(57)【要約】【目的】小形でポンプ性能が安定し、構造的に強固なマイクロポンプを容易に製造することができるようにする。【構成】下側基板と上側基板との間に振動子によって振動する通気孔があけられた振動板を挟持して、上側基板との間で背圧室が、ポンプ吐出口が設けられた下側基板との間で吸気口を有する吸排気室が形成されるようにしたマイクロポンプにあって、方形の板状部分が形成されるようにエッチングした半導体基板を、その板状部分が振動板となるように上側基板と下側基板との間に挟持して、その板状部分の上に円形の平板状の振動子を装着する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下側基板と上側基板との間に振動子によって振動する通気孔があけられた振動板を挟持して、上側基板との間で背圧室が、ポンプ吐出口が設けられた下側基板との間で吸気口を有する吸排気室が形成されるようにしたマイクロポンプであって、方形の板状部分が形成されるようにエッチングした半導体基板を、その板状部分が振動板となるように上側基板と下側基板との間に挟持して、その板状部分の上に円形の平板状の振動子を装着したことを特徴とするマイクロポンプ。
【請求項２】
半導体基板を異方性エッチングすることによって形成された正方形の板状部分の上に、真円の平板状の振動子が同一中心となるように装着されていることを特徴とする請求項１の記載によるマイクロポンプ。
【請求項３】
上側基板および下側基板がともに半導体基板からなることを特徴とする請求項１の記載によるマイクロポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、振動板の振動によってガス等の流体を吐出するマイクロポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のマイクロポンプにあっては、例えば、図１１に示すように、ポンプ吐出口１１２および吸気口１１３が設けられた金属製のケース１１１の内部に、圧電素子１１４が取り付けられた振動板１１５を、ケース１１１との間で吸排気室１１６が、基板１１８との間で背圧室１１７が形成されるように、基板１１８を介してバネ１１９によって加圧保持するように構成されていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−２３６８８０号公報（第５〜６頁、図１）
【０００４】
このような構造によるマイクロポンプでは、その構成部品の全てが機械加工によるもので小形化には自ずと限界があるものとなっている。また、ポンプ性能を高めるためには部材の組付け精度が要求されるが、部材の寸法誤差や、振動板を加圧保持させる際の加圧状態のばらつきなどによって共振周波数、機械電気結合係数等のポンプ特性が個々にばらついてしまい、製品の歩留りの低下につながっている。
【０００５】
特に、センサ本体に作用する角速度に応じたガス流の偏向状態を感熱抵抗素子によって電気的に検出するガスレートセンサで、センサ本体が半導体基板のエッチングによるマイクロマシニング加工によって製造された超小形のものにあって、そのセンサ本体に安定したガス流を送り込むポンプとして、より小形でポンプ性能の良いものが求められており、ポンプの駆動周波数、ガス吐出効率のばらつきはセンサ精度の低下につながるものとなっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
解決しようとする問題点は、機械加工による構成部品を組み立てたマイクロポンプでは小形化に自ずと限界があるものとなっていることである。
【０００７】
また、機械加工による構成部品を組み立てたマイクロポンプでは、振動板の組み付け精度が悪く、ポンプ性能にばらつきを生じてしまうという問題がある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、下側基板と上側基板との間に振動子によって振動する通気孔があけられた振動板を挟持して、上側基板との間で背圧室が、ポンプ吐出口が設けられた下側基板との間で吸気口を有する吸排気室が形成されるようにしたマイクロポンプにあって、小形でポンプ性能の良いものを容易に製造することができるようにするべく、薄い板状部分が形成されるようにエッチングした半導体基板を、その板状部分が振動板となるように上側基板と下側基板との間に挟持して、その板状部分の上に平板状の圧電素子などからなる振動子を装着するようにしている。
【０００９】
その際、特に本発明では、半導体基板のエッチングによって方形にならざるを得ない板状部分の上に同じような方形の平板状の振動子を装着するのでは、その振動子の角部で板状部分に応力が集中して、シリコンなどによる薄い板状部分では金属などに比して応力がかかったときに破損しやすく、耐久性に劣るという問題点を解決するために、方形の板状部分の上に応力の集中することのない円形の平板状の振動子を装着するようにしたことを特徴としている。
【００１０】
【実施例】
本発明によるマイクロポンプにあっては、図１および図２に示すように、シリコンウエハをエッチングすることによって吸排気室６となる空間およびポンプ吐出口７が形成された下側基板１と、シリコンウエハをエッチングすることによって背圧室５となる空間が形成された上側基板２と、シリコンウエハをエッチングすることによって薄膜化された振動板３１が形成され、その振動板３１の基部３２において下側基板１と上側基板２との間に挟持されて一体に接着された半導体基板３と、その振動板３１上に接着された平板状の圧電素子４とによって構成されている。
【００１１】
ここでは、振動子として圧電素子を用いているが、その他電磁気的に振動する電歪振動子や磁歪振動子などが広く用いられる。
【００１２】
また、半導体基板３の側壁の一部が切り欠かれて下側基板１との間でガスの吸入口９が形成されている。
【００１３】
振動板３１には、下側基板１に設けられているポンプ吐出口７と同一の中心線上となる位置に通気孔８があけられており、振動板３１が背圧室５側にたわんで背圧室５内のガスを吐出する際、ガスが一直線にポンプ吐出口７に流れて効率良く安定に吐出されるように、ポンプ吐出口７と通気孔８との相対的な位置決めがなされているとともに、ポンプ吐出口７と通気孔８との大きさが最適設定されている。
【００１４】
このようなマイクロポンプにあって、本発明では、図３および図４に示すように、シリコンウエハにおける（１００）面からなる片面を異方性ウェットエッチングすることによって、薄膜化された振動板３１を形成するようにしている。
【００１５】
半導体（シリコン）ウエハのマイクロマシニング加工には、ドライエッチングおよびウェットエッチングによる加工技術がある。そして、それぞれのエッチングには全ての方向にエッチングする等方性エッチングと特定の方向に選択的にエッチングする異方性エッチングとがあり、半導体ウエハを立体的に加工するフォトリゾグラフィー技術では異方性エッチングが比較的多く用いられる。
【００１６】
本発明では、エッチング速度が速くてスループット性が良く、バッチ処理によりコストの削減が可能であり、ドライエッチングよりも生産性に優れたウェットエッチングを採用して、シリコンウエハを異方性エッチングするようにしている。その際、シリコンウエハの（１００）面をエッチングすると、（１１１）面からなる側面をもった四角錐状に加工されて、正方形の薄膜化された振動板３１が形成される。
【００１７】
そのエッチングされた部位は、（１００）面による平面と、（１１１）面による側面とが露出された状態になる。（１１１）面は異方性ウェットエッングにおいて最終的に出現する安定な結晶面であり、エッチングにより薄膜状に形成された振動板３１の全周がその（１１１）面からなる部分によって支持される、このような振動板３１の支持状態は安定であるとともに構造的に強固であり、ばらつきなく常に一定の振動特性を発揮することのできる振動板３１を容易に得ることができるようになる。
【００１８】
いま、図６に示すように、正方形の振動板３１の上に同じ正方形状の平板状の圧電素子４１を接着するのでは、振動時にその圧電素子４１の角部で振動板３１に応力が集中して破損しやすくなってしまう。特に、図７に示すように、供給電圧を低くしても振動時に所定のたわみ量が得られるように面積の大きな正方形の圧電素子４２を振動板３１の上に接着するようにした場合には、その角部が振動板３１のつけ根の角部分に接近して、その角部分に応力が集中してより破損しやすくなってしまう。
【００１９】
また、正方形の振動板３１の上に同じ正方形の平板状の圧電素子４１，４２を接着するのでは、中心に位置決めする以外に、相対的な向きの位置合せをも行わせなければならず、作業性が悪くなってしまう。
【００２０】
そのため、特に本発明では、図５に示すように、正方形の振動板３１の上に、円形の平板状の圧電素子４を接着するようにしている。ここでは、圧電素子４を真円としている。
【００２１】
したがって、振動時に圧電素子４が振動板３１に与える応力が円周上均等に分散して、部分的に集中するようなことがなくなる。
【００２２】
また、供給電圧を低くしても振動時に所定のたわみ量が得られるように圧電素子４の面積を大きくしても、同じ面積をもった正方形の圧電素子４２の場合に比して、圧電素子４が振動板３１のつけ根の角部分に接近することがなく、その角部分により大きな応力が加わるようなことがなくなる。
【００２３】
さらに、振動板３１の上に円形（真円）の圧電素子４を接着するに際して、中心に位置決めするだけでよく、正方形の圧電素子４１，４２の場合のように相対的な向きの位置合せを行わせる必要がなくて作業性が向上する。
【００２４】
図８は、エッチングにより形成された１５ｍｍ×１５ｍｍの大きさの正方形の振動板３１に、直径１０ｍｍの円形の圧電素子４を接着して、振動板３１の中心のたわみが１μｍになるように圧電素子４に電圧を印加した場合に、振動板３１における応力分布の測定結果を示している。
【００２５】
図９は、エッチングにより形成された１５ｍｍ×１５ｍｍの大きさの正方形の振動板３１に、図８に示す直径１０ｍｍの円形の圧電素子４に内接する大きさの正方形の圧電素子４１を接着して、振動板３１の中心のたわみみが１μｍになるように圧電素子４１に電圧を印加した場合に、振動板３１における応力分布の測定結果を示している。
【００２６】
図１０は、エッチングにより形成された１５ｍｍ×１５ｍｍの大きさの正方形の振動板３１に、図８に示す直径１０ｍｍの円形の圧電素子４に外接する大きさの正方形の圧電素子４２を接着して、振動板３１の中心のたわみみが１μｍになるように圧電素子４２に電圧を印加した場合に、振動板３１における応力分布の測定結果を示している。
【００２７】
図８〜図１０において、Ａは０．２ＭＰａ以下の箇所、Ｂは０．２〜０．４ＭＰａの範囲の箇所、Ｃは０．４〜０．６ＭＰａの範囲の箇所、Ｄは０．６〜０．８ＭＰａの範囲の箇所、Ｅは０．８〜１．０ＭＰａの範囲の箇所、Ｆは１．０ＭＰａ以上の箇所を示している。
【００２８】
その測定結果によれば、それぞれの最大応力は図８に示す円形の場合には１．６９ＭＰａ、図９に示す小さい正方形の場合には２．２０ＭＰａ、図１０に示す大きい正方形の場合には２．３１ＭＰａとなり、円形の圧電素子４が最も小さい値を示している。
【００２９】
また、応力の分布状態は、円形の圧電素子４では振動板３１と近接する箇所において応力が大きくなっているが、極端には集中していない。それに対して、正方形の圧電素子４１，４２では、いずれもその角部に大きな応力が集中している。
【００３０】
例えば、マイクロガスレートセンサの本体内にガスを送り込むポンプとしては、振動板３１を数〜数１０μｍ程度にたわませる必要があるが、その場合、部位によっては数１０ＭＰａの応力が生ずることになる。したがって、応力が過大に集中することなく、応力が小さく分散していればシリコンウエハをエッチングすることによって薄い板状に形成された振動板３１が破損されることがなくなり、圧電素子４を円形にすることは有効である。
【００３１】
圧電素子４としては、それが真円である以外に、楕円形状であっても応力の分散に有効である。
【００３２】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、小形化を図るに際して、エッチングにより薄い板状の振動板が形成された半導体基板を上側基板と下側基板との間に挟持するようにしているので、振動板の装着状態が常に一定となり、振動特性にばらつきのないポンプ性能の安定したマイクロポンプを容易に製造することができるようになる。
【００３３】
そして、その際、特に本発明によれば、生産性の良いウェットエッチングを採用することによって方形に形成されてしまう振動板に対して、その上に円形の平板状の電歪振動子を装着するようにしているので、振動時に振動板に加わる応力が部分的に集中することなく分散されて振動板が破損されるようなことがなくなり、構造的に強固なものになるという利点を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施によるマイクロポンプを示す正断面図である。
【図２】本発明の一実施によるマイクロポンプの分解斜視図である。
【図３】半導体ウエハをエッチングすることによって振動板が形成された半導体基板の正断面図である。
【図４】その振動板が形成された半導体基板の斜視図である。
【図５】同実施例における方形の振動板の上に円形の電歪振動子を装着した状態を示す平面図である。
【図６】方形の振動板の上に同じ方形の小さ目の電歪振動子を装着した状態を示す平面図である。
【図７】方形の振動板の上に同じ方形の大き目の電歪振動子を装着した状態を示す平面図である。
【図８】方形の振動板の上に円形の電歪振動子を装着したときの振動板における応力分布状態を示す図である。
【図９】方形の振動板の上に同じ方形の小さ目の電歪振動子を装着したときの振動板における応力分布状態を示す図である。
【図１０】方形の振動板の上に同じ方形の大き目の電歪振動子を装着したときの振動板における応力分布状態を示す図である。
【図１１】従来のマイクロポンプの構成例を示す正断面図である。
【符号の説明】
１  下側基板
２  上側基板
３  半導体基板
３１  振動板
４  圧電素子
５  背圧室
６  吸排気室
７  ポンプ吐出口
８  通気孔
９  吸気口
【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】
2004332706.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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