JPH03505771A - 一定の吐出量を有する小型ポンプ - Google Patents

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】 一定の吐出量を有する小型ポンプ 本発明は、少なくともポンプ機構の一部が写真平版技術を使用してシリコンのウ ェーファを加工することによって作られる小型ポンプに関する。

小型ポンプは、特に薬剤の投与に通して使用されることができ、ポンプの小型化 は、それらを体内に永久的に植え込むことを可能とする。これらのポンプを使用 して、送り込まれる少量の液体を正確に測定することができる。

この種の小型ポンプは、センサ　アンド　アクチュエータの１９８８年のＮα１ ５のページ１５３〜１５７に表わされたエッチパン　リンチル　エト　アル（Ｈ ，ｖａｎ　Ｌｉｎｔｅｌ　ｅｔ　ａｌ）による“′シリコンのミクロ加工に基づ く圧電小型ポンプ”の記事に特に述べられている。これらの小型ポンプは、実質 的に三枚のウェーファの重なり、すなわち二枚のガラスウエーファの間に配置さ れたシリコンウエーファを具備する。

シリコンウエーファは、一枚のガラスウェーフッと共にポンプ室を区画形成する 凹みを形成するように食刻され、少なくとも一つの入口弁と少な（とも一つの出 口弁がポンプ室を一つの入口通路と一つの出口通路のそれぞれに連通させること を可能とする。ポンプ室の壁を形成するガラスウエーファの一部は、たとえば圧 電ディスクから成る制御要素によって曲げられることが可能である。制御要素に は、二つの電極が設けられ、電圧源に接続された時ディスクを曲げることを引き 起こし、その結果としてガラスウェーフッを曲げ、ポンプ室の容積変化を引き起 こす。それゆえポンプ室の可撓な壁は、圧電ディスクがいかなる電圧も受けない 時に、対向する壁から比較的離れている第１の位置と、電圧が圧電ディスクの電 極の間に与えられる時に対向する壁により近づく第２の位置の間を移動すること ができる。

小型ポンプは、以下の方法で操作される。圧電ディスクに電圧が与えられない時 、入口及び出口の弁は、閉じられた位置にある。電圧が与えられる時、ポンプ室 内の圧力は上昇し、室の圧力が出口通路の圧力と弁の前もっての張力によって生 じる圧力の和より大きくなるとすぐに、出口弁を開けることを引き起こす。ポン プ室に含まれる流体は、次に可撓の壁の第１の位置から第２の位置への移動によ って、出口通路の方へ押される。この状態の間、大口弁はポンプ室における圧力 によって閉じられ続ける。

対照的に、ポンプ室の圧力は、電圧が減少した時に低下する。これは、ポンプ室 の圧力が出口通路の圧力と、弁の前もっての張力により生じる圧力との和より低 くなるとすぐに、出口弁を閉じ、ポンプ室の圧力と、弁の前もっての張力により 生じる圧力との和が入口通路の圧力より小さくなるとすぐに、大口弁を開ける。

次に流体が、可撓の壁の第２の位置から第１の位置への移動の結果として、入口 通路を介してポンプ室に吸い込まれる。

すでに述べたように、これらの小型ポンプは、特に薬剤の投与に使用される。さ れゆえ、小型ポンプの吐出量をよりよく決定することは重要であり、それにより 注入される薬剤は、非常に正確な方法で測定されることができる。しかしながら 、伝統的な小型ポンプは、この点においである欠点を有する。

小型ポンプの吐出量は、可撓の壁の二つの位置の間のポンプ室の容積の変化に依 存する。この容積変化は、圧電ディスクに与えられる電圧と、圧電ディスクの物 理的な特性（厚さ、直径、誘電率）と、可撓の壁の物理的な特性（材質、厚さ） 、とを含む色々な要因に依存する。外観上同じ小型ポンプに与えられる同じ電圧 が、これらの小型ポンプのポンプ室の異なる曲がりを引き起こし、これらの小型 ポンプが、結果として異なる吐出量を有する。

さらに全く同一の小型ポンプからの吐出量は、材料の老化のためにやがては変化 する。最終的に、小型ポンプの吐出量は、ポンプ室の圧力が出口通路の圧力と弁 の前もっての張力により生じる圧力との和より大きくなる時、出口弁だけが開く ために、出口通路の圧力に依存する。

上述の記事において、エッチ　パン　リンチル　エト　アル（Ｈ，ｖａｎ　Ｌｉ ｎｔｅｌ　ｅｔ　ａｌ、）は、吐出量を出口通路の圧力に依存しないようにする ことを可能とするさらなる弁が設けられている小型ポンプを記述した。しかしな がら、この小型ポンプは、前述の他の欠点を克服しなかった。

小型ポンプの吐出量が、できるかきり一定であり、特に小型ポンプの製作公差及 び小型ポンプの老化及び出口通路の圧力に依存しないことを保証するために、前 述の欠点を克服することが、本発明の主な目的である。

本発明の小型ポンプは、ウェーファの少なくとも一枚を食刻することによって得 られる凹みを区画形成する二枚の接着されたウエーファによって区画形成される ポンプ室を形成されるシール方法で互いに接着された複数のウェーファを具備し 、少なくとも一つの大口弁と少なくとも一つの出口弁が、ポンプ室を一つの入口 通路と一つの出口通路のそれぞれに連通ずることを可能とし、この小型ポンプが さらに、曲げられた壁が、ポンプ室の対向する壁から離れる第１の位置と、この 対向する壁に比較的近づく第２の位置の間にポンプ室の一つの壁を構成するウエ ーファの一部を弾性的に曲げるための制御要素を具備し、可撓な壁の変位が流体 の吸込み又は排出を引き起こす。本発明により、この小型ポンプは、ポンプ室が 可撓な壁の第２の位置を決定する止め部材を有することを特徴とする。

この止め部材は、ポンプ室の対向する壁の方向への可撓な壁の動きを制限する。

これは、流体の排出操作の最後で非常に正確な方法でポンプ室の容積を限定する ことを可能とする。

加えて、この止め部材の存在は、圧電ディスクの制御電圧、又はより一般的には 可撓な壁の曲げ制御ユニットに与えられる信号の強さにとって、正確な値を有す ることはもはや必要ないことを意味する。もしこの電圧が必要とされるものより 大きければ、止め部材とポンプ室の対向する壁の間を接触させるのに十分である 。

最終的に、止め部材は、ポンプ室の圧力が止め部材にょって固定され続ける可撓 な壁の動きの振幅を増大することによって変化されることなしに、通常の使用状 態の出口通路における圧力と出口弁の前もっての張力により生じる圧力との和よ り高いポンプ室の高圧を生じるために、圧電ディスクに高電圧を与えることを可 能とするために、出口通路における圧力に実質的に依存しない吐出量を可能とす る。

この止め部材は、特にウェーファの食刻の間、凹みの底部に形成されることがで きる一つ又は複数の突起の形状とすることができ、この凹みが可撓な壁に食刻又 は接着等によってもたらされ及び／又は設けられる。止め部材はさらに、簡単に 凹みの底部から構成され、それ自身ポンプ室の高さが選択されて設けられ、それ により可撓な壁の動きの所望な振幅と等しい。

本発明の特徴及び利点は、以下の添付図面を参照して、例の目的で与えられ、限 定されない以下の記述によってよりよく示される。

図ＩＡは、可撓な壁が第１の位置に図示されている本発明による小型ポンプのポ ンプ室の線１−Ｉに沿った断面を示す。

図ＩＢは、図ＩＡに図示されたポンプ室の平面図を示す。

図２は、可撓な壁が第２の位置にある図ＩＡ及び図ＩＢのポンプ室の線１−１に 沿った断面を示す。

図３Ａ及び図３Ｂはそれぞれ、本発明による小型ポンプのポンプ室の実施態様の 線Ｉ［−Ｈに沿った断面及び平面図を示す。

図４は、可撓な壁が第１の位置にある本発明による小型ポンプのポンプ室のもう 一つの実施態様の断面側面図である。

図５は、可撓な壁が第２の位置にある図４のポンプ室の断面側面図を示す。

図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれ本発明の小型ポンプの線■−■に沿った断面及び 平面図を示す。

図７Ａ及び図７Ｂは、それぞれ本発明のもつ一つの小型ポンプの線■−■に沿っ た断面及び平面図を示す。

図８は、伝統的な種類の二つの弁を有する小型ポンプと、本発明による小型ポン プにとって、小型ポンプの吐出量を出口通路の圧力の関数として表わすグラフで ある。

本発明による小型ポンプのポンプ室の第１の実施態様は、図ＩＡ、図ＩＢ、図２ を参照して述べられる。このポンプ室は、たとえば電気溶接又は接着によって互 いにシールされるウェーファ２．４によって形成される。これらのウェーファは 、一般的に数ミリメータの１／１０のオーダの厚さである。入口通路８と出口通 路１０と共にポンプ室を区画形成する凹み６は、液体食刻のような伝統的な写真 平版技術を使用するウェーファ２の食刻によって得られる。凹みの直径は、１ｃ ｍのオーダであり、５から２００マイクロメータの高さである。ウェーファ２は 、モノクリスタルシリコンのような容易に食刻されることができる材料から成り 、ウエーファ４はたとえばガラスから成る。

たとえば圧電ディスク１２のような制御要素は、凹み６の高さでウェーファ４の 外側表面に接着される。この圧電ディスクの各表面は、電圧源（図示せず）に接 続された電極によって覆われている。

図ＩＡ及び図２はそれぞれ、圧電ディスク１２に電圧が与えられない（第１の位 置）、又はこの圧電ディスクに電圧が与えられる（第２の位置）におけ゛るウェ ーファ４の位置を示す。

本発明により、ポンプ室には、ウェーファ４の可撓な壁１３の動きの振幅を制限 して、この可撓な壁の第２の位置を正確に限定する止め部材１４が設けられてい る。結果として、排出操作の最後、すなわち可撓な壁１３が第２の位置にある時 にポンプ室の容積は、正確に限定でき、また再現できる値を存する。

可撓な壁が、第１の位置にある時、止め部材と室の対向する壁の間の距離は、１ ０，１１１１１以下のオーダである。この距離は、ポンプ室の寸法及び所望の流 体吐出量に依存する。

図ＩＡ、ＩＢ及び図２に示されている実施態様において、圧電ディスク１２はガ ラスウエーファ４に固定されている。もちろん、シリコンウェーノア２上に圧電 ディスク１２を固定することは可能である。この種のポンプ室は、図３Ａ及び３ Ｂそれぞれに線■−■に沿った断面及び平面図に示されている。

これらの図において、図ＩＡ、ＩＢ及び図２に示されているものと同一の要素は 、同じ参照番号を有する。シリコンウェーファ２が圧電ディスク１２を支持する 時、５ｉＯｚの層１６が電気的な絶縁の目的でディスク２と圧電ディスク１２の 間に挿入される。最終的に、この実施態様において、止め部材１４の直径が、ウ ェーファ２の可撓性を極度に規制しないように圧電ディスクの直径より実質的に 小さくなければならないことば特筆される。

二つの最初に述べられた実施態様において、止め部材１４は、ポンプ室の一つの 壁から延在する止め部材から成る。これの保護部材が、凹み及び入口通路及び出 口通路の食刻の間シリコンウエーファ２に設けられる。圧電ディスクが電圧を与 えられる時、ポンプ室の対向する壁が衝突する突起の上側表面１８は、好ましく は平らである。これは、可撓な壁の第２の位置をより正確に限定することを可能 とする。

止め部材として凹み底部自身を使用することも、可能である。これは、凹みが可 撓な壁の動きの所望の振幅と等しい高さに設けられている場合である。図４及び 図５は、可撓な壁４の第１及び第２の位置それぞれにおいて、この種のポンプ室 の横断面を示す。これらの図において、ポンプ室は、入口通路８及び出口通路（ 図示せず）に連結された凹み６によって区画形成される。このポンプ室は、前の 図のようにシリコンウェーファ２及びガラスウェーファ４から成る。圧電ディス クは、ガラスウェーファ４に配置され、もちろんこのつ工−ファ１２も、図３Ａ 及び３Ｂのようにシリコンディスク２に配置される。

可撓な壁の止め部材として凹み＠６の底部２０を使用することの利点は、止め部 材が突起から成る前の実施態様と比較して、シリコンウェーファ２を食刻するの に必要な多くの操作を減少することである。さらに、図５に示すように、排出状 態の最後の室の容積は、非常に小さい。これは、液体が多くのガスの泡（弁と室 の間の有害な容積を与え、それ自身非常に小さい）が含まれる場合でさえ、効果 的なポンプ作用を保証する。他方で、もしポンプ室の容積が排出状態の最後で比 較的大きく維持されているならば、これは一般的に止め部材が突起である場合で あるが、ガスの泡はポンプ室がら排出されないで、圧縮される。

対照的に、流体の流れの抵抗が、非常に低い吐出量の小型ポンプに特に適してい る図４に示したようなポンプ室において、より大きいことは特筆される。

本発明の小型ポンプの一つの実施態様は、図６Ａ及び６Ｂそれぞれに、線ＶＩ− ＶＩに沿った断面及び平面図に示されている。この小型ポンプは、主にガラスウ ェーファ２４及び２６の間に配置されたシリコンウェーファ２２を具備する。ウ ェーファ２２は、ポンプ室を区画形成する凹み２８を形成するだめの一つの表面 及びポンプ室の可撓な壁３０を構成するウェーファ２２の一部の厚さを調節する ための他の表面を食刻される。この厚さは、たとえば１５０−である。

ウェーファ２２の二つの表面は、加えて膜３２及び大口弁の環状リブ３４と、膜 ３６及び出口弁の環状リブ３８と、入口通路４０ａ。

４０ｂ及び出口通路４２ａ、４２ｂとを形成するように彫り込まれる。弁がガラ スウェーファに接着するのを防ぐために、弁はＳｉＯ□の薄い層３５　、３９で 覆われる。

可撓な壁３０の動きを制御する圧電ディスク４４は、可撓な壁が電気的な絶縁を 与えるためにＳｉｎｇの薄い層４６で覆われた後に、シアノアクリラート接着剤 を使用して接着される。圧電ディスク４４は、フィリップス（Ｐｈｉｌｉｐｓ） で製造される直径１０ｍ＋ａ及び厚さ０．２０ｍｍのＰＸＥ−５形とすることが 可能である。

可撓な壁３０及び膜３２　、３６が、シリコンウエーファ２２に形成されている ので、膜は好ましくは良好な機械的特性を有する＜１００　＞定位のモノクリス タルシリコンのウェーファであり、これは食刻に非常に適している。このディス クは、５ｃｍの直径とすることができ、３００マイクロメータのオーダの厚さと することができる。

ウェーファ２４及び２６は、磨かれたガラスから成る。これらは、直径５ｃ１！ 及び厚さ１ｍｍである。ウェーファ２４は、入口穴４８と出口穴５０によって貫 通されている。ウェーファ２４及び２６は、電気溶接として公知の技術を使用し てウェーファ２２にシールされている。

図６Ａ及び図６Ｂに示した実施態様において、ポンプ室の高さは、電圧が圧電デ ィスク４４に与えられない時、可撓な壁３０とウェーファ２６の間の距離であり 、止め部材がウェーファ２６の表面によって形成されるように選択される（ウェ ーファ２２の食刻の間）。ポンプ室はこのように、図４及び５を参照して述べら れたものと同様であり、ただ一つの違いは、圧電ディスクがガラスウェーファの 代わりにシリコンウェーファ上に固定されていることである。

図７Ａ及び７Ｂそれぞれは、本発明の他の実施態様による小型ポンプの線■−■ に沿った断面及び平面図を示す。この小型ポンプは、図６Ａ及び６Ｂに示した小 型ポンプより小型である。これは、ポンプ室の壁の一つに直接小型ポンプの大口 弁を配置することによって達成される。それ上に出口弁の一部も配置することは 可能である。

この小型ポンプは、二つのガラスウェーファ５４及び５６の間に配置されたシリ コンウェーファ５２から成る。ウェーファ５２の一つの表面は、ポンプ室を区画 形成する凹み５８を形成するために食刻され、この食刻作業の間、突起６０は本 発明による止め部材を構成するように形成される。シリコンウェーファ５２の二 つの表面は、さらに膜６２及び大口弁の環状リブ６４と、入口通路７０及び出口 通路７２ａ、７２ｂとを形成するように食刻される。５ｉｎ２の層６５　、６７ は、弁がガラスウェーファに接着するのを防ぐために、環状リブ６４　、６８上 に形成される。

大口弁は、好ましくは凹み５８の中心に位置される。この場合において、突起６ ０もまた凹み５８及び大口弁に関して中心に位置され、環の形状を有する。弁に は、膜の破損の危険を減少するために、振幅規制部材が設けられることができる 。出口弁の場合において、この規制部材は、環状リブ６９から成り、大口弁の場 合において、規制部材として働（突起６０である。

通路７１　、７３は、好ましくはこれらの規制部材がガラスウエーファ５４　、 ５６と接触する時、液体の流れを可能とするために弁の振幅規制部材に設けられ る。

食刻作業の後、ガラスウェーファ５４及び５６は、シリコンウェーファ５２に電 気溶接によってシールされ、ガラスウェーファ５４には、入口開口部７４と出口 開口部７６とが設けられる。ポンプ室の可撓な壁７８は、ガラスウェーファ５６ の一部から成り、その厚さは２００−〇オーダである。

圧電ディスク８０は、その動きを制御するためにこの壁７８に接着される。本発 明により、環状突起６０は、排出操作の最後でポンプ室の容積を正確に限定する ことを可能とする可撓な壁の動きの振幅を制限する。

この止め部材はさらに、通常の使用のもとて小型ポンプの一定の吐出量を保つこ とを可能とする。図８のグラフかられかるように、伝統的な二つの弁の小型ポン プの吐出量■は、小型ポンプの吐出量における圧力Ｐの一次関数である（曲線Ａ ）。対照的に、本発明の小型ポンプの吐出量では、通常の操作圧力範囲において 実質的に一定である（曲線Ｂ）、この理由は、最大操作圧力以下の圧力のために 、可撓な壁の変位によって起こる容積変化が制限されるためである。このように 吐出量は、最大操作圧力に対応する吐出量と大体同じである。

国際調査報告 国際調査報告 ＣＨ９００００９３ Ｓ＾　３５６００

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．ウェーファの少なくとも一枚を食刻することによって形成される凹みを区画 形成する二枚の接着されたウェーファによって区画形成されるポンプ室を形成す るように、互いにシールされた複数のウェーファを具備する小型ポンプであって 、少なくとも一つの入口弁と少なくとも一つの出口弁がポンプ室を一つの入口通 路と一つの出口通路それぞれに連通することを可能とし、前記小型ポンプがさら に、可撓な壁がポンプ室の対向する壁から比較的離れている第１の位置と、前記 可撓な壁が前記対向する壁により近づいている第２の位置の間をポンプ室の壁を 構成するウェーファの一部を弾性的に曲げるための制御要素を具備し、可換な壁 の変位がポンプ室への流体の吸込み及びその排出を引き起こす小型ポンプにおい て、前記ポンプ室が可撓な壁の前記第２の位置を限定する止め部材を具備するこ とを特徴とする小型ポンプ。
2. ２．止め部材が、ポンプ室の内側表面に形成された突起である請求項１に記載の 小型ポンプ。
3. ３．可撓な壁が第２の位置にある時、ポンプ室の内側表面と接触する止め部材の 表面が平らである請求項２に記載の小型ポンプ。
4. ４．突起が、その食刻の間に凹みの底部に形成される請求項２又は３に記載の小 型ポンプ。
5. ５．止め部材が、可撓な壁と向き合って設置されたポンプ室の壁の内側表面から 成る請求項１に記載の小型ポンプ。
6. ６．ポンプ室を区画形成するウェーファの一枚が、シリコンから成り、他がガラ スから成り、凹み及び止め部材がシリコンウェーファの食刻によって形成される 請求項１から５のいずれか一つに記載の小型ポンプ。
7. ７．可撓な壁が、シリコンウェーファの一部である請求項６に記載の小型ポンプ 。
8. ８．シリコンウェーファがモノクリスタルシリコンから成る請求項６又は７に記 載の小型ポンプ。
9. ９．一つの入口弁が、可撓な壁と対向するポンプ室の壁に配置され、少なくとも この弁の一部が止め部材を構成する請求項１から８のいずれか一つに記載の小型 ポンプ。
10. １０．制御要素が、可撓な壁に固定された圧電ディスクを具備する請求項１から ７のいずれか一つに記載の小型ポンプ。