JPH051669A - Manufacture of micro-pump and micro-valve - Google Patents
Manufacture of micro-pump and micro-valveInfo
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- JPH051669A JPH051669A JP15030691A JP15030691A JPH051669A JP H051669 A JPH051669 A JP H051669A JP 15030691 A JP15030691 A JP 15030691A JP 15030691 A JP15030691 A JP 15030691A JP H051669 A JPH051669 A JP H051669A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、微小流量の精密な流体
制御が必要とされる医療、分析等の分野での活用が期待
されているマイクロポンプの構造及びマイクロポンプで
用いられるマイクロバルブ製造方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a structure of a micropump, which is expected to be used in the fields of medical treatment, analysis, etc., where precise fluid control of a minute flow rate is required, and manufacturing of a microvalve used in the micropump. Regarding the method.
【０００２】[0002]
【従来の技術】近年、注目されているマイクロマシニン
グは、半導体製造技術として培われてきたフォトリソグ
ラフィー、エッチング等の微細加工技術を駆使し、各種
センサー、デバイスを作製する技術であり、圧力センサ
ー、加速度センサー等が実際に作製されている。また、
酸化膜を犠牲層として可動部を作製し、基板上にギヤ、
静電モーター等の機械的なものを作製することが試みら
れている。2. Description of the Related Art Micromachining, which has been attracting attention in recent years, is a technology for producing various sensors and devices by making full use of microfabrication technologies such as photolithography and etching that have been cultivated as semiconductor manufacturing technologies. Acceleration sensors etc. are actually manufactured. Also,
A movable part is manufactured by using an oxide film as a sacrificial layer, and gears are formed on the substrate.
Attempts have been made to make mechanical things such as electrostatic motors.
【０００３】従来のマイクロマシニング技術によるマイ
クロポンプは、基本的に図７に示すような構造を有して
いる。その構造は、シリコン基板７１を両面からエッチ
ングしてダイヤフラム部、バルブ部を形成し三次元構造
に加工した後、このシリコン基板７１をガラス基板７２
で挟み込み、陽極接合法等で接合一体化することによ
り、流路とバルブを形成するものである。A conventional micropump based on the micromachining technique basically has a structure as shown in FIG. The structure is such that the silicon substrate 71 is etched from both sides to form a diaphragm portion and a valve portion and processed into a three-dimensional structure.
The flow path and the valve are formed by sandwiching them with each other and integrally joining them by an anodic bonding method or the like.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】従来技術では、Ｓｉ基
板を水酸化カリウム溶液等により両面からエッチングす
ることによりダイヤフラムを形成するため、ポンプ自体
の小型化、ダイヤフラムの薄膜化に限界あり超微少流量
の制御に限界があるという問題点を有している。また、
ポンプとその制御回路を半導体製造方法により同一基板
上に製造しようとする場合、前述のようにその工程が全
く異なるため個々に製造せねばならず、工程数が多くな
る問題点を有している。In the prior art, since the diaphragm is formed by etching the Si substrate from both sides with a potassium hydroxide solution or the like, there is a limit to downsizing the pump itself and thinning the diaphragm. There is a problem that the control of the flow rate is limited. Also,
When the pump and its control circuit are to be manufactured on the same substrate by the semiconductor manufacturing method, the steps are completely different as described above, so that they must be individually manufactured, which causes a problem of increasing the number of steps. .
【０００５】そのほか、従来のマイクロポンプ製造は基
板の両面加工であるため、基板の片面加工である従来の
半導体製造装置をそのまま流用することが難しく、製造
装置の改造あるいは新な製造装置開発が必要とされると
いう問題点と、エッチングにより基板が割れ易くなるた
め、集積化、基板の大型化が難しいという問題点があ
り、量産性に問題があった。In addition, since the conventional micropump manufacturing processes both sides of the substrate, it is difficult to divert the conventional semiconductor manufacturing apparatus which is one side processing of the substrate as it is, and it is necessary to modify the manufacturing apparatus or develop a new manufacturing apparatus. However, there is a problem in that the substrate is easily cracked by etching, so that it is difficult to integrate and upsize the substrate, and there is a problem in mass productivity.
【０００６】そこで本発明は、片面加工のみで製造し、
ポンプの小型化及び集積化、半導体製造工程との工程の
共通化を可能とするマイクロポンプ製造に適したバルブ
の製造方法を提供することを目的とする。Therefore, according to the present invention, only one side is manufactured,
An object of the present invention is to provide a manufacturing method of a valve suitable for manufacturing a micropump, which enables miniaturization and integration of the pump, and sharing of the manufacturing process with a semiconductor manufacturing process.
【０００７】そして、本発明のもうひとつの目的は、逆
流等の問題がなく精密に流量を制御できる信頼性のある
ポンプを作製できるマイクロポンプのバルブを提供する
ことにある。Another object of the present invention is to provide a micro-pump valve capable of producing a reliable pump capable of precisely controlling the flow rate without problems such as backflow.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】（１）本発明のマイクロ
ポンプはＳｉ基板上に形成された薄膜からなり、シール
部、変位部、固定部を有するマイクロバルブにおいて、
流体が通過するための貫通孔がシール部に形成される吐
出側バルブと、該貫通孔が変位部に形成される吸入側バ
ルブと前記吐出側バルブ及び吸入側バルブのシール部と
接してバルブ機能をもたらすもう一つの基板を備えるこ
とを特徴とする。(1) A micropump of the present invention comprises a thin film formed on a Si substrate, and has a seal portion, a displacement portion, and a fixed portion.
A discharge side valve having a through hole for a fluid to pass through is formed in a seal part, a suction side valve having the through hole formed in a displacement part, and a valve function in contact with the discharge side valve and the seal part of the suction side valve. It is characterized by including another substrate that brings about.
【０００９】（２）又、本発明のマイクロバルブの製造
方法は、
ａ）基板上に窒化膜を形成する工程と、
ｂ）前記窒化膜上にフォトリソグラフィ技術によりレジ
ストパターンを形成し、フォトレジストをマスクとして
窒化膜の一部をエッチングする工程と、
ｃ）前記窒化膜をマスクとして、選択的熱酸化により酸
化膜を形成する工程と、
ｄ）前記窒化膜エッチング、選択的熱酸化を１回あるい
は数回繰り返した後、前記基板上に金属またはポリシリ
コンの薄膜を形成し、前記薄膜をパターニングする工程
と、
ｅ）前記酸化膜を除去する工程とによって、ダイヤフラ
ム構造を形成しマイクロバルブの製造することを特徴と
する。
（３）又、前述のマイクロポンプにおいて、吐出側バル
ブ及び吸入側バルブのシール部の位置を前記基板と前記
もう一つの基板の接合面より前記もう一つの基板側に突
出して形成し、バルブに予圧を与えることを特徴とす
る。(2) The method of manufacturing a microvalve of the present invention comprises: a) a step of forming a nitride film on a substrate; and b) forming a resist pattern on the nitride film by a photolithography technique, A step of etching a part of the nitride film using as a mask, c) a step of forming an oxide film by selective thermal oxidation using the nitride film as a mask, and d) the nitride film etching and selective thermal oxidation once. Alternatively, after repeating several times, a diaphragm structure is formed by forming a thin film of metal or polysilicon on the substrate, patterning the thin film, and e) removing the oxide film to manufacture a microvalve. It is characterized by doing. (3) Further, in the above-mentioned micro pump, the positions of the seal portions of the discharge side valve and the suction side valve are formed so as to project from the joint surface between the substrate and the other substrate to the side of the other substrate, It is characterized by applying a preload.
【００１０】（４）又、前述のマイクロポンプにおい
て、吐出側及び吸入側バルブのシール部の周囲を中央部
より高く形成することを特徴とする。(4) Further, in the above-described micropump, the periphery of the seal portion of the discharge side valve and the suction side valve is formed higher than the central portion.
【００１１】（５）又、本発明のマイクロポンプはＳｉ
基板に不純物ドープして形成した半導体電極とマイクロ
バルブを構成する前記Ｓｉ基板上に形成された金属又は
ポリシリコンとの間の静電容量の変化を流量の変化とし
て検出する流量センサーを備えることを特徴とする。(5) Further, the micropump of the present invention is made of Si.
A flow rate sensor for detecting a change in capacitance between a semiconductor electrode formed by doping a substrate with impurities and a metal or polysilicon formed on the Si substrate forming a microvalve as a change in flow rate; Characterize.
【００１２】[0012]
【作用】窒化膜を選択的酸化のマスクとして酸化膜を成
長させて犠牲層とし、この犠牲層上に金属またはポリシ
リコンの薄膜を形成し、エッチングにより犠牲層である
酸化膜を除去することによって、金属またはポリシリコ
ンのダイヤフラムを形成しバルブを構成する。The oxide film is grown using the nitride film as a mask for selective oxidation to form a sacrifice layer, a thin film of metal or polysilicon is formed on the sacrifice layer, and the oxide film which is the sacrifice layer is removed by etching. A valve is formed by forming a metal or polysilicon diaphragm.
【００１３】上述のバルブでシール部に貫通孔を設けた
ものがポンプ外からの逆流を防ぐ働きをし、ダイヤフラ
ム部に流路を設けたものがポンプ内からの逆流を防ぐ働
きをするため、それぞれ吐出側バルブ、吸入側バルブに
なる。In the above-mentioned valve, the one having the through hole in the seal portion functions to prevent the backflow from the outside of the pump, and the one having the flow passage in the diaphragm portion functions to prevent the backflow from the inside of the pump. It becomes a discharge side valve and a suction side valve, respectively.
【００１４】そして、吐出側あるいは吸入側のバルブの
シール部のシリコン基板からの位置をシール部がガラス
基板と接する位置より高く形成しておくことによって、
ポンプとして組み立てたときに、バルブの変位部ダイヤ
フラムの変位が大きくなり、その大きさだけバルブにか
かる予圧が大きくなり、逆流を減らすことが出来る。ま
た、バルブシール部全面で面接触によりシーリングする
よりもシール部の周りを中央部より高く形成し、シール
部周囲でシーリングする方が、シーリング性が高まる。By forming the position of the seal portion of the discharge side or suction side valve from the silicon substrate higher than the position where the seal portion contacts the glass substrate,
When assembled as a pump, the displacement of the displacement diaphragm of the valve increases, and the preload applied to the valve increases by that amount, and backflow can be reduced. Further, the sealing performance is improved by forming the periphery of the seal portion higher than the central portion and sealing around the seal portion rather than sealing the entire surface of the valve seal portion by surface contact.
【００１５】さらに、ポンプを流れる流体の流量により
バルブの変位量が変化するため、変位量を基板とバルブ
に形成した電極間の静電容量の変化として検出すること
によって流量を測定できる。Furthermore, since the displacement amount of the valve changes depending on the flow rate of the fluid flowing through the pump, the flow amount can be measured by detecting the displacement amount as a change in the capacitance between the substrate and the electrode formed on the valve.
【００１６】[0016]
（実施例１）本発明によるところのマイクロポンプのバ
ルブ構造を図１に示す。吐出側バルブ、吸入側バルブは
ポリシリコン１１をダイヤフラム素材とし、それぞれシ
ール部１２、変位部１３、固定部１４で構成されてい
る。その製造方法を例として本発明のマイクロバルブの
製造方法を図２に示す工程断面図によって詳細に説明す
る。(Embodiment 1) FIG. 1 shows a valve structure of a micropump according to the present invention. The discharge side valve and the suction side valve are made of polysilicon 11 as a diaphragm material, and are composed of a seal portion 12, a displacement portion 13, and a fixed portion 14, respectively. Taking the manufacturing method as an example, the manufacturing method of the microvalve of the present invention will be described in detail with reference to process sectional views shown in FIG.
【００１７】まず図２（ａ）のごとくシリコン基板２１
上に減圧ＣＶＤにより窒化膜２２を１ミクロンの厚さで
形成し、レジストを塗布、パターニング後、レジストを
マスクとしてＣＦ4 をエッチャントとしたドライエッチ
ングを行い、窒化膜２２の一部を除去する。次に図２
（ｂ）のごとく酸化温度摂氏１１００度、酸化時間１６
時間の常圧水蒸気酸化により、窒２２をマスクとした選
択的酸化を行い、酸化膜２３を３ミクロンを成長させ
る。First, as shown in FIG. 2A, a silicon substrate 21
A nitride film 22 having a thickness of 1 μm is formed thereon by low pressure CVD, a resist is applied and patterned, and then dry etching is performed using CF 4 as an etchant using the resist as a mask to remove a part of the nitride film 22. Next in FIG.
As in (b), oxidation temperature 1100 degrees Celsius, oxidation time 16
Selective oxidation is performed by using atmospheric pressure steam oxidation for a period of time using the nitrogen 22 as a mask to grow the oxide film 23 to 3 μm.
【００１８】次に再びレジスト塗布、パターニングを行
い、ドライエッチングにより図２（ｃ）のごとく窒化膜
２２の一部を除去する。そして図２（ｄ）のように酸化
温度摂氏１１００度、酸化時間５時間の常圧水蒸気酸化
により再び選択的酸化を行い、段差を有する酸化膜２３
を形成する。このとき２回目の酸化で未酸化の部分では
１．５ミクロンの酸化膜が成長し、１回目に既に酸化さ
れている部分は０．３ミクロン酸化膜が成長し膜厚が
３．３ミクロンになる。次に図２（ｅ）のごとく窒化膜
２２を摂氏１８０度の熱リン酸により全面エッチングす
る。Next, resist coating and patterning are performed again, and a part of the nitride film 22 is removed by dry etching as shown in FIG. Then, as shown in FIG. 2D, selective oxidation is performed again by atmospheric pressure steam oxidation at an oxidation temperature of 1100 degrees Celsius and an oxidation time of 5 hours to form an oxide film 23 having a step.
To form. At this time, a 1.5-micron oxide film grows in the unoxidized part by the second oxidation, and a 0.3-micron oxide film grows in the first-oxidized part, and the film thickness becomes 3.3 microns. Become. Next, as shown in FIG. 2E, the entire surface of the nitride film 22 is etched with hot phosphoric acid at 180 degrees Celsius.
【００１９】それから、ポリシリコン２４を常圧ＣＶＤ
により１ミクロン成膜し、レジスト塗布、パターニング
で形成したレジストパターンをマスクとして ＣＦ4をエ
ッチャントとしたドライエッチングを行い、図２（ｆ）
のようにバルブ形状を形成する。Then, the polysilicon 24 is subjected to atmospheric pressure CVD.
2 μm is formed by using the resist pattern formed by resist coating and patterning as a mask, and dry etching is performed using CF 4 as an etchant.
To form a bulb shape.
【００２０】最後にバッファードフッ酸水溶液（組成体
積比、フッ酸（５０重量％）：フッ化アンモニウム（４
０重量％）＝１：６）により酸化膜２３をエッチング除
去し、図２（ｇ）のごとくポリシリコンのバルブを形成
する。このとき酸化膜上に形成した薄膜をダイヤフラム
構造とするためには、犠牲層である酸化膜がエッチング
液に接している必要があり、図１に示すバルブ構造がこ
の製造方法に適した構造でもある。Finally, a buffered hydrofluoric acid aqueous solution (composition volume ratio, hydrofluoric acid (50% by weight): ammonium fluoride (4
0 wt%) = 1: 6) to remove the oxide film 23 by etching to form a polysilicon valve as shown in FIG. At this time, in order for the thin film formed on the oxide film to have the diaphragm structure, the oxide film as the sacrificial layer needs to be in contact with the etching solution. Even if the valve structure shown in FIG. 1 is suitable for this manufacturing method. is there.
【００２１】（実施例２）本発明によるマイクロバルブ
を用いてマイクロポンプを構成したときの実施例を図３
（ａ）及び図３（ｂ）に示す。図３（ａ）はエッチング
加工したガラス基板を使用にマイクロポンプを構成した
場合の実施例である。シリコン基板３１上に上述の実施
例１のごとくバルブを形成し、これと流路およびダイヤ
フラムをエッチングにより形成したガラス基板３３を陽
極接合等により接合しポンプを作製する。ポンプの駆動
はガラスのダイヤフラムに張り付けた圧電素子３４によ
り行う。また、静電力、熱膨張力による駆動も可能であ
る。駆動用ダイヤフラムがポンプ内容量を増加させる方
向に変位したとき、ポンプ内の圧力が下がり吸入側バル
ブが開きポンプ内に流体が流れ込む。そして、駆動用ダ
イヤフラムが逆方向に変位したとき、吐出側バルブが開
きポンプ内の流体が吐出する。(Embodiment 2) An embodiment in which a micropump is constructed using the microvalve according to the present invention is shown in FIG.
It shows in (a) and FIG.3 (b). FIG. 3A shows an example in which a micropump is constructed using a glass substrate that has been etched. A valve is formed on the silicon substrate 31 as in the first embodiment described above, and the glass substrate 33 having the flow path and the diaphragm formed by etching is joined by anodic bonding or the like to form a pump. The pump is driven by a piezoelectric element 34 attached to a glass diaphragm. Further, driving by electrostatic force or thermal expansion force is also possible. When the driving diaphragm is displaced in the direction of increasing the pump internal volume, the pressure in the pump is lowered and the suction side valve is opened to allow the fluid to flow into the pump. Then, when the drive diaphragm is displaced in the opposite direction, the discharge side valve is opened and the fluid in the pump is discharged.
【００２２】図３（ｂ）は駆動用ダイヤフラムの薄膜
化、小型化を図ってマイクロポンプを作製した実施例で
ある。基板に張り合わせるガラス基板３３を次のように
作製した。薄ガラスにポリシリコン層３５を減圧ＣＶＤ
により５ミクロン成膜し、さらに減圧ＣＶＤによりＰＳ
Ｇ（リンシリケートガラス）３６を成膜したのち摂氏１
０００度で１時間加熱処理し、ＰＳＧ３６の膜厚を２．
５ミクロンにした。ポリシリコン層及びＰＳＧを成膜し
たガラス基板を両面からＡｕ−Ｃｒをマスクとしてバッ
ファードフッ酸によりエッチングし、ガラス基板に流路
およびダイヤフラムを形成した。ポリシリコン層がエッ
チストップとして働くため流路の深さを正確に制御でき
る利点がある。そしてダイヤフラムと流路を形成したガ
ラス基板３３とマイクロバルブを形成したＳｉ基板を陽
極接合した。作製したポンプのガラス基板側ポリシリコ
ンダイヤフラムに圧電素子を張り、ポンプを駆動させた
ところ前述の図３（ａ）のポンプより、駆動電圧を６０
％低下させることが出来た。図３（ｂ）のポンプの場
合、ポリシリコン層３５とシリコン基板３１に電位を加
えることによって、駆動用ダイヤフラムの静電引力によ
る駆動ができる。静電引力で駆動させる場合、ポリシリ
コン層３５とシリコン基板３１の間のバルブを介したリ
ーク電流が流れるため、バルブ固定部とシリコン基板の
間に窒化膜等の絶縁膜を形成しておく必要がある。FIG. 3B shows an embodiment in which a micropump is manufactured by making the driving diaphragm thin and compact. A glass substrate 33 bonded to the substrate was manufactured as follows. Low pressure CVD of polysilicon layer 35 on thin glass
To form a film of 5 microns, and then PS by low pressure CVD
After forming a film of G (phosphorus silicate glass) 36, 1 degree Celsius
Heat treatment is performed at 000 ° C. for 1 hour, and the film thickness of PSG 36 is 2.
5 microns. The glass substrate on which the polysilicon layer and PSG were formed was etched from both sides with buffered hydrofluoric acid using Au-Cr as a mask to form a channel and a diaphragm on the glass substrate. Since the polysilicon layer acts as an etch stop, there is an advantage that the depth of the channel can be accurately controlled. Then, the glass substrate 33 having the diaphragm and the flow channel formed thereon and the Si substrate having the micro valve formed thereon were anodically bonded. When the piezoelectric element was attached to the polysilicon diaphragm of the glass substrate side of the manufactured pump and the pump was driven, a driving voltage of 60 was obtained from the pump shown in FIG.
I was able to reduce it. In the case of the pump of FIG. 3B, by applying an electric potential to the polysilicon layer 35 and the silicon substrate 31, the driving diaphragm can be driven by electrostatic attraction. When driven by electrostatic attraction, a leak current flows through the valve between the polysilicon layer 35 and the silicon substrate 31, so an insulating film such as a nitride film needs to be formed between the valve fixing portion and the silicon substrate. There is.
【００２３】（実施例３）実施例２のポンプにおいてバ
ルブに予圧を与えるためには、バルブシール部の位置を
シール部がガラス基板と接する位置よりガラス基板側に
なるように予めシール部の位置をシール部がガラス基板
と接する位置より高く形成すればよい。シリコン基板と
ガラス基板を接合したときバルブの変位部が変形し、こ
のバルブの変位によってバルブに予圧を付与できる。さ
らにシリコン基板からのバルブのシール部の位置を変え
ることによって予圧量をコントロールでき、また吸入側
バルブ、吐出側バルブの各々に異なる予圧を付与するこ
ともできる。例えば吐出側バルブにさらに予圧を付与す
る場合、実施例１に示した製造方法の一部を変更し、熱
酸化により成長させる酸化膜の厚さを変えればよく、そ
の変更点を図４により詳細に説明する。シリコン基板４
１上に窒化膜４２を減圧ＣＶＤにより成膜したのち、吐
出側バルブを形成する部分の窒化膜４２の一部を図４
（ａ）のごとくドライエッチングにより除去する。窒化
膜４２をマスクとして選択的熱酸化を行い図４（ｂ）の
ごとく酸化膜４３を成長させる。このときの酸化膜４３
の厚さで吐出側バルブの予圧を付与するのに必要な高さ
を調節する。続いて吸入側バルブを形成する部分の窒化
膜４２も図４（ｃ）のごとくドライエッチングにより除
去し、選択的熱酸化（図４（ｄ））以降の工程は実施例
１と同様である。そして図４（ｅ）に示すようにシール
部の位置の異なる入吐出バルブを製造できる。(Embodiment 3) In order to apply a preload to the valve in the pump of Embodiment 2, the position of the seal portion is set in advance so that the position of the valve seal portion is closer to the glass substrate than the position where the seal portion contacts the glass substrate. May be formed higher than the position where the seal portion contacts the glass substrate. When the silicon substrate and the glass substrate are bonded together, the displacement portion of the valve is deformed, and this displacement of the valve can apply a preload to the valve. Further, the amount of preload can be controlled by changing the position of the sealing portion of the valve from the silicon substrate, and different preload can be applied to each of the suction side valve and the discharge side valve. For example, in the case where a preload is further applied to the discharge side valve, a part of the manufacturing method shown in the first embodiment may be changed to change the thickness of the oxide film grown by thermal oxidation. Explained. Silicon substrate 4
After forming a nitride film 42 on the substrate 1 by low pressure CVD, a part of the nitride film 42 of the portion forming the discharge side valve is formed as shown in FIG.
It is removed by dry etching as in (a). Selective thermal oxidation is performed using the nitride film 42 as a mask to grow an oxide film 43 as shown in FIG. Oxide film 43 at this time
Adjust the height required to apply preload to the discharge side valve by adjusting the thickness. Subsequently, the nitride film 42 in the portion forming the suction side valve is also removed by dry etching as shown in FIG. 4C, and the steps after the selective thermal oxidation (FIG. 4D) are the same as those in the first embodiment. Then, as shown in FIG. 4E, it is possible to manufacture an inlet / outlet valve in which the position of the seal portion is different.
【００２４】また、実施例１において一回目の酸化が終
わったところで、吸入側バルブを形成する部分の酸化膜
の表面をレジストで覆った後、吐出側バルブを形成する
部分の酸化膜をフッ酸水溶液により一部をエッチングす
ることによっても、同様に高さの異なる吸入及び吐出バ
ルブを製造できる。After the first oxidation in Example 1, the surface of the oxide film forming the intake valve is covered with a resist, and then the oxide film forming the discharge valve is hydrofluoric acid. Similarly, by partially etching with an aqueous solution, intake and discharge valves having different heights can be manufactured.
【００２５】吐出側バルブを吸入側バルブより０．２５
ミクロン高くしてマイクロポンプを構成した場合と高さ
を変えないでマイクロポンプを構成した場合とで、その
吐出量を比較評価してみたところ、前者では０．０１±
０．００１５ｍｍ3 ／ｍｉｎの吐出量が後者では０．０
１±０．０００７ｍｍ3 ／ｍｉｎであった。高さを変え
て吐出側バルブに予圧を付与したポンプの方が吐出量の
変動が少なく、これはポンプ内への逆流を減らすことが
できたためである。The discharge side valve is set at 0.25 from the intake side valve.
When the micro pump was constructed by raising the micron and the micro pump was constructed without changing the height, the discharge amount was compared and evaluated.
The discharge rate of 0.0015 mm 3 / min is 0.0 in the latter case.
It was 1 ± 0.0007 mm 3 / min. The pump in which the height was changed and a preload was applied to the discharge side valve had less fluctuation in the discharge amount, and this was because the backflow into the pump could be reduced.
【００２６】（実施例４）吸入側バルブのシール部の周
りに環状の突起を形成した場合の実施例を図５において
説明する。前記載実施例１のマイクロポンプの製造方法
において、一回目の選択的熱酸化により酸化膜５１を形
成したのち、フッ酸水溶液にてエッチングを行うと図５
（ａ）のごとく酸化膜５１がエッチングされる。この
後、熱酸化、窒化膜除去と実施例１に示したのと同様な
工程を経たのち、図５（ｂ）に示す様な形状になる。こ
の上にポリシリコン５４を減圧ＣＶＤにより成膜し酸化
膜５１をバッファードフッ酸水溶液にてエッチング除去
すると、図５（ｃ）のようにシール部の周りを中央部よ
り高くしたバルブを形成することが出来る。吐出側バル
ブにおいてもシール部の周りを中央部より高くしたバル
ブを同様に形成できる。シール部の周りを高く形成して
いないシール部がフラットなバルブは、シール部が微妙
に凸方向に湾曲する傾向があることと、流路としてガラ
スに開けた穴の近傍が、穴明け加工時の返り等により完
全に平坦ではないことにより、バルブの密着性が悪かっ
た。そこでシール部の周りを中央部より高くしたことで
バルブの密着性を向上させることができた。実際にシー
ル部の周りを中央部より高く形成した吸入側バルブと形
成しない吸入側バルブで逆流量を測定しシール性を比較
評価したところ、流量が０．０１ｍｍ3 ／ｍｉｎのとき
５％あった逆流が２％に減少した。(Embodiment 4) An embodiment in which an annular protrusion is formed around the seal portion of the intake valve will be described with reference to FIG. In the method for manufacturing the micropump according to the first embodiment described above, when the oxide film 51 is formed by the first selective thermal oxidation, etching is performed with a hydrofluoric acid aqueous solution, as shown in FIG.
The oxide film 51 is etched as shown in FIG. After that, after undergoing thermal oxidation, removal of the nitride film, and the same steps as those shown in Example 1, the shape shown in FIG. 5B is obtained. When polysilicon 54 is formed thereon by low pressure CVD and the oxide film 51 is removed by etching with a buffered hydrofluoric acid aqueous solution, a valve is formed in which the circumference of the seal portion is higher than the central portion as shown in FIG. 5C. You can Also in the discharge side valve, a valve in which the circumference of the seal portion is higher than the central portion can be similarly formed. A valve with a flat seal that does not have a high height around the seal has a tendency for the seal to slightly bend in the convex direction. Due to the fact that it was not completely flat due to the return of etc., the valve adhesion was poor. Therefore, it was possible to improve the adhesion of the valve by making the circumference of the seal portion higher than the central portion. The reverse flow rate was measured with the suction side valve that was actually formed around the seal portion higher than the central portion and the suction side valve that was not formed, and the sealability was compared and evaluated, and it was 5% when the flow rate was 0.01 mm 3 / min. Backflow was reduced to 2%.
【００２７】（実施例５）吸入側バルブに流量センサー
を形成した場合の実施例を図６に示す。流量センサー
は、シリコン基板６１とポリシリコン６２のダイヤフラ
ムにリン元素をドープすることによって半導体電極を形
成することによって構成した。ダイヤフラムの変位によ
る電極間の距離の変化を電極間の電気容量として検出す
ることによって流量を知ることができる。(Embodiment 5) FIG. 6 shows an embodiment in which a flow sensor is formed in the intake valve. The flow rate sensor was constructed by forming a semiconductor electrode by doping the diaphragm of the silicon substrate 61 and the polysilicon 62 with phosphorus element. The flow rate can be known by detecting the change in the distance between the electrodes due to the displacement of the diaphragm as the electric capacitance between the electrodes.
【００２８】製造方法を以下に説明する。基板を熱酸化
し全面に酸化膜を形成したのち、フォトレジストをコー
トし、フォトリソグラフィによりリンを拡散する部分を
開口する。レジストをマスクとしてフッ酸によるエッチ
ングにより酸化膜をパターニングする。レジストを熱硫
酸で剥離したのち酸化膜をマスクとしＰＯＣｌ3 を拡散
源としてリンをドープしｎ型半導体領域（下部ｎ型半導
体電極６３）を形成する。次に酸化膜をフッ酸により除
去した後で窒化膜を減圧ＣＶＤにより形成する。以下ポ
リシリコンを成膜するまでの工程は実施例１で示した製
造方法通りに行う。ただ、窒化膜６５を絶縁膜として残
すため、窒化膜６５を除去しないでポリシリコンを成膜
する。ポリシリコン層上にレジストをコートし上部ｎ型
半導体電極６４を形成する領域をパターニングしたの
ち、イオン注入によりリンをドープする。レジストを剥
離、再びレジストをコート、パターニングしたのちドラ
イエッチングによりポンプ形状を形成する。さらにレジ
ストパターニングを行い窒化膜に基板側の半導体電極と
のコンタクトとるための穴を開けた。次にリフトオフ法
によりアルミ配線６６をした。最後にフッ酸により酸化
膜を除去しバルブを形成した。The manufacturing method will be described below. After the substrate is thermally oxidized to form an oxide film on the entire surface, a photoresist is coated, and a portion where phosphorus is diffused is opened by photolithography. The oxide film is patterned by etching with hydrofluoric acid using the resist as a mask. After removing the resist with hot sulfuric acid, phosphorus is doped using POCl 3 as a diffusion source using the oxide film as a mask to form an n-type semiconductor region (lower n-type semiconductor electrode 63). Next, after removing the oxide film with hydrofluoric acid, a nitride film is formed by low pressure CVD. The steps until the polysilicon film is formed are the same as the manufacturing method shown in the first embodiment. However, since the nitride film 65 is left as an insulating film, polysilicon is formed without removing the nitride film 65. After a resist is coated on the polysilicon layer to pattern a region where the upper n-type semiconductor electrode 64 is formed, phosphorus is doped by ion implantation. After removing the resist, coating the resist again and patterning, a pump shape is formed by dry etching. Further, resist patterning was performed to form a hole in the nitride film for making contact with the semiconductor electrode on the substrate side. Next, aluminum wiring 66 was formed by the lift-off method. Finally, the oxide film was removed with hydrofluoric acid to form a valve.
【００２９】センサー付き吸入側バルブでマイクロポン
プを構成し、Ｎ2ガスを流して試験したところ、流量によ
って下部ｎ型半導体電極６３と上部ｎ型半導体電極６４
の間の静電容量が変化することが確かめられた。A micropump was constructed with a suction side valve with a sensor, and a test was conducted by flowing N 2 gas. According to the flow rate, the lower n-type semiconductor electrode 63 and the upper n-type semiconductor electrode 64 were formed.
It was confirmed that the capacitance between the two changes.
【００３０】[0030]
【発明の効果】本発明により、０．０１ｍｍ3 ／ｍｉｎ
の微少流量の制御を可能とすることができる。また、基
板片面のみの加工で製造できるので、半導体製造で用い
られている基板材料を使用し半導体製造ラインをそのま
ま転用することでき、制御回路との同時形成も可能であ
ることから、集積化が容易であり、従来の半導体製造装
置での大量生産を可能にできる効果がある。According to the present invention, 0.01 mm 3 / min
It is possible to control the minute flow rate. In addition, since it can be manufactured by processing only one side of the substrate, it is possible to use the substrate material used in semiconductor manufacturing, to divert the semiconductor manufacturing line as it is, and since it is possible to form it simultaneously with the control circuit, integration is possible. It is easy and has the effect of enabling mass production with conventional semiconductor manufacturing equipment.
【図１】本発明の一実施例であるバルブ構造を示す上面
図及び断面図である。FIG. 1 is a top view and a cross-sectional view showing a valve structure which is an embodiment of the present invention.
【図２】本発明のマイクロバルブ製造方法を示すプロセ
ス断面図である。FIG. 2 is a process sectional view showing a method for manufacturing a microvalve of the present invention.
【図３】本発明のマイクロポンプの構造図である。FIG. 3 is a structural diagram of a micropump of the present invention.
【図４】本発明によるところの吐出側バルブへの予圧付
与を説明するプロセス断面図である。FIG. 4 is a process sectional view for explaining preload application to the discharge side valve according to the present invention.
【図５】本発明によるところのシール部の周囲を中央部
より高く形成する方法を説明するための断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a method of forming the periphery of the seal portion higher than the central portion according to the present invention.
【図６】本発明によるところの流量センサー機能を有す
るマイクロバルブの断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of a microvalve having a flow sensor function according to the present invention.
【図７】従来のマイクロポンプの構造を示す断面図であ
る。FIG. 7 is a sectional view showing the structure of a conventional micropump.
１１ ポリシリコン １２ シール部 １３ 変位部 １４ 固定部 １５ シリコン基板 ２１ シリコン基板 ２２ 窒化膜 ２３ 酸化膜 ２４ ポリシリコン ３１ シリコン基板 ３２ ポリシリコン ３３ ガラス ３４ 圧電素子 ３５ ポリシリコン層 ３６ ＰＳＧ ４１ シリコン基板 ４２ 窒化膜 ４３ 酸化膜 ４４ ポリシリコン ５１ 酸化膜 ５２ 窒化膜 ５３ シリコン基板 ５４ ポリシリコン ５５ ガラス基板 ６１ シリコン基板 ６２ ポリシリコン ６３ 下部ｎ型半導体電極 ６４ 上部ｎ型半導体電極 ６５ 窒化膜 ６６ アルミ配線 ７１ シリコン基板 ７２ ガラス基板 ７３ 圧電素子 11 Polysilicon 12 Seal part 13 Displacement part 14 Fixed part 15 Silicon substrate 21 Silicon substrate 22 Nitride film 23 Oxide film 24 Polysilicon 31 Silicon substrate 32 Polysilicon 33 glass 34 Piezoelectric element 35 Polysilicon layer 36 PSG 41 Silicon substrate 42 Nitride film 43 Oxide film 44 Polysilicon 51 oxide film 52 Nitride film 53 Silicon substrate 54 Polysilicon 55 glass substrate 61 Silicon substrate 62 Polysilicon 63 Lower n-type semiconductor electrode 64 upper n-type semiconductor electrode 65 Nitride film 66 aluminum wiring 71 Silicon substrate 72 glass substrate 73 Piezoelectric element
Claims (5)
シール部、変位部、固定部を有するマイクロバルブにお
いて、流体が通過するための貫通孔がシール部に形成さ
れる吐出側バルブと、該貫通孔が変位部に形成される吸
入側バルブと前記吐出側バルブ及び吸入側バルブのシー
ル部と接してバルブ機能をもたらすもう一つの基板を備
えることを特徴とするマイクロポンプ。1. A thin film formed on a Si substrate,
In a microvalve having a seal portion, a displacement portion, and a fixed portion, a discharge side valve in which a through hole for passage of fluid is formed in a seal portion, a suction side valve in which the through hole is formed in a displacement portion, and the discharge A micropump, comprising: another substrate that comes into contact with the seal portions of the side valve and the suction side valve to provide a valve function.
ストパターンを形成し、フォトレジストをマスクとして
窒化膜の一部をエッチングする工程と、 ｃ）前記窒化膜をマスクとして、選択的熱酸化により酸
化膜を形成する工程と、 ｄ）前記窒化膜エッチング、選択的熱酸化を１回あるい
は数回繰り返した後、前記基板上に金属またはポリシリ
コンの薄膜を形成し、前記薄膜をパターニングする工程
と、 ｅ）前記酸化膜を除去する工程とによって、ダイヤフラ
ム構造を形成することを特徴とするマイクロバルブの製
造方法。2. A step of: forming a nitride film on the substrate; and b) forming a resist pattern on the nitride film by a photolithography technique and etching a part of the nitride film using the photoresist as a mask. , C) a step of forming an oxide film by selective thermal oxidation using the nitride film as a mask, and d) repeating the etching of the nitride film and selective thermal oxidation once or several times, and then a metal or A method of manufacturing a microvalve, comprising forming a diaphragm structure by forming a thin film of polysilicon and patterning the thin film, and e) removing the oxide film.
部の位置を前記基板と前記もう一つの基板の接合面より
前記もう一つの基板側に突出して形成し、バルブに予圧
を与えたことを特徴とする請求項１記載のマイクロポン
プ。3. A preload is applied to the valve by forming the positions of the seal portions of the discharge side valve and the suction side valve so as to project from the joining surface of the substrate and the other substrate to the side of the other substrate. The micropump according to claim 1, which is characterized in that.
囲を中央部より高く形成したことを特徴とする請求項１
記載のマイクロポンプ。4. The periphery of the seal portion of the discharge side valve and the suction side valve is formed higher than the central portion.
The described micropump.
導体電極とマイクロバルブを構成する前記Ｓｉ基板上に
形成された金属又はポリシリコンとの間の静電容量の変
化を流量の変化として検出する流量センサーを備えるこ
とを特徴とするマイクロポンプ。5. A change in capacitance between a semiconductor electrode formed by doping an Si substrate with impurities and a metal or polysilicon formed on the Si substrate forming a microvalve is detected as a change in flow rate. A micropump having a flow sensor.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15030691A JPH051669A (en) | 1991-06-21 | 1991-06-21 | Manufacture of micro-pump and micro-valve |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15030691A JPH051669A (en) | 1991-06-21 | 1991-06-21 | Manufacture of micro-pump and micro-valve |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH051669A true JPH051669A (en) | 1993-01-08 |
Family
ID=15494127
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15030691A Pending JPH051669A (en) | 1991-06-21 | 1991-06-21 | Manufacture of micro-pump and micro-valve |
Country Status (1)
| Country | Link |
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