WO1997005385A1

WO1997005385A1 - Microvalve and method of manufacturing the same, micropump using the microvalve and method of manufacturing the same, and apparatus using the micropump

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Publication number: WO1997005385A1
Application number: PCT/JP1996/002129
Authority: WO
Inventors: Tsukasa Funasaka; Takayoshi Fujimori; Hajime Miyazaki
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1995-07-27
Filing date: 1996-07-29
Publication date: 1997-02-13
Anticipated expiration: 1998-01-27
Also published as: DE69620569T2; EP0789146A1; JP3726285B2; DE69620569D1; EP0789146B1; EP0789146A4

Description

明細書マイクロバルブ及びその製造方法、並びにこれを用いたマイクロポンプ及びその製造方法、このマイクロポンプを用いた装置技術分野

本発明は、マイクロマシ一二ング等の微小加工 · 接合を応用し、流体の流量を制御するマイクロバルブ及びその製造方法に関するものである。また、このマイクロバルブが組み込まれたマイクロポンプ及びその製造方法に関する。さらにこのマイクロポンプを用いた装置に関する。背景技術

従来のマイクロバルブ及びマイクロポンプとしては、例えば、特開平 3— 1 9 9 6 8 2号公報に記載されているように、シリコン薄膜板上に入力弁及び出力弁を設け、この両弁の間に駆動ダイヤフラムを形成し、この駆動ダイヤフラムがガラス基板と陽極接合するように構成されている。また、このマイクロポンプからバルブ部のみを取り出し、マイクロバルブとして使用することも可能である。また、図 1 6は、マイクロバルブを組み込んだ従来のマイクロポンプを示す図であり、（a)は底面図、（b)は静止状態における（a)の A— A断面図、（c)は吸引状態における（a)の A— A断面図である。

図 1 6 )及び（b)に示すマイクロポンプは、シリコン基板 8 1 に、出力弾性ダィャフラム 8 1 1が設けられた構造を備えている。出力弁は、駆動弾性ダイヤフラム 8 1 0の上下運動に応じて出力弁突起 8 1 5 と、弁の働きをする出力シール部 8 1 2 とから構成されている。駆動弾性ダイヤフラム 8 1 0は、それ自身とその上面に電極を介して接着された圧電素子 8 5 とに電界を加えることにより、上下にたわむように設計されている。入力弁は、入力ダイヤフラム 8 7、入力弁突起 8 1 5、入力弁シール部 8 8、穴 8 9から構成されている。入口 8 6から浸入した流体は、穴 8. 9を抜け、入力弁シール部 8 8、チャンバ一 8 1 4、出力シール部 8 1 2を経て出口 8 1 3から吐出される。シリコン基板 8 1 には、ガラス基板 8 2、 8 3及び 8 4が接合されている。

—方、図 1 6 (c)に示すマイクロポンプは、圧電素子 8 5に電圧を加えて駆動弾性ダイヤフラム 8 1 0を上方に押し上げている。したがって、チャンバ一 8 1 4内は負圧となり、入力弾性ダイヤフラム 8 7を上方に押し上げる力が生じる。これと同時に、入力弁シール部 8 8が上方に持ち上げられ入口 8 6から流体を吸引する。

前記のようなマイクロポンプに使用される弁シール部を形成する際に使用されるマスクパターンとしては、例えば、特公昭 4 5— 1 7 9 8 8号公報に記載されたものがある。このマスクパターンの所望位置には、補正パターンが形成されており、これによつて、高精度なパ夕一ニングが行える。図 1 7は、この公報に記載されたマスクパターン（破線で示す）及びこれによつてパターニングされた弁シール部（実線で示す）の底面図である。なお、図 1 7に示す弁シールは、いずれもシリコン基板をエッチングすることにより形成（パターニング）されるが、一般的にエッチングとしては、エッチング面の平滑性を考慮して異方性エツチングが行われる。ここで、代表的なエツチャントとしては、例えば、 K O H溶液や T M A H溶液が知られている。なお、弁シール部 9 3、 9 1 0及び 9 1 1は、同じ形状を有している。

図 1 7 (a)に示すマスクパターンの符号 9 1で示される補正パターン部分をマスクとしてエッチングされる部分は、サイドエッチングにより 4 5度の角度で後退し、エッチング後は、符号 9 4で示される形状となる。また、マスクパターンの符号 9 5で示される補正パターン部分をマスクとしてエッチングされる部分は、エッチング液の組成によるが、サイドエッチングにより約 2 7度の角度で後退し、エッチング後は、符号 9 2で示される形状となる。なお、符号 9 3は、弁シール部を示す。

図 1 7 (b)も同様に、補正パターン部分 9 6及び 9 7が形成されたマスクパ夕ーンにより、弁シール部 9 1 0を形成する。また、図 1 7 (c) も同様に、補正パターン部分 9 8及び 9 9が形成されたマスクパターンにより、弁シール部 9 1 1 を形成する。

しかしながら、これらの弁シール部を形成する際に行うサイドエッチングでは部位によってシリコン基板のサイドエッチング角度が異なるため、弁シール部には、幅の広い部分と狭い部分とが形成される。したがって、全体として均一な幅を備えた弁シール部を形成することができないという問題がある。特に、エッチングの深さが深くなると、それに伴ってサイドエッチングも大きくなるため、弁シール部の幅が、その機能に支障をきたすほど狭くなる部分が生じるという問題がある。このため、現状では、弁シール部に幅が十分に広い部分を作ることで対処している。なお、本発明において、 Γ弁シール部の幅 j とは、弁シール部と、保持基板あるいは弾性ダイヤフラムとの接触部の幅のことをいうものとする。ここで、マイクロバルブにおいて、弁シール部に太い幅の部分があると、流路抵抗が大きくなるため、圧力損失が大きくなる、流速が遅くなる等の欠点が生じる。また、急激な圧力変化によって弁が開閉した際には、弁シール部と保持基板との間の圧力が急激に変化するため、気泡が発生するという問題もある（キヤビテーシヨン現象）。具体的には、例えば、図 1 6に示すマイクロバルブの場合、入力弹性ダイヤフラムが押し上げられる（持ち上がる）瞬間に、入力弁シール部 8 8は急激に負圧になる。このため、ある一定以上の幅を有する弁の場合（例えば、 6 0 i m幅を超えるような場合）において、常温で入力弁シール部 8 8部分にて気泡が発生した。特に、このようなキヤビテーシヨン現象は、高温時において頻発する傾向にある。

また、特に、異方性エッチングにより弁を形成する場合には、サイドエツチングによって弁幅が狭い部分と広い部分とができやすく、弁シール部の形状が弁の深さ（エッチング深さ）によって決定され、ある一定値以下の弁シール部幅が形成できないという問題がある。具体的には、例えば、弁の深さを 4 0 t mにすると、通常の K O H溶液等で異方性エッチングを行うと、最大幅約 4 0 m以下の弁が形成できない。マイクロポンプにおいては、流路抵抗が大きいと、ブライミング時の流速が出ないために気泡が抜きにくく、また、圧電素子駆動時の減圧により気泡が発生するため、チャンバ一内に気泡がたまり、吐出流量が減少し、最後には吐出できなくなってしまうという問題がある。発明の開示本発明は、このような従来の問題点を解決するためになされたものであり、通常の環境下は勿論のこと、高温環境下における駆動時にもキヤビテーション現象が発生せず、常に安定した流量を得ることができるマイクロバルブ、及びこのマィクロバルブを製造する方法を提供するものである。

また、このマイクロバルブを用いたマイク口ポンプ及びその製造方法を提供するものである。

さらにまた、このマイクロポンプを用いた医療機器及び分析機器を提供するものである。

本発明は、圧力の変動により上下動する弾性ダイヤフラムと、当該弾性ダイヤフラムを支持する支持基板と、当該支持基板を保持する保持基板と、前記弾性ダィャフラム又は保持基板に設けられ、かつ流体の制御を行う弁シール部を備えた弁突起を具備してなるマイクロバルブであって、静止状態の時に、前記弁シール部と、前記弾性ダイヤフラム又は前記保持基板との間に、所定の隙間を設けたマイク口バルブを提供するものである。このマイクロバルブは、前記隙間の存在によって、気泡が発生することがないとともに、流体抵抗が小さくなるため、流速を速くすることができる。

前記隙間は、 0 . 以上、 1 0 πι以下とすることが好ましく、さらに好ましくは、 1 ！!！〜 5 とすることがよい。このようにすることで、マイクロバルブとしての機能に支障を来すことなく、一層流体抵抗が小さく、気泡の発生が起こりにくいマイク口バルブを提供することができる。

また、本発明に係るマイクロバルブは、圧力の変動により上下動する弾性ダイャフラムと、当該弾性ダイヤフラムを支持する支持基板と、当該支持基板を保持する保持基板と、前記弾性ダイヤフラム又は保持基板に設けられ、かつ流体の制御を行う弁シール部を備えた弁突起を具備してなるマイクロバルブであって、前記弁シール部は、前記保持基板又は弾性ダイヤフラムとの接触部の幅が 5 0 m 以下であるマイクロバルブを提供するものである。これによつて、マイクロパルブの流体抵抗が小さくなるため、動作時に負圧が急激にかかっても気泡が発生することを抑制することができるとともに、流速を速くすることができる。

また、前記接触部の幅は、 0 . 2 m ~ 2 0 mとすることが、さらに好ましい。

前記接触部の幅が 5 0 mを超えると、マイクロバルブとしての機能に支障をきたすことなく、前記流体抵抗を目標値まで小さくすることができず、マイクロバルブの動作時に負圧が急激にかかった際に、気泡が発生することを抑制することが困難となる。また、流速を速くすることも困難となる。

そしてまた、前記弁突起の先端に前記弁シール部を備え、当該先端と基端との間に段差を形成することで、前記弁突起をより小さく構成することができるため、弁突起の強度が高いマイクロバルブが得られる。この段差は、以下にすることができ、さらに望ましくは、 1 ！〜 5 /x mにすることがよい。このようにすることで、弁突起の強度を確実に保持しながら、流体抵抗の小さいマイク口バルブが得られる。

また、本発明に係るマイクロバルブは、前記支持基板、弾性ダイヤフラム、弁突起及び弁シール部を一体のシリコン基板から構成し、前記保持基板をガラス基板から構成することができる。あるいは、前記支持基板及び弾性ダイヤフラムを —体のシリコン基板から構成し、前記保持基板、弁突起及び弁シール部を一体のガラス基板から構成することができる。これによつて、加工がさらに簡単で、より高精度なマイク口バルブが得られる。

さらにまた、本発明は、被加工基板の一方の面の、前記弾性ダイヤフラムの中央部となる部分を除く頜域に第 1 の保護膜を形成し、当該第 1の保護膜をマスクとして、前記被加工基板の一方の面に第 1 のエッチングを行う工程と、前記被加ェ基板の他方の面の、前記支持基板となる部分に、第 2の保護膜を形成する工程と、前記第 1の保護膜の、前記支持基板及び弁シール部となる領域以外に形成されている部分を除去する工程と、前記除去が行われた第 1の保護膜と、第 2の保護膜をマスクとして、前記被加工基板に第 2のエッチングを行う工程と、前記第 2のエッチングを行った後、前記弁シール部となる領域に形成されている第 1の保護膜を除去し、残された第 1 の保護膜をマスクとして前記被加工基板の一方の面に第 3のエッチングを行い、前記弾性弾性ダイヤフラム及び弁突起を形成する工程と、前記第 3のエッチングを行った後、前記第 1の保護膜及び第 2の保護膜を除去し、弁シール部上又は保護基板の当該弁シール部が接合可能な部分に、非接合膜を形成する工程と、前記被加工基板の他方の面から前記第 2の保護膜を全て除去した後、この面に保護基板を電気的な導通が可能に接合する工程と、前記非接合膜を形成した後、前記被加工基板の一方の面に、入力口が貫通形成された保護基板を電気的な導通が可能に接合する工程と、を備えてなるマイクロバルブの製造方法を提供するものである。

この製造方法では、前記第 3のエッチングは、前記被加工基板の弁シール部分となる面が、支持基板となる面に対して 0 . 2 / m以上、 1 0 /z m以下の範囲でエッチバックされるまで行うことができる。

また、本発明は、被加工基板の一方の面の前記弾性ダイヤフラムの中央部となる部分を除く領域に、第 1の保護膜を形成し、当該第 1の保護膜をマスクとして、前記被加工基板の一方の面に第 1のエッチングを行う工程と、前記被加工基板の他方の面の前記支持基板となる部分に、第 2の保護膜を形成する工程と、前記第 1の保護膜の、前記支持基板及び 5 0 ju m以下の幅を有する弁シール部となる領域以外に形成されている部分を除去する工程と、前記除去が行われた第 1 の保護膜と、第 2の保護膜をマスクとして、前記被加工基板に第 2のエッチングを行い、前記弾性ダイヤフラム及び弁突起を形成する工程と、前記第 2のエッチングを行つた後、第 1 の保護膜及び第 2の保護膜を全て除去し、前記弁シール部又は保護基板の当該弁シール部が接合可能な部分に、非接合膜を形成する工程と、前記第 1の保護膜及び第 2の保護膜の全てを除去した後、前記被加工基板の他方の面に前記保護基板を電気的な導通が可能に接合する工程と、前記非接合膜を形成した後、前記被加工基板の一方の面に、入力口が貫通形成された保護基板を電気的な導通が可能に接合する工程と、を備えてなるマイク口バルブの製造方法を提供するものである。

この製造方法では、前記第 2のエッチングを行った後、前記弁シール部となる部分に形成された第 1の保護膜を 5 0 /z m未満の幅で残して、当該弁シール部となる部分に形成された第 1の保護膜を除去し、次いで、残された第 1の保護膜をマスクとしてエッチングを行う工程をさらに備えることができる。

前記被加工基板としては、単結晶シリコン基板を用いることができる。

そしてまた、本発明は、第 1の被加工基板の一方の面の前記支持基板となる頜域に、第 1の保護膜を形成し、当該第 1の保護膜をマスクとして、前記第 1の被加工基板の一方の面に第 1のエッチングを行う工程と、前記第 1の被加工基板の他方の面の、前記弾性ダイヤフラムの中央部となる部分を除く領域に第 2の保護膜を形成する工程と、前記第 1の保護膜及び第 2の保護膜をマスクとして、前記弾性ダイヤフラムの中央部が開口されるまで前記第 1の被加工基板に第 2のエツチングを行う工程と、第 2の被加工基板の一方の面の前記保護基板及び弁突起となる領域に第 3の保護膜を形成し、当該第 3の保護膜をマスクとして前記第 2の被加工基板に第 3のエッチングを行い、前記弁突起を形成する工程と、前記第 1 の被加工基板の前記弁シール部が接合可能な部分又は当該弁シール部上に、非接合膜を形成する工程と、前記第 2の被加工基板に入力口を貫通形成する工程と、前記第 2のエッチングが行われた第 1 の被加工基板の前記他方の面に、前記第 3 のエッチングが行われ、かつ前記入力口が形成された第 2の被加工基板の前記一方の面を、電気的な導通が可能に接合する工程と、前記第 1の被加工基板の一方の面に保護基板を電気的な導通が可能に接合する工程と、を備えてなるマイクロバルブの製造方法を提供するものである。

この製造方法では、前記第 1の被加工基板の他方の面と、前記第 2の保護膜との間に非接合膜を形成し、この非接合膜を選択的にエッチングすることにより、前記第 1の被加工基板の前記弁シール部が接合可能な部分に、当該非接合膜を残存させることができる。また、前記第 1の被加工基板として、単結晶シリコン基板を、前記第 2の被加工基板として、ガラス基板を用いることができる。

さらにまた、本発明は、入力弁を備えた入力部と、駆動ダイヤフラムを備えた駆動部と、出力弁を備えた出力部と、を備えたマイクロポンプであって、前記入力弁が、前述したマイクロバルブのいずれかのマイクロバルブからなるマイクロポンプを提供するものである。

このマイクロポンプは、気泡を発生することなく、一定量かつ微量の流体を高精度で吸引 · 吐出することができる。

また、前記入力弁、前記駆動ダイヤフラム及び前記出力弁は、単結晶シリコン基板を一体形成して構成してもよい。

そしてまた、本発明は、入力弁を備えた入力部と、駆動ダイヤフラムを備えた駆動部と、出力弁を備えた出力部と、を備えたマイクロポンプの製造方法であつて、前述したマイクロバルブの製造方法のいずれかにより、前記入力弁を製造するマイク口ポンプの製造方法を提供するものである。

更にまた、本発明は、流体を収容するタンクと、当該タンクに接続されかつ前記流体を吸引 · 吐出する本発明に係るマイクロクロポンプと、当該マイクロボンプを駆動させる駆動手段と、当該駆動手段を制御する制御手段と、を備えてなる装置を提供するものである。図面の簡単な説明

図 1 (a)は、本発明の実施の形態 1 に係るマイクロバルブのダイヤフラム部分の底面図である。

図 1 (b)は、本発明の実施の形態に係るマイクロバルブの静止状態を示す断面図である。

図 1 (c)は、図 1 (b)に示すマイク口バルブの出口側に負圧がかかった状態を示す断面図である。

図 2は、実施の形態 1 に係るマイクロバルブを用いてマイクロポンプを構成した場合の隙間 1 7の長さ（// m ) と、液体の流量減少率（％) との関係を調査した結果を示す図である。

図 3 (a)ないし図 3 (d)は、図 1 に示すマイクロバルブを製造する工程を示す断面図である。

図 4 (a)は、本発明の実施の形態 2に係るマイクロバルブのダイヤフラム部分の底面図である。

図 4 (b)は、静止状態、すなわち圧力がかかっていない状態を示すマイクロバルブの断面図である。

図 5は、実施の形態 2に係るマイクロバルブの弁シール幅（； u m ) と、キヤビテーシヨン現象における気泡発生開始温度（で）との関係を示す図である。図 6 (a)は、本発明の実施の形態 3 に係るマイクロバルブのダイヤフラム部分の底面図である。

図 6 (b)は、静止状態、すなわち圧力がかかっていない状態を示すマイクロ ' ルブの断面図である。

図 7 (a)ないし図 7 ( Πは、図 6に示すマイクロバルブを製造する工程を示す断面図である。

図 8は（a)は、本発明の実施の形態 4に係るマイクロバルブのダイヤフラム部分の底面図である。

図 8 (b)は、図 8 (a)の B— B断面図である。

図 9 (a)ないし図 9 ( は、図 8に示すマイク口バルブを製造する工程を示す断面図である。

図 1 0 (a)ないし図 1 0 (c)は、他の実施の形態に係るマイク口バルブのダイャフラム部分の底面図である。

図 1 1は、本発明の実施の形態 5に係るマイクロポンプの全体構成図である。図 1 2 (a)は、図 1 1 に示すマイクロポンプの底面図である。

図 1 2 (b)は、静止状態における図 1 1 (a)の C一 C断面図である。

図 1 2 (c)は、吸引状態における図 1 1 (a)の C一 C断面図である。

図 1 3は、実施の形態 5に係るマイクロポンプユニットの具体的なブロック図である。

図 1 4 ( a)は、実施の形態 5に係るマイクロポンプユニットの制御用 I から出力される駆動信号のパルスを示す図である。

図 1 4 ( b)は、実施の形態 5 に係るマイク口ポンプュニットの制御用 I Cから出力される他の駆動信号のパルスを示す図である。

図 1 5は、本発明の他の実施の形態に係るマイクロポンプュニットの全構成図である。

図 1 6 (a)は、従来のマイク口バルブのダイヤフラム部分の底面図である。図 1 6 (b)は、静止状態における図 1 6 (a) の D— D断面図である。

図 1 6 (c)は、吸引状態における図 1 6 (a)の D— D断面図である。

図 1 7は、従来のマスクパターン（破線で示す）及びこれによつてパターニングされた弁シール部（実線で示す）の底面図である。発明を実施するための最良の形態以下、本発明を添付の図面を参照してより詳細に説明する。

(実施の形態 1 )

図 1 (a)は、本発明の実施の形態 1 に係るマイクロバルブのダイヤフラム部分の底面図、図 1 (b)は、静止状態、すなわち圧力がかかっていない状態を示すマイク口バルブの断面図、図 1 (c)は、図 1 (b)に示すマイクロバルブの出口側に負圧がかかった状態を示す断面図である。なお、本発明でいう「マイクロバルブ」とは、弁のサイズが、おおむね Φ 5 mm程度以下のものを示している。

図 1 (a)〜図 1 (c)に示すマイク口バルブは、保持基板であるガラス基板 1 1 1 と、ガラス基板 1 1 1 に保持される支持基板 1 1 と、支持基板 1 1 に支持される弾性ダイヤフラム 1 3 と、弾性ダイヤフラム 1 3に設けられた弁突起 1 1 2 と、ガラス基板 1 1 1 と対向した位置に設けられ、かつ支持基板 1 1 に接合されるガラス基板 1 2 と、ガラス基板 1 1 1 と弾性ダイヤフラム 1 3 との間に形成された入口側弁室 1 1 0 と、ガラス基板 1 2 と弾性ダイヤフラム 1 3 との間に形成された出口側弁室 1 9 と、を備えて構成されている。

ガラス基板 1 1 1 には、マイク口バルブ内に液体を浸入させる入力口 1 6が貫通形成されている。支持基板 1 1 は、シリコン基板から形成されており、ガラス基板 1 1 1及び 1 2に対し陽極接合されている。

弾性ダイヤフラム 1 3は、支持基板 1 1 と一体に形成された略円盤形状を備えている。この弾性ダイヤフラム 1 3は、出力側弁室 1 9 と入口側弁室 1 1 0 との圧力差に応じて上下動するように設計されている。また、弾性ダイヤフラム 1 3 の中心部には、流体（液体）の通り道となる穴 1 5が貫通形成されている。弾性ダイヤフラム 1 3のガラス基板 1 1 1側（以後、本実施の形態では、こちら側を「下側」とする）であって、穴 1 5の外周部分には、その先端側に向かって徐々に狭くなるテーパー形状を備えた弁突起 1 1 2が形成されている。この弁突起 1 1 2の先端面が弁シール部 1 4 となる。

弁シール部 1 4の表面には、陽極接合時にガラス基板 1 1 1 と接合されないように酸化膜や窒化膜等の保護膜が形成されている。なお、この実施の形態 1では. 弁シール部 1 4の幅を約 1 0 0 mに設定した。この弁シール部 1 4は、特に、図 1 (b)に示すように、マイクロバルブが静止状態の際には、ガラス基板 1 1 1 P 6/02129 との間に所定の隙間（ギャップ） 1 7が形成されるように構成した。また、出口側が負圧となった場合は、図 1 (C)に示すように、弾性ダイヤフラム 1 3が上側

(上側）に動くように変形し、ガラス基板 1 1 1 と弁シール部 1 4 との間の隙間 1 8を隙間 1 7より広くする。

この構成を備えたマイクロバルブは、出口側弁室 1 9の圧力が入口側弁室 1 1 0の圧力よりも小さくなつた場合、図 1 (b)に示す状態から図 1 (c)に示す状態となり、ある一定量の液体が流れる。この移行期間に、隙間 1 7部分は負圧となる。 —方、出口側弁室 1 9の圧力が入口側弁室 1 1 0の圧力よりも高くなった場合、弾性ダイヤフラム 1 3がガラス基板 1 1 1 に向けて押し下げられ、弁シール部 1 4がガラス基板 1 1 1 に当接され、隙間 1 7がなくなり、液体が出口側から流れなくなる。すなわち、一方向弁を形成する。

前記マイクロバルブにおいて、液体が逆流しないようにするためには、この隙間 1 7をなるベく狭くすることが望まれる。静止状態における隙間 1 7の幅（ガラス基板 1 1 1 の表面から弁シール部 1 4までの距離）と、液体の逆流現象との関係を調査したところ、隙間 1 7が 1 0 /z mを超えると、逆流現象がみられた。また、隙間 1 7を 0 . 未満にすると、約 6 0 以上の高温において、キヤビテ一シヨン現象がみられた。

また、このマイクロバルブを用いてマイクロポンプを構成した場合の隙間 1 7 の長さ（ i m ) と、液体の流量減少率（％) との関係を調査した。この結果を図

2に示す。

これらの結果から、静止状態における隙間 1 7は、 0 . 2 t m以上、 l O ^ m 以下にすることが望ましい。

このような構造のマイクロバルブにおいては、弁シール部 1 4の幅が 5 0 μ m を超えても、キヤビテーシヨン現象が起きることがない。

また、このような構造のマイクロバルブは、弁突起 1 1 2部が、前述したテーパー形状を有しているため、剛性が高く、曲がりにくいという利点がある。

さらにまた、この構造のマイクロバルブは、圧力損失が少ないため、例えば、ポンプに組み込んだ際の吐出量を増加させることができる。さらに、急激な減圧時に、弁シール部における減圧が少なくなるため、気泡の発生を防止することができる。また、前記間隔の存在により、弁シール部にごみ等をトラップして弁が閉まらなくなるという問題が生じることもない。

次に、図 1 (a)〜図 1 (c)に示すマイクロバルブの製造方法について、図 3 (a) 〜図 3 (d)に示す工程に沿って説明する。なお、本実施の形態では、単結晶シリコン基板の（ 1 0 0 ) 面を、 K O H溶液を用いて異方性エッチングを行う場合について説明する。

図 3 (a)に示す工程では、シリコン基板 4 1の上下面に、熱酸化膜を形成する。次に、フォトリソグラフィ一により、下側となる面側であって、後に弾性ダイヤフラム 1 3の中央部となる部分に相当する位置に形成された熱酸化膜を除去するパターニングを行う。なお、前記熱酸化膜は、 4 0 /z mの幅で除去した。このようにして、シリコン基板 4 1の上側となる面にエッチングの保護膜 4 1 0を、下側となる面にエッチングの保護膜 4 1 1 を形成する。次いで、保護膜 4 1 0及び 4 1 1 をマスクとしてシリコン基板 4 1 に異方性エッチングを行い、穴 4 2を形成する。この穴 4 2は、深さ方向に対し一定角度でエッチングされるため、一定深さ以上で V字状（四角錐状）の溝状となったところで、エッチングが停止された結果、形成される。本実施の形態では、保護膜 4 1 1 の除去された部分の幅が 4 0 // mであるため、エッチングは、 2 8 mの深さで停止される。

次に、図 3 (b)に示す工程では、図 3 (a)で形成した保護膜 4 1 0及び 4 1 1 に所定のパターニングを行い、後に支持基板 1 1 となる部分及び弁シール部 1 4となる部分に対応する領域以外に形成されている保護膜 4 1 0及び 4 1 1 を除去する。次に、残された保護膜 4 1 0及び 4 1 1 をマスクとして、エッチングを行い、上部エッチング部 4 3、下部エッチング部 4 4及び 4 1 2を形成する。この時、下部エッチング部 4 1 2をエッチングすることにより穴 4 2もエッチングが進行する。

次いで、図 3 (c)に示す工程では、弁シール部 1 4 となる部分に対応する領域に形成されていた保護膜 4 1 1 をさらに除去する。次に、残された保護膜 4 1 0 及び 4 1 1 をマスクとして、エッチングを行い、隙間 1 7 を形成する。この時、図 3 (b)に示す工程でエッチングされた部分も、このエッチングによってさらにエッチングが進行する結果、シリコン基板 4 1 に穴 1 5が貫通形成される。このようにして、図 1 (a)及び図 1 (b)に示す支持基板 1 1、弾性ダイヤフラム 1 3、弁突起 1 1 2、弁シール部 1 4を同一のシリコン基板から一体に形成した。その後、弁シール部 1 4の表面に、酸化膜を形成する。この酸化膜は、陽極接合時に、後に形成するガラス基板 1 1 1 と弁シール部 1 4とが接合されないようにするための非接合膜の役割を果たす。

次に、図 3 (d)に示す工程では、入力口 1 6が形成されたガラス基板 1 1 1 を、図 3 (c)にし示す工程で得たシリコン基板 4 1の下側に、ガラス基板 1 2を上側に陽極接合する。この陽極接合は、シリコン基板 4 1 を陽極とし、ガラス基板 1 1 1及び 1 2を陰極とし、 3 0 0 t: ~ 4 0 0 " に加熱した状態で、 5 0 0 V程度の高電圧を加えることにより行われる。

このように、本実施の形態に係るマイクロバルブは、エッチングという同一プ口セスで形成することができるため、製造工程が簡単である。また、特別な表面処理を必要としないため、流路に欠陥が生じることもない。

なお、本実施の形態では、エツチャントとして K O H液を使用した場合について説明したが、これに限らず、 T M A H溶液等、他の組成のものを使用してもよい。

また、本実施の形態では、保護膜として熱酸化膜を使用したが、これに限らず，エッチングのマスクとして使用可能であれば、例えば、窒化膜あるいは金等の金属膜等、他の組成の膜を使用してもよい。

そしてまた、本実施の形態では、弁シール部 1 4に形成する非接合膜として、酸化膜を用いたが、これに限らず、例えば、窒化膜等、弁シール部 1 4としての機能を損なうことなく、ガラス基板 1 1 1 と弁シール部 1 4との接合を防止することが可能であれば、他の組成の膜を用いてもよい。

また、この非接合膜は、弁シール部 1 4に設ける他、ガラス基板 1 1 1 の弁シール部 1 4が接合される位置に設けてもよい。

(実施の形態 2 )

次に、本発明の実施の形態 2について図面を参照して説明する。

図 4 (a)は、本発明の実施の形態 2に係るマイクロバルブのダイヤフラム部分， _t

14 の底面図、図 4 (b)は、静止状態、すなわち圧力がかかっていない状態を示すマイク口バルブの断面図である。なお、この実施の形態 2に係るマイクロバルブは、実施の形態 1 に係るマイクロバルブを、フッ酸溶液を使用した等方性エッチングにより形成した例である。

この実施の形態 2に係るマイクロバルブと、実施の形態 1 に係るマイクロバルブとの構造上の異なる点は、静止状態において、弁シール部 2 3がガラス基板 2 7に接触している点と、弁シール部 2 3の幅が狭い点、及び等方性エッチングにより形成したことによる、エッチング面のラウンド形状化である。なお、実施の形態 2では、単にエッチング方式の違いにより、実施の形態 1 に係るマイクロバルブの形状に対し違いが生じた部材及び同一の形状を備えた部材については、その詳細な説明は省略する。

図 4 (a)及び図 4 (b)に示すマイク口バルブの弾性ダイヤフラム 2 1は、単結晶シリコン基板からなる支持基板 2 5 と一体に形成された略円盤形状を備えている。この弾性ダイヤフラム 2 1は、シリコン基板に等方性エッチングを行うことにより形成したため、そのエッジ部分（等方性エッチングにより形成された部分）が、実施の形態 1で得た弾性ダイヤフラム 1 3のエッジ部分に比べ、丸みを帯びて形成されている。また、この弾性ダイヤフラム 2 1 に設けられた弁シール部 2 3は、等方性エッチングの影響により、図 4 (a)に示すようにリング状に形成され、流体（液体）の通り道となる穴 2 2 も同様に円形状に形成されている。ここで、等方性エッチングは、エッチングが等方向に進む（水平方向に対し 1 ： 1でサイドエッチングされる）ため、予め、このサイドエッチングの量を考慮してエツチング用のマスクを作製することにより、弁シール部 2 3の幅を 1 0 m程度の狭い幅に加工することができる。すなわち、等方性エッチングを利用することにより，単純な異方性エッチングでは得ることが困難である幅の狭い弁シール部を簡単に形成することができる。

実施の形態 2 に係るマイクロバルブは、静止状態において、弁シール部 2 3 とガラス基板 2 7 とが接触された状態となっているため、液体が逆流することがない。なお、マイクロバルブとしての基本的な動作原理は、実施の形態 1 に係るマイク口バルブと同様である。 /JP96/02129 この弁シール部 2 3が、マイク口バルブの静止状態においてガラス基板 2 7 と接触するように構成するには、図 3 (b)に示す工程と同様の工程（但し、等方性エッチングを行う）後、保護膜を取り除き図 3 (d)に示す工程を行えばよい。次に、弁シール部の幅が異なるマイクロバルブを作製し、弁シール幅とキヤビテ一シヨン現象との関係を調査したところ、弁シール部の幅が 5 0 mを超えると、キヤビテーシヨン現象が発生した。また、弁シールの幅が 5 0 Ai mを超えると、吐出安定性、吐出寿命の点で満足な結果が得られなかった。また、特に、弁シール部の幅が 3 0 // m以下のものは、キヤビテーシヨン現象の発生がなく、かつ非常に安定した吐出を行うことができた。なお、弁シール部の幅の下限値は、エッチングを行うためのフォトリソグラフィーの性能に依存するものであり、現状では 0 . 3 / m程度であるが、勿論これ以下の有限値であっても一向に差し支えない。

次に、弁シール幅（ m ) と、キヤビテーシヨン現象における気泡発生開始温度（で）との関係を調査した。この結果を図 5に示す。なお、この調査における吐出条件は、 0 . 1 1 / s ho t , 1 0 H z駆動、 1 0 日間連続駆動とした。

図 5から、弁シール部の幅が狭いほど、温度に対する制限が緩和されることがわかる。

このように、本実施の形態に係るマイクロバルブは、流体抵抗を小さくすることができ、流速を速くすることができると共に流体の吐出量を安定させることができる。また、圧力損失が少ないため、ポンプに組み込んだ際の吐出量を増加させることができる。さらに、急激な減圧時に、弁シール部における減圧が少なくなるため、気泡の発生を防止することができる。また、弁シール部の幅が狭いため、この部分にごみ等をトラップしにくくなる。

(実施の形態 3 )

次に、本発明に係る実施の形態 3 について図面を参照して説明する。

図 6 (a)は、本発明の実施の形態 3に係るマイクロバルブのダイヤフラム部分の底面図、図 6 ( ）は、静止状態、すなわち圧力がかかっていない状態を示すマイク口バルブの断面図である。この実施の形態 3に係るマイクロバルブと、実施の形態 2に係るマイクロバルブとの構造上の異なる点は、弁突起及び弁シール部をガラス基板に設けた点である。なお、本実施の形態では、実施の形態 2に係るマイクロバルブと同様の部材については、その詳細な説明は省略する。

本実施の形態に係るマイクロバルブの弾性ダイヤフラム 3 0 1は、単結晶シリコン基板からなる支持基板 3 0 5 と一体に形成された略円盤形状を備えており、その中央部には、流体の通り道となる円形状の穴 3 0 2が貫通形成されている。下側のガラス基板 3 0 6の所定位置には、特に図 6 (b)に示すように、下側から上側に向けてラウンド形状を有しながら徐々に狭くなる弁突起 3 0 9が設けられている。この弁突起 3 0 9の上端面が弁シール部 3 0 7を構成している。なお、この弁突起 3 0 9及び弁シール部 3 0 7は、ガラス基板 3 0 6 と一体に形成されている。弁シール部 3 0 7には、非接合膜である酸化膜が形成されている。

このマイクロバルブは、静止状態において弁シール部 3 0 7が弾性ダイヤフラム 3 0 1 に接合した形状を備えている。このマイク口バルブの基本的な動作原理は、実施の形態 1及び 2 と同様である。

なお、この実施の形態 3に係るマイクロバルブは静止状態において、弁シール部 3 0 7 と、弾性ダイヤフラム 3 0 1 との間に、実施の形態 1で説明したような隙間を開けた構成としてもよい。

次に、本実施の形態に係るマイク口バルブの製造方法について図 7 (a)ないし図 7 ( ί)に示す工程に沿って説明する。

図 7 (a)に示す工程では、単結晶シリコン基板 3 0 5の下面に、 1 m程度の膜厚で酸化膜 3 5 2を形成する。この酸化膜 3 5 2は、後の工程で形成される弁突起 3 0 9の弁シール部 3 0 7 と、シリコン基板 3 0 5 とが、陽極接合時に接合されることを防止する非接合膜である。次に、この酸化膜 3 5 2上にエッチングの保護膜 3 5 1 を、単結晶シリコン基板 3 0 5の上面であって、出口側弁室 3 5 6 となる頜域以外に、エッチングの保護膜 3 5 0をそれぞれ形成する。次いで、エッチングの保護膜 3 5 0及び 3 5 1 をマスクとしてシリコン基板 3 0 5に等方性エッチングを行,う。なお、この等方性エッチングは、フッ酸溶液を用いて行つた。次に、図 7 (b)に示す工程では、弾性ダイヤフラム 3 0 1 の中央部に、流体 (液体）の通り道となる穴 3 0 2を形成すると共に、出口側弁室 3 5 6から流路 3 0 4へ流体を通過させる穴 3 6 2を形成するためのエッチングの保護膜 3 5 1 をパターニングする。次いで、このパ夕一ニングしたエッチング保護膜 3 5 1をマスクとしてシリコン基板 3 0 5に等方性エッチングを行い、穴 3 0 2及び 3 6 2を貫通形成すると共に、出口側弁室 3 5 6を形成する。

次に、図 7 (c)に示す工程では、後に形成されるシール部 3 0 7 との接触部分以外の領域に形成されているエッチング保護膜 3 5 1 を除去し、残されたエッチング保護膜 3 5 1 をマスクとして酸化膜 3 5 2にエッチングを行う。このようにして、シリコン基板 3 0 5の弁シール部 3 0 7 と接合する部分に、非接合膜である酸化膜 3 5 2を形成する。なお、この酸化膜 3 5 2は、その膜厚が 1 // m程度と薄いものであるが、図 7では説明の便宜上、厚く記載してある。

一方、図 7 ( に示す工程では、下側となるガラス基板 3 0 6上であって、弁突起 3 0 9 となる頜域に、エッチングの保護膜 3 5 5を形成する。次に、この保護膜 3 5 5をマスクとして、ガラス基板 3 0 6に等方性エッチングを行う。このようにしてガラス基板 3 0 6に、ラウンド形状の凹部を形成する。これによつて、弁突起 3 0 9及び弁シール部 3 0 7が形成される。なお、この等方性エッチングは、フッ酸を使用して行った。

次に、図 7 (e)に示す工程では、図 7 ( d)に示す工程で得た保護膜 3 5 5を除去した後、所定位置に流体の入力口 3 0 8を、放電加工等により形成する。

次いで、図 7 ( f )に示す工程では、図 7 (e)に示す工程で得たガラス基板 3 0 6上に、図 7 ( c)で得たシリコン基板 3 0 5を陽極接合させる。また、特に図示しないが、上部ガラス基板 3 0 3をシリコン基板 3 0 5の上部に陽極接合する。このようにして、図 6に示すマイクロバルブを形成した。この図 6では、酸化膜 2 5 2は、その記載を省略してある。

なお、図 7 (a)〜図 7 ( c )に示すシリコン基板加工工程と、図 7 ( d)及び図 7 ( e)に示すガラス基板加工工程は、いずれを先に行ってもよく、また両者を並行して行ってもよい.。

また、本実施の形態では、弁シール部 3 0 7の幅を 5 0 μ πι以下とし、静止状態においてこの部分が弾性ダイヤフラム 3 0 1 (シリコン基板 3 0 5 ) と接触する場合について説明したが、これに限らず、弁シール部 3 0 7 と、弾性ダイヤフラム 3 0 1 (シリコン基板 3 0 5 ) との間に隙間を形成した構成としてもよい。この構成のマイクロバルブは、シリコン基板 3 0 5の弾性ダイヤフラム 3 0 1 の下面をエッチングする必要がないため、平滑な面を保つことができる。

(実施の形態 4 )

次に、本発明に係る実施の形態 4について図面を参照して説明する。

図 8 (a)は、本発明の実施の形態 4に係るマイクロバルブのダイヤフラム部分の底面図、図 8 (b)は、図 8 (a)の B— B断面図である。

図 8 (a)及び図 8 (b)に示すマイクロバルブは、異方性エッチングを工夫することにより、実施の形態 1 に係るマイクロバルブの弁突起の先端である弁シール部と基端との間に段差部を形成したものであり、かつ静止状態において、この弁シール部がガラス基板と接合するように構成した構造を備えている。なお、本実施の形態では、実施の形態 1 に示すマイクロバルブと同様の部材については、その説明は省略する。

弾性ダイヤフラム 3 4は、単結晶シリコン基板からなる支持基板 5 1 (図 9参照）と一体に形成された八角形の板状を備えている。弾性ダイヤフラムの中央部には、流体（液体）の通り道となる穴 3 3が形成されている。弾性ダイヤフラム 3 4に一体に形成された弁突起 3 5には、その先端側（下側）に段差部 3 2が形成されており、これによつて、異方性エッチングを行っても弁シール部 3 1の幅を簡単に狭くする（例えば、 5 0 Ai m以下にする）ことができる。このような構造にすることにより、弁突起 3 5の強度が高いマイクロバルブが得られ、かつ抵抗の小さいマイクロバルブが得られる。なお、符号 5 5は入口側弁室、符号 5 6 は出口側弁室である。

次に、このマイク口バルブの製造方法を図 9 (a)ないし図 9 (d)に示す製造工程に沿って説明する。

図 9 (a)に示す工程では、図 3 (a)に示す工程と同様の方法で、シリコン基板 5 1の上側となる面にエッチングの保護膜 5 1 0を、下側となる面にエッチングの保護膜 5 1 1 を形成する。次に、保護膜 5 1 0及び 5 1 1 をマスクとしてシリコン基板 4 1 にエッチングを行い、穴 5 2を形成する。

次に、図 9 (b)に示す工程では、図 3 (b)に示す工程と同様の方法で、上部エツチング部 5 3、下部エッチング部 5 4及び 5 1 2を形成する。

次いで、図 9 (c)に示す工程では、弾性ダイヤフラム 3 4の中心側となる部分に対応する頜域に形成されている部分を若干の幅で残して、弁シール部 3 1 となる領域に形成されている保護膜 5 1 1 を除去する。次に、残された保護膜 5 1 0 及び 5 1 1 をマスクとしてエッチングを行い段差部 3 2を形成する。このように二段エッチングすることで、弁シール部 3 1の幅は、 2 m程度から形成することができるようになる。ここで、段差部 3 2のエッチング深さいより、弁シール部 3 1はサイドエッチングされるが、弁シール部 3 1の幅のばらつきを 1 O m 程度とすることがキヤビテーシヨン防止効果を得るために必要となる。通常の K O H 3 0 %溶液においては、サイドエッチング量と、エッチングの深さとの比は、約 1 ： 1 となるため、約 1 0 m程度の段差が許容される。

次に、図 9 (d)に示す工程では、弁シール部 3 1の表面に、非接合膜である酸化膜を形成した後、図 3 (d)に示す工程と同様の工程を行い、入力口 5 1 5が開口されたガラス基板 5 9をシリコン基板 5 1の下側に、ガラス基板 5 8を上側に陽極接合する。

なお、本実施の形態では、支持基板 5 1、弾性ダイヤフラム 3 4、弁突起 3 5 及び弁シール部 3 1が、一体のシリコン基板から構成された場合について説明したが、これに限らず、実施の形態 3に示すように、弁突起及び弁シール部をガラス基板 5 9に設けてもよいことは勿論である。

また、弁突起 3 5に形成される段差部 3 2は、前述した形状のものに限らず、例えば、図 1 0 (a)ないし図 1 0 (c)に示すもの等、弁シール部の幅を狭くすることができ、かつマイクロバルブとしての機能に支障を来さない形状であれば、他の形状にしてもよい。

図 1 0 (a)ないし図 1 0 (c)は、マイク口バルブのダイヤフラム部分の底面図である。なお、これらの図では、流体の通り道である穴の記載は省略してある。図 1 0 (a)に示す弁突起は、弁シール部 6 1 の幅に対し、二段エッチングにより得られた段差部 6 2の幅が広くとられているため、エッチング深さが変化した場合でも対応できるパターンとなっている。

図 1 0 (b)に示す弁突起は、弁シール部 6 4を、二段エッチングにより得られた段差部 6 3上の中央部に、段差部 6 3に対し同心円状に設けたものである。この場合には、弁シール部 6 4を段差部 6 3の中央部に同心円状に配置するため、ガラス基板との密着性が得られるが、段差部 6 3を広くとる必要がある。

図 1 0 (C)に示す突起部は、弁シール部 6 6 に対して段差部 6 5を小さくとり、弁突起のサイズを小さくしたものである。

なお、実施の形態 1ないし 4に示すマイクロバルブは、ウエットエッチングの他、ドライエッチングにより形成することもできる。ドライエッチングで形成した場合は、例えば、弁突起の部分の幅が上下方向に亘つて均一となる。このため、弁シール部の幅を狭くすることが容易であり、かつ同心円状に作製することが可能となる。

(実施の形態 5 )

次に、本発明の実施の形態 5について図面を参照して説明する。この実施の形態では、実施の形態 4で説明したタイプのマイクロバルブ、すなわち、弁シール部と弁突起の基端との間に段差部を形成したマイクロバルブを入力弁として組み込んだマイクロポンプについて説明する。なお、このマイクロポンプは、水、生理食塩水、薬液等の比較的流動性の高い液体を微小量吐出させるものとして、特に好適である。

図 1 1 は、本実施の形態 5に係るマイク口ポンプの全体構成図、図 1 2 (a)は、図 1 1 に示すマイクロポンプの底面図、図 1 2 (b)は、静止状態における図 1 1 (a)の C一 C断面図、図 1 2 (c)は、吸引状態における図 1 1 (a)の C— C断面図である。なお、本実施の形態では、薬液の供給のために使用される医療用のマイクロポンプュニットについて説明する。

図 1 2に示すマイクロポンプユニットは、マイクロポンプ 1 5 0 と、マイクロポンプ 1 5 0に薬液を供給する薬液タンク 1 6 0 と、マイクロポンプ 1 5 0を駆動させる駆動用 I C 1 7 0 と、駆動用 I C 1 7 0を制御する制御用 I C 1 8 0 とを備えて構成されている。なお、マイクロポンプ 1 5 0及び薬液タンク 1 6 0により、吐出装置 1 0 2が構成される。これらの部品は、ケース 2 0 0内に収納されており、マイクロポンプ 1 5 0には、吐出された薬液を所定箇所まで誘導するチューブ 1 9 0が接続されている。これらの部品から構成されたマイクロポンプュニットは、 2 0 m m X 8 m m x 2 m mの直方体形状を有している。

マイクロポンプ 1 5 0は、図 1 2 (a)ないし図 1 2 (c)に示すように、出力部 8 1 0 と、入力部 8 1 1 と、駆動部 8 1 2 と、を備えて構成されている。

出力部 8 1 0に設けられた出力弁は、シリコン基板からなる支持基板 7 1 に設けられた弾性ダイヤフラム 7 1 1 と、この弾性ダイヤフラム 7 1 1 に設けられた弁突起 7 1 6 と、弁突起 7 1 6の端部（下部）に設けられ、弾性ダイヤフラム 7 1 1の上下動に応じて弁の働きをする弁シール部 7 1 2 とを備えて構成されている。また、弁突起 7 1 6には、その基端（弾性ダイヤフラム 7 1 1側）と弁シ一ル部 7 1 2 との間に段差部 7 4 2が形成されている。

—方、入力部 8 1 1 に設けられた入力弁は、弾性ダイヤフラム 7 7 と、この弾性ダイヤフラム 7 7 に設けられた弁突起 7 1 5 と、弁突起 7 1 5の端部（下部）に設けられ、弾性ダイヤフラム 7 7の上下動に応じて弁の働きをする弁シール部 7 8.とを備えて構成されており、弾性ダイヤフラム 7 7の中央部には、薬液の通り道である穴 7 9が形成されている。弁突起 7 1 5には、その基端と弁シール部 7 8 との間に段差部 7 3 2が形成されている。

駆動部 8 1 2は、入力弁と出力弁の駆動を行うものであり、駆動ダイヤフラム 7 1 0 と、駆動ダイヤフラム 7 1 0上に設けられ、電極を介して接着された圧電素子 7 5 とから構成されている。この駆動ダイヤフラム 7 1 0は、圧電素子 7 5 に電界を加えることにより、上下方向にたわむ構成となっている。

なお、本実施の形態では、入力弁、駆動ダイヤフラム及び出力弁を支持基板 7 1 と一体に形成した。

符号 7 4はガラス基板であり、出力部 8 1 0には吐出口 7 1 3が、入力部 8 1 1 には入力口 7 6が形成されている。この吐出口 7 1 3には、チューブ 1 9 0が, 入力口 7 6には、薬液夕ンク 1 6 0が、それぞれ接続されている。また、符号 7 1 4はチャンバ一を示している。図 1 3は、本実施の形態に係るマイクロポンプュニットの具体的なブロック図である。このマイクロポンプユニットの制御用 I C 1 8 0は、一般的なマイクロコンピュータから構成されており、発振回路 3 8 2、分周回路 3 8 3、制御回路 3 84、 ROM 3 8 5、 R AM 3 8 6 , ALU 3 8 7、出力回路 3 8 8、割り込み制御回路 3 8 9及び入力回路 3 9 0から構成されている。

出力回路 3 8 8には、駆動用 I C 1 7 0が接続されており、この駆動用 I C 1

7 0は、出力回路 3 8 8から出力された駆動信号 DRに応じてマイクロポンプの圧電素子 7 5に電界を加えるように構成されている。

吐出装置 1 0 2中の吐出弁挙動検出回路は、等価的にスィッチ 3 9 5で現されている。駆動用 I C 1 7 0は、制御用 I C 1 8 0の出力する駆動パルスの振幅を増加させ、吐出装置 1 0 2を駆動させる。発振回路 3 8 2の出力は、分周回路 3

8 3内で制御用 I C 1 8 0のシステムクロック等に分周される。制御回路 3 84 は、制御用 I C 1 8 0の動作を制御する。 ROM 3 8 5、 R AM 3 8 6 , ALU 3 8 7、出力回路 3 8 8、割り込み制御回路 3 8 9及び入力回路 3 9 0は、パスを介して接続されており、入力回路 3 1 0内にはエッジ検出回路 3 9 1が内蔵されている。

吐出弁挙動検出回路は、圧電素子 7 5の上下動によって起こる弁シール部 7 1 2と、ガラス基板 7 8との接触の有無によって決定される導通時間を計測することによって吐出弁の挙動を検出し、気泡の発生をモニタする。

次に、この構成を備えたマイクロポンプュニットの具体的な動作について説明する。

薬液タンク 1 6 0からの薬液の供給は、以下の要領で行われる。すなわち、制御用 I C 1 8 0の出力回路 3 8 8から出力された駆動信号 DRに応じて、駆動用 I C 1 7 0がマイクロポンプの圧電素子 7 5に電界を加え、これによつて弾性ダィャフラム 7 1 0が、図 1 2 (c)に示すように上方に持ち上げられる。この結果、チャンバ一 7 1 4内が負圧になり、弾性ダイヤフラム 7 7を上方に持ち上げる力が働く。これと同時に弁シール部 7 8が上方に持ち上げられて入力口 7 6から薬液タンク 1 6 0内の薬液を吸引する。

ここで、駆動信号 DRは、図 1 4 (a)に示すように一定時間内に規定数のパルス数を出力するものであり、予めセットされた駆動量（吐出量）に応じて駆動ィン夕ーバル内の駆動パルス数が決定される。なお、図 1 4 ( b)は、図 1 4 (a)より、設定駆動量が小さい場合の一例を示している。

吸引された薬液は、以下の要領でチューブ 1 9 0に供給される。すなわち、駆動信号 D Rに応じて、駆動用 I C 1 7 0がマイクロポンプの圧電素子 7 5 に電界を加えることを停止すると、弾性ダイヤフラム 7 1 0が下方に押し下げられ、これによってチャンバ一 7 1 4内に圧力がかかり、弾性ダイヤフラム 7 1 1上方に持ち上げる力が働く。これと同時に弁シール部 7 1 2を上方に持ち上げられて、吐出口 7 1 3から薬液を吐出する。

これらの動作中に、吐出装置 1 0 2に接統された吐出弁挙動検出回路では、これから得られた検出信号 D e t をエッジ検出回路 3 9 1 に出力し、この波形と駆動信号 D Rとを比較し、得られたデータに応じて所定の調整を行う。なお、この吐出弁挙動検出回路、エッジ検出回路 3 9 1等の気泡検出部は、必ずしも設ける必要はない。

なお、従来のマイクロポンプでは、入力部の弾性ダイヤフラムが上方に持ち上がる瞬間、この入力部の弁シール部付近は急激に負圧になり、常温で気泡が発生したが、本発明に係るマイクロポンプは、入力部の入力弁の幅を 5 0 w m以下に設定したため、気泡の発生が殆ど見られなかった。

ここで、入力部の弁シール部と、気泡の発生との関係は、圧電素子の駆動スピード、圧電素子のサイズ、弁のサイズ、駆動ダイヤフラムの一回当たりの変位量、温度等、様々なファクタ一により異なるが、弁シール部の幅が 5 0 以下であれば、 0 . 1 μ 1 ノ 1回の吐出量の条件で、 7 0 程度の高温下でも気泡の発生が十分に抑制されることが実験により明らかとなった。また、弁シール部の幅が 3 0 m以下であれば、前記条件で気泡は全く発生しなかった。

なお、本実施例では、図 8及び図 9に示すタイプのマイクロバルブを用いた場合について説明したが、これに限らず、前述した実施の形態を含む本発明に係るマイク口バルブであれば、どのマイク口バルブを用いても良好な結果が得られることは勿論である。

また、本発明に係るマイクロポンプは、医療用のマイクロポンプユニットに使用する他、例えば、図 1 5 に示すように、マイクロポンプ及び溶液タンク力ゝらなる吐出装置を複数設け、多種の液体の微量混合を可能にすることにより、分析用としても使用することができる。また、マイクロポンプ及び溶液タンクからなる吐出装置を複数設け、任意に選択した吐出装置から微量の溶液を所定のタ一ゲットの所定位置に吐出させることで、プリンタのへッドとしても使用可能である。このように、本発明に係るマイクロポンプは、様々な分野に応用することが可能である。

なお、前述した実施の形態 1 ないし 5 では、被加工基板として単結晶シリコン基板を使用した例について記載した力^∑、これに限らず、エッチングの条件等を変更することにより、単結晶シリコン基板の替わりに、例えば、ガラス基板、水晶、あるいはステンレス等の金属板等を使用することもできる。また、同様に、被加ェ基板（保護基板）として、ガラス基板を使用した例について記載した力;'、これに限らず、ガラス基板に替えて、例えば、シリコン基板、水晶あるいはステンレス等の金属板等を使用することもできる。産業上の利用の可能件

以上説明してきたように、本発明に係るマイクロバルブは、静止状態の時に弁シール部と弾性ダイヤフラム又は保持基板との間に所定の間隔を設けたため、流体抵抗を小さくすることができ、流速を速くすることができると共に流体の吐出量を安定させることができる。また、圧力損失が少ないため、ポンプに組み込んだ際の吐出量を増加させることができる。さらに、急激な減圧時に、弁シール部における減圧が少なくなるため、気泡の発生を防止することができる。また、前記間隔の存在により、弁シール部にごみ等をトラップして弁が閉まらなくなるという問題が生じることもない。この構成は、エッチングという同一プロセスで形成することができるため、製造工程が簡単である。また、特別な表面処理を必要としないため、流路に欠陥が生じることもない。

また、本発明に係る他の構成のマイクロバルブは、弁シール部の幅力 5 0 m 以下であるため、流体抵抗を小さくすることができ、流速を速くすることができると共に流体の吐出量を安定させることができる。また、圧力損失が少ないため. ポンプに組み込んだ際の吐出量を増加させることができる。さらに、急激な減圧時に、弁シール部における減圧が少なくなるため、気泡の発生を防止することができる。また、弁シール部の幅が狭いため、この部分にごみ等をトラップしにくくなる。この構成は、エッチングという同一プロセスで形成することができるため、製造工程が簡単である。また、特別な表面処理を必要としないため、流路に欠陥が生じることもない。

また、弁突起に段差を設けることで、前記効果に加え、エッチング深さに関係なく任意に細い均一な弁幅を得ることができる。

そしてまた、保持基板側に弁突起及び弁シール部を設ける構成のマイクロバルブは、弾性ダイヤフラム面の片側をエッチングする必要がないため、平滑な面を保つことができる。

また、本発明に係るマイクロバルブを組み込んだマイクロポンプは、気泡を発生することなく、一定量かつ微量の流体を高精度で吸引 ' 吐出することができる,

Claims

請求の範囲

1 . 圧力の変動により上下動する弾性ダイヤフラムと、当該弾性ダイヤフラムを支持する支持基板と、当該支持基板を保持する保持基板と、前記弾性ダイヤフラム又は保持基板に設けられ、かつ流体の制御を行う弁シール部を備えた弁突起と、を具備してなるマイクロバルブであって、静止状態の時に、前記弁シール部と、前記弾性ダイヤフラム又は前記保持基板との間に、所定の隙間を設けたマイクロバルブ。

2 . 前記隙間が、 0 . 2 i m以上、 1 0 m以下である請求項 1記載のマイクロバルブ。

3 . 圧力の変動により上下動する弾性ダイヤフラムと、当該弾性ダイヤフラムを支持する支持基板と、当該支持基板を保持する保持基板と、前記弾性ダイヤフラム又は保持基板に設けられ、かつ流体の制御を行う弁シール部を備えた弁突起と, を具備してなるマイクロバルブであって、前記弁シール部は、前記保持基板又は弾性ダイヤフラムとの接触部の幅が 5 0 /x m以下であるマイクロバルブ。

4 . 前記弁突起は、その先端に前記弁シール部を備え、当該先端と基端との間に段差が形成されてなる請求項 3記載のマイク口バルブ。

5 . 前記段差が、 1 0 m以下である請求項 4記載のマイクロバルブ。

6 . 前記支持基板、弾性ダイヤフラム、弁突起及び弁シール部が、一体のシリコン基板から構成され、前記保持基板がガラス基板から構成されてなる請求項 1ないし請求項 5のいずれか一項に記載のマイク口バルブ。

7 . 前記支持基板及び弾性ダイヤフラムが、一体のシリコン基板から構成され、前記保持基板、弁突起及び弁シール部が、一体のガラス基板から構成されてなる請求項 1ないし請求項 5のいずれか一項に記載のマイク口バルブ。

8 . 圧力の変動により上下動する弾性ダイヤフラムと、当該弾性ダイヤフラムを支持する支持基板と、当該支持基板を保持する保持基板と、前記弾性ダイヤフラムに設けられ、かつ流体の制御を行う弁シール部を備えた弁突起と、を具備してなるマイクロバルブの製造方法であって、

被加工基板の一方の面の、前記弾性ダイヤフラムの中央部となる部分を除く頜域に第 1の保護膜を形成し、当該第 1 の保護膜をマスクとして、前記被加工基板の一方の面に、第 1のエッチングを行う工程と、

前記被加工基板の他方の面の、前記支持基板となる部分に、第 2の保護膜を形成する工程と、

前記第 1 の保護膜の、前記支持基板及び弁シール部となる領域以外に形成されている部分を除去する工程と、

前記除去が行われた第 1の保護膜と、第 2の保護膜をマスクとして、前記被加ェ基板に第 2のエッチングを行う工程と、

前記第 2のエッチングを行った後、前記弁シール部となる頜域に形成されている第 1の保護膜を除去し、残された第 1の保護膜をマスクとして前記被加工基板の一方の面に第 3のエッチングを行い、前記弾性弾性ダイヤフラム及び弁突起を形成する工程と、

前記第 3のエッチングを行った後、前記第 1の保護膜及び第 2の保護膜を除去し、弁シール部上又は保護基板の当該弁シール部が接合可能な部分に、非接合膜を形成する工程と、

前記被加工基板の他方の面から前記第 2の保護膜を全て除去した後、この面に保護基板を電気的な導通が可能に接合する工程と、

前記非接合膜を形成した後、前記被加工基板の一方の面に、入力口が貫通形成された保護基板を電気的な導通が可能に接合する工程と、

を備えてなるマイクロバルブの製造方法。

9 . 前記第 3のエッチングは、前記被加工基板の弁シール部分となる面が、支持基板となる面に対して 0 . 2 m以上、 1 0 t m以下の範囲でエッチバックされるまで行う請求項 8記載のマイク口バルブの製造方法。

1 0 . 圧力の変動により上下動する弾性ダイヤフラムと、当該弾性ダイヤフラムを支持する支持基板と、当該支持基板を保持する保持基板と、前記弾性ダイヤフラムに設けられ、かつ流体の制御を行う弁シール部を備えた弁突起と、を具備してなるマイク口バルブの製造方法であって、

被加工基板の一方の面の前記弾性ダイヤフラムの中央部となる部分を除く領域に、第 1 の保護膜を形成し、当該第 1の保護膜をマスクとして、前記被加工基板の一方の面に、第 1のエッチングを行う工程と、

前記被加工基板の他方の面の前記支持基板となる部分に、第 2の保護膜を形成する工程と、

前記第 1 の保護膜の、前記支持基板及び 5 0 m以下の幅を有する弁シール部となる領域以外に形成されている部分を除去する工程と、

前記除去が行われた第 1の保護膜と、第 2の保護膜をマスクとして、前記被加ェ基板に第 2のエッチングを行い、前記弾性ダイヤフラム及び弁突起を形成する工程と、

前記第 2のエッチングを行った後、第 1 の保護膜及び第 2の保護膜を全て除去し、前記弁シール部又は保護基板の当該弁シール部が接合可能な部分に、非接合膜を形成する工程と、

前記第 1 の保護膜及び第 2の保護膜の全てを除去した後、前記被加工基板の他方の面に前記保護基板を電気的な導通が可能に接合する工程と、

を備えてなるマイク口バルブの製造方法。

1 1 . 前記第 2のエッチングを行った後、前記弁シール部となる部分に形成された第 1の保護膜を 5 0 m未満の幅で残して、当該弁シール部となる部分に形成された第 1 の保護膜を除去し、次いで、残された第 1の保護膜をマスクとしてェツチングを行う工程をさらに備えてなる請求項 1 0記載のマイクロバルブの製造方法。

1 2 . 前記被加工基板が単結晶シリコン基板である請求項 8ないし請求項 1 1のいずれか一項に記載のマイクロバルブの製造方法。

1 3 . 圧力の変動により上下動する弾性ダイヤフラムと、当該弾性ダイヤフラムを支持する支持基板と、当該支持基板を保持する保持基板と、前記弾性ダイヤフラムに設けられ、かつ流体の制御を行う弁シール部を備えた弁突起と、を具備してなるマイクロバルブの製造方法であって、

第 1の被加工基板の一方の面の前記支持基板となる領域に、第 1 の保護膜を形成し、当該第 1の保護膜をマスクとして、前記第 1の被加工基板の一方の面に第 1 のエッチングを行う工程と、

前記第 1 の被加工基板の他方の面の、前記弾性ダイヤフラムの中央部となる部分を除く領域に第 2の保護膜を形成する工程と、

前記第 1 の保護膜及び第 2の保護膜をマスクとして、前記弾性ダイヤフラムの中央部が開口されるまで前記第 1 の被加工基板に第 2のエッチングを行う工程と、第 2の被加工基板の一方の面の前記保護基板及び弁突起となる領域に第 3の保護膜を形成し、当該第 3の保護膜をマスクとして前記第 2の被加工基板に第 3のエッチングを行い、前記弁突起を形成する工程と、

前記第 1 の被加工基板の前記弁シール部が接合可能な部分又は当該弁シール部上に、非接合膜を形成する工程と、

前記第 2の被加工基板に入力口を貫通形成する工程と、

前記第 2のエッチングが行われた第 1の被加工基板の前記他方の面に、前記第 3のエッチングが行われ、かつ前記入力口が形成された第 2の被加工基板の前記 —方の面を、電気的な導通が可能に接合する工程と、

前記第 1 の被加工基板の一方の面に保護基板を電気的な導通が可能に接合する工程と、

を備えてなるマイクロバルブの製造方法。

1 4 . 前記第 1の被加工基板の他方の面と、前記第 2の保護膜との間に非接合膜を形成し、この非接合膜を選択的にエッチングすることにより、前記第 1の被加ェ基板の前記弁シール部が接合可能な部分に、当該非接合膜を残存させる請求項 1 3記載のマイクロバルブの製造方法。

1 5 . 前記第 1 の被加工基板が、単結晶シリコン基板からなり、前記第 2の被加ェ基板が、ガラス基板からなる請求項 1 3又は請求項 1 4に記載のマイク口バルブの製造方法。

1 6 . 入力弁を備えた入力部と、駆動ダイヤフラムを備えた駆動部と、出力弁を備えた出力部と、を備えたマイクロポンプであって、前記入力弁が、請求項 1ないし請求項 7のいずれか一項に記載のマイクロバルブからなるマイクロポンプ。

1 7 . 前記入力弁、前記駆動ダイヤフラム及び前記出力弁は、単結晶シリコン基板を一体形成してなる請求項 1 6記載のマイクロポンプ。

1 8 . 入力弁を備えた入力部と、駆動ダイヤフラムを備えた駆動部と、出力弁を備えた出力部と、を備えたマイクロポンプの製造方法であって、請求項 8ないし請求項 1 5のいずれか一項に記載の製造方法により、前記入力弁を製造するマイク口ポンプの製造方法。

1 9 . 流体を収容するタンクと、当該タンクに接続されかつ前記流体を吸引 · 吐出する請求項 1 6又は請求項 1 7 に記載のマイクロポンプと、当該マイクロボンプを駆動させる駆動手段と、当該駆動手段を制御する制御手段と、を備えてなる装置。