(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の移送をおこなうポンプにおいて、外部から流体をポンプ内部に取り込む流体入口と流体の移動を促進するポンピング部の中途、および、流体がポンプ内部から外部へと流出する流体出口と前記ポンピング部との中途にバルブを有し、
前記バルブがパッキンとダイアフラムから構成され、前記ダイアフラムの変形に伴いパッキンによって流体の移動を阻害する構造を有し、かつ、パッキン原料を注入するパッキン原料充填口が前記ダイアフラムと対向する位置に設けられ、
さらに前記パッキン原料充填口の周囲に前記パッキン原料の充填位置を規制するガイドを有する構造であることを特徴とするポンプ。
【請求項２】
前記パッキン原料充填口および前記ガイドが基板Ａ上に、また、前記ダイアフラムは前記基板Ａとは異なる基板Ｂ上に形成され、前記基板Ａおよび前記基板Ｂが接合した構造を有する請求項１記載のポンプ。
【請求項３】
前記パッキン原料充填口が基板Ａ上に、また、前記ガイドおよび前記ダイアフラムは前記基板Ａとは異なる基板Ｂ上に形成され、前記基板Ａおよび前記基板Ｂが接合した構造を有する請求項１記載のポンプ。
【請求項４】
前記パッキン原料充填口が前記流体入口あるいは前記流体出口と同一である請求項３記載のポンプ。
【請求項５】
前記パッキン原料は流動性を有し、かつ化学反応により硬化して前記パッキンを形成する請求項２あるいは請求項３に記載のポンプ。
【請求項６】
外部から流体をポンプ内部に取り込む流体入口と流体の移動を促進するポンピング部の中途、および、流体がポンプ内部から外部へと流出する流体出口と前記ポンピング部との中途にバルブを有し、
前記バルブがパッキンとダイアフラムから構成され、前記ダイアフラムの変形に伴い前記パッキンによって流体の移動を阻害する構造を有するポンプの製造方法において、
基板Ａにパッキン原料を充填するパッキン原料充填口を形成する工程と、
基板Ａの前記パッキン原料充填口の周囲に前記パッキン原料の充填位置を規制するガイドを形成する工程と、
基板Ｂに前記ダイアフラムを形成する工程と、
前記基板Ａと前記基板Ｂを接合する工程と、
前記パッキン原料充填口から、前記ガイドに沿って流動性を有する前記パッキン原料を充填する工程と、
前記パッキン原料を硬化させて、前記パッキンを形成する工程を含むことを特徴とするポンプの製造方法。
【請求項７】
外部から流体をポンプ内部に取り込む流体入口と流体の移動を促進するポンピング部の中途、および、流体がポンプ内部から外部へと流出する流体出口と前記ポンピング部との中途にバルブを有し、
前記バルブがパッキンとダイアフラムから構成され、前記ダイアフラムの変形に伴い前記パッキンによって流体の移動を阻害する構造を有するポンプの製造方法において、
基板Ａにパッキン原料を充填するパッキン原料充填口を形成する工程と、
基板Ｂに前記ダイアフラムを形成する工程と、
基板Ｂの前記パッキン原料充填口の近傍に前記パッキン原料の充填位置を規制するガイドを形成する工程と、
前記基板Ａと前記基板Ｂを接合する工程と、
前記パッキン原料充填口から、前記ガイドに沿って流動性を有する前記パッキン原料を充填する工程と、
前記パッキン原料を硬化させて、前記パッキンを形成する工程を含むことを特徴とするポンプの製造方法。
【請求項８】
外部から流体をポンプ内部に取り込む流体入口と流体の移動を促進するポンピング部の中途、および、流体がポンプ内部から外部へと流出する流体出口と前記ポンピング部との中途にバルブを有し、
前記バルブがパッキンとダイアフラムから構成され、前記ダイアフラムの変形に伴い前記パッキンによって流体の移動を阻害する構造を有するポンプの製造方法において、
基板Ａにパッキン原料を充填するパッキン原料充填口を形成する工程と、
基板Ｂに前記ダイアフラムを形成する工程と、
前記基板Ａと前記基板Ｂを接合する工程と、
前記パッキン原料充填口から、流動性を有する前記パッキン原料を充填する工程と、
前記パッキン原料の所望の部位のみを選択的に硬化させる工程と、
前記パッキン原料の硬化しなかった部分を除去する工程を含むことを特徴とするポンプの製造方法。
【請求項９】
前記パッキン原料充填口が前記流体入口あるいは前記流体出口と同一である、請求項７あるいは請求項８記載のポンプの製造方法。
【請求項１０】
外部から流体をポンプ内部に取り込む流体入口と流体の移動を促進するポンピング部の中途、および、流体がポンプ内部から外部へと流出する流体出口と前記ポンピング部との中途にバルブを有し、
前記バルブがパッキンとダイアフラムから構成され、前記ダイアフラムの変形に伴い前記パッキンによって流体の移動を阻害する構造を有するポンプの製造方法において、
基板Ｂに前記ダイアフラムを形成する工程と、
前記ダイアフラムにレジストを塗布する工程と、
塗布された前記レジストに、流動性を有するパッキン原料が充填される充填路を形成する工程と、
前記パッキン原料を前記充填路に充填する工程と、
充填された前記パッキン原料を硬化させてパッキンを形成する工程と、
形成された前記パッキンを残して前記レジストを除去する工程と、
前記充填路に対向する位置に充填口を有する基板Ａと前記基板Ｂとを接合する工程と、
前記充填口から封止材を充填する工程を含むことを特徴とするポンプの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は医療分野や分析分野において用いられている、小型でかつ高精度な流体制御をおこなうマイクロポンプやマイクロバルブの構造および製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２の特開平５−１６６９号に記載されているマイクロポンプの場合、シリコン基板１上の酸化膜の犠牲層上に金属またはポリシリコン４０の薄膜を形成し、さらにエッチングによって犠牲層を除去することにより金属またはポリシリコンの逆止弁を構成し、ガラス基板２上に設けたアクチュエータ３によりポンプを構成している。
【０００３】
また特願平３−５０２０８３号に記載されているマイクロポンプにおけるマイクロバルブの場合、図３に示すようにバルブダイアフラム１１の両面または片面に熱酸化膜２０が形成されているため、バルブダイアフラム１１には応力が働き、シリコン基板１とガラス基板２の接合によって、バルブダイアフラム１１がガラス基板２に押し付けられる構造となっている。
【０００４】
また、図４に示すバルブ構造の場合、バルブダイアフラム１１を有したシリコン基板１とガラス基板２が接合してあり、バルブダイアフラム１１上に形成された弁座４１にパッキン８が形成してある。バルブダイアフラム１１に設置してあるアクチュエータ３に電圧を印加することによってバルブダイアフラム１１を変形させ、バルブの開閉をおこなう構造となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図２や図３に示したポンプにおけるバルブ構造の場合、金属やポリシリコンなどがガラス基板などの天板と物理的に接触することによって、流体の移動を阻害し、バルブとして機能しているが、この物理的接触面に弾性材料で構成されたパッキンを介していないため、接触面精度が悪いと流体の漏れが生じるという問題点を有していた。
【０００６】
また、図４に示したバルブ構造の場合、ガラス基板２とバルブダイアフラム１１が形成されたシリコン基板１を接合する前にパッキン８を形成する場合、接合時に加熱をする必要があるためパッキンとして耐熱性を有する材料を用いる必要があり、材料選択の範囲が狭かった。
【０００７】
また天板とバルブダイアフラムが形成された基板を接合後に、天板上に設けた充填口よりパッキン原料を充填し、パッキン原料を硬化させることによってパッキンを形成する方法の場合、充填時のパッキン原料の形状を制御することが困難であり、形状にばらつきのないパッキンを形成することが困難であった。
【０００８】
上記の理由により、ポンプの流量精度や順方向に圧力がかかったときの耐圧性、吐出圧力などのポンプ性能が低下する問題点を有していた。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
これらの課題を解決するため、本発明ではバルブにおける流体移動を阻害する物理的接触面において弾性体で構成されるパッキンを介す構造とし、かつ天板とバルブダイアフラムを有する基板とを接合した後にパッキン原料を充填し、硬化させることによってパッキンを形成する。
【００１０】
また、このパッキン原料が所望の位置にのみ形成され、それ以外の位置に拡散しないようにあらかじめガイドを設けておくことにより、常に一定形状のパッキンが形成できるような構造とする。
【００１１】
上記のガイドは天板あるいは基板を加工することによって形成する方法の他、天板あるいは基板上に他の材料をパターンニングによって形成することが可能である。このガイドは、必要に応じてパッキン形成後に除去することも可能である。
【００１２】
またガイドを形成せずに同様の効果を得る方法として、天板と基板を接合したのち、パッキン原料を充填し、必要な部位のみを選択的に硬化させ、その後不必要である未硬化のパッキンを除去する方法をとることも可能である。
【００１３】
また、基板上にレジストをパターンニングした後、パッキン原料を注入、硬化させ、レジストを除去して基板上にパッキンを形成し、その後、基板と天板を接合し、封止剤を充填することによって、常に一定形状のパッキンを形成することも可能である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
（実施の形態１）
本実施の形態では、天板としてガラス基板、バルブダイアフラムを形成する基板としてシリコン基板を使用し、ガラス基板上にガイドを形成したポンプの構造および製造方法について説明する。
【００１５】
図５は本発明のポンプに含まれるバルブ部分の構造の一例を示すものの断面図、図６は平面図である。ガラス基板２とシリコン基板１は接合されて流路１０を構成しており、流路１０の中途にバルブが形成された構造となっている。ガラス基板２上には、流体をポンプ内に吸引したり、逆にポンプ外部に吐出するための流体通過口４およびパッキン原料を充填するための充填口５が設けられている。さらに充填口５の周囲にはパッキン原料を充填する際に、パッキン原料がパッキン形成部以外に流れることを防止するガイド７が設けられており、パッキン８はガイド７に沿って形成されている。パッキン８は弾性体からなり、パッキン８形成後に充填口５は封止材６によって封止され、充填口５から流体が漏洩しないようになっている。
【００１６】
一方、バルブダイアフラム１１はシリコン基板１上に設けられており、バルブダイアフラム１１のパッキン８と接触する部分には、パッキン原料とバルブダイアフラム１１が接着することを防止するための接着防止層９が設けられている。
【００１７】
また、バルブダイアフラムの裏面には、バルブダイアフラム１１を変形させるためのアクチュエータ３が設置されている。アクチュエータ３としては、ユニモルフ型圧電素子や、積層型圧電素子、静電力アクチュエータ、形状記憶合金アレイなどを使用することが可能であるが、これらに限定されるものではない。本実施の形態では、アクチュエータ３としてユニモルフ型圧電素子を使用したが、ユニモルフ型圧電素子を使用した場合には、印加する電圧の方向を変えることによりダイアフラムの変位方向を変化させることが可能であり、図１に示すようにバルブダイアフラム１１を下向きに変位させると、接着防止層９によってパッキン８とダイアフラム１１は接着されていないため、パッキン８とバルブダイアフラム１１の間に間隙が生じ、この間隙を流体が通過することが可能となり、バルブが開いた状態となる。電圧の印加を停止するとダイアフラム１１の変位がなくなり、弾性体であるパッキン８とダイアフラム１１が密着するために流体の移動が阻害され、バルブが閉じた状態となる。また図５および図６ではパッキン８全体が接着防止層９の上に形成されているが、接着防止層８の形状を任意に定めることによって、パッキン８とバルブダイアフラム１１の一部分だけに間隙が生じるような構造とすることが可能である。
【００１８】
本実施の形態で示したポンプの構造では、パッキン８として弾性体を用いているためにバルブダイアフラム１１とパッキン８の間で高い密着性が得られ、バルブが閉じた状態における耐圧性を向上させることが可能となる。またパッキン８がガイド７に沿って形成されているため、パッキン８の形状を精度良く制御することが可能であり、流量や吐出圧などのポンプの性能のばらつきを小さくすることも可能となる。
【００１９】
次に本発明のポンプの製造方法に含まれるバルブ部を形成する工程の一例について説明する。
【００２０】
まず、図７に示すようにシリコン基板１上に形成したバルブダイアフラム１１の一部に接着防止層９を形成する。接着防止層９を形成する材料としてはフッ素系樹脂を使用したが、パッキン原料と密着性の低い材料であれば他の材料を使用することも可能である。続いて図８に示す手順によってガラス基板２の加工をおこなう。まずガラス基板２の全面にフォトリソグラフィー法によりパターンニングが可能な感光性のポリイミド２１を塗布する（図８（８−Ａ））。次にこのポリイミド２１をパターンニングしてガイド７を形成する（図８（８−Ｂ））。このガイド７はパッキン原料を充填する際にパッキン原料がパッキンの形成位置以外の場所へ充填されることを防ぐ機能を有する。次にガラス基板２上に流体通過口４およびパッキン原料の充填口５の加工をおこなう（図８（８−C））。この穴加工にはサンドブラスト加工を用いているが、エキシマレーザ加工や超音波加工などの物理的加工法やフッ酸を用いたウェットエッチングなどの化学的加工法を使用することも可能である。なお、充填口５の形状は形成するパッキン８の形状にあわせる必要がある。加工の終了したガラス基板２の平面図を図９に示す。
【００２１】
次にシリコン基板１とガラス基板２を接合する。本実施の形態では、接合手段として陽極接合法を使用し、シリコン基板１とガラス基板２の接合面を密着させ、５００℃に加熱した状態で両者の間に５００Vの電圧を印加することにより接合する。接合後のバルブ部分の断面図を図１０に、平面図を図１１に示す。
【００２２】
引き続いて、ガラス基板２上の充填口５からパッキン原料をガイド７に沿わせて充填し、その後パッキン原料を硬化させて、パッキン８を形成する。パッキン原料としてはシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、エラストマー樹脂などの弾性体を用い、硬化させる手段としては、常温で放置する、硬化温度まで加熱する、紫外線を照射するなどの方法を使用することができる。なお、パッキン原料を充填、硬化させてパッキン８を形成した後に、ガイド７を除去してしまっても良い。
【００２３】
最後にアクチュエータ３をバルブダイアフラム１１の裏面に設置すると共に、充填口５を封止材６により封止することによりバルブ部が完成する（図５）。
【００２４】
なお、シリコン基板１上にバルブダイアフラム１１を形成する方法としては図１２に示す方法などを利用することが可能である。
【００２５】
まず図１２（１２−Ａ）に示すシリコン基板１を熱酸化することによって、厚さ０．３μｍの酸化膜２０を形成する（図１２（１２−Ｂ））。次にフォトリソグラフィ法によって酸化膜２０を必要なパターンに加工した後（図１２（１２−C））、酸化膜２０をマスクとしてテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）を使用して、シリコン基板１の異方性エッチングをおこなう（図１２（１２−D））。その後、酸化膜２０をバッファフッ酸によって除去する（図１２（１２−E））。
【００２６】
次に同様の方法によりシリコン基板の裏面のエッチングをおこなう。シリコン基板１上に厚さ1.2μｍの酸化膜２０を形成し（図１２（１２−F））、フォトリソグラフィ法により酸化膜２０のパターンニングをおこない（図１２（１２−G））、この酸化膜２０をマスクとして、シリコン基板１の異方性エッチングをおこない（図１２（１２−H））、最後に酸化膜２０を除去する（図１２（１２−I））。以上の工程によってシリコン基板１上にバルブダイアフラム１１を形成する。
【００２７】
また、本実施の形態ではガラス基板２とガイド７を別材料としているが、図１３に示すように、ガイド７をガラス基板２と一体構造とすることも可能である。この場合、まずガラス基板２上にフォトリソグラフィ法によってレジストをパターンニングし、このレジストをマスクとしてフッ酸を用いてガラス基板２のエッチングをおこない、ガイド７をガラス基板２上に形成する。ここではガイド７を形成する方法としてフッ酸によるウェットエッチングを用いたが、リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）などのドライエッチング法や、エキシマレーザ加工、サンドブラスト加工、超音波加工などの物理的な加工法を用いることも可能である。
【００２８】
また、パッキン原料として紫外線硬化樹脂を用いた場合、ガイド７が形成されていなくても、一定形状にパッキンを形成することが可能である。すなわちパッキン原料を充填し（図１４）、パッキンの形状にあわせたパターンを有するマスク３０を用いてパッキン原料を紫外線ランプ３１によって硬化させパッキンを形成し（図１５）、硬化しなかった部分をトルエンなどの溶剤によって除去する（図１６）という工程である。また図１５に示したマスク３０と紫外線ランプ３１を用いてパッキン原料を硬化させるかわりに、図１７に示すように紫外線レーザ光源３２とスキャナミラー３３を用い、充填をおこなったパッキン材料に対して所望の形状に紫外線レーザで描画をおこなうことによって、選択的にパッキン原料を硬化させることも可能である。
【００２９】
本実施の形態で示した方法によってバルブダイアフラム１１とパッキン８の間で高い密着性を実現することができる。また、シリコン基板１とガラス基板２を接合後にパッキン原料を充填、硬化させてパッキン８を形成しているために、バルブダイアフラム１１とパッキン８の間の接触面精度が高く、バルブが閉じた状態における耐圧性を向上させることができる。
【００３０】
また、シリコン基板１とガラス基板２を接合した後にパッキン原料の充填をおこなっているため、パッキン原料に対する接合時の加熱の影響を考慮する必要がなく、パッキンの材料選択の範囲が広まる。
【００３１】
またパッキン８がガイド７に沿って形成されているため、パッキン８の形状を精度良く制御することが可能であり、流量や吐出圧などのポンプの性能のばらつきを小さくすることができる。
（実施の形態２）
本実施の形態では、天板としてガラス基板、バルブダイアフラムを形成する基板としてシリコン基板を使用し、シリコン基板のバルブダイアフラム上にガイドを形成したポンプの構造および製造方法について説明する。
【００３２】
図１８は本発明のポンプに含まれるバルブ部分の構造の一例を示すものである。ガラス基板２とシリコン基板１は接合されて流路１０を構成しており、流路１０の中途にバルブが形成された構造となっている。ガラス基板２上には、流体をポンプ内に吸引したり、逆にポンプ外部に吐出するための流体通過口４およびパッキン原料を充填するための充填口５が設けられている。さらに充填口５周囲のパッキン８とガラス基板２が接触する部分には、パッキン原料とガラス基板２が接着することを防止するための接着防止層９が設けられている。
【００３３】
一方、バルブダイアフラム１１はシリコン基板１上に設けられており、充填口５の近傍のバルブダイアフラム１１上には、パッキン原料を充填する際に、パッキン原料がパッキン形成部以外に流れることを防止するガイド７が設けられており、パッキン８はガイド７に沿って形成されている。パッキン８は弾性体からなり、パッキン８形成後に充填口５は封止材６によって封止され、充填口５から流体が漏洩しないようになっている。
【００３４】
また、バルブダイアフラムの裏面には、バルブダイアフラム１１を変形させるためのアクチュエータ３が設置されている。アクチュエータ３としては、ユニモルフ型圧電素子や、積層型圧電素子、静電力アクチュエータ、形状記憶合金アレイなどを使用することが可能であるが、これらに限定されるものではない。本実施の形態では、アクチュエータ３としてユニモルフ型圧電素子を使用したが、ユニモルフ型圧電素子を使用した場合には、印加する電圧の方向を変えることによりダイアフラムの変位方向を変化させることが可能であり、図１９に示すようにバルブダイアフラム１１を下向きに変位させると、接着防止層９によってパッキン８とガラス基板２は接着されていないため、パッキン８とガラス基板２の間に間隙が生じ、この間隙を流体が通過することが可能となり、バルブが開いた状態となる。電圧の印加を停止すると、ダイアフラム１１の変位がなくなり、パッキン８とガラス基板２が密着するため、流体の移動が阻害され、バルブが閉じた状態となる。
【００３５】
本実施の形態で示したポンプの構造によって、パッキン８として弾性体を用いているためにガラス基板２とパッキン８の間で高い密着性が得られ、バルブが閉じた状態における耐圧性を向上させることができる。またパッキン８がガイド７に沿って形成されているため、パッキン８の形状を精度良く制御することが可能であり、流量や吐出圧などのポンプの性能のばらつきを小さくすることができる。
【００３６】
次に本発明のポンプの製造方法に含まれるバルブ部を形成する工程の一例について説明する。
【００３７】
まずシリコン基板１上に形成したバルブダイアフラム１１にフォトリソグラフィ法によりパターンニングが可能な感光性のポリイミドを塗布し、次にこのポリイミドをパターンニングしてガイド７を形成する（図２０）。ここではガイド７を感光性のポリイミドを用いて形成しているが、感光性の材料であれば他の材料を用いてもパターンニングによってガイド７の形成が可能である。また感光性の材料でなくても、物理的な加工を施したものをバルブダイアフラム１１上に接着することによってガイド７を形成することも可能である。このガイド７はパッキン原料を充填する際にパッキン原料がパッキンの形成位置以外の場所へ充填されることを防ぐ機能を有する。
【００３８】
続いてガラス基板２において充填口５を形成する部分の周辺部に接着防止層９を形成する。接着防止層９を形成する材料としてはフッ素系樹脂を使用しているが、パッキン原料と密着性の低い材料であれば他の材料を使用することも可能である。次にガラス基板２上に流体通過口４およびパッキン原料の充填口５の加工をおこなう。この穴加工にはサンドブラスト加工を用いているが、エキシマレーザ加工や超音波加工などの物理的加工法やフッ酸を用いたウェットエッチングなどの化学的加工法を使用することもできる。なお、充填口５の形状は形成するパッキン８の形状にあわせる必要がある。加工の終了したガラス基板２の平面図を図２１に示す。
【００３９】
続いて実施の形態１と同様の方法を用いて、シリコン基板１とガラス基板２を接合し、パッキン原料をガイド７に沿わせて充填し、硬化させる。
【００４０】
最後にアクチュエータ３をバルブダイアフラム１１の裏面に設置すると共に、充填口５を封止材６により封止することによりバルブ部が完成する（図１８）。
【００４１】
シリコン基板１上にバルブダイアフラム１１を形成する方法としては、実施の形態１の図１２に示した方法を利用することが可能である。
【００４２】
なお、パッキン原料を充填、硬化させてパッキン８を形成した後に、ガイド７を除去してしまっても良い。
【００４３】
また、本実施の形態ではシリコン基板１とガイド７を別材料としているが、図２２のように、ガイド７をシリコン基板１と一体構造とすることも可能である。この場合、シリコン基板１上にダイアフラム１１を形成する段階で、図２３に示すような工程をたどる。
【００４４】
まず図２３（２３−Ａ）に示すシリコン基板１を熱酸化することによって、厚さ０．３μｍの酸化膜２０を形成する（図２３（２３−Ｂ））。次にフォトリソグラフィ法によって酸化膜２０を必要なパターンに加工した後（図２３（２３−C））、酸化膜２０をマスクとしてテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）を使用して、シリコン基板１の異方性エッチングをおこなう（図２３（２３−D））。その後、酸化膜２０をバッファフッ酸によって除去する（図２３（２３−E））。
【００４５】
次に同様の方法によりシリコン基板の裏面のエッチングをおこなう。シリコン基板１上に厚さ1.2μｍの酸化膜２０を形成し、フォトリソグラフィ法により酸化膜２０のパターンニングをおこない（図２３（２３−F））、この酸化膜２０をマスクとして、裏面の異方性エッチングをおこない（図２３（２３−G））、最後に酸化膜２０を除去する（図２３（２３−H））。以上のような工程をたどることによって、バルブダイアフラム、ポンピングダイアフラム、ガイド７が形成される。この時点でガイド７とガラス基板との接合面は同じ高さとなっている。続いて図２３（２３−I）に示すように、フォトリソグラフィ法を用いてガイド７以外の部分をすべてレジスト１３でマスクする。このマスクは熱酸化膜のパターンニングを利用することも可能である。続いて図２３（２３−J）に示すように、ガイド７をエッチングしレジスト１３を除去することによって、ガイド７の高さがシリコン基板１におけるガラス基板との接合面よりも低くなるような構造とする。このエッチングはテトラメチルハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）や水酸化カリウムなどのウェットエッチングやRIEなどのドライエッチングを利用することができる。
【００４６】
一方、パッキン原料として紫外線硬化樹脂を用いた場合は、ガイド７が形成されていなくても、実施の形態１の図１４から図１７に示した方法を用いて一定形状にパッキンを形成することが可能である。
【００４７】
本実施の形態で示したポンプの製造方法によって、パッキン８として弾性体を用いているためにガラス基板２とパッキン８の間で高い密着性が得られ、かつシリコン基板１とガラス基板２を接合後にパッキン原料を充填、硬化させてパッキン８を形成しているためにガラス基板２とパッキン８の間の接触面精度が高く、バルブが閉じた状態における耐圧性を向上させることができる。
【００４８】
またシリコン基板１とガラス基板２を接合した後にパッキン原料の充填をおこなっているため、パッキン原料に対する接合時の加熱の影響を考慮する必要がなく、パッキンの材料選択の範囲が広まる。
【００４９】
またパッキン８がガイド７に沿って形成されているため、パッキン８の形状を精度良く制御することが可能であり、流量や吐出圧などのポンプの性能のばらつきを小さくすることができる。
（実施の形態３）
本実施の形態では、天板としてガラス基板、バルブダイアフラムを形成する基板としてシリコン基板を使用し、シリコン基板のバルブダイアフラム上にガイドを形成したポンプの構造および製造方法について説明する。
【００５０】
図２４は本発明のポンプに含まれるバルブ部分の構造の一例を示すものの断面図、図２５は平面図である。天板となるガラス基板２と、基板となるシリコン基板１は接合されて流路１０を構成している。ガラス基板２上には、流体をポンプ内に吸引したり、逆にポンプ外部に吐出するための流体通過口４が設けられているが、この流体通過口４はパッキン原料を充填する充填口としての役割も兼ねている。流路１０と流体通過口４の中途にバルブが形成された構造となっており、流体通過口４周囲のパッキン８とガラス基板２が接触する部分には、パッキン原料とガラス基板２が接着することを防止するための接着防止層９が設けられている。
【００５１】
一方、バルブダイアフラム１１はシリコン基板１上に設けられており、流体通過口４近傍のバルブダイアフラム１１上には、パッキン原料を充填する際に、パッキン原料がパッキン形成部以外に流れることを防止するガイド７が設けられている。パッキン８は弾性体からなりガイド７に沿って形成されている。
【００５２】
また、バルブダイアフラムの裏面には、バルブダイアフラム１１を変形させるためのアクチュエータ３が設置されている。アクチュエータ３としては、ユニモルフ型圧電素子や、積層型圧電素子、静電力アクチュエータ、形状記憶合金アレイなどを使用することが可能であるが、これらに限定されるものではない。本実施の形態では、アクチュエータ３としてユニモルフ型圧電素子を使用しているが、ユニモルフ型圧電素子を使用する場合には、印加する電圧の方向を変えることによりダイアフラムの変位方向を変化させることが可能であり、図２６に示すようにバルブダイアフラム１１を下向きに変位させると、接着防止層９によってパッキン８とガラス基板２は接着されていないため、パッキン８とガラス基板２の間に間隙が生じ、この間隙を流体が通過することが可能となり、バルブが開いた状態となる。電圧の印加を停止すると、ダイアフラム１１の変位がなくなり、パッキン８とガラス基板２が密着するため、流体の移動が阻害され、バルブが閉じた状態となる。
【００５３】
本実施の形態で示したポンプの構造では、パッキン８として弾性体を用いているためにガラス基板２とパッキン８の間で高い密着性が得られ、バルブが閉じた状態における耐圧性を向上させることができる。またパッキン８がガイド７に沿って形成されているため、パッキン８の形状を精度良く制御することが可能であり、流量や吐出圧などのポンプの性能のばらつきを小さくすることができる。
【００５４】
次に本発明のポンプの製造方法に含まれるバルブ部を形成する工程の一例について説明する。
【００５５】
まず、実施の形態２の図２０で示したようにバルブダイアフラム１１上にガイド７を形成する。
【００５６】
続いてガラス基板２において流体通過口４を形成される部分の周辺部に接着防止層９を形成する。接着防止層９を形成する材料としてはフッ素系樹脂を使用しているが、パッキン原料と密着性の低い材料であれば他の材料を使用することも可能である。
【００５７】
次にガラス基板２上に流体通過口４の加工をおこなう。この穴加工にはサンドブラスト加工を用いているが、エキシマレーザ加工や超音波加工などの物理的加工法やフッ酸によるウェットエッチングなどの化学的加工法を使用することもできる。
【００５８】
続いて実施の形態１と同様の方法を用いて、シリコン基板１とガラス基板２を接合する。
【００５９】
続いてパッキン原料を流体通過口４からガイド７に沿わせて充填し、硬化させる。
【００６０】
最後にアクチュエータ３をバルブダイアフラム１１の裏面に設置することによりバルブ部が完成する。断面図を図２５に、平面図を図２６に示す。
【００６１】
シリコン基板１上にバルブダイアフラム１１を形成する方法としては、実施の形態１の図１２に示した方法を利用することが可能である。
【００６２】
なお、パッキン原料を充填、硬化させてパッキン８を形成した後に、ガイド７を除去してしまっても良い。
【００６３】
また、本実施の形態ではシリコン基板１とガイド７を別材料としているが、ガイド７をシリコン基板１と一体構造とすることも可能である。この場合、実施の形態２の図２３に示した方法を利用することが可能である。
【００６４】
また、パッキン原料として紫外線硬化樹脂を用いた場合、ガイド７が形成されていなくても、実施の形態１の図１４から図１７に示した方法を用いて一定形状にパッキンを形成することが可能である。
【００６５】
本実施の形態で示したポンプの製造方法によって、パッキン８として弾性体を用いているためにガラス基板２とパッキン８の間で高い密着性が得られ、かつシリコン基板１とガラス基板２を接合後にパッキン原料を充填、硬化させてパッキン８を形成しているためにガラス基板２とパッキン８の間の接触面精度が高く、バルブが閉じた状態における耐圧性を向上させることができる。
【００６６】
またシリコン基板１とガラス基板２を接合した後にパッキン原料の充填をおこなっているため、パッキン原料に対する接合時の加熱の影響を考慮する必要がなく、パッキンの材料選択の範囲が広まる。
【００６７】
またパッキン８がガイド７に沿って形成されているため、パッキン８の形状を精度良く制御することが可能であり、流量や吐出圧などのポンプの性能のばらつきを小さくすることができる。
（実施の形態４）
本実施の形態では、天板としてガラス基板、バルブダイアフラムを形成する基板としてシリコン基板を使用し、レジストを用いたパターンニングによってバルブダイアフラム上にパッキンを形成したポンプの構造および製造方法について説明する。
【００６８】
図２７は本発明のポンプに含まれるバルブ部分の構造の一例を示すものの断面図である。ガラス基板２とシリコン基板１は接合されて流路１０を構成しており、流路１０の中途にバルブが形成された構造となっている。ガラス基板２上には、流体をポンプ内に吸引したり、逆にポンプ外部に吐出するための流体通過口４およびパッキン原料を充填するための充填口５が設けられている。
パッキン８は弾性体からなり、パッキン形成後に充填口５は封止材６によって封止され、充填口８から流体が漏洩しないようになっている。
【００６９】
一方、バルブダイアフラム１１はシリコン基板１上に設けられており、バルブダイアフラム１１のパッキン８と接触する部分には、パッキン原料とバルブダイアフラム１１が接着することを防止するための接着防止層９が設けられている。
【００７０】
また、バルブダイアフラム１１の裏面には、バルブダイアフラム１１を変形させるためのアクチュエータ３が設置されている。アクチュエータ３としては、ユニモルフ型圧電素子や、積層型圧電素子、静電力アクチュエータ、形状記憶合金アレイなどを使用することが可能であるが、これらに限定されるものではない。本実施の形態では、アクチュエータ３としてユニモルフ型圧電素子を使用しているが、ユニモルフ型圧電素子を使用する場合には、印加する電圧の方向を変えることによりダイアフラムの変位方向を変化させることが可能であり、図２７に示すようにバルブダイアフラム１１を下向きに変位させると、接着防止層９によってパッキン８とダイアフラム１１は接着されていないため、パッキン８とバルブダイアフラム１１の間に間隙が生じ、この間隙を流体が通過することが可能となり、バルブが開いた状態となる。電圧の印加を停止するとダイアフラム１１の変位がなくなり、弾性体であるパッキン８とダイアフラム１１が密着するために流体の移動が阻害され、バルブが閉じた状態となる。
【００７１】
本実施の形態で示したポンプの構造では、パッキン８として弾性体を用いているためにバルブダイアフラム１１とパッキン８の間で高い密着性が得られ、バルブが閉じた状態における耐圧性を向上させることができる。またパッキンの形成位置を規制するガイドが存在しないために、送液できる流体の種類を拡げることができる。
【００７２】
次に本発明のポンプの製造方法に含まれるバルブ部を形成する工程の一例について説明する。
【００７３】
まず、実施の形態１の図７に示すようにシリコン基板１上に形成したバルブダイアフラム１１の一部に接着防止層９を形成する（図２８（２８−Ａ））。接着防止層９を形成する材料としてはフッ素系樹脂を使用しているが、パッキン原料と密着性の低い材料であれば他の材料を使用することも可能である。
【００７４】
続いてこのシリコン基板上にレジスト１３を塗布する（図２８（２８−Ｂ））。本実施の形態ではシリコンのエッチング深さをを５０ミクロンとしているため、レジストの厚みは６０ミクロンとする。このレジスト塗布は厚塗り用のレジストを複数回スピンコーティングすることによって実現している。続いてこのレジスト１３をフォトリソグラフィ法を用いてパターンニングするが、パターン形状は必要とするパッキンの形状と同じになるようにする（図２８（２８−Ｃ））。
【００７５】
次にパターンニングされた箇所にパッキン原料の注入をおこなう（図２８（２８−Ｄ））。ここではエアディスペンサを用い、エア圧力および注入時間を制御することによって、各パターンに対してパッキン原料の注入をおこなっている。注入量を制御することにより形成するパッキンの高さを調整することが可能であるが、ここではレジストパターン内に注入されるパッキンの高さを２０ミクロンとする。このパッキン原料としてはシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、エラストマー樹脂などの弾性体を用いる。さらにこのパッキン原料を硬化させてパッキンを形成する。硬化させる手段としては、用いるパッキン原料に応じて、常温で放置する、硬化温度まで加熱する、紫外線を照射するなどの方法を使用することができる。
【００７６】
最後にレジスト１３を除去し、バルブダイアフラム１１上にパッキンの構造体を形成する（図２８（２８−Ｅ））。このパッキンの構造体は接着防止層９上に形成されているため、後で容易に剥離することが可能である。
【００７７】
なお、本実施の形態ではパッキン原料の注入にエアディスペンサを用いているが、粘度の低いパッキン原料を用いた場合、スピンコーティングによるリフトオフ法によってもパッキンの構造体をバルブダイアフラム１１上に形成することが可能である。また、最初にレジストを塗布しなくても、シリコン基板全面にパッキン原料を塗布、硬化させた後、ドライエッチングによって不必要なパッキンを除去することによってパッキンの構造体を実現することも可能である。
【００７８】
続いてガラス基板２に対して流量通過口４および充填口５の加工を施す。これらの加工方法は実施の形態１で説明したものと同じ方法を用いることができる。
【００７９】
次にシリコン基板１とガラス基板２を接合する。本実施の形態では、接合手段として陽極接合法を使用し、シリコン基板１とガラス基板２の接合面を密着させ、２００℃に加熱した状態で両者の間に１０００Vの電圧を印加することにより接合した。接合方法は陽極接合に限定されるわけではなく、接着剤を用いる方法やフッ酸を用いて界面を融着する方法など、どのような方法を用いてもよい。
【００８０】
接合後のバルブ部分の断面図を図２８（２８−Ｆ）に示す。この段階ではエッチング深さを５０ミクロン、パッキンの高さを２０ミクロンとしているため、ガラス基板２とパッキン８の間に空隙が存在している。
【００８１】
引き続いてガラス基板２上の充填口５から封止材６を注入し封止をおこなう（図２８（２８−Ｇ））。この封止材６はバルブの開閉に直接影響するわけではないため、どのような材質を用いても構わない。しかし封止材６とパッキン８は一体化する必要があるため、ここでは封止材６としてパッキン８と同じ材質を用いた。このように封止材６を注入することによって、ガラス基板とパッキンの空隙が完全に満たされることになる。
【００８２】
最後にアクチュエータ３をバルブダイアフラム１１の裏面に設置することによってバルブ部が完成する（図２８（２８−Ｈ））。
【００８３】
なお、シリコン基板１上にバルブダイアフラム１１を形成する方法としては実施の形態１の図１２に示す方法などを利用することが可能である。
【００８４】
本実施の形態で示したポンプの製造方法では、パッキン８として弾性体を用いているためにバルブダイアフラム１１とパッキン８の間で高い密着性が得られる。また、シリコン基板１上に直接パッキン８を形成しているためにバルブダイアフラムとパッキンの間の接触面精度が高くなり、バルブが閉じた状態における耐圧性を向上させることができる。さらにレジストを用いたパターンニングによってパッキン形成を実現しているため、パッキンの形状を精度良く制御することが可能となり、流量や吐出圧などのポンプ性能のばらつきを小さくすることができる。
【００８５】
また、この製造方法はあらかじめガラス基板やシリコン基板にガイドを形成しておく必要がないため、工程が簡略化されると共に、送液できる流体の種類が拡がる。
【００８６】
【発明の効果】
本発明のポンプはパッキンとして弾性体を用いているためにバルブダイアフラムとパッキンの間で高い密着性が得られる。またシリコン基板とガラス基板を接合後にパッキン原料を充填、硬化させてパッキンを形成しているためにバルブダイアフラムとパッキンの間の接触面精度が高く、バルブが閉じた状態における耐圧性が向上したという効果を有している。またパッキンがガイドに沿って形成されているため、パッキンの形状を精度良く制御することが可能であり、流量や吐出圧などのポンプ性能のばらつきが小さくなるという効果を有している。
【００８７】
また、バルブダイアフラム上にレジストを用いてパッキンをパターンニングする方法を用いた場合も、同様にパッキンの形状を精度良く制御することが可能であり、流量や吐出圧などのポンプ性能のばらつきが小さくなる。
【００８８】
さらにガイドが存在しないため、ガイドの材質が流体におよぼす影響を考慮する必要がなくなり、送液できる流体の種類が広まるという効果を有している。またガイドの製作が必要なくなるため、工程が簡略化されるという効果も有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のポンプにおけるバルブ構造を示す断面図である。
【図２】従来のポンプ構造を示す断面図である。
【図３】従来のポンプにおけるバルブ構造を示す断面図である。
【図４】従来のポンプにおけるバルブ構造を示す断面図である。
【図５】本発明のポンプにおけるバルブ構造を示す断面図である。
【図６】本発明のポンプにおけるバルブ構造を示す平面図である。
【図７】接合前の加工済みシリコン基板を示す断面図である。
【図８】ガラス基板の加工工程を示す断面図である。
【図９】接合前の加工済みガラス基板を示す平面図である。
【図１０】本発明のポンプにおけるバルブ部分の製作過程を示す断面図である。
【図１１】本発明のポンプにおけるバルブ部分の製作過程を示す平面図である。
【図１２】シリコン基板の加工工程を示す図である。
【図１３】ガラス基板にガイドが形成された様子を示す図である。
【図１４】紫外線硬化樹脂を充填した様子を示す図である。
【図１５】マスクと紫外線ランプで紫外線硬化樹脂を硬化させている様子を示す図である。
【図１６】未硬化の紫外線硬化樹脂が除去された様子を示す図である。
【図１７】紫外線レーザとスキャナミラーにより紫外線硬化樹脂を硬化させている様子を示す図である。
【図１８】本発明のポンプにおけるバルブ構造を示す断面図である。
【図１９】本発明のポンプにおけるバルブが開いた様子を示す断面図である。
【図２０】バルブダイアフラム上にガイドが形成された様子を示す断面図である。
【図２１】接合前の加工済みガラス基板を示す平面図である。
【図２２】バルブダイアフラムにガイドが形成された様子を示す図である。
【図２３】シリコン基板の加工工程を示す図である。
【図２４】本発明のポンプにおけるバルブ構造を示す断面図である。
【図２５】本発明のポンプにおけるバルブ構造を示す平面図である。
【図２６】本発明のポンプにおけるバルブが開いた様子を示す断面図である。
【図２７】本発明のポンプにおけるバルブ構造を示す断面図である。
【図２８】本発明のポンプにおけるバルブ部分の製造工程を示す図である。
【符号の説明】
１  シリコン基板
２  ガラス基板
３  アクチュエータ
４  流体通過口
５  充填口
６  封止材
７  ガイド
８  パッキン
９  接着防止層
１０  流路
１１  バルブダイアフラム
１２  ポンピングダイアフラム
１３  レジスト
２０  酸化膜
２１  ポリイミド
２２  紫外線硬化樹脂
３０  マスク
３１  紫外線ランプ
３２  紫外線レーザ光源
３３  スキャナミラー
４０  ポリシリコン
【図１】
0003923233.tif 000002
【図２】
0003923233.tif 000003
【図３】
0003923233.tif 000004
【図４】
0003923233.tif 000005
【図５】
0003923233.tif 000006
【図６】
0003923233.tif 000007
【図７】
0003923233.tif 000008
【図８】
0003923233.tif 000009
【図９】
0003923233.tif 000010
【図１０】
0003923233.tif 000011
【図１１】
0003923233.tif 000012
【図１２】
0003923233.tif 000013
【図１３】
0003923233.tif 000014
【図１４】
0003923233.tif 000015
【図１５】
0003923233.tif 000016
【図１６】
0003923233.tif 000017
【図１７】
0003923233.tif 000018
【図１８】
0003923233.tif 000019
【図１９】
0003923233.tif 000020
【図２０】
0003923233.tif 000021
【図２１】
0003923233.tif 000022
【図２２】
0003923233.tif 000023
【図２３】
0003923233.tif 000024
【図２４】
0003923233.tif 000025
【図２５】
0003923233.tif 000026
【図２６】
0003923233.tif 000027
【図２７】
0003923233.tif 000028
【図２８】
0003923233.tif 000029