JP2912372B2 - Liquid micro valve - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） この発明は、液体マイクロバルブとマイクロポンプに
関するものである。さらに詳しくは、この発明は、血液
のpHをモニタするシステムや、血液、尿、脳脊髄液など
の生体液中の極微量の生体物質を分離分析する液体クロ
マトグラフィーシステムに有用な超小型液体マイクロバ
ルブとマイクロポンプに関するものである。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a liquid microvalve and a micropump. More specifically, the present invention relates to a micro liquid microsystem useful for a system for monitoring the pH of blood and a liquid chromatography system for separating and analyzing a trace amount of biological substances in biological fluids such as blood, urine, and cerebrospinal fluid. It relates to valves and micropumps.

（背景技術） 血液のpHモニタシステムや化学分析用に用いられる液
体クロマトグラフは、すでに様々な方式と構成からなる
装置が開発され、実用に供されている。しかしながら、
これらはいずれもバルブやポンプなどの機構部や検知部
が大型となっており、測定試料がある一定量以上必要で
あるという制約があり、さらに測定時間がかかるという
問題があった。(Background Art) As for a liquid chromatograph used for a blood pH monitor system or a chemical analysis, devices having various systems and configurations have already been developed and put to practical use. However,
In each of these, the mechanism and the detection unit such as a valve and a pump are large, and there is a restriction that a measurement sample needs to be a certain amount or more, and there is a problem that a measurement time is further required.

特に、血液pHの常時モニタシステムや、血液、尿、脳
脊髄液などの生体液中の生体物質を分離・分析するシス
テムにおいては、極微量の測定試料を高速で測定できる
ことが不可欠である。しかしながら、現状のシステムに
おいては、この要求を満足することはできない。In particular, in a system for constantly monitoring blood pH and a system for separating and analyzing biological substances in biological fluids such as blood, urine, and cerebrospinal fluid, it is essential that a very small amount of a measurement sample can be measured at high speed. However, the current system cannot satisfy this requirement.

このような問題を解決するために、シリコン基板状に
ポンプやカラムを形成した超小型の集積化ガスクロマト
グラフィーが提案されているが、その用途はガス分析に
限定され、かつ、従来の微量ポンプでは脈動が大きく、
分析装置の検出器で雑音の原因となるなど、精度や分解
能の点で問題があり実用化はされていない。In order to solve such problems, ultra-compact integrated gas chromatography in which a pump or column is formed on a silicon substrate has been proposed, but its application is limited to gas analysis, and conventional micro pumps are used. The pulsation is large,
It has not been put into practical use due to problems in accuracy and resolution, such as causing noise in the detector of the analyzer.

シリコン基板上に、マイクロマシニング技術を用いて
マイクロバルブやマイクロポンプを形成する場合には、
液体分析用に用いるものはガス用に比較して高度な製造
技術が必要とされるため、さらに実用化は困難である。
その理由には以下のことがあげられる。第１に、液体は
気体に比べ粘性が高いため、液体用のバルブは気体用に
比べて流路やバルブ部分の抵抗を小さくする必要があ
り、それぞれの寸法を大きくしなければならない。第２
に、それに従ってバルブやそれを可動するアクチュエー
タの変位を大きくとることが必要であり、このような大
きな変位のもとで安定に動作するバルブやアクチュエー
タを選択することは簡単ではない。第３に、ポンプの場
合、逆流を防ぐための逆止弁が必要となり、安定に動作
するための材料選択や構造設計が極めて難しい。第４
に、流路やバルブの寸法が大きくなるために、強度の大
きな基板を用いる必要があり、かつ安全な気密性を有す
る基板間接合を開発することが必要となるが、これは、
いままで実現されてきていない。When forming microvalves and micropumps using micromachining technology on a silicon substrate,
Those used for liquid analysis require more advanced manufacturing techniques than those used for gas, and thus are more difficult to put into practical use.
The reasons are as follows. First, since liquid has a higher viscosity than gas, a liquid valve needs to have a smaller resistance in a flow path and a valve portion than a gas valve, and each of the dimensions must be increased. Second
In addition, it is necessary to increase the displacement of the valve and the actuator that moves the valve accordingly, and it is not easy to select a valve or an actuator that operates stably under such a large displacement. Third, in the case of a pump, a check valve for preventing backflow is required, and it is extremely difficult to select a material and design a structure for stable operation. 4th
In order to increase the dimensions of the flow path and the valve, it is necessary to use a substrate having a large strength, and it is necessary to develop a bonding between the substrates having a safe airtightness.
It has not been realized until now.

（発明の目的） この発明は、以下の問題点ならびに技術的な課題に鑑
みてなされたものであり、マイクロマシニン技術を用い
て形成した液体用のマイクロバルブあるいはマイクロポ
ンプを提供することを目的としている。さらにまた、こ
の発明は、極微量の生体液を高速で高精度に分析できる
システムをも提供するものである。(Object of the Invention) The present invention has been made in view of the following problems and technical problems, and an object of the present invention is to provide a microvalve or a micropump for a liquid formed using micromachining technology. And Furthermore, the present invention also provides a system capable of analyzing a very small amount of biological fluid at high speed and with high accuracy.

（発明の開示） この発明は、上記の目的を実現するために、液体の流
路とともに液体の導入出口穴を有するシリコン基板と、
液体の流路を有するシリコン基板あるいはガラス基板と
を気密接合した構造からなり、シリコンゴムシートの弁
と、この弁の開閉のためのアクチュエータを配設し、ア
クチュエータによって弁を導入出口穴に押し付けて閉
じ、アクチュエータが戻ることによって弁を開くことを
特徴とするノーマリオープン型またはノーマリクローズ
型の液体マイクロバルブを提供する。(Disclosure of the Invention) In order to achieve the above object, the present invention provides a silicon substrate having a liquid introduction / exit hole together with a liquid flow path,
It has a structure in which a silicon substrate or a glass substrate having a liquid flow path is air-tightly bonded, and a valve of a silicon rubber sheet and an actuator for opening and closing the valve are arranged. A normally-open or normally-closed liquid microvalve characterized by closing and opening a valve by returning an actuator.

また、この発明は、メサとダイアフラムを形成したシ
リコン基板、逆止弁、およびアクチュエータを配設した
液体マイクロポンプをも提供する。The present invention also provides a liquid micropump provided with a silicon substrate on which a mesa and a diaphragm are formed, a check valve, and an actuator.

以下、図面によりこの発明の液体マイクロバルブとマ
イクロポンプについて説明する。Hereinafter, a liquid microvalve and a micropump according to the present invention will be described with reference to the drawings.

第１図は、この発明の一例としてノーマリクローズ型
とノーマリオープン型のマイクロバルブの構造を例示し
たものである。この例においては、数100μｍのバルブ
の変位を実現させるために、形状記憶合金コイル（１）
とバイアスバネ（２）からなるアクチュエータ（３）を
配設している。FIG. 1 illustrates the structure of a normally closed type and normally open type microvalve as an example of the present invention. In this example, a shape memory alloy coil (1) was used to realize a displacement of the valve of several hundred μm.
And an actuator (3) comprising a bias spring (2).

この例の構造は、強度を大きくするためにアルミ板
（４）を支持材とし、その上部にエッチングあるいはサ
ンドブラスト法により形成した流路（５）を有するガラ
ス基板（６）と、エッチングの結晶軸異方性などの性質
を利用したマイクロマニシング技術により微細加工した
流路（７）と液体の導入出口穴（８）を有するシリコン
基板（９）とを気密接合させて流体の流路を形成しシリ
コンゴムシート（10）を接着し、これを弁とするととも
に、アルミ板（11）を補強板として積層し、さらに上記
のアクチュエータ（３）を配設したものである。The structure of this example is composed of a glass substrate (6) having an aluminum plate (4) as a support material for increasing strength, and having a flow path (5) formed thereon by etching or sandblasting, and a crystal axis of etching. A fluid flow path is formed by hermetically joining a flow path (7) finely processed by micromachining technology utilizing properties such as anisotropy and a silicon substrate (9) having a liquid inlet / outlet hole (8). A silicon rubber sheet (10) is adhered, and this is used as a valve, an aluminum plate (11) is laminated as a reinforcing plate, and the above-mentioned actuator (3) is provided.

パイレックスのガラス基板（６）とシリコン基板
（９）とは、完全気密接合とするために、350℃〜500℃
の加熱のもとにパイレックスガラス基板（６）をマイナ
ス側として、たとえば500Vの電圧を印加して陽極接合す
ることができる。Pyrex glass substrate (6) and silicon substrate (9) are 350 to 500 ° C in order to achieve perfect hermetic bonding.
Anode bonding can be performed by applying a voltage of, for example, 500 V with the Pyrex glass substrate (6) being on the minus side under the above heating.

第２図は、他の例の構造を例示したものである。パイ
レックスのガラス基板（12）（13）とシリコン基板（1
4）とを陽極接合して形成した液体の流路を有し、かつ
シリコンゴムシート（15）を弁としているアルミ板（1
7）およびアルミ板（16）を支持材としている。この例
では、アクチュエータ（18）をピエゾバイモルフ型とす
るところに特徴がある。これは、圧電効果を利用して変
形を与えるものであり、形状記憶合金アクチュエータに
比べ応答時間が約1/100で、消費電力も小さいという特
長がある。FIG. 2 illustrates a structure of another example. Pyrex glass substrate (12) (13) and silicon substrate (1
An aluminum plate (1) having a liquid flow path formed by anodic bonding with (4) and using a silicone rubber sheet (15) as a valve
7) and an aluminum plate (16) are used as support materials. This example is characterized in that the actuator (18) is of a piezo bimorph type. This provides deformation using the piezoelectric effect, and has the characteristics that the response time is about 1/100 and the power consumption is small as compared with the shape memory alloy actuator.

この第２図に示した例の場合にはノーマリオープン型
の構造を示しているが、同様な構造のままで、シリコン
ゴムシートを押し付けた状態でピエゾバイモルフを固定
し、電圧印加で逆方向に動かすようにすることにより、
ノーマリクローズ型とすることも容易に可能である。In the case of the example shown in FIG. 2, a normally open type structure is shown, but the piezo bimorph is fixed in a state where the silicon rubber sheet is pressed, and the reverse direction is applied by applying a voltage. By moving to
It is easily possible to use a normally closed type.

第３図は、この発明の例により得られた流量制御の状
態を示す特性図である。第３図（ａ）は、ノーマリオー
プン型であり、第３図（ｂ）はノーマリクローズ型の場
合を示している。数ml/minと極微量の流量制御が可能で
あることを示している。FIG. 3 is a characteristic diagram showing a state of flow control obtained by an example of the present invention. FIG. 3A shows a normally open type, and FIG. 3B shows a normally closed type. It shows that a very small flow rate control of several ml / min is possible.

第４図および第５図は、この発明の液体マイクロバル
ブの応用例を示す図である。第４図は血液pHモニタマイ
クロシステムの概略を示しており、第５図はその内部構
造を示している。4 and 5 are views showing an application example of the liquid microvalve of the present invention. FIG. 4 shows an outline of the blood pH monitor microsystem, and FIG. 5 shows the internal structure thereof.

このシステムにおいては、第４図に示したように、リ
ンゲル液（20）と校正液（21）を送り、また、留置針
（22）を通じて血液を流入させる。廃液は吸引ポンプ
（23）を通じて排出する。In this system, as shown in FIG. 4, a Ringer's solution (20) and a calibration solution (21) are fed, and blood flows through an indwelling needle (22). The waste liquid is discharged through the suction pump (23).

このシステムは、第５図に示したように、液体マイク
ロバルブ（24）（25）とpHセンサであるISFET（26）を
シリコン基板上に集積化したものであって比較電極（2
7）も備えており、血液を間欠的に体外に採取しpH分析
を行うものである。マイクロバルブ（24）はノーマリオ
ープン型、マイクロバルブ（25）はノーマリクローズ型
としている。通常、点滴液を体内に供給する装置の留置
針（22）の部分に取り付け、点滴液を体内に供給し測定
時のみ同じ針をを通じて血液を採取して分析を行うよう
に構成する。さらに、この構造の特長は、校正液（21）
を用いて測定の直前にセンサの校正を自動的に行う機能
を有していることであり、そのために１つのノーマリオ
ープン型のマイクロバルブ（24）と２つのノーマリクロ
ーズ型のマイクロバルブ（25）から構成され、留置針
（22）からの血液とリンゲル液（20）と校正液（21）の
流れを自由に変えることができることにある。As shown in FIG. 5, this system integrates a liquid microvalve (24) (25) and a pH sensor ISFET (26) on a silicon substrate,
7) is also provided, in which blood is intermittently collected outside the body for pH analysis. The microvalve (24) is a normally open type and the microvalve (25) is a normally closed type. Usually, it is attached to the indwelling needle (22) of the device for supplying the infusion liquid to the body, so that the infusion liquid is supplied into the body, and blood is collected through the same needle and analyzed only during measurement. Furthermore, the feature of this structure is that the calibration solution (21)
And a function for automatically calibrating the sensor immediately before the measurement by using the micro valve (24) and the two normally closed micro valves (24). 25), wherein the flow of blood, Ringer's solution (20) and calibration solution (21) from the indwelling needle (22) can be freely changed.

第６図は、この応用例であるpHモニタマイクロシステ
ムの動作特性を示したものである。１サイクルの測定に
要する時間が約20秒と非常に短縮されている。FIG. 6 shows the operating characteristics of a pH monitor microsystem as an application example. The time required for one cycle of measurement is greatly reduced to about 20 seconds.

第７図は、液体マイクロポンプの例を示したものであ
る。FIG. 7 shows an example of a liquid micropump.

これは、液体の導出口穴（30）を有し、シリコン基板
（31）との接合面に凹部（32）を有するガラス基板（3
3）と、液体の導入口穴（34）と導出口穴（35）を有す
るシリコン基板（31）と、マイクロマニシング技術を用
いて加工したメサ（36）とダイアフラム（37）を有する
シリコン基板（38）とを積層し、かつ完全気密となるよ
うに接合した構造からなる。液体の導入口穴（34）と導
出口穴（35）を有する中間層のシリコン基板（31）の液
体の出口側に相当する基板表面に、逆流を防ぐ逆止弁
（39）を有することを特徴とし、ダイアフラム（37）の
下部に配設されたアクチュエータ（40）によってダイア
フラム（37）を可動させ、それによって逆止弁（39）を
開閉させる。This is a glass substrate (3) having a liquid outlet hole (30) and a concave portion (32) on the joint surface with the silicon substrate (31).
3), a silicon substrate (31) having a liquid inlet hole (34) and a liquid outlet hole (35), and a silicon substrate having a mesa (36) and a diaphragm (37) processed using micromachining technology. (38) are laminated and joined so as to be completely airtight. A check valve (39) for preventing backflow is provided on the substrate surface corresponding to the liquid outlet side of the silicon substrate (31) of the intermediate layer having the liquid inlet hole (34) and the outlet hole (35). Characteristically, the diaphragm (37) is moved by an actuator (40) disposed below the diaphragm (37), thereby opening and closing the check valve (39).

また、液体の導入口穴（34）にも、逆止弁（41）を設
けている。用いたマイクロマニシング技術や陽極接合技
術は前述と同様である。さらに、シリコン基板間の接合
として低融点ガラスを一方の基板側にRFスパッタ法によ
り被覆した後、陽極接合する方法も適用できる。A check valve (41) is also provided in the liquid inlet port (34). The micromachining technology and anodic bonding technology used are the same as described above. Further, as a bonding between silicon substrates, a method in which a low-melting glass is coated on one substrate side by RF sputtering and then anodic bonding is also applicable.

この実施例では、積層型ピエゾアクチュエータを用い
ることができるが、変位の大きくとれる超小型アクチュ
エータであればどのような形態でも適用可能であること
はいうまでもない。In this embodiment, a laminated piezo actuator can be used, but it is needless to say that any form of micro actuator capable of obtaining a large displacement can be applied.

第８図は、この実施例に用いた超小型逆止弁の構造を
例示したものである。これは、４つの梁（42）で支えら
れた円盤状の多結晶シリコン膜（43）を用いたものであ
り、シリコン基板に形成された貫通穴を弁の両端の圧力
差により開閉させるものである。FIG. 8 illustrates the structure of the micro check valve used in this embodiment. This uses a disc-shaped polycrystalline silicon film (43) supported by four beams (42), and opens and closes a through hole formed in a silicon substrate by a pressure difference between both ends of a valve. is there.

弁部分の圧力損失や圧力−流量特性は、梁（42）の大
きさや円盤部分と貫通穴の寸法比により変化するが、た
とえば、多結晶シリコンの膜厚1.5μｍ、貫通穴の形状5
0×50μm2、円盤弁の半径r1200μｍ、梁の幅Ｗと長さＬ
がそれぞれ200μｍ、300μｍとすると、2kg/cm2の圧力
で150nl/minの流量を押し出すことができる。The pressure loss and pressure-flow rate characteristics of the valve portion vary depending on the size of the beam (42) and the dimensional ratio between the disk portion and the through hole.
0 × 50μm2, disc valve radius r1200μm, beam width W and length L
Is 200 μm and 300 μm, respectively, and a flow rate of 150 nl / min can be extruded at a pressure of 2 kg / cm 2.

この発明の超小型液体マイクロポンプの１つの応用例
として極微量測定・超高速液体クロマトグラフィーシス
テムが考えられる。As one application example of the microminiature liquid micropump according to the present invention, an ultra-minimum measurement / ultra-high performance liquid chromatography system can be considered.

（発明の効果） 以上のように、この発明により、様々な応用が期待さ
れる超小型・液体分析システムに有用な液体マイクロバ
ルブあるいは液体マイクロポンプが提供される。脈量を
小さくすることができ、また、集積化できることで配管
の無効体積の問題もない。差圧ポンプなどの流量計、圧
力計と一体化したり、別のポンプと一体化してデュアル
ポンプとして脈量をなくすこともできる。極微量の液体
サンプルの高速、高精度での測定が可能となる。(Effects of the Invention) As described above, the present invention provides a liquid microvalve or liquid micropump useful for an ultra-compact liquid analysis system expected to have various applications. Since the pulse volume can be reduced, and the integration is possible, there is no problem of the invalid volume of the piping. It can be integrated with a flow meter or pressure gauge such as a differential pressure pump, or can be integrated with another pump to eliminate the pulse rate as a dual pump. High-speed, high-precision measurement of a very small amount of liquid sample becomes possible.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第１図および第２図は、各々、この発明の液体マイクロ
バルブの例を示した断面図である。第３図（ａ）（ｂ）
は、このマイクロバルブの電圧−流量特性を示した相関
図である。 第４図および第５図は、この発明のマイクロバルブを用
いた血液pHモニタマイクロシステムについて示した斜視
図と断面図である。 第６図は、このシステムの動作特性図である。 第７図はこの発明の液体マイクロポンプの例を示した断
面図であり、第８図はこのマイクロポンプに用いる逆止
弁の例を示した平面図である。 １……形状記憶合金コイル ２……バイアスバネ ３……アクチュエータ ４……アルミ板 ５……流路 ６……ガラス基板 ７……流路 ８……導入出口穴 ９……シリコン基板 10……シリコンゴムシート 11……アルミ板 12、13……ガラス基板 14……シリコン基板 15……シリコンゴムシート 16、17……アルミ板 18……アクチュエータ 24、25……マイクロバルブ 26……ISFET 30……導出口穴 31……シリコン基板 32……凹部 33……ガラス基板 34……導入口穴 35……導出口穴 36……メサ 37……ダイアフラム 38……シリコン基板 39……逆止弁 40……アクチュエータ 41……逆止弁 42……梁 43……多結晶シリコン膜FIG. 1 and FIG. 2 are cross-sectional views each showing an example of the liquid microvalve of the present invention. Fig. 3 (a) (b)
Is a correlation diagram showing the voltage-flow characteristics of this microvalve. FIG. 4 and FIG. 5 are a perspective view and a sectional view showing a blood pH monitor microsystem using the microvalve of the present invention. FIG. 6 is an operation characteristic diagram of this system. FIG. 7 is a sectional view showing an example of a liquid micropump according to the present invention, and FIG. 8 is a plan view showing an example of a check valve used in the micropump. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Shape memory alloy coil 2 ... Bias spring 3 ... Actuator 4 ... Aluminum plate 5 ... Flow path 6 ... Glass substrate 7 ... Flow path 8 ... Inlet / outlet hole 9 ... Silicon substrate 10 ... Silicon rubber sheet 11 Aluminum board 12, 13 Glass substrate 14 Silicon substrate 15 Silicon rubber sheet 16, 17 Aluminum plate 18 Actuator 24, 25 Micro valve 26 ISFET 30 … Outlet port 31 …… Silicon substrate 32 …… Recess 33 …… Glass substrate 34 …… Inlet port 35 …… Outlet port 36 …… Mesa 37 …… Diaphragm 38 …… Silicon substrate 39 …… Check valve 40 ... Actuator 41 Check valve 42 Beam 43 Polycrystalline silicon film

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項１】液体の流路とともに液体の導入出口穴を有
するシリコン基板と、液体の流路を有するシリコン基板
あるいはガラス基板とを気密接合した構造からなり、シ
リコンゴムシートの弁と、この弁の開閉のためのアクチ
ュエータを配設し、アクチュエータによって弁を導入出
口穴に押し付けて閉じ、アクチュエータが戻ることによ
って弁を開くことを特徴とするノーマリオープン型また
はノーマリクローズ型の液体マイクロバルブ。1. A silicon rubber sheet valve having a structure in which a silicon substrate having a liquid flow passage and a liquid introduction / exit hole and a silicon substrate or a glass substrate having a liquid flow passage are hermetically bonded. A normally open or normally closed liquid microvalve, characterized in that an actuator for opening and closing the valve is disposed, the valve is closed by pressing the valve against the inlet / outlet hole by the actuator, and the valve is opened when the actuator returns. 【請求項２】形状記憶合金とバイアスバネまたはピエゾ
バイモルフからなるアクチュエータを配設した請求項
（１）記載の液体マイクロバルブ。2. The liquid microvalve according to claim 1, further comprising an actuator comprising a shape memory alloy and a bias spring or a piezo bimorph. 【請求項３】シリコン基板とガラス基板とを陽極接合法
により気密接合してなる請求項（１）記載の液体マイク
ロバルブ。3. The liquid microvalve according to claim 1, wherein the silicon substrate and the glass substrate are hermetically bonded by an anodic bonding method.