JPH07501124A - 微小機械式配量装置用の微小機械式弁 - 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】 微小機械式配量装置用の微小機械式弁 本発明は、実質的に、上下に設けられ分離不能に相互連結された少なくとも３つ の層からなり、この層が弁を制御するための操作要素に連結され、層が入口通路 と出口通路および入口小室と出口小室を形成するために偏平な構造部分を有し、 中間の層が入口と出口の間の分離層として設けられ、外側の層が下層または上層 として設けられている、微小機械式配量装置用の微小機械式弁に関する。

このような微小機械式弁は、医学技術において特に薬物を配量するために使用さ れるかあるいは実験分析技術において使用さね、更に自動車技術、宇宙飛行技術 または印刷技術において使用される。

多層構造の微小機械式弁が文献によって知られている。この弁は半導体技術でて 適用されるような製作技術で製作可能である。この弁は二つの圧力媒体接続部と 、その間に設けられた弁座を備えている。この弁座には閉鎖部材が付設されてい る。その際、閉鎖部材は電気的または熱的操作手段によって偏向可能であり、か つ閉鎖部材に固定連結された弾性的なダイヤフラムによって、電気的または熱的 操作手段に抗して動くことが可能である。弾性的なダイヤフラムは層の一つに統 合され、圧力媒体で付勢される室を画成している。圧力を平衡させるために、圧 力付勢されるダイヤフラムに対して反作用する圧力平衡面が設けられている。

しかしながら、この解決策によって、部分的な圧力平衡しか達成されず、完全な 圧力平衡は達成されない。なぜなら、相殺面積がつり合わせるべき面積よりもは るかに小さいからである。更に、弁隙間の大きな外周に基づいて、シールが良く ないという欠点がある。なぜなら、閉鎖部材がその全幅にわたって入口小室をシ ールしなければならないからである。更に、弁操作時に不安定な状態が生じる。

開放の瞬間に平衡面の下方で負圧が急激に低下するからである。その際発生する 動的な負荷は、弁座と平衡面の連結個所に作用する。これは弁の寿命に不利に作 用する。このような弁の製作は、コストが高く複雑な構造技術および組み立て技 術が必要である。この場合、許容誤差が非常に小さい。

そこで、本発明の課題は、信頼性が高く、動作が安定していると共に、媒体を微 量配量して可変の時間にわたって供給および遮断可能である微小機械式配量装置 用の微小機械式弁を開発することである。この場合、弁は、少ないエネルギーで 一様に制御することによって小型の効率的な駆動要素の使用を可能にし、必要ス ペースが狭くて済み、そして簡単な組み立て技術で製作可能であるように、構造 的に形成される。

この課題は本発明に従い、分離層が薄くて弾性的な弁ダイヤフラムとして形成さ れ、この弁ダイヤフラムの両側に、通路や小室を形成する、入口と出口用の構造 部分が加工されていることによって解決される。弁ダイヤフラムは中央の貫通部 を備え、その中央の範囲が上層に分離不能に連結され、かつ下層に分離可能に連 結され、それによって入口通路、入口小室、貫通部、開放状態での出口小室およ び出口通路を経て媒体が流れることが保証される。その際、操作要素は薄い駆動 ダイヤフラムとして形成された上層に設けられている。

本発明による解決策の他の実施形では、分離層の両側に、通路および小室を形成 する入口と出口用のすへての構造部分が加工され、それによってその図６ｈ＜重 なり、残りの層が弁ダイヤフラムを形成する。その際、入口小室は出口小室とほ ぼ同じ形および大きさを有する。

本発明の他の実施形では、入口小室が駆動ダイヤフラムと弁ダイヤフラムの間に 設けられ、出口小室が弁ダイヤフラムと下層の間に設けられている。入口通路と 出口通路は側方へずれて対向している。

更に、弁ダイヤフラムの中央範囲において、貫通穴として形成された貫通部の周 りに、少なくとも一つの連結要素が設けられ、駆動ダイヤフラムに分離不能に連 結され、この連結要素が入口小室内で駆動ダイヤフラムまで達している。出口側 で、ダイヤフラムの中央範囲に、弁壁力１通穴の周りに設けられ、この弁壁は非 操作状態で下層の内面に接触している。

他の実施形の場合には、弁壁の載置面と下層の内面の間に、酸化シリコンまたは 亜硝酸シリコンのような接着不可能な材料からなる薄い層が設けられている。

本発明の他の実施形では、下層、弁ダイヤフラムおよび駆動ダイヤフラムが特に 陽極ボンディングにより分離不能に互いに連結されている。その際、下層と駆動 ダイヤフラムは特に温度的に適合したガラス材料からなり、弁ダイヤフラムが半 導体シリコン基板からなっている。

本発明の他の実施形では、上層が半導体シリコン基板からなり、その外側の面に 操作要素用の凹部が加工され、残りの層が駆動ダイヤフラム面を形成し、入口小 室と出口小室の形と大きさが異なるように形成されている。その際、上層と分離 層はウェーハボンディングによって分離不能に連結され、分離層は陽極ボンディ ングによって下層に分離不能に連結されている。

操作要素として、特に駆動ダイヤフラムに取付けられた圧電ディスクの形をした 圧電ダイヤフラム要素、熱電式または静電式制御部材が設けられている。

次に、実施例に基づいて本発明の詳細な説明する。

図４は本発明による微小機械式弁の実施例の概略断面図、図２は本発明による弁 の他の実施例の概略断面図、図３は弁ダイヤフラムを入口側から見た図、そして 図４は弁ダイヤフラムを出口側から見た図である。

実施例は、特に医学技術の薬物微量配量分野で使用されるいろいろな弁を示して いる。その際、作用物質配量システムは、外科または内科的に、一定のプログラ ムに従って、制御されてまたは調節されて、治療に必要な量や質だけ並びに所定 の時間予定表に従って作用物質を投薬する。例えばインシュリン療法の場合に患 者の生理学的所与にできるだけ適合させることと、特に痛みを伴う療法の場合に 必要であるような最適な処置が、重要である。

その結果、特に使用される微小機械（マイクロメカニカル）式弁に関する高度な 要求、特にシステム信頼性、要素の一層の小型化、最適な材料の使用および少な いエネルギー消費に対する高度な要求がなされる。

図１において、本発明による微小機械式弁は上下に設けられ陽極ボンディングに よって分離不能に相互連結された３つの層からなっている。薄い駆動ダイヤフラ ム３として形成された上層と、下層１は両方共、熱的に適合するガラス材料で作 られている。駆動ダイヤフラム３の表面には、圧電要素の形をした操作要素４が 接着されている。この圧電要素は弁の制御を行う。

両層１．３は薄い弁ダイヤフラム２として形成された分離層に固定連結されてい る。この分離層は、半導体技術で知られているようなシリコン基板で作られてい る。分離層の両側には、通路および小室を形成するすべての構造部分が加工形成 されている。その際、図１の図示に相応して、圧電要素４の存効幅全体にわたっ て、駆動ダイヤフラム３の下方には入口小室５が設けられ、下層１の上方には出 口小室６が設けられる。両小室５．６の図心は上下に重なっている。分離層の作 用範囲の層厚は弁ダイヤフラム２として作用する。入口通路７は駆動ダイヤフラ ム３と弁ダイヤフラム２０間の側方に設けられ、出口通路８は向き合うようずら して弁ダイヤフラム２と下層ｌの間に設けられている。それによって、この側方 の入口と出口は複雑なシステム内での弁の使用を保証する。

図３．４に示すように、弁ダイヤフラム２は中央の貫通穴９と、入口側において この貫通穴９の周りにかつ互いに間隔をおいて設けられた円筒状の複数の連結要 素ＩＯを備えている。この連結要素は入口小室５を通過し、駆動ダイヤフラム３ に固定連結されている。出口側において貫通穴９０周りに弁壁１１が設けられて いる。この弁壁は閉鎖状態では下層１の内面に接触している。ボンディングプロ セスの間、弁壁１１が下層ｌに分離不能に連結されないようにするために、下層 １に接触する弁壁１１の面には、酸化シリコンからなる薄い層１２が塗布されて いる。それによって更に、弁は閉鎖状悪で確実にシールする。

弁の作用は次の通りである。静止状態では弁壁１１は出口小室内６で下層１に載 り、弁は閉じている。流入する媒体の圧力は、中央で互いに固定連結された駆動 ダイヤフラム３と弁ダイヤフラム２のほぼ同じ大きさの再圧力面に対して作用す る。それによって、入口圧力の圧力平衡が達成される。この圧力平衡は弁壁１１ の位置には左右されない。圧電要素４による制御によって、圧電要素４、駆動ダ イヤフラム３および弁ダイヤフラム２が曲がるかまたは弓形になり、弁１１は下 層１から離れ、入口小室５から出口小室６へ自由に流れる。それによって、弁の 開放状態は圧電要素の駆動電圧に依存する。駆動出力は開放状態で弁ダイヤフラ ム２を偏向させるのに必要な量に制限することができる。これは操作要素４の簡 単かつ小型の構造を可能にする。

図２には本発明による微小機械式弁の他の実施例が示しである。この場合、上層 がシリコン基板からなり、このシリコン基板の外側の面がら、作用する薄い駆動 ダイヤフラム面１３を除去加工することにより、駆動ダイヤフラム３と弁ダイヤ フラム２の面積の比を可変に形成することができる。この場合、凹部は同時に、 圧電ディスク４を収容するために役立つ。３枚の層の分離不能な連結は、上層を ウェーハボンディングによって分離層に連結し、この分離層を陽極接着によって 下層に連結することによって行われる。入口小室５と出口小室６はその寸法が異 なるように形成可能である。それによって、入口圧力の影響を完全に相殺するこ とができる。更に、構造的な変形例では、弁壁１１の位置を入口圧力に任意に依 存させることができる。

本発明による微小機械式弁によって、弁の開放の瞬間に、出口小室６内の負圧の 局部的な低下によって不安定な状態が生じることが回避される。なぜなら、媒体 は貫通穴９を経て初めて出口小室６に達するからである。弁の製作は普通の組み 立て技術的なコストで可能であり、使用される操作要素４は用途や必要なパラメ ータに応じて選択可能である。簡単な形で小型の圧電式、熱電式または静電式操 作要素４を使用することができる。

補正書の写しく翻訳文）提出書 （特許法第１８４条の８） 平成６年５月２０日

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. １．実質的に、上下に設けられ分離不能に相互連結された少なくとも３つの層か らなり、この層が操作要素に連結され、層が入口通路と出口通路または入口小室 と出口小室を形成するために偏平な構造部分を有し、中間の層が入口と出口の間 の分離層として設けられ、外側の層が下層および上層として設けられている、微 小機械式配量装置用の微小機械式弁において、分離層が薄くて弾性的な弁ダイヤ フラム（２）として形成され、この弁ダイヤフラムの両側に、通路や小室を形成 する、入口と出口用の構造部分が加工され、分離層が中央の貫通穴（９）を備え 、分離層の中央の範囲が薄い駆動ダイヤフラム（３，１３）として形成された上 層に分離不能に連結され、かつ下層（１）に分離可能に連結され、それによって 入口通路（７）、入口小室（５）、貫通穴（９）、開放状態での出口小室（６） および出口通路（８）を経て媒体が流れ、操作要素（４）が薄い駆動ダイヤフラ ム（３，１３）の外面に設けられていることを特徴とする微小機械式配量装置用 の微小機械式弁。
2. ２．請求の範囲第１項の微小機械式弁において、分離層の両側に、通路および小 室を形成する入口と出口用のすべての構造部分が加工され、その図心が重なるよ うに、弾性的な弁ダイヤフラム（２）が形成されることを特徴とする微小機械式 弁。
3. ３．請求の範囲第１項と第２項の微小機械式弁において、入口小室（５）と出口 小室（６）がほぼ同じ形および大きさを有することを特徴とする微小機械式弁。
4. ４．請求の範囲第１項から第３項までのいずれか一つの微小機械式弁において、 入口小室（５）が駆動ダイヤフラム（３）と弁ダイヤフラム（２）の間に設けら れ、出口小室（６）が弁ダイヤフラム（２）と下層（１）の間に設けられ、入口 通路（７）と出口通路（８）が側方へずれて対向していることを特徴とする徴小 機械式弁。
5. ５．請求の範囲第１項の微小機械式弁において、弁ダイヤフラム（２）の中央範 囲において、貫通穴（９）として形成された貫通部の周りに、少なくとも一つの 連結要素（１０）が駆動ダイヤフラム（３）に分離可能に連結され、この連結要 素が入口小室（５）内で駆動ダイヤフラム（３）まで達し、かつ互いに間隔をお いて設けられていることを特徴とする微小機械式弁。
6. ６．請求の範囲第１項と第５項の微小機械式弁において、弁ダイヤフラム（２） の中央範囲において、弁壁（１１）が貫通穴（９）の周りにしかも出口側に設け られ、この弁壁が非操作状態で下層（１）の内面に接触していることを特徴とす る微小機械式弁。
7. ７．請求の範囲第１項と第６項の微小機械式弁において、弁壁（１１）の載置面 と下層（１）の内面の間に、酸化シリコンまたは亜硝酸シリコンのような接着不 可能な材料からなる薄い層（１２）が設けられていることを特徴とする微小機械 式弁。
8. ８．請求の範囲第１項から第７項までのいずれか一つの微小機械式弁において、 下層（１）、弁ダイヤフラム（２）および駆動ダイヤフラム（３）が特に陽極ボ ンディングによって分離不能に互いに連結されていることを特徴とする微小機械 式弁。
9. ９．請求の範囲第１項から第８項までのいずれか一つの微小機械式弁において、 下層（１）と駆動ダイヤフラム（３）が特に温度的に適合したガラス材料からな り、弁ダイヤフラム（２）が半導体シリコン基板からなっていることを特徴とす る微小機械式弁。
10. １０．請求の範囲第１項の微小機械式弁において、上層が半導体シリコン基板か らなり、その外側の面に操作要素（４）用の凹部が加工され、残りの層が駆動ダ イヤフラム面（１３）を形成し、入口小室（５）と出口小室（６）の形と大きさ が異なるように形成されていることを特徴とする微小機械式弁。
11. １１．請求の範囲第１０項の微小機械式弁において、上層と分離層がウェーハボ ンディングによって分離不能に連結され、分離層が陽極ボンディングによって下 層に分離不能に連結されていることを特徴とする微小機械式弁。
12. １２．請求の範囲第１項から第１１項までのいずれか一つの微小機械式弁におい て、操作要素（４）として圧電ダイヤフラム要素が設けられ、この圧電ダイヤフ ラム要素が特に圧電ディスクの形をし、駆動ダイヤフラム（３）の外面にボンデ ィングされていることを特徴とする微小機械式弁。
13. １３．請求の範囲第１項から第１２項までのいずれか一つの微小機械式弁におい て、弁ダイヤフラム（２）を制御するために、熱電式または静電式ダイヤフラム 励起要素が駆動ダイヤフラム（３）に設けられていることを特徴とする微小機械 式弁。