるまでエッチングを続ける。ただし、シリコン基板の表面はエッチングをおこなわず平坦なままとしておく。ただしダイアフラム5のサイズは、カバー用基板2における凹部(セパレータも含む)と同じかもしくはそれよりも小さくなるようにする。両者のサイズをこのようにした理由については後述する。なお、シリコンの異方性エッチングを用いた場合、ダイアフラムの形状は四角形となるが、リアクティブイオンエッチングなどの等方性エッチングを用いれば、四角形以外の形状のダイアフラムを形成することが可能である。エッチングによって形成されたダイアフラム5には裏面から圧電素子6が接着されており、ダイアフラム5と圧電素子6のユニモルフ構造となっている。この圧電素子6に電圧を印加することによってダイアフラム5を変形させることが可能となる。このダイアフラムの変形に関しては、静電力、磁力、空気圧、形状記憶合金などを用いた各種のアクチュエータによっても実現することが可能であり、圧電素子に限定されるわけではない。またダイアフラムの形成方法にも限定はなく、アクチュエータ用基板の材質もシリコンに限定されるわけではない。
【0010】
上記のカバー用基板2とアクチュエータ用基板1は、カバー用基板2における凹部の存在する面と、アクチュエータ用基板1のエッチングがおこなわれていない面が接するような状態で圧着される(図7)。この際、カバー用基板1における凹部の中心とアクチュエータ用基板1のダイアフラム5が一致するような状態で、2枚の基板は位置決めされる。カバー用基板2にPDMS(ポリジメチルシロキサン)などの粘着性の高いシリコーン樹脂を用い、アクチュエータ用基板1に平坦度の高いシリコン基板を用いれば、特に物理的な固定をおこなわずとも、両者の間で十分な密着力を得ることができる。この場合、流体出入口4から数キロパスカル程度の圧力を加えたとしても、アクチュエータ用基板1とカバー用基板2の間から流体の漏れが生じてしまうことはない。
【0011】
また、図8に示すようにホルダ8を用いてアクチュエータ用基板1とカバー用基板2を挟み込むことによって固定する方法もある。ホルダ8はスペーサ9を介し、ねじ10によって固定されている。アクチュエータ側基板1とカバー用基板2の圧着力は、このスペーサ9の厚みによって調整することが可能である。この場合、単純に密着させただけの場合と比較して、高圧力下においても両基板の間から漏れが生じることはない。さらに、カバー用基板2側のホルダに管路を一体で成形しておくことも可能である。ホルダ8とカバー用基板の間においても高い密着性が得られるため、マイクロバルブ本体との間で漏れのない管路が実現できるようになる。
【0012】
いずれの場合においても、アクチュエータ用基板1とカバー用基板2は特に接合されているわけではないため、自由に着脱することが可能な構造となっている。なお、カバー用基板2の材質はシリコーン樹脂に限定されるわけではなく、アクチュエータ用基板1と密着性が良く、かつ着脱が可能な材質ならばどのようなものを用いても構わない。
【0013】
また、カバー用基板とアクチュエータ用基板が、両者とも密着性を有さない物質で構成されている場合においても、カバー用基板1とアクチュエータ用基板2の接触面の少なくとも一方に粘着性の薄膜を形成することによって、両者が脱着可能で、かつ高い密着性を有する構造とすることもできる。また両基板の間に熱可塑性の接着層を用い、加熱/冷却により両基板の着脱が可能な構造とすることもできる。
【0014】
両基板の位置決めを繰り返し、高精度でおこなうために、両基板にはアライメントマークが設置してある。また、少なくとも一方の基板、もしくはホルダにガイドを形成しておくことによっても、高精度な位置決めを繰り返しおこなうこともできる。
【0015】
続いて、このマイクロバルブの動作について説明する。図7ですでに示したとおり、本マイクロバルブはアクチュエータ用基板1とカバー用基板2は密着した状態となっているため、セパレータ3とダイアフラム5も同様に密着した状態となっている。このため、圧電素子に電圧を印加していなければ、二つの流体出入口4はセパレータ3によって遮断された状態となっているため、一方の流体出入口から圧力を加えたとしても流れが生じることはなく、閉じた状態が保たれる。
【0016】
一方、圧電素子6に電圧を印加すると、圧電素子6とダイアフラム5のユニモルフ構造によってダイアフラム5がたわみ、ダイアフラム5とセパレータ3の間に間隙が生じる。この間隙を流体が移動することによって、バルブが開いた状態が実現される(図9)。すなわちセパレータ3は一種のパッキンとして機能することになる。
【0017】
このように、本バルブは電圧印加によって開き、電圧印加を停止することによって開くという動作をする。また、圧電素子に印加する電圧の向きを逆にすることによって、セパレータにダイアフラムを押しつけ、より強固にマイクロバルブを閉じるという動作も可能である。
【0018】
最後にダイアフラムとくぼみ部分の大きさの関係について説明する。前述したように、ダイアフラムのサイズは、カバー用基板における凹部(セパレータも含む)と同じかもしくはそれよりも小さくなっている。すなわち、エッチングされてダイアフラムとなっている部分を、カバー用基板における凹部(セパレータも含む)が覆うような形になっている。この場合、図9ですでに示したようにダイアフラムが下向きに変形したとしても、凹部の周縁がアクチュエータ用基板1からはがれてしまうことがない。このためマイクロバルブ内部の流体がアクチュエータ用基板とカバー用基板の間から外部に漏れることはない。
【0019】
逆に、図10に示すようにダイアフラム5の面積がカバー用基板2の凹部よりも大きい場合、ダイアフラム5が下向きに変位すると、凹部の周縁においてダイアフラム5とカバー用基板2の間に剥離が生じる。この状態で流体出入口4から圧力がかかった場合、アクチュエータ用基板1とカバー用基板2を引き剥がす方向に圧力が加わるため、両基板の間から流体が漏れやすくなるという問題点がある。このため、本発明におけるマイクロバルブでは、ダイアフラム5よりカバー用基板2における凹部が大きくなるように設計をおこなう。
【0020】
上記のように、本発明におけるマイクロバルブは電圧を印加しない非駆動時において、閉じた状態が保持されるような構造となっている。このため、流体入口側と出口側の間で圧力差が存在するような状況でも、まったくエネルギの消費をすることなく流体を保持しておくことができる。さらに、カバー用基板とアクチュエータ用基板をホルダによって、スペーサを介して固定する場合は、そのスペーサの厚みによってカバー用基板とアクチュエータ用基板の圧着力を調整することができるため、スペーサの厚みを選択することによって、非駆動時における流体保持力を任意に設定することが可能となる。
【0021】
管路が一体成形されているホルダを用いれば、マイクロバルブにおける管路作成も同時に実現され、工程が簡略化されるという利点も有している。ホルダとカバー用基板も圧着されているため、漏れのない管路形成が可能となる。
【0022】
また、カバー用基板とアクチュエータ用基板が接着されていない構造となっているため、両者の着脱を自由におこなうことが出来る。このため、マイクロバルブ内部に異物が混入した際にカバー用基板をはずし、内部の清掃を容易におこなうことができるという利点を有している。さらにバルブの開閉の繰り返しによってセパレータの劣化などが生じた際には、カバー用基板だけを取り替えることも可能であり、アクチュエータ用基板はそのまま継続して使用することが可能である。このように部分的な交換が可能であるため、マイクロバルブ全体としての長寿命化をはかることができる。
【0023】
また、マイクロバルブに要求される特性に応じてカバー用基板を交換することも可能である。電圧印加によって本マイクロバルブを開いた場合、印加電圧が一定ならば、その圧力−流量特性はセパレータの幅によって決定される。セパレータ幅が異なるカバー用基板を複数個用意し、それを必要に応じて交換するだけで、異なる圧力−流量特性を有するマイクロバルブを実現することが可能となり、低コスト化も実現される。同時に、アクチュエータの電気配線や制御系に関しても共通のものを使用することが可能であるため、汎用性も高まる。
[実施の形態2]
本実施の形態ではアクチュエータ用基板としてシリコン基板を用い、カバー用基板としてシリコーン樹脂を用いた場合のマイクロポンプの一例について説明する。
【0024】
図1は本マイクロポンプの分解図である。マイクロポンプはシリコーン樹脂によるカバー用基板2とシリコン基板によるアクチュエータ用基板1によって構成され、これら2枚の基板は密着した状態で固定される。
【0025】
まず始めにカバー用基板2について説明する。このカバー用基板2には、すでに実施の形態1で説明したマイクロバルブと同じ原理で動作するバルブ部11が二つ形成されている。これらバルブ部11の中間には一つの凹部が形成されており、これは流体の吸引および吐出をおこなうためのポンピング部12として機能する。二つのバルブ部11およびポンプ部12は流路7によって接続された構造となっており、バルブ部−ポンピング部−バルブ部の順に直列に配置されている。また、両端のバルブ部にはそれぞれ流体出入口4がもうけられている。図1では流路7の幅はバルブ部11およびポンピング部12の幅よりも細くなっている例を示しているが、これらは同じ幅であっても構わない。
【0026】
続いてシリコン基板によるアクチュエータ用基板1について説明する。シリコン基板には実施の形態1で説明したものと同様のダイアフラム5が三つ形成されており、圧電素子6の接着によってユニモルフ構造となっている。これらのダイアフラムはカバー用基板2におけるバルブ部11およびポンピング部12に対応するように配置されている。
【0027】
アクチュエータ用基板1とカバー用基板2は実施の形態1で示したものと同様の方法で密着させられる。また各要素の加工法、形状、大きさ等に関しても、すべて実施の形態1で説明したものと同じとする。
【0028】
続いて、本実施の形態におけるマイクロポンプの動作について説明する。二つのマイクロバルブの開閉に関しては実施の形態1に示したとおりである。ポンピング部に関してはダイアフラムと圧電素子のユニモルフ構造によってダイアフラムが変位し、その体積変化によって流体の吐出および吸引がなされる。これら二つのマイクロバルブと一つのポンピング部を一定のシーケンスにそって駆動することにより、一方の流体出入口からもう一方の流体出入口への送液が実現される。このようなマイクロポンプは二つのバルブの開閉とポンピング部の駆動を任意におこなうことが可能であるため、3つのアクチュエータの駆動順序を変えることによって、送液の方向を変えることが可能である。また、本マイクロポンプは実施の形態1で示したマイクロバルブを二つ使用しているため、圧電素子に電圧を印加せずに閉じた状態が保たれる構造となっている。このため、流体入口側と出口側の間で圧力差が存在するような状況でも、まったくエネルギの消費をすることなく流体を保持しておくことができる。
【0029】
さらに本マイクロポンプは、カバー用基板とアクチュエータ用基板が接着されていない構造となっているため、両者の着脱を自由におこなうことが出来る。このため、マイクロポンプ内部に異物が混入した際にカバー用基板をはずし、内部の清掃を容易におこなうことができるという利点を有している。またバルブの開閉の繰り返しによってセパレータの劣化などが生じた際には、カバー用基板だけを取り替えることも可能であり、アクチュエータ用基板はそのまま継続して使用することが可能である。このように部分的な交換が可能であるため、マイクロポンプ全体としての長寿命化をはかることができる。
【0030】
一方、マイクロポンプに要求される特性に応じてカバー用基板を交換することも可能である。例えば実施の形態1で示した方法を用いることによってマイクロバルブの特性を変えることも可能であるし、ポンピング部の凹部深さや面積を変えることによって、吸引時や吐出時の特性を変えることも可能である。カバー用基板の交換だけで異なる特性のマイクロポンプが実現できるため、低コスト化も実現される。同時にアクチュエータの電気配線や制御系に関しても共通のものを使用することが可能であるため、汎用性も高まる。
【0031】
【発明の効果】
本発明のマイクロバルブおよびマイクロポンプでは、アクチュエータ用基板とカバー用基板が着脱可能な構造を用いているため、内部に異物が混入した際には、両者を取り外すことによって洗浄が可能であるという効果を有している。またパラメータの異なる複数のカバー部用基板を用意しておき、必要に応じて交換することによって、異なる特性を有するマイクロバルブまたはマイクロポンプが容易に実現されるようになる。この場合、カバー用基板だけを交換すればよく、アクチュエータ用基板は共通で使用することができるため、低コスト化も実現されるという利点も有している。またアクチュエータの電気配線や制御系に関しても共通のものを使用することが可能であるため、汎用性も高まる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のマイクロポンプの一例を示す分解図である。
【図2】従来のマイクロポンプの構造を示す断面図である。
【図3】従来のマイクロポンプの構造を示す分解図である。
【図4】本発明のマイクロバルブの構造を示す分解図である。
【図5】本発明のマイクロバルブにおけるカバー用基板の一例を示している。
【図6】本発明のマイクロバルブにおけるカバー用基板の一例を示している。
【図7】本発明のマイクロバルブの構造を示す断面図である。
【図8】カバー用基板とアクチュエータ用基板がホルダによって固定されている様子を示す断面図である。
【図9】本発明のマイクロバルブが開いている様子を示す断面図である。
【図10】カバー用基板における凹部よりもダイアフラムが大きい場合において、マイクロバルブが開いた様子を示す断面図である。
【符号の説明】
1 アクチュエータ用基板
2 カバー用基板
3 セパレータ
4 流体出入口
5 ダイアフラム
6 圧電素子
7 流路
8 ホルダ
9 スペーサ
10 ねじ
11 バルブ部
12 ポンピング部
13 ガラス基板
14 シリコン基板
15 弁
16 ポリシリコン
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a microvalve and a micropump that are used in the medical field and analysis field and perform fluid control with a small size and high accuracy.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as a pump that performs small and highly accurate fluid control, for example, there is a pump described in Japanese Patent Laid-Open No. 4-66784 in FIG. According to the positional relationship between the two valves 15 and the fluid inlet / outlet 4, each of them functions as a one-way valve. Therefore, one-way liquid feeding is realized by applying a voltage to the central piezoelectric element 6 to generate a volume change inside the pump. Moreover, the glass substrate 13 and the silicon substrate 14 are joined by anodic bonding.
[0003]
In the case of the micropump described in Japanese Patent Laid-Open No. 5-1669 in FIG. 3, a thin film of metal or polysilicon 16 is formed on the sacrificial layer of the oxide film on the silicon substrate 14, and the sacrificial layer is further formed by etching. By removing it, a metal or polysilicon check valve is formed, and the piezoelectric element 6 provided on the glass substrate 13 forms a pump.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Conventional microvalves and micropumps have some problems. In the case of the micropump shown in FIGS. 2 and 3, since the layers are firmly bonded by a technique such as anodic bonding, both cannot be removed. For this reason, when a malfunction occurs, the whole has to be replaced, and there is a problem that the cost becomes high. In addition, when foreign matter is mixed inside, there is a problem that it is very difficult to remove the foreign matter. It is also difficult to change performance such as the internal volume and the shutoff force of the valve.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The microvalve and the micropump of the present invention have a structure in which an actuator substrate for deforming a diaphragm by an actuator and a cover substrate having a valve portion, a pumping portion, a flow path portion, and the like are fixed by pressure bonding. Therefore, these substrates can be freely attached and detached, and the inside can be cleaned by removing the actuator substrate and the cover substrate when foreign matter is mixed. Further, when changing the volume and shape of the valve portion and the pumping portion, it is only necessary to replace the cover substrate, and the actuator substrate can be used in common.
[0006]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[Embodiment 1]
In this embodiment, an example of a microvalve in which a silicon substrate is used as the actuator substrate and a silicone resin is used as the cover substrate will be described.
[0007]
FIG. 4 is an exploded view of the microvalve. The microvalve is composed of an actuator substrate 1 made of a silicon substrate and a cover substrate 2 made of a silicone resin, and these two substrates are fixed in close contact with each other.
[0008]
First, the cover substrate 2 will be described. The cover substrate 2 has a recess, and the recess is separated by a separator 3. Each of the recesses divided into two by the separator 3 is formed with a through hole so as to penetrate the cover substrate 2, and this through hole serves as a fluid inlet / outlet 4 connecting the inside and the outside of the microvalve. In addition, there is no limitation in particular about the shape of a recessed part, You may use a circular recessed part like FIG. Further, the position of the fluid inlet / outlet is not particularly limited, and it is possible to use a structure in which the flow path 7 is directly used as the fluid inlet / outlet as shown in FIG. The cover substrate 2 can be formed in any shape by creating a mold using a photolithographic technique, pouring an uncured silicone resin into the mold, and then curing the mold.
[0009]
Next, the actuator substrate 1 will be described. In this embodiment, first, anisotropic etching with KOH is performed on a silicon substrate. This etching is performed from the back surface of the silicon substrate, and the etching is continued until a diaphragm 5 having a desired thickness is formed. However, the surface of the silicon substrate is left flat without being etched. However, the size of the diaphragm 5 is set to be the same as or smaller than the concave portion (including the separator) in the cover substrate 2. The reason why both sizes are set in this way will be described later. When silicon anisotropic etching is used, the shape of the diaphragm is quadrangular. However, if isotropic etching such as reactive ion etching is used, it is possible to form a diaphragm having a shape other than the quadrangular shape. . A piezoelectric element 6 is bonded to the diaphragm 5 formed by etching from the back surface, and a unimorph structure of the diaphragm 5 and the piezoelectric element 6 is formed. The diaphragm 5 can be deformed by applying a voltage to the piezoelectric element 6. The deformation of the diaphragm can be realized by various actuators using electrostatic force, magnetic force, air pressure, shape memory alloy, and the like, and is not limited to the piezoelectric element. Further, the method for forming the diaphragm is not limited, and the material for the actuator substrate is not limited to silicon.
[0010]
The cover substrate 2 and the actuator substrate 1 are pressure-bonded so that the surface of the cover substrate 2 where the concave portion exists and the surface of the actuator substrate 1 that is not etched are in contact with each other (FIG. 7). . At this time, the two substrates are positioned such that the center of the recess in the cover substrate 1 and the diaphragm 5 of the actuator substrate 1 coincide. If a highly adhesive silicone resin such as PDMS (polydimethylsiloxane) is used for the cover substrate 2 and a silicon substrate having a high flatness is used for the actuator substrate 1, there is no need to perform physical fixing. Sufficient adhesion can be obtained. In this case, even if a pressure of about several kilopascals is applied from the fluid inlet / outlet 4, no fluid leaks from between the actuator substrate 1 and the cover substrate 2.
[0011]
Further, as shown in FIG. 8, there is a method of fixing by sandwiching the actuator substrate 1 and the cover substrate 2 using the holder 8. The holder 8 is fixed by a screw 10 through a spacer 9. The pressure-bonding force between the actuator side substrate 1 and the cover substrate 2 can be adjusted by the thickness of the spacer 9. In this case, no leakage occurs between the two substrates even under a high pressure as compared with the case where the substrates are simply brought into close contact with each other. Furthermore, it is also possible to form a pipe line integrally with the holder on the cover substrate 2 side. Since high adhesion can be obtained also between the holder 8 and the cover substrate, a leak-free conduit can be realized between the microvalve body.
[0012]
In any case, the actuator substrate 1 and the cover substrate 2 are not particularly bonded to each other, and thus can be freely attached and detached. The material of the cover substrate 2 is not limited to silicone resin, and any material may be used as long as it has good adhesion to the actuator substrate 1 and is detachable.
[0013]
In addition, even when the cover substrate and the actuator substrate are both made of a material having no adhesion, an adhesive thin film is formed on at least one of the contact surfaces of the cover substrate 1 and the actuator substrate 2. By forming, it can also be set as the structure which can detach | desorb both and has high adhesiveness. Further, a thermoplastic adhesive layer can be used between the two substrates, and the two substrates can be attached and detached by heating / cooling.
[0014]
In order to repeat the positioning of both substrates and perform with high accuracy, alignment marks are installed on both substrates. Moreover, highly accurate positioning can be repeatedly performed by forming a guide on at least one of the substrates or the holder.
[0015]
Next, the operation of this microvalve will be described. As already shown in FIG. 7, in this microvalve, the actuator substrate 1 and the cover substrate 2 are in close contact with each other, so that the separator 3 and the diaphragm 5 are also in close contact with each other. For this reason, if no voltage is applied to the piezoelectric element, the two fluid inlets / outlets 4 are blocked by the separator 3, so that no flow occurs even if pressure is applied from one fluid inlet / outlet. The closed state is maintained.
[0016]
On the other hand, when a voltage is applied to the piezoelectric element 6, the diaphragm 5 bends due to the unimorph structure of the piezoelectric element 6 and the diaphragm 5, and a gap is generated between the diaphragm 5 and the separator 3. As the fluid moves through the gap, the valve is opened (FIG. 9). That is, the separator 3 functions as a kind of packing.
[0017]
In this way, this valve operates by opening by applying voltage and opening by stopping applying voltage. Further, by reversing the direction of the voltage applied to the piezoelectric element, an operation of pressing the diaphragm against the separator and closing the microvalve more firmly is possible.
[0018]
Finally, the relationship between the diaphragm and the size of the recessed portion will be described. As described above, the size of the diaphragm is the same as or smaller than the concave portion (including the separator) in the cover substrate. That is, the concave portion (including the separator) in the cover substrate covers the etched portion of the diaphragm. In this case, even if the diaphragm is deformed downward as already shown in FIG. 9, the peripheral edge of the recess is not peeled off from the actuator substrate 1. Therefore, the fluid inside the microvalve does not leak to the outside from between the actuator substrate and the cover substrate.
[0019]
Conversely, when the area of the diaphragm 5 is larger than the concave portion of the cover substrate 2 as shown in FIG. 10, if the diaphragm 5 is displaced downward, peeling occurs between the diaphragm 5 and the cover substrate 2 at the periphery of the concave portion. . When pressure is applied from the fluid inlet / outlet 4 in this state, the pressure is applied in a direction in which the actuator substrate 1 and the cover substrate 2 are peeled off, and therefore, there is a problem that fluid easily leaks between the two substrates. For this reason, the microvalve in the present invention is designed so that the concave portion in the cover substrate 2 is larger than the diaphragm 5.
[0020]
As described above, the microvalve according to the present invention has a structure in which a closed state is maintained during non-driving when no voltage is applied. For this reason, even in a situation where there is a pressure difference between the fluid inlet side and the outlet side, the fluid can be held without any energy consumption. In addition, when the cover substrate and actuator substrate are fixed by a holder via a spacer, the pressure of the cover substrate and actuator substrate can be adjusted by the thickness of the spacer. By doing so, it becomes possible to arbitrarily set the fluid holding force when not driven.
[0021]
If the holder in which the pipe line is integrally formed is used, the pipe line creation in the microvalve can be realized at the same time, and the process can be simplified. Since the holder and the cover substrate are also pressure-bonded, it is possible to form a conduit without leakage.
[0022]
Further, since the cover substrate and the actuator substrate are not bonded together, they can be attached and detached freely. For this reason, it has an advantage that the cover substrate can be removed when the foreign matter enters the microvalve, and the inside can be easily cleaned. Furthermore, when the separator is deteriorated due to repeated opening and closing of the valve, it is possible to replace only the cover substrate, and the actuator substrate can be used as it is. Since partial replacement is possible in this way, the life of the entire microvalve can be extended.
[0023]
It is also possible to replace the cover substrate according to the characteristics required for the microvalve. When the microvalve is opened by voltage application, if the applied voltage is constant, the pressure-flow rate characteristic is determined by the width of the separator. By preparing a plurality of cover substrates with different separator widths and replacing them as necessary, it is possible to realize microvalves having different pressure-flow characteristics, and cost reduction is also realized. At the same time, since common actuator wiring and control systems can be used, versatility is enhanced.
[Embodiment 2]
In this embodiment, an example of a micro pump in which a silicon substrate is used as the actuator substrate and a silicone resin is used as the cover substrate will be described.
[0024]
FIG. 1 is an exploded view of the micropump. The micropump is composed of a cover substrate 2 made of silicone resin and an actuator substrate 1 made of silicon substrate, and these two substrates are fixed in close contact.
[0025]
First, the cover substrate 2 will be described. The cover substrate 2 is formed with two valve portions 11 that operate on the same principle as the microvalve already described in the first embodiment. One concave portion is formed in the middle of these valve portions 11 and functions as a pumping portion 12 for sucking and discharging fluid. The two valve parts 11 and the pump part 12 are connected by the flow path 7, and are arranged in series in the order of valve part-pumping part-valve part. Moreover, the fluid inlet / outlet 4 is provided in the valve part of both ends, respectively. Although FIG. 1 shows an example in which the width of the flow path 7 is narrower than the width of the valve portion 11 and the pumping portion 12, these may be the same width.
[0026]
Next, the actuator substrate 1 using a silicon substrate will be described. Three diaphragms 5 similar to those described in the first embodiment are formed on the silicon substrate, and a unimorph structure is formed by bonding the piezoelectric elements 6. These diaphragms are arranged so as to correspond to the valve portion 11 and the pumping portion 12 in the cover substrate 2.
[0027]
The actuator substrate 1 and the cover substrate 2 are brought into close contact with each other in the same manner as shown in the first embodiment. Further, the processing method, shape, size, and the like of each element are all the same as those described in the first embodiment.
[0028]
Subsequently, the operation of the micropump in the present embodiment will be described. The opening and closing of the two microvalves is as shown in the first embodiment. Regarding the pumping portion, the diaphragm is displaced by the unimorph structure of the diaphragm and the piezoelectric element, and fluid is discharged and sucked by the volume change. By driving these two microvalves and one pumping part in a certain sequence, liquid feeding from one fluid inlet / outlet to the other fluid inlet / outlet is realized. Since such a micro pump can arbitrarily open and close two valves and drive the pumping unit, the direction of liquid feeding can be changed by changing the driving order of the three actuators. In addition, since the micropump uses two microvalves shown in Embodiment 1, the micropump has a structure in which a closed state is maintained without applying a voltage to the piezoelectric element. For this reason, even in a situation where there is a pressure difference between the fluid inlet side and the outlet side, the fluid can be held without any energy consumption.
[0029]
Furthermore, since the micropump has a structure in which the cover substrate and the actuator substrate are not bonded to each other, they can be freely attached and detached. For this reason, it has an advantage that the cover substrate can be removed when the foreign matter is mixed inside the micropump and the inside can be easily cleaned. When the separator is deteriorated due to repeated opening and closing of the valve, it is possible to replace only the cover substrate, and the actuator substrate can be used as it is. Since partial replacement is possible in this way, the life of the entire micropump can be extended.
[0030]
On the other hand, it is possible to replace the cover substrate according to the characteristics required for the micropump. For example, it is possible to change the characteristics of the microvalve by using the method shown in the first embodiment, and it is also possible to change the characteristics at the time of suction and discharge by changing the depth and area of the recess of the pumping part. It is. Since the micropump having different characteristics can be realized only by replacing the cover substrate, the cost can be reduced. At the same time, since it is possible to use common actuator wiring and control systems, versatility is enhanced.
[0031]
【The invention's effect】
Since the microvalve and the micropump of the present invention use a structure in which the actuator substrate and the cover substrate are detachable, when foreign matter is mixed inside, the cleaning can be performed by removing both of them. have. Also, by preparing a plurality of cover part substrates having different parameters and replacing them as necessary, microvalves or micropumps having different characteristics can be easily realized. In this case, it suffices to replace only the cover substrate, and the actuator substrate can be used in common. Therefore, there is an advantage that the cost can be reduced. In addition, since common actuator wiring and control systems can be used, versatility is enhanced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded view showing an example of a micropump of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional micropump.
FIG. 3 is an exploded view showing a structure of a conventional micropump.
FIG. 4 is an exploded view showing the structure of the microvalve of the present invention.
FIG. 5 shows an example of a cover substrate in the microvalve of the present invention.
FIG. 6 shows an example of a cover substrate in the microvalve of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing the structure of the microvalve of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a state where a cover substrate and an actuator substrate are fixed by a holder.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a state in which the microvalve of the present invention is open.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a state in which the microvalve is opened when the diaphragm is larger than the recess in the cover substrate.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Actuator substrate 2 Cover substrate 3 Separator 4 Fluid inlet / outlet 5 Diaphragm 6 Piezoelectric element 7 Flow path 8 Holder 9 Spacer 10 Screw 11 Valve portion 12 Pumping portion 13 Glass substrate 14 Silicon substrate 15 Valve 16 Polysilicon

Claims (4)

流体の制御をおこなうバルブにおいて、少なくとも二つの流体出入口と、
シリコーン樹脂からなり、前記流体出入口と接続され、内部をセパレータにより少なくとも二つの領域に分割された凹部を有する基板Aと、
ダイアフラムと、
シリコン基板からなり、ダイアフラムを変形させるアクチュエータを有する基板Bから構成され、
前記基板Aと前記基板Bを結合させて、セパレータにより分割された流路を構成し、かつ、
前記基板Aと前記基板Bが結合した状態で、前記ダイアフラムの変形部位が前記セパレータの直上に配置されると共に、
前記ダイアフラムの変形部位の外周が前記基板Aの凹部の外周よりも内側にあり、かつ、
前記アクチュエータの駆動に伴う前記ダイアフラムの変形により、前記ダイアフラムと前記セパレータの非接触/接触状態が変化し、前記流路の開閉をおこなう構造であり、かつ、
前記基板A前記基板Bの結合部位における接触面が粘着性を有し、前記基板Aと前記基板Bの結合と分離を容易に繰り返しおこなえる構造を有することを特徴とするバルブ。
In a valve for controlling fluid, at least two fluid inlets and outlets;
A substrate A made of silicone resin , connected to the fluid inlet / outlet, and having a recess that is internally divided into at least two regions by a separator;
Diaphragm,
It is composed of a silicon substrate and is composed of a substrate B having an actuator for deforming the diaphragm,
Combining the substrate A and the substrate B to form a flow path divided by a separator; and
In a state where the substrate A and the substrate B are combined, a deformed portion of the diaphragm is disposed immediately above the separator,
The outer periphery of the deformed portion of the diaphragm is inside the outer periphery of the concave portion of the substrate A, and
Due to the deformation of the diaphragm accompanying the driving of the actuator, the non-contact / contact state between the diaphragm and the separator changes, and the flow path is opened and closed, and
A valve having a structure in which a contact surface of the substrate A at a bonding site with the substrate B has adhesiveness, and the substrate A and the substrate B can be easily combined and separated.
前記粘着性の粘着力が、前記基板Aと前記基板Bの結合と分離を繰り返しても、前記流体出入口からの流体の圧力よりも大きい状態で維持されることを特徴とする請求項1記載のバルブ。  2. The adhesive force according to claim 1, wherein the adhesive adhesive force is maintained in a state larger than the pressure of the fluid from the fluid inlet / outlet even when the bonding and separation of the substrate A and the substrate B are repeated. valve. 流体の移送をおこなうポンプにおいて、
少なくとも二つの流体出入口と、
シリコーン樹脂からなり、前記流体出入口と接続され、内部をセパレータにより少なくとも三つの領域に分割された凹部を有する基板Aと、
少なくとも二つのバルブダイアフラムと、
少なくとも一つのポンピングダイアフラムと、
シリコン基板からなり、前記バルブダイアフラムと前記ポンピングダイアフラムを変形させるアクチュエータを有する基板Bから構成され、
前記基板Aと前記基板Bを結合させて、セパレータにより分割された流路を構成し、かつ、
前記基板Aと前記基板Bが結合した状態で、前記バルブダイアフラムの変形部位が、前記セパレータの直上に配置されるとともに、
前記バルブダイアフラムと前記ポンピングダイアフラムの変形部位の外周がすべて前記基板Aの凹部の外周よりも内側にあり、かつ、
前記アクチュエータの駆動に伴う前記バルブダイアフラムの変形により、前記バルブダイアフラムと前記セパレータの非接触/接触状態が変化し、前記流路の開閉をおこなう構造であり、かつ、
前記アクチュエータの駆動に伴う前記ポンピングダイアフラムの変形により、流体の吐出および吸引をおこなう構造であり、かつ、
前記基板A前記基板Bの結合部位における接触面が粘着性を有し、前記基板Aと前記基板Bの結合と分離を容易に繰り返しおこなえる構造を有することを特徴とするポンプ。
For pumps that transfer fluids,
At least two fluid ports;
A substrate A made of silicone resin , connected to the fluid inlet / outlet, and having a recess that is internally divided into at least three regions by a separator;
At least two valve diaphragms;
At least one pumping diaphragm;
It is composed of a silicon substrate, and is composed of a substrate B having an actuator for deforming the valve diaphragm and the pumping diaphragm,
Combining the substrate A and the substrate B to form a flow path divided by a separator; and
In a state where the substrate A and the substrate B are combined, a deformed portion of the valve diaphragm is disposed immediately above the separator,
The outer circumferences of the deformed portions of the valve diaphragm and the pumping diaphragm are all inside the outer circumference of the concave portion of the substrate A, and
Due to the deformation of the valve diaphragm accompanying the driving of the actuator, the non-contact / contact state of the valve diaphragm and the separator changes, and the flow path is opened and closed, and
A structure for discharging and sucking fluid by deformation of the pumping diaphragm accompanying the driving of the actuator; and
A pump having a structure in which a contact surface of the substrate A at a bonding site with the substrate B has adhesiveness, and the substrate A and the substrate B can be easily combined and separated.
前記粘着性の粘着力が、前記基板Aと前記基板Bの結合と分離を繰り返しても、前記流体出入口からの流体の圧力よりも大きい状態で維持されることを特徴とする請求項記載のポンプ。The adhesive of the adhesive strength, even after repeated splitting and combining of the substrate A the substrate B, according to claim 3, characterized in that it is maintained in a greater state than the pressure of the fluid from the fluid port pump.
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