JPH09503569A - マイクロダイヤフラムポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、マイクロダイヤフラムポンプであって、ポンプハウジング上側部分と、ポンプハウジング下側部分と、両ポンプハウジング部分の間に配置されたダイヤフラムとが設けられており、ポンプハウジング上側部分とポンプハウジング下側部分とダイヤフラムとが、一緒になってポンプ室と、２つの弁と、流れ通路とを形成している形式のものに関する。本発明の課題は、このような形式のポンプを改良して、少ない作業工程でしかも単純な構造で形成することのできるポンプを提供することである。この課題は、ポンプダイヤフラムに結合された加熱エレメントが設けられていることにより解決される。

Description

【発明の詳細な説明】 マイクロダイヤフラムポンプ 本発明は、請求項１の上位概念部に記載の形式のマイクロダイヤフラムポンプ に関する。 既に種々のマイクロダイヤフラムポンプが知られている。たとえば、Ｈ．Ｔ． Ｇ．ｖａｎ Ｌｉｎｔｅｌ、Ｆ．Ｃ．Ｍ．ｖａｎ ｄｅ Ｐｏｌ著の「ア・ピエ ゾエレクトリック・マイクロポンプ・ベースド・オン・マイクロマシニング・オ ブ・シリコン（Ａ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｉｃｒｏｐｕｍｐ ｂａｓ ｅｄ ｏｎ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ）」、セン サ・アンド・アクチュエータス（Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ ａｃｔｕａｔｏｒｓ ）、１５、１９８８年、第１５３頁〜第１６７頁およびＨ．Ｔ．Ｇ．ｖａｎ Ｌ ｉｎｔｅｌ、Ｍ．Ｅｌｗｅｎｓｐｏｅｋ、Ｊ．Ｈ．Ｊ．Ｆｌｕｉｔｍａｎ著の「 ア・サーモニューマチック・ポンプ・ベースド・オン・マイクロエンジニアリン グ・テクニクス（Ａ Ｔｈｅｒｍｏ−ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｐｕｍｐ ｂａｓｅ ｄ ｏｎ ｍｉｃｒｏ−ｅｎｇｅｎｅｅｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ」、セ ンサ・アンド・アクチュエータス（Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ ａｃｔｕａｔｏｒ ｓ）、Ａ２１〜Ａ２３、１９９０年、第１９８頁〜 第２０２頁に記載されているような、互いに異なる駆動形式を有する２つのポン プが公知である。第１のポンプは接着固定された圧電セラミックスを備えたポン プダイヤフラムを有しており、第２のポンプはポンプダイヤフラムの上方で、熱 供給時に膨張する空気容量の形のサーモニューマチック式の駆動装置を有してい る。両ポンプは一体に組み込まれた流入弁と流出弁とを有している。 別のマイクロポンプは、Ｒｏｌａｎｄ Ｚｅｎｇｅｒｌｅ、Ａｘｅｌ Ｒｉｃ ｈｔｅｒ著の「ミクロプンペン・アルス・コンポネンテン・ヒゥア・ミクロジュ ステーメ（Ｍｉｋｒｏｐｕｍｐｅｎ ａｌｓ Ｋｏｍｐｏｎｅｎｔｅｎ ｆｕｅ ｒ Ｍｉｋｒｏ ｓｙｓｔｅｍｅ」、フィジーク・イン・ウンゼラ・ツァイト（ Ｐｈｙｓｉｋ ｉｎ ｕｎｓｅｒｅｒ Ｚｅｉｔ）、第２４巻、１９９３年、第 ２号に記載されている。この公知のマイクロポンプも、やはり一体に組み込まれ た弁を有しており、ポンプダイヤフラムは静電気力によって変位される。 今日の公知先行技術を代表する前記マイクロダイヤフラムポンプの固定部分と 可動部分とは、主として基礎材料であるシリコンおよびガラスから製造されてい る。前記マイクロダイヤフラムポンプの弾性的な部分、つまり特にポンプダイヤ フラムおよび弁ダイヤフラムは、種々異なるエッチング法によって薄くエッチン グされる。最小ダイヤフラム厚さは２０ｍｍのオーダにある。上記公知のマイク ロダイヤフラムポンプでは、ダイヤフラムの厚さおよびガラスもしくはシリコン の材料特性が、ポンプ効率を制限する境界条件となっている。比較的大きなダイ ヤフラム直径においては、小さな変位しか可能にならない。その結果、このよう なポンプダイヤフラムでは、気体の圧送のために必要となる圧縮比を達成するこ とができない。さらに、弁ダイヤフラムのフレキシブル性、ひいては通過方向に おける圧力損失を小さく保持するためには、弁の直径が極めて大きく設定されな ければならない。 さらに別のポンプは、Ｒ．Ｒａｐｐ、Ｗ．Ｋ．Ｓｃｈｏｍｂｕｒｇ、Ｐ．Ｂｌ ｅｙ著の「コンツェプチオーン、エントビックルング・ウント・レアリジールン グ・アイナ・マイクロメンブランプンペ・イン・ＬＩＧＡ−テヒニク（Ｋｏｎｚ ｅｐｔｉｏｎ，Ｅｎｔｗｉｃｋｌｕｎｇ ｕｎｄ Ｒｅａｌｉｓｉｅｒｕｎｇ ｅｉｎｅｒ Ｍｉｋｒｏｍｅｍｂｒａｎｐｕｍｐｅ ｉｎ ＬＩＧＡ−Ｔｅｃｈ ｎｉｋ）」、ＫｆＫベリヒト（ＫｆＫ−Ｂｅｒｉｃｈｔ）、第５２５１号（１９ ９３年）に記載されている。このポンプは外部のニューマチック式アクチュエー タによって駆動され、かつガス状の媒体を圧送することができる。このポンプは 、チタンから成るポンプダイヤフラムと、チタンダイヤフラムおよびポリイミド ダイヤフラムから成る 弁とを有している。このポンプダイヤフラムはポンプ室の底部にまで変位され得 るので、高い圧縮比を有している。しかし、このポンプダイヤフラムを変位させ るためには、比較的高い圧力が必要とされ、このような高い圧力は組み込まれた アクチュエータによっては形成され得ない。さらに、製造時には全てのポンプが 個々に接着されなければならず、このことは高い手間を必要とする。このような ポンプの製造は、順次に実施されなければならない多数の個別ステップを必要と する。 本発明の課題は、冒頭で述べた形式のポンプを改良して、少数の作業工程を用 いるだけで単純な構造で形成することのできるポンプを提供することである。 この課題は、請求項１の特徴部に記載の構成により解決される。 請求項２以下には、本発明によるポンプの有利な構成が記載されている。 本発明によるポンプの特別な利点は、少数の製造ステップを用いて、しかもで きるだけ僅かな手間をかけるだけで、多数のポンプを平行して同時に製造するこ とが可能となる点にある。できるだけ僅かな製造手間は、ポンプの個別構成部分 、たとえばポンプハウジング、ポンプダイヤフラムおよび弁の製造にも、また１ つのステップにおける多数のマイクロ構成要素の同時でかつ正確な接着にも云え る。さらに、アクチュエー タ室の範囲にダイヤフラムを形成することに基づき、圧力損失も最小限に抑えら れている。 以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。 第１図は本発明によるポンプの概略的な横断面図、第２図はポンプを製造する ための型取り工具を示している。 第３図、第４図および第５図は、ポンプにおいて使用される弁を示している。 第６図、第７図、第９図、第１０図、第１１図および第１２図は、ポンプを製 造するための接着技術を説明するための概略図、第８図は加熱コイルを用いたダ イヤフラムの製造を例示するための概略図を示している。 マイクロポンプの構造、各構成要素の名称： 第１図には、マイクロポンプの基本構造が図示されている。２ｍｍの厚さを有 するポリイミドダイヤフラム３の上面はポンプハウジング上側部分１に接着され ており、ポリイミドダイヤフラム３の下面はポンプハウジング下側部分２に接着 されている。ポンプハウジングはポンプの非可動の機能要素を有している。これ らの非可動の機能要素としてはポンプハウジング上側部分１において、アクチュ エータ室１７と、種々の流れ通路６と、弁室８と、流入弁の弁座１０と、流出弁 の弁室１３と、流体入口５と、流体出口７と、接着剤 を充填するための連繋した中空室システム１９と、接着剤を充填するための装入 開口２０および流出開口とが設けられている。さらに、ポンプの電気的な接触接 続のための開口（図示しない）も設けられている。さらに、非可動の機能要素と しては、ポンプハウジング下側部分においてポンプ室１６と、弁とポンプ室との 間の流れ通路６と、流入弁の弁室９と、流出弁の弁座１４と、接着剤を充填する ための中空室システム１８と、接着剤入口２２と、接着剤出口２３とが設けられ ている。接着剤充填過程のための中空室１８，１９およびその他の中空室６，８ ，９，１２，１３，１６，１７は、複数のウェブ２４によって互いに仕切られて いる。これらのウェブ２４によって横方向構造体（ｌａｔｅｒａｌ．Ｓｔｒｕｋ ｔｕｒｅｎ）が形成され、構造高さが正確に規定される。ポリイミドダイヤフラ ム３は高い弾性率によりすぐれていて、アクチュエータ室１７の範囲にポンプダ イヤフラムを形成している。流入弁８，９，１０および流出弁１２，１２，１４ の範囲では、ポリイミドダイヤフラム３に各１つの孔１１，１５が設けられてい る。弁作用は、弁座とは反対の側に正圧が形成される場合にはダイヤフラムに設 けられた孔が扁平な弁座によって閉じられ、また逆に弁座の側に正圧が形成され る場合にはダイヤフラムが弁座から持ち上がって、ダイヤフラムに設けられた孔 が開放されて、通流が生ぜしめられることにより得ら れる。マイクロダイヤフラムポンプの駆動は、アクチュエータ室１７内に存在す る、ポリイミドダイヤフラムに被着された金属性の加熱コイル４によって加熱さ れる流体の熱膨張により行われる。 マイクロポンプの機能形式： 加熱コイル４に短い電流パルスが与えられる。この加熱コイル４は昇温し、ア クチュエータ室１７内の媒体にも、ポンプ室内の媒体にも、熱を放出する。アク チュエータ室１７およびポンプ室１６内にガス状の媒体が存在していると、加熱 により生ぜしめられる、アクチュエータガスの圧力上昇に基づきポンプダイヤフ ラムが変位される。ポンプダイヤフラム３の変位はポンプ室１６の容積を減少さ せると同時に、ポンプガスが加熱されることによりポンプ室１６内の圧力上昇を もたらす。アクチュエータ室１７内で、低い温度で沸騰する液状の媒体が使用さ れる場合、媒体の膨張は媒体の蒸発によって得られる。これによって、極めて高 いアクチュエータ圧を形成することができる。アクチュエータ室１７内で圧力上 昇が行われる結果、やはりポンプダイヤフラム３はポンプ室１６の方向に変位さ れる。いずれの場合にも、ポンプ輸送したい流体に生ぜしめられる圧力上昇は流 れ通路を介して弁に伝播され、その結果、ダイヤフラムは流入弁の範囲では、対 応する弁座１０に接触し、この弁を閉鎖する。それに対して、流出弁の範囲では ダイヤフラムが弁座１４か ら持ち上げられて、弁ダイヤフラムに設けられた開口を開放する。ポンプ媒体は 吐出される。 電流パルスの終了後に、熱伝導および熱放射により、アクチュエータ室１７内 の媒体の冷却が開始する。アクチュエータ室１７内にガス状の媒体が存在する場 合には、気体の法則に基づき、アクチュエータ室１７の内部の圧力と容積とが減 少する。蒸発された液体が存在する場合には、凝縮により再び出発状態に戻され る。ポンプダイヤフラムは再び出発位置に戻り、こうして、先に吐出されたポン プ媒体に基づきポンプ室１６と弁とに負圧を生ぜしめる。上記弁機能に基づき、 流出弁は閉鎖され、それに対して流出弁は開放されて、ポンプ媒体がポンプ室に 流入する。この過程は各ポンプサイクル毎に繰り返される。 直接にポンプダイヤフラムに被着された加熱コイルは、これによって得られる 簡単な製造法の利点の他に別の大きな利点を有している。第１に、加熱段階にお けるポンプハウジングへの熱伝達が最小限に抑えられている。第２に、アクチュ エータ媒体として低い沸点を有する液体が使用される場合に、圧送された媒体に 基づくアクチュエータ媒体の再凝縮が加熱コイルの個所で行われる。これにより 、次の加熱段階の開始時には加熱コイルがアクチュエータ液との最適な熱接触状 態にあることが達成される。 弁： 第３図には、弁の１実施例が示されている。この弁は、無支持状態に張設され たフレキシブルなダイヤフラム３から成っていることを特徴としている。このダ イヤフラムは中心の範囲に、マイクロ構造化された弁開口１１を有している。弁 開口１１およびダイヤフラム緊締部２５の輪郭は、第４図に例示したように円形 、楕円形または多角形によって描くことができる。第３図には、製造されたポン プに導入されるような弁の基本的な構造が示されている。ダイヤフラムの一方の 側には、平らな固定の弁座１０が設けられており、この弁座１０は弁ダイヤフラ ムに設けられた開口を少なくとも、ダイヤフラムと弁座との間の所要のシール面 の幅分だけカバーしている。弁座は、ダイヤフラムに結合された両ポンプ体のう ちの一方のポンプ体の一部である。遮断方向における弁のシール性は弁ダイヤフ ラムと弁座との重なり程度、表面粗さおよび特に弁ダイヤフラムのフレキシブル 性によって規定される。極めて薄いポリイミドダイヤフラムによって、不潔な条 件のもとでもシール作用を維持することができる。なぜならば、このダイヤフラ ムは、小さなダスト粒子を取り囲んで密着することができるからである。 弁座の高さによって、弁の開放特性および閉鎖特性を設定することができる（ 第５図参照）。第５図ａに示した実施例による弁の開閉特性では、ダイヤフラム 緊締部と弁座とが１つの平面に位置している。第５図 ｂには、高い弁座の実施例が示されている。この弁座は無負荷の状態においてダ イヤフラムを上方に湾曲させている。この場合、弁を開放するためには既にかな りの圧力差が必要となり、弁座は、通流方向においてこの圧力差が達成されるま で閉じたままとなる。所定の通流時における圧力降下、ひいては出力降下は第５ 図ａに示した実施例の場合よりも大きい。しかし、負荷交番時の逆流は比較的小 さな衝撃容積と、より強力に張設された無支持状態のダイヤフラムの比較的小さ なフレキシブル性とに基づき減少する。このような構成は、小さな容積流を大き な圧力差のもとで整流させたい場合または負荷交番周波数が高い場合に有利とな る。第５図ｃに示した実施例では、弁座の高さがダイヤフラム緊締部の平面に到 達しておらず、ダイヤフラムは無負荷の状態でその全面にわたって無支持状態に 張設されている。弁は通流方向において、第５図ａの実施例の場合よりも小さな 流れ抵抗を有しているが、しかし遮断方向においては所定の遮断圧が達成された 後でしか閉じない。このような弁座およびダイヤフラムの構成は、大きな容積流 を小さな圧力差のもとで整流させたい場合に有利となる。 接着： 上側のポンプハウジングと、ダイヤフラムと、下側のポンプハウジングとの個 別構成部分が慣用の形式で接着されると、つまり各個別構成部分に接着剤がディ スペンス、スクリーン印刷またはタンポン印刷のような技術によって塗布される と、既にマイクロ構造体自体のオーダと比較可能となり得る約１０μｍの厚さを 有する接着剤層が形成される。この場合、接着接合部厚さの高い製造誤差は回避 され得ない。このことは特にマイクロ弁の機能に対して不都合な影響を与える。 なぜならば、弁ダイヤフラムと弁座との間の所望の間隔を正確に維持することが できないからである。慣用の接着技術の別の欠点は、マイクロ構造体に対する、 接着剤の横分配の付加的な位置決めである。なぜならば、種々の範囲、つまりた とえば弁座および通路構造体が接着剤で湿潤されてはならないからである。つま り接着剤が被着されていると、接着部分の正確な相互位置決めや、引き続き行わ れる塗布汚れなしの接合に基づき、試料の取扱いに対して極めて高い要求が課せ られる。すなわち、位置決めされた２つの作業工程が必要となる。 請求項５に記載の接着技術は上記欠点の全てを克服し、しかもその単純性およ び少ない作業ステップ数に基づきマイクロ構造体の同時平行な接着のために好適 となる。この場合、既にマイクロ構造体の設計において、有効な接着を得るため の前提条件が得られる。基本思想は、多数のマイクロ構造体を有していてよい基 板にマイクロ構造体を取り囲むように凹面状の構造体を設けることである。この 凹面状の構造体は互いに連 繋しているかまたは部分連繋していてよく、しかもマイクロ構造体の機能範囲か ら一定の高さのウェブによって分離されている。この凹面状の構造体は、固有の 接着ステップにおいて接着剤を収容する役目を持っている。したがって、接着後 に接着剤はウェブによって分離された状態でマイクロ構造体を全周にわたって取 り囲むように位置する。接着剤は接合部分の機械的な結合の機能と、個々のマイ クロ構造体および接合部分同士のシールの機能とを引き受けて、内部応力弛緩過 程もしくは内部リラクセーション過程により、たとえば各接着部分の間の熱交換 に基づき生じる固有応力の低減のために働く。前記ウェブは、その高さに基づき 、接着接合部厚さの調節のための正確に再現可能な基準高さを規定し、かつ接着 過程時におけるマイクロ構造体への接着剤の流入を回避する役目を持っている。 第６図には、このようにして製造されたマイクロポンプのハウジング下側部分 の平面図が示されている。符号１８は凹面状の構造体を示しており、この凹面状 の構造体１８には接着剤が充填される。符号２４は接着範囲を仕切るウェブを示 しており、符号１６，９，６，１４はそれぞれ接着剤不含に維持されなければな らない機能範囲、つまりポンプ室、弁室、ポンプの流れ通路および弁座を示して いる。符号２２は、接着剤が流入する開口を示しており、符号２３は過剰接着剤 が再び流出し得るか、または過剰接着剤が別のマイク ロ構造体に流入し得る開口を示している。 第１２図には、２つのマイクロ構造体の間で接着剤を収容するための凹面状の 構造体の横断面図が示されている。符号２４は、接着剤範囲を固有のマイクロ構 造体から仕切るウェブを示している。符号２６，３１は局所的に関与した接着部 分を示している。第１２図ａに示した事例では、接着層高さがウェブ２４の高さ （＝基準高さ）に相当している。第１２図ｂでは、接着剤を収容するための凹面 状の構造体が、特に接着剤被覆のために働く大きな構造体高さ３６の範囲と、実 際の接着剤厚さの、接着剤に適合された正確な調節を可能にする低い構造体高さ の範囲とに分割されている。接着過程は、接着部分を互いに位置調整し（第７図 ａ）、引き続き緊締装置によって接着部分を位置固定する（第７図ｂ）ことによ り開始する。緊締装置による緊締により、一方の接合部分に設けられたウェブ２ ４は他方の接合部分に圧着され、これによって密な接触が保証されている。この 密な接触は両接合部分の所望の構造体間隔の正確な維持を可能にし、かつ実際の 接着プロセス時に十分なシールを提供する。位置調整過程および緊締過程は、接 着剤の存在なしに行われる。このことは、接着剤の取扱いによる問題が接着精度 に不都合な影響を与えないという利点を有している。実際の接着ステップ（第７ 図ｃ）では、接着剤が、接合により形成された中空構造体内に充填される。この 場合、接着剤入口２０と接着剤出口２１とを有するマイクロ構造体を個々に充填 するか（第６図参照）、または相応して準備された複数の中空室を有する多数の マイクロ構造体を通路システムを介して充填するか（第９図参照）、または１つ の完全な中空室システムを介して多数のマイクロ構造体を充填することができる （第１０図参照）。充填過程の経過は使用される接着剤の流体力学的特性に関連 している。充填を制御するためには、接着剤入口に密に装着されるカニューレを 介して接着剤を供給することができる。接着剤の粘度および湿潤性ならびに所望 の流入速度に応じて、接着剤は、流出開口から流出するまで正圧でマイクロ構造 体内に圧送される。このときに、接着剤流および接着剤分配は中空室システムの ジオメトリにより制御される。流れプロセスの別の制御は、流出開口２１を負圧 で負荷することにより行うことができる。このことは、完全な通路システムの構 造において均一な充填のための流体力学的な前提条件を十分に正確に考慮するこ とができない場合に特に必要となり得る。充填後に、接着剤の硬化が接着剤の規 格に応じて行われる。 このような手段のためには、許容可能な圧力でマイクロ通路およびマイクロ中 空室内に圧送することのできる、満足し得る付着力を有する全ての接着剤が適し ている。さらに接着剤の表面張力、ひいては接合部分との協働による毛管特性も 特に重要となる。高湿潤性 の接着剤は、極めて小さなギャップに侵入する特性を有している。したがって、 上で説明したように接着部分に導入される接着剤がｎｍ（ナノメータ）域の粗さ により、接着部分に押圧されたウェブの下を通って漏出する恐れが生じる。この ことは特にマイクロ構成部分の機能にとって望ましくない。一般にこのような望 ましくない効果は、接着剤が、接着中空室とは反対の側に向けられたウェブ縁部 を越えて流れて、接着剤不含の状態に維持したいマイクロ構造体を湿潤するよう なことがなければ、マイクロ構成部分の機能故障を生ぜしめる恐れはない。ウェ ブの下を通る接着剤の流入を完全に遮断したい場合には、ウェブ下方の完全なシ ールを生ぜしめる、位置調整されていない中間ステップにより接着プロセスを拡 張することができる。このためには、ウェブを有するマイクロ構造体がポンチ法 において、平らな基板に一定の厚さで塗布された、高粘性でかつ化学的に安定し た層と接触させられる。このような層は、たとえば接着後に溶剤を用いて再び残 分なしに洗出することのできる工業グリースである。ウェブが接着部分に押圧さ れると（第７図ｂ）、表面粗さのオーダで被着された層は接着剤不含の機能範囲 から接着中空室を完全にシールする。毛管作用による接着剤の侵入はもはや行わ れない。 さらに、処理温度が接合部分を破壊したり損なったりしない限りは、溶融接着 剤の使用も考えられる。こ の場合、接着部分は充填前に接着剤の処理温度にまでもたらされなければならな い。 また、２つよりも多い接着部分を接着に関与させることも可能である。このこ とは、たとえば第１１図に示した実施例におけるように第１の構造体２８，２６ を第２の構造体３１に接着させるために補助構造体３２が使用される場合に云え る。補助構造体３２に基づき、接着剤を供給したい範囲は、接着剤不含の状態に 維持されなければならない範囲から隔離され、各接着部分の間での所望の間隔が 正確に維持される。この補助構造体３２は１つまたは複数の部分から成っていて よい。また、この補助構造体３２は別個に導入されるか、または接着部分のうち の１つに一体に形成されていてもよい。 １実施例につき、マイクロポンプの各個別構成要素の製造を説明する： ３つの個別構成要素、つまり第１図に示したマイクロポンプにおけるポンプハ ウジング上側部分１、被着された金属構造体４を有するポンプダイヤフラム３お よびポンプハウジング下側部分２はそれぞれ別個に製造される。したがって、各 個別構成要素は組立前に検査することができる。 本体、成形挿入体、作業経過： ポンプハウジング上側部分１とポンプハウジング下側部分２とは、マイクロ構 造化された型取り工具を用 いてプラスチック加工法、つまり射出成形法および真空圧刻成形法により製造さ れる。第２図には、第１図のポンプハウジング上側部分１のための型取り工具の 構造が例示されている。プラスチック型取り装置に挿入するために準備された、 型取り面で研削されかつ研磨された黄銅から成る半製品は、硬質金属製のマイク ロフライス（直径：３００μｍ）を用いて構造化される。この半製品は請求項２ に記載の弁座のための構造を有していてもよいし、請求項１に記載のマイクロポ ンプの機能範囲と接着範囲とを隔離するための構造体を有していてもよい。ポン プハウジングが一定の幅（フライス幅）のウェブと少数の弁座とからしか成って いないことに基づき、成形挿入体は短い機械時間で単純なジオメトリの溝の形で フライス加工することができる。第１の型取り工具には、１２個のポンプハウジ ング上側部分１のための構造体が設けられており、第２の成形挿入体には、１２ 個のポンプハウジング下側部分２のための構造が設けられている。 プラスチックポンプ本体を製造するために、真空圧刻成形装置のパラメータも 、射出成形機のパラメータも、型取りされた部分の全厚さが１ｍｍとなるように 設定される。材料としては、プラスチックのポリスルホン（ＰＳＵ）（射出成形 機において）およびポリビニルジフルオリド（ＰＶＤＦ）（真空圧刻機において ）が使用される。上記材料は高い化学的耐性、透光性 および耐熱性によりすぐれている。全てのプラスチックの、ポンプ運転のために 不都合な材料特性は、金属や半導体に比べて低い熱伝導率である。プラスチック 製のポンプハウジングを使用する結果は、ポンプの運転時に導出される熱出力が 同じ厚さの金属から成るポンプハウジングに比べて小さくなり、ひいては過剰加 熱を回避するためにポンプを小さな出力で運転することができることである。ポ ンプハウジングの全厚さを極めて小さく設定し、かつ高い熱伝導率のベース基板 に対する集中的な熱コンタクトと、場合によってはヒートシンクとを形成するこ とにより、不都合を回避することができる。層厚さの減少は型取りパラメータの 設定、超音波フライスを用いた後加工またはプラズマエッチングステップにより 行うことができる。流体入口および流体出口（第１図の符号５，７）、接着剤供 給部および通気部（第１図の符号２０，２１，２２，２３）のための孔ならびに 電気的な一貫した連続接触接続のための孔は、まだ成形挿入体の設計には考慮さ れておらず、あとから直径０．４５ｍｍおよび０．６５ｍｍのドリルを用いて穿 孔される。 製造過程ＰＩ，Ｔｉ： マイクロポンプのコア部分は、直接に被着された加熱コイルを有するポリイミ ドシートである。多数の個別ポンプのために唯一つのマスクを用いてリソグラフ により構造化されるポリイミドシートは、個々のポン プダイヤフラムの役目も、弁ダイヤフラムの役目をも引き受ける。ポリイミドシ ートには、薄膜技術の方法を用いて導電性の層が被着される。この層は個々のポ ンプダイヤフラムの範囲で構造化されて加熱コイルを形成する。加熱コイルの電 気的な接続のためのコンタクト面は、それぞれポンプダイヤフラムの外側に位置 している。次に、構造化されたポリイミドシートおよび加熱コイルの製造プロセ スを、製造されたポンプの実施例につき詳しく説明する（第８図参照）。薄膜プ ロセスのための支持基板としては、１００ｍｍの直径を有するシリコンウェーハ が使用される。ポリイミドシートは第１の接着後にウェーハから分離されなけれ ばならないので、薄い金から成る分離層２７がウェーハにスパッタリング被覆さ れる（第８図ａ）。５ｍｍの縁部３３はスパッタリングプロセスの間、ウェーハ を円形に取り囲むようにカバーされ、これによりこの場所でシリコン基板に対す るポリイミドの付着が維持され、ひいてはウェーハからのポリイミドシートの早 期の剥離が阻止される。引き続き（第８図ｂ）、シバガイギ（ＣＩＢＡ−ＧＥＩ ＧＹ）社のフォト構造化可能なポリイミド・プロビミデ（Ｐｒｏｂｉｍｉｄｅ） ４０８のポリイミド層２８が、ラッカースピン塗布器によって３μｍの厚さにま でスピン塗布されて、熱処理ステップで乾燥させられる。乾燥させられたラッカ ー層は引き続き、コンタクト法で紫外線３４で照射さ れる。使用されるポリイミドがネガラッカーであるので、このために使用される クロムマスク２９により、ポリイミドシートを残したい範囲は照射され、現像時 に溶出させたい範囲は遮蔽される。この、現像時に溶出させたい範囲は弁１５の 孔および種々の位置調整マークとなる。続いて、ポリイミドの現像および真空炉 中でのポストベークが行われる（第８図ｃ）。 ポリイミドの構造化後に、チタン層３０がマグネトロンスパッタリングによっ て２μｍの厚さで被着され、これによりポリイミドに対する良好な付着を有する 加熱コイル１５が構造化される。チタン層３０はポジラッカーＡＺ４２１０によ るリソグラフ処理および引き続き行われる、フッ化水素酸含有の溶液中でのエッ チングプロセスにより構造化される。使用されるフォトラッカーの照射は、ポリ イミド層に設けられた位置調整マークと、チタン層を構造化するためのマスクに 設けられた位置調整マークとにより位置調整されて行われる。第８図ｅには、補 助基板に設けられた、完成したダイヤフラム構造が示されている。 チタン層を製造する際にスパッタリングパラメータ（温度、バイアス電圧、ガ ス流およびプラズマを発生させる電力）は、チタンに内部引張応力が形成される ように調節される。したがって、加熱コイルはチタン層に応じて、同じく引張応 力を受けている。加熱コイル４とポリイミドダイヤフラム３との複合体をシリコ ンウェーハ２６から剥離させた後に、ポリイミドよりもはるかに高い弾性モジュ ールを有するチタンはポリイミドシートと共に収縮する。ポリイミドシートはこ のときに圧縮される。被着された加熱コイルのこのような形状付与に基づき、ポ ンプダイヤフラムが引張応力を有しないだけではなく、垂れ下がることも達成さ れる。このように垂れ下がったポンプダイヤフラムを変位させるためには、ほと んどエネルギを使用しなくて済む。加熱コイルが二重渦巻き体として形成される と、基板の引き離し後に加熱コイルの応力減少により、加熱コイル長さの減少が 得られる。これによりジオメトリの法則に基づき、ポリイミドダイヤフラムの内 側に設けられた範囲は、弾性的な材料延伸に比べて大きな、中心へ向かう半径方 向移動を受けるようになる。このような移動はダイヤフラムの湾曲を生ぜしめる 。ダイヤフラムの湾曲は、接線方向の配向の別の任意の構造体がダイヤフラムを 取り囲むように設けられるか、またはダイヤフラム自体に設けられることによっ ても達成することができる。このような構造体とは、閉じた円形体または中断さ れた円形体、閉じた多角形体または中断された多角形体または螺旋状に配置され た、閉じた多角形体または中断された多角形体であってよい。 直接に加熱コイルに被着された加熱コイルは２つの大きな利点を有している。 つまり第１に、加熱段階に おいてポンプハウジングへの熱伝達が最小限に抑えられる。第２に、アクチュエ ータ媒体として低い沸点を有する液体が使用される場合に、圧送された媒体によ るアクチュエータ媒体の再凝縮が加熱コイルの個所で行われる。これにより、次 の加熱段階の開始時では、加熱コイルがアクチュエータ液との最適な熱接触状態 にあることが達成される。 ダイヤフラム材料としてポリイミドを使用する代わりに、別のプラスチックま たは金属を使用することもできる。ただし、金属ダイヤフラムの場合には、ダイ ヤフラムと加熱コイルとの間に付加的な電気絶縁層が設けられなければならない 。 マイクロダイヤフラムの組立て： こうして製造された個別構成要素、すなわちポンプハウジング上側部分、ポン プハウジング下側部分およびチタン加熱コイルを備えたポリイミドダイヤフラム は、欠陥の有無を検査され、次いで接着できる状態となる。上記３つの個別構成 要素は前記２つの接着過程（第７図）により互いに接着される。このためには、 簡単な装置３５が使用される。接着部分はこの装置３５に挿入されて、互いに位 置調整され、引き続き互いに緊締される。第１の接着過程では、シリコン基板２ ６に設けられたポリイミドシートが、特にアクチュエータ室と全てのポンプ接続 部とを有するポンプハウジング上側部分１と接着される（第７図ａ〜第７図ｃ） 。マイクロポンプの無支持状態のダイヤフラム範囲においてさらに応力を減少さ せるためには、位置調整、張設および接着剤充填が約１００℃で行われる。ＰＳ ＵもしくはＰＶＤＦから成るポンプハウジングはシリコン基板よりも著しく高い 熱膨張率を有しているので、既に接着部分の横寸法は、１００℃にまで一緒に加 熱された後ではじめて完全に互いに正確に嵌合するように互いに調和されている 。室温では、基板２６に設けられたダイヤフラムと加熱コイルの構造寸法が、ポ ンプハウジングの対応する寸法よりも大きく形成されている。接着が行われた後 に接着部分が再び室温にまで冷却されると、プラスチックポンプハウジングの収 縮によりダイヤフラムの圧縮が行われる。 １５０℃で接着部を完全に硬化させた後に、連繋した、接着固定されたポンプ ハウジング上側部分１を備えたウェーハは緊締装置３５から取り出され、ポリイ ミドシートは方形のプラスチック部分を円形に取り囲むように切り込まれる。冷 却が進行するにつれて、ポリイミドシートは切り込まれた縁部から出発して、プ ラスチック部分、つまりポンプハウジング上側部分１の、冷却に基づく収縮によ って助成されて自動的にシリコンウェーハから剥がれる（第７図ｄ）。 続いて、第２の接着ステップにおいて、ポンプハウジング下側部分２が同様に してダイヤフラム面と接着される（第７図ｅおよび第７図ｆ）。ポンプの運転を 開始するためには、所要の電気接続部および流体接続部が設けられ、ポンプは個 別化される。 上記ポンプは１５Ｖの電圧および３Ｈｚの周波数で運転される。電圧はそれぞ れ５８ｍｓで印加される。平均的に供給される電力は０．２７Ｗである。２６ｍ ｌ／分の空気圧送速度が測定される。ポンプダイヤフラム３がポンプ室１６の底 部にまで変位することは肉眼でもはっきりと認めることができる。また、ポンプ ダイヤフラムの運動と同期化された、弁ダイヤフラムの開閉も顕微鏡で観察され る。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９６年１月２５日 【補正内容】 請求の範囲 １．マイクロダイヤフラムポンプであって、ポンプハウジング上側部分と、ポ ンプハウジング下側部分と、両ポンプハウジング部分の間に配置されたダイヤフ ラムとが設けられており、ポンプハウジング上側部分とポンプハウジング下側部 分とダイヤフラムとが、一緒になってポンプ室と、２つの弁と、流れ通路とを形 成しており、しかもダイヤフラムがポンプ室の範囲でポンプダイヤフラムを形成 しており、ダイヤフラムが弁の範囲で弁機能のそれぞれ一部を引き受けており、 さらにポンプダイヤフラムのための駆動装置が設けられている形式のものにおい て、ポンプダイヤフラム（３）に結合された加熱エレメント（４）が設けられて おり、さらに各ポンプハウジング部分（１，２）に１つまたは複数の互い接続さ れた溝システムが設けられており、該溝システムが、ダイヤフラムに向かって開 いていて、接着剤で完全に充填されていることを特徴とするマイクロダイヤフラ ムポンプ。 ２．加熱エレメント（４）が、電気的に加熱可能な加熱コイルとして形成され ている、請求項１記載のマイクロダイヤフラムポンプ。 ３．ポンプダイヤフラムと弁ダイヤフラムとが、唯一つの連繋した構造体の一 部である、請求項１または２記載のマイクロダイヤフラムポンプ。 ４．弁が、両ポンプハウジング部分（１，２）に構造化された弁座（１０，１ ４）と、ダイヤフラムに設けられた孔（１１，１５）とから形成されている、請 求項１から３までのいずれか１項記載のマイクロダイヤフラムポンプ。 ５．両ポンプハウジング部分にそれぞれ１つまたは複数の互いに接続された、 ダイヤフラムに向かって開いた溝システムを設けて、請求項１から４までのいず れか１項記載のマイクロダイヤフラムポンプを製造するための方法において、次 の方法ステップ： ａ）一方または両方のポンプハウジング部分（１，２）とダイヤフラム（３）と を位置調整し、位置調整されたこれらの構成部分を押し合わせ、この場合、溝シ ステムとダイヤフラムとから、それ自体密な連繋した中空室システムを形成し、 ｂ）該中空室システムを接着剤で完全に充填する を実施することを特徴とする、マイクロダイヤフラムポンプを製造するための方 法。 ６．複数のポンプを同時に製造する、請求項５記載の方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヴォルフガング ケラー ドイツ連邦共和国 Ｄ−76707 ハムブリ ュッケン ブーヘンヴェーク 10 (72)発明者 ディーター ザイデル ドイツ連邦共和国 Ｄ−76344 エッゲン シュタイン−レオポルツハーフェン ヴュ ルッテムベルガーシュトラーセ １ (72)発明者 ディーター マース ドイツ連邦共和国 Ｄ−68723 オフター スハイム アウグスタシュトラーセ 44

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．マイクロダイヤフラムポンプであって、ポンプハウジング上側部分と、ポ ンプハウジング下側部分と、両ポンプハウジング部分の間に配置されたダイヤフ ラムとが設けられており、ポンプハウジング上側部分とポンプハウジング下側部 分とダイヤフラムとが、一緒になってポンプ室と、２つの弁と、流れ通路とを形 成しており、しかもダイヤフラムがポンプ室の範囲でポンプダイヤフラムを形成 しており、ダイヤフラムが弁の範囲で弁機能のそれぞれ一部を引き受けており、 さらにポンプダイヤフラムのための駆動装置が設けられている形式のものにおい て、ポンプダイヤフラム（３）に結合された加熱エレメント（４）が設けられて いることを特徴とするマイクロダイヤフラムポンプ。 ２．加熱エレメント（４）が、電気的に加熱可能な加熱コイルとして形成され ている、請求項１記載のマイクロダイヤフラムポンプ。 ３．ポンプダイヤフラムと弁ダイヤフラムとが、唯一つの連繋した構造体の一 部である、請求項１または２記載のマイクロダイヤフラムポンプ。 ４．弁が、両ポンプハウジング部分（１，２）に構造化された弁座（１０，１ ４）と、ダイヤフラムに設けられた孔（１１，１５）とから形成されている、請 求項１から３までのいずれか１項記載のマイクロダイ ヤフラムポンプ。 ５．両ポンプハウジング部分にそれぞれ１つまたは複数の互いに接続された、 ダイヤフラムに向かって開いた溝システムを設けて、請求項１から４までのいず れか１項記載のマイクロダイヤフラムポンプを製造するための方法において、次 の方法ステップ： ａ）一方または両方のポンプハウジング部分（１，２）とダイヤフラム（３）と を位置調整し、位置調整されたこれらの構成部分を押し合わせ、この場合、溝シ ステムとダイヤフラムとから、それ自体密な連繋した中空室システムを形成し、 ｂ）該中空室システムを接着剤で完全に充填する を実施することを特徴とする、マイクロダイヤフラムポンプを製造するための方 法。 ６．複数のポンプを同時に製造する、請求項５記載の方法。