JP3202643B2 - マイクロポンプおよびマイクロポンプの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は微小量な液体の高精
度な送液と同時に装置自体の小型化が不可欠である医療
分野や分析分野におけるマイクロポンプおよびマイクロ
バルブの構造および製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の医療分野、分析分野等で用いられ
るマイクロポンプとして、例えば特開平５−１６４０５
２号広報に記載される考案の場合、図２に示すようにケ
ーシリング２０の内部に、端面に液体吸引吐出部材２１
が接着されている固定された積層型圧電アクチュエータ
と端面に弁２３が接着されている二つの積層型圧電アク
チュエータ２２から構成されており、３つのアクチュエ
ータの駆動によって流路管口２４とポンプ室２５を介し
て送液を実現する構造となっている。

【０００３】また、特開平５−１６６９号広報にマイク
ロポンプの構造が開示されている。この発明は図３に示
すようにシリコン基板３１上の酸化膜の犠牲層上に金属
またはポリシリコンの薄膜３２を形成し、さらにエッチ
ングによって犠牲層を除去することにより金属またはポ
リシリコンのマイクロバルブを構成し、ガラス３３上に
設けた圧電素子３４によりポンプを構成することを特徴
としている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の２つの逆止弁を
有するマイクロポンプにおいては、図３に示すようにバ
ルブ部にアクチュエータが取り付けられていないため
に、主に受動的な逆止弁としか働かないために逆流を防
ぐ働きはするものの、バルブに高い背圧が働いた場合、
その圧力に耐えきれずに流れが生じてしまう可能性があ
り、またその構造上、常に一方向の送液しか実現するこ
とができないという問題点を有していた。

【０００５】また二つの受動的な逆止弁を実現する場
合、シリコン基板を２枚のガラス基板等で挟み込んだ形
で接合一体化する必要がある場合もあり、工程数が多く
なるという問題点があった。また図２のように積層型圧
電素子をアクチュエータとして能動的なバルブを製作し
た例もあるが、積層型圧電素子がある程度の厚みを有し
ているために小型化が不可能であった。そこで本発明
は、薄型化が可能な、圧電素子とシリコンダイアフラム
のユニモルフ構造によって駆動をおこなう能動的なバル
ブを二つ用いることにより、外圧の変化によらず常に一
定の吐出を実現でき、かつ双方向への送液が可能であ
り、一枚のシリコン基板と一枚のガラス基板の一回の接
合によって製作が可能であるマイクロポンプおよびマイ
クロバルブの実現を目的とする。また本発明ではすでに
流路口が存在している平面に対して新たに逆止弁を製造
する方法を提供し、上記のマイクロポンプに応用するこ
とによってさらに吐出効率の高いマイクロポンプを実現
することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決する手段】本発明ではマイクロマシニング
技術によって製作されたダイアフラムに対して、駆動源
としてユニモルフアクチュエータを用いることによって
薄型化を可能とし、シリコン基板の同一平面にバルブ部
ダイアフラムとポンプ部ダイアフラムを形成し、その面
をガラス基板と接合することによってマイクロポンプ内
部の閉じた空間を形成しているため、接合の工程数を一
度で済ませることが可能となった。

【０００７】また二つのバルブ部と一つのポンプ部をユ
ニモルフアクチュエータにより能動的に動作させること
によって双方向の送液を可能とし、パッキンの部分を接
合面よりも突出した構造とすることによってバルブ部ダ
イアフラムの剛性によってバルブに予圧を与え、通常時
においてバルブが閉の状態となるようにし、耐背圧性が
高くなる構造とした。

【０００８】さらに吐出口の存在している平面に対し、
犠牲層となる金属薄膜を全面に対して接合し、この吐出
口を完全に塞いだ状態の犠牲層を任意の形状にパターニ
ングすることによって犠牲層の不要な部分を取り除き、
このパターニングされた犠牲層を部分的に覆うようにシ
ール部を生成することによって犠牲層とシール部の2層
構造を実現し、さらにこの後に犠牲層を除去することに
よって逆止弁を形成し、マイクロポンプの性能改善をお
こなった。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明におけるマイクロポンプの
構造を図１に示す。二つのバルブダイアフラムと一つの
ポンプダイアフラムはシリコン基板１にエッチングによ
って形成され、各ダイアフラムに圧電素子３を貼り付け
ることによってユニモルフ式のアクチュエータを構成し
ている。シリコン基板１は流路として用いられる貫通穴
の形成されたガラス基板２と接合されており、バルブ部
ダイアフラムの剛性により、ポリイミドによって形成さ
れたパッキン４が貫通穴の存在するガラス基板２に押し
付けられ、通常時においてバルブが閉の状態を実現する
ことができる（図５）。また図６に示すように、吐出口
部にポリイミドによって構成される薄膜逆止弁９を取り
つけることも可能である。以下にこの発明の実施例を図
面に基づいて説明する。

【００１０】（実施例１）まず図４(a)のようなシリコ
ン基板１に対して、図４(b)のように熱酸化によって0.3
μｍの酸化膜５を形成する。これに対して片方の面にレ
ジストを塗布、パターニング後にレジストをマスクとし
て図４(c)のようにバッファフッ酸によるウェットエッ
チングをおこない、酸化膜５の一部を除去する。次にレ
ジストを全面的に剥離した後に、残された熱酸化膜をマ
スクとし図４(d)のようにTMAHによってシリコン基板１
のウェットエッチングをおこない、その後図４(e)のよ
うに酸化膜５をバッファーフッ酸によって全面剥離す
る。このエッチングされた酸化膜のパターンがマイクロ
ポンプの各ダイアフラムおよび流路の形状となるが、バ
ルブ部ダイアフラムには接合面と同じ高さの弁座をエッ
チングせずに残しておく。

【００１１】次に図４(f)のように再び熱酸化によって
全面に厚さ3μｍの酸化膜５を形成し、裏面にレジスト
塗布をおこない、両面アライナを用いてバルブ部および
ポンプ部のダイアフラムが表面と同じ位置になるよう
に、裏面に対してパターニングをおこなう。このレジス
トをマスクとしてバッファーフッ酸によって酸化膜５の
エッチングをおこない（図４(g)）、レジストの全面剥
離後、図４(h)に示すように水酸化カリウム溶液によっ
てシリコン基板１のエッチングをおこなう。エッチング
終了後に図４(i)のように酸化膜５をバッファーフッ酸
によって全面的に剥離するが、この水酸化カリウム水溶
液によるエッチング深さを調節することによって各ダイ
アフラムの厚みを任意に決定することが可能となる。続
いてこのようにシリコン基板１に形成されたバルブ部ダ
イアフラムの弁座に対し、ポリイミドによるパッキン４
の形成をおこなう。シリコン基板１の表面にポリイミド
を全面塗布した後にパターニングをおこない、バルブ部
ダイアフラムの弁座部にポリイミドによるパッキン４を
形成する（図４(j)）。このようにしてバルブのパッキ
ン部がシリコン接合面より突出した構造が実現されるこ
とになる。

【００１２】次にこのシリコン基板１に対するガラス基
板２の接合をおこなうが、ガラス基板には予めエキシマ
レーザによって直径600μｍの貫通穴が形成されてお
り、その位置はシリコン基板１の各パッキンと一致して
いる。このガラス基板２をパッキン４と貫通穴の位置が
一致するようにし、450℃、500Vの陽極接合によって接
合を実現する（図４(k)）。この時シリコン基板１にお
いて図５に示すように、接合面よりもパッキン４が突出
しているために、接合によってバルブ部ダイアフラムが
変形し、パッキンがガラス基板に押しつけられることに
よって各バルブは通常状態で閉の状態を保つことにな
る。この剛性の値はパッキン４のポリイミドの厚み、ま
たはバルブ部ダイアフラムの厚みによって任意に設定す
ることが可能であり、外圧に対するバルブの強さを自由
に調整することが可能となる。

【００１３】最後に図４(l)に示すように、圧電素子３
を裏面からバルブ部ダイアフラムとポンプ部ダイアフラ
ムに貼り付ける。この圧電素子３に電圧を加え素子を伸
長収縮させることにより、ユニモルフ構造によって各ダ
イアフラムの上下動作を実現する。バルブ部はすでに述
べたように、通常時で閉の状態となっているが、バルブ
部ダイアフラムを図面で上方向に動かすことによってバ
ルブの開状態が実現される。またポンプ部はポンプ部ダ
イアフラムを図面で上方向に動かすことによって液体の
吸引を、図面で下方向に動かすことによって吐出を実現
することができ、ポンプ部分とバルブ部分の駆動タイミ
ングを制御することによって、任意の方向への送液が可
能となる。

【００１４】このようなマイクロポンプは、シリコンダ
イアフラムと圧電素子のユニモルフ構造を用いているた
めに、非常に薄く製作することが可能である。同時に能
動的なバルブ構造であるために背圧に対して強い構造を
有し、双方向への送液が可能となる。またシリコン基板
とガラス基板の単純な２層構造で成り立っているため、
工程が少なく同時に精度の高い加工が可能である。

【００１５】（実施例２）まず図８ (a1)のようなシリ
コン基板１に対して、図８(b1)のように熱酸化によって
0.3μｍの酸化膜５を形成する。これに対して片方の面
にレジストを塗布、パターニング後、レジストをマスク
として図８(c1)のようにバッファーフッ酸によるウェッ
トエッチングをおこない、酸化膜５の一部を除去する。
次にレジストを全面的に剥離した後に、残された熱酸化
膜をマスクとし図８(d1)のようにTMAHによってシリコン
基板１のウェットエッチングをおこない、その後、図８
(e1)のように酸化膜５をバッファフッ酸によって全面剥
離する。このエッチングされた酸化膜のパターンがマイ
クロポンプの各ダイアフラムおよび流路の形状となる
が、吸入側バルブ部ダイアフラムには接合面と同じ高さ
の弁座をエッチングせずに残しておく。また吐出側バル
ブには圧電素子を取り付けず、逆止弁を利用するため、
アクチュエータのためのダイアフラムを形成する必要は
ない。

【００１６】次に、図８(f1)のように再び熱酸化によっ
て全面に厚さ3μｍの酸化膜５を形成し、裏面にレジス
ト塗布をおこない、両面アライナを用いてバルブ部およ
びポンプ部ダイアフラムが表面と同じ位置になるよう
に、裏面に対してパターニングをおこなう。このレジス
トをマスクとしてバッファーフッ酸によって酸化膜５の
エッチングをおこない（図８(g1)）、レジストの全面剥
離後、図８(h1)に示すように水酸化カリウム溶液によっ
てシリコン基板１のエッチングをおこなう。エッチング
終了後に図８(i1)のように酸化膜５をバッファーフッ酸
によって全面的に剥離するが、この水酸化カリウム水溶
液によるエッチング深さを調節することによって各ダイ
アフラムの厚みを任意に決定することが可能となる。続
いてこのようにシリコン基板１に形成されたバルブ部ダ
イアフラムの弁座に対し、ポリイミドによるパッキン４
の形成をおこなう。シリコン基板１の表面にポリイミド
を全面塗布した後にパターニングをおこない、バルブ部
ダイアフラムの弁座部にポリイミドによるパッキン４を
形成する（図８(j1)）。このようにしてバルブのパッキ
ン部がシリコン接合面より突出した構造が実現されるこ
とになる。

【００１７】続いて接合前のガラス基板上に薄膜逆止弁
の形成をおこなうが、ガラス基板には予めエキシマレー
ザによって直径600μｍの貫通穴が形成されており、そ
の位置はシリコン基板１の各パッキンと一致している。
この吐出口として用いられる貫通穴の開いたガラス基板
２上に犠牲層７となる金属薄膜を接合する。この犠牲層
の成膜方法としては蒸着やスパッタ、CVDなどを挙げる
ことができるが、図８(a2)のような貫通穴を有するガラ
ス基板に対して、貫通穴を覆うような成膜をおこなうこ
とは上記の方法では非常に困難である。そこで本発明で
は、アルミニウム箔を陽極接合によって基板に接合する
方法を提案する。ここでは犠牲層７として厚さ15μｍの
アルミニウム箔を用い、温度450℃でアルミニウム箔を
陽極、ガラス基板側を陰極とし、印可電圧400Vによって
陽極接合を実現した（図８(b2)）。

【００１８】続いて、このようにして生成されたアルミ
ニウムの犠牲層７を任意の形状にパターニングする必要
があるが、ここでは図８(c2)に示すようにレジスト６を
図７(a)のように幅1.0ｍｍの十字型に貫通穴が中心に位
置するようにパターニングし、露光、現像をおこなっ
た。そして図８(d2)に示すように、りん酸、硝酸、酢
酸、純水からなるエッチング液によってアルミニウム犠
牲層７のエッチングをおこなう。その後レジスト６を剥
離することによって、図８(e2)に示すような貫通穴を完
全に塞ぐような任意の形状の犠牲層７を生成することが
できる。このようにガラス基板２の貫通穴上に任意の形
状の犠牲層７を生成した後に、図８(f2)のように全面に
シール８となるポリイミドのコーティングをおこなう。
粘度15ｐｓで厚み10μｍのポリイミドの塗布をおこなえ
ば、厚み15μｍのアルミニウム箔の犠牲層７に対してス
テップカバレッジは十分に得ることができることが確認
されている。

【００１９】その後、図８(g2)のようにポリイミドのパ
ターニングをおこなうが、このポリイミドが犠牲層７を
完全に覆ってしまうと、犠牲層除去後も貫通穴が完全に
塞がれることになってしまうため、図７(b)に示すよう
にパターニング後のポリイミドは、ガラス基板表面とア
ルミニウム犠牲層の両方にまたがるような形状にする必
要がある。ここでは貫通穴が中心に位置するようにし
て、円形状にパターニングをおこなった。このようにア
ルミニウムの犠牲層７とポリイミドのシール８の2層構
造が形成された後に、図８(h2)のように犠牲層の除去を
おこなう。ここでは硫酸過酸化水素水を用いることによ
ってアルミニウム犠牲層７の除去をおこなった。シール
８として用いたポリイミドは硫酸過酸化水素水に対して
十分に強いため、短時間ならば問題が生じることなく犠
牲層を除去することが可能である。このようにして生成
された薄膜逆止弁は、ポンプ内部に圧力が働いた場合は
図７(c)のように密着していないガラス基板平面とシー
ルの間隙から流れを生じることが可能である。これとは
逆に吐出口内部が負圧となり外圧が逆止弁に働いた場
合、シールが圧力によってたわみ、吐出口を完全に塞ぐ
形状になるために逆方向の流れは生じることができな
い。

【００２０】また、ここでは貫通穴のあいたガラス基板
に対してアルミニウム箔を犠牲層として陽極接合する手
法を提示したが、ガラス基板にアルミニウム箔を陽極接
合した後にエキシマレーザによって非接合面から加工を
おこなうことによって、アルミニウム箔を破ることなく
ガラス基板だけに貫通穴を形成するという手法も可能で
ある。

【００２１】続いてシリコン基板上に形成されたダイア
フラム（図８(j1)）と薄膜逆止弁を形成したガラス基板
（図８(h2)）の陽極接合をおこなう。ここでは吸入口お
よび吐出口と貫通穴の位置が一致するようにして、450
℃、500Vで陽極接合を実現する（図８(a3)）。この時シ
リコン基板１において接合面よりもパッキン４が突出し
ているために、接合によってバルブ部ダイアフラムが変
形し、パッキンがガラス基板に押しつけられることによ
って吸入側バルブは通常状態で閉の状態を保つことにな
る。この剛性の値はパッキン４のポリイミドの厚み、ま
たはバルブ部ダイアフラムの厚みによって任意に設定す
ることが可能であり、外圧に対するバルブの強さを自由
に調整することが可能となる。

【００２２】次に圧電素子３を裏面から吸入側バルブ部
ダイアフラムとポンプ部ダイアフラムに貼り付ける（図
８(b3)）。この圧電素子３に電圧を印可し素子を伸長収
縮させることにより、ユニモルフ構造によって各ダイア
フラムの上下動作を実現する。吸入側バルブはすでに述
べたように、通常時で閉の状態となっているが、ダイア
フラムを図面で上方向に動かすことによってバルブの開
状態が実現される。またポンプ部はポンプ部ダイアフラ
ムを図面で上方向に動かすことによって液体の吸引を、
図面で下方向に動かすことによって吐出を実現すること
ができる。吐出された液体は、吐出口に取り付けられた
薄膜逆止弁の働きによってポンプ内部に戻ることがない
ために、結果として送液が実現できることになる。

【００２３】このようなマイクロポンプは、シリコンダ
イアフラムと圧電素子のユニモルフ構造を用いているた
めに、非常に薄く製作することが可能である。同時に吸
入側が能動的なバルブ構造であるために背圧に対して強
い構造を有し、シリコン基板とガラス基板の単純な２層
構造で成り立っているため、工程が少なく精度の高い加
工が可能である。

【００２４】（実施例３）まず、実施例１と同様の工程
を用いて一つのポンプ部ダイアフラムと二つのバルブ部
ダイアフラムをシリコン基板にエッチングによって構築
し、弁座部にはポリイミドによるシールを形成する（図
９(a1)〜(j1)）。また実施例２で示した工程を用いて、
貫通穴を有するガラスに対してポリイミドによる薄膜逆
止弁を形成する。ただし、この薄膜逆止弁は吐出口とし
て用いられる貫通穴に対して形成されることになる（図
９(a2)〜(h2)）。

【００２５】続いてダイアフラムの構築されたシリコン
基板と薄膜逆止弁が形成されたガラスを陽極接合によっ
て接合し（図９(a3)）、アクチュエータとして機能する
圧電素子を各ダイアフラムに貼りつける。これによっ
て、図９(b3)ような二つの能動的バルブを有し、かつ吐
出口には吐出液の戻りを防ぐ薄膜逆止弁を有したマイク
ロポンプが実現できる。

【００２６】このようなマイクロポンプは、シリコンダ
イアフラムと圧電素子のユニモルフ構造を用いているた
めに、非常に薄く製作することが可能である。また同時
に、二つの能動的なバルブを有しているため背圧に対し
て強い構造を有し、シリコン基板とガラス基板の単純な
２層構造で成り立っているため、工程が少なく同時に精
度の高い加工が可能である。また吐出口側に逆流を防ぐ
薄膜逆止弁を有しているため、一度ポンプ外に吐出され
た液体が内部に戻ることはなく、さらに効率の高い吐出
が実現できることになる。

【００２７】

【発明の効果】本発明のマイクロポンプは、シリコンダ
イアフラムと圧電素子のユニモルフ構造を用いているた
めに、非常に薄く製作することが可能であり、小型化が
容易という効果を有している。同時に能動的なバルブ構
造であるために背圧に対して強い構造であり、双方向へ
の送液が可能であるという効果を有する。またシリコン
基板とガラス基板の単純な２層構造で成り立っているた
め、工程が少なく精度の高い加工が可能であるという効
果がある。

【００２８】また薄膜逆止弁をこのマイクロポンプに応
用した場合、シリコンダイアフラムと圧電素子のユニモ
ルフ構造を用いているために非常に薄く製作することが
可能であり、小型化が容易であるという効果を有してい
る。また能動的なバルブ構造であるために背圧に対して
強い構造であり、シリコン基板とガラス基板の単純な２
層構造で成り立っているため、工程が少なく同時に精度
の高い加工が可能である。また吐出口に取り付けた逆止
弁よってマイクロポンプ自身の吐出効率が向上するとい
う効果も有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のマイクロポンプの構造を示す断面図で
ある。

【図２】従来のマイクロポンプの構造を示す断面図であ
る。

【図３】従来のマイクロポンプの構造を示す断面図であ
る。

【図４】本発明のマイクロポンプ製造方法を示す断面図
である。

【図５】本発明のバルブ構造を示す断面図である。

【図６】本発明の薄膜逆止弁を有したマイクロポンプの
断面図である。

【図７】本発明の薄膜逆止弁の構造を示す上面図であ
る。

【図８】本発明の薄膜逆止弁を有したマイクロポンプの
製造方法を示す断面図である。

【図９】本発明の薄膜逆止弁を有したマイクロポンプの
製造方法を示す断面図である。

【符号の説明】

１ シリコン基板 ２ ガラス基板 ３ 圧電素子 ４ パッキン ５ 酸化膜 ６ レジスト ７ 犠牲層 ８ シール ９ 薄膜逆止弁 ２０ ケーシリング ２１ 液体吸引吐出部材 ２２ 積層型圧電アクチュエータ ２３ 弁 ２４ 流路管口 ２５ ポンプ室 ３１ シリコン基板 ３２ ポリシリコン ３３ ガラス ３４ 圧電素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−149778（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−164052（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−194380（ＪＰ，Ａ) 特表 平５−502090（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F04B 43/00 F04B 9/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体の通過を制御する二つ以上のバルブ
   部と、 流体の吐出および吸引を実現し、前記バルブ部の中間に
   位置する少なくとも一つのポンピング部と、 前記バルブ部およびポンピング部を接続し流体が通過す
   る流路部を、同一の基板上に形成した基板Ａと、 流体が通過する少なくとも二つの流体出入口を形成した
   基板Ｂから構成されるマイクロポンプにおいて、 前記バルブ部およびポンピング部は、前記基板Ａに形成
   されたダイアフラムによって構成され、前記ダイアフラ
   ムはアクチュエータによって変形する構造となってお
   り、 前記バルブ部は、前記ダイアフラム中央部に弁座を有し
   ており、前記弁座上に形成されたポリイミドからなるパ
   ッキンが、前記基板Ａと前記基板Ｂの間に配置され、前
   記基板Ａと前記基板Ｂの接合面と、前記基板Ａ上の前記
   弁座が同一の高さに位置し、前記パッキンの厚み分だけ
   前記バルブ部における前記ダイアフラムがたわんでお
   り、前記基板Ｂ上の前記弁座と対向する位置に前記流体
   出入口が存在し、前記ダイアフラムの変形により前記パ
   ッキンが前記流体出入口と接触または非接触することに
   よって流体通過の開閉を実現し、 前記ポンピング部は、前記ダイアフラムの変形により前
   記基板Ａと前記基板Ｂの間に形成された空間の体積変化
   をおこなうことによって流体の吐出および吸引を実現
   し、 前記バルブ部および前記ポンピング部の動作を組み合わ
   せることによって、一方の流体出入口から他方の流体出
   入口への流体の移送をおこなうことを特徴とするマイク
   ロポンプ。
2. 【請求項２】 前記流体出入口の一つに逆止弁を有して
   いることを特徴とする請求項１記載のマイクロポンプ。
3. 【請求項３】 請求項１記載のマイクロポンプの製造方
   法において、 前記弁座上にフォトリソグラフィ技術を用いてポリイミ
   ドからなるパッキンを形成した後に、前記基板Aと前記
   基板Ｂを接合する工程を含むことを特徴とするマイクロ
   ポンプの製造方法。