CN101259949A - 气泡式微泵与应用其的装置 - Google Patents

Abstract

一种气泡式微泵，包括第一部件、第二部件与气泡产生单元。第一部件具有流道，流道上具有至少一第一区域与一第二区域。第二部件设置于第一部件上，且第二部件的表面对应于第一区域为具有第一粗糙因子的粗糙表面，而对应于第二区域为具有第二粗糙因子的粗糙表面，其中，第一粗糙因子实质上大于第二粗糙因子。气泡产生单元设置于第一部件上，其可于第一部件与第二部件之间填满液体时，于第一区域与第二区域产生气泡。当气泡产生单元产生的气泡开始散失时，由于第一粗糙因子与第二粗糙因子的差异，使第一区域的液体回填速度大于第二区域的液体回填速度，由此带动液体流动。气泡式微泵的构造简易，仅利用一般微机电工艺即可制造出具有表面粗糙梯度的部件，成本非常低。

Description

气泡式微泵与应用其的装置

技术领域

本发明涉及一种气泡式微泵，尤其涉及一种低耗能的气泡式微泵与应用其的双向流体驱动装置、微粒分类装置、流体混合装置、环形流体混合装置与复合型流体混合装置。

背景技术

目前微机电领域中，微泵可以区分为两大类：第一类泵是属于机械推动的方式，包括气泡式泵(bubble pump)、薄膜泵(membranepump)、扩散泵(diffuser pump)等，这些泵驱动驱动流体的原理不外乎是利用其本身的机械组件来达到推动流体的目的。前述的泵共有的特点是都具有叶片的构造，且其本身的组件必须能够动作。由于微流系统中，若是架构复杂的机械组件，这些相关的机械组件必须能够达到尺寸非常微细的要求，在技术上具有非常多的限制。

另一类泵则是利用感应电场来驱动液体，包括电渗泵(electro-osmotic pump)、电泳泵(electrophoretic pump)与电湿泵(electro-wetting pump)等。此类泵的特色是以固定的电极构造，于施加电压后产生电场来推动流体。但是，此类型的泵需要以复杂的电信号控制，并在微流系统中装设传感器等装置以检测流体的特性，其也具有非常多与制造技术相关的限制。

发明内容

本发明涉及一种气泡式微泵与应用其的双向流体驱动装置、微粒分类装置、流体混合装置、环形流体混合装置与复合型流体混合装置。利用于具有表面粗糙度设计的部件配合气泡的生灭步骤，使液体回填的速度因表面粗糙度的差异而有所不同，进而推动液体流动。

本发明提供一种气泡式微泵，此装置包括第一部件、第二部件与气泡产生单元。第一部件具有流道，流道上具有至少一第区域与第二区域。第二部件设置于第一部件上，且第二部件的表面对应于第一区域为具有第一粗糙因子的粗糙表面，而对应于第二区域为具有第二粗糙因子的粗糙表面，其中，第一粗糙因子大于第二粗糙因子。气泡产生单元设置于第一部件上，其可在第一部件与第二部件之间填满液体时，在第一区域与第二区域产生气泡。当气泡产生单元产生的气泡开始散失时，由于第一粗糙因子与第二粗糙因子的差异，使第一区域的液体回填速度大于第二区域的液体回填速度，由此以带动液体流动。

根据本发明的气泡式微泵，其中第一粗糙因子和第二粗糙因子中的至少一个为沿液体流动方向上逐次递增或逐次递减。

根据本发明的气泡式微泵，其中第二部件对应于第一区域和第二区域中的至少一个的粗糙表面由多个柱状元件所形成。柱状元件在流道上不同区域内的截面积实质上不相同。柱状元件各由一可调式的薄膜所形成，其中通过调控薄膜的变形量以改变薄膜的弧度。第二部件的表面上具有凹槽，柱状元件设置在凹槽内。第一部件与第二部件在凹槽处构成至少一排气孔，用以使气泡产生单元产生的气体排出。

根据本发明的气泡式微泵，其中第二部件还包括流体入口与流体出口，分别对应于第一区域与第二区域的两侧。

根据本发明的气泡式微泵，其中气泡产生单元包括至少一电极组，设置于第一部件上，该电极组包括：第一电极，对应第一区域设置；及第二电极，对应第二区域设置，且第二电极与第一电极的极性相反。

根据本发明的气泡式微泵，其中第一部件的流道的材质包括亲水材料。

根据本发明的气泡式微泵，其中第二部件的材质包括疏水材料。

本发明并提供一种双向流体驱动装置，此装置包括第一主流道、第二主流道、第一驱动部、第二驱动部与控制单元。第一主流道与第二主流道交错设置并构成共同流道区。第一驱动部包括至少一个前述的气泡式微泵，其设置于第一主流道上，并邻近共同流道区。第二驱动部也包括至少一个前述的气泡式微泵，设置于第二主流道上，并邻近于共同流道区。控制单元分别与第一驱动部及第二驱动部的气泡式微泵电性连接。当控制单元驱动第一驱动部动作时，第一驱动部推动第一主流道上的液体流动。而当控制单元驱动第二驱动部动作时，第二驱动部推动第二主流道上的液体流动。

根据本发明的双向流体驱动装置，其中：第一驱动部包括二个根据本发明的气泡式微泵，位于共同流道区的两对侧；第二驱动部包括二个根据本发明的气泡式微泵，位于共同流道区的另外两对侧。第一主流道实质上垂直于第二主流道。

本发明还提供一种微粒分类装置，此装置包括主流道、驱动部、分流部、检测单元与控制单元。驱动部设置于主流道的前段。分流部包括第一支流道，连接于主流道的后段，且于第一支流道上设置有一前述的气泡式微泵。检测单元设置于主流道上，并位于驱动部与分流部之间。控制单元电性连接驱动部及分流部的气泡式微泵与检测单元。当驱动部动作以推动主流道中的带有粒子的液体移动，并使粒子流经检测单元以完成粒子的辨识后，检测单元传送信号至控制单元以驱动分流部的气泡式微泵动作，由此使粒子随液体流入第一支流道中。

根据本发明的微粒分类装置，其中分流部还包括第二支流道，第二支流道上设置有根据本发明的气泡式微泵。

根据本发明的微粒分类装置，驱动部包括有至少一个根据本发明的气泡式微泵，设置于主流道的一侧，气泡式微泵电性连接控制单元。

根据本发明的微粒分类装置，其中检测单元包括光传感器或电传感器。

本发明还提供一种流体混合装置，此装置包括混合腔、第一驱动部、第二驱动部与控制单元。混合腔具有入口流道与出口流道。第一驱动部包括至少一前述的气泡式微泵，设置于入口流道上。第二驱动部包括至少一前述的气泡式微泵，设置于出口流道上。控制单元电性连接第一驱动部与第二驱动部的气泡式微泵。当控制单元驱动第一驱动部，以导引至少二种液体进入混合腔后，控制单元可以交替驱动第二驱动部与第一驱动部动作，以反复导引前述二种流体由入口流道与出口流道进出混合腔，由此以混合二种液体。

根据本发明的流体混合装置，其中混合腔的材质包括透明材料。

本发明还提供一种环形流体混合装置，此装置包括环形主流道、二个第一支流道、二个第二支流道、第一驱动部、第二驱动部与控制单元。第一支流道与第二支流道都连接于环形主流道，而第二支流道位于二个第一支流道之间。第一驱动部包括二个前述的气泡式微泵，设置于环形主流道上，并分别邻近一个第一支流道。第二驱动部包括二个前述的气泡式微泵，设置于环形主流道上，并分别邻近一个第二支流道。控制单元电性连接第一驱动部与第二驱动部的气泡式微泵。当不同的液体由第一支流道与第二支流道引入环形主流道后，控制单元可交替驱动第一驱动部与第二驱动部，使不同的液体于环形主流道中混合。

根据本发明的环形流体混合装置，其中第一驱动部与第二驱动部的气泡式微泵实质上相隔90度设置。

本发明还提供一种复合型流体混合装置，此装置包括第一流道组件、第二流道组件与控制单元。第一流道组件包括环形主流道、至少一出口流道与一入口流道、第一驱动部与第二驱动部。出口流道与入口流道连接环形主流道。第一驱动部设置于环形主流道与入口流道的交接处，而第二驱动部则设置于环形主流道与出口流道的交接处。第一驱动部与第二驱动部各包括至少一个前述的气泡式微泵。第二流道组件设置于第一流道组件的上方，并包括直流道与第三驱动部，其中直流道与环形主流道连通。第三驱动部包括至少二个前述的气泡式微泵，分别位于直流道与环形主流道连通处的二个对侧。控制单元分别电性连接第一驱动部、第二驱动部与第三驱动部的气泡式微泵。当控制单元驱动第一驱动部以导引液体由入口流道进入环形主流道，并驱动第三驱动部导引另一液体由直流道的两侧进入环形主流道后，控制单元可交替驱动第一驱动部与第二驱动部，以前述的二种液体于环形主流道中混合，并在第二驱动部的动作下，使混合后的液体由出口流道离开环形主流道。

根据本发明的复合型流体混合装置，其中第一流道组件包括二个入口流道与二个出口流道。

根据本发明的复合型流体混合装置，其中入口流道与出口流道实质上相隔90度设置。

根据本发明的复合型流体混合装置，其中第一驱动部与第二驱动部各包括二个根据本发明的气泡式微泵，设置于环形主流道与入口流道及出口流道的交接处。

气泡式微泵的构造简易，仅利用一般微机电工艺即可制造出具有表面粗糙梯度的部件，成本非常低。本发明的气泡式微泵可广泛地运用在生物医学领域、微燃料电池等的微流系统中。

为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：

附图说明

图1示出依照本发明实施例一的气泡式微泵的示意图。

图2A示出图1气泡式微泵的第一部件的示意图。

图2B示出图1气泡式微泵的第二部件的第一示意图。

图3A～3B示出图1气泡式微泵的第二部件的第二示意图。

图4A示出Cassie-Baxter理论所推测出的粗糙因子ψ与接触角θ的关系图。

图4B示出粗糙因子与液体压力的关系图。

图5A示出图1的气泡式微泵的剖视图。

图5B～5D示出图4B的气泡式微泵在动作时的连续示意图。

图6示出图5A的气泡式微泵试验结果的频率、电压与流速的关系图。

图7A～7B示出图2B的柱状元件由薄膜组成的示意图。

图8示出依照本发明实施例二的双向流体驱动装置的示意图。

图9A～9B分别示出图8双向流体驱动装置的下部件的第一、第二示意图。

图10A～10B分别示出图8双向流体驱动装置的上部件的第一、第二示意图。

图11示出依照本发明实施例三的微粒分类装置的第一示意图。

图12示出依照本发明实施例三的微粒分类装置的第二示意图。

图13示出依照本发明实施例四的流体混合装置的示意图。

图14示出依照本发明实施例五的环形流体混合装置的示意图。

图15A示出依照本发明实施例六的复合型流体混合装置的俯视图。

图15B示出图15A复合型流体混合装置的侧视图。

具体实施方式

实施例一

请参照图1，其示出依照本发明实施例一的气泡式微泵的示意图。如图1所示，气泡式微泵1包括第一部件110、第二部件120与气泡产生单元130，第二部件120设置于第一部件110之上，而气泡产生单元130则设置于第一部件110上，并可于第一部件110与第二部件120间填满液体时，于第一部件110与第二部件120之间产生气体。请再参照图2A～2B，图2A示出图1气泡式微泵的第一部件的示意图，图2B示出图1气泡式微泵的第二部件的第一示意图。如图2A所示，第一部件110具有流道115，此流道115上具有至少一第一区域I与一第二区域II。优选地，气体产生单元130同时设置于第一部件110的第一区域I与第二区域II上。第一部件110的流道115的材质优选地为亲水材料，例如是玻璃、二氧化硅等材料，其可经由光刻的步骤形成流道150。

气泡产生单元130包括电极组，设置于第一部件110上，并具有第一电极131与第二电极133。其中，第一电极131对应于第一区域I设置，而第二电极133对应于第二区域II设置。第一电极131与第二电极133分别与驱动电源(未示出)的正负极相连接，使二者的极性相反。电极组的材质则例如是金、铂等惰性金属，较不易参与反应。

如图2B所示，第二部件120的表面对应于前述第一部件110的第一区域I为具有第一粗糙因子ψ₁的粗糙表面，而第二部件120的表面于对应第二区域为具有第二粗糙因子ψ₂的粗糙表面，第一粗糙因子ψ₁大于第二粗糙因子ψ₂。当气体产生单元130所产生的气泡开始散失时，由于第一粗糙因子ψ₁与第二粗糙因子ψ₂的差异，使第一区域I的液体回填速度大于第二区域II的液体回填速度，因而带动液体流动。

另外，第二部件120上具有流体入口121与流体出口123，对应于第一区域I与第二区域II的两侧。当第一部件110与第二部件120组装后，液体由流体入口121进入第一部件110与第二部件120之间，并流经第一部件110的流道150，再由流体出口123离开。第二部件120的材质优选为疏水材料，其例如是光阻或高分子材料，如光阻胶(SU8)或聚二甲基硅氧烷(PDMS)。第二部件120的表面上具有凹槽125，柱状元件设置于凹槽125内。柱状元件组成的微柱状结构可以是微机电制造中常见的厚膜材料(如前述的SU8和PDMS)，同样经由光刻等步骤而制作完成。

当第一部件110与第二部件120密合后，于第二部件120的凹槽处(125)会构成一侧向的排气孔。由于第二部件120是疏水材料，优选地，若是在第一部件110于流道115两侧的表面上也涂布疏水材料(例如是铁弗龙)，则可避免流道115上的液体由排气孔泄漏。当第一部件110与第二部件120之间充满液体时，气泡产生单元130会通过电解液体以制造出气泡，由于前述的疏水设计，此时仅有气泡会由排气孔排出，而液体仍会保持在流道115内。

关于第二部件120表面的第一粗糙因子ψ₁与第二粗糙因子ψ₂的定义，是基于发表在电气与电子工程师学会期刊(IEEE，pp694-697，30 Jan～3 Feb 2005，Ashutosh Shastry，.etc)的论文“用以操控微流系统中的液滴的工程表面粗糙度”(engineering surfaceroughness to manipulate droplets in micro-fluidic systems)所提出的论点。此论文中说明表面的粗糙度调整可改变液滴与此表面的亲疏程度，以控制微流系统中的液滴流动。作者是在一平面上制造出许多微型硅柱体以改变此平面的表面粗糙度，并提出粗糙因子ψ的定义：粗糙因子ψ是硅柱体的表面积(与液滴接触的面积)与平面总面积之比。作者还提出另一粗糙因子γ，其更进一步地考虑到硅柱体的面积与高度。当平面的表面粗糙度改变后，液滴与平面的接触角与毛细作用力将随之改变，致使液滴于平面上的可动性改变。

在前述论证的支持下，本实施例一的气泡式微泵1的第二部件120的结构设计之一即如图2B所示。第二部件120的表面上具有第一群柱状元件G1与第二群柱状元件G2，分别对应于第一部件110的第一区域I与第二区域II设置。第一群柱状元件G1包括多个截面积相同的第一柱体127，第二群柱状元件G2则包括多个截面积相同的第二柱体129。其中，前述的第一粗糙因子ψ₁由第一群柱状元件G1在第一区域I中所占面积的比例所决定，而第二粗糙因子ψ₂则是由第二群柱状元件G2于第二区域II中所占面积的比例所决定。由于二个粗糙因子的差异，根据前述Ashutosh Shastry所提出的论述，二个区域的液面接触角不同而影响液滴的毛细作用力。进而当液体中的气泡散失时，液体回填的速度有所差异。

在实际运用时，粗糙因子ψ优选是逐次递减或逐次递增，使粗糙因子ψ呈现粗糙梯度的设计。也就是说，本实施例的第一粗糙因子ψ₁或第二粗糙因子ψ₂可以是逐次递减或逐次递增。优选的作法是，在第二部件120上所设置的柱状元件依照其对应于第一部件110的流道115上的不同区域具有不同的截面积，使第二部件120的表面具有表面粗糙度梯度的粗糙表面。请参照图3A～3B，其示出图1气泡式微泵的第二部件的第二示意图。如图3A所示，第二部件120′的柱状元件129′按照其截面积大小依序设置于凹槽125′内，使第二部件120′的表面对应于流道115上的不同区域具有不同粗糙因子的粗糙表面。如第3B图所示，第二部件120′的表面具有不同的粗糙因子ψ_i(i＝1～x)，其形成表面粗糙度梯度(ψ₁＞ψ₂＞...＞ψ_x)。本实施例中，每个柱状元件129′的高度均为h。根据Ashutosh Shastry所提出的论文，粗糙因子ψ_i是：

ψ_i＝b_i ²/(a_i+b_i)²

其中，由Cassie-Baxter理论所推测出的粗糙因子ψ与接触角θ的关系图请参照图4A。如图4A所示，当粗糙因子ψ越大时，液面的接触角θ越小。而液面的接触角θ影响其毛细作用力(毛细作用力与接触角约成反比)，进而影响在气泡散失时，液体回填的速度。以大气压力下液体在物体表面的毛细作用力关系推知，当接触角θ越小(粗糙因子ψ越大)，毛细作用力越大，液体的回填速度越快。请参照图4B，其示出粗糙因子与液体压力的关系图。如图4B所示，由毛细作用力影响的液体压力P与粗糙因子ψ成正比。且于不同流道深度(10、25、50μm)下，当流道深度越浅，液体压力P变化越大(即毛细作用越明显)。液体的推力直接可由二个不同粗糙因子对应的液体压力相减所获得。例如，以流道深度为10μm作说明，在粗糙因子ψ为0.2与0.8之间的推力是其对应的2kPa与5kPa的差值3kPa。如此一来，可通过控制流道深度与粗糙因子ψ的梯度设计，以设定气泡式微泵所要驱动的推力大小。

基于上述，关于气泡式微泵1的实际操作，请参照图5A～5D，图5A示出图1的气泡式微泵的剖视图，第5B～5D图示出图4B的气泡式微泵于动作时的连续示意图。在此说明的是，第二部件120′的构造采用如图3A的设计。如第5A～5B图所示，气泡产生单元130的第一电极131与第二电极133连接到驱动电源(未示出)的正负极，在驱动电源开启后，第一电极131与第二电极133将开始电解液体以产生气泡。当气泡B产生并关闭驱动电源后，如图5C所示，由于气泡B两边的液面停留在具有不同粗糙因子的表面上，因而造成液体与第二部件120′表面的接触角θ_L与θ_R产生差异。第一部件110与液面接触的表面性质相同，其产生的接触角θ_b相同。由于第二部件120′表面的疏水性质及粗糙因子ψ₁＞ψ_x的特性，使接触角θ_R＞θ_L＞90度。此特性对液体产生的毛细作用力关系为P_L＞P_R，因而造成气泡B两边液体流回的速度差异，如图5D所示。在气泡B排出而液体回填的连续过程中，在流道115上会产生向右的流体净流量，最终产生类似泵推动液体向右流动的效果。

根据前述的操作原理，针对所设计的气泡式微泵1的试验结果说明如下。

表1

微泵	粗糙梯度设计ψi(i＝1～8)	流道深度h
			No.1	0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，1	20μm
No.2	0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，1	50μm

本实施例于试验时的气泡式微泵1的规格如表1所示，并请再参照图5A～5D。在试验时，先注入去离子水溶液，再将电压施加在第一电极131与第二电极133上以产生电解气泡B。当气泡B达到一定大小后，便会经由排气孔排除。于气泡B排除过程中，左边的液体会受到较大的毛细作用力，使得流回的速度较右边快而产生一个向右的净流量。在操作时，以特定的频率去切换与第一电极131及第二电极133连接的驱动电压，通过反复的电解气泡B的生灭过程，产生流体循环而达到连续净流量的效果。试验结果请参照图6，其以不同的驱动电压与操作频率作试验，进行观察并纪录相对应的流速效果。如图6的试验结果所示，液体的流速与操作频率及驱动电压的大小以近似于正比的关系存在。由此量测结果可知，气泡式微泵1也可通过施加电压的频率与强度控制，做精确的流速以及流量控制。

另外，关于第二部件120(120′)表面的设计，虽然本实施例一以柱状元件为例作说明，但本发明并不以此为限定。举例来说，本实施例的柱状元件也可由可调变薄膜组成。请参照图7A～7B，其示出图2B的柱状元件由薄膜组成的示意图。第二部件120上设置多个可调变的薄膜170，这些薄膜170在原始状态下如图7A所示。当薄膜170被驱动后，如图7B所示，薄膜170会产生形变而改变其弧度，进而调整第二部件120与液体接触的面积。至于薄膜170的驱动，其可通过流体(如气体)推动薄膜170或施加电压于薄膜170上，以改变薄膜170的变形量。关于可变形薄膜，可更进一步参考美国专利US6929030的“微制造橡胶膜阀及泵系统”(microfabricated elastomeric valve and pump system)内容。

实施例一虽然仅以改变柱状元件与液体的接触面积去达成调整第二部件120的表面粗糙度的目的，然在实际运用时，也可如前述的论文所论证的，通过改变柱状元件的高度来控制粗糙因子的大小。由于仅通过改变柱状元件的尺寸、间隙排列就可以形成表面粗糙梯度，以达到驱动流体的目的，本实施例一的气泡式微泵具有制成简单与操作便利的优点。

另，实施例一的气泡产生单元130虽然是以电解液体的方式产生气泡，但本发明并不以此为限定。任何可于液体中产生气泡的方式，例如加热产生气泡等方式，都属于本发明的范畴。

再者，本实施例一的气泡产生单元130虽然是以一个电极组为例做说明，然而在实际应用上，也可以在第一部件110的流道115上选择不同位置以安置二个以上的电极组。此方式提供使用者设定气泡产生位置的功能，使用者可选定相应的电极组进行电解气泡的动作。如此一来，除了可通过操作驱动电源的频率大小以决定气泡数目的不同，还可配合气泡产生的位置以达到驱动流速切换的效果。

本实施例一所提供的气泡式微泵可广泛地运用于各种微流体系统(生物医学芯片、微燃料电池等)内，以驱动各种液体流动。且气泡式微泵具有低耗能、低驱动电压、低操作温度以及气泡形成的压力大等优点，使之非常适合成为驱动流体的装置。以下将举数个实施例以说明实施例一的气泡式微泵的应用，但其并非用以限定本发明的应用范围。

实施例二

实施例二提供一种双向流体驱动装置，其运用不同流道的设计以控制液体流动的方向，达到双向驱动流体的目的。

请参照图8，其示出依照本发明实施例二的双向流体驱动装置的示意图。如图8所示，双向流体驱动装置200包括第一主流道210、第二主流道220、第一驱动部230、第二驱动部240与控制单元250。第一主流道210与第二主流道220交错设置并构成共同流道区III。第一驱动部230设置于第一主流道210上，并邻近共同流道区III。第二驱动部240设置于第二主流道220上，并邻近于共同流道区III。其中，第一驱动部230与第二驱动部240以如实施例一的气泡式微泵作驱动。第一驱动部230与第二驱动部240都包括至少一个气泡式微泵。然而，本实施例二以第一驱动部230与第二驱动部240均包括二个气泡式微泵为优选实施例作说明。优选地，每个气泡式微泵都设置于共同流道区III的邻侧，而同一驱动部的气泡式微泵对称地设置于共同流道区III的二个对侧。控制单元250分别与第一驱动部230及第二驱动部240的气泡式微泵231、233、241、243电性连接。当控制单元250驱动第一驱动部230的气泡式微泵231、233动作时，第一驱动部230推动第一主流道上210的液体流动。而当控制单元250驱动第二驱动部240的气泡式微泵241、243动作时，第二驱动部240推动第二主流道220上的液体流动。

液体流向与流道的设计有关。第一主流道210例如是垂直于第二主流道220设置，使液体可以沿着二个相互垂直的方向流动。在实际运用中，双向流体驱动装置200可由二个部件上下组合而成，其中上部件具有粗糙表面的设计，而下部件则具有第一主流道210、第二主流道220与电极组的设置，以下附图说明之。

请参照图9A～9B，其分别示出图8双向流体驱动装置的下部件的第一、第二示意图。由气泡式微泵231、233、241、243组成的第一驱动部230与第二驱动部240共计有四个电极组，设置于第一主流道210与第二主流道220上。如图9A所示，第一驱动部230与第二驱动部240的电极组231A、233A、241A、243A设置于共同流道区III的四边。当要驱动第一主流道210的液体流动时，只要启动第一主流道210上的电极组231A、233A(共四个电极)，而要驱动第二主流道220的液体流动时，即是启动第二主流道210上的电极组241A、243A。实际上，较为简化的电极组设计如图9B所示。每个主流道210、220上看似设置有三个电极，然而其中一电极位于共同流道区III中同时供第一主流道210与第二主流道220使用。相较于图9A的设计，当要驱动液体流动时，仅需开启三个电极(231B、233B、260或是241B、243B、260)即可。

再参照图10A～10B，其分别示出图8双向流体驱动装置的上部件的第一、第二示意图。为配合第一主流道210与第二主流道220的垂直设计，如图10A所示，上部件的表面上的柱状元件270由上到下、由左到右两个方向都是渐进式的粗糙梯度设计，即，具有不同截面大小的柱状元件270是对称45度角设置。如此一来，就可以制造在两个方向以上的粗糙度梯度，使左方、上方的液体回流速度大于右方、下方的回流速度。另外，如图10B所示，采用将多个可调变的薄膜280排列成数组的形式，当要改变粗糙梯度时，仅需驱动特定区域内的薄膜，其驱动已于实施例一中配合图7A～7B说明。如此一来，不仅可以改变多方向的粗糙梯度，也可以调控不同位置的粗糙梯度。

实施例三

请参照图11，其示出依照本发明实施例三的微粒分类装置的第一示意图。如图11所示，微粒分类装置300包括主流道310、驱动部320、分流部330、检测单元340与控制单元350。驱动部320设置于主流道310的前段。分流部330包括第一支流道331与第二支流道335，连接于主流道310的后段。于第一支流道331上设置有如实施例一的气泡式微泵333，而于第二支流道335上设置有气泡式微泵337。检测单元340设置于主流道310上，并位于驱动部320与分流部330之间。控制单元350电性连接驱动部320及分流部330的气泡式微泵333、337与检测单元340。当驱动部320动作以推动主流道310中的一带有粒子P1的液体移动，并使粒子P1流经检测单元340以完成粒子P1的辨识后，检测单元340便传送信号至控制单元350以驱动分流部330的气泡式微泵333或337动作，由此使粒子P1随液体流入第一支流道331或第二支流道335中。

粒子P1由液体带入主流道310后，依据主流道310长度的设定，于主流道310上的驱动部320可包含至少一个气泡式微泵，以提供足以驱动液体流动的推力。当粒子P1持续沿着主流道310移动(向右移动)并进入检测单元340感测的范围内，检测单元340会针对粒子P1的特定性质(例如电性、体积等)做检测。检测单元340例如是光传感器或电传感器，其与控制单元350电性连接。当检测单元340完成粒子P1的辨识后，便随即传送信号给控制单元350，以判断是否启动分类机制。分类机制启动时，在分流部330的气泡式微泵333或337开始动作以循环地产生电解气泡，使第一支流道331或第二支流道335上的液体开始流动。假设本实施例的粒子P1经检测后进入第二支流道335中。由于主流道310上与第一支流道331上均可产生流体驱动力，当第一支流道331上的气泡式微泵335驱动流体朝箭头方向流动，对粒子P1会产生一向右下移动的净推力，使粒子P1进入第二支流道335中以完成分类的动作。

至于粒子进入分类机制的驱动设计，请参照图12，其示出依照本发明实施例三的微粒分类装置的第二示意图。如图12所示，微粒分类装置300的驱动部320包括二个气泡式微泵321、323，优选地对称设置于主流道310的上下二对侧。当驱动部320的二个气泡式微泵321、323开始驱动液体流动时，对于粒子P2会产生斜向的驱动力。优选地，驱动力F1、F2的大小相近，使得此二个斜向驱动力F1、F2会形成一类似于水力聚焦的总合力Ft，使粒子P2依序前进。在检测单元340完成粒子P2的辨识后，便启动如图11所示的气泡式微泵333或气泡式微泵337，以导引粒子P2进入第一支流道331或第二支流道335中，进而完成粒子的分类与收集。

实施例四

实施例四提供一种流体混合装置，是运用如实施例一的气泡式微泵驱动液体作往复式的运动以达到液体混合的效果。

请参照图13，其示出依照本发明实施例四的流体混合装置的示意图。如图13所示，流体混合装置400包括混合腔410、第一驱动部420、第二驱动部430与控制单元440。混合腔410上设置有入口流道450与出口流道460。第一驱动部420设置于入口流道450上，第二驱动部430则设置于出口流道460上。其中，第一驱动部420与第二驱动部430各包括至少一个实施例一的气泡式微泵。控制单元440电性连接第一驱动部420与第二驱动部430的气泡式微泵。当控制单元440驱动第一驱动部420，以导引至少二种未混合的液体A、B由入口流道450进入混合腔410后，控制单元440可以交替驱动第二驱动部430与第一驱动部420动作，以反复导引前述二种流体由入口流道450与出口流道460进出混合腔410，由此以混合二种液体。

第一驱动部420例如导引二层未混合的液体A、B以层流运动的形式由入口流道450进入混合腔410中。接着，当控制单元440驱动第一驱动部420的气泡式微泵先向右推动流体，再驱动第二驱动部430的气泡式微泵向左推动流体，于重复数个循环后，即可使液体A、B在混合腔410中达到良好的混合效果。当液体A、B混合后，即可关掉第一驱动部420而仅开启第二驱动部430，将混合后的液体由出口流道460送入后续处理单元。

优选地，混合腔410的材质是透明材料，以运用此流体混合装置400作为药剂或生化检测的反应观察。另外，由于电解气泡产生时，仅会耗去微小量的液体，所以不至于造成浓度的剧烈改变。

实施例五

请参照图14，其示出依照本发明实施例五的环形流体混合装置的示意图。如图14所示，环形流体混合装置500包括环形主流道510、二个第一支流道521、523、二个第二支流道531、533、第一驱动部550、第二驱动部560与控制单元(未示出)。第一支流道521、523与第二支流道531、533均连接于环形主流道510，其中第二支流道531、533与第一支流道521、523相隔设置。第一驱动部550与第二驱动部560使用于实施例一中披露的气泡式微泵的设计。第一驱动部550的二个气泡式微泵551、553设置于环形主流道510上，并分别邻近第一支流道521、523。第二驱动部560的二个气泡式微泵561、563也设置于环形主流道510上，并分别邻近第二支流道531、533。控制单元(未示出)电性连接第一驱动部550与第二驱动部560的气泡式微泵551、553、561、563。当不同的液体由第一支流道521、523与第二支流道531、533引入环形主流道510后，控制单元可交替驱动第一驱动部550与第二驱动部560，使不同的液体在环形主流道510中混合。其中，电解气泡的气体例如是由共同的排气孔570排出装置外。

优选地，第一驱动部550的气泡式微泵551、553与第二驱动部560的气泡式微泵561、563产生相反方向的驱动力。举例来说，假设第一驱动部550可驱动液体逆时针流动，而第二驱动部560可驱动液体顺时针流动。当控制单元交替驱动气泡式微泵551、553、561、563使液体往复流动后，不同种类的液体于环形主流道510上会得到充分的混合。

实施例六

请参照图15A～15B，图15A示出依照本发明实施例六的复合型流体混合装置的俯视图，图15B示出图15A复合型流体混合装置的侧视图。如图15A所示，复合型流体混合装置600包括第一流道组件601、第二流道组件602与控制单元(未示出)。第一流道组件601包括环形主流道610、二个出口流道621、623与二个入口流道631、633、第一驱动部650与第二驱动部660。出口流道621、623与入口流道631、633连接环形主流道610。第一驱动部650设置于环形主流道610与入口流道631、633的交接处，而第二驱动部660则设置于环形主流道610与出口流道621、623的交接处。第一驱动部650与第二驱动部660各包括二个如实施例一所披露的气泡式微泵(图中标示651、653、661、663)，设置于各个出口流道621、623及入口流道631、633与环型主流道610的交接处。优选地，这些出口流道621、623及入口流道631、633相隔90度设置。

至于第二流道组件602，其设置于第一流道组件601的上方(见图15B)。第二流道组件602包括直流道670与第三驱动部680，其中直流道670与环形主流道610连通。第三驱动部680则包括至少二个气泡式微泵681、683。气泡式微泵681、683分别位于直流道670与环形主流道610连通处的二对侧。控制单元分别电性连接第一驱动部650、第二驱动部660与第三驱动部680的气泡式微泵。当控制单元驱动第一驱动部650以导引液体由入口流道631、633进入环形主流道610，并驱动第三驱动部680导引另一液体由直流道670的两侧进入环形主流道610后，控制单元可交替驱动第一驱动部650与第二驱动部660，使前述的二种液体于环形主流道610中往复流动以达到混合的目的。当混合完成后，即在第二驱动部660的动作下，使混合后的液体由出口流道621、623离开环形主流道610。

虽然本实施例六的第一流道组件601以二个出口流道621、623及二个入口流道631、633为例做说明，然实际上一个出口流道与一个入口流道即已足够，并于各出口流道与入口流道处配合一个气泡式微泵即可实施。

本发明上述实施例所披露的气泡式微泵与应用其的双向流体驱动装置、微粒分类装置、流体混合装置、环形流体混合装置与复合型流体混合装置，利用电解气泡配合表面粗糙度的设计，使气泡散失时液体回填速度的差异，在液体中造成推动力。在循环的气泡生灭过程中，产生流体的净流量而具有类似于泵的效果。气泡式微泵的构造简易，仅利用一般微机电工艺即可制造出具有表面粗糙梯度的部件，成本非常低。本发明的气泡式微泵可广泛地运用在生物医学领域、微燃料电池等的微流系统中。

综上所述，虽然本发明已以优选实施例披露如上，但其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围情况下，可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围以所附的权利要求书所界定的为准。

符号说明

1、231、233、241、243、321、323、333、337、551、553、561、563、651、653、661、663、681、683：气泡式微泵

110：第一部件

115：流道

120、120′：第二部件

121：流体入口

123：流体出口

125、125′：凹槽

127：第一柱体

129：第二柱体

129′、270：柱状元件

130：气泡产生单元

131：第一电极

133：第二电极

170、280：薄膜

200：双向流体驱动装置

210：第一主流道

220：第二主流道

230、420、550、650：第一驱动部

231A、233A、241A、243A：电极组

231B、233B、241B、243B、260：电极

240、430、560、660：第二驱动部

250、350、440：控制单元

300：微粒分类装置

310：主流道

320：驱动部

330：分流部

331、521、523：第一支流道

335、531、533：第二支流道

340：检测单元

400：流体混合装置

410：混合腔

450、631、633：入口流道

460、621、623：出口流道

500：环形流体混合装置

510、610：环形主流道

570：排气孔

600：复合型流体混合装置

601：第一流道组件

602：第二流道组件

670：直流道

680：第三驱动部

I：第一区域

II：第二区域

III：共同流道区

G1：第一群柱状元件

G2：第二群柱状元件

B：气泡

P1、P2：粒子

F1、F2、Ft：驱动力

Claims (10)

1. 一种气泡式微泵，包括：

第一部件，具有流道，所述流道上具有至少第一区域与第二区域；

第二部件，设置于所述第一部件上，所述第二部件的表面对应于所述第一区域为具有第一粗糙因子的粗糙表面，对应于所述第二区域为具有第二粗糙因子的粗糙表面，所述第一粗糙因子实质上大于所述第二粗糙因子；以及

气泡产生单元，设置于所述第一部件上，可在所述第一部件与所述第二部件之间填满液体时，在所述第一区域与所述第二区域产生气泡；

其中，当所述气泡产生单元产生的气泡开始散失时，由于所述第一粗糙因子与所述第二粗糙因子的差异，使所述第一区域的液体回填速度大于所述第二区域的液体回填速度，由此带动液体流动。

2. 根据权利要求1所述的气泡式微泵，其中所述第一粗糙因子和所述第二粗糙因子中的至少一个为沿液体流动方向上逐次递增或逐次递减。

3. 一种双向流体驱动装置，包括：

第一主流道与第二主流道，交错设置并构成共同流道区；

第一驱动部，包括至少一个根据权利要求1所述的气泡式微泵，设置于所述第一主流道上，并邻近所述共同流道区；

第二驱动部，包括至少一个根据权利要求1所述的气泡式微泵，设置于所述第二主流道上，并邻近所述共同流道区；以及

控制单元，分别与所述第一驱动部及所述第二驱动部的所述气泡产生单元电性连接；

其中，当所述控制单元驱动所述第一驱动部动作时，所述第一驱动部推动所述第一主流道中的液体流动，而当所述控制单元驱动所述第二驱动部动作时，所述第二驱动部推动所述第二主流道的液体流动。

4. 根据权利要求3所述的双向流体驱动装置，其中：

所述第一驱动部包括二个根据权利要求1所述的气泡式微泵，位于所述共同流道区的两对侧；

所述第二驱动部包括二个根据权利要求1所述的气泡式微泵，位于所述共同流道区的另外两对侧。

5. 一种微粒分类装置，包括：

主流道；

驱动部，设置于所述主流道的前段；

分流部，包括第一支流道，连接于所述主流道的后段，所述第一支流道上设置有根据权利要求1所述的气泡式微泵；

检测单元，设置于所述主流道上，并位于所述驱动部与所述分流部之间；及

控制单元，电性连接所述驱动部、所述分流部的所述气泡产生单元以及所述检测单元；

其中，当所述驱动部动作以推动所述主流道中的带有粒子的液体移动，并使粒子流经所述检测单元以完成粒子的辨识后，所述检测单元传送信号至所述控制单元以驱动所述分流部的气泡式微泵动作，由此阻止粒子随液体流入所述第一支流道中。

6. 根据权利要求5所述的微粒分类装置，其中所述分流部还包括第二支流道，所述第二支流道上设置有根据权利要求1所述的气泡式微泵。

7. 一种流体混合装置，包括：

混合腔，具有入口流道与出口流道；

第一驱动部，包括至少一个根据权利要求1所述的气泡式微泵，设置在所述入口流道上；

第二驱动部，包括至少一个根据权利要求1所述的气泡式微泵，设置在所述出口流道上；以及

控制单元，电性连接所述第一驱动部与所述第二驱动部的所述气泡产生单元；

其中，当所述控制单元驱动所述第一驱动部导引至少两种液体分别由所述入口流道进入所述混合腔后，所述控制单元可交替驱动所述第二驱动部与所述第一驱动部动作，以反复导引所述二种液体由所述入口流道与所述出口流道进出所述混合腔，由此以混合所述两种液体。

8. 根据权利要求7所述的流体混合装置，其中所述混合腔的材质括透明材料。

9. 一种环形流体混合装置，包括：

环形主流道；

二个第一支流道，连接于所述环形主流道；

二个第二支流道，连接于所述环形主流道，并分别位于所述二个第一支流道之间；

第一驱动部，包括二个根据权利要求1所述的气泡式微泵，设置于所述环形主流道上，并邻近于所述二个第一支流道；

第二驱动部，包括二个根据权利要求1所述的气泡式微泵，设置于所述环形主流道上，并邻近于所述二个第二支流道；以及

控制单元，电性连接所述第一驱动部与所述第二驱动部的所述气泡产生单元；

其中，当不同的液体由所述二个第一支流道与所述二个第二支流道引入所述环形主流道后，所述控制单元可交替驱动所述第一驱动部与所述第二驱动部，使不同的液体在所述环形主流道中混合。

10.一种复合型流体混合装置，包括：

第一流道组件，包括环形主流道、至少一个入口流道、至少一个出口流道、第一驱动部与第二驱动部，所述入口流道与所述出口流道连接所述环形主流道，所述第一驱动部设置于所述环形主流道与所述入口流道的交接处，所述第二驱动部设置于所述环形主流道与所述出口流道的交接处，所述第一驱动部与所述第二驱动部各包括至少一个根据权利要求1所述的气泡式微泵；

第二流道组件，设置于所述第一流道组件的上方，并包括直流道与第三驱动部，所述直流道与所述环形主流道连通，所述第三驱动部包括至少二个根据权利要求1所述的气泡式微泵，分别位于所述直流道与所述环形主流道连通处的二个对侧；以及

控制单元，电性连接所述第一驱动部、所述第二驱动部与所述第三驱动部的所述气泡产生单元；

其中，当控制单元驱动所述第一驱动部以导引液体由所述入口流道进入所述环形主流道，并驱动所述第三驱动部导引另一液体由所述直流道的两侧进入所述环形主流道后，所述控制单元可交替驱动所述第一驱动部与所述第二驱动部，使所述液体于所述环形主流道中混合，并在所述第二驱动部的动作下，使混合后的液体由所述出口流道离开所述环形主流道。

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