(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力の変動により上下動する弾性ダイヤフラムと、当該弾性ダイヤフラムを支持する支持基板と、当該支持基板を保持する保持基板と、前記弾性ダイヤフラム又は保持基板に設けられ、かつ流体の制御を行う弁シール部を備えた弁突起と、を具備してなるマイクロバルブであって、静止状態の時に、前記弁シール部と、前記弾性ダイヤフラム又は前記保持基板との間に、所定の隙間を設けたマイクロバルブ。
【請求項２】
圧力の変動により上下動する弾性ダイヤフラムと、当該弾性ダイヤフラムを支持する支持基板と、当該支持基板を保持する保持基板と、前記弾性ダイヤフラム又は保持基板に設けられ、かつ流体の制御を行う弁シール部を備えた弁突起と、を具備してなるマイクロバルブであって、前記弁シール部は、前記保持基板又は弾性ダイヤフラムとの接触部の幅が５０μｍ以下であるマイクロバルブ。
【請求項３】
前記弁突起は、その先端に前記弁シール部を備え、当該先端と基端との間に段差が形成されてなる請求項２記載のマイクロバルブ。
【請求項４】
前記支持基板、弾性ダイヤフラム、弁突起及び弁シール部が、一体のシリコン基板から構成され、前記保持基板がガラス基板から構成されてなる請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のマイクロバルブ。
【請求項５】
前記支持基板及び弾性ダイヤフラムが、一体のシリコン基板から構成され、前記保持基板、弁突起及び弁シール部が、一体のガラス基板から構成されてなる請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のマイクロバルブ。
【請求項６】
圧力の変動により上下動する弾性ダイヤフラムと、当該弾性ダイヤフラムを支持する支持基板と、当該支持基板を保持する保持基板と、前記弾性ダイヤフラムに設けられ、かつ流体の制御を行う弁シール部を備えた弁突起と、を具備してなるマイクロバルブの製造方法であって、
被加工基板の一方の面の、前記弾性ダイヤフラムの中央部となる部分を除く領域に第１の保護膜を形成し、当該第１の保護膜をマスクとして、前記被加工基板の一方の面に、第１のエッチングを行う工程と、
前記被加工基板の他方の面の、前記支持基板となる部分に、第２の保護膜を形成する工程と、
前記第１の保護膜の、前記支持基板及び弁シール部となる領域以外に形成されている部分を除去する工程と、
前記除去が行われた第１の保護膜と、第２の保護膜をマスクとして、前記被加工基板に第２のエッチングを行う工程と、
前記第２のエッチングを行った後、前記弁シール部となる領域に形成されている第１の保護膜を除去し、残された第１の保護膜をマスクとして前記被加工基板の一方の面に第３のエッチングを行い、前記弾性弾性ダイヤフラム及び弁突起を形成する工程と、
前記第３のエッチングを行った後、前記第１の保護膜及び第２の保護膜を除去し、弁シール部上又は保護基板の当該弁シール部が接合可能な部分に、非接合膜を形成する工程と、
前記被加工基板の他方の面から前記第２の保護膜を全て除去した後、この面に保護基板を電気的な導通が可能に接合する工程と、
前記非接合膜を形成した後、前記被加工基板の一方の面に、入力口が貫通形成された保護基板を電気的な導通が可能に接合する工程と、
を備えてなるマイクロバルブの製造方法。
【請求項７】
圧力の変動により上下動する弾性ダイヤフラムと、当該弾性ダイヤフラムを支持する支持基板と、当該支持基板を保持する保持基板と、前記弾性ダイヤフラムに設けられ、かつ流体の制御を行う弁シール部を備えた弁突起と、を具備してなるマイクロバルブの製造方法であって、
被加工基板の一方の面の前記弾性ダイヤフラムの中央部となる部分を除く領域に、第１の保護膜を形成し、当該第１の保護膜をマスクとして、前記被加工基板の一方の面に、第１のエッチングを行う工程と、
前記被加工基板の他方の面の前記支持基板となる部分に、第２の保護膜を形成する工程と、
前記第１の保護膜の、前記支持基板及び５０μｍ以下の幅を有する弁シール部となる領域以外に形成されている部分を除去する工程と、
前記除去が行われた第１の保護膜と、第２の保護膜をマスクとして、前記被加工基板に第２のエッチングを行い、前記弾性ダイヤフラム及び弁突起を形成する工程と、
前記第２のエッチングを行った後、第１の保護膜及び第２の保護膜を全て除去し、前記弁シール部又は保護基板の当該弁シール部が接合可能な部分に、非接合膜を形成する工程と、
前記第１の保護膜及び第２の保護膜の全てを除去した後、前記被加工基板の他方の面に前記保護基板を電気的な導通が可能に接合する工程と、
前記非接合膜を形成した後、前記被加工基板の一方の面に、入力ロが貫通形成された保護基板を電気的な導通が可能に接合する工程と、
を備えてなるマイクロバルブの製造方法。
【請求項８】
前記第２のエッチングを行った後、前記弁シール部となる部分に形成された第１の保護膜を５０μｍ未満の幅で残して、当該弁シール部となる部分に形成された第１の保護膜を除去し、次いで、残きれた第１の保護膜をマスクとしてエツチングを行う工程をさらに備えてなる請求項７記載のマイクロバルブの製造方法。
【請求項９】
前記被加工基板が単結晶シリコン基板である請求項６ないし請求項８のいずれか一項に記載のマイクロバルブの製造方法。
【請求項１０】
圧力の変動により上下動する弾性ダイヤフラムと、当該弾性ダイヤフラムを支持する支持基板と、当該支持基板を保持する保持基板と、前記弾性ダイヤフラムに設けられ、かつ流体の制御を行う弁シール部を備えた弁突起と、を具備してなるマイクロバルブの製造方法であって、
第１の被加工基板の一方の面の前記支持基板となる領域に、第１の保護膜を形成し、当該第１の保護膜をマスクとして、前記第１の被加工基板の一方の面に第１のエッチングを行う工程と、
前記第１の被加工基板の他方の面の、前記弾性ダイヤフラムの中央部となる部分を除く領域に第２の保護膜を形成する工程と、
前記第１の保護膜及び第２の保護膜をマスクとして、前記弾性ダイヤフラムの中央部が開口されるまで前記第１の被加工基板に第２のエッチングを行う工程と、
第２の被加工基板の一方の面の前記保護基板及び弁突起となる領域に第３の保護膜を形成し、当鼓第３の保護膜をマスクとして前記第２の被加工基板に第３のエッチングを行い、前記弁突起を形成する工程と、
前記第１の被加工基板の前記弁シール部が接合可能な部分又は当該弁シール部上に、非接合膜を形成する工程と、
前記第２の被加工基板に入力ロを貫通形成する工程と、
前記第２のエッチングが行われた第１の被加工基板の前記他方の面に、前記第３のエッチングが行われ、かつ前記入力ロが形成された第２の被加工基板の前記一方の面を、電気的な導通が可能に接合する工程と、
前記第１の被加工基板の一方の面に保護基板を電気的な導通が可能に接合する工程と、
を備えてなるマイクロバルブの製造方法。
【請求項１１】
前記第１の被加工基板の他方の面と、前記第２の保護膜との間に非接合膜を形成し、この非接合膜を選択的にエッチングすることにより、前記第１の被加工基板の前記弁シール部が接合可能な部分に、当該非接合膜を残存させる請求項１０記載のマイクロバルブの製造方法。
【請求項１２】
前記第１の被加工基板が、単結晶シリコン基板からなり、前記第２の被加工基板が、ガラス基板からなる請求項１０又は請求項１１に記載のマイクロバルブの製造方法。
【請求項１３】
入力弁を備えた入力部と、駆動ダイヤフラムを備えた駆動部と、出力弁を備えた出力部と、を備えたマイクロポンプであって、前記入力弁が、請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のマイクロバルブからなるマイクロポンプ。
【請求項１４】
前記入力弁、前記駆動ダイヤフラム及び前記出力弁は、単結晶シリコン基板を一体形成してなる請求項１３記載のマイクロポンプ。
【請求項１５】
入力弁を備えた入力部と、駆動ダイヤフラムを備えた駆動部と、出力弁を備えた出力部と、を備えたマイクロポンプの製造方法であって、請求項６ないし請求項１２のいずれか一項に記載の製造方法により、前記入力弁を製造するマイクロポンプの製造方法。
【請求項１６】
流体を収容するタンクと、当該タンクに接続されかつ前記流体を吸引・吐出する請求項１３又は請求項１４に記載のマイクロポンプと、当該マイクロポンプを駆動させる駆動手段と、当該駆動手段を制御する制御手段と、を備えてなる装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
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、流体の流量を制御するマイクロバルブ及びその製造方法に関するものである。また、このマイクロバルブが組み込まれたマイクロポンプ及びその製造方法に関する。さらにこのマイクロポンプを用いた装置に関する。
背景技術
従来のマイクロバルブ及びマイクロポンプとしては、例えば、特開平３−１９９６８２号公報に記載されているように、シリコン薄膜板上に入力弁及び出力弁を設け、この両弁の間に駆動ダイヤフラムを形成し、この駆動ダイヤフラムがガラス基板と陽極接合するように構成されている。また、このマイクロポンプからバルブ部のみを取り出し、マイクロバルブとして使用することも可能である。
また、図１６は、マイクロバルブを組み込んだ従来のマイクロポンプを示す図であり、(a)は底面図、(b)は静止状態における(a)のＡ−Ａ断面図、(c)は吸引状態における(a)のＡ−Ａ断面図である。
図１６(a)及び(b)に示すマイクロポンプは、シリコン基板８１に、出力弾性ダイヤフラム８１１が設けられた構造を備えている。出力弁は、駆動弾性ダイヤフラム８１０の上下運動に応じて出力弁突起８１５と、弁の働きをする出力シール部８１２とから構成されている。駆動弾性ダイヤフラム８１０は、それ自身とその上面に電極を介して接着された圧電素子８５とに電界を加えることにより、上下にたわむように設計されている。入力弁は、入力ダイヤフラム８７、入力弁突起８１５、入力弁シール部８８、穴８９から構成されている。入口８６から浸入した流体は、穴８９を抜け、入力弁シール部８８、チャンバー８１４、出力シール部８１２を経て出口８１３から吐出される。シリコン基板８１には、ガラス基板８２、８３及び８４が接合されている。
一方、図１６(c)に示すマイクロポンプは、圧電素子８５に電圧を加えて駆動弾性ダイヤフラム８１０を上方に押し上げている。したがって、チャンバー８１４内は負圧となり、入力弾性ダイヤフラム８７を上方に押し上げる力が生じる。これと同時に、入力弁シール部８８が上方に持ち上げられ、入口８６から流体を吸引する。
前記のようなマイクロポンプに使用される弁シール部を形成する際に使用されるマスクパターンとしては、例えば、特公昭４５−１７９８８号公報に記載されたものがある。このマスクパターンの所望位置には、補正パターンが形成されており、これによって、高精度なパターニングが行える。図１７は、この公報に記載されたマスクパターン（破線で示す）及びこれによってパターニングされた弁シール部（実線で示す）の底面図である。なお、図１７に示す弁シールは、いずれもシリコン基板をエッチングすることにより形成（パターニング）されるが、一般的にエッチングとしては、エッチング面の平滑性を考慮して異方性エッチングが行われる。ここで、代表的なエッチャントとしては、例えば、ＫＯＨ溶液やＴＭＡＨ溶液が知られている。なお、弁シール部９３、９１０及び９１１は、同じ形状を有している。
図１７(a)に示すマスクパターンの符号９１で示される補正パターン部分とマスクとしてエッチングされる部分は、サイドエッチングにより４５度の角度で後退し、エッチング後は、符号９４で示される形状となる。また、マスクパターンの符号９５で示される補正パターン部分をマスクとしてエッチングされる部分は、エッチング液の組成によるが、サイドエッチングにより約２７度の角度で後退し、エッチング後は、符号９２で示される形状となる。なお、符号９３は、弁シール部を示す。
図１７(b)も同様に、補正パターン部分９６及び９７が形成されたマスクパターンにより、弁シール部９１０を形成する。また、図１７(c)も同様に、補正パターン部分９８及び９９が形成されたマスクパターンにより、弁シール部９１１を形成する。
しかしながら、これらの弁シール部を形成する際に行うサイドエッチングでは、部位によってシリコン基板のサイドエッチング角度が異なるため、弁シール部には、幅の広い部分と狭い部分とが形成される。したがって、全体として均一な幅を備えた弁シール部を形成することができないという問題がある。特に、エッチングの深さが深くなると、それに伴ってサイドエッチングも大きくなるため、弁シール部の幅が、その機能に支障をきたすほど狭くなる部分が生じるという問題がある。このため、現状では、弁シール部に幅が十分に広い部分を作ることで対処している。なお、本発明において、「弁シール部の幅」とは、弁シール部と、保持基板あるいは弾性ダイヤフラムとの接触部の幅のことをいうものとする。
ここで、マイクロバルブにおいて、弁シール部に太い幅の部分があると、流路抵抗が大きくなるため、圧力損失が大きくなる、流速が遅くなる等の欠点が生じる。また、急激な圧力変化によって弁が開閉した際には、弁シール部と保持基板との間の圧力が急激に変化するため、気泡が発生するという問題もある（キャビテーション現象）。具体的には、例えば、図１６に示すマイクロバルブの場合、入力弾性ダイヤフラムが押し上げられる（持ち上がる）瞬間に、入力弁シール部８８は急激に負圧になる。このため、ある一定以上の幅を有する弁の場合（例えば、６０μｍ幅を超えるような場合）において、常温で入力弁シール部８８部分にて気泡が発生した。特に、このようなキャビテーション現象は、高温時において頻発する傾向にある。
また、特に、異方性エッチングにより弁を形成する場合には、サイドエッチングによって弁幅が狭い部分と広い部分とができやすく、弁シール部の形状が弁の深さ（エッチング深さ）によって決定され、ある一定値以下の弁シール部幅が形成できないという問題がある。具体的には、例えば、弁の深さを４０μｍにすると、通常のＫＯＨ溶液等で異方性エッチングを行うと、最大幅約４０μｍ以下の弁が形成できない。マイクロポンプにおいては、流路抵抗が大きいと、プライミング時の流速が出ないために気泡が抜きにくく、また、圧電素子駆動時の減圧により気泡が発生するため、チャンバー内に気泡がたまり、吐出流量が減少し、最後には吐出できなくなってしまうという問題がある。
発明の開示
本発明は、このような従来の問題点を解決するためになされたものであり、通常の環境下は勿論のこと、高温環境下における駆動時にもキャビテーション現象が発生せず、常に安定した流量を得ることができるマイクロバルブ、及びこのマイクロバルブを製造する方法を提供するものである。
また、このマイクロバルブを用いたマイクロポンプ及びその製造方法を提供するものである。
さらにまた、このマイクロポンプを用いた医療機器及び分析機器を提供するものである。
本発明は、圧力の変動により上下動する弾性ダイヤフラムと、当該弾性ダイヤフラムを支持する支持基板と、当該支持基板を保持する保持基板と、前記弾性ダイヤフラム又は保持基板に設けられ、かつ流体の制御を行う弁シール部を備えた弁突起を具備してなるマイクロバルブであって、静止状態の時に、前記弁シール部と、前記弾性ダイヤフラム又は前記保持基板との間に、所定の隙間を設けたマイクロバルブを提供するものである。このマイクロバルブは、前記隙間の存在によって、気泡が発生することがないとともに、流体抵抗が小さくなるため、流速を速くすることができる。
前記隙間は、０．２μｍ以上、１０μｍ以下とすることが好ましく、さらに好ましくは、１μｍ〜５μｍとすることがよい。このようにすることで、マイクロバルブとしての機能に支障を来すことなく、一層流体抵抗が小さく、気泡の発生が起こりにくいマイクロバルブを提供することができる。
また、本発明に係るマイクロバルブは、圧力の変動により上下動する弾性ダイヤフラムと、当該弾性ダイヤフラムを支持する支持基板と、当該支持基板を保持する保持基板と、前記弾性ダイヤフラム又は保持基板に設けられ、かつ流体の制御を行う弁シール部を備えた弁突起を具備してなるマイクロバルブであって、前記弁シール部は、前記保持基板又は弾性ダイヤフラムとの接触部の幅が５０μｍ以下であるマイクロバルブを提供するものである。これによって、マイクロバルブの流体抵抗が小さくなるため、動作時に負圧が急激にかかっても気泡が発生することを制御することができるとともに、流速を速くすることができる。
また、前記接触部の幅は、０．２μｍ〜２０μｍとすることが、さらに好ましい。
前記接触部の幅が５０μｍを超えると、マイクロバルブとしての機能に支障をきたすことなく、前記流体抵抗を目標値まで小さくすることができず、マイクロバルブの動作時に負圧が急激にかかった際に、気泡が発生することを抑制することが困難となる。また、流速を速くすることも困難となる。
そしてまた、前記弁突起の先端に前記弁シール部を備え、当該先端と基端との間に段差を形成することで、前記弁突起をより小さく構成することができるため、弁突起の強度が高いマイクロバルブが得られる。この段差は、１０μｍ以下にすることができ、さらに望ましくは、１μｍ〜５μｍにすることがよい。このようにすることで、弁突起の強度を確実に保持しながら、流体抵抗の小さいマイクロバルブが得られる。
また、本発明に係るマイクロバルブは、前記支持基板、弾性ダイヤフラム、弁突起及び弁シール部を一体のシリコン基板から構成し、前記保持基板をガラス基板から構成することができる。あるいは、前記支持基板及び弾性ダイヤフラムを一体のシリコン基板から構成し、前記保持基板、弁突起及び弁シール部を一体のガラス基板から構成することができる。これによって、加工がさらに簡単で、より高精度なマイクロバルブが得られる。
さらにまた、本発明は、被加工基板の一方の面の、前記弾性ダイヤフラムの中央部となる部分を除く領域に第１の保護膜を形成し、当該第１の保護膜をマスクとして、前記被加工基板の一方の面に第１のエッチングを行う工程と、前記被加工基板の他方の面の、前記支持基板となる部分に、第２の保護膜を形成する工程と、前記第１の保護膜の、前記支持基板及び弁シール部となる領域以外に形成されている部分を除去する工程と、前記除去が行われた第１の保護膜と、第２の保護膜をマスクとして、前記被加工基板に第２のエッチングを行う工程と、前記第２のエッチングを行った後、前記弁シール部となる領域に形成されている第１の保護膜を除去し、残された第１の保護膜をマスクとして前記被加工基板の一方の面に第３のエッチングを行い、前記弾性弾性ダイヤフラム及び弁突起を形成する工程と、前記第３のエッチングを行った後、前記第１の保護膜及び第２の保護膜を除去し、弁シール部上又は保護基板の当該弁シール部が接合可能な部分に、非接合膜を形成する工程と、前記被加工基板の他方の面から前記第２の保護膜を全て除去した後、この面に保護基板を電気的な導通が可能に接合する工程と、前記非接合膜を形成した後、前記被加工基板の一方の面に、入力口が貫通形成された保護基板を電気的な導通が可能に接合する工程と、を備えてなるマイクロバルブの製造方法を提供するものである。
この製造方法では、前記第３のエッチングは、前記被加工基板の弁シール部分となる面が、支持基板となる面に対して０．２μｍ以上、１０μｍ以下の範囲でエッチバックされるまで行うことができる。
また、本発明は、被加工基板の一方の面の前記弾性ダイヤフラムの中央部となる部分を除く領域に、第１の保護膜を形成し、当該第１の保護膜をマスクとして、前記被加工基板の一方の面に第１のエッチングを行う工程と、前記被加工基板の他方の面の前記支持基板となる部分に、第２の保護膜を形成する工程と、前記第１の保護膜の、前記支持基板及び５０μｍ以下の幅を有する弁シール部となる領域以外に形成されている部分を除去する工程と、前記除去が行われた第１の保護膜と、第２の保護膜をマスクとして、前記被加工基板に第２のエッチングを行い、前記弾性ダイヤフラム及び弁突起を形成する工程と、前記第２のエッチングを行った後、第１の保護膜及び第２の保護膜を全て除去し、前記弁シール部又は保護基板の当該弁シール部が接合可能な部分に、非接合膜を形成する工程と、前記第１の保護膜及び第２の保護膜の全てを除去した後、前記被加工基板の他方の面に前記保護基板を電気的な導通が可能に接合する工程と、前記非接合膜を形成した後、前記被加工基板の一方の面に、入力口が貫通形成された保護基板を電気的な導通が可能に接合する工程と、を備えてなるマイクロバルブの製造方法を提供するものである。
この製造方法では、前記第２のエッチングを行った後、前記弁シール部となる部分に形成された第１の保護膜を５０μｍ未満の幅で残して、当該弁シール部となる部分に形成された第１の保護膜を除去し、次いで、残された第１の保護膜をマスクとしてエッチングを行う工程をさらに備えることができる。
前記被加工基板としては、単結晶シリコン基板を用いることができる。
そしてまた、本発明は、第１の被加工基板の一方の面の前記支持基板となる領域に、第１の保護膜を形成し、当該第１の保護膜をマスクとして、前記第１の被加工基板の一方の面に第１のエッチングを行う工程と、前記第１の被加工基板の他方の面の、前記弾性ダイヤフラムの中央部となる部分を除く領域に第２の保護膜を形成する工程と、前記第１の保護膜及び第２の保護膜をマスクとして、前記弾性ダイヤフラムの中央部が開口されるまで前記第１の被加工基板に第２のエッチングを行う工程と、第２の被加工基板の一方の面の前記保護基板及び弁突起となる領域に第３の保護膜を形成し、当該第３の保護膜をマスクとして前記第２の被加工基板に第３のエッチングを行い、前記弁突起を形成する工程と、前記第１の被加工基板の前記弁シール部が接合可能な部分又は当該弁シール部上に、非接合膜を形成する工程と、前記第２の被加工基板に入力口を貫通形成する工程と、前記第２のエッチングが行われた第１の被加工基板の前記他方の面に、前記第３のエッチングが行われ、かつ前記入力口が形成された第２の被加工基板の前記一方の面を、電気的な導通が可能に接合する工程と、前記第１の被加工基板の一方の面に保護基板を電気的な導通が可能に接合する工程と、を備えてなるマイクロバルブの製造方法を提供するものである。
この製造方法では、前記第１の被加工基板の他方の面と、前記第２の保護膜との間に非接合膜を形成し、この非接合膜を選択的にエッチングすることにより、前記第１の被加工基板の前記弁シール部が接合可能な部分に、当該非接合膜を残存させることができる。また、前記第１の被加工基板として、単結晶シリコン基板を、前記第２の被加工基板として、ガラス基板を用いることができる。
さらにまた、本発明は、入力弁を備えた入力部と、駆動ダイヤフラムを備えた駆動部と、出力弁を備えた出力部と、を備えたマイクロポンプであって、前記入力弁が、前述したマイクロバルブのいずれかのマイクロバルブからなるマイクロポンプを提供するものである。
このマイクロポンプは、気泡を発生することなく、一定量かつ微量の流体を高精度で吸引・吐出することができる。
また、前記入力弁、前記駆動ダイヤフラム及び前記出力弁は、単結晶シリコン基板を一体形成して構成してもよい。
そしてまた、本発明は、入力弁を備えた入力部と、駆動ダイヤフラムを備えた駆動部と、出力弁を備えた出力部と、を備えたマイクロポンプの製造方法であって、前述したマイクロバルブの製造方法のいずれかにより、前記入力弁を製造するマイクロポンプの製造方法を提供するものである。
更にまた、本発明は、流体を収容するタンクと、当該タンクに接続されかつ前記流体を吸引・吐出する本発明に係るマイクロポンプと、当該マイクロポンプを駆動させる駆動手段と、当該駆動手段を制御する制御手段と、を備えてなる装置を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
図１(a)は、本発明の実施の形態１に係るマイクロバルブのダイヤフラム部分の底面図である。
図１(b)は、本発明の実施の形態に係るマイクロバルブの静止状態を示す断面図である。
図１(c)は、図１(b)に示すマイクロバルブの出口側に負圧がかかった状態を示す断面図である。
図２は、実施の形態１に係るマイクロバルブを用いてマイクロポンプを構成した場合の隙間１７の長さ（μｍ）と、液体の流量減少率（％）との関係を調査した結果を示す図である。
図３(a)ないし図３(d)は、図１に示すマイクロバルブを製造する工程を示す断面図である。
図４(a)は、本発明の実施の形態２に係るマイクロバルブのダイヤフラム部分の底面図である。
図４(b)は、静止状態、すなわち圧力がかかっていない状態を示すマイクロバルブの断面図である。
図５は、実施の形態２に係るマイクロバルブの弁シール幅（μｍ）と、キャビテーション現象における気泡発生開始温度（℃）との関係を示す図である。
図６(a)は、本発明の実施の形態３に係るマイクロバルブのダイヤフラム部分の底面図である。
図６(b)は、静止状態、すなわち圧力がかかっていない状態を示すマイクロバルブの断面図である。
図７(a)ないし図７(f)は、図６に示すマイクロバルブを製造する工程を示す断面図である。
図８は(a)は、本発明の実施の形態４に係るマイクロバルブのダイヤフラム部分の底面図である。
図８(b)は、図８(a)のＢ−Ｂ断面図である。
図９(a)ないし図９(d)は、図８に示すマイクロバルブを製造する工程を示す断面図である。
図１０(a)ないし図１０(c)は、他の実施の形態に係るマイクロバルブのダイヤフラム部分の底面図である。
図１１は、本発明の実施の形態５に係るマイクロポンプの全体構成図である。
図１２(a)は、図１１に示すマイクロポンプの底面図である。
図１２(b)は、静止状態における図１１(a)のＣ−Ｃ断面図である。
図１２(c)は、吸引状態における図１１(a)のＣ−Ｃ断面図である。
図１３は、実施の形態５に係るマイクロポンプユニットの具体的なブロック図である。
図１４(a)は、実施の形態５に係るマイクロポンプユニットの制御用ＩＣから出力される駆動信号のパルスを示す図である。
図１４(b)は、実施の形態５に係るマイクロポンプユニットの制御用ＩＣから出力される他の駆動信号のパルスを示す図である。
図１５は、本発明の他の実施の形態に係るマイクロポンプユニットの全構成図である。
図１６(a)は、従来のマイクロバルブのダイヤフラム部分の底面図である。
図１６(b)は、静止状態における図１６(a)のＤ−Ｄ断面図である。
図１６(c)は、吸引状態における図１６(a)のＤ−Ｄ断面図である。
図１７は、従来のマスクパターン（破線で示す）及びこれによってパターニングされた弁シール部（実線で示す）の底面図である。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明を添付の図面を参照してより詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１(a)は、本発明の実施の形態１に係るマイクロバルブのダイヤフラム部分の底面図、図１(b)は、静止状態、すなわち圧力がかかっていない状態を示すマイクロバルブの断面図、図１(c)は、図１(b)に示すマイクロバルブの出口側に負圧がかかった状態を示す断面図である。なお、本発明でいう「マイクロバルブ」とは、弁のサイズが、おおむねφ５ｍｍ程度以下のものを示している。
図１(a)〜図１(c)に示すマイクロバルブは、保持基板であるガラス基板１１１と、ガラス基板１１１に保持される支持基板１１と、支持基板１１に支持される弾性ダイヤフラム１３と、弾性ダイヤフラム１３に設けられた弁突起１１２と、ガラス基板１１１と対向した位置に設けられ、かつ支持基板１１に接合されるガラス基板１２と、ガラス基板１１１と弾性ダイヤフラム１３との間に形成された入口側弁室１１０と、ガラス基板１２と弾性ダイヤフラム１３との間に形成された出口側弁室１９と、を備えて構成されている。
ガラス基板１１１には、マイクロバルブ内に液体を浸入させる入力口１６が貫通形成されている。支持基板１１は、シリコン基板から形成されており、ガラス基板１１１及び１２に対し陽極接合されている。
弾性ダイヤフラム１３は、支持基板１１と一体に形成された略円盤形状を備えている。この弾性ダイヤフラム１３は、出力側弁室１９と入口側弁室１１０との圧力差に応じて上下動するように設計されている。また、弾性ダイヤフラム１３の中心部には、流体（液体）の通り道となる穴１５が貫通形成されている。弾性ダイヤフラム１３のガラス基板１１１側（以後、本実施の形態では、こちら側を「下側」とする）であって、穴１５の外周部分には、その先端側に向かって徐々に狭くなるテーパー形状を備えた弁突起１１２が形成されている。この弁突起１１２の先端面が弁シール部１４となる。
弁シール部１４の表面には、陽極接合時にガラス基板１１１と接合されないように酸化膜や窒化膜等の保護膜が形成されている。なお、この実施の形態１では、弁シール部１４の幅を約１００μｍに設定した。この弁シール部１４は、特に、図１(b)に示すように、マイクロバルブが静止状態の際には、ガラス基板１１１との間に所定の隙間（ギャップ）１７が形成されるように構成した。また、出口側が負圧となった場合は、図１(c)に示すように、弾性ダイヤフラム１３が上側（上側）に動くように変形し、ガラス基板１１１と弁シール部１４との間の隙間１８を隙間１７より広くする。
この構成を備えたマイクロバルブは、出口側弁室１９の圧力が入口側弁室１１０の圧力よりも小さくなった場合、図１(b)に示す状態から図１(c)に示す状態となり、ある一定量の液体が流れる。この移行期間に、隙間１７部分は負圧となる。一方、出口側弁室１９の圧力が入口側弁室１１０の圧力よりも高くなった場合、弾性ダイヤフラム１３がガラス基板１１１に向けて押し下げられ、弁シール部１４がガラス基板１１１に当接され、隙間１７がなくなり、液体が出口側から流れなくなる。すなわち、一方向弁を形成する。
前記マイクロバルブにおいて、液体が逆流しないようにするためには、この隙間１７をなるべく狭くすることが望まれる。静止状態における隙間１７の幅（ガラス基板１１１の表面から弁シール部１４までの距離）と、液体の逆流現象との関係を調査したところ、隙間１７が１０μｍを超えると、逆流現象がみられた。また、隙間１７を０．２μｍ未満にすると、約６０℃以上の高温において、キャビテーション現象がみられた。
また、このマイクロバルブを用いてマイクロポンプを構成した場合の隙間１７の長さ（μｍ）と、液体の流量減少率（％）との関係を調査した。この結果を図２に示す。
これらの結果から、静止状態における隙間１７は、０．２μｍ以上、１０μｍ以下にすることが望ましい。
このような構造のマイクロバルブにおいては、弁シール部１４の幅が５０μｍを超えても、キャビテーション現象が起きることがない。
また、このような構造のマイクロバルブは、弁突起１１２部が、前述したテーパー形状を有しているため、剛性が高く、曲がりにくいという利点がある。
さらにまた、この構造のマイクロバルブは、圧力損失が少ないため、例えば、ポンプに組み込んだ際の吐出量を増加させることができる。さらに、急激な減圧時に、弁シール部における減圧が少なくなるため、気泡の発生を防止することができる。また、前記間隔の存在により、弁シール部にごみ等をトラップして弁が閉まらなくなるという問題が生じることもない。
次に、図１(a)〜図１(c)に示すマイクロバルブの製造方法について、図３(a)〜図３(d)に示す工程に沿って説明する。なお、本実施の形態では、単結晶シリコン基板の（１００）面を、ＫＯＨ溶液を用いて異方性エッチングを行う場合について説明する。
図３(a)に示す工程では、シリコン基板４１の上下面に、熱酸化膜を形成する。次に、フォトリソグラフィーにより、下側となる面側であって、後に弾性ダイヤフラム１３の中央部となる部分に相当する位置に形成された熱酸化膜を除去するパターニングを行う。なお、前記熱酸化膜は、４０μｍの幅で除去した。このようにして、シリコン基板４１の上側となる面にエッチングの保護膜４１０を、下側となる面にエッチングの保護膜４１１を形成する。次いで、保護膜４１０及び４１１をマスクとしてシリコン基板４１に異方性エッチングを行い、穴４２を形成する。この穴４２は、深さ方向に対し一定角度でエッチングされるため、一定深さ以上でＶ字状（四角錐状）の溝状となったところで、エッチングが停止された結果、形成される。本実施の形態では、保護膜４１１の除去された部分の幅が４０μｍであるため、エッチングは、２８μｍの深さで停止される。
次に、図３(b)に示す工程では、図３(a)で形成した保護膜４１０及び４１１に所定のパターニングを行い、後に支持基板１１となる部分及び弁シール部１４となる部分に対応する領域以外に形成されている保護膜４１０及び４１１を除去する。次に、残された保護膜４１０及び４１１をマスクとして、エッチングを行い、上部エッチング部４３、下部エッチング部４４及び４１２を形成する。この時、下部エッチング部４１２をエッチングすることにより穴４２もエッチングが進行する。
次いで、図３(c)に示す工程では、弁シール部１４となる部分に対応する領域に形成されていた保護膜４１１をさらに除去する。次に、残された保護膜４１０及び４１１をマスクとして、エッチングを行い、隙間１７を形成する。この時、図３(b)に示す工程でエッチングされた部分も、このエッチングによってさらにエッチングが進行する結果、シリコン基板４１に穴１５が貫通形成される。このようにして、図１(a)及び図１(b)に示す支持基板１１、弾性ダイヤフラム１３、弁突起１１２、弁シール部１４を同一のシリコン基板から一体に形成した。その後、弁シール部１４の表面に、酸化膜を形成する。この酸化膜は、陽極接合時に、後に形成するガラス基板１１１と弁シール部１４とが接合されないようにするための非接合膜の役割を果たす。
次に、図３(d)に示す工程では、入力口１６が形成されたガラス基板１１１を、図３(c)にし示す工程で得たシリコン基板４１の下側に、ガラス基板１２を上側に陽極接合する。この陽極接合は、シリコン基板４１を陽極とし、ガラス基板１１１及び１２を陰極とし、３００℃〜４００℃に加熱した状態で、５００Ｖ程度の高電圧を加えることにより行われる。
このように、本実施の形態に係るマイクロバルブは、エッチングという同一プロセスで形成することができるため、製造工程が簡単である。また、特別な表面処理を必要としないため、流路に欠陥が生じることもない。
なお、本実施の形態では、エッチャントとしてＫＯＨ液を使用した場合について説明したが、これに限らず、ＴＭＡＨ溶液等、他の組成のものを使用してもよい。
また、本実施の形態では、保護膜として熱酸化膜を使用したが、これに限らず、エッチングのマスクとして使用可能であれば、例えば、窒化膜あるいは金等の金属膜等、他の組成の膜を使用してもよい。
そしてまた、本実施の形態では、弁シール部１４に形成する非接合膜として、酸化膜を用いたが、これに限らず、例えば、窒化膜等、弁シール部１４としての機能を損なうことなく、ガラス基板１１１と弁シール部１４との接合を防止することが可能であれば、他の組成の膜を用いてもよい。
また、この非接合膜は、弁シール部１４に設ける他、ガラス基板１１１の弁シール部１４が接合される位置に設けてもよい。
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について図面を参照して説明する。
図４(a)は、本発明の実施の形態２に係るマイクロバルブのダイヤフラム部分の底面図、図４(b)は、静止状態、すなわち圧力がかかっていない状態を示すマイクロバルブの断面図である。なお、この実施の形態２に係るマイクロバルブは、実施の形態１に係るマイクロバルブを、フッ酸溶液を使用した等方性エッチングにより形成した例である。
この実施の形態２に係るマイクロバルブと、実施の形態１に係るマイクロバルブとの構造上の異なる点は、静止状態において、弁シール部２３がガラス基板２７に接触している点と、弁シール部２３の幅が狭い点、及び等方性エッチングにより形成したことによる、エッチング面のラウンド形状化である。なお、実施の形態２では、単にエッチング方式の違いにより、実施の形態１に係るマイクロバルブの形状に対し違いが生じた部材及び同一の形状を備えた部材については、その詳細な説明は省略する。
図４(a)及び図４(b)に示すマイクロバルブの弾性ダイヤフラム２１は、単結晶シリコン基板からなる支持基板２５と一体に形成された略円盤形状を備えている。この弾性ダイヤフラム２１は、シリコン基板に等方性エッチングを行うことにより形成したため、そのエッジ部分（等方性エッチングにより形成された部分）が、実施の形態１で得た弾性ダイヤフラム１３のエッジ部分に比べ、丸みを帯びて形成されている。また、この弾性ダイヤフラム２１に設けられた弁シール部２３は、等方性エッチングの影響により、図４(a)に示すようにリング状に形成され、流体（流体）の通り道となる穴２２も同様に円形状に形成されている。ここで、等方性エッチングは、エッチングが等方向に進む（水平方向に対し１：１でサイドエッチングされる）ため、予め、このサイドエッチングの量を考慮してエッチング用のマスクを作製することにより、弁シール部２３の幅を１０μｍ程度の狭い幅に加工することができる。すなわち、等方性エッチングを利用することにより、単純な異方性エッチングでは得ることが困難である幅の狭い弁シール部を簡単に形成することができる。
実施の形態２に係るマイクロバルブは、静止状態において、弁シール部２３とガラス基板２７とが接触された状態となっているため、液体が逆流することがない。なお、マイクロバルブとしての基本的な動作原理は、実施の形態１に係るマイクロバルブと同様である。
この弁シール部２３が、マイクロバルブの静止状態においてガラス基板２７と接触するように構成するには、図３(b)に示す工程と同様の工程（但し、等方性エッチングを行う）後、保護膜を取り除き図３(d)に示す工程を行えばよい。
次に、弁シール部の幅が異なるマイクロバルブを作製し、弁シール幅とキャビテーション現象との関係を調査したところ、弁シール部の幅が５０μｍを超えると、キャビテーション現象が発生した。また、弁シールの幅が５０μｍを超えると、吐出安定性、吐出寿命の点で満足な結果が得られなかった。また、特に、弁シール部の幅が３０μｍ以下のものは、キャビテーション現象の発生がなく、かつ非常に安定した吐出を行うことができた。なお、弁シール部の幅の下限値は、エッチングを行うためのフォトリソグラフィーの性能に依存するものであり、現状では０．３μｍ程度であるが、勿論これ以下の有限値であっても一向に差し支えない。
次に、弁シール幅（μｍ）と、キャビテーション現象における気泡発生開始温度（℃）との関係を調査した。この結果を図５に示す。なお、この調査における吐出条件は、０．１μｌ／shot、１０Ｈｚ駆動、１０日間連続駆動とした。
図５から、弁シール部の幅が狭いほど、温度に対する制限が緩和されることがわかる。
このように、本実施の形態に係るマイクロバルブは、流体抵抗を小さくすることができ、流速を速くすることができると共に流体の吐出量を安定させることができる。また、圧力損失が少ないため、ポンプに組み込んだ際の吐出量を増加させることができる。さらに、急激な減圧時に、弁シール部における減圧が少なくなるため、気泡の発生を防止することができる。また、弁シール部の幅が狭いため、この部分にごみ等をトラップしにくくなる。
（実施の形態３）
次に、本発明に係る実施の形態３について図面を参照して説明する。
図６(a)は、本発明の実施の形態３に係るマイクロバルブのダイヤフラム部分の底面図、図６(b)は、静止状態、すなわち圧力がかかっていない状態を示すマイクロバルブの断面図である。
この実施の形態３に係るマイクロバルブと、実施の形態２に係るマイクロバルブとの構造上の異なる点は、弁突起及び弁シール部をガラス基板に設けた点である。なお、本実施の形態では、実施の形態２に係るマイクロバルブと同様の部材については、その詳細な説明は省略する。
本実施の形態に係るマイクロバルブの弾性ダイヤフラム３０１は、単結晶シリコン基板からなる支持基板３０５と一体に形成された略円盤形状を備えており、その中央部には、流体の通り道となる円形状の穴３０２が貫通形成されている。
下側のガラス基板３０６の所定位置には、特に図６(b)に示すように、下側から上側に向けてラウンド形状を有しながら徐々に狭くなる弁突起３０９が設けられている。この弁突起３０９の上端面が弁シール部３０７を構成している。なお、この弁突起３０９及び弁シール部３０７は、ガラス基板３０６と一体に形成されている。弁シール部３０７には、非接合膜である酸化膜が形成されている。
このマイクロバルブは、静止状態において弁シール部３０７が弾性ダイヤフラム３０１に接合した形状を備えている。このマイクロバルブの基本的な動作原理は、実施の形態１及び２と同様である。
なお、この実施の形態３に係るマイクロバルブは静止状態において、弁シール部３０７と、弾性ダイヤフラム３０１との間に、実施の形態１で説明したような隙間を開けた構成としてもよい。
次に、本実施の形態に係るマイクロバルブの製造方法について図７(a)ないし図７(f)に示す工程に沿って説明する。
図７(a)に示す工程では、単結晶シリコン基板３０５の下面に、１μｍ程度の膜厚で酸化膜３５２を形成する。この酸化膜３５２は、後の工程で形成される弁突起３０９の弁シール部３０７と、シリコン基板３０５とが、陽極接合時に接合されることを防止する非接合膜である。次に、この酸化膜３５２上にエッチングの保護膜３５１を、単結晶シリコン基板３０５の上面であって、出口側弁室３５６となる領域以外に、エッチングの保護膜３５０をそれぞれ形成する。次いで、エッチングの保護膜３５０及び３５１をマスクとしてシリコン基板３０５に等方性エッチングを行う。なお、この等方性エッチングは、フッ酸溶液を用いて行った。
次に、図７(b)に示す工程では、弾性ダイヤフラム３０１の中央部に、流体（液体）の通り道となる穴３０２を形成すると共に、出口側弁室３５６から流路３０４へ流体を通過させる穴３６２を形成するためのエッチングの保護膜３５１をパターニングする。次いで、このパターニングしたエッチング保護膜３５１をマスクとしてシリコン基板３０５に等方性エッチングを行い、穴３０２及び３６２を貫通形成すると共に、出口側弁室３５６を形成する。
次に、図７(c)に示す工程では、後に形成されるシール部３０７との接触部分以外の領域に形成されているエッチング保護膜３５１を除去し、残されたエッチング保護膜３５１をマスクとして酸化膜３５２にエッチングを行う。このようにして、シリコン基板３０５の弁シール部３０７と接合する部分に、非接合膜である酸化膜３５２を形成する。なお、この酸化膜３５２は、その膜厚が１μｍ程度と薄いものであるが、図７では説明の便宜上、厚く記載してある。
一方、図７(d)に示す工程では、下側となるガラス基板３０６上であって、弁突起３０９となる領域に、エッチングの保護膜３５５を形成する。次に、この保護膜３５５をマスクとして、ガラス基板３０６に等方性エッチングを行う。このようにしてガラス基板３０６に、ラウンド形状の凹部を形成する。これによって、弁突起３０９及び弁シール部３０７が形成される。なお、この等方性エッチングは、フッ酸を使用して行った。
次に、図７(e)に示す工程では、図７(d)に示す工程で得た保護膜３５５を除去した後、所定位置に流体入力口３０８を、放電加工等により形成する。
次いで、図７(f)に示す工程では、図７(e)に示す工程で得たガラス基板３０６上に、図７(c)で得たシリコン基板３０５を陽極接合させる。また、特に図示しないが、上部ガラス基板３０３をシリコン基板３０５の上部に陽極接合する。このようにして、図６に示すマイクロバルブを形成した。この図６では、酸化膜２５２は、その記載を省略してある。
なお、図７(a)〜図７(c)に示すシリコン基板加工工程と、図７(d)及び図７(e)に示すガラス基板加工工程は、いずれを先に行ってもよく、また両者を並行して行ってもよい。
また、本実施の形態では、弁シール部３０７の幅を５０μｍ以下とし、静止状態においてこの部分が弾性ダイヤフラム３０１（シリコン基板３０５）と接触する場合について説明したが、これに限らず、弁シール部３０７と、弾性ダイヤフラム３０１（シリコン基板３０５）との間に隙間を形成した構成としてもよい。
この構成のマイクロバルブは、シリコン基板３０５の弾性ダイヤフラム３０１の下面をエッチングする必要がないため、平滑な面を保つことができる。
（実施の形態４）
次に、本発明に係る実施の形態４について図面を参照して説明する。
図８(a)は、本発明の実施の形態４に係るマイクロバルブのダイヤフラム部分の底面図、図８(b)は、図８(a)のＢ−Ｂ断面図である。
図８(a)及び図８(b)に示すマイクロバルブは、異方性エッチングを工夫することにより、実施の形態１に係るマイクロバルブの弁突起の先端である弁シール部と基端との間に段差部を形成したものであり、かつ静止状態において、この弁シール部がガラス基板と接合するように構成した構造を備えている。なお、本実施の形態では、実施の形態１に示すマイクロバルブと同様の部材については、その説明は省略する。
弾性ダイヤフラム３４は、単結晶シリコン基板からなる支持基板５１（図９参照）と一体に形成された八角形の板状を備えている。弾性ダイヤフラムの中央部には、流体（液体）の通り道となる穴３３が形成されている。弾性ダイヤフラム３４に一体に形成された弁突起３５には、その先端側（下側）に段差部３２が形成されており、これによって、異方性エッチングを行っても弁シール部３１の幅を簡単に狭くする（例えば、５０μｍ以下にする）ことができる。このような構造にすることにより、弁突起３５の強度が高いマイクロバルブが得られ、かつ抵抗の小さいマイクロバルブが得られる。なお、符号５５は入口側弁室、符号５６は出口側弁室である。
次に、このマイクロバルブの製造方法を図９(a)ないし図９(d)に示す製造工程に沿って説明する。
図９(a)に示す工程では、図３(a)に示す工程と同様の方法で、シリコン基板５１の上側となる面にエッチングの保護膜５１０を、下側となる面にエッチングの保護膜５１１を形成する。次に、保護膜５１０及び５１１をマスクとしてシリコン基板４１にエッチングを行い、穴５２を形成する。
次に、図９(b)に示す工程では、図３(b)に示す工程と同様の方法で、上部エッチング部５３、下部エッチング部５４及び５１２を形成する。
次いで、図９(c)に示す工程では、弾性ダイヤフラム３４の中心側となる部分に対応する領域に形成されている部分を若干の幅で残して、弁シール部３１となる領域に形成されている保護膜５１１を除去する。次に、残された保護膜５１０及び５１１をマスクとしてエッチングを行い段差部３２を形成する。このように二段エッチングすることで、弁シール部３１の幅は、２μｍ程度から形成することができるようになる。ここで、段差部３２のエッチング深さいより、弁シール部３１はサイドエッチングされるが、弁シール部３１の幅のばらつきを１０μｍ程度とすることがキャビテーション防止効果を得るために必要となる。通常のＫＯＨ３０％溶液においては、サイドエッチング量と、エッチングの深さとの比は、約１：１となるため、約１０μｍ程度の段差が許容される。
次に、図９(d)に示す工程では、弁シール部３１の表面に、非接合膜である酸化膜を形成した後、図３(d)に示す工程と同様の工程を行い、入力口５１５が開口されたガラス基板５９をシリコン基板５１の下側に、ガラス基板５８を上側に陽極接合する。
なお、本実施の形態では、支持基板５１、弾性ダイヤフラム３４、弁突起３５及び弁シール部３１が、一体のシリコン基板から構成された場合について説明したが、これに限らず、実施の形態３に示すように、弁突起及び弁シール部をガラス基板５９に設けてもよいことは勿論である。
また、弁突起３５に形成される段差部３２は、前述した形状のものに限らず、例えば、図１０(a)ないし図１０(c)に示すもの等、弁シール部の幅を狭くすることができ、かつマイクロバルブとしての機能に支障を来さない形状であれば、他の形状にしてもよい。
図１０(a)ないし図１０(c)は、マイクロバルブのダイヤフラム部分の底面図である。なお、これらの図では、流体の通り道である穴の記載は省略してある。
図１０(a)に示す弁突起は、弁シール部６１の幅に対し、二段エッチングにより得られた段差部６２の幅が広くとられているため、エッチング深さが変化した場合でも対応できるパターンとなっている。
図１０(b)に示す弁突起は、弁シール部６４を、二段エッチングにより得られた段差部６３上の中央部に、段差部６３に対し同心円状に設けたものである。この場合には、弁シール部６４を段差部６３の中央部に同心円状に配置するため、ガラス基板との密着性が得られるが、段差部６３を広くとる必要がある。
図１０(c)に示す突起部は、弁シール部６６に対して段差部６５を小さくとり、弁突起のサイズを小さくしたものである。
なお、実施の形態１ないし４に示すマイクロバルブは、ウエットエッチングの他、ドライエッチングにより形成することもできる。ドライエッチングで形成した場合は、例えば、弁突起の部分の幅が上下方向に亘って均一となる。このため、弁シール部の幅を狭くすることが容易であり、かつ同心円状に作製することが可能となる。
（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５について図面を参照して説明する。この実施の形態では、実施の形態４で説明したタイプのマイクロバルブ、すなわち、弁シール部と弁突起の基端との間に段差部を形成したマイクロバルブを入力弁として組み込んだマイクロポンプについて説明する。なお、このマイクロポンプは、水、生理食塩水、薬液等の比較的流動性の高い液体を微小量吐出させるものとして、特に好適である。
図１１は、本実施の形態５に係るマイクロポンプの全体構成図、図１２(a)は、図１１に示すマイクロポンプの底面図、図１２(b)は、静止状態における図１１(a)のＣ−Ｃ断面図、図１２(c)は、吸引状態における図１１(a)のＣ−Ｃ断面図である。なお、本実施の形態では、薬液の供給のために使用される医療用のマイクロポンプユニットについて説明する。
図１２に示すマイクロポンプユニットは、マイクロポンプ１５０と、マイクロポンプ１５０に薬液を供給する薬液タンク１６０と、マイクロポンプ１５０を駆動させる駆動用ＩＣ１７０と、駆動用ＩＣ１７０を制御する制御用ＩＣ１８０と、を備えて構成されている。なお、マイクロポンプ１５０及び薬液タンク１６０により、吐出装置１０２が構成される。これらの部品は、ケース２００内に收納されており、マイクロポンプ１５０には、吐出された薬液を所定箇所まで誘導するチューブ１９０が接続されている。これらの部品から構成されたマイクロポンプユニットは、２０ｍｍ×８ｍｍ×２ｍｍの直方体形状を有している。
マイクロポンプ１５０は、図１２(a)ないし図１２(c)に示すように、出力部８１０と、入力部８１１と、駆動部８１２と、を備えて構成されている。
出力部８１０に設けられた出力弁は、シリコン基板からなる支持基板７１に設けられた弾性ダイヤフラム７１１と、この弾性ダイヤフラム７１１に設けられた弁突起７１６と、弁突起７１６の端部（下部）に設けられ、弾性ダイヤフラム７１１の上下動に応じて弁の働きをする弁シール部７１２とを備えて構成されている。また、弁突起７１６には、その基端（弾性ダイヤフラム７１１側）と弁シール部７１２との間に段差部７４２が形成されている。
一方、入力部８１１に設けられた入力弁は、弾性ダイヤフラム７７と、この弾性ダイヤフラム７７に設けられた弁突起７１５と、弁突起７１５の端部（下部）に設けられ、弾性ダイヤフラム７７の上下動に応じて弁の働きをする弁シール部７８とを備えて構成されており、弾性ダイヤフラム７７の中央部には、薬液の通り道である穴７９が形成されている。弁突起７１５には、その基端と弁シール部７８との間に段差部７３２が形成されている。
駆動部８１２は、入力弁と出力弁の駆動を行うものであり、駆動ダイヤフラム７１０と、駆動ダイヤフラム７１０上に設けられ、電極を介して接着された圧電素子７５とから構成されている。この駆動ダイヤフラム７１０は、圧電素子７５に電界を加えることにより、上下方向にたわむ構成となっている。
なお、本実施の形態では、入力弁、駆動ダイヤフラム及び出力弁を支持基板７１と一体に形成した。
符号７４はガラス基板であり、出力部８１０には吐出口７１３が、入力部８１１には入力口７６が形成されている。この吐出口７１３には、チューブ１９０が、入力口７６には、薬液タンク１６０が、それぞれ接続されている。また、符号７１４はチャンバーを示している。
図１３は、本実施の形態に係るマイクロポンプユニットの具体的なブロック図である。このマイクロポンプユニットの制御用ＩＣ１８０は、一般的なマイクロコンピュータから構成されており、発振回路３８２、分周回路３８３、制御回路３８４、ＲＯＭ３８５、ＲＡＭ３８６、ＡＬＵ３８７、出力回路３８８、割り込み制御回路３８９及び入力回路３９０から構成されている。
出力回路３８８には、駆動用ＩＣ１７０が接続されており、この駆動用ＩＣ１７０は、出力回路３８８から出力された駆動信号ＤＲに応じてマイクロポンプの圧電素子７５に電界を加えるように構成されている。
吐出装置１０２中の吐出弁挙動検出回路は、等価的にスイッチ３９５で現されている。駆動用ＩＣ１７０は、制御用ＩＣ１８０の出力する駆動パルスの振幅を増加させ、吐出装置１０２を駆動させる。発振回路３８２の出力は、分周回路３８３内で制御用ＩＣ１８０のシステムクロック等に分周される。制御回路３８４は、制御用ＩＣ１８０の動作を制御する。ＲＯＭ３８５、ＲＡＭ３８６、ＡＬＵ３８７、出力回路３８８、割り込み制御回路３８９及び入力回路３９０は、パスを介して接続されており、入力回路３１０内にはエッジ検出回路３９１が内蔵されている。
吐出弁挙動検出回路は、圧電素子７５の上下動によって起こる弁シール部７１２と、ガラス基板７８との接触の有無によって決定される導通時間を計測することによって吐出弁の挙動を検出し、気泡の発生をモニタする。
次に、この構成を備えたマイクロポンプユニットの具体的な動作について説明する。
薬液タンク１６０からの薬液の供給は、以下の要領で行われる。すなわち、制御用ＩＣ１８０の出力回路３８８から出力された駆動信号ＤＲに応じて、駆動用ＩＣ１７０がマイクロポンプの圧電素子７５に電界を加え、これによって弾性ダイヤフラム７１０が、図１２(c)に示すように上方に持ち上げられる。この結果、チャンバー７１４内が負圧になり、弾性ダイヤフラム７７を上方に持ち上げる力が働く、これと同時に弁シール部７８が上方に持ち上げられて入力口７６から薬液タンク１６０内の薬液を吸引する。
ここで、駆動信号ＤＲは、図１４(a)に示すように一定時間内に規定数のパルス数を出力するものであり、予めセットされた駆動量（吐出量）に応じて駆動インターバル内の駆動パルス数が決定される。なお、図１４(b)は、図１４(a)より、設定駆動量が小さい場合の一例を示している。
吸引された薬液は、以下の要領でチューブ１９０に供給される。すなわち、駆動信号ＤＲに応じて、駆動用ＩＣ１７０がマイクロポンプの圧電素子７５に電界を加えることを停止すると、弾性ダイヤフラム７１０が下方に押し下げられ、これによってチャンバー７１４内に圧力がかかり、弾性ダイヤフラム７１１上方に持ち上げる力が働く。これと同時に弁シール部７１２を上方に持ち上げられて、吐出口７１３から薬液を吐出する。
これらの動作中に、吐出装置１０２に接続された吐出弁挙動検出回路では、これから得られた検出信号Ｄｅｔをエッジ検出回路３９１に出力し、この波形と駆動信号ＤＲとを比較し、得られたデータに応じて所定の調整を行う。なお、この吐出弁挙動検出回路、エッジ検出回路３９１等の気泡検出部は、必ずしも設ける必要はない。
なお、従来のマイクロポンプでは、入力部の弾性ダイヤフラムが上方に持ち上がる瞬間、この入力部の弁シール部付近は急激に負圧になり、常温で気泡が発生したが、本発明に係るマイクロポンプは、入力部の入力弁の幅を５０μｍ以下に設定したため、気泡の発生が殆ど見られなかった。
ここで、入力部の弁シール部と、気泡の発生との関係は、圧電素子の駆動スピード、圧電素子のサイズ、弁のサイズ、駆動ダイヤフラムの一回当たりの変位量、温度等、様々なファクターにより異なるが、弁シール部の幅が５０μｍ以下であれば、０．１μｌ／１回の吐出量の条件で、７０℃程度の高温下でも気泡の発生が十分に抑制されることが実験により明らかとなった。また、弁シール部の幅が３０μｍ以下であれば、前記条件で気泡は全く発生しなかった。
なお、本実施例では、図８及び図９に示すタイプのマイクロバルブを用いた場合について説明したが、これに限らず、前述した実施の形態を含む本発明に係るマイクロバルブであれば、どのマイクロバルブを用いても良好な結果が得られることは勿論である。
また、本発明に係るマイクロポンプは、医療用のマイクロポンプユニットに使用する他、例えば、図１５に示すように、マイクロポンプ及び溶液タンクからなる吐出装置を複数設け、多種の液体の微量混合を可能にすることにより、分析用としても使用することができる。また、マイクロポンプ及び溶液タンクからなる吐出装置を複数設け、任意に選択した吐出装置から微量の溶液を所定のターゲットの所定位置に吐出させることで、プリンタのヘッドとしても使用可能である。このように、本発明に係るマイクロポンプは、様々な分野に応用することが可能である。
なお、前述した実施の形態１ないし５では、被加工基板として単結晶シリコン基板を使用した例について記載したが、これに限らず、エッチングの条件等を変更することにより、単結晶シリコン基板の替わりに、例えば、ガラス基板、水晶、あるいはステンレス等の金属板等を使用することもできる。また、同様に、被加工基板（保護基板）として、ガラス基板を使用した例について記載したが、これに限らず、ガラス基板に替えて、例えば、シリコン基板、水晶あるいはステンレス等の金属基板等を使用することもできる。
産業上の利用の可能性
以上説明してきたように、本発明に係るマイクロバルブは、静止状態の時に弁シール部と弾性ダイヤフラム又は保持基板との間に所定の間隔を設けたため、流体抵抗を小さくすることができ、流速を速くすることができると共に流体の吐出量を安定させることができる。また、圧力損失が少ないため、ポンプに組み込んだ際の吐出量を増加させることができる。さらに、急激な減圧時に、弁シール部における減圧が少なくなるため、気泡の発生を防止することができる。また、前記間隔の存在により、弁シール部にごみ等をトラップして弁が閉まらなくなるという問題が生じることもない。この構成は、エッチングという同一プロセスで形成することができるため、製造工程が簡単である。また、特別な表面処理を必要としないため、流路に欠陥が生じることもない。
また、本発明に係る他の構成のマイクロバルブは、弁シール部の幅が５０μｍ以下であるため、流体抵抗を小さくすることができ、流速を速くすることができると共に流体の吐出量を安定させることができる。また、圧力損失が少ないため、ポンプに組み込んだ際の吐出量を増加させることができる。さらに、急激な減圧時に、弁シール部における減圧が少なくなるため、気泡の発生を防止することができる。また、弁シール部の幅が狭いため、この部分にごみ等をトラップしにくくなる。この構成は、エッチングという同一プロセスで形成することができるため、製造工程が簡単である。また、特別な表面処理を必要としないため、流路に欠陥が生じることもない。
また、弁突起に段差を設けることで、前記効果に加え、エッチング深さに関係なく任意に細い均一な弁幅を得ることができる。
そしてまた、保持基板側に弁突起及び弁シール部を設ける構成のマイクロバルブは、弾性ダイヤフラム面の片側をエッチングする必要がないため、平滑な面を保つことができる。
また、本発明に係るマイクロバルブを組み込んだマイクロポンプは、気泡を発生することなく、一定量かつ微量の流体を高精度で吸引・吐出することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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