CN109690310B

CN109690310B - 具有微型流体致动器的设备

Info

Publication number: CN109690310B
Application number: CN201680088926.8A
Authority: CN
Inventors: 马丁·里希特; 克里斯汀·瓦尔德; 约瑟·库格尔
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2016-07-04
Filing date: 2016-07-04
Publication date: 2022-04-15
Anticipated expiration: 2036-07-04
Also published as: JP2019527352A; EP3479114B1; US10845274B2; EP3479114A1; WO2018006932A1; US20190154551A1; JP6992042B2; CN109690310A

Abstract

本发明涉及一种设备(1)，包括：开口(2)，限定设备(1)中的流体通道(3)与环境空气之间的流体连接；传感器(4)，耦接到流体通道(3)，并且被设计为感测环境空气的至少一种成分；以及微型流体致动器(5)，连接在传感器(4)的下游，被设计为在吸气冲程中通过流体通道(3)吸入流体，在传感器(4)的方向输送流体，并且在加压冲程中将吸入的流体通过流体通道(3)在开口(2)的方向回送。根据本发明，传感器(4)与开口(2)间隔开布置，并且传感器(4)和开口(2)之间的流体通道(3)的体积与微型流体致动器(5)在单个吸气冲程中能够传送的冲程体积大小正好相同。

Description

具有微型流体致动器的设备

技术领域

本发明涉及一种具有微型流体致动器的设备。

背景技术

如今，越来越多的传感器被使用。这些传感器中的许多传感器对诸如CO₂、水分、温度或烟雾之类的环境参数进行测量。然而，这些传感器自然不是对室内的参数进行测量，而是测量它们所集成到的相应设备内的参数。然后，尝试通过复杂的算法从传感器的测量信号中近似地推断室内空气的参数，该尝试仅部分成功。

检测诸如CO、N₂O或VOC之类的气体以及我们周围环境中的水含量和气体成分符合许多人的利益。

另外，大多数人希望即刻感知他们所在位置处的空气污染气体、细尘和过敏原颗粒(例如花粉)，或接收过敏物质和有害气体的早期预警。此外，出于兴趣对气味进行检测，例如呼吸酒精、口臭和许多其他气味。

测量周围环境的参数的另一个应用领域是所谓的移动设备的情境感知。在这种情况下，设备本身通过打开或关闭，或者通过对诸如声学信号音或振动警报和传输功能之类的功能进行适应，或者通过关闭电力消耗器用于节省电池寿命来对其直接环境作出反应。关于此的示例是识别内部空间和外部空间或飞机，其他人的存在或携带方式，例如，在钱包或公文包中远离身体，或在衬衫或长裤的口袋中靠近身体。

传感器可用于所提到的应用中的许多应用。尽管可用的传感器或基于金属有机原理、光学原理或共振原理的传感器中的许多传感器(例如，用于湿度、挥发性有机化合物VOC、CO或NO)包括用于便携式设备的形状因素和适当的成本效率，但商业用途仅在有限的范围内是可能的，因为就所有这些中的传感器原理而言，气体、气味或细尘可能无法在便携式设备中快速可靠地输送到传感器中。

然而，为了向用户提供有意义且快速的测量结果，有必要这样。用于气体测量的可靠数据可以提供有意义的对周围环境的气体概览，例如沿着街道或大城市中的空气污染，或者针对患有过敏症的人的花粉图。

在一些情况下，将传感器安装在笨重的独立设备中。在一些情况下，必须将口腔件与这些设备一起使用，这是许多人不喜欢的。一个附加的问题是具有传感器的独立设备需要显示能力和计算能力，这会产生附加的成本。

这种专用的便携式气体测量设备从WO 2010/104221 A1中已知。该参考文献涉及一种用于检测气体的气体测量设备的传感器单元。可输送的气体测量设备用于监测工业环境中的气体和蒸汽，特别是有毒气体。通常，它关于受体的物理化学性质的变化，其在分子水平上与分析物分子相互作用。在这方面，WO 2015/104221 A1描述了压力密封测量通道、气体入口、气体出口、用于排空的泵单元、气体传感器、用于气体传感器的加热单元和具有再生模式和测量模式的传感器单元的组合。

如开篇所述，从WO 2015/104221 A1中已知的气体测量设备是专门用于测量环境空气中的气体的专业装置。这种装置提供了良好和可靠的测量结果。然而，这种装置需要一定的时间，在此期间气体传感器技术自我校准以提供足够可靠的结果。因此，这种已知的设备不能立即使用，特别是在周围环境条件迅速改变的情况下。例如，当将设备从外部区域移动到诸如起居室之类的内部区域时就是这种情况。在这种情况下，已知的装置需要一定的时间来“适应新环境”，可以说，可能长达几分钟。

然而，便携式电子设备的许多应用期望气体传感器的快速响应时间，例如，在借助于气体传感器快速识别人的情况下，在火灾检测传感器的情况下或者为了感测人正进入建筑物是何时。当对这些知识进行考虑时，气体测量设备的制造商必须将传感器直接安装在壳体表面上以便获得快速信号。然而，由于若干原因，这是不经济的或不利的。

一方面，将传感器布置在壳体中的电路板中的一个上增加了组装要求，并且必然增加相关联的组装成本。另外，如果直接安装在壳体表面上，则存在由于外部影响而损坏传感器的风险。另一方面，如果将传感器安装在气体测量设备的外部，则壳体可能不再平滑。此外，当许多气体传感器和其他组件(例如电路板、显示器等)要靠近气体测量设备的进气口安装时，可能没有足够的可用空间。

湿度传感器已被用作智能手机中的标准。然而，这种传感器具有范围为几分钟的长响应时间。传感器位于智能手机的壳体中。智能手机壳体包括壳体开口，空气通过壳体开口扩散到传感器。然而，作为壳体开口和传感器之间的输送机制的扩散非常慢。

目前，传感器开发人员致力于缩短响应时间。一个解决方案提出将传感器定位于尽可能靠近开口，以便缩短扩散路径，从而缩短扩散所需的时间。

另一个解决方案提出借助于软件从传感器信号的初始增加预测最终值。因此，初始传感器值足以推断进一步的过程，从而节省时间。

然而，两种解决方案都有技术限制。因此，几乎不可能实现小于20-30秒的传感器响应时间。

目前，除了湿度传感器以外，还存在将测量空气参数的其他传感器集成到移动无线设备和其他可穿戴设备(可穿戴计算机、手表等)中的趋势。

在所有这些传感器中，响应时间是迄今尚未充分解决的关键参数。例如，移动通信制造商要求在用户已经请求了该值之后的一到两秒内输出传感器值。然而，在没有微型致动器或微型流体致动器主动地将空气样本(即借助于对流)泵送到传感器的情况下，可能无法充分地解决该要求。

已经提出了几个具有微型泵的移动设备，其中硅微型膜泵负责向传感器供应空气。这样，可以实现快速响应时间。然而，这项技术具有一些困难。

例如，在这种情况下使用的微型泵是单向的。也就是说，在到达传感器之后，泵送的介质必须以不同的方式离开移动设备。或者将空气泵入移动设备(其具有其他缺点)，或者需要第二壳体开口以便将空气输送回设备之外。

关于此也有已知的双向微型泵的形式的解决方案。双向微型泵(例如，具有由Fraunhofer EMFT开发的三个压电致动器的微型蠕动泵)在吸气冲程中吸入空气并在排出冲程中泵出所述空气。然而，双向微型泵比单向微型泵大得多，因此制造它们更昂贵。

另外，所有机械微型泵和阀门都包括可移动部件。如果吸入颗粒，则这些颗粒可能堵塞在微型阀门中，导致微型泵的性能衰减或微型泵的失效。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种设备，特别是一种具有传感器的移动设备，其针对并解决了上面提到的问题。

根据本发明，用具有微型流体致动器的设备解决了该目的，其中该设备包括：具有外壳开口的外壳，外壳开口限定设备中的流体通道与环境空气之间的流体连接，传感器，耦接到流体通道并且设置在外壳中，传感器被配置为感测环境空气的至少一种成分，微型流体致动器，布置在传感器的下游并且设置在外壳中，微型流体致动器被配置为在吸气冲程中通过流体通道吸入流体并将流体朝向传感器输送，在加压冲程中将吸入的流体通过流体通道输送回外壳开口，传感器被布置为与外壳开口间隔开，并且传感器和外壳开口之间的流体通道的体积等于或小于微型流体致动器以单个吸气冲程传送的冲程体积，其中，微型流体致动器的冲程体积是传感器与外壳开口之间的流体通道部分的体积的至少2.5倍，以及其中，微型流体致动器是具有载体和布置在载体上的可偏转膜的膜致动器，可偏转膜是机械偏置的，使得可偏转膜在未操作的空闲位置与载体间隔开，并且在操作时朝向载体移动。

根据本发明的设备，除了其他之外，包括限定设备中的流体通道和环境空气之间的流体连接的开口。优选地，开口是壳体开口，即设备壳体中的开口。开口将设备的内部与周围环境连接，即流体(特别是空气)可以通过所述开口从外部流入设备。特别地，开口将周围环境与布置在设备内部的流体通道连接。例如，流体通道可以是细管、软管等。流体通道可以是刚性的；然而，它可以优选为柔性的。根据本发明的设备还包括耦接到流体通道的传感器，其配置成感测环境空气的至少一种成分。传感器流体地耦接到流体通道，即可以将传感器布置在流体通道中或流体通道处，只要流经流体通道的流体至少部分地流向传感器或流经传感器。此外，根据本发明的设备包括布置在传感器下游的微型流体致动器。所述微型流体致动器被配置为在吸气冲程中通过流体通道吸入流体并向传感器传输该流体，以及在加压冲程中将吸入的流体通过所述流体通道输送回开口。微型流体致动器是用于吸入(吸气冲程)和喷出(加压冲程)流体的装置。在这样做时，微型流体致动器通过开口将流体(例如环境空气)从外部吸入流体通道中。流入的流体流向耦接到流体通道的传感器。在吸入之后，微型流体致动器再次通过流体通道将吸入的流体喷出，然而是沿相反的方向，使得吸入的流体通过开口喷出返回到周围环境中。换句话说，微型流体致动器往返推动位于流体通道中的流体体积。根据本发明，传感器和开口之间的流体通道的体积(或者位于流体通道中的流体的体积)与微型流体致动器在单个吸气冲程中可以传送的冲程体积一样大或者更小。也就是说，微型流体致动器可以在单个吸气冲程中移动流体通道中所需的流体体积量，使得通过开口从外部吸入的流体在从开口到传感器的整个长度上行进。

可以设想，流体通道在开口和微型流体致动器之间延伸，并且流体通道、耦接到流体通道的传感器和微型流体致动器一起形成流体密封布置，其相对于移动设备(1)的内部而密封。这有利于置换位于流体通道中的小流体体积(在微升范围内)的准确性。基本上，流体密封设备应该对剩余的移动设备进行密封，使得例如通过移动设备的开口吸入的环境空气不与位于移动设备内部的设备空气混合。只要不篡改传感器系统的结果，某些小的气体泄漏率是可以接受的。

可以设想，微型流体致动器的冲程体积是传感器和开口之间的流体通道的体积的至少2.5倍，或优选地是至少10倍。以这种方式，可以确保在借助于微型流体致动器吸入环境空气时，足够量的流体流经流体通道并到达布置在流体通道中的传感器。

根据实施例，移动设备是移动电话，并且移动电话中提供的开口是麦克风开口。因此，由于麦克风开口已经存在于移动电话中，所以不必提供附加的设备开口。

根据另一实施例，传感器可以被配置为感测来自一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO₂)、氮(N)、一氧化二氮(N₂O)、挥发性有机化合物(VOC)、湿度和细尘的组中的至少一种环境空气成分。也就是说，传感器可以例如感测是否存在这样的环境空气成分，并且传感器还可以确定该环境空气成分的浓度。

根据可设想的实施例，微型流体致动器可以是具有可偏转膜的膜致动器，并且膜可以以压电或电磁或静电方式或借助于电活性聚合物致动器或借助于包括形状记忆合金的元件而操作。流体借助于膜的冲程移动传送。膜可以借助于所述操作装置从其空闲位置偏转，以便执行冲程移动(吸气冲程和/或加压冲程)并且通过流体通道传送流体。与例如(微型)膜泵相比，以这种简单的方式构造的膜致动器是有利的，因为泵包括入口和出口，入口和出口反过来必须分别用入口阀门和出口阀门在正确的时刻打开或关闭。也就是说，泵通常包括入口侧的流体通道以及出口侧的流体通道。相反，根据本发明的膜致动器仅包括单个流体通道，流体在吸气冲程中通过该流体通道流入，并且流体在加压冲程中通过该流体通道流出。

可以设想，该设备是具有振动警报电机的移动电话，并且微型流体致动器是具有可偏转膜的膜致动器，膜可借助于振动警报电机而操作。因此，可以将已经存在的振动警报电机用于对膜进行操作，即可以省略单独的操作装置。相应地，这节省了构造空间，这是当今设备中的重要标准，特别是在移动设备中。

根据实施例，微型流体致动器可以是具有可偏转双膜的膜致动器。用该微型流体致动器，在操作膜时作用在膜上的机械应力可以保持较低(与单个膜相比)。

可以设想，微型流体致动器是膜致动器，其具有载体和布置在其上的可偏转膜，并且膜被机械地偏置，使得膜在未操作的空闲位置与载体间隔开，并且在操作时朝向载体移动。例如，膜可以是诸如不锈钢膜之类的偏置金属膜。由于偏置，膜是拱形的，使得在其空闲位置，膜与载体间隔开。在载体和偏置膜之间形成的腔可以例如确定微型流体致动器的冲程体积。在膜的示例性电操作的情况下，膜可以通过施加(例如正)电压来操作，因此使得膜朝向载体移动。在这种情况下，膜执行加压冲程并且微型流体致动器传送流体，在这种情况下，流体远离微型流体致动器移动。如果不再施加电压(或者例如施加负电压)，则膜返回到其预偏置的空闲位置，即其远离载体移动。因此，在流体通道中形成吸入流体的负压。也就是说，微型流体致动器执行吸气冲程并传送流体，在这种情况下，流体朝向微型流体致动器移动。

可以设想，微型流体致动器是膜致动器，其具有载体和布置在其上的可偏转膜，并且包括载体在内的膜具有0.50mm或更小的高度。这样的高度是有利的，以便将微型流体致动器集成到壳体中，特别是移动设备的壳体中。

根据实施例，设备可以包括在流动方向上连续串联布置的两个或更多个传感器。串联布置意味着各个传感器可以在流动方向上以空间上连续的方式布置在流体通道中，使得流经流体通道的流体以时间上连续的方式流经相应的传感器。各个传感器可以各自测量吸入的流体的其他参数或成分。

根据另一可设想的实施例，设备可以包括在流动方向上并联布置的两个或更多个传感器。各个传感器的并联连接意味着流体通道分裂，并且在每个分支中布置至少一个传感器。在这种情况下，流经流体通道的流体近乎同时流经每个传感器。在并联连接中，如果所有传感器的流动阻力近乎相同则是实用的。也可以将传感器的并联连接和串联的传感器的连接组合，使得多个传感器在并联分支中串联连接。

在这种情况下，可以设想，设备包括两个或更多个微型流体致动器，每个微型流体致动器与相应的传感器流体连接。不管事实是多个传感器彼此串联连接还是并联连接，优选地，每个单独的传感器与其自身的微型流体致动器相关联。因此，每个传感器可以独立操作。这例如在微型流体致动器失效时增加了操作可靠性，使得仍然可操作的其他微型流体致动器可以继续操作。

可以设想，在开口和传感器之间布置透气的过滤器元件，该过滤器元件被配置为收集在吸入的流体中冷凝的液体。例如，这可以是活性炭过滤器、疏水过滤器、带静电的过滤器或特氟隆(Teflon)过滤器。透气的过滤器元件可以是透气膜，其收集冷凝液体(例如具有小孔径尺寸和大“泡点”的疏水(例如特氟隆涂覆(Teflon-coated))过滤膜)，以便保护传感器免受液体侵蚀。

备选地或附加地，可以设想，在传感器和微型流体致动器之间布置透气的过滤器元件，该过滤器元件被配置为收集在吸入的流体中冷凝的液体。例如，这也可以是活性炭过滤器、疏水过滤器、带静电的过滤器或特氟隆(Teflon)过滤器。透气的过滤器元件可以是透气膜，其收集冷凝液体(例如具有小孔径尺寸和大“泡点”的疏水(例如特氟隆涂覆(Teflon-coated))过滤膜)，以便保护传感器免受液体侵蚀。

根据实施例，设备是移动设备。根据可设想的实施例，移动设备可以是移动电话或智能手机或可穿戴计算机或移动计算机。可穿戴计算机是例如以手表、头带等形式可穿戴在身体上的移动设备，特别是计算机。移动计算机也称为笔记本电脑、笔记本或上网本。

本发明的另一优点是，利用这种“单冲程致动器”，待测量的空气可以以极快的方式被吸入传感器(与微型泵相比)：如果非常快地施加电压(例如在一个或几个毫秒内)，则致动器也在该时间常数内移动。然后，产生的负压或正压将流体“驱动”到传感器通道中。仅通道或过滤器元件处的空气的粘性摩擦以“减速”方式起作用。借助于对应的实现方式，可以在不到一秒或不到100毫秒的时间内将环境空气输送到传感器。

使用微型膜泵几乎无法实现这一速度：如果想要在0.1秒内传送例如5mm³的死体积，则需要50mm³/s或3ml/min的泵速。然而，这种传送速率仅可用例如硅微型泵来实现，如果芯片尺寸以及冲程体积大。然而，这些微型泵将是昂贵且不经济的。

从压电技术可知，压电膜转换器不应该过快驱动，以便不缩短其使用寿命。在这种情况下，必须考虑到对于在机械固有频率上激励的模式来说电压边沿不够快。否则，会产生高机械应力并且可以引起亚临界裂纹扩展，这会降低压电效应并且还可能导致压电陶瓷的破裂。

固有共振取决于膜的几何形状和弹性模量以及压电。在“正常”微型泵中，固有频率在10...30kHz范围内。在这种概念中，冲程体积必须大，而阻塞压强不应该太大。因此，固有频率可以显着降低，低至1kHz或更低。为了确保长的使用寿命，有必要选择将驱动电压的上升沿显著降低，例如10毫秒或更长。这个上升时间保护微型致动器免于破损；然而，对于低于一秒的响应时间它仍然足够快。

此外，利用该微型致动器，可以通过适当地对电压信号进行调制来选择其他操作模式。例如，可以简单地通过致动器速度使通过传感器元件测量的气体流动的流速变化。或者，可以生成脉冲气体部分。或者，气体可以在第一步骤中传送到第一传感器，并在第二步骤中传送到布置在其下游的传感器。根据传感器原理，这可能是有利的。

附图说明

将参考附图更详细地描述本发明的实施例，在附图中：

图1示出了根据本发明的移动设备的实施例的俯视图，

图2示出了沿图1中所示出的剖面线II-II的根据本发明的移动设备的实施例的剖视图，

图3示出了根据本发明的移动设备的实施例的剖视图，

图4示出了根据本发明的具有多个传感器的串联连接的移动设备的实施例的剖视图，

图5示出了根据本发明的具有多个传感器的并联连接的移动设备的实施例的俯视图，以及

图6示出了根据本发明的具有多个传感器的并联连接的移动设备的另一实施例的俯视图。

具体实施方式

参考附图，以下基于移动设备描述实施例。在实施例中，设备可以是固定设备(例如传感器节点等)，因此相应的讨论也适用于固定设备。例如，固定传感器节点可以以独立方式与电池一起运转，并且可以记录传感器数据并传递传感器数据。

图1示出了根据本发明的具有开口2的移动设备1的实施例。开口2是壳体开口，其限定移动设备中的流体通道与环境空气之间的流体连接。

图2是沿图1中所示出的剖面线II-II通过移动设备1的剖视图。在图2中，可以识别移动设备1的壳体20。壳体20包括开口2。

上面提及的流体连接3布置在移动设备1中。传感器4耦接到流体通道3。传感器4被配置为感测环境空气的至少一种成分。

此外，微型流体致动器5布置在移动设备1中。微型流体致动器5还耦接到流体通道3。微型流体致动器5布置在流体通道3中的传感器4的下游。换句话说，传感器4流体地耦接到流体通道3并且布置在开口2和微型流体致动器5之间。

因此，流体通道3包括在开口2和传感器4之间延伸的第一部分3a，以及在传感器4和微型流体致动器5之间延伸的第二部分3b。

微型流体致动器5被配置为在吸气冲程中通过流体通道3吸入流体并将流体朝向传感器4输送。此外，微型流体致动器5被配置为在加压冲程中将位于流体通道3中的吸入的流体通过流体通道3输送回开口2。

传感器4布置成与开口2间隔开。与将传感器4尽可能靠近开口2放置以便保持流体流动的路径尽可能短的已知解决方案相比，根据本发明的传感器4的间隔布置提供了在移动设备1中的几乎所有位置处布置传感器4的可能性。特别地，这对于更平坦的移动设备1是可取的，因为这些移动设备1不提供用于安装传感器系统的非受限空间。

根据本发明，传感器4和开口2之间的流体通道3的第一部分3a的体积与微型流体致动器5可以用单个吸气冲程传送的冲程体积一样大或者更小。

流体通道3在开口2和微型流体致动器5之间延伸。流体通道3、耦接到流体通道3的传感器4和微型流体致动器5一起形成相对于移动设备(1)的内部而密封的布置。也就是说，流体通道3以及传感器4和微型流体致动器5以密封(特别是气密)的方式体现。

在图2和图3中所示出的实施例中，微型流体致动器5被配置为膜致动器。微型流体致动器5包括可偏转膜6。膜6可以借助于电活性聚合物致动器或借助于包括形状记忆合金的元件，以压电、电磁、静电方式操作。

出于使膜6偏转的目的，将被对应地配置的操作装置7布置在膜6处。如可以在附图中识别的，膜6布置成一侧22在载体8处。例如，载体8可以被配置为硅芯片或金属体或聚合物体。

特别地，膜6布置在载体8的横向上的外部23处。在俯视图中，膜6可以包括圆形或矩形，特别是六边形。膜6可以借助于附接装置(例如借助于适当的粘合剂)附接或固定在载体8上。

在图中所示出的实施例中，膜6在机械偏置的作用下布置在载体8上。也就是说，由于偏置，膜6包括凹入的拱形(指向远离载体8)。结果是，在该拱形区域中，在载体8和膜6之间形成腔24。该腔24的体积基本上决定了微型流体致动器5的冲程体积。

如图2和图3中的双箭头21所指示的，微型流体致动器5可以基本上在两个方向上移动。在未操作的空闲位置，微型流体致动器5位于所示位置，其中膜6被偏置并且配置成上面提及的腔24。因此，在该空闲位置，膜6与载体8间隔开。

现在，操作装置7可以操作膜6。例如，操作装置7可以是压电元件，其在施加电压时使膜6向下(即朝向载体8)偏转。因此，在操作膜6时，膜6朝向载体8移动，直到膜6以其底侧22接触载体8。

在这样做时，微型流体致动器5在该时间点处置换位于腔24中的流体的体积。然后，该流体体积通过流体通道3输送并从开口2排出到周围环境中。因此，在这种情况下，微型流体致动器5执行加压冲程，并且喷出的流体体积基本上对应于微型流体致动器5的冲程体积。

现在，操作装置7可以使膜6在相反的方向上(即在远离载体8的方向上)移回。在偏置的膜6的情况下，即使操作装置7不再对膜6施加操作力也已经足够了。然后，由于机械偏置，膜6返回到其原始的初始位置。

因此，在这种情况下，膜6远离载体8移动，并因此再次使形成在膜底侧22和载体8之间的腔24增长。在流体密封布置(微型流体致动器5、传感器4、流体通道3)中形成负压，并且流体通过开口2从周围环境被吸入。因此，在这种情况下，微型流体致动器5执行吸气冲程。

流体通道3，即前面部分3a、后面部分3b和环绕流体通道3的传感器4的部分3c包括一定的体积。该体积也称为总的死体积。

根据本发明，微型流体致动器5的冲程体积至少与总的死体积一样大。然而，如果微型流体致动器5的冲程体积至少与前面流体通道部分3a的体积一样大，则可能已经足够。因此，微型流体致动器5的吸气冲程仅通过前面流体通道部分3a传送足够量的体积，使得在开口2处吸入的流体刚好到达传感器4。

为了确保用吸入的流体环绕传感器4，本发明的实施例规定，微型流体致动器5的冲程体积至少是传感器4和开口2之间的流体通道3的体积(即前面的流体通道部分3a)的2.5倍。

在图2所示出的实施例中，通过在流体通道3处布置传感器4而将传感器4流体地耦接到流体通道3。但同样地，在图3所示出的实施例中，通过不在流体通道3处布置传感器4而将传感器4流体地耦接到流体通道3。

如可以在图3中识别的，微型流体致动器5包括在载体8的底侧和膜6的顶侧(布置在膜6处的操作装置7的顶侧)之间延伸的高度H。根据有利的实施例，微型流体致动器5包括0.50mm或更小的高度H.

图4示出了根据本发明的移动设备1的另一实施例。这里，移动设备1包括在流动方向上(在吸入方向和喷出方向两个方向上)连续地串联布置的三个传感器4a、4b、4c。

图5示出了另一实施例，其中移动设备1包括在流动方向上并联布置的四个传感器4a、4b、4c、4d。在该实施例中，移动设备1包括微型流体致动器5，微型流体致动器5被配置为向多个传感器4a至4d的并联连接一起供应吸入的环境空气。

图6示出了另一实施例，其中移动设备1包括四个微型流体致动器5a、5b、5c、5d以及四个传感器4a、4b、4c、4d。这里，每个微型流体致动器5a、5b、5c、5d与相应的传感器4a、4b、4c、4d流体连接。例如，四个传感器4a至4d中的每一个可以分析特定的环境空气参数。因此，传感器4a至4d可以通过分别驱动相关联的微型流体致动器5a至5d以基于需求的方式工作。

在已经在结构上描述了根据本发明的移动设备1的实施例之后，将在下面解释操作模式。

例如，传感器4可以是用于测量一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO₂)、氮(N)、一氧化二氮(N₂O)、挥发性有机化合物(VOC)、湿度或细尘的传感器。出于该目的，必须用环境空气将传感器4环绕。

例如，移动设备1可以是具有已经存在的麦克风开口2的智能手机。可以通过该麦克风开口2吸入环境空气。出于该目的，流体管线3布置在麦克风开口2处。该流体管线3通向传感器4。

从开口2到传感器4的环境空气的扩散花费相对长的时间。因此，本发明提供了微型流体致动器5，其通过开口2吸入环境空气。因此，吸入的环境空气基本上更快地流向传感器4，另一方面，传感器4可以更快地生成信号。因此，用对流取代了已知的利用扩散原理起作用的解决方案。

因此，微型流体致动器5执行吸气冲程，在吸气冲程中，微型流体致动器5通过开口2吸入环境空气。根据本发明，流体通道3的体积小于微型流体致动器5的冲程体积。因此，通过开口2吸入的环境空气流经前面的流体通道部分3a，流经邻近传感器4的部分3c并流经后面的流体通道部分3b，流入微型流体致动器5的腔24中。因此，吸入的环境空气环绕传感器4。

随后，通过微型流体致动器5使吸入的环境空气通过开口2喷出并返回外部。出于该目的，微型流体致动器5执行加压冲程，其中吸入的空气在相反的方向上流经流体通道3并通过开口2释放到周围环境中。

因此，本发明解决了现有技术的微型泵吸入空气并随后将吸入的空气喷出到移动设备中的问题。然而，在根据本发明的移动设备1中，微型流体致动器5通过流体通道3吸入流体体积并且经由该流体通道3喷出吸入的流体体积。换句话说，微型流体致动器5在流体通道3中往返推动流体体积。

下面，以其他的文字总结本发明的实施例。

本公开的一个组件是平膜致动器，其可以以循环方式(往返)移动空气体积，并且一个(或多个)传感器和流体管线连接到该平膜致动器。

进到传感器的软管和流体适配器中的死体积应小于致动器可以移动的(空气)体积。

例如，可以以下列方式驱动致动器：

·压电-电

ο单态弯曲变换器

粘附的PZT陶瓷

薄层(AIN、氧化锌......)

厚层PZT

·电磁

·静电

·通过电活性聚合物致动器

·热，例如通过形状记忆合金

·利用用于振动警报的电机作为膜驱动器等

可设想的实施例是压电膜转换器5。这可以以非常平坦的方式构建(移动无线电设备的前提条件-载体小于0.5mm的设计高度)，并且仍然可以移动几mm³的大冲程体积。参见具有压电膜致动器5的图2，用于向传感器4供应新鲜空气。

代替软管，可以使用刚性管作为流体通道3。

应对所有流体连接器进行密封，使得吸入来自开口2的空气。此外，可以(优选串联)布置多个传感器4。

当所有传感器4的流动阻力大致相同时，并联布置是有意义的。

此外，可以使用多个致动器5，例如每个传感器4一个致动器。

适当时，也可以使用双膜以便保持低电压。

应该将流体路径设计成存在尽可能少的角落和死空间。在这种情况下，确保发生很小的分散和残留。在最佳情况下，微型流体致动器5的冲程体积仅必须与死体积一样大(从吸入口2到传感器4)。事实上，冲程体积将比死体积大特定的因数。

透气膜可以布置在吸入开口2和传感器4之间，或者布置在传感器4和微型流体致动器5(例如微型泵)之间，其不允许通过冷凝的液体(例如具有小孔径尺寸和大“泡点”的疏水(例如特氟隆涂覆(Tefl on-coated))过滤膜)，以便保护传感器4免受液体侵蚀。根据设计，该膜必须克服流动阻力。此外，供应中可能存在压强下降。

因此，微型流体致动器5还应该能够：

·生成一定的阻塞压强，

·并且还满足冲程体积和总的死体积(流体管线3、传感器4、流体适配器5和致动器室24的体积)之间的一定的压缩比。

为了确保这一点，微型流体致动器5优选地通过偏置方法(Fraun hofer EMFT所获专利)来应用，以便最小化致动器室24的死体积。

在吸入空气样本之前，(例如通过施加正电压)操作膜致动器5并将其移动到其下部位置。现在，死体积最小。

然后，(例如通过切断电压，或者通过施加适当的负电压)将致动器5移动到其上部位置。在这样做时，在致动器室24中生成负压，环境空气被快速吸入并被供应给传感器4，从而可以进行空气参数的测量。

数值示例：

致动器1(直径:9.6mm)

·尺寸：10x10x0.5mm³,

·膜直径：9.6mm

·模厚度：30μm

·压电厚度：60μm

·d31：250m/V

·驱动电压：+90/-24V

产生的冲程数据：

·冲程体积：2.35mm³

·阻塞压强：14kPa

致动器2(直径:14.6mm)

·尺寸：15x15x0.5mm³,

·膜直径：14.6mm

·模厚度：40μm

·压电厚度：80μm

·d31：250m/V

·驱动电压：+120/-32V

产生的冲程数据：

·冲程体积：9.4mm³

·阻塞压强：11kPa

从开口到传感器的死体积：

软管或管

·长度：10mm

·内部直径0.2mm

·死体积＝lr²π＝10mmx(0.1mm)²x3.14＝0.32mm³

流体适配器

·长度：2mm

·内部直径0.2mm

·死体积＝lr²π＝2mmx(0.1mm)²x3.14＝0.06mm³

传感器壳体

·长度：1.5x1.5mm²

·高度：0.2mm

·死体积＝0.45mm³

总的死体积

·0.83mm³

即，在致动器1中，冲程体积比死体积大系数2.8，在致动器2中，大系数为11.3；每次冲程，新鲜空气都能安全到达传感器。

如果适用，使用较厚的压电陶瓷可能是有意义的，因为当使用具有如此大的横向尺寸的薄陶瓷时，压电陶瓷中的机械应力可能变大，并且压电陶瓷中的破裂可能由于高拉应力而产生。

这里是一个实施例：

致动器3(直径：9.6mm)

·尺寸：10x10x0.5mm³,

·膜直径：9.6mm

·模厚度：30μm

·压电厚度：150μm

·d31：250m/V

·驱动电压：+225/-60V

产生的冲程数据：

·冲程体积：1.3mm³

·阻塞压强：29kPa

致动器4(直径:14.6mm)

·尺寸：15x15x0.5mm³,

·膜直径：14.6mm

·模厚度：50μm

·压电厚度：150μm

·d31：250m/V

·驱动电压：+225/-60V

产生的冲程数据：

·冲程体积：6.3mm³

·阻塞压强：23kPa

后两个执行器包括较少的冲程体积(然而，通过适当的供应管线的设计，仍然足够)，但相对于机械应力是“更保守地”设计。

对于双冲程致动器，相应的冲程体积可以加倍。

Claims

1.一种具有微型流体致动器的设备（1），包括：

具有外壳开口（2）的外壳，所述外壳开口（2）限定所述设备（1）中的流体通道（3）与环境空气之间的流体连接，

传感器（4），耦接到所述流体通道（3）并且设置在所述外壳中，所述传感器（4）被配置为感测所述环境空气的至少一种成分，

微型流体致动器（5），布置在所述传感器（4）的下游并且设置在所述外壳中，所述微型流体致动器（5）被配置为在吸气冲程中通过所述流体通道（3）吸入流体并将所述流体朝向所述传感器（4）输送，在加压冲程中将吸入的流体通过所述流体通道（3）输送回所述外壳开口（2），

所述传感器（4）被布置为与所述外壳开口（2）间隔开，并且所述传感器（4）和所述外壳开口（2）之间的所述流体通道（3）的体积等于或小于所述微型流体致动器（5）以单个吸气冲程传送的冲程体积，

其中，所述微型流体致动器（5）的冲程体积是所述传感器（4）与所述外壳开口（2）之间的流体通道部分（3a）的体积的至少2.5倍，以及

其中，所述微型流体致动器（5）是具有载体（8）和布置在所述载体（8）上的可偏转膜（6）的膜致动器，所述可偏转膜（6）是机械偏置的，使得所述可偏转膜（6）在未操作的空闲位置与所述载体（8）间隔开，并且在操作时朝向所述载体（8）移动。

2.根据权利要求1所述的设备（1），其中，所述流体通道（3）在所述外壳开口（2）和所述微型流体致动器（5）之间延伸，并且所述流体通道（3）、耦接到所述流体通道（3）的所述传感器（4）和所述微型流体致动器（5）一起形成相对于所述设备（1）的内部而密封的流体密封布置。

3.根据权利要求1所述的设备（1），其中，所述微型流体致动器（5）的冲程体积是所述传感器（4）与所述外壳开口（2）之间的所述流体通道部分（3a）的体积的至少10倍。

4.根据权利要求1所述的设备（1），其中，所述传感器（4）被配置为感测来自一氧化碳CO、二氧化碳CO₂、氮N、一氧化二氮N₂O、挥发性有机化合物VOC、湿度和细尘的组中的至少一种环境空气成分。

5.根据权利要求1所述的设备（1），其中，所述微型流体致动器（5）是具有可偏转膜（6）的膜致动器，所述可偏转膜（6）能够以压电或电磁或静电方式或借助于电活性聚合物致动器或借助于包括形状记忆合金的元件（7）而操作。

6.根据权利要求1所述的设备（1），其中，所述微型流体致动器（5）是具有可偏转双膜的膜致动器。

7.根据权利要求1所述的设备（1），其中，所述微型流体致动器（5）是具有载体（8）和布置在所述载体（8）上的可偏转膜（6）的膜致动器，包括所述载体（8）在内的所述可偏转膜（6）具有0.50mm或更小的高度。

8.根据权利要求1所述的设备（1），其中，所述设备（1）包括在流动方向上连续串联布置的两个或更多个传感器（4a，4b，4c，4d）。

9.根据权利要求1所述的设备（1），其中，所述设备（1）包括在流动方向上并联布置的两个或更多个传感器（4a，4b，4c，4d）。

10.根据权利要求8所述的设备（1），其中，所述设备（1）包括两个或更多个微型流体致动器（5a，5b，5c，5d），每个微型流体致动器（5a，5b，5c，5d）与相应的传感器（4a，4b，4c，4d）流体连接。

11.根据权利要求1所述的设备（1），其中，透气性过滤器元件布置在所述外壳开口（2）和所述传感器（4）之间，所述透气性过滤器元件被配置为收集在所述吸入的流体中冷凝的液体。

12.根据权利要求1所述的设备（1），其中，透气性过滤器元件布置在所述传感器（4）和所述微型流体致动器（5）之间，所述透气性过滤器元件被配置为收集在所述吸入的流体中冷凝的液体。

13.根据权利要求1所述的设备（1），其中，所述设备是移动设备。

14.根据权利要求13所述的设备（1），其中，所述移动设备（1）是移动电话，并且所述移动电话中设置的所述外壳开口（2）是麦克风开口。

15.根据权利要求13所述的设备（1），其中，所述移动设备（1）是具有振动警报电机的移动电话，并且所述微型流体致动器（5）是具有可偏转膜（6）的膜致动器，所述可偏转膜（6）借助于所述振动警报电机而操作。

16.根据权利要求15所述的设备（1），其中，所述移动设备（1）是移动电话或智能手机或可穿戴计算机或移动计算机。

17.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备是固定设备。