專利名稱：磁驅(qū)動(dòng)微型泵的制作方法
磁驅(qū)動(dòng)微型泵相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)要求2009年2月12日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 61/152，165的優(yōu)先權(quán)， 其通過引用全部合并于此。
背景技術(shù)：
本發(fā)明披露內(nèi)容涉及一種用于處理小流體體積的磁驅(qū)動(dòng)微型泵。具體地，本披露內(nèi)容涉及微型泵，其包括磁促動(dòng)隔膜以傳送流體。微流體技術(shù)領(lǐng)域一般包括處理在幾個(gè)納米等級(jí)上的非常小的流體體積。在如生命科學(xué)和化學(xué)分析的領(lǐng)域，微流體技術(shù)具有日益重要的應(yīng)用。微流體技術(shù)設(shè)備，也稱為微機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)，包括用于流體控制、流體測(cè)量、醫(yī)學(xué)試驗(yàn)、DNA和蛋白質(zhì)分析、活性藥物運(yùn)送和其他生化應(yīng)用的設(shè)備。微型泵的典型的流體流速的范圍是從約0. 1微升每分鐘至幾個(gè)(80-180)毫升每分鐘。該等級(jí)上的流速在，例如用于化學(xué)和生物分析的可拋棄微型總分析系統(tǒng)(μ TAS)或片上實(shí)驗(yàn)室(LOC)、用于醫(yī)學(xué)診斷測(cè)試的監(jiān)護(hù)測(cè)試點(diǎn)、用于施藥(例如胰島素)的要求精細(xì)程度的管理和準(zhǔn)確控制的可植入藥物輸送系統(tǒng)、和用于輸血和增壓的心臟病學(xué)系統(tǒng)，的應(yīng)用中有用。由于多數(shù)MEMS處理技術(shù)源自于微電子技術(shù)，在1980年代第一個(gè)硅微型泵是基于薄隔膜的壓電促動(dòng)，主要用于受控胰島素輸送系統(tǒng)。該工作闡述了硅基微型泵的可行性和在硅微型泵上的創(chuàng)造性的深遠(yuǎn)的研究。而且，在藥學(xué)和臨床治療領(lǐng)域，多個(gè)商用可植入硅微型泵被報(bào)告用于胰島素輸送和治療劑施藥。最近，多種聚合材料和新型微細(xì)加工技術(shù)，例如軟平板印刷、微立體光刻技術(shù)、微模制和聚合表面微機(jī)械加工，已經(jīng)被研究和開發(fā)用于不斷增長(zhǎng)的低成本的、集成的和小型化可拋棄PTAS應(yīng)用。包括塑料和彈性體的許多聚合材料，由于它們優(yōu)良的機(jī)械性能、良好的化學(xué)耐受性和低制造成本，已經(jīng)被越來越多地并入到其它微型設(shè)備中作為基底、結(jié)構(gòu)性構(gòu)件、和功能性構(gòu)件。在最常用的聚合物中，聚二甲硅氧烷(PDMS)已經(jīng)被廣泛地用在微流體設(shè)備中，這是由于優(yōu)異的生物兼容性、簡(jiǎn)單的制造工藝(模制和可逆結(jié)合)以及光學(xué)透明性(便于監(jiān)視和查詢)以及彈性(良好的密封和連接性)。基于硅和基于塑料的無閥微型泵被作為實(shí)例使用以與基于聚合物的微型泵比較。 基于硅的微型泵的制造工藝包括三個(gè)順序的深活性粒子蝕刻(DRIE)步驟和一個(gè)硅-玻璃陽極結(jié)合步驟，同時(shí)LIGA，微注射，或熱壓花模制和多個(gè)薄板通過粘合劑或螺栓的裝配被涉及用于塑料泵。在另一方面，對(duì)于基于PDMS的微型泵，僅需要多層軟平版印刷工藝和 PDMS-PDMS結(jié)合技術(shù)。從制造成本的觀點(diǎn)來看，基于PDMS的微型泵比前兩種類型的微型泵低得多。而且，塑料微型泵的主要挑戰(zhàn)是由于薄塑料層的表面粗糙度導(dǎo)致的高流體泄露。 螺栓裝配使得事情更糟，因?yàn)閼?yīng)力集中在層之間的界面上的螺栓連接位置。粘接劑結(jié)合還傾向于助長(zhǎng)微型結(jié)構(gòu)的阻塞。因此，PDMS是用于微型泵的實(shí)用材料(短的處理時(shí)間和低成本)。

發(fā)明內(nèi)容
這里披露的微型泵的操作原理是，振動(dòng)隔膜導(dǎo)致腔室中的壓力變化，其通過被動(dòng)閥的形式來引導(dǎo)流體管的動(dòng)態(tài)流動(dòng)。通常被動(dòng)閥被并入作為以懸臂活板、橋接隔膜、圓形球、活動(dòng)結(jié)構(gòu)、噴嘴/擴(kuò)散器或泰斯拉元件形式的往復(fù)微型泵的入口和出口中的止回閥。但是，集成噴嘴/擴(kuò)散器元件的無閥微型泵對(duì)于可拋棄μ TAS應(yīng)用具有特別的益處，例如在生物醫(yī)學(xué)和生物化學(xué)中，因?yàn)閼腋☆w粒阻塞、磨損和疲勞的移動(dòng)機(jī)械部件的危險(xiǎn)可被降低且實(shí)際上被消除。而且，噴嘴/擴(kuò)散器的平面特征和簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)導(dǎo)致用于可拋棄應(yīng)用的微型泵的低成本和小型化。本披露內(nèi)容的無閥微型泵包括噴嘴和擴(kuò)散器元件、流體腔室和振動(dòng)促動(dòng)隔膜。隔膜被與小塊狀磁體集成，這具有較大的吸引或排斥磁力和隔膜撓曲的優(yōu)點(diǎn)。隔膜上的交替的垂直磁力導(dǎo)致較大的體積行程，其對(duì)于高流速微型泵是期望的。此外，磁性促動(dòng)是外部施加的場(chǎng)，在此情況下微型泵受到氣隙的控制。因此，用于在微型泵上施加電流或電壓的電連接器可被避免，其還提供了在μ TAS應(yīng)用中的小型化的可能性。本披露內(nèi)容的主題的原理和操作被^iou等人的文章(Fluid Damping Effects on Resonant Frequency of an Electromagnetically-Actuated Valveless Micropump, International Journal of Advanced Manufacturing Technology,April 24,2009)中完全地解釋，其通過引用在此全部并入。本披露內(nèi)容的一方面包括用于輸送流體的微型泵。該微型泵包括泵組件，該泵組件具有第一泵體，該第一泵體限定第一流體流動(dòng)路徑。第一泵體包括第一腔室，該第一腔室包括第一腔室壁和第一側(cè)壁；第一入口和第一出口，其中第一入口和第一出口與第一腔室流體連通。泵組件還包括第二泵體，該第二泵體限定第二流體流動(dòng)路徑。第二泵體包括第二腔室，該第二腔室包括第二腔室壁和第二側(cè)壁；第二入口和第二出口，其中第二入口和第二出口與第二腔室流體連通。泵組件還包括布置在第一腔室和第二腔室之間的柔性隔膜。 微型泵還包括促動(dòng)器組件，該促動(dòng)器組件被構(gòu)造為與泵組件協(xié)作。促動(dòng)器組件包括磁性耦合至隔膜的驅(qū)動(dòng)器，和構(gòu)造為檢測(cè)隔膜的位置的傳感器，其中驅(qū)動(dòng)器施加磁力至隔膜，導(dǎo)致隔膜撓曲，且其中隔膜的該撓曲導(dǎo)致第一腔室和第二腔室內(nèi)的壓力的變化，由此導(dǎo)致流體流動(dòng)。本披露內(nèi)容的另一方面包括用于從流體儲(chǔ)存器輸送流體的微型泵組件，該微型泵組件包括泵筒。泵筒包括第一泵體，該泵體限定第一腔室，該第一腔室包括第一腔室壁和第一側(cè)壁；第一入口和第一出口，其中第一入口和第一出口與第一腔室流體連通。泵體還包括第二泵殼，該第二泵殼限定第二腔室，該第二腔室包括第二腔室壁和第二側(cè)壁；第二入口和第二出口，其中第二入口和第二出口與第二腔室流體連通，以及布置在該第一腔室和第二腔室之間的柔性隔膜，其中泵筒被構(gòu)造為允許從流體儲(chǔ)存器至第一腔室和第二腔室中的至少一個(gè)的流體連通。微型泵組件還包括殼體，該殼體包封促動(dòng)器組件，該促動(dòng)器組件被構(gòu)造為與微型泵筒協(xié)作。促動(dòng)器組件包括磁性耦合至隔膜的驅(qū)動(dòng)器，和構(gòu)造為檢測(cè)隔膜的位置的第一傳感器，其中驅(qū)動(dòng)器施加磁力至隔膜，導(dǎo)致隔膜撓曲，且其中隔膜的該撓曲導(dǎo)致第一腔室和第二腔室內(nèi)的壓力的變化，由此導(dǎo)致流體流動(dòng)。微型泵組件還包括控制器，該控制器聯(lián)接至驅(qū)動(dòng)器且被構(gòu)造為通過接收來自第一傳感器的信號(hào)和調(diào)節(jié)由驅(qū)動(dòng)器施加的磁力來控制隔膜位置。微型泵組件還包括電源，該電源被構(gòu)造為給驅(qū)動(dòng)器和控制器通電，其中殼體被構(gòu)造為使得微型泵筒可被插入且保持在促動(dòng)器組件中。本披露內(nèi)容的另一方面包括制造微型泵的方法。該方法包括步驟由聚合物材料制造柔性隔膜，包括步驟在硅晶片上旋涂第一聚合物層和允許第一聚合物層固化，將磁性材料布置在第一聚合物層上，在磁性材料周圍施加第二聚合物層和允許第二聚合物層固化，和施加第三聚合物層和允許第三聚合物層固化；通過將液體聚合物材料澆入模具來制造剛性泵體，該模具被構(gòu)造為形成流體腔室、入口通道和出口通道，以及允許液體聚合物固化；將柔性隔膜與剛性泵體對(duì)齊；和將柔性聚合物隔膜結(jié)合至剛性泵體。本披露內(nèi)容的另一方面是用于輸送流體的微型泵。該微型泵包括泵組件，該泵組件具有第一泵體，該第一泵體限定第一腔室。第一腔室包括第一腔室壁和第一側(cè)壁、第一入口和第一出口，其中第一入口和第一出口與第一腔室流體連通，以及布置在第一腔室上的與第一腔室壁相對(duì)的第一柔性隔膜。泵組件具有第二泵體，該第二泵體限定第二腔室，該第二腔室包括第二腔室壁和第二側(cè)壁、第二入口和第二出口，其中第二入口和第二出口與第二腔室流體連通，以及布置在第二腔室上與第二腔室壁相對(duì)的第二柔性隔膜。泵組件還包括布置在第一泵體和第二泵體之間的至少第三泵體。第三泵體限定第三腔室，第三腔室包括第三側(cè)壁，第三入口和第三出口，其中第三入口和第三出口與第三腔室流體連通，其中該至少第三腔室與第二隔膜和第二隔膜相鄰。微型泵還包括促動(dòng)器組件，該促動(dòng)器組件被構(gòu)造為與泵組件協(xié)作。促動(dòng)器組件包括磁性耦合至第一隔膜和第二隔膜的驅(qū)動(dòng)器，和構(gòu)造為檢測(cè)第一隔膜和第二隔膜的位置的至少一個(gè)傳感器，其中驅(qū)動(dòng)器施加磁力至第一隔膜和第二隔膜，導(dǎo)致第一隔膜和第二隔膜撓曲，且其中第一隔膜和第二的該撓曲導(dǎo)致第一腔室、第二腔室和第三腔室內(nèi)的壓力的變化，由此導(dǎo)致流體流動(dòng)。


本披露內(nèi)容將在下面參考附圖進(jìn)行描述，這些附圖僅是作為非限制性實(shí)例給出，其中
圖1是本披露內(nèi)容的微型泵組件的實(shí)施例的透視圖2是圖1的微型泵組件的分解圖3是泵體的透視圖，該泵體具有噴嘴/擴(kuò)散器流動(dòng)元件用于產(chǎn)生單向流；
圖4是具有截頭錐形構(gòu)造的噴嘴/擴(kuò)散器流動(dòng)元件的示意圖5是具有截頭金字塔形構(gòu)造的噴嘴/擴(kuò)散器流動(dòng)元件的示意圖6是示出流體流動(dòng)路徑的單腔微型泵的示意圖7是示出組合并聯(lián)流動(dòng)路徑的本披露內(nèi)容的雙腔微型泵組件的橫截面；
圖8是本披露內(nèi)容的微型泵組件的實(shí)施例的透視圖9是圖8的微型泵組件的分解透視圖10是微型泵筒和促動(dòng)器組件容座的透視圖11至14是本披露內(nèi)容的微型泵的隔膜的實(shí)施例的有限元模型的圖15是用于本披露內(nèi)容的實(shí)施例的無閥微型泵的共振頻率隨擴(kuò)散器細(xì)長(zhǎng)比變化的圖16是用于本披露內(nèi)容的無閥微型泵的實(shí)施例的共振頻率隨擴(kuò)散器打開角度變化的圖；圖17是用于本披露內(nèi)容的無閥微型泵的實(shí)施例的共振頻率隨擴(kuò)散器長(zhǎng)寬比變化的圖；圖18是用于本披露內(nèi)容的無閥微型泵的實(shí)施例的共振頻率隨腔深和隔膜厚度的厚度比變化的圖；圖19是用于本披露內(nèi)容的微型泵的實(shí)施例的隔膜位移對(duì)時(shí)間的圖；圖20是示出排放模式中的最大位移的本披露內(nèi)容的無閥微型泵的示例性實(shí)施例的有限元模型；圖21是示出抽吸模式中的最大位移的本披露內(nèi)容的無閥微型泵的示例性實(shí)施例的有限元模型；圖22示出了與本披露內(nèi)容的微型泵一起使用的微流體連接器；圖23是示出在不同促動(dòng)電流下最大泵送流速依賴于激勵(lì)頻率的圖；圖M是不同促動(dòng)電流幅度下的最大流速的圖；圖25是最大泵送流速的比較；圖25A是在促動(dòng)器加載之前和之后的方波激勵(lì)信號(hào)的圖；
圖沈至觀是示出流速隨激勵(lì)頻率變化的圖；圖四是促動(dòng)器溫度在時(shí)間上的圖；圖30至32是在操作過程中本披露內(nèi)容的微型泵的實(shí)施例的示意圖；圖33是磁性位置傳感器的布置的示意圖；圖34和35分別是促動(dòng)器線圈和磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度的示意圖；圖36是磁場(chǎng)擾動(dòng)的圖；圖37是磁場(chǎng)強(qiáng)度的圖；圖38是通過傳感器測(cè)量的磁場(chǎng)擾動(dòng)的圖；圖39是通過傳感器測(cè)量的磁場(chǎng)強(qiáng)度的圖；圖40是傳感器對(duì)于電壓脈沖的響應(yīng)的圖；圖41是擾動(dòng)測(cè)量的圖；圖42是作為磁體位置的函數(shù)的被測(cè)量磁場(chǎng)的圖；圖43是本披露內(nèi)容的控制系統(tǒng)實(shí)施例的示意圖；圖44是本披露內(nèi)容的反饋回路的示意圖；圖45是圖43的控制系統(tǒng)實(shí)施例的詳細(xì)示意圖；圖46是感應(yīng)模式中的本披露內(nèi)容的控制系統(tǒng)的操作的流程圖；圖47是校準(zhǔn)模式中的本披露內(nèi)容的控制系統(tǒng)的操作的流程圖；圖48是本披露內(nèi)容的微型泵實(shí)施例的滯后圖；和圖49是本披露內(nèi)容的閉環(huán)控制系統(tǒng)中的設(shè)定點(diǎn)和位置的圖；圖50至52示出了可被與本披露內(nèi)容的微型泵一起使用的止回閥；圖53是本披露內(nèi)容的多腔微型泵的示例性實(shí)施例。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)在參考圖1和2，本披露內(nèi)容的微型泵包括泵組件10，其具有第一泵體12和第二泵體M以及布置在這兩個(gè)泵體之間的柔性隔膜36。第一泵體12限定了第一本體流動(dòng)路徑且包括第一腔室14，該腔室具有第一腔室壁16和第一側(cè)壁18。第一泵體12還包括與第一腔室14流體相通的第一入口 20和第一出口 22。類似的，第二泵體M限定了第二本體流動(dòng)路徑且包括第二腔室沈，該腔室具有第二腔室壁28和第二側(cè)壁30。第二泵體M還包括與第二腔室26流體相通的第二入口 32和第二出口 34。本披露內(nèi)容的微型泵還包括磁性耦合至柔性隔膜36的驅(qū)動(dòng)器。在圖1和2中所述的實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)器包括第一磁性線圈38和第二磁性線圈40。磁性線圈38、40被構(gòu)造為通過與磁體42、44的電磁耦合而施加磁力在柔性隔膜上。本披露內(nèi)容的微型泵被用于使得流體單向流動(dòng)。這種單向流動(dòng)在具有或不具有止回閥的情況下實(shí)現(xiàn)。微型泵的典型操作流速是大約幾微升至幾毫升每分鐘的范圍(對(duì)于非機(jī)械微型泵是低于10 μ 1/分鐘，而對(duì)于機(jī)械微型泵平均流速可高至數(shù)毫升)。由此，生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的廣闊范圍被發(fā)現(xiàn)于例如用于可植入藥物輸送、化學(xué)和生物檢測(cè)、以及在心臟病學(xué)系統(tǒng)中的輸血的流體精細(xì)管理和準(zhǔn)確控制系統(tǒng)的應(yīng)用中。但是，存在與止回閥相關(guān)聯(lián)的問題，例如高壓力損耗、對(duì)于固體顆粒的敏感性、以及活動(dòng)閥的磨損和疲勞。因此，為了消除對(duì)于止回閥的需要，噴嘴/擴(kuò)散器構(gòu)造可被用于代替止回閥和用于調(diào)整流動(dòng)。由此，使用通過噴嘴/擴(kuò)散器元件的流動(dòng)阻力的差來引導(dǎo)該流動(dòng)沿優(yōu)選方向的微型泵在這里稱為“無閥微型泵”。在本披露內(nèi)容的示例性實(shí)施例中，通過在入口 20、32和出口 22、34處使用噴嘴/ 擴(kuò)散器通道，可在無止回閥的情況下實(shí)現(xiàn)被單向整流的流體流動(dòng)。無閥實(shí)施例的特征將參考圖3而被解釋，其示出了第二泵體對(duì)的實(shí)施例。顯然，第一泵體具有相同的特征且為了清楚而被省去。在該實(shí)施例中，入口 32和出口 34分別包括入口擴(kuò)散器46和出口擴(kuò)散器48， 這些擴(kuò)散器與第二腔室沈流體連通。具體參考入口擴(kuò)散器46，該擴(kuò)散器元件包括將第二入口 32與第二腔室沈連接的一對(duì)壁50、52。壁50、52被布置成角度θ且具有長(zhǎng)度L。壁50、52限定入口喉部M和出口端部56，其中入口喉部M具有寬度W1,，出口端部56具有第二寬度W2，而W2大于Wp在圖3所示的實(shí)施例中，入口和出口擴(kuò)散器46、48的深度與第二腔室沈的深度相同，這被發(fā)現(xiàn)能簡(jiǎn)化制造，但是其他構(gòu)造也可被接受，包括圖4所示的截頭錐形構(gòu)造和圖5所示的截頭金字塔形構(gòu)造。圖4的截頭錐形擴(kuò)散器包括直徑D1的入口喉部M和直徑&的出口端部56，其中 D2大于Dp截頭錐形擴(kuò)散器還包括設(shè)置成2 θ的角度的壁58。類似的，圖5的截頭金字塔形擴(kuò)散器包括橫截面積A1的入口喉部M和橫截面積A2的出口端部56，其中A2大于A1。截頭金字塔形擴(kuò)散器還包括設(shè)置成2 θ的角度的壁段60。為了簡(jiǎn)化，圖6示出了微型泵的示意圖，其具有單個(gè)腔室62、單個(gè)磁體64、和由電源68供電的單個(gè)電磁線圈66。流體儲(chǔ)存器70中包含的流體通過入口管72流動(dòng)至入口擴(kuò)散器46，進(jìn)入腔室62，在該腔室中被泵送通過出口擴(kuò)散器48通過出口管74用于其預(yù)期用途。參考圖7，本披露內(nèi)容的無閥微型泵的實(shí)施例可包括組合的平行流動(dòng)路徑，其中雙腔微型泵10被構(gòu)造為具有與共用入口 76和共用出口 78流體連通的第一腔室14和第二腔CN 102395790 A
說明書
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室沈。當(dāng)然，顯然的是，圖7中所示的微型泵7的實(shí)施例可被構(gòu)造為具有獨(dú)立的平行流動(dòng)路徑。獨(dú)立的平行流動(dòng)路徑能允許兩種不同流體的同時(shí)流動(dòng)?，F(xiàn)在參考圖8和9，本披露內(nèi)容的另一實(shí)施例中，如前所述的微型泵10被包括作為設(shè)備200的一部分且被包圍在殼體202、204中。殼體202、204被構(gòu)造為包括控制器(未示出)。該控制器被連接至控制面板206以允許用戶輸入操作參數(shù)，例如流速?？刂泼姘?06 包括顯示器208和一個(gè)或多個(gè)輸入鈕210。殼體204被構(gòu)造為接收瓶子212，其用作用于微型泵10的流體儲(chǔ)存器。在示例性實(shí)施例中，瓶子212可包含胰島素，或任意其他藥物，生物物質(zhì)，或化合物。殼體204被構(gòu)造為使得瓶子212與微型泵10在插入該殼體時(shí)流體連通。 殼體204還被構(gòu)造為接收電池214，其作為用于促動(dòng)器和控制器的電源。在圖9中所示的實(shí)施例中，電池被描述為標(biāo)準(zhǔn)9V電池。但是，依賴于應(yīng)用，其它類型的電池也可被接受，例如 3V硬幣(手表)電池可被用于總尺寸是考慮因素的一些應(yīng)用中。現(xiàn)在參考圖10，圖1的微型泵10可被構(gòu)造為可插入驅(qū)動(dòng)器90中的泵筒(pump cartridge) 80。泵筒80包括第一泵體12、第二泵體對(duì)、和設(shè)置在這兩個(gè)泵體之間的柔性隔膜。泵筒80可選地包括止回閥歧管82。替換地，泵筒80可具有如本文披露的無閥設(shè)計(jì)。 入口和出口管72、74則被連接至止回閥歧管，或在無閥微型泵的情況下直接連接至第一和第二泵體的入口 20、33和出口 22、34。驅(qū)動(dòng)器90包括第一支撐件92和第二支撐件94，第二支撐件94被獨(dú)立于第一支撐件92布置且與其隔開。第一和第二支撐件92、94每個(gè)都分別包括被構(gòu)造為接收螺線管或促動(dòng)線圈(未示出)的凹部96、98。第一和第二支撐件92、94限定容座100，該容座被構(gòu)造為接收泵筒80。多個(gè)提出的用于微型泵的促動(dòng)機(jī)構(gòu)已經(jīng)被報(bào)道，主要包括壓電的、靜電的、電磁的和熱-氣動(dòng)的促動(dòng)機(jī)構(gòu)和形狀記憶合金等。多數(shù)微型泵使用壓電的或靜電的促動(dòng)，其以相對(duì)高的頻率操作且對(duì)于極小的位移需要數(shù)百至數(shù)千數(shù)量的高電壓。關(guān)于電磁促動(dòng)，在非常需要大位移、快響應(yīng)時(shí)間和相對(duì)低功耗時(shí)其具有超過其它促動(dòng)方法的優(yōu)點(diǎn)。具有集成磁體的隔膜的磁促動(dòng)可產(chǎn)生幾百μN(yùn)和大隔膜撓曲。這些期望的特性對(duì)于許多醫(yī)學(xué)應(yīng)用是高度渴望的。因此，在下面的部分詳細(xì)討論流體-隔膜耦合在電磁驅(qū)動(dòng)無閥微型泵的響應(yīng)頻率上的影響。促動(dòng)力被通過振蕩隔膜施加以驅(qū)動(dòng)泵中的工作介質(zhì)。因此，微型泵的可靠性和性能依賴于復(fù)合隔膜的動(dòng)態(tài)特性。對(duì)于振蕩隔膜，材料性質(zhì)，例如密度、楊氏模量和泊松比，將顯著地影響隔膜的固有頻率。例如，在MEMS設(shè)備中，多數(shù)隔膜是整體復(fù)合層，其包括一些感應(yīng)或促動(dòng)隔膜層。在該具體實(shí)例中，各材料層的特性彼此非常不相同。因此，復(fù)合層的當(dāng)量密度(equivalent density)必須被正確地得出。對(duì)于磁促動(dòng)隔膜微型泵，存在兩種用于建立功能性隔膜的方案。一種是軟磁性材料電鍍或利用永久磁體接合在隔膜的頂部上，多個(gè)永久磁體被手動(dòng)地組裝到PDMS隔膜中。 然后，外部磁場(chǎng)通過永久磁體或基板中的整體平面微型線圈施加以控制隔膜的運(yùn)動(dòng)。由于嵌入隔膜中的塊狀磁體的尺寸和布置可影響電磁力的分布以及隔膜剛度，復(fù)合隔膜在此被制造為具有磁性性質(zhì)。硅、硅氮化物和薄金屬板適于作為用于微型泵的隔膜材料。例如，幾微米范圍內(nèi)的薄硅隔膜可被利用微機(jī)械加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)。但是，硅的楊氏模量為190Gpa，這限制了其用于往復(fù)泵。泵隔膜具有柔性材料，例如聚對(duì)二甲苯(parylene)、聚酰亞胺(polyimide)、SU_8和 PDMS0這些隔膜需要較小的促動(dòng)壓力且具有較大的撓曲以及較大的行程體積。在本披露內(nèi)容的示例性實(shí)施例中，PDMS(SiIgard 184, Dow Corning Corp)被用于微型泵體和促動(dòng)隔膜兩者。由于其較低的模數(shù)以及與硅和玻璃基底的良好的相容性，PDMS (Sylgard 184Silicone Elastomer,Dow Coming Corporation)被選擇作為該示例性實(shí)施例中的隔膜材料。硬鋇鐵氧體粉末(UMBS-IB，Unimagnet Industry Co. ,Ltd,China)被混合到 PDMS 中 (以1 1的重量比)以形成促動(dòng)隔膜。復(fù)合隔膜具有同質(zhì)的且各向同性的材料性質(zhì)，且可在外部磁場(chǎng)中產(chǎn)生雙向撓曲。用于本披露內(nèi)容的的復(fù)合材料的材料性質(zhì)在表1中示出。表1 隔膜復(fù)合材料的材料性質(zhì)
權(quán)利要求
1.一種用于輸送流體的微型泵，該微型泵包括 泵組件，該泵組件包括第一泵體，該第一泵體限定第一流體流動(dòng)路徑，該第一泵體包括第一腔室，該第一腔室包括第一腔室壁和第一側(cè)壁，第一入口和第一出口，其中第一入口和第一出口與第一腔室流體連通，第二泵體，該第二泵體限定第二流體流動(dòng)路徑，第二泵體包括第二腔室，該第二腔室包括第二腔室壁和第二側(cè)壁，第二入口和第二出口，其中第二入口和第二出口與第二腔室流體連通，柔性隔膜，布置在第一腔室和第二腔室之間；以及促動(dòng)器組件，該促動(dòng)器組件被構(gòu)造為與泵組件協(xié)作，該促動(dòng)器組件包括磁性耦合至隔膜的驅(qū)動(dòng)器，和構(gòu)造為檢測(cè)隔膜的位置的傳感器，其中驅(qū)動(dòng)器施加磁力至隔膜，導(dǎo)致隔膜撓曲，且其中隔膜的該撓曲導(dǎo)致第一腔室和第二腔室內(nèi)的壓力的變化，由此導(dǎo)致流體流動(dòng)；以及至少一個(gè)閥，該閥與第一腔室和第二腔室中的每個(gè)流體連通，其中該至少一個(gè)閥被構(gòu)造為沿預(yù)定方向弓丨導(dǎo)流體流動(dòng)。
2.如權(quán)利要求1所述的微型泵，其中所述至少一個(gè)閥包括第一入口附近的第一入口止回閥和第一出口附近的第一出口止回閥中的至少一個(gè)。
3.如權(quán)利要求2所述的微型泵，其中第一入口止回閥和第一出口止回閥的所述至少一個(gè)包括閥隔膜，該閥隔膜包括從公共點(diǎn)向外輻射的多個(gè)交叉縫隙。
4.如權(quán)利要求2所述的微型泵，其中第一入口止回閥和第一出口止回閥中的所述至少一個(gè)位于第一流體流動(dòng)路徑中的第一側(cè)壁內(nèi)。
5.如權(quán)利要求4所述的微型泵，其中第一入口止回閥和第一出口止回閥中的所述至少一個(gè)整體形成于第一側(cè)壁內(nèi)。
6.如權(quán)利要求2所述的微型泵，還包括第二入口附近的第二入口止回閥和第二出口附近的第二出口止回閥中的至少一個(gè)。
7.如權(quán)利要求6所述的微型泵，其中第二入口止回閥和第二出口止回閥中的所述至少一個(gè)位于流體流動(dòng)路徑中的第二側(cè)壁內(nèi)。
8.如權(quán)利要求7所述的微型泵，其中第二入口止回閥和第二出口止回閥中的所述至少一個(gè)整體形成于第二側(cè)壁內(nèi)。
9.如權(quán)利要求1所述的微型泵，還包括布置在所述隔膜上的第一磁體。
10.如權(quán)利要求9所述的微型泵，還包括布置在所述隔膜上的第二磁體，其中第一磁體定位為與第一腔室相鄰且第二磁體定位為與第二腔室相鄰。
11.如權(quán)利要求9所述的微型泵，包括多個(gè)磁體，該多個(gè)磁體被布置在隔膜上并與第一腔室和第二腔室中的任一個(gè)相鄰。
12.如權(quán)利要求9所述的微型泵，其中第一磁體是釹-鐵-硼稀土磁體。
13.如權(quán)利要求10所述的微型泵，其中第二磁體是釹-鐵-硼稀土磁體。
14.如權(quán)利要求1所述的微型泵，其中柔性隔膜由與磁性材料混合的軟聚合物材料構(gòu)造。
15.如權(quán)利要求14所述的微型泵，其中軟聚合物材料是聚二甲硅氧烷。
16.一種用于輸送流體的微型泵，該微型泵包括 泵組件，該泵組件包括第一泵體，該第一泵體限定第一流體流動(dòng)路徑，該第一泵體包括第一腔室，該第一腔室包括第一腔室壁和第一側(cè)壁，第一入口和第一出口，其中第一入口和第一出口與第一腔室流體連通，第二泵體，該第二泵體限定第二流體流動(dòng)路徑，第二泵體包括第二腔室，該第二腔室包括第二腔室壁和第二側(cè)壁，第二入口和第二出口，其中第二入口和第二出口與第二腔室流體連通，柔性隔膜，布置在第一腔室和第二腔室之間；以及促動(dòng)器組件，該促動(dòng)器組件被構(gòu)造為與泵組件協(xié)作，該促動(dòng)器組件包括磁性耦合至隔膜的驅(qū)動(dòng)器，和構(gòu)造為檢測(cè)隔膜的位置的傳感器，其中驅(qū)動(dòng)器施加磁力至隔膜，導(dǎo)致隔膜撓曲，且其中隔膜的該撓曲導(dǎo)致第一腔室和第二腔室內(nèi)的壓力的變化，由此導(dǎo)致流體流動(dòng)；且其中該泵組件被構(gòu)造為在沒有閥的情況下沿預(yù)定方向弓丨導(dǎo)流體流動(dòng)。
17.如權(quán)利要求16所述的微型泵，其中第一入口還包括第一入口通道，該第一入口通道包括具有第一入口喉部寬度的第一入口喉部，和具有第一入口端部寬度的第一入口端部， 其中該第一入口通道被構(gòu)造為使得流體沿從第一入口喉部至第一入口端部的方向流動(dòng)，且其中第一入口端部被布置在第一側(cè)壁中，且其中第一入口喉部寬度小于第一入口端部寬度。
18.如權(quán)利要求17所述的微型泵，其中第一出口還包括第一出口通道，該第一出口通道包括具有第一出口喉部寬度的第一出口喉部，和具有第一出口端部寬度的第一出口端部， 其中該第一出口通道被構(gòu)造為使得流體沿從該第一出口喉部至該第一出口端部的方向流動(dòng)，且其中該第一出口喉部被布置在第一側(cè)壁中，且其中該第一出口喉部寬度小于該第一出口端部寬度。
19.如權(quán)利要求18所述的微型泵，其中第一入口通道和第一出口通道被構(gòu)造為允許流體大致沿從第一入口至第一出口的方向流過第一腔室。
20.如權(quán)利要求16所述的微型泵，還包括 第一入口通道，該第一入口通道包括具有第一入口喉部寬度的第一入口喉部，和具有第一入口端部寬度的第一入口端部， 其中該第一入口通道被構(gòu)造為使得流體沿從第一入口喉部至第一入口端部的方向流動(dòng)，且其中第一入口端部被布置在第一側(cè)壁中，且其中第一入口喉部寬度小于第一入口端部寬度；第一出口通道，該第一出口通道包括具有第一出口喉部寬度的第一出口喉部，和具有第一出口端部寬度的第一出口端部，其中該第一出口通道被構(gòu)造為使得流體沿從第一出口喉部至第一出口端部的方向流動(dòng)，且其中該第一出口喉部被布置在第一側(cè)壁中，且其中該第一出口喉部寬度小于該第一出口端部寬度；第二入口通道，該第二入口通道包括具有第二入口喉部寬度的第二入口喉部，和具有第二入口端部寬度的第二入口端部，其中該第二入口通道被構(gòu)造為使得流體沿從第二入口喉部至第二入口端部的方向流動(dòng)，且其中第二入口端部被布置在第二側(cè)壁中，且其中第二入口喉部寬度小于第二入口端部寬度；第二出口通道，該第二出口通道包括具有第二出口喉部寬度的第二出口喉部，和具有第二出口端部寬度的第二出口端部，其中該第二出口通道被構(gòu)造為使得流體沿從第二出口喉部至第二出口端部的方向流動(dòng)，且其中該第二出口喉部被布置在第二側(cè)壁中，且其中該第二出口喉部寬度小于該第二出口端部寬度。
21.如權(quán)利要求16所述的微型泵，還包括布置在所述隔膜上的第一磁體。
22.如權(quán)利要求21所述的微型泵，還包括布置在所述隔膜上的第二磁體，其中第一磁體定位為與第一腔室相鄰且第二磁體定位為與第二腔室相鄰。
23.如權(quán)利要求21所述的微型泵，包括多個(gè)磁體，該多個(gè)磁體被布置在隔膜上并與第一腔室和第二腔室中的任一個(gè)相鄰。
24.如權(quán)利要求21所述的微型泵，其中第一磁體是釹-鐵-硼稀土磁體。
25.如權(quán)利要求22所述的微型泵，其中第二磁體是釹-鐵-硼稀土磁體。
26.如權(quán)利要求16所述的微型泵，其中柔性隔膜由與磁性材料混合的軟聚合物材料構(gòu)造。
27.如權(quán)利要求沈所述的微型泵，其中軟聚合物材料是聚二甲硅氧烷。
28.如權(quán)利要求16所述的微型泵，其中柔性隔膜被構(gòu)造用于能調(diào)節(jié)張緊，允許隔膜的柔性關(guān)于由驅(qū)動(dòng)器施加至該隔膜的磁力而被改變。
29.如權(quán)利要求21所述的微型泵，其中驅(qū)動(dòng)器還包括位于泵體附近的第一磁性線圈， 該第一磁性線圈包括電線繞組且限定外周邊。
30.如權(quán)利要求四所述的微型泵，其中驅(qū)動(dòng)器還包括構(gòu)造為檢測(cè)第一磁體的位置的傳感器，該傳感器定位為與第一線圈的外周邊相鄰的一位置處，在該位置中第一線圈的磁通密度與第一磁體的磁通密度相比可被忽略。
31.如權(quán)利要求30所述的微型泵，其中傳感器是霍爾效應(yīng)傳感器。
32.如權(quán)利要求16所述的微型泵，其中驅(qū)動(dòng)器還包括反饋控制系統(tǒng)，該反饋控制系統(tǒng)被構(gòu)造為通過感應(yīng)附連至隔膜的磁體的位置、將該位置與預(yù)定的設(shè)定點(diǎn)比較、并調(diào)節(jié)施加至隔膜的磁力來控制隔膜的位移。
33.一種用于從流體儲(chǔ)存器輸送流體的微型泵組件，該微型泵組件包括 泵筒，該泵筒包括第一泵體，該第一泵體限定第一腔室，該第一腔室包括第一腔室壁和第一側(cè)壁，第一入口和第一出口，其中第一入口和第一出口與第一腔室流體連通，第二泵殼，該第二泵殼限定第二腔室，該第二腔室包括第二腔室壁和第二側(cè)壁，第二入口和第二出口，其中第二入口和第二出口與第二腔室流體連通，和柔性隔膜，布置在第一腔室和第二腔室之間；其中泵筒被構(gòu)造為允許流體儲(chǔ)存器流體連通至第一腔室和第二腔室中的至少一個(gè)；和殼體，該殼體包封促動(dòng)器組件，該促動(dòng)器組件被構(gòu)造為與微型泵筒協(xié)作，該促動(dòng)器組件包括 磁性耦合至隔膜的驅(qū)動(dòng)器，和構(gòu)造為檢測(cè)隔膜的位置的第一傳感器，其中驅(qū)動(dòng)器施加磁力至隔膜，導(dǎo)致隔膜撓曲，且其中隔膜的該撓曲導(dǎo)致第一腔室和第二腔室內(nèi)的壓力的變化，由此導(dǎo)致流體流動(dòng)；控制器，該控制器被聯(lián)接至驅(qū)動(dòng)器且被構(gòu)造為通過從第一傳感器接收輸入并調(diào)節(jié)由驅(qū)動(dòng)器施加的磁力來控制隔膜的位置，和電源，該電源被構(gòu)造用于給驅(qū)動(dòng)器和控制器供電， 其中該殼體被構(gòu)造為使得微型泵筒可被插入且被保持在促動(dòng)器組件內(nèi)。
34.如權(quán)利要求33所述的微型泵組件，其中微型泵筒被構(gòu)造用于單次使用。
35.如權(quán)利要求34所述的微型泵組件，其中流體儲(chǔ)存器被附連至微型泵筒。
36.如權(quán)利要求34所述的微型泵組件，其中流體儲(chǔ)存器被容納在殼體內(nèi)且被構(gòu)造用于在將微型泵筒插入殼體時(shí)與微型泵筒聯(lián)接。
37.如權(quán)利要求33所述的微型泵組件，其中控制器被構(gòu)造為從第一傳感器接收反饋信號(hào)，且其中控制器被構(gòu)造為將附連至隔膜的磁體的位置與預(yù)定的設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行比較，且其中控制器被構(gòu)造為響應(yīng)該反饋信號(hào)而調(diào)節(jié)施加至隔膜的磁力。
38.如權(quán)利要求37所述的微型泵組件，其中控制器是比例積分微分類型的控制器。
39.如權(quán)利要求33所述的微型泵組件，還包括第二傳感器，該第二傳感器被構(gòu)造為檢測(cè)流體儲(chǔ)存器內(nèi)的流體的體積，且其中控制器被構(gòu)造為從第二傳感器接收輸入，從而控制器能計(jì)算和預(yù)測(cè)流體流動(dòng)。
40.如權(quán)利要求33所述的微型泵組件，其中控制器被構(gòu)造為基于來自第一傳感器的反饋信號(hào)計(jì)算傳送的流體的體積。
41.如權(quán)利要求40所述的微型泵組件，其中控制器被構(gòu)造為將基于來自第一傳感器的反饋信號(hào)的傳送的流體的體積與來自第二傳感器的體積輸入進(jìn)行比較，且其中控制器被構(gòu)造為如果比較的體積在預(yù)定范圍之外則提供輸出信號(hào)。
42.如權(quán)利要求41所述的微型泵組件，其中輸出信號(hào)是警告和關(guān)機(jī)中的至少一個(gè)。
43.一種制造微型泵的方法，該方法包括步驟 由聚合物材料制造柔性隔膜，包括步驟在硅晶片上旋涂第一聚合物層并使第一聚合物層固化， 將磁性材料布置在第一聚合物層上，在磁性材料周圍施加第二聚合物層并使第二聚合物層固化，和施加第三聚合物層并使第三聚合物層固化；通過將液體聚合物材料澆入模具并使液體聚合物固化來制造剛性泵體，該模具被構(gòu)造為形成流體腔室、入口通道和出口通道； 將柔性隔膜與剛性泵體對(duì)齊；和將柔性聚合物隔膜結(jié)合至剛性泵體。
44.如權(quán)利要求43所述的方法，其中第一聚合物層被旋涂至約0.15mm的厚度。
45.如權(quán)利要求44所述的方法，其中使第一聚合物層在75攝氏度固化2小時(shí)。
46.如權(quán)利要求43所述的方法，其中第二聚合物層被施加至約0.5mm的厚度。
47.如權(quán)利要求44所述的方法，其中使第二聚合物層在100攝氏度固化30分鐘。
48.如權(quán)利要求43所述的方法，其中第三聚合物層被施加至約0.15mm的厚度。
49.如權(quán)利要求48所述的方法，其中使第三聚合物層在75攝氏度固化2小時(shí)。
50.如權(quán)利要求43所述的方法，其中用于剛性泵體的模具由環(huán)氧基負(fù)光阻材料形成。
51.如權(quán)利要求50所述的方法，其中光阻材料是SU-8。
52.如權(quán)利要求43所述的方法，其中柔性聚合物層至剛性泵體的結(jié)合利用粘接劑進(jìn)行。
53.如權(quán)利要求43所述的方法，其中柔性聚合物隔膜的結(jié)合使用氧等離子體方法進(jìn)行，該氧等離子體方法包括步驟將布置在柔性隔膜和模制的泵體之間的聚合物膜在100 攝氏度固化20分鐘。
54.如權(quán)利要求43所述的方法，其中柔性聚合物隔膜的結(jié)合使用氧等離子體方法進(jìn)行，該氧等離子體方法包括步驟通過在10%氧的氣氛中施加微波10秒將布置在柔性隔膜和模制的泵體之間的未固化的聚合物膜固化。
55.如權(quán)利要求43所述的方法，其中聚合物材料由聚對(duì)二甲苯、聚酰亞胺、SU-8和聚二甲硅氧烷組成的組中選擇。
56.如權(quán)利要求43所述的方法，其中柔性隔膜由10份聚二甲硅氧烷和1份固化劑的混合物制造。
57.如權(quán)利要求43所述的方法，其中剛性泵體由5份聚二甲硅氧烷和1份固化劑的混合物制造。
58.一種用于輸送流體的微型泵，該微型泵包括 泵組件，該泵組件包括第一泵體，該第一泵體限定第一腔室，該第一腔室包括第一腔室壁和第一側(cè)壁，第一入口和第一出口，其中第一入口和第一出口與第一腔室流體連通，和第一柔性隔膜，布置在第一腔室上并與第一腔室壁相對(duì)；第二泵體，該第二泵體限定第二腔室，該第二腔室包括第二腔室壁和第二側(cè)壁，第二入口和第二出口，其中第二入口和第二出口與第二腔室流體連通，以及第二柔性隔膜，布置在第二腔室上并與第二腔室壁相對(duì)； 至少第三泵體，布置在第一泵體和第二泵體之間，該第三泵體限定 第三腔室，該第三腔室包括第三側(cè)壁，第三入口和第三出口，該第三入口和第三出口與第三腔室流體連通，其中該至少第三腔室與第一隔膜和第二隔膜相鄰；和促動(dòng)器組件，該促動(dòng)器組件被構(gòu)造為與泵組件協(xié)作，該促動(dòng)器組件包括磁性耦合至第一隔膜和第二隔膜的驅(qū)動(dòng)器，和構(gòu)造為檢測(cè)第一隔膜和第二隔膜的位置的至少一個(gè)傳感器，其中驅(qū)動(dòng)器施加磁力至第一隔膜和第二隔膜，導(dǎo)致第一隔膜和第二隔膜撓曲，且其中第一隔膜和第二隔膜的該撓曲導(dǎo)致第一腔室、第二腔室和第三腔室內(nèi)的壓力的變化，由此導(dǎo)致流體流動(dòng)。
59.如權(quán)利要求58所述的微型泵，還包括布置在第一泵體和第二泵體之間的多個(gè)中間泵體，其中每個(gè)中間泵體都限定包括側(cè)壁的中間流體腔室、入口和出口，該入口和出口與該中間流體腔室流體連通；和多個(gè)中間柔性隔膜，其中每個(gè)中間柔性隔膜都布置在相鄰的中間泵體之間，且其中驅(qū)動(dòng)器被磁性耦合至中間隔膜的每個(gè)。
全文摘要
用于處理小流體體積的磁驅(qū)動(dòng)微型泵。該微型泵包括第一腔室和第二腔室。柔性隔膜被布置在第一和第二腔室之間。柔性隔膜被磁性耦合至促動(dòng)器用于移動(dòng)該隔膜。
文檔編號(hào)F16K99/00GK102395790SQ200980158664
公開日2012年3月28日 申請(qǐng)日期2009年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月12日
發(fā)明者F.阿米羅切, J.西特林, M.L.坎特韋爾, Y.周 申請(qǐng)人:伊利諾伊大學(xué)受托管理委員會(huì)