JP4472756B2

JP4472756B2 - 単極性モーターが用いられた組み込み流体ポンプ

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Publication number: JP4472756B2
Application number: JP2007532405A
Authority: JP
Inventors: ビーケーネマン，ポール
Original assignee: Harris Corp
Current assignee: Harris Corp
Priority date: 2004-09-16
Filing date: 2005-09-14
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2025-09-14
Also published as: WO2006033897A3; US7578661B2; WO2006033897A2; CA2580484A1; JP2008513673A; EP1800005A4; US20060057004A1; CA2580484C; EP1800005A2

Description

本発明は、単極性モーターを有する流体ポンプに関する。

流体システムを利用する様々な装置の小型化により、非常に小さな部品を有する流体システムの開発の必要性が増大している。これらのシステムはマイクロ流体システムとして一般的に知られている。マイクロ流体システムは、発展中の様々な技術分野において、ますます重要な役割を担う可能性を有している。一例として、マイクロエンジンでの液体燃料の利用、及び流体絶縁物の利用に関する関心が近年増大している。

マイクロ流体システムが、ますます重要な役割を担うと思われる他の技術分野は、燃料電池である。燃料電池は、イオン伝導性の電解質を介して、燃料と酸化剤とを電気化学的に反応させることによって、電気及び熱を発生させる。燃料電池の中には反応の副生成物として汚水を生成するものがある。この汚水は、流体管理サブシステムによって、システムから排出されるように、反応から除去されなければならない。

現在マイクロセルと呼ばれる、非常に小さな燃料電池を作製する取り組みがなされている。そのようなマイクロセルは究極的には、様々な携帯型電子機器の用途に用いることができると期待されている。たとえば、そのような装置はラップトップコンピュータ及び携帯電話への電力供給に用いることができるだろう。しかし依然として、マイクロセルは、多数の設計上の課題を抱えている。これらの課題は、マイクロセルが実際に装備可能となる前に克服されなければならない。たとえば、燃料電池反応を制御し、燃料を反応成分へ供給し、かつその反応で生成された水を排気するための小型化された電子機械システムが開発されなければならない。この点では、燃料電池設計における技術革新は、シリコンプロセス、並びにマイクロエレクトロニクス及びマイクロシステムエンジニアリングの分野の他の技術を模索し始めている。
コースター(David A.Koester)他、「MUMP設計ハンドブック」（改訂バージョン7.0）、2001年

大抵の型の流体システムについて当てはまることだが、マイクロ流体システムは大抵の場合、別個の部品として実装される流体ポンプを組み込む。しかし、別個の部品を実装することで、システムはかさばる傾向にあるため、大抵の場合、小型化への取り組みの障害となる。しかも、そのような流体ポンプは一般的に、協働しなければならない複数の可動部分を有する。しかし、そのような装置の信頼性は一般的に、可動部分の数に反比例する。その理由は、可動部分はすり減る傾向にあるためである。従ってマイクロ流体システムを利用する上で、上記の制限を克服できる組み込み流体ポンプが必要となる。

単極性モーターは、少なくとも1つの羽根車を画定する回転ディスクを有する。羽根車は、回転ディスク内部に穴を有して良い。回転ディスクは、たとえばセラミックス基板、液晶ポリマー基板、又は半導体基板のような基板内に画定される空洞内部の少なくとも一部に設けられて良い。

基板は、その内部で画定されている第1流体ポートを有して良い。第1流体ポートは、回転ディスクと流体のやり取りが可能なように結合して良い。そのように結合することにより、回転ディスクが変動することで、流体は第1流体ポートを流れる。基板はまた、回転ディスクと流体のやり取りが可能なように結合する第2流体ポートを有しても良い。基板が第2ポートを有することにより、回転ディスクが変動することで、流体は第1流体ポートから、第2流体ポートを介して流れる。回転ディスクが変動することで、流体は、回転ディスクの回転軸に対して実質的に整合する方向、又はそのディスクの外周に実質的に接する方向に流れる。

回転ディスクの回転速度を制御する閉ループ制御回路が含まれて良い。たとえば、制御回路は、回転ディスクにわたって電圧を印加する電源を制御することが可能である。制御回路はまた、回転ディスクの回転軸に実質的に整合する磁場を発生させる磁石を制御することも可能である。

本発明は基板内部に組み込まれた流体ポンプに関する。従って、流体ポンプは、マイクロ電子機械システム(MEMS)素子として製造されて良い。流体ポンプは、スタンドアローンの素子でも良いし、又はより大きなシステムと有利になるように一体化されても良い。そのような、より大きなシステムの例には、エレクトロニクス素子、燃料電池、センサシステム、又は基板を有する他の素子が含まれて良い。重要なことは、本発明が、特定型の素子に限定されないことである。

一の構成では、流体ポンプは、マイクロ流体システム内部に組み込まれて良い。別な構成では、流体ポンプは、1つ以上の熱発生装置に近接する基板の内部に組み込まれて良い。そのような場合、流体ポンプは、たとえば空気のような流体を熱発生装置へ送るのに用いられて良く、それにより装置の放熱が改善される。従って、流体ポンプは、エレクトロニクスシステム内部でよく使用される従来の冷却ファンに代わって、低プロファイル冷却手段として使用することが可能である。

図1を参照すると、本発明に従った流体ポンプ100の斜視図が示されている。流体ポンプ100は、基板105上で製造されて良い。基板105は様々な基板のうちのいずれの種類であっても良い。たとえば、流体ポンプ100は、液晶ポリマー(LCP)、セラミックス、シリコン、ガリウムヒ素、窒化ガリウム又はインジウム燐からなる基板上で製造されて良い。ここでも、本発明は限定されず、マイクロ電子機械システムの製造工程に適する材料であれば如何なる材料が用いられても良い。

流体ポンプ100は、導電性回転ディスク（ディスク）115を有するマイクロ電子機械の単極性モーター（単極性モーター）110を有して良い。1つ以上の羽根車120が、ディスク115によって画定されて良い。羽根車120は、ディスク115によって画定される、流体を変動させるのに適した構造であって良い。たとえば、羽根車120は、ディスク115内部の開口部すなわち穴180によって画定されて良いし、及び/又は回転ディスク115の表面形状185によって画定されても良い。開口部すなわち穴180、及び表面形状185によって、ディスク115が回転する際に、流体を変動させることができる。別な構成では、羽根車120は、穴180に近接する回転ディスク115上に設けられる翼であって良い。たとえば、翼は、ディスク115の上側表面125から上方に延在して良い。翼は、ディスク115上で一体化した状態で形成されて良いし、又は接着剤、留め具、溶接、又は他の適切な取り付け手段によって取り付けられて良い。

羽根車120は、ディスク115の中心位置130から、ディスク115の外部周辺領域135へ延在して良い。一の構成では、羽根車120は、ディスク115の中心位置130から半径方向にまっすぐ延在しても良い。しかし本発明はそのように限定されるものではない。たとえば、羽根車120は、曲線形状、角のある形状、又は他の望ましい形状を有して良い。しかも、複雑な機械的構成を有する羽根車が供されても良い。たとえば、羽根車120は、複数の、曲線形状の部分、及び/又は角のある形状の部分を含んで良い。前記複数の、曲線形状の部分、及び/又は角のある形状の部分は、流体ポンプ100が用いられる用途において、流体の変動が最適化されるように構成されている。

ディスク115は、たとえば基板105内部で画定される空洞145内部のような、基板105の表面に近接した位置に設けられて良い。重要なことは、空洞145は、実質的に円形、正方形、長方形又は他の望ましい形状を有して良いことである。それにも関わらず、空洞は、本発明の実施に必要ではないことに留意すべきである。たとえば、ディスク115は、基板105の表面140の上に設けられても良い。

一の構成では、ディスク115の中心軸に関する回転を補助し、かつディスク115を適切な動作位置に保持する軸150と共に、ディスク115が供されて良い。それにも関わらず、他の構成が供されても良い。たとえば別な構成では、ディスク115を空洞145内部に維持する空洞145は、周囲の表面160の摩擦が小さい構造であって良い。さらに別な構成では、ディスク115の中心軸155に穴が供されて良い。その穴は、ベアリングのような円柱構造全体にわたって適合することで、ディスク115の動作位置を保持することが可能である。動作時には、ディスク115が回転することで、中心軸155について羽根車120を回転させることで、羽根車120は流体媒質全体にわたって変動する。従って、羽根車120は、流体を変動させることができる。

流体チャネル175は、流体ポート175がディスク115の下に形成されるように、基板105内に形成されて良い。一の構成では、流体チャネル170は、基板105を介してまっすぐに延在することで、基板105の下から流体を引き出しても良いし、又は基板105を介して流体を押し出しても良い。たとえば、空気は流体ポート175を介して引き込まれ、空冷の必要な装置へ送り出されて良い。この構成では、流体の流れを、中心軸155と実質的に一致させることが可能である。しかし、本発明はそのようには限定されない。たとえば、ディスク115の上に、流体が流れる構造が供されることで、流体の流れを、所望の方向へ導いても良い。流体が流れる構造は、1つ以上の流路、管、又は流体の流れを導くのに適した他の構造を有して良い。

他の流体チャネル配置が供されても良い。たとえば、流体チャネル170が形成されることで、ディスク115と、システム内の他のどこかに含まれる流体格納容器とを結合することで、流体のやり取りができるようにして良い。よって、羽根車120の変動により、流体は、流体ポート175を介して、チャネル170へ供給されても良いし、又はチャネル170から供給されても良い。そのような構成は、マイクロ流体システム内部での流体供給に用いるには有利になりうる。付加的なポートが供されても良い。たとえば、羽根車120が変動することで、流体が、第1ポートから第2ポートを介して変動して良い。

別な実施例では、図2に図示されているように、流体ポンプ100は、基板105内部に組み込まれて良い。この構成では、羽根車は、流体の流れを円周方向へ導く構造を有して良いし、又はディスク115の外周222に対して一般に接する方向に導くような構造を有しても良い。たとえば、羽根車は、ディスク115の外部周辺領域135周囲に設けられ、かつディスク115の上側表面125から上方に延在する流体流の翼（翼）220であって良い。ディスク115が中心軸155の周りを回転するとき、羽根車220は、流体が、基板105内部で画定された流体チャネル270を介して流れるような構造を有して良い。翼220は、ディスク115上で一体化した状態で形成されて良いし、又は接着剤、留め具、溶接、又は他の適切な取り付け手段によって取り付けられて良い。翼220は、曲線形状、角のある形状、又は他の望ましい形状を有して良い。しかも、複雑な機械的構成を有する翼が供されても良い。たとえば、翼220は、複数の、曲線形状の部分、及び/又は角のある形状の部分を含んで良い。前記複数の、曲線形状の部分、及び/又は角のある形状の部分は、流体ポンプ100が用いられる用途において、流体の変動が最適化されるように構成されている。

流体チャネル270は、流体ポート275を画定する第1部分272、及びディスク115の外部周辺領域135の周囲を延在する第2部分277を有して良い。第2部分277は、基板105によって、複数の側面で固定されている。たとえば、流体チャネルは、下側チャネル表面292、上側チャネル表面294及び半径チャネル表面296によって画定されて良い。第2部分277は、空洞145に対して開かれていることで、空洞145と第2部分277、つまり流体ポート275との間での流体の流れが促進されて良い。よって、ディスク115が時計回りに回転する場合には、流体は、空洞145から流体ポート275を介して流れて良い。ディスク115が反時計回りに回転する場合には、流体は、流体ポート275から空洞145へ流れ、ディスク115から遠ざかるように流れて良い。ディスク115から遠ざかる方向は、一般的には上方である。

図3を参照すると、図1の流体ポンプの、線3-3に沿った断面図が図示されている。回転ディスク115は、図中で磁場線305として示されている磁場中に設けられている。その磁場は一般的に、ディスク115の表面125に垂直で、かつディスクの回転軸115と位置合わせされている。1つ以上の磁石310が、ディスク115の上、及び/又はその下に供されることで、磁場305を発生させて良い。磁石310は、永久磁石及び/又は電磁石を有して良い。

第1コンタクトブラシ315が、ディスクと、その中心部130で接して良い。その中心部130は、ディスク中心軸155に近接している。第2コンタクトブラシ320は、ディスク115の半径方向端部325と接するため、第1コンタクトブラシ315から半径方向に間隔を空けて設けられて良い。第2コンタクトブラシ320は、1点で半径方向端部325と接して良いし、又は半径方向端部325全体の下、又はその周りで、その半径方向端部325周囲を延在しても良い。

一の構成では、コンタクトブラシ（図示していない）が、心棒150と接するように供されて良い。付加的なコンタクトブラシが供されても良い。たとえば、コンタクトブラシは、円状パターンで間隔を空けて設けられることで、半径方向端部325上の複数の点と接して良い。同様に、コンタクトブラシは、ディスク115の中心部130近傍で間隔を空けて設けられることで、複数の点で中心部130と接して良い。そのようにすることで、中心部130で、連続的な接触表面が形成される。

電圧がコンタクトブラシ315及びコンタクトブラシ320にわたって印加されることで、電流がディスク115を流れるとき、移動する電荷に磁力が及ぼされる。続いて移動する電荷は、ディスク115に力を及ぼすことで、ディスク115を回転させる。明らかに、回転方向は、ディスク115を流れる電流の向きに依存する。電流の向きとは、たとえば電流がディスク115の中心部130から、半径方向端部325へ流れるか否か、である。従って、導電性ディスク115の回転方向を変化させることが望ましいときには、印加電圧の極性を変化させて良い。

さらに、ディスク115の回転速度を監視するためにセンサが供されて良い。たとえば、センサ330は、ディスク115の回転速度を制御する閉ループ制御系335の一部として動作するように接続されて良い。センサ330は、回転に関するデータを、制御系335中の制御回路へ送信することができる。そのようなセンサは当業者には既知である。たとえばセンサは、ディスク115が回転する際にディスク115上の1つ以上の印を読み取る光センサであって良い。別な構成では、センサは、ディスクが回転する際に羽根車がセンサを通るたびに信号を発生して良い。連続する印の読み取りの間の（すなわち羽根車がセンサを通る）期間が測定され、かつディスク115の回転速度と関連づけられて良い。

別な構成では、センサ330は、流体ポンプを通って流れる流体流の容積を監視し、かつ流体流に関するデータを、制御系335中の制御回路に送信することができる。制御系335は、所望容積の流体流を実現、又は維持するのに必要な、ディスク115の回転速度を制御することができる。それにも関わらず、ディスクの回転速度、又は流体流の容積を測定又は取得するのに用いることのできる、当業者にとって既知のセンサは無数にある。そして、本発明はそれに限定されない。

どのように回転速度が決定されるのかによらず、制御系335は、ディスク115に電圧を印加する電源340を制御することで、ディスク115の回転速度を制御して良い。制御系335はまた、磁石310の磁場強度を制御することによって、回転速度を制御しても良い。たとえば、磁石310が電磁石を有する場合、電磁石を流れる電流が調節されて良い。

図4A-図4Cは、セラミックス基板上への図1の流体ポンプの製造に利用可能な製造プロセスの1つを表している。それにもかかわらず、図4A-図4Cで表されている構造はまた、たとえばLCP基板のような、他の型の基板で流体ポンプを製造するために用いられても良いことに留意すべきである。しかし、当業者には既知であるように、層同士を接合する処理及び硬化処理は、各基板の型によって異なって良いことに留意すべきである。

利用可能なLCP基板の1つは、ロジャースコーポレーションから販売されている、R/flex（登録商標）3000シリーズのLCP回路材料である。R/flex（登録商標）3000LCPは、低損失正接で、かつ低吸湿であり、安定した電気特性、機械特性及び寸法特性を維持している。R/flex（登録商標）3000LCPは、50μmの標準厚さで販売されているが、他の厚さで提供されることも同様に可能である。

利用可能なセラミックス材料の1つは、デュポン（登録商標）社から販売されている、低温951同時焼成グリーンテープ（商標）である。951同時焼成グリーンテープ（商標）は、Au及びAgとの相性が良く、熱膨張係数及び相対強度に関して、受容可能な機械的特性を有する。厚さ114μmから354μmの範囲で入手可能である。他の同様な型の系には、W.C.Heraeus GmbHから販売されているCT2000、及びFerro Electronic Materials of Vistaから販売されているA6S型LTCCが含まれる。上記材料を用いても良いし、様々な電気的特性を有する、他の様々なLTCC材料を用いても良い。

図4Aを参照すると、第1基板層402が供されて良い。各基板層で用いられる基板材料は、製造プロセスで用いられる前に、前処理されて良い。たとえば、基板がセラミックスの場合、セラミックス材料は、適切な温度で特定期間ベーキングされても良いし、又は窒素封入のドライボックス中で、特定期間放置されても良い。一般的な前処理期間は、160℃で20-30分、又は窒素封入ドライボックス中では24時間である。2つの前処理条件は、セラミックス基板の技術分野では周知である。

一旦第1基板層402が前処理されると、流体ポンプを介して流体を運ぶ流体チャネル412が、第1基板層402中に形成されて良い。流体チャネル412は、第1基板層402の底面414から、第1基板層402の上面416まで延在して良い。基板中にチャネル412を形成するのに有効な方法は数多く存在する。たとえばチャネルは、機械的に押し出して基板に穴を開けることによって、又はレーザー切断によって基板に穴を開けることによって形成されて良い。

導電性ビア420はまた、基板層を介する電気伝導を供するために、第1基板層402中に形成されても良い。基板中に導電性ビアを形成するのに有効な方法は、たとえばチャネルは、機械的に押し出して基板に穴を開けること、又はレーザー切断によって基板に穴を開けることによって形成することなど、数多く存在する。続いて穴は、たとえば従来の厚膜スクリーンプリンタ又は押し出しビア充填物(extrusion via filler)のような、導電性材料によって満たされて良い。ビア充填物を補助するため、多孔性の石を介して、第1基板層402が真空にされても良い。一旦導電性ビア420が第1基板層402中に形成されると、導電性材料は、適切な温度で、かつ適切な期間、ボックスオーブン内で乾燥されて良い。たとえば、一般的な乾燥プロセスは、導電性材料を有するセラミックス基板を、160℃で5分間ベーキングする。

ビア中の導電性充填物を乾燥した後、プリント回路基板上の第1導電線426及びプリント回路基板上の第2導電線430が供されて良い。たとえば標準的な感光乳剤厚膜スクリーンのような、従来の厚膜スクリーンプリンタを用いることによって、プリント回路基板上の第1導電線426及び第2導電線430は、第1基板層402上に堆積されて良い。一の構成では、プリント回路基板上の第1導電線426及び第2導電線430はそれぞれ、第1基板層402の対向する面上に堆積されて良い。その際、プリント回路基板上の第1導電線426は、導電性ビア420と電気的に接続している。プリント回路基板上の第2導電線430は、導電性ビア420の周囲を延在し、かつ導電性ビア420に対して同心円構造であって良い。それでもなお、当業者には既知であるように、他に無数の回路設計が供されて良い。ビアの充填プロセス同様に、一旦プリント回路基板上の導電線が402に堆積されると、プリント回路基板上の導電線は、適切な温度でかつ適切な期間、ボックスオーブン中で乾燥されて良い。

続く基板層は、適切な前処理、並びに、プリント回路基板上の導電線及び/又はビア充填物の乾燥後、第1基板層402上に積層されて良い。具体的には、第2基板層404が、第1基板層402上に積層されて良い。第2層404は、第1基板層402上面に設けられた、プリント回路基板上の導電線を絶縁して良い。第2基板層はまた、流体チャネル422、ビア435及びビア440をも有して良い。ビア435が材料で満たされることで軸上のコンタクトブラシ445が形成され、かつビア440が材料で満たされることで、少なくとも1つの、半径方向のコンタクトブラシ450が形成されて良い。コンタクトブラシが、各対応する、回路上の導電線426及び430と電気的に連続するように、ビア435及びビア440は位置設定されて良い。一の構成では、複数の半径方向のコンタクトブラシ450、又は連続的な半径方向端部のコンタクトブラシが、軸上のコンタクトブラシ445に対して同心円状で、かつそのコンタクトブラシ445から均一な半径で設けられることで、導電性物体とブラシとの間の接触抵抗を減少させて良い。

コンタクトブラシは、その使用に適した導電性材料を含んで良い。そのような材料はたとえば、導電性エポキシ、導電性ポリマー、カーボンナノコンポジット又は導電性液体である。コンタクトブラシが、カーボンナノコンポジットのような固体材料の場合、コンタクトブラシは、従来の厚膜スクリーンプリンタを用いて、第2基板層404中のビアにスクリーンプリントされて良い。導電性液体がコンタクトブラシに用いられる場合、磁場が、ビア435及びビア440内部に導電性液体を含むことができるように、その導電性液体に強磁性特性が組み込まれて良い。あるいはその代わりに、導電性流体をビア内部に保持するのに、表面張力が利用されても良い。一の構成では、コンタクトブラシ445の上側表面が、第2基板層404の上側表面416よりも低く設けられるように、軸上のコンタクトブラシ445は、ビア435の一部しか満たすことができない。従って、ビア435はまた、ベアリングとしても機能して良い。

第3基板層406は、第2基板層404の上に積層されて良い。第3基板層406は、ビア450の外側半径（ビア435から最も離れた各ビアの部分）に整合する半径方向の端部465を有するアパーチャ460を組み込んで良い。第4基板層408は、第1基板層402の下に積層されることで、第1基板層402の下側表面414に設けられた、プリント回路基板上の導電線を絶縁して良い。それに加えて、流体チャネル424が、第4基板層408を貫通して形成されて良い。さらに、第5基板層410が、第4基板層408の下に積層されて良い。第5基板層410はまた、外側半径480を有するアパーチャ475をも有して良い。

場合によっては、基板層402、404、406、408及び410のうちの1層以上における、少なくとも1面上に、導電性接地面（図示していない）を有することも望ましいかもしれない。たとえば接地面は、RF回路が、基板層の表面上に形成されるような場合に用いられて良い。導電性接地面はまた、部品をRFの曝露から遮断するため、及び広範囲にわたる他の目的のために用いられても良い。金属接地面は、基板と相性の良い金属で構成されて良い。しかしそれにも関わらず、当業者には、本発明の目的に接地面は必要ないことが分かる。

図4Bを参照すると、最初の5層である402、404、406、408及び410が、積層されることで、基板構造485を形成する。各層に対応する流体チャネル412、422及び424が整合することで、アパーチャ475からアパーチャ460への連続する流体の流路が供されて良い。重要なこととして、本明細書で与えられた流体チャネル及び層の概略は単なる例示に過ぎないということに留意すべきである。明らかに、他の流体チャネル配置が供されても良い。しかも、本明細書で説明された構造よりも多い層数が用いられても良いし、又は本明細書で説明された構造よりも少ない層数が用いられても良い。明らかに、各基板層は、積層されることで各層を形成する、複数の副層(sub-layer)をさらに有して良い。

一旦基板層が積層されることで、基板層485が形成されると、その構造485は、様々な層同士を接合させる方法を用いることによって接合される。一の方法では、基板層は、積層され、かつ水圧で、加熱された圧盤によってプレスされて良い。たとえば、単軸の接合法は、2.07MPaで10分間、70℃に加熱されたプレートを用いて、基板層を一緒にプレスする。基板層は、5分後に165℃回転されて良い。静水圧の接合プロセスでは、基板層は、プラスチックバッグ中で真空に封じられ、続いて加熱水を用いてプレスされる。時間、温度及び圧力は、単軸接合法で用いられた値と同一であって良い。しかし、5分後の回転は必要ない。一旦接合されると、構造485は、平坦なタイル上の窯内部で焼成されて良い。たとえば、基板層は、200℃から500℃の間で1時間ベーキングされて良く、850℃から875℃のピーク温度で、15分より長い時間ベーキングが行われて良い。焼成プロセス後、焼成後操作が、基板層上で実行されて良い。

図4Cを参照すると、ディスク115が、アパーチャ460によって形成される空洞145内部に供されて良い。ディスク115は、アルミニウム、銅、真鍮、銀、金、鋼、ステンレス鋼又は他の堅い導電性材料のような導電性材料を有して良い。別な構成では、ディスク115は、複数の半剛性の導電性材料を有して良い。そのような半剛性の導電性材料は、たとえばセラミックスのような剛性材料に接合される材料である。ディスク115は、下側表面492上で、軸に沿って設けられている中心コンタクト490、及び少なくとも1つの半径方向のコンタクト495を有して良い。少なくとも1つの半径方向のコンタクト495もまた、下側表面492上に設けられている。一の構成では、半径方向のコンタクト495は、ディスク115の下側の周辺領域497周囲を延在して良い。ディスク115は、中心部のコンタクト490が、軸上のコンタクトブラシ445と電気的に接続し、かつ半径方向のコンタクト495が半径方向端部のコンタクトブラシ450と電気的に接続するように、第2基板層404の上に設けられて良い。従って、電圧がコンタクトブラシ440及び450にわたって印加されるとき、電流が、ディスクの中心部分130と半径方向端部の部分325との間を流れることができる。ビア435の半径方向の壁498は、ディスク115の中心コンタクト490のベアリング表面として機能して良い。あるいはその代わりに、ベアリング（図示していない）は、半径方向の壁498と中心コンタクト490との間に設置されて良い。ベアリングはたとえば電磁ベアリングであって良いし、又は静電ベアリングであっても良い。

上述したように、センサ330は、ディスク115の動作を制御する制御回路での利用に供されて良い。センサ330は、ディスク115の回転速度を測定するのに適した如何なる位置に設けられても良い。当業者には知られているように、プリント回路基板上の導電線が、センサのデータの伝搬に必要なものとして供されて良い。

ディスク115の回転軸に整合する磁場を供するため、1つ以上の磁石が、ディスク115の上及び/又は下で固定されて良い。たとえば、磁石310が、ディスク115の下側表面492から間隔を空けて設けられるように、基板構造485底部、たとえばアパーチャ475中、に取り付けられて良い。それにも関わらず、本発明はこの点で限定されない。たとえば、磁石310はまた、ディスク115の上側表面125から間隔を空けて設けられても良い。たとえば、磁石310は、フェライト、ネオジウム、アルニコ磁石、セラミックス、及び/又は、磁場を発生させるのに用いることのできる他の材料から作製されて良い。

磁石310はまた、たとえば電磁石のような非永久磁石であっても良い。別な構成では、磁石は、1つ以上の永久磁石と1つ以上の非永久磁石を組み合わせたものであって良い。そのような組み合わせられた磁石はたとえば、1層以上の磁性材料に隣接する電磁石である。前述したように、電磁石によって生成される磁場強度は、電磁石の導体を流れる電流を変化させることによって変化させることができる。このように磁場強度を変化させることは、ディスク115の回転量を制御する、さらに別な手段を供することができる。

別の典型的実施例では、流体ポンプ100は、たとえばシリコン基板のような半導体基板上に、多結晶シリコン微細加工処理を用いて製造されて良い。多結晶シリコン微細加工は、マイクロマシニングの分野では周知である。そのような処理の1つが非特許文献1で説明されている。典型的な多結晶シリコン微細加工処理が、図5A-図5Hに図示されている。しかし、本発明は本明細書に開示された処理に限定されず、他の半導体微細加工処理が利用可能であることに留意すべきである。

図5Aを参照すると、多結晶シリコンの第1層（poly1層）504が、第1シリコン層502上に、減圧化学気相成長法(LPCVD)を用いることによって成膜されて良い。続いてpoly1層504は、エッチングされることで、第1チャネル部分506を形成する。代替構成では、第1チャネル部分506が、poly1層504の成膜前にマスクされることで、poly1層504が第1チャネル部分506領域へ堆積するのを防止しても良い。

第1チャネル部分506が形成された後、第1チャネル部分506は、たとえば二酸化シリコン(SiO₂)又はリン添加シリコン酸化物(PSG)のような犠牲材料507で満たされて良い。以降で論じるように、犠牲材料507は、処理の終わりに除去されて良い。犠牲材料507は、LPCVDによって堆積され、回路へアニールされて良い。たとえば、PSGが犠牲材料507に用いられる場合、犠牲材料はアルゴン雰囲気中を、1150℃でアニールされて良い。続いて、第2多結晶シリコン層（poly2層）510を上に成膜できる、平坦な底面506を形成するための、平坦化エッチバック処理を用いることで、犠牲材料はチャネル506内部で平坦化されて良い。

多結晶シリコン層（poly2層）510は、LPCVDを用いることによって、poly1層504上に成膜されて良い。続いてpoly2層510は、エッチングされることで、第2チャネル部分512を形成する。あるいはその代わりに、第2チャネル領域512が、poly2層の成膜前にマスクされることで、poly2層が第2チャネル領域512に堆積するのを防止しても良い。第2チャネル部分512は、犠牲材料513で満たされて良い。繰り返しになるが、犠牲材料513は、処理の終わりに除去されて良い。

たとえば、ドープされた多結晶シリコン又はアルミニウム層のような導電性層が、poly2層510上に成膜されて良い。導電性層成膜後、既知のリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いることによって、導電性の回路線514が画定されて良い。回路上の導線が形成された後、たとえばシリコン窒化物(SiN)のような絶縁層516が、poly2層510及び回路上の導線514の上に成膜されて良い。たとえば、ジクロロシラン(SiH₂Cl₂)及びアンモニア(NH₃)の反応を含むLPCVDが、絶縁層の成膜に用いられて良い。SiN層の典型的な厚さは、約600nmであるが、他の厚さのSiNが用いられても良い。

続いて、第3チャネル部分518、内側ビア520及び外側ビア522が、絶縁層516を貫通した状態で形成されて良い。内側ビア520は及び外側ビア522は、導電性材料（たとえばアルミニウム）で満たされることによって、回路上の導線514と所望の位置で電気的に接続して良い。続いて軸上のコンタクトブラシ526が内側ビア520上に堆積され、かつ半径方向端部のコンタクトブラシ528は外側ビア522上に堆積されて良い。それにより、コンタクトブラシ526及びコンタクトブラシ528は、各対応する、ビア520、ビア522及びこれらに対応する、回路上の導線514と電気的に接続する。図では、2つの軸上のコンタクトブラシ526及び2つの半径方向端部のコンタクトブラシ528が図示されているが、さらに他の軸上のコンタクトブラシ及び半径方向端部のコンタクトブラシが供されて良い。さらにコンタクトブラシは、その使用に適した導電性材料を含んで良い。適した材料はたとえば、熱スプレー法を用いた堆積が可能なカーボンナノコンポジットである。熱スプレー法は、当業者には一般的に知られている方法である。別な構成では、コンタクトブラシは、導電性液体であって良い。

多結晶シリコンの第3層（poly3層）530が、LPCVDを用いることによって、絶縁層516上に堆積されて良い。続いてpoly3層530は、エッチングされることで、半径方向のアパーチャ532を形成する。このアパーチャによって、コンタクトブラシ526及びコンタクトブラシ528は露出される。代替実施例では、アパーチャ532領域は、poly3層530が成膜される前にマスクされることで、poly3層がアパーチャ532領域に堆積するのを防止して良い。

図5Bを参照すると、たとえば二酸化シリコン(SiO2)又はリン添加シリコン酸化物(PSG)のような第1犠牲層534が、基板を構成する、これまでに成膜された層の上に成膜されて良い。第1犠牲層534は、処理の終わりに除去されて良い。犠牲層はLPCVDで成膜され、かつ回路へアニールされて良い。図5Cを参照すると、続いて第1犠牲層534は、平坦な底面536を形成するための、平坦化エッチバック処理を用いることで、アパーチャ532内部で平坦化されて良い。アパーチャ532は、第1犠牲層534の高い部分538から凹んでいる。

図5Dを参照すると、続いて導体が、アパーチャ532内に堆積されることで、アパーチャ532とは反対を向く上側表面542、下側表面544、軸上の部分546及び半径方向端部548を有するディスク540を形成して良い。さらにディスク540は、第1犠牲層534のみと接するように、ディスク540の全体がアパーチャ532内部に含まれて良い。ディスク540の厚さは、第1犠牲層534の厚さ及びエッチバックの程度によって決定されて良い。重要なことは、ディスク540の厚さを選択する際には、たとえば剛性のような機械的特性が考慮されなければならないことである。

図5Eを参照すると、続いて第1オリフィス550が、ディスク540の内側領域を貫通し、かつディスク540中心部の下で、第1犠牲層534を貫通するようにエッチングされることで、絶縁層516が露出されて良い。明らかに、第１オリフィス550は、対向する軸上のコンタクトブラシ526と528との間の半径距離以下の半径を有するディスク540中に穴を形成するような大きさであって良い。さらに、絶縁層516と接する第1犠牲層534の一部もまた、エッチングされることで、第1オリフィス550の下にある絶縁層516が露出される。軸上部分546と半径方向端部548との間に設けられたディスク540の領域において、ディスク540を貫通するように、さらに別なオリフィス554がエッチングされて良い。たとえば反応性イオンエッチング(RIE)、プラズマエッチングなどの既知のエッチング技術が用いられて良い。

ディスク540の上面図が図6に示されている。オリフィス554にすぐ隣接するディスク540の部分610は、羽根車を形成するような輪郭をなして良い。たとえば、各部分610の表面を様々な深さだけ正確に除去することで、所望の羽根車の形状を実現するのに、レーザーマイクロマシニング処理が用いられて良い。レーザーマイクロマシニングは、当業者には既知である。レーザーマイクロマシニングを実行する道具及び処理に関する情報は、エキシテック社(Exitech Inc.)から入手できる。

再び図5Eを参照すると、続いて、たとえばSiO₂又はPSGのような第2犠牲層556が、ディスク540の上側表面542の上、及び第1オリフィス550によって形成される半径方向の壁558の上に成膜されて良い。第2犠牲層556を成膜する間、絶縁層516の領域552がマスクされることで、第2犠牲層556が領域552内の絶縁層516に接合するのを防止して良い。あるいはその代わりに、続くエッチング処理が実行されることで、領域552から第2犠牲層が除去されても良い。

図5Fを参照すると、LPCVDを用いることで、第4多結晶シリコン層（poly4層）560が、たとえばディスク540を取り囲むpoly3層530のような、これまでに成膜されてきた層の上に成膜されることで、さらに別なシリコン構造を付加して良い。明らかに、poly4層560はまた、オリフィス550を満たして良い。続いて、poly4層560の一部がエッチングされることで、ディスク540の上に位置する、poly4層のワッシャ形状部分562が除去されて良い。明らかに、ワッシャ形状部分562の内径564は、ディスク540の内径よりも大きくて良い。従って、poly4層560のエッチングによって、構造566が、第1オリフィス内部において、”T”字形状の断面を有するように残されることが可能となる。一旦犠牲層が除去されると、構造566の上側部分568は、ディスク540の内側部分558の上を延在することによって、ディスク540の垂直方向の変動を制限する。さらに、構造566は、ディスク540が中心を回転することのできるベアリングとして動作して良い。あるいはその代わりに、電磁的又は静電的ベアリングが、第1オリフィス550中に供されて良い。

続いて、第1チャネル領域中の犠牲材料507、第2チャネル領域中の犠牲材料513、第1犠牲層534及び第2犠牲層556が、たとえばフッ化水素酸(HF)水溶液を用いることによって、流体ポンプ構造500から除去されて良い。そのような処理は当業者には既知である。たとえば、流体ポンプ構造500は、HF槽に侵浸されて良い。HFはシリコン又は多結晶シリコンを浸食しないが、SiO₂を迅速にエッチングする。明らかに、HFは、SiNよりも約100倍速く、堆積されたSiO₂をエッチングできる。

図5Gを参照すると、犠牲材料及び犠牲槽の除去によって、第1チャネル部分506、第2チャネル部分512及び第3チャネル部分518が明確になることで、流体チャネル582が形成される。動作時には、流体は、流体チャネル、第1流体流ポート570及び、ディスク540内部の第2オリフィス554を介して流れて良い。犠牲槽が除去されることで、ディスク540は、軸上のコンタクトブラシ526及び半径方向のコンタクトブラシ528の上に位置し、2つのコンタクトブラシ526及び528と電気的に接続することが可能となる。続いてディスク540は、その軸について自由に回転することができ、かつ第1流体流ポート570を介して流体を送り出すのに用いられて良い。

図5Hに図示されているように、ディスク540の上に蓋572が供されることで密閉領域574を供して良い。密閉領域574中では、ディスク540が回転可能である。第2流体流ポート576は、蓋572内に供され、第1流体流ポート570と流体のやり取りが可能なように結合して良い。しかし本発明はこの点で限定されない。たとえば第2流体流ポートは、流体が、1層以上の基板層内部に設けられた第2流体チャネルを介して流れるように設置されて良い。さらにセンサ578が供されても良い。たとえばセンサ578が流体流センサである場合、センサ578は、図示されているように第2流体流ポート576に近接した位置に設けられても良いし、又は第1流体流ポート570に近接した位置に設けられても良い。しかしそれでもなお、前述したように、他の型のセンサが実装されても良い。当業者には知られているように、回路線が、センサのデータの伝搬に必要なものとして供されて良い。

磁石580が、ディスク540の上に、及び/又はディスク540の下に、固定されることで、ディスク540の回転軸に整合する磁場を供して良い。たとえば磁石580は、蓋572の底部に取り付けられ、ディスク540の上側表面542から間隔を空けて設けられて良い。さらに、磁石580は、たとえば付加的な基板層を用いることによって、ディスク540の下に設けられている第1シリコン基板の底部に取り付けられても良い。

前述したように、磁石580は、永久磁石、非永久磁石又は永久磁石と非永久磁石とを組み合わせたものであって良い。たとえば磁石は、電磁石及び1層以上の磁性材料を有して良い。上述したように、電磁石によって生成される磁場強度は、電磁石の導体を流れる電流を変化させることによって変化させることができる。このように磁場強度を変化させるのは、制御バルブの出力流を変化させるのに有用と考えられる。前述したように、動作時には、軸上のコンタクトブラシ526及び半径方向のコンタクトブラシ528にわたって印加される電圧によって、ディスク540の軸上部分546と半径方向の端部部分548との間に電流が流れ、それによりディスク540が回転する。ガスケット584が、T字形状の構造566とディスク540との間設けられることで、ディスク540をコンタクトブラシ526及びコンタクトブラシ528と接する状態に維持して良い。たとえばガスケット584は、ベンゾシクロブテンベースのポリマー、ポリイミド又はSU-8のような感光性ポリマーを有して良い。そのようなポリマーは、商業的に入手可能である。たとえば、SU-8は、マイクロケム社(MicroChem Inc)から販売されている。一の構成では、ガスケット584は、蓋574又は磁石580に取り付けられて良いし、又はアセンブリされるときに、構造566の上で軽くプレスされても良い。

本発明を理解するのに有用なフローチャートが図7に示されている。工程705で開始され、空洞が基板内部に形成されて良い。続いて工程710に移り、コンタクトブラシが、基板上の空洞内部に形成されて良い。少なくとも1つのコンタクトブラシが、空洞中心部に近接した位置に設けられ、少なくとも1つのコンタクトブラシが、空洞の半径方向端部に近接した位置に設けられて良い。続いて工程715では、軸上部分及び半径方向端部を有する導電性ディスクが、空洞内部に設けられることで、コンタクトブラシと電気的に接続する。導電性ディスクは、流体を送り出すために設けられたポンプを有して良い。工程720を参照すると、磁石が、基板上に設けられることで、導電性ディスクの回転軸に整合した磁場を画定して良い。

本発明を理解するのに有用な、流体ポンプの斜視図である。本発明を理解するのに有用な、別な流体ポンプの斜視図である。線3-3に沿った、図1の流体ポンプの断面図である。 A-Cは、本発明を理解するのに有用な、誘電体基板上に流体ポンプを製造する工程を図示している。 A-Hは、本発明を理解するのに有用な、半導体基板上に流体ポンプを製造する工程を図示している。図5の流体ポンプの部品であるディスクの上面図である。本発明を理解するのに有用なフローチャートである。

Claims

単極性モーターを有する流体ポンプであって、
前記単極性モーターは：
互いに対向する第１及び第２表面を有する基板；
導電性材料で構成されていて前記基板の第１表面上に設けられている回転ディスクであって、該回転ディスクが回転する際の回転軸となる中心ディスク軸を有する回転ディスク；
前記中心ディスク軸に近接する前記回転ディスクの中心部分と電気的に結合する第１コンタクトブラシ、及び前記回転ディスクの半径端部と電気的に結合する第２コンタクトブラシ；
前記回転ディスクを貫通して前記中心ディスク軸に対して位置合わせされている磁場を生成する、前記回転ディスクに近接して設けられている少なくとも１つの磁石；並びに、
前記回転ディスク内又は該回転ディスク上に一体となるように形成された少なくとも１つの羽根車；
を有し、
前記導電性材料は、前記半径端部から前記中心ディスク軸へ延在し、かつ前記第１コンタクトブラシと前記第２コンタクトブラシとの間で半径方向の電流路を供する、
流体ポンプ。
前記回転ディスクが、前記基板中で画定される空洞内部の少なくとも一部に設けられている、請求項１に記載の流体ポンプ。
前記基板が、セラミックス基板、液晶ポリマー基板及び半導体基板からなる群から選択される、請求項１に記載の流体ポンプ。
前記基板が、その内部に画定された少なくとも１つの第１流体ポートを有し、かつ
前記第１流体ポートは前記回転ディスクと流体のやり取りが可能なように結合することで、流体が、前記回転ディスクによって前記第１流体ポートを流れる、
請求項１に記載の流体ポンプ。
前記基板が、その内部に画定された１つの第２流体ポートを有し、かつ
前記第２流体ポートは前記回転ディスクと流体のやり取りが可能なように結合することで、流体が、前記回転ディスクによって前記第１流体ポートから前記第２流体ポートを流れる、
請求項４に記載の流体ポンプ。
閉ループ制御回路が、前記回転ディスクにわたって電圧を印加する電源のうちの少なくとも１つを制御する、請求項１に記載の流体ポンプ。
前記閉ループ制御回路が、前記回転ディスクの回転軸に実質的に整合する磁場を発生させる磁石を制御する、請求項１に記載の流体ポンプ。
前記羽根車が、前記回転ディスク内部にオリフィスを有する、請求項１に記載の流体ポンプ。