DE69922288T2

DE69922288T2 - Mikropumpe und Herstellungsverfahren für die Mikropumpe

Info

Publication number: DE69922288T2
Application number: DE69922288T
Authority: DE
Inventors: Jun Chiba-shi Shinohara; Kazuyoshi Chiba-shi Furuta
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1998-03-05
Filing date: 1999-03-05
Publication date: 2005-05-04
Anticipated expiration: 2019-03-06
Also published as: EP0949418A2; US6247908B1; DE69922288D1; EP0949418B1; EP0949418A3

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Struktur und ein Herstellungsverfahren für eine Mikropumpe und ein Mikroventil für den Einsatz in medizinischen und analytischen Gebieten, wo im Wesentlichen Flüssigkeitsförderung einer geringen Menge Flüssigkeit mit Genauigkeit und Miniaturisierung der Vorrichtung selbst erforderlich sind.
In der JP-A-5-164052 ist z. B. eine Mikropumpe beschrieben, die auf dem analytischen Gebiet und dgl. angewendet wird. Diese Erfindung ist in einem wie in 2 gezeigten Gehäuse 26 durch einen einen festen Stapel aufweisenden piezoelektrischen Aktuator, der an seiner Endfläche mit einem Flüssigkeitssaug- und -förderelement 21 verbunden ist, und zwei piezoelektrischen Stapelaktuatoren 22, die an ihren Endflächen mit Ventilen 23 verbunden sind, aufgebaut, so dass eine Struktur bereitgestellt ist, durch die Flüssigkeitsförderung durch einen Kanalleitungsanschluss 24 und eine Pumpenkammer 25 durch Antreiben der drei Aktuatoren verwirklicht wird.
Die US-A-5,277,556 offenbart eine Mikropumpe mit einem Substratabschnitt und einem Deckplattenabschnitt mit einer Durchgangsbohrung zum Durchlassen von Fluid. Die Mikropumpe umfasst ferner eine mit dem Substratabschnitt verbundener Zwischenscheibe aus Silizium oder anderem Material. Der Deckplattenabschnitt befindet sich über dieser Siliziumscheibe. In der Scheibe sind eine Membran, die zum Austreiben von Fluid dient, und eine Ventilmembran, die zum Öffnen und Schließen eines Ventils dient, ausgebildet. Die Membranen sind so ausgelegt, dass sie durch einen Antriebsabschnitt, z. B. ein piezoelektrisches Element, leicht verformt werden. Eine Dichtung zum Abdämmen von Fluid ist ebenfalls auf dem Silikon-Zwischensubstrat ausgebildet.
Die europäische Patentanmeldung EP-A-0 587 912 offenbart eine ähnliche Mikropumpe mit einem Deckplattenabschnitt, einem Substratabschnitt und einer Zwischenscheibe mit einer Pumpmembran, die zum Austreiben von Fluid dient, und einer Ventilmembran, die zum Öffnen und Schließen eines Ventils dient. Ein Antriebsabschnitt mit einem piezoelektrischen Element und einer auf dem Silikon-Zwischensubstrat ausgebildeten Dichtung zum Abdämmen von Fluid sind ebenfalls vorhanden. In beiden Dokumenten wird eine Mikropumpe mit einer Pumpmembran und Ventilmembranen, die auf einem zwischen einem Deckplattenabschnitt und einem Substratabschnitt angeordneten Silizium-Zwischensubstrat ausgebildet sind, offenbart. Die Herstellung einer Mikropumpe mit drei unterschiedlichen verbundenen Schichten bedeutet eine sehr komplexe, komplizierte und teure Technik. Außerdem ist es wegen der geometrischen Dimensionen der drei Scheiben in Kombination mit dem Antriebsabschnitt, z. B. einem piezoelektrischen Element, nicht möglich, wirklich dünne Mikropumpen mit dieser Technik herzustellen.
Auch ist im Falle einer in der JP-A-5-1669 beschriebenen Mikropumpe diese wie in 3 gezeigt dadurch gekennzeichnet, dass ein Metall- oder Polysiliziumdünnfilm 32 auf einer Opferschicht eines Oxidfilms über einem Siliziumsubstrat 31 gebildet ist, ferner ein Metall- oder Polysilizium-Rückschlagventil durch Entfernen der Opferschicht durch Ätzen aufgebaut ist und eine Pumpe durch ein auf einem Glassubstrat 33 angeordnetes piezoelektrisches Element 34 aufgebaut ist.
Im Falle einer in der JP-A-5-263763 beschriebenen Vorrichtung wird eine Struktur wie in 4 gezeigt durch Anbringen zweier pumpenantreibender bimorpher piezoelektrischer Elemente 42 auf und unter einer Pumpenkammer 41 und Befestigen von durch einen Ventilkörper 43 und ein bimorphes piezoelektrisches Element 44 gebildeten Flussregelventilen 45 an einem Sauganschluss und einem Förderanschluss hergestellt, so dass die Antriebssteuerung der pumpenantreibenden piezoelektrischen Elemente 42 und der piezoelektrischen Fluidregelventilelemente 44 durch dieselbe Steuerung 46 erfolgen kann.
In dem Fall, in dem ein aktives Ventil unter Verwendung eines wie in 2 gezeigten piezoelektrischen Stapelelements als sein Aktuator hergestellt wird, hat sich das Problem ergeben, dass die Verringerung der Dicke aufgrund der Dicke des gestapelten piezoelektrischen Elements selbst unmöglich war.
Ferner hat bei der Mikropumpe mit den wie in 3 gezeigten zwei Rückschlagventilen ein Problem bestanden, dass aufgrund ihrer unter Verwendung der passiven Rückschlagventile verwirklichten Flüssigkeitsförderung die Flüssigkeitsförderung nur in einer Richtung möglich ist.
Ferner hat bei wie in 4 gezeigter Verwendung des Ventils durch direktes Schließen des Kanals mit den piezoelektrische Elemente aufweisenden bimorphen Aktuatoren ein Problem bestanden, dass die Aktuatoren geschützt werden mussten, weil Fluid mit dem Aktuator in Kontakt kommt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist deshalb die Verwirklichung einer Mikropumpe, die so ausgeführt wird, dass sie hohe Dichtheit aufweist, dünn hergestellt werden kann und hohe Druckfestigkeit und Förderleistung aufweist, indem ein unimorpher Aktuator zur Erzielung ausreichender Verdrängung in einer Membran eines Substratabschnitts verwendet wird und eine solche Struktur verwendet wird, die eine Dichtung wie z. B. Silikonkautschuk zwischen dem Substratabschnitt und dem Deckplattenabschnitt einspannt.
Ferner ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Verwirklichung einer Mikropumpe, die so ausgeführt wird, dass sie hohe Dichtheit aufweist, dünn hergestellt werden und Flüssigkeit bidirektional fördern kann und hohe Druckfestigkeit und Förderleistung aufweist, indem ein unimorpher Aktuator zur Erzielung ausreichender Verdrängung in einer Membran eines Substratabschnitts verwendet wird und ein integraler Bestandteil mit einem Substratabschnitt oder Deckplattenabschnitt und einer Dichtung verwendet wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Bei der vorliegenden Erfindung wird hohe Dichtheit im Ventilabschnitt durch Einsatz einer solchen Struktur verwirklicht, die eine Dichtung wie z. B. Silikonkautschuk einer Membran auf einem Substrat und einer Deckplatte einspannt. Außerdem wird ein unimorpher Aktuator mit einem an der Membran angebrachten piezoelektrischen Element aufgebaut, um eine Struktur zu verwirklichen, die Fließen eines Fluids zwischen der Dichtung und der Membran oder zwischen der Dichtung und der Deckplatte erlaubt, wodurch aktive Mikrowellen verwirklicht werden.
Ferner werden diese zwei Mikroventile und ein Pumpabschnitt mit dem piezoelektrischen Element und der Membran zum Bewirken von Flüssigkeitsförderung zum Antreiben jedes Aktuators über einen Kanal verbunden. So wird eine für bidirektionale Flüssigkeitsförderung geeignete dünne Mikropumpe mit hoher Druckfestigkeit und Förderleistung verwirklicht.
Überdies wird bei der vorliegenden Erfindung eine integrale Struktur mit dem Substrat und der Dichtung verwirklicht, indem die Dichtung in der Membran auf dem Substrat gebildet wird, wodurch hohe Dichtheit mit der verbundenen Deckplatte verwirklicht wird. Oder andernfalls wird eine integrale Struktur mit der Deckplatte und der Dichtung verwirklicht, indem die Dichtung auf der Deckplatte gebildet wird, wodurch hohe Dichtheit mit der Membran auf dem verbundenen Substrat verwirklicht wird. Ferner wird ein unimorpher Aktuator aufgebaut, der mit dem piezoelektrischen Element für die Membran angebracht wird, wo durch ein aktives Mikroventil verwirklicht wird. Auf ähnliche Weise wird auch ein Pumpabschnitt verwirklicht, der zum Abgeben von Flüssigkeit durch den unimorphen Aktuator dient, dessen piezoelektrisches Element an der Membran angebracht ist.
Ferner werden diese Mikroventile und die Pumpabschnitte durch Kanäle verbunden, so dass Öffnen und Schließen der Ventile und Flüssigkeitsförderung durch Antreiben jedes Aktuators verwirklicht werden, wodurch eine dünne Mikropumpe mit hoher Druckfestigkeit und Förderleistung verwirklicht wird, die für bidirektionale Flüssigkeitsförderung geeignet ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1A ist eine Draufsicht und 1B ist eine Schnittansicht, die eine Struktur einer Mikropumpe der vorliegenden Erfindung zeigen;
2 ist eine Schnittansicht, die eine Struktur einer herkömmlichen Mikropumpe zeigt;
3 ist eine Schnittansicht, die eine Struktur einer herkömmlichen Mikropumpe zeigt;
4 ist eine Schnittansicht, die eine Struktur einer herkömmlichen Mikropumpe zeigt;
5 ist eine Schnittansicht, die eine Struktur eines Mikropumpenventils der vorliegenden Erfindung zeigt;
6A, 6B, 6C, 6D, 6E, 6F, 6G, 6H und 6I sind Schnittansichten, die ein Herstellungsverfahren für die Mikropumpe der vorliegenden Erfindung zeigen;
7A, 7B, 7C und 7D sind Schnittansichten und 7E ist eine Draufsicht, die eine Struktur und ein Herstellungsverfahren für die Mikropumpe der vorliegenden Erfindung zeigen;
8A, 8B, 8C und 8D sind Schnittansichten und 8E ist eine Draufsicht, die eine Struktur und ein Herstellungsverfahren für die Mikropumpe der vorliegenden Erfindung zeigen;
9A, 9B, 9C, 9D und 9E sind Schnittansichten und 9F ist eine Draufsicht, die eine Struktur und ein Herstellungsverfahren für die Mikropumpe der vorliegenden Erfindung zeigen;
10A, 10B, 10C, 10D, 10E und 10F sind Schnittansichten und 10G ist eine Draufsicht, die eine Struktur und ein Herstellungs verfahren für die Mikropumpe der vorliegenden Erfindung zeigen;
11A ist eine Draufsicht und die 11B, 11C, 11D und 11E sind Schnittansichten, die eine Ventilstruktur der Mikropumpe der vorliegenden Erfindung zeigen;
12A ist eine Draufsicht und die 12B, 12C, 12D und 12E sind Schnittansichten, die eine Ventilstruktur der Mikropumpe der vorliegenden Erfindung zeigen;
13A ist eine Draufsicht, und 13B ist eine Schnittansicht, die eine Mikropumpenstruktur der Mikropumpe der vorliegenden Erfindung zeigen;
14 ist eine Schnittansicht, die eine Ventilstruktur der Mikropumpe der vorliegenden Erfindung zeigt;
15A, 15B, 15C, 15D, 15E, 15F, 15G, 15H, 15I und 15j sind Schnittansichten, die eine Struktur und ein Herstellungsverfahren für die Mikropumpe der vorliegenden Erfindung zeigen;
16A, 16B, 16C und 16D sind Schnittansichten, die eine Struktur und ein Herstellungsverfahren für die Mikropumpe der vorliegenden Erfindung zeigen;
17A, 17B, 17C und 17D sind Schnittansichten, die eine Struktur und ein Herstellungsverfahren für die Mikropumpe der vorliegenden Erfindung zeigen;
18A, 18B, 18C, 18D und 18E sind Schnittansichten, die eine Struktur und ein Herstellungsverfahren für die Mikropumpe der vorliegenden Erfindung zeigen;
19A, 19B, 19C, 19D, 19E und 19F sind Schnittansichten, die eine Struktur und ein Herstellungsverfahren für die Mikropumpe der vorliegenden Erfindung zeigen;
20A, 20B, 20C und 20D sind Schnittansichten, die eine Struktur und ein Herstellungsverfahren für die Mikropumpe der vorliegenden Erfindung zeigen; und
21A, 21B, 21C, 21D und 21E sind Schnittansichten, die eine Struktur und ein Herstellungsverfahren für die Mikropumpe der vorliegenden Erfindung zeigen.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die Mikropumpenstruktur der vorliegenden Erfindung ist in den 1A und 1B gezeigt.
1A ist eine Draufsicht einer Mikropumpe und 1B ist eine Schnittansicht der Mikropumpe. Zwei Ventilmembranen 6 und eine Pumpmembran 7 werden durch Ätzen des Siliziumsubstrats 1 gebildet, und jede Membran wird mit einem piezoelektrischen Element 3 angebracht, wodurch ein unamorpher Aktuator gebildet wird. Das Siliziumsubstrat 1 wird mit einem Glassubstrat 2 mit Durchgangsbohrungen 5 verbunden, und Dichtungen 4 werden zwischen der Ventilmembran 6 und dem Glassubstrat 2 eingespannt. Indem die Dicke dieser Dichtung höher als die Ätztiefe der Membran gemacht wird, wird aufgrund der Steifigkeit der Membran und Dichtung ein normalerweise geschlossener Zustand des Ventils verwirklicht (5).
Durch Durchbiegen des unimorphen Aktuators nach unten in diesem Zustand wird ein Raum zwischen dem Glassubstrat und der Dichtung oder zwischen der Dichtung und der Ventilmembran geschaffen. Der Fluss eines Fluids durch diesen Raum verwirklicht den offenen Zustand des Ventils. Außerdem wird eine Flüssigkeitsförderung durch Durchbiegen der Pumpmembran nach oben mittels des unimorphen Aktuators verwirklicht.
Flüssigkeitsförderung wird durch Schließen und Öffnen solcher zweier Mikroventile und Antreiben der Pumpmembranen in einer geeigneten Reihenfolge verwirklicht. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden auf der Grundlage der Zeichnungen im Untenstehenden erläutert.
Ausführungsform 1
Zuerst wird ein 0,3 μm dicker Oxidfilm 8 auf dem Siliziumsubstrat 1 wie in 6A durch thermische Oxidation wie in 6B gebildet. Anschließend wird die Oberfläche mit einem Muster aus Abdeckmittel versehen, um einen Teil des Oxidfilms 8 durch Nassätzen mit Fluorwasserstoff-Puffer abzulösen (6C). Dann wird nach vollständigem Ablösen des Abdeckmittels der übrige thermische Oxidfilm als Maske zur Durchführung von Nassätzen auf dem Siliziumsubstrat 1 durch TMAH wie in 6D verwendet. Danach wird der Oxidfilm 8 durch einen Fluorwasserstoff-Puffer vollständig abgelöst wie in 6E. Die geätzten Abschnitte sind in jeder Membran und jedem Kanal einer Mikropumpe herzustellen.
Dann wird durch thermische Oxidation auf der gesamten Oberfläche ein weiterer 1,2 μm dicker Oxidfilm 8 gebildet wie in 6F. Mittels eines zweiseitigen Justierers wird auf der hinteren Oberfläche ein Muster aus Abdeckmittel so erzeugt, dass die Ventilmembran und die Pumpmembran dieselbe Position auf der Oberfläche einnehmen. Unter Verwendung dieses Abdeckmittels als Maske wird der Film 8 durch einen Fluorwasserstoff-Puffer mit einem Muster versehen (6G). Nach dem Ablösen des Abdeckmittels wird das Siliziumsubstrat 1 durch eine Kaliumhydridlösung geätzt, wie in 6H gezeigt. Durch Anpassen der Tiefe dieser Ätzung kann die Dicke jeder Membran beliebig bestimmt werden. Schließlich wird der Oxidfilm 8 wie in 6I gezeigt durch einen Fluorwasserstoff-Puffer vollständig abgelöst, wodurch ein Substrat mit Membranen fertiggestellt ist.
Obwohl ein Glassubstrat 2 mit dem Siliziumsubstrat 1 verbunden wird, wie in den 7A, 7B, 7C, 7D und 7E gezeigt, werden vorher durch einen Excimer-Laser Durchgangsbohrungen 5 mit einem Durchmesser von 0,6 (mm) durch das Glassubstrat 2 ausgebildet, deren Position mit der Position der im Siliziumsubstrat ausgebildeten Ventilmembran zusammenfällt (7A). Anschließend wird anodisches Bonden in einem Zustand durchgeführt, bei dem vorher in Ventilmembranen gebildete Dichtungen zwischen dem Glassubstrat und dem Siliziumsubstrat eingespannt sind (7B, 7C). Wird eine wärmebeständiger Silikonkautschuk; als Dichtung verwendet, kann sie anodischem Bonden bei ungefähr 300°C und 1000 V hinreichend standhalten.
Durch Verbinden in einem Zustand, in dem die Dichtungen auf diese Weise eingespannt sind, ist die Verwirklichung einer Struktur möglich, bei der die Durchgangsbohrungen 5 von den Dichtungen 4 direkt verschlossen werden. Durch Einspannen von Dichtungen mit einer größeren Dicke als die Ätztiefe für die Ventilmembran 6 kann das Ventil zu diesem Zeitpunkt aufgrund der Steifigkeit der Membran und Dichtung den normalerweise geschlossenen Zustand annehmen (5). Deswegen kann die Ventilfestigkeit durch beliebiges Einstellen der Dicke der Dichtung oder Membran gegen den Außendruck frei angepasst werden. Zuletzt werden piezoelektrische Elemente 3 an der Ventilmembran 6 und der Pumpmembran 7 angebracht, wodurch unimorphe Aktuatoren aufgebaut werden (7D). 7E ist eine Draufsicht einer fertiggestellten Mikropumpe.
Anschließend wird das Verfahren zum Öffnen und Schließen des Ventils auf der Grundlage der 11A, 11B, 11C, 11D und 11E erläutert. 11A ist eine Draufsicht der Mikropumpe. Die 11B und 11C zeigen einen Schnitt A-A' in 11A, und die 11D und 11E zeigen einen Schnitt B-B' in 11A. Die beiden Ventile werden normalerweise im geschlossenen Zustand gehalten (11B, 11D), in dem durch Durchbiegen des unimorphen Aktuators nach unten (11C, 11E) ein Raum zwischen dem Glassubstrat und der Dichtung geschaffen wird, wodurch ermöglicht wird, dass das Fluid durch die Durchgangsbohrung gelangt. In diesem Fall verdrängt die Membran durch den unimorphen Aktuator am meisten in ihrem Mittelabschnitt bei geringerer Verdrängung in einem peripheren Abschnitt. Deswegen besteht durch Gleichmachen der Breite der Dichtung und der Breite der Ventilmembran keine Möglichkeit, dass sich die Dichtung bewegt, selbst wenn das Ventil den offenen Zustand annimmt.
Ferner kann eine Fluidförderung durch Durchbiegen der Pumpmembran nach oben durch den unimorphen Aktuator bewirkt werden. Die Flüssigkeitsförderung der Mikropumpe wird durch Antreiben der zwei Ventilmembranen und der einen Pumpmembran in einer geeigneten Reihenfolge verwirklicht. Ferner ist wegen der Verwendung aktiver Ventile auch eine Umkehr zwischen der Saugseite und der Förderseite möglich, indem die Reihenfolge des Antreibens jedes Aktuators geändert wird.
Weil die Mikropumpe wie diese die ein piezoelektrisches Element nutzenden unimorphen Aktuatoren verwendet, kann sie als ein sehr dünner Typ hergestellt werden. Wegen der Verwendung der aktiven Ventile ist bidirektionale Flüssigkeitsförderung möglich. Weil bei der Struktur die Dichtungen zwischen dem Glassubstrat und den Ventilmembranen eingespannt sind, ist es ferner möglich, eine Mikropumpe mit hoher Druckfestigkeit und hoher Flüssigkeitsförderleistung zu verwirklichen.
Ausführungsform 2
Zuerst werden Ventilmembranen 6 und eine Pumpmembran 7 durch einen ähnlichen Prozess wie der gemäß den 6A, 6B, 6C, 6D, 6E, 6F, 6G, 6H und 6I der Ausführungsform 1 in einem Siliziumsubstrat gebildet (8A).
Danach werden im Glassubstrat durch einen Excimer-Laser Durchgangsbohrungen 5 ausgebildet, wobei die Durchgangsbohrungen 5 strukturell von den Dichtungen 4 entfernt positioniert werden (8A). Deswegen wird das durch die Durchgangsbohrung 5 eintretende Fluid von der durch die Ventilmembran und das Glassubstrat eingespannten Dichtung 4 abgedämmt.
Anschließend wird anodisches Bonden in einem Zustand durchgeführt, bei dem Dichtungen mit einer selben Breite wie die der Ventilmembran durch das Glassubstrat und das Siliziumsubstrat eingespannt sind (8C). Wird eine wärmebeständiger Silikonkautschuk für die Dichtung verwendet, kann sie anodischem Bonden bei ungefähr 300°C und 1000 V hinreichend standhalten.
8B stellt einer Draufsicht einer Mikropumpe dar, bei der eine solche Struktur verwirklicht ist, dass das durch die Durchgangsbohrung gelassene Fluid durch Verwendung einer Dichtung mit derselben Breite wie die der Membran auf diese Weise abgedämmt wird. Zu diesem Zeitpunkt kann durch Einspannen von Dichtungen mit einer Dicke, die größer ist als die Ätztiefe der Ventilmembran, aufgrund der Steifigkeit der Membran und Dichtungen der normalerweise geschlossene Zustand des Ventils verwirklicht werden (5). Deswegen kann die Ventilfestigkeit durch beliebiges Einstellen der Dicke der Dichtung oder Ventilmembran für den Außendruck frei angepasst werden. Zuletzt werden piezoelektrische Elemente 3 an der Ventilmembran 6 und der Pumpmembran 7 angebracht, wodurch ein unimorpher Aktuator gebildet wird (8D).
Anschließend wird das Verfahren zum Öffnen und Schließen des Ventils auf der Grundlage der 12A, 12B, 12C, 12D und 12E erläutert. 12A ist eine Draufsicht einer Mikropumpe. 12B und 12C zeigen einen Schnitt A-A' in 12A, und 12D und 12E zeigen einen Schnitt B-B' in 12A. Die zwei Ventile werden normalerweise im geschlossenen Zustand gehalten (12B, 12D), in dem durch Durchbiegen des unimorphen Aktuators nach unten (12C, 12E) ein Raum zwischen dem Glassubstrat und der Dichtung und zwischen der Ventilmembran und der Dichtung geschaffen wird, wodurch ermöglicht wird, dass das Fluid durch die Durchgangsbohrung gelangt. In diesem Fall verdrängt die Membran durch den unimorphen Aktuator am meisten in ihrem Mittelabschnitt bei geringerer Verdrängung in einem peripheren Abschnitt. Deswegen besteht durch Gleichmachen der Breite der Dichtung und der Breite der Ventilmembran keine Möglichkeit, dass sich die Dichtung bewegt, selbst wenn das Ventil den offenen Zustand annimmt.
Ferner kann eine Fluidförderung durch Durchbiegen der Pumpmembran nach oben durch den unimorphen Aktuator bewirkt werden. Die Flüssigkeitsförderung der Mikropumpe wird durch Antreiben der zwei Ventilmembranen und der einen Pumpmembran in einer geeigneten Reihenfolge verwirklicht. Ferner ist wegen der Verwendung aktiver Ventile auch die Umkehr zwischen der Saugseite und der Förderseite möglich, indem die Reihenfolge des Antreibens jedes Aktuators geändert wird.
Weil die Mikropumpe wie diese die ein piezoelektrisches Element nutzenden unimorphen Aktuatoren verwendet, kann sie als ein sehr dünner Typ hergestellt werden. Wegen der Verwendung der aktiven Ventile ist die bidirektionale Flüssigkeitsförderung möglich. Weil bei der Struktur die Dichtungen zwischen dem Glassubstrat und den Ventilmembranen eingespannt sind, ist es ferner möglich, eine Mikropumpe mit hoher Druckfestigkeit und hoher Flüssigkeitsförderleistung zu verwirklichen.
Ausführungsform 3
Zuerst werden Ventilmembranen 6 und eine Pumpmembran 7 durch einen ähnlichen Prozess wie der gemäß den 6A, 6B, 6C, 6D, 6E, 6F, 6G, 6H und 6I der Ausführungsform 1 in einem Siliziumsubstrat gebildet. Danach werden wie in 9A gezeigt adhäsionsverhütende Schichten 9 durch Beschichten auf das Glassubstrat 2 und die Ventilmembranen 6 aufgebracht. Zu diesem Zeitpunkt ist es möglich, Adhäsion mit einem Silikonkautschuk oder dgl. beim Aushärten durch Verwendung adhäsionsverhütender Schichten aus Fluorkohlenstoffharz oder dgl. zu verhüten. In diesem Zustand werden im Glassubstrat 2 mit einem Excimer-Laser Durchgangsbohrungen 5 ausgebildet, die Fluid durchlassen. Die Durchgangsbohrungen 5 werden an denselben Abschnitten der adhäsionsverhütenden Schichten 9 ausgebildet (9B). Ferner fällt die Position der Durchgangsbohrung mit der Ventilmembran 6 im Siliziumsubstrat zusammen. Das so ausgebildete Glassubstrat 2 und Siliziumsubstrat 1 werden durch anodisches Bonden verbunden wie in 9C.
Anschließend wird ein Silikonkautschuk mit niedriger Viskosität vor dem Abbinden durch die Durchgangsbohrung 5 in die Membran eingefüllt, worauf das Abbinden abgewartet wird, wodurch Dichtungen 4 mit hoher Dichtheit verwirklicht werden (9D). Weil das Glassubstrat 2 und die Ventilmembran 6 vorher mit den adhäsionsverhütenden Schichten 9 beschichtet worden sind, haftet die Dichtung nach dem Abbinden an keiner Seite. Folglich wird eine Struktur verwirklicht, bei der die Dichtung durch das Glassubstrat und die Ventilmembran eingespannt ist. Zuletzt werden piezoelektrische Elemente 3 an den Ventilmembranen 6 und der Pumpmembran 7 angebracht, wodurch ein unimorpher Aktuator gebildet wird (9E). 9F ist eine Draufsicht einer fertiggestellten Mikropumpe.
Anschließend wird das Verfahren zum Öffnen und Schließen des Ventils auf der Grundlage der 11A, 11B, 11C, 11D und 11E erläutert. 11A ist eine Draufsicht einer Mikro pumpe. Die 11B und 11C zeigen einen Schnitt A-A' in 11A, und die 11D und 11E zeigen einen Schnitt B-B' in 11A. Die beiden Ventile werden normalerweise im geschlossenen Zustand gehalten (11B, 11D), in dem durch Durchbiegen des unimorphen Aktuators nach unten (11C, 11E) ein Raum zwischen dem Glassubstrat und der Dichtung geschaffen wird, wodurch ermöglicht wird, dass das Fluid durch die Durchgangsbohrung gelangt. In diesem Fall verdrängt die Membran durch den unimorphen Aktuator am meisten in ihrem Mittelabschnitt bei geringerer Verdrängung in einem peripheren Abschnitt. Deswegen besteht durch Gleichmachen der Breite der Dichtung und der Breite der Ventilmembran keine Möglichkeit, dass sich die Dichtung bewegt, selbst wenn das Ventil den offenen Zustand annimmt.
Ferner kann die Fluidförderung durch Durchbiegen der Pumpmembran nach oben durch den unimorphen Aktuator bewirkt werden. Die Flüssigkeitsförderung der Mikropumpe wird durch Antreiben der zwei Ventilmembranen und der einen Pumpmembran in einer geeigneten Reihenfolge verwirklicht. Ferner ist wegen der Verwendung aktiver Ventile auch eine Umkehr zwischen der Saugseite und der Förderseite möglich, indem die Reihenfolge des Antreibens jedes Aktuators geändert wird.
Weil die Mikropumpe wie diese die ein piezoelektrisches Element nutzenden unimorphen Aktuatoren verwendet, kann sie als ein sehr dünner Typ hergestellt werden. Wegen der Verwendung der aktiven Ventile ist eine bidirektionale Flüssigkeitsförderung möglich.
Weil die Dichtung durch Füllen des Silikonkautschuks gebildet wird, ist ferner die Verwirklichung einer Mikropumpe mit hoher Druckbeständigkeit und hoher Flüssigkeitsförderleistung möglich.
Ausführungsform 4
Zuerst werden Ventilmembranen und eine Pumpmembran durch einen ähnlichen Prozess wie der gemäß den 6A, 6B, 6C, 6D, 6E, 6F, 6G, 6H und 6I der Ausführungsform 1 in einem Siliziumsubstrat gebildet. Danach werden wie in 10A gezeigt adhäsionsverhütende Schichten 9 durch Beschichten auf das Glassubstrat 2 und die Ventilmembranen 6 aufgebracht. Zu diesem Zeitpunkt ist es möglich, Adhäsion mit einem Silikonkautschuk oder dgl. beim Aushärten durch Verwendung adhäsionsverhütender Schichten aus Fluorkohlenstoffharz oder dgl. zu verhüten. In diesem Zustand werden im Glassubstrat 2 mit einem Excimer-Laser Durchgangsbohrungen 5 ausgebildet. Die Durchgangsbohrungen umfassen zwei Arten, eine zum Durchlassen von Fluid und die andere zum Füllen einer Dichtung in der Membran. Davon wird die eine zum Füllen in einem selben Abschnitt gebildet wie die adhäsionsverhütende Schicht 9 (10B). Das so ausgebildete Glassubstrat 2 und Siliziumsubstrat 1 werden durch anodisches Bonden verbunden wie in 10C.
Anschließend wird ein Silikonkautschuk mit niedriger Viskosität vor dem Abbinden durch die Durchgangsbohrung 5 in die Membran eingefüllt und das Abbinden abgewartet, wodurch Dichtungen 4 mit hoher Dichtheit verwirklicht werden (10D). Weil das Glassubstrat und die Ventilmembran vorher mit den adhäsionsverhütenden Schichten 9 beschichtet werden, haftet die Dichtung nach dem Abbinden an keiner Seite. Folglich kann eine Struktur verwirklicht werden, bei der die Dichtung zwischen dem Glassubstrat und der Ventilmembran angeordnet ist. Ferner werden Fülllöcher durch ein Dichtmittel 10 geschlossen, so dass das durch das Ventil durchgelassene Fluid nicht nach außen ausläuft (10E). Dies verwirklicht eine solche Struktur, bei der das Fluid durch die übrigen zwei Durchgangsbohrungen hinein und heraus fließt und der Fluss durch die Dichtung abgedämmt wird. Zuletzt werden piezoelektrische Elemente 3 an den Ventilmembranen 6 und der Pumpmembran 7 angebracht, wodurch ein unimorpher Aktuator gebildet wird (10F). 10G ist eine Draufsicht einer fertiggestellten Mikropumpe.
Anschließend wird das Verfahren zum Öffnen und Schließen des Ventils auf der Grundlage der 12A, 12B, 12C, 12D und 12E erläutert. 12A ist eine Draufsicht einer Mikropumpe. Die 12B und 12C zeigen einen Schnitt A-A' in 12A, und die 12D und 12E zeigen einen Schnitt B-B' in 12A. Die beiden Ventile werden normalerweise im geschlossenen Zustand gehalten (12B, 12D), in dem durch Durchbiegen des unimorphen Aktuators nach unten (12C, 12E) ein Raum zwischen dem Glassubstrat und der Dichtung und zwischen der Ventilmembran und der Dichtung geschaffen wird, wodurch ermöglicht wird, dass das Fluid durch die Durchgangsbohrung gelangt. In diesem Fall verdrängt die Membran durch den unimorphen Aktuator am meisten in ihrem Mittelabschnitt bei geringerer Verdrängung in einem peripheren Abschnitt. Deswegen besteht durch Gleichmachen der Breite der Dichtung und der Breite der Ventilmembran keine Möglichkeit, dass sich die Dichtung bewegt, selbst wenn das Ventil den offenen Zustand annimmt.
Ferner kann eine Fluidförderung durch Durchbiegen der Pumpmembran nach oben durch den unimorphen Aktuator bewirkt werden. Die Flüssigkeitsförderung der Mikropumpe wird durch Antreiben der zwei Ventilmembranen und der einen Pumpmembran in einer geeigneten Reihenfolge verwirklicht. Ferner ist wegen der Verwendung aktiver Ventile auch eine Umkehr zwischen der Saugseite und der Förderseite möglich, indem die Reihenfolge des Antreibens jedes Aktuators geändert wird.
Weil die Mikropumpe wie diese die ein piezoelektrisches Element nutzenden unimorphen Aktuatoren verwendet, kann sie als ein sehr dünner Typ hergestellt werden. Wegen der Verwendung der aktiven Ventile ist eine bidirektionale Flüssigkeitsförderung möglich. Weil die Dichtungen durch Füllen des Silikonkautschuks gebildet werden, ist auch die Verwirklichung einer Mikropumpe mit hoher Druckbeständigkeit und hoher Flüssigkeitsförderleistung möglich.
Eine weitere Struktur einer Mikropumpe bei der vorliegenden Erfindung ist in den 13A und 13B gezeigt.
13A ist eine Draufsicht einer Mikropumpe und 13B ist eine Schnittansicht der Mikropumpe. Zwei Ventilmembranen und eine Pumpmembran werden durch Ätzen in das Siliziumsubstrat 51 gebildet, und jede Membran wird mit einem piezoelektrischen Element 53 angebracht, wodurch ein unimorpher Aktuator gebildet wird. Das Siliziumsubstrat 51 wird mit einem Glassubstrat 52 mit Durchgangsbohrungen 55 verbunden, so dass die Ventilmembranen durch die Dichtungen 54 strukturell verschlossen werden. Ferner bildet die Dichtung einen integralen Bestandteil der Ventilmembran oder des Glassubstrats. Indem die Dicke dieser Dichtung höher gemacht wird als die Ätztiefe der Membran, wird aufgrund der Steifigkeit der Membran und Dichtung der normalerweise geschlossene Zustand des Ventils verwirklicht (14).
Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend auf der Grundlage der Zeichnungen erläutert.
Ausführungsform 5
Zuerst wird ein 0,3 μm dicker Oxidfilm 58 auf dem Siliziumsubstrat 51 wie in 15A durch thermische Oxidation wie in 15B gebildet. Anschließend wird die Oberfläche mit einem Muster aus Abdeckmittel versehen, um einen Teil des Oxidfilms 58 durch Nassätzen mit Fluorwasserstoff-Puffer abzulösen (15C). Dann wird nach vollständigem Ablösen des Abdeckmittels der übrige thermische Oxidfilm als Maske zur Durchführung von Nassätzen auf dem Siliziumsubstrat 51 durch TMAH wie in 15D verwendet. Danach wird der Oxidfilm 58 durch einen Fluorwasserstoff-Puffer vollständig abgelöst wie in 15E. Die geätzten Abschnitte sind in jeder Membran und jedem Kanal einer Mikropumpe herzustellen.
Dann wird durch thermische Oxidation auf der gesamten Oberfläche ein weiterer 1,2 μm dicker Oxidfilm 58 gebildet, wie in 15F. Mittels eines zweiseitigen Justierers wird auf der hinteren Oberfläche ein Muster aus Abdeckmittel so erzeugt, dass die Ventilmembran und die Pumpmembran dieselbe Position wie die Oberfläche einnehmen. Unter Verwendung dieses Abdeckmittels als Maske wird der Oxidfilm 58 durch Fluorwasserstoff-Puffer mit einem Muster versehen (15G). Nach dem vollständigen Ablösen des Abdeckmittels von der Oberfläche wird das Siliziumsubstrat 51 durch eine Kaliumhydridlösung geätzt, wie in 15H gezeigt. Durch Anpassen der Tiefe dieser Ätzung kann die Dicke jeder Membran beliebig bestimmt werden. Schließlich wird der Oxidfilm 58 wie in 15I durch den Fluorwasserstoff-Puffer vollständig abgelöst, wodurch ein Substrat mit Membranen fertiggestellt wird.
Danach werden wie in 16A gezeigt Dichtungen aus einem Silikonkautschuk oder dgl. für die Ventilmembranen 56 des Siliziumsubstrats 51 gebildet und abgebunden. Dadurch wird ein integraler Bestandteil verwirklicht, der die Dichtungen 54 und das Siliziumsubstrat 51 aufweist (16B). Dann wird das Siliziumsubstrat 51 durch ein Glassubstrat 52 verbunden, wobei das Glassubstrat 52 vorher durch einen Excimer-Laser gebildete Durchgangsbohrungen 55 mit einem Durchmesser von 600 [μm] in mit der in der Ventilmembran ausgebildeten Dichtung zusammenfallenden Positionen aufweist. Deshalb wird bei Verwirklichung von anodischem Bonden bei 300°C und 1000 V eine Struktur verwirklicht, bei der die Durchgangsbohrungen 55 direkt von den Dichtungen 54 verschlossen werden (16C). Durch Bereitstellen einer Struktur, bei der die Dichtung 54 höher ist als die Ätztiefe der Ventilmembran 56 nimmt das Ventil zu diesem Zeitpunkt aufgrund der Steifigkeit der Membran und Dichtung den normalerweise geschlossenen Zustand an (14). Diese Festigkeit kann durch die Dicke der Dichtung oder Ventilmembran beliebig eingestellt werden, und die Ventilfestigkeit für den Außendruck kann frei angepasst werden.
Zuletzt werden piezoelektrische Elemente an der Ventilmembran 56 und der Pumpmembran 57 angebracht, wodurch unimorphe Aktuatoren aufgebaut werden (16D). Die beiden Ventile werden normalerweise im geschlossenen Zustand gehalten, in dem durch Durchbiegen des unimorphen Aktuators nach unten ein Raum zwischen dem Glassubstrat und der Dichtung geschaffen wird, wodurch der offene Zustand des Ventils ermöglicht wird. Ferner kann die Fluidförderung durch Durchbiegen der Pumpmembran nach oben durch den unimorphen Aktuator bewirkt werden. Die Flüssigkeitsförderung der Mikropumpe wird durch Antreiben der zwei Ventilmembranen und der einen Pumpmembran in einer geeigneten Reihenfolge verwirklicht. Ferner ist es wegen der Verwendung aktiver Ventile auch möglich, durch Ändern der Antriebsreihenfolge zu jedem Aktuator Flüssigkeit in beliebiger Richtung zu fördern.
Weil die Mikropumpe wie diese die ein piezoelektrisches Element nutzenden unimorphen Aktuatoren verwendet, kann sie als ein sehr dünner Typ hergestellt werden. Wegen der Verwendung der aktiven Ventile ist eine bidirektionale Flüssigkeitsförderung möglich. Weil die Ventilmembran teilweise durch die Dichtung gefüllt wird, ist auch die Verwirklichung einer Mikropumpe mit hoher Druckbeständigkeit und hoher Flüssigkeitsförderleistung möglich.
Ausführungsform 6
Zuerst werden Ventilmembranen 56 und eine Pumpmembran 57 durch einen ähnlichen Prozess wie der gemäß den 15A, 15B, 15C, 15D, 15E, 15F, 15G, 15H und 15I der Ausführungsform 5 in einem Siliziumsubstrat gebildet (17A). Dichtungen 54 werden für die Ventilmembranen gebildet, wodurch ein integraler Bestandteil mit den Dichtungen 54 und dem Siliziumsubstrat 51 verwirklicht wird (17B). Danach erfolgt anodisches Bonden mit einem Glassubstrat 52 mit Durchgangsbohrungen 55, wobei die Durchgangsbohrungen 55 fern von den Dichtungen 54 positioniert sind, um eine Struktur zu erhalten, bei der die durch die Durchgangsbohrung 55 eingetretene Flüssigkeit von der Dichtung 54 an einem Ventilmembranabschnitt abgedämmt wird (17C). Zuletzt werden piezoelektrische Elemente an der Ventilmembran 56 und der Pumpmembran 57 angebracht, wodurch ein unimorpher Aktuator gebildet wird (17D). Die beiden Ventile werden normalerweise im geschlossenen Zustand gehalten, in dem durch Durchbiegen des unimorphen Aktuators nach unten ein Raum zwischen dem Glassubstrat und der Dichtung geschaffen wird, wodurch der Zustand mit geöffnetem Ventil verwirklicht wird. Ferner kann eine Fluidförderung durch Durchbiegen der Pumpmembran nach oben durch den unimorphen Aktuator bewirkt werden. Die Flüssigkeitsförderung der Mikropumpe wird durch Antreiben der zwei Ventilmembranen und der einen Pumpmembran in einer geeigneten Reihenfolge verwirklicht. Ferner ist wegen der Verwendung aktiver Ventile durch Ändern der Antriebsreihenfolge zu jedem Aktuator die Flüssigkeitsförderung in beliebiger Richtung möglich.
Weil die Mikropumpe wie diese die ein piezoelektrisches Element nutzenden unimorphen Aktuatoren verwendet, kann sie als ein sehr dünner Typ hergestellt werden. Wegen der Verwendung der aktiven Ventile ist bidirektionale Flüssigkeitsförderung möglich. Weil die Ventilmembran teilweise durch die Dichtung gefüllt wird, um eine solche Struktur zu erhalten, die Flüssigkeit abdämmt, ist auch die Verwirklichung einer Mikropumpe mit hoher Druckbeständigkeit und hoher Flüssigkeitsförderleistung möglich.
Ausführungsform 7
Zuerst werden Ventilmembranen 56 und eine Pumpmembran 57 durch einen ähnlichen Prozess wie der gemäß den 15A, 15B, 15C, 15D, 15E, 15F, 15G, 15H und 15I der Ausführungsform 5 in einem Siliziumsubstrat gebildet. Danach werden wie in 18A gezeigt adhäsionsverhütende Schichten 59 aus Fluorkohlenstoffharz als Beschichtung in denselben Positionen wie die Ventildichtungen auf ein Glassubstrat 52 aufgebracht, um den Deckplattenabschnitt auszubilden. Dadurch soll verhindert werden, dass zu einer Dichtung zu machender Dichtungssilikonkautschuk nach dem Abbinden am Glassubstrat haftet. In diesem Zustand werden Durchgangsbohrungen 55 zum Durchlassen von Flüssigkeit mit einem Excimer-Laser im Glassubstrat 52 ausgebildet, wobei die Durchgangsbohrung 55 jeweils am selben Abschnitt der adhäsionsverhütenden Schicht 59 ausgebildet wird (18B). Ferner fällt die Position der Durchgangsbohrung mit der Ventilmembran 56 des Siliziumsubstrats zusammen. Das Glassubstrat 52 und das Siliziumsubstrat 51 werden durch anodisches Bonden verbunden wie in 18C.
Anschließend wird Silikonkautschuk mit niedriger Viskosität durch die Durchgangsbohrung 55 in die Membran eingefüllt und das Abbinden abgewartet, wodurch eine Dichtung 54 mit hoher Dichtheit verwirklicht wird (18D). Weil die Glasdeckplattenseite vorher mit der adhäsionsverhütenden Schicht 59 aus Fluorkohlenstoffharz oder Ähnlichem beschichtet wird, wird die Dichtung in einen Zustand gebracht, in dem sie nur mit der Siliziumsubstratseite verbunden ist, wodurch ein integraler Bestandteil mit dem Siliziumsubstrat und den Dichtungen verwirklicht wird. Wird in diesem Fall die Ventilmembran 56 nach unten durchgebogen, wird zwischen dem Glassubstrat und der Dichtung ein Raum geschaffen, wodurch ein Ventil-offen-Zustand verwirklicht wird.
Zuletzt werden piezoelektrische Elemente 53 an der Ventilmembran 56 und der Pumpmembran 57 angebracht, wodurch ein unimorpher Aktuator gebildet wird (18E). Die zwei Ventile haben durch Durchbiegen der unimorphen Aktuatoren nach unten geschaffene Räume zwischen dem Glassubstrat und den Dichtungen, wodurch der Zustand mit offenem Ventil verwirklicht wird. Außerdem ist die Flüssigkeitsförderung durch Durchbiegen der Pumpmembran 57 nach oben mittels des unimorphen Aktuators möglich. Die Flüssigkeitsförderung der Mikropumpe wird durch Antreiben der zwei Ventilmembranen 56 und der einen Pumpmembran 57 in einer geeigneten Reihenfolge verwirklicht. Ferner ist wegen der Verwendung aktiver Ventile durch Ändern der Antriebsreihenfolge zu jedem Aktuator Flüssigkeitsförderung in beliebiger Richtung möglich.
Weil die Mikropumpe wie diese die ein piezoelektrisches Element nutzenden unimorphen Aktuatoren verwendet, kann sie als ein sehr dünner Typ hergestellt werden. Wegen der Verwendung der aktiven Ventile ist bidirektionale Flüssigkeitsförderung möglich. Ferner ist die Verwirklichung einer Mikropumpe mit hoher Druckbeständigkeit und hoher Flüssigkeitsförderleistung möglich.
Ausführungsform 8
Zuerst werden Ventilmembranen und eine Pumpmembran durch einen ähnlichen Prozess wie der gemäß den 15A, 15B, 15C, 15D, 15E, 15F, 15G, 15H und 15I der Ausführungsform 5 in einem Siliziumsubstrat gebildet. Danach werden wie in 19A gezeigt adhäsionsverhütende Schichten 59 aus Fluorkohlenstoffharz durch Beschichten in denselben Positionen wie die Ventildichtungen 56 auf ein Glassubstrat 52 aufgebracht, das zu einem Deckplattenabschnitt zu machen ist. Dadurch soll verhindert werden, dass zu einer Dichtung zu machender Dichtungssilikonkautschuk nach dem Abbinden am Glassubstrat haftet. In diesem Zustand werden im Glassubstrat 52 mit einem Excimer-Laser Durchgangsbohrungen 55 ausgebildet. Die Durchgangsbohrungen umfassen zwei Arten, eine zum Durchlassen von Flüssigkeit und die andere zum Füllen einer Dichtung in der Membran. Davon ist die eine zum Füllen im selben Abschnitt zu bilden wie die adhäsionsverhütende Schicht 59 (19B). Das so ausgebildete Glassubstrat 52 und Siliziumsubstrat 51 werden durch anodisches Bonden verbunden wie in 19C.
Anschließend wird Silikonkautschuk mit niedriger Viskosität durch die Durchgangsbohrung 55 in die Membran eingefüllt und das Abbinden abgewartet, wodurch eine Dichtung 54 mit hoher Dichtheit verwirklicht wird (19D). Weil die Glasdeckplattenseite vorher mit der adhäsionsverhütenden Schicht 59 aus Fluorkohlenstoffharz oder Ähnlichem beschichtet wird, wird die Dichtung in einen Zustand gebracht, in dem sie nur mit der Siliziumsubstratseite verbunden ist, wodurch ein integraler Bestandteil mit dem Siliziumsubstrat und den Dichtungen verwirklicht wird. Danach wird das Füllloch durch ein Dichtmittel 60 geschlossen, um nicht Auslaufen des Fluids zu verursachen (19E). Dadurch wird eine solche Struktur verwirklicht, dass Fluid durch die zwei Durchgangsbohrungen hinein und heraus fließt und der Fluss durch die Dichtung abgedämmt wird. In Falle eines Ventils wie diesem wird zwischen dem Glassubstrat und der Dichtung ein Spalt geschaffen, wenn die Ventilmembran 56 nach unten durchgebogen wird, wobei der Zustand mit geöffnetem Ventil verwirklicht wird.
Zuletzt werden piezoelektrische Elemente 53 an der Ventilmembran 56 und der Pumpmembran 57 angebracht, wodurch ein unimorpher Aktuator gebildet wird (19F). Die zwei Ventile haben durch Durchbiegen der unimorphen Aktuatoren nach unten geschaffene Räume zwischen dem Glassubstrat und den Dichtungen, wodurch der Zustand mit geöffnetem Ventil verwirklicht wird. Außerdem ist Flüssigkeitsförderung durch Durchbiegen der Pumpmembran 57 nach oben mittels des unimorphen Aktuators möglich. Die Flüssigkeitsförderung der Mikropumpe wird durch Antreiben der zwei Ventilmembranen 56 und der einen Pumpmembran 57 in einer geeigneten Reihenfolge verwirklicht. Ferner ist wegen der Verwendung aktiver Ventile durch Ändern der Antriebsreihenfolge zu jedem Aktuator die Flüssigkeitsförderung in beliebiger Richtung möglich.
Weil die Mikropumpe wie diese die ein piezoelektrisches Element nutzenden unimorphen Aktuatoren verwendet, kann sie als ein sehr dünner Typ hergestellt werden. Wegen der Verwendung der aktiven Ventile ist bidirektionale Flüssigkeitsförderung möglich. Wegen einer solchen Struktur, dass die Ventilmembran teilweise gefüllt wird, um Fluid abzudämmen, ist auch die Verwirklichung einer Mikropumpe mit hoher Druckbeständigkeit und hoher Flüssigkeitsförderleistung möglich.
Ausführungsform 9
Zuerst werden Ventilmembranen 56 und eine Pumpmembran 57 durch einen ähnlichen Prozess wie der gemäß den 15A, 15B, 15C, 15D, 15E, 15F, 15G, 15H und 15I der Ausführungsform 5 in einem Siliziumsubstrat gebildet. Danach werden wie in 20A gezeigt durch einen Excimer-Laser Durchgangsbohrungen 55 in einem Glassubstrat 52 ausgebildet, das zu einem Deckplattenabschnitt zu machen ist. Dichtungen 54 werden auf diesem Glassubstrat 52 gebildet, wodurch ein integraler Bestandteil mit den Dichtungen 54 und dem Glassubstrat 52 verwirklicht wird (20B). Diese Dichtung 54 wird in derselben Position positioniert wie die auf dem Siliziumsubstrat gebildete Ventilmembran 56.
Danach erfolgt anodisches Bonden für das Glassubstrat und das Siliziumsubstrat 51 (20C), wobei die Durchgangsbohrung 55 in einer von der Dichtung 54 fernen Position positioniert ist, um eine Struktur zu erhalten, bei der das durch die Durchgangsbohrung eingetretene Fluid von der Dichtung 54 abgedämmt wird. In einem Falle des Ventils wie diesem wird zwischen dem Glassubstrat und der Dichtung ein Spalt geschafften, wenn die Ventilmembran 56 nach unten durchgebogen wird, wobei der Zustand mit geöffnetem Ventil verwirklicht wird. Ferner ist durch Bereitstellen einer Struktur, bei der die Dichtung 54 höher ist als die Ätztiefe der Ventilmembran 56, aufgrund der Steifigkeit der Membran und Dichtung die Verwirklichung des normalerweise geschlossenen Zustands des Ventils möglich.
Zuletzt werden piezoelektrische Elemente 53 an der Ventilmembran 56 und der Pumpmembran 57 angebracht, wodurch ein unimorpher Aktuator gebildet wird (20D). Die zwei Ventile haben durch Durchbiegen der unimorphen Aktuatoren nach unten geschaffene Räume zwischen dem Siliziumsubstrat und den Dichtungen, wodurch der Zustand mit geöffnetem Ventil verwirklicht wird. Außerdem ist Flüssigkeitsförderung durch Durchbiegen der Pumpmembran 57 nach oben mittels des unimorphen Aktuators möglich. Die Flüssigkeitsförderung der Mikropumpe wird durch Antreiben der zwei Ventilmembranen 56 und der einen Pumpmembran 57 in einer geeigneten Reihenfolge verwirklicht. Ferner ist wegen der Verwendung aktiver Ventile durch Ändern der Antriebsreihenfolge zu jedem Aktuator die Flüssigkeitsförderung in beliebiger Richtung möglich.
Weil die Mikropumpe wie diese die ein piezoelektrisches Element nutzenden unimorphen Aktuatoren verwendet, kann sie als ein sehr dünner Typ hergestellt werden. Wegen der Verwendung der aktiven Ventile ist die bidirektionale Flüssigkeitsförderung möglich. Wegen einer solchen Struktur, dass die Ventilmembran teilweise gefüllt wird, um Fluid abzudämmen, ist auch die Verwirklichung einer Mikropumpe mit hoher Druckbeständigkeit und hoher Flüssigkeitsförderleistung möglich.
Ausführungsform 10
Zuerst werden Ventilmembranen und eine Pumpmembran durch einen ähnlichen Prozess wie der gemäß den 15A, 15B, 15C, 15D, 15E, 15F, 15G, 15H und 15I der Ausführungsform 5 in einem Siliziumsubstrat gebildet. Danach werden wie in 21A gezeigt durch einen Excimer-Laser Durchgangsbohrungen 55 in einem Glassubstrat 52 ausgebildet. Die Durchgangsbohrungen umfassen zwei Arten, eine zum Durchlassen von Fluid und die andere zum Füllen einer Dichtung in der Membran. Davon wird die eine zum Füllen am selben Abschnitt gebildet wie die Ventilmembran 56 im Siliziumsubstrat.
Danach werden adhäsionsverhütende Schichten 59 aus Fluorkohlenstoffharz durch Beschichten auf die Ventilmembranabschnitte des Siliziumsubstrats 51 aufgebracht (21B). Dadurch soll verhindert werden, dass zu einer Dichtung zu machender Silikonkautschuk nach dem Abbinden am Siliziumsubstrat haftet. In diesem Zustand werden das Siliziumsubstrat 51 und das Glassubstrat 52 durch anodisches Bonden verbunden, wie in 21C gezeigt.
Anschließend wird Silikonkautschuk mit niedriger Viskosität durch die Durchgangsbohrung 55 in die Membran eingefüllt und das Abbinden abgewartet, wodurch eine Dichtung 54 mit hoher Dichtheit verwirklicht wird (21D). Weil die Ventilmembran 56 auf dem Siliziumsubstrat vorher mit der adhäsionsverhütenden Schicht 59 aus Fluorkohlenstoffharz oder Ähnlichem beschichtet wird, wird die Dichtung in einen Zustand gebracht, in dem sie nur mit der Glassubstratseite verbunden ist, wodurch ein integraler Bestandteil mit dem Glassubstrat und den Dichtungen verwirklicht wird. Deshalb fließt Fluid durch die übrigen zwei Durchgangsbohrungen hinein und heraus, um eine Struktur zu verwirklichen, bei der der Fluss durch die Dichtung abgedämmt wird. In einem Falle des Ventils wie diesem wird zwischen der Ventilmembran und der Dichtung ein Spalt geschaffen, wenn die Ventilmembran 56 nach unten durchgebogen wird, wobei der Zustand mit geöffnetem Ventil verwirklicht wird. Ferner gibt es wegen eines integralen Bestandteils mit dem Glassubstrat und den Dichtungen keine Möglichkeit, dass das Fluid durch das Füllloch herausfließt. Es besteht keine Notwendigkeit, das Füllloch mit einem Dichtmittel besonders zu verschließen.
Zuletzt werden piezoelektrische Elemente 53 an der Ventilmembran 56 und der Pumpmembran 57 angebracht, wodurch ein unimorpher Aktuator gebildet wird (21E). Die zwei Ventile haben durch Durchbiegen der unimorphen Aktuatoren nach unten geschaffene Räume zwischen dem Siliziumsubstrat und den Dichtungen, wodurch der Zustand mit geöffnetem Ventil verwirklicht wird. Außerdem ist die Flüssigkeitsförderung durch Durchbiegen der Pumpmembran 57 nach oben mittels des unimorphen Aktuators möglich. Die Flüssigkeitsförderung der Mikropumpe wird durch Antreiben der zwei Ventilmembranen 56 und der einen Pumpmembran 57 in einer geeigneten Reihenfolge verwirklicht. Ferner ist wegen der Verwendung aktiver Ventile durch Ändern der Antriebsreihenfolge zu jedem Aktuator die Flüssigkeitsförderung in beliebiger Richtung möglich.
Weil die Mikropumpe wie diese die ein piezoelektrisches Element nutzenden unimorphen Aktuatoren verwendet, kann sie als ein sehr dünner Typ hergestellt werden. Wegen der Verwendung der aktiven Ventile ist bidirektionale Flüssigkeitsförderung möglich. Wegen einer solchen Struktur, dass die Ventilmembran teilweise gefüllt wird, um Fluid abzudämmen, ist auch die Verwirklichung einer Mikropumpe mit hoher Druckbeständigkeit und hoher Flüssigkeitsförderleistung möglich.
Die Mikropumpe der vorliegenden Erfindung kann wegen der Verwendung einer unimorphen Struktur mit einer Siliziummembran und piezoelektrischen Elementen sehr dünn und auf einfache Weise klein hergestellt werden.
Ferner ist eine Wirkung vorgesehen, die durch Anwenden einer Struktur, bei der die Dichtungen zwischen dem Glassubstrat und dem Siliziumsubstrat zur Verwirklichung von Mikroventilen mit hoher Dichtheit eingespannt sind, hohe Druckfestigkeit und eine Förderleistung hoher Effizienz ergibt.
Außerdem ist durch Anwenden eines integralen Bestandteils mit dem Glassubstrat und den Dichtungen oder mit dem Siliziumsubstrat und den Dichtungen zur Verwirklichung von Mikroventilen mit hoher Dichtheit eine Wirkung vorgesehen, die Druckfestigkeit und hocheffiziente Förderleistung ergibt.

Claims

Mikropumpe aufweisend: einen Deckplattenabschnitt (2) mit einer Durchgangsbohrung (5) zum Durchlassen von Fluid; einen Substratabschnitt (1); einen Antriebsabschnitt mittels einen unimorphen Aktuators mit einer Membran und einem piezoelektrischen Element (3); und eine Dichtung (4) zum Abdämmen von Fluid in einem Zustand, in dem sie zwischen dem Deckplattenabschnitt (2) und dem Substratabschnitt (1) eingespannt ist, gekennzeichnet durch den Substratabschnitt (1) mit einer Pumpmembran (7), die zum Austreiben des Fluids dient und einer Ventilmembran (6), die zum Öffnen und Schließen eines Ventils dient, hat.
Mikropumpe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Struktur, durch die die Dichtung (4) zwischen dem Deckplattenabschnitt (2) und der Ventilmembran (6) eingespannt wird, wobei die Durchgangsbohrung (5) des Deckplattenabschnitts (2) zum Durchlassen von Fluid direkt von der Dichtung (4) verschlossen wird.
Mikropumpe nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Struktur, durch die die Dichtung (4) zwischen dem Deckplattenabschnitt (2) und der Ventilmembran (6) eingespannt wird, wobei die Durchgangsbohrung (5) des Deckplattenabschnitts (2) zum Durchlassen von Fluid und die Dichtung (4) beabstandet positioniert sind und das durch die Durchgangsbohrung (5) durchgelassene Fluid von der Dichtung (4) abgedämmt wird.
Mikropumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (54) ein integraler Bestandteil der Ventilmembran (56) ist.
Mikropumpe nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine solche Struktur, durch die die Durchgangsbohrung (55) der Deckplatte (52) zum Durchlassen von Fluid und die Dichtung (54) in der Ventilmembran (56) des Substratabschnitts (51) an derselben Stelle angeordnet sind, wodurch die Durchgangsbohrung (55) direkt durch die Dichtung (54) verschlossen wird.
Mikropumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine solche Struktur, durch die die Durchgangsbohrung der Deckplatte (52) zum Durchlassen von Fluid und die Dichtung (54) in der Ventilmembran (56) des Substratabschnitts (51) an verschiedenen Stellen angeordnet sind, wodurch das durch die Durchgangsbohrung (55) durchgelassene Fluid von der Dichtung (54) abgedämmt wird.
Mikropumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (54) ein integraler Bestandteil des Dichtplattenabschnitts (52) ist.
Mikropumpe nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine solche Struktur, durch die die Durchgangsbohrung (55) des Deckplattenabschnitts (52) zum Durchlassen von Fluid und die Dichtung (54) im Deckplattenabschnitt (52) an verschiedenen Stellen angeordnet sind, wodurch das durch die Durchgangsbohrung (55) durchgelassene Fluid von der Dichtung (54) abgedämmt wird.
Verfahren zum Herstellen einer Mikropumpe gemäß Anspruch 1, folgende Schritte aufweisend: Ausbilden einer Durchgangsbohrung (5) im Deckplattenabschnitt (2) zum Durchlassen von Fluid; Bilden der Membran im Substratabschnitt (1); Verbinden des Deckplattenabschnitts (2) und des Substratabschnitts (1) in einem solchen Zustand, dass die Dichtung (4) eingespannt wird; und Bilden des Antriebsabschnitts mittels des unimorphen Aktuators mit der Membran und dem piezoelektrischen Element (3).
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsbohrung (5) im Deckplattenabschnitt (2) sowohl zum Durchlassen des Fluids als auch zum Laden der Dichtung (4) fungiert; ferner die Schritte aufweisend: Ausbilden adhäsionsverhütender Schichten (9) am Deckplattenabschnitt (2) und an der Ventilmembran (6); und Füllen und Aushärten der Dichtung (4) zwischen dem Deckplattenabschnitt (2) und der Ventilmembran (6).
Verfahren nach Anspruch 9, ferner den Schritt aufweisend: Ausformen eines Fülllochs zum Füllen der Dichtung (4) im Deckplattenabschnitt (2); und Schließen des Fülllochs durch ein Dichtmittel (10.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, den Schritt aufweisend: Bilden der Dichtung (54) in der Ventilmembran (56) im Substratabschnitt (51).
Verfahren nach Anspruch 12, die Schritte aufweisend: Ausbilden einer adhäsionsverhütenden Schicht (59) am Deckplattenabschnitt (52); und Füllen und Aushärten der Dichtung (54) in der Ventilmembran (56).
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Durchgangsbohrung (55) im Deckplattenabschnitt (52) sowohl zum Durchlassen des Fluids als auch zum Laden der Dichtung (54) fungiert.
Verfahren nach Anspruch 13, ferner den Schritt des Ausformens eines Fülllochs zum Füllen der Dichtung (4) im Deckplattenabschnitt (2) aufweisend.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, den Schritt aufweisend: Bilden der Dichtung (54) im Deckplattenabschnitt (52).
Verfahren nach Anspruch 16, ferner die Schritte aufweisend: Ausbilden adhäsionsverhütender Schichten (59) auf der Ventilmembran (56); Füllen und Aushärten der Dichtung (54) in der Ventilmembran (56); und Bilden des Antriebsabschnitts mittels des unimorphen Aktuators mit der Membran und dem piezoelektrischen Element (53).