(57)【要約】蠕動マイクロポンプは、第１膜領域（１２）を作動させるための第１圧電アクター（２２）を有する第１膜領域（１２）、第２膜領域（１４）を作動させるための第２圧電アクター（２４）を有する第２膜領域（１４）、および第３膜領域（１６）を作動させるための第３圧電アクター（２６）を有する第３膜領域（１６）を含む。ポンプ本体（３０）は、第１膜領域（１２）と共に第１バルブ（６２）を形成し、その通路開口部（３２）は、第１膜領域（１２）の非作動状態で開放し、その通路開口部（３２）は、第１膜領域（１２）を作動させることにより閉鎖する。ポンプ本体（３０）は、第２膜領域（１４）と共にポンピングチャンバ（４２）を形成し、その容積は、第２膜領域（１４）を作動させることにより減少する。ポンプ本体（３０）は、第３膜領域（１６）と共に第２バルブ（６４）を形成し、その通路開口部（３４）は、第３膜領域（１６）の非作動状態で開放し、その通路開口部（３４）は、第３膜領域（１６）を作動させることにより閉鎖する。第１および第２バルブ（６２、６４）は、ポンピングチャンバ（４２）と連通する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１膜領域を作動させるための第１圧電アクター（２２；４６０）を有する第１膜領域（１２）、
第２膜領域を作動させるための第２圧電アクター（２４；４６２）を有する第２膜領域（１４）、
第３膜領域を作動させるための第３圧電アクター（２６；４６４）を有する第３膜領域（１６）、および
ポンプ本体（３０；３０２；３４０；４４０）を含み、
前記ポンプ本体は、前記第１膜領域（１２）と共に第１バルブ（６２）を形成し、その通路開口部（３２）は、前記第１膜領域の非作動状態で開放し、その通路開口部は、前記第１膜領域を作動させることにより閉鎖し、
前記ポンプ本体は、前記第２膜領域（１４）と共にポンピングチャンバ（４２；３０４；３３０；３４２；４５２）を形成し、その容積は、前記第２膜領域を作動させることにより減少し、さらに
前記ポンプ本体は、前記第３膜領域（１６）と共に第２バルブ（６４）を形成し、その通路開口部（３４）は、前記第３膜領域の非作動状態で開放し、その通路開口部は、前記第３膜領域を作動させることにより閉鎖し、
前記第１および第２バルブ（６２、６４）は、前記ポンピングチャンバと連通する、蠕動マイクロポンプ。
【請求項２】
行程容積ΔＶ、死容積Ｖ0、出口圧力ｐFおよび大気圧ｐ0間に、次の関係が適用され、
ΔＶ／Ｖ0＞ｐF／ｐ0
前記行程容積ΔＶは、第２膜領域（１４）の作動により変位する容積であり、前記死容積Ｖ0は、バルブ（６２、６４）の一方の開放通路開口部（３２；３４）と、第２膜領域（１４）の作動状態におけるバルブ（６２、６４）の他方の閉鎖通路開口部（３２、３４）との間に存在する容積であり、出口圧力ｐFは、液体／気体界面を前記蠕動マイクロポンプの狭窄部を過ぎて移動させるために、ポンピングチャンバ（４２；３０４；３３０；３４２；４５２）内に必要な圧力である、請求項１に記載の蠕動マイクロポンプ。
【請求項３】
前記第１膜領域（１２）と前記ポンプ本体（３０２；３４０；４４０）との間に、第１バルブチャンバ（３０８；３６０；４４２）が形成され、前記第３膜領域（１６）と前記ポンプ本体（３０２；３４０；４４０）との間に、第２バルブチャンバ（３１０；３６２；４４４）が形成され、前記バルブチャンバは、前記ポンピングチャンバ（４２；３０４；３３０；３４２；４５２）に連通する、請求項１または２に記載の蠕動マイクロポンプ。
【請求項４】
前記ポンピングチャンバ（３０４）の容積は、前記第１または第２バルブチャンバ（３０８、３１０）の容積より大きい、請求項３に記載の蠕動マイクロポンプ。
【請求項５】
前記ポンピングチャンバ（３０４）の領域における膜表面とポンプ本体との間の距離は、前記バルブチャンバ（３０８、３１０）の領域における距離よりも大きい、請求項４に記載の蠕動マイクロポンプ。
【請求項６】
前記第２膜領域（１４）および前記ポンピングチャンバの面積は、前記第１または第３膜領域（１２、１６）および関連するバルブチャンバの面積より大きい、請求項４または５に記載の蠕動マイクロポンプ。
【請求項７】
前記膜領域（１２、１４、１６）は、膜要素（１０；３００；３８０；４５６）内に形成され、前記バルブチャンバ（３０８、３１０；３６０、３６２；４４２、４４４）、前記ポンピングチャンバ（４２；３０４；３３０；３４２；４５２）、および流体チャネル（３０６；３４４）は、前記ポンプ本体および／または前記膜要素内の構造により、前記バルブチャンバと前記ポンピングチャンバとの間に形成される、請求項３から６のいずれか１つに記載の蠕動マイクロポンプ。
【請求項８】
前記ポンピングチャンバ（３３０；３４２）は、前記ポンプ本体（３４０）内にある構造を有し、前記構造の輪郭は、作動状態における前記第２膜部分（１４）のアーチ状輪郭に適応する、請求項１から７のいずれか１つに記載の蠕動マイクロポンプ。
【請求項９】
前記ポンピングチャンバ（３４２）および前記バルブチャンバ（３６０、３６２）は、前記ポンプ本体（３４０）内に複数の構造を有し、前記構造の輪郭は、作動状態における対応する膜部分（１２、１４、１６）の個々のアーチ状輪郭に適応する、請求項３から７のいずれか１つに記載の蠕動マイクロポンプ。
【請求項１０】
前記第１および第３膜領域（１２、１６）と、その圧電アクター（２２、２６；４６０、４６４）とは、作動状態において予め決められた力で対向要素（３９０；３９０ａ）を押して、個々のバルブを閉鎖するように設けられる、請求項１から９のいずれか１つに記載の蠕動マイクロポンプ。
【請求項１１】
前記ポンプ本体（３４０）内に形成された前記バルブチャンバ（３６０、３６２）に至り、対応する膜部分を作動させることにより閉鎖される側方流体フィードライン（３４４ａ、３４４ｂ）を含む、請求項９に記載の蠕動マイクロポンプ。
【請求項１２】
前記バルブチャンバ（３６０、３６２）の領域にリッジ（３９０；３９０ａ）が設けられ、それに対して対応する作動膜部分が当接して、対応する側方流体ラインを閉鎖する、請求項１１に記載の蠕動マイクロポンプ。
【請求項１３】
前記バルブチャンバは、対応する膜部分に対向して、対応する膜部分が作動状態で当接する可塑的に変形可能な材料を含む、請求項１１に記載の蠕動マイクロポンプ。
【請求項１４】
少なくとも１つのさらに他の膜領域をさらに含み、さらに他の圧電アクターが前記さらに他の膜領域を作動させ、前記さらに他の膜領域は前記ポンプ本体と共にさらに他のバルブを形成し、その通路開口部は前記さらに他の膜領域の非作動状態で開放し、その通路開口部は前記さらに他の膜領域を作動させることにより閉鎖し、前記さらに他のバルブは前記ポンピングチャンバに連通する、請求項１から１３のいずれか１つに記載の蠕動マイクロポンプ。
【請求項１５】
前記圧電アクターは、膜領域上に適用された個々の圧電要素により形成される圧電膜変換器である、請求項１から１４のいずれか１つに記載の蠕動マイクロポンプ。
【請求項１６】
前記圧電要素は、前記個々の膜領域上に接着されるか、または圧膜技術で前記個々の膜領域上に形成される、請求項１５に記載の蠕動マイクロポンプ。
【請求項１７】
前記圧電アクターは個々の圧電スタックにより形成される、請求項１から１４のいずれか１つに記載の蠕動マイクロポンプ。
【請求項１８】
請求項１から１７のいずれか１つに記載の複数の蠕動マイクロポンプと、前記蠕動マイクロポンプに連通する複数の槽とを備える、流体システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロポンプに関し、特に、蠕動ポンピング原理に従って動作するマイクロポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
蠕動ポンピング原理に従って動作するマイクロポンプは、先行技術から公知である。リー・ツァオ（Ｌｉ  Ｃａｏ）等著の論文「超小型電気機械システム技術を使用した埋込型医薬供給システムの設計およびシミュレーション」（Ｄｅｓｉｇｎ  ａｎｄ  ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａｎ  ｉｍｐｌａｎｔａｂｌｅ  Ｍｅｄｉｃａｌ  ｄｒｕｇ  ｄｅｌｉｖｅｒｙ  ｓｙｓｔｅｍ  ｕｓｉｎｇ  ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）、センサーズ・アンド・アクチュエータズ（Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ）、Ａ９４（２００１年）、ｐ．１１７−１２５は、１つの入口と、３つのポンピングチャンバと、３つのシリコン膜と、３つの通常時閉可変バルブと、ＰＺＴの３つの圧電スタックアクチュエータと、ポンピングチャンバ間のマイクロチャネルと、１つの出口とを含む、蠕動マイクロポンプについて述べている。３つのポンピングチャンバは、同じサイズで作られ、シリコンウェハ内にエッチングされる。
【０００３】
連続する基板面に３つの膜領域を有する蠕動マイクロポンプは、ＷＯ８７／０７２１８から公知である。基板を支持する支持層および関連する裏材層には、流体供給部と接続するポンピングチャネルが形成される。ポンピングチャネルには、入口バルブおよび出口バルブの領域に横断リブが形成され、その上には、関連する膜部分が入口バルブおよび出口バルブを非作動状態で閉鎖するために非作動状態で配置される。入口バルブおよび出口バルブに関連して個々に作動可能な膜領域の間には、やはり個々に作動可能な第３の膜領域が配置される。第３の膜領域を作動させることにより、これら２つのバルブ領域間のチャンバ容積が増加する。したがって、３つの膜領域の対応するタイミングにより、入口バルブと出口バルブとの間の蠕動ポンピング効果が達成される。ＷＯ８７／０７２１８によると、アクター要素は、金属膜と、連続セラミック層と、セグメント化された電極構成とを含む３つの要素の複合体からなる。セラミック層は、セグメント化された状態で分極されるべきだが、これは技術的に難しい。したがって、このようなセグメント化圧電屈曲要素は、高くつき、小さい行程容積のみが可能であるため、このようなポンプは、耐泡的かつ自吸式に動作することはできない。
【０００４】
蠕動原理に基づいて動作しないマイクロ膜ポンプは、ＤＥ１９７１９８６２Ａ１から公知であり、この場合、ポンピングチャンバに隣接するポンピング膜は圧電アクターにより作動する。ポンピングチャンバの流体入口および流体出口には、それぞれ受動逆止バルブが設けられる。本明細書では、マイクロポンプの圧縮比、つまりポンピングチャンバ全体の容積に対するポンピング膜の行程容積の比率は、バルブの幾何学的形状およびバルブの湿潤に応じた最大圧力値であって、バルブを開放して、マイクロ膜ポンプが耐泡的かつ自吸式に動作するのを可能にするために必要な最大圧力値に応じて調節される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の圧電アクターは別として、静電アクターを使用してマイクロポンプを実現することも可能だが、この場合、静電アクターは非常に小さい行程のみ可能である。また、空気圧駆動装置の実現が可能だが、外部の空気圧、およびそのために必要な切換バルブに関する多額な費用が必要になる。したがって、空気圧駆動装置は、膜の偏向を実施するための費用がかさんで高価であり、かつ空間集約的な方法となる。
【０００６】
本発明の目的は、容易に構成されて、耐泡的かつ自吸式に動作することを可能にする蠕動マイクロ膜ポンプを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によると、この目的は、請求項１に記載の蠕動マイクロポンプにより達成される。
本発明は、
第１膜領域を作動させるための第１圧電アクターを有する第１膜領域、
第２膜領域を作動させるための第２圧電アクターを有する第２膜領域、
第３膜領域を作動させるための第３圧電アクターを有する第３膜領域、および
第１膜領域と共に第１バルブを形成し、その通路開口部は第１膜領域の非作動状態で開放し、その通路開口部は第１膜領域の作動により閉鎖し、第２膜領域と共にポンピングチャンバを形成し、その容積は第２膜領域を作動させることにより減少し、第３膜領域と共に第２バルブを形成し、その通路開口部は第３膜領域の非作動状態で開放し、その通路開口部は第３膜領域を作動させることにより閉鎖するポンプ本体を含み、
前記第１および第２バルブは、ポンピングチャンバに連通する、蠕動マイクロポンプを提供する。
【０００８】
したがって、本発明は、第１および第２バルブが非作動状態で開放し、第１および第２バルブが、膜をポンプ本体方向に移動させることにより閉鎖するのに対して、ポンピングチャンバの容積が、第２膜領域をやはりポンプ本体方向に移動させることにより減少する蠕動マイクロポンプを提供する。
【発明の効果】
【０００９】
この構成により、本発明の蠕動マイクロポンプは、膜上に配置された圧電要素を圧電アクターとして使用する場合でも、耐泡性かつ自吸式ポンプの実現を可能にする。また、本発明により、いわゆる圧電スタックも圧電アクターとして使用することができるが、圧電アクターは、圧電膜変換器と対照的に、大型で高価であり、スタックと膜との間の接続技術に関する問題、およびスタックの調節に関する問題があり、その結果、全体として、より多額の費用をかけて接続されるという欠点がある。
【００１０】
本発明の蠕動マイクロポンプが耐泡的かつ自吸式に動作可能であるように、蠕動マイクロポンプは、行程容積と死容積との比率が、出口圧力（フィード圧力）と大気圧との比率より大きくなるように寸法を決めることが好ましく、行程容積はポンピング膜により変位可能な容積であり、死容積はマイクロポンプの入口開口部と出口開口部との間に残る容積であり、ポンピング膜が作動し、バルブの１つが閉鎖し、１つが開放する場合、大気圧は約１０５０ｈＰａの最大値であり（最悪を想定して）、出口圧力は、マイクロ蠕動ポンプ内における流れの狭窄（ボトルネック）を呈する場所、つまりポンピングチャンバと、第１または第２バルブの通路開口部との間であって、この通路開口部を含む場所を過ぎて液体／気体界面を異動させるために、マイクロポンプの流体チャンバ領域内、つまり圧力チャンバ内に必要な圧力である。
【００１１】
圧縮比と呼ばれる行程容積と死容積との比率が上記の条件を満たす場合、蠕動マイクロポンプは、確実に耐泡的かつ自吸式に動作する。これは、気体の泡、通常は空気の泡がポンプの流体領域に達した時に、流体を搬送するための蠕動マイクロポンプを使用する場合と、水分が、搬送される気体から偶発的に凝縮し、その結果、気体／液体界面がポンプの流体領域に生じた時に、本発明のマイクロポンプを気体ポンプとして使用する場合との両方に当てはまる。
【００１２】
上記の条件を満たす圧縮比は、たとえば、個々のバルブの膜領域と対向するポンプ本体部分との間に形成されたバルブチャンバの容積より大きいポンピングチャンバの容積を具現することにより、発明的に実現することができる。好ましい実施態様では、これは、ポンピングチャンバの領域における膜と表面とポンプチャンバ表面との間の距離を、バルブチャンバの領域における距離よりも大きくすることにより実現される。
【００１３】
発明の蠕動マイクロポンプの圧縮比のさらなる増加は、ポンプ本体に構造化されたポンピングチャンバの輪郭をポンピング膜の屈曲線、つまり作動状態におけるポンピング膜の屈曲輪郭に適応させることによって達成され、その結果、ポンピング膜は、作動状態でポンピングチャンバ全体の容積を実質的に変位させることができる。さらに、ポンプ本体に形成されたバルブチャンバの輪郭も、対向する個々の膜部分の屈曲線に相応に適応させることができ、その結果、最適な場合、作動膜領域は、閉鎖状態におけるバルブチャンバ容積全体を実質的に変位させる。
【００１４】
本発明の上記およびその他の目的および特徴は、添付の図面に関して行われる以下の説明から明白になるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
流体システムに組み込まれる発明の蠕動マイクロポンプの第１の実施態様を図１に示す。このマイクロ膜ポンプは、３つの膜部分１２、１４および１６を有する膜要素１０を含む。各々の膜部分１２、１４および１６は、それぞれ圧電要素２２、２４および２６が設けられ、これらの圧電要素と共に圧電膜変換器を形成する。圧電要素２２、２４、２６は、個々の膜部分上に接着されるか、またはスクリーンプリントもしくはその他の厚膜技術により形成される。
【００１６】
膜要素は、ポンプ本体３０の外側領域においてポンプ本体３０の周囲に接合され、その結果、これらの間には流体密封接続部が存在する。ポンプ本体３０には、２つの流体通路３２および３４が形成され、ポンピング方向に従って、一方は流体入口、および他方は流体出口に相当する。図１に示す実施態様では、流体通路３２、３４は各々、シーリングリップ３６により包囲される。
【００１７】
さらに、図１に示す実施態様では、膜要素１０の底側およびポンプ本体３０の上側は、それらの間に流体チャンバ４０を定めるように構成される。
【００１８】
図示の実施態様では、膜要素１０およびポンプ本体３０の各々は、シリコンディスク内に実装されるため、これらは、たとえば、シリコンフュージョンボンディングにより互いに接合される。図１から分かるように、３つの膜領域１２、１４および１６を定めるために、膜要素１０は、その上側に３つの凹部を有し、その底側に１つの凹部を有する。
【００１９】
圧電要素または圧電セラミック２２、２４および２６により、膜部分１２、１４および１６の各々は、ポンプ本体３０方向に作動し、その結果、膜部分１２は、流体通路３２と共に、膜部分１２を作動させることにより閉鎖する入口バルブ６２に相当する。同様に、膜部分１６および流体通路３４は共に、圧電要素２６により膜部分１６を作動させることにより閉鎖する出口バルブ６４に相当する。最後に、圧電要素２４を作動させることにより、バルブ間に配置されるポンピングチャンバ領域４２の容積を減少させることができる。
【００２０】
図１に示す蠕動マイクロポンプの機能を説明する前に、先ず、図１によるマイクロポンプを組み立てる流体システム環境を説明する。ポンプは、支持ブロック５０上でポンプ本体３０に接着され、任意に、図１に示すように、過剰な接着剤を収容するためにスプライン５２が支持ブロック５０内に形成される。これらのスプライン５２は、過剰な接着剤を収容し、過剰な接着剤が流体チャネル５４、５６または流体通路３２、３４に達するのを防止するために、たとえば、支持ブロック５０内に形成された流体チャネル５４および５６を包囲するように設けられる。ポンプ本体３０は、流体通路３２が流体チャネル５４と連通し、流体通路が流体チャネル５６と連通するように、支持ブロックに接着または接合される。流体チャネル５４と５６との間には、さらに他のチャネル５８が、横断方向の漏れ防止として支持ブロック５０内に設けられる。流体チャネル５４、５６の外側端部には取付具６０が設けられ、これは、たとえば、図１に示す流体システムに管類を取り付けるために使用される。さらに、図１には、筐体６１が概略的に示され、これは、マイクロポンプを保護し、耐湿性のあるように圧電要素を完成するために、たとえば、接着剤による接続を使用して支持ブロック５０に接合される。
【００２１】
図１に示すポンプの蠕動ポンピングサイクルを説明するために、先ず、初期状態から説明する。初期状態では、入口バルブ６２は閉鎖し、第２膜部分１４に対応するポンピング膜は非作動状態であり、出口バルブ６４は開放している。この状態から開始すると、圧電要素２４を作動させることにより、ポンピング膜１４は、吐出行程に対応して下方に移動し、その結果、行程容積は開放出口バルブから出口、つまり流体チャネル５６内に搬送される。行程容積による吐出行程時におけるポンピングチャンバ４２の圧縮により、ポンピングチャンバ内に正圧が生じ、この正圧は、出口バルブを通る流体の移動により低下する。
【００２２】
この状態から開始すると、出口バルブ６４は閉鎖し、入口バルブ６２は開放する。次に、ポンピング膜１４は、圧電要素２４の作動を終了することにより上方に移動する。その結果、ポンピングチャンバは膨張し、ポンピングチャンバ内に負圧が生じ、開放入口バルブ６２を介して、再び流体の吸引が行なわれる。次に、入口バルブ６２が閉鎖し、出口バルブ６４が開放し、再び上記の初期状態になる。上記のポンピングサイクルにより、実質的に膜部分１４の行程容積に対応する流体容積は、流体チャネル５４から流体チャネル５６にポンピングされる。
【００２３】
本発明によると、好ましくは圧電膜変換器、または圧電屈曲変換器が圧電アクターとして使用される。このような屈曲変換器は、圧電セラミックの側方寸法が下にある膜の約８０％に相当する時に、最適な行程になる。一般に側部長さ４ｍｍ〜１２ｍｍから成る膜の側方寸法では、数１０μｍの工程、その結果、０．１μｌ〜１０μｌの範囲の容積行程が得られる。本発明の好ましい実施態様は、少なくともこのような範囲の容積行程を含み、このような容積行程では、耐泡性の蠕動ポンプは有利に実現される。
【００２４】
圧電膜変換器の場合、これらは、下方、つまりポンプ本体方向の有効行程のみを可能にする点に注目すべきである。これに関して、図２ａ〜図２ｆの略図を参照する。図２ａは、両方の表面に金属化１０２が施された圧電セラミック１００を示す。圧電セラミックは大きいｄ３１係数を含み、図２ａの矢印１０４の方向に分極される。図２ａによると、圧電セラミックに電圧は存在しない。
【００２５】
圧電膜変換器の製造では、図２ａに示す圧電セラミック１００は、図２ｂに示すように、たとえば接着され、膜１０６上に固定して実装される。図示の膜はシリコン膜であるが、膜は、金属化シリコン膜、金属箔、または２コンポーネント射出成形で導電性にしたプラスチック膜として電気的に接触することができる限り、任意のその他の材料で形成されてもよい。
【００２６】
正電圧、つまり分極方向の電圧、Ｕ＞０が圧電セラミックに印加される場合、圧電セラミックは、図２ｃに示すように収縮する。圧電セラミック１００を膜１０６に固定して接続することにより、膜１０６は、図２ｄの矢印で明らかなように、この収縮により下方に偏向する。
【００２７】
膜の上方運動を生じさせるため、負電圧、つまり分極方向に対向する電圧は、図２ｅに示すように、圧電セラミックに印加されなければならない。しかし、これは、図２ｅに矢印１０８で示唆するように、既に対向する方向に低電界強度にある圧電セラミックの脱分極を生じる原因になる。ＰＺＴセラミック（ＰＺＴ＝チタンジルコン酸鉛）の代表的な脱分極電界強度は、たとえば−４０００Ｖ／ｃｍである。したがって、膜の上方移動、つまり圧電セラミックの方向への移動は、図２ｆに示唆するように、実現不可能である。
【００２８】
２層シリコン圧電屈曲変換器、つまり圧電膜変換器の圧電効果非対称性により、有効な下方運動、つまりポンプ本体方向の運動しか実現することはできないという欠点にも関わらず、このような屈曲変換器の使用は、この形態の変換器は多くの利益を有するため、本発明の好ましい実施態様に相当する。一部には、これらの変換器は、低エネルギー消費量で約１ミリ秒台の迅速な応答性能を有する。さらに、圧電セラミックおよび膜の寸法の拡大縮小は、大きい範囲にわたって可能であるため、大きい行程（１０・・・２００μｍ）および大きい力（切換圧力１０4Ｐａ〜１０6Ｐａ）が可能であり、比較的大きい行程では、達成可能な力は減少し、あるいはこの逆である。さらに、切り換えられる媒体は、膜により圧電セラミックから分離される。
【００２９】
本発明の蠕動マイクロポンプは耐泡的かつ自吸式性能を要する用途に使用される場合、マイクロ蠕動ポンプは、死容積に対する行程容積の比率を定める圧縮比に関する設計規則を満たすように設計しなければならない。行程容積ΔＶおよび死容積Ｖ0を定義する場合、先ず図３ａおよび図３ｂを参照する。
【００３０】
図３ａは、ポンプ本体２００を概略的に示し、ポンプ本体２００の上面には、ポンピングチャンバ２０２が構成されている。ポンプ本体２００の上には、膜２０４が概略的に示され、この膜２０４には、入口バルブ圧電アクター２０６と、ポンピングチャンバ圧電アクター２０８と、出口バルブ圧電アクター２１０とが設けられる。圧電アクター２０６、２０８および２１０により、膜２０４の個々の領域は下方に、つまり図３ａに矢印で示すように、ポンプ本体２００の方向に移動される。図３ａでは、線２１２により、ポンピングチャンバ２００に対向する膜２０４の部分、つまりポンピング膜も偏向状態で、つまりポンピングチャンバの圧電アクター２０８による作動状態で示されている。膜２０４の非偏向状態と膜２０４の偏向状態２１２との間のポンピングチャンバ容積の差は、ポンピング膜の行程容積ΔＶを表す。
【００３１】
図３ａによると、入口バルブ圧電アクター２０６の下、および出口バルブ圧電アクター２１０の下に配置されたチャネル領域２１４および２１６は、ポンプ本体の下にある領域の上に位置する個々の膜領域により、対応する圧電アクターをそれぞれ作動させることにより閉鎖する。図３ａ〜図３ｃは、大まかな略図にすぎず、個々の要素は、個々のバルブ開口部を閉鎖することができるように設計される。したがって、入口バルブ６２および出口バルブ６４が再び形成される。
【００３２】
図３ｂには、ポンピングチャンバ２０２の容積が、ポンピングチャンバ圧電アクター２０８を作動させることにより減少し、入口バルブ６２が閉鎖する状況が示されている。図３ｂに示されているこの状況は、ある量の流体を出口バルブ６４から排出した後の状態に相当し、閉鎖入口バルブ６２と開放出口バルブ６４の通路開口部との間に残っている流体領域の容積は、図３ｂに斜線領域で示すように、吐出行程に対する死容積Ｖ0を表す。入口バルブ６２が開放し、出口バルブ６４が閉鎖する吸入行程に関する死容積は、図３ｃに斜線領域で示すように、閉鎖出口バルブ６４と開放入口バルブ６２の通路開口部との間に残っている流体領域の容積により定められる。
【００３３】
この時点では、個々の死容積は、個々の閉鎖バルブから通路開口部まで定めされ、この死容積において、ポンピングチャンバの個々の容積が変化する時に、実質的な圧力低下が生じる。入口バルブおよび出口バルブの対称構成の場合、双方向ポンプに好ましく、吐出行程および吸入行程の死容積Ｖ0は同じである。吐出行程および吸入行程が非対称であるために死容積が異なる場合、以下では、最悪状況の考察に関して、２つの死容積のうち比較的大きい方の死容積が個々の圧縮比を確認するために用いられるという事実から始めるべきである。
【００３４】
マイクロ蠕動ポンプの圧縮比は、行程容積ΔＶおよび死容積Ｖ0から以下のように計算される：
【数１】
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【００３５】
以下では、全体のポンプ領域に圧縮流体（気体）が充填されているという最悪状況の考察から始める。上記のとおり、蠕動ポンプ内の蠕動ポンピングサイクルで生じる容積／圧力状態を図４の図表に示す。図４には、等温容積／圧力曲線および断熱容積／圧力曲線を示し、最悪状況の考察に関しては、以下では、状態の緩慢な変化で生じる等温状態から開始する。
【００３６】
吐出行程の開始時には、入口バルブと出口バルブとの間に存在する流体領域に圧力ｐ0が存在し、この領域は容積Ｖ0＋ΔＶを有する。この状態から開始して、圧力膜は、行程容積ΔＶによる吐出行程時に下方に移動し、それにより、正圧ｐpは流体領域、つまりポンピングチャンバを形成し、その結果、Ｖ0の容積でｐ0＋ｐpの圧力が存在する。ポンピングチャンバ内の正圧は、圧力補償が行われるまで、出口から伝達される空気容積ΔＶにより低下する。出口からの流体のこのような流出は、図４の上の曲線から下の曲線までの急変に相当する。したがって、圧力補償の終わりには、吸入行程の開始点に対応する状態ｐ0、Ｖ0が存在する。この状態から開始して、膜はポンプ本体から離れて移動し、つまり圧力チャンバの容積は行程容積ΔＶだけ膨張する。したがって、図４に「膨張後の吸入行程」と記載するように、状態ｐ0−ｐn、Ｖ0＋ΔＶに変化する。既存の負圧により、流体容積ΔＶは、圧力補償が生じるまで、入口開口部から吸入される。ポンピングチャンバへの流体の流入は、図４の下の曲線から上の曲線までの急変に相当する。したがって、圧力補償後、やはり吐出行程の開始点に相当する状態ｐ0、Ｖ0＋ΔＶが存在する。
【００３７】
本発明の全体的な説明に役立つ上記の全体的な状態考察では、個々の吸入行程と吐出行程との間の入口バルブおよび出口バルブの容積の変位は無視した。
【００３８】
耐泡性を達成することができるように、吐出行程における正圧ｐpおよび吸入行程における負圧ｐnは、それぞれ吐出行程で最小値を超え、吸入行程で最小値の手前でなければならない。換言すれば、吐出行程および吸入行程における圧力の大きさは、出口圧力ｐFとして指示することができる最小値を超えなければならない。この出口圧力は圧力チャンバ内の圧力であって、少なくとも、ポンピングチャンバと第１または第２バルブの通路開口部との間で、この通路開口部を含む流れの狭窄を呈する場所を通り過ぎて、液体／気体界面を移動させるために存在しなければならない圧力である。この出口圧力は、以下のとおり、流れの狭窄の規模に応じて確認される。
【００３９】
毛管力は、たとえば気体の泡（たとえば空気泡）状の自由表面がポンプ内の流体領域内で移動する時に克服しなければならない。このような毛管力を克服するために印加される圧力は、液体／気体界面における液体の表面張力と、この界面のメニスカスの最大曲率半径ｒ1および最小曲率半径ｒ2とに依存する：
【数２】
2005536675.tif 000004
【００４０】
生成される出口圧力は、式２により定められ、つまり、特定の表面張力における液体／気体界面の曲率半径ｒ1およびｒ2の逆の合計が最大になるマイクロ蠕動ポンプの流路の場所に定められる。この場所は、流れの狭窄に対応する。
【００４１】
具体的に説明するため、たとえば、幅ｄを有すると共に、チャネルの高さもｄであるチャネル２２０（図５ａ）を考察する。チャネル２２０は、バルブ膜またはポンピング膜の下などのチャネルの両端２２２に断面変更点を有する。図５ａでは、チャネルは、矢印２２６方向に流れる液体２２４で完全に充填される。
【００４２】
図５ｂによると、空気泡２２８は次に、チャネル２２０の流入部にある断面変更点に衝突する。ここで、濡れ角度θが生じる。濡れ角度θは、チャネル２２０を通って移動するメニスカス２３０の最大曲率半径ｒ1および最小曲率半径ｒ2を定め、ｒ1＝ｒ2はチャネルの等しい高さおよび幅である。図５ｃでは、空気泡またはメニスカス２３０が、チャネル２２０の端部にある断面変更点２２２に達する状況を示す。
【００４３】
このようなチャネルが、最大毛管力を克服しなければならない流体システムの領域に相当する場合、ｒ1＝ｒ2＝ｒ＝ｄ／２であるこの特殊な状況で必要な圧力は、以下のとおりである：
【数３】
2005536675.tif 000005
【００４４】
本発明の種のマイクロ蠕動ポンプでは、この圧力障壁は、このようなチャネルがポンプの収縮を呈する場合、幾何学的寸法が小さいので、無視すべきではない。たとえばｄ＝５０μｍの直線直径およびσwa＝０．０７５Ｎ／ｍの空気／水の表面張力の場合、圧力障壁はΔｐb＝６０ｈＰａであり、チャネル直径がｄ＝２５μｍの場合、圧力障壁はΔｐb＝１２０ｈＰａである。
【００４５】
しかし、本発明の種のマイクロ蠕動ポンプでは、上記の収縮は、通常、開放バルブにおいて、バルブ膜とポンプ本体の対向領域（たとえば、シーリングリップ）との間の距離により定められる。この収縮は、高さと対照的に無限の幅を有する、つまりｒ1＝ｒおよびｒ2＝無限であるスリットを呈する。
【００４６】
上記の式２から、このようなチャネルの場合、以下の結果が得られる：
【数４】
2005536675.tif 000006
【００４７】
全体として、最小曲率半径と最小壁部距離ｄとの関連性は、以下の関係により与えられる：
【数５】
2005536675.tif 000007
ここで、θは濡れ角度、Γは２つの壁部間の傾斜である。
【００４８】
最悪状況、つまり、傾斜角度および濡れ角度に関係のない最小曲率半径は、正弦関数が最大になる、つまりｓｉｎ（９０°＋Γ−θ）＝１になる時に与えられる。これは、たとえば、図５ａ〜図５ｃに示すようにまたは傾斜角度Γと濡れ角度θとの組合せで、急激な断面の変化で生じる。最悪状況では、以下が適用される：
【数６】
2005536675.tif 000008
【００４９】
したがって、発生する最小壁部距離の半分は、傾斜角度Γ、濡れ角度θまたは急激な断面変化に関係なく、発生する最小曲率半径であると考えられる。
【００５０】
一方、蠕動ポンプでは、流体の接続部は、一定のチャネル幾何学的形状を有するチャンバと、最小通路寸法ｄを定める収縮部との間に存在する。このようなチャネルの場合、以下が適用される：
【数７】
2005536675.tif 000009
【００５１】
他方、蠕動ポンプは、入口バルブまたは出口バルブにおいて収縮部を有し、この収縮部は、バルブ行程に依存するスリットの幾何学的形状により定められる。この場合、以下が適用される：
【数８】
2005536675.tif 000010
【００５２】
より大きい毛管力を克服しなければならない個々の収縮（開放状態におけるチャネルの収縮またはバルブの収縮）は、マイクロ蠕動ポンプの流れの狭窄とみなされる。
【００５３】
したがって、本発明の好ましい実施態様では、蠕動ポンプ内の接続チャネルは、チャネルの直径は、収縮値、つまり、開放バルブ状態で膜とポンプ本体との間の距離の少なくとも２倍を超えるように設計される。この場合、バルブスリットは、マイクロ蠕動ポンプの流れの狭窄に相当する。たとえば、バルブ行程が２０μｍの場合、５０μｍという最小寸法、つまり収縮部を有する接続チャネルが設けられる。チャネル直径の上限は、チャネルの死容積により決定される。
【００５４】
克服すべき毛管力は、液体／気体界面における表面張力に依存する。この表面張力は、やはり関連する相手に依存する。水／空気界面の場合、表面張力は約０．７５Ｎ／ｍであり、温度に応じてわずかに変動する。有機溶剤は、通常、著しく低い表面張力を有し、水銀／空気界面における表面張力は、たとえば約０．４７５Ｎ／ｍである。したがって、０．１Ｎ／ｍの表面張力における毛管力を克服するように設計された蠕動ポンプは、公知のほぼすべての液体および気体を耐泡的かつ自吸式にポンピングするのに適する。また、発明のマイクロ蠕動ポンプの圧縮比は、水銀の場合でも、そのようなポンピングを可能にするために、相応に比較的高く形成される。
【００５５】
次に説明する設計原理は、気体および非圧縮性液体の搬送を保留にし、液体の搬送に関しては、最悪状況では、空気泡はポンピングチャンバ容積全体を充填するという事実から開始しなければならない。気体の搬送に関しては、凝縮により、液体はポンプに達するという事実を推測しなければならない。以下では、圧電アクターは、所要のすべての負圧および正圧に達するように設計されるという事実から開始する。
【００５６】
先ず、吐出行程を考察する。排出過程では、アクターの膜は気体の容積または空気の容積を圧縮する。次に、空気泡中の圧力によりポンピングチャンバｐpにおける最大正圧が決定される。これは、空気泡の状態式から計算される。
【数９】
2005536675.tif 000011
【００５７】
ｐ0、Ｖ0、ΔＶおよびｐpの値について、上記で図４に関して説明した。γAは、気体、つまり空気の断熱係数を表す。上記の式の左辺は、圧縮前の状態を表し、右辺は、圧縮後の状態を表す。さらに、吐出行程における正圧ｐpは、正の出口圧力ｐFより大きくなければならない：
【数１０】
2005536675.tif 000012
【００５８】
次に、吸入行程を考察する。吸入行程は、容積の開始位置により異なる。膨張後、負圧ｐnがポンピングチャンバ内に発生し、つまりｐnは負圧である：
【数１１】
2005536675.tif 000013
【００５９】
式１１の左辺は膨張前の状態を反映し、右辺は膨張後の状態を反映する。吐出行程における負圧ｐnは、所要の負の出口圧力ｐFより小さくなければならない。出口圧力ｐFは、吐出行程を考慮すると正の大きさであり、吸入行程を考慮すると負の大きさである。以下のとおり：
【数１２】
2005536675.tif 000014
【００６０】
上記の式から、吐出行程に関する耐泡性マイクロ蠕動ポンプに必要な最小圧縮比について、以下の結果が得られる：
【数１３】
2005536675.tif 000015
【００６１】
吸入行程に関して、以下の圧縮比が得られる：
【数１４】
2005536675.tif 000016
【００６２】
出口圧力ｐFが、大気圧ｐ0と対照的に小さい場合、前の式は、以下のように単純化することができ、これは、点ｐ0、Ｖ0に関する線形化に対応する：
【数１５】
2005536675.tif 000017
【数１６】
2005536675.tif 000018
吸入行程および吐出行程に関する有効な式として、以下が得られる。
【数１７】
2005536675.tif 000019
【００６３】
状態が迅速に変化する場合、条件は断熱、つまり空気の場合γA＝１．４である。状態が徐々に変化する場合、条件は等温、つまりγA＝１である。結果として最悪状況の仮定を適用して、γA＝１の規準を以下に使用する。したがって、耐泡性マイクロ蠕動ポンプの必要な圧縮比に関する設計規則として、圧縮比は、大気圧に対する出口圧力の比率より大きくなければならないと提示され、つまり：
【数１８】
2005536675.tif 000020
または、上記の容積の場合：
【数１９】
2005536675.tif 000021
【００６４】
上記の単純な線形設計規則は、点ｐ0、Ｖ0における図４の等温状態式の接線に対応する。
【００６５】
したがって、発明のマイクロ蠕動ポンプの好ましい実施態様は、圧縮比が上記の条件を満たすように設計され、必要な最小出口圧力は、蠕動ポンプ内に生じるチャネルの収縮が、バルブスリットのサイズの少なくとも２倍の最小寸法を有する場合、式８で定義される圧力に対応する。また、所要の最小出口圧力は、マイクロ蠕動ポンプの流れの狭窄が、スリットにより定められるのではなく、チャネルにより定められる場合、式３または７で定められる圧力に対応する。
【００６６】
入口における負圧ｐ1または出口における背圧ｐ2の圧力境界条件が存在する時に、発明のマイクロ蠕動ポンプを使用する場合、マイクロ蠕動ポンプの圧縮比は、これらの入口圧力または出口圧力に対抗するポンピングを可能にするために、相応に比較的大きくなければならない。圧力境界条件は、マイクロ蠕動ポンプに規定された用途により定められ、数ｈＰａ〜数千ｈＰａの範囲に達する場合がある。このような場合、ポンピングチャンバ内に発生する正圧ｐpまたは負圧ｐnは、ポンピング動作が生じるように、少なくともこれらの背圧を達成しなければならない。たとえば、可能な入口容器または出口容器の高さの差、５０ｃｍのみが、水の場合、背圧５０ｈＰａを生じる。
【００６７】
さらに、所望の伝達率は、追加の要件を課す境界条件を表す。一定の行程容積ΔＶの場合、伝達率Ｑは、反復蠕動サイクルの使用周波数ｆにより定義される：Ｑ＝ΔＶ・ｆ。持続時間Ｔ＝１／ｆ内では、蠕動ポンプの吸入行程および吐出行程の両方が実施されなければならない。特に行程容積ΔＶは変位されなければならない。したがって、使用可能な時間は、吸入行程および吐出行程の場合、最大値Ｔ／２である。ポンピングチャンバのフィードラインを介して行程容積を伝達するのに要する時間、およびバルブの収縮は、一方では流体抵抗に依存し、他方ではポンピングチャンバ内の圧力振幅に依存する。
【００６８】
発明のマイクロ蠕動ポンプで泡状の物質をポンピングする場合、上記のとおり、対応する数個の液体／気体界面が生じるため、複数の毛管力を克服する必要がある場合がある。このような場合、マイクロ蠕動ポンプは、対応する比較的高い出口圧力を生成することが可能な圧縮比を有するように設計されるべきである。
【００６９】
要約すると、発明のマイクロ蠕動ポンプの圧縮比は、マイクロ蠕動ポンプに必要な出口圧力ｐFが、上記の毛管力とは別として、さらに用途の境界条件に依存する場合、かなり高くなるように選択されなければならないと言うことができる。大気圧に関連する出口圧力を考察する場合、正の出口圧力ｐFは吐出行程にあり、負の出口圧力ｐFは吸入行程にあると想定されることに注意すべきである。したがって、堅牢な動作に関する技術的に実際的な値として、少なくともｐF＝１００ｈＰａという出口圧力の大きさが吸入行程および吐出行程に想定される。ポンピングが行なわれるポンプ出口におけるたとえば３０００ｈＰａの背圧を考慮すると、大気圧は１０１３ｈＰａであると想定して、上記の式１３によりε＞３の圧縮比が得られる。
【００７０】
マイクロ蠕動ポンプが、上記の式１４によりたとえば−９００ｈＰａの負圧という大きい負圧に対向して吸入しなければならない場合、このような負圧に対向するポンピングを可能にするには、圧縮比ε＞９を満たさなければならない。
【００７１】
このような圧縮比の実現を可能にする蠕動マイクロポンプの実施例について、以下に詳細に説明する。
【００７２】
図６ｂは、膜要素３００およびポンプ本体３０２を備える蠕動マイクロポンプの図６ａおよび図６ｃの線ｂ−ｂに沿った略断面図を示し、図６ａは、膜要素３００の略上面図を示し、図６ｃはポンプ本体３０２の略上面図を示す。膜要素３００は、各々に圧電アクター２２、２４および２６が設けられた３つの膜部分１２、１４および１６を有する。ポンプ本体３０２では、入口開口部３２および出口開口部３４は、やはり、入口開口部３２が、膜領域１２と共に入口バルブを定め、出口開口部３４が膜領域１６と共に出口バルブを定めるように形成される。膜部分１４の下には、ポンプ本体３０２内にポンピングチャンバ３０４が形成される。さらに、流体チャネル３０６がポンプ本体３０２内に形成され、膜領域１２および１６に関連するバルブチャンバ３０８および３１０に連通する。バルブチャンバ３０８および３１０は、図示の実施態様では、膜要素３００内の凹部により形成され、膜要素３００内には、ポンピングチャンバ３０４に寄与する凹部３１２も形成される。
【００７３】
図６ａ〜図６ｃに示す実施態様では、ポンピングチャンバの容積３０４は、バルブチャンバ３０８および３１０の容積より大きくなるように具現される。図示の実施態様では、これは、ポンプ本体３０２内に形成されたポンピングチャンバの凹み状の構造により達成される。ポンピング膜１４の行程は、ポンピングチャンバ３０４の容積を大きく変位させることができるように設計されることが好ましい。
【００７４】
バルブチャンバの容積と対照的に、ポンピングチャンバの容積がさらに増加することは、図６ａ〜図６ｃに示す実施態様では、図６ａで最もよく分かるように、ポンピングチャンバ部材１４の面積（膜要素３００またはポンプ本体３０２の平面）がバルブチャンバの膜より大きく設計されることにより達成される。したがって、バルブチャンバと比較して面積が大きいポンピングチャンバが得られる。
【００７５】
バルブチャンバ３０８および３１０とポンピングチャンバ３０４との間の流体抵抗を減少させるには、ポンプ本体３０２の表面において、フィードチャネル３０６が構成される。これらの流体チャネル３０６は、蠕動マイクロポンプの圧縮比を著しく悪化させずに、流体抵抗を減少させる。
【００７６】
図６ａ〜図６ｃに示す実施態様の代わりに、ポンプ本体３０２の表面は、（バルブチャンバと比較して）深さが増加するポンピングチャンバを実施するために３段の凹みで実現されることができるが、上のチップは実質的に非構造化膜である。このような２段の凹みは、図６ａ〜図６ｃに示す実施態様に比べて、実現することが技術的にわずかにより難しい。
【００７７】
蠕動マイクロポンプの図６ａ〜図６ｃに示す実施態様の例示的な寸法は、以下のとおりである：
バルブ膜１２、１６の寸法：７．３×５．６ｍｍ；
ポンピング膜１４の寸法：７．３×７．３ｍｍ；
膜厚：４０μｍ；
入口または出口ノズル３２、３４の直径：少なくとも５０μｍ；
バルブチャンバの高さ：８μｍ；
ポンピングチャンバの高さ：３０μｍ；
バルブシーリングリップの幅ｄDL：１０μｍ；
実現可能な全体のサイズ：８×２１ｍｍ；
圧電要素の寸法：面積：膜の寸法の０．８倍、厚さ：膜厚の２．５倍；
圧電要素の厚さ：１００μｍ；
開口部３２、３４の開放断面：１００μｍ×１００μｍ。
【００７８】
図６ｂに示す断面図の左部分の拡大図が図７に示され、図７には、ポンピングチャンバ３０４の高さＨが表示される。図７の図示によると、ポンプ本体３０２および膜要素３００内のポンピングチャンバ３０４を形成する構造は等しい深さを有するが、ポンプ本体３０２内の構造は、流体チャネル３０６に十分な流動断面を与え、しかも圧縮比を過度に妨げないようにするために、膜要素の深さより深くなるように定められることが好ましい。たとえば、流体チャネル３０６およびポンピングチャンバ３０４に役立つポンプ本体３０２の構造は、２２μｍの深さを有し、バルブチャンバ３０８を定めるか、または圧力チャンバ３０４に役立つ膜要素３００内の構造は、８μｍの深さを有する。
【００７９】
図８は、多少変更されている図７の部分Ａの拡大断面図である。図８によると、リッジは、チャネル２０６の方向に開口部３２から離間配置されている。その結果、両面リソグラフィの場合、実装許容差が考慮に入れられる。さらに、これにより、ウェハの厚さの変動が、断面サイズの異なるバルブ開口部を生じ、負の影響を及ぼすのを防止することができる。図８で分かるように、膜１２までの距離ｘは、バルブ開放位置において、ポンピングチャンバとバルブ通路開口部との間の流れの狭窄を定める。
【００８０】
上記のとおり、ポンピング動作が必要な流体システムの領域では、蠕動ポンプのポンピングチャンバ容積を形成することにより、蠕動ポンプの圧縮比は、自吸式の性能および耐泡性の点で堅牢な動作が可能であるように選択されるべきである。これを達成するには、死容積を小さく保つことが好ましく、それは、ポンピングチャンバの輪郭または形状を、偏向状態でポンピング膜の屈曲線に適応させることによって支持される。
【００８１】
このような適応を実現する第１の可能性は、円形ポンピングチャンバ、つまり周囲の形状がポンピング膜の偏向に適応するポンピングチャンバを実施することにある。ポンピングチャンバ、およびこのようなポンピングチャンバを有するポンプ本体の流体チャネル部分の概略上面図が図９ａに示される。また、図６ｃの図と同様に、たとえば、バルブチャンバに連通する流体チャネル３０６は、やはり円形ポンピングチャンバ３３０内に導かれる膜要素内に構成される。
【００８２】
死容積をさらに減少し、その結果、圧縮比をさらに増加することを可能にするには、ポンピング膜の下にあるポンピングチャンバは、ポンピング膜に対向するポンピングチャンバの輪郭が、ポンピング膜の屈曲線をぴったりたどるように設計される。ポンピングチャンバのこのような輪郭は、たとえば、相応に形成された射出成形ツール、またはエンボス加工スタンプにより達成される。アクター膜の屈曲線をたどるこのような流体チャンバ３４２が構成されるポンプ本体３４０の上面図が図９ｂに示される。さらに、図９ｂには、ポンプ本体内に構成され、流体チャンバ３４２に入るか、または流体チャンバ３４２から離れる流体チャネル３４４が示される。図９ｂの線ｃ−ｃに沿った略断面図が図９ｃに示され、図９ｃでは、それに関連する圧電アクター３４８を含む膜３４６も示される。流体チャネル３４４を通る流れは、図９ｃに矢印３５０で指示される。さらに、図９ｃでは、膜３４６に対向し、膜の屈曲線に（作動状態で）適応する流体チャンバまたはポンピングチャンバ３４２の輪郭３５２が分かる。流体チャンバ３５２のこの形状は、圧電アクター３４８により膜３４６を作動させた時に、流体チャンバ３４２の実質的に全体の容積を変位させることを可能にし、それにより高い圧縮比が得られる。
【００８３】
ポンピングチャンバ３４２およびバルブチャンバ３６０の両方が、それぞれ関連する膜部分１２、１４および１６の屈曲線に適応する蠕動マイクロポンプの一実施態様が図１０ａおよび図１０ｂに示され、図１０ｂは、ポンプ本体３４０の略上面図を示し、図１０ａは、図１０ｂの線ａ−ａに沿った略断面図を示す。図１０ａおよび図１０ｂから分かるように、バルブチャンバ３６０および３６２の形状および輪郭は、ポンピングチャンバ３４２に関して上記で述べたように、それぞれ関連する膜部分１２または１６の屈曲線に適応される。図１０ｂに最もよく示されているように、やはり流体チャネル３４４ａ、３４４ｂ、３４４ｃおよび３４４ｄはポンプ本体３４０内に形成される。流体チャネル３４４ａは入口流体チャネルを表し、流体チャネル３４４ｂは、バルブチャンバ３６０をポンピングチャンバ３４２に接続し、流体チャネル３４４ｃは、ポンピングチャンバ３４２をバルブチャンバ３６２に接続し、流体チャネル３４４ｄは出口チャネルを表す。
【００８４】
図１０ａに示すように、この実施態様の膜要素３８０は、ポンプ本体３４０内に形成された流体領域と共に、バルブチャンバおよびポンピングチャンバを定めるために、ポンプ本体３４０内に設けられた凹部内に挿入される非構造化膜要素である。
【００８５】
アクターチャンバ間の接続チャネル３４４ｂおよび３４４ｃは、これらのチャネルが、行程容積と比較して小さい死容積を有するように切り換えられる。同時に、これらの流体チャネルは、アクターチャンバ間の流体抵抗を著しく低下させ、その結果、より大きいポンピング周波数、ひいてはより大きい搬送流が可能になり、このような流れは、やはり図１０ａに矢印３５０で指示される。バルブチャンバ３６０および３６２の領域では、流体チャネルは、完全に偏向した膜部分により膜部分１２または１６を作動させることにより分離され、その結果、流体チャネル３４４ａおよび３４４ｂ間、または流体チャネル３４４ｃおよび３４４ｄ間の流体の分離が生じる。バルブチャンバの輪郭は、緊密な流体分離が行なわれるように、個々の膜部分の屈曲線に正確に適応されなければならない。また、図１１に示すように、リッジ３９０は、膜部分１２の最大行程の領域において、個々のバルブチャンバ内に設けられ、膜部分１２の屈曲により完全にシールできるように対応に形作られる。詳細には、リッジは、屈曲線に適応するバルブチャンバの形状に対応して、バルブチャンバの縁部方向に上方に屈曲する。このリッジは、個々のバルブチャンバ内に突出し、また、図１１に示すように、接続チャネル３４４の深さは、膜部分がポンプ本体に当接する膜部分１２の行程ｙより大きく、その結果、リッジ３９０は陥没する。接続チャネルの深さが最大行程より大きい場合、これは、圧縮比を犠牲にするが、アクターチャンバ間の低い流体抵抗を可能にする。
【００８６】
バルブチャンバ３６０の他の実施態様が図１２に示されるが、接続チャネル３４４の深さは、膜部分１２の最大行程ｙより小さく、したがって、膜部分１２の最大行程の領域で膜部分１２の屈曲線に適応するバルブチャンバ３６０の深さより小さい。その結果、バルブの閉鎖状態で、安全なシールが得られる。
【００８７】
デフォルトの圧力要件を満たすバルブシールを閉鎖状態で達成するには、アクター要素、つまり図１３に示すように、膜部分１２および圧電アクター２２の最大可能屈曲線を再現しないリッジ３９０ａをバルブチャンバ３６０内に設けることが好ましい。膜部分１２の最大可能屈曲線が図１３に破線４００で示され、線４１０は、リッジ３９０ａを設けることによる膜部分１２の最大可能偏向に相当する。したがって、膜１２は、リッジ３９０がシールされると、完全に偏向した状態で残留力によりリッジ３９０ａ上に着座し、この残留力は、シールが耐えるべき圧力要件を満たす寸法に作られる。
【００８８】
実用的な現実化では、膜の屈曲線は、多くの場合、たとえば圧電セラミックの実装許容差、および圧電セラミックを膜に取り付ける接着剤塗布の不均一性により、膜の中心と完全には同心でない。したがって、リッジシールの領域は、膜がリッジに対して確実に接触し、確実にシールするために、他の流体チャンバと対照的に、アクターの行程に応じてわずかに、たとえば約５〜２０μｍだけ増加される。これも、図１３に示す状況に対応する。しかし、その結果、死容積の増加、および圧縮比の低下が観察される。
【００８９】
上述の可能性のかわりに、シリコンなどの可塑的に変形可能な材料は、少なくとも移動可能な膜の下の領域において、流体チャンバ材料として使用される。相応に大きく設計されるアクターの力により、不均一性の平衡が保たれる。このような場合、硬質−硬質のシールは存在しなくなり、したがって、粒子および付着物に対する特定の許容差は存在する。
【００９０】
以下では、図１０ａおよび図１０ｂに示した蠕動ポンプの例示的な寸法について簡潔に示す。膜部分１２、１４および１６の厚さ、ひいては膜要素３８０の厚さは、たとえば４０μｍであり、圧電アクターの厚さは、たとえば１００μｍである。圧電セラミックとして、大きいｄ３１係数を有するＰＺＴセラミックが使用される。膜の側部の長さは、たとえば１０ｍｍであり、圧電アクターの側部の長さは、たとえば８ｍｍである。上記のアクターの幾何学的形状を有するアクターを作動させるための電圧揺動は、たとえば１４０Ｖであり、これは、ポンピング膜の行程容積が約２〜４μｌの場合に、約１００〜２００μｍの最大行程を生じる。
【００９１】
流体チャンバの構造を膜の屈曲線に適応させることにより、蠕動ポンプに必要な３つの流体チャンバの死容積は、存在しなくなり、その結果、バルブチャンバをポンピングチャンバに接続する接続チャネルのみが残る。１００μｍの深さ、１００μｍの幅、および１０ｍｍの長さを各々有する接続チャネルが使用され、流体チャネル３４４ｂおよび３４４ｃの全長が２０ｍｍになる場合、ポンピングチャンバの死容積は０．２μｌになる。したがって、圧縮比ε＝ΔＶ／Ｖ＝４μｌ／０．２μｌ＝２０が確認される。
【００９２】
最大２０という大きい圧縮比の場合、このような流体モジュールは耐泡的かつ自吸式であり、液体および気体の両方を搬送することができる。理論上、このような流体ポンプは、圧電アクターの構造に応じて、圧縮可能な液体媒体のために、数バールの圧力をさらに増加する。このようなマイクロポンプの場合、生成可能な最大圧力は、もはや圧縮比により制限されるのではなく、駆動要素の最大力、およびバルブの緊密さにより定められる。このような特性にも関わらず、チャネルの寸法を適切に決めて流体抵抗を低くくすることにより、毎分数ｍｌが搬送される。
【００９３】
上記の実施態様では、すべての流体チャネル、つまり入口流体チャネル３４４ａおよび出口流体チャネル３４４ｄも側方に案内され、つまり、流体チャネルは流体チャンバと同じ平面を通過する。上記のとおり、このようなコースでは、チャネルのシールは難しい。しかし、流体チャネルの側方コースでは、入口チャネル３４４ａおよび／または出口チャネル３４４ｄに接続される槽を含む全体の流体システムは、１つの製造ステップ、たとえば射出成形またはエンボス加工ステップなどで形作られると有利である。
【００９４】
図１４には、発明のマイクロ蠕動ポンプの一実施態様が示され、入口流体チャネル４１２および出口流体チャネル４１４は、ポンプ本体３４０内に垂直に陥没する。流体チャネル４１２および４１４は、実質的に垂直部分４１２ａおよび４１４ａを有し、これらの部分は各々、関連する膜部分１２または１６の実質的に中心下方で、バルブチャンバ３６０または３６２に導かれる。図１４に示す流体チャネルの実施態様の利益は、流体チャネルを定められた方法でシールできる点である。しかし、このような垂直に陥没する流体チャネルは、組立ての点で製造が難しいことが欠点である。
【００９５】
本発明の蠕動マイクロポンプは、好ましくは、膜、たとえば、接地電位上にある金属膜または半導体膜により制御され、圧電セラミックは、典型的な蠕動サイクルで、各々圧電セラミックに印加される対応する電圧により移動される。
【００９６】
３つの流体チャンバ３４２、３６０および３６２を使用する上記のマイクロ蠕動ポンプを別として、発明の蠕動マイクロポンプは、さらに他の流体チャンバ、たとえば、流体チャネル４２２を介してポンピングチャンバ３４２に接続されたさらに他の流体チャンバ４２０を含む。このような構造は図１５に概略的に示され、第１槽４２４は、流体チャネル３４４ａを介してバルブチャンバ３６０に接続され、第２層４２６は、流体チャネル４２８を介してバルブチャンバ４２０に接続され、第３槽４３０は、流体チャネル３４４ｄを介してバルブチャンバ３６２に接続される。
【００９７】
図１５に示すように、４つの流体チャンバを有する構造は、たとえば、内部で混合流が能動的に伝達される分岐構造または混合機を形成する。関連する４つの流体アクターを有する４つの流体チャンバに拡張すると、たとえば図１５に示すように、すべての槽４２４、４２６および４３０間の各ポンプの方向が両方向に実現される３つの蠕動ポンプの実現が可能である。この場合、単一の膜要素が、すべての流体チャンバおよび槽の容器を被覆し、各流体チャンバに別個の圧電アクターが設けられる。したがって、流体工学系全体は非常に平坦に設計され、流体チャンバ、チャネル、膜、圧電アクターおよび支持構造を含む機能的な流体構造は、２００〜４００μｍ台の全体的な高さを有する。したがって、チップカードに組み込まれるシステムが可能である。さらに、可撓性の流体システムも可能である。
【００９８】
図示の実施態様を別として、流体チャンバは、任意に平面に交互配列することができる。したがって、マイクロ蠕動ポンプは、各々、異なる槽に結合され、たとえば、化学反応のための試薬を（たとえば燃料セル内に）供給するか、またはたとえば水分析における分析システムの校正シーケンスを実行する。
【００９９】
圧電膜変換器を形成するため、圧電セラミックは、たとえば、個々の膜部分に接着される。また、ＰＺＴなどの圧電セラミックは、厚膜技術で、たとえば、適切な中間層を使用するスクリーン印刷法により直接塗布される。
【０１００】
発明の陥没した入口流体チャネル４１２および陥没した出口流体チャネル４１４を有するマイクロ蠕動ポンプの他の実施態様が図１６に示される。入口流体チャネル４１２は、やはり、膜部分１２の実質的に中心下方に、バルブチャンバ４４２に導かれ、出口流体チャネルは、膜部分１６の実質的に中心下方に、バルブチャンバ４４４に導かれる。入口チャネル４１２および出口チャネル４１４の各口の開口部には、シーリングリップ４５０が設けられる。さらに、ポンプ本体４４０内には、ポンピングチャンバ４５２が形成され、それは、壁部４５４内の流体チャネルにより、バルブチャンバ４４２および４４４に連通する。図１６に示す実施態様により、３つの膜部分１２、１４および１６は、やはり膜要素４５６を形成する。しかし、この実施態様では、膜部分は、対応する膜部分上に配置される圧電スタックアクター４６０、４６２および４６４により駆動される。このため、圧電スタックアクターは、図１６にポンプ本体および膜要素から離れて示されている適切な筐体部分４７０および４７２を用いて使用される。
【０１０１】
圧電スタックアクターは、膜要素に固定的に接続する必要がなく、モジュール式構成が可能であるという点で有利である。このように固定的に接続しない圧電スタックアクターの場合、アクターは、アクターの作動が終了した時に、膜部分を能動的に引き戻す。膜部分の逆運動は、むしろ弾性膜自体の復帰力によってのみ生じることが可能である。
【０１０２】
本発明の蠕動マイクロポンプは、最も多様な製造材料および製造技術を用いて加工されることができる。ポンプ本体は、たとえば、シリコンから製造され、射出成形によりプラスチックから加工されるか、または精密工学的な切削により製造されることができる。２つのバルブおよびポンピングチャンバ用の駆動膜を形成する膜要素は、シリコンから製造され、ステンレス鋼またはチタンなどの金属箔により形成され、２コンポーネント射出成形技術で加工して、導電性コーティングを施したプラスチック膜により形成されるか、またはエラストマー膜により実現されることができる。
【０１０３】
膜要素とポンプ本体との接続は重要な問題であり、なぜなら、この接続部では、蠕動ポンプの動作時に高度の剪断力が生じるからである。このような接続の場合、以下の要件が課せられる：
−  緊密であり；
−  ポンピングチャンバの高さは死容積に影響を及ぼす重要な設計パラメーターであるため、結合層が薄く（＜１０μｍ）；
−  機械的耐久性であり；さらに
−  搬送される媒体に対する化学的耐性である。
【０１０４】
シリコンが基礎構造および膜要素である場合、結合層のないシリコンフュージョンボンディングが行なわれる。シリコンとガラスとの組合せの場合、陽極ボンディングが使用されることが好ましい。その他の可能性としては、共晶ウェハボンディングまたはウェハの接着が挙げられる。
【０１０５】
基礎構造がプラスチックからなり、膜要素が金属箔である場合、下塗剤が膜要素と基礎構造との間に使用される時には、積層が行なわれる。また、高度の剪断強度を有する接着剤による接着が行なわれ、この場合、好ましくは流体構造に接着剤が侵入するのを防止するために毛管ストップ溝が基礎構造に形成される。
【０１０６】
膜要素とポンプ本体との両方がプラスチックからなる場合、これらの接続に超音波溶接が使用される。２つの構造が光学的に透過性である場合、他にレーザ溶接が行なわれる。エラストマー膜の場合、圧締によりシールを確実にするために、さらに膜のシール特性が使用される。
【０１０７】
以下では、ポンプ本体に対する膜の可能な実装が、発明のマイクロ蠕動ポンプでどのように行なわれるかを簡潔に説明する。本発明のマイクロポンプでは、膜がポンプ本体に接着される場合、結合層材料（たとえば接着剤）の用量が重要であることに注意すべきである。なぜなら、一方では、膜は全体的に緊密でなければならず（つまり、十分な接着剤を塗布しなければならない）、他方では、過剰な接着剤が流体チャンバ内に侵入するのを防止しなければならないからである。
【０１０８】
接着剤または粘着剤である結合層材料は、たとえば分配によりまたは対応する形状スタンプにより、結合層上に塗布される。結合層材料の塗布後、膜は、基礎的な本体上に装填される。ダイシング時にたとえば膜の縁部に生じる可能性のあるバリは、バリの対応する受け口に空間を見出し、その結果、膜の定められた位置が特に膜の表面に対して垂直な方向に確保され、これは、死容積および緊密さの点で重要である。
【０１０９】
次に、接着剤層ができるだけ薄く定められるように、ポンプ本体をスタンプで押圧する。過剰な接着剤を収容するために、毛管ストップ溝が、ポンプ本体内に形成された流体領域を包囲するように設けられる。したがって、このような過剰な接着剤が流体チャンバに達しない。これらの条件下では、接着剤は、定められて薄くなるように硬化する。硬化は、室温で、またはオーブン内で加速された方法で、またはＵＶ硬化接着剤を使用してＵＶ放射により行なわれる。
【０１１０】
上記の接着技術の代わりに、基礎的な本体またはポンプ本体を適切な溶剤により部分的に溶解させて、プラスチック膜を基礎的な本体に結合する方法が、接続技術として行なわれる。
【図面の簡単な説明】
【０１１１】
【図１】図１は、流体システムにおける発明の蠕動マイクロポンプの一実施態様を示す略断面図である。
【図２】図２ａ〜図２ｆは、圧電膜変換器を説明するための略図である。
【図３】図３ａ〜図３ｃは、行程容積および死容積という用語を説明するための略断面図である。
【図４】図４は、ポンピングサイクル時における容積／圧力状態を示す略図である。
【図５】図５ａ〜図５ｃは、出口圧力という用語を説明するための略図である。
【図６】図６ａ〜図６ｃは、発明のマイクロポンプの他の実施態様の略図である。
【図７】図７は、図６ｂの領域を示す拡大図である。
【図８】図８は、図７の変更領域を示す拡大断面図である。
【図９】図９ａ、図９ｂおよび図９ｃは、ポンピングチャンバの可能な構造を示す略図である。
【図１０】図１０ａおよび図１０ｂは、発明のマイクロポンプの他の実施態様の略図である。
【図１１】図１１は、図１０ａおよび図１０ｂに示す実施例の変更箇所の拡大領域の略断面図である。
【図１２】図１２は、図１０ａおよび図１０ｂに示す実施例の変更箇所の拡大領域の略断面図である。
【図１３】図１３は、図１０ａおよび図１０ｂに示す実施例の変更箇所の拡大領域の略断面図である。
【図１４】図１４は、発明のマイクロポンプのさらに他の実施態様の略断面図である。
【図１５】図１５は、発明の複数のマイクロポンプの略図である。
【図１６】図１６は、発明のマイクロポンプの他の実施態様の略図である。
【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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【国際調査報告】
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