マイクロポンプ

マイクロポンプは、少量の流体を制御および操作できる装置です。^{[3] [4]}あらゆる種類の小型ポンプがマイクロポンプと呼ばれることがよくありますが、より正確な定義では、この用語は機能寸法がマイクロメートル範囲のポンプに限定されます。このようなポンプはマイクロ流体研究で特に注目されており、近年、工業製品への統合が可能になっています。既存の小型ポンプと比較して、全体的なサイズが小型化され、潜在的なコストと投与精度が向上しているため、この革新的な種類のポンプへの関心が高まっています。

以下の文章は、さまざまなマイクロポンプの種類と用途の概要を説明するには非常に不完全であることに注意してください。したがって、このトピックに関する優れたレビュー記事を参照してください。^{[3] [5] [6] [7]}

最初の真のマイクロポンプは1970年代半ばに報告されましたが^[8]、注目を集めたのは1980年代になってからで、Jan SmitsとHarald Van LintelがMEMSマイクロポンプを開発しました^[9]。MEMSマイクロポンプの基礎研究のほとんどは1990年代に行われました。最近では、外部電源に依存しないため遠隔地でも機能する非機械式マイクロポンプの設計に取り組んでいます。

マイクロ流体の世界では、物理法則の様相が変わります。^[10]例えば、重量や慣性などの体積力は無視できるほど小さくなることが多いのに対し、表面力は流体挙動を支配することがあります。 ^[11]特に液体にガスが含まれている場合は顕著です。いくつかの例外を除いて、マイクロポンプはマイクロアクチュエーションの原理に依存しており、これはある程度のサイズまでしか合理的にスケールアップできません。

マイクロポンプは、機械式と非機械式に分類できます。^[12]機械システムには可動部品が含まれており、通常はアクチュエータとマイクロバルブの膜またはフラップです。駆動力は、圧電効果、^{[13] 、} 静電効果、熱空気圧効果、空気圧効果、または磁気効果を利用して生成できます。非機械式ポンプは、電気流体力学、電気浸透圧、電気化学^[14]、または超音波による流れ生成で機能しますが、これは現在研究されている作動メカニズムのほんの一例です。

ダイヤフラムマイクロポンプは、ダイヤフラムを繰り返し作動させて流体を駆動します。ダイヤフラムは、入口と出口のマイクロバルブの中央にあるメインポンプバルブの上に配置されています。駆動力によってダイヤフラムが上方に偏向すると、流体が入口バルブからメインポンプバルブに引き込まれます。次に、ダイヤフラムが下がり、流体が出口バルブから排出されます。このプロセスが繰り返され、流体が連続的にポンプされます。^[6]

圧電マイクロポンプは、最も一般的な変位往復ダイアフラムポンプの 1 つです。圧電駆動マイクロポンプは、印加電圧に応じて変形する圧電セラミックの電気機械特性に依存しています。膜に取り付けられた圧電ディスクは、外部軸方向電界によって駆動されるダイアフラムのたわみを引き起こし、マイクロポンプのチャンバーを膨張および収縮させます。^[15]この機械的ひずみによりチャンバー内の圧力が変化し、流体の流入と流出を引き起こします。流量は、材料の分極限界と圧電に印加される電圧によって制御されます。^[16]他の作動原理と比較して、圧電作動は、比較的高い作動電圧と圧電セラミックの複雑な取り付け手順を必要としますが、高いストローク量、高い作動力、および高速な機械的応答を可能にします。^[9]

寸法が3.5x3.5x0.6 mm ^{3の最小の圧電マイクロポンプは、} MEMSとマイクロシステム技術に重点を置く世界的に有名な研究機関であるFraunhofer EMFT ^[17]によって開発されました。マイクロポンプは3つのシリコン層で構成されており、そのうちの1つはポンプダイヤフラムとしてポンプチャンバーを上から制限し、他の2つは中間バルブチップと下部バルブチップを表します。入口と出口のパッシブフラップバルブの開口部は、流れの方向に応じて向いています。ポンプダイヤフラムは、圧電素子に負の電圧を印加することで膨張し、負圧を発生させて流体をポンプチャンバーに吸い込みます。逆に正の電圧はダイヤフラムを押し下げ、その結果、過圧によって出口バルブが開き、流体がチャンバーから押し出されます。

現在、機械式マイクロポンプ技術では、製造にシリコンおよびガラスベースのマイクロマシニングプロセスが広く使用されています。一般的なマイクロファブリケーションプロセスには、フォトリソグラフィー、異方性エッチング、表面マイクロマシニング、シリコンのバルクマイクロマシニングなどの技術があります。^[16]シリコンマイクロマシニングには、薬物送達などの高性能アプリケーションでこの技術を広く普及させる多くの利点があります。^[9]したがって、シリコンマイクロマシニングでは、バルブフラップなどの機械的に動く部品が摩耗や疲労を示さないため、高い幾何学的精度と長期安定性が実現します。シリコンの代わりに、優れた強度、強化された構造特性、安定性、および安価さから、 PDMS 、PMMA、PLLAなどのポリマーベースの材料を使用できます。 フラウンホーファーEMFTのシリコンマイクロポンプは、シリコンマイクロマシニング技術によって製造されています。^[18] 3つの単結晶シリコンウェーハ（100方向）を両面リソグラフィーで構造化し、シリコンウェットエッチング（水酸化カリウム溶液KOHを使用）でエッチングします。構造化されたウェーハ層間の接続は、シリコンフュージョンボンドによって実現されます。このボンディング技術では、ウェーハ層間の直接的なシリコン-シリコンボンドを実行するために、非常に滑らかな表面 (粗さ 0.3 nm 未満) と非常に高い温度 (最大 1100 °C) が必要です。ボンディング層がないため、垂直ポンプの設計パラメータを定義できます。さらに、ボンディング層はポンプされる媒体の影響を受ける可能性があります。

マイクロポンプの圧縮比は、重要な性能指標の一つであり、ストローク量、すなわちポンプサイクル中にポンプ膜によって押しのけられる流体量とデッドボリューム、すなわちポンプモードでポンプ室内に残る最小流体量との比として定義されます。^[15]

${\textstyle \varepsilon =\bigtriangleup V/V_{0}}$

圧縮比は、マイクロポンプの気泡許容度と逆圧能力を定義します。チャンバー内の気泡は、気泡の減衰特性によりポンプチャンバー内の圧力ピーク (∆P) が低下する一方で、表面特性により受動バルブを開く臨界圧力 (∆P _crit ) が増加するため、マイクロポンプの動作を妨げます。^[19] Fraunhofer EMFT マイクロポンプの圧縮比は 1 に達し、厳しい出口圧力条件でも自己プライミング能力と気泡許容度を意味します。大きな圧縮比は、圧電セラミックの上部と下部の電極に圧電マウント用接着剤の硬化プロセス中に電圧を印加する、特許取得済みの特殊な圧電マウント技術により実現されます。事前に偏向したアクチュエータによるデッドボリュームの大幅な削減と、浅く製作されたポンプチャンバーの高さにより、圧縮比が向上します。

蠕動マイクロポンプは、少なくとも3つのマイクロバルブが直列に接続されたマイクロポンプです。これらの3つのバルブは、蠕動運動と呼ばれるプロセスで、入口から出口へ流体を引き出すために順番に開閉します。^[20]

静的バルブは、可動部品のない固定形状のバルブとして定義されます。これらのバルブは、エネルギーの追加（アクティブ）または流体の慣性による所望の流れの挙動の誘発（パッシブ）によって流れの整流を提供します。静的形状パッシブバルブの最も一般的な2つのタイプは、ディフューザーノズルエレメント^{[21] [22]}とテスラバルブです。流れ整流装置としてノズルディフューザーエレメントを備えたマイクロポンプは、一般にバルブレスマイクロポンプとして知られています。

マイクロ流体工学では、キャピラリーポンピングが重要な役割を果たします。これは、ポンピング動作に外部駆動電力が必要ないためです。ガラスキャピラリーや、ニトロセルロース紙や合成紙などの多孔質媒体^[23]をマイクロ流体チップに組み込むことができます。キャピラリーポンピングは、ラテラルフローテストで広く使用されています。最近、液体の粘度や表面エネルギーに左右されない一定のポンピング流量を備えた新しいキャピラリーポンプ^{[24] [25] [26] [27]}が開発されました。このポンプは、サンプルの粘度に性能が左右されないため、従来のキャピラリーポンプ (流動挙動がウォッシュバーン挙動、つまり流量が一定ではない) に比べて大きな利点があります。

化学的に駆動する非機械式ポンプは、ナノモーターを表面に固定し、化学反応によって流体を駆動することによって製造されている。生物酵素ベースのポンプ^{[28] [29] [ 30] [ 31] [32] [33]}有機光触媒ポンプ^[34]金属触媒ポンプ^{[31] [35]}など、さまざまなポンプシステムが存在する。これらのポンプは、自己拡散泳動、電気泳動、気泡推進、密度勾配の生成など、さまざまなメカニズムを通じて流れを生成する。^{[29] [32] [36]}さらに、これらの化学的に駆動するマイクロポンプは、毒性物質を検出するためのセンサーとして使用することができる。^{[30] [37]}最近、酵素ベースのポンプの組み合わせが、流体の流れの方向性を強化、抑制、および変更するために使用されている。^[38]

非機械的なポンピングのもう一つの種類は光動力ポンピングです。^{[39] [40]}特定のナノ粒子は紫外線源からの光を熱に変換し、対流ポンピングを発生させることができます。このような種類のポンプは二酸化チタンナノ粒子で可能であり、ポンピングの速度は光源の強度と粒子の濃度の両方によって制御できます。^[41]

マイクロポンプは、製造工程中に少量の接着剤を送達するなどの産業用途や、携帯型または埋め込み型の薬物送達デバイスなどの生物医学用途の可能性がある。生物にヒントを得た用途としては、リンパ管の代わりに磁性流体エラストマーを使用した柔軟な電磁マイクロポンプがある。^[42]化学的に駆動するマイクロポンプは、化学兵器や水銀やシアン化物などの環境危険物質の検出という観点から、化学センシング用途にも潜在性がある。^[30]

現代の大気汚染の状況を考慮すると、マイクロポンプの最も有望な用途の 1 つは、個人の空気の質を監視するためのガスおよび粒子状物質センサーの機能強化です。 MEMS 製造技術のおかげで、MOS、NDIR、電気化学原理に基づくガスセンサーを小型化して、ポータブルデバイス、スマートフォン、ウェアラブルに適合させることができます。 フラウンホーファー EMFT 圧電マイクロポンプの適用により、周囲の空気を高速でサンプリングすることにより、センサーの反応時間が最大 2 秒短縮されます。^[43]これは、マイクロポンプが空気をセンサーに向かって動かすときに発生する高速対流によって説明されますが、マイクロポンプがない場合、拡散が遅いためにセンサーの応答が数分間遅れます。 マイクロポンプの現在の代替品であるファンには、多くの欠点があります。 かなりの負圧を達成できないファンは、フィルターダイヤフラムでの圧力降下を克服できません。 さらに、ガス分子と粒子はセンサー表面とそのハウジングに簡単に再付着し、時間が経つとセンサーがドリフトします。

さらに、内蔵のマイクロポンプはセンサーの再生を容易にし、センサー表面からガス分子を排出することで飽和の問題を解決します。呼吸分析は、マイクロポンプによって強化されたガスセンサーの関連分野です。マイクロポンプは、遠隔医療プログラム内のポータブルデバイスを使用して、胃腸管や肺疾患、糖尿病、癌などの遠隔診断とモニタリングを促進できます。

MEMSマイクロポンプの有望な用途は、超薄型パッチ、埋め込み型システム内での標的送達、またはインテリジェントピルの形での糖尿病、腫瘍、ホルモン、疼痛および眼科治療用の薬物送達システムにあります。圧電MEMSマイクロポンプは、静脈内、皮下、動脈、眼への薬物注射用の従来の蠕動ポンプまたはシリンジポンプを置き換えることができます。薬物送達アプリケーションでは高流量は必要ありませんが、マイクロポンプは少量の投与を正確に行い、背圧に依存しない流れを実証する必要があります。^{[16]生体適合性と小型サイズのため、シリコン圧電マイクロポンプは}緑内障または結核の治療のために眼球に埋め込むことができます。これらの条件下では眼は房水の流出または生成を確実に行う能力を失うため、フラウンホーファーEMFTが開発した流量30μL/sの埋め込み型マイクロポンプは、患者を制限したり不便にしたりすることなく、流体の適切な流れを促進します。^[44]マイクロポンプによって解決されるもう一つの健康問題は、膀胱失禁である。チタン製マイクロポンプをベースにした人工括約筋技術は、笑ったり咳をしたりしているときに自動的に圧力を調整することで、失禁を確実に防ぐ。尿道は、マイクロポンプによって制御される液体で満たされたスリーブによって開閉される。^[45]

マイクロポンプは、消費者、医療、防衛、救急隊員などの用途で香りのシナリオを促進し、ユビキタスな画像シナリオ（映画）や音シナリオ（音楽）の効果を高めることができます。鼻の近くに取り付けられたいくつかの香り貯蔵庫を備えたマイクロドージングデバイスは、1分間に15種類の異なる香りの印象を放出できます。^[18]マイクロポンプの利点は、異なる匂いが混ざることなく、香りの順序を嗅ぐことができることです。このシステムにより、香りの分子が送達されるとすぐに、ユーザーが適切な量の香りを検知できるようになります。香りの投与にマイクロポンプを使用すると、テイスターのトレーニング（ワイン、食品）、学習プログラム、心理療法、嗅覚障害の治療、救急隊員のトレーニングなど、さまざまな用途に使用でき、目的の環境に完全に浸ることができます。

分析システムでは、マイクロポンプはラボオンチップアプリケーション、HPLC、ガスクロマトグラフィーシステムなどに使用できます。後者の場合、マイクロポンプはガスの正確な供給と流れを確保する必要があります。ガスの圧縮性は難しいため、マイクロポンプは高い圧縮率を備えている必要があります。^[16]

その他の用途としては、少量潤滑剤の投与システム、燃料投与システム、マイクロ空気圧システム、マイクロ油圧システム、生産プロセスにおける投与システム、液体処理（クッションピペット、マイクロリットルプレート）などの分野が挙げられます。^[46]

• 電気浸透ポンプ
• 燃料電池用語集
• インピーダンスポンプ
• マイクロバルブ

ウィキメディア・コモンズには、マイクロポンプに関連するメディアがあります。