JPH07284646A - バルーン流体吐出装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 バルーンおよび細管の流体抵抗を用いて、圧
力差により流量制御を行なうバルーン流体吐出装置にお
いて、精度がよくしかも清浄な流量制御素子を得ること
である。 【構成】 ガラス基板１１と、あらかじめ異方性エッチ
ング処理されＶミゾ状の流路１３を形成した（１００）
単結晶シリコン基板１２を陽極接合する。これをバルー
ン流体吐出装置の流量制御素子として用いる。 【効果】 微小の流量制御素子が精度よく得られるの
で、流量の微小制御が可能となる。また、製造工程にお
いてゴミなどの混入がさけられるため、清浄な流量制御
素子を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はマイクロマシーニング等
の微小加工、接合を応用し、管による流路抵抗を用い
て、入出力口の圧力差により流体の流量を制御する流体
制御装置およびその製造方法に係わるものである。

【０００２】

【従来の技術】従来この種の流体制御装置はステンレス
管およびガラス管により作製し使用されてきている。例
えば特表昭６２−５０１３３３号公報の請求項３にある
ように、吐出器の先端にガラス管を流体抵抗としてつけ
ることにより流量を制御している。またステンレス管、
プラスチック管を用いることもある。

【０００３】図１０にバルーン流体制御装置の従来例を
示す。図１０（ａ）はガラスの細管である。図１０
（ｂ）は図１０（ａ）のガラスの細管を利用した流体吐
出装置であり、チューブ状ハウジング内２１に設けられ
たエラストマー壺２２は使用前に液体が封入され、ある
内圧を保っている。

【０００４】エラストマー壺２２の中の圧力と出力口の
内圧差により、流れレギュレーター２４により一定流量
の流体が、チューブ２３から流出する。流れレギュレー
ター２４は流れレギュレーター２５によって保護されて
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、一般にガラス
管、ステンレス管、プラスチック管などにおいては、微
少な口径の穴を作製することが難しく、それゆえ微小流
量の制御時に精度が取れないという欠点がある。流量は
流路抵抗の一般式より開口面積の３乗に比例するため、
管が小さくなるほど精度が悪くなるという欠点があっ
た。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明のバルーン流体吐
出装置は、 （１） 管抵抗により流体の流量を制御する流量制御素
子と流体を充填することにより圧力を発生するバルーン
を設け、バルーンの力により流体を吐出するバルーン流
体吐出装置において、少なくとも流路基板に１つ以上の
流路となる溝を形成し、少なくとも１枚の保持基板と貼
り合わせた基板により流路を形成した流量制御素子を具
備することを特徴とする。

【０００７】（２） 手段１において、前記流路基板が
単結晶シリコン基板、前記保持基板がガラス基板である
流量制御素子を具備することを特徴とする。

【０００８】本発明のバルーン吐出装置の製造方法は、 （３） 管抵抗により流体の流量を制御する流量制御素
子と圧力を発生するバルーンを設けたバルーン流体吐出
装置において、複数本の流路溝を設けた少なくとも１枚
の流路基板が単結晶シリコン基板、少なくとも１枚の保
持基板が単結晶シリコン基板と接合可能な種類のガラス
基板であり、該流路基板および該保持基板を陽極接合
し、その後に所望の形状および本数にダイシング等によ
って分割し流量制御素子を製造することを特徴とする。

【０００９】（４） 手段３において、該単結晶シリコ
ン基板は（１００）単結晶シリコン基板であり、ＫＯＨ
溶液などのエッチング液を用いて異方性エッチングする
ことによりマスク形状に応じた正確な寸法のＶミゾ状の
該流路溝を形成した流量制御素子を具備することを特徴
とする。

【００１０】（５） 手段３において、該流路基板と該
保持基板の接合基板を分割する際、流路の断面方向の分
割は流路部に至らない深さに該保持基板を切削し、そし
てブレークを行ない所望の形状および本数に分割した流
量制御素子を具備することを特徴とする。

【００１１】（６） 手段３において、該単結晶シリコ
ン基板の流路部の分割線をブレークしやすいように該流
路部の反対の面に該流路部に至らない深さのミゾを形成
し、該分割線に沿ってブレークして分割した流量制御素
子を具備することを特徴とする。

【００１２】また、本発明のバルーン流体吐出装置は、
（７） 手段１のバルーン流体吐出装置において、該流
路基板に少なくとも２つの異なる大きさの流入口と少な
くとも１つの流出口を設けた流量制御素子および該流入
口あるいは該流出口の選択手段を具備することを特徴と
する。

【００１３】（８） 手段１のバルーン流体吐出装置に
おいて、少なくとも２つの同じ大きさの流入口と１つ以
上の流出口を設けた流量制御素子と該流入口あるいは該
流出口の本数を選択する選択手段を具備することを特徴
とする。

【００１４】（９） 手段７あるいは手段８のバルーン
流体吐出装置において、流入口にフィルターを設けた流
量制御素子を具備することを特徴とする。

【００１５】（１０） 手段７あるいは手段８の該選択
手段は３方弁からなることを特徴とする。

【００１６】（１１） 管抵抗により流体の流量を制御
する流量制御素子と圧力を発生するバルーンを設けたバ
ルーン流体吐出装置において、１枚の基板に穴を設けた
流量制御素子を具備することを特徴とする。

【００１７】また、本発明のバルーン流体吐出装置の製
造方法は、 （１２） 手段１１のバルーン流体吐出装置の基板が
（１１０）単結晶シリコン基板であり、該穴を異方性エ
ッチングにより形成した流量制御素子を具備することを
特徴とする。

【００１８】また、本発明のバルーン流体吐出装置は、 （１３） 手段１１のバルーン流体吐出装置において、
複数の流入口とそれに対応する複数の流出口を設けた流
量制御素子と該流入口あるいは該流出口の選択手段を具
備することを特徴とする。

【００１９】（１４） 手段１のバルーン流体吐出装置
において、流入口および流出口を該流路基板の該流路に
対して反対の面に設けた流量制御素子を具備することを
特徴とする。

【００２０】

【実施例】

（実施例１）図１（ａ）は本発明のバルーン流体吐出装
置に用いる流量制御素子の流路と垂直方向の正面図、図
１（ｂ）は概略図である。

【００２１】図１においてガラス基板１１、（１００）
の単結晶シリコン基板１２を具備し、単結晶シリコン基
板１２にＫＯＨ溶液、ＴＭＡＨ溶液などの異方性エッチ
ングにより形成されたｖミゾ状の流路１３が形成されて
いる。単結晶シリコン基板１２は径４インチ、３００ミ
クロンメーターのウエハー、ガラス基板１１は径４イン
チ、厚み１ミリメーターの物を用い、ガラス基板１１と
単結晶シリコン基板１２は陽極接合した後に切断してい
る。エッチングはフォトリソグラフィー技術を用いるの
で、精度プラスマイナス１μｍ以下の幅を形成すること
が可能である。また、（１００）ウエハーは異方性エッ
チングにより約２４度の角度でエッチングされるため、
Ｖミゾ状にエッチングされ、その深さは充分な時間エッ
チングした場合には、エッチング時間にかかわらずエッ
チングの幅により一義的に決まる。よって管内の流体抵
抗は断面積および管長さにより求められる。また、幅も
１μｍ付近から選択自由であるので、様々な長さと断面
積をもつ流路を形成することが可能である。

【００２２】（実施例２）図２は本発明の流量制御素子
を組み込んだバルーン流体吐出装置の一例である。

【００２３】図２において、最初バルーン３１に液体が
注入され、その際にバルーン３１はある一定下の圧力と
なる。カバー３２によってバルーン３１は保護されてい
る。バルーン３１に蓄えられた圧力により出力口３５に
液体を押しだそうとする力が働く。ケース３３に固定さ
れた流量制御素子３４とバルーン３１の圧力と出力口３
５の圧力差により、ある一定の吐出量を保つ。

【００２４】（実施例３）図３は本発明の流量制御素子
の製造方法の一例を示している。

【００２５】図３の（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）に
おいて左側の図は流路の垂直方向の図面、右図は線４０
部における流路の断面図である。

【００２６】図３（ａ）において単結晶シリコン基板４
１にはエッチングマスク用の酸化膜４２および４４が形
成されており、レジスト塗布後にパターニング、フッ酸
処理した後の図である。流路形成部４３、切断部のエッ
チング面４５を異方性エッチングにより形成する。

【００２７】図３（ｂ）においては、ＫＯＨ溶液などの
エッチング液にて異方性エッチングを行なったあとの形
状を示してある。（１００）ウエハーの場合、約２４度
の角度でエッチングされていくため、パターン幅により
一義的にエッチング深さが決定される。よって流路４６
のごとくＶミゾ状の流路が得られる。また切断部４７は
後に破断しやすいようにあらかじめエッチングされてい
る。例えば、深さ７０ミクロンの溝が欲しい場合には、
パターン幅を１００μｍとすることにより、所望の形状
を得ることができる。その場合の断面積は３．５×１０
マイナス９乗平方マイクロメーターの断面積が得られ
る。長さを１ｃｍとするならば、０．１気圧の圧力にお
いてほぼ０．０２ｍｌ／分の流量が得られる。

【００２８】図３（ｃ）において、単結晶シリコン基板
４１とガラス基板４８を陽極接合する。陽極接合は一般
的に単結晶シリコン基板を陽極、ガラス基板を陰極とし
て、３００〜４００℃に加熱をし、５００〜１０００ｖ
の電界を印加することによって単結晶シリコン基板とガ
ラス基板が接合される方法である。

【００２９】図３（ｄ）において、ダイシングを行な
い、ウエハーを切断する。流路４５と平行な面４９は全
切断し、垂直部４１０は流路を完全に切断しないように
ガラス部４８の上面のみ切断している。そして、切断が
終了したのち、垂直部４１０の切断面に力を加え、おの
おのの流量制御素子に分割する。

【００３０】（実施例４）図４（ａ）は２つ以上の溶液
を混合可能な流体制御装置の一実施例の上面図である。
入力口５１、入力口５２と入力口が２つある場合であ
る。それぞれ圧力の同じ２つの加圧口より導入され、例
えば、流入口の流体抵抗比を１：２とすると、混合比
１：２の溶液が吐出口５３に得られる。ゆえに流体抵抗
を変化させることにより様々な混合比の溶液を極めて簡
便に選ぶことができる。

【００３１】図４（ｂ）は断面図を示す。単結晶シリコ
ン基板５４に設けられた流路５１、流路５２は深さが異
なるが、異方性エッチングにより、流路５２のエッチン
グが終了する時間行なうことにより流路５１も同様に形
成され、ガラス基板５５によって封止されている。

【００３２】なお入力口は２本のみでなく、多数本あっ
てもよい。また、流出口も複数設けてもよい。

【００３３】（実施例５）図５は図４の構造を用いて流
路選択部を設けた流路制御部を示している。入力口６１
はバルーンにつながっており、ある一定圧力で液体を押
されている。三方弁６２により流体の流れ路がチューブ
６３あるいはチューブ６４、またはその両方に選択され
る。流路６６と流路６８はそれぞれ異なる流体抵抗を持
ち、流出口６９、出口６１０へとそれぞれ一定の吐出量
にて液体を吐出する。接合部６７はガラス基板と単結晶
シリコン基板が接合により封止されている。図の丸い部
分６５はＯリングなどのシール材であり、ケース６１１
や外に液体が漏れないようにしている。

【００３４】（実施例６）図６はフィルター付き流体制
御装置の一実施例の上面図である。シリコンとガラス基
板の接合部が７１である。入力口７２から導入された液
体はフィルター７４を通して大きなゴミを止め流体抵抗
部７３が詰まらないようにする。フィルター７４は流体
抵抗部７３と比して、同サイズで流体抵抗が大きすぎな
いよう長さが極力短いのが望ましい。またフィルターの
製作工程はフォトパターンで流体抵抗部の形成と同じプ
ロセスで作ることが可能である。

【００３５】（実施例７）図７は実施例１に対してエッ
チング時間をコントロールして台形状の流路を形成した
場合の流量制御素子の正面図である。単結晶シリコン基
板８１は流体抵抗部８３を異方性エッチングにて形成し
ている。この場合、エッチング時間をコントロールする
ことにより任意の深さが選択可能なため、任意の流体抵
抗を選択することが可能である。そしてガラス基板８２
を単結晶シリコン基板に接合している。

【００３６】（実施例８）図８は（１１０）単結晶シリ
コン基板を用いて流量制御素子を作った例である。（１
１０）単結晶シリコン基板は異方性エッチングを行なう
と垂直方向に対して異方性を持つため、パターンに応じ
た穴が形成される。よって図８（ｂ）のように流量制御
素子９１に異方性エッチングにより流路９３が形成され
る。図８（ａ）はこれを３インチウエハーから取る場合
の例である。流路９３の大きさに応じて切断部９２が決
められる。この場合は単結晶シリコン基板のみで流量制
御素子を形成する。

【００３７】（実施例９）図９は流入口および流出口を
流路と反対の面に設けた流量制御素子を作った例であ
る。図９（ａ）は流路の断面図であり、（１００）単結
晶シリコン基板１０１には流路１０３、流入口１０４、
流出口１０５が形成され、ガラス基板１０２と接合され
ている。図９（ａ）のＡ−Ａ’断面図が図９（ｂ）であ
り、流出口１０５が設けられている。図９（ｃ）は流量
制御素子の切断後の断面図である。（１００）単結晶シ
リコン基板に設けられた流路１０３、流入口１０４、流
出口１０５はガラス基板１０２に接合されている。切断
前に保護シート１０６を流入口１０４および流出口１０
５を保護するよう貼り付ける。そして切断面１０７およ
び切断面１０８において切断をおこなう。その後に保護
シート１０６を剥し流量制御素子を完成する。

【００３８】なお、ここに示した例は一例に過ぎない。
ミゾについては複数本設けることも可能であり、また、
ガラス側にミゾをつけることも可能である。材料につい
ても単結晶シリコン−ガラスだけでなく、フィルム−金
属板などを利用することも可能である。

【００３９】

【発明の効果】

（１）以上記したように、本発明のバルーン流体吐出装
置に用いる流量制御素子は異方性エッチングを用いるこ
とにより現状の流量制御素子では得られなかった精度が
１ミクロン以下で、１０ミクロン以下の微小な口径の流
路を得ることが可能となる。管深さは幅に応じて得られ
るので、同様にプラスマイナス１ミクロン以下が得られ
る。よって管断面積としても同様に得られる。ハーゲン
ポワゼイユの式より管抵抗は管断面積と管長さに依存す
る。これにより同じ管抵抗を得るために管断面積を小さ
くし、管長さを短くできる。よって現状と比較して流量
制御素子の小型化が可能となる。

【００４０】（２）単結晶シリコン基板を用いると、３
インチ基板であれば同基板上にマスクパターンにより数
１００本の流量制御素子を同時に一括形成することが可
能であり、またＶミゾを形成する際には、パターン幅に
応じた一定の深さでエッチングが停止するため、エッチ
ング時間に依存せずに同じ製品が作製できる。よって、
ばらつきが少ない製品が作製できる。

【００４１】（３）接合後の基板の切断を流路部を残す
ようにして行なった場合、流路部を切り屑で汚染するこ
となく作製可能となり、また後工程で切り屑の洗浄が不
必要であり、また陽極接合までは通常クリーンルームで
行なう工程のためにゴミの少ない流路が作製可能であ
る。ゴミの少ない流路により均一の流体抵抗が得られる
ので、性能のよい流量制御素子を作製することが可能で
ある。

【００４２】（４）ガラス基板と単結晶シリコン基板の
接合の際に接着剤などを使用することなく接合している
ため、人体に薬液を注入する際でも害のない流量制御素
子が得られる。

【００４３】（５）複数本の入力口あるいは出力口を設
けることにより、一つの部品で簡便にある一定混合比の
得られる溶液をつくることが可能で、また入力口あるい
は出力口に３方弁を設けることで、溶液の種類や量を簡
便に選択することが可能となる。あるいは、３方弁によ
り流量を段階的に制御することが可能である。

【００４４】（６）複数本の流路抵抗の同じ流路を持つ
事により、流量の選択を簡便に１本の流量の整数倍で選
択可能となり、例えば電気回路により流路を選択するこ
とによりプログラム可能な分解能の高い流量制御をする
ことが可能となる。

【００４５】（６）フィルターを設けた流量制御装置に
おいては、溶液内などのゴミをあらかじめフィルター部
で取り除くことが可能となるため、流量制御素子が目詰
まりを起こすことなく、吐出することが可能となる。

【００４６】（７）（１１０）単結晶シリコン基板を用
いた流量制御素子においては、フォトマスク形状に応じ
た流路穴が形成可能であるため、基板に垂直方向に精度
よく流路穴を形成可能である。そのため、単結晶シリコ
ン基板のみで小口径で小型の流量制御素子が作製可能で
ある。

【００４７】（８）流入口および流出口を流路と反対の
面に設けた流量制御素子においては、切断時に保護シー
トにて流入口、流出口を保護するため、切断時の切り
屑、冷却水の流路への侵入がないため、流路を清浄な状
態に保てる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のバルーン流体吐出装置の流量制御素
子部の正面図、概略図。

【図２】 本発明の流量制御素子を組み込んだバルーン
流体吐出装置の一例の図。

【図３】 本発明の流量制御素子の製造方法の一例の
図。

【図４】 本発明の複数本の入力口と１本の出力口を持
つ流量制御素子の上面図、断面図。

【図５】 本発明の図４の流量制御素子に流路選択部を
設けたバルーン吐出装置の一例の図。

【図６】 本発明のフィルター部を設けた流量制御素子
の一例の図。

【図７】 本発明の異方性エッチングをコントロール
し、エッチング深さを調整した流量制御素子の一例の
図。

【図８】 本発明の（１１０）単結晶シリコン基板を用
いて異方性エッチングにより流量制御素子を形成する一
例の図。

【図９】 本発明の流入口および流出口を流路と反対の
面に設けた流量素子を設ける例の図。

【図１０】 バルーン流体吐出装置の従来例の図。

【符号の説明】

１１・・ガラス基板 １２・・（１００）単結晶シリコン基板 １３・・Ｖミゾ流路 ３１・・バルーン ３２・・カバー ３３・・ケース ３４・・流量制御素子 ３５・・出力口 ４０・・線 ４１・・単結晶シリコン基板 ４２、４４・・エッチングマスク用酸化膜 ４３・・流路形成部 ４５・・切断面のエッチング面 ４６・・流路 ４７・・切断部 ４８・・ガラス基板 ４９・・平行な面 ４１０・・垂直部 ５１、５２・・流路 ５３・・吐出口 ５４・・単結晶シリコン基板 ５５・・ガラス基板 ６１・・入力口 ６２・・三方弁 ６３、６４・・チューブ ６５・・丸い部分 ６６、６８・・流路 ６７・・接合部 ６９・・流出口 ６１０・・出口 ６１１・・ケース ７１・・接合部 ７２・・流入口 ７３・・流体抵抗部 ７４・・フィルター ８１・・単結晶シリコン基板 ８２・・ガラス基板 ８３・・流体抵抗部 ９１・・流量制御素子 ９２・・切断部 ９３・・流路 １０１・・単結晶シリコン基板 １０２・・ガラス基板 １０３・・流路 １０４・・流入口 １０５・・流出口 １０６・・保護シート １０７、１０８・・切断面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤森 孝良 長野県諏訪市大和３丁目３番５号 セイコ ーエプソン株式会社内

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 管抵抗により流体の流量を制御する流量
   制御素子と圧力を発生するバルーンを設けたバルーン流
   体吐出装置において、少なくとも一つの流路溝を設けた
   少なくとも１枚の流路基板と少なくとも１枚の保持基板
   を貼り合わせた流量制御素子を具備することを特徴とす
   るバルーン流体吐出装置。
2. 【請求項２】 前記流路基板が単結晶シリコン基板、前
   記保持基板がガラス基板である流量制御素子を具備する
   ことを特徴とする請求項１記載のバルーン流体吐出装
   置。
3. 【請求項３】 管抵抗により流体の流量を制御する流量
   制御素子と圧力を発生するバルーンを設けたバルーン流
   体吐出装置において、複数本の流路溝を設けた少なくと
   も１枚の流路基板が単結晶シリコン基板、少なくとも１
   枚の保持基板がガラス基板であり、該流路基板および該
   保持基板を陽極接合し、所望の形状および本数に分割し
   流量制御素子を製造することを特徴とするバルーン流体
   吐出装置の製造方法。
4. 【請求項４】 前記単結晶シリコン基板は（１００）単
   結晶シリコン基板であり、異方性エッチングによってＶ
   ミゾ状の該流路溝を形成した流量制御素子を具備するこ
   とを特徴とする請求項３記載のバルーン流体吐出装置の
   製造方法。
5. 【請求項５】 前記流路基板と前記保持基板の接合基板
   を分割する際、流路の断面方向の分割は流路部に至らな
   い深さに該保持基板を切削し、ブレークを行ない所望の
   形状および本数に分割した流量制御素子を具備すること
   を特徴とする請求項３記載のバルーン流体吐出装置の製
   造方法。
6. 【請求項６】 前記単結晶シリコン基板の流路部の分割
   線を該流路部の反対の面に該流路部に至らない深さのミ
   ゾを形成し、該分割線に沿ってブレークして分割した流
   量制御素子を具備することを特徴とする請求項３記載の
   バルーン流体吐出装置の製造方法。
7. 【請求項７】 前記請求項１記載のバルーン流体吐出装
   置において、前記流路基板に少なくとも２つの異なる大
   きさの流入口と、少なくとも１つの流出口を設けた流量
   制御素子および該流入口あるいは該流出口の選択手段を
   具備することを特徴とするバルーン流体吐出装置。
8. 【請求項８】 前記請求項１記載のバルーン流体吐出装
   置において、少なくとも２つの同じ大きさの流入口と１
   つ以上の流出口を設けた流量制御素子と該流入口あるい
   は該流出口の本数を選択する選択手段を具備することを
   特徴とするバルーン流体吐出装置。
9. 【請求項９】 前記流入口にフィルターを設けた流量制
   御素子を具備することを特徴とする請求項７あるいは請
   求項８記載のバルーン流体吐出装置。
10. 【請求項１０】 前記選択手段は３方弁からなることを
    特徴とする請求項７あるいは請求項８記載のバルーン流
    体吐出装置。
11. 【請求項１１】 管抵抗により流体の流量を制御する流
    量制御素子と圧力を発生するバルーンを設けたバルーン
    流体吐出装置において、１枚の基板に穴を設けた流量制
    御素子を具備することを特徴とするバルーン流体吐出装
    置。
12. 【請求項１２】 前記請求項１１記載のバルーン流体吐
    出装置の基板が（１１０）単結晶シリコン基板であり、
    穴を異方性エッチングにより形成した流量制御素子を具
    備することを特徴とするバルーン流体吐出装置の製造方
    法。
13. 【請求項１３】 前記請求項１１記載のバルーン流体吐
    出装置において、複数の流入口と該流入口に対応する複
    数の流出口を設けた流量制御素子と該流入口あるいは該
    流出口の選択手段を具備することを特徴とするバルーン
    流体吐出装置。
14. 【請求項１４】 前記請求項１記載のバルーン流体吐出
    装置において、流入口および流出口を該流路基板の該流
    路に対して反対の面に設けた流量制御素子を具備するこ
    とを特徴とするバルーン流体吐出装置。