CN102428273A - 微型泵 - Google Patents

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Abstract

本发明的内容是一种以微型系统技术构建的容积式泵，其优选地被用作真空泵。

Description

微型泵
技术领域
本发明大体涉及微型机电系统(MEMS)的领域。本发明的内容是以微型系统技术构建的容积式泵(Verdraengerpumpe)，其优选地被用作真空泵。
背景技术
容积式泵在传统的真空技术中广泛推广且被多样化地使用。在德国的工业标准DIN 28400第2部分(1989)中，容积式泵被定义为借助于以液体或无液体地相互密封的活塞、转子或滑块(Schieber)(必要时经由阀)吸入、压缩和排出待输送的流体的真空泵。
容积式泵的一种简单的类型是所谓的往复式泵，在其中与连杆相连接的活塞或膜片在运动的半个周期中通过入口阀吸入流体且在另半个周期中又通过出口阀排出流体。例如在由Karl Jousten出版由Vieweg+Teubner出版社发行的《Wutz手册真空技术：理论和实践》(“Wutz Handbuch Vakuumtechnik：Theorie und Praxis”)2006第9版中找到关于传统的容积式泵的概况。
传统的泵系统不能容易地在微型系统技术中使用。微型系统技术通过将来自这些领域的发展和结构联合成新的系统而组合微电子学、微型机械学、微流体学和微光学的方法，而还有信息学、生物技术和纳米技术的发展。确定功能的结构的尺寸处在微米范围中，这可被引用为相对纳米技术的分界。
微型系统技术中的泵主要利用用于压缩机构的膜片，在个别情况中也利用带有极高转速的涡轮机叶轮或根据喷射泵原理或扩散泵原理的气流。对这些泵机构中的大多数而言特有的是，即，它们仅压缩泵容积的或多或少地较少的部分且由此尤其对于气体而言压缩比相对较低或者它们仅具有非常低的使用寿命和高的粒子灵敏性。对于液体的泵，当包含气泡时通常产生问题。因此，这些泵尤其几乎不适合作为用于达到较低压力的真空泵。
在DE19719862A1中例如描述了一种微型膜片式泵。它具有可借助于驱动单元被移动到第一和第二位置中的泵膜片、与泵膜片相连接以便确定在它们之间的泵腔的泵体以及设有被动的入口阀的入口孔和设有被动的出口阀的出口孔。在从第一位置移动到第二位置中时，泵膜片使泵腔的容积增大以工作容积，而在从第二位置移动到第一位置时使泵腔的容积减少以该工作容积。此外，对泵不利的是泵的较大的死点容积，这是因为对于每个泵冲程(Pumpschlag)，所排挤的容积仅为泵腔的容积的一部分。
在DE19922612A1中描述了一种微型机械泵，其基于蠕动的促动器的原理，促动器通过在基底(Substrat)中以驱动介质填充的环形的空腔的密封的覆盖(Uberspannen)利用导电的膜片形成。此外，使用传导性的膜片是不利的，其易受机械应力影响且由于在使用该泵时较高的应力仅具有有限的使用寿命。
发明内容
基于已知的现有技术由此产生提供一种用于在微型系统中使用的泵的目的，该泵具有较小的死点容积以及拥有较高的使用寿命。所想要的泵应不仅能够输送在微升范围中所定义的流体容积而且能够连续地输送。
根据本发明，该目的通过一种微型泵实现，其根据容积式泵的原理工作且在其中使用通过磁力或电磁力驱动的液体作为活塞。
因此，本发明的内容是一种微型泵，其至少包括
-入口，
-出口，
-在入口与出口之间的通道和
-处于通道中的活塞，
其特征在于，活塞是能够借助于外部的场被移动的液体。
流体经由根据本发明的微型泵的入口被吸取到通道中、在通道中被压缩且又通过出口被排出。
根据本发明的微型泵基于液体容积式泵的也在宏观中所利用的原理。然而与这些较大的系统相比，根据本发明的微型泵的泵作用(Pumpwirkung)在仅部分地利用液体腔作为汲取腔或泵容积的情况下不通过液体的机械驱动实现，而是使用在外部的场中通过电磁力和/或磁力驱动的液体作为活塞。
为了确保该驱动，介质由导电的或者导磁的带有优选地较低的蒸汽压力(其确定可达到的基础压力)的液体构成。例如在相应的操作温度下，液态的金属(如水银或镓)适合作为导电的液体。然而也可利用带有足够低的特定阻力、蒸汽压力和优选地还有化学惰性的传导性的有机的或其它无机的液体。此外，带有铁磁纳米微粒的市场上通用的液体可用作磁性的液体。
优选地，该液体具有较高的表面张力和相对于通道壁较高的界面张力，以便避免其润湿。
对于导电的介质，优选地借助于在磁场中作用到移动的载流子上的洛伦兹力实现驱动。对此，在通道的单侧或两侧布置有永磁体或电磁体，必要时为了屏蔽和减小磁阻设有轭铁。稀土磁体(SE磁体)特别适合作为永磁体。它优选地使用在与最小可能的尺寸相结合地需要较高的磁场强度的各个地方。SE磁体具有相对高的矫顽磁场强度且因此即使在较高的反向场(Gegenfeld)的情况下也可毫无问题地使用。
如果电流被传导通过活塞，则力(洛伦兹力)被施加到在磁场中的移动的载流子(电子)上。电流流过的活塞垂直于磁场线的方向且垂直于被加载的粒子(电子)的运动方向被移动。
导电的活塞的接触经由安装在通道壁中或通道壁处的接触层实现。同样可使用独立的(freistehend)薄层作为接触层。
如果使用导磁的液体，则可通过循环的磁场(例如通过装配在一个或两个在通道上方和/或下方旋转的盘上的SE永磁体来感应)实现驱动。在此，液体的接触不是必需的。
通道优选地线状无端地连续地、特别优选地环形地实施。通道横截面可有棱角地或连续地、即无棱角地(例如椭圆形或圆形地)实施。优选地，通道横截面实施成圆形或椭圆形。
在线状无端地连续的通道中，入口优选地直接布置在出口后面，使得整个通道扣除活塞体积留作可压缩的容积。通道在横截面上可以是恒定的。它也可在出口的方向上变窄(例如通过在圆形的通道横截面的情况下的偏心)，以便实现在通道中的更快的压力上升。
液态的活塞优选地在封闭的(微)通道中被循环地移动(例如环、椭圆、圆)。它使腔容积对通道壁完全密封。代替各一个活塞和一个入口与出口，这种系统也可利用多个活塞和多个入口与出口来构建。代替闭合的通道结构，在带有一个或多个入口与出口的摆动运行(Pendelbetrieb)中也可利用例如线状的通道结构。
为了获得较高的压缩比，经压缩的容积在出口处被压缩到实际为零。这由此实现，即，在出口处同样使用液体来密封，其优选地为了避免混合而由与活塞相同的介质构成。当两个液体彼此完全相碰、即经压缩的介质在泵通道中无剩余容积地完全被挤压通过出口时，该液态的密封部那么才被到来的液态的活塞排挤。通过驱动的设计和通道在出口区域中的形状可能的是，驱动的液体的一部分在活塞的端部处相应地“断开”且作为密封部留在出口之前。
在导电的液体作为活塞的情况中，接触层在出口的区域中可能被局部打断，使得当发生与到来的活塞的接触时，驱动力才起作用，经压缩的容积即通过穿过出口的排出和活塞与密封部的“融合(Verschmelzen)”被带到零。
在导磁的液体的情况中，在出口处减小的驱动力例如可通过磁短路(例如通过铁磁材料如Ni)在该位置处获得。
在出口后面的通道狭窄部(其负责密封的介质的足够高的穿透力)起支持作用，由此介质经受住压缩压力。该穿透力也可通过与具有比通道的材料更高的表面张力的局部材料的接触来实现。该接触那么在穿透(例如通过在通道中的该狭窄部和合适地成形的通道结构)之后被再次打断，使得介质的一部分留作密封部。
为了避免入口阀和尤其出口阀以密封液体或者驱动液体的透过，在那里优选地集成有带有较少的表面能(无润湿或较少润湿)的多微孔或多毫微孔的结构，液态的介质(密封部、活塞)由于排斥的毛细力和较高的界面张力不可穿透到这些结构中。这些结构不仅可横向地而且可竖直地被引入。在横向布置的情况中特别有利的是，将入口阀布置在弯曲部的内侧处、将出口结构布置在外侧处，这是因为由此附加地离心力对于吸入和压出过程可变得有效。
根据本发明的泵的结构优选地也如许多微型系统那样以硅-玻璃工艺来制造。也可考虑以硅-硅工艺或玻璃-玻璃工艺实现根据本发明的泵的结构。
微型系统中的结构的制造对于微型系统技术的专业人士而言是已知的。例如在Marc Madou，CRC Press Boca Raton FLA 1997的书《微型制造的基础》(“Fundamentals of Microfabrication”)中或在W.Menz.J.Mohr和O.Paul，Wiley-VCH，Weinheim 2005的书《微型系统工程学》(“Mikrosystemtechnik für Ingenieure”)中描述和说明了微型制造技术。例如在Q.-Y.Tong，U.Semiconductor Wafer Bonding：Scienceand Technology；The Electrochemical Society Series，Wiley-Verlag，NewYork(1999)中找到对硅-硅工艺的进一步描述。关于玻璃-玻璃工艺示例性地参照以下出版物：J.Wie et al.，Low Temperature Glass-to-GlassWafer Bonding，IEEE Transactions on advanced packaging，Vol.26，No.3，2003，289-294页；Duck-Jung Lee et al.，Glass-to-Glass AnodicBonding for High Vacuum Packaging of Microelectronics and its Stability，MEMS 2000，The Thirteenth Annual International Conference on MicroElectro Mechanical Systems，23-27 January 2000，253-258页。
微型系统技术的工艺决定性地基于带有较高的纵横比(例如带有较大深度(～100μm)的较窄的沟(～μm))的硅基底或玻璃基底以在微米范围中的结构精度利用湿化学的、优选地等离子蚀刻工艺与在热膨胀系数方面匹配的含钠的玻璃基底(例如Pyrex
Figure BPA00001464491400061
)相组合的构造，含钠的玻璃基底设有简单的经蚀刻的结构且优选地利用所谓的阳极的键合(Bonden)直接地、替代地与作为焊接合金(AuSi)起作用的Au薄层密闭地彼此相连接。
带有较高的纵横比的金属结构可通过在较厚的光刻胶(＞100μm)中以可比的精度的电镀增长而实现(UV-LIGA)。在使用薄层工艺(如高真空蒸发和阴极溅射、PVD工艺)或从气相的化学沉积(CVD工艺)优选地在等离子体中与光刻和蚀刻技术相结合地可在这些基底上以完全过程兼容的工艺集成功能层(如金属化、疏水或亲水的表面)和功能元件(如阀-密封部和膜片、加热元件、温度传感器、压力传感器和流量传感器)。
泵的构造优选地以硅-玻璃-基底-堆或硅-玻璃-硅-基底-堆实现，其中，通道结构和阀结构由于其更简单的且更精确的结构化特性借助于化学的和物理学的方法优选地应在硅中实现。电的导体电路(Leiterbahn)例如可利用薄层方法来沉积。特别对于较大的件数，利用聚合物成型技术(如注塑、热压等等)的方法的成型是有利的。为了定义的表面能必要时还局部不同的设置，通过例如在等离子体中的沉积(等离子聚合、PECVD、溅射)、而也通过从汽相的沉积(自组织的单分子膜(SAM)、高真空气相沉淀)的覆层可与光刻和蚀刻或凸刻技术(Abhebetechnik)相结合地使用。
根据本发明的微型泵优选地适合作为在微型系统中的真空泵。本发明的泵的内容相应地也为根据本发明的微型泵作为在微型系统中(例如在如例如在发表在Sensors and Actuators A：Physical，138(1)(2007)，22-27页上的文章“Complex MEMS：A fully integratedTOF micro mass spectrometer”中所描述的微型质谱仪中)的真空泵的应用。
附图说明
接下来根据附图进一步阐述本发明，然而它不局限于此。
具体实施方式
图1示意性地在平面图中以横截面示例性地显示了根据本发明的微型泵1。它包括入口30和出口20，其通过通道40彼此相连接。通道40线状无端地连续地实施成环。它具有在入口30与出口20之间的狭窄部45。在通道中存在导电的或导磁的液体50、55，其被用作活塞55和密封部50。
在泵的运行期间，狭窄部45使导电或导磁的液体分成活塞55和密封部50容易。
图2(a)至(f)在示意图中显示了在运行中的图1的根据本发明的微型泵。为了绘制的简单化，狭窄部45在图2中未显示。在初始状态(a)中，通道40被活塞55和密封部50划分成带有内腔41和内腔43的两个截段。内腔41是封闭的。处在内腔41中的流体通过活塞55顺时针(通过箭头示出)的运动被压缩。密封部55对出口密封内腔41。通过活塞55顺时针的运动同时实现内腔43的扩大。由此，流体经由入口30被吸取到内腔43中。在图2(b)中，内腔41和43大致一样大。在图2(c)中，内腔41逐渐缩小且处在内腔41中的流体相应地被压缩。在图2(d)中，密封部50不再闭锁至出口的路径。经压缩的流体从内腔41经由出口20被排出。在图2(e)中，在图2(a)至(e)中已形成活塞55和密封部50的液体部分联合成一个液体部分。内腔43达到其最大的尺寸且经由入口填充以流体。在下面的泵循环(参见图2(f))中液体塞被划分：之前担任密封部的角色的前面的区域50成为活塞，后面的区域55成为密封部。内腔43被压缩。形成新的内腔44，流体经由入口30被吸取到内腔44中。
图3在横截面中从侧面示意性地显示了根据本发明的微型泵。通道40具有圆形的横截面轮廓。它被引入到基底60和盖子70中。在盖子中引入有出口20和入口(此处未显示)。多孔的网状物90应阻止在通道中充当密封部和活塞的电液体被挤压通过出口。在通道上方和下方布置有磁体80。
图4(a)至(f)显示了在摆动运行中的根据本发明的微型泵1。该实施形式包括三个腔，它们经由两个狭窄部彼此相连接。外部的腔相应地包括入口30a或30b。中间的腔具有以狭窄的通道的形式的出口20，液态的密封部50不可穿透出口20。在第一步骤(图4(a))中，液态的活塞55在朝向出口20的方向上移动。在此，内腔41被逐渐缩小且处在其中的流体(其经由入口30b到达内腔中)被逐渐压缩。在图4(b)中，内腔41中的压力超过极限值且密封部55被压到左边的腔中。由此出口被打开且经压缩的流体可泄出(图4(c))。在图4(d)中，先前的活塞和先前的密封部交换其功能。此时，通过在左边的腔中的活塞在出口20的方向上的运动逐渐压缩处在内腔43中的流体(图4(e))。最终，密封部50被挤压通过狭窄部到右腔中且内腔43中的流体可经由开启的出口泄出(图4(f))。
附图标记清单
1 微型泵
20 出口
30 入口
40 通道
41 内腔
43 内腔
44 内腔
45 狭窄部
50 液态的密封部
55 液态的活塞
60 基底
70 盖子
80 磁体
90 多孔的网状物

Claims (8)

1.一种微型泵，其至少包括
-入口，
-出口，
-在所述入口与所述出口之间的通道和
-处于所述通道中的活塞，其特征在于，所述活塞是能够借助于外部的场被移动的液体。
2.根据权利要求1所述的微型泵，其特征在于，所述液体是导电的且由于在所述液体中作用到移动的载流子上的洛伦兹力能够垂直于外部的磁场被移动。
3.根据权利要求1所述的微型泵，其特征在于，所述液体是导磁的且能够借助于外部的循环磁场被移动。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的微型泵，其特征在于，所述通道线状无端地连续地实施。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的微型泵，其特征在于，存在在所述泵运行时引起所述液体分成两个部分的器件，其中，一个部分作为活塞起作用而另一部分作为密封部起作用。
6.根据权利要求5所述的微型泵，其特征在于，所述器件包括在出口与入口之间的狭窄部。
7.根据权利要求5所述的微型泵，其特征在于，所述器件包括多微孔或多毫微孔的结构。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的微型泵的一种应用，其在微型系统中用作真空泵。
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