JPH05502090A - 位置検出器を備えた弁及び前記弁を組み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】 位　器を　えた・　びＩＩ＋弁を組み　んだマイクロポツプ本発明は、位置検出 器を装備し、弁本体が、フォトリノグラフィ・テクノロジまたは同様のテクノロ ジといった微小機械加工技法を用いてノリコノ・プレートに機械加工することに よって形成されるタイプの弁、及び、こうした弁を組み込んだマイクロポンプに 関するものである。

これらのマイクＣポツプは、特に、そのままで、薬物の投与に利用することがで きるし、オブノヨノで、マイクロポンプを小型化することによって１体内に永久 移植することも可能である。このポツプによって、小量の流体を精確な用量で注 入Ｔることが可能になる。

こうしたマイクＣポツプについては、特に、１９８８年のｒｓｅｎｓｏｒｓａｎ ｄ　ＡｃｔｕａｔｏｒｓＪＩ５３−１６７頁に記載された　Ｈ，ｖａｎＬｉｎｔ ｅｌ他による論文ｒＡ　ｐ＋ｅｚｏｅｌｅｃＬｒｉｃ　ｍｉｃｒｏｐｕｍｐ　ｂ ａｓｅ　ｏｎ　ｍｌｃｒｏｍａｃｈｉｎｌｎｇ　ｏｆ　５ｉｌｉｃｏｎＪに解説 されている。これらのポンプは、基本的に、３つのウェーハのスタ、り、すなわ ち、２つのガラス・ウェーハの間にノリコノ・ウェーハを挿入したものから構成 される。

ガラス・ウェーへの１つと共に、デツプ室を形成するキャビティ、デツプ室を、 それぞれ吸い込みチャネル及び吐き出しチャネルにつなぐ吸い込み弁及び吐き出 し弁、及び調整弁を形成するため、ノリコノ・ウェーハにエツチングが施される 。

ポンプ室の壁面の１つに、制御素子、例えば、圧電ディスクが設けられる。この 圧電ディスクは、電圧を印加されると、変形し、これによって、デツプ室の壁面 を変形させる、従って、その容積を変化させることができるようになっている。

マイクＣポツプの機能は次の通りである。休止時、吸い込み弁及び吐き出し弁は 閉位置につく。電圧が加えられると、ポンプ室の壁面が変形し、吐き出し弁が開 くまで圧力が上昇する。ポツプ室に含まれる流体は、吐き出しチャネルに押しや られる。この段階の間、吸い込み弁は、ポツプ室の優勢な圧力によって閉じた状 態に保持される。しかし、電位が除去されるか、あるいは逆になると圧力が低下 する。この結果、吐き出し弁が閉じ、吸い込み弁が開くことになる。従って、流 体はデツプ室に吸入される。

上述のように、このマイクロポツプは、とりわけ、薬物の投与に有効である。

従って、マイクロポンプが正確に機能しているかモニタすることが重要である。

さらに、例えば、ポツプ室に気泡が存在したり、あるいは、吐き出しチャネルの 圧力が、余りに高くなりすぎるといった場合には、ポツプの流量が大幅に減少す るといった事態もあり得る。

こうした誤動作を噴出すべきであるのは、明らかである。弁の動作をこうした目 的に利用できるという点が、注目されるようになってきた。

従って、本発明の目的は、位置検出器を備え、さらに単純で、実行可能であり、 安価な弁を提供することにある。

すなわち、本発明の目的は、第１のウェーハと、この第１のウェーハに結合され て弁座を形成することになる第２のウェーハから構成される弁において、弁が開 位置につ（と、弁本体と東１の電気的接点の間に機械的接触が生じるような距離 をおいて、弁本体の背面に面する第１の電気的接点と、前記機械的接触による影 響え前記第１の電気的接点との間に電気的インピーダンスを生じるようになって いる策２の電気的接点と、前記電気的接点間における電気的インピーダンスにダ 応する検出回路から成る位置検出器が設けられていることを特徴とする弁を提供 することにある。

こうして、弁本体と第１の電気的接点との間の機械的接触によって、弁の開位置 と閉位置との間における電気的イノピーダンスの差が可能な範囲で最大値になる ことが保証される。

本発明のもう１つの目的は、こうした位置検出器を備えたマイクロポツプを提供 することにある。

本発明の特色をなす４！徴及び利点については、例示のための下記説明によって さらに明らかにされるが、これは、制限を加えるためのものではない。

図面の簡単な説明 添付の図面に言及すると、 図１には、本発明による弁を備えたマイクロデツプのマイクｌ−１に沿った略断 面図が示されている。

図２は、図１に示すマイクロポツプの中間ウェーハに関するライン１１−１　［ に沿った平面図である。

図３及び４には、本発明第１の実施例による弁の、それぞれ、閉位置と開位置に おける断面が示されている。

図５には、図３及び４の弁に用いるのに適した検出回路の概略図が示されている 。

図６及び７には、本発明第２の実施例による弁の、それぞれ、閉位置と開位置に おける断面が示されている。

図８は、図６及び７の弁に用いるのに適した検出回路の概略図である。

図９８には、本発明第３の実施例による弁の断面が示されており、図９ｂは、図 ９ａのラインｒｘ−＋ｘに沿った平面図である。

図１０には、本発明の系４の実施例による弁の断面が示されている。

まず第１に、本発明による弁を備えたマイクロポンプを示す、図１及び２を磐照 する。

分かりやすくするため、マイクロポンプにおける各種ウェーハの厚さは、図面中 においてかなり誇張されていることに留意されたい。

このマイクロポンプは、それぞれ、ポンプの吸い込ろチャネルと吐き出しチャネ ルを構成する２つのチャネル４及び６が通った、例えば、ガラス製のベース・ウ ェーハ２を備えている。これらのチャネルは、それぞれ、コネクタ８及び１゜に 通じている。

コネクタ８は、それ目体、ポンプで送り出す液体物質を収容しているリザーバ１ ４に接続された管１２に通じている。このリザーバは、外部からリザーバの有効 容積を分離する穴のあいたキャップと可動ピストン１６によって密封されている 。例えば、ポンプを利用して、人体に正確な用量の薬物を注入するといった状況 の場合、このリザーバには、その薬物を収容してお（ことができる。この用途の 場合、マイクロポンプを患者の体に取り付けることもできるし、あるいは、移植 することも可能である。

吐き出しコネクタ１０は、管１８によって接続された注射針（不図示）に接続す ることができる。こうしたやり方によるマイクロポツプの利用は、小量ずつ、規 則正しい間隔で、正確な用量の１１物を投与することが望ましい、ある種の癌を ペプチドで治療する場合に、とりわけ適している。可能性のあるもう１つの用途 は、糖尿病患者の治療のためにイン／ユリノを注入することである。

ノリコノまたはフォトリノグラフィ技法によってエツチングを施すことの可能な 他の任意の材料によるウェーハ２０が、ガラス・ウェーハ２に結合される。この ウェーハ２０には、吸い込み弁２２、ポンプ室２４、及び吐き出し弁２６（調整 弁を形成する）を形成するため、機械加工が施される。ガラス製／−リング・ウ ェーハ２８が、吸い込み弁２２の上方のウェーハ２０に結合され、圧電ディスク ３０が、吐き出し弁２６の上方に位置するポンプ室２４の壁面及びガラス支持体 ３２に結合されている。

吸い込み弁２２は、その中心近くにオリフィス３６を備えるほぼ円形の薄膜３４ 、及び吸い込みチャネル４の側面に隣接した環状ツーリング・ソング３８から構 成される。この環状ツーリング・ソングは、薄い酸化物の層によってカバーされ ており、この層が、ツーリング・リングをガラス・ウェーハ２に向かって押しや る働きをする所定の圧迫を、薄膜３６に対してあらかじめ加えるようになってお り、これによって、このウェーハは、弁座２２の働きをすることになる。この弁 が開くと、吸い込みチャネル４は、オリフィス３６及びもう１つのオリフィス４ ０によってポンプ室と通じることになる。

吐き出し弁２６は、やはり、すりアイスのないほぼ円形の薄膜４２と、吸い込み 弁の場合と同様、薄い酸化物の層でカバーされた環状ツーリング・ソング４４を 備えている。この弁が開くと、ポンプ室２４と吐き出しチャネル６を直接通じさ せることが可能になる。

最後に、留意しておくべきは、ポンプ室の容積を変動させる圧電ディスクは、圧 電ディスクの面に配置された電極（不図示）を介して、２つの導電体４６及び４ ８によって電圧源５０に接続されている。

本発明によれば、吐き出し弁２６には、位置検出器が装備されている。弁の逆の 面（すなわち、この実施例の場合、ポンプで送られる流体に接触しない側）に示 された突出部５６、及び、支持体３２が、この検出器の一部を形成している。

次に、検出器の２つの特殊実施例について説明する。

図３から５には、検出器が容量タイプである第１の実施例が示されている。

良好な形状制御のため、薄膜の晴方向の有効寸法が、弁の前面からの浅い工。

チノグによって形成される。また、この場合、弁は、ＩＩＩＩに熱酸化物を有し ている。これによって、ＮＩ膜に十分な予備張力が加えられる。薄膜の場合、変 形が大きくなる可能性がある。

例えばガラス製にすることが可能な支持体３２は、ウェーッＸ２０に結合された 面にグループ５２を設けることができる。例えば、Ａｕ、ＡＩ、あるいは、イン ジウム・スズ酸化物（Ｉ　Ｔｏ）による１１極５４が支持体３２に形成される。

電極５４と、弁２６の背面、すなわち、突出部５６の表面の上部との互層は、弁 が開位置につくと、弁本体と電極５４との間に機械的接触が生じるようになって いる。

電極５４と／リコン・ウェーッ＼２０との間の寄生容量を減少させるため、やは り、ウェーハ２０にグループ５５を形成することによって、それらの間の距離を 増すことが可能である。突出部５６の上部表面は、例えば、薄い（約１μｍの厚 さ）酸化層を利用して、絶縁することが可能である。

従って、弁２６が閉じるとく図３）、弁と電極５４との間の距離（検出器のギヤ ノブ５３）は、約５μｍになるが、弁２６が開くと（図４）、弁と電極は、互い に接触する。

図５に示す略回路図には、弁の位置が示されている。回路は、一方が、交流源に 接続され、もう一方が、電極５４に接続された抵抗器５８と、そのフレフタが３ ■の直ｆｉ源に接続され、ベースが電極５４に接続されたトラ７ジスタ６０と、 トラ７ジスタ６０のトランスこ、夕とアースの間に配置された抵抗器６２から構 成されている。弁２６は、利用される装置に応じて、抵抗性と容量性の両方また は一方とすることが可能な、スイノ千６４の動きをする。／リコン・プレート２ ０は、装置に対して直接または圧電ディスクの制御回路の導体４６を介して接続 されるが、この場合、コノデンサ６６は、その間の容量を表している。

この実施例の場合、電気的接点の１つを形成する導体４６は、ウェー！・２０に 接続されている。それは、同様にうまく電気的に接続するだけで、例えば、空気 コノデノサを形成することも可能である。

例えば、３０ＫＨｚの高周波信号（この検出信号は、コンポーネントのインピー ダンスを考慮し、圧電ディスクの制御信号との緩衝を回避するため、弁の位置の 関数として十分な変調が加えられる）が、抵抗器５８を介して電極５４に加えら れる。）・ランジスタロ０のトランスミッタによって検出される信号は、弁の開 位置または閉位置の関数である。

また、信号の持続時間によって、弁が十分に開かないだけでなく、圧電ディスク に加えられた信号によって開いた後、弁がもう１度急に閉じるといった事態を生 じさせる可能性のある、ポンプ室内の気泡の存在による誤動作と、弁の開いた状 態が長引（ことになる、マイクロポンプの吐き出しチャネルにおける高圧による 誤動作の区別が可能になる。

さらに、マイクロポンプは、吐き出し口の圧力が高すぎる場合を除き、通常のポ ツプ動作時に、弁が開位置に達することのないように構成し、あるいは、操作す ることが可能である。こうした場合、吐き出し口の高すぎる圧力または閉塞の検 出に限って、本発明が十分に利用されることになる。

場合によっては、受動的検出タイプの回路を用いることも可能である。圧電ディ スクに信号が加えられると（約１３０ｖの直流信号）、弁が開位置にある場合に は（図４）、トラ７ジスタ６０のトランスミッタに、短い干渉信号が生じる。

ただし、この信号は、再現可能性が低い。この信号を取り除くためには、検出タ イプと直列に小形のコ／デ／すを追加すればよい。

図６〜図８には、位置検出器が抵抗器タイプである第２の実施例が示されている 。

図６及び図７は、電極５４に回かい合った弁２６の背面に、補助１４！！！６８ が設けられている点を除けば、図４及び図５と同一である。このｔｌｊは、例え ば、Ａｕ、Ａ１．または、インジウム・スズ酸化物製とすることが可能であり、 グループ５２に収容されるのと同じ材料による導体７０に接続される。

図８には、検出回路の概略が示されている。この回路は、電極５４と、例えば３ ０ＫＨ２の交流電圧といった電圧源の開に配置された抵抗器から構成される。

導体５４における交流電圧の有無は、弁の開位置または閉位置を表している。図 ５の回路の場合と同様、回路の閉じているのを検出し、この閉じた状態の持続時 間を測定することによって、マイクロデツプの誤動作の発生及びその性質に関す る情報が得られる。

図６及び図７の実施例の場合、弁の背面にｉ！極の１つが設けられている。電極 が別個に形成される、すなわち、堆積するのを回避する方法がある、すなわち、 両方の電極を互いに間隔をあけて支持体３２に設け、弁が開位置についた時、両 方とも、弁に接触することがないようにするだけでよい。こうした構造が、図６ 及び図７のものと同じ構成要素に同じ参照番号が付けられた、図９８に示されて いる。電極５４及び７４は、図９ｂに示すような半ディスク形状にすることが可 能であり、電気的接続は、グループ（図３及び図６と同様のグループ）を介して 行うこともできるし、あるいは、支持体３２の電気メッキした通り穴７６．７８ を介して行うこともできる。

弁の開位置、すなわち、弁と電極との接触時の検出は、抵抗タイプでも、あるい は、容量タイプでも可能である。後者の場合、接触は、第１の実施例に比べると 、クリティカルではなく、液体を通るバイパスｉ流が大幅に減少するという利点 がある。

本発明によるマイクロポツプは、とりわけ、薬物の注入に用いることを意図した ものである。従って、こうしたマイクロポツプは、弁の精確な５１Ｉ！！１１！ を２−要とする。しかし、ンリフン・ウェーｌ＼のエツチングの深さを制御する のは、比較的容易であるが、ンリフノの厚さは、その全表面にわたって一定とい うわけではなく、逆に、かなりの変動を示すので、弁の薄膜の厚さを制御するの は、より困難である。薄膜の厚さは、予備張力の量、従って、最終的には、弁の 開閉の、４ラメータを調節することになる。これは、大きい予備張力を必要とす る吐き出し弁の場合には、とりわけ重要である。

この予備張力の程度は、特に、／−リング・リングにおける酸化物の層の厚さに よる予備張力に依存する。この予備張力は、＊１１の厚さの３乗に相当する。こ の予備張力は、例えば、薄膜における酸化物の層によって生じる、やはり、薄膜 の厚さによって決まるが、その１乗にしかならない予備張力に加えられる。この 従来の場合、ｉｌｌ膜が厚すぎると、ツーリング・リングの酸化物による予備張 力と、薄膜における酸化物による予備張力を、両方とも、増大させることになる 。全予備張力の変動は、両方の予備張力の変動の和である。／−リング・リング の酸化物によって生じる予備張力は、３次変動のため、この変動に重要な役割を 果たす可能性がある。

図１０には、予備張力の薄膜の厚さに対する依存度がより少なく、これを得るた めの追加エツチング・ステップを利用して、検出器のギヤノブ５３の全てまたは 一部が形成される、本発明の第４の実施例が示されている。例えば、検出器は、 図３〜図５の実施例と同様に、容量タイプであり、支持体３２の電極は、支持体 ３２に設けられた電気メッキを施した通し穴７６を介して、検出回路に接続され ている。この実施例の場合、追加エツチング・ステップにおいてツーリング・す ７グのエツチングが施されており（その際、薄膜にもエツチングが施されるが、 この場合、その両側にエツチングが施されている）、その酸化層は、工１チ７グ の深さより薄いので、／−リング・リングの有効厚さは、その公称厚さより薄く なる。従って、酸化物が７−リング・リングだけに存在し、薄膜には存在しない 場合、／−リング・リングは、弁座と接触することになる。従来の場合と同様に 、／−リング・リングが予備張力を発生するのは明かであるが、この場合、負の 予備張力であり、その絶対値は、／−リング・リングを弁座と同じ高さにするた めに薄膜に加えられた圧力に等しい。しかし、この場合、薄膜にも酸化物の層が 形成され（酸化物の層は、薄膜の片側に形成される場合もあれば、図１０に示す ように、両側に形成される場合もあり得る）、弁が受ける予備張力は、この負の 予備張力のために減少するｌ膜の曲率によって生じる予備張力に等しくなる。こ の状況の場合、薄膜の酸化物による予備荷重の変動は、ツーリング・リングのギ ャップで生じる負の予備張力の変動によってほぼ補償される。

寸法は、全予備張力が、薄膜の厚さの所定の範囲において、はぼ一定のままにな るように選択される。さらに、寸法は、同じ追加エツチング・ステップで必要な ギャップを得るため、必要な検出器のギャップと追加エツチングの整合がとれる ように選択することができる。この例の場合、突出部５６も、同時に、工、チン グが施される。

図１０の実施例による吐き出し弁を備えたマイクロポツプは、平均厚さが２５μ ｍの弁における薄膜の厚さの差が±２．５μｍ（／−リング・リングのエッチノ ブの深さが約４μｍ１酸化層の厚さが約１μｍ）であるにもかかわらず、はぼ同 じ予備張力、従って、はぼ同じ挙動を示すことが、ノミュレ＝７ツノによって明 らかになった。

本発明による位置検出器は、下記の特性を備えている。

−それぞれ、弁の開位置と閉位置（または不完全な開放）に相当する、信号の２ つの値を区別するのは、検出器だけであるため、機械的較正が不要である。

−外部信号の干渉に反応しない（Ｌｌｑえば、圧電ディスクに対する制御信号） 。

−コンポーネント及びその製作が単純で、安価である。

上述の実施例に関連して、容量タイプの位置検出器（図３〜図５）は、弁と電極 ５４の間の電気的接触が良好でなかったとしても、満足のゆく機能を果たすし、 一方、抵抗タイプの検出器の電気回路（７６〜図８、及び、図９８、図９ｂ）は 、とりわけ、単純であるということを付は加えておくことにする。

要約書 弁が、／リコノウェーハ（２ｏ）によって形成される。ウェーハ（２ｏ）の背面 に取り付けられたガラス支持体く３２）に形成される第１の電気的接点（５４） と、ウェーハ（２ｏ）に固定された第２の電気的接点と、２つの電気的接点間に 位置する電気的イノビーダンス測定回路（実施例に応じて抵抗または容量）を備 えた位置検出器が、接触によって弁の位置を検出するため、従って、誤動作を明 らかにするために設けられている。ａ剤を注入するマイクロポンプに有効である 。

国際調査報告 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．弁本体（２６）を形成するように機械加工された第１のウェーハ（２０）と 、前記第１のウェーハに取り付けられて弁座を形成することになる、第２のウェ ーハ（２）から成る弁において、弁が開位置につくと、弁本体と第１の電気的接 点（５４）の間に機械的接触が生じるような距離をおいて、弁本体の背面に面す る第１の電気的接点と、前記機械的接触によって影響を受ける、前記第１の電気 的接点との電気的インピーダンスを生じるように配置されている第２の電気的接 点（４６、４８、７４）と、前記電気的接点間における電気的インピーダンスに 感応する検出回路（５８、６０、６２、７２）を備えた位置検出器が設げられて いることを特徴とする弁。 ２．前記第１のウェーハ（２０）に、弁本体の背面に面した支持体（３２）が取 り付けられており、前記支持体に、前記第１の電気的接点が収容されていること を特徴とする請求項１に記載の弁。 ３．弁の背面が、前記第１の電極と向かい合った突出部（５６）を備えることを 特徴とする請求項１または請求項２に記載の弁。 ４．前記第２の電気的接点が、前記第１のウェーハに固定または接続されている ことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の弁。 ５．第２の電気的接点が、第１の電気的接点と向かい合って配置された第２の電 極（６８）であることと、検出回路（７２）が、前記電気的接点間の電気抵抗に 感応することを特徴とする請求項４に記載の弁。 ６．前記第１のウェーハ（２０）が、半導体材料であり、前記第２の電気的接点 （４６）が、前記第１のウェーハに接続され、前記第１の電気的接点に対して電 気的に絶縁され、検出回路が前記電気的接点間の電気容量に感応するということ を特徴とする請求項４に記載の弁。 ７．前記支持体に、弁本体の背面に面し、前記第１の電気的接点から電気的に絶 縁された前記第２の電気的接点が設けられていることを特徴とする、請求項２又 は３に記載の弁。 ８．検出器が、交流発生器から成ることを特徴とする請求項１〜７のいずれかの １つに記載の弁。 ９．薄膜（４２）とシーリング・リング（４４）を備え、少なくとも、薄膜に、 外部の影響がなければ、弁を閉位置に保持する予備張力を誘導する層が形成され 、薄膜の層を除去した場合、外部の影響がないときに、少なくともシーリング・ リングは、弁が開位置につくことになるような機械加工が施されていることを特 徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の弁。 １０．検出器のギャップ（５３）が、弁本体のエッチングによって機械加工され 、前記機械加工が、シーリング・リングの前記機械加工と同時に、またそれによ って、少なくとも部分的に行われることを特徴とする請求項９に記載の弁。 １１．第１のウェーハ（２０）と向かい合って取り付けられる少なくとも１つの 第２のウェーハ（２）と共に、流体を吸い込んだり、吐き出したりする手段を備 えたポンプ室（２４）を形成するように機械加工された第１のウェーハを具備し 、ポンプ室の下流に請求項１〜１０に記載の弁の少なくとも１つが設けられてい ることを特徴とするマイクロポンプ。 １２．第１のウェーハ（２０）と向かい含って取り付けられる少なくとも１つの 第２のウェーハ（２）と共に、ポンプ室（２４）を形成するように機械加工され た第１のウェーハと、前記ポンプ室とマイクロポンプの吸い込み口（４）を選択 的に通じさせることができる吸い込み弁（２２）と、前記ポンプ室とマイクロポ ンプの吐き出し口（６）を選択的に通じさせることができる吐き出し弁（２６） を備え、前記ポンプ室の容積の周期的変動を誘導するための手段（３０、４６、 ４８、５０）が設けられており、吐き出し弁（２６）が、請求項１〜１０に記載 の弁の任意の１つから成ることを特徴とする、マイクロポンプ。