CN106536930B - 微泵系统 - Google Patents

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Abstract

公开一种微泵，其包括泵本体，具有被划分为隔室的泵腔室，多个入口和出口和多个隔膜设置在泵腔室中以提供隔室。隔膜被锚固在泵本体的相对壁之间且承载电极，所述电极设置在隔膜的相对表面和泵本体的壁上。还公开微泵的应用，所述微泵被用作除热器和自容纳的连续正气道压力呼吸装置。

Description

微泵系统
本申请根据35U.S.C.§119要求2014年2月28日提交的且标题为“微泵系统”的美国临时专利申请No.61/945,973和2015年2月26日提交的且标题为“微泵系统”的美国专利申请No.14/632,423的优先权，其全部内容通过引用合并于本文。
技术领域
本发明涉及泵系统。
背景技术
机械泵系统和压缩机系统是众所周知的。泵用于通过机械动作让流体(例如液体或气体或浆体)运动。泵可根据用于让流体运动的方法分类，例如直接提升泵(direct liftpump)、容积式泵和重力泵。
最近出现一种低姿态高压空气泵，其通过压电技术运行，由MurataManufacturing制造，型号为MZB IOOI的微风机，是一种微型压电空气泵。根据Murata，泵使用压电隔板，其在正弦波电压施加时上下振动，振动迫使空气进入微风机且通过装置顶部上的喷嘴排出。
稍微常见的医学上的睡眠呼吸暂停症涉及在睡眠期间呼吸(气流)的减少或暂停。睡眠呼吸暂停在成年人中常见而在儿童中罕见。对睡眠呼吸暂停的治疗可包括外科手术过程或非手术治疗，其可涉及在改变行为的牙具和口内部件。一种非手术治疗涉及CPAP(连续正气道压力：continuous positive airway pressure)装置。
连续正气道压力(CPAP)是非手术治疗，其使用机器以供应空气压力，以将用户的气道保持打开，使得其不在睡眠期间缩闭。机器在压力下通过鼻罩或面罩输送空气。机器通过管吹出加热、加湿的空气到被贴合佩戴的罩，以防止空气泄露。罩有多种形式，包括鼻枕、鼻罩、全面罩。CPAP机器的稍微大于烤面包机。其是便携的且可在旅途中携带。然而，现有的CPAP治疗不易于使用，因为在戴着将空气吹入鼻部的罩不易于睡眠。
发明内容
根据一方面，微泵包括泵本体，泵本体具有被划分为多个隔室的泵腔室，泵腔室具有让流体进入泵腔室的第一多个入口端口和让流体从泵腔室离开的第二多个出口端口，第三多个隔膜设置在泵腔室中，第三多个隔膜锚固在泵本体的相对壁之间且为泵腔室提供多个隔室，且包括第四多个电极，第四多个电极中的第一对设置在泵本体的相对壁中的第二不同对上，且第四多个电极中的其余电极设置在隔膜的主表面上。
以下是该方面范围内的一些实施例。
入口和出口在泵本体的相同壁上。第一多个入口和第二多个出口在泵本体的相同壁上，且第一多个入口具有连接到源的第一组连接部，且第二多个出口具有连接到槽的第二不同组连接部，第二多个出口与第一组连接部隔离。入口和出口在泵本体的相对壁上。微泵包括第五多个阀，第五多个阀中的第一部分设置为邻近第一多个入口且阀的第二部分设置为邻近第二多个出口。第五多个阀是瓣阀。微泵配置为通过施加到第四多个电极的一组电信号驱动，以使得设置在泵腔室中的第三多个隔膜根据施加到第四多个电极的电压极性而挠曲。该一组电信号使得多个隔室中的第一个压缩，且使得与多个隔室中之一邻近的至少一个隔室基本上同时地膨胀。微泵包括驱动电路，以生产施加到电极的波形。根据额外方面，微泵包括第一和第二微泵模块，具有泵本体、带有在其主表面上的导电电极的隔膜、和形成泵隔室的泵端部，第一和第二微泵模块每一个具有让流体进入泵隔室的至少一个入口端口和让流体从泵隔室离开的出口端口，至少一个第三微泵模块具有泵本体和隔膜，所述隔膜具有在其主表面上的导电电极，第三微泵模块夹在第一和第二微泵模块之间。
以下是该方面范围内的一些实施例。
每一个模块的入口和出口在泵本体的相同壁上。第一多个入口和第二多个出口在泵本体的相同壁上，且第一多个入口具有连接到源的第一组连接部，且第二多个出口具有连接到槽的第二不同组连接部，第二多个出口与第一组连接部隔离。每一个模块的入口和出口在泵本体的相对壁上。微泵包括设置在入口和出口附近的多个阀。阀是具有梁构件和止动部的瓣阀。
根据额外的方面，用于电部件的冷却装置包括微泵，其具有形成具有多个隔室的泵腔室的泵本体，泵腔室具有让流体进入泵腔室的隔室中的第一多个入口端口、和让流体从泵腔室的隔室离开的第二多个出口端口、和设置在泵腔室中的第三多个隔膜，第三多个隔膜锚固在泵本体的相对壁之间，且包括第四多个电极，第四多个电极中的第一对设置在泵本体的相对壁中的第二不同对上，且第四多个电极中的其余部分设置在每一个隔膜的表面上，热板具有配置为附接到电部件的第一表面和与微泵热连通的第二表面。
以下是该方面范围内的一些实施例。
微泵连接到热板。隔室中的端部隔室具有泵本体的相应壁，且第三多个隔膜中之一提供端部隔室，隔室中的中间隔室具有提供中间隔室的一对隔膜。
根据额外的方面，气道压力呼吸装置包括环本体，具有通过环本体的空气通道，该空气通道终止于一对端部部分中，每一个端部部分具有在端部部分的第一表面中的至少一个出口，且微泵被环本体支撑，微泵配置为将环境空气泵送通过环本体中的空气通道以达到端部部分。
以下是该方面范围内的一些实施例。
气道压力呼吸装置包括电池以为微泵提供电源，电池被支撑在泵本体上。
上述一个或多个方面可以提供一个或多个以下优点。
微泵可使用微加工方法制造且可用于执行微泵送过程，其广泛地实施于工业、医疗和生物领域。微泵可以高流率输送流体。微泵可用作非常偏移且可一次性抛弃的设备以用于各种应用，包括用于按计量分配药剂，可用在人造器官中。微泵可基于其高压缩能力而用作真空泵且可用在例如燃料电池系统中的热传递应用中，代替传统的空气压缩机以让空气运动，以为燃料电池反应提供氧气和移除包括水蒸汽和废热在内的反应副产物。与传统的空气压缩机(其昂贵、噪音大、体积大、重、耗费高功率且容易磨损)相比，微泵成本低、安静、小(例如毫米尺度)、重量轻(例如毫克到克的尺度)，且通常与常规泵相比将消费相对低的功率。而且，微泵是机械鲁棒的。
本发明的一个或多个实施例的细节在随附的附图和下文的描述中给出。从描述和附图且从权利要求可理解本发明的其他特征、目的和优点。
附图说明
图1A和1B是在泵送循环的两个相反相中运行的微泵的功能块示意图。
图1C示出了图1A、1B的微泵，隔膜在额定未填充位置的隔膜。
图1D示出了图1A、1B的具有瓣阀和驱动电路的微泵。
图2A是经组装的模块层的堆叠结构的组装视图。
图2B是模块层的分解视图。
图2C是图2B的模块层的组装视图。
图2D是中间模块层的分解视图。
图3和4是用于应用于微泵电极的电压波形图。
图5是示例性驱动电路的方块图。
图6是布置在示例性网格构造中的微泵的方块图。
图7是整合在模具框架中的微泵的透视图。
图8A和8B是是冷却设备中示例性冷却装置的相应顶部侧视图和底部侧视图。
图9A和9B是气道压力呼吸装置的相应透视图和正视图。
图9C是替换的气道压力呼吸装置的透视图。
图10是CPAP装置的示意图。
图10A-10F是呼气阀的视图。
图11A-11D显示了示例性滑阀的细节。
具体实施方式
概览
微泵可使用微加工方法制造且可用于执行微泵送过程，其广泛地实施于工业、医疗和生物领域。例如，微泵可并入芯片实验室(lab-on-a-chip)系统、燃料电池、高通量电子冷却系统、和生化系统。微泵可以以小量准确测量的量输送流体，例如气体或液体。在一些实施方式中，微泵可以高流率(例如约每秒数微升到约数毫升)和/或以高压(例如约数千分之一psi到约数十分之一psi)输送流体。微泵可被设计为使得流体输送、流率和/或压力是可衡量的。
在医学应用中，微泵可非常便宜地使用且是可化学制剂的一次性器件。例如，微泵可植入在人体中以按计量配送药物，例如进入血流中且治疗慢性疾病。微泵还可用在人造器官中。
基于其高压缩能力，微泵可用作真空泵。微泵在用作真空泵时，即微真空泵可用在用于化学和生物分析的微型系统。例如，微真空泵可用于在质谱仪(mass spectrometer)的电离腔室中制造和维持真空，使得在电离腔室中产生的离子离开腔室，而没有与空气分子撞击。
在燃料电池系统中，微泵可被用作空气泵，代替传统的空气压缩机，以让空气在系统中运动，以为燃料电池反应提供氧气和去除包括水蒸汽和废热在内的反应副产物。
与传统的空气压缩机(其昂贵、噪音大、体积大、重、耗费高功率且容易磨损)相比，微泵成本低、安静、小(例如毫米尺度)、重量轻(例如毫克到克的尺度)，且通常与常规泵相比将消费相对低的功率。而且，微泵是机械鲁棒的。
在一个示例性实施方式中，微燃料电池形成为包括小、轻重量且高度分布式的空气子系统。空气子系统并入具有在硅晶片上的三维(3D)质子交换膜(PEM)结构的微泵。以微米尺度制造，微燃料电池架构简化了用于燃料电池反应的空气运动需求且用于去除反应副产物。与传统的燃料电池相比，形成在硅晶片上的燃料电池可实现将每单位体积的功率产生和每单位体积的重量改善一个量级。
微泵系统
微泵
参见图1，微泵100显示为包括单个经划分隔室(compartmentalized)的泵腔室104。泵本体102包括沿泵送方向114的两个壁110、112，和沿垂直于泵送方向114的方向彼此相反的两个固定端壁106、108。壁106、108、110和112限定单个腔室104，其通过隔膜而被隔室化。即，在两个端壁106、108之间，隔膜116、118、120、122、124、126从壁110延伸到壁112，将泵腔室104分为七个隔室130、132、134、136、138、140、142。在该实施方式中，每一个隔室包括分别限定在壁110、112中的入口和出口。例如，隔室130包括在中的入口150和在壁112中的出口152。其他入口和出口未标出。
隔室130-142彼此流体密封。在一些实施方式，不同隔室可具有相同入口和/或相同出口(图未示出)这些不同隔室可以流体彼此连通。在泵腔室104的相反端部处的两个隔室130、142具有壁，所述壁通过隔膜和泵本体102的固定壁提供。隔室130、142之间的中间隔室具有通过两个隔膜提供的壁，微泵100具有至少一个且通常许多个中间隔室，中间隔室壁的每一个通过两个隔膜提供。微泵100可泵送流体，例如气体或液体，材料的选择考虑到泵被配置为用于泵送的流体类型。
虽然图显示了的六个隔膜，但是泵腔室可扩展为具有额外的中间隔室，每一个隔室可被视为用模块层形成(见图2A-2D)，且泵100用模块层的堆叠形成，如在下文进一步描述的。
电极(在图1A和1B中未明确示出，见图2A和2C)附接到隔膜116-126每一个且可选地附接到端壁帽106、108。电极(未明确示出)连接到驱动电路(见图3-5)，所述驱动电路将电压输送到电极，以通过静电吸引/排斥激活隔膜。在电极不具有电压时，隔膜未激活且隔膜置于额定位置。处于闲置的每一个隔膜可基本上平行于端壁106、108且隔室132-140可具有相同的额定容积V。在被激活时，电极接收电压电位，如图1A和图1B所示。图1A和图1B显示了相同腔室，但是具有施加到电极的不同信号相，如下文所述的。为了清楚，图1A中的附图标记在图1B中不重复。
在一些实施例中，在其额定位置的两个邻近隔膜之间的距离约50微米且额定容积Vi可从为纳升(nanoliter)到微升(microliter)到毫升的范围，例如0.1微升。在一些实施方式中，隔室130、142每一个具有额定容积Ve，其是中间隔室132-140的额定容积的一半。例如，在其额定位置中的隔膜116和端壁106之间的或在其额定位置的隔膜126和端壁108之间的距离为约25微米。额定容积Ve可为纳升到微升到毫升的范围，例如0.05微升。隔室130-142还可具有不同尺寸。尺寸可例如基于制造、功率消耗、应用考量来选择。例如，具有25微米的宽度的隔室130、142可允许具有减小峰值驱动电压的启动功能。在后文进一步描述驱动电压。作为例子，微泵100可具有长度为约1.5mm、宽度为约1.5mm、总高度(不同隔室的累积高度)为0.05mm和总容积为约0.1125mm3的内部空间。
与用于相似目的的常规机械泵比较，微泵100使用更少的材料，且由此经历更少的应力，且使用更少的功率驱动。微泵100具有微米到毫米尺度的尺寸，且可提供宽范围的流率和压力。大致地，可通过微泵100提供的可能流率可计算为微泵100的总容积乘以驱动频率。
通常，流率可以是纳升到微升到毫升的尺度。通常，压力被有多少能量(例如驱动电压)被放入微泵100所影响。在一些实施方式中，电压越高，则电压越大，且电压的上限通过微泵100的破坏极限(break down limits)限定，且电压的下限通过隔膜进行的能力来限定。跨经微泵100的压力可为约一微psi到数十psi的范围。流率和压力的选择范围可通过泵材料、泵设计、和泵制造技术的选择来实现。
所述微泵100是往复运动类别的排量泵。泵送发生在通过微泵的泵腔室的促动形成的流体填充循环和流体排放循环的两个交替操作中。在填充操作中，泵腔室被打开到低压源且流体填充到腔室中。在排放操作中，泵腔室中的流体被压到泵腔室以外达到更高的压力降。
通常，尽管在单个隔膜朝向腔室的固定壁运动时常规的泵腔室被压缩，但是与图1A、1B关联的如上所述的泵腔室包括多个隔膜，每一个隔膜锚固在两个固定壁之间。固定壁是泵本体层，其形成被邻近隔膜对分开的多个隔室。隔室中的第一个和最后一个通过隔膜和固定壁形成，所述固定壁是本体的端盖的一部分，但是中间隔室通过邻近隔膜对提供。
将图1A和1B比较，其显示了同一微泵100的两个操作状态。在第一半泵循环中，第一组隔室压缩且第二组隔室膨胀。
例如在图1A中，端部隔室130和142显示为被压缩，如第一半泵循环中的中间隔室134和138那样。在隔膜116和126朝向壁106和108运动时在端部隔室130和142中发生压缩，对隔室134和138来说，在邻近隔膜118、120和122、124朝向彼此运动时发生压缩。这些隔膜的运动减少相应端部隔室130和142和中间隔室134和138的容积，以从隔室排放流体(气体或液体)。与那些隔室的压缩同时地，在隔膜116、118；120、122；和124、126的相应组彼此运动离开以使得相应腔室空间膨胀时，邻近的隔室132、136和140(这里都是中间隔室)被排放。
如图1B所示，在第二半泵循环中，端部隔室130和142显示为如中间隔室134和138那样膨胀。在隔膜116和126从壁106和108运动离开时在端部隔室130和142中发生膨胀，且在邻近隔膜118、120和122、124彼此运动离开时隔室134和138中发生膨胀。这些隔膜的运动增加相应端部隔室130和142和中间隔室134和138的容积，以将流体(气体或液体)填充到那些隔室。与那些隔室的膨胀同时地，在隔膜116、118；120、122；和124、126的相应组朝向彼此运动以减小相应腔室容积时，邻近隔室132、136和140(这里都是中间隔室)被排放。
即，在被促动时，泵腔室的每一个隔膜可关于中心额定位置沿两个相反方向运动，在其不被促动时隔膜位于该中心额定位置。
在操作中，常规泵腔室形成单个泵腔室隔室，其用于泵送。分别在泵送循环的填充和排放操作期间，流体(例如气体)被填充和排放。气体仅在半个循环期间流出，且气体在另一半循环期间流入。
在即时微泵100中，每一个隔室130、132、134、136、138、140和142用于泵送。由此，如图1A所示，在第一半泵循环中，流体被泵送到腔室130、134、138和142以外，而气体同时地进入到腔室132、136和140。如图1B所示，在第二半泵循环中，运行是反过来的，流体被泵送到腔室132、136和140以外而气体同时地进入腔室130、134、138和142。
各种实施方式都是可能的。例如，在两个固定端壁之间的两个隔膜形成用于泵送的三个隔室。与执行相同泵送量的常规泵相比，微泵100可具有更高效率且可消耗更少的能量，例如这是因为各隔膜行进得距离更少且因此被驱动得更少。效率和能量的节约可随两个固定端壁隔室之间存在大于一个的隔室而增加。由此，微泵100可具有一个到几个到100个或更多的中间腔室。这里，在1A和1B中，显示了五个(5)中间腔室。
通常，为了执行泵送，每一个隔室包括气体入口150和气体出口152。入口和出口包括阀，例如响应于施加到阀的压力而打开或关闭的被动阀。在一些实施方式中，阀是被跨经阀的差压驱动的瓣阀(flap valve)，所述差压通过气体在泵隔室的流动和流出产生。因为不需要主动驱动，所以瓣阀可降低泵运行的复杂程度。
在其他实施方式中，阀是滑阀(sliding valves)，其被通过流动在泵隔室的流入和流出而跨经阀经过的差压所驱动，且在涉及使得瓣阀挠曲的给定能量考量的情况下，这种阀是更期望的。示例性的滑阀显示于图11A-11D。
替换地，还可以使用喷嘴和扩散器以无阀的构造来构造微泵100。
图1C显示了在其中心额定位置的微泵100的隔膜。
现在参见图1D，隔膜(未标记出，但是与图1A中的相同)被静电力驱动以运动。电极(通常为162)附接到隔膜和固定端壁每一个的主表面每一个。在隔室的填充操作期间，隔室的邻近电极具有相同的正或负电压施加，且由此倾向于使得两个电极和两个隔膜彼此排斥。在隔室的排放操作期间，隔室的邻近电极具有相反的正或负电压施加，使得两个电极和两个隔膜彼此吸引。隔室的两个电极形成平行板静电促动器。电极通常具有小尺寸和低静态功率消耗。高电压可施加到每一个电极，以促动隔室。但是促动可以相对较低的电流执行。
如前所述，微泵100的每一个隔膜相对于其中心额定位置沿相反方向运动(如图1C中针对微泵100所示的)。因而，与常规泵中的隔室比较，为了让隔室膨胀或减小相同量的容积，本发明的隔膜行进距离小于常规泵中隔膜的例如一半。结果，隔膜经历更少的挠曲或更少的应力，实现耿航的寿命并允许更多的材料选择。此外，因为隔膜的行进距离相对小，隔膜上电极的起动驱动电压可相对较低。因而，消耗更少的功率。对于具有两个隔膜的隔室，因为两隔膜都运动，所以其到达吸合电压(pull-in voltage)所花费的时间可更短。
仍然参见图1D，在一些实施方式中，用于对电极施加电压的驱动电路166采用低DC电压源且将其转换为AC波形。波形的频率和形状可被受电压控制的振荡器控制。驱动电压可通过乘法器电路阶跃上升达到所需水平。瓣阀164也被显示且通过跨经阀164的差压驱动，所述差压通过进出泵隔室的气体的流动而产生。
具有如上所述特征的微泵100可使用各种方法制造，例如MEMS处理技术，所谓的卷对卷(roll to roll：R2R)处理。用于微泵100的材料基于要通过微泵100和制造微泵的方法提供的特征选择。以下是用于选择微泵不同部件材料的一些标准。
泵本体和阀——用于泵本体的材料可以按照瓣阀164的需求限定。瓣阀可用与本体相同的材料制造。在一些实施方式中，材料需要足够强韧或刚性以保持其形状，以这种泵腔室空间，且应足够弹性以允许瓣阀按照期望运动。此外，选择可受到瓣阀的几何设计的影响。在一些实施方式中，材料可被蚀刻或光敏的，使得且特征可被限定和机加工/开发。有时，还期望材料能很好地与微泵中的其他材料相互作用，例如粘接。进而，材料是非导电的。合适材料的例子包括SU8(负环氧树脂抗蚀剂：negative epoxy resist)，和PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)抗蚀剂。
隔膜——用于该部件的材料形成鼓室结构，其用于对泵腔室填充和排放。如此，材料需要在期望距离上来回弯折或拉伸且具有弹性特点。在一些实施方式中，隔膜材料不可渗透流体，包括气体和液体，且是非导电的，且能经受高击穿电压。合适材料的例子包括氮化硅和特氟隆。
电极——该材料是导电的。因为电极不传导许多电流，所以材料可具有高电阻，而高电阻特征不是必须期望的。电极通过隔膜经历弯折和拉伸，且因此，期望的是材料柔软以能进行弯折和拉伸而没有疲劳和失效。此外，电极材料和隔膜材料能在运行状态下很好粘接，例如彼此不分离。合适材料的例子包括非常薄层的金和铂。
电互连部件——驱动电压被传导到每一个隔室的每一个隔膜上的电极。到这些电极的电传导路径可使用导电材料构造，例如金和铂。
其他材料——在制造微泵过程中使用MEMS处理时，可使用牺牲填充材料，例如聚乙烯醇(PVA)。牺牲填充材料还可以用在R2R处理中。在一些实施方式中，溶剂用在制造过程中，其会对微泵的各种构造材料提出额外的要求。可以将一些电路部件打印到隔膜中。有时，释放材料可用于形成阀运动。
通常，某些材料已经如上所述，但是具有与如上所述的相似性能的其他材料也可使用。
在图2A-2D中，显示了模块化的微泵。
参见图2A，模块化的微泵200包括模块层201(图2B和2C)，以形成泵200的端部隔室200a、200b。模块化的微泵200还包括许多模块层250(图2D)以形成泵200的中间隔室200c。
微泵200中的阀可被连接到输入部和输出部的单个阀替换，或每一个层中的各个阀可交错设置。
现在参见图2B，模块层201每一个包括泵端盖202，其形成固定泵壁(类似于图1A、1B的壁106、108)。电极208附接到泵端盖202，用于启用隔室209。
单个模块层201形成位于具有电极208的泵端盖202和具有电极210的隔膜206之间的泵本体204的一部分，所述电极210在泵本体204的相反侧上附接到隔膜206(与图1A、1B中的隔膜116、126相似)。电极210包括引线212，以连接到在模块层200外部的驱动电路。
隔膜206、泵端盖202和泵本体204可具有相同尺寸，且电极208、210可具有比隔膜206或其他元件更小的尺寸。在一些实施方式中，隔膜206具有约数微米乘数微米到约数毫米乘数毫米的尺寸，且具有约5微米的厚度。泵本体204具有数微米乘数微米到约数毫米乘数毫米的外尺寸、约50微米的厚度、和约数微米乘数微米到约数毫米乘数毫米的内尺寸。泵本体的厚度限定了隔室209的额定尺寸(类似于图1A的隔室130、142)。电极210、202具有的尺寸基本上对应于泵本体204的内尺寸。在一些实施方式中，电极具有约2.25mm2的表面面积和约0.5微米的厚度。组装的模块层201显示在图2C中。
现在参见图2C，泵本体204包括两个被动阀214、216，分别形成入口和出口。进入阀214包括止动件218和阀瓣220。止动件连接到泵本体204且位于通过泵本体形成的隔室130、140外部。阀瓣220具有附接到泵本体204的一个端部222和相对于止动件218和泵本体204可运动的另一端部224。具体说，在建立压差使得模块层外部的压力大于模块层内部的压力时，阀瓣的端部224可朝向隔室130、140内部弯曲。例如，这种压差在填充操作期间建立，在填充操作中流体从模块层外部流动到隔室209中。在内部压力比外部压力更高时，例如在排放操作期间(其中流体从隔室209流动离开到达模块层外部)，阀瓣224朝向止动件弯曲且被止动件218止动。因而，在排放操作期间，隔室209中的流体不从进入阀214向外流动。
出口阀216也包括分别类似于止动件218和阀瓣220的止动件230和阀瓣232。然而，止动件230沿流体流动出入隔室209的方向位于阀瓣232前方。在内部压力比外部压力更高时，阀瓣从止动件弯曲离开以打开阀，且在内部压力比外部压力更低时，阀瓣朝向止动件弯曲，以关闭阀。有效地，在填充操作期间，出口阀216关闭，使得流体不流动到阀216以外，且在排放操作期间，出口阀216打开且流体从阀216流出。
参见图2D，中间隔室(类似于图1A-1B的隔室132-140)每一个可使用模块层250形成。模块层250包括泵本体252、电极256和形成在电极256和泵本体252之间的隔膜254。泵本体252可具有与泵本体204相似或相同的特征，电极256可具有与电极208相似或相同的特征，且隔膜254可具有与隔膜206相似或相同的特征。模块层250还包括瓣阀(未标记，但是在图中示出)。
如前所述，每一个泵本体的阀可与泵本体整体地形成。虽然电极被显示为是预制的板件以被附接到其他元件，但是电极可直接形成在那些元件上，例如通过打印。模块层200、250的不同元件可使用粘接剂而彼此连结。在一些实施方式中，溶剂可用于使得不同元件部分地熔化且将它们粘接在一起。
参见图2A，由此图2D的多个(例如两个、三个或任何期望数量)的模块层250堆叠在彼此顶部上以在泵腔室中形成多个中间隔室。在堆叠结构200中，每一个隔膜被泵本体分离且每一个泵本体被隔膜分离。为了形成完整的泵，图2B的模块层201置于堆叠结构200的顶部端部和底部端部每一个上，使得模块层201的泵端盖形成泵腔室的两个固定端壁。
再次参见图1A和1B，在每一个泵送循环期间，隔室被启用使得每一个隔室在半个循环期间填充且在另一半循环期间排放。邻近隔室以180度的相位差(phase difference)运行，即在隔间130被填充时，其邻近隔室132排放，且反之亦然。结果，每隔一个隔室便同相操作。在图1A和1B中，隔室通过奇数(“O”)隔室和偶数(“E”)隔室标记，O隔室彼此同相，E隔室彼此同相，且O隔室相对于E隔室是反相。
为了让泵隔室运行其排放状态下，相反符号的电压被施加到这些隔室的相对壁上的电极。例如，如图1A所示，固定壁106上的电极的电压为负，而隔膜116上的电极的电压为正，或隔膜118上的电极的电压为正，而隔膜120上的电极的电压为负，等等。同时地，泵的其他隔室运行在其填充状态。相同符号的电压被施加到这些其他隔室的相对壁上。相反符号的电压使得隔室的两个相反壁彼此吸引，且相同符号的电压使得隔室的两个相对壁。固定壁106、108不运动。然而，隔膜116-126朝向吸引力的方向或排斥力的方向运动。结果，在半个泵送循环中，隔室130、134、138、142排放而其他隔室同时地填充(图1A)，且在另一半泵送循环中，隔室132、136、140排放且其他隔室同时地填充(图1B)。
在一些实施方式中，隔膜的材料和要被施加到隔膜和端壁106、108的电压被选择为使得，在启用时，每一个隔膜基本上膨胀邻近隔膜额定位置之间距离d的一半。在端部隔室130、142中，其中隔膜的额定位置和固定壁之间的距离为d/2，被启用的隔膜减少隔室的容积至接近零(在排放操作中)和将隔室的容积扩张到接近2*Ve。对于中间隔室，通过让每一个隔膜运动d/2，隔室的容积在填充操作中膨胀到接近2*Vi，在排放操作中减小到接近零。微泵100可以高效率运行。
泵送循环的周期可基于驱动电压信号的频率确定。在一些实施方式中，驱动电压信号的频率大约为Hz到KHz的范围，例如约2KHz。通过微泵100的泵送产生的流率或压力可被每一个隔室的容积、启用时隔膜做出的位移量和泵送循环周期所影响。各种流率(包括高流率，例如ml/s的量级)和压力(包括高压，例如数十psi的量级)可通过选择不同参数实现，例如驱动电压的大小。作为例子，微泵可包括总共15个模块层，包括图2B的两个层200和图2C的13个层250。该示例性微泵可以以约843Hz的频率驱动且消耗约0.62mW的功率，且以约0.0652psi提供约1.56ml/s的流率。
在一些实施方式中，四种类型的电信号用于驱动隔膜。四种类型是：
V-：用于所有电压的DC参考电压；可以用于直接驱动一些隔膜；
V+：用于直接驱动一些隔膜且针对其他隔膜的可切换的DC高电压；
V1：周期性AC波形，用于驱动一些隔膜以控制操作。包括50％占空循环且在一个完整泵送循环中在V-到V+之间变化。
V2：与V1相同，但是其具有180度的相差。
进而，基于吸合电压和开断电压的现象，一旦V1或V2的最高量已经达到，则驱动电压可降低到更低电压。具体说：
V1.5：吸合电压值。
V2.5：开断电压值。
现在参见图3，分别显示了用于施加到固定壁106和隔膜116-124上的六个电极的示例性六组波形301-306。施加到微泵100或其他微泵中的其他额外隔膜和固定壁的波形可按照图3所示的图案获得。在泵送循环期间，第一组波形301的V-不断地施加到固定壁106上的电极。用于施加到隔膜116的第二组波形为V1的形式。第三组波形303为V+且持续施加到隔膜118。第四组波形304为V2，用于施加到隔膜120。第五组波形305和第六组波形306是第一和第二波形301、302的重复。如果其他隔膜需要额外波形，例如隔膜124和126(图1A)，则按照第三和第四波形继续重复，等等。
在一些实施方式中，V1、V2、V-、和V+的量相同。在其他实施方式中，这些电压中的至少一些的量不同。虽然显示了波形的具体样式，但是泵100的电极还可通过其他样式的波形启用。
现在参见图4，分别显示了对应于图3的六组波形301-306的六组波形321-326。图4所示组和图3所示组之间的差为，图3的AC电压波形V1和V2分别重新成形为V1.5和V2.5，以获得吸合现象和开断现象的优势。
在该例子中，在波形组322、324、326中，一旦已经达到吸合点，则正向电压阶梯下降到(如箭头↓所示)更低电压。该更低电压仍然大于开断电压，使得隔膜保持在其被驱动状态。下一个电压转变限定了相反操作的开始，在该操作期间施加相似电压水平的变换。负向电压阶梯上升(如箭头↑所示)到具有小量值的电压。可通过降低其保持时间内驱动电压的量而减小泵100的功率消耗。
驱动电路
现在参见图5，显示了用于施加电压的驱动电路500的例子，例如图3或图4所示的那些。驱动电路500接收电源电压502、电容电压电流504信号、和泵控制516，且将驱动电压506输出到微泵的电极，例如图lA和1B的微泵。在一些实施方式中，从使用微泵100的系统提供电源电压502。电源电压还可通过绝缘电路(未示出)提供。
驱动电路500包括高电压乘法器电路508，受电压控制的振荡器(“VCO”)510，波形发生器电路512，和反馈和控制电路514。高电压乘法器电路508将电源电压502乘以期望的高电压值，例如100V到700V，额定为500V。可使用取决于材料特点(例如介电常数、厚度、机械模量特点、电极间距等)的其他电压。在一些实施方式中，高电压乘法器电路508包括电压升压电路(未示出)。受电压控制的振荡器510产生用于微泵的驱动频率。振荡器510是受电压控制的且频率可通过外部泵控制信号516改变，使得泵100基于流率需求而推动更多或更少的流体。波形发生器电路512产生用于电极的驱动电压。如前所述，一些驱动电压是具有彼此成具体相位关系的AC电压。波形发生器电路512控制这些相位以及波形的形状反馈和控制电路514接收信号，所述信号提供微泵中电容、电压和/或电流的测量，且电路514可生产反馈信号，以提供电路500的波形发生器512的额外控制，以有助于调整用于期望性能的驱动电压。
装置中的系统集成
如上所述的微泵系统可整合在不同产品或装置中以执行不同功能。例如，微泵系统可替换装置(例如计算机或冰箱)中的风扇或风机，作为用于让空气运动的通风机。与常规风扇或吹风机比较，微泵可以以更高的可靠性、以更低成本更好地执行。在一些实施方式中，这些通风机以大批量并行的构造以基本水平(fundamental level)直接构造到主机中。
在一些实施方式中，微泵系统从整合了系统的主机产品接收功率。功率可以以单个相对低压(例如5V或更低)的形式接收到微泵系统的驱动电路，例如图5的驱动电路500。
系统构造
可以看到图1A、1B和2D的模块层堆叠结构是并行连接的模块层。每一个模块层的容积Vi或Ve很小。在一些实施方式中，堆叠结构中所有层的总容积相对小。在一些实施方式中，多个堆叠结构或微泵可并行连接，以增加总体积流率。
类似地，各微泵的压力容量相对较低。即使在堆叠结构中存在多个模块层，层不增加堆叠结构的总压力，因为它们并行连接。然而，在多个堆叠结构或微泵串序连接时堆叠结构的压力可增加。在一些实施方式中，串序连接的泵被以不同速度驱动以对不同质量流率进行补偿。例如，树型构造的稳压室或管路也可用于对不同质量流率补偿。
现在参见图6，模块层堆叠结构(也称为微泵堆叠结构)610a-610e、612a-612e、614a-614e和616a-616e的行610-616和列610'-616'和列617'显示为以网格构造600连接。每一个行610、612、614、616中的模块层堆叠结构串序连接。模块层堆叠结构610a-610e、612a-612e、614a-614e和616a-616e的行610-616经由共用输入部620和共用输出部622并行连接。
有效地，每一行中串序连接的堆叠结构可提供基本上等于各堆叠结构压力之和的总压力。在图的所示的例子中，如果每一个堆叠结构具有0.1psi的压力且每一行包括五个堆叠结构，则通过每一行获得0.5psi的总压力，且其也是网格600的总压力。网格600具有每一行堆叠结构的流率四倍的总流率。
在图所示的例子中，每一行堆叠结构具有1容积流量(vF)的流率。网格包括四个并行连接的行，实现4vF的总流率。为了实现期望压力和期望流率，可通过选择串序连接的堆叠结构的数量和并行连接的行的数量而构造类似于网格600的网格。
替换地，另一串序构造具有设置在并行泵组的每一级之间的共用的稳压室(plenum)。该构造易于使得在下一级处的排放压力和输入压力均衡。在一些实施方式中，堆叠结构相对小且它们中的许多可制造为具有小面积。网格的管路和配线可在各堆叠结构制造时形成且可以成本有效的方式实现。
示例性应用
如上所述，空气可用于电化学反应和冷却，例如在燃料电池中。通常，用于冷却的空气量比用于反应的多许多倍。
参见图7，显示了具有整合微泵系统700(带有输入部700a和输出部700b)的燃料电池。具有如上所述特征的微泵系统600(或100或200)直接整合到含有燃料电池704的模具框架702中。在使用时多个模具框架，通常，在模具之间存在最小间距，且该空间中的一些可用于承装微泵系统600，而没有在面积上方的额外测量容积。示例性燃料电池在2004年11月09日提交的且标题为“Fuel cell and power chip technology”美国申请No.10/985,736(现在是美国专利7,029,779)中公开，其通过引用全部并入本文。将空气泵系统集成可有效地将空气运动功能分为许多部分(例如数千部分)，使得吹风机或风扇让空气运动的需要最小化。微泵可以以低成本批量制造，具有小的尺寸和轻的重量，相当强劲且消耗更低功率，允许空气运动的大量分配。微泵系统600可在空气(或液体)需要在紧小空间运动的任何时候使用。
另一这种应用是冷却如同CPU这样的电子部件。
现在参见图8A和8B，微泵(100、200、600)用于冷却以非常高的温度运行的电路/装置(例如中央处理器单元等)、以及例如太阳能电池和LED照明装置。
作为例子，图8A和8B显示了CPU冷却器800的顶部侧视图和底部侧视图。代替大的热沉和风扇设备，微泵802的一个或多个层直接置于固定到CPU的用于冲击效果(impingement effect)的冷却板804。在一些实施方式中，CPU冷却器800可去除150瓦特的热量。冷却器具有低矮姿态且可用在具有小的可用空间的计算机设计中。
微泵系统可用于将液体泵送通过紧固到CPU的冷却板，以通过液体去除和传递热量到远距位置。例如，携带热量的热液体可泵送通过散热器，且额外的微泵可用于吹送空气以冷却散热器。
微泵系统也可将空气吹送经过用在传统结构中的热沉；或可构造到热沉中。如前所述，微泵系统可被配置为提供增加的压力以进一步推动空气。微泵系统也可在主机装置中分布而不需要空气管道。
现在参见图9A和9B，显示了用于治疗呼吸紊乱自主装置900(装置)。装置900是CPAP类型的(连续正气道压力)呼吸装置。然而，装置900(不同于CPAP机器)是自主装置，其局部设置在鼻部且以所需压力提供所需量的空气流动，以治疗各种呼吸紊乱，例如阻塞性睡眠窒息症(“OSA”)。
CPAP呼吸装置900显示为是鼻环的形式。其他结构也是可能的(见图9C)。装置900具有用于让空气进入的通道902和设置在装置900的本体904中的微泵600(图6)，如所示的。装置还可以包含阀(见图10和10A-10F)以用于呼气。装置900的端部904a、904b(其装配到用户的鼻部)经由通道905a、905b提供气流，且是密封的，且经由环部分903连接，在该环部分中可设置电源，例如电池(未示出)。
因为微泵系统小且可让大量空气运动，所以微泵系统被构造到装置900中，例如为具有睡眠呼吸暂停或阻塞性呼吸障碍(OBD)的许多人提供缓解。装置900可以是自容纳装置，其具有小尺寸(例如在鼻部下方的装配件)和轻重量(例如轻至数克)，且可使用电池运行。
在一些实施方式中，装置900可包括呼气阀(如下所述)，而在其他实施方式中呼气阀可以省略。
在一些实施方式中，装置900可以是可充电的，例如电池是可充电的。在其他情况下，装置可以是一次性的。用户可在夜晚穿戴装置且每次白天将其抛弃。替换的结构也是可能的，例如在装置中使用空气-金属电池。空气-金属电池(例如空气-锌)被启用且持续一段时间，且其后其被抛弃。
装置900配置为装配到用户的鼻子中且供应从构造到环中的微泵600(或100、200)流动的增压空气。装置900由此不需要连接到另一装置(例如机器)软管或管线，且装置使用自容纳电源，例如配置为运行约整夜睡眠(例如约八小时等)的电池。装置900不需要条带。装置可被配置为在用户呼气时或在用户刚好在吸气之前处于暂停状态时停止将空气吹到用户的鼻子中。装置900具有呼气阀，其消除呼气阻碍(抵抗进入的空气或提早截断呼气终止)。
装置900可感测压力以打开和关闭微空气泵。装置900感测每次呼吸和在呼吸循环不同点处的压力，以配置微空气泵的操作，以在呼气循环“结束”时关闭呼气阀。该装置按照呼吸规律对用户的呼吸做出响应。
装置900很小且轻重量且装配在用户鼻子下方，在用户的鼻子中形成密封以保持装置就位。装置可在暂停周期期间提供适当压力用于呼吸暂停治疗且在吸入周期期间提供适当的呼吸浅慢(hypopnea)压力范围。装置900可以是一次性的，由此不需要清理，可以是低成本的。而且，由于其与现有的CPAP机器相比相对舒适，装置900提供顺应性，因为装置是舒适的，不需要条带、面罩或束带。
现在参见图9C，显示了用于CPAP装置960的替换构造的概念图。在该构造中，CPAP装置960包括承装微泵600的本体962，微泵具有57个部件泵元件(标记为966)和呼气阀(见图10A-10F)。CPAP装置960具有缓冲插塞964a、964b，具有让插塞通过的空气通道，插塞提供鼻部接口。缓冲插塞用基本有弹性的材料制造，其在插入到用户鼻孔时形成紧密配合。CPAP装置960具有一个或如所示的两个出口968a、968b，用于空气的呼出。
现在参见图10，显示了示意性的(例如具有图9A-9C所示的构造)呼气阀980，其联接到CPAP装置900或960(泵966)的微泵600。呼气阀980联接在微泵600(也可以是100或200)和装置900的入口964a、964b和出口968a、968b，如所示的。呼气阀980具有蝶形构造且使用从微泵而来的空气流动，以在呼气结束/呼吸暂停开始和呼气开始时关闭阀980，呼气阀980在微泵将空气吹到呼气阀980时打开。
装置900配置为需要多少微泵600的空气流动来将阀980推向关闭。从微泵600而来的压力将在呼气之前保持呼气阀980关闭。从用户而来的所有呼气空气流动施加到呼气阀980以打开呼气阀980。阀的阀瓣的形状可以被优化以辅助呼气阀980在呼气期间保持打开。此外，弱磁性还可以用于保持呼气阀980打开或关闭，取决于设计细节。从用户而来的呼气空气通常足以克服从微泵而来的最小量的空气流动以保持呼气阀980关闭。
现在参见图10A-10F，显示了概念呼气阀980的各种视图。图10A-10F显示了用于呼气阀980的蝶形阀构造。阀980被示出且包括本体981、作为控制端口的入口982、端口984a和984b(在图10F的视图中仅显示了984b)、连接到通过箭头989所示的通道的出口端口985、和阀瓣986。瓣阀986绕通过箭头989所示的通道中的轴向构件988旋转，以在端口984a、984b和出口端口985之间打开和关闭通过大箭头989所示的通道。微泵600通过垂直于通道989设置的入口982施加空气，以关闭瓣阀986。在图10和图9C的情况下，入口982联接到微泵的输出部，端口984a、984b联接到插塞964a、964b(具有空气通道)且出口联接到出口968a、968b中之一或两者。如图10F清楚地所示的，端口984a、984b从轴向构件988的中心略微偏开，以允许构件对用户的呼气做出响应，且由此使得阀瓣打开。
现在参见图11A和11B显示了在输出端口上使用的示例性滑阀1010(三通阀)和在达到例如微泵200(图2B)的例如腔室209的输入端口上使用的滑阀1020(Ω阀)的细节。
腔室209用泵本体204和隔膜206(图2B)(或泵本体的端壁)形成。在图11A中，用于制造泵本体204的一部分材料1000在微泵腔室的输出端口处形成三通阀1010。三通阀1010包括提供一阀以关闭输出端口的平坦构件1012，平坦构件1012连接到杆部构件1014，所述杆部构件位于区域1018形成的隔室1017中。腔室的出口通过区域1016设置。如图11A所示，杆部1014大致垂直于平坦构件1012。平坦构件提供覆盖腔室中开口的滑动阀瓣。
在图11A中，用于制造泵本体204的另一部分材料1000在微泵腔室的输入端口处提供Ω阀1020。Ω阀1020包括具有头部部分和杆部部分的活塞状构件1022，活塞状构件为Ω形状构件1024提供止动，所述Ω形状构件1024具有未标出的半圆部分，水平臂1024a提供一阀以关闭输入端口，Ω形状构件1024具有附接到半圆形部分的垂直臂1024b，如图11A所示。Ω形状构件1024被活塞状构件1022的头部部分局限到在活塞构件1022和Ω构件1024之间形成的区域(未标出)。腔室的入口通过区域1026设置。
现在参见图11B，经蚀刻的本体1000'具有在输出端口上的滑阀1010(三通阀)和在输入端口上的滑阀1020(Ω阀)，它们通过从通过蚀刻线1002指引的本体材料去除多余材料而形成，如所示的，使得滑阀1010和1020每一个在非常局限的区域中根据施加到腔室的压力自由地运动，但是不能自由运动到局限区域以外。三通阀1010具有关闭输出端口的平坦构件1012，且被局限在通过1016和1017限定的区域中，而Ω阀1020通过区域1026和区域1027局限。
图11C和11D以更高的放大率显示了在输出端口上滑阀1010(三通阀)和输入端口上滑阀1020(Ω阀)。
在一些实施方式中，微泵系统还可用于通过测量隔膜之间的电容而感测隔膜之间的距离。微泵包括电极，每一对电极形成静电促动器，其有效地是具有间隔开一定距离的两个导电板(即电极)的可变电容器。在电压施加到两个电极时，电极朝向或离开彼此运动。随电极之间的距离改变，电容也改变。电容随电极运动接近而增加且随电极运动分开而减小。因而，一对电极之间的电容可提供与电极对之间的距离有关的信息。在一些实施方式中，信息可用于确定系统的一些参数。例如，可测量包括压力、容积、流率、和密度在内的量。
本文所述的的不同实施方式的元件可以组合以形成未在上文描述的其他实施例。元件可以不包括在本文所述的的结构中而不会对其运行造成不利影响。
进而，各种分开的元件可以组合到一个或多个各元件中以执行本文所述的功能。其他实施例落入之后权利要求的范围中。

Claims (18)

1.一种微泵，包括：
泵本体，泵本体具有壁，限定被划分为多个隔室的泵腔室，泵腔室具有让流体进入泵腔室的多个入口和让流体从泵腔室离开的多个出口；
多个隔膜，设置在泵腔室，多个隔膜固定在泵本体的壁且隔膜将泵腔室划分为多个隔室；和
多个电极，多个电极中的一对电极设置在泵本体的一对相对壁上，且多个电极中其余的那些设置在隔膜的主表面的对应一个上。
2.如权利要求1所述的微泵，其中入口和出口在泵本体的相同壁上。
3.如权利要求1所述的微泵，其中多个入口和多个出口在泵本体的相同壁上，且多个入口具有连接到流体源的第一组连接部，且多个出口具有连接到流体槽的不同的第二组连接部，第二组连接部与第一组连接部隔离。
4.如权利要求1所述的微泵，其中多个入口和多个出口在泵本体的相对壁上。
5.如权利要求1所述的微泵，进一步包括多个阀，多个阀中的第一组设置在多个入口中的第一入口处，且阀的第二组设置在多个出口中的第二出口处。
6.如权利要求5所述的微泵，其中多个阀是瓣阀或滑阀。
7.如权利要求1所述的微泵，其中微泵配置为通过施加到多个电极的一组电信号驱动，以使得设置在泵腔室中的多个隔膜根据施加到多个电极的电压极性而挠曲。
8.如权利要求7所述的微泵，其中该一组电信号使得提供多个隔室中的第一个的第一对隔膜压缩第一隔室，且使得与第一对隔膜之一邻近的至少一个隔膜基本上同时地使与多个隔室中的第一个邻近的隔室膨胀。
9.如权利要求1所述的微泵，进一步包括驱动电路，以生产施加到电极的波形。
10.如权利要求1所述的微泵，其中，泵本体包括至少第一和第二模块，第一和第二模块中的每一个具有本体部分，本体部分支撑多个隔膜中的相应一个和导电电极；和第一和第二端部模块，第一和第二端部模块与至少第一和第二模块以堆叠布置，形成泵隔室，至少第一和第二模块的每一个具有对应的入口和出口。
11.如权利要求10所述的微泵，其中每一个模块的入口和出口在至少第一和第二模块的相同壁上，且微泵包括联接到每一个对应电极的电子驱动电路。
12.如权利要求10所述的微泵，其中模块具有多个壁，多个入口和多个出口在每一个对应模块的相同壁上，且多个入口具有连接到流体源的第一组连接部，且多个出口具有连接到流体槽的不同的第二组连接部，第二组连接部与第一组连接部隔离。
13.如权利要求10所述的微泵，其中每一个模块的入口和出口在对应模块的相对壁上。
14.如权利要求10所述的微泵，进一步包括多个阀，设置为邻近入口和出口。
15.如权利要求14所述的微泵，其中阀是具有梁构件和止动部的瓣阀。
16.如权利要求1所述的微泵，其中，阀装置在每一个出口处，包括：
阀构件，该阀构件具有杆部部分和阀瓣覆盖部分，杆部垂直于阀瓣覆盖部分；
泵本体壁具有通道，本体壁中的通道具有进入腔室的对应隔室中的开口、和超过泵本体的至少一个开口，其通过一对间隔开的本体壁区域形成，杆部部分位于通过该一对间隔开的壁区域限定的空间中，且阀瓣覆盖部分位于腔室中的开口和超过壁的开口之间的通道中。
17.如权利要求1所述的微泵，其中，阀装置在每一个入口处，包括：
阀构件，阀构件具有半圆形的部分，联接到半圆形部分的端部的一对端部部分，和一对腿部部分；
活塞状构件，具有杆部部分和头部部分，活塞状构件被支撑在泵本体上；
泵本体壁具有进入腔室的对应隔室中的开口，和超过泵本体壁的在活塞状构件的杆部部分附近的至少一个开口，头部部分配置为允许阀构件自由地运动，但是被包含在超过壁的开口附近。
18.如权利要求17所述的微泵，其中阀构件的形状为希腊字母Ω。
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