特許 6786501 微小電気機械システムを製造する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6786501

(24)【登録日】2020年10月30日

(45)【発行日】2020年11月18日

(54)【発明の名称】微小電気機械システムを製造する方法

(51)【国際特許分類】

   B81C 3/00 20060101AFI20201109BHJP

   B81B 3/00 20060101ALI20201109BHJP

   F04B 43/02 20060101ALI20201109BHJP

【ＦＩ】

   B81C3/00

   B81B3/00

   F04B43/02 A

【請求項の数】16

【全頁数】34

(21)【出願番号】特願2017-542802(P2017-542802)

(86)(22)【出願日】2015年10月30日

(65)【公表番号】特表2018-503526(P2018-503526A)

(43)【公表日】2018年2月8日

(86)【国際出願番号】US2015058222

(87)【国際公開番号】WO2016069988

(87)【国際公開日】20160506

【審査請求日】2018年10月22日

(31)【優先権主張番号】62/073,092

(32)【優先日】2014年10月31日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】517150102

【氏名又は名称】マーシュ， スティーブン アラン

(74)【代理人】

【識別番号】100078282

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 秀策

(74)【代理人】

【識別番号】100113413

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 夏樹

(74)【代理人】

【識別番号】100181674

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 貴敏

(74)【代理人】

【識別番号】100181641

【弁理士】

【氏名又は名称】石川 大輔

(74)【代理人】

【識別番号】230113332

【弁護士】

【氏名又は名称】山本 健策

(72)【発明者】

【氏名】マーシュ， スティーブン アラン

【審査官】 石川 健一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−２４７８３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１３−５１２１１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−００８８８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−０７９４６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−００１６６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０１３０６０７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００３／０２３１９６７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ８１Ｃ １／００−９９／００

Ｂ８１Ｂ １／００−７／０４

Ｆ０４Ｂ ４３／０２

Ｆ１６Ｋ ７／１２

Ｇ０１Ｎ ３５／０８

Ｇ０１Ｎ ３７／００

Ｂ０１Ｊ １９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

微小電気機械システムを製造する方法であって、前記微小電気機械システムは、固定された本体と、前記固定された本体から解放可能であり、解放されると前記固定された本体に対して移動可能である要素とを備え、前記方法は、
可撓性プラスチック材料の第１のシートの第１の表面上の金属コーティングをパターニングすることにより、前記第１のシートの前記第１の表面の第１の部分から前記金属コーティングを除去するとともに、前記第１のシートの前記第１の表面の第２の部分上に第１の金属領域を残すことと、
前記第１のシートをパターニングすることにより、前記第１のシートの前記第１の部分から前記固定された本体を生成し、かつ、可撓性プラスチック材料の前記第１のシートの前記第２の部分から前記要素を生成することであって、前記要素は、前記第１の金属領域を有し、前記固定された本体の一部に繋がれている、ことと、
可撓性プラスチック材料の第２のシートを前記第１のシートに積層することにより、複合積層構造を提供することと
を含む、方法。

【請求項2】

前記微小電気機械システムは、マイクロポンプであり、前記固定された本体は、ポンプ本体であり、前記要素は、弁の移動可能な要素である、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記第１のシートをパターニングすることは、前記金属コーティングをアブレーションすることにより、前記第１の金属領域を残すことを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記要素は、第１の要素であり、前記固定された本体の前記一部は、前記固定された本体の第１の部分であり、前記金属コーティングをパターニングすることは、
前記金属コーティングをアブレーションすることにより、前記第１のシート上に前記第１の金属領域および第２の金属領域を残すことをさらに含み、前記第１のシートをパターニングすることは、
前記第１のシートをパターニングすることにより、前記第１のシートの第３の部分から第２の要素を生成することをさらに含み、前記第２の要素は、前記固定された本体から解放可能であり、解放されると前記固定された本体に対して移動可能であり、前記第２の要素は、前記第２の金属領域を有し、前記固定された本体の第２の部分に繋がれている、請求項２に記載の方法。

【請求項5】

導電性層を前記第２のシートの第１の表面上に堆積することをさらに含み、前記導電性層は、前記第２のシートの前記第１の表面上の電極を提供する、請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記第２のシートは、前記第２のシートの第１の表面上に導電性層を有する、請求項１に記載の方法。

【請求項7】

前記微小電気機械システムは、ロール・ツー・ロール処理ライン上で製作され、前記方法は、
前記金属コーティングを有する前記可撓性プラスチック材料の前記第１のシートを第１のロールから繰り出すことと、
片面上に金属コーティングを有する前記可撓性プラスチック材料の前記第２のシートを第２のロールから繰り出すことと
をさらに含み、
前記第１のシート上の前記金属コーティングのパターニングは、アブレーションすることを含み、前記第１のシートのパターニングは、アブレーションすることを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項8】

前記第２のシートは、前記第２のシートの第１の表面上に導電性層を有し、前記方法は、
前記第２のシート上の前記導電性層をパターニングすることにより、前記導電性層の分離された領域を提供すること
をさらに含み、
前記分離された領域は、前記第２のシート上の電極を提供する、請求項１に記載の方法。

【請求項9】

前記固定された本体を含む複数の固定された本体、前記要素、および追加の要素は、前記金属コーティングをパターニングすることおよび前記第１のシートをパターニングすることによって提供され、前記第２のシートを積層することは、前記複合積層構造を含む複数の複合積層構造を提供し、前記方法は、
前記複数の複合積層構造を個々のダイにダイカットすることと、
前記個々のダイをスタックすることにより、スタックされた構造を生成することと、
前記スタックされた構造を積層することにより、前記微小電気機械システムの構成要素を生成することと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項10】

前記微小電気機械システムは、マイクロポンプであり、前記固定された本体は、ポンプ本体であり、前記要素は、弁の弁要素であり、前記金属コーティングのパターニングは、第２の金属領域を前記第１のシート上に生成することをさらに含み、前記第１のシートをパターニングすることは、前記ポンプ本体から解放可能であり、解放されると前記ポンプ本体に対して移動可能である別の要素を提供し、前記第１の要素および第２の要素は、前記ポンプ本体の入口および出口における弁の弁要素である、請求項１に記載の方法。

【請求項11】

第１のロールから、前記第１のシートの前記第１の表面上に前記金属コーティングを有する前記可撓性材料の前記第１のシートを展開することと、
第２のロールから、前記可撓性材料の前記第２のシートを展開することと、
前記第１のシートを前記第２のシートに積層することにより、前記第１のシートの前記第１の位置において前記第１のシートを前記第２のシートに共に接着するが、前記第２のシートは、前記第１のシート上の前記第１の金属領域に接着しない、ことと
をさらに含む、請求項７に記載の方法。

【請求項12】

前記微小電気機械システムは、マイクロポンプであり、前記要素は、弁の弁要素である、請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

前記微小電気機械システムは、マイクロポンプであり、前記固定された本体は、ポンプ本体であり、前記要素は、第１の要素であり、前記マイクロポンプは、移動可能かつ解放可能である第２の要素をさらに含み、前記第１の要素および第２の要素は、前記ポンプ本体の入口および出口における弁要素である、請求項１１に記載の方法。

【請求項14】

前記第１の要素および第２の要素は、Ｔ弁のＴ形状の部材およびオメガ弁のオメガ形状の部材である、請求項１３に記載の方法。

【請求項15】

少なくとも前記第１のシートは、ロール・ツー・ロール処理ラインのウェブシートである、請求項１１に記載の方法。

【請求項16】

前記第２のシートを前記第１のシートに積層することは、前記第１のシートの前記第１の位置において前記第２のシートを前記第１のシートに接着し、前記第１のシート上の前記第１の金属領域を前記第２のシートに接着されないままにする、請求項１に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、米国仮特許出願第６２／０７３，０９２号（２０１４年１０月３１日出願、名称「Ｍｉｃｒｏ Ｐｕｍｐ Ｓｙｓｔｅｍｓ」）に対する米国特許法§１１９に基づく優先権を主張し、上記出願の全内容は、参照により本明細書に援用される。

【0002】

本明細書は、微小電気機械システムに関する。

【背景技術】

【0003】

微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）は、マイクロメートルサイズの電気機械構成要素が半導体デバイス製作（すなわち、フォトリソグラフィおよびエッチング処理によってパターニングされる材料層、特に、マイクロ流体用途のための射出成形、エンボス製作、またはステレオリソグラフィ（３Ｄ印刷）等のプロセスを使用するポリマー、ならびに電気めっき、蒸着、およびスパッタリングプロセスによって堆積される金属の堆積）において一般的に使用されるシリコン半導体プロセスラインを使用してシリコンの基板上に製作される技法に与えられる名称である。シリコン、アルミニウム、およびチタンの窒化物等のセラミックならびに炭化ケイ素および他のセラミック材料特性。微小電気機械システムは、典型的には、データを処理する中央ユニットと、周囲と相互作用するいくつかの構成要素とを含む。微小電気機械システムの例は、マイクロセンサ（生体、化学、および機械）、種々のタイプの構造、ならびにマイクロアクチュエータを含む。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0004】

マイクロポンプ等の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）を生成するためのロール・ツー・ロール製作技法が、説明される。ロール・ツー・ロール処理は、種々の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）を製造するために使用されることができる。特定の部品が微小電気機械システムの動作時に移動すべき特定の微小電気機械システムにおける解放可能な機械構造および移動可能な機械構造である機械構造を生成するために特有のロール・ツー・ロール製作技法が説明される。

【0005】

ある側面によると、固定された本体要素および固定された本体要素に関連付けられた解放可能かつ移動可能な特徴を有する微小電気機械システムを製造する方法は、シートの片面上に金属コーティングを有する可撓性プラスチック材料の第１のシートをパターニングし、片面上に第１の金属領域を生成することと、第１のシートをパターニングし、固定された本体要素を可撓性プラスチック材料の第１のシートから、解放可能かつ移動可能な特徴を第１の金属領域を有する第１のシートの一部から生成することであって、解放可能かつ移動可能な特徴のパターニングは、解放可能かつ移動可能な特徴を固定された本体要素の一部に繋がれたまま残す、ことと、可撓性プラスチック材料の第２のシートを第１のシートに積層し、複合積層構造を提供することとを含む。

【0006】

以下は、本側面の範囲内のいくつかの実施形態である。

【0007】

方法では、微小電気機械システムは、マイクロポンプであり、固定された本体要素は、ポンプ本体であり、解放可能かつ移動可能な要素は、弁要素である。第１のシートのパターニングは、アブレーションすることと、第１の金属領域および第２の金属領域を第１のシート上に生成することとを含み、移動可能かつ解放可能な要素は、第１の移動可能かつ解放可能な要素であり、マイクロポンプは、第２の金属領域を有する第１のシートの一部からパターニングされた第２の移動可能かつ解放可能な要素を備え、第１および第２の移動可能かつ解放可能な要素は、ポンプ本体の入口および出口における弁要素である。移動可能かつ解放可能な要素は、Ｔ弁のＴ形状の部材およびオメガ弁のオメガ形状の部材である。方法はさらに、伝導性層の第２のシートを第２のシートの第１の表面上に堆積することを含む。伝導性層の堆積が、第２のシートの積層に先立って生じる。

【0008】

微小電気機械システムは、ロール・ツー・ロール処理ライン上で製作され、方法はさらに、金属コーティングを有する可撓性プラスチック材料の第１のシートを第１のロールから除去することと、片面上に金属コーティングを有する可撓性プラスチック材料の第２のシートを第２のロールから除去することであって、アブレーションは、第１のステーションで生じ、パターニングは、第２のステーションで生じ、積層は、第３のステーションで生じる、こととを含む。方法はさらに、伝導性層の第２のシートを第２のシートの第１の表面上に堆積することと、第２のシート上の伝導性層をパターニングし、電極を第２のシート上に提供する、伝導性層の分離された領域を提供することとを含む。方法はさらに、複合積層構造を固定された本体要素および解放可能かつ移動可能な特徴を備えている個々のダイにダイカットすることと、個々のダイをスタックし、スタックされた構造を生成することと、スタックされた構造を積層し、微小電気機械システムの構成要素を生成することとを含む。微小電気機械システムは、マイクロポンプであり、固定された本体要素は、ポンプ本体であり、解放可能かつ移動可能な要素は、弁要素であり、第１のシートのパターニングは、第１の金属領域および第２の金属領域を第１のシート上に生成するためにアブレーションすることを含み、移動可能かつ解放可能な要素は、第１の移動可能かつ解放可能な要素であり、マイクロポンプは、第２の金属領域を有する第１のシートの一部からパターニングされた第２の移動可能かつ解放可能な要素を備え、第１および第２の移動可能かつ解放可能な要素は、ポンプ本体の入口および出口における弁要素である。

【0009】

ある側面によると、ロール・ツー・ロール処理ラインにおいて微小電気機械システムを製造する方法は、第１のロールから、シートの片面上に金属コーティングを有する可撓性材料の第１のウェブを展開することと、第２のロールから、可撓性材料の第２のウェブを展開することと、第１のパターニングステーションにおいて、シートが第１のパターニングステーションを通って横断するとき、本体要素および移動可能要素を材料の第２のシートから生成することと、第３のロールから、第３のシート上に金属層を有する可撓性材料の第３のウェブを展開することと、積層ステーションにおいて、第３のウェブを第２のウェブに積層することとを含む。

【0010】

以下は、本側面の範囲内のいくつかの実施形態である。

【0011】

微小電気機械システムは、マイクロポンプであり、移動可能かつ解放可能な要素は、弁要素である。微小電気機械システムは、マイクロポンプであり、２つの移動可能かつ解放可能な要素は、ポンプ本体である本体の入口および出口における弁要素である。方法はさらに、犠牲充填材料を本体要素および移動可能要素に適用することと、積層後、犠牲充填材料を好適な溶媒を用いて除去することとを含む。

【0012】

１つ以上の側面は、以下の利点のうちの１つ以上のものを含み得る。

【0013】

これらの技法を用いることによって、マイクロセンサ、マイクロアクチュエータ、マイクロポンプ等の微小電気機械システムは、ロール・ツー・ロール処理等の技法によって作製され得る、解放可能かつ移動可能な（自由に移動可能かつ曲がり可能な）特徴とともに製作される。そのような特徴を有する、そのような微小電気機械システムは、ロール・ツー・ロール（Ｒ２Ｒ）処理を使用して、非常に安価な様式で製作されることができる。

【0014】

本発明の１つ以上の実施形態の詳細が、付随の図面および以下の説明に記載される。本発明の他の特徴、目的、および利点は、説明および図面ならびに請求項から明白となる。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
微小電気機械システムを製造する方法であって、前記微小電気機械システムは、固定された本体要素および前記固定された本体要素に関連付けられた解放可能かつ移動可能な特徴を備え、前記方法は、
シートの片面上に金属コーティングを有する可撓性プラスチック材料の第１のシートをパターニングし、前記片面上に第１の金属領域を生成することと、
前記第１のシートをパターニングし、前記固定された本体要素を可撓性プラスチック材料の前記第１のシートから生成し、かつ、前記解放可能かつ移動可能な特徴を前記第１の金属領域を有する前記第１のシートの一部から生成することであって、前記解放可能かつ移動可能な特徴のパターニングは、前記解放可能かつ移動可能な特徴を前記固定された本体要素の一部に繋がれたまま残す、ことと、
可撓性プラスチック材料の第２のシートを前記第１のシートに積層し、複合積層構造を提供することと
を含む、方法。
（項目２）
前記微小電気機械システムは、マイクロポンプであり、前記固定された本体要素は、ポンプ本体であり、前記解放可能かつ移動可能な要素は、弁要素である、項目１に記載の方法。
（項目３）
前記第１のシートのパターニングは、アブレーションすることと、前記第１の金属領域および第２の金属領域を前記第１のシート上に生成することとを含み、前記移動可能かつ解放可能な要素は、第１の移動可能かつ解放可能な要素であり、前記マイクロポンプは、前記第２の金属領域を有する前記第１のシートの一部からパターニングされた第２の移動可能かつ解放可能な要素を備え、前記第１および第２の移動可能かつ解放可能な要素は、前記ポンプ本体の入口および出口における弁要素である、項目２に記載の方法。
（項目４）
前記移動可能かつ解放可能な要素は、Ｔ弁のＴ形状の部材およびオメガ弁のオメガ形状の部材である、項目２に記載の方法。
（項目５）
伝導性層の第２のシートを前記第２のシートの第１の表面上に堆積することをさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目６）
前記伝導性層の堆積は、前記第２のシートの積層に先立って生じる、項目１に記載の方法。
（項目７）
前記微小電気機械システムは、ロール・ツー・ロール処理ライン上で製作され、前記方法は、
前記金属コーティングを有する前記可撓性プラスチック材料の前記第１のシートを第１のロールから除去することと、
片面上に金属コーティングを有する前記可撓性プラスチック材料の前記第２のシートを第２のロールから除去することと
をさらに含み、
アブレーションは、第１のステーションで生じ、パターニングは、第２のステーションで生じ、積層は、第３のステーションで生じる、
項目１に記載の方法。
（項目８）
伝導性層の第２のシートを前記第２のシートの第１の表面上に堆積することと、
前記第２のシート上の前記伝導性層をパターニングし、前記伝導性層の分離された領域を提供することと
をさらに含み、
前記分離された領域は、前記第２のシート上の電極を提供する、項目１に記載の方法。
（項目９）
前記複合積層構造を前記固定された本体要素および前記解放可能かつ移動可能な特徴を備えている個々のダイにダイカットすることと、
前記個々のダイをスタックし、スタックされた構造を生成することと、
前記スタックされた構造を積層し、前記微小電気機械システムの構成要素を生成することと
をさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目１０）
前記微小電気機械システムは、マイクロポンプであり、前記固定された本体要素は、ポンプ本体であり、前記解放可能かつ移動可能な要素は、弁要素であり、前記第１のシートのパターニングは、前記第１の金属領域および第２の金属領域を前記第１のシート上に生成するためにアブレーションすることを含み、前記移動可能かつ解放可能な要素は、第１の移動可能かつ解放可能な要素であり、前記マイクロポンプは、前記第２の金属領域を有する前記第１のシートの一部からパターニングされた第２の移動可能かつ解放可能な要素を備え、前記第１および第２の移動可能かつ解放可能な要素は、前記ポンプ本体の入口および出口における弁要素である、項目９に記載の方法。
（項目１１）
ロール・ツー・ロール処理ラインにおいて微小電気機械システムを製造する方法であって、前記方法は、
第１のロールから、シートの片面上に金属コーティングを有する可撓性材料の第１のウェブを展開することと、
第２のロールから、可撓性材料の第２のウェブを展開することと、
第１のパターニングステーションにおいて、前記シートが前記第１のパターニングステーションを通って横断するとき、本体要素および移動可能要素を前記材料の第２のシートから生成することと、
第３のロールから、前記第３のシート上に金属層を有する可撓性材料の第３のウェブを展開することと、
積層ステーションにおいて、前記第３のウェブを前記第２のウェブに積層することと
を含む、方法。
（項目１２）
前記微小電気機械システムは、マイクロポンプであり、前記移動可能かつ解放可能な要素は、弁要素である、項目１１に記載の方法。
（項目１３）
前記マイクロポンプ、および、ポンプ本体である前記本体の入口および出口における弁要素である２つの移動可能かつ解放可能な要素、項目１２に記載の方法。
（項目１４）
犠牲充填材料を前記本体要素および移動可能要素に適用することと、
積層後、前記犠牲充填材料を好適な溶媒を用いて除去することと、
をさらに含む、項目１２に記載の方法。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】図１Ａおよび１Ｂは、圧送サイクルの２つの逆位相で動作するマイクロポンプとしての微小電気機械システムの機能ブロック図である。

【図2A】図２Ａは、組み立てられたモジュール層のスタックの組み立てられた図である。

【図2B】図２Ｂは、モジュール層の分解図である。

【図2C】図２Ｃは、図２Ｂのモジュール層の組み立てられた図である。

【図2D】図２Ｄは、中間モジュール層の分解図である。

【図3】図３および４は、マイクロポンプの電極への印加のための電圧波形のプロットである。

【図4】図３および４は、マイクロポンプの電極への印加のための電圧波形のプロットである。

【図5】図５は、例示的駆動回路のブロック図である。

【図6】図６は、例示的グリッド構成に配置されるマイクロポンプのブロック図である。

【図7】図７は、ダイフレーム内に統合されるマイクロポンプの斜視図である。

【図8A】図８Ａおよび８Ｂは、冷却配置における例示的冷却デバイスのそれぞれの上部側面図および底部側面図である。

【図8B】図８Ａおよび８Ｂは、冷却配置における例示的冷却デバイスのそれぞれの上部側面図および底部側面図である。

【図9A】図９Ａ−９Ｃは、気道圧呼吸デバイスのそれぞれの斜視、正面、および立体図である。

【図9B】図９Ａ−９Ｃは、気道圧呼吸デバイスのそれぞれの斜視、正面、および立体図である。

【図9C】図９Ａ−９Ｃは、気道圧呼吸デバイスのそれぞれの斜視、正面、および立体図である。

【図10】図の説明なし。

【図10-1】図１０Ａ−１０Ｆは、呼気弁の図である。

【図10-2】図１０Ａ−１０Ｆは、呼気弁の図である。

【図10-3】図１０Ａ−１０Ｆは、呼気弁の図である。

【図11A】図１１Ａ−１１Ｄは、例示的スライディング弁の詳細を示す。

【図11B】図１１Ａ−１１Ｄは、例示的スライディング弁の詳細を示す。

【図11C】図１１Ａ−１１Ｄは、例示的スライディング弁の詳細を示す。

【図11D】図１１Ａ−１１Ｄは、例示的スライディング弁の詳細を示す。

【図12】図１２は、ロール・ツー・ロール処理構成の概念図である。

【図12A】図１２Ａは、図２Ｂの構造のための例示的ロール・ツー・ロール処理ステーションの一部の概念図である。

【図13A】図１３Ａ−１３Ｄは、解放可能かつ移動可能な特徴を伴うデバイスを構築するためのロール・ツー・ロール実装の図である。

【図13B】図１３Ａ−１３Ｄは、解放可能かつ移動可能な特徴を伴うデバイスを構築するためのロール・ツー・ロール実装の図である。

【図13C】図１３Ａ−１３Ｄは、解放可能かつ移動可能な特徴を伴うデバイスを構築するためのロール・ツー・ロール実装の図である。

【図13D】図１３Ａ−１３Ｄは、解放可能かつ移動可能な特徴を伴うデバイスを構築するためのロール・ツー・ロール実装の図である。

【図14】図１４は、マスクの図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

（概要）
以下に論じられるような、マイクロセンサ、マイクロアクチュエータのマイクロポンプ等の微小電気機械システムは、ロール・ツー・ロール処理によって製作される。

【0017】

微小電気機械システムは、ラボオンチップシステムであることができ、燃料電池、高流束電子冷却システム、および生物化学システムにおいて使用されることができる。マイクロポンプ等の微小電気機械システムは、少量の正確に測定された量において、流体、例えば、ガスまたは液体を輸送することができる。マイクロポンプは、種々の用途において使用されることができる。ロール・ツー・ロール技法を用いて製作されるので、これらのデバイスは、非常に安価に作製されることができる。

【0018】

（マイクロポンプシステム）
（マイクロポンプ）
ここで、ロール・ツー・ロール処理によって製作される微小電気機械システムが、マイクロポンプの例と共に説明される。

【0019】

図１は、単一のコンパートメント化されたポンプチャンバ１０４を含むマイクロポンプ１００を示す。ポンプ本体１０２は、圧送方向１１４に沿って、２つの壁１１０、１１２と、圧送方向１１４と垂直方向に沿って互いに対向する、２つの固定端部壁１０６、１０８とを含む。壁１０６、１０８、１１０、および１１２は、膜によってコンパートメント化された単一チャンバ１０４を画定する。すなわち、２つの端部壁１０６、１０８間に、膜１１６、１１８、１２０、１２２、１２４、１２６が、壁１１０から壁１１２まで延び、ポンプチャンバ１０４を７つのコンパートメント１３０、１３２、１３４、１３６、１３８、１４０、１４２に分離する。この実装では、各コンパートメントは、それぞれ、壁１１０、１１２内に画定された入口と、出口とを含む。例えば、コンパートメント１３０は、壁１１０内の入口１５０と、壁１１２内の出口１５２とを含む。他の入口および出口は、標識されていない。

【0020】

コンパートメント１３０−１４２は、互いから流体シールされている。いくつかの実装では、異なるコンパートメントが、同一入口および／または同一出口（図には図示せず）を有することができ、これらの異なるコンパートメントは、互いに流体連通し得る。ポンプチャンバ１０４の対向端部における２つのコンパートメント１３０、１４２は、ポンプ本体１０２の固定壁と膜とによって提供される壁を有する。コンパートメント１３０、１４２間の他の中間コンパートメントは全て、２つの膜から形成される壁を有する。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの中間コンパートメントは、２つの膜から形成されるコンパートメント壁を有する。６つの膜が、図に示されるが、ポンプチャンバは、追加の中間コンパートメントを用いて延長されることができる。電極（図１Ａおよび１Ｂでは明示的に図示されないので、図２Ａおよび２Ｃを参照）が、膜１１６−１２６の各々に取り付けられ、随意に、端部壁キャップ１０６、１０８に取り付けられる。

【0021】

電極は、駆動回路（図３−５参照）に接続され、駆動回路は、電圧を電極に送達し、静電誘引／反発を通して膜を活性化する。活性化を伴わないと、膜は、図中の点線によって識別される名目上の位置に静止する。静止時の各膜は、端部壁１０６、１０８と実質的に平行であることができ、コンパートメント１３２−１４０は、同じ名目上の容積Ｖｉを有することができる。例えば、その名目上の位置における２つの隣接する膜間の距離は、約５０ミクロンであり、名目上の容積Ｖｉは、ナノリットル〜マイクロリットル〜ミリリットル、例えば、０．１マイクロリットルの範囲であることができる。

【0022】

いくつかの実装では、コンパートメント１３０、１４２の各々は、中間コンパートメント１３２−１４０の名目上の容積の半分である名目上の容積Ｖｅを有する。例えば、その名目上の位置における膜１１６と端部壁１０６との間、またはその名目上の位置における膜１２６と端部壁１０８との間の距離は、約２５ミクロンである。名目上の容積Ｖｅは、ナノリットル〜マイクロリットル〜ミリリットル、例えば、０．０５マイクロリットルの範囲であることができる。コンパートメント１３０−１４２は、異なるサイズを有することもできる。サイズは、例えば、ロール・ツー・ロール製造ラインの特定のプロセス要件ならびに電力消費および用途考慮に基づいて、選定されることができる。

【0023】

例えば、幅２５ミクロンを有するコンパートメント１３０、１４２は、減少したピーク駆動電圧を伴う起動機能を可能にすることができる。駆動電圧は、以下にさらに論じられる。例として、マイクロポンプは、約１．５ｍｍの長さ、約１．５ｍｍの幅、０．０５ｍｍの総高さ（異なるコンパートメントの累積高さ）、および約０．１１２５ｍｍ^３の総容積を有する内部容積を有することができる。

【0024】

類似目的のために使用される従来のポンプと比較して、マイクロポンプは、より少ない応力を受けるより少ない材料を使用し、より少ない電力を使用して駆動される。マイクロポンプは、ミクロン〜ミリメートル規模のサイズを有し、広範囲の流量および圧力を提供することができる。概算として、マイクロポンプによって提供される流量は、
マイクロポンプの総容積×駆動周波数
として計算されることができる。

【0025】

概して、流量は、マイクロリットルの規模であることができる。概して、圧力は、マイクロポンプに投入されるエネルギー、例えば、駆動電圧の量によって影響される。いくつかの実装では、電圧が高いほど、電圧が大きく、電圧の上限は、マイクロポンプの故障限界によって定義され、電圧の下限は、膜の作動能力によって定義される。マイクロポンプの圧力は、約１マイクロｐｓｉ〜１０分の１ｐｓｉの範囲内であることができる。選択される範囲の流量および圧力は、ポンプ材料、ポンプ設計、およびポンプ製造技法の選択によって達成されることができる。説明されるマイクロポンプは、往復動カテゴリ内の容積型ポンプである。圧送は、マイクロポンプのポンプチャンバの作動を通した流体（例えば、ガスまたは液体）装填と、排出動作とを含む２つの交互する動作において生じる。装填動作では、ポンプチャンバは、より低い圧力源に開放され、流体がチャンバの中を満たす。排出動作では、ポンプチャンバ内側の流体は、ポンプチャンバからより高い圧力シンクへ圧縮される。

【0026】

図１Ａおよび１Ｂは、同一ポンプの２つの動作状態を示し、コンパートメントは、隣接する膜が互いに向かって移動し、コンパートメントの容積を減少させると圧縮され、ガスをコンパートメントから排出する。そのコンパートメントの圧縮と同時に、隣接するコンパートメントは、その２つの膜が互いから離れるように移動すると、装填され、チャンバ容積を拡張させる。作動されると、ポンプチャンバの各膜は、中心、すなわち、膜が作動されていないとき静止する名目上の場所を中心として、２つの反対方向に移動することができる。

【0027】

動作時、従来のポンプチャンバの膜は、圧送において使用される単一ポンプチャンバコンパートメントを形成する。ガスは、圧送サイクルの装填および排出動作中、１回、装填され、排出される。ガスは、半サイクル中のみ、流出し、ガスは、他の半サイクル中、流入する。

【0028】

マイクロポンプでは、各コンパートメントが、圧送において使用される。例えば、２つの固定端部壁間の２つの膜が、圧送のために、３つのコンパートメントを形成する。マイクロポンプは、例えば、個々の膜が、より少ない距離を移動し、したがって、より少なく駆動されるので、同一量の圧送を行う従来のポンプより高い効率を有することができ、かつより少ないエネルギーを消費することができる。効率およびエネルギー節約はさらに、２つの固定端部壁間の膜およびコンパートメントの数が増加すると、増加することができる。

【0029】

概して、圧送を行うために、各コンパートメントは、ガス入口と、ガス出口とを含む。入口および出口は、弁、例えば、弁に加えられる圧力に応答して開閉する受動弁を含むことができる。いくつかの実装では、弁は、フラップ弁であり、ポンプコンパートメントの内外へのガスの流動によって生成される弁を跨いだ圧力差によって駆動される。能動駆動が要求されないので、フラップ弁は、ポンプ動作の複雑性を低減させることができる。代替として、ノズルおよび拡散器を使用して、弁なし方式でマイクロポンプを構築することも可能である。

【0030】

概して、膜は、静電力によって駆動され、移動する。電極が、固定端部壁および膜のそれぞれに取り付けられることができる。コンパートメントの装填動作中、コンパートメントの２つの隣接する電極は、同一の正または負の電圧を有し、２つの電極、したがって、２つの膜に互いに反発させる。コンパートメントの排出動作中、コンパートメントの２つの隣接する電極は、反対の正または負の電圧を有し、２つの電極、したがって、２つの膜を互いに誘引させる。

【0031】

コンパートメントの２つの電極は、平行板静電アクチュエータを形成する。電極は、概して、小型サイズおよび低静的電力消費を有する。高電圧が、各電極に印加され、コンパートメントを作動させることができる。しかし、作動は、比較的に低電流で行われることができる。

【0032】

前述のように、マイクロポンプの各膜は、その中心の名目上の位置に対して２つの反対方向に移動する。故に、従来のポンプ内のコンパートメントと比較して、同一量の容積によってコンパートメントを拡張または縮小するために、本明細書の膜は、例えば、従来のポンプ内の膜の半分未満の距離を移動する。その結果、膜は、より少ない曲がりおよびより少ない応力を被り、より長い寿命につながり、より広い材料の選択肢を可能にする。加えて、膜の移動距離が比較的に短いので、膜上の電極のための開始駆動電圧は、比較的に低くあることができる。故に、より少ない電力が、消費される。２つの膜を有するコンパートメントに対して、両方の膜が移動しているので、プルイン電圧に到達するためにかかる時間は、より短くなることができる。

【0033】

電圧を電極に印加するための駆動回路は、低ＤＣ電圧源を要し、それをＡＣ波形に変換する。波形の周波数および形状は、電圧制御式発振器によって制御されることができる。駆動電圧は、増倍器回路によって、要求されるレベルまで昇圧されることができる。

【0034】

前述の特徴を有するマイクロポンプ等の微小電気機械システムは、ロール・ツー・ロール（Ｒ２Ｒ）処理を使用して製作される。ロール・ツー・ロール処理は、可撓性プラスチックまたは金属箔のロールをベースまたは基板層として使用する電子デバイスの製造において採用されてきている。ロール・ツー・ロール処理は、ロールから送達される可撓性材料上にコーティングを塗布し、印刷し、その後、処理後、出力ロール上に可撓性材料を再び巻くために、他の分野でも使用されている。材料が出力ロールまたは巻き取りロール上に巻き取られた後、コーティング、積層、または印刷材料を伴う材料は、完成サイズにダイカットまたは切断される。

【0035】

以下は、マイクロポンプの異なる部品の材料を選定するためのいくつかの例示的基準である。

【0036】

ポンプ本体および弁−ポンプの本体のために使用される材料は、フラップ弁が本体と同一材料から作製されることができる場合、統合されたフラップ弁の要件によって定義され得る。いくつかの実装では、材料は、ポンプチャンバ容積を提供するために、その形状を保持するために十分に強固または剛であるが、所望に応じて、フラップ弁が移動することを可能にするために十分に弾性的である必要がある。加えて、選択肢は、フラップ弁の幾何学的設計によって影響され得る。いくつかの実装では、材料は、その特徴が画定および機械加工／現像され得るように、エッチング可能または感光性である。時として、材料がマイクロポンプ内の他の材料と良好に相互作用すること、例えば、接着することも望ましい。さらに、材料は、非導電性である。好適な材料の例として、ＳＵ８（ネガ型エポキシレジスト）およびＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）レジストが挙げられる。

【0037】

膜：この部品のための材料は、ポンプチャンバを装填および排出するために使用される、太鼓のような構造（ポンプチャンバを覆う薄い緊張した膜）を形成する。したがって、材料は、所望の距離にわたって前後に曲がることまたは伸びることが要求され、弾性特性を有する。膜材料は、ガスおよび液体を含む流体に不浸透性であり、非導電性であり、高破壊電圧を保有する。好適な材料の例として、窒化ケイ素およびＴｅｆｌｏｎ（登録商標）が挙げられる。

【0038】

電極：この構造は、非常に薄く、導電性である材料から成る。電極は、あまり電流を伝導しないので、材料は、高電気抵抗を有し得るが、高抵抗特徴は、必ずしも、望ましくない。電極は、膜に伴って曲がりおよび伸びを被り、したがって、材料は、疲労および故障を伴わずに、曲げおよび伸びに対処するために十分であることが望ましい。加えて、電極材料および膜材料は、互いに良好に接着する必要があり、例えば、動作条件下、互いから剥離しないであろう。好適な材料の例として、金および白金が挙げられる。

【0039】

電気相互接続−駆動電圧は、各コンパートメントの各膜上の電極に伝導される。これらの電極への導電性経路は、伝導性材料、例えば、金および白金を使用して構築されることができる。

【0040】

図２Ａ−２Ｄでは、モジュール化されたマイクロポンプが、示される。

【0041】

図２Ａを参照すると、モジュール化されたマイクロポンプ２００は、モジュール層２０１（図２Ｂおよび２Ｃ）から成り、ポンプ２００の端部コンパートメント２００ａ、２００ｂを形成する。モジュール化されたマイクロポンプ２００はまた、多くのモジュール層２５０（図２Ｄ）から成り、ポンプ２００の中間コンパートメント２００ｃを形成する。

【0042】

マイクロポンプ２００内の弁は、入力および出力に接続される単一弁によって置換されることができるか、または各層内の個々の弁は、交互されることができる。ロール・ツー・ロール処理を用いたモジュール化されたマイクロポンプ製作についての具体的詳細は、以下に論じられる。

【0043】

ここで図２Ｂを参照すると、モジュール層２０１の各々は、ポンプ端部キャップ２０２を含み、固定ポンプ壁（図１Ａ、１Ｂの壁１０６、１０８に類似）を形成する。電極２０８は、コンパートメント２０９を活性化するために、ポンプ端部キャップ２０２に取り付けられる。

【0044】

単一モジュール層２０１は、電極２０８を伴うポンプ端部キャップ２０２と、電極２１０を伴う膜２０６との間にポンプ本体２０４の一部を形成し、電極２１０は、ポンプ本体２０４の反対側で膜２０６（図１Ａ、１Ｂの膜１１６、１２６に類似）に取り付けられる。電極２１０は、モジュール層２００の外部の駆動回路に接続される導線２１２を含む。

【0045】

膜２０６、ポンプ端部キャップ２０２、およびポンプ本体２０４は、同一寸法を有することができ、電極２０８、２１０は、膜２０６または他の要素より小さい寸法を有することができる。いくつかの実装では、膜２０６は、約ミクロン×ミクロン〜約ミリメートル×ミリメートルの寸法と、約５ミクロンの厚さとを有する。ポンプ本体２０４は、約ミクロン×ミクロン〜約ミリメートル×ミリメートルの外寸と、約５０ミクロンの厚さと、約ミクロン×ミクロン〜約ミリメートル×ミリメートルの内寸とを有する。ポンプ本体の厚さは、コンパートメント２０９（図１Ａのコンパートメント１３０、１４２に類似）の名目上のサイズを定義する。電極２１０、２０２は、ポンプ本体２０４の内寸に実質的に対応する、寸法を有する。いくつかの実装では、電極は、約２．２５ｍｍ^２の表面積と、約０．５ミクロンの厚さとを有する。組み立てられたモジュール層２０１は、図２Ｃに示される。

【0046】

ここでまた図２Ｃも参照すると、ポンプ本体２０４は、２つの受動弁２１４、２１６を含み、それぞれ、入口および出口を形成する。入口弁２１４は、ストッパ２１８と、フラップ２２０とを含む。ストッパは、ポンプ本体２０４に接続され、ポンプ本体によって形成されるコンパートメント１３０、１４０の外部に位置する。フラップ２２０は、ポンプ本体２０４に取り付けられる一端２２２と、ストッパ２１８およびポンプ本体２０４に対して移動可能な別の端部２２４とを有する。特に、フラップの端部２２４は、モジュール層外部の圧力がモジュール層内側の圧力より大きくなるように圧力差が確立されると、コンパートメント１３０、１４０の内部に向かって曲がることができる。例えば、そのような圧力差は、流体がモジュール層外側からコンパートメント２０９の中に流動する装填動作中に確立される。内部圧力が外部圧力より高いとき（例えば、流体がコンパートメント２０９からモジュール層の外側に流動する排出動作中）、フラップ２２４は、ストッパに向かって曲がり、ストッパ２１８によって停止させられる。故に、排出動作中、コンパートメント２０９内の流体は、弁２１４から外に流動しない。

【0047】

出口弁２１６も、ストッパ２１８およびフラップ２２０に類似する、ストッパ２３０およびフラップ２３２をそれぞれ含む。しかしながら、ストッパ２３０は、流体がコンパートメント２０９流入または流出する方向に沿って、フラップ２３２の正面に位置する。内部圧力が外部圧力より高いとき、フラップは、ストッパから離れるように曲がり、弁を開放し、内部圧力が外部圧力より低いとき、フラップは、ストッパに向かって曲がり、弁を閉鎖する。効果的に、装填動作中、出口弁２１６は、流体が弁２１６から外に流動しないように閉鎖され、排出動作中、出口弁２１６は、開放され、流体が弁２１６から外に流動する。

【0048】

図２Ｄを参照すると、中間コンパートメント（図１Ａ−Ｂのコンパートメント１３２−１４０に類似）の各々は、モジュール層２５０を使用して形成されることができる。モジュール層２５０は、ポンプ本体２５２と、電極２５６と、電極２５６とポンプ本体２５２との間に形成される膜２５４とを含む。ポンプ本体２５２は、ポンプ本体２０４と類似または同一特徴を有することができ、電極２５６は、電極２０８と類似または同一特徴を有することができ、膜２５４は、膜２０６と類似または同一特徴を有することができる。モジュール層２５０も、フラップ弁を含む（参照されないが、図に示される）。

【0049】

前述のように、各ポンプ本体の弁は、ポンプ本体と一体的に形成されることができる。電極は、他の要素に取り付けられる事前に調製されたシートとして示されるが、電極は、直接、それらの要素上に、例えば、印刷によって形成されることができる。モジュール層２００、２５０の異なる要素は、接着剤を使用して、互いに接合されることができる。いくつかの実装では、溶媒が、異なる要素を部分的に溶解し、それらを一緒に接着するために使用されることができる。

【0050】

図２Ａに戻って参照すると、したがって、図２Ｄの複数の、例えば、２つ、３つ、または任意の所望の数のモジュール層２５０が互いの上にスタックされ、複数の中間コンパートメントをポンプチャンバ内に形成する。スタック２００では、各膜は、ポンプ本体によって分離され、各ポンプ本体は、膜によって分離される。完全なポンプを形成するために、図２Ｂのモジュール層２０１は、モジュール層２０１のポンプ端部キャップがポンプチャンバの２つの固定端部壁を形成するように、スタック２００の上部端部および底部端部の各々の上に配置される。

【0051】

再び、図１Ａおよび１Ｂを参照すると、各圧送サイクル中、コンパートメントは、各コンパートメントが、半サイクル中、装填し、他の半サイクル中、排出するように、活性化される。隣接するコンパートメントは、１８０度位相差で動作し、すなわち、コンパートメント１３０が装填しているとき、その隣接するコンパートメント１３２は、排出し、その逆も同様である。その結果、１つおきのコンパートメントが、同相で動作する。図１Ａおよび１Ｂでは、コンパートメントは、奇数（「Ｏ」）コンパートメントと、偶数（「Ｅ」）コンパートメントとによって標識され、Ｏコンパートメントは、互いに同相であり、Ｅコンパートメントは、互いに同相であり、Ｏコンパートメントは、Ｅコンパートメントに対して位相がずれている。ポンプのコンパートメントをその排出状態で動作させるために、反対符号の電圧が、これらのコンパートメントの対向する壁上の電極に印加される。

【0052】

例えば、図１Ａに示されるように、固定壁１０６上の電極の電圧が負である一方、膜１１６上の電極の電圧は、正であるか、または膜１１８上の電極の電圧が正である一方、膜１２０上の電極の電圧は、負である等。同時に、ポンプの他のコンパートメントは、その装填状態において動作させられる。同一符号の電圧が、これらの他のコンパートメントの対向する壁上の電極に印加される。反対符号の電圧は、コンパートメントの２つの対向する壁に互いに誘引させ、同一符号の電圧は、コンパートメントの２つの対向する壁に互いに反発させる。固定壁１０６、１０８は、移動しない。しかしながら、膜１１６−１２６は、引力の方向または反力の方向に向かって移動する。その結果、圧送サイクルの半分では、コンパートメント１３０、１３４、１３８、１４２は、排出し、他のコンパートメントは、同時に、装填し（図１Ａ）、圧送サイクルの他の半分では、コンパートメント１３２、１３６、１４０は、排出し、他のコンパートメントは、同時に、装填する（図１Ｂ）。

【0053】

いくつかの実装では、膜の材料と膜および端部壁１０６、１０８に印加される電圧とは、活性化されると、各膜が隣接する膜の名目上の位置間の距離ｄの実質的に半分まで拡張するように選定される。膜の名目上の位置と固定壁との間の距離がｄ／２である端部コンパートメント１３０、１４２では、活性化された膜は、コンパートメントの容積をゼロ近くまで減少させ（排出動作において）、コンパートメントの容積を２×Ｖ_ｅ近くまで拡張させる。中間コンパートメントに対して、各膜をｄ／２だけ移動させることによって、コンパートメントの容積は、装填動作において、２×Ｖｉ近くまで拡張され、排出動作において、ゼロ近くまで減少させられる。マイクロポンプ１００は、高効率で動作することができる。

【0054】

圧送サイクルの周期は、駆動電圧信号の周波数に基づいて決定されることができる。いくつかの実装では、駆動電圧信号の周波数は、約Ｈｚ〜約ＫＨｚ、例えば、約２ＫＨｚである。マイクロポンプ１００の圧送によって生成される流量または圧力は、各コンパートメントの容積、活性化時に膜がもたらした変位量、および圧送サイクル周期によって影響され得る。高流量、例えば、約ｍｌ／ｓを含む種々の流量と、高圧、例えば、約１０分の１ｐｓｉを含む圧力とは、異なるパラメータ、例えば、駆動電圧の規模を選択することによって、達成されることができる。例として、マイクロポンプは、図２Ｂの２つの層２００と、図２Ｃの１３個の層２５０とを含む合計１５個のモジュール層を含むことができる。この例のマイクロポンプは、周波数約８４３Ｈｚで駆動され、約０．６２ｍＷの電力を消費し、約０．０６５２ｐｓｉにおける約１．５６ｍｌ／ｓの流量を提供することができる。

【0055】

いくつかの実装では、４つのタイプの電気信号が、膜を駆動するために使用される。４つのタイプは、以下である。
Ｖ−：全電圧に対するＤＣ基準；いくつかの膜を直接駆動させるために使用され得る。
Ｖ＋：いくつかの膜を直接駆動させるために使用され、その他のために切り替えられる、ＤＣ高電圧。
Ｖ１：いくつかの膜を駆動させ、動作を制御するために使用される、周期的ＡＣ波形。それは、５０％デューティサイクルを含み、１回の完全圧送サイクルにおいてＶ−とＶ＋との間で行き来する。
Ｖ２：ＶＩと同じであるが、１８０度位相がずれている。

【0056】

さらに、プルインおよびドロップアウト電圧の現象に基づいて、駆動電圧は、最高規模のＶＩまたはＶ２に到達すると、より低い電圧まで低下され得る。特に、
ＶＩ．５：プルイン電圧値
Ｖ２．５：ドロップアウト電圧値
である。

【0057】

ここで図３を参照すると、固定壁１０６および膜１１６−１２４上の６つの電極への印加のための６つの例示的波形の組３０１−３０６が、それぞれ、示される。マイクロポンプ１００または他のマイクロポンプ内の他の追加の膜および固定壁に印加される波形も、図３に示されるパターンによって導出されることができる。圧送サイクル中、第１の波形の組３０１のＶ−が、固定壁１０６上の電極に一定に印加される。膜１１６に印加するための第２の波形の組３０２は、Ｖ１を形成する。第３の波形の組３０３は、Ｖ＋であり、膜１１８に一定に印加される。第４の波形の組３０４は、膜１２０に印加するためのＶ２である。第５の波形の組３０５および第６の波形の組３０６は、第１および第２の波形３０１、３０２の繰り返しである。追加の波形が、他の膜、例えば、膜１２４および１２６（図１Ａ）のために必要とされる場合、繰り返しが、第３および第４の波形等を用いて続く。

【0058】

いくつかの実装では、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ−、およびＶ＋の規模は、同一である。他の実装では、これらの電圧のうちの少なくともいくつかの規模は、異なる。特定のパターンの波形が、示されるが、ポンプ１００の電極は、他のパターンの波形によっても活性化されることができる。

【0059】

ここで図４を参照すると、図３の６つの波形の組３０１−３０６に対応する６つの波形の組３２１−３２６が、それぞれ、示される。図４に示される組と図３に示される組との間の差異は、プルインおよびドロップアウト現象を利用するために、図３のＡＣ電圧波形Ｖ１およびＶ２が、それぞれ、Ｖ１．５およびＶ２．５に再成形されることである。

【0060】

この例では、波形の組３２２、３２４、３２６では、プルイン点に到達すると、正極性電圧が、より低い電圧まで降圧される（矢印↓によって示される）。このより低い電圧は、膜がその駆動された状態のままであるように、依然として、ドロップアウト電圧を上回る。次の電圧遷移は、反対動作の開始を定義し、その間、同様の電圧レベルシフトが、適用される。負極性電圧は、より小さい規模を有する電圧まで昇圧される（矢印↑によって示される）。ポンプ１００の電力消費は、その保持時間中、駆動電圧の規模を減少させることによって削減されることができる。

【0061】

（駆動回路）
ここで図５を参照すると、図３または図４に示されるもの等の電圧を印加するための駆動回路５００の実施例が、示される。駆動回路５００は、供給電圧５０２、静電容量電圧電流５０４信号、およびポンプ制御５１６を受信し、駆動電圧５０６を図１Ａおよび１Ｂのマイクロポンプ等のマイクロポンプの電極に出力する。いくつかの実装では、供給電圧５０２は、マイクロポンプ１００が使用されるシステムから提供される。供給電圧は、絶縁回路（図示せず）によって提供されることもできる。

【0062】

駆動回路５００は、高電圧増倍器回路５０８と、電圧制御式発振器（「ＶＣＯ」）５１０と、波形発生器回路５１２と、フィードバックおよび制御回路５１４とを含む。高電圧増倍器回路５０８は、供給電圧５０２を所望の高電圧値、例えば、約１００Ｖ〜７００Ｖ、公称上、５００Ｖまで増倍する。誘電定数、厚さ、機械的弾性率特性、電極間隔等の材料特性に応じて、他の電圧も、使用されることができる。いくつかの実装では、高電圧増倍器回路５０８は、昇圧回路（図示せず）を含む。電圧制御式発振器５１０は、マイクロポンプのための駆動周波数を生成する。発振器５１０は、電圧制御され、周波数は、ポンプ１００が、流量要件に基づいて、より多くまたはより少ない流体を押し出すように、外部ポンプ制御信号５１６によって変更されることができる。波形発生器回路５１２は、電極のための駆動電圧を生成する。前述のように、駆動電圧のうちのいくつかは、互いに特定の位相関係を伴うＡＣ電圧である。波形発生器回路５１２は、これらの位相ならびに波形の形状を制御する。フィードバックおよび制御回路５１４は、マイクロポンプ内の静電容量、電圧、および／または電流の尺度を提供する信号を受信し、回路５１４は、フィードバック信号を生成し、回路５００の波形発生器５１２の追加の制御を提供し、所望の性能のための駆動電圧の調節に役立つことができる。

【0063】

（デバイス内のシステムの統合）
前述のマイクロポンプシステムは、異なる製品またはデバイス内に統合され、異なる機能を果たすことができる。例えば、マイクロポンプシステムは、空気を移動させるための空気駆動機として、デバイス、例えば、コンピュータまたは冷蔵庫内のファンもしくはブロアに取って代わることができる。従来のファンまたはブロアと比較して、マイクロポンプは、より高い信頼性を伴って、より低いコストでより優れた機能を果たすことが可能であり得る。いくつかの実装では、これらの空気駆動機は、大規模並列構成において基礎レベルでホストの中に直接構築される。

【0064】

いくつかの実装では、マイクロポンプシステムは、マイクロポンプシステムが統合されるホスト製品から電力を受け取る。電力は、単一の、例えば、５Ｖ程度またはより低い比較的に低電圧の形態で、マイクロポンプシステムの駆動回路、例えば、図５の駆動回路５００に受け取られることができる。

【0065】

（システム構成）
図１Ａ、１Ｂ、および２Ｄのモジュール層スタックは、並列に接続されたモジュール層として捉えられることができる。各個々のモジュール層の容積ＶｉまたはＶｅは、小さい。いくつかの実装では、スタック内の全層の総容積でさえ、比較的に小さい。いくつかの実装では、複数のスタックまたはマイクロポンプは、並列に接続され、総体積流量を増加させることができる。

【0066】

同様に、個々のマイクロポンプの加圧能力も、比較的に低い。スタック内に複数のモジュール層が存在する場合でも、層は、並列に接続されるので、スタックの総圧力を増加させない。しかしながら、スタックの圧力は、複数のスタックまたはマイクロポンプが直列に接続されるとき、増加させられることができる。いくつかの実装では、直列に接続されるポンプが、異なる速度で駆動され、異なる質量流量を補償する。例えば、ツリータイプ構成における内蔵プレナムまたは配管も、異なる質量流量を補償するために使用されることができる。

【0067】

ここで図６を参照すると、モジュール層スタック（マイクロポンプスタックとも呼ばれ得る）６１０ａ−６１０ｅ、６１２ａ−６１２ｅ、６１４ａ−６１４ｅ、および６１６ａ−６１６ｅの行６１０−６１６、および列６１０’−６１６’および列６１７’が、グリッド構成６００内に接続されて示される。各行６１０、６１２、６１４、６１６内のモジュール層スタックは、直列に接続される。モジュール層スタック６１０ａ−６１０ｅ、６１２ａ−６１２ｅ、６１４ａ−６１４ｅ、および６１６ａ−６１６ｅの行６１０−６１６は、共通入力６２０および共通出力６２２を介して、並列に接続される。

【0068】

効果的に、各行内の直接に接続されたスタックは、個々のスタック圧力の総和に実質的に等しい総圧力を提供することができる。図に示される例では、各スタックが圧力０．１ｐｓｉを有し、各行が５つのスタックを含む場合、総圧力０．５ｐｓｉが、各行によってもたらされ、それは、グリッド６００の総圧力でもある。グリッド６００は、スタックの各行の流量の４倍である、総流量を有する。

【0069】

図に示される例では、スタックの各行は、１容積流（ｖＦ）の流量を有する。グリッドは、４つの並列に接続された行を含み、総流量４ｖＦをもたらす。所望の圧力および所望の流量を達成するために、グリッド６００に類似するグリッドが、直列に接続されるスタックの数と並列に接続される行の数とを選定することによって構築されることができる。

【0070】

代替として、別の直列構成は、並列ポンプの群の各段階間に配置される、共通プレナムを有する。この構成は、排出圧力、したがって、次の段階における入力圧力を等化する傾向にあろう。いくつかの実装では、スタックは、比較的に小さく、それらの多くは、小面積内に製作されることができる。グリッドの配管および配線は、個々のスタックの製作時に行われることができ、かつコスト効果的様式において行われることができる。

【0071】

（例示的用途）
前述のように、空気が、例えば、燃料電池内の電気化学反応および冷却のために使用されることができる。概して、冷却のために使用される空気の量は、反応のためのものより何倍も多い。

【0072】

図７を参照すると、流体入力７００ａおよび出力７００ｂを有するマイクロポンプシステム７００と統合された燃料電池が示される。前述の特徴を有するマイクロポンプシステム６００（または１００もしくは２００）は、直接、燃料電池７０４を含むダイフレーム７０２の中に統合される。複数のダイフレームが使用されるとき、概して、ダイ間に最小間隔が存在し、この空間の一部は、追加の体積オーバーヘッドをダイに課さずに、マイクロポンプシステム６００を格納するために使用されることができる。例示的燃料電池は、２００４年１１月９日に出願された「Ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｃｈｉｐ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」と題された米国出願第１０／９８５，７３６号（現米国特許第７，０２９，７７９号）に開示されており、その内容は、参照することによって、その全体として本明細書に組み込まれる。

【0073】

空気ポンプシステムの統合は、空気移動機能を、多くの、例えば、数１，０００個の部品に効果的に分割し、空気を移動させるためのブロアまたはファンの必要性を最小化することができる。マイクロポンプは、低コストで大量生成され、小型サイズかつ軽量であり、合理的に強力であり、低電力を消費し、空気移動の大規模な分散を可能にすることができる。マイクロポンプシステム６００は、空気（または液体）が狭い空間内で移動させられる必要がある任意の時間に使用されることができる。

【0074】

別のそのような用途は、ＣＰＵのような電子構成要素の冷却である。

【0075】

ここで図８Ａおよび８Ｂを参照すると、マイクロポンプ（１００、２００、６００）は、超高温で稼働する回路／デバイス（例えば、中央処理ユニット等）、ならびに、例えば、太陽電池およびＬＥＤ照明を冷却するために使用される。

【0076】

実施例として、図８Ａおよび８Ｂは、ＣＰＵ冷却器８００の上部側面図および底部側面図を示す。大型の放熱板およびファン配置の代わりに、マイクロポンプ８０２の１つ以上の層が、衝突効果のために、ＣＰＵに取り付けられた冷却板８０４に直接向けられる。いくつかの実装では、ＣＰＵ冷却器８００は、１５０ワットの熱を除去することができる。冷却器は、薄型であり、利用可能な空間が殆どないコンピュータ設計において使用されることができる。

【0077】

マイクロポンプシステムは、ＣＰＵに留められた冷却板を通して液体を圧送し、液体によって、熱を除去し、離れた場所に伝達するために使用されることができる。例えば、熱を運ぶ高温液体が、ラジエータを通して圧送されることができ、追加のマイクロポンプが、空気を吹送し、ラジエータを冷却するために使用されることができる。

【0078】

マイクロポンプシステムはまた、従来のアプローチにおいて使用される放熱板にわたって空気を吹送することができるか、または放熱板の中に内蔵されることができる。前述のように、マイクロポンプシステムは、空気をさらに押し出すための増加した圧力を提供するように構成されることができる。マイクロポンプシステムは、空気ダクトを必要とせずに、ホストデバイス全体を通して分散されることもできる。

【0079】

ここで図９Ａおよび９Ｂを参照すると、呼吸障害を治療するための自律的デバイス９００（デバイス）が、示される。デバイス９００は、ＣＰＡＰタイプ（持続気道陽圧）呼吸デバイスである。しかしながら、デバイス９００は、ＣＰＡＰ機械と異なり、要求される量の気流を要求される圧力において提供し、閉塞性睡眠時無呼吸（「ＯＳＡ」）等の種々の呼吸障害を治療する鼻にのみ使用できる自律的デバイスである。

【0080】

ＣＰＡＰ呼吸デバイス９００は、鼻リングの形態で示される。他の配置も、可能である（図９Ｄ参照）。デバイス９００は、示されるように、デバイス９００の本体９０４内に配置される、空気入口およびマイクロポンプ６００（図６）のための通路９０２を有する。デバイスはまた、弁（図１０および１０Ａ−１０Ｆ参照）を含み、呼気を提供し得る。ユーザの鼻の中に嵌入する、デバイス９００の端部９０４ａ、９０４ｂは、通路９０５ａ、９０５ｂを介する気流、およびシーリングを提供し、それらは、電源、例えば、バッテリ（図示せず）が配置され得るリング部分９０３を介して接続される。

【0081】

マイクロポンプシステムは、小型であり、有意な量の空気を移動させることができるので、マイクロポンプシステムは、デバイス９００の中に内蔵され、例えば、睡眠時無呼吸または閉塞性呼吸障害（ＯＢＤ）を患う多くの人々に安心を提供する。デバイス９００は、小型サイズ（例えば、鼻下に嵌入する）かつ軽量（例えば、数グラム程度）である、自給式デバイスであることができ、バッテリを使用して動作させられることができる。

【0082】

いくつかの実装では、デバイス９００は、呼気弁（以下に論じられる）を含むことができる一方、他の実装では、呼気弁は、省略され得る。

【0083】

いくつかの実装では、デバイス９００は、再充電可能であることができ、例えば、バッテリは、再充電されることができる。他の実装では、デバイスは、使い捨てであることができる。ユーザは、デバイスを夜間に装着し、それを１日毎に廃棄することができる。デバイス内の空気−金属バッテリの使用等、代替配置も、可能である。空気−金属バッテリ（例えば、空気−亜鉛）は、活性化され、ある期間の間、持続し、その後、廃棄される。

【0084】

デバイス９００は、ユーザの鼻の中に嵌入するように構成され、リングの中に内蔵されたマイクロポンプ６００（または１００、２００）から加圧された気流を供給する。デバイス９００は、したがって、別のデバイス（例えば、機械）へのホースまたはワイヤを要求せず、デバイスは、約１晩の睡眠（例えば、約８時間等）の間、動作するように構成される自給式電源（例えば、バッテリ）を使用する。デバイス９００は、ストラップを必要としない。デバイスは、ユーザが呼気しているとき、またはユーザが吸気する直前の一時停止状態にあるとき、ユーザの鼻の中への空気の吹送を停止するように構成されることができる。デバイス９００は、呼気抵抗を排除する（近づいて来る空気に対抗する、または呼気の終了を早期に打ち切る）、呼気弁を有する。

【0085】

デバイス９００は、圧力を感知し、マイクロ空気ポンプをオンおよびオフにすることができる。デバイス９００は、呼吸の度および呼吸サイクル内の異なる時点で圧力を感知し、呼気サイクルの「終了」時に呼気弁を閉鎖するようにマイクロ空気ポンプの動作を構成する。このデバイスは、呼吸ベースでユーザに応答する。

【0086】

デバイス９００は、小型かつ軽量であり、ユーザの鼻の下に嵌入し、ユーザの鼻内にシールをもたらし、デバイスを定位置に保持する。デバイスは、一時停止期間中の無呼吸治療および吸気期間の間の適切な低呼吸圧力範囲のための適切な圧力を提供することができる。デバイス９００は、使い捨てであることができ、したがって、洗浄を要求せず、低コストであることができる。さらに、既存のＣＰＡＰ機械と比較したその相対的快適性に起因して、デバイス９００は、デバイスが、快適であり、ストラップ、マスク、またはテザーを要求しないので、コンプライアンスを促進する。

【0087】

ここで図９Ｃを参照すると、ＣＰＡＰデバイス９６０のための代替構成の概念図が、示される。この構成では、ＣＰＡＰデバイス９６０は、９６６として示され、ここでは、５７個の構成要素のポンプ要素を有するマイクロポンプ６００を格納する本体９６２と、呼気弁（図１０Ａ−１０Ｆ参照）とを含む。ＣＰＡＰデバイス９６０は、鼻用インターフェースを提供するプラグを通した空気通路を伴うクッションプラグ９６４ａ、９６４ｂを有する。クッションプラグは、ユーザの鼻孔の中に挿入されると、緊密な嵌入をもたらす通常ゴム状材料から作製される。ＣＰＡＰデバイス９６０は、空気の呼気のための１つまたは示されるように２つの出口９６８ａ、９６８ｂを有する。

【0088】

ここで、例えば、図９Ａ−９Ｃに示される構成の概略図である、図１０を参照すると、呼気弁９８０が、ＣＰＡＰデバイス９００または９６０内のマイクロポンプ６００（ポンプ９６６）に結合されている。呼気弁９８０は、示されるように、マイクロポンプ６００（１００または２００も同様）とデバイス９００の入口９６４ａ、９６４ｂおよび出口９６８ａ、９６８ｂとの間に結合される。呼気弁９８０は、バタフライ構成であり、マイクロポンプからの気流を使用して、呼気の終了／呼吸における一時停止の開始時および呼気の開始時に弁９８０を閉鎖し、呼気弁９８０は、マイクロポンプが呼気弁９８０に空気を吹送する場合でさえ開放する。

【0089】

デバイス９００は、弁９８０を押し閉じるために必要とされるマイクロポンプ６００の気流の量を選択するように構成される。マイクロポンプ６００からの圧力は、呼気に先立って、呼気弁９８０を閉じたまま保持するであろう。ユーザからの呼気気流は全て、呼気弁９８０に印加され、呼気弁９８０を開放させる。弁のフラップの形状は、呼気中、呼気弁９８０を開放したままにすることを補助するために最適化され得る。加えて、弱い磁気も、設計の詳細に応じて、呼気弁９８０を開放または閉鎖したままにするために使用され得る。ユーザからの呼気空気は、呼気弁９８０を閉鎖したままにするためのマイクロポンプからの最小量の気流に打ち勝つために概して十分であろう。

【0090】

ここで図１０Ａ−１０Ｆを参照すると、概念的呼気弁９８０の種々の図が、示される。図１０Ａ−１０Ｆは、呼気弁９８０のために使用されるバタフライ弁構成を示す。弁９８０が、図示され、本体９８１と、入口９８２と、ポート９８４ａおよび９８４ｂ（９８４ｂは、図１０Ｆの図のみに示される）と、出口ポート９８５と、弁フラップ９８６とを含む。フラップ弁９８６は、軸方向部材９８８の周りに回転可能であり、大矢印９８９によって示されるポート９８４ａ、９８４ｂと出口ポート９８５との間の通路を開閉する。マイクロポンプ６００は、フラップ弁９８６を閉鎖するために入口９８２を通して空気を印加する。図１０および図９Ｃの状況では、入口９８２は、マイクロポンプの出力に結合され、ポート９８４ａ、９８４ｂは、プラグ９６４ａ、９６４ｂ（空気通路を伴う）に結合され、出口は、出口９６８ａ、９６８ｂの一方または両方に結合される。

【0091】

弁は、種々の構成であることができる。例えば、２０１５年２月２６日に出願され、参照することによって本明細書に組み込まれる、本願の出願人の係属中の特許出願第１４／６３２，４２３号に論じられるように、スライディング弁（「Ｔ弁」）は、出力ポート上で使用されることができ、スライディング弁（「オメガ弁」）は、マイクロポンプ、例えば、２００（図２Ｂ）のチャンバへの入力ポート上で使用されることができる。チャンバ２０９は、ポンプ本体２０４と、膜２０６（図２Ｂ）（またはポンプ本体の端部壁）とから生成されることを思い出されたい。

【0092】

ここで図１１Ａおよび１１Ｂを参照すると、スライディング弁を伴うマイクロポンプの代替実装１０００が、示される。詳細が、出力ポート上で使用される例示的スライディング弁１０１０（「Ｔ」または「タウ」弁）と、マイクロポンプ（例えば、２００（図２Ｂ））のチャンバ（例えば、２０９）への入力ポート上で使用されるスライディング弁１０２０（「オメガ弁」）とに対して示される。「Ｔ」または「タウ」弁は、「Ｔ」（またはギリシャ文字「タウ」）の形状における移動可能部材を有する一方、オメガ弁は、ギリシャ文字「オメガ」の形状における移動可能部材を有する。

【0093】

チャンバ２０９は、ポンプ本体２０４と、膜２０６（図２Ｂ）（またはポンプ本体の端部壁）とから生成されることを思い出されたい。図１１Ａでは、ポンプ本体２０４を生成するために使用される材料１０００の一部は、マイクロポンプチャンバの出力ポートとなるであろうＴ弁１０１０を提供する。Ｔ弁１０１０は、出力ポートを閉鎖するための弁を提供する平坦部材１０１２を含み、平坦部材１０１２は、領域１０１８から形成されるコンパートメント１０１７内に常駐するステム部材１０１４に接続される。チャンバからの出口は、領域１０１６によって提供される。

【0094】

図１１Ａでは、ポンプ本体２０４を生成するために使用される材料１０００の別の部分は、マイクロポンプチャンバの入力ポートとなるであろうオメガ弁１０２０を提供する。オメガ弁１０２０は、入力ポートを閉鎖する弁を提供する水平アーム１０２４ａを伴って、かつ垂直アーム１０２４ｂを有するオメガ形状の部材１０２４を伴って略半円形であるオメガ形状の部材１０２４のための停止部を提供するピストン状部材１０２２を含む。オメガ形状の部材は、ピストン状部材１０２２によって、ピストン部材１０２２とオメガ部材１０２４との間に形成される領域（参照せず）に封じ込められる。チャンバからの入口は、領域１０２６によって提供される。

【0095】

ここで図１１Ｂを参照すると、エッチングされた本体１０００’は、出力ポート上のスライディング弁１０１０（「Ｔ弁」）と、入力ポート上のスライディング弁１０２０（「オメガ弁」）とを有し、これらは、示されるように、エッチングライン１００２によって案内される本体の材料から、チャンバに加えられる圧力に従って、スライディング弁１０１０および１０２０の各々を非常に制限された領域内で自由に移動させるが、制限された領域外では自由に移動させないように過剰材料を除去することによって形成される。図１１Ｂに示されるように、コーナーにおけるエッチングライン１００２によって画定されたダイカットラインに沿ってポンプ本体をダイカットすることは、ピストン状部材１０２２を本体から分離し、Ｔ部材のステムを本体から分離する。Ｔ弁１０１０は、出力ポートを閉鎖するための平坦部材１０１２を有し、１０１６および１０１７によって画定された領域内に封じ込められる一方、オメガ弁１０２０は、領域１０２６および領域１０２７によって封じ込められる。

【0096】

図１１Ｃおよび１１Ｄは、より高い拡大率において、出力ポート上のスライディング弁１０１０（「Ｔ弁」）と、入力ポート上のスライディング弁１０２０（「オメガ弁」）とを示す。

【0097】

いくつかの実装では、マイクロポンプシステムはまた、膜間の静電容量を測定することによって、膜間の距離を感知するために使用されることができる。マイクロポンプは、電極を含み、それらの各対は、静電アクチュエータを形成し、それは、事実上、ある距離離れた２つの伝導性板（すなわち、電極）を有する可変コンデンサである。電圧が２つの電極を横断して印加されると、電極は、互いに向かって、または互いから離れるように移動する。電極間の距離が変化するにつれて、静電容量も変化する。静電容量は、電極が近づくにつれて増加し、電極が離れるにつれて減少する。故に、一対の電極間の静電容量は、対間の距離についての情報を提供することができる。

【0098】

いくつかの実装では、情報は、システムのいくつかのパラメータを決定するために適用されることができる。例えば、圧力、体積、流量、および密度を含む、数量が、測定されることができる。犠牲充填材料が、以下に説明されるＲ２Ｒ処理では使用される。いくつかの実装では、溶媒が、製造プロセスにおいて使用され、それは、マイクロポンプの種々の他の材料に追加の要件を課し得る。いくつかの実装では、電気回路構成要素が、膜の中に印刷される。リリース材料が、フラップ弁のフラップ移動を可能にするために使用される。概して、ある材料が、上記で規定されたが、述べられたものと類似特性を有する他の材料も、使用され得る。

【0099】

（マイクロポンプおよびフラップ弁を生成するためのロール・ツー・ロール処理）
図１２を参照すると、ロール・ツー・ロール処理ラインの概念図が、図示される。処理ラインは、いくつかのステーション、例えば、ステーション１からステーションｎを備え（それは、封入チャンバであるか、またはそれを含むことができる）、そこで、堆積、パターニング、および他の処理が生じる。したがって、処理は、大まかに見ると、追加的（所望とされる場所に正確に材料を追加する）または除去的（材料を追加し、所望とされる定位置において材料を除去する）であることができる。堆積処理は、必要に応じて、蒸発、スパッタリング、および／または化学蒸着（ＣＶＤ）、ならびに印刷を含む。パターニング処理は、要件に応じて、パターニングされている特徴の分解能に応じた走査レーザおよび電子ビームパターン発生、機械加工、光学リソグラフィ、グラビア印刷、およびフレキソ印刷（オフセット）印刷等の技法を含むことができる。インクジェット印刷およびスクリーン印刷が、導体等の機能材料を配置するために使用されることができる。インプリンティングおよびエンボス製作等の他の技法も、使用されることができる。

【0100】

元々の未製作材料ロールは、可撓性材料のウェブのものである。ロール・ツー・ロール処理では、可撓性材料のウェブは、任意のそのような材料であることができ、典型的には、ガラスまたはプラスチックもしくはステンレス鋼である。これらの材料（またはその他）のいずれも使用され得るが、プラスチックは、ガラスおよびステンレス鋼より低いコスト考慮の利点を有し、ＣＰＡＰタイプ（持続的気道陽圧）呼吸デバイス（図９）において使用されるとき、マイクロポンプの生成のための生体適合性材料である。例えば、電子構成要素のための冷却構成要素としてのマイクロポンプの他の用途では、ステンレス鋼等の他の材料または遭遇する温度に耐え得る他の材料、例えば、遭遇する温度に耐え得るＴｅｆｌｏｎ（登録商標）および他のプラスチックが、使用されるであろう。

【0101】

ここで図１２Ａを参照すると、図２Ａ−２Ｄに示される構造に対して、ロール・ツー・ロール処理構造内のステーションは、要求される処理に従って設定される。したがって、ポンプ端部キャップおよび上部キャップは、図１２のウェブまたはプラスチックシート上に形成され得るが、一実装では、端部および上部キャップは、説明されるであろうように、マイクロポンプスタックの形成後に提供される。

【0102】

プラスチックウェブは、ポンプ本体２０４（図２Ｂ）を支持するために使用され、堆積ステーション２８０におけるウェブ上への材料の堆積の後、パターニングステーション２８２が続く。ポンプ本体２０４ならびにフラップ弁２１４のためのストッパ２１８およびフラップ２２０（図２Ｂ）は、形成ステーション２８４において、ポンプ本体２０４内に形成される。一実装では、ステーション２８６が、犠牲材料を堆積し、フラップを本体に保持するために提供される。ポンプ本体２０４とフラップ弁２１４のための形成されたフラップ２２０とを有するウェブ（図２Ａ）は、ステーション２９０においてポンプ本体２０４を覆って膜を堆積される。膜２０６を覆って電極２１０が堆積ステーション２９２において堆積され、これは、パターニングステーション２９４においてパターニングされる。

【0103】

フラップ２２０は、ポンプ本体２０４に取り付けられる一端２２２と、ストッパ２１８およびポンプ本体２０４に対して移動可能な別の端部２２４とを有する。フラップは、ポンプ本体のために使用される同じ材料を使用して、ポンプ本体内に形成される。フラップ２２０、２３２のための材料は、その形状を保持するために十分に強固または剛であるが、フラップ２２０、２３２が、所望に応じて、移動することを可能にするために十分に弾性的である必要がある。材料は、その特徴が、画定され、機械加工／現像され得るように、エッチング可能または感光性である。材料は、例えば、ポリマーまたは超音波溶接を介して、マイクロポンプ内の他の材料と相互作用し、例えば、接着する。さらに、材料は、非電導性である。好適な材料の例として、ＳＵ８（ネガティブエポキシレジスト）およびＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）レジストが挙げられる。

【0104】

膜２０６上に支持されたパターニングされた電極２１０を有する膜シート２０６が、ポンプ本体を覆って適用される。駆動電圧を各膜上の電極２０６に伝導するための電気相互接続が、伝導性材料、例えば、金、銀、および白金層（または銀インク等の伝導性インク等）を堆積することによって提供される。いくつかの実装では、電気回路構成要素のいくつかは、膜上に印刷される。

【0105】

マイクロポンプを製造時、犠牲充填材料、例えば、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）が、採用されることができる。犠牲充填材料は、必要とされる場合、処理中、膜をポンプ本体の上に支持するために使用されることができる。溶媒が、次いで、製造プロセスにおいて使用され、続いて、この犠牲充填材料を除去するであろう。

【0106】

マイクロポンプユニット（ポンプ本体ならびに電極および電気接続を伴う膜）を有するロールは、ダイスカットされ、マイクロポンプユニットは、回収され、マイクロポンプユニットのスタックに組み立てられ、端部および上部キャップを含むことによってパッケージ化され、マイクロポンプ（例えば、図２Ａ）を提供する。ウェブ上のポンプユニットのレイアウトに応じて、ポンプユニットのウェブを、膜層上に提供される電極とともに、ポンプユニットのスタックの中に折り重ねることも可能であり得る。

【0107】

膜材料は、所望の距離にわたって前後に曲がることまたは伸びることが要求され、したがって、弾性特性を有する。膜材料は、ガスおよび液体を含む流体に不浸透性であり、非導電性であり、高破壊電圧を保有する。好適な材料の例として、窒化ケイ素およびＴｅｆｌｏｎ（登録商標）が挙げられる。

【0108】

電極の材料は、導電性である。電極は、有意な電流を伝導しない。材料は、高電気抵抗を有することができるが、高抵抗特徴は、必ずしも、望ましくはない。電極は、膜に伴って曲がりおよび伸びを受け、したがって、材料は、疲労および破壊を伴わずに、曲げおよび伸びに対処するために柔軟であることが望ましい。加えて、電極材料および膜材料は、良好に接着し、例えば、動作条件下、互いから剥離しない。好適な材料の例として、例えば、金、銀、および白金層（または銀インク等の伝導性インク等）が挙げられる。リリース材が、弁移動を可能にするために使用されることができる。好適なリリース材として、例えば、上で述べられる犠牲充填材料が挙げられる。

【0109】

図１３Ａ−１３Ｄを参照すると、モジュール化されたマイクロポンプ２００（図２Ａ）を提供するための代替ロール・ツー・ロール処理アプローチが、示される。マイクロポンプ２００は、動作時に移動可能であり、製造中、支持体から解放可能であり得る特徴を有する。これらの特徴として、膜（曲がる）およびフラップ（曲がるかまたは揺動するフラップ弁における）、または代替として、解放することが可能なスライド可能弁（図１２Ａ−１２Ｄ）が挙げられる。この議論では、スライドし、解放される特徴（図１２Ａ−１２Ｄのタウおよびオメガ弁のタウおよびオメガ部分）を有する弁に焦点が当てられるであろう。本明細書に開示される技法を使用してロール・ツー・ロール処理ラインにおいて生成され得る、他のタイプの微小電気機械システムは、動作時に移動可能である、他の特徴、例えば、スライドおよび回転する特徴の例であるロッドまたはギヤを有するであろう。これらの特徴はまた、以下に説明されるように、処理中、解放される。

【0110】

マイクロポンプ２６０は、ロール・ツー・ロール処理を使用して製作され、材料の未製作シート（または複数の未製作シート）が、特徴がシート（または複数のシート）に適用されるように複数のステーションを通して通過され、シート（または複数のシート）は、続いて、繰り返すことが可能な複合層（図２Ａ−２Ｄ参照）の部品を形成し、最終的に、製作されたマイクロポンプ（または移動可能および／または解放可能特徴を有する他の構造）の複合シートを生成するために巻き取られる。図１２Ａ−１２Ｂのマイクロポンプの実装では、ロール・ツー・ロール処理は、構築された微小電気機械システム内を自由に移動可能である（例えば、自由に移動する）、特徴を提供する。

【0111】

図１３Ａを参照すると、ガラスまたはプラスチックもしくはステンレス鋼等の可撓性材料のシート３０４が、ウェブとして使用される。マイクロポンプ（スライディング弁またはフラップ弁のいずれかを伴うマイクロポンプ２００（図２Ａ−２Ｄ））の特定の実装に対して、材料は、プラスチックシート、例えば、テレフタル酸ポリエチレン（ＰＥＴ）であり、それは、シート３０４の主要表面を覆って、金属、例えば、アルミニウム（Ａｌ）の層３０４ａを提供される。

【0112】

シート３０４は、１００Å（オングストローム）厚を有するアルミニウムの薄金属層３０４ａでコーティングされたＰＥＴ（Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標））の５０ミクロン厚シートである。他の厚さも、使用され得る（例えば、シート３０４は、例えば、２５ミクロン〜２５０ミクロン（またはそれを上回る）の厚さを有し得、層３０４ａの厚さは、５０Å〜５００Å（またはそれを上回る）であり得る）。厚さは、構築されるべき微小電気機械システムの所望の特性およびロール・ツー・ロール処理ラインの取り扱い能力に基づいて予測される。これらの考慮は、最大厚さに実践的限定を提供するであろう。同様に、最小厚さも、構築されるべき微小電気機械システムの所望の特性およびロール・ツー・ロール処理ラインにおいて非常に薄いシートを取り扱うための能力に基づいて予測される。

【0113】

微小電気機械システムがマイクロポンプである例に対して、層は、前述のように、ポンプ本体に対して、約５０ミクロン、マイクロポンプ２００の膜要素に対して、５ミクロンの厚さを有するであろう。しかしながら、マイクロポンプに対しても、他の厚さが可能である。金属層３０４ａは、蒸発または他の技法等の種々のアプローチによって提供される。そのような金属化フィルムはまた、市販されている。

【0114】

金属の層３０４ａを伴うロール（図示せず）からのシート３０４は、アブレーションステーション、例えば、レーザアブレーションステーション１においてパターニングされる。マスク（図示せず）は、マイクロポンプユニット、すなわち、本体、領域１０１８、領域１０２２および１０２４ｂを形成するために使用されるであろうシート３０４のそれらの部分から金属層３０４ａを除去するが、スライディング弁（図１１Ａ−１１Ｄに示されるように）を伴うマイクロポンプの場合、図１３Ａ−１に詳細に示されるように、タウおよびオメガ弁の「Ｔ」（またはタウ）（１０１７、図１１Ｃ）および「オメガ」形状の部材（１０２６、図１１Ｄ）である最終的に移動可能部品となるであろうシートの部分のみに金属３０４’を残すように、レーザアブレーションステーションを構成するために使用される。随意に、金属３０４’はまた、図１３Ａ−１に詳細に示されるように、不必要なアブレーションにおける時間／費用を節約するために、種々の構造が製作されないシートのそれらの無関係な部分の上にも残されることができる。

【0115】

タウ弁のタウ部分およびオメガ弁のオメガ部分となるであろう、シート部分上に残された金属は、それらの特徴が、それぞれの弁内で移動することを可能にする。この技法は、以下に論じられるように、プラスチック層の積層中、プラスチックが、後続積層技法によって採用されるであろう条件に基づいて金属に積層しないであろうという認識に依拠する。しかしながら、これらの条件下、プラスチックは、下層のプラスチックに粘着するであろう。定義される条件は、積層中、ＰＥＴを溶融させずに、静電機構によってプラスチックに下層のプラスチックに粘着させるために十分である熱、圧力、および時間を含む。

【0116】

ここで図１３Ｂを参照すると、Ｔ弁のＴ部分（１０１７、図１２Ｄ）およびオメガ弁のオメガ部分（１０２６、図１２Ｄ）に整列するであろうシート部分上と、随意に、無関係部分上とに残された金属３０４ａ’を伴うシート３０４が、微小機械加工される。第２のマスク（図示せず）が、図１１Ａ−１１Ｄのマイクロポンプのコンパートメントおよび弁部材（図１３Ｂ内の領域３０６として示される）ならびに整列孔（図示されないが、以下に論じられるであろう）を画定または形成するように、第２のレーザアブレーションステーションを構成するために使用される。ビアも、示されるように、電気接続のために提供される。微小機械加工は、ポンプ本体のフレーム部分を残しながら、プラスチックをアブレーションし、マイクロポンプのコンパートメントを形成し、また、概して、アイテム３０６’に対して示されるように、弁のための封じ込め構造を形成する。

【0117】

ここで図１３Ｃを参照すると、Ｔ弁のＴ部分（１０１７、図１２Ｄ）およびオメガ弁のオメガ部分（１０２６、図１２Ｄ）の画定された特徴と、コンパートメントとを伴うシート３０４が、積層ステーションにおいて、第２のシート３０８、例えば、シートの上部表面上に１００ＡのＡｌの第２の金属層３１０を伴う、ＰＥＴの５ミクロン厚シートに積層される。この第２のシート３０８は、コンパートメントおよび弁領域の画定された特徴によって提供されるポンプ本体の上に膜を形成する。第２のシートも、金属層のコーティングに先立って、またはそれに続いて、整列孔（図示せず）を提供するように機械加工される。

【0118】

第１のシート３０４への第２のシート３０８の積層に先立って、第２のシート３０８はまた、いくつかのエリアの上にポンプ本体構造と整列するであろういくつかの無作為に分散された孔（図示せず）を提供される。これらの無作為に分散された孔は、第１のシート３０４上のポンプ本体ユニットの下層特徴を明らかにし、認識するために、マシンビジョンシステムによって使用される。データは、無作為孔を通して第１のシート内で認識された特徴を記録することによって生成される。これらのデータは、ポンプ本体（以下に論じられる）の上の層から電極を形成するとき、およびタウおよびオメガ特徴の上の領域内に金属パッドを形成するとき、第３のアブレーションステーションを整列させるために使用されるであろう。

【0119】

第２のシート３０８は、第１のシート３０４上にプラスチックが存在し、第２のシート３０８上にもプラスチックが存在するエリア内では、第１のシート３０４に積層され、したがって、粘着（または接着）するが、第１のシート３０４上に金属が存在し、第２のシート３０８上にプラスチックが存在する場所では、第１のシート３０４に接着または粘着しない。この選択的粘着は、前述の積層条件のために生じる。これは、マイクロポンプ内の移動可能部材、例えば、図１２Ａ−１２Ｄのタウおよびオメガ構造が、自由に移動することを可能にする。

【0120】

この時点で、マイクロポンプの繰り返し可能なユニット、例えば、ポンプ本体および移動可能かつ解放可能な特徴の複合シート３１０が、膜とともに形成されるが、電極は、膜上の層から形成されない。シートと接触するであろう特徴上の金属の使用によって提供されるこの選択的粘着は、そのような移動可能特徴を含む他の微小電気機械システム内のフラップ弁上のフラップ、ビーム、カンチレバー構造、ギヤ等の他の移動可能特徴を提供するためにも使用されることができる。

【0121】

マシンビジョンシステムは、レーザアブレーションシステムからのレーザビームが、電極がポンプ本体の対応する部分と位置合わせされた状態で、第４のマスクに従って電極２１０（図２Ｂ）を提供するように、第３のレーザアブレーションステーションを第４のマスクと整列させることにおいてレーザアブレーションシステムによって使用されるデータファイルを生成する。電極は、電極および導体の部品ではない領域内の金属をアブレーションし、分離された電極および導体をシート上に残すことによって形成される。ポンプ本体へのパターニングされた電極の位置合わせは、したがって、マシンビジョンシステムを使用して、産業において一般に見出される技法を使用してレーザアブレーションシステムがレーザビームと第４のマスクを整列させるために使用する位置付けデータを提供する、積層された構造の正面側の特徴を観察することによってもたらされる。

【0122】

ここで図１３Ｄを参照すると、複合シート３１０が、膜を形成した第２のシート上に堆積される１００ÅＡｌ層をアブレーションすることによって電極を形成するために、第３のレーザアブレーションステーションに給送される。複合シート３１０は、第４のマスク（図１４）に従ってパターニングされ、ポンプ本体の対応する領域の上に電極を画定する。第３のアブレーションステーションは、金属を第２の層からアブレーションし、分離された電極をシート上に残す。

【0123】

ここで図１４を参照すると、第３のレーザアブレーションステーションを構成し、電極２１０（図２Ｂ）を提供するために使用される、第４のマスク３２０が、示される。この第４のマスクは、膜上の電極２１０（図２Ｂ）および導体２１２（図２Ｂ）、整列孔３３４、および切断ライン３３６を示すように見られ得る。電極（図１３Ｄ）を伴うこの複合シート３２０は、あるステーション（図示せず）に給送され、そこで、シートは、図１４に示されるように、切断ライン３３６に沿って切断される。図１３Ａ−１３Ｄの処理ステップの各々から提供される整列孔３３４は、これらのシートからの切断されたダイの各々を整列させ、図２Ｄにおけるようなポンプ本体のスタックを生成するための機構を提供するために使用される。

【0124】

水平なベースに搭載される垂直な４つの支柱を備え得る治具（図示せず）が、切断されたダイの個々のものをスタックするために使用される。治具上に、端部キャップ（例えば、金属層を伴う５０ミクロンＰＥＴシート）が、提供され、端部キャップの上に第１の繰り返し可能なユニットが、提供される。繰り返し可能なユニットは、スポット溶接され（局所加熱源を印加する）、ユニットを治具上で定位置に保持する。各繰り返し可能なユニットが前の繰り返し可能なユニットの上にスタックされると、そのユニットは、スポット溶接される。スタックは、スタックの一方の側にＴ弁およびスタックの他方の側にオメガ弁を有することによって提供され、スタックは、スタック内の弁の各々を分離する固体表面を有するように、弁の配置から生じる結果として交互される（図２Ｄ参照）。スタックが完了すると、上部キャップ（図示せず）が、提供されることができる。スタックユニットは、積層ステーション（図示せず）に送られ、そこで、スタックは、積層され、繰り返し可能なユニットおよびキャップ全てを一緒に積層する。端部キャップおよび上部キャップは、パッケージングの部品であることもできる。別様に、繰り返し可能なユニットの組は、対で積層されることもできる。

【0125】

モジュール化されたマイクロポンプ２６０は、ポンプ２６０の端部コンパートメントを形成するためのモジュール層から成る。モジュール層の各々は、固定されたポンプ壁（図１Ａ、１Ｂの壁１０６、１０８に類似する）を形成するポンプ端部キャップを含む。電極が、コンパートメントを活性化するために、ポンプ端部キャップに取り付けられる。電極は、駆動回路（図示せず）に接続するための導線（図示せず）を含む。スタックの積層後、スタックユニットは、個々のマイクロポンプを形成するためにダイスカットされる。

【0126】

アセンブリのための他のスタック技法も、整列孔３３４の有無にかかわらず、可能である。

【0127】

本明細書に説明される異なる実装の要素は、上記に具体的に記載されない他の実施形態を形成するように組み合わせられ得る。要素は、その動作に悪影響を及ぼさない限り、本明細書に説明される構造から排除され得る。さらに、種々の別個の要素は、本明細書に説明される機能を行うように、１つ以上の個々の要素の中に組み合わせられ得る。他の実施形態も、以下の請求項の範囲内である。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図9A】

【図9B】

【図9C】

【図10】

【図10A-10B】

【図10C-10D】

【図10E-10F】

【図11A】

【図11B】

【図11C】

【図11D】

【図12】

【図12A】

【図13A】

【図13B】

【図13C】

【図13D】

【図14】