CN104564621A - 磁驱动微型泵 - Google Patents

Abstract

用于处理小流体体积的磁驱动微型泵。该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间。柔性隔膜被磁性耦合至促动器用于移动该隔膜。

Description

磁驱动微型泵

本申请是申请日为2009年9月30日、申请号为200980158664.8(PCT/US2009/059020)、题目为“磁驱动微型泵”的发明专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年2月12日提交的美国临时专利申请No.61/152,165的优先权，其通过引用全部合并于此。

背景技术

本发明披露内容涉及一种用于处理小流体体积的磁驱动微型泵。具体地，本披露内容涉及微型泵，其包括磁促动隔膜以传送流体。

微流体技术领域一般包括处理在几个纳米等级上的非常小的流体体积。在如生命科学和化学分析的领域，微流体技术具有日益重要的应用。微流体技术设备，也称为微机械系统(MEMS)，包括用于流体控制、流体测量、医学试验、DNA和蛋白质分析、活性药物运送和其他生化应用的设备。

微型泵的典型的流体流速的范围是从约0.1微升每分钟至几个(80-180)毫升每分钟。该等级上的流速在，例如用于化学和生物分析的可抛弃微型总分析系统(μTAS)或片上实验室(LOC)、用于医学诊断测试的监护测试点、用于施药(例如胰岛素)的要求精细程度的管理和准确控制的可植入药物输送系统、和用于输血和增压的心脏病学系统，的应用中有用。

由于多数MEMS处理技术源自于微电子技术，在1980年代第一个硅微型泵是基于薄隔膜的压电促动，主要用于受控胰岛素输送系统。该工作阐述了硅基微型泵的可行性和在硅微型泵上的创造性的深远的研究。而且，在药学和临床治疗领域，多个商用可植入硅微型泵被报告用于胰岛素输送和治疗剂施药。

最近，多种聚合材料和新型微细加工技术，例如软平板印刷、微立体光刻技术、微模制和聚合表面微机械加工，已经被研究和开发用于不断增长的低成本的、集成的和小型化可抛弃μTAS应用。包括塑料和弹性体的许多聚合材料，由于它们优良的机械性能、良好的化学耐受性和低制造成本，已经被越来越多地并入到其它微型设备中作为基底、结构性构件、和功能性构件。在最常用的聚合物中，聚二甲硅氧烷(PDMS)已经被广泛地用在微流体设备中，这是由于优异的生物兼容性、简单的制造工艺(模制和可逆结合)以及光学透明性(便于监视和查询)以及弹性(良好的密封和连接性)。

基于硅和基于塑料的无阀微型泵被作为实例使用以与基于聚合物的微型泵比较。基于硅的微型泵的制造工艺包括三个顺序的深活性粒子蚀刻(DRIE)步骤和一个硅-玻璃阳极结合步骤，同时LIGA，微注射，或热压花模制和多个薄板通过粘合剂或螺栓的装配被涉及用于塑料泵。在另一方面，对于基于PDMS的微型泵，仅需要多层软平版印刷工艺和PDMS-PDMS结合技术。从制造成本的观点来看，基于PDMS的微型泵比前两种类型的微型泵低得多。

而且，塑料微型泵的主要挑战是由于薄塑料层的表面粗糙度导致的高流体泄露。螺栓装配使得事情更糟，因为应力集中在层之间的界面上的螺栓连接位置。粘接剂结合还倾向于助长微型结构的阻塞。因此，PDMS是用于微型泵的实用材料(短的处理时间和低成本)。

发明内容

这里披露的微型泵的操作原理是，振动隔膜导致腔室中的压力变化，其通过被动阀的形式来引导流体管的动态流动。通常被动阀被并入作为以悬臂活板、桥接隔膜、圆形球、活动结构、喷嘴/扩散器或泰斯拉元件形式的往复微型泵的入口和出口中的止回阀。但是，集成喷嘴/扩散器元件的无阀微型泵对于可抛弃μTAS应用具有特别的益处，例如在生物医学和生物化学中，因为悬浮颗粒阻塞、磨损和疲劳的移动机械部件的危险可被降低且实际上被消除。而且，喷嘴/扩散器的平面特征和简单实现导致用于可抛弃应用的微型泵的低成本和小型化。

本披露内容的无阀微型泵包括喷嘴和扩散器元件、流体腔室和振动促动隔膜。隔膜被与小块状磁体集成，这具有较大的吸引或排斥磁力和隔膜挠曲的优点。隔膜上的交替的垂直磁力导致较大的体积行程，其对于高流速微型泵是期望的。此外，磁性促动是外部施加的场，在此情况下微型泵受到气隙的控制。因此，用于在微型泵上施加电流或电压的电连接器可被避免，其还提供了在μTAS应用中的小型化的可能性。

本披露内容的主题的原理和操作被Zhou等人的文章(Fluid DampingEffects on Resonant Frequency of an Electromagnetically-Actuated ValvelessMicropump，International Journal of Advanced Manufacturing Technology，April 24，2009)中完全地解释，其通过引用在此全部并入。

本披露内容的一方面包括用于输送流体的微型泵。该微型泵包括泵组件，该泵组件具有第一泵体，该第一泵体限定第一流体流动路径。第一泵体包括第一腔室，该第一腔室包括第一腔室壁和第一侧壁；第一入口和第一出口，其中第一入口和第一出口与第一腔室流体连通。泵组件还包括第二泵体，该第二泵体限定第二流体流动路径。第二泵体包括第二腔室，该第二腔室包括第二腔室壁和第二侧壁；第二入口和第二出口，其中第二入口和第二出口与第二腔室流体连通。泵组件还包括布置在第一腔室和第二腔室之间的柔性隔膜。微型泵还包括促动器组件，该促动器组件被构造为与泵组件协作。促动器组件包括磁性耦合至隔膜的驱动器，和构造为检测隔膜的位置的传感器，其中驱动器施加磁力至隔膜，导致隔膜挠曲，且其中隔膜的该挠曲导致第一腔室和第二腔室内的压力的变化，由此导致流体流动。

本披露内容的另一方面包括用于从流体储存器输送流体的微型泵组件，该微型泵组件包括泵筒。泵筒包括第一泵体，该泵体限定第一腔室，该第一腔室包括第一腔室壁和第一侧壁；第一入口和第一出口，其中第一入口和第一出口与第一腔室流体连通。泵体还包括第二泵壳，该第二泵壳限定第二腔室，该第二腔室包括第二腔室壁和第二侧壁；第二入口和第二出口，其中第二入口和第二出口与第二腔室流体连通，以及布置在该第一腔室和第二腔室之间的柔性隔膜，其中泵筒被构造为允许从流体储存器至第一腔室和第二腔室中的至少一个的流体连通。微型泵组件还包括壳体，该壳体包封促动器组件，该促动器组件被构造为与微型泵筒协作。促动器组件包括磁性耦合至隔膜的驱动器，和构造为检测隔膜的位置的第一传感器，其中驱动器施加磁力至隔膜，导致隔膜挠曲，且其中隔膜的该挠曲导致第一腔室和第二腔室内的压力的变化，由此导致流体流动。微型泵组件还包括控制器，该控制器联接至驱动器且被构造为通过接收来自第一传感器的信号和调节由驱动器施加的磁力来控制隔膜位置。微型泵组件还包括电源，该电源被构造为给驱动器和控制器通电，其中壳体被构造为使得微型泵筒可被插入且保持在促动器组件中。

本披露内容的另一方面包括制造微型泵的方法。该方法包括步骤：由聚合物材料制造柔性隔膜，包括步骤：在硅晶片上旋涂第一聚合物层和允许第一聚合物层固化，将磁性材料布置在第一聚合物层上，在磁性材料周围施加第二聚合物层和允许第二聚合物层固化，和施加第三聚合物层和允许第三聚合物层固化；通过将液体聚合物材料浇入模具来制造刚性泵体，该模具被构造为形成流体腔室、入口通道和出口通道，以及允许液体聚合物固化；将柔性隔膜与刚性泵体对齐；和将柔性聚合物隔膜结合至刚性泵体。

本披露内容的另一方面是用于输送流体的微型泵。该微型泵包括泵组件，该泵组件具有第一泵体，该第一泵体限定第一腔室。第一腔室包括第一腔室壁和第一侧壁、第一入口和第一出口，其中第一入口和第一出口与第一腔室流体连通，以及布置在第一腔室上的与第一腔室壁相对的第一柔性隔膜。泵组件具有第二泵体，该第二泵体限定第二腔室，该第二腔室包括第二腔室壁和第二侧壁、第二入口和第二出口，其中第二入口和第二出口与第二腔室流体连通，以及布置在第二腔室上与第二腔室壁相对的第二柔性隔膜。泵组件还包括布置在第一泵体和第二泵体之间的至少第三泵体。第三泵体限定第三腔室，第三腔室包括第三侧壁，第三入口和第三出口，其中第三入口和第三出口与第三腔室流体连通，其中该至少第三腔室与第二隔膜和第二隔膜相邻。微型泵还包括促动器组件，该促动器组件被构造为与泵组件协作。促动器组件包括磁性耦合至第一隔膜和第二隔膜的驱动器，和构造为检测第一隔膜和第二隔膜的位置的至少一个传感器，其中驱动器施加磁力至第一隔膜和第二隔膜，导致第一隔膜和第二隔膜挠曲，且其中第一隔膜和第二的该挠曲导致第一腔室、第二腔室和第三腔室内的压力的变化，由此导致流体流动。本发明包括如下方案：

1.一种用于输送流体的微型泵，该微型泵包括:

泵组件，该泵组件包括：

第一泵体，该第一泵体限定第一流体流动路径，该第一泵体包括：

第一腔室，该第一腔室包括第一腔室壁和第一侧壁，

第一入口和第一出口，其中第一入口和第一出口与第一腔室流体连通，

第二泵体，该第二泵体限定第二流体流动路径，第二泵体包括：

第二腔室，该第二腔室包括第二腔室壁和第二侧壁，

第二入口和第二出口，其中第二入口和第二出口与第二腔室流体连通，

柔性隔膜，布置在第一腔室和第二腔室之间；以及

促动器组件，该促动器组件被构造为与泵组件协作，该促动器组件包括：

磁性耦合至隔膜的驱动器，和

构造为检测隔膜的位置的传感器，

其中驱动器施加磁力至隔膜，导致隔膜挠曲，且其中隔膜的该挠曲导致第一腔室和第二腔室内的压力的变化，由此导致流体流动；以及

至少一个阀，该阀与第一腔室和第二腔室中的每个流体连通，其中该至少一个阀被构造为沿预定方向引导流体流动。

2.如方案1所述的微型泵，其中所述至少一个阀包括第一入口附近的第一入口止回阀和第一出口附近的第一出口止回阀中的至少一个。

3.如方案2所述的微型泵，其中第一入口止回阀和第一出口止回阀的所述至少一个包括阀隔膜，该阀隔膜包括从公共点向外辐射的多个交叉缝隙。

4.如方案2所述的微型泵，其中第一入口止回阀和第一出口止回阀中的所述至少一个位于第一流体流动路径中的第一侧壁内。

5.如方案4所述的微型泵，其中第一入口止回阀和第一出口止回阀中的所述至少一个整体形成于第一侧壁内。

6.如方案2所述的微型泵，还包括第二入口附近的第二入口止回阀和第二出口附近的第二出口止回阀中的至少一个。

7.如方案6所述的微型泵，其中第二入口止回阀和第二出口止回阀中的所述至少一个位于流体流动路径中的第二侧壁内。

8.如方案7所述的微型泵，其中第二入口止回阀和第二出口止回阀中的所述至少一个整体形成于第二侧壁内。

9.如方案1所述的微型泵，还包括布置在所述隔膜上的第一磁体。

10.如方案9所述的微型泵，还包括布置在所述隔膜上的第二磁体，其中第一磁体定位为与第一腔室相邻且第二磁体定位为与第二腔室相邻。

11.如方案9所述的微型泵，包括多个磁体，该多个磁体被布置在隔膜上并与第一腔室和第二腔室中的任一个相邻。

12.如方案9所述的微型泵，其中第一磁体是钕-铁-硼稀土磁体。

13.如方案10所述的微型泵，其中第二磁体是钕-铁-硼稀土磁体。

14.如方案1所述的微型泵，其中柔性隔膜由与磁性材料混合的软聚合物材料构造。

15.如方案14所述的微型泵，其中软聚合物材料是聚二甲硅氧烷。

16.一种用于输送流体的微型泵，该微型泵包括:

泵组件，该泵组件包括：

第一泵体，该第一泵体限定第一流体流动路径，该第一泵体包括：

第一腔室，该第一腔室包括第一腔室壁和第一侧壁，

第一入口和第一出口，其中第一入口和第一出口与第一腔室流体连通，

第二泵体，该第二泵体限定第二流体流动路径，第二泵体包括：

第二腔室，该第二腔室包括第二腔室壁和第二侧壁，

第二入口和第二出口，其中第二入口和第二出口与第二腔室流体连通，

柔性隔膜，布置在第一腔室和第二腔室之间；以及

促动器组件，该促动器组件被构造为与泵组件协作，该促动器组件包括：

磁性耦合至隔膜的驱动器，和

构造为检测隔膜的位置的传感器，

其中驱动器施加磁力至隔膜，导致隔膜挠曲，且其中隔膜的该挠曲导致第一腔室和第二腔室内的压力的变化，由此导致流体流动；且

其中该泵组件被构造为在没有阀的情况下沿预定方向引导流体流动。

17.如方案16所述的微型泵，其中第一入口还包括第一入口通道，该第一入口通道包括：

具有第一入口喉部宽度的第一入口喉部，和具有第一入口端部宽度的第一入口端部，

其中该第一入口通道被构造为使得流体沿从第一入口喉部至第一入口端部的方向流动，

且其中第一入口端部被布置在第一侧壁中，且其中第一入口喉部宽度小于第一入口端部宽度。

18.如方案17所述的微型泵，其中第一出口还包括第一出口通道，该第一出口通道包括：

具有第一出口喉部宽度的第一出口喉部，和具有第一出口端部宽度的第一出口端部，

其中该第一出口通道被构造为使得流体沿从该第一出口喉部至该第一出口端部的方向流动，

且其中该第一出口喉部被布置在第一侧壁中，且其中该第一出口喉部宽度小于该第一出口端部宽度。

19.如方案18所述的微型泵，其中第一入口通道和第一出口通道被构造为允许流体大致沿从第一入口至第一出口的方向流过第一腔室。

20.如方案16所述的微型泵，还包括：

第一入口通道，该第一入口通道包括：

具有第一入口喉部宽度的第一入口喉部，和具有第一入口端部宽度的第一入口端部，

其中该第一入口通道被构造为使得流体沿从第一入口喉部至第一入口端部的方向流动，且

其中第一入口端部被布置在第一侧壁中，且其中第一入口喉部宽度小于第一入口端部宽度；

第一出口通道，该第一出口通道包括：

具有第一出口喉部宽度的第一出口喉部，和具有第一出口端部宽度的第一出口端部，

其中该第一出口通道被构造为使得流体沿从第一出口喉部至第一出口端部的方向流动，且

其中该第一出口喉部被布置在第一侧壁中，且其中该第一出口喉部宽度小于该第一出口端部宽度；

第二入口通道，该第二入口通道包括：

具有第二入口喉部宽度的第二入口喉部，和具有第二入口端部宽度的第二入口端部，

其中该第二入口通道被构造为使得流体沿从第二入口喉部至第二入口端部的方向流动，且

其中第二入口端部被布置在第二侧壁中，且其中第二入口喉部宽度小于第二入口端部宽度；

第二出口通道，该第二出口通道包括：

具有第二出口喉部宽度的第二出口喉部，和具有第二出口端部宽度的第二出口端部，

其中该第二出口通道被构造为使得流体沿从第二出口喉部至第二出口端部的方向流动，且

其中该第二出口喉部被布置在第二侧壁中，且其中该第二出口喉部宽度小于该第二出口端部宽度。

21.如方案16所述的微型泵，还包括布置在所述隔膜上的第一磁体。

22.如方案21所述的微型泵，还包括布置在所述隔膜上的第二磁体，其中第一磁体定位为与第一腔室相邻且第二磁体定位为与第二腔室相邻。

23.如方案21所述的微型泵，包括多个磁体，该多个磁体被布置在隔膜上并与第一腔室和第二腔室中的任一个相邻。

24.如方案21所述的微型泵，其中第一磁体是钕-铁-硼稀土磁体。

25.如方案22所述的微型泵，其中第二磁体是钕-铁-硼稀土磁体。

26.如方案16所述的微型泵，其中柔性隔膜由与磁性材料混合的软聚合物材料构造。

27.如方案26所述的微型泵，其中软聚合物材料是聚二甲硅氧烷。

28.如方案16所述的微型泵，其中柔性隔膜被构造用于能调节张紧，允许隔膜的柔性关于由驱动器施加至该隔膜的磁力而被改变。

29.如方案21所述的微型泵，其中驱动器还包括位于泵体附近的第一磁性线圈，该第一磁性线圈包括电线绕组且限定外周边。

30.如方案29所述的微型泵，其中驱动器还包括构造为检测第一磁体的位置的传感器，该传感器定位为与第一线圈的外周边相邻的一位置处，在该位置中第一线圈的磁通密度与第一磁体的磁通密度相比可被忽略。

31.如方案30所述的微型泵，其中传感器是霍尔效应传感器。

32.如方案16所述的微型泵，其中驱动器还包括反馈控制系统，该反馈控制系统被构造为通过感应附连至隔膜的磁体的位置、将该位置与预定的设定点比较、并调节施加至隔膜的磁力来控制隔膜的位移。

33.一种用于从流体储存器输送流体的微型泵组件，该微型泵组件包括：

泵筒，该泵筒包括:

第一泵体，该第一泵体限定：

第一腔室，该第一腔室包括第一腔室壁和第一侧壁，

第一入口和第一出口，其中第一入口和第一出口与第一腔室流体连通，

第二泵壳，该第二泵壳限定：

第二腔室，该第二腔室包括第二腔室壁和第二侧壁，

第二入口和第二出口，其中第二入口和第二出口与第二腔室流体连通，和

柔性隔膜，布置在第一腔室和第二腔室之间；

其中泵筒被构造为允许流体储存器流体连通至第一腔室和第二腔室中的至少一个；和

壳体，该壳体包封：

促动器组件，该促动器组件被构造为与微型泵筒协作，该促动器组件包括：

磁性耦合至隔膜的驱动器，和

构造为检测隔膜的位置的第一传感器，

其中驱动器施加磁力至隔膜，导致隔膜挠曲，且其中隔膜的该挠曲导致第一腔室和第二腔室内的压力的变化，由此导致流体流动；

控制器，该控制器被联接至驱动器且被构造为通过从第一传感器接收输入并调节由驱动器施加的磁力来控制隔膜的位置，和

电源，该电源被构造用于给驱动器和控制器供电，

其中该壳体被构造为使得微型泵筒可被插入且被保持在促动器组件内。

34.如方案33所述的微型泵组件，其中微型泵筒被构造用于单次使用。

35.如方案34所述的微型泵组件，其中流体储存器被附连至微型泵筒。

36.如方案34所述的微型泵组件，其中流体储存器被容纳在壳体内且被构造用于在将微型泵筒插入壳体时与微型泵筒联接。

37.如方案33所述的微型泵组件，其中控制器被构造为从第一传感器接收反馈信号，且其中控制器被构造为将附连至隔膜的磁体的位置与预定的设定点进行比较，且其中控制器被构造为响应该反馈信号而调节施加至隔膜的磁力。

38.如方案37所述的微型泵组件，其中控制器是比例积分微分类型的控制器。

39.如方案33所述的微型泵组件，还包括第二传感器，该第二传感器被构造为检测流体储存器内的流体的体积，且其中控制器被构造为从第二传感器接收输入，从而控制器能计算和预测流体流动。

40.如方案33所述的微型泵组件，其中控制器被构造为基于来自第一传感器的反馈信号计算传送的流体的体积。

41.如方案40所述的微型泵组件，其中控制器被构造为将基于来自第一传感器的反馈信号的传送的流体的体积与来自第二传感器的体积输入进行比较，且其中控制器被构造为如果比较的体积在预定范围之外则提供输出信号。

42.如方案41所述的微型泵组件，其中输出信号是警告和关机中的至少一个。

43.一种制造微型泵的方法，该方法包括步骤：

由聚合物材料制造柔性隔膜，包括步骤：

在硅晶片上旋涂第一聚合物层并使第一聚合物层固化，

将磁性材料布置在第一聚合物层上，

在磁性材料周围施加第二聚合物层并使第二聚合物层固化，和

施加第三聚合物层并使第三聚合物层固化；

通过将液体聚合物材料浇入模具并使液体聚合物固化来制造刚性泵体，该模具被构造为形成流体腔室、入口通道和出口通道；

将柔性隔膜与刚性泵体对齐；和

将柔性聚合物隔膜结合至刚性泵体。

44.如方案43所述的方法，其中第一聚合物层被旋涂至约0.15mm的厚度。

45.如方案44所述的方法，其中使第一聚合物层在75摄氏度固化2小时。

46.如方案43所述的方法，其中第二聚合物层被施加至约0.5mm的厚度。

47.如方案44所述的方法，其中使第二聚合物层在100摄氏度固化30分钟。

48.如方案43所述的方法，其中第三聚合物层被施加至约0.15mm的厚度。

49.如方案48所述的方法，其中使第三聚合物层在75摄氏度固化2小时。

50.如方案43所述的方法，其中用于刚性泵体的模具由环氧基负光阻材料形成。

51.如方案50所述的方法，其中光阻材料是SU-8。

52.如方案43所述的方法，其中柔性聚合物层至刚性泵体的结合利用粘接剂进行。

53.如方案43所述的方法，其中柔性聚合物隔膜的结合使用氧等离子体方法进行，该氧等离子体方法包括步骤：将布置在柔性隔膜和模制的泵体之间的聚合物膜在100摄氏度固化20分钟。

54.如方案43所述的方法，其中柔性聚合物隔膜的结合使用氧等离子体方法进行，该氧等离子体方法包括步骤：通过在10％氧的气氛中施加微波10秒将布置在柔性隔膜和模制的泵体之间的未固化的聚合物膜固化。

55.如方案43所述的方法，其中聚合物材料由聚对二甲苯、聚酰亚胺、SU-8和聚二甲硅氧烷组成的组中选择。

56.如方案43所述的方法，其中柔性隔膜由10份聚二甲硅氧烷和1份固化剂的混合物制造。

57.如方案43所述的方法，其中刚性泵体由5份聚二甲硅氧烷和1份固化剂的混合物制造。

58.一种用于输送流体的微型泵，该微型泵包括：

泵组件，该泵组件包括：

第一泵体，该第一泵体限定：

第一腔室，该第一腔室包括第一腔室壁和第一侧壁，

第一入口和第一出口，其中第一入口和第一出口与第一腔室流体连通，和

第一柔性隔膜，布置在第一腔室上并与第一腔室壁相对；

第二泵体，该第二泵体限定：

第二腔室，该第二腔室包括第二腔室壁和第二侧壁，

第二入口和第二出口，其中第二入口和第二出口与第二腔室流体连通，以及

第二柔性隔膜，布置在第二腔室上并与第二腔室壁相对；

至少第三泵体，布置在第一泵体和第二泵体之间，该第三泵体限定：

第三腔室，该第三腔室包括第三侧壁，

第三入口和第三出口，该第三入口和第三出口与第三腔室流体连通，

其中该至少第三腔室与第一隔膜和第二隔膜相邻；和

促动器组件，该促动器组件被构造为与泵组件协作，该促动器组件包括：

磁性耦合至第一隔膜和第二隔膜的驱动器，和

构造为检测第一隔膜和第二隔膜的位置的至少一个传感器，

其中驱动器施加磁力至第一隔膜和第二隔膜，导致第一隔膜和第二隔膜挠曲，且其中第一隔膜和第二隔膜的该挠曲导致第一腔室、第二腔室和第三腔室内的压力的变化，由此导致流体流动。

59.如方案58所述的微型泵，还包括布置在第一泵体和第二泵体之间的多个中间泵体，其中每个中间泵体都限定包括侧壁的中间流体腔室、入口和出口，该入口和出口与该中间流体腔室流体连通；和

多个中间柔性隔膜，其中每个中间柔性隔膜都布置在相邻的中间泵体之间，且其中驱动器被磁性耦合至中间隔膜的每个。

附图说明

本披露内容将在下面参考附图进行描述，这些附图仅是作为非限制性实例给出，其中：

图1是本披露内容的微型泵组件的实施例的透视图；

图2是图1的微型泵组件的分解图；

图3是泵体的透视图，该泵体具有喷嘴/扩散器流动元件用于产生单向流；

图4是具有截头锥形构造的喷嘴/扩散器流动元件的示意图；

图5是具有截头金字塔形构造的喷嘴/扩散器流动元件的示意图；

图6是示出流体流动路径的单腔微型泵的示意图；

图7是示出组合并联流动路径的本披露内容的双腔微型泵组件的横截面；

图8是本披露内容的微型泵组件的实施例的透视图；

图9是图8的微型泵组件的分解透视图；

图10是微型泵筒和促动器组件容座的透视图；

图11至14是本披露内容的微型泵的隔膜的实施例的有限元模型的图；

图15是用于本披露内容的实施例的无阀微型泵的共振频率随扩散器细长比变化的图；

图16是用于本披露内容的无阀微型泵的实施例的共振频率随扩散器打开角度变化的图；

图17是用于本披露内容的无阀微型泵的实施例的共振频率随扩散器长宽比变化的图；

图18是用于本披露内容的无阀微型泵的实施例的共振频率随腔深和隔膜厚度的厚度比变化的图；

图19是用于本披露内容的微型泵的实施例的隔膜位移对时间的图；

图20是示出排放模式中的最大位移的本披露内容的无阀微型泵的示例性实施例的有限元模型；

图21是示出抽吸模式中的最大位移的本披露内容的无阀微型泵的示例性实施例的有限元模型；

图22示出了与本披露内容的微型泵一起使用的微流体连接器；

图23是示出在不同促动电流下最大泵送流速依赖于激励频率的图；

图24是不同促动电流幅度下的最大流速的图；

图25是最大泵送流速的比较；

图25A是在促动器加载之前和之后的方波激励信号的图；

图26至28是示出流速随激励频率变化的图；

图29是促动器温度在时间上的图；

图30至32是在操作过程中本披露内容的微型泵的实施例的示意图；

图33是磁性位置传感器的布置的示意图；

图34和35分别是促动器线圈和磁体的磁场强度的示意图；

图36是磁场扰动的图；

图37是磁场强度的图；

图38是通过传感器测量的磁场扰动的图；

图39是通过传感器测量的磁场强度的图；

图40是传感器对于电压脉冲的响应的图；

图41是扰动测量的图；

图42是作为磁体位置的函数的被测量磁场的图；

图43是本披露内容的控制系统实施例的示意图；

图44是本披露内容的反馈回路的示意图；

图45是图43的控制系统实施例的详细示意图；

图46是感应模式中的本披露内容的控制系统的操作的流程图；

图47是校准模式中的本披露内容的控制系统的操作的流程图；

图48是本披露内容的微型泵实施例的滞后图；和

图49是本披露内容的闭环控制系统中的设定点和位置的图；

图50至52示出了可被与本披露内容的微型泵一起使用的止回阀；

图53是本披露内容的多腔微型泵的示例性实施例。

具体实施方式

现在参考图1和2，本披露内容的微型泵包括泵组件10，其具有第一泵体12和第二泵体24以及布置在这两个泵体之间的柔性隔膜36。第一泵体12限定了第一本体流动路径且包括第一腔室14，该腔室具有第一腔室壁16和第一侧壁18。第一泵体12还包括与第一腔室14流体相通的第一入口20和第一出口22。类似的，第二泵体24限定了第二本体流动路径且包括第二腔室26，该腔室具有第二腔室壁28和第二侧壁30。第二泵体24还包括与第二腔室26流体相通的第二入口32和第二出口34。

本披露内容的微型泵还包括磁性耦合至柔性隔膜36的驱动器。在图1和2中所述的实施例中，驱动器包括第一磁性线圈38和第二磁性线圈40。磁性线圈38、40被构造为通过与磁体42、44的电磁耦合而施加磁力在柔性隔膜上。

本披露内容的微型泵被用于使得流体单向流动。这种单向流动在具有或不具有止回阀的情况下实现。微型泵的典型操作流速是大约几微升至几毫升每分钟的范围(对于非机械微型泵是低于10μl/分钟，而对于机械微型泵平均流速可高至数毫升)。由此，生物医学应用的广阔范围被发现于例如用于可植入药物输送、化学和生物检测、以及在心脏病学系统中的输血的流体精细管理和准确控制系统的应用中。

但是，存在与止回阀相关联的问题，例如高压力损耗、对于固体颗粒的敏感性、以及活动阀的磨损和疲劳。因此，为了消除对于止回阀的需要，喷嘴/扩散器构造可被用于代替止回阀和用于调整流动。由此，使用通过喷嘴/扩散器元件的流动阻力的差来引导该流动沿优选方向的微型泵在这里称为“无阀微型泵”。

在本披露内容的示例性实施例中，通过在入口20、32和出口22、34处使用喷嘴/扩散器通道，可在无止回阀的情况下实现被单向整流的流体流动。无阀实施例的特征将参考图3而被解释，其示出了第二泵体24的实施例。显然，第一泵体具有相同的特征且为了清楚而被省去。在该实施例中，入口32和出口34分别包括入口扩散器46和出口扩散器48，这些扩散器与第二腔室26流体连通。

具体参考入口扩散器46，该扩散器元件包括将第二入口32与第二腔室26连接的一对壁50、52。壁50、52被布置成角度θ且具有长度L。壁50、52限定入口喉部54和出口端部56，其中入口喉部54具有宽度W₁，，出口端部56具有第二宽度W₂，而W₂大于W₁。在图3所示的实施例中，入口和出口扩散器46、48的深度与第二腔室26的深度相同，这被发现能简化制造，但是其他构造也可被接受，包括图4所示的截头锥形构造和图5所示的截头金字塔形构造。

图4的截头锥形扩散器包括直径D₁的入口喉部54和直径D₂的出口端部56，其中D₂大于D₁。截头锥形扩散器还包括设置成2θ的角度的壁58。类似的，图5的截头金字塔形扩散器包括横截面积A₁的入口喉部54和横截面积A₂的出口端部56，其中A₂大于A₁。截头金字塔形扩散器还包括设置成2θ的角度的壁段60。

为了简化，图6示出了微型泵的示意图，其具有单个腔室62、单个磁体64、和由电源68供电的单个电磁线圈66。流体储存器70中包含的流体通过入口管72流动至入口扩散器46，进入腔室62，在该腔室中被泵送通过出口扩散器48通过出口管74用于其预期用途。

参考图7，本披露内容的无阀微型泵的实施例可包括组合的平行流动路径，其中双腔微型泵10被构造为具有与共用入口76和共用出口78流体连通的第一腔室14和第二腔室26。当然，显然的是，图7中所示的微型泵7的实施例可被构造为具有独立的平行流动路径。独立的平行流动路径能允许两种不同流体的同时流动。

现在参考图8和9，本披露内容的另一实施例中，如前所述的微型泵10被包括作为设备200的一部分且被包围在壳体202、204中。壳体202、204被构造为包括控制器(未示出)。该控制器被连接至控制面板206以允许用户输入操作参数，例如流速。控制面板206包括显示器208和一个或多个输入钮210。壳体204被构造为接收瓶子212，其用作用于微型泵10的流体储存器。在示例性实施例中，瓶子212可包含胰岛素，或任意其他药物，生物物质，或化合物。壳体204被构造为使得瓶子212与微型泵10在插入该壳体时流体连通。壳体204还被构造为接收电池214，其作为用于促动器和控制器的电源。在图9中所示的实施例中，电池被描述为标准9V电池。但是，依赖于应用，其它类型的电池也可被接受，例如3V硬币(手表)电池可被用于总尺寸是考虑因素的一些应用中。

现在参考图10，图1的微型泵10可被构造为可插入驱动器90中的泵筒(pump cartridge)80。泵筒80包括第一泵体12、第二泵体24、和设置在这两个泵体之间的柔性隔膜。泵筒80可选地包括止回阀歧管82。替换地，泵筒80可具有如本文披露的无阀设计。入口和出口管72、74则被连接至止回阀歧管，或在无阀微型泵的情况下直接连接至第一和第二泵体的入口20、33和出口22、34。

驱动器90包括第一支撑件92和第二支撑件94，第二支撑件94被独立于第一支撑件92布置且与其隔开。第一和第二支撑件92、94每个都分别包括被构造为接收螺线管或促动线圈(未示出)的凹部96、98。第一和第二支撑件92、94限定容座100，该容座被构造为接收泵筒80。

多个提出的用于微型泵的促动机构已经被报道，主要包括压电的、静电的、电磁的和热-气动的促动机构和形状记忆合金等。多数微型泵使用压电的或静电的促动，其以相对高的频率操作且对于极小的位移需要数百至数千数量的高电压。关于电磁促动，在非常需要大位移、快响应时间和相对低功耗时其具有超过其它促动方法的优点。具有集成磁体的隔膜的磁促动可产生几百μN和大隔膜挠曲。这些期望的特性对于许多医学应用是高度渴望的。因此，在下面的部分详细讨论流体-隔膜耦合在电磁驱动无阀微型泵的响应频率上的影响。

促动力被通过振荡隔膜施加以驱动泵中的工作介质。因此，微型泵的可靠性和性能依赖于复合隔膜的动态特性。

对于振荡隔膜，材料性质，例如密度、杨氏模量和泊松比，将显著地影响隔膜的固有频率。例如，在MEMS设备中，多数隔膜是整体复合层，其包括一些感应或促动隔膜层。在该具体实例中，各材料层的特性彼此非常不相同。因此，复合层的当量密度(equivalent density)必须被正确地得出。

对于磁促动隔膜微型泵，存在两种用于建立功能性隔膜的方案。一种是软磁性材料电镀或利用永久磁体接合在隔膜的顶部上，多个永久磁体被手动地组装到PDMS隔膜中。然后，外部磁场通过永久磁体或基板中的整体平面微型线圈施加以控制隔膜的运动。由于嵌入隔膜中的块状磁体的尺寸和布置可影响电磁力的分布以及隔膜刚度，复合隔膜在此被制造为具有磁性性质。

硅、硅氮化物和薄金属板适于作为用于微型泵的隔膜材料。例如，几微米范围内的薄硅隔膜可被利用微机械加工技术实现。但是，硅的杨氏模量为190Gpa，这限制了其用于往复泵。泵隔膜具有柔性材料，例如聚对二甲苯(parylene)、聚酰亚胺(polyimide)、SU-8和PDMS。这些隔膜需要较小的促动压力且具有较大的挠曲以及较大的行程体积。在本披露内容的示例性实施例中，PDMS(Silgardl84，Dow Corning Corp)被用于微型泵体和促动隔膜两者。

由于其较低的模数以及与硅和玻璃基底的良好的相容性，PDMS(Sylgard 184Silicone Elastomer，Dow Coming Corporation)被选择作为该示例性实施例中的隔膜材料。硬钡铁氧体粉末(UMBS-IB，UnimagnetIndustry Co.，Ltd，China)被混合到PDMS中(以1:1的重量比)以形成促动隔膜。复合隔膜具有同质的且各向同性的材料性质，且可在外部磁场中产生双向挠曲。用于本披露内容的的复合材料的材料性质在表1中示出。

表1：隔膜复合材料的材料性质

参数	纯PDMS	PDMS复合材料	Fe粉末
				杨氏模量	1.8e3	2.56e6	2.11e8
密度(Kg/m3)	1026.9	2053.8	7850
				泊松比	0.5	0.5	0.33

制造的主要挑战是要生产薄复合隔膜。具有块状磁体的薄复合隔膜在制造工艺过程中当从模具释放时容易破裂，但是厚隔膜的缺点是在磁力下有限的挠曲。在示例性实施例中，0.15mm厚度的PDMS层被旋涂在硅晶片上，且在75℃下固化两个小时。磁体被布置在第一PDMS层的中间。然后，液体PDMS被倒在磁体周围以形成0.5mm厚度的层。玻璃滑板被用于去除多余的PDMS。隔膜被处于100℃的热板上30分钟。最后，第三0.15mm PDMS层被覆盖在顶部上且在75℃下固化两个小时。

复合隔膜的极性依赖于块状磁体的极性。由此，隔膜上的磁力在磁场切换时被颠倒。振荡隔膜的振幅和频率受到施加在螺线管促动器上的AC方波输入电流的控制。电磁力被直接测量用于隔膜分析。复合隔膜上的不同电流下的总静态电磁力被测量且列在表2中。该表示出了吸力大于斥力，这是因为吸力导致的气隙的减小。由此，复合隔膜将不停运动直至在磁力和隔膜的弹力之间达到平衡。隔膜上的最大吸力和斥力在0.2A的电流下分别是23.7mN和21.7mN，其被用于通过FEA估计复合隔膜的最大挠曲和应力分布。

表2：隔膜上的电磁力

电流(A)	斥力(N)	吸力(N)
			0.10	0.0099	-0.0117
0.12	0.0123	-0.013
			0.14	0.0142	-0.0151
0.16	0.0169	-0.0179
			0.18	0.0189	-0.0204
0.20	0.0217	-0.0237

共振频率

商用软件ANSYS 10.0被用于为复合隔膜建模。两种类型的3D基元类型主要被使用：实体45和壳体64。实体45被用作用于嵌入的块状NdFeB磁体(厚度：0.5mm)和该磁体周围的PDMS层(厚度：0.5mm)的基元。覆盖在复合结构的顶部和底部上的厚度为0.15mm的其它两个PDMS层利用基元类型壳体63来划分网格，如图11所示。在该模型中具有1917个节点和2208个基元。用于计算的隔膜的材料性质在表3中示出。由于微型通道的端部宽度(0.38mm)与隔膜的直径(7mm)相比较小，复合隔膜的所有固定边缘边界条件被在此设定。

表3：隔膜复合材料的材料性质

材料	密度(Kg/mm3)	杨氏模量(MPa)	泊松比
				PDMS	1.0269E-6	0.75	0.449
NdFeB	6.667E-6	151	0.24

复合隔膜的梯形横截面和最大挠曲34.34μm在图12中观察到。该数值小于流体腔室的深度。由此，隔膜不接触腔室的底部，特别是当流体被装载且流体阻力作用在隔膜上时。由于复合隔膜的不同材料性质，磁力被集中在块状磁体区域上。隔膜的应力分布在图13中示出。应力集中区域主要分布在磁体的四个角部，这是因为块状磁体的方形形状。隔膜中的最大应力是约0.1424MPa，其小于PDMS材料的剪切应力(shear stress)。隔膜的静态分析确保了微型泵操作的安全性和可靠性。

图14示出了柔性隔膜的第一和第二模型形状。观察到，隔膜在基本模型中沿一个方向弯曲且峰值发生在中间区域，这是因为嵌入的块状磁体的原因。对于第二模型存在两个峰值，一个在上另一个在下。由于要求最大行程体积以获得高的泵送流速，第一模型是优选的。该分析还解释了为什么在第二振动模型下流速小于前者。当流体被装载于腔室中时，共振频率被降低，这是由于增加的质量和对隔膜的动态特性的阻尼作用。

共振频率的逼近可通过使用质量-弹簧模拟而被简化，在该模拟中，隔膜的弹性用弹簧表示且腔室中的流体由一质量表示。但是，计算的和测量的频率之间的差异大至36％(计算的和测量的频率分别为：734Hz、540Hz；4238Hz、3350Hz)。它忽略了喷嘴/扩散器元件中的非线性行为，该行为导致共振频率的过高估计。近似模型基于一组部分微分公式将隔膜振动和泵送腔室中的流体联系起来。厚度为h且质量密度为ρ_m的薄圆形隔膜隔膜-流体耦合控制公式是：

$D{\▿}^{4}w+\mathrm{\ρmh}{\∂}^{2}w/\∂r^2=\mathrm{fe}-p---\left(1\right)$

其中D＝Eh³/12(1-v²)是弯曲刚度；

是极坐标中的拉普拉斯算子；v和E分别是泊松比和杨氏模量。

隔膜的挠曲与隔膜的特征长度相比相当小。由此，薄板的小挠曲理论仍可用于隔膜微型泵中。该板被假设为由线弹性的、均质的且各向同性材料形成且剪切变形的作用被忽略。该方案采用形式：

$w(r,\mathrm{\θ},t)=\underset{m=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{\mathrm{mn}}\left(r\right)\cos \left(\mathrm{m\θ}\right)e^{j{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{mn}}t}---\left(2\right)$

其中W_mn(r)＝A_mnJ_m(λ_mnr/R)+B_mnY_m(λ_mnr/R)+C_mnI_m(λ_mnr/R)+D_mnK_m(λ_mnr/R)

其中m和n是节点圆和直径线的数量；A_mn、B_mn、C_mn和D_mn是模型形状常数，且由边界条件确定。J_m、Y_m是第一和第二类型的贝塞尔函数，I_m、K_m是第一和第二类型的修正贝塞尔函数。R是隔膜的半径。

在流体侧上，我们把流体流动认为是不可压缩的层流。而且，我们假定流体装载不改变模型形状，尽管其将增加有效质量和阻尼。因此，纳维-斯托克斯公式和质量连续公式被用于描述图3中所示的每个元件内的流体流动。

$\mathrm{\ρ}[\frac{\∂\stackrel{\→}{u}}{\∂t}+\stackrel{\→}{u}\·\▿\stackrel{\→}{u}]=-\▿p+\mathrm{\μ}{\▿}^2\stackrel{\→}{u}+p\stackrel{\→}{g}---\left(3\right)$

$\▿\·\stackrel{\→}{u}=0---\left(4\right)$

其中是沿x、y、z方向的流体粘度。动态压力p表示在泵送阶段中隔膜振动和流体流动的耦合。

穿过入口和出口的体积流从内侧至外侧可被标注为Q_n和Q_d。压力损失可被表达为其中ξ是损失系数，是通过喷嘴/扩散器元件的喉部区域的平均流速。隔膜的挠曲w导致流体体积的变化，该变化被表达为：

V(p，t)＝∫∫w(r，θ，t)drdθ     (5)

体积改变速率由此通过以下给出:

$\stackrel{\·}{V}\left(p\right)=Q_n+Q_d---\left(6\right)$

对于不存在压力差的特定情况，输入压力为零，和激励力被假定为正弦曲线状的。解决方程(1)-(6)，考虑了流体作用的共振频率的原始表达式从[11]得到且可被重写为以下形式：

$f_1=\frac{f_0}{\sqrt{1+\mathrm{\β}}}---\left(7\right)$

$\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\ρ}}_m}[\frac{H}{h}+\frac{(1+{\mathrm{\α}}^2)L{A}_m}{2h\sqrt{A_1{A}_2}}]---\left(8\right)$

$f_0=\frac{10.21h}{2\mathrm{\π}{a}^2}\sqrt{\frac{E}{12\mathrm{\ρm}(1-{\mathrm{\υ}}^2)}}---\left(9\right)$

A₁＝HW₁ A₂＝HW₂   (10)

$\frac{W_2}{W_1}=1+\frac{2L\tan \left(\mathrm{\θ}\right)}{W_1}---\left(11\right)$

其中β是对应于有效流体质量和隔膜质量之间的比，其涉及流体和隔膜密度比、振动隔膜的面积A_m和扩散器元件的尺寸变量(腔室高度H、扩散器元件长度L和喉部段宽度W，如图3所示)。其中f₀是夹紧边缘的薄板的基础频率。因此，公式(7)意味着隔膜微型泵的共振频率与隔膜的形态性质(modal properties)、流体和隔膜之间的密度比、以及微型泵的几何构造和尺寸有关。

在COMSOL建模软件(COSMOL AB of Stockholm，Sweden提供)中声学和结构力学模型的组合，可处理耦合的流体-弹性结构相互作用的问题。在多物理耦合中，声学分析提供负载(压力)至结构分析，且该结构分析提供加速度至该声学分析。这里，压力通过流体中声音的速度与密度相关。假定隔膜在外边缘处被夹紧，在该处位移和速度是零。当隔膜在电磁场下被弯曲时，来自流体的声学压力被用作名义负载。对于流体部分，我们假定微型泵的基底是优选的刚性壁，由此名义加速度在扩散器/喷嘴元件的壁处和在流体腔室壁处消失。在流体-壁界面处设定非滑动条件且在入口和出口处设定无压力边界。所有的边界条件被与前面所述相同地设定。

公式(7)-(11)教导许多影响参数将是共振频率的变化的影响因素。由此，必须利用白金汉II定理建立无量纲变量来识别这些因素。

f₁＝f(L/W₁,θ,H/W₁,H/h)   (12)

其中L/W₁被定义为扩散器长径比；θ是扩散器打开角度；H/W₁是扩散器的宽高比；H/h是厚度比。由此，为了直接说明具有流体-隔膜耦合的隔膜微型泵的共振频率与几何影响参数之间的关系，在W和h被指定后，解析和数值解在图15至18中绘出。水被用于该实例中。

图15至18所示，共振频率和扩散器长径比(L/W₁)之间的反比例关系以及共振频率与打开角度(2θ)、高宽比(H/W₁)和厚度比之间的成比例关系，在有限元方法和解析方法二者中都被观察到。而且，FEA方法在幅度上与解析预测较好地一致。解析解在FEA解的20％内。为了比较，当空气被装载用于测试时，该差异可被减小至10％这么低。基于前述分析，特定微型泵模型的尺寸被在表4中选择且室温工作流体的性质被列在表5中。

表4:微型泵实施例的尺寸

参数	数值
		PDMS复合隔膜厚度h(μm)	65
圆形流体腔室半径a(μm)	3000
		流体腔室深度H(μm)	650
扩散器/喷嘴喉部宽度W1(μm)	160
		扩散器/喷嘴端部宽度W1(μm)	440
扩散器/喷嘴打开角度(2θ)	10
		扩散器/喷嘴深度HI(μm)	650
扩散器/喷嘴长度L(μm)	1600

表5：用于室温工作流体计算的参数

参数	空气	水
			声速(M/s)	343	1500
密度(Kg/m3)	1.2	1000
			粘度(N.s/m2)	1.8e-5	0.001

当没有流体被装载时，该促动隔膜的第一两个共振频率是约138.106Hz和287.222Hz。当空气被装载时，共振频率被稍微地降低至104.762Hz和284.198Hz。当水被用于测试时，该频率分别是5.531Hz和65.269Hz。该比较表明密度增加将质量增加至系统，从而导致共振频率的降低，且流体密度越高，阻尼作用约明显。可观察到，圆形隔膜在第一共振频率下沿一个方向弯曲且在隔膜的中部具有一个峰值，这在微型泵促动中是优选的。这与流体加载不改变模型形状(modal shape)的假设一致。

要证明流体阻尼作用发生在泵送动作过程中的另一个观察角度是隔膜位移。微型泵的瞬时分析在一段时间内进行且具有流体阻尼或没有流体加载促动隔膜的比较在图19中示出。在0.05s和0.15s处，隔膜的最大位移沿相反方向发生且微型设备是在泵浦和供应模式中，分别如图20和21所示。促动隔膜的挠曲幅度在激励电流为0.4A时为87.691μm，小于没有流体被耦合在该腔室中时的104.5μm。因此，隔膜的挠曲幅度被降低16.09％。这再次意味着流体阻尼作用发生在泵送动作过程中。

具有微型通道的刚性流体腔室，及用于该设备的柔性促动隔膜，出于更好的性能和可靠性的考虑，是被期望的。软的和柔性的聚合物腔室将导致遍及整个微型泵的振动。增加混合物中的固化剂百分比增加PDMS的刚度。因此，PDMS混合物中的固化剂被增加至PDMS对固化剂为约5:1的比例，以给流体腔室提供刚性结构。用于隔膜的该比例为PDMS对固化剂为10:1。然后，液体PDMS被浇至SU-8模具且被固化以获得期望的微型结构。最后，两层被小心地对齐和压在一起。

关于结合技术(bonding techniques)，正常工作条件，例如室温和正常压力，对于低成本制造是优选的。随着多层PDMS微型设备在过去几年中日益吸引兴趣，多个不同的PDMS结合技术已被报道且关于它们的结合强度已经被比较。快速的，但是昂贵的氧离子结合技术仍是用于结合PDMS层的广泛使用的方法，而未固化PDMS粘接剂提供了有效和简化的对于氧离子结合的替代。这两种方法对于组装本披露内容的实施例的促动隔膜和流体腔室基底都是可接受的。未固化的PDMS的非常薄的膜被施加至100℃热板上的模制流体腔室PDMS基底的表面持续20分钟。替换地，氧离子处理( 微波炉，10％的氧持续10秒)还提供了在两个PDMS层之间非常结实的结合方法，以密封流体腔室和入口/出口微型通道。微型泵的重量被测量为约1.47g。

在微型泵被组装后，面临的另一挑战是微型设备和标准流体装备(例如大型针筒和管)之间的互连。微流体技术涉及毫米级或更小的尺寸且由此没有现成可用的微型流体连接件来适应不同尺寸的管。PDMS连接器300(其包括穿过中心的孔和用于连接至微型流体设备的双面的胶)和塑料装配件302通过CNC机加工制造，如图22所示。装配件302包括与管306连接的一个小端部304和被压入软聚合物设备的另一锥形端部308。

在一段时间内的平均体积通量是微型泵的最重要的特性中的一个。在喷嘴/扩散器元件和流体腔室中的惯性作用和能力损耗以及促动隔膜中的损耗在这里被考虑。依赖频率的流速是基于流体-隔膜耦合控制公式(1)-(4)和流体体积公式(5)-(6)得出。

$\stackrel{\‾}{Q}=\frac{1}{2n}{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{Q}_d\mathrm{dt}=\frac{\mathrm{\αF}}{\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{6\mathrm{\π}{C}_1}{\sqrt{{\left(16\mathrm{\β}{C}_{3}F\right)}^2+9{\mathrm{\π}}^2{(1-C)}^4+3\mathrm{\π}{(1-C)}^2}}}---\left(13\right)$

其中：

$C_1={\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0}\right)}^2,C_2=C_1{R}_{\mathrm{\ρ}}(\frac{H}{h}+\frac{L}{h}\frac{A_m}{2\sqrt{A_1{A}_2}}),C_3=\frac{R_{\mathrm{\ρ}}{C}_1}{8}{\left(\frac{A_m}{A_1}\right)}^2,C_4=C_3\frac{4L}{h}\frac{A_1}{A_m}\sqrt{\frac{A_1}{A_2}}$

$C=C_1+C_2+{\mathrm{\α}}^2{C}_4,\mathrm{\α}=(\sqrt{{\mathrm{\ξ}}_n}-\sqrt{{\mathrm{\ξ}}_d})/(\sqrt{{\mathrm{\ξ}}_n}+\sqrt{{\mathrm{\ξ}}_d}),\mathrm{\β}=2{\mathrm{\ξ}}_n{\mathrm{\ξ}}_d/{(\sqrt{{\mathrm{\ξ}}_n}+\sqrt{{\mathrm{\ξ}}_d})}^2,{\mathrm{\ω}}_0=2\mathrm{\π}{f}_0---\left(14\right)$

项C₁代表隔膜的惯性作用；C₂考虑了泵内的流体的惯性力；C₃反应了喷嘴/扩散器元件中的粘滞损耗作用；C₄代表喷嘴/扩散器元件内的流体的惯性作用；C将流体和隔膜的所有惯性因素关联。F是无量纲(dimensionless)促动力且在入口和出口之间没有压力差。如果平行双流体腔室构造被使用，如图10所示，项C₂、C₃和C₄相应地被加倍。

上述得到的理论指出，压力损耗系数(ξ_n/ζ_d)之间的比例应尽可能地高，以最大化泵送行程效率。因此，对于每个泵送周期，喷嘴/扩散器泵可产生从喷嘴至扩散器的净流动。从这些公式，我们观察到，流速受到三个因素的影响：激励频率和隔膜基础频率的比(ω/ω₀)、密度比(R_ρ)和几何尺寸比，该几何尺寸比确定损失系数(α和β)。但是，应注意，压力损失系数(ξ_n＝1.01和ξ_d＝0.449)是通过使用有限元分析(FEA)在低雷诺兹数(Reynolds number)下数值地得到，这是因为根据白金汉II定理压力降主要依赖于无量纲变量。再次：

ξ＝f(L/W₁,θ,H/W₂,1/Re)   (15)

同时，一定程度上，喷嘴/扩散器元件内的表面粗糙度也影响压力降。但是，如果微型泵已经被制造且流速可被直接测量，则不必准确地测量微型喷嘴/扩散器的几何尺寸和计算损失系数。因此，FEA是概念设计阶段中计算损失系数和预测泵送流速的有效方法。基于部分3中的分析和激励频率的实际要求，具有表4中示出的期望尺寸的无阀微型泵被用于研究依赖于频率的性能。

图23中所示的图说明了微型泵的泵送流速是从0Hz至20Hz变化的激励频率的函数。在低频范围中，流速随激励频率几乎线性地增加，然后在具有流体阻尼的促动隔膜的共振频率处达到最大流速。在流速峰值后，泵送速率在高频处急剧降低。参考图24，最大泵送速率随促动电压幅度而线性地增加。在0.4A和2A处的最大流速分别是19.61μl/分钟和43.86μl/分钟。电压幅度的增加导致隔膜变形的增加。为了满足高流速要求，例如，在药物输送系统中，保持相同的输入功率，平行双腔室构造被示出在图7中。但是，有趣的是，尽管流体容量对于后者而言(其以反相工作)被加倍，最大流速在具有3Hz激励频率、0.4A输入电流的条件下是约27.73μl/分钟。这小于操作于相同电流幅度但是具有4.36Hz激励频率(如图25所示)下的前者的19.61μl/分钟的两倍。由于两个腔室内的流体会发生作用，该结果也是合理的。

在本披露内容的微型泵的示例性实施例中，低成本的简单螺线管被开发用于磁性促动以代替集成微型线圈以避免复杂和严格的制造工艺。尽管外部磁性促动器的结构对其应用具有限制，但是在其中高度需要大力量、快响应和低功耗而尺寸是其次考虑因素的情况下，电磁驱动仍具有超过其他促动方法的优点。简单设计且容易制造，电磁体包括绕软铁圆柱棒(5mm直径X10mm)缠绕的磁感应线圈，和具有集成的小块状NdFeB磁体(尺寸:3x3x0.5mm³且重量0.03g，来自Neotexx，德国柏林)的可移动隔膜。尽管通常在非常短距离内较弱，电磁驱动器可由促动电流直接产生可控制的磁场。由此，当磁场被颠倒时，在该复合隔膜上产生交替的吸力和斥力，这产生隔膜的周期性的挠曲。

铜线圈(28AWG，460匝)的电阻和电感在100Hz条件下是约4.40Ω和3.49mH。螺线管中高于0.5A的电流非常快地产生热量。因此，促动的实际电流应被控制在0.5A之下。通常使用两种类型的促动电流：正弦波和方波电流。在具有相同的峰-峰值的情况下，方波电流可保持大的挠曲和承载更多的能量，该能量可被转换为磁力。DC电源(其可提供最大-30/+30V电压(BK Precision 1672))和方波发生器电路可被用于产生方波电流，如图25A所示。在螺线管促动器由于线圈的感应而被加载后，方波信号发生小变化。可被电池代替的DC电源具有用于微型泵的便携应用的可能性。信号的频率通过精细调节电路中的电位计的电阻而被控制。

由感应线圈作用在永久磁体上的垂直电磁力Fz是通过以下给出：

$F_z=B_r\underset{z}{\overset{z+h_m}{\∫}}{S}_m\·\frac{\∂H_z}{\∂z}\·\mathrm{dz}---\left(16\right)$

其中H_z是由线圈产生的磁场的垂直分量，B_r是磁体的剩磁，S_m，、h_m分别是磁体的表面积和厚度。是磁场的梯度。该公式指出，电磁力与磁体体积和垂直磁场中的变化成比例。

在本披露内容的微型泵的一个示例性实施例中，列在表6中的设计参数被使用。

表6：微型泵结构性尺寸

设计参数	微型泵(μm)
		隔膜厚度h	800
流体腔室半径a	3500
		流体腔室深度H	500
扩散器/喷嘴喉部宽度(W1)	160
		扩散器/喷嘴端部宽度(W2)	440
扩散器/喷嘴打开角度(θ)度	10
		扩散器/喷嘴长度(L)	1600

根据应用中的流速的要求，用于特定隔膜的体积行程和激励频率可被估计且由此促动所需的磁力和电输入信号也可在设计阶段中得到。但是，通过试验来估计这些参数是非常不实际的。因此，依赖于频率的流速公式被用于粗略地估计这些参数，因为隔膜的几何特征、流体腔室结构、微型通道和流体特性确定了共振频率，由此与微型泵的流速相关。

Q＝2ηΔVf    (17)

其中，ΔV是行程体积，被定义为泵行程效率，而η_F是扩散器整流系数，且f是激励频率。

然后，在该设备中，设计参数被确定为如表1中。值得注意的是，增加行程体积和降低死体积改善了泵的性能。该泵的总体积是0.01924ml，具有7mm的直径和500μm的深度。

对于本披露内容的的示例性实施例，乙醇被用作工作流体。20℃和1大气压时的介质的物理性质被列在表7中。在该例中，装置包括流体储存器(针筒)、微型泵、促动电路板和电磁促动器，以及具有CCD相机的光学显微镜。显微镜被用于观察流体腔室内的乙醇和在泵送过程中产生的气泡。

表7：20℃和1大气压时的流体性质

入口和出口管是商用管。入口管被连接至储存器。当流体向前移动时，流体储存器自动地装填流体腔室。自装填能力和气泡容忍性可根据压缩比(泵的体积行程ΔV和总的死体积V之间的比)来确定。由于当微型泵已被制造时微型泵的总体积V是恒定的，体积行程确定压缩比。在这种情况下，压缩比是约0.068，其小于自装填和容忍气泡的流体泵的最小压缩比0.075。

在微型泵的操作过程中，出口管中的流体流量和流体的重量被测量。管对流体流动的摩擦具有特别的重要性。必须考虑管中的压力降。通常对于生物医学应用的微型泵的关注的流速是小于1ml/分钟且雷诺兹数可被估计为8.72。因此，穿过管的流动是层流。由于入口/出口管中的摩擦损耗导致压力的变化可通过哈根-泊萧叶公式(Hagen-Poiseuille equation)评估，该公式为:

$\mathrm{\Δp}=-\frac{128\mathrm{\μ\ΔLQ}}{\mathrm{\π}{a}^4}---\left(18\right)$

其中Δp是流动阻力且μ是流体粘度，ΔL、a是管的长度和内半径，Q是流速。

每个流体介质的压力降可被忽略(测试中的管的长度是约5cm，压力降约为2.1Pa)且不显著影响微型泵的性能。

最大流速是当泵工作于零背压时的流速。对于这些不同的电流测试，在入口和出口之间不存在压力差。操作于共振频率处的微型泵可导致位移增加、更高的流速和更高的转换效率，由此降低了功率需求。因此，控制系统的有效激励频率变得非常重要。0.14A、0.16A和0.18A的电流被用于测试在激励频率范围内的流速。这些结果示出于图26-28中。

当频率低于15Hz时，流动在靠近连接至微型泵的出口管的开始处的位置周围摆动，且泵不能传送流体。这是因为沿两个方向的低流体阻力和由此无阀泵经受一定程度的返流。因此，如果激励频率太低，则难于积累足够的从入口至出口的净流体流。进而，当无阀整流泵中驱动频率是低于20Hz时，流体流是脉动的且难于保持恒定流速。这是由于应用在该磁性促动中的方波信号的周期性特性。而且，对于这三组实例，存在两个流速峰值。这是因为振动隔膜的共振频率的第一两个模式(the first two modes of resonantfrequencies)被达到。

如图14所示，隔膜仅沿一个方向弯曲，而隔膜的一半向上弯曲且另一半向下弯曲。第一模式产生比第二模式更高的体积行程。因此，通常在第二峰值处的流速低于第一峰值。

在具有不同电流幅度的这三组测试中的流速曲线中具有一些差异。首先，对于第一组，对于稳定流速的有效工作频率范围是从20Hz到34Hz，且两个共振频率分别是25.01Hz和30.04Hz。20Hz至47.5Hz和20Hz至50Hz分别是第二和第三组的频率范围。对于第二组的两个共振频率是25.9和36.1Hz，对于第三组是26.1和37.5Hz。后两组的数值非常接近而第一组稍微偏离。由于流速在0.14A的电流处较小且管内的摩擦力变为支配因素，测量误差比其他两组高。第二，在第一流速峰值达到前流速随激励频率增加，然后跟着急剧下降。第二峰值，其比第一峰值稍低，再次伴随激励频率的增加而到来。第三，流速在频率增加时降低。该结果表示，流速在相关激励频率内可被控制。

背压通常指流体系统中由障碍产生的抵抗自由移动流动的压力。由此，在本披露内容的微型泵中，最大背压(P_max)被定义为当泵的流速变为零时施加在流体上的相反压力。

实现在长时间段中恒定持续的泵送是可靠的微型泵的重要指标。在流体腔室中温度的上升是重要特征，因为腔室中产生的小气泡可显著影响流速。而且，在生物化学或生命科学应用中，高温度可损坏包含活性细胞或敏感颗粒的流体。但是，测量流体腔内的温度变化是不容易的。而是，磁性促动器的温度上升被测量以估计该流体温度，因为磁性促动器是电流驱动的且线圈的温度将被快速升高。流体的实际温度可稍微低于磁性促动器的温度。因此，在0.18A、25Hz(共振频率)且电磁体和振动隔膜之间的气隙约为1mm时，一小时内的温度上升被测量。如图29所示，温度沿非线性曲线稳定地从21.3℃增加至38.1℃。该温度显著低于用于多数生物流体样本的临界温度。本披露内容的微型泵的实施例的特性被列在表8中。

表8:微型泵特性

外尺寸	11x7x2.5mm3
		促动	电磁促动
颗粒容忍	是
		共振频率	25.9Hz
最大流速	75.13μl/分钟
		最大背压	400Pa
电流	0.18A
		电压	2.1V
功耗	378mW

因此，磁性促动的软聚合物(PDMS)微型泵的实施例在该实例中给出。流体流动方向依赖于两个喷嘴/扩散器元件，其在该微型设备的入口和出口中具有不同的流体阻力。存在多个与该微型泵实施例相关的优点。该简单的制造工艺和平面结构特征允许容易地集成至μTAS设备中，由此允许整个微流体系统的小型化。所有制造工艺可被在清洁室设施之外实施，其显著地降低了成本。此外，低电压和功耗的需求使得本披露内容的微型泵可用于便携医学设备中，其可由小电池供电。基于给出的设计和制造方法，长时间段中的恒定持续流速和低温度上升证明了该软PDMS微型泵在生物医学应用中的可行性和良好的可靠性和生物兼容性。

在本披露内容的微型泵中，控制系统包括传感器和控制器。传感器为霍尔效应传感器并被布置在促动器线圈附近。参考图30-32，柔性隔膜响应电磁线圈施加的磁场(B)而移动。磁体的位置且由此隔膜的挠曲和两个腔室的各自体积改变磁场构造，该磁场构造通过霍尔效应传感器而被取样。适当的传感器是，例如，由Allegro Microsystems制造的具有2.5mV/高斯的敏感度的A1301线性霍尔效应传感器。位置信息被提供至控制器且被用于确定磁体的位置(在0.05mm的精确度内)。

控制器基于用户选择的流速需求指示磁体的运动。多种模式的操作可被构造，例如用于准确定量施药的低速模式或用于高体积流速的高速模式。

测量磁体的实时位置的能力是重要的，因为这使得可以进行闭环流速控制，这防止了磁体和腔室壁之间的碰撞(这消除了碰撞损坏和降低了噪音)，且使得可以实现高效的受控共振操作模式。由于本披露内容的微型泵包括两个单独的部分，无接触传感系统是必须的。已经发现，确定磁体的位置，且由此确定隔膜的位置，是容易通过测量由磁体产生的磁场而以成本有效的方式实现。实施该方法的主要缺点是由于电磁驱动器线圈导致的磁噪，其需要被抑制。因此，传感器被定位为使得磁噪被最小化。

信号和磁扰动(magnetic perturbation)的幅度强烈地依赖于传感器的位置和方向。在传感器位置处，线圈磁场必须尽可能地最低，且磁体磁场必须尽可能最高。存在满足这两个要求的位置(见图33、34、35)。沿每个线圈的侧面，Br_coil较弱而Br_magnet较强。该位置被称为侧面位置。该位置为磁场感应提供比其它可能的位置更好的信号与噪音的比例。在图36中，由线圈和磁体产生的磁场被比较:(i)在侧面位置处的Br和(ii)在经典标准位置处的Bz(即在线圈的中央)。

该侧面位置证明对于线圈B_coil的磁场非常不敏感且仍对于磁体B_magnet敏感。在图37上，示出了该侧面位置处的信号比在中央处小3倍；但是，线圈的扰动小约12倍，从而信号/噪音比在该侧面位置处更好。

在示例性实施例中，最小信号/噪音比(B_magnet)_min/(B_coil)_max＝45，以及敏感度比ΔB_magnet/Δz～75-100Gauss/mm(取决于位置)～220mV/mm已被利用磁体的位置Z确定(考虑8mm的最大距离和穿过线圈的最大电流0.3A)。性能和线圈扰动已被在该侧面位置处的传感器测量，如图38、39所示。

该选择的位置允许优化信号/噪音比，而不是完全抑制线圈的磁扰动。为了准确地实现这目的，噪音抑制系统被构造，其基于磁场的线圈和磁体分量的分离，因为使用了脉冲。

当阶梯电压在t＝t₀处被施加至线圈，系统响应如下：

B_sensor(t)＝B_sensor(t₀)+ΔB_coil(t-t₀)+Δb_{magnet_displacement}(t-t₀)

其中ΔB_coil+ΔB_{magnet_dispiacement}是在阶梯电压被施加后由传感器测量的径向磁场的总变化ΔB_sensor。ΔB_coil是由于线圈导致的磁扰动，其是线圈对于该变化的贡献(由于线圈产生磁场)；ΔB_{magnet_displacement}是磁铁对于该变化的贡献(由于磁体移动，且由此至传感器的距离改变和由此由传感器测量的磁场发生变化)。

这两项具有不同的固有响应时间。ΔB_coil与线圈中流动的电流I成比例，且由此具有电响应时间τ_I＝L/R。ΔB_{magnet_displacement}是由于磁体的位移。一旦磁场被施加，磁体加速直至它们达到近乎恒定的速度。到达该恒定速度所需的时间将是机械响应时间τ_M。在本实例中，τ_I＜＜τ_M。这意味着当电压阶梯被施加时，ΔB_coil已达到最终数值而ΔB_{magnet_displacement}仍是可忽略的。因此，我们获得:

$\mathrm{\Δ}{B}_{\mathrm{coil}}\left(I\right)=\left[\frac{B_{\mathrm{sensor}}(t_0+t_1)-B_{\mathrm{sensor}}\left(t_0\right)}{I(t_0+t_1)}\right]*I---\left(19\right)$

其中t₁>τ_I且t₁＜＜T_M。在该情况下，t₁～0.2ms是理想数值。

方程(19)示出了，甚至当磁体在泵内时，由于施加脉冲信号，通过测量时间t₁处测量响应，可以在磁体来得及移动前独立地得到线圈的扰动。

基于该原理，传感器对于电压脉冲的响应(见图40)被测量和用于计算线圈ΔB_coil(I)的磁扰动(见图41)。该传感器响应被与其实际数值比较，该实际数值是通过从泵移除磁体直接从线圈本身测量(见图K)。注意该测量值是具有噪音，因为固有传感器噪音水平和在该精度水平处的有限CAN转换精度(1Gauss＝传感器测量范围的1/2000)。

下面的方案导致可重复的准确的数值(见图41)：施加5个脉冲+10V，1ms的持续时间，每10ms一次；施加5个脉冲-10V，1ms的持续时间，每10ms一次；电流和磁场被测量。脉冲的平均线圈扰动因子被根据方程计算：

$A_{\mathrm{coil}}=\⟨\frac{\mathrm{\Δ}{B}_{\mathrm{coil}}\left(I\right)}{I}\⟩$

在A_coil被计算后，A_coil在测量过程中被实时使用，其中：

B＝B_measured-A_coil*I

提出的扰动测量方法既准确又快速，且可被就地用于微型泵内已有的磁体。这是感应系统的自动校正过程的第一部分。第二部分被描述如下。

一旦线圈扰动被抑制，测量的信号对应于由磁体在传感器水平处产生的磁场Br_magnet。测量的信号不是磁体位置的线性函数。因此，位置确定算法被使用，其将传感器信号变换为磁体位置。

磁体的磁化强度M在磁体外部的点r'处产生磁场：

$B\left(r^{\′}\right)=-\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}(M\·\mathrm{grad})\left({\∫}_{V_{\mathrm{magnet}}}\frac{(r-r^{\′})}{{\left|\right|r-r^{\′}\left|\right|}^3}\mathrm{dV}\right)---\left(20\right)$

其中r是磁体的体积V_magent中的基元体积dV的坐标，用在(20)中的体积积分中。

在本实例中，磁体具有轴对称几何构造，从而对于每个磁体：

$B_r\left(z_{\mathrm{botton}}\right)=\frac{B_{\mathrm{rem}}}{4\mathrm{\π}}\frac{\∂}{\∂z_s}{\∫}_{z=z_{\mathrm{bottom}}}^{z_{\mathrm{bottom}}+h}{\∫}_{r=0}^R{\∫}_{\mathrm{\θ}=0}^{2\mathrm{\π}}\frac{(r_s-r\cos \mathrm{\θ})}{{[{\left(r\sin \mathrm{\θ}\right)}^2+{(r_s-r\cos \mathrm{\θ})}^2+{(z_s-z)}^2]}^{\frac{3}{2}}}\mathrm{rd\θdrdz}$

$B_z\left(z_{\mathrm{botton}}\right)=\frac{B_{\mathrm{rem}}}{4\mathrm{\π}}\frac{\∂}{\∂z_s}{\∫}_{z=z_{\mathrm{bottom}}}^{z_{\mathrm{bottom}}+h}{\∫}_{r=0}^R{\∫}_{\mathrm{\θ}=0}^{2\mathrm{\π}}\frac{(z_s-z)}{{[{\left(r\sin \mathrm{\θ}\right)}^2+{(r_s-r\cos \mathrm{\θ})}^2+{(z_s-z)}^2]}^{\frac{3}{2}}}\mathrm{rd\θdrdz}$

其中基准(0，0，0)是泵腔室的中心。B_rem是磁体内的剩磁磁场。(r_s，z_s)是传感器的中心的坐标；R是磁体的半径，h是磁体的厚度，且Z_bottom是磁体的底部的坐标。

一旦线圈的作用被抑制，由传感器测量的磁场是两个磁体的磁场的叠加。

$B_{\mathrm{sensor}}=B_r(z_m+\frac{h_m}{2})+B_r(z_m-h-\frac{h_m}{2})---\left(21\right)$

方程(21)自身不能被用于确定磁体的中心的位置z_m(且由此隔膜的位置)，因为其积分不给出任何解析结果，从而不能获得(21)的反函数。必须建立(21)的查询表和相应的反查询表。

实际系统不是理想的且公式的参数已知仅具有有限精度。因此，作为B_measured的函数的z_m的模拟数值将不同于实际数值。但是，通过使用下面方程可以较强地降低实际和模拟数值之间的差别：

$B_{\mathrm{simulated}\_\mathrm{corrected}}\left(z\right)=B_{\mathrm{simulated}}\left(z\right)*[\frac{B_{\max \_\mathrm{measured}}}{B_{\max \_\mathrm{simulated}}}+\left(\frac{z-z_{B\max }}{z_{B\min }-z_{B\max }}\right)*(\frac{B_{\min \_\mathrm{measured}}}{B_{\min \_\mathrm{simulated}}}-\frac{B_{\max \_\mathrm{measured}}}{B_{\max \_\mathrm{simulated}}})]---\left(22\right)$

方程(22)使得能使用经校正的模拟数值，其非常逼近实际数值，来准确地确定磁体的位置，假定我们知道两种情况下的实际Br_magnet：对于z_Bmax和z_Bmin，z_Bmax和z_Bmin容易获得，因为他们是磁体在碰到下壁时的位置(z_Bmax)和上壁时的位置(z_Bmin)。

遵循该原理，磁体的位置可通过下面的方法获得：

(a)根据泵的尺寸，传感器的位置和磁体的尺寸和材料，模拟通过方程(21)离线完成；

(b)查询表被产生且在烧录程序过程中被记录在微控制器储存器中；

(c)每次泵被再开启时或新泵部件被插入时，最大和最小位置被搜索且相应的磁场被测量；

(d)方程(22)被用于修正查询表然后建立反查询表，其给出作为B_measure函数的z_m；以及

(e)利用反查询表上的线性回归实时从B_measured获得z_m；

其中步骤c和d是自动完成且不超过1秒。

由磁体建立的磁场被传感器测量作为磁体位置的函数(见图42)。在图42中，磁场被作为以下的函数绘图：(i)模拟的磁场；(ii)根据方程(22)校正的模拟数值；和(iii)利用上述方法建立的查询表上的实时线性回归。

实际数值和计算的反查询表数值之间的最大误差已被测量：Error_max＝0.03mm＝泵内的磁体的总范围的0.75％，即，具有腔室体积的0.75％的精度。

控制系统300被包括在本披露内容的示例性实施例中。参考图43，控制系统300包括被构造为接收用户输入304的中央处理单元(CPU)302。显示器306，例如液晶显示器(LCD)，被提供以允许用户看见各种参数值，例如流速、体积、功率、电池充电等。CPU 302提供促动信号，其经过数字到模拟(D/A)变换器和信号处理单元308。除了磁性线圈附近的霍尔效应位置传感器310，如前所述，本披露内容的微型泵的实施例可还包括微型泵的出口上的流量传感器(flow sensor)312，和流体储存器上的体积传感器314。这些数值在被提供至CPU 302之前经过模拟至数值(A/D)316控制器。从这些传感器获得数值被比较以提供附加反馈给控制器，以优化流速和/或用于在这些参数超过预定数值时提供警告或警示状况，如图44所示。

在本披露内容的示例性实施例中，两种不同的PID控制器被使用:(i)第一PID包括设定点，用于电流I和输出电压U；(ii)第二PID包括设定点，用于磁体x的位置，和电流I的输出。感应系统据具有自电流传感器31的信号的物理输入且在噪音抑制后将其转换为磁体位置(如前所述)。

控制系统构架的示例性实施例在图45中示出。控制器300可从感应模块320和校准管理器330接收输入，用于操作于感应模式和校准模式中。而且，由感应模块320产生的信号可在由控制器300处理前经过过滤器模块340。

当操作于校准模式中时，校准触发器356或要求通过用户接口提供。校准管理器330通过发送校准信号至PWM变换器352来控制磁体在柔性隔膜上的位置。磁体的位置被记录且控制器参数被修改。操作然后被返回至具有更新的参数和校准的控制器。校准模式中的操作的简化流程图在图47中示出。

当操作于感应模式中时，用户接口350提供要求的流速需求，其然后被控制器300转换为用于布置在柔性隔膜上的磁体的位移指令。这些指令然后被用作控制器300的设定点。控制器实时地将磁体的位置的设定点与实际位置比较。基于该比较，控制器300发送电压信号至脉宽调制(PWM)变换器352。PWM变换器352然后将来自控制器的电压信号转换为PWM信号，其然后被供应至H桥电路354，该电路354控制流至促动线圈的电流。感应模式中的操作的简化流程图在图46中示出。

由于本披露内容的微型泵的示例性实施例使用霍尔效应传感器通过设置在隔膜上的磁体产生的磁场强度来探测柔性隔膜的位置，该信号需要被转换为位置数值。示例性实施例使用基于电磁场模块的查询表来提供作为磁场强度的函数的磁体位置。电磁场模块在对控制器编程前基于参数(例如部件尺寸和使用的材料，如前所述)被计算。由于这些计算的结果是物理实施例的近似，校准使得系统能以约0.03mm的精度来感应实际位置/磁场关系。

由感应模块320提供的反馈信号包含噪音，这是由于使用了PWM驱动电路和磁场的性质。因此，过滤器模块340被用于抑制信号中的噪音。过滤器模块包括两个过滤器：快过滤器342和慢过滤器344。快过滤器342精度较小，但是适用于对噪音振动较少敏感的操作，例如积分。慢过滤器344具有较高精度；但是，该增加的精度还增加了延迟时间。考虑该延迟，慢过滤器适于测量磁体的速度。

系统具有清楚的机械滞后；而且，电流和由此磁场既不是线性的也不是电压的单义函数(univocal function)，这是由于线圈的加热，如图48所示。这防止了利用开环信号来控制它。不管该滞后，其通常防止获得比滞后幅度更好的结果，原型响应是快速(对于高幅度设定点变化的时间响应)，且准确的(静态误差＝0；最大超调误差＝2％)，如图49所示.

除了本披露内容的无阀微型泵实施例，如上所述，替换实施例可使用止回阀来提供单向流体流动路径。参考图50-52，与本披露内容的微型泵一起使用的止回阀400的实施例包括阀体402，其可由结合在一起的一对本体部件404、406形成。本体部件404、406限定了腔室408，该腔体具有布置为彼此隔开且彼此面对的一对基本上平坦表面410、412，其用作布置在腔室408内的隔膜414的座。止回阀400还包括与腔室408流体连通的入口端口416、出口端口418。隔膜414被构造为浮在腔室408内，且在示例性实施例中比腔室408小大约20％。座410，定位于入口端口416附近，是实体的。定位在出口端口418附近的座412包括多个孔420，其允许流体通过。在示例性实施例中，这种孔420被以玫瑰花样式机加工至座412中，但是，允许流体穿过阀400同时允许隔膜414被座靠于座412上的任意样式都是可接受的。

现在参考图51和52，在出口端口418处的流体压力大于入口端口416处的流体压力的任一点处，相反的流体流动状况将出现，如图51由箭头R所示。该相反的流动用于将隔膜414朝向入口座410摆动。在隔膜414被座靠于入口座410上后，隔膜414覆盖入口端口416以防止进一步的相反流动。

在入口端口416处的流体压力大于出口端口418处的流体压力的任一点处，向前的流体流动状况将出现，如图52由箭头F所示。该向前的流动将隔膜414朝向出口座412摆动。由于出口座412包括孔420，流体被允许绕隔膜414流动穿过这些孔420，由此允许流体沿向前流体流动方向F流动穿过出口端口418

现在参考图53，本披露内容的另一实施例包括多腔微型泵510。多腔微型泵510可被构造为多个泵筒580A、580B、580C，这些泵筒被构造为插入驱动器590中。尽管三个泵筒被示出，显然的是，更多或更少的筒在本披露内容的范围内且可根据本披露内容的微型泵的应用而变化。泵筒580A、580B和580C的每个都与其他相同，且由此泵筒580A将被作为示例性实施例描述。

泵筒580A包括第一泵体512、第二泵体524、和设置在这两个泵体之间的柔性隔膜536。泵筒可选地包括止回阀歧管582。替换地，泵筒580A可具有本文披露的无阀设计。泵筒580A还包括入口520、532和出口522、534。管于是可被连接至入口520、532和出口522、534，用于流体传送。

驱动器590包括与多个泵筒580A、580B、580C对应的多个接收器模块590A、590B、590C。作为示例性实施例，接收器模块590A包括第一支撑件592和第二支撑件594。第一和第二支撑件592、594每个都分别包括被构造为接收螺线管或促动线圈的凹部598。每个接收器模块590A、590B、590C都限定容座500，其被构造为接收泵筒580A、580B、580C。接收器模块可被构造为堆叠配置，如图53所示，或可被构造为其他配置，例如背靠背、肩并肩，或其组合，这依赖于需要的应用。

前文被认为仅是要求保护的本发明的原理的说明。而且，由于对于本领域技术人员可容易地进行许多修改和变化，因此不希望限制要求保护的本发明于所示和所述的精确结构和操作，且因此，所有适当的修改和等效物可在且落入本发明的要求保护的范围。

Claims (44)

1.一种用于输送流体的微型泵，该微型泵包括:

泵组件，该泵组件包括：

第一泵体，该第一泵体限定第一流体流动路径，该第一泵体包括：

第一腔室，该第一腔室包括第一腔室壁和第一侧壁，

第一入口和第一出口，其中第一入口和第一出口与第一腔室流体连通，

第二泵体，该第二泵体限定第二流体流动路径，第二泵体包括：

第二腔室，该第二腔室包括第二腔室壁和第二侧壁，

第二入口和第二出口，其中第二入口和第二出口与第二腔室流体连通，

柔性隔膜，布置在第一腔室和第二腔室之间；以及

促动器组件，该促动器组件被构造为与泵组件协作，该促动器组件包括：

磁性耦合至隔膜的驱动器，和

构造为检测隔膜的位置的传感器，

其中驱动器施加磁力至隔膜，导致隔膜挠曲，且其中隔膜的该挠曲导致第一腔室和第二腔室内的压力的变化，由此导致流体流动；且

其中该泵组件被构造为在没有阀的情况下沿预定方向引导流体流动。

2.如权利要求1所述的微型泵，其中第一入口还包括第一入口通道，该第一入口通道包括：

具有第一入口喉部宽度的第一入口喉部，和具有第一入口端部宽度的第一入口端部，

其中该第一入口通道被构造为使得流体沿从第一入口喉部至第一入口端部的方向流动，

且其中第一入口端部被布置在第一侧壁中，且其中第一入口喉部宽度小于第一入口端部宽度。

3.如权利要求2所述的微型泵，其中第一出口还包括第一出口通道，该第一出口通道包括：

具有第一出口喉部宽度的第一出口喉部，和具有第一出口端部宽度的第一出口端部，

其中该第一出口通道被构造为使得流体沿从该第一出口喉部至该第一出口端部的方向流动，

且其中该第一出口喉部被布置在第一侧壁中，且其中该第一出口喉部宽度小于该第一出口端部宽度。

4.如权利要求3所述的微型泵，其中第一入口通道和第一出口通道被构造为允许流体大致沿从第一入口至第一出口的方向流过第一腔室。

5.如权利要求1所述的微型泵，还包括：

第一入口通道，该第一入口通道包括：

具有第一入口喉部宽度的第一入口喉部，和具有第一入口端部宽度的第一入口端部，

其中该第一入口通道被构造为使得流体沿从第一入口喉部至第一入口端部的方向流动，且

其中第一入口端部被布置在第一侧壁中，且其中第一入口喉部宽度小于第一入口端部宽度；

第一出口通道，该第一出口通道包括：

具有第一出口喉部宽度的第一出口喉部，和具有第一出口端部宽度的第一出口端部，

其中该第一出口通道被构造为使得流体沿从第一出口喉部至第一出口端部的方向流动，且

其中该第一出口喉部被布置在第一侧壁中，且其中该第一出口喉部宽度小于该第一出口端部宽度；

第二入口通道，该第二入口通道包括：

具有第二入口喉部宽度的第二入口喉部，和具有第二入口端部宽度的第二入口端部，

其中该第二入口通道被构造为使得流体沿从第二入口喉部至第二入口端部的方向流动，且

其中第二入口端部被布置在第二侧壁中，且其中第二入口喉部宽度小于第二入口端部宽度；

第二出口通道，该第二出口通道包括：

具有第二出口喉部宽度的第二出口喉部，和具有第二出口端部宽度的第二出口端部，

其中该第二出口通道被构造为使得流体沿从第二出口喉部至第二出口端部的方向流动，且

其中该第二出口喉部被布置在第二侧壁中，且其中该第二出口喉部宽度小于该第二出口端部宽度。

6.如权利要求1所述的微型泵，还包括布置在所述隔膜上的第一磁体。

7.如权利要求6所述的微型泵，还包括布置在所述隔膜上的第二磁体，其中第一磁体定位为与第一腔室相邻且第二磁体定位为与第二腔室相邻。

8.如权利要求6所述的微型泵，包括多个磁体，该多个磁体被布置在隔膜上并与第一腔室和第二腔室中的任一个相邻。

9.如权利要求6所述的微型泵，其中第一磁体是钕-铁-硼稀土磁体。

10.如权利要求7所述的微型泵，其中第二磁体是钕-铁-硼稀土磁体。

11.如权利要求1所述的微型泵，其中柔性隔膜由与磁性材料混合的软聚合物材料构造。

12.如权利要求11所述的微型泵，其中软聚合物材料是聚二甲硅氧烷。

13.如权利要求1所述的微型泵，其中柔性隔膜被构造用于能调节张紧，允许隔膜的柔性关于由驱动器施加至该隔膜的磁力而被改变。

14.如权利要求6所述的微型泵，其中驱动器还包括位于泵体附近的第一磁性线圈，该第一磁性线圈包括电线绕组且限定外周边。

15.如权利要求14所述的微型泵，其中驱动器还包括构造为检测第一磁体的位置的传感器，该传感器定位为与第一线圈的外周边相邻的一位置处，在该位置中第一线圈的磁通密度与第一磁体的磁通密度相比可被忽略。

16.如权利要求15所述的微型泵，其中传感器是霍尔效应传感器。

17.如权利要求1所述的微型泵，其中驱动器还包括反馈控制系统，该反馈控制系统被构造为通过感应附连至隔膜的磁体的位置、将该位置与预定的设定点比较、并调节施加至隔膜的磁力来控制隔膜的位移。

18.一种用于从流体储存器输送流体的微型泵组件，该微型泵组件包括：

泵筒，该泵筒包括:

第一泵体，该第一泵体限定：

第一腔室，该第一腔室包括第一腔室壁和第一侧壁，

第一入口和第一出口，其中第一入口和第一出口与第一腔室流体连通，

第二泵壳，该第二泵壳限定：

第二腔室，该第二腔室包括第二腔室壁和第二侧壁，

第二入口和第二出口，其中第二入口和第二出口与第二腔室流体连通，和

柔性隔膜，布置在第一腔室和第二腔室之间；

其中泵筒被构造为允许流体储存器流体连通至第一腔室和第二腔室中的至少一个；和

壳体，该壳体包封：

促动器组件，该促动器组件被构造为与微型泵筒协作，该促动器组件包括：

磁性耦合至隔膜的驱动器，和

构造为检测隔膜的位置的第一传感器，

其中驱动器施加磁力至隔膜，导致隔膜挠曲，且其中隔膜的该挠曲导致第一腔室和第二腔室内的压力的变化，由此导致流体流动；

控制器，该控制器被联接至驱动器且被构造为通过从第一传感器接收输入并调节由驱动器施加的磁力来控制隔膜的位置，和

电源，该电源被构造用于给驱动器和控制器供电，

其中该壳体被构造为使得微型泵筒可被插入且被保持在促动器组件内。

19.如权利要求18所述的微型泵组件，其中微型泵筒被构造用于单次使用。

20.如权利要求19所述的微型泵组件，其中流体储存器被附连至微型泵筒。

21.如权利要求19所述的微型泵组件，其中流体储存器被容纳在壳体内且被构造用于在将微型泵筒插入壳体时与微型泵筒联接。

22.如权利要求18所述的微型泵组件，其中控制器被构造为从第一传感器接收反馈信号，且其中控制器被构造为将附连至隔膜的磁体的位置与预定的设定点进行比较，且其中控制器被构造为响应该反馈信号而调节施加至隔膜的磁力。

23.如权利要求22所述的微型泵组件，其中控制器是比例积分微分类型的控制器。

24.如权利要求18所述的微型泵组件，还包括第二传感器，该第二传感器被构造为检测流体储存器内的流体的体积，且其中控制器被构造为从第二传感器接收输入，从而控制器能计算和预测流体流动。

25.如权利要求18所述的微型泵组件，其中控制器被构造为基于来自第一传感器的反馈信号计算传送的流体的体积。

26.如权利要求25所述的微型泵组件，其中控制器被构造为将基于来自第一传感器的反馈信号的传送的流体的体积与来自第二传感器的体积输入进行比较，且其中控制器被构造为如果比较的体积在预定范围之外则提供输出信号。

27.如权利要求26所述的微型泵组件，其中输出信号是警告和关机中的至少一个。

28.一种制造微型泵的方法，该方法包括步骤：

由聚合物材料制造柔性隔膜，包括步骤：

在硅晶片上旋涂第一聚合物层并使第一聚合物层固化，

将磁性材料布置在第一聚合物层上，

在磁性材料周围施加第二聚合物层并使第二聚合物层固化，和

施加第三聚合物层并使第三聚合物层固化；

通过将液体聚合物材料浇入模具并使液体聚合物固化来制造刚性泵体，该模具被构造为形成流体腔室、入口通道和出口通道；

将柔性隔膜与刚性泵体对齐；和

将柔性聚合物隔膜结合至刚性泵体。

29.如权利要求28所述的方法，其中第一聚合物层被旋涂至约0.15mm的厚度。

30.如权利要求29所述的方法，其中使第一聚合物层在75摄氏度固化2小时。

31.如权利要求28所述的方法，其中第二聚合物层被施加至约0.5mm的厚度。

32.如权利要求29所述的方法，其中使第二聚合物层在100摄氏度固化30分钟。

33.如权利要求28所述的方法，其中第三聚合物层被施加至约0.15mm的厚度。

34.如权利要求33所述的方法，其中使第三聚合物层在75摄氏度固化2小时。

35.如权利要求28所述的方法，其中用于刚性泵体的模具由环氧基负光阻材料形成。

36.如权利要求35所述的方法，其中光阻材料是SU-8。

37.如权利要求28所述的方法，其中柔性聚合物层至刚性泵体的结合利用粘接剂进行。

38.如权利要求28所述的方法，其中柔性聚合物隔膜的结合使用氧等离子体方法进行，该氧等离子体方法包括步骤：将布置在柔性隔膜和模制的泵体之间的聚合物膜在100摄氏度固化20分钟。

39.如权利要求28所述的方法，其中柔性聚合物隔膜的结合使用氧等离子体方法进行，该氧等离子体方法包括步骤：通过在10％氧的气氛中施加微波10秒将布置在柔性隔膜和模制的泵体之间的未固化的聚合物膜固化。

40.如权利要求28所述的方法，其中聚合物材料由聚对二甲苯、聚酰亚胺、SU-8和聚二甲硅氧烷组成的组中选择。

41.如权利要求28所述的方法，其中柔性隔膜由10份聚二甲硅氧烷和1份固化剂的混合物制造。

42.如权利要求28所述的方法，其中刚性泵体由5份聚二甲硅氧烷和1份固化剂的混合物制造。

43.一种用于输送流体的微型泵，该微型泵包括：

泵组件，该泵组件包括：

第一泵体，该第一泵体限定：

第一腔室，该第一腔室包括第一腔室壁和第一侧壁，

第一入口和第一出口，其中第一入口和第一出口与第一腔室流体连通，和

第一柔性隔膜，布置在第一腔室上并与第一腔室壁相对；

第二泵体，该第二泵体限定：

第二腔室，该第二腔室包括第二腔室壁和第二侧壁，

第二入口和第二出口，其中第二入口和第二出口与第二腔室流体连通，以及

第二柔性隔膜，布置在第二腔室上并与第二腔室壁相对；

至少第三泵体，布置在第一泵体和第二泵体之间，该第三泵体限定：

第三腔室，该第三腔室包括第三侧壁，

第三入口和第三出口，该第三入口和第三出口与第三腔室流体连通，

其中该至少第三腔室与第一隔膜和第二隔膜相邻；和

促动器组件，该促动器组件被构造为与泵组件协作，该促动器组件包括：

磁性耦合至第一隔膜和第二隔膜的驱动器，和

构造为检测第一隔膜和第二隔膜的位置的至少一个传感器，

其中驱动器施加磁力至第一隔膜和第二隔膜，导致第一隔膜和第二隔膜挠曲，且其中第一隔膜和第二隔膜的该挠曲导致第一腔室、第二腔室和第三腔室内的压力的变化，由此导致流体流动。

44.如权利要求43所述的微型泵，还包括布置在第一泵体和第二泵体之间的多个中间泵体，其中每个中间泵体都限定包括侧壁的中间流体腔室、入口和出口，该入口和出口与该中间流体腔室流体连通；和

多个中间柔性隔膜，其中每个中间柔性隔膜都布置在相邻的中间泵体之间，且其中驱动器被磁性耦合至中间隔膜的每个。