特許 6797703 多角形形状圧電ダイアフラムトランスジューサを備えるポンプ

(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】6797703

(24)【登録日】2020年11月20日

(45)【発行日】2020年12月9日

(54)【発明の名称】多角形形状圧電ダイアフラムトランスジューサを備えるポンプ

(51)【国際特許分類】

   F04B 43/04 20060101AFI20201130BHJP

   F04B 43/02 20060101ALI20201130BHJP

【ＦＩ】

   F04B43/04 B

   F04B43/02 B

【請求項の数】18

【外国語出願】

【全頁数】26

(21)【出願番号】特願2017-14407(P2017-14407)

(22)【出願日】2017年1月30日

(65)【公開番号】特開2017-141824(P2017-141824A)

(43)【公開日】2017年8月17日

【審査請求日】2017年3月27日

【審判番号】不服-4942(P-4942/J1)

【審判請求日】2019年4月12日

(31)【優先権主張番号】10 2016 201 718.7

(32)【優先日】2016年2月4日

(33)【優先権主張国】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】500341779

【氏名又は名称】フラウンホーファー−ゲゼルシャフト・ツール・フェルデルング・デル・アンゲヴァンテン・フォルシュング・アインゲトラーゲネル・フェライン

(74)【代理人】

【識別番号】100134119

【弁理士】

【氏名又は名称】奥町 哲行

(72)【発明者】

【氏名】リヒター・マーティン

(72)【発明者】

【氏名】ユエツェル・コンガー

(72)【発明者】

【氏名】ハインリッヒ・クラウス

(72)【発明者】

【氏名】ヘル・ヴァルトラウト

(72)【発明者】

【氏名】ヴァッカーレ・マーティン

【合議体】

【審判長】 佐々木 芳枝

【審判官】 窪田 治彦

【審判官】 松本 泰典

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１３−５２２５１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平７−１４８９２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−８２８５２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

F04B43/02-43/04

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

圧電ダイアフラムトランスジューサ（１０１）がポンプ本体（１２０，１７０）に取り付けられる、ポンプ（１００，２００，４００，５００）を製造する方法であって、前記方法は、
円形のポンプ室（１０２）とポンプ本体（１２０，１７０）とを備えるポンプ（１００，２００，３００，４００，５００）を用意する工程であって、前記ポンプ室（１０２）の外周は、距離Ｂ_Ｐだけ前記ポンプ本体（１２０，１７０）の外周から離間され、前記距離Ｂ_Ｐは、最短位置で、３００μｍ以下である、該工程と、
圧電セラミック層（５１）を用意する工程と、
少なくとも１つの圧電要素（５３，８３，２１０）が少なくとも６つの角を持つ正多角形形状を持つように、前記圧電セラミック層（５１）をダイシングして前記少なくとも１つの圧電要素（５３，８３，２１０）にする工程と、
ポンプダイアフラム（１１０）に前記圧電要素（５３，８３，２１０）を取り付けることによって前記圧電ダイアフラムトランスジューサ（１０１）を形成する工程と、を備える方法。

【請求項2】

前記距離Ｂ_Ｐは、２００μｍ未満であるか、または１００μｍ未満である、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記圧電セラミック層（５１）をダイシングして前記少なくとも１つの圧電要素（５３，８３，２１０）にする工程は、前記少なくとも１つの圧電要素（５３，８３，２１０）が６つの角を持つ六角形であるように行われる、請求項１または２に記載の方法。

【請求項4】

前記圧電ダイアフラムトランスジューサ（１０１）を形成するために前記ポンプダイアフラム（１１０）に前記圧電要素（５３，８３，２１０）を取り付ける前記工程は、前記ポンプ本体（１２０，１７０）に前記ポンプダイアフラム（１１０）を取り付ける工程の後に行なわれるか、または前記ポンプ本体（１２０，１７０）に前記ポンプダイアフラム（１１０）を取り付ける工程の前に行なわれる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項5】

前記圧電セラミック層（５１）をダイシングして前記少なくとも１つの圧電要素（５３，８３，２１０）にする工程は、前記少なくとも１つの圧電要素（５３，８３，２１０）が偶数の多角形角を備えるように行なわれる、請求項１、２または４に記載の方法。

【請求項6】

前記圧電セラミック層（５１）をダイシングして前記少なくとも１つの圧電要素（５３，８３，２１０）にする工程は、前記少なくとも１つの圧電要素（５３，８３，２１０）が少なくとも８つの角を備えるように行なわれる、請求項１、２または４に記載の方法。

【請求項7】

前記圧電要素（５３，８３，２１０）をダイシングするとき、前記圧電要素（５３，８３，２１０）は、定義されたソーイングパターン（５２，８０）に沿って直線的に切断して前記圧電セラミック層（５１）からソーイングで切り出される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。

【請求項8】

前記圧電要素（５３，８３，２１０）をダイシングするとき、前記圧電要素（５３，８３，２１０）は、ビーム切断法またはジェット切断法によって、定義された切断パターン（５２，８０）に沿って前記圧電セラミック層（５１）から切り出される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項9】

前記圧電セラミック層（５１）は、分極化された圧電セラミック膜である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。

【請求項10】

前記ダイアフラム（１１０）を偏らせる工程をさらに含み、該工程は、偏った前記ダイアフラム（１１０）が非駆動状態で少なくとも部分的に前記ポンプ本体（１２０，１７０）から離間され、前記離間した部分が上から見て円形形状の前記ポンプ室（１０２）を形成する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。

【請求項11】

ポンプ本体（１２０，１７０）に配置される圧電ダイアフラムトランスジューサ（１０１）を備えるポンプ（１００，２００，４００，５００）であって、
前記圧電ダイアフラムトランスジューサ（１０１）は、圧電セラミック層（５１）から製造され、ダイアフラム（１１０）に配置される圧電要素（５３，８３，２１０）を備え、
前記圧電要素（５３，８３，２１０）は、少なくとも６つの角を持つ正多角形形状を持ち、
前記ポンプ（１００，２００，３００，４００，５００）は、円形のポンプ室（１０２）を備え、前記ポンプ室（１０２）の外周は、距離Ｂ_Ｐだけ前記ポンプ本体（１２０，１７０）の外周から離間され、
前記距離Ｂ_Ｐは、最短位置で、３００μｍ以下であるポンプ。

【請求項12】

前記距離Ｂ_Ｐは、２００μｍ未満であるか、または１００μｍ未満であるか、または５０μｍ未満である、請求項１１に記載のポンプ。

【請求項13】

前記圧電要素（５３，８３，２１０）は、偶数の多角形角を備える、請求項１１または１２に記載のポンプ（１００，２００，４００，５００）。

【請求項14】

前記圧電要素（５３，８３，２１０）は、６つの角を備える六角形である、請求項１１または１２に記載のポンプ（１００，２００，４００，５００）。

【請求項15】

前記圧電要素（５３，８３，２１０）は、少なくとも８つの角を備える、請求項１１または１２に記載のポンプ（１００，２００，４００，５００）。

【請求項16】

前記圧電要素（５３，８３，２１０）は、１００μｍ以下の厚さを持つ、請求項１１〜１５のいずれか一項に記載のポンプ（１００，２００，４００，５００）。

【請求項17】

前記ポンプは、マイクロダイアフラムポンプであり、前記マイクロダイアフラムポンプの前記ポンプ本体（１２０，１７０）は、金属を備えるか、または半導体材料を備えるチップとして実施される、請求項１１〜１６のいずれか一項に記載のポンプ（１００，２００，４００，５００）。

【請求項18】

前記ポンプ本体（１２０，１７０）は、７×７ｍｍ^２以下の寸法、または３．５×３．５ｍｍ^２以下の寸法、または２×２ｍｍ^２以下の寸法を持つ、請求項１１〜１７のいずれか一項に記載のポンプ（１００，２００，４００，５００）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、圧電ダイアフラムトランスジューサがポンプ本体に取り付けられる、ポンプを製造する方法に関する。この方法は請求項１の特徴を備え、このようなポンプは請求項１２の特徴を備える。

【背景技術】

【0002】

ポンプ、特に、いわゆるマイクロポンプは、異なる材料、たとえば、シリコン、金属またはプラスチックから製造してもよい。特に、小さいストローク量にもかかわらず、十分に大きい圧縮比がこの場合にも実現されるように、小さい死容積を持つポンプ室を精度の高い製造方法によって生成することができるので、シリコン（部分的）金属マイクロポンプにより微小化の大きい可能性が生まれる。

【0003】

この場合の圧電ダイアフラムトランスジューサは、最も一般的な駆動要素である。圧電ダイアフラムトランスジューサは好ましくは接着剤の硬化時に高電圧を印加することを利用する特別な方法を用いて偏らせる。このような方法は国際公開第２０１１／１０７１６２号により理解される。この公報で処理されるポンプチップのチップサイズは７×７ｍｍ^２である。マイクロポンプは四角いポンプ室を備える。ポンプダイアフラムは四角い圧電要素を備え、この四角いポンプ室の上に配置される。四角い圧電要素を備えるポンプダイアフラムは、チップ縁に沿って基礎となるポンプ本体に接合される。したがって、接合に必要なチップ縁の最小値は３００μｍ以上である。

【0004】

一般的にポンプの微小化への努力は効果を奏するように以下の理由でなされる。
・微小ポンプチップはほとんど構築空間を必要としないこと（多くの用途で、７×７ｍｍ^２ですでに十分に小さい）。
・微小のダイアフラム寸法は微小のストローク量を意味し、したがって、微小の容積部分が輸送されることになること。
・マイクロポンプはウエハ化合物で製造され、かつ微小化により、より多くのチップをウエハに収めることができることを理由に、微小化にとって重要な点が製造コストの削減であること。

【0005】

微小のストローク量は、他方で、ある部分では欠点である。その理由は、ストローク量が小さいと圧縮比は小さくなり、過剰に小さい圧縮比を持つポンプは気泡に対処できないだけでなく、自己吸引でもないことから、実用に向かなくなるからである。

【0006】

ポンプチップを微小化する場合、１つに、ダイアフラムを撓ませるトランスジューサのストローク量がダイアフラムの面内方向寸法の約４乗に依存することは問題である。駆動ダイアフラムのダイアフラム面内方向長さを半分にすると、ストローク量は１／１６に減少する（他のすべてのジオメトリパラメータおよび駆動パラメータを変更しない場合）。

【0007】

この減少の割合はジオメトリパラメータおよび駆動パラメータを適切に調節することで、ある程度小さくすることができる。特に、ダイアフラム面内方向長さを減少させるとき、ダイアフラムの厚さ、特に、圧電セラミックの厚さも同時に減少させてもよい。しかしながら、ストローク量は、死容積を減少させることが可能である場合よりもさらに減少する。多くの場合、死容積を同じ割合で減少させることはできない。

【0008】

この両立不能な問題は、ダイアフラムエリアが全チップエリアを占めることができないという事実によってより困難になる。チップ縁は、バルブウエハ上にポンプ室を含む駆動ウエハを接合するのに必要である。この必要な最小チップ縁はチップサイズに依存しない。７×７ｍｍ^２の寸法を持つ既知のマイクロポンプに関しては、たとえば、現行のチップ縁は約３００μｍであり、すなわち、チップの縁で７ｍｍのうち０．６ｍｍがフレームを取り付けるのに必要である。

【0009】

マイクロポンプを３．５×３．５ｍｍ^２のチップサイズに縮小する場合、３００μｍ（左右各々で３００μｍ、すなわち６００μｍ）がこの場合でも縁に必要であるので、チップ長の６／３５しかダイアフラムに利用できない。

【0010】

チップサイズを減少させる場合の別の重要事項は、ダイアフラムを撓ませるトランスジューサの形状である。圧電ダイアフラムトランスジューサを有するマイクロポンプは、たとえば、上述の国際公開第２０１１／１０７１６２号から理解される方法にしたがって偏らせる場合であっても、ダイアフラムの下で、ポンプ室高さｈを持つポンプ室を必要とする。このポンプ室高さは重要な設計パラメータであり、マイクロポンプの死容積に決定的に寄与し、さらに、マイクロポンプの最大輸送率に決定的に寄与する。

【0011】

円形の回転対称の撓み生成トランスジューサは、四角い形状を持つ撓み生成トランスジューサと比較して２つの利点を示す。
・撓まされるとき、円形の圧電ダイアフラムトランスジューサは、四角い圧電ダイアフラムトランスジューサと比較して、四角いダイアフラムトランスジューサの角の下のポンプ室体積が利用されないので、ほぼ等しいストローク量できわめて小さい死容積を持つ。逆に、四角いダイアフラムトランスジューサの角領域はストローク量にほとんど何にも寄与しない。
・円形のダイアフラムトランスジューサと円形のポンプ室とを有するマイクロポンプチップは、きわめて小さい死容積を備えるだけでなく、ポンプチップの角できわめて大きい接合エリアも備える。したがって、チップ縁に対する円形のポンプ室縁の最小距離は大幅に減少させることができる。これは、この場合でも十分な接合エリアを利用できるからである。したがって、円形のダイアフラムトランスジューサの場合には、きわめて大きいチップ領域を駆動ダイアフラムに利用することができる。

【0012】

ポンプチップのサイズを減少させる場合に円形の圧電ダイアフラムトランスジューサが四角い圧電ダイアフラムトランスジューサよりも有効であると考えられるのは、上述から自明になっている。

【0013】

圧電セラミックを製造するための２つの既知の方法がある。
ａ）ブロック法：この方法では、圧電セラミックを棒状に製造し、焼結後、ソーイングしてディスクに切り分け、金属化し、その後、分極化する。
ｂ）膜法：この方法では、圧電セラミックを膜に含ませ、焼結し、分極化し、その後ソーイングによってダイシングする。

【0014】

ブロック法を用いて、円形の圧電セラミックおよび四角い圧電セラミック（または、矩形の圧電セラミック、三角形の圧電セラミックなど）を実現することができ、ディスクを切り出す棒材はこれらの圧電セラミックに応じた断面形状を持つ。しかしながら、圧電セラミックの厚さには下限閾値（現状で、約１５０μｍであり、閾値は圧電製造者による）があり、この閾値未満では、経済的な問題で、圧電セラミックを棒材からもはや切り出すことができない。７×７ｍｍ^２よりも小さいマイクロポンプチップについては、１５０μｍ未満のセラミック厚がほとんどの場合必要である。これに加えて、個別にセラミックを取り扱うことから、この方法は膜法よりも高価である。さらに、ソーイングされた圧電セラミックは、ソーイング後、前側および後側で１つずつ金属化しなければならない。

【0015】

したがって厚さ１５０μｍ未満の圧電セラミックは膜法を用いて有利に製造される。膜法では５０μｍ未満の厚さの膜厚で製造することができる。当該セラミック膜は焼結後に前側および後側で金属化し、この時点でダイシングする。これはきわめて経済的である。３×３ｍｍ^２のサイズを持つ金属化された四角い圧電セラミックは、標準的なソーイングプロセス４００を用いて５０μｍの厚さを持つセラミック膜（たとえば、サイズ６０×６０ｍｍ^２）から切り出すことができる。

【0016】

厚さ５０μｍで約３×３ｍｍ^２の直径を持つ圧電セラミックを必要とする、３．５×３．５ｍｍ^２のチップサイズを持つマイクロポンプにおいて、膜法を用いて製造される当該セラミックを、ソーイングすることによって非常に経済的に製造することができる。

【0017】

ただし、ソーイング時に直線的な切断のみが可能であるので、円形の膜はソーイングプロセスで製造することができない。しかしながら、上記で説明されているように、円形の圧電セラミックが必要とされている。

【0018】

円形のピースを形成するのにレーザプロセスを用いるか、パンチプロセスを用いて、５０μｍの厚さを持つ焼結され金属化された膜セラミックを切り出すことを試みることができる。しかしながら、圧電セラミックを処理するのに利用可能なこのようなプロセスはない。これに加えて、圧電セラミックは硬くてもろく、したがって、このような方法を使用する場合、非常に高い確率で破壊されると考えられる。

【0019】

レーザビームを利用して膜基板上に接着されたシリコンチップをダイシングするものが知られている（いわゆる「ステルスダイシング」）。しかしながら、このような技術を圧電セラミック用にまず開発しなければならない。しかも、たとえ利用できたとしても、わずか約３ｍｇの重さを持つ切断された個々のピースを適切な取り扱いシステムによって正確な分極方向にポンプチップに配置しなければならず、これにより、さらなる実施上の大きな困難を引き起こす。これに加えて、セラミックを加熱すると、セラミックはキュリー温度を上回るときに切縁の近くで減極される。

【0020】

ウォータジェット切断はもう１つの選択肢である。しかしながら、セラミックだけでなく膜も、ダイシング後に個々のピースにセラミックが存在するように、ウォータジェットにより切り離すことになる。個々のピースは、分極方向に応じて再度仕分けられて取り付けられなければならない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0021】

【特許文献1】国際公開第２０１１／１０７１６２号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0022】

本発明の基礎となる目的は、ポンプを製造する既存の方法およびポンプダイアフラムとして用いられる圧電セラミック要素をダイシングする既存の方法、ならびにこのようなダイアフラムを備えるポンプを改善することである。

【課題を解決するための手段】

【0023】

この目的は、請求項１の特徴を備える方法および請求項１２の特徴を備えるポンプを用いて本発明にしたがって達成される。

【0024】

本発明の方法を用いてポンプは提供され、この方法では、圧電ダイアフラムトランスジューサがポンプ本体に配置される。圧電ダイアフラムトランスジューサは、ポンプダイアフラムと、ポンプダイアフラム上に配置される圧電要素とを備える。本発明によれば、圧電要素は、少なくとも６つの角を持つ正多角形形状を持つ。本発明の方法は、マイクロリットル領域またはナノリットル領域で微量、しかも最小量を輸送するポンプ、たとえばマイクロダイアフラムポンプを製造することができる点で有効であり、マイクロダイアフラムポンプは、ダイアフラムを駆動するかつ／または撓ませる駆動要素として圧電要素を備える。圧電要素は、少なくとも６つの角を持つ多角形形状を持つ。矩形または四角いポンプ室と矩形または四角い圧電要素とを有する既知のポンプは、四角圧電要素の角の下のポンプ室容積を利用することができないので、輸送に寄与しない角の死容積を備える。四角形または四角い圧電要素の角領域は、逆にストローク量にきわめてわずかであるが寄与する。比較として、特に円形のポンプ室を有する、少なくとも６つの角を持つ本発明の多角形形状の圧電要素は、ほぼ等しいストローク量できわめて小さい死容積を持つ。特に、このことは、圧電要素の多角形形状の意匠をポンプ室の円形形状に合致させることができるということに起因する。言い換えると、本発明の正多角形形状の圧電要素の周囲の外接円を定義することができ、外接円の直径を円形のポンプ室の直径に合致させることができる。したがって、きわめて小さい死容積を持つ大きいストローク量（四角形の圧電要素と比較する場合）を利用することができる。

【0025】

実施形態によれば、圧電ダイアフラムトランスジューサを形成するためにポンプダイアフラムに圧電要素を取り付ける工程は、ポンプ本体にポンプダイアフラムを取り付ける工程の後に行なってもよい。言い換えると、まずポンプダイアフラムをポンプ本体に取り付ける。その後にのみ、圧電要素をポンプダイアフラムに配置する。ポンプダイアフラムと圧電要素との結合により、圧電ダイアフラムトランスジューサはポンプ本体に配置される。

【0026】

別の実施形態によれば、圧電ダイアフラムトランスジューサを形成するためにポンプダイアフラムに圧電要素を取り付ける工程は、ポンプ本体にポンプダイアフラムを取り付ける工程の前に行なってもよい。言い換えると、まず圧電要素をポンプダイアフラムに配置する。ポンプダイアフラムと圧電要素との結合により、圧電ダイアフラムトランスジューサがもたらされ、その後に圧電ダイアフラムトランスジューサをポンプ本体に取り付ける。

【0027】

圧電セラミック層をダイシングして少なくとも１つの圧電要素にする工程は、少なくとも１つの圧電要素が偶数の多角形角を備えるように行なってもよい。正多角形形状と多角形角の偶数を持っている圧電要素は、わずかな大きさしかない切り残しだけで圧電セラミック層をダイシングして得ることができる。切り残しは、ダイシングされる圧電要素が奇数の多角形角を有する場合よりも小さい。

【0028】

圧電セラミック層をダイシングして少なくとも１つの圧電要素にする工程は、少なくとも１つの圧電要素が少なくとも８つの角を備えるように行なってもよい。多角形形状の圧電要素がより多くの角を持つと、円形の圧電要素の特性はより良好に現われる。たとえば四角形の圧電要素と比較して、八角形の圧電要素はより小さい死容積を持つ。すなわち、使用可能な容積はより大きい。

【0029】

実施形態によれば、圧電要素をダイシングするとき、圧電要素は、定義されたソーイングパターンに沿って直線的に切断して圧電セラミック層からソーイングで切り出される。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの圧電要素は、直線的な切断のみを用いて圧電セラミック層からソーイングで切り出される。したがって、圧電セラミック層から圧電要素をソーイングで切り出すのに、標準的なソーイングプロセスを用いることができる。ソーイングプロセスを用いて、特に直線的な切断は有効であり、単純であり、効率的な手法で行なうことができる。このようなソーイングプロセスは大量製造に適する。すなわち、本発明の多角形圧電要素は、コスト効率の高い手法で大量に製造することができる。

【0030】

圧電要素をダイシングするとき、圧電要素を、ビーム切断法またはジェット切断法によって、定義された切断パターンに沿って圧電セラミック層から切り出してもよい。圧電要素は、たとえばレーザビーム切断またはウォータジェット切断を用いてダイシングしてもよい。直線的な切断とは別に、非直線的な切断もここで行なうことができる。このようなビーム切断法またはジェット切断法を用いて、多角形圧電要素は、たとえば、切り残しを残さずに圧電セラミック層から切り出すことができる。六角形形状の場合、ハチの巣形状の構造を、たとえば、切り離すことができる。

【0031】

圧電セラミック層は、分極化された圧電セラミック膜であってもよい。先に分極化されるこのような圧電セラミック膜により、膜法を用いた、分極化された圧電要素の製造はより容易になる。あらかじめ分極化した膜をダイシングして得られる圧電要素は、正しい分極を示し、ダイシング後に個々に分極化する必要がない。

【0032】

実施形態によれば、ダイアフラムが非駆動状態で少なくとも部分的にポンプ本体から離間され、かつこの離間した領域が上から見て環形状を持つポンプ室を形成するようにダイアフラムを偏らせる。環状、特に円形のポンプ室により、四角形または四角いポンプ室と比較して、製造されるポンプの効率は改善する。偏ったダイアフラムに取り付けられる多角形形状の圧電要素は可撓性であってもよく、円形のポンプ室（ポンプ室の直径）と比較して、ほぼ同じであるか、わずかに小さい外寸法（外接円直径）を持ってもよい。これに加えて、１回のポンプストロークで輸送される容積を必要に応じて調節することができるように、ダイアフラムの偏りを所望のポンプ室高さＨに適合させてもよい。

【0033】

方法は、ポンプを上から見て環形状のポンプ室を形成する工程をさらに備えてもよい。この方法では、ポンプ室は、その外周がポンプ本体の外周から離間し、これにより最短距離が３００μｍ、２００μｍまたは１００μｍ以下であるように構成されている。言い換えると、環状のポンプ室を持つポンプチップのチップ縁を、四角形または四角いポンプ室と比較して減らすことができる。チップ縁は、ポンプ室の外周（ポンプ室の直径Ｄ）とポンプ本体の外周（または外側）との距離である。このことは、最短距離が、ポンプ室の外周がポンプ本体の外周までの最小の距離を持つ箇所であることを意味する。この最短距離は３００μｍ以下であるか、２００μｍ以下であるか、１００μｍ以下である。比較として、既知の四角形または四角いポンプ室におけるチップ縁の最小寸法は、チップ縁にダイアフラムを接合するのに十分な接合面積を提供するために、少なくとも３００μｍ以上である。本発明の環状、特に円形のポンプ室に起因して、角で利用可能なより大きい接合面積が存在し、これによりチップ縁の寸法が減少する。

【0034】

さらに、本発明は、請求項１２の特徴を備えるポンプに関する。

【0035】

圧電要素は、１００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下の厚さを持ってもよい。このような圧電要素は、たとえば、膜技術を用いて製造してもよい。膜技術では、圧電セラミックを膜に含ませ、焼結し、分極化する。その後、ソーイングによってこのような膜をダイシングして圧電要素にすることができる。特に、チップ構成においてマイクロポンプの寸法を減少させる場合、同時に、ダイアフラムも、ダイアフラム上に配置される圧電要素も縮小する。ストローク量を維持するために、特に圧電要素の厚さを減らさなければならない。約５０μｍ以下の厚さがこの場合によく適する。

【0036】

実施形態によると、ポンプはマイクロダイアフラムポンプであってもよく、マイクロダイアフラムポンプのポンプ本体は金属を備えるか、または半導体材料を備えるチップとして形成される。チップ構成で製造されるこのようなマイクロダイアフラムポンプは、微小化について高い可能性を示す。

【0037】

ポンプ本体は、７×７ｍｍ^２以下、３．５×３．５ｍｍ^２以下、または２×２ｍｍ^２以下のサイズを有してもよい。ポンプまたはポンプ本体を微小化する場合、１つに、圧電ダイアフラムトランスジューサのストローク量がダイアフラムの面内方向寸法の約４乗に依存することが問題である。たとえば、ダイアフラムの面内方向長さを半分にする場合、ストローク量は１／１６に減少する。本発明の多角形形状の圧電要素により、微小化に関係するこれらの欠点を補償することができるか、少なくとも部分的に減らすことができる。したがって、本発明の多角形形状の圧電要素を使用することは、微小化されたポンプに有効である。

【0038】

さらに、ポンプは上から見て環形状のポンプ室を備えてもよく、ポンプ室の外周は、最短距離が３００μｍ以下であるか、２００μｍ以下であるか、１００μｍ以下であるか、５０μｍ以下であるように、ポンプ本体の外周から離間する。言い換えると、ダイアフラムを取り付けることができる縁がポンプ本体とポンプ室との間に残る。マイクロダイアフラムポンプをチップ構造で製造することに関して、たとえば、その際、マイクロポンプチップ（圧電体を除く）はウエハ化合物中のシリコンから製造され、これをチップ縁と呼ぶ。四角形または四角いポンプ室を有する既知のマイクロダイアフラムポンプの場合、周縁にあるチップ縁は３００μｍ以上である。円形のポンプ室を形成することによって、チップ縁を３００μｍ、２００μｍ、１００μｍまたは５０μｍ以下のサイズに縮小させることができる。

【0039】

本発明の実施形態は図に示され、以下で説明される。

【図面の簡単な説明】

【0040】

【図1A】本発明の方法のブロック図である。

【図1B】切断またはソーイングパターンとともに、ソーイングする膜に配置される圧電セラミック層を示す。

【図1C】直線的な切断のみによって六角形の圧電要素を製造するための実施可能な切断パターンまたはソーイングパターンの概略図である。

【図1D】直線的な切断のみによって八角形の圧電要素を製造するための実施可能な切断パターンまたはソーイングパターンの概略図である。

【図1E】偏ったダイアフラムを備える本発明のポンプの断面図であり、本発明の圧電要素は示されていない。

【図1F】ポンプ本体に隣接するダイアフラムを備える本発明のポンプの断面図であり、本発明の圧電要素は示されていない。

【図2A】偏ったダイアフラムと、少なくとも６つの角を持つ本発明の多角形形状の圧電要素とを備える本発明のポンプの断面図である。

【図2B】ポンプ本体に隣接するダイアフラムと、本発明の圧電要素とを備える本発明のポンプの断面図である。

【図3】本発明の六角形の圧電要素を備える本発明のポンプの上面図である。

【図4A】本発明のポンプの別の実施形態の断面図であり、本発明の圧電要素は示されていない。

【図4B】本発明の圧電要素を取り付ける工程での本発明のポンプの他の実施形態の断面図である。

【図4C】圧電要素がダイアフラムに取り付けられている状態の本発明のポンプの他の実施形態の断面図である。

【図4D】ダイアフラムが偏っている状態の本発明のポンプの他の実施形態の断面図である。

【図4E】ダイアフラムが駆動されている状態の本発明のポンプの他の実施形態の断面図である。

【図5A】先行技術に係る四角形または四角いポンプ室と、四角形または四角い圧電要素とを備えるポンプの上面図である。

【図5B】円形のポンプ室と円形の圧電要素とを備えるモデルポンプの上面図である。

【図5C】円形のポンプ室と六角形の圧電要素とを備える本発明のポンプの上面図である。

【図6A】圧電要素の寸法に依存するストローク量の図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃに示されているポンプ形状のシミュレーションの評価を示す。

【図6B】圧電要素の寸法に依存するストール圧の図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃに示されているポンプ形状のシミュレーションの評価を示す。

【発明を実施するための形態】

【0041】

図１Ａは、圧電ダイアフラムトランスジューサがポンプ本体に取り付けられる、ポンプを製造する本発明の方法のブロック図を示す。本発明の方法は、図１Ａに示されているものとは異なる順序で実行されてもよい。

【0042】

ブロック１０にしたがって圧電セラミック層を用意する。圧電セラミック層は圧電セラミック膜であってもよい。圧電セラミック層は、５０μｍ以下の厚さまたは高さを持ってもよい。

【0043】

ブロック２０にしたがって、少なくとも１つの圧電要素が少なくとも６つの角を持つ正多角形形状を持つように圧電セラミック層をダイシングして少なくとも１つの圧電要素にする。

【0044】

ブロック３０にしたがって、ポンプダイアフラムに圧電要素を取り付けることによって圧電ダイアフラムトランスジューサを形成する。本発明に係れば、この圧電ダイアフラムトランスジューサをポンプのポンプ本体に取り付ける。

【0045】

本発明の方法の実施形態に係れば、ポンプダイアフラムをまずポンプ本体に配置してもよい。その後に圧電要素をポンプダイアフラムに配置してもよい。

【0046】

本発明の方法の別の実施形態に係れば、圧電要素をまずポンプダイアフラムに配置してもよい。その後にポンプダイアフラム上に配置された圧電要素を含むポンプダイアフラムをポンプのポンプ本体に配置してもよい。

【0047】

ポンプダイアフラムに接続された圧電要素は、圧電ダイアフラムトランスジューサを形成する。

【0048】

ポンプ本体は、例として、チップ構成において、半導体材料、たとえばシリコン製のマイクロダイアフラムポンプのポンプ本体であってもよい。このようなポンプ本体は、たとえば、バルブウエハを備えてもよい。ポンプダイアフラムも半導体材料、たとえばシリコンをたとえば含んでもよく、たとえば、研磨プロセスによって製造してもよい。例として、ポンプダイアフラムはバルブウエハの上に配置してもよく、さらに言えば、駆動ウエハを形成してもよい。例として、ポンプダイアフラムは、ポンプダイアフラムを偏らせることによってポンプ本体から離間させてもよい。例として、ポンプ室はこの離間によって設けてもよい。

【0049】

上述のように、ポンプダイアフラムに少なくとも１つの圧電要素を取り付けることによって圧電ダイアフラムトランスジューサを形成する。上記に記載されているように、ポンプダイアフラムはポンプ本体に配置してもよい。ポンプダイアフラムは、ポンプダイアフラムの運動がポンプストロークに対応するように圧電要素を用いて作動させてもよい。ポンプダイアフラムと、ポンプダイアフラムに配置される圧電要素とはともに圧電ダイアフラムトランスジューサを形成する。

【0050】

本発明に係れば、圧電要素は、ダイシング時、あらかじめ定義されたソーイングパターンに沿って直線的に切断して圧電セラミック層から切り出される。図１Ｂは、膜５０に配置されている圧電セラミック層５１を示す。

【0051】

膜５０と、膜５０上に配置されている圧電セラミック層５１とは、あらかじめ定義されたソーイングパターンすなわち切断パターン５２に沿って直線的に切断してソーイングする。ソーイングパターンすなわち切断パターン５２は、図１Ｃの拡大図に概略的に示されている。

【0052】

ソーイングパターンすなわち切断パターン５２は直線的なソーイング切断のみがなされるように構成されている。ソーイングパターンすなわち切断パターン５２は、平行な切断線５４，５５の少なくとも１つの第１の対と、これらに対して斜めになっている切断線５７，５８の少なくとも１つの第２の対と、これらに対して斜めになっている平行な切断線５８，５９の少なくとも１つの第３の対とを備え、これらは鏡像関係になっている。切断線の組は各々、互いに平行である。

【0053】

切断線のこの配置によって、ダイシングされた圧電要素５３は圧電セラミック層５１から得られ、正六角多角形形状を持つ。切り残しと言えるものは２つの三角形６０，６１である。

【0054】

図１Ｂから分かるように、このような六角形の圧電要素はすでに圧電セラミック層５１からすでに切り離されたり、ダイシングされたりしており、そのことは空所６２から理解することができる。

【0055】

圧電膜のソーイングは、圧電要素を経済的に製造することができるような大量製造にふさわしい標準的なプロセス工程である。好ましくは、その前に分極化されるセラミック層を用いてもよい。ソーイング後、分極化されたセラミック５１は、たとえばピックアンドプレース技術を用いてソーイングする膜５０からポンプ本体（図１Ｅ以降）またはポンプチップの上載置されてもよい。

【0056】

膜セラミック５１を標準的なソーイングプロセスによってダイシングして、四角い形状を形成するのではなく、直線的な切断によって六角形形状を形成する。

【0057】

圧電要素５３の六角形形状には以下の利点がある。
・四角のように、六角形５３は直線的な切断を用いて平面板から切り出すことができる。
・１つの六角形５３につき２つの小さい三角形６０，６１が残り、これは、セラミック膜面積の７５％を六角形５３に利用し得ることを意味する。ソーイングされた圧電セラミック５３は、ピックアンドプレイスシステムを用いてポンプ本体、たとえばミクロポンプウエハ上に正しい分極方向に、ソーイングする膜５０から直接載置することができる。
・六角形５３は、四角よりも理想的な円形形状によく合致する。したがって、円形のポンプ室を（六角形のセラミック５３の下で）選択することができ、これにより上記の利点が生じる。

【0058】

図１Ｄは、圧電セラミック層５１をソーイングまたは切断する別の実施可能なソーイングパターンすなわち切断パターン８０を示す。このソーイングパターンすなわち切断パターン８０は、その後に実行される直線的な切断、すなわちダイシングを用いて少なくとも１つの八角形の本発明の圧電要素８３を圧電セラミック層５１から切断またはソーイングで切り出すのに用いることができる。

【0059】

前述されているように、ソーイングまたは切断された多角形形状の圧電要素５３，８３は、ポンプダイアフラムに配置することができる。圧電要素５３，８３は、少なくとも１つの方向にポンプダイアフラムを撓ませるように構成されている。圧電要素５３，８３は、それらが取り付けられるポンプダイアフラムとともに、ポンプ用の圧電ダイアフラムトランスジューサを形成する。

【0060】

図１Ｅは本発明のポンプ１００の簡略図を示す。図１Ｅでは、ポンプ１００の基本的な構造に関する説明を単純化するために、本発明の圧電要素は示されていない。

【0061】

図１Ｅに示されているポンプ１００は、ポンプ本体１２０と、ポンプ本体上に配置されるダイアフラム１１０とを備える。ポンプダイアフラム１１０は、図１Ｅに示されている位置、すなわち、少なくとも部分的にポンプ本体１２０から離間する位置で偏っている。これがポンプ１００の非駆動開始状態または非動作開始状態に対応するのに対して、図１Ｆでは、ダイアフラム１１０は圧電要素（この場合も図示されていない）を用いて作動させられている。

【0062】

ポンプダイアフラム１１０は、第１の面または上面１１２と、第１の面１１２の反対側に配置される第２の面または下面１１４とを備える。ポンプ本体１２０は、第１の面または上面１２２と、第１の面１２２の反対側に配置される第２の面または下面１２４とを備える。ポンプダイアフラム１１０は、その周縁に沿ってポンプ本体１２０に配置される。

【0063】

これに加えて、ポンプ１００はポンプ室１０２（図１Ｅ）を備える。ここで、ポンプ室１０２は、ポンプダイアフラム１１０とポンプ本体１２０との間の自由空間または自由容積として定義される。この場合のポンプ室１０２は図示のように直径Ｄを持つ。ポンプ室１０２の直径Ｄは、（非駆動偏り状態の）ポンプダイアフラム１１０がポンプ本体１２０に触れる位置である、ポンプ１００の２つの対向する面内方向位置間の距離によって定義される。この位置は、典型的には、ポンプダイアフラム１１０がその周縁に沿ってポンプ本体１２０に配置される上記位置に対応する。

【0064】

参照符号Ｈは、非駆動状態のポンプ室１０２の高さを指し、すなわち、ポンプダイアフラム１１０の中央１０３における、ポンプ本体１２０の第１の面１２２とポンプダイアフラム１１０の下面１１４との垂直距離である。

【0065】

ポンプ本体１２０は、吸入口１２６および排出口１２８ならびに空所を備え、空所は、ポンプ本体１２０の上側、すなわちポンプダイアフラム１１０に面する側にあり、空所には第１のバルブ１３０および第２のバルブ１４０が配置される。第１のバルブ１３０と第２のバルブ１４０とはポンプ室１０２に流体連通する。

【0066】

ここで示されているマイクロポンプ１００の実施形態では、吸入側チェックバルブ１３０および排出側チェックバルブ１４０は、２つの半導体チップ１５０，１６０の積層物１７０の形態で実施される。この形態では、二重バルブ構造１７０の上部半導体層または上部半導体チップ１５０は、下部半導体層または下部半導体チップ１６０の上に配置される。第１および／または第２の半導体層１５０，１６０は、たとえば、シリコンまたは他の半導体材料を含んでもよい。

【0067】

図１Ｅおよび図１Ｆから理解することができるように、ポンプ本体１２０の第１の面１２２は平坦であり、吸入および排出バルブ１３０，１４０の上面１５２、言い換えると、ポンプダイアフラム１１０に向く表層１５０の上面１５２も平坦であり、図１Ｅの垂直向きについて説明する場合に第１の面１２２と同じ高さに位置する。（表面１２２，１５２によって定義される）共通の平面の下で、吸入側チェックバルブ１３０は空所１３２、たとえば上部層および下部層１５０，１６０に形成される空所を備え、排出側チェックバルブ１４０はたとえば上部層１５０にある空所１４２を備える。

【0068】

図１Ｅおよび図１Ｆは二重バルブ構造１７０を用いるポンプ本体１２０を示しているが、ポンプに関する異なる実施形態は、ポンプに直接パターニングされるバルブ構造１３０，１４０を備えてもよい。さらなる実施形態では、バルブ構造１７０の上面１５２は、ポンプ本体１２０をあらかじめ形成することができる（たとえば図４Ａ〜図４Ｅ参照）。

【0069】

以下、ポンプ本体１２０の第１の面１２２と吸入側および排出側チェックバルブ１３０，１４０の上面１５２とをともにポンプ本体またはポンプ本体下部の第１の面とも呼ぶ。図１Ｅおよび図１Ｆに図示されているマイクロポンプ１００は、実質的に平坦な第１の面１２２と、実質的に平坦なポンプ本体下部とを備える。言い換えれば、第１の面１２２はバルブの空所１３２，１４２を除いて平坦な実施例を備える。

【0070】

この点について説明すると、ポンプ室１０２の最大容積Ｖ_ｍａｘは、ポンプ体１２０と偏り状態で図１Ｅに示されているようなポンプダイアフラム１１０との間の容積と、バルブ空所１３２，１４２の容積とを備える。

【0071】

さらに図１Ｆから理解することができるように、ポンプダイアフラム１１０が、ほとんど偏っていない第２の位置にある平坦な形状を持つと仮定し、ポンプ本体１２０の第１の面１２２に当接する実施形態では、最小容積または死容積Ｖ_０は主にバルブ空所１３２，１４２により決定される。２つの容積の差をストローク量ΔＶ＝Ｖ_ｍａｘ−Ｖ_０とも呼ぶ。圧縮比ｃはｃ＝ΔＶ／Ｖ_０と定義されるので、図１Ｅおよび図１Ｆに示されている実施形態は高い圧縮比を持つ。

【0072】

この例では、ポンプ室１０２は、ポンプダイアフラム１１０の周縁に沿う、ポンプダイアフラム１１０とポンプ本体１２０との間の接続によって、その周囲（吸入側チェックバルブ１３０および排出側チェックバルブ１４０を除く）に対して完全に封止される。ポンプダイアフラム１１０の周縁は、角ばった形状、任意の点対称の形状などを持ってもよい。ポンプダイアフラム１１０の角ばった周縁または点対称の周縁により、これらの形状は運動中の変形を防止するので、ポンプ特性が改善される。

【0073】

図２Ａおよび図２Ｂは、ポンプダイアフラム１１０の上側１１２に配置される圧電要素２１０を備えるポンプ２００の実施形態の断面を概略的に示す。図１Ｅと同様に、図２Ａは、ポンプダイアフラム１１０が第１の偏り位置にあるポンプ２００を示す。図１Ｆと同様に、図２Ｂは、ポンプダイアフラム１１０がほとんど偏っていない第２の位置にある（この場合では平坦位置にある）ポンプ２００を示す。

【0074】

図２Ａは、圧電ダイアフラムトランスジューサ１０１がポンプ２００のポンプ本体１２０に配置される本発明のポンプ２００も示す。圧電ダイアフラムトランスジューサ１０１は、圧電セラミック層から製造され、かつダイアフラム１１０に配置される圧電要素２１０を備える。本発明によれば、圧電要素２１０は、少なくとも６つの角を持つ正多角形形状を持つ。圧電要素２１０の多角形形状は本断面図では理解することができないので、この点については図３に示されている上面図を参照する。

【0075】

したがって、図２Ａおよび図２Ｂに示されている圧電要素２１０の多角形形状は、図３に示されている上面図で理解することができる。図３によれば、マイクロポンプ２００はポンプ本体１２０を備える。図１Ｅに関して上記で説明されているように、ポンプ室１０２は、ポンプ本体１２０と、基礎となる偏ったダイアフラム１１０との間に形成される。この例では、ポンプ室１０２は外側の破線の円３０１によって表わされる円形形状を持つ。円形のポンプ室１０２は直径Ｄを持つ。

【0076】

ダイアフラム１１０は、観察者に向くポンプ室１０２の上側に配置される。この例のダイアフラム１１０は、ポンプ本体１２０の面内方向寸法にわたって全体的に張力をかけられ、ポンプ本体１２０に取り付けられる。圧電要素２１０は観察者に向くダイアフラム１１０の上側に配置される。圧電要素２１０およびダイアフラム１１０はともに本発明の圧電ダイアフラムトランスジューサ１０１を形成する。

【0077】

圧電要素２１０は圧電セラミック層から製造され、六角形形状を持つ。より正確には、圧電要素２１０は、６つの角の、偶数個の多角形角を持つ正多角形形状を持つ。この場合の正多角形形状は、等辺であり、かつ等角でもある多角形を意味する。

【0078】

直径ｄの外接円３０２は、多角形形状の圧電要素２１０の周囲で定義することができる。外接円３０２の直径ｄはポンプ室１０２の直径Ｄよりも小さい。

【0079】

図２Ａおよび図２Ｂで理解することができるように、圧電要素２１０は第１の面２１２（上面または最上面とも呼ぶ）上に上部電極を備える。さらに、圧電要素２１０は、第２の面２１４（下面または最下面とも呼ぶ）上に下部電極を備え、第２の面２１４は、圧電要素２１０の反対側の主面に配置される。圧電要素２１０の最上電極は第１のコンタクト２１６に電気的に接続され、圧電要素２１０の最下電極は、たとえば導電層によってポンプの第２のコンタクト２１８に電気的に接続される。導電層は、少なくとも、ポンプダイアフラム１１０の第１の面１１２の一部に施されてもよい。

【0080】

圧電要素２１０は、たとえば、接着または別の接合技術によってポンプダイアフラム１１０に接合されてもよい。正電圧が上部電極２１６と下部電極２１８の間に印加される場合に、圧電要素２１０が面内方向に収縮して、したがって偏ったポンプダイアフラム１１０を下方に、すなわち、ポンプ本体１２０に向かう方向に撓まされるように圧電要素２１０を分極化する。

【0081】

図２Ａでは、電圧は電極２１６，２１８に印加されていない（Ｕ＝０Ｖ）。したがって、圧電要素２１０はこの場合動作しておらず、偏ったダイアフラム１１０はその偏り位置に維持される。

【0082】

図２Ｂでは、正電圧が印加されている（たとえばＵ＝Ｕ_ＭＡＸ）。したがって、ポンプダイアフラム１１０は下方に、すなわち、ポンプ本体１２０に向かう方向に撓ませられ、平坦なポンプ本体１２０に接する。

【0083】

第１の偏り位置から第２の平坦位置へのポンプダイアフラム１１０の動きは、本発明の圧電要素５３，８３，２１０（たとえば圧電セラミック２１０または、たとえば、図２Ａおよび図２Ｂを参照して上記で述べたようにポンプダイアフラム上に接着される圧電積層アクチュエータを用いる他の圧電駆動部）によって、様々に実現することができる。当該圧電駆動部は、正電圧を印加するとき面内方向に収縮し、電圧が印加されないとき面内方向に弛緩する。これに加えて、負電圧が印加されるとき、当該圧電駆動部は弛緩状態にあるその面内方向長さまたは寸法を超えて広がる。他の実施形態では、ポンプダイアフラムにおける力の印加は、ポンプダイアフラムに恒久的に接合される圧電積層アクチュエータによって行なわれてもよい。

【0084】

図４Ａ〜図４Ｅは、ポンプダイアフラム１１０を備えるポンプ４００の別の実施形態の断面図を示す。これらの図では、図１Ｅに関して上記に記載されている２層バルブ構造１７０はこの場合にはポンプ本体１２０を形成し、ポンプ室１１０はパターニングされ、少なくとも部分的に薄くされた第３の層４１０として実施されている。

【0085】

図４Ａから理解することができるように、第３の層４１０は上面または第１の面４１２を備え、可撓性のポンプダイアフラム１１０を形成する。第３の層４１０は、バルブ１３０，１４０の周囲のほぼ中央の領域において、第１の面４１２の反対側に配置されている下面または第２の面４１４の領域でわずかに薄くされている。

【0086】

上部領域４１２は面内方向長さｄ_２を持つ。円形のポンプ本体１２０または円形のポンプダイアフラム１１０の場合、上部領域４１２はこれに応じて寸法ｄ_２の直径を持つ。下部の薄くされた領域はポンプ室１０２を形成し、面内方向長さまたは直径Ｄを備える。ポンプ室１０２は、好ましくは、環状、特に、円環状であるように実施される。

【0087】

第１の面または上面４１２の面内方向長さまたは直径ｄ_２は、第２の面または下面４１４の面内方向長さまたは直径Ｄよりも大きい。ポンプダイアフラム１１０または第３の層４１０およびポンプ本体１７０は互いに接続されており、これにより、ポンプ室１０２がポンプ本体１７０とポンプダイアフラム１１０との間に定められる。

【0088】

図４Ａは、圧電要素がダイアフラム１１０に接合され、そのダイアフラム１１０が撓まされる前の状態のポンプ４００を示す。

【0089】

図４Ｂでは、圧電要素２１０が、その下側に施される接着層３２０によってポンプダイアフラム１１０の上側に取り付けられる。

【0090】

図４Ｃは、圧電要素２１０がポンプダイアフラム１１０に配置され、接着層３２０がポンプダイアフラム１１０と圧電要素２１０との間に配置されるポンプを示す。

【0091】

本発明によれば、図４Ａ〜図４Ｃの断面図に示されている圧電要素４１０は、少なくとも６つの角を持つ正多角形形状を持つ。この点については、図３に示されている本発明のポンプの上面図を再び参照して、圧電要素２１０の多角形形状を明確に理解することができる。

【0092】

図３および図４Ａ〜図４Ｅでは、ポンプは、第１の層１６０とその上に配置される第２の層１５０とを備えるポンプ本体１７０を備える。観察者から離れるように向く第３の層４１０の薄くされた領域にはポンプ室１０２が形成され、第３の層４１０は第２の層１５０の上に配置される。

【0093】

したがって、ポンプ室１０２はポンプ本体１７０とダイアフラム１１０との間に形成される。この例では、ポンプ室１０２は外側の破線の円によって示されている円形形状を持つ。円形のポンプ室１０２は直径Ｄを持つ。

【0094】

多角形形状の圧電要素２１０は観察者に向くダイアフラム１１０の上側に配置される。圧電要素２１０とダイアフラム１１０とはともに本発明の圧電ダイアフラムトランスジューサ１０１を形成する。

【0095】

圧電要素２１０は圧電セラミック層から製造され、六角形形状を持つ。より正確には、圧電要素２１０は、６つの角の、偶数個の多角形角を持つ正多角形形状を持つ。

【0096】

直径ｄを持つ外接円３０２は、多角形形状の圧電要素２１０の周囲で定義することができる。外接円３０２の直径ｄはポンプ室１０２の直径Ｄよりも小さい。

【0097】

図４Ｄは、接着剤３２０によってポンプダイアフラム１１０に配置される多角形形状の圧電要素２１０を備える本発明のポンプ４００の別の断面図を示す。この実施形態では、同様にポンプダイアフラム１１０を偏らせる。このことは、電圧が圧電要素２１０に印加されていない場合にポンプダイアフラム１１０が図示のようなその偏り開始位置にあることを意味する。

【0098】

図４Ｅでは、電圧、たとえば、Ｕ＝Ｕ_ＭＡＸ＝３００Ｖが印加される。圧電要素２１０は面内方向に収縮し、したがって、ポンプ本体１７０に向かう方向にポンプダイアフラム１１０を押す。このことは、ポンプストロークが実行され、この際、輸送される媒体が吸入口１３０から排出口１４０に輸送されることを意味する。

【0099】

ここまでの上記の実施形態が、ポンプダイアフラム４１０がまずポンプ本体１７０に接合され、その後に偏らせるように記載されていても、別の実施形態では、あらかじめ偏ったポンプダイアフラム４１０をポンプ本体１７０に接合してもよい。別の実施形態では、ポンプダイアフラム１１０を偏らせなくてもよい。このような場合、ポンプダイアフラム１１０はその開始位置（図２Ｂ、図４Ｃ）でポンプ本体１２０，１７０に隣接して配置され、電圧を印加するとき、ポンプダイアフラム１１０は外方にふくらむ。すなわち、ポンプダイアフラム１１０はポンプ本体１２０，１７０から離れるように動く（図２Ａ、図４Ｄ）。

【0100】

図を参照して上記に記載されているように、本発明によれば、圧電ダイアフラムトランスジューサ１０１は、ポンプダイアフラム１１０に取り付けられる多角形形状の圧電要素５３，８３，２１０により形成される。この多角形形状の圧電要素５３，８３，２１０とは別に、さらなる圧電要素をダイアフラム１１０に取り付けてもよい。好ましくは、必ずしも必要ではないが、これらの追加の圧電要素も正多角形形状を備えてもよい。

【0101】

述べられているように、圧電ダイアフラムトランスジューサ１０１は、ポンプダイアフラム１１０と、ポンプダイアフラム１１０に配置される圧電要素５３，８３，２１０とを備える。本発明の方法を用いて製造することができるポンプは正多角形形状の圧電要素５３，８３，２１０を備える少なくとも１つの圧電ダイアフラムトランスジューサ１０１を備え、この圧電ダイアフラムトランスジューサ１０１はポンプ本体１２０，１７０に取り付けられる。ただし、いくつかの圧電ダイアフラムトランスジューサをポンプ本体１２０，１７０に取り付けてもよい。このことは、いくつかのダイアフラムが（または１つのダイアフラムがいくつかの部分に細分されたものも同様）各々少なくとも１つの圧電要素を有し、これらのダイアフラムがポンプ本体１２０，１７０に配置されてもよいことを意味する。好ましくは、必ずしも必要ではないが、追加のダイアフラムまたはダイアフラム部分に配置される圧電要素も正多角形形状を備えてもよい。

【0102】

したがって、たとえば、独国特許出願公開第１０２ ３８ ６００号に記載されているような蠕動ポンプに本発明のいくつかの圧電ダイアフラムトランスジューサ１０１を設けてもよい。典型的には、ポンプ本体に取り付けられる第１の圧電ダイアフラムトランスジューサは、第１の流体通路とともに吸入バルブを形成してもよい。ポンプ本体に取り付けられる第２の圧電ダイアフラムトランスジューサは、たとえば、第２の流体通路とともに吸入バルブを形成してもよい。ポンプ本体に取り付けられる第３の圧電ダイアフラムトランスジューサは、たとえば、ポンプ本体の一部とともにポンプ室を形成してもよい。本発明によれば、圧電ダイアフラムトランスジューサの少なくとも１つは正多角形形状を持つ圧電要素を備える。好ましくは、少なくとも２つの他の圧電ダイアフラムトランスジューサが各々正多角形形状を持つ圧電要素を備えてもよく、あるいはすべての他の圧電ダイアフラムトランスジューサでさえ、各々正多角形形状を持つ圧電要素を備えてもよい。

【0103】

本発明の多角形形状の圧電要素５３，８３，２１０の利点が図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃを参照して以下に記載される。

【0104】

図５Ａは、先行技術に係るマイクロポンプ５００Ａの上面図を示す。マイクロポンプ５００Ａは四角形のポンプ本体５０１Ａを備える。四角形のダイアフラム５０２Ａはポンプ本体５０１Ａに配置される。四角形の圧電要素５０３Ａはダイアフラム５０２Ａに配置される。破線で示されている四角形のポンプ室５０４Ａはダイアフラム５０２Ａとポンプ本体５０１Ａとの間に設けられる。

【0105】

ポンプ本体５０１Ａにダイアフラム５０２Ａを取り付けるか、接合するために、周縁にあるチップ縁５０５Ａは、四角形のポンプ室５０４Ａと四角形のポンプ本体５０１Ａの外側との間に残っていなければならない。接合のための十分な面積を設けるために、チップ縁５０５Ａは、周縁に沿って少なくとも３００μｍ以上の幅Ｂ_ｖ持たなければならない。

【0106】

図５Ｂは、マイクロポンプ５００Ｂのモデルの上面図を示す。マイクロポンプ５００Ｂは四角形のポンプ本体５０１Ｂを備える。四角形のダイアフラム５０２Ｂはポンプ本体５０１Ｂに配置される。円形の圧電要素５０３Ｂはダイアフラム５０２Ｂに配置される。破線で示されている円形のポンプ室５０４Ｂは、ダイアフラム５０２Ｂとポンプ本体５０１Ｂとの間に設けられる。

【0107】

円形のポンプ室５０４Ｂに起因して、図５Ａに示されている先行技術と比較すると、ダイアフラム５０２Ｂを接合するためのきわめて大きい空間が４つの角５１０Ｂ，５１１Ｂ，５１２Ｂ，５１３Ｂに残っている。したがって、円形のポンプ室５０４Ｂの周縁を四角形のポンプ本体５０１Ｂの縁に近づけることができる。周縁にあるチップ縁５０５Ｂは、図５Ａに示されている先行技術と比較する場合に小さい最小幅Ｂ_Ｒを持ってもよい。ここで、幅Ｂ_Ｒは最短縁端距離の領域、すなわち、ポンプ室５０４Ｂの外周が四角形のポンプ本体５０１Ａの外側から最短で離間する領域で測定される。

【0108】

始めに述べたように、図５Ｂで示されているような円形の圧電要素を提供する、大量製造に適する技術は現在ない。したがって、図５Ｂに示されているポンプ５００Ｂは、以下に述べるシミュレーション試行のために、比較の目的でモデル化された理想化モデルを単に表わす。

【0109】

図５Ｃは、上から見た本発明のポンプ５００を示す。この実施形態は、基本的には、図３に示されているポンプ２００に対応する。ポンプ５００は四角形のポンプ本体１２０を備える。ポンプ本体１２０の形は四角であり、たとえば５ｍｍの面内方向長さを持つ。

【0110】

ダイアフラム１１０は、観察者に向かうポンプ本体１２０の側に配置される。圧電要素２１０は、観察者に向かうダイアフラム１１０の側に配置される。圧電要素２１０は６つの角を持つ正多角形形状を持つ。正多角形形状に起因して、多角形形状の圧電要素２１０は、点線として示されている外接円５１５を定義することができる。

【0111】

ポンプ５００は破線で示されている円形ポンプ室１０２を備える。先行技術と比較する場合、４つの角５１０，５１１，５１２，５１３に、ポンプダイアフラム１１０を取り付けるためのより大きい空間があるので、ポンプ室１０２とポンプ本体１２０の外側との間の最小縁端距離Ｂ_Ｐを減少させることができ、これにより、ポンプ室１０２の直径Ｄを増大させることができる。

【0112】

先行技術と比較して本発明の利点を示すために、シミュレーションプログラムＡＮＳＹＳを用いるシミュレーションを行なった。その結果を図６Ａおよび図６Ｂを参照してより詳細に説明する。

【0113】

多角形の圧電要素（図５Ｃ）を備える本発明のポンプの効率に関するシミュレーションを実行した。シミュレーションは、四角形の圧電要素（図５Ａ）および円形の圧電要素（図５Ｂ）を有する等しい寸法のポンプと比較する場合のものである。

【0114】

図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃに示されている外側の四角はマイクロポンプ５００，５００Ａ，５００Ｂのチップサイズを記述し、外側の破線の円または破線の四角はポンプ室１０２，５０４Ａ，５０４Ｂの境界線を記述する一方で、影付きの内部エリアは圧電要素２１０，５０３Ａ，５０３Ｂの形状を示す。「直径（ｄｉａｍｅｔｅｒ）」、すなわち、本発明の六角形の圧電要素２０１の外接円は、六角形を定義することができる円半径（ｃｉｒｃｌｅ ｒａｄｉｕｓ）（点線の円）に対応する。

【0115】

ポンプ室と縁との最小距離Ｂ_Ｖ，Ｂ_Ｒ，Ｂ_Ｐが等しい（たとえば３００μｍ）場合に、円形のポンプ室（図５Ｂ、図５Ｃ）の接合面積が四角いポンプ室（図５Ａ）の接合面積よりもきわめて大きいことが分かる。

【0116】

プログラムＡＮＳＹＳを用いるシミュレーションは、以下のパラメータを用いて実行された。
・チップサイズ：５×５ｍｍ^２
・ポンプ室直径：４４００μｍ
・ダイアフラム厚：３０μｍ
・圧電セラミック厚：５５μｍ
・材料値：
・シリコン弾性係数 １．６０Ｅ＋１１Ｐａ
・シリコンポアソン比 ０．２５
・圧電体弾性係数 ８．００Ｅ＋１０Ｐａ
・圧電体ポアソン比 ０．２５
・圧電定数ｄ３１：３．５０Ｅ−１０ｍ／Ｖ
・電圧ストローク：＋８２．５Ｖ／−２２Ｖ

【0117】

図６Ａは、圧電体サイズ（ｘ軸）に依存するストローク量（ｙ軸、ナノリットル）のシミュレーション結果を示す。グラフ６０１は、円形ポンプ室の上にある六角形の圧電要素（図５Ｃ）を有する本発明のポンプのシミュレーション結果を示す。グラフ６０２は、比較のための四角形のポンプ室の上にある四角形の圧電要素（図５Ａ）を有するポンプのシミュレーション結果を示す。グラフ６０３は、比較のための円形のポンプ室の上にある円形の圧電要素（図５Ｂ）を有するポンプのシミュレーション結果を示す。

【0118】

図６Ｂは、圧電体サイズ（ｘ軸）に依存するストール圧（ｙ軸）のシミュレーション結果を示す。グラフ６０４は、円形ポンプ室（図５Ｃ）の上にある六角形の圧電要素を有する本発明のポンプのシミュレーション結果を示す。グラフ６０５は、比較のための四角形のポンプ室の上にある四角形の圧電要素（図５Ａ）を有するポンプのシミュレーション結果を示す。グラフ６０６は、比較のための円形のポンプ室の上にある円形の圧電要素（図５Ｂ）を有するポンプのシミュレーション結果を示す。

【0119】

したがって、圧電体サイズ係数を以下の通りに定義する。

【0120】

円には以下を適用する

【0121】

【数1】

六角形には以下を適用する

【0122】

【数2】

正方形には以下を適用する

【0123】

【数3】

【0124】

以下の表（表１）には、圧電体サイズ係数およびストール圧が最大である場合の最適圧電体ジオメトリ、すなわちストローク量がまとめられている。ストローク量およびストール圧の最大値は完全に同じ圧電体サイズ係数で最大ではないので、ストローク量Ｖ_{ｓｔｒｏｋｅ}とストール圧ｐ_{ｓｔａｌｌ}との積が最大である圧電体サイズ係数を選択する。さらにこの積は後に「効率」として定義する

【0125】

【数4】

【0126】

この積は、本発明の圧電ダイアフラムトランスジューサの効率の尺度である。効率は円形のダイアフラムで最良であり、その次に六角形のジオメトリと四角いダイアフラムとが続く

【0127】

【表1】

【0128】

六角形ジオメトリが四角ジオメトリよりも効率的であることは、この考察から明確になっている。四角いジオメトリに対する圧電要素の本発明の六角形形状の相対効率は、四角形状の比較対象の圧電要素の場合よりも３．３％だけ高い（すなわち良好である）。
円形のポンプ室の場合に、より小さい縁端距離Ｂ_Ｒ，Ｂ_Ｖ，Ｂ_Ｐを選択する（たとえば、ｂ_１＝３００μｍの代わりにｂ_２＝１００μｍを選択する）ことができるということはこれまで考慮されていない。このことは、円形ポンプ室（図５Ｂ、図５Ｃ）の場合に、四角いポンプ室（図５Ａ）と比較して、４つの角５１０，５１１，５１２，５１３できわめて大きい接合面積を利用できることに起因する。

【0129】

他のパラメータが等しい状態で、ストローク量はダイアフラム面内方向長さの４乗で増加するが、その一方で（この場合もパラメータは等しい）、ストール圧は２乗で減少する。
したがって、ここで定義された効率はダイアフラム面内方向長さの２乗で増加する。

【0130】

このことは、効率（面内方向長さａ、たとえばａ＝５ｍｍを持つ等しいチップ寸法を持つ場合の効率）を円形の圧電要素および六角形の圧電要素場合でさらに改善することができることを意味する

【0131】

【数5】

【0132】

ここで選択されたパラメータを用いると、改善率は、１．１９すなわち１９％である。５ｍｍのチップサイズを持ち、かつｂ_１＝３００μｍの縁端距離の代わりにｂ_２＝１００μｍの縁端距離を持つ場合、この結果として、円形の圧電要素および六角形の圧電要素は四角い圧電要素よりも１９％効率的になる。これは、円形のポンプ室でダイアフラムの最小距離をチップ縁のさらに近くに配置し得るということのみに起因する。

【0133】

このことは、表１に見られる３．３％の効率改善に加えて、円形のポンプ室の場合にチップ縁（すなわち、ポンプ室とポンプ本体との最小距離）を減らすことができることで、さらに１９％の改善を達成することができることを意味する。

【0134】

ａ＝３ｍｍのチップ寸法を持ち、かつ等しい縁寸法ｂ_１，ｂ_２を持つ場合、表２から分かるように、円形ポンプ室の効率は、四角形のポンプ室と比較して、３６．１％改善し、２ｍｍのポンプチップの面内方向長さの場合、さらに６５．３％にまで改善する

【0135】

【表2】

【0136】

特にポンプチップを微小化するとき、六角形圧電セラミックの利点がその最高の効果を持つことがここで自明になっている。すなわち、四角ダイアフラムと同様に、ソーイングする膜から切り出すことができるのにもかかわらず、（理想的な円形の圧電セラミックと比較して）効率がわずか数パーセントしか失われない一方で、六角形圧電セラミックは、四角いダイアフラムと比較すると、小さいチップ寸法の場合にきわめて効率的であり、たとえば、３ｍｍの寸法を持つポンプチップの場合に４０％効率的である。

【0137】

ストローク量およびストール圧は、（所定のダイアフラム面内方向長さを持つ状態で）、ダイアフラムおよび圧電セラミックの厚さ、すなわち圧電ダイアフラムトランスジューサの厚さを変更することで調節してもよい。たとえば、より大きいダイアフラム直径で同じストール圧ｐ_{ｓｔａｌｌ}を得るためには、ダイアフラムおよび圧電セラミックはより厚くしならなければならない。

【0138】

六角形圧電セラミックは、以下の別の理由で有利である。

【0139】

直線的なソーング切断を用いないで、たとえば、レーザ切断、ウォータジェット切断または電子ビーム切断などのビーム切断法またはジェット切断法、および、任意の形状を対象にして、たとえば円形形状をも対象にして行なうものによって圧電セラミック層をダイシングする場合、六角形形状は、ハチの巣パターンと同様に、まったく切り残しなしで膜からソーングで切り出すことができる。ただしその場合には、六角形形はもはや直線的な切断を用いて切断することはできない。

【0140】

上述のシミュレーションで示されているように、六角形圧電要素は、円形のモデル圧電要素が持つのと同程度の大きいストロークおよびストール圧力を持つ。圧電セラミックの面積がコスト率を表わす場合、すなわち、切り残しを削減するか切り残さないようにし、かつビーム切断またはジェット切断技術が利用可能である場合、切り残しをなくすために膜をダイシングして六角形の圧電セラミックにすることは有効である。

【0141】

直線的な切断を用いて膜からソーイングで八角形の構造も切り出すことができるが、しかしながら、この場合の切り残しは２５％（六角形の場合）から５０％（八角形の場合）に増加する。

【0142】

さらに大きい正多角形、すなわち、８つ以上の角、好ましくは偶数の角を持つ多角形は、さらに大きい切り残しをともなってソーイングすることが可能である。

【0143】

多角数を大きくすると、より正確に円形の形を表現することができる。

【0144】

いくつかの態様はデバイスに関連して記載されているが、デバイスのブロックまたは要素が、対応する方法工程または方法工程の特徴でもあると解されるように、これらの態様は対応する方法の記載も表わすことを理解すべきである。同様に、方法に関連して記載されているか、方法として記載されている態様も、対応するデバイスの対応するブロックまたは詳細または特徴の記載を表わす。いくつかの方法工程またはすべての方法工程は、たとえば、マイクロプロセッサ、プログラム可能なコンピュータまたは電子回路のようなハードウェア装置によって（またはハードウェア装置を使用して）実行してもよい。いくつかの実施形態では、最も重要な方法工程のいくつかはこのような装置によって実行してもよい。

【0145】

上記の実施形態は、単に本発明の原則の例を表わすに過ぎない。ここに記載されている配置および詳細の修正および変更が他の当業者に自明であることを理解すべきである。したがって、本発明は、実施形態の記載および説明を用いて、ここで提示されている特定の詳細によってではなく、ともに添付される請求項の範囲のみによって限定されることを意図する。

【符号の説明】

【0146】

５１ 圧電セラミック層
５２，８０ 切断パターン
５２，８０ ソーイングパターン
５３，８３，２１０ 圧電要素
１００，２００，３００，４００，５００ ポンプ
１０１ 圧電ダイアフラムトランスジューサ
１０２ ポンプ室
１１０ ポンプダイアフラム
１２０，１７０ ポンプ本体

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図1D】

【図1E】

【図1F】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図4E】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図6A】

【図6B】