JPH05502083A - 弁及びその弁を組込んだマイクロポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 弁及びその弁を組込んだマイクロポンプ本発明はマイクロポンプに関し、特に、 ポンプの機構の少なくとも一部がフォトリトグラフィー技術などの微細機械加工 技術を使用してウニノ＼を機械加工することにより形成されるようなａＳのマイ クロポンプ、詳細には、そのようなマイクロポンプのための弁に関する。

この種のポンプは薬剤をその場で投与するために特に使用可能であるが、その場 合、ポンプがごく小型であるために、患者はポンプを身につけることができ、あ るいは、任意にポンプを患者の体内に直接埋込むこともできる。さらに、この種 のポンプを使用すると、少量の液体を正確に投与できる。

ｒｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　ＡｃｔｕａｔｏｒｓＪ第１５号（１９８８年）の１ ５３−１６７ページに発表されたＨ、ｖａｎ　Ｌｉｎｔｅｌ他の論文「Ａｐｉｅ ｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｒｏｉｃｒｏｐｕｍｐ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｍｉｃｒｏ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｏｆ　５ｉｌｉｃｏｎＪは、それぞれ、３枚のウニノーを 重ね合わせたもの、すなわち、２枚のガラスのウェハの間に配置された機械加工 シリコンのウェハから構成されるマイクロポンプの２つの実施例を説明している 。そのようなマイクロポンプの別の実施例は、１９８９年６月１４日付のスイス 特許出願第０２　２４１／８９−１号に記載されている。

この公報においては、ノリコンウェハは一方のがラスウニノ＼と共に１つのポン プチャンバを規定し、このチャンバと符号する部分を駆動手段、この場合には圧 電結晶、により変形させることができる。圧電結晶は、交流電圧源に接続された ときに結晶の変形、従って、ガラスウェハの変形を発生させる電極を含み、そこ で、そのガラスウェハはポンプチャンバの容積を変化させるのである。

ポンプチャンバは両側で逆止め弁に接続しており、逆止め弁には膜と、密封リン グがシリコンから機械加工され、その弁座は他方のガラスウェハ＼から構成され ている。

そのような弁の製造は２段階で実施される。第１の工程では、密封リングを形成 するためにウェハの一部をエツチングから保護しながら、膜を形成するために７ リコンウエハをエツチングし、第２の工程では、密封リングの上と、任意に膜の 一部の上とに酸化物の薄い層を形成する。これにより、弁の弁座を密封リングの 方向へ向かわせるある程度の機械的事前制約、すなわち、ブレテンン、ンが膜に 与えられる。

この種のマイクロポンプの欠点の１つは、そのようなマイクロポンプの歩留まり は同一であるように見えるが、同じではないということである。その原因は、主 として、シリコンのエツチングの深さを調整するのは相対的に容易であるが、シ リコンのウェハの厚さがその表面全体にわたって一定ではなく、その逆に何らか の変化を示すので、膜の厚さを調整するのがより難しいことである。膜の厚さは プレテンンヨンの置を左右し、従って、最終的には、弁の開閉に関わるパラメー タを決定する。このことは、より大きなブレテンン冒ンを要求する出力弁の場合 に特に重要である。

本発明の目的は、この欠点を克服することである。この目的は請求の範囲第１項 に記載の弁により達される。また、請求の範囲第７項は、この欠点を少な（した 本発明による弁を規定している。請求の範囲第８項は、本発明による弁を少なく とも１つ具備するマイクロポンプを規定している。

別の材料の層は、たとえば、熱酸化により膜を被覆するように膜の上に実現され ても良く、あるいは、たとえば、膜表面に大量の不純物を添加することにより膜 の中に実現されても良い。

本発明の特徴と利点は例示を目的とする以下の説明及び添付の図面を参照するこ とによりさらに良く示されるが、以下の説明は限定的な意味をもつものではない 。図面中ニ −図１は、本発明によるマイクロポンプの概略横断面図を示し。

−図２は、図１に示すマイクロポンプの中間ウニＩ＼の平面図を示し。

−図３Ａ、図３Ｂ及び図３０は、本発明による弁の一実施例の断面図を示し、− 図４は、本発明による別の弁の断面図を示す。

まず、本発明による弁を有するマイクロポンプを示す図１及び図２を参照する尚 、図面では、明確を期するために、マイクロポンプを形成する様々なウニ、１の 厚さを非常に誇張して示しであることに注意すべきである。

図１及び図２のマイクロポンプは、たとえば、ガラスから成るベースウニノ１２ を含み、そのガラスウェハには、ポンプの入口通路と、出口通路とをそれぞれ形 成する２本の通路４及び６が穴あけされている。それらの通路４及び６は接続部 ８及びｌＯにそれぞれ結合している。

接続部８の先には管１２があり、その管自体はポンプで供給すべき液体の入った リザーバ１４に結合している。リザーバは穴あきキャップによって密封され、可 動ピストンがリザーバ１４の有効容積を外部から分離している。たとえば、厳密 に定められた投与量の薬剤を人体に注入する目的でポンプを使用すべきであるよ うな状況では、このリザーバに薬剤を入れておいても良い。この場合、マイクロ ポンプを患者の身体に装着するか、又は埋込んでも良い。

出口１０の出口接続部を注射針（図示せず）に接続し、それと管１６により接続 すれば良い。

このようにして本発明のマイクロポンプを使用する方法は、ある種の癌をペプチ ドにより治療するのに特に通しており、その場合には、薬剤を厳密な投与量で与 え、その投与を少量ずつ規則的な間隔で繰返すのが好ましい。考えつる別の用途 は、１日を通して規則的に少量の薬剤を与えられなければならない糖尿病患者の 治療であり、たとえば、自体公知の手段により、血糖値を測定し、適切な置のイ ンツユリンを注入できるようにポンプを自動的にｍｍすることによって、投与量 を決定することが可能である。

シリコン又はフォトリトグラフィー技術を使用して機械加工することができる他 の材料から成るウェハ１８がガラスウニノＡ２に接合されている。このシリコン ウェハの上にはガラスの閉鎖用ウェハ２０がある。ウニノｘ１８には、ここで説 明する本発明の実施例においては交流発電機２８に接続する電極２８ａ及び２６ ｂを具備した圧電円板である制御素子２４により変形できるような厚さの！！２ ２が形成されている。この円板はＰｈｉ　ｌ　ｉｐｓが照合番号ＰＸＥ−５２と して製造しているものであっても良く、適切な接着剤を使用してウニノ１１８に 接合されても良い。

この例の便宜上、中間シリコンウェハ１１８をエツチングに適するようにすると 共に、ウェハに必要な強度を与えるため、ウェハは＜１００＞結晶方位を有する ことができる。つ、７％２及び２０は十分に研磨されてｂするの力（好まし０゜ ウェハ２とウニノ＼１８は、合わせて、まず第１に、膜２２の下方に位置する６ 孟ぼ円形のポンプチャンバ３０を規定する。

人口通路４とポンプチャンバ３０との間には、シリコンウエ／１１８に機械加工 された、逆止め弁である第１の弁３２がある。この弁は、中心付近に通路３６を 形成するオリフィスを有するほぼ円形の膜３４から構成されており、ここに図示 した実施例では、通路３６は矩形である。弁３２は、おおよそ台形の断面をもつ 環状リプ、すなわち、密封リング３８をさらに含む。この密封リングはオリフィ ス３６を包囲し、同様にフォトグラフィー技術によって得られる薄い酸化物層４ ０で被覆されている。これにより、密封リング３８がガラスウニノ）２に圧接さ れるとき、ＭＢ２にある程度のプレテンン「ンが与えられるととになり、そこで 、ガラスウェハ２は弁３２の弁座として作用する。

ポンプの出口通路６は、構成の上では弁３２に類似している弁４２を介してポン プチャンバ３０と連通ずる。ところが、この場合、膜の一部の上に酸化物層を形 成し及び／又は層４０を弁３２の場合とは異なる厚さにするなどの方法によって 、この酸化物層４０が与えるプレテンシ１ンを弁３２について使用するのと異な る大きさにしても良い。このように、弁４２は膜４４と、酸化物層４０で被覆さ れた密封リング４６とを具備する。さらに、図１に示す通り、この膜には、弁３ ２のオリフィス３６のような中心のオリフィスは設けられてＩｌｌな（１６尚、 ポンプ室３０は、共にシリコンウェハＸ１８に機械加工されて〜するオリフィス ４８と、通路５０とをそれぞれ介して弁３２及び弁４２と連通する。

特定の例として示すと、ウニノＸ２．１８及び２０は、たとえば、それぞれ０゜ ８ｍ＋ｈ　０．３ｍＩＮ　Ｏ，Ｓｓ■の厚さであって良（、また、ポンプの表面 はＩＯ×２０ｍ−であって良い。さらに、クエ／Ｘはボンディング、たとえば、 陽極ボンディングとして知られている特定の技術などの様々な従来の方法により 互いに固着されれば良い。

弁４２は、外部からの影響を受けずに密封リングを弁座に圧接しようとするブレ テンン璽ンを有する。このブレテンシｔンは酸化物層の厚さと、膜の厚さと、密 封リングの厚さとによって決まる。

１例として、次に、図３Ａ〜図３０を参照して、出口弁を形成する方法を説明す る。入口弁の形成にも同じ手順を用いれば良い。いずれの場合にも、大口弁につ いて要求されるプレテンンげノは出口弁について請求されるプレテンン、ンより 小さい。通常、入口弁の腰の上には酸化物層を形成しない。

そこで、出口弁は本発明に従って次のように製造されれば良い。Ｉ［４４を形成 するために、ンリフンウェハＩ８の少なくとも片方の面を、たとえば、ＫＯＨの 溶液の中でエツチングする。この手順の間１．密封リング４６を形成するために 、ウェハの一部をエツチング工程から保護する（ｒ！！：１３Ａ）。

次に、酸化物層がなく且つ外部の影響を受けてないとき、密封リングが弁慶と接 触しないように、さらにエツチング５２を実施する。このさらなるエツチングは 、一度目のエツチングの前又は後に７リコンウエハ１８に対して実施されれば良 い。また、弁座を形成するガラスウェハの一部について実施さねても良い。

次に、膜の一部の上にＭ酸化により酸化物層４０を形成する。この酸化物層は、 膜に、その湾曲（１１３Ｂ　）を発生させるせん断力を誘起し、酸化物層は膜の ６鍔にある。酸化物層の厚さは、ガラスウェハ２がシリコンクエハＩ８と接触し ているときに、影響を及ぼす外部の力が全く存在しないところで密封りング４６ がこのガラスウェハに圧接される（図３Ｃ）ように選択される。たとえば、さら に３μｍのエツチングを行う場合、約１，５μｍの酸化物層を形成する。図３Ｂ に示すように、膜の前面、すなわち、密封リングを有する側で、この酸化物層の 一部を残しても良い。また、ｎ面ではなく、背面に酸化物を残すと決めても良い 。

ところが、腰を同一の方向に湾曲できるようにするためには、酸化物を膜の周囲 にリングの形態で残すべきである。

この湾曲を生じさせるために酸化ケイ票以外の材料を使用しても良いことは言、 うまでもなくきわめて明白である。しかしながら、これはウェハを熱酸化するの に十分であるという点で最も単純な解決方法となっている。膜の上ではな（、膜 の中に機械的ひずみを発生させる材料の層を設けることもできるであろう。これ は、たとえば、ホウ素拡散などの方法を経て膜の表面の一部に大量の不純物を添 加するこ七により得られるであろう。

密封リング４６（図３Ｂ）を被覆し、それにより、密封リングのがラスウェハへ の接着を阻止するための保護層を形成するために、酸化物層又は他の何らかの別 の適切な材料の層を使用すると有利であろう。

この保護層は密封リングの有効厚さを増し、それにより、岨立て時にＩＪリング 加わるプレテン／ジンを変化させる。尚、膜の上に酸化物がない場合、密封リン グが外部の影響を受けないところで密封リングの表面と弁座とが同一平面上にあ るような厚さく公称厚さという）であるときに、密封リングによってプレテンシ ョンは発生しないことを理解すべきである。そのような、さらなるエツチング５ ２を実施する前の状況を図３Ａに示す。

密封リングの有効厚さがその公称厚さを越える場合、たとえば、酸化物層が密封 リングを覆っている場合、このリングは弁座に対しである程度のプレテンション を加える。このブレテンンぎンの程度は、特に、公称厚さに関する密封リングの 有効厚さと、膜の弾性、すなわち、その厚さとの差によって決まる。このプレテ ンションは膜の厚さの３乗に相当する。それは、膜を覆っている酸化物の層によ って起こり、同様に、膜の厚さ、ただし、その１乗のみによって決まるプレテン ションに加えられる。この従来のケースでは、厚すぎる膜は、密封リング上の酸 化物によるブレテンンッンと、腰上の酸化物によるプレテンションの双方ヲ増加 させる。総体的なブレテンノぎンの変化は２つのプレテンンロンの変化の和であ る。

密封リング上の酸化物によって起こるブレテンシーンは、それが３乗の関連性を もつという点で、この変化において１要な役割を果たすといえる。

この３乗の関与を少なくする、さらには、それを有益に利用すると有利であろう 。

まず、密封リング上の酸化物のみを考える。密封リングの有効厚さがその公称厚 さより少ない場合、たとえば、密封リングのエツチングが既に行われており、密 封リング上の酸化物層がこのエツチングの深さより薄い場合には、密封ＩＪング は弁座と接触しない。先の場合と同様に、そこで、密封リングの間隙は、密封リ ングを弁座と同一の平面に位置させるために膜に加わらなければならないであろ う圧力と等しい絶対値を育する負のプレテノン１ンを発生することは明白である 。この場合に膜の上にも酸化物層を形成すると、弁が受けるプレテンションは、 この負のプレテンションにより減少した腰の湾曲によって起こるプレテンション と等しくなるであろう。

先に説明した通り、膜の厚さの変化はブレテン７ＩＩンの変化を発生させる。本 発明に従った状況においては、膜の酸化物のプレテンションの変化は密封リング 間隙の負のプレテンションの変化によりほぼ補償される。

寸法を適切に選択すれば、あるｌｉ囲の膜の厚さについて総プレテンン、ンはほ ぼ一定のままである。

シミュレーションによれば、本発明による出口弁を具備するマイクロポンプは、 ２５μｍの平均厚さを有する弁の膜の厚さ上２゜５μｍの差があるにもかかわら ず、はぼ等しいプレテンンロン、従って、はぼ同じ特性を示す（尚、さらなるエ ツチングの深さは約３μｍ；酸化物層の厚さは約１．５μｍ）ことがわかってい る。

酸化物層の厚さは酸化時間の平方根に従って増やしてゆくので、酸化物層４０を 形成するためウェハ１８の酸化は相対的に長い工程である。この作業の時間を四 分の−に短縮することが可能である。これを実行するためには、図４に示すよう に、膜の両面を酸化するだけで良い。たとえば、酸化物４０ｂが反対側で酸化物 層４０ａにより覆われていない面を被覆するように、０．５μｍの厚さを育する 酸化物層４０ａ及び４０ｂを形成すれば、１μｍの厚さを有する膜の片面に形成 された酸化物層４０により発生するプレテンションとほぼ等しいプレテンション が得られる。酸化物層４０ａと酸化物層４０ｂが重なり合っていると、それらの 層の重複部分は相反する効果を有するので、互いに相殺しあう。

さらに、図３Ａに示すようなさらなるエツチングに頼らずとも、膜の両面を酸化 すると、マイクロポンプの特性をについて一層良い再現性が得られると言えるで あろう。これは、膜の密封リング側のみを酸化する場合と比べて狭い範囲で有効 密封リング厚さが増すためである。その結果、リング上の酸化物によって起こる 望ましくないプレテンションは少な（なり、その一方、膜上の酸化物によって起 こるプレテンションはわずかに増加する。

また、膜の両側を酸化する場合、酸化物層の半径に関して適切な値を選択するこ とによりプレテンションを所望の値に容易に調整できる点を強調しても良いであ ろう。ところが、多くの場合、流体抵抗がほとんどないために薄い膜を可能にす るためには、最大曲げ効率が有利であろう。

浄書／内容；：変更なし） １８　初　４４− 手続補正書（方式） ％式％ ガラスウェハ２に接合されたノリコンウェハ１８を機械加工することにより弁を 形成する。この機械加工は膜４４と、密封リングとを形成する。弁を閉鎖位置に 保持する機械的プレテノン「ンを膜に与えるために、Ｍ４４の面の一部と、任用 に寮紺１１ング）−を醋什する〜前記プレテノン、ンが存在しないときに弁が体 Ｉトし

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. １．変形自在の膜（３４、４４）が形成されている第１のウェハ（１８）と、第 １のウェハ（１８）に接合される第２のウェハ（２）とを有し、一方のウェハの 面には密封リング（３８，４６）が設けられており、その密封リングは、変形自 在の膜の位置に従って他方のウェハの面に接触する（弁閉鎖）か、又は他方のウ ェハの面から離間する（弁開放）ことができる自由面を有し、膜の一部には、外 部の影響がないところで弁（３２，４２）を閉鎖位置に保持する機械的ひずみを 誘起する他の材料から成る少なくとも１つの層（４０，４０ａ，４０ｂ）が設け られている弁において、１つ又は複数の層（４０，４０ａ，４０ｂ）が省略され る場合には、前記弁（３２，４２）は外部の影響がないところで開放位置にある ように、ウェハの少なくとも一方は機械加工されることを特徴とする弁。
2. ２．閉塞部（３８，４６）は、第１のウェハ（１８）の膜（３４，４４）を機械 加工することにより形成されることを特徴とする請求項１記載の弁。
3. ３．膜（４４）のそれぞれの面の一部に、第２の材料の層（４０ａ，４０ｂ）が 投げられていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の弁。
4. ４．第１のウェハ（１８）はシリコンウェハであり、第２の材料は酸化ケイ素で あることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の弁。
5. ５．前記閉塞部の反対側のウェハの面への接着を阻止するために、密封リング（ ３８，４６）の自由画は第３の材料の層により被覆されていることを特徴とする 請求項１から４のいずれか１項に記載の弁。
6. ６．前記第３の材料は第２の材料と同一であることを特徴とする請求項５記載の 弁。
7. ７．変形自在の材料から成る膜（３４，４４）が形成されている第１のウェハ（ １８）と、第１のウェハ（１８）に接合される第２のウェハ（２）とを具備し、 １つのウェハの面には密封リング（３８，４６）も設けられており、その密封リ ングは、変形自在の膜の位置に従って他方のウェハの面に接触する（弁閉鎖）か 、又は他方のウェハの面から離間する（弁開放）ことができる自由画を有する弁 において、膜（４４）のそれぞれの面の一部に、外部の影響がないところで弁を 閉鎖位置に保持するための機械的ひずみを誘起する他の材料から成る少なくとも １つの層（４０ａ，４０ｂ）が設けられていることを特徴とする弁。
8. ８．第１のウェハ（１８）と、第１のウエハに面と面を合わせて接合される少な くとも１つの第２の支持ウェハ（２）とを有し、それらのウェハは合わせてポン プチャンバ（３０）を規定し、そのポンプチャンバは、前記ポンプチャンバ（３ ０）をマイクロポンプの少なくとも１つの入口（４）と選択的に連通させること ができる少なくとも１つの弁（３２）と、前記ポンプチャンバ（３０）をマイク ロポンプの出口（６）と選択的に連通させることができる少なくとも１つの別の 弁（４２）とを有し、前記ポンプチャンバ（３０）の容積を周器的変化させるた めの手段（２４，２６ａ，２６ｂ、１８）が設げられているマイクロポンプにお いて、弁（３２，４２）の少なくとも一方は請求項１から７のいずれか１項に記 載されていることを特徴とするマイクロポンプ。