專利名稱：水凝膠致動式微型泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于一種微型泵，具體尤指一種水凝膠致動式微型泵。
微型泵的開發(fā)經(jīng)歷各種不同的新材料、新加工技術(shù)及不同應(yīng)用實驗，微型泵的致動型態(tài)已經(jīng)非常多樣化，其主要包含有電磁式、靜電式、壓電式、形狀記憶合金、雙金屬等微型泵，各具有其優(yōu)劣特點，請參考表1。
表1

一般而言，不同型態(tài)的微型泵總有其限制或缺點，較困擾者有操作電壓較高、可攜性較差(例如電磁式、靜電式、熱驅(qū)式)，效能差、較耗能源以及不易與系統(tǒng)整合；操作電壓較高則電源供應(yīng)系統(tǒng)較復(fù)雜，可攜性較差，也不易與控制、感測系統(tǒng)整合；效能差、較耗能源則連續(xù)使用受限制，應(yīng)用也受限制。
本實用新型的另一目的，是要公開一種利用水凝膠脹縮效果為致動微型泵的方法，由于水凝膠脹縮效果所產(chǎn)生的體積變化而致動微型泵的隔膜，而達(dá)到驅(qū)動流體腔室內(nèi)流體的效果。
本實用新型的再一目的，是要公開一種以電泳方法使水凝膠體積發(fā)生脹縮效果而致動微型泵，電泳液由于電場作用而流向一端，使水凝膠的含液量產(chǎn)生變化，而致使水凝膠體積發(fā)生脹縮效果，具有低操作電壓、低耗電的特性。
本實用新型的又一目的，是要公開一種以體型微機(jī)械加工制程生產(chǎn)微型泵，利用體型微機(jī)械加工(bulk micromaching)制程分別制做微型泵的各部元件，再與隔膜、水凝膠體等組合成微型泵流體腔室，具有良好的系統(tǒng)整合性。
本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的一種水凝膠致動式微型泵，其特征在于，包含有二流體腔室；及一流體腔室通道，連通該二流體腔室；及第一層板及第二層板，是在對應(yīng)于該流體腔室處各設(shè)一容置空間，該二容置空間之間形成高度略為向內(nèi)陷縮的鞍部，并于該容置空間的底面各設(shè)一電極；一中間層板，置于該第一層板及該第二層板之間，在靠近二端各設(shè)一腔室空間，該二腔室空間之間形成一分隔；及其中該中間層板置于第一層板及第二層板之間并組合成微型泵本體，各層板之間并以隔膜分隔，該隔膜與第一層板第二層板及結(jié)構(gòu)材之間形成一容置空間，該隔膜與第一層板及第二層板的鞍部之間形成電泳液通道，該隔膜與中間層板之間形成流體腔室，該隔膜與中間層板的分隔形成流體腔室通道，該第一層板對應(yīng)于該流體腔室開孔處設(shè)有一通孔，可洪流體進(jìn)出。
該微型泵構(gòu)件是利用體型微機(jī)械加工制程所制作的。
該第一層板及該第二層板是以玻璃晶片利用體型微機(jī)械加工制程所制作的。
該中間層板是以矽晶片利用體型微機(jī)械加工制程所制作的。
該隔膜是聚合物材料矽膠膜或聚發(fā)亞胺膜。
該電極是白金電極。
該電泳液包含有磷酸鹽溶液。
該水凝膠是丙烯發(fā)胺一丙烯酸共聚合水凝膠。
該第一層板及第二層板之間形成水凝膠體及電泳液的容置空間。
該中間層板、分隔板、結(jié)構(gòu)材，電極及第二層板，可用一設(shè)有凹室的層板取代。
本實用新型的工作原理是利用水凝膠脹縮效果為致動方法的微型泵，其驅(qū)動流體腔室內(nèi)流體的效果是由于水凝膠脹縮效果所產(chǎn)生的體積變化致動微型泵的隔膜而達(dá)到的。該水凝膠脹縮效果是利用電泳方法使電泳液由于電場作用而流向一端，使水凝膠的含液量產(chǎn)生變化，而使水凝膠體積發(fā)生脹縮而達(dá)到的。該水凝膠是丙烯發(fā)胺—丙烯酸共聚合水凝膠。其中產(chǎn)生電泳電場的操作電壓不大于10伏特。該電泳液包含有磷酸鹽。
本實用新型的積極效果是本實用新型所公開的一種低操作電壓、低耗電及易與系統(tǒng)整合等特性的微型泵，很明顯的，其符合微型泵的趨勢是朝著低操作電壓、低耗電、可攜性高、易與系統(tǒng)整合、安全性高的方向發(fā)展。
本實用新型的水凝膠(hydrogel)致動式微型泵，利用水凝膠脹縮效果為致動微型泵的方法，由于水凝膠脹縮效果所產(chǎn)生的體積變化而致動微型泵的隔膜，而達(dá)到驅(qū)動流體腔室內(nèi)流體的效果。
本實用新型的水凝膠致動式微型泵，以電泳(electrophoresis)方法使水凝膠體積發(fā)生脹縮效果而致動微型泵，電泳液由于電場作用而流向一端，使水凝膠的含液量產(chǎn)生變化，而致使水凝膠體積發(fā)生脹縮效果，電泳系一項成熟的技術(shù)，被應(yīng)用于分離、分析帶電荷的物質(zhì)(例如蛋白質(zhì))，其操作原本須要求數(shù)百伏特以上電壓，但因為微型泵的微型化效果，使得電泳的正負(fù)電極間的距離縮小，因而降低電泳的操作電壓、同時也縮短響應(yīng)時間，本實用新型以電泳原理操作微型泵而具有低操作電壓、低耗電的優(yōu)異效果。
本實用新型的水凝膠致動式微型泵，以微機(jī)械加工制程(MEMS)生產(chǎn)微型泵，微機(jī)械加工制程在概念上是結(jié)合半導(dǎo)體制程技術(shù)與精密機(jī)械技術(shù)，來制造微小元件及功能整合的微系統(tǒng)，微機(jī)械加工制程的優(yōu)點有一、批量制造，在同一矽晶片上，可以一次完成數(shù)千個或數(shù)百個機(jī)械元件，可降低生產(chǎn)成本；二、可以制作出相當(dāng)小且精確的機(jī)械元件；三、制作機(jī)械元件的同時也可制作電子元件，也就是說機(jī)械元件與電子元件可整合在同一矽晶片上本實用新型利用體型微機(jī)械加工制程分別制做微型泵的各部元件，所以容易與同為微機(jī)械加工制程生產(chǎn)的微閥、微流量計、微流道、微混合器等系統(tǒng)整合。
結(jié)構(gòu)材24 容置空間231、32電泳液通道33 電極41、42玻璃晶片80白金鍍膜81第一光阻層82 第二光阻層83SiO2膜84 鍍氨化矽遮敝層101、102、103矽膠膜104 鞍部211、221通孔212、213 二端231、232分隔板233
電泳的操作電壓一般皆設(shè)定在數(shù)百伏特(V)，此是因為利用電泳分離帶電荷物質(zhì)時，為求分離效果所以正負(fù)電極之間需有足夠的移動的距離，一般電泳(如血清蛋白電泳)皆數(shù)公分至數(shù)十公分以上。
操作電泳時在電泳液兩端加上一電場，陽離子會流向負(fù)電壓，此時移動的帶電物質(zhì)會牽動電泳液中的溶劑一起移動，流體移動的流速可以用方程式(1)表示v=ϵξE4πη]]>方程式(1)其中v表示溶劑的泳動速度，ε表示流體的電性常數(shù)，ξ表示電動電勢，E表示電場強(qiáng)度，η表示溶劑的黏度，因此可以從方程式(1)中看出溶劑的流速與電場強(qiáng)度成正比關(guān)系，因此，若將電泳的距離縮短至數(shù)十微米(micrometer)，也就是一般電泳的距離的1/1000，則所須的操作電壓可大幅調(diào)降，其電極之間仍可維持高電場，據(jù)公式預(yù)估在數(shù)百毫伏特(mV)的操作電壓下，電荷粒子在1秒甚至幾個ms內(nèi)即可從一電極移至另一電極，若提高操作電壓則縮短電泳液的移動時間。其中電泳液包含磷酸鹽，因此水凝膠的高膨脹速率，及高電泳速率下，微型泵的作動頻率會提高，并可驅(qū)動大量流體流動，根本凝膠膨脹擠壓腔室體積，膨脹頻率與電泳速率，預(yù)測流量為1000ml/min以上。
參考


圖1、圖2，本實用新型以水凝膠致動式微型泵，其中微型泵構(gòu)件系利用體型微機(jī)械加工制程所制作，包含有二流體腔室11、12；一流體腔室通道13，連通二流體腔室；第一層板21及第二層板22，系以玻璃晶片為基板利用體型微機(jī)械加工制程所制做，于對應(yīng)于流體腔室的處各設(shè)一容置空間31、32，該二容置空間之間形成高度略為向內(nèi)陷縮的鞍部211、221，并于容置空的底面各設(shè)一電極41、42；一中間層板23，置于第一層板及第二層板之間，系以矽晶片利用體型微機(jī)械加工制程所制做，在靠近二端231、232各設(shè)一腔室空間11、12，該二腔室空間之間形成一分隔板233；其中中間層板23置于第一層板21及第二層板22之間并組合成微型泵本體，各層板之間并以隔膜5分隔，隔膜5與第一層板21、第二層板22及結(jié)構(gòu)材24之間形成水凝膠體及電泳液的容置空間31、32，隔膜5與第一層板及第二層板的鞍部211、221之間形成電泳液通道33，隔膜5與中間層板23與之間形成流體腔室11、12，隔膜5與中間層板的分隔233形成流體腔室通道13，第一層板21對應(yīng)于流體腔室開孔處設(shè)有一通孔212、213，可供流體進(jìn)出。其中結(jié)構(gòu)材24，可為一種沈積材(SiO2或Si3N4)或一種光阻材料(例如原膜光阻結(jié)構(gòu)SU8)。
其中流體腔室亦可以同時形成二個以上流體腔室的組合，各流體腔室之間亦皆各以一腔室通道來連通。
另一種水凝膠致動式泵，為上述
圖1的微型泵的下半部省略中間層板23、分隔板233，結(jié)構(gòu)材24、電極41、42及第二層板22，直接在流體腔室11、12下方設(shè)置一凹室的一層板取代。
其中電極41、42可選用白金鍍膜；水凝膠體可選用丙烯發(fā)胺一丙烯酸共聚合水凝膠(poly(acrvlamlde-co-acrylic acid)hgdrogels)，其吸水—體積變化的反應(yīng)時間較快電泳液可選用磷酸鹽溶液；隔膜5材料可選自矽膠膜、聚發(fā)亞胺膜等聚合物材料，矽膠膜具有優(yōu)良的伸縮性和生化安定性，聚發(fā)亞胺膜具有優(yōu)良的化學(xué)與熱學(xué)特性。
本實用新型的水凝膠致動式微型泵，系利用水凝膠脹縮效果為致動方法的微型泵，由于水凝膠脹縮效果所產(chǎn)生的體積變化而致動微型泵的隔膜，而達(dá)到驅(qū)動流體腔室內(nèi)流體的效果，其中水凝膠脹縮效果系利用電泳方法使電泳液由于電場作用而流向一端，使水凝膠的含液量產(chǎn)生變化，而使水凝膠體積發(fā)生脹縮效果。
為說明本實用新型的水凝膠致動式微型泵的操作，請參考
圖1，分別于電極41按正電源及電極42接負(fù)電源，則電泳液的容置空間31的電泳液經(jīng)由通到33流向容置空間32，容置空間31內(nèi)水凝膠因其含水量相對減少，因而水凝膠的體積收縮，并牽引隔膜5向內(nèi)縮，流體腔室11的空間擴(kuò)大，流體由通孔212流入流體腔室11，相反的，容置空間32內(nèi)水凝膠因其含水量相對增加，因而水凝膠的體積膨脹，并擠壓隔膜5向外，流體腔室12的空間縮小。
流體腔室12的流體由通孔213被壓出，其結(jié)果是微型泵外的流體由通孔212流入，同時，微型泵內(nèi)的流體由通孔213排出。
參考圖2，將電源的正負(fù)極對調(diào)，亦即，分別于電極41接負(fù)電源及電極42按正電源，則電泳液的容置空間32的電永液經(jīng)由通道33流向容置空間31，容置空間32內(nèi)水凝膠因其含水量相對減少，因而水凝膠的體積收縮，并牽引隔膜5向內(nèi)縮，流體腔室12的空間擴(kuò)大，相反的，容置空間31內(nèi)水凝膠因其含水量相對增加，因而水凝膠的體積膨脹，并擠壓隔膜5向外，流體腔室11的空間縮小。
其結(jié)果是流體腔室11的流體經(jīng)由流體腔室通道13而流入流體腔室12。
接下來，順序重復(fù)上述步驟，其結(jié)果是流體腔室11的空間擴(kuò)大，微型泵外的流體由通孔212流入微型泵的流體腔室11，然后，流體腔室11的空間縮小而流體腔室12的空間擴(kuò)大，流體腔室11的流體經(jīng)由流體腔室通道13而流入流體腔室12，然后，流體腔室12的空間縮小，微型泵內(nèi)的流體由通孔213排出。
本實用新型的水凝膠致動式微電機(jī)具有雙向流動工作方式，結(jié)合其他微閥(microvalve)系統(tǒng)，利用止閥的組合亦可使流體以相反方向流動，亦本微型泵即具備雙向驅(qū)動潛力。亦可與其他微元件，如微感應(yīng)器、微導(dǎo)管等，整合構(gòu)成完整的微系統(tǒng)。
微機(jī)械加工制程在概念上是結(jié)合半導(dǎo)體制程技術(shù)與精密機(jī)械技術(shù)，來制造微小元件及功能整合的微系統(tǒng)，其中體型微機(jī)械加工制程(bulk micromaching)已成功地被運(yùn)用在許多微元件的生產(chǎn)。本實用新型以水凝膠致動式微型泵，微型泵構(gòu)件系利用體型微機(jī)械加工制程所制作，制作組合微型泵的第一層板21及第二層板22，請參考圖3，其步驟包含有1.于晶片玻璃(glass wafer)80二端的表面鍍一層白金膜81作為電極，二白金鍍膜不相連接；2.利用厚膜光阻SU8于玻璃晶片上形成一厚度的第一光阻層82；3.利用厚膜光阻SU8于部份第一光阻層82上形成一厚度的第二光阻層83，并形成水凝膠的容置空間；4.成形SiO2膜84，蝕穿形成通孔。
制作組合微型泵的中間層板，請參考圖4，其步驟包含有1.選取矽晶片斷((100)Si wafer)為基板；
2.于矽晶片的二端鍍氮化矽遮敝層101，形成蝕刻窗口；3.以鹼液作非等向性蝕刻，一定深度時中斷蝕刻；4.于中段鍍氮化矽遮敝層102；5.于二端鍍氮化矽遮敝層103；6.以鹼液作非等向性蝕刻，對矽晶片(100)面蝕穿洞及形成斜面(111)；7.以矽膠膜104密合，形成流體腔室空間。
權(quán)利要求1.一種水凝膠致動式微型泵，其特征在于，包含有二流體腔室；及一流體腔室通道，連通該二流體腔室；及第一層板及第二層板，是在對應(yīng)于該流體腔室處各設(shè)一容置空間，該二容置空間之間形成高度略為向內(nèi)陷縮的鞍部，并于該容置空間的底面各設(shè)一電極；及一中間層板，置于該第一層板及該第二層板之間，在靠近二端各設(shè)一腔室空間，該二腔室空間之間形成一分隔；及其中該中間層板置于第一層板及第二層板之間并組合成微型泵本體，各層板之間并以隔膜分隔，該隔膜與第一層板第二層板及結(jié)構(gòu)材之間形成一容置空間，該隔膜與第一層板及第二層板的鞍部之間形成電泳液通道，該隔膜與中間層板之間形成流體腔室，該隔膜與中間層板的分隔形成流體腔室通道，該第一層板對應(yīng)于該流體腔室開孔處設(shè)有一通孔，可供流體進(jìn)出。
2.如權(quán)利要求1所述水凝膠致動式微型泵，其特征在于，該微型泵構(gòu)件是利用體型微機(jī)械加工制程所制作的。
3.如權(quán)利要求1所述水凝膠致動式微型泵，其特征在于，該第一層板及該第二層板是由玻璃晶片利用體型微機(jī)械加工制程所制作的。
4.如權(quán)利要求1所述水凝膠致動式微型泵，其特征在于，該中間層板是由矽晶片利用體型微機(jī)械加工制程所制作的。
5.如權(quán)利要求1所述水凝膠致動式微型泵，其特征在于，該隔膜是聚合物材料矽膠膜或聚發(fā)亞胺膜。
6.如權(quán)利要求1所述水凝膠致動式微型泵，其特征在于，該電極是白金電極。
7.如權(quán)利要求1所述水凝膠致動式微型泵，其特征在于，該電泳液包含有磷酸鹽溶液。
8.如權(quán)利要求1所述水凝膠致動式微型泵，其特征在于，該水凝膠是丙烯發(fā)胺—丙烯酸共聚合水凝膠。
9.如權(quán)利要求1所述水凝膠致動式微型泵，其特征在于，該第一層板及第二層板之間形成水凝膠體及電泳液的容置空間。
10.如權(quán)利要求1所述水凝膠致動式微型泵，其特征在于，該中間層板、分隔板、結(jié)構(gòu)材，電極及第二層板，可用一設(shè)有凹室的層板取代。
專利摘要一種水凝膠致動式微型泵，是利用水凝膠脹縮效果所產(chǎn)生的體積變化致動微型泵的隔膜，而達(dá)到驅(qū)動流體腔室內(nèi)流體的效果。包含二流體腔室；及一流體腔室通道；及第一層板及第二層板；在所設(shè)容置空間底面各設(shè)一電極；及一中間層板，系以矽晶片利用體型微機(jī)械加工制程所制做，在靠近二端各設(shè)一腔室空間；其中間層板置于第一層板及第二層板之間并組合成微型泵本體；各層板之間并以隔膜分隔，分別形成水凝膠體及電泳液的容置空間、電泳液通道、流體腔室及流體腔室通道；第一層板對應(yīng)于流體腔室開孔處設(shè)有一通孔，可供液體進(jìn)出。提供了一種低操作電壓、低耗電的微型泵，并增進(jìn)其可攜性、安全性與系統(tǒng)整合性。
文檔編號F04B43/04GK2558784SQ0223453
公開日2003年7月2日 申請日期2002年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月8日
發(fā)明者莊世偉, 梁佩芳, 范光錢, 陳威宏 申請人:財團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院