CN107035667A - 包括多边形压电薄膜传感器的泵 - Google Patents

包括多边形压电薄膜传感器的泵 Download PDF

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Abstract

本发明涉及到一种泵，其包括布置于泵的泵体(120，170)处的压电薄膜传感器；以及涉及到一种用于生产泵(100，200，400，500)的方法，其中压电薄膜传感器(101)被安装到泵体(120，170)，其中所述方法特别是包括提供压电陶瓷层(51)。根据本发明，从所述压电陶瓷层(51)划切至少一个压电元件(53，83，210)，从而使得所述至少一个压电元件(53，83，210)包括具有至少六个拐角部的正多边形形状。另外，所述方法包括通过将所述压电元件(53，83，210)安装到泵薄膜(110)来形成所述压电薄膜传感器(101)。

Description

包括多边形压电薄膜传感器的泵
技术领域
本发明涉及一种用于生产泵的方法，其中压电薄膜传感器被安装到泵体，其中所述方法包括权利要求1的特征，并且这样的泵包括权利要求12的特征。
背景技术
泵，且特别是所谓的微泵，可由不同材料(例如硅、金属或塑料)生产。硅和部分地金属微泵具有微型化的很大可能性，特别是因为可由精确生产方法来产生具有很小闭死容积的泵室从而使得尽管冲程容积很小，仍可实现足够大的压缩比。
压电薄膜传感器在本文中是最普遍的驱动元件。它们优选地使用通过当固化粘合剂时施加高电压的特定方法而被偏压。这样的方法是从WO2011/107162A1已知的。本文中所处理的泵芯片的芯片大小是7×7mm2。所述微泵包括方形泵室。泵薄膜，也包括方形压电元件，被布置于此方形泵室上方。包括所述方形压电元件的泵薄膜沿着所述芯片边缘被贴合到下方的泵体。因而，用于贴合所需的芯片边缘的最小值是300μm或更多。
通常有利地出于下列原因而力求实现泵的微型化：
·较小的泵芯片需要较少的构造空间(其中7×7mm2已经是对于许多应用而言足够小的)；
·较小的薄膜尺寸意思是较小的冲程容积，由此传输较小容积部分；
·微型化中的重要点在于减少生产成本，因为多个微泵被生产呈晶片复合物并且，由于微型化，则在晶片上能够容纳更多的芯片。
另一方面，小冲程容积是部分地不利的，因为小冲程容积导致小的压缩比并且，具有太小压缩比的泵将既不耐受气泡也不是自吸式的，并且因而不适于实用。
当微型化所述泵芯片时，一个难处在于所述薄膜弯曲传感器的冲程容积取决于所述薄膜的侧向尺寸的大约四次方。当使得所述驱动薄膜的薄膜侧向长度减半时，所述冲程容积减少到1/16(当所有其它几何形状和驱动参数保持相同时)。
此(减少)倍数能够通过适当地调节几何形状和驱动参数而减少到一定程度。特别地，当减少所述薄膜侧向长度时，所述薄膜厚度以及特别地所述压电陶瓷的厚度也可被减少。然而，所述冲程容积减少的程度超过可能减少所述闭死容积的程度。时常地，所述闭死容积不能减少同样倍数。
这种困境由于所述薄膜区域不能占据整个芯片区域而恶化。芯片边缘是用于将包括所述泵室的驱动晶片贴合到阀晶片上所必需的。所需的这种最小化芯片边缘并不取决于芯片大小。例如，在具有7×7mm2尺寸的已知的微泵的情况下，当前的芯片边缘大约300μm，即在所述芯片的边缘处7mm中的0.6mm是用于安装所述框架所需的。
如果所述微泵被减少到3.5×3.5mm2的芯片大小，则芯片长度的仅6/35将会是可用于薄膜的，因为300μm(在左侧和在右侧上各自为300μm，即600μm)仍然是边缘所需的。
当减少所述芯片大小时，另一重要的事实是所述薄膜弯曲传感器的形状。具有压电薄膜传感器的微泵，例如，甚至当根据从以上所提及的WO2011/107162A1已知的方法而偏压时，需要在薄膜下方的包括泵室高度h的泵室。这种泵室高度是临界的设计参数并且决定性地有助于所述微泵的闭死容积，但也是所述微泵的最大输送率。
圆形的旋转对称的弯曲传感器展示出与具有方形形状的弯曲传感器相比的两个优点。
·当被弯折时，与方形压电薄膜传感器相比，圆形压电薄膜传感器包括相对小得多的闭死容积和近似相等的冲程容积，因为位于所述方形薄膜传感器的拐角部下方的泵室容积没有被利用。相反地，所述方形薄膜传感器的拐角部区域几乎无助于所述冲程容积。
·具有圆形薄膜传感器和圆形泵室的微泵芯片不仅包括相对小得多的闭死容积而且也包括在所述泵芯片的拐角部处的相对大得多的贴合面积。因而，所述圆形泵室边缘到所述芯片边缘的最小距离能够极大地被减少，因为仍然有充足的贴合面积可用。因而，利用圆形薄膜传感器，则相对大得多的芯片面积可用于所述驱动薄膜。
从之前已阐明的内容变得显而易见的是，当减小所述泵芯片的大小时，圆形压电薄膜传感器看起来比方形压电薄膜传感器具有更多优点。
已知两种方法用于生产压电陶瓷：
a)块体方法：此处的压电陶瓷是成条生产的，其在烧结之后被锯成盘状物，被金属化并且随后被极化。
b)膜方法：此处的压电陶瓷被牵拉成膜，烧结，极化并且随后通过锯切而划切。
使用所述块体方法，则可以实现圆形和方形(或矩形、三角形，等等)压电陶瓷，这取决于锯切出所述盘状物的所述条所具备的截面形状。然而，存在着压电陶瓷厚度的较低阈值(当前为大约150μm，取决于压电器件制造商)，低于该阈值则压电陶瓷不再能够以经济的方式从所述条锯切而成。对于小于7×7mm2的微泵芯片，则几乎总是需要小于150μm的陶瓷厚度。另外，由于单独地处理所述陶瓷，则此方法比膜方法更昂贵。而且，经锯切的压电陶瓷在锯切之后必需在前侧和后侧上被逐一地金属化。
低于150μm厚度的压电陶瓷因而有利地使用所述膜方法而生产，其中可生产出低于50μm厚度的膜厚度。这些陶瓷膜在烧结之后在前侧和后侧上被金属化，并且仅在此后被划切，这是相对地经济得多的。具有3×3mm2的大小的方形金属化压电陶瓷能够使用标准的锯切工艺400而从具有50μm厚度的陶瓷膜(例如，大小60x60mm2)锯切。
对于具有3.5×3.5mm2的芯片大小的微泵，其需要在厚度50μm处具有大约3×3mm2直径的压电陶瓷，使用所述膜方法生产的这些陶瓷能够通过锯切而以非常经济的方式生产。
然而，圆形膜不能在锯切工艺中生产，因为当锯切时仅笔直的切口是可能的。然而，正如以上所解释的，需要圆形的压电陶瓷。
能够通过使用激光工艺或使用冲压工艺来形成圆形件，以尝试切出具有50μm厚度的烧结金属化膜陶瓷。然而，没有这样的工艺可用于加工压电陶瓷。另外，所述压电陶瓷是坚硬的并且易碎的，并且因而当使用这样的方法时将会非常可能被损毁。
已知的是划切硅晶片通过激光束(所谓的“隐形切割”)而粘合到膜衬底上。然而，将会必需首次针对压电陶瓷开发出这样的技术。并且即便其可用，则被切割的具有仅大约3mg重量的单个件将会必需在正确极化方向上被合适的处理系统置于泵芯片上，这导致另外的相当大的实践困难。另外，加热所述陶瓷导致了当超出居里温度时所述陶瓷在靠近切割边缘处被去极化/退极化。
水射流切割将会是另一替代方案；然而，不仅所述陶瓷而且所述膜将会被水射流切断，从而使得所述陶瓷在划切之后呈若干单件而存在，它们将会必需根据极化方向而再次被排序/分类并且安装。
发明内容
本发明的目的在于改进现有的用于生产泵并且对可用作泵薄膜的压电陶瓷元件以及包括这样的膜的泵进行划切的方法。
此目的是根据本发明由包括权利要求1的特征的方法和包括权利要求12的特征的泵来实现的。
使用本发明的方法，提供了一种泵，其中压电薄膜传感器被布置在泵体处。所述压电薄膜传感器包括泵薄膜和布置在其上的压电元件。根据本发明，所述压电元件包括具有至少六个拐角部的正多边形形状。本发明的方法具有优点在于，能够制造一种泵，例如，用于在微升或纳升区域中运输小的和最小数量的微型隔膜泵，其中所述微型隔膜泵包括作为用于驱动和/或偏斜所述薄膜的驱动元件的压电元件。所述压电元件包括具有至少六个拐角部的多边形形状。具有矩形或方形泵室以及矩形或方形压电元件的已知泵包括了在拐角部处的并不有助于运输的闭死容积，因为在所述方形压电元件的拐角部下方的泵室不能被运用。四边形或方形压电元件的拐角部区域相反地难以有助于冲程容积。对比而言，本发明的具有至少六个拐角部的多边形形状的压电元件(特别是具有圆形泵室的情况)，包括了具有大致相等冲程容积的情况下的相对小得多的闭死容积。尤其是，这导致了如下事实：所述压电元件的多边形形状设计能够被调节为所述泵室的圆形形状。换言之，围绕本发明的正多边形压电元件的外接圆能够被限定，其直径能够被调节为圆形泵室的直径。因而，可运用较大的冲程容积，其包括当与四边形压电元件相比时相对小得多的闭死容积。
根据实施例，将压电元件安装到泵薄膜以用于形成所述压电薄膜传感器的步骤可在将所述泵薄膜安装到泵体的步骤之后被执行。换言之，首先，所述泵薄膜被安装到泵体。仅在其后，所述压电元件被布置于所述泵薄膜处。泵薄膜和压电元件的组合导致布置于所述泵体处的压电薄膜传感器。
根据替代实施例，将压电元件安装到泵薄膜以用于形成所述压电薄膜传感器的步骤可在将所述泵薄膜安装到泵体的步骤之前被执行。换言之，首先，所述压电元件被布置于泵薄膜处。泵薄膜和压电元件的组合导致了随后被安装到所述泵体的压电薄膜传感器。
能够设想到，发生了从压电陶瓷层划切出至少一个压电元件，从而使得所述至少一个压电元件包括偶数个多边形拐角部。具有正多边形形状和偶数个多边形拐角部的压电元件能够从压电陶瓷层划切且仅有很少碎屑残留物。所述碎屑残留物小于具有奇数个多边形拐角部的待划切的压电元件的情况。
能够设想到，发生了从压电陶瓷层划切出至少一个压电元件，从而使得所述至少一个压电元件包括至少八个拐角部。所述多边形形状的压电元件具有的拐角部越多，则能越好地表示圆形压电元件的特征。例如，与四边形压电元件相比，八边形压电元件包括更小的闭死容积，即可用的容积更大。
根据本发明，所述压电元件当划切时沿着限定的锯切图案以笔直的切口而从所述压电陶瓷层锯切下来。在某些实施例中，使用仅笔直的切口来从所述压电陶瓷层锯切所述至少一个压电元件。因而，标准的锯切工艺可用于从压电陶瓷层锯切所述压电元件。使用锯切工艺，特别是能够以有利的、简单的并且高效的方式来执行笔直的切割。这样的锯切工艺适合于大批量生产，即本发明的多边形压电元件能够以有成本效益的方式并且以大的数量而生产。
能够设想到，当划切所述压电元件时，利用束或射流切割方法沿着限定的切割图案而从所述压电陶瓷层切割所述压电元件。例如，可使用激光束或水射流切割而对压电元件进行划切。除了笔直的切口，在此处也可执行非笔直的切口。使用这样的束或射流切割方法，则例如可从所述压电陶瓷层切割多边形压电元件，而没有碎屑残留。利用六边形形状，则例如可切出蜂巢形状的结构。
能够设想到，所述压电陶瓷层是经极化的压电陶瓷膜。这样的之前经极化的压电陶瓷膜使得利用所述膜方法生产经极化的压电元件更容易。从经极化的膜划切的所述压电元件已展示出正确的极化并且不必在划切之后被单独地极化。
根据实施例，所述薄膜受偏压，从而使得所述薄膜在未致动状态被至少部分地与所述泵体间隔开并且此间隔开的区域形成了在俯视图中具有环形形状的泵室。环形，且特别地，圆形泵室导致与四边形或方形泵室相比有所改善的生产所述泵的效率。安装到受偏压薄膜的多边形压电元件可以是柔性的并且包括与圆形泵室相比(泵室的直径)近似地相同的或某种程度上更小的外部尺寸(外接圆直径)。另外，对薄膜的偏压可被调节到所需的泵室高度H，从而使得每个泵冲程所运输的容积能够被按需调节。
也能够设想到，所述方法还包括在所述泵中在俯视图中形成环形形状的泵室，其中所述泵室被构造成使得其外圆周与所述泵体的外圆周间隔开，从而使得最小距离至多为300、200或100μm。换言之，具有环形泵室的泵芯片的芯片边缘能够相比于四边形或方形泵室有所减少。所述芯片边缘是介于所述泵室的外圆周(泵室的直径D)与所述泵体的外圆周(或外侧)之间的距离。这意味着最小距离是泵室的外圆周具有与所述泵体的外圆周相距的最小距离的情形。此最小距离是300μm或更少，200μm或更少，或100μm或更少。对比而言，在已知的四边形或方形泵室中的芯片边缘的最小尺寸是至少300μm或更多，以便提供用于将所述薄膜贴合到芯片边缘的充足的结合面积。凭借本发明的环形的并且特别是圆形的泵室，则在拐角部处具有更多可用的结合面积从而使得所述芯片边缘的尺寸可被减少。
另外，本发明针对包括权利要求12的特征的泵。
能够设想到，压电元件包括100μm或更少的厚度，并且优选地为50μm或更少。这样的压电元件例如可使用膜技术而生产，其中压电陶瓷被牵拉成膜，烧结和极化。随后，压电元件能够通过锯切而从这样的膜划切。特别地，当减少芯片构造中的微泵的大小时，同时，所述薄膜和布置于其上的压电元件也将被减少。为了维持所述冲程容积，特别是所述压电元件的厚度必须被减少，其中大约50μm或更少的厚度很适于此情形。
根据本发明，泵可以是微型隔膜泵，其泵体被形成为包括金属或包括半导体材料的芯片。在芯片构造中生产的这种微型隔膜泵展示出用于微型化的高潜能。
能够设想到，泵体包括7×7mm2或更少的大小，3.5×3.5mm2或更少的大小，或2×2mm2或更少的大小。当微型化所述泵或泵体时，一个难处在于所述压电薄膜传感器的冲程容积取决于所述薄膜的侧向尺寸的大约四次方。例如，当使得薄膜的侧向长度减半时，所述冲程容积减少到1/16。本发明的多边形形状压电元件能够至少部分地补偿或减少与微型化相关联的这些缺点。因而，使用本发明的多边形形状的压电元件具有针对微型化泵的优点。
也能够设想到，泵包括在俯视图中的环形形状的泵室，其外圆周与所述泵体的外圆周间隔开从而使得最小距离至多300μm，或至多200μm或至多100μm，或至多50μm。换言之，所述薄膜可安装的边缘保持在所述泵体与所述泵室之间。利用生产为呈芯片构造的微型隔膜泵，例如，其中所述微泵芯片(除了所述压电元件)从硅生产为呈晶片复合物，这称为芯片边缘。利用具有四边形或方形泵室的已知的微型隔膜泵，所述圆周芯片边缘为300μm或更多。通过形成圆形泵室，所述泵边缘能够被减少到300μm、200μm、100μm或50μm或更少的大小。
附图说明
在附图中图示并且将在下文中讨论本发明的实施例，附图中：
图1A是创新的方法的方块图；
图1B示出在具有切割或锯切图案的锯切膜上布置的压电陶瓷层；
图1C是借助于仅笔直的切口用于生产六边形压电元件的可能的切割或锯切图案的示意性图示；
图1D是借助于仅笔直的切口用于生产八边形压电元件的可能的切割或锯切图案的示意性图示；
图1E是包括受偏压的薄膜的本发明的泵的截面图，没有示出本发明的压电元件；
图1F是包括与泵体相邻的薄膜的本发明的泵的截面图，没有示出本发明的压电元件；
图2A是包括受偏压薄膜以及具有至少六个拐角部的本发明多边形压电元件的本发明的泵的截面图；
图2B是包括与泵体相邻的薄膜以及本发明压电元件的本发明的泵的截面图；
图3是包括本发明的六边形压电元件的本发明的泵的俯视图；
图4A是本发明的泵的另一实施例的截面图，没有示出本发明的压电元件；
图4B是本发明的泵在安装本发明的压电元件的步骤中的其它实施例的截面图；
图4C是本发明的泵的其它实施例的截面图，且压电元件安装到所述薄膜；
图4D是本发明的泵的其它实施例的截面图，其具有受偏压的薄膜；
图4E是本发明的泵的其它实施例的截面图，其具有受致动的薄膜；
图5A是包括根据现有技术的四边形或方形压电元件以及四边形或方形泵室的泵的俯视图；
图5B是包括圆形泵室和圆形压电元件的模型泵的俯视图；
图5C是包括圆形泵室和六边形压电元件的本发明的泵的俯视图；
图6A示出根据所述压电元件的大小，所述冲程容积的在图5A、5B和5C中所示泵形状的仿真/模拟的评估，以及
图6B示出根据所述压电元件的大小，所述失速压力(stall pressure)的在图5A、5B和5C中所示泵形状的仿真/模拟的评估。
具体实施方式
图1A示出用于生产泵的本发明方法的方块图，其中压电薄膜传感器被安装至泵体。本发明的方法也可以按照与图1A中所示不同的次序而执行。
根据方块10，提供了压电陶瓷层。所述压电陶瓷层可以是压电陶瓷膜。所述压电陶瓷层可包括50μm或更少的厚度或高度。
根据方块20，至少一个压电元件是从所述压电陶瓷层划切的，从而使得至少一个压电元件包括具有至少六个拐角部的正多边形形状。
根据方块30，所述压电薄膜传感器是通过将压电元件安装到泵薄膜而形成的。根据本发明，此压电薄膜传感器被安装到所述泵的泵体。
根据本发明的方法的实施例，所述泵薄膜可首先被布置于所述泵体处。随后，所述压电元件可被布置于所述泵薄膜处。
根据本发明的方法的替代实施例，所述压电元件也可首先被布置在泵薄膜处。随后，所述泵薄膜(包括布置于其上的压电元件)可被布置于所述泵的泵体处。
所述压电元件，与所述泵薄膜相关联，形成了压电薄膜传感器。
所述泵体可示例性地是从半导体材料(例如硅)制成的呈芯片构造的微型隔膜泵的泵体。例如，这样的泵体可包括阀晶片。所述泵薄膜可例如也包括半导体材料，例如硅，并且例如利用磨削工艺来生产。示例性地，所述泵薄膜可被布置于所述阀晶片上方并且因而形成驱动晶片。示例性地，所述泵薄膜可通过偏压所述泵薄膜而与所述泵体间隔开。所述泵室可示例性地是由此间隔而提供的。
如以上已提及的，所述压电薄膜传感器是通过将至少一个压电元件安装到所述泵薄膜而形成的。正如之前已描述的，所述泵薄膜可被布置在泵体处。所述泵薄膜可利用所述压电元件而致动从而使得所述泵薄膜的运动对应于泵冲程。所述泵薄膜和布置于该处的所述压电元件一起形成所述压电薄膜传感器。
根据本发明，所述压电元件当划切时沿着限定的锯切图案以笔直的切口而从所述压电陶瓷层锯切下来。图1B示出布置于膜50上的压电陶瓷层51。
所述膜50和布置于其上的所述压电陶瓷层51沿着限定的锯切或切割图案52以笔直的切口而被锯切。所述锯切或切割图案52在图1C中以放大图而示意性地示出。
所述锯切或切割图案52被构造成使得仅提供了笔直的锯切切口。所述锯切或切割图案52包括至少第一对切割线54、55，与之成斜角的至少第二对切割线57、58，以及以镜像方式与之成斜角的至少第三对切割线58、59。所述成对的切割线各自是彼此平行的。
利用切割线的此布置，则经划切的压电元件53从压电陶瓷层51获得，所述经划切的压电元件53包括正六边形多边形形状。所述碎屑残余物，可以说，是两个三角形60、61。
正如可从图1B见到的，这样的六边形压电元件已与所述压电陶瓷层51分离或从所述压电陶瓷层51划切，能够从空缺部62识别出来。
锯切压电膜是适合于大批量生产的标准化工艺步骤，从而使得可用经济的方式生产压电元件。优选地，可使用之前经极化的陶瓷层。例如，在锯切之后，经极化的陶瓷51可利用拾取和放置技术从所述锯切膜50放置到所述泵体(图1E和以下)或泵芯片上。
所述膜陶瓷51通过标准的锯切工艺而划切，但并不形成方形形状，而是通过笔直的切口而形成六边形形状。
所述压电元件53的六边形形状具有下列优点：
·如同方形，所述六边形53可使用笔直的切口而从平面板锯切。
·残留的是每个六边形53有两个小三角形60、61，这意味着陶瓷膜面积的75％可用于所述六边形53。经锯切的压电陶瓷53可在正确的极化方向使用拾取和放置系统直接地从所述锯切膜50放置到泵体(例如微泵晶片)上。
·所述六边形53相比于方形被好得多地调整为理想的圆形形状。因而，可选择圆形泵室(在所述六边形陶瓷53下方)，由此产生了上述的优点。
图1D示出了锯切或切割压电陶瓷层51可沿着的另一可能的锯切或切割图案80。此锯切或切割图案80可被用来使用笔直的切口(划切向后进行)从上述压电陶瓷层51切割或锯切至少一个八边形的本发明的压电元件83。
正如之前已提及的，经锯切或切割的多边形形状压电元件53、83可被布置于泵薄膜处。所述压电元件53、83被构造成用以在至少一个方向上偏斜所述泵薄膜。所述压电元件53、83与它们所安装到的泵薄膜一起形成用于泵的压电薄膜传感器。
图1E示出本发明的泵100的经精简的图示，其中，为了简化所述泵100的基本结构的讨论，本发明的压电元件尚未被标记。
图1E中示出的泵100包括泵体120和布置于其上的薄膜110。所述泵薄膜110在图1E中所示位置被偏压，即至少部分地与所述泵体120间隔开。这对应于泵100的未致动或不工作启动状态，而在图1F中，所述薄膜110已被压电元件(未被示出)致动。
泵薄膜110包括第一或顶部表面112以及与所述第一表面112相反地布置的第二或底部表面114。泵薄膜120包括第一或顶部表面122以及与所述第一表面122相反地布置的第二或底部表面124。所述泵薄膜110被布置于泵体120处沿着其圆周。
另外，所述泵100包括泵室102(图1E)，其中所述泵室102被限定为介于所述泵薄膜110与所述泵体120之间的自由空间或容积。此处的所述泵室102示例性地包括直径D。所述泵室102的直径D被限定为介于所述泵100的两个相反侧向位置之间的距离，其中所述泵薄膜110在未致动偏压状态触及所述泵体120，这典型地对应于其中所述泵薄膜110被布置于所述泵体120处沿着其圆周的那些位置。
附图标记H是指泵室102在未致动状态的高度，即介于所述泵体120的第一表面122与在所述泵薄膜110的中心103中的所述泵薄膜110的下表面114之间的竖直距离。
所述泵体120包括入口126和出口128以及位于所述泵体120的顶部侧上的(即在朝向所述泵薄膜110的、其中布置了第一阀130和第二阀140的侧部上的)凹部。所述第一阀130和第二阀140被流体连接至泵室102。
在此处图示的微泵100的实施例中，入口侧止回阀130和出口侧止回阀140被实施为呈两个半导体芯片150、160的堆叠170的形式，其中所述双阀结构170的顶部半导体层或芯片150被布置在所述底部半导体层或芯片160之上。所述第一和/或第二半导体层150、160可例如包括硅或其它半导体材料。
正如能够从图1E和1F识别出的，所述泵体120的第一表面122是平面的，并且所述入口和出口阀130、140的顶部表面152，或换言之，所述顶部层150的朝向所述泵薄膜110的顶部表面152也是平面的并且位于与所述第一表面122相同高度处(当参考图1E中的竖直取向时)。在公共平面(由表面122、152所限定)下方，所述入口侧止回阀130包括凹部132，例如，形成于顶部层150和底部层160中的凹部，并且所述出口侧止回阀140包括凹部142，例如在所述顶部层150中。
尽管图1E和1F示出具有所使用的双阀结构170的泵体120，泵的不同实施例可包括直接地在所述泵中形成图案的阀结构130、140。在另外的实施例中，所述阀结构170的顶部表面152可能已经形成泵体120(参见，例如，图4A至图4E)。
随后，所述泵体120的第一表面122和所述入口侧止回阀130及出口侧止回阀140的顶部表面152一起也称为泵体或泵体底部的第一表面。图1E和1F中所图示的微泵100包括基本上平面的第一表面122和基本上平面的泵体底部，即，除了所述阀的凹部132、142以外包括平面实施方式的第一表面122。
将要在此情境下提及的是，所述泵室102的最大容积Vmax包括介于泵容积120与泵薄膜110之间的容积(如图1E中所图示为呈偏压状态)，以及阀凹部132、142的容积。
正如能够从图1F额外地识别的，在其中所述泵薄膜110被认为在第二、较少偏压位置内具有平面形状并且邻接于所述泵体120的第一表面122上的实施例中，最小或闭死容积V0主要地由阀凹部132、142确定。在所述两个容积之间的差异也被称为冲程容积ΔV＝Vmax-V0。因为所述压缩比c被限定为c＝ΔV/V0，则图1E和1F中所示的实施例包括高压缩比。
在此示例中，所述泵室102相对于其周围环境被沿着所述泵薄膜110的圆周介于所述泵薄膜110与所述泵体120之间的连接完全地密封(除了所述入口侧止回阀130和所述出口侧止回阀140)。所述泵薄膜110的圆周可包括角度形状，任何点对称形状或任何其它形状。所述泵薄膜110的角度的或点对称的圆周导致改进的泵特性，因为这些形状避免了在移动期间的变型。
图2A和2B示意性地示出了泵200的实施例(其包括布置于所述泵薄膜110的顶部侧112上的压电元件210)的截面图。类似于图1E，图2A示出了具有处于第一受偏压位置的泵薄膜110的泵200。类似于图1F，图2B示出具有处于较少偏压的第二位置(在此情况下是处于平面位置)的泵薄膜110的泵200。
图2A也示出了具有布置于泵200的泵体120处的压电薄膜传感器101的本发明的泵200。所述压电薄膜传感器101包括从压电陶瓷层生产的并且布置于薄膜110处的压电元件210。根据本发明，所述压电元件210包括具有至少六个拐角部的正多边形形状。因为所述压电元件210的多边形形状不能在本截面图中识别，则就这一点而言参考图3中所示的顶视图。
图2A和2B中所示的压电元件210的多边形形状因而能够在图3中所示的顶视图中识别。根据图3，所述微泵200包括泵体120。正如之前相对于图1E已讨论的，所述泵室102被形成于所述泵体120与上覆的受偏压薄膜110之间。在此示例中，所述泵室102包括由外部虚线圆301所表示的圆形形状。所述圆形泵室102包括直径D。
所述薄膜110被布置在所述泵室102的朝向观察者的顶侧上。在此示例中的所述薄膜110在所述泵体的侧向尺寸上被完全张紧并且附接到该处。所述压电元件210被布置在所述薄膜110的朝向观察者的顶侧上。所述压电元件210和所述薄膜110一起形成本发明的压电薄膜传感器101。
所述压电元件210是从压电陶瓷层生产的并且包括六边形形状。更精确地，所述压电元件210包括具有六个拐角部中的偶数个多边形拐角部的正多边形形状。此处的正多边形形状意思是等边并且等角的多边形。
直径d的外接圆302能够绕所述多边形形状的压电元件210而被限定。所述外接圆302的直径d小于所述泵室102的直径D。
正如能够在图2A和2B中识别的，所述压电元件210包括位于所述第一表面212上的顶部电极(也称为顶部或最顶部表面)。另外，所述压电元件210包括位于所述第二表面214上的底部电极(也称为底部或最底部表面)，其中所述第二表面214被布置于所述压电元件210的相反的主表面上。所述压电元件210的最顶部电极被电连接至第一接触部216，并且所述压电元件210的最底部电极(例如借助于可被至少涂覆到所述泵薄膜110的第一表面112的一部分上的导电层)被电连接至所述泵的第二接触部218。
所述压电元件210例如可借助于粘合剂或另一结合技术而被贴合到所述泵薄膜110。所述压电元件210被极化，从而使得所述压电元件210(在正电压被施加到所述顶部电极216与所述底部电极218之间的情况下)在侧向接触并且因而向下偏斜所述受偏压的泵薄膜110(即，在朝向所述泵体120的方向上)。
在图2A中，不存在施加电极216、218的电压(U＝0V)。相应地，所述压电元件210在此处是不工作的并且受偏压的薄膜110保持在其受偏压位置。
在图2B中，存在着所施加的正电压，例如U＝Umax。因此，泵薄膜110被向下偏斜，即，在朝向泵体120的方向上，并且与所述平面泵体120相接触。
可以借助于本发明的压电元件53、83、210而以不同方式实现将所述泵薄膜110从第一受偏压位置移动至第二平面位置，例如借助于压电陶瓷210或其它压电驱动器，例如借助于粘合到所述泵薄膜上的压电堆栈致动器，如在之前参考图2A和2B已提及的，其中这些压电驱动器当施加正电压时在侧向发生接触，并且当不施加电压时在侧向松弛。另外，当施加负电压时，这些压电驱动器延伸超出在松弛状态存在的它们的侧向长度或尺寸。在其它实施例中，可借助于永久性地贴合到泵薄膜上的压电堆栈致动器而实现将力施加到泵薄膜上。
图4A至4E示出包括泵薄膜110的泵400的另一实施例的截面图，其中之前关于图1E描述的双层阀结构170当前形成了泵室120，并且其中泵室110被实施为图案形式的并且至少部分地减薄的第三层410.
正如从图4A能够识别的，第三层410包括顶部或第一表面412，其中实施第三层410形成柔性的泵薄膜110。在围绕所述阀130、140的近似中心区域中，所述第三层410在与所述第一表面412相反地布置的底部或第二表面414的区域中略微减薄。
上部区域412包括侧向长度d2。在圆形泵体120或圆形泵薄膜110的情况下，所述上部区域412将会对应地包括尺寸d2的直径。所述底部减薄区域形成泵室102并且包括侧向长度或直径D。所述泵室102优选地被实施为环形的并且，特别是圆形的。
所述第一或顶部表面412的侧向长度或直径d2大于所述第二或底部表面414的侧向长度或直径D。所述泵薄膜110或所述第三层410以及所述泵体170被连接至彼此，从而使得所述泵室102被现定于所述泵体170与所述泵薄膜110之间。
图4A示出在压电元件被贴合到所述薄膜110并且薄膜被偏斜之前的状态下的泵400。
在图4B中，压电元件210借助于涂覆到其下部侧上的粘合剂层320而被安装到所述泵薄膜110的顶部侧。
图4C示出了布置于所述泵薄膜110上的压电元件210以及布置于所述泵薄膜110与所述压电元件210之间的粘合剂层320。
根据本发明，在图4A至4C中以截面图示出的所述压电元件410也包括具有至少6个拐角部的正多边形形状。就这点而言，参考图3中图示出的本发明的泵的俯视图，其中所述压电元件210的多边形形状能够被清楚地识别。
在图3和图4A至4E中，所述泵包括泵体170，所述泵体170包括第一层160和布置于其上的第二层150。第三层410在背离观察者的其减薄区域中形成所述泵室102，所述第三层410被布置在所述第二层150之上。
所述泵室102因而被形成于所述泵体170与所述薄膜110之间。在此示例中，所述泵室102包括由外部虚线圆所图示的圆形形状。所述圆形泵室102包括直径D。
所述多边形压电元件210被布置在所述薄膜110的朝向观察者的顶侧上。所述压电元件210和所述薄膜110一起形成本发明的压电薄膜传感器101。
所述压电元件210是从压电陶瓷层生产的并且包括六边形形状。更精确地，所述压电元件210包括了包含6个拐角部中的偶数个多边形拐角部的正多边形形状。
具有直径d的外接圆302能够绕所述多边形形状的压电元件210而被限定。所述外接圆302的直径d小于所述泵室102的直径D。
图4D示出包括多边形形状压电元件210的本发明的泵400的另一截面图，所述多边形形状压电元件210借助于粘合剂320而被布置于所述泵薄膜110处。在此实施例中，所述泵薄膜110也被偏压，意味着，如果不存在施加到所述压电元件210的电压，则泵薄膜110处于如图所示的其受偏压起始位置。
在图4E中，施加了电压，例如，U＝Umax＝300V。所述压电元件210在侧向接触并且因而在朝向泵体170的方向上推压所述泵薄膜110。这意味着执行了泵冲程，其中待运输介质被从入口130运输到出口140。
甚至当迄今为止的向前实施例已被描述从而使得所述泵薄膜410首先被贴合到所述泵体170并且随后被偏压时，在替代实施例中，已受偏压的泵薄膜410可被贴合到所述泵体170。在替代实施例中，也可设想到泵薄膜110将不被偏压。在这样的情况下，所述泵薄膜110被邻近于所述泵体120、170而定位于其起始位置(图2B、4C)，并且当施加电压时，所述泵薄膜110向外凸起，即所述泵薄膜110移动远离所述泵体120、170(图2A、4D)。
正如之前已参考附图描述的，根据本发明，所述压电薄膜传感器101由多边形形状压电元件53、83、210形成为将要安装到泵薄膜110上。也可设想到，另外的压电元件将要安装到所述薄膜110，而非此多边形形状压电元件53、83、210。优选地，但非必定，这些额外的压电元件也可包括正多边形形状。
如所提及的，压电薄膜传感器101包括泵薄膜110和布置于该处的压电元件53、83、210。可使用本发明方法生产的泵包括至少一个压电薄膜传感器101，所述压电薄膜传感器101包括正多边形形状的压电元件53、83、210，其中此压电薄膜传感器101被安装到所述泵体120、170。然而，也可设想到，若干压电薄膜传感器将要安装至所述泵体120、170。这意味着，每个具有至少一个压电元件的所述若干薄膜(或也是被细分为若干部分的薄膜)可被布置于所述泵体120、170处。优选地，但非必定地，布置于所述额外薄膜或薄膜部分处的压电元件也包括正多边形形状。
因而，例如，正如在DE102 38 600A1中所描述的蠕动泵可配备有若干本发明的压电薄膜传感器101。示例性地，安装到所述泵体的第一压电薄膜传感器可形成与第一流体通道一起的入口阀。例如，安装到所述泵体的第二压电薄膜传感器可形成与第二流体通道一起的入口阀。例如，安装到所述泵体的第三压电薄膜传感器可形成与所述泵体的一部分一起的泵室。根据本发明，至少一个压电薄膜传感器包括具有正多边形形状的压电元件。优选地，至少两个、或甚至所有其它压电薄膜传感器可各自包括具有正多边形形状的压电元件。
本发明的多边形形状压电元件53、83、210的优点将在下面参考图5A、5B和5C而描述。
图5A示出根据现有技术的微泵500A的俯视图。所述微泵500A包括四边形泵体501A。四边形薄膜502A被布置在泵体501A上。四边形压电元件503A被布置于所述薄膜502A上。以虚线图示的四边形泵室504A被设置于所述薄膜502A与所述泵体501A之间。
为了将所述薄膜502A安装或贴合到所述泵体501A，圆周芯片边缘505A必须保持于所述四边形泵室504A与所述四边形泵体501A外侧之间。为了提供用于贴合的足够面积，芯片边缘505A必须包括沿着所述圆周的至少300μm或更多的宽度Bv。
图5B示出微泵500B的模型的俯视图。所述微泵500B包括四边形泵体501B。四边形薄膜502B被布置在泵体501B上。圆形压电元件503B被布置于所述薄膜502B上。以虚线图示的圆形泵室504B被设置于所述薄膜502B与所述泵体501B之间。
由于所述圆形泵室504B，则当与图5A中所示的现有技术相比时，用于贴合所述薄膜502B的相对地多得多的空间保留于四个拐角部510B、511B、512B、513B中。因而，所述圆形泵室504B的圆周可更接近于所示四边形泵体501B的边缘。当与图5A中所示的现有技术相比时，所示圆周芯片边缘505B因而可包括减少的最小宽度BR，其中所述宽度BR是在最小边缘距离的区域中测量的，即在所述泵室504B的外圆周至少与所述四边形泵体501A的外侧间隔开处的区域中。
正如已在开始处提及的，当前没有适合于大批量生产的技术已用于提供圆形压电元件，如图5B中所示。图5B中所示的泵500B因而仅表示已出于比较目的针对下面提及的仿真/模拟试验而建模的理想化模型。
图5C以俯视图示出本发明的泵500。此实施例基本上对应于图3中所示的泵200。所述泵500包括四边形泵体120。所述泵体120是方形的并且包括例如5mm的侧向长度。
所述薄膜110被布置在所述泵体120的朝向观察者的侧部上。压电元件210被布置在所述薄膜110的朝向观察者的侧部上。所述压电元件210包括具有六个拐角部的正多边形形状。由于所述正多边形形状，所述正多边形形状的压电元件210可限定图示为点线的外接圆515。
所述泵500包括以虚线图示出圆形泵室102。因为存在着当与现有技术相比时用于将所述泵薄膜110安装在所述四个拐角部510、511、512、513中的更多空间，则介于所述泵室102与所述泵体120外侧之间的最小边缘距离BP可被减少从而使得所述泵室102的直径D可被增加。
为了图示出与现有技术相比而言本发明的优点，则已执行了使用仿真程序ANSYS的仿真，其结果将参考图6A和6B而被更详细地讨论。
执行了涉及到本发明的泵的效率的仿真，本发明的泵当与相等尺寸的泵相比时包括多边形压电元件(图5C)，但具有四边形(图5A)和圆形压电元件(图5B)。
在图5A、5B和5C中图示出的外部方形描述了所述微泵500、500A、500B的芯片大小，所述外部虚线圆、或虚线方形描绘了所述泵室102、504A、504B的边界，而阴影的内部区域表示了压电元件210、503A、503B的形状。所述“直径”即本发明的六边形压电元件201的外接圆对应于其中可限定六边形的(虚线圆)圆形半径。
可见，利用介于所述泵室与300μm边缘之间的相等最小距离BV、BR、BP，则贴合区域在圆形泵室中(图5B、5C)比在方形泵室中(图5A)相对更大得多。
使用程序ANSYS的仿真是使用下列参数而执行的：
图6A示出取决于压电大小(x轴)的对于以纳升为单位的冲程容积的仿真结果(y轴)。曲线图601示出了具有在圆形泵室上方的六边形压电元件的本发明的泵(图5C)的仿真结果。曲线图602示出了具有在四边形泵室上方的四边形压电元件的泵(图5A)的仿真结果以用于对比。曲线图603示出了具有在圆形泵室上方的圆形压电元件的泵(图5B)的仿真结果以用于对比。
图6B示出取决于压电大小(x轴)的对于失速压力的仿真结果(y轴)。曲线图604示出了具有在圆形泵室上方的六边形压电元件的本发明的泵(图5C)的仿真结果。曲线图605示出了具有在四边形泵室上方的四边形压电元件的泵(图5A)的仿真结果以用于对比。曲线图606示出了具有在圆形泵室上方的圆形压电元件的泵(图5B)的仿真结果以用于对比。
因而，压电大小因子被如下限定:
对于圆，则适用如下：
对于六边形，则适用如下：
对于方形，则适用如下：
下列表格(表1)概括了最优压电几何形状，即，所述冲程容积和失速压力最大情况下的压电大小因子。因为冲程容积和失速压力的最大值并非是在恰好相同的压电大小因子情况下的最大值，即在冲程容积Vstroke和失速压力pstall的乘积为最大值的情况下将会选择所述压电大小因子。此乘积将随后也被限定为“效率”：
效率＝Vstroke*pstall
此乘积是本发明的压电薄膜传感器的效率的量度。此效率是在圆形薄膜情况下最佳的，之后是六边形几何形状和方形薄膜。
表1
从此考虑变得显而易见的是所述六边形几何形状比所述方形几何形状更有效率。在本发明的六边形形状的压电元件中的相对效率，相对于所述方形几何形状而言，比在方形形状的比较压电元件中更高或更优3.3％。
迄今为止尚未考虑的是，在圆形泵室的情况下，所述边缘距离BR、BV、BP能够被选择为更小，例如，b2＝100μm以替代b1＝300μm。这是由如下事实导致的：在圆形泵室(图5B、5C)的情况下,在当与方形泵室(图5A)相比时，在四个拐角部510、511、512、513中有相对更多的贴合面积可用。
在另外的参数相等的情况下，则冲程容积增加了薄膜侧向长度的四次方，而(再次，在相等参数的情况下)，所述失速压力减少二次方。
因此，此处所限定的效率增加了所述薄膜侧向长度的二次方。
这意味着所述效率(在相等芯片尺寸的情况下，具有侧向长度a，例如，a＝5mm)能够利用圆形和六边形压电元件而被进一步改进。
利用此处所选择的参数，则改善因子是1.19，或19％。利用5mm的芯片大小、和b2＝100μm的边缘距离来作为b1＝300μm的边缘距离的替代，则圆形压电元件和六边形压电元件随后将会比方形压电元件效率高19％，这仅由于如下事实：利用圆形泵室，则薄膜的最小距离可被设置为更靠近于芯片边缘得多。
这意思是，除了源自表1的3.3％的效率方面的改善，能够实现进一步的19％的改善，因为所述芯片边缘(即介于泵室与泵体之间的最小距离)能够利用圆形泵室而减少。
利用的芯片尺寸a＝3m和相等的边缘尺寸b1、b2，则圆形泵室的效率，相比于四边形泵室而言，将于是改进36.1％，并且在2mm的泵芯片的侧向长度的情况下，甚至改进65.3％，如能够从表2中见到的。
表2
此处，变得显而易见的是，六边形压电陶瓷的优点尤其当微型化所述泵芯片时具有其最佳效果：如同所述方形薄膜，其可从锯切膜锯切，但(与理想的圆形压电陶瓷相比)仅损失了若干百分点的效率，而所述六边形压电陶瓷在小的芯片尺寸的情况下更有效得多，当与方形薄膜相比，例如具有3mm尺寸的泵芯片，则效率高40％。
所述冲程容积和失速压力可(在一定的薄膜侧向长度a的情况下)通过改变薄膜和压电陶瓷的厚度(即所述压电薄膜传感器的厚度)而调节。例如，为了获得相同的失速压力pstall和较大的薄膜直径，则必须将薄膜和压电陶瓷制造得更厚。
六边形压电陶瓷出于另一原因是有利的：
当没有使用笔直的锯切切口、而是通过束或射流切割方法(例如，激光切割、水射流切割或电子束切割，等等)来对压电陶瓷层进行划切，并且由此实现任何形状时，也例如圆形形状、六边形形状可从所述膜被锯切，而完全没有碎屑/残余物，这与蜂巢图案类似。然而，所述六边形形状于是不再能够使用笔直的切口来切割。
正如上面所讨论的仿真已示出的，所述六边形压电元件包括几乎与圆形模型压电元件一样大的冲程和失速压力。当所述压电陶瓷的面积表示成本因子时，即当碎屑残余物将要被减少或避免，并且束或射流切割技术可用时，则从所述膜划切出六边形压电陶瓷以便避免碎屑残余物是有利的。
八边形结构也能够使用笔直的切口而从膜锯切，然而，在此情况下的碎屑残余物从25％(在六边形的情况下)增加至50％(在八边形的情况下)。
甚至更大的正多边形，即，具有多于八个拐角部的多边形，并且优选地偶数个拐角部能够被锯切，必然引起甚至更多的碎屑残余物。
所述多边形数目越高，则圆形形式能被更精确地表示。
尽管已经结合一种装置描述了某些方面，则应理解到，这些方面也表示对应方法的描述，从而使得装置的块或元件应被理解为也是对应的方法步骤或方法步骤的特征。类比地，已经结合或作为方法步骤描述的方面也表示了对应装置的对应块或细节或特征的描述。例如，某些或所有方法步骤可由硬件设备执行(或使用硬件设备)，如微处理器、可编程计算机或电子电路。在某些实施例中，最重要方法步骤中的一些或若干可以由这样的设备来执行。
上述实施例仅仅表示对于本发明的原理的例解。应理解到，本文中所描述的布置和细节的修改和变型将对于本领域普通技术人员显而易见。因此，本发明旨在仅受下列权利要求的范围的限制，而非受本文中使用说明书以及实施例的讨论已经呈示的特定细节的限制。

Claims (19)

1.用于生产泵(100，200，400，500)的方法，其中压电薄膜传感器(101)被安装到泵体(120，170)，所述方法包括：
提供包括泵室(102)和泵体(120，170)的泵(100，200，400，500)，其中所述泵室(102)的外圆周与所述泵体(120，170)的外圆周间隔开距离BP，其中所述距离BP在最小位置处至多为300μm；
提供压电陶瓷层(51)；
从所述压电陶瓷层(51)划切至少一个压电元件(53，83，210)，从而使得所述至少一个压电元件(53，83，210)包括具有至少六个拐角部的正多边形形状；和
通过将所述压电元件(53，83，210)安装到泵薄膜(110)来形成所述压电薄膜传感器(101)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述距离BP少于200μm，或少于100μm。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所提供的所述泵(100，200，400，500)包括圆形泵室。
4.根据权利要求1所述的方法，其中将所述压电元件(53，83，210)安装到泵薄膜(110)来形成所述压电薄膜传感器(101)的步骤是在将所述泵薄膜(110)安装到所述泵体(120，170)的步骤之后执行的。
5.根据权利要求1所述的方法，其中将所述压电元件(53，83，210)安装到泵薄膜(110)来形成所述压电薄膜传感器(101)的步骤是在将所述泵薄膜(110)安装到所述泵体(120，170)的步骤之前执行的。
6.根据权利要求1所述的方法，其中执行从所述压电陶瓷层(51)划切所述至少一个压电元件(53，83，210)，从而使得所述至少一个压电元件(53，83，210)包括偶数个多边形拐角部。
7.根据权利要求1所述的方法，其中执行从所述压电陶瓷层(51)划切所述至少一个压电元件(53，83，210)，从而使得所述至少一个压电元件(53，83，210)包括至少八个拐角部。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，当划切所述压电元件(53，83，210)时，所述压电元件(53，83，210)沿限定的锯切图案(52，80)以笔直的切口从所述压电陶瓷层(51)被锯切。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，当划切所述压电元件(53，83，210)时，所述压电元件(53，83，210)沿限定的锯切图案(52，80)由束或射流切割方法从所述压电陶瓷层(51)被切割。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述压电陶瓷层(51)是经极化的压电陶瓷膜。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述薄膜(110)受偏压，从而使得所述薄膜(110)在未致动状态下至少部分地与所述泵体(120，170)间隔开，并且此间隔开的区域形成俯视图中的圆形形状的泵室(102)。
12.一种泵(100，200，400，500)，包括布置于所述泵的泵体(120，170)处的压电薄膜传感器(101)，
其中，所述压电薄膜传感器(101)包括由压电陶瓷层(51)生产的并且布置于薄膜(110)处的压电元件(53，83，210)；
其中，所述压电元件(53，83，210)包括具有至少六个拐角部的正多边形形状；和
其中，所述泵(100，200，400，500)包括泵室(102)，所述泵室(102)的外圆周与所述泵体(120，170)的外圆周间隔开距离BP，其中所述距离BP在最小位置处至多为300μm。
13.根据权利要求12所述的泵，其中所述边缘距离BP少于200μm，或少于100μm，或少于50μm。
14.根据权利要求12所述的泵，其中所述泵(100，200，400，500)包括圆形泵室(102)。
15.根据权利要求12所述的泵(100，200，400，500)，其中所述压电元件(53，83，210)包括偶数个多边形拐角部。
16.根据权利要求12所述的泵(100，200，400，500)，其中所述压电元件(53，83，210)包括至少八个拐角部。
17.根据权利要求12所述的泵(100，200，400，500)，其中所述压电元件(53，83，210)包括100μm或更少的厚度。
18.根据权利要求12所述的泵(100，200，400，500)，其中所述泵是微型隔膜泵，所述泵的泵体(120，170)被实施为包括金属或包括半导体材料的芯片。
19.根据权利要求18所述的泵(100，200，400，500)，其中所述泵体(120，170)包括7×7mm2或更少的尺寸，或者3.5×3.5mm2或更少的尺寸，或者2×2mm2或更少的尺寸。
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