JP4206849B2 - マイクロポンプ及びその製造方法 - Google Patents
マイクロポンプ及びその製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4206849B2 JP4206849B2 JP2003196617A JP2003196617A JP4206849B2 JP 4206849 B2 JP4206849 B2 JP 4206849B2 JP 2003196617 A JP2003196617 A JP 2003196617A JP 2003196617 A JP2003196617 A JP 2003196617A JP 4206849 B2 JP4206849 B2 JP 4206849B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- chamber
- valve
- pressure chamber
- substrate
- discharge
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Reciprocating Pumps (AREA)
- Micromachines (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、医療、分析等の分野において微小流体の精密な制御が必要とされるマイクロポンプ及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、マイクロポンプは特許文献１に示されるように、主にマイクロマシン技術を用いて製作されている。図１１（ａ）はマイクロポンプの構造を示したものである。
【０００３】
マイクロポンプは下地基板６０、下層Ｓｉ基板６１、上層Ｓｉ基板６２，シール基板６３が順次積層されて形成され、各基板６０〜６３にフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングし、結晶異方性エッチングにてポンプの構成部材が形成される。
【０００４】
下地基板６１には吸入流路６４と吐出流路６５が形成される。下層Ｓｉ基板６１には流入室６６と吐出室６７が形成され、且つその吐出室６７上に吐出側弁体６８が形成される。上層Ｓｉ基板６２には圧力室６９が形成され、その圧力室６９に下層Ｓｉ基板６１の流入室６６に臨んで吸入側弁体７０が形成される。シール基板６３は圧力室６９に臨んだ面にダイヤフラム部７１が形成されるよう凹部７２が形成され、その凹部７２に圧電素子７３が設けられる。
【０００５】
これら基板６０〜６３は、上述のポンプ構成部材の形成後、陽極接合等の方法を用いて多層に接合することでマイクロポンプが製作される。
【０００６】
図１１（ｂ）（ｃ）はマイクロポンプの動作を説明する図である。
【０００７】
圧電素子７３が圧力室６９の内圧を減少させるときは、図１１（ｂ）に示すように、吸入側弁体７０が開き、吐出側弁体６８が閉じて吸入流路６４の流体が圧力室６９へ移動する。逆に、圧電素子７３が圧力室６９の内圧を増加させるときは、図１１（ｃ）に示すように、吐出側弁体６８が開き、吸入側弁体７０が閉じて圧力室６９内の流体は吐出流路６５へ移動する。圧電素子７０が圧力室６９の内圧を増減することにより、上述の動作を繰り返してマイクロポンプの機能を果たす。
【０００８】
【特許文献１】
特開平５−１６６９号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の構造ではＳｉ基板の両面をパターニングする工程やダイヤフラム形状に薄膜化する工程を含む為に、従来から用いていた半導体加工用の装置をそのまま転用することができず装置を特殊仕様とする必要がある。Ｓｉ基板の薄膜化工程がある為に基板の強度的な問題が発生する。そのため、設計上の制限や取り扱う微小流量の制御に限界が生じたり、基板の大型化が難しいといった問題がある。また、個々の構造体を別々に製造してから多層に基板を接合する構造のため工程数が多くなる。他の微小流路を用いた流体センサ等との集積化が困難である。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、基板片面のみの加工により、小型化及び集積化可能なマイクロポンプとその製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、Ｓｉまたは石英等の基板上にＳｉ系材料を成膜し、かつパターニングにて、基板上に、圧力室と吸入バルブ室と吐出バルブ室を形成し、上記圧力室と上記吸入バルブ室を吸入側流路を介して連通し、上記圧力室と上記吐出バルブ室を吐出側流路を介して連通し、上記吸入バルブ室及び上記吐出バルブ室に、上記圧力室の圧力変動で吸入側流路を開閉する吸入側可動弁体及び上記圧力室の圧力変動で吐出側流路を開閉する吐出側可動弁体をそれぞれ形成し、上記圧力室と上記吸入バルブ室と上記吐出バルブ室と上記吸入側可動弁体と上記吐出側可動弁体を平面的に形成したものである。
【００１２】
請求項２の発明は、上記吸入側可動弁体は、上記吸入バルブ室内で上記圧力室側に通じる流路と吸入口間を移動する吸入側可動弁体部と、上記吸入側可動弁体部を上記吸入バルブ室の壁面に支持する可撓脚部とからなり、上記吐出側可動弁体は、上記吐出バルブ室内で上記圧力室側に通じる流路と吐出口間を移動する吐出側可動弁体部と、上記吐出側可動弁体部を上記吐出バルブ室の壁面に支持する可撓脚部とからなるものである。
【００１３】
請求項３の発明は、上記基板上面に、上記圧力室の容積を可変に駆動するための圧電素子を組み込んだシール基板を設けて上記圧力室、上記バルブ室を閉じた構造とする。
【００１４】
請求項４の発明は、マイクロポンプを製造する方法において、
ａ）基板上にバルブ室の底面を区画する犠牲層を成膜する工程と、
ｂ）犠牲層を成膜した基板上に、Ｓｉ、石英系材料を成膜する工程と、
ｃ）圧力室の底面を区画するエッチストップ層を形成する工程と、
ｄ）エッチストップ層が形成された基板上に、Ｓｉ、石英系材料を成膜する工程と、
ｅ）石英系材料等の成膜の表面に弁体、圧力室等を形成するために、フォトリソグラフィを用いてパターニングする工程と、
ｆ）パターニングされた以外のＳｉ、石英系材料を反応性イオンエッチングを用いてバルブ室、圧力室を形成する工程と、
ｇ）バルブ室、圧力室底面に残った犠牲層とエッチストップ層を除去する工程とからなる。
【００１５】
請求項５の発明は、Ｓｉまたは石英等の基板上にＳｉ系材料を成膜し、且つパターニングにて、基板上に、圧力室を形成し、上記圧力室内に可動ピストンを往復移動自在に設け、上記可動ピストンで仕切られた上記圧力室の前室と後室を結ぶ連通流路を上記基板上に形成すると共に、上記前室と上記後室に吸入側流路と吐出側流路をそれぞれ形成し、上記吸入側流路と上記前室の間に上記前室と上記後室の圧力差によって上記吸入側流路を開閉する前室弁を形成し、上記連通流路と上記後室の間に上記前室と上記後室の圧力差によって上記連通流路を開閉する後室弁を形成し、上記圧力室と上記前室と上記後室と上記可動ピストンと上記前室弁と上記後室弁を平面的に形成したものである。
【００１６】
請求項６の発明は、上記基板上に、上記可動ピストンを駆動するための、静電、圧力、磁力等を利用した素子を組み込んだシール基板を設けて、上記圧力室等を閉じた構造とする。
【００１７】
請求項７の発明は、上述のマイクロポンプを製造する方法において、
ａ）基板上に圧力室の底面を区画する犠牲層を成膜する工程と、
ｂ）犠牲層を成膜した基板上に、Ｓｉ、石英系材料を成膜する工程と、
ｃ）流路等の底面を区画するエッチストップ層を形成する工程と、
ｄ）エッチストップ層が形成された基板上にＳｉ、石英系材料を成膜する工程と、
ｅ）可動ピストン上部に金属膜を成膜する工程と、
ｆ）金属膜が成膜された基板上にＳｉ、石英系材料を成膜する工程と、
ｇ）Ｓｉ、石英系材料等の成膜の表面に可動ピストン、弁体、圧力室等を形成するためにフォトリソグラフィを用いてパターニングする工程と、
ｈ）パターニングされた以外の石英系材料を反応性イオンエッチングを用いて可動ピストン、弁体、圧力室等を形成する工程と、
ｉ）圧力室、流路に残った犠牲層とエッチストップ層を除去する工程とからなる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１９】
図１は、本発明のマイクロポンプの構造の平断面図を示し、図２、図３は図１のマイクロポンプの作動状態を示す平断面図である。
【００２０】
図１〜３において、四角形状に形成された石英基板１の中央に四角形状の圧力室２が形成され、その圧力室２の一方の石英基板１に、吸入口３で外部に開放された吸入バルブ室４が形成され、他方に、吐出口５で外部に開放された吐出バルブ室６が形成される。
【００２１】
圧力室２と吸入バルブ室４は吸入側仕切壁７で仕切られ、その吸入側仕切壁７に圧力室２と連通する吸入側流路８が形成される。吸入側流路８の上辺側の吸入側仕切壁７ａは厚肉に形成され、下辺側の吸入側仕切壁７ｂは逆Ｌ字状に形成されている。吸入側仕切壁７は下辺側７ｂが上辺側７ａよりも長く形成されている。
【００２２】
同様に、圧力室２と吐出バルブ室６は吐出側仕切壁９で仕切られ、その吐出側仕切壁９に圧力室２と吐出バルブ室６を連通する吐出側流路１０が形成される。吐出口５の上辺側の吐出口流路壁１１ａは厚肉に形成され、下辺側の吐出口流路壁１１ｂは逆Ｌ字状に形成されている。下辺側吐出口流路壁１１ｂは上辺側吐出口流路壁１１ａよりも長く形成される。
【００２３】
吸入バルブ室４には圧力室２と吸入バルブ室４の圧力差で移動する吸入側可動弁体１２が形成される。吸入側可動弁体１２は、吸入口３と圧力室２に連通する吸入側流路８を開閉するＬ字状の弁体部１３と、その弁体部１３を基板１に保持し、弁体部１３の移動を許容する薄肉に形成された可撓脚部１４，１４とから形成される。可撓脚部１４、１４間の吸入バルブ室内壁１５には凸状の可撓脚部制御壁１６が形成される。
【００２４】
吐出バルブ室６には、圧力室２と吐出バルブ室６の圧力差で移動する吐出側可動弁体１７が形成される。吐出側可動弁体１７は、吐出口５と圧力室２に連通する吸入側流路９を開閉するＬ字状の弁体部１８とその弁体部１８を基板１に保持し、弁体部１８の移動を許容する薄肉に形成された可撓脚部１９，１９とから形成される。可撓脚部１９、１９間の吐出バルブ室内壁２０には凸状の可撓脚部制御壁２１が形成される。
【００２５】
吸入側可動弁体１２及び吐出側可動弁体１７は、バルブ室４、６内で上面と底面から所定の間隔を有するように形成されて、移動可能になる。
【００２６】
上述の基板１上にマイクロポンプの駆動機構として、後述するが、シリコン基板をダイヤフラム状に加工し、圧電素子を貼り付けたものを接合する。圧電素子は圧力室２の上に設けられる。駆動方法は、圧電素子によるもののほかに静電力、熱膨張力等による駆動も可能である。
【００２７】
次に本発明のマイクロポンプの動作を説明する。
【００２８】
マイクロポンプは、圧力室２の容積を変化させることで、中間工程（図１）→吸入工程（図２）→中間工程（図１）→吐出工程（図３）のサイクルを繰り返し、吸入口３側から外部の液体を吸入バルブ室４に吸い込み、これを圧力室２に、かつ、その圧力室２から吐出バルブ室６より吐出口５側から外部へ吐出させる。
【００２９】
図１に示すように、圧力室２の容積が変化していない中間工程では、圧力室２の圧力と吸入バルブ室４及び吐出バルブ室６の圧力は同じである。吸入側可動弁体１２は、吸入口３と吸入側流路壁７ｂのどちらにも接触せず、同様に、吐出側可動弁体１７は、吐出口流路壁１１ｂ、吐出側流路１０のどちらにも接触しない。このときマイクロポンプ内の液体は移動しない。
【００３０】
図２は吸入工程を示したもので、駆動用ダイヤフラムが圧力室２の容量を増加させる方向に動くとき、圧力室２の内圧が下がり、圧力室２の圧力は吸入バルブ室４と吐出バルブ室６の圧力より低くなる。圧力室２と吸入バルブ室４及び吐出バルブ室６に圧力差が生じる為、吸入側及び吐出側可動弁体１２、１７は圧力室２の方向に共に移動する。この移動により、吸入側可動弁体１２の吸入側流路壁側の面２２は下辺側の吸入側流路壁７ｂに接触するが、上辺側の吸入側流路壁７ａには接触せず、吸入バルブ室４と圧力室２とは吸入側流路８を介して連通した状態になる。一方、吐出側可動弁体１７のシール面２３は吐出側流路壁９ａ、９ｂに接触して吐出側流路１０を閉じる。よって、圧力差により吸入バルブ室４の液体は吸入側流路８を介して圧力室２へ移動し、それに伴って、吸入口３から吸入バルブ室４へ液体が吸入される。
【００３１】
図３は吐出工程を示したもので、駆動用ダイヤフラムが圧力室２の容量を減少させる方向に動くとき、圧力室２の内圧が上がり、圧力室２の圧力は吸入バルブ室４と吐出バルブ室６の内圧より高くなる。圧力室２と吸入バルブ室４及び吐出バルブ室６に圧力差が生じる為、吸入側及び吐出側可動弁体１２、１７は圧力室２と反対方向に共に移動する。この移動により、吐出側可動弁体１７の吐出口流路壁側の面２４は下辺側の吐出口流路壁１１ｂに接触するが、上辺側の吐出口流路壁１１ａには接触せず、吐出バルブ室６と圧力室２とは吐出側流路１０を介して連通した状態になる。一方、吸入側可動弁体１２のシール面２５が吸入口３に接触して吸入口３を閉じる。よって、圧力差により圧力室２の液体は吐出側流路１０を通じて吐出バルブ室６へ移動し、これにより、吐出バルブ室６から吐出口５へ液体が吐出される。
【００３２】
本発明のマイクロポンプの製造方法を図４に示す。図４は、図１におけるＡ−Ａ線に沿ったプロセス断面図である。
【００３３】
図４（ａ）に示す石英基板３１はマイクロポンプの下地基板となり、図４（ｂ）に示すように、石英基板３１上にａ−Ｓｉ膜３２をスパッタリングを用いて成膜し、フォトリソグラフィによりパターニングする。ａ−Ｓｉ膜３２の形成パターンは図１で説明したバルブ室６の底面を区画するために形成される。ａ−Ｓｉ膜３２は可動弁体１７がバルブ室６内を移動する為に、バルブ室６底面と可動弁体１７間に一定隙間を形成する為の犠牲層である。
【００３４】
次に図４（ｃ）に示すように、プラズマＣＶＤを用いてＳｉＯ2膜３５を成膜した後、図４（ｄ）に示すように、ａ−Ｓｉ膜３７をスパッタリングを用いて成膜し、フォトリソグラフィによりパターニングする。ａ−Ｓｉ膜３７の形成パターンは圧力室２、流路１０の底面を区画するために形成され、ａ−Ｓｉ膜３７はバルブ室６と圧力室２や流路１０との間に段差を形成する為のエッチストップ層となる。
【００３５】
次に図４（ｅ）に示すように、プラズマＣＶＤを用いてＳｉＯ2膜３８を成膜した後、図４（ｆ）に示すように、ＷＳｉ膜４０をスパッタリングを用いて成膜し、フォトリソグラフィによりパターニングする。ＷＳｉ膜４０ａはポンプ内壁３９を形成する為のマスクであり、ＷＳｉ膜４０ｂは可動弁体１７を形成する為のマスクである。
【００３６】
図４（ｇ）に示すように、パターニングされたＷＳｉ膜４０をマスク材として反応性イオンエッチング装置を用いてＳｉＯ2膜３８、３５をエッチングする。ＳｉＯ2膜３８、３５はａ−Ｓｉ３２、３７のエッチストップ層までエッチングされる。ＷＳｉ膜４０ａ下のＳｉＯ2膜３８，３５はポンプ内壁３９を形成し、ＷＳｉ膜４０ｂ下のＳｉＯ2膜３８，３５は可動弁体１７を形成する。
【００３７】
次に図４（ｈ）に示すように、ＷＳｉ膜４０及びａ−Ｓｉ膜３２、３７をエッチングする。犠牲層であるａ−Ｓｉ膜３２の除去により、可動弁体１７と下地基板３１間に隙間ができ、可動弁体１７は自立し、バルブ室６が形成される。また、ａ−Ｓｉ膜３４の除去により、圧力室２と流路１０が形成される。
【００３８】
ここで、上述の説明は図１におけるＡ−Ａ線断面の製造方法を示したものであり、ａ−Ｓｉ膜３２によって形成されるパターンは、吐出バルブ室６の他に吸入側バルブ室４に対応している。ａ−Ｓｉ膜３７によって形成されるパターンは、圧力室２及び流路１０の他に、吸入口３、吐出口５、吸入側流路８のパターンに対応している。
【００３９】
最後に図４（ｉ）に示すように、シリコン基板をダイヤフラム状に加工し、駆動用の圧電素子４１を圧力室２上に組み込んだシール基板４２をＳｉＯ2膜３８上に陽極接合等の方法で接合して完成する。なお、シール基板４２の材質としてシリコンの代わりにガラスを用いることもできる。
【００４０】
この実施形態による発明の作用と効果について説明する。
【００４１】
本発明は、圧力室２、バルブ室４、６が平面的に構成されるマイクロポンプを、半導体加工用装置を用いて基板片面だけ加工するため、製作工程が容易になり、従来のマイクロポンプより構造的強度を増すことができる。また、マイクロポンプとそれに接続する他素子を同じ基板で製作することができる。
【００４２】
このように本発明は基板上に平面的にマイクロポンプを製作できるため、一つの基板上に複数のマイクロポンプを同時に製作できる。
【００４３】
本発明によるマイクロポンプと微小流路を用いた流体センサを集積した例を図５で説明する。図５は、マイクロポンプ５１を集積した形態を示したものである。図５において、上述したように、基板５０上にマイクロポンプ５１を複数形成し、同時に、各吸入バルブ室側に複数の試薬等を収容した液だめ部５２を形成し、各吐出バルブ室に分析用流路５３を形成し、かつ、これら分析用流路５３から吐出された試薬等を混合する調合室５４を形成し、その調合室５４で調合された試薬等を吸入するマイクロポンプ５５を形成し、さらに、そのマイクロポンプ５５の吐出側の流路５８に加熱用のマイクロヒータ５６を設け、その流路５８に試薬供給室５７を形成したものである。
【００４４】
このようにポンプを平面的に形成することによって、集積化が可能になると共に、任意の試薬等を調合して送り出すことが可能となる。
【００４５】
次に図６、７により本発明の他の実施の形態を説明する。
【００４６】
図６はマイクロポンプ構造の斜視図を示し、図７はマイクロポンプの平断面図を示している。
【００４７】
上述の実施の形態では、基板１上に圧力室２と吸入および吐出バルブ室４，６が流路８，１０によって連通した構造の例を示したが、図６，７に示すマイクロポンプは、圧力室８２内に可動ピストン８３を設け、圧力室８２が、その可動ピストン８３によって圧力室８２に吸入バルブ室となる前室８６と吐出バルブ室となる後室８７を形成したものである。
【００４８】
前室８６と後室８７は連通流路８８を介して連通しており、前室８６には吸入側流路８９が形成され、吸入側流路８９と前室８６の間には前室弁９０が形成される。後室８７には吐出側流路９１が形成され、連通流路８８と後室８７の間には後室弁９２が形成される。
【００４９】
可動ピストン８３の駆動のためにシール基板９３には２本の電磁石９４、９５が設けられ、可動ピストン８３上部には金属膜８４が形成され、可動ピストン８３の両側面部には可動軸部８５，８５が形成される。可動軸８５，８５は可動ピストン８３を保持し、圧力室８２には可動軸部８５，８５が移動できる空間８２ａが形成されている。
【００５０】
次にマイクロポンプの動作を説明する。
【００５１】
シール基板９３上部にある２本の電磁石９４，９５の一方に電圧を印加させると、圧力室内の可動ピストン８３上部には金属膜８４が設けてある為、可動ピストン８３が電圧印加された側に動く。
【００５２】
マイクロポンプは、電磁石９４，９５により可動ピストン８３を駆動させることで、図８における（ａ）中間工程→（ｂ）吸入、吐出工程→（ａ）中間工程→（ｃ）前室から後室への液体移動工程のサイクルを繰り返し、吸入側流路８９から外部の液体を前室８６に吸入し、前室８６の液体を連通流路８８を通じて後室８７に移動し、吐出側流路９１から外部へ吐出する。
【００５３】
図８（ａ）は、電磁石９４，９５に電圧が印加されていない状態で、可動ピストン８３が前室８６及び後室８７の容積を等しくする位置にある工程を示している。前室８６と後室８７の圧力は等しい為、マイクロポンプ内にある液体は移動しない（中間工程）。
【００５４】
図８（ｂ）は、一方の電磁石９５に電圧が印加されている状態で、可動ピストン８３が図示の矢印に示すように、前室８６の容積を大きく、後室８７の容積を小さくする方向に動いている工程を示している。前室８６の圧力は低くなり、後室８７の圧力は高くなる。よって、外部の液体が吸入側流路８９を通じて前室８６に流入し、同時に、後室８７の液体は吐出側流路９１を介して外部に流出する。この際、前室８６と後室８７の圧力差によって後室弁９２が閉じる為、後室８７の液体は連通流路８８には移動しない（吸入、吐出工程）。
【００５５】
図８（ｃ）は、他方の電磁石９４に電圧が印加されている状態で、可動ピストン８３が図示の矢印に示すように、前室８６の容積を小さく、後室８７の容積を大きくする方向に動いている工程を示している。前室８６の圧力は高くなり、後室８７の圧力は小さくなる。前室８６と後室８７の圧力差によって、前室弁９０は閉じた状態、後室弁９２は開いた状態になり、前室８６にある液体は連通流路８８を通じて後室８７に移動される（前室から後室への液体の移動工程）。
【００５６】
本発明のマイクロポンプの製造方法を図９に示す。
【００５７】
図９は、図８（ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿ったプロセス断面図である。
【００５８】
図９（ａ）に示す石英基板１０１はマイクロポンプの下地基板となり、図９（ｂ）に示すように、石英基板１０１上に弁体９０と圧力室８２を形成するためのａ−Ｓｉ膜１０２ａ、１０２ｂを形成する。このａ−Ｓｉ膜１０２ａ，１０２ｂは、石英基板１０１上にａ−Ｓｉ膜をスパッタリングを用いて１μｍの厚さで成膜し、そのａ−Ｓｉ膜に、フォトリソグラフィによりパターンを形成し、パターニングにはフォトレジストを使用する。次に、反応性イオンエッチングによりフォトレジスト膜以外のａ−Ｓｉ膜をエッチングして除去することで、ａ−Ｓｉ膜１０２ａ、１０２ｂが形成される。ａ−Ｓｉ膜１０２ａ，１０２ｂは、可動ピストン８３が圧力室８２内を移動する為に、圧力室８２底面と可動ピストン８３間に一定隙間を形成する為の犠牲層である。
【００５９】
次に、図９（ｃ）に示すように、プラズマＣＶＤを用いて５μｍのＳｉＯ2膜１０３を成膜した後、図９（ｄ）に示すように、ＳｉＯ2膜１０３上に流路８９を形成するためのａ−Ｓｉ膜１０４を形成する。このａ−Ｓｉ膜１０４は、ＳｉＯ2膜１０３上にａ−Ｓｉ膜をスパッタリングを用いて成膜し、そのａ−Ｓｉ膜に、フォトリソグラフィによりパターンを形成し、パターニングにはフォトレジストを使用する。次に、反応性イオンエッチングによりフォトレジスト膜以外のａ−Ｓｉ膜をエッチングして除去することで、ａ−Ｓｉ膜１０４が形成される。ａ−Ｓｉ膜１０４の形成パターンは、流路８９の底面を区画するために形成され、ａ−Ｓｉ膜１０４は、圧力室８２と流路８９の間に段差を形成する為のエッチストップ層となる。
【００６０】
次に、図９（ｅ）に示すように、プラズマＣＶＤを用いて４０μｍのＳｉＯ2膜１０５を成膜し、図９（ｆ）に示すように、可動ピストン８３上面にＮｉ膜１０６のパターンをリフトオフ法により形成する。Ｎｉ膜１０６はフォトレジストでパターン形成後、スパッタリングを用いて成膜する。形成されるパターンは可動ピストン８３上部に設ける金属膜８４である。
【００６１】
次に、図９（ｇ）に示すように、プラズマＣＶＤを用いて３μｍのＳｉＯ2膜１０７を成膜し、図９（ｈ）に示すように、スパッタリングを用いて２μｍのＷＳｉ膜１０８を成膜し、フォトリソグラフィによるパターニング、反応性イオンエッチングを用いてエッチングする。ＷＳｉ膜１０８ａは前室弁９０を形成する為のマスク、ＷＳｉ膜１０８ｂは可動ピストン８３を形成する為のマスク、ＷＳｉ膜１０８ｃはポンプ内壁１０９を形成する為のマスクになる。
【００６２】
次に、図９（ｉ）に示すように、反応性イオンエッチングを用いて、ＳｉＯ2膜１０７，１０５，１０３を４８μｍエッチングする。このとき、流路８９のパターンにおいては、ａ−Ｓｉ膜１０４がエッチストップ層となり、４３μｍの深さでエッチングが停止する。
【００６３】
次に図９（ｊ）に示すように、ａ−Ｓｉ膜１０２，１０４とＷＳｉ１０８膜のエッチングをする。ａ−Ｓｉ膜１０２ａ、１０２ｂの除去により前室弁９０及び可動ピストン１０２ｂがそれぞれ自立可能となり、前室８６が形成される。また、ａ−Ｓｉ膜１０９により流路８９が形成される。
【００６４】
ここで、上述の説明は図８（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面の製造方法を示したものであり、ａ−Ｓｉ膜１０４によって形成されるパターンは、吸入側流路８９の他に連通流路８８、吐出側流路９１に対応している。また、ＷＳｉ膜１０８ａによって形成されるパターンは前室弁９０の他に後室弁９２にも対応している。
【００６５】
次に図９（ｋ）に示すように、シール基板１１０を貼り合わせる。シール基板１１０上部には２本の電磁石９４、９５をそれぞれ前室８６及び後室８７の上方に設け、貼り合わせる基板表面１１１、１１１をそれぞれ薄酸で洗浄してから３００度に加熱しながら接合し、完成とする。
【００６６】
上述のマイクロポンプは可動ピストン８３がシール基板に設けられた電磁石９４，９５により駆動させる例を示したものであるが、マイクロポンプの平面化を図るために、図１０に示すマイクロポンプは、前記マイクロポンプの流路８８、８９、９０とバルブ室８６，８７の構造は同じであるが、可動ピストン８３を平面状に形成した櫛型電極装置１１６で駆動するようにしたものである。
【００６７】
可動ピストン８３の可動軸部８５の一方８５ａは基板１１２に形成され、他方８５ｂは電極室１１３に延出され、その可動軸部８５ｂに多数の可動側電極部材１１４が形成され、電極室１１３の内壁に、その可動側電極部材１１４間に延びる固定電極部材１１５を形成して、櫛型電極装置１１６を形成したものである。
【００６８】
この櫛型電極装置１１６において電極１１７，１１８に電圧を印加すると、可動ピストン８３は前室８６の方向に、電極１１７，１１９に電圧を印加すると可動ピストン８３は後室８７の方向に移動できるようになっている。
【００６９】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、以下に示すごとく優れた効果を発揮するものである。
【００７０】
（１）基板片面のみの加工で平面的にマイクロポンプを構成できる。
【００７１】
（２）従来の技術で用いていた基板の薄膜化工程がないために基板の大型化が望める。
【００７２】
（３）他の微小流路を用いた流体センサとの集積が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のマイクロポンプの一実施形態をを示す平断面図である。
【図２】図１のマイクロポンプの動作の吸入工程を説明する図である。
【図３】図１のマイクロポンプの動作の吐出工程を説明する図である。
【図４】本発明のマイクロポンプの製造方法を示すプロセス断面図である。
【図５】本発明のマイクロポンプをを平面状に集積した実施形態を説明する図である。
【図６】本発明の他の実施形態のマイクロポンプの構造を示す斜視図である。
【図７】図６の平断面図である。
【図８】図６，７のマイクロポンプの動作を説明する図である。
【図９】図６，７のマイクロポンプの製造方法を示すプロセス断面図である。
【図１０】図６におけるマイクロポンプの駆動装置の変形例を示す平断面図である。
【図１１】従来のマイクロポンプの構造を示す断面図及び動作を説明する図である。
【符号の説明】
１ 石英基板
２ 圧力室
３ 吸入口
４ 吸入バルブ室
５ 吐出口
６ 吐出バルブ室
８ 吸入側流路
１０ 吐出側流路
１２ 吸入側可動弁体
１４ 可撓脚部
１５ 吸入バルブ室
１７ 吐出側可動弁体
１９ 可撓脚部
２０ 吐出バルブ室
３１ 石英基板
３２ ａ−Ｓｉ膜
３５ ＳｉＯ2膜
３７ ａ−Ｓｉ膜
３８ ＳｉＯ2膜
３９ ポンプ室内壁
４０ ＷＳｉ膜
４１ 圧電素子
４２ シール基板
８１ 石英基板
８２ 圧力室
８３ 可動ピストン
８４ 金属膜
８５ 可動軸
８６ 前室
８７ 後室
８８ 連通流路
８９ 吸入側流路
９０ 前室弁
９１ 吐出側流路
９２ 後室弁
９３ シール基板
１０１ 石英基板
１０２ ａ−Ｓｉ膜
１０３ ＳｉＯ2膜
１０４ ａ−Ｓｉ膜
１０５ ＳｉＯ2膜
１０６ Ｎｉ膜
１０７ ＳｉＯ2膜
１０８ ＷＳｉ膜
１０９ ａ−Ｓｉ膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、医療、分析等の分野において微小流体の精密な制御が必要とされるマイクロポンプ及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、マイクロポンプは特許文献１に示されるように、主にマイクロマシン技術を用いて製作されている。図１１（ａ）はマイクロポンプの構造を示したものである。
【０００３】
マイクロポンプは下地基板６０、下層Ｓｉ基板６１、上層Ｓｉ基板６２，シール基板６３が順次積層されて形成され、各基板６０〜６３にフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングし、結晶異方性エッチングにてポンプの構成部材が形成される。
【０００４】
下地基板６１には吸入流路６４と吐出流路６５が形成される。下層Ｓｉ基板６１には流入室６６と吐出室６７が形成され、且つその吐出室６７上に吐出側弁体６８が形成される。上層Ｓｉ基板６２には圧力室６９が形成され、その圧力室６９に下層Ｓｉ基板６１の流入室６６に臨んで吸入側弁体７０が形成される。シール基板６３は圧力室６９に臨んだ面にダイヤフラム部７１が形成されるよう凹部７２が形成され、その凹部７２に圧電素子７３が設けられる。
【０００５】
これら基板６０〜６３は、上述のポンプ構成部材の形成後、陽極接合等の方法を用いて多層に接合することでマイクロポンプが製作される。
【０００６】
図１１（ｂ）（ｃ）はマイクロポンプの動作を説明する図である。
【０００７】
圧電素子７３が圧力室６９の内圧を減少させるときは、図１１（ｂ）に示すように、吸入側弁体７０が開き、吐出側弁体６８が閉じて吸入流路６４の流体が圧力室６９へ移動する。逆に、圧電素子７３が圧力室６９の内圧を増加させるときは、図１１（ｃ）に示すように、吐出側弁体６８が開き、吸入側弁体７０が閉じて圧力室６９内の流体は吐出流路６５へ移動する。圧電素子７０が圧力室６９の内圧を増減することにより、上述の動作を繰り返してマイクロポンプの機能を果たす。
【０００８】
【特許文献１】
特開平５−１６６９号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の構造ではＳｉ基板の両面をパターニングする工程やダイヤフラム形状に薄膜化する工程を含む為に、従来から用いていた半導体加工用の装置をそのまま転用することができず装置を特殊仕様とする必要がある。Ｓｉ基板の薄膜化工程がある為に基板の強度的な問題が発生する。そのため、設計上の制限や取り扱う微小流量の制御に限界が生じたり、基板の大型化が難しいといった問題がある。また、個々の構造体を別々に製造してから多層に基板を接合する構造のため工程数が多くなる。他の微小流路を用いた流体センサ等との集積化が困難である。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、基板片面のみの加工により、小型化及び集積化可能なマイクロポンプとその製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、Ｓｉまたは石英等の基板上にＳｉ系材料を成膜し、かつパターニングにて、基板上に、圧力室と吸入バルブ室と吐出バルブ室を形成し、上記圧力室と上記吸入バルブ室を吸入側流路を介して連通し、上記圧力室と上記吐出バルブ室を吐出側流路を介して連通し、上記吸入バルブ室及び上記吐出バルブ室に、上記圧力室の圧力変動で吸入側流路を開閉する吸入側可動弁体及び上記圧力室の圧力変動で吐出側流路を開閉する吐出側可動弁体をそれぞれ形成し、上記圧力室と上記吸入バルブ室と上記吐出バルブ室と上記吸入側可動弁体と上記吐出側可動弁体を平面的に形成したものである。
【００１２】
請求項２の発明は、上記吸入側可動弁体は、上記吸入バルブ室内で上記圧力室側に通じる流路と吸入口間を移動する吸入側可動弁体部と、上記吸入側可動弁体部を上記吸入バルブ室の壁面に支持する可撓脚部とからなり、上記吐出側可動弁体は、上記吐出バルブ室内で上記圧力室側に通じる流路と吐出口間を移動する吐出側可動弁体部と、上記吐出側可動弁体部を上記吐出バルブ室の壁面に支持する可撓脚部とからなるものである。
【００１３】
請求項３の発明は、上記基板上面に、上記圧力室の容積を可変に駆動するための圧電素子を組み込んだシール基板を設けて上記圧力室、上記バルブ室を閉じた構造とする。
【００１４】
請求項４の発明は、マイクロポンプを製造する方法において、
ａ）基板上にバルブ室の底面を区画する犠牲層を成膜する工程と、
ｂ）犠牲層を成膜した基板上に、Ｓｉ、石英系材料を成膜する工程と、
ｃ）圧力室の底面を区画するエッチストップ層を形成する工程と、
ｄ）エッチストップ層が形成された基板上に、Ｓｉ、石英系材料を成膜する工程と、
ｅ）石英系材料等の成膜の表面に弁体、圧力室等を形成するために、フォトリソグラフィを用いてパターニングする工程と、
ｆ）パターニングされた以外のＳｉ、石英系材料を反応性イオンエッチングを用いてバルブ室、圧力室を形成する工程と、
ｇ）バルブ室、圧力室底面に残った犠牲層とエッチストップ層を除去する工程とからなる。
【００１５】
請求項５の発明は、Ｓｉまたは石英等の基板上にＳｉ系材料を成膜し、且つパターニングにて、基板上に、圧力室を形成し、上記圧力室内に可動ピストンを往復移動自在に設け、上記可動ピストンで仕切られた上記圧力室の前室と後室を結ぶ連通流路を上記基板上に形成すると共に、上記前室と上記後室に吸入側流路と吐出側流路をそれぞれ形成し、上記吸入側流路と上記前室の間に上記前室と上記後室の圧力差によって上記吸入側流路を開閉する前室弁を形成し、上記連通流路と上記後室の間に上記前室と上記後室の圧力差によって上記連通流路を開閉する後室弁を形成し、上記圧力室と上記前室と上記後室と上記可動ピストンと上記前室弁と上記後室弁を平面的に形成したものである。
【００１６】
請求項６の発明は、上記基板上に、上記可動ピストンを駆動するための、静電、圧力、磁力等を利用した素子を組み込んだシール基板を設けて、上記圧力室等を閉じた構造とする。
【００１７】
請求項７の発明は、上述のマイクロポンプを製造する方法において、
ａ）基板上に圧力室の底面を区画する犠牲層を成膜する工程と、
ｂ）犠牲層を成膜した基板上に、Ｓｉ、石英系材料を成膜する工程と、
ｃ）流路等の底面を区画するエッチストップ層を形成する工程と、
ｄ）エッチストップ層が形成された基板上にＳｉ、石英系材料を成膜する工程と、
ｅ）可動ピストン上部に金属膜を成膜する工程と、
ｆ）金属膜が成膜された基板上にＳｉ、石英系材料を成膜する工程と、
ｇ）Ｓｉ、石英系材料等の成膜の表面に可動ピストン、弁体、圧力室等を形成するためにフォトリソグラフィを用いてパターニングする工程と、
ｈ）パターニングされた以外の石英系材料を反応性イオンエッチングを用いて可動ピストン、弁体、圧力室等を形成する工程と、
ｉ）圧力室、流路に残った犠牲層とエッチストップ層を除去する工程とからなる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１９】
図１は、本発明のマイクロポンプの構造の平断面図を示し、図２、図３は図１のマイクロポンプの作動状態を示す平断面図である。
【００２０】
図１〜３において、四角形状に形成された石英基板１の中央に四角形状の圧力室２が形成され、その圧力室２の一方の石英基板１に、吸入口３で外部に開放された吸入バルブ室４が形成され、他方に、吐出口５で外部に開放された吐出バルブ室６が形成される。
【００２１】
圧力室２と吸入バルブ室４は吸入側仕切壁７で仕切られ、その吸入側仕切壁７に圧力室２と連通する吸入側流路８が形成される。吸入側流路８の上辺側の吸入側仕切壁７ａは厚肉に形成され、下辺側の吸入側仕切壁７ｂは逆Ｌ字状に形成されている。吸入側仕切壁７は下辺側７ｂが上辺側７ａよりも長く形成されている。
【００２２】
同様に、圧力室２と吐出バルブ室６は吐出側仕切壁９で仕切られ、その吐出側仕切壁９に圧力室２と吐出バルブ室６を連通する吐出側流路１０が形成される。吐出口５の上辺側の吐出口流路壁１１ａは厚肉に形成され、下辺側の吐出口流路壁１１ｂは逆Ｌ字状に形成されている。下辺側吐出口流路壁１１ｂは上辺側吐出口流路壁１１ａよりも長く形成される。
【００２３】
吸入バルブ室４には圧力室２と吸入バルブ室４の圧力差で移動する吸入側可動弁体１２が形成される。吸入側可動弁体１２は、吸入口３と圧力室２に連通する吸入側流路８を開閉するＬ字状の弁体部１３と、その弁体部１３を基板１に保持し、弁体部１３の移動を許容する薄肉に形成された可撓脚部１４，１４とから形成される。可撓脚部１４、１４間の吸入バルブ室内壁１５には凸状の可撓脚部制御壁１６が形成される。
【００２４】
吐出バルブ室６には、圧力室２と吐出バルブ室６の圧力差で移動する吐出側可動弁体１７が形成される。吐出側可動弁体１７は、吐出口５と圧力室２に連通する吸入側流路９を開閉するＬ字状の弁体部１８とその弁体部１８を基板１に保持し、弁体部１８の移動を許容する薄肉に形成された可撓脚部１９，１９とから形成される。可撓脚部１９、１９間の吐出バルブ室内壁２０には凸状の可撓脚部制御壁２１が形成される。
【００２５】
吸入側可動弁体１２及び吐出側可動弁体１７は、バルブ室４、６内で上面と底面から所定の間隔を有するように形成されて、移動可能になる。
【００２６】
上述の基板１上にマイクロポンプの駆動機構として、後述するが、シリコン基板をダイヤフラム状に加工し、圧電素子を貼り付けたものを接合する。圧電素子は圧力室２の上に設けられる。駆動方法は、圧電素子によるもののほかに静電力、熱膨張力等による駆動も可能である。
【００２７】
次に本発明のマイクロポンプの動作を説明する。
【００２８】
マイクロポンプは、圧力室２の容積を変化させることで、中間工程（図１）→吸入工程（図２）→中間工程（図１）→吐出工程（図３）のサイクルを繰り返し、吸入口３側から外部の液体を吸入バルブ室４に吸い込み、これを圧力室２に、かつ、その圧力室２から吐出バルブ室６より吐出口５側から外部へ吐出させる。
【００２９】
図１に示すように、圧力室２の容積が変化していない中間工程では、圧力室２の圧力と吸入バルブ室４及び吐出バルブ室６の圧力は同じである。吸入側可動弁体１２は、吸入口３と吸入側流路壁７ｂのどちらにも接触せず、同様に、吐出側可動弁体１７は、吐出口流路壁１１ｂ、吐出側流路１０のどちらにも接触しない。このときマイクロポンプ内の液体は移動しない。
【００３０】
図２は吸入工程を示したもので、駆動用ダイヤフラムが圧力室２の容量を増加させる方向に動くとき、圧力室２の内圧が下がり、圧力室２の圧力は吸入バルブ室４と吐出バルブ室６の圧力より低くなる。圧力室２と吸入バルブ室４及び吐出バルブ室６に圧力差が生じる為、吸入側及び吐出側可動弁体１２、１７は圧力室２の方向に共に移動する。この移動により、吸入側可動弁体１２の吸入側流路壁側の面２２は下辺側の吸入側流路壁７ｂに接触するが、上辺側の吸入側流路壁７ａには接触せず、吸入バルブ室４と圧力室２とは吸入側流路８を介して連通した状態になる。一方、吐出側可動弁体１７のシール面２３は吐出側流路壁９ａ、９ｂに接触して吐出側流路１０を閉じる。よって、圧力差により吸入バルブ室４の液体は吸入側流路８を介して圧力室２へ移動し、それに伴って、吸入口３から吸入バルブ室４へ液体が吸入される。
【００３１】
図３は吐出工程を示したもので、駆動用ダイヤフラムが圧力室２の容量を減少させる方向に動くとき、圧力室２の内圧が上がり、圧力室２の圧力は吸入バルブ室４と吐出バルブ室６の内圧より高くなる。圧力室２と吸入バルブ室４及び吐出バルブ室６に圧力差が生じる為、吸入側及び吐出側可動弁体１２、１７は圧力室２と反対方向に共に移動する。この移動により、吐出側可動弁体１７の吐出口流路壁側の面２４は下辺側の吐出口流路壁１１ｂに接触するが、上辺側の吐出口流路壁１１ａには接触せず、吐出バルブ室６と圧力室２とは吐出側流路１０を介して連通した状態になる。一方、吸入側可動弁体１２のシール面２５が吸入口３に接触して吸入口３を閉じる。よって、圧力差により圧力室２の液体は吐出側流路１０を通じて吐出バルブ室６へ移動し、これにより、吐出バルブ室６から吐出口５へ液体が吐出される。
【００３２】
本発明のマイクロポンプの製造方法を図４に示す。図４は、図１におけるＡ−Ａ線に沿ったプロセス断面図である。
【００３３】
図４（ａ）に示す石英基板３１はマイクロポンプの下地基板となり、図４（ｂ）に示すように、石英基板３１上にａ−Ｓｉ膜３２をスパッタリングを用いて成膜し、フォトリソグラフィによりパターニングする。ａ−Ｓｉ膜３２の形成パターンは図１で説明したバルブ室６の底面を区画するために形成される。ａ−Ｓｉ膜３２は可動弁体１７がバルブ室６内を移動する為に、バルブ室６底面と可動弁体１７間に一定隙間を形成する為の犠牲層である。
【００３４】
次に図４（ｃ）に示すように、プラズマＣＶＤを用いてＳｉＯ2膜３５を成膜した後、図４（ｄ）に示すように、ａ−Ｓｉ膜３７をスパッタリングを用いて成膜し、フォトリソグラフィによりパターニングする。ａ−Ｓｉ膜３７の形成パターンは圧力室２、流路１０の底面を区画するために形成され、ａ−Ｓｉ膜３７はバルブ室６と圧力室２や流路１０との間に段差を形成する為のエッチストップ層となる。
【００３５】
次に図４（ｅ）に示すように、プラズマＣＶＤを用いてＳｉＯ2膜３８を成膜した後、図４（ｆ）に示すように、ＷＳｉ膜４０をスパッタリングを用いて成膜し、フォトリソグラフィによりパターニングする。ＷＳｉ膜４０ａはポンプ内壁３９を形成する為のマスクであり、ＷＳｉ膜４０ｂは可動弁体１７を形成する為のマスクである。
【００３６】
図４（ｇ）に示すように、パターニングされたＷＳｉ膜４０をマスク材として反応性イオンエッチング装置を用いてＳｉＯ2膜３８、３５をエッチングする。ＳｉＯ2膜３８、３５はａ−Ｓｉ３２、３７のエッチストップ層までエッチングされる。ＷＳｉ膜４０ａ下のＳｉＯ2膜３８，３５はポンプ内壁３９を形成し、ＷＳｉ膜４０ｂ下のＳｉＯ2膜３８，３５は可動弁体１７を形成する。
【００３７】
次に図４（ｈ）に示すように、ＷＳｉ膜４０及びａ−Ｓｉ膜３２、３７をエッチングする。犠牲層であるａ−Ｓｉ膜３２の除去により、可動弁体１７と下地基板３１間に隙間ができ、可動弁体１７は自立し、バルブ室６が形成される。また、ａ−Ｓｉ膜３４の除去により、圧力室２と流路１０が形成される。
【００３８】
ここで、上述の説明は図１におけるＡ−Ａ線断面の製造方法を示したものであり、ａ−Ｓｉ膜３２によって形成されるパターンは、吐出バルブ室６の他に吸入側バルブ室４に対応している。ａ−Ｓｉ膜３７によって形成されるパターンは、圧力室２及び流路１０の他に、吸入口３、吐出口５、吸入側流路８のパターンに対応している。
【００３９】
最後に図４（ｉ）に示すように、シリコン基板をダイヤフラム状に加工し、駆動用の圧電素子４１を圧力室２上に組み込んだシール基板４２をＳｉＯ2膜３８上に陽極接合等の方法で接合して完成する。なお、シール基板４２の材質としてシリコンの代わりにガラスを用いることもできる。
【００４０】
この実施形態による発明の作用と効果について説明する。
【００４１】
本発明は、圧力室２、バルブ室４、６が平面的に構成されるマイクロポンプを、半導体加工用装置を用いて基板片面だけ加工するため、製作工程が容易になり、従来のマイクロポンプより構造的強度を増すことができる。また、マイクロポンプとそれに接続する他素子を同じ基板で製作することができる。
【００４２】
このように本発明は基板上に平面的にマイクロポンプを製作できるため、一つの基板上に複数のマイクロポンプを同時に製作できる。
【００４３】
本発明によるマイクロポンプと微小流路を用いた流体センサを集積した例を図５で説明する。図５は、マイクロポンプ５１を集積した形態を示したものである。図５において、上述したように、基板５０上にマイクロポンプ５１を複数形成し、同時に、各吸入バルブ室側に複数の試薬等を収容した液だめ部５２を形成し、各吐出バルブ室に分析用流路５３を形成し、かつ、これら分析用流路５３から吐出された試薬等を混合する調合室５４を形成し、その調合室５４で調合された試薬等を吸入するマイクロポンプ５５を形成し、さらに、そのマイクロポンプ５５の吐出側の流路５８に加熱用のマイクロヒータ５６を設け、その流路５８に試薬供給室５７を形成したものである。
【００４４】
このようにポンプを平面的に形成することによって、集積化が可能になると共に、任意の試薬等を調合して送り出すことが可能となる。
【００４５】
次に図６、７により本発明の他の実施の形態を説明する。
【００４６】
図６はマイクロポンプ構造の斜視図を示し、図７はマイクロポンプの平断面図を示している。
【００４７】
上述の実施の形態では、基板１上に圧力室２と吸入および吐出バルブ室４，６が流路８，１０によって連通した構造の例を示したが、図６，７に示すマイクロポンプは、圧力室８２内に可動ピストン８３を設け、圧力室８２が、その可動ピストン８３によって圧力室８２に吸入バルブ室となる前室８６と吐出バルブ室となる後室８７を形成したものである。
【００４８】
前室８６と後室８７は連通流路８８を介して連通しており、前室８６には吸入側流路８９が形成され、吸入側流路８９と前室８６の間には前室弁９０が形成される。後室８７には吐出側流路９１が形成され、連通流路８８と後室８７の間には後室弁９２が形成される。
【００４９】
可動ピストン８３の駆動のためにシール基板９３には２本の電磁石９４、９５が設けられ、可動ピストン８３上部には金属膜８４が形成され、可動ピストン８３の両側面部には可動軸部８５，８５が形成される。可動軸８５，８５は可動ピストン８３を保持し、圧力室８２には可動軸部８５，８５が移動できる空間８２ａが形成されている。
【００５０】
次にマイクロポンプの動作を説明する。
【００５１】
シール基板９３上部にある２本の電磁石９４，９５の一方に電圧を印加させると、圧力室内の可動ピストン８３上部には金属膜８４が設けてある為、可動ピストン８３が電圧印加された側に動く。
【００５２】
マイクロポンプは、電磁石９４，９５により可動ピストン８３を駆動させることで、図８における（ａ）中間工程→（ｂ）吸入、吐出工程→（ａ）中間工程→（ｃ）前室から後室への液体移動工程のサイクルを繰り返し、吸入側流路８９から外部の液体を前室８６に吸入し、前室８６の液体を連通流路８８を通じて後室８７に移動し、吐出側流路９１から外部へ吐出する。
【００５３】
図８（ａ）は、電磁石９４，９５に電圧が印加されていない状態で、可動ピストン８３が前室８６及び後室８７の容積を等しくする位置にある工程を示している。前室８６と後室８７の圧力は等しい為、マイクロポンプ内にある液体は移動しない（中間工程）。
【００５４】
図８（ｂ）は、一方の電磁石９５に電圧が印加されている状態で、可動ピストン８３が図示の矢印に示すように、前室８６の容積を大きく、後室８７の容積を小さくする方向に動いている工程を示している。前室８６の圧力は低くなり、後室８７の圧力は高くなる。よって、外部の液体が吸入側流路８９を通じて前室８６に流入し、同時に、後室８７の液体は吐出側流路９１を介して外部に流出する。この際、前室８６と後室８７の圧力差によって後室弁９２が閉じる為、後室８７の液体は連通流路８８には移動しない（吸入、吐出工程）。
【００５５】
図８（ｃ）は、他方の電磁石９４に電圧が印加されている状態で、可動ピストン８３が図示の矢印に示すように、前室８６の容積を小さく、後室８７の容積を大きくする方向に動いている工程を示している。前室８６の圧力は高くなり、後室８７の圧力は小さくなる。前室８６と後室８７の圧力差によって、前室弁９０は閉じた状態、後室弁９２は開いた状態になり、前室８６にある液体は連通流路８８を通じて後室８７に移動される（前室から後室への液体の移動工程）。
【００５６】
本発明のマイクロポンプの製造方法を図９に示す。
【００５７】
図９は、図８（ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿ったプロセス断面図である。
【００５８】
図９（ａ）に示す石英基板１０１はマイクロポンプの下地基板となり、図９（ｂ）に示すように、石英基板１０１上に弁体９０と圧力室８２を形成するためのａ−Ｓｉ膜１０２ａ、１０２ｂを形成する。このａ−Ｓｉ膜１０２ａ，１０２ｂは、石英基板１０１上にａ−Ｓｉ膜をスパッタリングを用いて１μｍの厚さで成膜し、そのａ−Ｓｉ膜に、フォトリソグラフィによりパターンを形成し、パターニングにはフォトレジストを使用する。次に、反応性イオンエッチングによりフォトレジスト膜以外のａ−Ｓｉ膜をエッチングして除去することで、ａ−Ｓｉ膜１０２ａ、１０２ｂが形成される。ａ−Ｓｉ膜１０２ａ，１０２ｂは、可動ピストン８３が圧力室８２内を移動する為に、圧力室８２底面と可動ピストン８３間に一定隙間を形成する為の犠牲層である。
【００５９】
次に、図９（ｃ）に示すように、プラズマＣＶＤを用いて５μｍのＳｉＯ2膜１０３を成膜した後、図９（ｄ）に示すように、ＳｉＯ2膜１０３上に流路８９を形成するためのａ−Ｓｉ膜１０４を形成する。このａ−Ｓｉ膜１０４は、ＳｉＯ2膜１０３上にａ−Ｓｉ膜をスパッタリングを用いて成膜し、そのａ−Ｓｉ膜に、フォトリソグラフィによりパターンを形成し、パターニングにはフォトレジストを使用する。次に、反応性イオンエッチングによりフォトレジスト膜以外のａ−Ｓｉ膜をエッチングして除去することで、ａ−Ｓｉ膜１０４が形成される。ａ−Ｓｉ膜１０４の形成パターンは、流路８９の底面を区画するために形成され、ａ−Ｓｉ膜１０４は、圧力室８２と流路８９の間に段差を形成する為のエッチストップ層となる。
【００６０】
次に、図９（ｅ）に示すように、プラズマＣＶＤを用いて４０μｍのＳｉＯ2膜１０５を成膜し、図９（ｆ）に示すように、可動ピストン８３上面にＮｉ膜１０６のパターンをリフトオフ法により形成する。Ｎｉ膜１０６はフォトレジストでパターン形成後、スパッタリングを用いて成膜する。形成されるパターンは可動ピストン８３上部に設ける金属膜８４である。
【００６１】
次に、図９（ｇ）に示すように、プラズマＣＶＤを用いて３μｍのＳｉＯ2膜１０７を成膜し、図９（ｈ）に示すように、スパッタリングを用いて２μｍのＷＳｉ膜１０８を成膜し、フォトリソグラフィによるパターニング、反応性イオンエッチングを用いてエッチングする。ＷＳｉ膜１０８ａは前室弁９０を形成する為のマスク、ＷＳｉ膜１０８ｂは可動ピストン８３を形成する為のマスク、ＷＳｉ膜１０８ｃはポンプ内壁１０９を形成する為のマスクになる。
【００６２】
次に、図９（ｉ）に示すように、反応性イオンエッチングを用いて、ＳｉＯ2膜１０７，１０５，１０３を４８μｍエッチングする。このとき、流路８９のパターンにおいては、ａ−Ｓｉ膜１０４がエッチストップ層となり、４３μｍの深さでエッチングが停止する。
【００６３】
次に図９（ｊ）に示すように、ａ−Ｓｉ膜１０２，１０４とＷＳｉ１０８膜のエッチングをする。ａ−Ｓｉ膜１０２ａ、１０２ｂの除去により前室弁９０及び可動ピストン１０２ｂがそれぞれ自立可能となり、前室８６が形成される。また、ａ−Ｓｉ膜１０９により流路８９が形成される。
【００６４】
ここで、上述の説明は図８（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面の製造方法を示したものであり、ａ−Ｓｉ膜１０４によって形成されるパターンは、吸入側流路８９の他に連通流路８８、吐出側流路９１に対応している。また、ＷＳｉ膜１０８ａによって形成されるパターンは前室弁９０の他に後室弁９２にも対応している。
【００６５】
次に図９（ｋ）に示すように、シール基板１１０を貼り合わせる。シール基板１１０上部には２本の電磁石９４、９５をそれぞれ前室８６及び後室８７の上方に設け、貼り合わせる基板表面１１１、１１１をそれぞれ薄酸で洗浄してから３００度に加熱しながら接合し、完成とする。
【００６６】
上述のマイクロポンプは可動ピストン８３がシール基板に設けられた電磁石９４，９５により駆動させる例を示したものであるが、マイクロポンプの平面化を図るために、図１０に示すマイクロポンプは、前記マイクロポンプの流路８８、８９、９０とバルブ室８６，８７の構造は同じであるが、可動ピストン８３を平面状に形成した櫛型電極装置１１６で駆動するようにしたものである。
【００６７】
可動ピストン８３の可動軸部８５の一方８５ａは基板１１２に形成され、他方８５ｂは電極室１１３に延出され、その可動軸部８５ｂに多数の可動側電極部材１１４が形成され、電極室１１３の内壁に、その可動側電極部材１１４間に延びる固定電極部材１１５を形成して、櫛型電極装置１１６を形成したものである。
【００６８】
この櫛型電極装置１１６において電極１１７，１１８に電圧を印加すると、可動ピストン８３は前室８６の方向に、電極１１７，１１９に電圧を印加すると可動ピストン８３は後室８７の方向に移動できるようになっている。
【００６９】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、以下に示すごとく優れた効果を発揮するものである。
【００７０】
（１）基板片面のみの加工で平面的にマイクロポンプを構成できる。
【００７１】
（２）従来の技術で用いていた基板の薄膜化工程がないために基板の大型化が望める。
【００７２】
（３）他の微小流路を用いた流体センサとの集積が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のマイクロポンプの一実施形態をを示す平断面図である。
【図２】図１のマイクロポンプの動作の吸入工程を説明する図である。
【図３】図１のマイクロポンプの動作の吐出工程を説明する図である。
【図４】本発明のマイクロポンプの製造方法を示すプロセス断面図である。
【図５】本発明のマイクロポンプをを平面状に集積した実施形態を説明する図である。
【図６】本発明の他の実施形態のマイクロポンプの構造を示す斜視図である。
【図７】図６の平断面図である。
【図８】図６，７のマイクロポンプの動作を説明する図である。
【図９】図６，７のマイクロポンプの製造方法を示すプロセス断面図である。
【図１０】図６におけるマイクロポンプの駆動装置の変形例を示す平断面図である。
【図１１】従来のマイクロポンプの構造を示す断面図及び動作を説明する図である。
【符号の説明】
１ 石英基板
２ 圧力室
３ 吸入口
４ 吸入バルブ室
５ 吐出口
６ 吐出バルブ室
８ 吸入側流路
１０ 吐出側流路
１２ 吸入側可動弁体
１４ 可撓脚部
１５ 吸入バルブ室
１７ 吐出側可動弁体
１９ 可撓脚部
２０ 吐出バルブ室
３１ 石英基板
３２ ａ−Ｓｉ膜
３５ ＳｉＯ2膜
３７ ａ−Ｓｉ膜
３８ ＳｉＯ2膜
３９ ポンプ室内壁
４０ ＷＳｉ膜
４１ 圧電素子
４２ シール基板
８１ 石英基板
８２ 圧力室
８３ 可動ピストン
８４ 金属膜
８５ 可動軸
８６ 前室
８７ 後室
８８ 連通流路
８９ 吸入側流路
９０ 前室弁
９１ 吐出側流路
９２ 後室弁
９３ シール基板
１０１ 石英基板
１０２ ａ−Ｓｉ膜
１０３ ＳｉＯ2膜
１０４ ａ−Ｓｉ膜
１０５ ＳｉＯ2膜
１０６ Ｎｉ膜
１０７ ＳｉＯ2膜
１０８ ＷＳｉ膜
１０９ ａ−Ｓｉ膜
Claims (7)
- Ｓｉまたは石英等の基板上にＳｉ系材料を成膜し、かつパターニングにて、基板上に、圧力室と吸入バルブ室と吐出バルブ室を形成し、
上記圧力室と上記吸入バルブ室を吸入側流路を介して連通し、
上記圧力室と上記吐出バルブ室を吐出側流路を介して連通し、
上記吸入バルブ室及び上記吐出バルブ室に、上記圧力室の圧力変動で吸入側流路を開閉する吸入側可動弁体及び上記圧力室の圧力変動で吐出側流路を開閉する吐出側可動弁体をそれぞれ形成し、
上記圧力室と上記吸入バルブ室と上記吐出バルブ室と上記吸入側可動弁体と上記吐出側可動弁体を平面的に形成したことを特徴とするマイクロポンプ。 - 上記吸入側可動弁体は、上記吸入バルブ室内で上記圧力室側に通じる流路と吸入口間を移動する吸入側可動弁体部と、上記吸入側可動弁体部を上記吸入バルブ室の壁面に支持する可撓脚部とからなり、
上記吐出側可動弁体は、上記吐出バルブ室内で上記圧力室側に通じる流路と吐出口間を移動する吐出側可動弁体部と、上記吐出側可動弁体部を上記吐出バルブ室の壁面に支持する可撓脚部とからなる請求項１記載のマイクロポンプ。 - 上記基板上面に、上記圧力室の容積を可変に駆動するための圧電素子を組み込んだシール基板を設けて上記圧力室、上記バルブ室を閉じた請求項１又は２記載のマイクロポンプ。
- 請求項１〜３いずれかに記載のマイクロポンプを製造する方法において、
ａ）基板上にバルブ室の底面を区画する犠牲層を成膜する工程と、
ｂ）犠牲層を成膜した基板上に、Ｓｉ、石英系材料を成膜する工程と、
ｃ）圧力室の底面を区画するエッチストップ層を形成する工程と、
ｄ）エッチストップ層が形成された基板上に、Ｓｉ、石英系材料を成膜する工程と、
ｅ）石英系材料等の成膜の表面に弁体、圧力室等を形成するために、フォトリソグラフィを用いてパターニングする工程と、
ｆ）パターニングされた以外のＳｉ、石英系材料を反応性イオンエッチングを用いてバルブ室、圧力室を形成する工程と、
ｇ）バルブ室、圧力室底面に残った犠牲層とエッチストップ層を除去する工程とからなることを特徴とするマイクロポンプの製造方法。 - Ｓｉまたは石英等の基板上にＳｉ系材料を成膜し、且つパターニングにて、基板上に、圧力室を形成し、
上記圧力室内に可動ピストンを往復移動自在に設け、
上記可動ピストンで仕切られた上記圧力室の前室と後室を結ぶ連通流路を上記基板上に形成すると共に、上記前室と上記後室に吸入側流路と吐出側流路をそれぞれ形成し、
上記吸入側流路と上記前室の間に上記前室と上記後室の圧力差によって上記吸入側流路を開閉する前室弁を形成し、
上記連通流路と上記後室の間に上記前室と上記後室の圧力差によって上記連通流路を開閉する後室弁を形成し、
上記圧力室と上記前室と上記後室と上記可動ピストンと上記前室弁と上記後室弁を平面的に形成したことを特徴とするマイクロポンプ。 - 上記基板上に、上記可動ピストンを駆動するための、静電、圧力、磁力等を利用した素子を組み込んだシール基板を設けて、上記圧力室等を閉じた請求項５記載のマイクロポンプ。
- 請求項５又は６に記載のマイクロポンプを製造する方法において、
ａ）基板上に圧力室の底面を区画する犠牲層を成膜する工程と、
ｂ）犠牲層を成膜した基板上に、Ｓｉ、石英系材料を成膜する工程と、
ｃ）流路等の底面を区画するエッチストップ層を形成する工程と、
ｄ）エッチストップ層が形成された基板上にＳｉ、石英系材料を成膜する工程と、
ｅ）可動ピストン上部に金属膜を成膜する工程と、
ｆ）金属膜が成膜された基板上にＳｉ、石英系材料を成膜する工程と、
ｇ）Ｓｉ、石英系材料等の成膜の表面に可動ピストン、弁体、圧力室等を形成するためにフォトリソグラフィを用いてパターニングする工程と、
ｈ）パターニングされた以外の石英系材料を反応性イオンエッチングを用いて可動ピストン、弁体、圧力室等を形成する工程と、
ｉ）圧力室、流路に残った犠牲層とエッチストップ層を除去する工程とからなることを特徴とするマイクロポンプの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003196617A JP4206849B2 (ja) | 2003-07-14 | 2003-07-14 | マイクロポンプ及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003196617A JP4206849B2 (ja) | 2003-07-14 | 2003-07-14 | マイクロポンプ及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2005030307A JP2005030307A (ja) | 2005-02-03 |
| JP4206849B2 true JP4206849B2 (ja) | 2009-01-14 |
Family
ID=34207051
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003196617A Expired - Fee Related JP4206849B2 (ja) | 2003-07-14 | 2003-07-14 | マイクロポンプ及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4206849B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2022514294A (ja) * | 2018-12-21 | 2022-02-10 | ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング | Ｍｅｍｓ素子内の通路の封鎖方法 |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1313356C (zh) * | 2005-06-09 | 2007-05-02 | 上海交通大学 | 基于双氧水分解的微氧气泵 |
| CN1313355C (zh) * | 2005-06-09 | 2007-05-02 | 上海交通大学 | 一种具有单片气动凝胶微阀的微泵 |
| DE102005029803A1 (de) | 2005-06-27 | 2007-01-04 | Robert Bosch Gmbh | Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Bauelements sowie mikromechanisches Bauelement |
-
2003
- 2003-07-14 JP JP2003196617A patent/JP4206849B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2022514294A (ja) * | 2018-12-21 | 2022-02-10 | ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング | Ｍｅｍｓ素子内の通路の封鎖方法 |
| JP7223853B2 (ja) | 2018-12-21 | 2023-02-16 | ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング | Ｍｅｍｓ素子内の通路の封鎖方法 |
| US11851324B2 (en) | 2018-12-21 | 2023-12-26 | Robert Bosch Gmbh | Method for sealing entries in a MEMS element |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2005030307A (ja) | 2005-02-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3814132B2 (ja) | ポンプ及びその駆動方法 | |
| JP4873014B2 (ja) | 圧電マイクロブロア | |
| US20050047967A1 (en) | Microfluidic component providing multi-directional fluid movement | |
| US5336062A (en) | Microminiaturized pump | |
| JP3536860B2 (ja) | 容積可変型ポンプ | |
| JP4531563B2 (ja) | 蠕動マイクロポンプ | |
| JPH05272457A (ja) | マイクロポンプおよびその製造方法 | |
| JPH04285378A (ja) | マイクロ弁 | |
| JP4372616B2 (ja) | マイクロバルブ、マイクロポンプ及びこれらを内蔵するマイクロチップ | |
| JP2005525514A (ja) | マイクロ流体バルブ、およびそのためのシステム | |
| JP3531027B2 (ja) | マイクロポンプおよびポンプシステム | |
| Johari et al. | Piezoelectric micropump with nanoliter per minute flow for drug delivery systems | |
| Huang et al. | A membrane-based serpentine-shape pneumatic micropump with pumping performance modulated by fluidic resistance | |
| Lee et al. | Bidirectional pumping properties of a peristaltic piezoelectric micropump with simple design and chemical resistance | |
| JP4206849B2 (ja) | マイクロポンプ及びその製造方法 | |
| JP2015021825A (ja) | 流体取扱装置および流体取扱方法 | |
| JP2018123796A (ja) | マイクロダイヤフラムポンプ | |
| JP3202643B2 (ja) | マイクロポンプおよびマイクロポンプの製造方法 | |
| WO2008150210A1 (en) | Micropump | |
| JP2011245845A (ja) | マイクロエジェクター及びその製造方法 | |
| JP2007198147A (ja) | ダイヤフラムポンプ | |
| JP4005297B2 (ja) | マイクロバルブおよびマイクロポンプ | |
| JPH06264870A (ja) | マイクロポンプ | |
| Johnston et al. | Elastomer-glass micropump employing active throttles | |
| KR101132657B1 (ko) | 단일 제어 신호에 의해 구동되는 연동형 마이크로 펌프 및 그 제조 방법 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20051021 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20080514 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20080603 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20080801 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20080924 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20081007 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111031 Year of fee payment: 3 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |