JP5428624B2 - マイクロバルブ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
マイクロバルブを備えたマイクロデバイスとして、例えば特許文献1〜4に開示されたものがある。
特許文献3には、基板の上面に、流路及び弁を形成した第1層膜を貼り合わせ、第1層上面に、弁の直上に圧力室を形成した第2膜を貼り合わせ、圧力室を負圧にすることにより弁を持ち上げてバルブを開き、圧力室を正圧にすることによって弁を基板に押し付けてバルブを閉じる機能を備えたマイクロバルブが開示されている。
特許文献4のマイクロバルブでは、互いに対応する位置に貫通孔をもつ2枚の基板を貼り合わせ、一方の基板の貫通孔の開口に弁となる薄膜を基板と同一材料で形成しておくことにより、基板の接合面に対して略垂直な方向で弁が移動するマイクロバルブが開示されている。
しかし、特許文献1,2に開示されたマイクロバルブは、弁の開閉を圧電素子によって形成しているので、構造が複雑になっている。
特許文献3に開示されたマイクロバルブでは、弁の開閉を行なうために弁の直上に圧力室を設けているので、構造が複雑になっている。
特許文献4に開示されたマイクロバルブでは、バルブ自体は2枚の基板で形成することができるものの、バルブにつながる流路を形成するには、さらに1枚又は2枚の基板が必要になるので、構造が複雑になる。
また、上記のマイクロバルブは、いずれも製造工程が複雑で、2枚の基板を貼り合せるという単純さの中に、逆止弁構造を作りこむのが容易ではなかった。
本願特許請求の範囲及び明細書において、マイクロバルブとは、流路内で流体の流れの障壁となる弁体を備えたものを意味する。マイクロバルブは例えば逆止弁などに限定されるものではない。
また、上記主基板は上記第2主基板層の下層に第3主基板層をさらに備え、上記溝の底面と上記弁体との間の空隙は、上記弁体下の上記第2主基板層が除去されて形成されているようにしてもよい。
その構造の一例として、上記弁体の上面は、上記弁体形成位置の上記第1主基板層の上面側の一部分が除去されて上記主基板の上記主面よりも下方位置に配置されている構成を挙げることができる。
また、上記弁体が形成される上記第1側壁を上記第2側壁に置き換えて形成された第2弁体をさらに備えているようにしてもよい。
(A)主面側から順に第1主基板層、第2主基板層の積層構造をもつ主基板の上に、写真製版技術により、溝形成予定位置に開口部をもち、弁体形成予定位置を覆うフォトレジストパターンを形成する写真製版工程、
(B)異方性エッチング技術により、上記フォトレジストパターンをマスクにして、上記第1主基板層を上記第2主基板層に到達する深さまでエッチングして、上記第1主基板層からなる弁体と、溝形成予定位置に第1主基板層除去部分を形成し、その後、上記フォトレジストパターンを除去する第1エッチング工程、
(C)等方性エッチング技術により、上記第1主基板層をマスクにして、上記第1主基板層をエッチングしない条件で上記第2主基板層をエッチングして、溝形成予定位置に第2主基板層除去部分を形成して上記第1主基板層除去部分及び上記第2主基板層除去部分からなる溝を形成するとともに、上記弁体下の第2主基板層を除去して上記溝の底面と上記弁体との間に空隙を形成する第2エッチング工程、
(D)上記主基板の上記主表面上にカバー基板を配置して上記溝を覆って流路を形成するカバー基板配置工程。
上記写真製版工程(A)で、上記第5主基板層上に上記フォトレジストパターンを形成し、
上記第1エッチング工程(B)で、上記フォトレジストパターンをマスクにして、異方性エッチング技術によって上記第5主基板層及び上記第4主基板層をエッチングして溝形成予定位置に第5主基板層除去部分及び第4主基板層除去部分を形成した後に連続して上記第1主基板層をエッチングして上記弁体及び上記第1主基板層除去部分を形成し、
上記第2エッチング工程(C)で、上記第1主基板層及び上記第5主基板層をマスクにして、上記第1主基板層及び上記第5主基板層をエッチングしない条件で上記第2主基板層をエッチングするのと同時に上記弁体上の上記第4主基板層もエッチングするようにしてもよい。
また、上記第1エッチング工程(B)の後、上記カバー基板配置工程(D)を行ない、その後、上記第2エッチング工程(C)を行なってもよい。
これにより、主基板及びカバー基板の2枚の基板のみでマイクロバルブを形成できる。さらに、弁体を外力により動かすための圧電素子等の素子がなくてもバルブを形成することができるので、構造が簡単になる。
その構造の一例として、弁体の上面は、弁体形成位置の第1主基板層の上面側の一部分が除去されて主基板の主面よりも下方位置に配置されているようにすれば、この構造は、エッチング処理によって弁体を形成する前に、写真製版技術及びエッチング技術によって第1主基板層の所定位置を掘り下げることによって形成できるので、簡単な構造で実現できる。
溝3の底面3c(露出している第3主基板層1cの表面)と、弁体5との間には空隙7が形成されている。空隙7の寸法は第2主基板層1bの厚みと同じである。
主基板1の主表面、すなわち第1主基板層1aの上面にカバー基板13が貼り付けられている。図1では、わかりやすいようにカバー基板13を主基板1とは離して描いている。
第3主基板層1cとしては例えばシリコンなどが挙げられる。その厚みは、例えば400μm(マイクロメートル)〜3mm(ミリメートル)で、ここでは700μmである。
第1主基板層1aとしては例えばポリシリコン膜やシリコン窒化膜、シリコン酸化膜が挙げられる。その膜厚は、例えば10μm〜1000μmで、ここでは100μmである。
溝3の段差部11の寸法(第2主基板層1bの側面から第1主基板層1aの側面までの長さ)は、例えば0.3μm〜30μmで、ここでは3μmである。
(B)に示すように、弁体5に対して紙面右側の流路内の圧力が紙面左側に比べて高い状態では、弁体5の自由端の下部が紙面左側へ開き、流体は図中矢印のように紙面右側から紙面左側へと流れる。
また(4)の工程と(5)の工程の順序を入れ替えても構わない。
(B)に示すように、弁体5に対して紙面右側の流路内の圧力が紙面左側に比べて高い状態では、弁体5の自由端が紙面左側へ開き、流体は図中矢印のように紙面右側から紙面左側へと流れる。
この実施例のマイクロバルブを逆止弁として機能させる場合には、図4を参照して説明したのと同様に、流体を上流側へ送りたい時と、逆流を低減したい時で、流体加圧方法を異ならせればよい。
また(4)の工程と(5)の工程の順序を入れ替えても構わない。
弁体5と突起23との間には第2空隙29が形成されている。第2空隙29の寸法は第4主基板層1dの厚みと同じである。
主基板1の主表面、すなわち第5主基板層1eの上面にカバー基板13が貼り付けられている。
(B)に示すように、弁体5に対して紙面右側の流路内の圧力が紙面左側に比べて高い状態では、弁体5の自由端が紙面左側へ開き、流体は図中矢印のように紙面右側から紙面左側へと流れる。
この実施例のマイクロバルブを逆止弁として機能させる場合には、図4を参照して説明したのと同様に、流体を上流側へ送りたい時と、逆流を低減したい時で、流体加圧方法を異ならせればよい。
(5)主基板1をフッ酸溶液に浸漬して第2主基板層1b及び第4主基板層1dを等方的にエッチングする。第2主基板層1b及び第4主基板層1dのエッチング量は、弁体5の厚みの半分以上であればよい。これにより、弁体5の下に位置する第2主基板層1b、及び弁体5と突起23の間の第4主基板層1dはすべて除去され、空隙7,29が形成される。また、溝3内壁に露出している第2主基板層1b及び第4主基板層1dの側面がエッチングされて後退し、段差部11,27を形成する。
また工程(5)と工程(6)の順序を入れ替えても構わない。
主基板31の主表面、すなわち第1主基板層31aの上面にカバー基板13が貼り付けられている
溝3の段差部11の寸法(第2主基板層31bの側面から第1主基板層31aの側面までの長さ)は、例えば0.3μm〜30μmで、ここでは3μmである。
(A)に示すように、弁体5に対して紙面左側の流路内の圧力が紙面右側に比べて高い状態では、弁体5が紙面右側へ開き、流体は図中矢印のように紙面左側から右側へと流れる。(B)に示すように、弁体5に対して紙面右側の流路内の圧力が紙面左側に比べて高い状態では、弁体5が紙面左側へ開き、流体は図中矢印のように紙面右側から左側へと流れる。
(2)写真製版技術により、第1主基板層31a上に、図16〜18に示した溝3及び弁体5の形成位置を画定するためのフォトレジストパターン15を形成する。
(4)既知の方法にてフォトレジストパターン15を除去する。主基板31を4−メチル水酸化アンモニウム水溶液(TMAH)に浸漬して、第2主基板層31bを等方的にエッチングする。第2主基板層31bのエッチング量は、弁体5の厚みの半分以上であればよい。これにより、溝3が形成されるとともに、弁体5の下に位置する第2主基板層31bはすべて除去され、空隙7が形成される。また、第1主基板層31aの側面下に段差部11が形成される。
(A)に示すように、弁体5に対して紙面左側の流路内の圧力が紙面右側に比べて高い状態では、流体は図中矢印のように紙面左側から右側へと流れる。(B)に示すように、弁体5に対して紙面右側の流路内の圧力が紙面左側に比べて高い状態では、弁体5の自由端が紙面左側へ開き、流体は図中矢印のように紙面右側から紙面左側へと流れる。
その実施例の一例を以下に説明する。
この実施例は、図10を参照して説明した製造工程において、溝3及び弁体5の形成位置を画定するためのフォトレジストパターン15(工程(2))のパターンを変更することにより、同製造工程と同様にして形成できる。
(B)に示すように、弁体5に対して紙面右側の流路内の圧力が紙面左側に比べて高い状態では、弁体5の自由端が紙面左側へ移動する。弁体5は、弁体5の自由端が下流側へ移動した時の弁体5の開き具合が、弁体5の自由端が上流側へ移動した時の弁体5の開き具合に比べて大きくなる程度で、第1側壁3aに対して傾斜して形成されているので、(B)の状態における弁体5の開き具合は(A)の状態よりも小さくなり、流体が紙面右側から紙面左側へ逆流するのを抑制する。
このように、弁体5は、流路を流れる流体を一方向にのみ流す逆止弁の機能を有する。
例えば、弁体5は溝3の側壁に対して45°の角度で延伸している。弁の厚みは5μm、長さは280μm、幅寸法は80μmである。掘下げ部17の深さは第1主基板層1aの表面から10μmである。
ガラス基板13の上面のポンプ室33に対応する位置に圧電素子39が設けられている。圧電素子39の大きさはポンプ室33とほぼ同じである。圧電素子39は、ポンプ室33上のガラス基板13を上方側に凸の状態に変形させ、もしくは、ポンプ室33上のガラス基板13を下方側に凸の状態に変形させ、又はその両方の方向に変形させる機能を有する。
弁体補助部を備えた弁体を図26〜28を参照して説明したマイクロバルブに適用した実施例を図33〜35を参照して説明する。
(B)に示すように、弁体5に対して紙面右側(下流側)の流路内の圧力が紙面左側(上流側)に比べて高い状態では、主弁体5aの自由端が上流側へ移動するが、その移動量は、弁体補助部5bによって規制される。これにより、弁体5は、主弁体5aの自由端が上流側へ移動した時の弁体5の開き具合が、主弁体5aの自由端が下流側へ移動した時の弁体5の開き具合に比べて小さくなり、流体が紙面右側から左側へ逆流するのを抑制する。
このように、弁体5は、流路を流れる流体を一方向にのみ流す逆止弁の機能を有する。
図26〜28を参照して説明したマイクロバルブに第2弁体をさらに備えた実施例を図37〜39を参照して説明する。
第2弁体41は、弁体5が形成される第1側壁3aを第2側壁3bに置き換えて形成されたものである。この実施例では、第2弁体41は、流路3の中心線に対して上方から見て弁体5と対象な構造で形成されている。ただし、弁体5と第2弁体41の平面形状は互いに異なっていてもよい。
弁体5の自由端と第2弁体41の自由端は、例えば20μmの間隔をもって対向して配置されている。
(B)に示すように、弁体5に対して紙面右側(下流側)の流路内の圧力が紙面左側(上流側)に比べて高い状態では、弁体5の自由端及び第2弁体41の自由端は上流側へ移動するが、弁体5の自由端及び第2弁体41の自由端が互いに当接することによって、それらの移動量は規制される。これにより、この実施例のマイクロバルブは、弁体5の自由端及び第2弁体41の自由端が上流側へ移動した時のマイクロバルブの開き具合が、これらの自由端が下流側へ移動した時のマイクロバルブの開き具合に比べて小さくなり、流体が紙面右側から左側へ逆流するのを抑制する。
このように、弁体5は、流路を流れる流体を一方向にのみ流す逆止弁の機能を有する。
また、図37を参照して説明した実施例では、第2弁体41は1つのみ形成されているが、本発明のマイクロバルブは複数の第2弁体41を備えていていもよい。また、弁体5と第2弁体41は、互いに自由端が当接する位置に形成されていなくてもよい。
また、第2弁体を含め、弁体の上方から見た幅寸法は、均一でなくてもよい。
また、弁体は複数の弁体補助部を備えていてもよい。
(A)では、複数の弁体5と複数の第2弁体41を備え、弁体5と第2弁体41が千鳥状に配置されている。
(B)では、弁体5は、弁体5に圧力が加わっていないときの上方から見た形状が曲線状に形成されている。
(C)では、弁体5は1つの主弁体5aに対して複数の弁体補助部5bを備えている。
1a 第1主基板層
1b 第2主基板層
1c 第3主基板層
1d 第4主基板層
1e 第5主基板層
3 溝
3a 溝の第1側壁
3b 溝の第2側壁
3c 溝の底面
5 弁体
5a 主弁体
5b 弁体補助部
7 空隙
11 段差部
13 カバー基板
15 フォトレジストパターン
17 掘下げ部
19 第2空隙
29 第2空隙
31 主基板
31a 第1主基板層
31b 第2主基板層
31c 第2空隙形成用主基板層
41 第2弁体
Claims (20)
- 主面に溝を有する主基板と、その主基板の主面に貼り合わされるカバー基板とを備え、主基板の溝がカバー基板で覆われて流路が形成されており、その流路内に弁体が配置されてなるマイクロバルブにおいて、
前記主基板は、主面側から順に第1主基板層、第2主基板層の積層構造をもち、
前記主基板の溝は少なくとも前記第1主基板層が前記第2主基板層に到達する深さで除去されて形成されたものであり、
前記弁体は、前記第1主基板層と同じ材料からなり、前記溝の第1側壁から突出し、前記第1側壁に対向する前記溝の第2側壁とは間隔をもって形成されており、
前記弁体は前記流路内を流れる流体圧力で変形可能な上方から見た膜厚をもち、
前記溝の底面と前記弁体との間に空隙があり、
前記弁体の上流側の流体圧力が前記弁体の下流側の流体圧力よりも大きいときに前記弁体の自由端が前記第2側壁に当接することなく下流側へ移動し、
前記弁体の下流側の流体圧力が前記弁体の上流側の流体圧力よりも大きいときに前記弁体の自由端が前記第2側壁に当接することなく上流側へ移動することを特徴とするマイクロバルブ。 - 前記溝の底面と前記弁体との間の空隙は、前記第2主基板層の表面側の一部分が除去されて形成されている請求項1に記載のマイクロバルブ。
- 前記主基板は前記第2主基板層の下層に第3主基板層をさらに備え、
前記溝の底面と前記弁体との間の空隙は、前記弁体下の前記第2主基板層が除去されて形成されている請求項1に記載のマイクロバルブ。 - 前記弁体と前記カバー基板との間に第2空隙が形成されている請求項1から3のいずれか一項に記載のマイクロバルブ。
- 前記弁体の上面は、前記弁体形成位置の前記第1主基板層の上面側の一部分が除去されて前記主基板の前記主面よりも下方位置に配置されている請求項4に記載のマイクロバルブ。
- 前記主基板は、前記第1主基板層上に形成された第4主基板層と、その上に形成された第5主基板層をさらに備え、
前記第5主基板層の上面が前記主基板の前記主面を構成し、
前記主基板の溝は少なくとも前記第5主基板層、前記第4主基板層及び前記第1主基板層が前記第2主基板層に到達する深さで除去されて形成されたものであり、
前記弁体上の前記第4主基板層が除去されている請求項4に記載のマイクロバルブ。 - 前記主基板は、前記第1主基板層上に形成された第2空隙形成用主基板層をさらに備え、
前記第2空隙形成用主基板層の上面が前記主基板の前記主面を構成し、
前記主基板の溝は少なくとも前記第2空隙形成用主基板層及び前記第1主基板層が前記第2主基板層に到達する深さで除去されて形成されたものであり、
前記弁体上を含む前記溝上の前記第2空隙形成用主基板層が除去されている請求項4に記載のマイクロバルブ。 - 前記弁体は、上方から見て、前記弁体の自由端が下流側へ移動した時の前記自由端と前記第2側壁との間隔が、前記自由端が上流側へ移動した時の前記自由端と前記第2側壁との間隔に比べて大きくなる程度で、前記弁体の自由端が基端部よりも下流側に位置するように傾斜して形成されている請求項1から7のいずれか一項に記載のマイクロバルブ。
- 前記弁体は、前記弁体の構成からなる主弁体と、一端が前記主弁体の自由端の下流側の面に接続され、他端が前記主弁体の基端部よりも下流側で前記第1側壁に接続され、変形可能な上方から見た膜厚で形成された弁体補助部と、を備え、
前記弁体補助部は、上方から見た膜厚が前記主弁体の上方から見た膜厚よりも薄く形成され、かつ、前記自由端の上流側への移動量を制限する請求項1から8のいずれか一項に記載のマイクロバルブ。 - 前記弁体が形成される前記第1側壁を前記第2側壁に置き換えて形成された第2弁体をさらに備えている請求項1から9のいずれか一項に記載のマイクロバルブ。
- 請求項1に記載のマイクロバルブの製造方法であって、以下の工程(A)〜(D)をその順に含むマイクロバルブの製造方法。
(A)主面側から順に第1主基板層、第2主基板層の積層構造をもつ主基板の上に、写真製版技術により、溝形成予定位置に開口部をもち、弁体形成予定位置を覆うフォトレジストパターンを形成する写真製版工程、
(B)異方性エッチング技術により、前記フォトレジストパターンをマスクにして、前記第1主基板層を前記第2主基板層に到達する深さまでエッチングして、前記第1主基板層からなる弁体と、溝形成予定位置に第1主基板層除去部分を形成し、その後、前記フォトレジストパターンを除去する第1エッチング工程、
(C)等方性エッチング技術により、前記第1主基板層をマスクにして、前記第1主基板層をエッチングしない条件で前記第2主基板層をエッチングして、溝形成予定位置に第2主基板層除去部分を形成して前記第1主基板層除去部分及び前記第2主基板層除去部分からなる溝を形成するとともに、前記弁体下の第2主基板層を除去して前記溝の底面と前記弁体との間に空隙を形成する第2エッチング工程、
(D)前記主基板の前記主表面上にカバー基板を配置して前記溝を覆って流路を形成するカバー基板配置工程。 - 前記第1エッチング工程(B)で、前記第1主基板層のエッチングに連続して前記第2主基板層の一部分もエッチングする、請求項11に記載のマイクロバルブの製造方法。
- 前記主基板として前記第2主基板層の下層に第3主基板層をさらに備えたものを用い、
前記第2エッチング工程(C)で、前記第2主基板層をエッチングする際に、前記第3主基板層を前記溝の深さ方向のエッチングストッパー層として用いる、請求項11又は12に記載のマイクロバルブの製造方法。 - 前記写真製版工程(A)で、前記フォトレジストパターンを形成する前に、写真製版技術及びエッチング技術によって少なくとも前記弁体形成予定位置の前記第1主基板層の表面を掘り下げる工程を含む、請求項11から13のいずれか一項に記載のマイクロバルブの製造方法。
- 前記主基板として、前記第1主基板層上に形成された第4主基板層と、その上に形成された第5主基板層をさらに備えたものを用い、
前記写真製版工程(A)で、前記第5主基板層上に前記フォトレジストパターンを形成し、
前記第1エッチング工程(B)で、前記フォトレジストパターンをマスクにして、異方性エッチング技術によって前記第5主基板層及び前記第4主基板層をエッチングして溝形成予定位置に第5主基板層除去部分及び第4主基板層除去部分を形成した後に連続して前記第1主基板層をエッチングして前記弁体及び前記第1主基板層除去部分を形成し、
前記第2エッチング工程(C)で、前記第1主基板層及び前記第5主基板層をマスクにして、前記第1主基板層及び前記第5主基板層をエッチングしない条件で前記第2主基板層をエッチングするのと同時に前記弁体上の前記第4主基板層もエッチングする、請求項11から13のいずれか一項に記載のマイクロバルブの製造方法。 - 前記第1エッチング工程(B)の後、前記第2エッチング工程(C)を行なわずに前記カバー基板配置工程(D)を行ない、その後、前記第2エッチング工程(C)を行なう請求項11〜15のいずれか一項に記載のマイクロバルブの製造方法。
- 前記主基板として、上方から見た前記弁体の厚みの半分よりも厚い膜厚で前記第1主基板層上に形成された第2空隙形成用主基板層をさらに備えたものを用い、前記第1エッチング工程(B)で、異方性エッチング技術により、前記フォトレジストパターンをマスクにして、前記第2空隙形成用主基板層及び前記第1主基板層をエッチングして、溝形成予定位置に第2空隙形成用主基板層除去部分及び前記第1主基板層除去部分を形成し、かつ前記弁体を形成し、
前記第2エッチング工程(C)で、前記溝の外の前記第2空隙形成用主基板層が残存し、前記弁体上の前記第2空隙形成用主基板層及び前記弁体下の前記第2主基板層が除去される条件で、前記第2主基板層及び前記第2空隙形成用主基板層に対して同時に前記等方性エッチングを行なう、請求項11又は12に記載のマイクロバルブの製造方法。 - 前記弁体を、上方から見て、前記弁体の自由端が下流側へ移動した時の前記自由端と前記第2側壁との間隔が、前記自由端が上流側へ移動した時の前記自由端と前記第2側壁との間隔に比べて大きくなる程度で、前記弁体の自由端が基端部よりも下流側に位置するように傾斜して形成する請求項11から17のいずれか一項に記載のマイクロバルブの製造方法。
- 前記弁体として、前記弁体の構成からなる主弁体と、一端が前記主弁体の自由端の下流側の面に接続され、他端が前記主弁体の基端部よりも下流側で前記第1側壁に接続され、上方から見て前記主弁体の膜厚よりも薄くかつ変形可能な膜厚で形成され、前記主弁体の自由端の上流側への移動量を制限するための弁体補助部を備えたものを形成する請求項11から18のいずれか一項に記載のマイクロバルブの製造方法。
- 前記弁体の形成と同時に、前記第2側壁に、前記弁体が形成される前記第1側壁を前記第2側壁に置き換えた第2弁体を形成する請求項11から19のいずれか一項に記載のマイクロバルブの製造方法。
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