JPH01266376A

JPH01266376A - 液体マイクロバルブとマイクロポンプ

Info

Publication number: JPH01266376A
Application number: JP9312588A
Authority: JP
Inventors: Masaki Esashi; 正喜江刺; Shiyuuichi Shiyouji; 習一庄子
Original assignee: Research Development Corp of Japan
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1988-04-15
Filing date: 1988-04-15
Publication date: 1989-10-24
Anticipated expiration: 2014-06-28
Also published as: JP2912372B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）この発明は、液体マイクロバルブとマイクロポンプに関
するものである。さらに詳しくは、この発明は、血液の
ｐＨをモニタするシステムや、血液、尿、脳を髄液など
の生体液中の極微量の生体物質を分離分析する液体クロ
マトグラフィーシステムに有用な超小型液体マイクロバ
ルブとマイクロポンプに関するものである。

（背景技術）血液のｐＨモニタシステムや化学分析用に用いられる液
体クロマトグラフは、すでに様々な方式と構成からなる
装置が開発され、実用に供されている。しかしながら、
これらはいずれもバルブやポンプなとの機構部や検知部
か大型となっており、測定試料がある一定量以上必要で
あるという制約があり、さらに測定時間がかかるという
問題があった。

特に、血液ｐｔｌの常時モニタシステムや、血液、尿、
脳を髄液などの生体液中の生体物質を分離・分析するシ
ステムにおいては、極微量の測定試料を高速で測定でき
ることが不可欠である。しかしながら、現状のシステム
においては、この要求を満足することはできない。

このような問題を解決するために、シリコン基板上にポ
ンプやカラムを形成した超小型の集積化ガスクロマトグ
ラフィーが提案されているが、その用途はガス分析に限
定され、かつ、従来の微量ポンプでは脈動が大きく、分
析装置の検出器で雑音の原因となるなど、精度や分解能
の点で問題があり実用化はされていない。

シリコン基板上に、マイクロマシニング技術を用いてマ
イクロバルブやマイクロポンプを形成する場合には、液
体分析用に用いるものはガス用に比較して高度な製造技
術が必要とされるため、さらに実用化は困錐である。そ
の理由には以下のことがあげられる。第１に、液体は気
体に比べ粘性が高いため、液体用のバルブは気体用に比
べて流路やバルブ部分の抵抗を小さくする必要があり、
それぞれの寸法を大きくしなければならない、第２に、
それに従ってバルブやそれを可動するアクチュエータの
変位を大きくとることが必要であり、このような大きな
変位のもとて安定に動作するバルブやアクチュエータを
選択することは簡単ではない、第３に、ポンプの場合、
逆流を防ぐための逆止弁が必要となり、安定に動作する
ための材料選択や構造設計が極めて難しい、第４に、流
路やバルブの寸法が大きくなるなめに、強度の大きな基
板を用いる必要があり、かつ完全な気密性を有する基板
間接合を開発することが必要となるが、これは、いまま
で実現されてきていない。

（発明の目的）この発明は、以上の問題点ならびに技術的な課題に鑑み
てなされたものであり、マイクロマシニング技術を用い
て形成した液体用のマイクロバルブあるいはマイクロポ
ンプを提供することを目的としている。さらにまた、こ
の発明は、極微量の生体液を高速で高精度に分析できる
システムをも提供するものである。　− （発明の開示）この発明は、上記の目的を実現するために、液体の流路
とともに液体の導入出０六を有するシリコン基板と、液
体の流路を有するシリコン基板あるいはガラス基板とを
気密接合した構造からなり、シリコンゴムシートの弁と
この弁の開閉のためのアクチュエータを配設してなるこ
とを特徴とするノーマリオープン型またはノーマリクロ
ーズ型の液体マイクロバルブを提供する。

また、この発明は、メサとダイアフラムを形成したシリ
コン基板、逆止弁、およびアクチュエータを配設した液
体マイクロポンプをも提供する。

以下、図面によりこの発明の液体マイクロバルブとマイ
クロポンプについて説明する。

第１図は、この発明の一例としてノーマリクローズ型と
ノーマリオープン型のマイクロバルブの構造を例示した
ものである。この例においては、数１００μｍのバルブ
の変位を実現させるために、形状記憶合金コイル（１）
とバイアスバネ（２）からなるアクチュエータ（３）を
配設している。

この例の構造は、強度を大きくするためにアルミ板（４
）を支持材とし、その上部にエツチングあるいはサンド
ブラスト法により形成した流路（５）を有するガラス基
板（６）と、エツチングの結晶軸異方性などの性質を利
用したマイクロマシニング技術により微細加工した流路
（７）と液体の導入出口穴（８）を有するシリコン基板
（９）とを気密接合させて液体の流路を形成しシリコン
ゴムシート（１０）を接着し、これを弁とするとともに
、アルミ板（１１）を補強板として積層し、さらに上記
のアクチュエータ（３）を配設したものである。

パイレックスのガラス基板（６）とシリコン基板（９）
とは、完全気密接合とするために、３５０℃〜５００℃
の加熱のもとにパイレヅクスガラス基板（６）をマイナ
ス側として、たとえば５００ｖの電圧を印加して陽極接
合することができる。

第２図は、他の例の構造を例示したものである。

パイレックスのガラス基板（１２）（１３）とシリコン
基板（１４）とを陽極接合して形成した液体の流路を有
し、かつシリコンゴムシート（１５）を弁としているア
ルミ板（１７）およびアルミ板（１６）を支持材として
いる。この例では、アクチュエータ（１８）をピエゾバ
イモルフ型とするところに特徴がある。これは、圧電効
果を利用して変形を与えるものであり、形状記憶合金ア
クチュエータに比べ応答時間が約１／１００で、消費電
力も小さいという特長がある。

この第２図に示した例の場合にはノーマリオープン型の
構造を示しているが、同様な構造のままで、シリコンゴ
ムシートを押し付けた状態でピエゾバイモルフを固定し
、電圧印加で逆方向に動かすようにすることにより、ノ
ーマリクローズ型とすることも容易に可能である。

第３図は、この発明の例により得られた流量制御の状態
を示す特性図である。第３図（ａ）は、ノーマリオープ
ン型であり、第３図（ｂ）はノーマリクローズ型の場合
を示している。数ｍｌ／ｍｉｎと極微量の流量制御が可
能であることを示している。

第４図および第５図は、この発明の液体マイクロバルブ
の応用例を示す図である。第４図は血液ｐＨモニタマイ
クロシステムの概略を示しており、第５図はその内部＃
４遣を示している。

このシステムにおいては、第４図に示したように、リン
ゲル液（２０）と校正液（２１）を送り、また、留置針
（２２）を通じて血液を流入させる６廃液は吸引ポンプ
（２３）を通じて排出する。

このシステムは、第５図に示したように、液体マイクロ
バルブ（２４）（２５）と０■センサであるＩ　５ＦＥ
Ｔ　（２６）をシリコン基板上に集積化したものであっ
て比戟電極（２７）も備えており、血液を間欠的に体外
に採取しｐＨ分析を行うものである。マイクロバルブ（
２４）はノーマリオープン型、マイクロバルブ（２５）
はノーマリクローズ型としている。通常、点滴液を体内
に供給する装置の留置針（２２）の部分に取り付け、点
滴液を体内に供給し測定時のみ同じ針を通して血液を採
取して分析を行うように構成する。さらに、この＃Ｉ造
の特長は、校正液（２１）を用いて測定の直前にセンサ
の校正を自動的に行う機能を有していることであり、そ
のなめに１つのノーマリオープン型のマイクロバルブ（
２４）と２つのノーマリクローズ型のマイクロバルブ（
２５）から構成される装置針（２２）からの血液とリン
ゲル液（２０）と校正液（２１）の流れを自由に変える
ことができることにある。

第６図は、この応用例である血液１）ｔｌモニタマイク
ロシステムの動作特性を示したものである。１サイクル
の測定に要する時間が約２０秒と非常に短縮されている
。

第７図は、液体マイクロポンプの例を示したものである
。

これは、液体の導出口穴（３０）を有し、シリコン基板
（３１）との接合面に凹部（３２）を有するガラス基板
（３３）と、液体の導入口穴（３４）と導出口穴（３５
）を有するシリコン基板（３１）と、マイクロマシニン
グ技術を用いて加工したメサ（３６）とダイアプラム（
３７）を有するシリコン基板（３８）とを積層し、かつ
完全気密となるように接合した構造からなる。液体の導
入口穴（３４）と導出口穴（３５）を有する中間層のシ
リコン基板（３１）の液体の出口側に相当する基板表面
に、逆流を防ぐ逆止弁（３つ）を有することを特徴とし
、ダイアフラム（３７）の下部に配設されたアクチュエ
ータ（４０）によってダイアフラム（３７）を可動させ
、それによって逆止弁（３９）を開閉させる。

また、液体の導入口穴（３４）にも、逆止弁（４１）を
設けている。用いたマイクロマシニング技術や陽極接合
技術は前述と同様である。さらに、シリコン基板間の接
合として低融点ガラスを一方の基板側にＲＦスパッタ法
により被覆した後、陽極接合する方法も適用できる。

この実施例では、積層型ピエゾアクチュエータを用いる
ことができるが、変位の大きくとれる超小型アクチュエ
ータであればどのような形態でも適用可能であることは
いうまでもない。

第８図は、この実施例に用いた超小型逆止弁の構造を例
示したものである。これは、４つの梁（４２）で支えら
れた円盤状の多結晶シリコン膜（４３）を用いたもので
あり、シリコン基板に形成された貫通穴を弁の両端の圧
力差により開閉させるものである。

弁部分の圧力損失や圧力−流量特性は、梁（４２）の大
きさや円盤部分と貫通穴の寸法比により変化するが、た
とえば、多結晶シリコンの膜厚１．５μｍ、貫通穴の形
状５０Ｘ５０μｄ、円盤弁の半径ｒ１２００μｍ、梁の
幅Ｗと長さしがそれぞれ２００．ｉｚｍ、３００μｍと
すると、２ｋｇ／−の圧力で１５０　ｎｌ／ｎｉｎの流
量を押し出すことができる。

この発明の超小型液体マイクロポンプの１つの応用例と
して極微量測定・超高速液体クロマトグラフィーシステ
ムが考えられる。

（発明の効果）以上のように、この発明により、様々な応用が期待され
る超小型・液体分析システムに有用な液体マイクロバル
ブあるいは液体マイクロポンプが提供される。脈量を小
さくすることができ、また、ｔＩｋ積化できることで配
管の無効体積の問題もない。

差圧ポンプなどの流量計、圧力計と一体化したり、別の
ポンプと一体化してデュアルポンプとして脈量をなくす
こともできる。極ｔｉ量の液体サンプルの高速、高精度
での測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、各々、この発明の液体マイクロ
バルブの例を示した断面図である。第３図（ａ）（ｂ）
は、このマイクロバルブの電圧−流量特性を示した相関
図である。第４図および第５図は、この発明のマイクロバルブを用
いた血液０１１モニタマイクロシステムについて示した
斜視図と断面図である。第６図は、このシステムの動作特性図である。第７図はこの発明の液体マイクロポンプの例を示した断
面図であり、第８図はこのマイクロポンプに用いる逆止
弁の例を示した平面図である。１・・・形状記憶合金コイル２・・・バイアスバネ３・・・アクチュエータ４・・・アルミ板５・・・流路６・・・ガラス基板７・・・流路８・・・導入出口穴９・・・シリコ、゛基板１０・・・シリコンゴムシート１１・・・アルミ板１２．１３・・・ガラス基板１４・・・シリコン基板１５・・・シリコンゴムシート１６．１７・・・アルミ板１８・・・アクチュエータ２４．２５・・・マイクロバルブ２６・・・ｌ５ＦＥＴ３０・・・導出口穴３１・・・シリコン基板３２・・・凹部３３・・・ガラス基板３４・・・導入口穴３５・・・導出口穴３６・・・メサ３７・・・ダイアフラム３８・・・シリコン基板３９・・・逆止弁４０・・・アクチュエータ４１・・・逆止弁４２・・・梁４３・・・多結晶シリコン膜代理人　弁理士　　西　　澤　　利　　火弟１図第２図（ａ）印加電圧１）３図（ｂ）印加電圧（〜゛）第４図第５図第　　６　　図１ｓｅｃ第　　７　　図出力第８図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）液体の流路とともに液体の導入出口穴を有するシ
リコン基板と、液体の流路を有するシリコン基板あるい
はガラス基板とを気密接合した構造からなり、シリコン
ゴムシートの弁と、この弁の開閉のためのアクチュエー
タを配設してなることを特徴とするノーマリオープン型
またはノーマリクローズ型の液体マイクロバルブ。
（２）形状記憶合金とバイアスバネまたはピエゾバイモ
ルフからなるアクチュエータを配設した請求項（１）記
載の液体マイクロバルブ。
（３）シリコン基板とガラス基板とを陽極接合法により
気密接合してなる請求項（１）記載の液体マイクロバル
ブ。
（４）液体の導出口穴とともに接合面に凹部を有するガ
ラス基板と、液体の導入出口穴を有する中間層シリコン
基板と、メサとダイアフラムを有するシリコン基板とを
積層し、完全気密接合した構造からなり、中間層シリコ
ン基板の液体出口側に相当する基板表面に逆止弁を有し
、ダイアフラムを可動させ逆止弁を開閉させるアクチュ
エータをダイアフラムの下部に配設してなることを特徴
とする液体マイクロポンプ。
（５）逆止弁を梁で支えた円盤状のポリシリコンで形成
してなる請求項（４）記載の液体マイクロポンプ。
（６）ガラス基板とシリコン基板、あるいはシリコン基
板相互を陽極接合により気密接合させてなる請求項（４
）記載の液体ポンプ。