JPH05272457A - マイクロポンプおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 マイクロマシンの作業および流体駆動源とし
て用いることのできる断面積が５ｍｍ^２以下の極小さな
マイクロポンプおよびその製造方法と提供することであ
る。 【構成】 櫛歯状固定電極，流体室、該流体室内に形成
されたピストン、該ピストンと一体に形成された櫛歯状
可動電極、該ピストンと該ピストンと該櫛歯状可動電極
に接地電位を与える導電性フィルムおよび逆流防止弁よ
りなり、駆動源が一体化していることを特徴とするマイ
クロポンプおよびその製造方法により上記諸目的は達成
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マイクロポンプおよび
その製造方法に関する。詳しく述べると、マイクロマシ
ンの作業モジュール本体や、モジュールの機能として持
ち合わせる種々のアクチュエータ、センサ等の機械的運
動を可能にするための駆動源となるマイクロポンプある
いは、微少量の流体の制御をするマイクロポンプおよび
その製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、医用やその他の産業分野等で用い
るマイクロマシンの研究開発が盛んに行われている。マ
イクロマシンは、機能的には、作業モジュール本体およ
びそれに付属している物を挟んだり持ち上げたり、ま
た、各種のセンサー等を取り付け移動する等、通常、産
業分野で用いられている色々な機能を持つ機器類と同じ
であるが、その大きさは、全体で０．１〜１０ｍｍ程度
と極小さいものであり、現状の各種機器等を単に小さく
しただけでは成り立たないものである。

【０００３】この様なマイクロマシンが実用的に働くた
めには、信頼性の高い駆動源が不可欠であり、多くの方
式の提案がなされている。これらは、マイクロマシンの
作業モジュール本体や、モジュールの機能として持ち合
わせる種々のアクチュエータ、センサ等の機械的運動を
可能にするもので、また、作業内容によっては作業箇所
にガスや水、薬液等を送流しなければならないし、作業
環境で本体もしくは作業ユニットをしっかりと固定する
ことも考えなければならない。

【０００４】この駆動源を考える際に、広く産業分野に
視点を向けると、ジャッキやリフト等流体を用いたもの
が非常に多い。これは、比較的簡単な構造で、大きな力
を得ることが可能で、耐久性、信頼性等も高いからであ
る。特に速さはさほど求められないが、確実で大きな駆
動力を必要とする場合には、流体の圧力を利用した方法
が有効である。このように流体の利用をマイクロマシン
の駆動源として考えた場合、流体を吐出させたり、吸引
したりするポンプが必要となる。

【０００５】従来、マイクロポンプとしてその動作が確
認されているものとしては、「集積化化学分析システム
用マイクロポンプの試作」（電子情報通信学会論文誌
ＣVol.J17-C No.12 pp.1705 〜1711 1982 年12月）に開
示されているものがある。このマイクロポンプ１０１
は、半導体素子の製造に用いられている微細加工技術に
より製造され、その構造は、図１１に示すように、二つ
の逆流防止弁１０２ａおよび１０２ｂを形成したシリコ
ン基板１０３ａと、圧力室１０４、可動ダイヤフラム１
０５およびメサ１０６を形成したシリコン基板１０３ｂ
を張合わせたポンプ本体と、このポンプ本体のメサ１０
６上に固定された積層型ピエゾアクチュエータ１０７
（２ｍｍ×３ｍｍ×９ｍｍ）からなり、該アクチュエー
タ１０７に電圧信号１０８を印加し、発生する力でメサ
１０６を押し、ダイヤフラム１０５を変形させる。この
時、逆流防止弁１０２ａは閉じ、１０２ｂが開いて、イ
ンレット１０９より流体が流入し、アウトレット１１０
より吐出することにより送液を行うものである。

【０００６】上述の従来のマイクロポンプの動作原理
は、一般産業用のポンプの一種である容積変化型のダイ
ヤフラムポンプであり、その大きさが１０ｍｍ×１０ｍ
ｍ×８ｍｍ程度のもので、マイクロマシンに適応する大
きさとして求められている断面積が１〜５ｍｍ^２、全体
として１ｍｍ×２ｍｍ×４ｍｍ程度のものが実現してい
るとはいい難い。

【０００７】これは、一般産業用のポンプの動作原理を
そのままマイクロポンプに適応した場合に、機構部の微
小化に伴って相対的に大きくなる流体の粘性抵抗、摺動
部の摩擦抵抗の増大等の問題が生ずるため、また、十分
に小型でかつダイアフラムの駆動（変形）に必要な力を
発生する適当な駆動源がないためである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の目的
は、マイクロマシンの作業および流体駆動源として用い
ることのできる全体として１ｍｍ×２ｍｍ×４ｍｍ程度
の極小さなマイクロポンプおよびその製造方法を提供す
ることである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記諸目的は、固定電極
となるシリンダ、該シリンダ内に形成された可動電極と
なるピストン、該ピストンを支持する導電性サポートお
よび逆流防止弁よりなり、駆動源が一体化していること
を特徴とするマイクロポンプにより達成される。

【００１０】また、上記諸目的は、流体を押圧するピス
トン、該ピストンと一体形成された可動電極、該ピスト
ンを収めるシリンダ、該ピストン並びに該可動電極を接
地する導電性フィルムおよび逆流防止弁からなり、駆動
源が一体化しかつピストンの両端面で流体を押圧するこ
とを特徴とするマイクロポンプにより達成される。

【００１１】さらに、上記諸目的は、基板中に固定電極
となるシリンダ、該シリンダ内に可動電極となるピスト
ンおよび該ピストンを支持する導電性サポートを形成す
る工程と、他の基板に逆流防止弁を形成する工程と、前
記固定電極となるシリンダ、該シリンダ内に可動電極と
なるピストンおよび該ピストンを支持する導電性サポー
トを形成した基板と逆流防止弁を形成した基板を積層す
る工程よりなることを特徴とするマイクロポンプの製造
方法により達成される。

【００１２】また、上記諸目的は、基板中に流体を押圧
するピストン、該ピストンと一体形成された可動電極、
該ピストンを収めるシリンダおよび該ピストンを接地す
る導電性フィルムを形成する工程と、他の基板に逆流防
止弁を形成する工程と、前記ピストン、可動電極、シリ
ンダおよび前記導電性フィルムを形成した基板と逆流防
止弁を形成した基板を積層する工程からなることを特徴
とする前記項に記載のマイクロポンプの製造方法により
達成される。

【００１３】また、本発明で用いられる基板は、例えば
ガラス基板や半導体基板、好ましくはシリコン基板であ
る。

【００１４】

【作用】本発明のマイクロポンプは、基本的には、リニ
アアクチュエータを用いた容量変化型ポンプであり、往
復運動するピストンがシリンダ内の容積を変えて送流を
行い、逆流防止弁が流体の流れ方向を制限し、一定方向
への吸引と吐出を行うものである。

【００１５】通常、この種のポンプでは、シリンダ部
と、動力源に連結してシリンダ内を運動させ圧縮比を得
るピストンよりなるが、本発明においては、このピスト
ンを可動電極とし、シリンダを固定電極とすることによ
り、この可動電極および固定電極に交流を印加すること
により静電引力によって可動電極であるピストンを動か
すものである。

【００１６】これによって、本発明のマイクロポンプ
は、ポンプの駆動源とポンプ本体とが一体化しているた
め、ポンプ本体の駆動源を別に必要とすることなく、極
小さなポンプを得ることが可能となり、また、ポンプ自
身が駆動源を兼ねてポンプのピストンを直接動かすこと
で、駆動力の伝達損失を抑えることができ、より小さな
駆動力により動作させることが可能となる。

【００１７】つぎに、本発明のマイクロポンプの構成な
らびに動作原理について説明する。

【００１８】本発明のマイクロポンプは、図１および図
２に示すように、半導体基板１および２、半導体基板２
に形成された逆流防止弁３ａおよび３ｂ、ピストン電極
４、ピストン電極４を支持しかつ電力を供給する導電性
サポート５よりなり、半導体基板１にはシリンダ固定電
極となる拡散層領域６が形成されている。

【００１９】図３および図４に示すマイクロポンプの実
施例では、図４に示すようにシリコン基板１２の一部、
すなわち、ピストン１４と一体になった可動電極１９お
よび固定電極１６を覆う部分を３０〜８０μｍ、例えば
約５０μｍの深さで凹形に形成することで、ピストンの
移動により空間１７，１８内が陰圧あるいは陽圧になる
ことを防止している。

【００２０】また、可動電極１９の櫛歯の数は１１本
（図３では作図の簡単のため４本のみ描いてある）設け
た。可動電極１９と固定電極１６の間隔２０は０．２〜
２μｍ、例えば約１μｍで形成し、外部から導電性サポ
ート１５につながる拡散端子２１と固定電極１６の間に
ピーク電圧１００Ｖの方形波電圧を印加してマイクロポ
ンプを駆動した。

【００２１】導電性サポート１５は図３に示すように、
ピストン１４の移動により１〜１０μｍ、例えば約５μ
ｍたわんだときに静電引力と釣り合う大きさの弾性力が
得られるよう、長さ７２０〜９００μｍ、例えば約８５
０μｍ、高さ３０〜８０μｍ、例えば約５０μｍ、厚さ
７〜２０μｍ、例えば約１０μｍで形成してある。本実
施例ではピストン１４と可動電極１９をつなぐ部分の幅
を細くし、導電性サポート１５の十分な長さを確保でき
るようにした。

【００２２】また、本実施例のマイクロポンプでは、逆
流防止弁１３ａ，１３ｂの順方向コンダクタンスに比べ
てピストン１４とシリンダ２２との間のコンダクタンス
を十分小さくするため、シール部の長さＫをピストンの
ストロークよりも大きくしてある。このコンダクタンス
の違いにより、ピストンの移動で流体室２３の容積が変
化すると逆流防止弁１３ａ，１３ｂから流体を吐出ある
いは吸引することができる。

【００２３】本実施例のマイクロポンプの大きさは、１
×２×２ｍｍ^３であり、完成したマイクロポンプの吐出
圧力は４ｇｆ／ｃｍ^２、流量は０．１μリットル／ｍｉ
ｎである。

【００２４】また、図５および図６は本発明のマイクロ
ポンプのさらに他の実施態様を示すもので、半導体基板
３１および３２、半導体基板３２に形成された逆止弁３
３ａ，３３ｂ，３３ｃおよび３３ｄ，ピストン３４，ピ
ストン３４に電圧を印加する導電性フィルム３５よりな
り、半導体基板３１には櫛歯状の固定電極となる拡散層
領域３６ａおよび拡散層領域３６ｂが形成されている。
なお、可動電極３９ａ，３９ｂとピストン３４は一体に
形成されており、可動電極３９ａ，３９ｂは固定電極と
相嵌するように櫛歯状に形成されている。

【００２５】また、図５および図６に示すマイクロポン
プは、ピストン３４が前進および後退のどちらの動作の
時にも送液される構造になっている。ここで、導電性フ
ィルム３５、ピストン３４および可動電極３９ａ，３９
ｂは常に接地電位である。可動電極３９ｂと拡散層領域
３６ｂとの間に電圧が印加されている時は拡散層領域３
６ａは接地電位にあり、可動電極３９ｂと拡散層領域３
６ｂとの間に生じる静電引力によって可動電極と一体に
形成されたピストン３４が拡散層領域３６ｂ側に引き付
けられる。このとき、吸引側逆止弁３３ｂより流体が作
動室３８ａに流入する一方、流体室３８ｂから吐出側逆
止弁３３ｃを通って吐出される。次の期間に拡散層領域
３６ａと可動電極３９ａとの間に電圧が印加され、拡散
層領域３６ｂは接地される。このとき可動電極３９ａは
拡散層領域３６ａの側に引き寄せられる。このため、作
動室３８ａ内の流体が吐出側逆止弁３３ａから吐出さ
れ、作動室３８ｂには吸引側逆止弁３３ｄを通して流体
が流れ込む。この動作を繰り返すことによって、ポンプ
として働くものである。なお、この構造のポンプは図１
および図２に示すポンプと異なり、ピストンの駆動に導
電性サポートの弾性力は用いていない。このため、導電
性フィルムはピストンの動きを妨げないよう十分柔軟に
作製されている。

【００２６】このような構造にすることにより、ピスト
ンが前進および後退どちらの動作にあるときも送流作用
が働くため、図１および図２のマイクロポンプに比べて
脈流を小さくする効果がある。

【００２７】また、図５および図６に示すマイクロポン
プにおいても、静電引力を効率よく発生させるため、可
動電極３９ａ，３９ｂは拡散層領域３６ａ，３６ｂと組
手状に相嵌させ、さらに組手の長さＬはピストンのスト
ロークよりも長い方がより好ましい。

【００２８】ここで、ピストン電極９，１９，３９の櫛
歯の数をｎとすると、ピストン電極と固定電極である拡
散層領域６，１６，３６との間の静電容量Ｃは、つぎの
数式１で表わされる。

【００２９】

【数１】

【００３０】両極間に電圧Ｖを印加したときに蓄えられ
る静電エネルギーＵは、つぎの数式２のとおりである。

【００３１】

【数２】

【００３２】このため、静電引力の大きさＦは、下記の
数式３で表わされる。

【００３３】

【数３】

【００３４】すなわち、櫛歯の数ｎ、ピストン電極の厚
さｈおよび印加電圧を適当に設定することにより必要な
静電引力を得ることができる。

【００３５】一方、導電性サポート５，１５は、ピスト
ン電極９，１９が変位ｖだけ移動したとき、同じくｖだ
けたわむ。導電性サポートは２本あるから、導電性サポ
ートの弾性力Ｗは、つぎの数式４のごとくなるようにす
ればよい。

【００３６】

【数４】

【００３７】ところで、弾性力Ｗは、変位をｖとして、
つぎの数式５のとおり表わされる。

【００３８】

【数５】

【００３９】上記の数式で表わされるから、導電性サポ
ートの材質、長さおよび断面積を適当に選ぶことにより
必要とする弾性力を得ることができる。

【００４０】本発明のマイクロポンプの大きさは、断面
積で１〜５ｍｍ^２、全体で幅１〜４ｍｍ、長さ（ピスト
ンの移動方向）２〜４ｍｍ、高さ（厚み）０．５〜１ｍ
ｍ程度のものであり、流体の流量は、０．１〜１マイク
ロリットル／ｍｉｎ程度である。また、ピストン４，１
４，３４のストロークは、１〜１０μｍ程度、好ましく
は、１〜５μｍ程度である。これは、導電性サポート
５，１５または導電性フィルム３５の材質によっても異
なるが、ストロークが長すぎるとサポート５，１５また
はフィルム３５に破断が生じるためである。

【００４１】本発明のマイクロポンプの動作は、基板
１，１１のシリンダ固定電極である拡散層領域６，１６
とピストン電極９，１９との間に交流電圧を印加するこ
とにより、ピストン電極９，１９が拡散層６，１６の側
に静電引力により引っ張られ吸引側逆流防止弁３ｂ，１
３ｂより流体が作動室内に流入する。そして、印加した
交流電圧を切ることにより、ピストン４，１４が移動し
たことにより変形した（伸びた）導電性サポート５，１
５が元に戻ろうとする力により、ピストン４，１４が移
動し、作動室内の流体をピストンが吐出側逆流防止弁３
ａ，１３ａより流出させる。この動作を繰り返すことに
よって、ポンプとして働くものである。

【００４２】また、図５〜図６に示す本発明のマイクロ
ポンプの動作は、基板３１のシリンダ固定電極である拡
散層領域３６ａとピストン電極３４との間に交流電圧を
印加することにより、ピストン電極３９ａが拡散層領域
３６ａの側に静電引力により引っ張られると、吸引側逆
流防止弁３３ｄより流体が作動室３８ｂ内に流入すると
共に、作動室３８ａ内の流体が吐出側逆流防止弁３３ａ
から流出されるものである。

【００４３】次に、拡散層領域３６ａを接地電位とし、
拡散層領域３６ｂとピストン電極３９ｂとの間に交流電
圧を印加することにより、ピストン電極３９ｂが拡散層
領域３６ｂの側に静電引力により引っ張られると、吸引
側逆止弁３３ｂより流体が作動室３８ａ内に流入すると
共に、作動室３８ｂ内の流体が吐出側逆流防止弁３３ｃ
から流出されるものである。

【００４４】本発明のマイクロポンプは、通常の半導体
素子の製造工程で用いられている微細加工技術を一部応
用することにより製造することができる。

【００４５】例えば、図１および図２に示すマイクロポ
ンプは、まず、ピストン部分を形成する。図７Ａに示す
ように、基板５１上にマスク材を全面に形成する。この
マスク材は、以後の工程で、基板５１にピストン可動領
域を形成するために用いるもので、例えば、シリコン酸
化膜、シリコン窒化膜およびシリコン酸化膜５２とシリ
コン窒化膜５３を積層したもの等である。このマスク材
の上にホトレジスト５４によりパターンニングを行い、
マスク材を図７Ｂに示すように、エッチングする。 次
に、図７Ｂに示すように、例えば、反応性イオンエッチ
ング（ＲＩＥ）やウエットエッチング等、好ましくは、
寸法精度の点からＲＩＥにより、基板５１をエッチング
する。エッチングする深さは、５〜１００μｍ程度、好
ましくは３０〜８０μｍ程度である。

【００４６】次に、図７Ｄに示すように、例えば、ＣＶ
Ｄ法等によりシリコン酸化膜５５を厚さ０．１〜１μｍ
程度成膜し、次で、このシリコン酸化膜上にポリシリコ
ン５６を、例えば、ＣＶＤ法等により５〜１００μｍ程
度成膜する。ポリシリコンの膜厚は基板５１のエッチン
グ深さに応じて決定する。ここで、シリコン酸化膜５５
は、この上にピストンとなるポリシリコンを形成するた
めでのもので、後に基板とポリシリコンの間のシリコン
酸化膜５５も除去する必要があるため、その厚みはあま
り薄すぎると完全に除去することが出来ず不都合であ
る。また、ポリシリコンの厚みは、基板の堀込みよりわ
ずかに薄い程度、例えば、基板の堀込みに対して１〜３
μｍ程度薄くするのが好ましい。

【００４７】次に、ホトリソグラフィー工程でレジスト
塗布、パターンニングを行い、図７Ｅに示すように、ポ
リシリコンを好ましくはＲＩＥによりエッチングしてピ
ストンを形成する。そして、ピストンを覆うように、ホ
トリソグラフィーにより、レジスト５７塗布、パターン
ニングを行う。この時、基板に形成したピストン可動部
分の堀込みの側面にある酸化膜が露出するようにレジス
ト５７をパターンニングし、基板５１の側面のシリコン
酸化膜をＣＤＥ等の等方性エッチングにより除去し堀込
み側面のシリコンを露出させる。これは、以後に形成す
るピストンを支持する導電性サポートの端を基板と固着
させ、かつ充分に可動することを可能にするためであ
る。

【００４８】次に、図７Ｆに示すように、シリコン基板
上のマスク材５２，５３を選択的に除去し、シリコン基
板の性質に応じて基板上およびピストンに砒素、リンま
たはボロン等を熱拡散することにより電極となる部分の
拡散層５９を形成する。

【００４９】次に、図７Ｇに示すように導電性サポート
５８を形成する。これは、例えばニッケル，銅等の金属
を蒸着法またはスパッタリング法により厚さ０．１〜１
μｍ成膜し、ホトリソグラフィーによりパターンニング
を行なう。いったん、レジストを除去した後、ピストン
と同程度の厚さになるようにレジストを塗布し、先に形
成した導電性サポートパターンが露出するようレジスト
をパターンニングする。この後、レジストで形成したパ
ターンを型枠として用い、先に形成した導電性サポート
のパータンを下地としてニッケルあるいは銅等の金属を
メッキ成長させることにより導電性サポートが形成され
る。

【００５０】次に、図７Ｈに示すように基板全体をフッ
化水素酸水溶液、好ましくは高濃度のフッ酸に浸漬して
マスク材５２，５３を除去し表面を平坦化すると共に、
ピストンと基板間のシリコン酸化膜２５を除去する。こ
れによって、ピストンが可動するようになり、ピストン
の形成を終了する。

【００５１】図５および図６に示すマイクロポンプは、
ピストン部と櫛歯状電極を同時に一体形成する。図８Ａ
〜８Ｇは、図５の６−６線に沿った断面を、また図９Ａ
〜９Ｃは図５の９−９線に沿った断面を表わす。

【００５２】図８Ａに示すように、シリコン基板３１上
にマスク材を全面に形成する。このマスク材は、以後の
工程で基板３１にピストンおよび櫛歯状電極の可動領域
を形成するために用いるもので、例えば、シリコン酸化
膜、シリコン窒化膜およびシリコン酸化膜４２とシリコ
ン窒化膜４３を積層したもの等である。このマスク材の
上にホトレジスト４４によりパターンニングを行ない、
マスク材を図８Ｂに示すようにエッチングする。

【００５３】次に、図８Ｃに示すように、例えば、反応
性イオンエッチング（ＲＩＥ）やウェットエッチング
等、好ましくは寸法精度の点からＲＩＥにより、基板３
１ををエッチングする。エッチングする深さは、５〜１
００μｍ程度、好ましくは３０〜８０μｍ程度である。

【００５４】次に、図８Ｄに示すように、例えばＣＶＤ
法等によりシリコン酸化膜４５を厚さ０．１〜１μｍ程
度成膜し、次いでこのシリコン酸化膜上にポリシリコン
４６を、例えばＣＶＤ法等により５〜１００μｍ程度成
膜する。ここで、ポリシリコンの成膜時に不純物を導入
し、ポリシリコンに導電性を付与させておく。ポリシリ
コンの膜厚は基板３１のエッチング深さに応じて決定す
る。シリコン酸化膜４５は、この上にピストンおよび可
動電極となるポリシリコンを形成するためのもので、後
に基板とポリシリコンの間のシリコン酸化膜４５も除去
する必要があるため、その厚さはあまり薄すぎると完全
に除去することが出来ず不都合である。また、ポリシリ
コンの厚さは、基板の堀込みよりわずかに薄い程度、例
えば、基板の堀込みに対して１〜３μｍ程度薄くするの
が好ましい。

【００５５】次に、図８Ｅに示すように、ホトリソグラ
フィー工程でレジスト４７を塗布し、パターンニングを
行い、ポリシリコンを好ましくはＲＩＥによりエッチン
グしてピストンおよび可動電極を形成する。

【００５６】さらに、図８Ｆに示すように、ピストンと
可動電極をつなぐ部分だけが露出するようにレジスト４
８を塗布し、パターンニングを行ない、好ましくはＲＩ
Ｅによりポリシリコンを、例えば１５〜４０μｍだけエ
ッチングする。

【００５７】次に、図８Ｇに示すように、基板に形成し
たピストン可動部分を堀込み側面にある酸化膜が露出す
るようにレジスト４９をパターンニングし、この側面の
シリコン酸化膜をＣＤＥ等の等方性エッチングにより除
去し、堀込み側面のシリコンを露出させる。これは、以
後に形成するピストンを支持する導電性サポートの端を
基板と固着させ、かつ十分に可動することを可能にする
ためである。

【００５８】次に、図９Ａに示すように、シリコン基板
３１上のマスク材４２，４３を選択的に除去し、シリコ
ン基板３１の性質（ｎ型、ｐ型）に応じて基板上に砒
素、リンまたはボロン等を熱拡散することにより電極と
なる部分の拡散層４１を形成する。

【００５９】次に、図９Ｂに示すように導電性フィルム
３５を形成する。これは、例えばニッケル，銅等の金属
を蒸着法またはスパッタリング法により厚さ０．１〜１
μｍ成膜し、ホトリソグラフィーによりパターンニング
を行なう。いったん、レジストを除去した後、ピストン
と同程度以上の厚さになるようにレジストを塗布し、先
に形成した導電性フィルムパターンが露出するようにレ
ジストをパターンニングする。この後、レジストで形成
したパターンを型枠として用い、先に形成した導電性フ
ィルムのパターンを下地としてニッケルあるいは銅等の
金属をメッキ成長させることにより導電性フィルム３５
が形成される。

【００６０】次に、図９Ｃに示すように、基板全体をフ
ッ化水素水溶液、好ましくは高濃度のフッ酸に浸漬し
て、マスク材４２，４３を除去し表面を平坦化すると共
に、ピストン、可動電極４６と基板３１との間のシリコ
ン酸化膜４５を除去する。これによってピストンおよび
可動電極が可動するようになり、ピストンおよび可動電
極の形成を終了する。

【００６１】次に、別の基板を用いて逆流防止弁の作製
する。

【００６２】まず、図１０Ａに示すように、両面をミラ
ーポリッシュ仕上げした厚さ１００〜４００μｍ、好ま
しくは１００〜２００μｍの基板４１の両面にシリコン
酸化膜４２を成膜し、以後の工程で弁を形成する部分お
よび弁の腕を基板に固定する部分のシリコン酸化膜をホ
トリソグラフィーによりパターンニングして除去する。
ここで、基板の厚さは、薄いほうが以下に説明する貫通
孔を形成するのに適しているが、工程中で破損しやすく
なるため適度な厚さが必要である。

【００６３】次に、図１０Ｂに示すように、ＰＳＧ膜６
１等を成膜する。このＰＳＧ膜６１は、弁の下部の段差
を出すためのもので厚さは約０．１〜１μｍ程度であ
る。弁の腕を基板に固定する部分のＰＳＧ膜６１をホト
リソグラフィーによりパターンニングして除去する。

【００６４】次に、図１０Ｃに示すように、ポリシリコ
ン膜６２をＣＶＤ法等により厚さ４〜１８μｍ程度成膜
して、ホトリソグラフィーによりパターンニングし、Ｒ
ＩＥまたはＣＤＥエッチングして、弁体と弁の固定部分
を形成する。

【００６５】次に、図１０Ｄに示すように、ポリシリコ
ン膜６３をＣＶＤ法等により厚さ２〜４μｍ程度成膜し
て、ホトリソグラフィーによりパターンニングし、ＲＩ
ＥまたはＣＤＥエッチングして、弁の腕の部分を形成す
る。

【００６６】次に、図１０Ｅに示すように、流路形成の
ために、表面（上述の弁部分の形成をした面）および裏
面にシリコン酸化膜およびシリコン窒化膜を形成しマス
ク材６４とする。そして、裏面の流路となる部分のシリ
コン酸化膜４２およびシリコン窒化膜６４を除去して、
異方性エッチングを行って、貫通孔を開ける。この異方
性エッチングは、ＲＩＥ等のドライエッチングでもよい
が、好ましくは、３５重量％程度の水酸化カリウム溶液
を用いて、ウェットエッチングするのがよい。これは、
水酸化カリウム溶液を用い、基板が（１００）単結晶シ
リコンの場合には図に示すような適度な斜め形状のロー
ト状の流路が形成されるためである。

【００６７】最後に、図１０Ｆに示すように、高濃度の
フッ酸に基板全体を浸漬して、シリコン酸化膜４２、Ｐ
ＳＧ膜６１およびシリコン酸化膜と窒化膜６４をすべて
除去し、逆流防止弁の形成工程を終了する。なお、図５
および図６に示すマイクロポンプは、同様の弁を片面に
２個ずつ形成してなるものである。

【００６８】以上の逆流防止弁を作製する工程は、従来
技術（例えば、電子情報通信学会誌Ｃ．Ｖｏｌ Ｊ１７
−Ｃ，Ｎｏ１２，ｐｐ１７０５〜１７７１１，１９８２
年１２月）と同様である。

【００６９】上述のようにしてピストンと弁を形成した
それぞれの基板を図１〜図６のように積層して張り合わ
せてマイクロポンプを完成する。この張り合わせは、例
えば、基板１，１１，３１の下面に低融点ガラスをスパ
ッタ成膜し、基板１，１１，３１および基板２，１２，
３２を積層して位置合わせした後、１５０〜１７０℃に
加熱した状態で１００Ｖ程度の直流電圧を印加して陽極
接合することで行うことができる。

【００７０】ここで、基板１，１１，３１および２，１
２，３２は、半導体素子等を製造するための微細加工技
術により加工することが可能な材料であればよく、例え
ば、シリコン基板、ガリウム−砒素基板等で、加工性や
経済性等から一般の半導体素子に用いられているシリコ
ン基板が好ましい。

【００７１】

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。なお、以下の実施例は本発明を説明するためのもの
で、本発明がこれに限定されるものではない。

【００７２】ピストン部分の形成 まず、図７Ａに示すように、ｎ型シリコン基板５１上の
全面に熱酸化法でシリコン酸化膜５２を０．１μｍ形成
し、その上に積層となるようにシリコン窒化膜５３を
０．２５μｍＬＰＣＶＤ装置により形成する。この上に
ホトレジスト５４を塗布し、パターンニングを行いシリ
コン酸化膜５２およびシリコン窒化膜５３を図７Ｂに示
すように、エッチングする。

【００７３】次に、図７Ｃに示すように、ＲＩＥによ
り、シリコン基板５１をエッチングする。エッチングす
る深さは、５５μｍ程度である。

【００７４】次に、図７Ｄに示すように、ＬＰＣＶＤに
よりシリコン酸化膜５５を厚さ０．８μｍ程度成膜し、
次で、このシリコン酸化膜５５上にポリシリコン５６
を、常圧ＣＶＤにより５５μｍ程度成膜する。

【００７５】次に、図７Ｅに示すように、ホトリソグラ
フィー工程で、レジストを塗布し、パターンニングを行
ない、ポリシリコンをＲＩＥによりエッチングしてピス
トンを形成する。そして、ピストンを覆うように、ホト
リソグラフィーにより、レジスト５７を塗布し、パター
ンニングを行い、ＣＤＥにより基板５１の堀込み側面の
シリコン酸化膜を除去しシリコンを露出させる。

【００７６】次に、図７Ｆに示すように、シリコン基板
上のマスク材５２，５３を選択的に除去し、基板上およ
びピストンにボロンを熱拡散することにより電極となる
部分の拡散層５９を形成する。

【００７７】次に、図７Ｇに示すように導電性サポート
５８を形成する。これの形成には、まず銅をスパッタリ
ング法により厚さ０．１〜１μｍ成膜し、フォトリソグ
ラフフィーによりパターンニングを行なう。いったん、
レジストを除去した後、６０μｍの厚さになるようにレ
ジストを塗布し、先に形成した導電性サポートパターン
が露出するようレジストをパターンニングする。この
後、レジストで形成したパターンを型枠として用い、先
に形成した導電性サポートのパターンを下地として銅を
５５μｍメッキ成長させることにより導電性サポートが
形成される。

【００７８】次に、図７Ｈに示すように基板全体をフッ
化水素酸水溶液、好ましくは高濃度のフッ酸に浸漬して
マスク材５２，５３を除去し表面を平坦化すると共に、
ピストンと基板間のシリコン酸化膜５５を除去する。こ
れによって、ピストンが可動するようになり、ピストン
の形成を終了する。

【００７９】また、本発明のもう一つの実施例によれ
ば、まず図８Ａに示すようにｎ型シリコン基板３１上の
全面に熱酸化法でシリコン酸化膜４２を０．１μｍ形成
し、その上に積層となるようにシリコン窒化膜４３を
０．２５μｍＬＰＣＶＤにより成膜する。この上にホト
レジスト４４を塗布し、パターンニングを行ないシリコ
ン酸化膜４２およびシリコン窒化膜４３を図８Ｂに示す
ようにエッチングする。

【００８０】次に、図８Ｃに示すように、ＲＩＥにより
シリコン基板３１をエッチングする。エッチングする深
さは５５μｍ程度である。

【００８１】次に、図８Ｄに示すように、ＬＰＣＶＤに
よりシリコン酸化膜４５を厚さ０．８μｍ程度成膜し、
次いで、このシリコン酸化膜上にリンを導入して導電性
を付与したポリシリコン４６を、常圧ＣＶＤにより５５
μｍ程度成膜する。

【００８２】次に、図８Ｅに示すように、ホトリソグラ
フィー工程でレジスト４７を塗布し、パターンニングを
行い、ポリシリコンをＲＩＥによりエッチングしてピス
トンおよび可動電極を形成する。

【００８３】さらに、図８Ｆに示すように、ピストンと
可動電極をつなぐ部分だけが露出するようにレジスト４
８を塗布し、パターンニングを行い、ＲＩＥによりポリ
シリコンを３０μｍエッチングする。

【００８４】次に、図８Ｇに示すように、ピストンおよ
び可動電極を覆うようにホトリソグラフィーによりレジ
スト４９を塗布し、パターンニングを行い、ＣＤＥによ
り堀込み側面のシリコン酸化膜を除去しシリコを露出さ
せる。

【００８５】なお、これ以降の実施例の説明で、図９Ａ
〜９Ｃは、図５において９−９に沿った断面を表わす。

【００８６】次に、図９Ａに示すように、シリコン基板
上のマスク材４２，４３を選択的に除去し、基板上にリ
ンを熱拡散することにより電極となる部分の拡散層４１
を形成する。

【００８７】次に、図９Ｂに示すように導電性フィルム
３５を形成する。この作製には、まず銅をスパッタリン
グ法により厚さ０．１μｍ成膜し、フォトリソグラフィ
ーによりパターンニングを行なう。なお、この導電性フ
ィルムは弾性力を低減するために、図５に示すように波
形にパターンニングしてある。いったん、レジストを除
去した後、レジストを６０μｍ塗布し、先に形成した導
電性フィルムのパターンが露出するようレジストをパタ
ーンニングする。その後、レジストで形成したパターン
を型枠として用い、先に形成した導電性フィルムのパタ
ーンを下地として銅を５０μｍ成長させることにより導
電性フィルムを形成する。

【００８８】次に、図９Ｃに示すように基板全体を高濃
度のフッ酸に浸漬してマスク材４２，４３を除去し表面
を平坦化すると共に、ピストン、可動電極とシリコン基
板間のシリコン酸化膜４５を除去する。これによってピ
ストンと可動電極が可動するようになり、ピストンと可
動電極の形成を終了する。

【００８９】逆流防止弁の作製。

【００９０】まず、別のシリコン基板を用いて図１０Ａ
に示すように、両面をミラーポリッシュ仕上げした厚さ
２００μｍのシリコン基板３１の両面に熱酸化法で０．
５μｍ厚さのシリコン酸化膜４２を成膜し、以後の工程
で弁体を形成する部分および弁の腕をシリコン基板に固
定する部分のシリコン酸化膜をホトリソグラフィーによ
りパターンニング、ＲＩＥにより除去する。

【００９１】次に、図１０Ｂに示すように、常圧ＣＶＤ
法でＰＳＧ膜６１を０．８μｍ程度成膜する。弁の腕を
シリコン基板に固定する部分のＰＳＧ膜６１をホトリソ
グラフィーによりパターンニングして除去する。

【００９２】次に、図１０Ｃに示すように、ポリシリコ
ン膜６２を常圧ＣＶＤにより厚さ６μｍ程度成膜して、
ホトリソグラフィーによりパターンニングし、ＲＩＥに
より、弁体と弁の固定部分を形成する。

【００９３】次に、図１０Ｄに示すように、ポリシリコ
ン膜６３を常圧ＣＶＤ法により厚さ２μｍ程度成膜し
て、ホトリソグラフィーによりパターンニングし、ＲＩ
Ｅにより、弁の腕の部分を形成する。

【００９４】次に、図１０Ｅに示すように、表面（上述
の弁部分の形成をした面）および裏面にＬＰＣＶＤ法で
シリコン酸化膜およびシリコン窒化膜６４を形成しマス
ク材とする。そして、裏面の流路となる部分のシリコン
酸化膜およびシリコン窒化膜６４を除去して、３５重量
％程度の水酸化カリウム溶液を用いて、ウェットエッチ
ングして、流路となる貫通孔を開ける。なお、図５およ
び図６に示すマイクロポンプでは、同様の弁を片面に２
個ずづ形成する。

【００９５】さらに、ここまでの工程を他の一方の面に
行い、シリコン基盤の両面に、ポリシリコンによる弁を
形成する。

【００９６】最後に、図１０Ｆに示すように、高濃度の
フッ酸にシリコン基板全体を浸漬して、シリコン酸化膜
４２、ＰＳＧ膜６１およびシリコン窒化膜６４をすべて
除去し、逆流防止弁の形成工程を終了する。

【００９７】マイクロポンプの形成 上述のようにしてピストンと弁を形成したそれぞれのシ
リコン基板を図２、図４および図６のように、積層して
張り合わせてマイクロポンプを完成するが、この張り合
わせは、フリットガラス板、（例えば岩城ガラス製結晶
化ガラス７５７６）をターゲットとして用い、ＲＦスパ
ッタによってシリコン基板３１の下面にガラス膜を２〜
３μｍ堆積する。スパッタリングは、Ｏ_２雰囲気（８×
１０^−３Ｔｏｒｒ）で行い、堆積ガラス中の酸素不足を
補うようにした。また、弁を形成した部分はレジストで
カバーし、ガラス膜が形成されないようにしてある。次
に、２枚のシリコン基板１，１１，３１および２，１
２，３２を赤外線カメラにより片側から基板を透視して
両基板のパターンを見ながら位置合わせをして重ね合わ
せる。両基板を１５０〜１７０℃に加熱し、片側の基板
に１００Ｖ程度の直流電圧を印加して張り合わせた。

【００９８】以上により図３〜図６に示す構造のマイク
ロポンプが完成する。

【００９９】図３〜４に示すマイクロポンプの実施例で
は、図４に示すようにシリコン基板１２の一部、すなわ
ち可動電極１９および拡散層領域からなる固定電極１６
を覆う部分を、約５０μｍの深さで凹形に形成すること
により可動電極の移動によって固定電極と可動電極の間
の空間が陰圧あるいは陽圧となることを防止している。

【０１００】また、図５〜６に示すマイクロポンプの実
施例では、図６に示すようにシリコン基板３２の一部、
すなわち、可動電極３９ａ，３９ｂおよび拡散層領域か
らなる固定電極３６ａ，３６ｂを覆う部分を、約５０μ
ｍの深さで凹形に形成することにより、可動電極の移動
によって固定電極と可動電極の間の空間が陰圧あるいは
陽圧になることを防止している。

【０１０１】可動電極３９ａ，３９ｂの櫛歯の数は、そ
れぞれ１１本（図５では作図の簡単のために４本のみ描
いてある）設けられている。固定電極と可動電極の間隔
４０は１μｍで形成し、導電性フィルム３５につながる
拡散端子４１と拡散層領域３６ａ，３６ｂとの間に、交
互に外部から１００Ｖの電圧を印加してマイクロポンプ
を駆動した。

【０１０２】本実施例では、導電性フィルム３５は、ピ
ストン３４および可動電極３９ａ，３９ｂを常に接地電
位とするために設けられている。このため、導電性フィ
ルム３５はピストン３４の働きを妨げないよう波形にし
て十分な柔軟性を持たせてある。

【０１０３】また、本実施例のマイクロポンプでは、逆
流防止弁３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄの順方向コン
ダクタンスに比べて、ピストン３４とシリンダ３４ａと
の間のコンダクタンスを十分小さくするため、シール部
の長さＫおよびＭをピストンのストロークよりも大きく
してある。このコンダクタンスの違いにより、ピストン
の移動で流体室３８ａ、３８ｂの容積が変化すると逆流
防止弁３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄから流体を吐出
あるいは吸引することができる。

【０１０４】以上により１×２×４ｍｍ^３のマイクロポ
ンプが完成する。完成したマイクロポンプの吐出圧力は
４ｇｆ／ｃｍ^２、流量は０．１８μリットル／ｍｉｎで
ある。

【０１０５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明のマイクロポ
ンプは、駆動源を一体化したことにより、周辺機構を簡
略化することができるため、全体を小型に作製すること
ができる。さらに、図５および図６に示すマイクロポン
プでは、送液の脈動を減らすことが可能である。これに
よりマイクログリッパ等の作業ユニット１個１個に専用
のポンプを設ける分散方式にできるため、流体伝送系を
最短にし、伝送損失も減らせ、配管の繁雑さから解放さ
れ、また、必要最小限の小さな動作能力のポンプにより
マイクロマシンを動かすことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は本発明のマイクロポンプの原理を説明
する平面図である。

【図２】 図２は、図１の２−２線に沿う断面図であ
る。

【図３】 図３は、本発明のマイクロポンプの他の実施
態様を示す平面図である。

【図４】 図４は、図３の４−４線に沿う断面図であ
る。

【図５】 図５は、本発明のマイクロポンプのさらに他
の実施態様を示す平面図である。

【図６】 図６は、図５の６−６線に沿う断面図であ
る。

【図７】 図７は、本発明のマイクロポンプのピストン
部分の製造方法を説明するための工程図である。

【図８】 図８は、本発明のマイクロポンプのピストン
部分の他の製造方法を説明するための工程図である。

【図９】 図９は、本発明のマイクロポンプの導電性フ
ィルムの形成方法を説明するための工程図である。

【図１０】 図１０は、本発明のマイクロポンプの弁部
分の製造方法を説明するための工程図である。

【図１１】 図１１は、従来のマイクロポンプの断面図
である。

【符号の説明】

１，２，１１，１２，３１，３２…半導体基板、３ａ，
３ｂ，１３ａ，１３ｂ，３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３
ｄ…逆流防止弁、４，１４，３４…ピストン電極、５，
１５，３５…導電性サポート、６，１６，３６…拡散層
領域、４２，５５…シリコン酸化膜、５３…シリコン窒
化膜、５６，５７…ホトレジスト、５６…ポリシリコ
ン、５９…ニッケルまたは銅、６１…ＰＳＧ膜、６２，
６３…ポリシリコン膜、６４…シリコン酸化膜およびシ
リコン窒化膜。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 塚本 亮 神奈川県足柄上郡中井町井ノ口1500番地 テルモ株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固定電極となるシリンダ、該シリンダ内
   に形成された可動電極となるピストン、該ピストンを支
   持する導電性サポートおよび逆流防止弁よりなり、駆動
   源が一体化していることを特徴とするマイクロポンプ。
2. 【請求項２】 流体を押圧するピストン、該ピストンと
   一体形成された可動電極、該ピストンを収めるシリン
   ダ、該ピストン並びに該可動電極を接地する導電性フィ
   ルムおよび逆流防止弁からなり、駆動源が一体化しかつ
   ピストンの両端面で流体を押圧することを特徴とするマ
   イクロポンプ。
3. 【請求項３】 基板中に固定電極となるシリンダ、該シ
   リンダ内に可動電極となるピストンおよび該ピストンを
   支持する導電性サポートを形成する工程と、他の基板に
   逆流防止弁を形成する工程と、前記固定電極となるシリ
   ンダ、該シリンダ内に可動電極となるピストンおよび該
   ピストンを支持する導電性サポートを形成した基板と逆
   流防止弁を形成した基板を積層する工程よりなることを
   特徴とするマイクロポンプの製造方法。
4. 【請求項４】 基板中に流体を押圧するピストン、該ピ
   ストンと一体形成された可動電極、該ピストンを収める
   シリンダおよび該ピストンを接地する導電性フィルムを
   形成する工程と、他の基板に逆流防止弁を形成する工程
   と、前記ピストン、可動電極、シリンダおよび前記導電
   性フィルムを形成した基板と逆流防止弁を形成した基板
   を積層する工程からなることを特徴とする請求項３に記
   載のマイクロポンプの製造方法。