CN109424519B - 微机电的流体控制装置 - Google Patents

Abstract

本案提供一种微机电的流体控制装置，由至少一导流单元所构成，至少一导流单元包含入口板、基材、共振膜、致动膜、压电膜及出口板依序堆叠设置，共振膜与致动膜间定义第一腔室，致动膜与出口板间定义第二腔室，当压电膜驱动致动膜时，流体由入口板的进入孔进入基材的汇流腔室，并流经共振膜的中空孔洞，以进入第一腔室内，并由致动膜的空隙导入第二腔室内，最后由出口板的出口孔导出，借此以控制流体的流通。

Description

微机电的流体控制装置

【技术领域】

本案是关于一种微机电的流体控制装置，尤指一种透过微型、薄型且静音的微机电的流体控制装置。

【背景技术】

目前于各领域中无论是医药、电脑科技、打印、能源等工业，产品均朝精致化及微小化方向发展，其中微帮浦、喷雾器、喷墨头、工业打印装置等产品所包含的流体输送结构为其关键技术，是以，如何借创新结构突破其技术瓶颈，为发展的重要内容。

随着科技的日新月异，流体输送装置的应用上亦愈来愈多元化，举凡工业应用、生医应用、医疗保健、电子散热等等，甚至近来热门的穿戴式装置皆可见它的踨影，可见传统的流体输送装置已渐渐有朝向装置微小化、流量极大化的趋势。

于现有技术中，流体输送装置主要以传统的机构部件堆叠而构成，并以每一个机构部件极小化或厚度薄化的方式，来达到整体装置微型化、薄型化的目的。然而，传统机构件在微小化后，其尺寸精度控制不易，且组装精度同样难以掌控，进而造成产品良率不一，甚至有流体传送的流量不稳定等问题。

再者，已知的流体传输装置亦具有输送流量不足的问题，透过单一流体传输装置难以因应大量流体传输的需求，且已知的流体传输装置通常有外凸的导接脚以供通电连接之用，故若欲将多个已知的流体传输装置并排设置以提高传输量，其组装精度同样不易控制，导接脚容易造成设置的障碍，且亦导致其外接的供电线设置复杂，因此仍难以透过此方式提高流量，排列方式亦较无法灵活运用。

因此，如何发展一种可改善上述已知技术缺失，可使传统采用流体传输装置的仪器或设备达到体积小、微型化且静音，且克服微型尺寸精度不易掌控、流量不足的问题，且可灵活运用于各式装置的微型流体传输装置，实为目前迫切需要解决的问题。

【发明内容】

本案的主要目的在于提供一种微机电的流体控制装置，借由微机电制程制出一体成型的微型化流体控制装置，以克服传统流体输送装置无法同时兼具体积小、微型化、尺寸精度掌控以及流量不足的问题。

为达上述目的，本案的一较广义实施样态为提供一种微机电的流体控制装置，其由至少一导流单元所构成，该至少一导流单元包含：一入口板，具有至少一入口孔；一基材；一共振膜，为面型微加工技术制成的悬浮结构，具有一中空孔洞及多个可动部；一致动膜，为面型微加工技术制成的中空悬浮结构，具有多个悬浮部、一外框部及至少一空隙；一压电膜，贴附于该致动膜的该悬浮部的一表面；一出口板，具有一出口孔；其中，该入口板、该基材、该共振膜、该致动膜及该出口板是依序对应堆叠设置，该导流单元的该共振膜及该致动膜之间具有一间隙形成一第一腔室，该致动膜及该出口板之间形成一第二腔室，当该导流单元的该压电膜驱动该致动膜时，流体由该入口板的该入口孔进入该汇流腔室，并流经该共振膜的该中空孔洞，以进入该第一腔室内，并由该至少一空隙导入该第二腔室内，最后由该出口板的该出口孔导出，借此以控制流体的流通。

【附图说明】

图1为本案为第一较佳实施例的微机电的流体控制装置之外观结构示意图。

图2为图1所示的微机电的流体控制装置的剖面结构示意图。

图3A为图2所示的微机电的流体控制装置的剖面的单一导流单元局部放大结构示意图。

图3B至图3E为图3A所示的微机电的流体控制装置的单一导流单元作动流程局部示意图。

图4为本案为第二较佳实施例的微机电的流体控制装置之外观结构示意图。

图5为本案为第三较佳实施例的微机电的流体控制装置之外观结构示意图。

【具体实施方式】

体现本案特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本案能够在不同的态样上具有各种的变化，其皆不脱离本案的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非架构于限制本案。

本案的微机电的流体控制装置是由微机电制程制出一体成型的微型化流体控制装置，用以克服传统流体输送装置无法同时兼具体积小、微型化、输出流量不足以及尺寸精度掌控不佳等问题。首先，请参阅图1及图2，图1为本案为第一较佳实施例的微机电的流体控制装置之外观结构示意图，图2为图1所示的微机电的流体控制装置的剖面结构示意图。本实施例的微机电的流体控制装置1是为一微机电系统制程(MicroelectromechanicalSystems,MEMS)所制出的流体控制装置，透过干、湿蚀刻的方式进行材料表面的微加工，以制成一体成型的微型流体控制装置，本实施例为了方便说明与突显结构的特征，将微机电的流体控制装置1的结构进行分解，然此并非用以说明其为可拆解的结构。如第1、2图所示，于第一实施例中，微机电的流体控制装置1是为一矩形平板状的结构，但不以此为限，其主要由入口板17、基材11、共振膜13、致动膜14、多个压电膜15以及出口板16等元件依序堆叠所构成，其中入口板17具有入口孔170，共振膜13具有中空孔洞130及多个可动部131，且共振膜13与该入口板17之间具有汇流腔室12(如图3A所示)，致动膜14具有悬浮部141、外框部142及多个空隙143(如图3A所示)，出口板16具有出口孔160，但均不以此为限，其结构、特征及设置方式将于说明后段进一步详述。本实施例的微机电的流体控制装置1全部以微机电系统制程(MEMS)技术一体成型制成，其尺寸体积小、薄型化，且无需如传统流体控制装置堆叠加工，可避免尺寸精度难以掌控的问题，所产出成品品质稳定且良率较高。

本实施例的微机电的流体控制装置1透过入口板17的多个入口孔170、基材11的多个汇流腔室12、共振膜13的多个中空孔洞130及多个可动部131、致动膜14的多个悬浮部141及多个空隙143、多个压电膜15及多个出口孔160以构成多个导流单元10，换言之，每一个导流单元10均包含一个汇流腔室12、一个中空孔洞130、一个可动部131、一个悬浮部141、一空隙143、一个压电膜15及一个出口孔160，且多个导流单元10是共用一个入口孔170，但不以此为限，每一个导流单元10的共振膜13与致动膜14之间具有一间隙g0形成第一腔室18(如图3A所示)，以及致动膜14与出口板16之间形成第二腔室19(如图3A所示)。为方便说明微机电的流体控制装置1的结构及流体控制方式，下述内容将以单一导流单元10进行说明，然此非用以限制本案仅有单一导流单元10，多个导流单元10可包含多个相同结构的单一导流单元10所组成微机电的流体控制装置1，其数量可依据实际情形任施变化。于本案的另一些实施例中，每一个导流单元10亦可包含一个入口孔170，但不以此为限。

如图1所示，于第一较佳实施例中，微机电的流体控制装置1的多个导流单元10的数量是为40个，意即微机电的流体控制装置1具有40个可单独传输流体的单元，即如图1所示，每一出口孔160是对应于每一个导流单元10，且40个导流单元10更以20个为一行，以两两对应并排设置，但均不以此为限，其数量、排列方式皆可依据实际情形任施变化。

请参阅图2，于本实施例中，入口板17具有入口孔170，是为一贯穿入口板17的孔洞，以供流体流通，本实施例的入口孔170数量是为1个。于一些实施例中，入口孔170数量亦可为1个以上，但均不以此为限，其数量及设置方式可依据实际情形任施变化。于一些实施例中，入口板17更可包含过滤装置(未图式)，但不以此为限，该过滤装置是封闭设置于入口孔170，用以过滤气体中的粉尘，或是用以过滤流体中的杂质，以避免杂质、粉尘流至微机电的流体控制装置1之内部使元件受损。

请同时参阅图2及图3A，图3A为图2所示的微机电的流体控制装置的剖面的单一导流单元局部放大结构示意图。如图所示，于本实施例中，导流单元10的基材11是为以微机电制程中的硅体型微加工技术(Bulk Micromachining)所制成，且为一深宽比高的流体入口结构，且由于硅的机械特性与钢相仿的杨氏系数、高两倍的降伏强度，而密度只有钢的三分之一，且硅的机械性质极稳定，适合应用于此动态微型结构中，但均不以此为限，其材料亦可依据实际情形任施变化。于本实施例中，基材11更包含一驱动电路(未图示)，用以与压电膜15的正极及负极电性连接，用以提供驱动电源，但不以此为限。于一些实施例中，驱动电路亦可设置于微机电的流体控制装置1内部的任一位置，但不以此为限，可依实际情形任施变化。

请继续参阅图2及图3A，于本实施例的微机电的流体控制装置1中，共振膜13是为面型微加工技术(Surface micromachining)制成的悬浮结构，共振膜13更具有中空孔洞130及多个可动部131，且每一导流单元10均具有一个中空孔洞130及其所对应的可动部131。于本实施例的导流单元10中，中空孔洞130是设置于可动部131的中心处，且中空孔洞130为一贯穿共振膜13的孔洞，并连通于汇流腔室12与第一腔室18之间，以供流体流通及传输。本实施例的可动部131是为共振膜13的部分，其为一可挠的结构，并可随致动模14的驱动而上下弯曲振动，借此以传输流体，其作动方式将于说明书后段进一步详述。

请继续参阅图2及图3A，于本实施例的微机电的流体控制装置1中，致动膜14是为一金属材料薄膜或多晶硅薄膜所构成，但不以此为限，该致动膜14为面型微加工技术(Surface micromachining)制成的中空悬浮结构，致动膜14更具有悬浮部141及外框部142，且每一导流单元10均具有一个悬浮部141。于本实施例的导流单元10中，悬浮部141是以多个连接部(未图示)连接至外框部142，以使悬浮部141悬浮于外框部142中，并于悬浮部141及外框部142之间定义出多个空隙143，用以供流体流通，且悬浮部141及外框部142及空隙143的设置方式、实施态样及数量均不以此为限，可依据实际情形变化。于一些实施例中，悬浮部141是为一阶梯面的结构，意即悬浮部141更包含一凸部(未图示)，该凸部可为但不限为一圆形凸起结构，设置于悬浮部141的下表面，并透过凸部的设置以使第一腔室18的深度维持于一特定区间值，借此可避免因第一腔室18的深度过小导致共振模13的可动部131于进行共振时与致动膜14产生碰撞、产生噪音的问题，亦可避免因第一腔室18的深度过大导致流体传输压力不足的问题，但不以此为限。

请继续参阅图2及图3A，于本实施例的微机电的流体控制装置1中，每一导流单元10均具有一个压电膜15，其中压电膜15更具有一正极及一负极(未图示)，用以驱动该压电膜致动14。于本实施例的导流单元10中，且压电膜15是为一以溶胶凝胶法(Sol-gelmethod)制成的金属氧化物薄膜，但不以此为限，压电膜15是贴附于致动膜14的悬浮部141的上表面，用以驱动致动膜14往复式地垂直方向的往复式振动，并带动共振膜13产生共振，借此使共振膜13与致动膜14之间的第一腔室18产生压力变化，以供流体的传输，其作动方式将于说明书后段进一步详述。

请继续参阅图1至图3A，于本实施例的微机电的流体控制装置1中，出口板16更包含出口孔160，且每一导流单元10均具有一个出口孔160。于本实施例的导流单元10中，出口孔160是连通于该第二腔室19与出口板16外部之间，以供流体由第二腔室19经出口孔160流至出口板16外部，俾实现流体的传输。于一些实施例中，导流单元10的出口板16更包含一逆止阀(未图示)，该逆止阀是封闭设置于出口孔160，其是依据第二腔室19的压力变化而开启或关闭，借此以防止流体由外部逆流进入第二腔室19内，但不以此为限。于另一些实施例中，导流单元10的出口板16更包含过滤装置(未图示)，过滤装置是封闭设置于出口孔160，用以过滤气体中的粉尘，或是用以过滤流体中的杂质，以避免杂质、粉尘流至微

机电的流体控制装置1之内部元件使受损。

请同时参阅图3A至图3E，图3B至图3E为图3A所示的微机电的流体控制装置的单一导流单元作动流程局部示意图。首先，图3A所示的微机电的流体控制装置1的导流单元10为未致能的状态(即初始状态)，其中共振膜13与致动膜14之间是具有间隙g0，以使共振膜13与致动膜14的悬浮部141之间可维持该间隙g0的深度，进而可导引流体更迅速地流动，且因悬浮部141与共振膜13保持适当距离使彼此接触干涉减少，促使噪音产生可被降低，但不以此为限。

如图2及图3B所示，于导流单元10中，当致动膜14受压电膜15电压致动时，致动膜14的悬浮部141向上振动，使第一腔室18体积增大、压力减小，则流体由入口板17上的入口孔170顺应外部压力进入，并汇集到基材11的汇流腔室12处，再经由共振膜13上与汇流腔室12对应设置的中央孔洞130向上流入至第一腔室18中。

接着，如图2及图3C所示，且由于受致动膜14的悬浮部141振动的带动，使共振膜13的可动部131亦随的共振而向上振动，且致动膜14的悬浮部141亦同时向下振动，使共振膜13的可动部131贴附抵触于致动膜14的悬浮部141上，同时关闭第一腔室18中间流通的空间，借此使第一腔室18压缩而使体积变小、压力增大，使第二腔室19体积增大、压力变小，进而形成压力梯度，使第一腔室18内部的流体推挤向两侧流动，并经由致动膜14的多个空隙140流入第二腔室19中。

再如图2及图3D所示，致动膜14的悬浮部141继续向下振动，并带动共振膜13的可动部131随的向下振动，使第一腔室18进一步压缩，并使大部分的流体流至第二腔室19中暂存，以供下个步骤将流体大量挤出。

最后，如图2及图3E所示，致动膜14的悬浮部141向上振动，使第二腔室19压缩而体积变小、压力变大，进而使第二腔室19内的流体自出口板16的出口孔160导出至出口板16之外部，以完成流体的传输，且由于致动膜14的悬浮部141向上振动，同时共振板13的可动部131向下振动，使第一腔室18的体积增大、压力减小，进而使流体再次由入口板17上的入口孔170顺应外部压力进入，并汇集到基材11的汇流腔室12处，再经由共振膜13上与汇流腔室12对应设置的中央孔洞130向上流入至第一腔室18。重复上述图3B至图3E的导流单元10的流体传输流程，使致动膜14的悬浮部141及共振膜13的可动部131持续进行往复式地上下振动，可持续将流体由进入口170持续导向出口孔160，俾实现流体的传输。

如此一来，经由本实施例的微机电的流体控制装置1于每一导流单元10的流道设计中产生压力梯度，使流体高速流动，并透过流道进出方向的阻抗差异，将流体由吸入端传输至排出端，且在排出端有压力的状态下，仍有能力持续推出流体，并可达到静音的效果。于一些实施例中，共振膜13的垂直往复式振动频率是可与致动膜14的振动频率相同，即两者可同时向上或同时向下，其是可依照实际施作情形而任施变化，并不以本实施例所示的作动方式为限。

于本实施例中，微机电的流体控制装置1透过40个导流单元10可配合多种排列方式的设计以及驱动电路的连接，其灵活度极高，更应用于各式电子元件的中，且透过40个导流单元10可同时致能传输流体，可因应大流量的流体传输需求；此外，每一导流单元10亦可单独控制作动或停止，例如：部分导流单元10作动、另一部分导流单元10停止，亦可以是部分导流单元10与另一部分的导流单元10交替运作，但均不以此为限，借此可轻易达成各种流体传输流量的需求，并可达到大幅降低功耗的功效。

请参阅图4，图4为本案为第二较佳实施例的微机电的流体控制装置之外观结构示意图。于本案第二较佳实施例中，微机电的流体控制装置2的多个导流单元20的数量是为80个，即出口板26的每一个出口孔260对应于每一导流单元20，换言之，微机电的流体控制装置2具有80个可单独传输流体的单元，每一导流单元20的结构是于前述第一实施例相仿，差异仅在于其数量、排列设置方式，故其结构于此不再进一步赘述。本实施例80个导流单元20亦以20个为一行，以四行对应并排设置，但均不以此为限，其数量、排列方式皆可依据实际情形任施变化。透过80个导流单元20同时致能传输流体，可达到相较于前述实施例更大的流体传输量，且每一导流单元20亦可单独致能导流，其可控制流体传输流量的范围更大，使其更灵活应用于各式需大流量流体传输的装置中，但均不以此为限。

请参阅图5，图5为本案为第三较佳实施例的微机电的流体控制装置之外观结构示意图。于本案第三较佳实施例中，微机电的流体控制装置3是为一圆形结构，且其导流单元30的数量是为40个，即出口板36的每一个出口孔360对应于每一导流单元30，换言之，微机电的流体控制装置3具有40个可单独传输流体的单元，每一导流单元30的结构是于前述第一实施例相仿，差异仅在于其数量、排列设置方式，故其结构于此不再进一步赘述。本实施例40个导流单元30是以环型排列的方式设置，但不以此为限，其数量、排列方式皆可依据实际情形任施变化。透过40个导流单元30环形阵列，使其可应用于各式圆形或环状流体传输通道。透过每一导流单元30的阵列方式变化，可因应需求装置中所需求的各种形状，使其更灵活应用于各式流体传输的装置中。于另一些实施例中，多个导流单元30亦可以蜂巢状方式排列设置(未图示)，但不以此为限。

综上所述，本案所提供的微机电的流体控制装置是以微机电系统制程(MEMS)技术一体成型制成，可达到尺寸体积小、薄型化等功效，且无需如传统流体控制装置堆叠加工，可避免尺寸精度难以掌控的问题，所产出成品品质稳定且良率较高。此外，透过压电膜致能致动膜的进行作动，使流体于设计后的流道及压力腔室中产生压力梯度，进而使流体高速流动，由进入端快速传递至出口端，俾实现流体的传输。再者，本案亦透过导流单元的数量、设置方式及驱动方式的灵活变化，可因应各种不同装置及流体传输流量的需求，可达到高传输量、高效能、高灵活性等功效。

本案得由熟知此技术的人士任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如附申请专利范围所欲保护者。

【符号说明】

1、2、3：微机电的流体控制装置

10、20、30：导流单元

11：基材

12：汇流腔室

13：共振膜

130：中空孔洞

131：可动部

14：致动膜

141：悬浮部

142：外框部

143：空隙

15：压电膜

16、26、36：出口板

160、260、360：出口孔

17：入口板

170：入口孔

18：第一腔室

19：第二腔室

g0：间隙

Claims (8)

1.一种微机电的流体控制装置，其由多个导流单元所构成，其特征在于，所述流体控制装置包含：

一入口板，具有多个入口孔；

一基材，为硅体型微加工技术所制成；

一共振膜，为面型微加工技术制成的悬浮结构，具有多个中空孔洞及多个可动部，且该共振膜与该入口板之间具有多个汇流腔室；

一致动膜，为面型微加工技术制成的中空悬浮结构，具有多个悬浮部及一外框部及多个空隙；

压电膜，贴附于该致动膜的该悬浮部的一表面，每一导流单元均具有一个压电膜；以及

一出口板，具有多个出口孔；

其中，该入口板、该基材、该共振膜、该致动膜及该出口板依序对应堆叠设置，该多个导流单元的该共振膜及该致动膜之间具有多个间隙形成多个第一腔室，该致动膜及该出口板之间形成多个第二腔室，当该多个导流单元的该压电膜驱动该致动膜时，流体由该入口板的该入口孔进入该汇流腔室，并流经该共振膜的该中空孔洞，以进入该第一腔室内，并由该多个空隙导入该第二腔室内，最后由该出口板的该出口孔导出，借此以控制流体的流通。

2.如权利要求1所述的微机电的流体控制装置，其特征在于，该致动膜为一金属材料薄膜或一多晶硅薄膜。

3.如权利要求1所述的微机电的流体控制装置，其特征在于，该压电膜为一以溶胶凝胶法制成的金属氧化物薄膜。

4.如权利要求1所述的微机电的流体控制装置，其特征在于，该压电膜更具有一正极及一负极，用以驱动该压电膜致动。

5.如权利要求1所述的微机电的流体控制装置，其特征在于，该多个导流单元的数量为40个，且以20个为一行，两行对应并排设置。

6.如权利要求1所述的微机电的流体控制装置，其特征在于，该多个导流单元的数量为80个，且以20个为一行，四行对应并排设置。

7.如权利要求1所述的微机电的流体控制装置，其特征在于，该多个导流单元以环状方式排列设置。

8.如权利要求1所述的微机电的流体控制装置，其特征在于，该多个导流单元以蜂巢状方式排列设置。

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