(57)【要約】【課題】  流体の相変化によって駆動されるマイクロポンプを提供する。【解決手段】  流体が満たされるように所定の内部空間を有するポンピングチャンバと、ポンピングチャンバに連結された少なくとも１つの流体流入通路及び少なくとも１つの流体排出通路と、ポンピングチャンバの一側に備えられてポンピングチャンバ内部の流体を加熱することによってバブルを生成させる加熱要素と、加熱要素に電流を印加するための電極を具備し、バブルの膨脹と収縮とによって流体の流動が発生し、流体流入通路と流体排出通路とのうち少なくとも１つは流体の流動方向に沿ってその断面積が変わる形状を有するマイクロポンプ。したがって、流体の流動方向によって流体入口通路と流体出口通路とでの流動抵抗の差が発生するので、流体のポンピング方向への純流量が算出できる。このような構成によれば、可動要素を具備せずにポンピングチャンバ内に流入された流体の相変化によって流体のポンピングが行われるので、構造が比較的簡単であり、耐久性が向上され、かつポンピング効率が高まるようになる。【選択図】  図５Ａ
2004218644.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が満たされるように所定の内部空間を有するポンピングチャンバと、
前記ポンピングチャンバに連結された少なくとも１つの流体流入通路及び少なくとも１つの流体排出通路と、
前記ポンピングチャンバの一側に備えられて前記ポンピングチャンバ内部の流体を加熱することによってバブルを生成させる加熱要素と、
前記加熱要素に電流を印加するための電極と、を具備し、
前記バブルの膨脹及び収縮によって流体の流動が発生し、前記流体流入通路及び前記流体排出通路のうち少なくとも１つは流体の流動方向に沿ってその断面積が変わる形状を有することを特徴とするマイクロポンプ。
【請求項２】
前記流体流入通路は前記ポンピングチャンバの方に近づくほど、断面積が順次減少する形状を有し、前記流体排出通路は前記ポンピングチャンバの方に近づくほど、順次断面積が増加する形状を有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項３】
前記流体流入通路と前記流体排出通路とのそれぞれの傾斜角は５０゜以上であることをことを特徴とする請求項２に記載のマイクロポンプ。
【請求項４】
前記流体流入通路は前記ポンピングチャンバの方に近づくほど、断面積が順次増加する形状を有し、前記流体排出通路は前記ポンピングチャンバの方に近づくほど、順次断面積が減少する形状を有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項５】
前記流体流入通路と前記流体排出通路とのそれぞれの傾斜角は３０゜以下であることを特徴とする請求項４に記載のマイクロポンプ。
【請求項６】
前記流体流入通路は前記ポンピングチャンバの一側に備えられ、前記流体排出通路は前記流体流入通路と対向するように前記ポンピングチャンバの他側に備えられることを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項７】
前記流体流入通路及び前記流体排出通路のそれぞれはピラミッド形状を有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項８】
前記流体流入通路及び前記流体排出通路のそれぞれは高さが一定であり、その幅が流体の流動方向に沿って変わることを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項９】
前記ポンピングチャンバ及び前記加熱要素の平面形状は方形であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項１０】
前記ポンピングチャンバ及び前記加熱要素の平面形状は円形であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項１１】
前記加熱要素は抵抗発熱体よりなることを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項１２】
前記ポンピングチャンバ、前記流体流入通路及び前記流体排出通路は基板をエッチングすることによって形成されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項１３】
前記基板上には絶縁層が形成されて前記ポンピングチャンバの上部壁をなし、前記絶縁層上に前記加熱要素と電極とが形成されていることを特徴とする請求項１２に記載のマイクロポンプ。
【請求項１４】
前記加熱要素及び電極上には絶縁性を有する保護層が形成されていることを特徴とする請求項１３に記載のマイクロポンプ。
【請求項１５】
前記保護層上には前記加熱要素及びその周囲の熱を発散させるための熱発散層が形成され、前記熱発散層は前記基板に連結されることを特徴とする請求項１４に記載のマイクロポンプ。
【請求項１６】
前記熱発散層は金属よりなることを特徴とする請求項１５に記載のマイクロポンプ。
【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係り、より詳細には、流体の相変化によって駆動されるマイクロポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近のマイクロマシニング（ｍｉｃｒｏ−ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）技術の飛躍的な発展は多様な機能のマイクロ電子機械システム（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ：ＭＥＭＳ）の開発を可能にした。このようなＭＥＭＳ装置は、サイズ、コスト及び信頼性の観点で多くの長所を有しているので、広範囲な適用例のために開発されている。
【０００３】
特に、多様な用途として使われる流体システムを超小型化させて１つのチップ上に具現しようとする研究が進行しており、これによって流体システムを構成する基本要素としてサブマイクロリットル単位の極微小流量の制御可能なマイクロポンプ及び弁などのようなマイクロ構造体に関連した技術開発が活発になっている。
【０００４】
図１Ａ及び図１Ｂには従来のマイクロポンプの一例としてチェック弁を有するマイクロポンプが示されている。
【０００５】
図１Ａと図１Ｂとを共に参照すれば、従来のマイクロポンプはポンピングチャンバ１０の上部薄膜に付着されている圧電体１２によって駆動される。前記ポンピングチャンバ１０の下部には流体入口１４と流体出口１６とが連結されており、流体入口１４及び流体出口１６のそれぞれとポンピングチャンバ１０の接続部とにはチェック弁１５、１７が備えられている。このような構造のマイクロポンプにおいて、図１Ａに示されたように圧電体１２に印加される電圧によって圧電体１２が変形されることによってポンピングチャンバ１０の体積が増加すれば、第２チェック弁１７は閉ざされ、第１チェック弁１５が開かれながら流体入口１４を通じて流体がポンピングチャンバ１０内に供給される。次いで、図１Ｂに示されたように圧電体１２の反対方向への変形によってポンピングチャンバ１０の体積が減少すれば、第１チェック弁１５が閉ざされ、第２チェック弁１７が開かれながら流体出口１６を通じて流体が所定量ほど排出される。
【０００６】
ところが、図１Ａ及び図１Ｂに示された従来のマイクロポンプには一方向への流体の流れを誘導するチェック弁１５、１７が使われるが、このようなチェック弁１５、１７は微細な構造物内で作動せねばならない可動要素である。ところが、ＭＥＭＳ分野に適用されるポンプ及び弁はそのサイズが非常に小さいべきなので、チェック弁１５、１７のような可動要素を適用し難く、可動要素を適用するとしても要求される作動期間に耐久性を確保し難い短所がある。また、チェック弁１５、１７が有する質量慣性によって高い周波数での作動が難しい短所もある。
【０００７】
図２には、従来のマイクロポンプの他の例として、特許文献１に開示されたマイクロポンプが示されている。
【０００８】
図２に示されたマイクロポンプは図１Ａ及び図１Ｂに示されたチェック弁１５、１７の代りにピラミッド状の１対の流体通路２２、２３を具備することによってポンプ内部に可動要素のない構造を有する。前記２つの流体通路２２、２３はポンピングチャンバ２０の下部に相異なる方向に連結され、ポンピングチャンバ２０の上部薄膜には駆動手段として圧電体２１が設置されている。流体流入通路２２はポンピングチャンバ２０の方に近づくほど、順次断面積が減少する形状を有し、流体排出通路２３はポンピングチャンバ２０の方に近づくほど、順次断面積が増加する形状を有する。
【０００９】
このような形状を有する流体通路２２、２３が概略５０゜〜７０゜程度の比較的大きい傾斜角を有するようになれば、断面積が減少する方向への流動抵抗が断面積が増加する方向への流動抵抗よりも小さくなる。したがって、圧電体２１の振動によるポンピングチャンバ２０内の体積変化によって前記２つの流体通路２２、２３をそれぞれ通過する流体には相異なる流動抵抗が作用する。このように前記マイクロポンプはチェック弁なしにも各流体通路２２、２３での流動抵抗の差によって流体のポンピング方向への純流量を発生させうる。
【００１０】
図３Ａ及び図３Ｂには従来のマイクロポンプのさらに他の例として、非特許文献１に開示されたマイクロポンプが示されている。
【００１１】
図３Ａ及び図３Ｂに示されたマイクロポンプにも弁がなく、その代わりに流体のポンピング方向に沿って断面積が変わる１対の流体通路３３、３４が備えられている。前記２つの流体通路３３、３４はポンピングチャンバ３０の両側にそれぞれ連結され、ポンピングチャンバ３０の上部には駆動手段として圧電薄膜３２が備えられている。流体流入通路３４はポンピングチャンバ３０の方に近づくほど、順次断面積が増加する形状を有し、流体排出通路３３はポンピングチャンバ３０から遠ざかるほど順次断面積が増加する形状を有する。ところが、このような形状を有する流体通路３３、３４が概略１５゜〜３０゜程度の比較的小さい傾斜角を有すれば、断面積が増加する方向への流動抵抗が断面積が減少する方向への流動抵抗よりも小さくなる。したがって、図３Ａに示されたように圧電薄膜３２の変形によってポンピングチャンバ３０内に流体が供給される時には、流体流入通路３４を通過する流量が流体排出通路３３を通過する流量よりも多くなる。一方、図３Ｂに示されたようにポンピングチャンバ３０から流体が排出される時には流体排出通路３３を通過する流量が流体流入通路３４を通過する流量よりも多くなる。このように図３Ａ及び図３Ｂに示されたマイクロポンプも各流体通路３３、３４での流動抵抗の差によって流体のポンピング方向への純流量を発生させうる。
【００１２】
前記したように、従来のマイクロポンプは圧電体の振動によるポンピングチャンバの体積変化によって純流量を発生させる構造を有する。ところが、前記圧電体はその構造及び製造過程が複雑である短所がある。そして、ポンピング流量を増加させるためには圧電体の面積を増加させねばならないが、これは技術的に非常に難しくてコストもかかる問題点がある。また、ポンピングチャンバの体積変化を増加させることによってポンピング流量を増加させうるが、この場合には圧電体の振動によるポンピングチャンバの上部薄膜の変形量が大きくならなければならず、これによって上部薄膜が破損する可能性が高まる問題点がある。
【特許文献１】米国特許第５，９０１，０３７号明細書
【非特許文献１】Ｅｒｉｋ ＳｔｅｍｍｅとＧｏｒａｎ Ｓｔｅｍｍｅの“Ａ Ｖａｌｖｅｌｅｓｓ Ｄｉｆｆｕｓｅｒ／Ｎｏｚｚｌｅ−Ｂａｓｅｄ Ｆｌｕｉｄ Ｐｕｍｐ”（Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ａ. ３９,（１９９３）ｐｐ.１５９−１６７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は前記のような従来技術の問題点を解決するために創出されたものであって、特に、可動要素を具備せずにポンピングチャンバ内に流入された流体の相変化によって流体をポンピングすることによって、比較的簡単な構造及び向上した耐久性を有し、ポンピング効率が高いマイクロポンプを提供することにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記の技術的課題を解決するために本発明は、流体が満たされるように所定の内部空間を有するポンピングチャンバと、前記ポンピングチャンバに連結された少なくとも１つの流体流入通路及び少なくとも１つの流体排出通路と、前記ポンピングチャンバの一側に備えられて前記ポンピングチャンバ内部の流体を加熱することによってバブルを生成させる加熱要素と、前記加熱要素に電流を印加するための電極と、を具備し、前記バブルの膨脹と収縮とによって流体の流動が発生し、前記流体流入通路及び前記流体排出通路のうち少なくとも１つは流体の流動方向に沿ってその断面積が変わる形状を有することを特徴とするマイクロポンプを提供する。
【００１５】
本発明の第１実施例によれば、前記流体流入通路は前記ポンピングチャンバ側に近づくほど、断面積が順次減少する形状を有し、前記流体排出通路は前記ポンピングチャンバ側に近づくほど、順次断面積が増加する形状を有する。
【００１６】
この場合、前記流体流入通路と前記流体排出通路とのそれぞれの傾斜角は５０゜以上であることが望ましい。
【００１７】
本発明の第２実施例によれば、前記流体流入通路は前記ポンピングチャンバ側に近づくほど、断面積が順次増加する形状を有し、前記流体排出通路は前記ポンピングチャンバ側に近づくほど、順次断面積が減少する形状を有する。
【００１８】
この場合、前記流体流入通路と前記流体排出通路とのそれぞれの傾斜角は３０゜以下であることが望ましい。
【００１９】
前記実施例において、前記流体流入通路は前記ポンピングチャンバの一側に備えられ、前記流体排出通路は前記流体流入通路と対向するように前記ポンピングチャンバの他側に備えられることが望ましい。
【００２０】
そして、前記流体流入通路と前記流体排出通路とのそれぞれはピラミッド状を有しうる。一方、前記流体流入通路と前記流体排出通路とのそれぞれは高さが一定であり、その幅が流体の流動方向に沿って変わることも望ましい。
【００２１】
また、前記ポンピングチャンバ及び前記加熱要素の平面形状は方形又は円形であり、前記加熱要素は抵抗発熱体よりなることが望ましい。
【００２２】
そして、前記ポンピングチャンバ、前記流体流入通路及び前記流体排出通路は基板をエッチングすることによって形成されうる。
【００２３】
また、前記基板上には絶縁層が形成されて前記ポンピングチャンバの上部壁をなし、前記絶縁層上に前記加熱要素と電極とが形成されることが望ましい。
【００２４】
また、前記加熱要素及び電極上には絶縁性を有する保護層が形成されることがさらに望ましい。
【００２５】
また、前記保護層上には前記加熱要素及びその周囲の熱を発散させるための熱発散層が形成され、前記熱発散層は前記基板に連結されることがさらに望ましい。この場合、前記熱発散層は金属よりなることが望ましい。
【００２６】
前記したように本発明によるマイクロポンプは、可動要素を具備せずにポンピングチャンバ内に流入された流体の相変化によって流体をポンピングすることによって、比較的簡単な構造と向上した耐久性とを有し、ポンピング効率が高い長所がある。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によるマイクロポンプはポンピングチャンバ内に流入された流体の相変化によって流体をポンピングできるので、可動要素を具備しない。したがって、比較的簡単な構造と向上した耐久性とを有するマイクロポンプが具現できる長所がある。また、ポンピングチャンバの一側に備えられる加熱要素の面積を増加させるかその発熱量を増加させることによってポンピング効率を容易に向上させうる長所もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、添付された図面を参照しながら本発明によるマイクロポンプの望ましい実施例を詳細に説明する。以下の図面で同じ参照符号は同じ構成要素を指す。
【００２９】
図４Ａは、本発明の望ましい第１実施例によるマイクロポンプの構造を示す平面図であり、図４Ｂは、図４Ａに表示されたＡ−Ａ′線に沿ったマイクロポンプの断面図であり、図４Ｃは、図４Ａに表示されたＢ−Ｂ′線に沿ったマイクロポンプの断面図である。
【００３０】
図４Ａないし図４Ｃをするに参照すれば、本発明によるマイクロポンプは、流体が満たされるように所定の内部空間を有するポンピングチャンバ１１２と、前記ポンピングチャンバ１１２に連結された流体流入通路１１３及び流体排出通路１１４と、前記ポンピングチャンバ１１２の一側に備えられた加熱要素１３０と、前記加熱要素１３０に電流を印加するための電極１５１、１５２とを具備する。
【００３１】
前記ポンピングチャンバ１１２の平面形状は方形であって、その内部空間は直方体形状を有する。このポンピングチャンバ１１２は流体流入通路１１３を通じて流入された流体が流体排出通路１１４を通じて排出できるように駆動力を提供する所である。
【００３２】
前記流体流入通路１１３は入口マニホールド１１５とポンピングチャンバ１１２との間に備えられ、入口マニホールド１１５内の流体をポンピングチャンバ１１２内部に供給する役割をする。そして、前記流体排出通路１１４は出口マニホールド１１６とポンピングチャンバ１１２との間に備えられ、ポンピングチャンバ１１２内の流体を出口マニホールド１１６に排出する役割をする。このような流体流入通路１１３と流体排出通路１１４とは示されたようにそれぞれ１つずつ備えられることもあるが、流量を増加させるためにそれぞれ複数備えられることもある。そして、前記流体流入通路１１３はポンピングチャンバ１１２の一側に配置され、前記流体排出通路１１４は前記流体流入通路１１３と対向するようにポンピングチャンバ１１２の他側に配置される。一方、流体流入通路１１３と流体排出通路１１４とは前記とは異なって配置されることもあり、また、ポンピングチャンバ１１２の一側、例えば、下側に共に配置されることもある。
【００３３】
前記流体流入通路１１３はポンピングチャンバ１１２の方向に近づくほど、断面積が順次減少する形状を有し、前記流体排出通路１１４はポンピングチャンバ１１２の方向に近づくほど、順次断面積が増加する形状を有する。そして、前記流体流入通路１１３と流体排出通路１１４とのそれぞれの傾斜角θは５０゜以上、例えば、５０゜〜７０゜であることが望ましい。前記したような条件を満足する流体通路１１３、１１４を通過する流体に作用する流動抵抗はその流動方向によって変わる。具体的に、断面積が減少する方向への流動抵抗が断面積が増加する方向への流動抵抗よりも小さくなる。このような流動抵抗の差によってチェック弁なしにも流体のポンピング方向への純流量が発生する。これについては、後で詳細に説明する。
【００３４】
前記した条件を満足させるために、前記流体流入通路１１３及び流体排出通路１１４のそれぞれは図４Ａ及び図４Ｂに示されたように流体のポンピング方向に進むにつれ断面積が狭くなるピラミッド形状を有しうる。一方、前記流体流入通路１１３及び流体排出通路１１４のそれぞれは高さが一定であり、その幅が流体のポンピング方向に進むにつれ狭くなる形状を有することがあり、前記した形状でなくても前記した条件を満足する多角形や円形などの断面形状を有することもある。
【００３５】
そして、前記では流体流入通路１１３と流体排出通路１１４とは何れも断面積が変わる形状を有すると示されて説明されたが、流体流入通路１１３と流体排出通路１１４とのうち何れか１つのみ断面積が変わる形状を有しても流体のポンピング方向への純流量を発生させうる。
【００３６】
前記したポンピングチャンバ１１２、流体通路１１３、１１４及びマニホールド１１５、１１６は基板１１０を様々な方法によって微細加工することによって形成できる。望ましくは、シリコン基板１１０の表面を所定深さにエッチングすることによって前記ポンピングチャンバ１１２、流体通路１１３、１１４及びマニホールド１１５、１１６が形成できる。この場合、図４Ｂとは異なり、前記流体通路１１３、１１４は基板１１０の上面から所定深さに形成されてポンピングチャンバ１１２の上端部に連結されうる。
【００３７】
前記基板１１０上には絶縁層１２０が形成されてポンピングチャンバ１１２の上部壁をなし、前記絶縁層１２０上に前記加熱要素１３０が形成される。前記加熱要素１３０はポンピングチャンバ１１２内部の流体を加熱することによってバブルを生成させる機能をし、このバブルの膨脹と収縮によって流体の流動が発生する。この加熱要素１３０は抵抗発熱体、例えば、タンタル−アルミニウム合金又はタンタル窒化物よりなりうる。そして、前記加熱要素１３０の平面形状はポンピングチャンバ１１２の形状によって方形であることが望ましいが、これとは別の形状を有することもある。
【００３８】
前記加熱要素１３０と絶縁層１２０との上には絶縁性を有する第１保護層１４０が形成され、前記第１保護層１４０上に前記電極１５１、１５２が形成される。前記電極１５１、１５２は第１保護層１４０に形成された第１コンタクトホールＣ１を通じて加熱要素１３０の両端部にそれぞれ接続される。
【００３９】
前記第１保護層１４０と電極１５１、１５２との上には絶縁性を有する第２保護層１６０が形成され、前記第２保護層１６０の上に熱発散層１７０が形成されうる。前記熱発散層１７０は保護層１４０、１６０と絶縁層１２０とを貫通して形成された第２コンタクトホールＣ２を通じて基板１１０に連結されて加熱要素１３０及びその周囲の熱を基板１１０や外部に発散させる役割をするものであって、熱伝導性に優れた金属よりなりうる。
【００４０】
以下では、図５Ａ及び図５Ｂを参照して本発明の第１実施例によるマイクロポンプから流体がポンピングされる過程を詳細に説明する。図５Ａは、流体ポンピングモードを示す図面であり、図５Ｂは、流体供給モードを示す図面である。
【００４１】
まず、図５Ａを参照すれば、ポンピングチャンバ１１２の内部に流体１８０が満たされた状態で、電極１５１、１５２を通じて加熱要素１３０にパルス形態の電流信号を印加すれば、加熱要素１３０で熱が発生して、このように発生した熱が絶縁層１２０を通じてポンピングチャンバ１１２の内部の流体１８０を加熱するようになる。加熱された流体１８０の温度が一定温度以上になれば、沸騰してバブル１９０が生成され、このバブル１９０は高圧の気体状態であるので、周辺の流体１８０を押し出しつつ膨脹する。このようなバブル１９０の膨張力によってポンピングチャンバ１１２内の流体は流体排出通路１１４を通じて出口マニホールド１１６に排出される。この過程で加熱要素１３０に印加された電流信号は除去される。一方、バブル１９０の膨張力は流体１８０を流体流入通路１１３を通じて入口マニホールド１１５の方向に押し出す逆方向の流動も発生させる。この時、前述したように断面積が減少する方向への流動抵抗が断面積が増加する方向への流動抵抗よりも小さいので、流体排出通路１１４を通じて排出される流量が流体流入通路１１３を通じて逆流する流量に比べてはるかに多くなる。
【００４２】
次に、図５Ｂを参照すれば、バブル１９０が最大に膨脹した後、膨張力を失ったバブル１９０は収縮して消滅する。この時には、ポンピングチャンバ１１２の外部からポンピングチャンバ１１２内部への圧力が作用する。これによって、流体流入通路１１３を通じて流体１８０がポンピングチャンバ１１２内部に流入し、流体排出通路１１４を通じても流体１８０がポンピングチャンバ１１２内部に流入する。ところが、この時には流体流入通路１１３での流動抵抗が流体排出通路１１４での流動抵抗よりも小さくなるので、流体流入通路１１３を通じて流入される流量が流体排出通路１１４を通じて流入される流量よりもはるかに多くなる。一方、この過程ではバブル１９０の生成のために加熱された加熱要素１３０及びその周囲の熱が熱発散層１７０を通じて基板１１０及び外部に発散される放熱過程が行われる。このような熱発散層１７０によれば、より速い熱の放出が行われるので、バブル１９０の収縮と膨脹の周期が早くなってマイクロポンプの駆動周波数を高められる。
【００４３】
以上で説明したように、バブル１９０の膨脹過程ではポンピングチャンバ１１２から流体排出通路１１４を通じてより多くの流体１８０が排出され、バブル１９０の収縮過程では流体流入通路１１３を通じてより多くの流体１８０がポンピングチャンバ１１２の内部に流入される。したがって、このような過程を所定の周波数で繰り返せば、流体流入通路１１３を通じて流入されて流体排出通路１１４を通じて排出される純流量が算出されてポンピング効果が現れる。
【００４４】
そして、本発明によるマイクロポンプでは、前記したように加熱要素１３０が流体ポンピングの駆動力を提供し、流体通路１１３、１１４が動的受動弁の役割をするようになるので、圧電体及びチェック弁のような可動要素を必要としない。したがって、比較的簡単な構造及び向上した耐久性を有するマイクロポンプの具現が可能である。また、ポンピングチャンバ１１２の一側に備えられる加熱要素１３０の面積を増加させるか、又はその発熱量を増加させることによってポンピング流量を容易に向上させうる。
【００４５】
図６Ａは、本発明の望ましい第２実施例によるマイクロポンプの構造を概略的に示す平面図であり、図６Ｂは、図６Ａに表示されたＣ−Ｃ′線に沿ったマイクロポンプの断面図である。一方、図６Ａには図面の複雑性を避けるために図４Ａと同じ部分は省略されている。そして、本発明の第２実施例はポンピングチャンバ及び加熱要素の形状と流体通路の形状とを除いては前述した第１実施例と同一であるので、以下では前記との差異点を基準として説明する。
【００４６】
図６Ａ及び図６Ｂを共に参照すれば、本発明の第２実施例によるマイクロポンプにおいて、ポンピングチャンバ２１２の平面形状は円形であって、その内部空間は示されたように半球形か円筒状を有しうる。これによって加熱要素２３０の平面形状も円形よりなることが望ましい。前記ポンピングチャンバ２１２に連結された流体流入通路２１３と流体排出通路２１４とは非常に長く形成されるので、前述した第１実施例のように比較的大きい傾斜角を有し難い。したがって、本実施例では前述した第１実施例とは異なり、前記流体流入通路２１３はポンピングチャンバ２１２の方に近づくほど、断面積が順次増加する形状を有し、前記流体排出通路２１４はポンピングチャンバ２１２から遠ざかるほど順次断面積が増加する形状を有する。そして、前記流体流入通路２１３と流体排出通路２１４とのそれぞれは３０゜以下、望ましくは１５゜〜３０゜程度の比較的小さい傾斜角θを有する。前記したような条件を満足する流体通路２１３、２１４によれば、断面積が増加する方向への流動抵抗が、断面積が減少する方向への流動抵抗よりも小さくなる。このような流動抵抗の差によって流体のポンピング方向への純流量が発生する。これについては後でさらに説明する。
【００４７】
前記流体流入通路２１３と流体排出通路２１４とのそれぞれは前記した条件を満足させる限度内で、前述したように多様な形状を有しうる。そして、本実施例でも流体流入通路２１３と流体排出通路２１４とのうち何れか１つだけ断面積が変わる形状を有しうる。
【００４８】
前記したポンピングチャンバ２１２、流体通路２１３、２１４及びマニホールド２１５、２１６はシリコン基板２１０の表面を所定深さにエッチングすることによって形成できる。この場合、図示されたように前記流体流入通路２１３と流体排出通路２１４とのそれぞれの高さは一定であり、その幅が流体のポンピング方向に進むにつれ広くなる形状を有することが望ましい。
【００４９】
前記基板２１０上に形成された絶縁層２２０、加熱要素２３０、第１保護層２４０、電極２５１、２５２、第２保護層２６０及び熱発散層２７０は前述した第１実施例と同一であるので、これらについての詳細なる説明は省略する。
【００５０】
以下では、図７Ａ及び図７Ｂを参照して本発明の第２実施例によるマイクロポンプで流体がポンピングされる過程を詳細に説明する。図７Ａは、流体ポンピングモードを示す図面であり、図７Ｂは、流体供給モードを示す図面である。
【００５１】
まず、図７Ａを参照すれば、電極２５１、２５２を通じて加熱要素２３０にパルス形態の電流信号を印加すれば、加熱要素２３０で発生した熱がポンピングチャンバ２１２の内部の流体２８０を加熱してバブル２９０を発生させる。このバブル２９０の膨張力によってポンピングチャンバ２１２内の流体は流体排出通路２１４を通じて出口マニホールド２１６に排出される。この過程で加熱要素２３０に印加された電流信号は除去される。一方、バブル２９０の膨張力は流体２８０を流体流入通路２１３を通じて入口マニホールド２１５の方に押し出す逆方向の流動も発生させる。この時、断面積が増加する方向への流動抵抗が、断面積が減少する方向への流動抵抗よりも小さいので、流体排出通路２１４を通じて排出される流量が流体流入通路２１３を通じて逆流する流量に比べてはるかに多くなる。
【００５２】
次に、図７Ｂを参照すれば、バブル２９０が収縮して消滅すれば、ポンピングチャンバ２１２の外部からポンピングチャンバ２１２の内部への圧力が作用するようになるので、流体流入通路２１３を通じて流体２８０がポンピングチャンバ２１２の内部に流入し、流体排出通路２１４を通じても流体２８０がポンピングチャンバ２１２の内部に流入する。この時には流体流入通路２１３での流動抵抗が流体排出通路２１４での流動抵抗よりも小さくなるので、流体流入通路２１３を通じて流入される流量が流体排出通路２１４を通じて流入される流量よりもはるかに多くなる。一方、この過程で加熱要素２３０及びその周囲の熱が熱発散層２７０を通じて基板２１０及び外部に発散される。
【００５３】
以上で説明したように、本発明の第２実施例によるマイクロポンプも第１実施例と同じポンピング効果を有しうる。そして、可動要素を必要としないので、比較的簡単な構造と向上した耐久性とを有し、ポンピング流量を容易に向上させうる。
【００５４】
図８Ａないし図８Ｃは、本発明によるマイクロポンプの特性を示すグラフであって、図８Ａは、流体排出通路での経時的な流体出入量の変化を示したグラフであり、図８Ｂは、流体流入通路での経時的な流体出入量の変化を示したグラフであり、図８Ｃは、純流量を示したグラフである。
【００５５】
この実験で、流体流入通路と流体排出通路とはそれぞれ平均直径が２８μｍ、長さが３０μｍである円形の断面形状を有し、第１実施例のように流体ポンピング方向に進むにつれ断面積が減少する形状を有する。そして、２０μｍのポンピング過程を６サイクル（３００μs）間遂行した時、時間ｓによる流体流入通路と流体排出通路とでの流体出入量の変化を測定した。グラフで、正の流体出入量はポンピングチャンバからマニホールドに排出された流体の体積を示し、負の流体出入量はマニホールドからポンピングチャンバの内部に流入された流体の体積を示す。一方、グラフで、１×１０−１４ｍ３の体積は１０ｐｌ（ｐｉｃｏ ｌｉｔｅｒ）に該当する。
【００５６】
図８Ａと図８Ｂとを比較してみれば、バブルの生成と消滅の過程が進行するにつれて各流体通路を通じて流体が流出入する時期は一致しているが、その流体出入量には相互に差がある。ここで、２つの流体通路での流体出入量を合せた値が実際に流体通路を通じてポンピングチャンバに出入りした流体の量である。本発明によってポンピング方向に沿って断面積が変わる流体通路構造によって、流体流入通路から流体排出通路に移動する純流量が存在する。その結果が図８Ｃに示されている。図８Ｃを参照すれば、サイクル当たり約８ｐｌの流体が流体流入通路から流体排出通路に移動することが分かる。このようにポンピングされる流体の量は流体通路の形状と傾斜角とを調節することによって増加させうる。また、駆動周波数を増加させるほどポンピング効果は増大する。
【００５７】
本発明は図面に示された実施例を参考として説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当分野で当業者であれば、これより多様な変形及び均等な他の実施例が可能である点が理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は特許請求の範囲によって定められねばならない。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、構造の単純化及び耐久性の向上のために可動要素を具備せずに流体の相変化によって流体をポンピングできるマイクロポンプに適用されうる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１Ａ】従来のマイクロポンプの一例を示す図面であって、流体供給モードを示す図面である。
【図１Ｂ】従来のマイクロポンプの一例を示す図面であって、流体ポンピングモードを示す図面である。
【図２】従来のマイクロポンプの他の例を示す図面である。
【図３Ａ】従来のマイクロポンプのさらに他の例を示す図面であって、流体供給モードを示す図面である。
【図３Ｂ】従来のマイクロポンプのさらに他の例を示す図面であって、流体ポンピングモードを示す図面である。
【図４Ａ】本発明の望ましい第１実施例によるマイクロポンプの構造を示す平面図である。
【図４Ｂ】図４Ａに表示されたＡ−Ａ′線に沿ったマイクロポンプの断面図である。
【図４Ｃ】図４Ａに表示されたＢ−Ｂ′線に沿ったマイクロポンプの断面図である。
【図５Ａ】本発明の第１実施例によるマイクロポンプで流体がポンピングされた過程を説明するための図面であって、流体ポンピングモードを示す図面である。
【図５Ｂ】本発明の第１実施例によるマイクロポンプで流体がポンピングされた過程を説明するための図面であって、流体供給モードを示す図面である。
【図６Ａ】本発明の望ましい第２実施例によるマイクロポンプの構造を概略的に示す平面図である。
【図６Ｂ】図６Ａに表示されたＣ−Ｃ′線に沿ったマイクロポンプの断面図である。
【図７Ａ】本発明の第２実施例によるマイクロポンプで流体がポンピングされる過程を説明するための図面であって、流体ポンピングモードを示す図面である。
【図７Ｂ】本発明の第２実施例によるマイクロポンプで流体がポンピングされる過程を説明するための図面であって、流体供給モードを示す図面である。
【図８Ａ】本発明によるマイクロポンプの特性を示すグラフである。
【図８Ｂ】本発明によるマイクロポンプの特性を示すグラフである。
【図８Ｃ】本発明によるマイクロポンプの特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６０】
１１０  基板
１１２  ポンピングチャンバ
１１３  流体流入通路
１１４  流体排出通路
１１５  入口マニホールド
１１６  出口マニホールド
１２０  絶縁層
１３０  加熱要素
１４０  第１保護層
１５１、１５２  電極
１６０  第２保護層
１７０  熱発散層
１８０  流体
１９０  バブル
Ｃ１  第１コンタクトホール
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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