專利名稱：無(wú)閥薄膜驅(qū)動(dòng)型微泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及薄膜驅(qū)動(dòng)型微泵，屬于微流體傳輸與控制、微機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微流體控制系統(tǒng)能精確檢測(cè)和控制每分鐘微升量級(jí)的流量，在藥物微量輸送、燃料微量噴射、細(xì)胞分離、集成電子元件冷卻以及微量化學(xué)分析等方面有著重要的應(yīng)用前景。微泵作為一個(gè)重要的微流體執(zhí)行器件，是微流體系統(tǒng)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。目前應(yīng)用較多的是薄膜驅(qū)動(dòng)型微泵，它的流量控制是通過(guò)驅(qū)動(dòng)膜的往復(fù)運(yùn)動(dòng)引起泵腔體的體積變化而實(shí)現(xiàn)的。驅(qū)動(dòng)膜的驅(qū)動(dòng)原理有壓電、靜電、電磁、熱氣動(dòng)、雙金屬效應(yīng)和形狀記憶效應(yīng)驅(qū)動(dòng)等。在使用以上驅(qū)動(dòng)方式的各類驅(qū)動(dòng)器中，壓電驅(qū)動(dòng)器因其響應(yīng)快、承載力高、能耗低和價(jià)格低等特點(diǎn)備受關(guān)注。薄膜驅(qū)動(dòng)型微泵根據(jù)其有無(wú)可動(dòng)閥片又可分為有閥微泵和無(wú)閥微泵。有閥微泵往往基于機(jī)械驅(qū)動(dòng)，原理簡(jiǎn)單，制造工藝成熟，易于控制，是目前應(yīng)用的主流；無(wú)閥微泵則利用流體在微尺寸下的新特性，原理新穎，更適于微型化，具有更大的發(fā)展前景。無(wú)論是有無(wú)可動(dòng)閥片，目前應(yīng)用的薄膜驅(qū)動(dòng)型微泵普遍采用單膜單腔結(jié)構(gòu)，由周期信號(hào)控制單腔容積的變化。假定，上半周期腔體容積增加，則微泵處于吸入狀態(tài)；反之，下半周期泵腔體容積減少，微泵處于泵出狀態(tài)。在一個(gè)工作周期中，微流體輸出只存在于下半周期中，泵出與吸入不能同時(shí)進(jìn)行。因此，存在周期性波動(dòng)和流量不穩(wěn)的情況，這很大限制了薄膜驅(qū)動(dòng)型微泵的推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種無(wú)閥薄膜驅(qū)動(dòng)型微泵，該微泵是一種單膜雙腔結(jié)構(gòu)，能有效地解決周期性波動(dòng)和流量不穩(wěn)的問(wèn)題，使輸出流量連續(xù)穩(wěn)定。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是在上泵體上開有上泵腔、錐形擴(kuò)散管、錐形收縮管、左側(cè)水孔及右側(cè)水孔，上泵腔通過(guò)擴(kuò)散管與左側(cè)水孔相連，通過(guò)收縮管與右側(cè)水孔相連，在上泵體的下面有下泵體，在下泵體上開有相應(yīng)的下泵腔、錐形擴(kuò)散管、錐形收縮管及相應(yīng)的左側(cè)水孔、右側(cè)水孔，下泵腔通過(guò)擴(kuò)散管與左側(cè)水孔相連，通過(guò)收縮管與右側(cè)水孔相連，上、下泵腔由基底膜與功能膜構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)膜隔離，兩個(gè)擴(kuò)散管與兩個(gè)收縮管的錐形角度均相等。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于1.由于本實(shí)用新型采用了單膜雙腔結(jié)構(gòu)，利用信號(hào)控制兩個(gè)腔體容積的變化，使兩個(gè)腔體容積變化得到實(shí)時(shí)互補(bǔ)，輸出流量連續(xù)穩(wěn)定，且具有結(jié)構(gòu)及工藝簡(jiǎn)單、響應(yīng)快、驅(qū)動(dòng)頻率寬、可控性強(qiáng)、能耗低、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。
2.本實(shí)用新型可采用微細(xì)加工和微機(jī)械技術(shù)相兼容的材料和工藝制造，具有體積小、成本低、容易和其它微檢測(cè)和微控制元件集成等特點(diǎn)，適應(yīng)于大批量生產(chǎn)。


圖1為本實(shí)用新型一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
圖2為圖1中A-A剖面圖。
圖3為圖1實(shí)施例的軸視圖。
圖4為本實(shí)用新型另一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
圖5為圖4中驅(qū)動(dòng)膜的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖1、圖2、圖3所示，在上泵體1上開有上泵腔4、錐形擴(kuò)散管3、錐形收縮管7、左側(cè)水孔2及右側(cè)水孔8，在上泵體1的基底膜5表面置有一層功能膜6，形成驅(qū)動(dòng)膜，該功能膜可以是壓電膜或磁電膜等。上泵腔4通過(guò)擴(kuò)散管3與水孔2相連，通過(guò)收縮管7與水孔8相連。在上泵體1的下面有下泵體13，在下泵體13上開有相應(yīng)的下泵腔11、錐形擴(kuò)散管12、錐形收縮管10及相應(yīng)的水孔2、水孔8，下泵腔11通過(guò)擴(kuò)散管12與水孔2相連，通過(guò)收縮管10與水孔8相連。上、下泵腔4、11由上述驅(qū)動(dòng)膜隔離。兩個(gè)擴(kuò)散管3、12，兩個(gè)收縮管7、10的錐形角度均相等。在上泵體1的上面置有封蓋9，其上開有相應(yīng)的左側(cè)水孔2及右側(cè)水孔8。
當(dāng)錐形擴(kuò)散管3、12，錐形收縮管7、12的錐形角度a為5°～12°之間時(shí)，該泵的輸出能力較大。
工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)膜在交變電信號(hào)的激勵(lì)下將發(fā)生近拋物球面狀變形，從而使泵腔的體積發(fā)生增大和減小的交替變化?，F(xiàn)將水孔2作進(jìn)水端、水孔8作出水端，當(dāng)上泵腔4容積減少ΔV，設(shè)上泵腔擴(kuò)張管3輸出流量為Q1、收縮管7輸出流量為Q2，由于擴(kuò)張管、收縮管在流體流向上呈錐形，根據(jù)收縮管、擴(kuò)張管管內(nèi)流體的流動(dòng)特性，Q2＞Q1，也即上泵腔4處于泵出狀態(tài)；同時(shí)，下泵腔11容積相應(yīng)增加ΔV，設(shè)下泵腔擴(kuò)張管12輸入流量為Q3、收縮管10輸入流量為Q4，根據(jù)收縮管、擴(kuò)張管管內(nèi)流體的流動(dòng)特性，Q3＞Q4，也即下泵腔11處于吸入狀態(tài)。在進(jìn)水孔2端，上泵腔擴(kuò)張管3實(shí)際起到流體收縮作用，下泵腔擴(kuò)張管12起到流體擴(kuò)張作用，Q3＞Q1，整泵在進(jìn)水孔2端處于吸入狀態(tài)。在出水孔8端，上泵腔收縮管7實(shí)際起到流體擴(kuò)張作用，下泵腔收縮管10起到流體收縮作用，Q2＞Q4，整泵在出水孔8端處于泵出狀態(tài)。由于上、下泵腔4、11對(duì)應(yīng)布置，上泵腔4容積增加時(shí)，根據(jù)以上分析過(guò)程同理可知，整泵在進(jìn)水孔2端仍處于吸入狀態(tài)、在出水孔8端處于泵出狀態(tài)。因此，在一個(gè)工作周期中，微泵實(shí)現(xiàn)了流體的連續(xù)吸入和泵出。微泵流量大小由交變電信號(hào)的幅度和頻率控制。同時(shí)，本實(shí)用新型使用化學(xué)性能穩(wěn)定、絕緣性能良好的光敏聚酰亞胺薄膜作為電隔離層，提高了微泵的可靠性和壽命。
本實(shí)用新型的主要技術(shù)指標(biāo)可達(dá)到外形尺寸為8mm×8mm×1.5mm(長(zhǎng)×寬×高)，腔體尺寸為5mm×0.3mm(直徑×高)，壓電薄膜尺寸為3mm×3mm×40μm；流量在0.5-100μL、min連續(xù)可調(diào)；最高泵壓為2.6Kpa。
結(jié)合圖1對(duì)本實(shí)用新型的具體工藝流程作一定敘述。該微泵可由3層硅(玻璃)結(jié)構(gòu)經(jīng)硅(玻)-硅(玻)鍵合工藝組合而成，分別為上泵體、下泵體及封蓋。首先使用厚膜制備工藝在上泵體的Si基下表面直接沉積一層約40μm的壓電膜，在壓電膜的背面使用深度反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)刻蝕出上泵腔體，進(jìn)水孔，出水孔，收縮管，擴(kuò)張管?？涛g上泵腔體時(shí)，刻蝕至Si膜厚度約為100μm。下泵體的制作工藝除了無(wú)壓電薄膜的制備，其余與上泵體相同。封蓋的制作相對(duì)較為簡(jiǎn)單，只需刻蝕出相應(yīng)的進(jìn)、出水孔即可。三層結(jié)構(gòu)采用硅(玻)-硅(玻)直接鍵合工藝鍵合在一起就組成了整泵。整個(gè)加工過(guò)程十分簡(jiǎn)單，適宜于批量生產(chǎn)。
本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)還可如圖4、圖5所示，由上泵體16，下泵體13及驅(qū)動(dòng)膜組成，驅(qū)動(dòng)膜由基底膜15及功能膜14構(gòu)成，固定于上泵體16與下泵體13之間。
顯然，本實(shí)用新型不僅適用于壓電微泵，且可應(yīng)用于其它的薄膜驅(qū)動(dòng)微泵，如SMA薄膜驅(qū)動(dòng)微泵、磁力薄膜驅(qū)動(dòng)微泵、雙金屬熱驅(qū)動(dòng)微泵、熱氣驅(qū)動(dòng)微泵等。
權(quán)利要求1.一種無(wú)閥薄膜驅(qū)動(dòng)型微泵，其特征在于在上泵體(1)上開有上泵腔(4)、錐形擴(kuò)散管(3)、錐形收縮管(7)、左側(cè)水孔(2)及右側(cè)水孔(8)，上泵腔(4)通過(guò)擴(kuò)散管(3)與左側(cè)水孔(2)相連，通過(guò)收縮管(7)與右側(cè)水孔(8)相連，在上泵體(1)的下面有下泵體(13)，在下泵體(13)上開有相應(yīng)的下泵腔(11)、錐形擴(kuò)散管(12)、錐形收縮管(10)及相應(yīng)的左側(cè)水孔(2)、右側(cè)水孔(8)，下泵腔(11)通過(guò)擴(kuò)散管(12)與左側(cè)水孔(2)相連，通過(guò)收縮管(10)與右側(cè)水孔(8)相連，上、下泵腔(4)、(11)由基底膜(5)與功能膜(6)構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)膜隔離，兩個(gè)擴(kuò)散管(3)、(12)與兩個(gè)收縮管(7)、(10)的錐形角度均相等。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)閥薄膜驅(qū)動(dòng)型微泵，其特征在于在上泵體(1)的上面置有封蓋(9)，其上開有相應(yīng)的左側(cè)水孔(2)及右側(cè)水孔(8)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無(wú)閥薄膜驅(qū)動(dòng)型微泵，其特征在于錐形擴(kuò)散管(3)、(12)，錐形收縮管(7)、(10)的錐形角度a為5°～12°。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種無(wú)閥薄膜驅(qū)動(dòng)型微泵，該微泵是一種單膜雙腔結(jié)構(gòu)，雙腔中間由基底膜與功能膜構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)膜完全隔離，每個(gè)泵腔通過(guò)各自的錐形擴(kuò)散管與進(jìn)水孔相連，通過(guò)各自的錐形收縮管與出水孔相連。本實(shí)用新型采用單膜雙腔結(jié)構(gòu)，利用信號(hào)控制兩個(gè)腔體容積的變化，使兩個(gè)腔體容積變化得到實(shí)時(shí)互補(bǔ)，輸出流量穩(wěn)定，且具有結(jié)構(gòu)及制備工藝簡(jiǎn)單、響應(yīng)快、驅(qū)動(dòng)頻率寬、可控性強(qiáng)、能耗低、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。此外，本實(shí)用新型可采用微細(xì)加工和微機(jī)械技術(shù)相兼容的材料和工藝制造，具有體積小、成本低、容易和其它微檢測(cè)和微控制元件集成等特點(diǎn)，適應(yīng)于大批量生產(chǎn)，具有可觀的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)F04B43/04GK2623906SQ03241229
公開日2004年7月7日 申請(qǐng)日期2003年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月11日
發(fā)明者于軍, 王耘波, 徐靜平, 劉鋒, 高俊雄, 劉剛, 周文利, 謝基凡 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)