(57)【要約】【目的】小形で振動特性にばらつきのない、ポンプ吐出口からガスを効率良く噴出させることができる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振動板が形成され、その振動板を支持する基部に排気孔があけられた中間基板を挟持して、上側基板と中間基板との間で吸気口および吸排気室が形成され、下側基板と中間基板との間で背気室、通気孔およびポンプ吐出口が形成されるように構成されたマイクロポンプ。【選択図】      図１
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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振動板が形成され、その振動板を支持する基部に排気孔があけられた中間基板を挟持して、上側基板と中間基板との間で吸気口および吸排気室が形成され、下側基板と中間基板との間で背圧室、通気孔およびポンプ吐出口が形成されるように構成されたマイクロポンプ。
【請求項２】
中間基板における振動板を支持する基部にあけられた排気孔側に通気孔が形成され、その通気孔に対して基板に沿う方向に連通するようにポンプ吐出口が形成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】
中間基板がエッチングにより振動板およびその振動板を支持する基部に排気孔が形成された半導体基板からなり、上側基板がエッチングにより吸排気室となる凹状の空間および吸気口となる切り欠き部が形成された半導体基板からなり、下側基板がマイクロポンプの実装基板であ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７に示すように、ポンプ吐出口７１および吸気口７２が設けられた金属製のケース７０の内部に、圧電素子７３が取り付けられるとともに、通気孔７４があけられた振動板７５を、ケース７０との間で吸排気室７６が、基板７８との間で背圧室７７が形成されるように、その基板７８を介してバネ７９によって加圧保持するように構成されている（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ことである。
【０００８】
その場合、特に、図７に示すように、振動板７５が背気室７７側にたわんで、その背圧室７７内部のガスが通気孔７４を通してポンプ吐出口７１から噴出する際に、通気孔７４とポンプ吐出口７１との中心位置が相対的にずれてしまうと、ポンプ吐出口７１から噴出するガスに乱流をきたしたり、流量が低下したりしてポンプ性能が低下してしまうという問題がある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、小形でポンプ性能に優れた高精度の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べく、下側基板と上側基板との間に、振動子によって振動する振動板が形成され、その振動板を支持する基部に排気孔があけられた中間基板を挟持して、上側基板と中間基板との間で吸気口および吸排気室が形成され、下側基板と中間基板との間で背圧室、通気孔およびポンプ吐出口が形成されるようにマイクロポンプを構成するようにしている。
【００１０】
【実施例】
本発明によるマイクロポンプにあっては、図１に示すように、下側基板１と上側基板２との間に、振動板３１が形成され、その振動板３１を支持する基部３２に排気孔４があけられた中間基板３を挟持するようにして、各基板が一体に接着され、上側基板２と中間基板３との間で吸排気室５が形成され、下側基板１と中間基板３との間で背圧室６が形成されるように構成されている。また、振動板３１の上面には、板状の圧電素子７が接着されている。
【００１１】
上側基板２には、半導体（シリコン）ウエハを凹状にエッチングすることによって吸排気室５となる空間が形成されている。そして、その上側基板２の側壁の一部が切り欠かれて中間基板３との間でガスの吸気口８が形成されている。
【００１２】
なお、この上側基板２は、半導体ウエハをエッチングしたものに限らず、金属またはセラミックなどの成形品であってもよい。
【００１３】
中間基板３には、半導体（シリコン）ウエハを凹状にエッチングすることによって振動板３１および背圧室６となる空間が形成されている。そして、その振動板３１を支持する基部３２の一部が切り欠かれて下側基板１との間で背圧室６につながる通気孔９およびポンプ吐出口１０が形成されている。
【００１４】
その際、中間基板３における振動板３１を支持する基部３２にあけられた排気孔４側に通気孔９が設けられ、その通気孔８に対して基板に沿う方向に連通するようにポンプ吐出口１０が設けられる。
【００１５】
下側基板１としては、それが専用の半導体基板であっても、またマイクロポンプを実装する他の種々の基板であってもよい。
【００１６】
なお、ここでは圧電素子７を用いて振動板３１を振動させているが、圧電素子７を用いる代わりに、その他の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ことはいうまでもない。
【００１７】
また、本発明では、中間基板３に振動板３１を形成するに際して、図４および図５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。
【００１８】
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。
【００１９】
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切削加工されて、正方形の薄膜化された振動板３１が形成される。
【００２０】
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。
【００２１】
そして、その正方形の振動板３１上には、図６に示すように、振動時に圧電素子７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いように、円形の平板状の圧電素子７が同一中心をもって接着されている。
【００２２】
このように構成された本発明によるマイクロポンプの動作について、以下説明する。
【００２３】
まず、図２に示すように、圧電素子７に正側の駆動電圧が印加されて振動板３１が上側にたわむと、吸排気室５が陽圧となり、背圧室６が陰圧となって、吸排気室５内のガスが排気孔４および通気孔９を通して背圧室６の内部に送り込まれる。図中、矢印はそのときのガスの流れを示している。
【００２４】
次に、図３に示すように、圧電素子７に負側の駆動電圧が印加されて振動板３１が下側にたわむと、背圧室６が陽圧となり、その背圧室６内のガスが通気孔９を通してポンプ吐出口１０から外部に噴出する。同時に、吸排気室５が陰圧となり、吸気口８から吸排気室５内にガスを吸い込む。図中、矢印はそのときのガスの流れを示している。
【００２５】
このようなポンプ動作がくり返し行われることにより、ポンプ吐出口１０からガスの噴出を断続的に安定して行わせることができるようになる。
【００２６】
その際、特に本発明によれば、通気孔８に対して基板に沿う方向に連通するようにポンプ吐出口１０を設けて、背圧室６内のガスが横方向にまっすぐに噴出するような構造としているので、乱流をきたしたり、流量が低下したりするような問題を生ずることなく、ポンプ吐出口１０からガスを効率良く噴出させることができるようになる。
【００２７】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、小形化を図るに際して、半導体ウエハのエッチングにより振動板が形成された中間基板を、その振動板を支持する基部において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。
【００２８】
そして、その際、特に本発明によれば、背圧室内のガスが基板に沿う横方向にまっすぐに噴出するような構造をとるようにしているので、従来のように縦方向に配設される背圧室内のガスの通気孔とポンプ吐出口との相対的な位置の精度が悪くて乱流をきたしたり、流量が低下したりするような問題を生ずることなく、ポンプ吐出口からガスを効率良く噴出させることができるという利点を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるマイクロポンプの一実施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一動作状態を示す正断面図である。
【図３】本発明の一実施によるマイクロポンプの他の動作状態を示す正断面図である。
【図４】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中間基板を示す正断面図である
【図５】その振動板が形成された中間基板の斜視図である。
【図６】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７】
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  中間基板
３１  振動板
４  排気孔
５  吸排気室
６  背圧室
７  圧電素子
８  吸気口
９  通気孔
１０  ポンプ吐出口
【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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