CN112218701A

CN112218701A - R2r微机电气体浓缩器

Info

Publication number: CN112218701A
Application number: CN201980026445.8A
Authority: CN
Inventors: S.A.马什
Original assignee: Encite LLC
Current assignee: Encite LLC
Priority date: 2018-03-07
Filing date: 2019-02-27
Publication date: 2021-01-12
Also published as: WO2019173090A3; WO2019173090A2; AU2019231556A1; CA3091772A1; US11331618B2; EP3762129A2; JP2021514778A; EP3762129A4; US20190275458A1

Abstract

公开了诸如卷对卷处理的技术，以在微机电系统中生产隔膜阀，该微机电系统与包括具有分隔的泵室的泵体的微型泵集成在一起。该技术的一种应用是作为用于气体浓缩器的阀组件，该阀组件包括用于供给输入气流的第一微型泵，用于提供真空的第二微型泵以及至少一个具有沸石的筛床。气体浓缩器使用阀组件来控制气体从第一微型泵进入筛床和第二微型泵的排放。

Description

R2R微机电气体浓缩器

根据美国法典第35编第119条要求优先权

根据美国法典第35编第119条，本申请要求于2018年3月7日提交的美国临时专利申请序列号62/639,522的名称为“R2R Microelectromechanical Gas Concentrator”的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

背景技术

本说明书涉及气体浓缩器(concentrator)。

气体浓缩器，诸如氧气浓缩器是众所周知的。气体浓缩器用于各种工业和医疗应用。几种不同的技术方法或工艺是已知的。

气体浓缩器制造中使用的一种工艺，尤其对于医疗应用，是变压吸附(pressureswing adsorption，PSA)。PSA利用气体在高压下被固体表面吸引并因此被吸附的吸附原理。在越来越高的压力下，更多的气体被吸附，而随着压力的降低，被固体表面吸附的气体被解吸(释放)。PSA用于根据不同气体对不同固体表面的吸引力来分离气体混合物中的气体。

典型的基于PSA的氧气浓缩器使用分子筛来支撑沸石矿物，以从输入气流(例如，环境空气)中吸附大气氮，然后排出氮，有效地洗涤氮，使其他大气气体通过。这使得氧气成为剩余的主要气体。

基于PSA的氧气浓缩器，包括空气压缩机、两个装满沸石球团的气缸、均压储存器(reservoir)、以及阀和管道。在前半循环中，第一个气缸从压缩机接收空气，随着第一个气缸中的压力从大气压上升到大约2.5倍的正常大气压(通常为20psi/138kPa表压，或2.36个绝对大气压)，沸石被氮气饱和。当第一个气缸在前半循环中达到接近纯氧(不包括少量其他微少大气成分)时，阀打开，并且富氧气体流向与患者氧气软管相连的均压储存器。在循环的前半部分结束时，还有另一个阀位置变化，使得来自压缩机中的空气被引导至第二个气缸。当富氧进入储存器时，第一个气缸中的压力下降，从而使氮气被解吸回气体中。在循环的后半部分，还有另一个阀位置变化，以将第一个气缸中的气体排放回环境大气中，使均压储存器中的氧气浓度不会降至约90％以下。从均衡储存器输送氧气的软管中的压力由减压阀保持稳定。

气体浓缩器制造中使用的另一种工艺，尤其对于工业应用，是真空吸附(vacuumswing adsorption，VSA)。VSA工艺尤其用于那些需要比医疗设备更高压力和流量的工业工艺中。VSA工艺使用用于目标气体(例如氮气)的吸附剂(例如沸石)、用于第一相位的单个低压鼓风机和使通过鼓风机的气流反向的阀，使得通过净化吸附的气体在真空下第二个例如再生相位发生。在第一步中，净化的气体被回收并部分用作原料气。使用两个吸附容器允许几乎连续地生产目标气体，并且还允许压力均衡，其中离开第一容器的气体被减压后，用于对第二容器进行部分地加压。

另一种工艺是真空变压吸附(vacuum pressure swing adsorption，VPSA)。VPSA工艺将加压气体应用于(VSA)分离工艺，并且也将真空应用于放气(VSA)工艺。VPSA工艺是最有效的气体浓缩工艺之一。

另一种工艺是快速变压吸附(rapid pressure swing adsorption，RPSA)。快速变压吸附或RPSA常用于便携式氧气浓缩器。建立在VSA的基础上，RPSA通过在VSA的第一相位快速循环容器中的压力，同时以相同的速率交替排放容器的另一端来工作。这意味着未吸附的气体沿着容器的行进速度比吸附的气体快，并在远端排出，而吸附的气体没有机会前进，而在近端排出。

便携式气体浓缩器，诸如氧气浓缩器也是众所周知的。然而，在已知的便携式氧气浓缩器的情况下，术语便携式是相对的。所谓便携式是指放在用户肩上或跟在用户后面或附着在轮椅上的设备。已知的便携式氧气浓缩器的“便携”方面是它们可以被运输，因为已知的便携式氧气浓缩器往往相对较大、较重且昂贵。

发明内容

根据一个方面，一种气体浓缩器，包括微型泵、具有输入和输出的筛床(sievebed)以及阀组件，用于控制多组分气体从微型泵进入到筛床的输入、排出气体的第一组分、并且供给浓缩的第二组分的气体从筛床的输出到气体浓缩器的输出口。

此方面可以包括以下一个或多个：

阀组件包括布置在公共基板层上的多个阀，多个阀经由布置在公共基板层中的通道在阀的入口和出口之间互连。微型泵、筛床和阀组件提供第一通道，筛床是具有输入端口和输出端口的第一筛床，并且气体浓缩器还包括第二通道，该第二通道包括具有经由阀组件耦合到微型泵的输入的第二筛床和具有输出的第二筛床，以及耦合在第一筛床和第二筛床的第二端口之间的平衡阀。

多个阀中的至少一些是隔膜阀。至少一些隔膜阀包括主体，该主体具有腔室，该腔室具有通过主体的第一和第二端口，第一和第二端口限定了通过主体的通道，以及一对隔开的膜，每个膜带有电极，这些膜附着到主体的壁上并布置在腔室内，在膜响应施加到电极的电信号的情况下，随着向电极施加类似的电荷以使膜弯曲远离彼此以打开通道，并且向电极施加相反的电荷以使膜弯曲朝向彼此以关闭通道。

该阀组件包括具有输入阀，该输入阀具有耦合到微型泵的输入端口和耦合到筛床的第一端口的输出端口，输入阀由输入信号控制以选择性地打开和关闭输入阀，放气阀(purge valve)具有耦合到筛床的第二端口的输入端口，由放气信号控制以选择性地打开和关闭放气阀，排气阀(vent valve)，其具有耦合到筛床的第一端口的输入端口和耦合到气体浓缩器的排气输出的输出，排气阀由排气信号控制以选择性地打开和关闭排气阀，以及输出阀，其具有耦合到筛床的第二端口的输入端口和耦合到气体浓缩器的输出的输出端口，输出阀由输出信号控制以选择性地打开和关闭输出阀。

微型泵、筛床和阀组件提供第一通道，并且气体浓缩器还包括第二通道，该第二通道包括耦合到阀组件的第二筛床。输入、放气、排气及输出阀和信号是第一阀和第一信号，并且阀组件还包括用于第二通道的第二输入阀，具有耦合到微型泵的输入端口和耦合到第二筛床的第一端口的输出端口，第二输入阀由第一信号的补码(complement)控制以选择性地打开和关闭第二输入阀；第二放气阀，具有耦合到筛床的第二端口的输入端口，由第二放气信号控制以选择性地打开和关闭第二排气阀；第二排气阀，具有耦合到筛床的第一端口的输入端口和耦合到气体浓缩器的排气输出的输出，第二排气阀由第二排气信号控制以选择性地打开和关闭排气阀；平衡阀，耦合在在第一和第二筛床的第二端口之间，以及输出阀，具有耦合到第二筛床的第二端口的输入端口和耦合到气体浓缩器的输出的输出端口的输出阀，输出阀由第二输出信号控制以选择性地打开和关闭输出阀。

微型泵是第一微型泵，并且筛床是第一筛床，关于气体浓缩器还包括第二筛床，第二筛床具有耦合到阀组件的第一端口和耦合到阀组件的排气端口的第二微型泵。第一和第二筛床具有第二端口，并且阀组件还包括平衡阀，该平衡阀耦合到在第一和第二筛床的第二端口之间。气体浓缩器还包括耦合到阀组件的输出的输出气体储存器。阀组件还被配置为从筛床中排放气体，并且气体浓缩器还包括耦合到阀组件的排放输出端口的放气储存器。气体浓缩器还包括电子电路，其包括时序生成器电路，该时序生成器电路具有耦合到阀上的电极的输出信号线，以向阀组件中的阀提供时序信号。该电子电路还包括波形生成器，该波形生成器产生相对于地电势具有正电荷或负电荷的信号。

根据另一个方面，制造气体浓缩器的方法包括通过将材料的主体层图案化以形成多个互连的隔室，将携带第一导电层的柔性材料的第一片材层压在主体层的第一表面上，以及将携带第二导电层的柔性材料的第二片材层压在主体层的第二相对表面上以提供阀组件，将阀组件耦合到第一微型泵，该第一微型泵向气体浓缩器提供输入气体和耦合到第二微型泵，该第二微型泵提供输入气体的成分的排放，以及将阀组件耦合到第一筛床和第二筛床，每个筛床包括用于从输入气流中吸附第一气体的沸石来形成阀组件。

此方面可以包括以下一个或多个：

主体层是第一主体层，该方法还包括将第二和第三主体层图案化以提供第一端盖隔室和第二端盖隔室，以及将第一端盖隔室堆叠在复合材料层压结构的第一表面上，并且将第二端盖隔室堆叠在复合材料层压结构的第二表面上。

将主体层图案化包括将主体图案化以形成用于第一通道和第二通道的多个隔室，其中每个隔室与阀组件中的阀相对应，并且第一通道和第二通道的每个包括输入阀、排气阀、放气阀和输出阀。

根据另一个方面，阀，包括主体，该主体具有腔室，该腔室具有通过主体的第一和第二端口，第一和第二端口限定了通过主体的通道，以及一对隔开的膜，每个膜携带电极，这些膜附着到主体的壁上并布置在腔室中，在膜向电极的电荷的施加时，被配置为在第一模式下彼此吸引以关闭通过腔室的通道，并且在第二模式下彼此排斥以打开通过腔室的通道。

此方面可以包括以下一个或多个：

阀还包括第一端盖隔室和第二端盖隔室，第一端盖隔室在复合层压结构的第一表面上方，而第二端盖隔室在复合层压结构的第二表面上方。

阀还包括电子电路，其包括时序生成器电路，该时序生成器电路具有耦合到电极的输出信号线以控制阀的操作。

主体和一对隔开的膜是第一主体，并且第一对提供第一阀芯，阀还包括第二阀芯，包括第二主体，该第二主体具有通过第二主体的第一和第二端口，第一和第二端口限定了通过第二主体的通道，以及第二对隔开的膜，每个膜带有电极，这些膜附着在主体的壁上并布置在第二主体的腔室中，在膜向电极的电荷的施加时，被配置为在第一模式下彼此吸引以关闭通过腔室的通道，并且在第二模式下彼此排斥以打开通过腔室的通道，以及单元隔室，其串联耦合在第一阀芯的输出和第二阀芯的输入之间。

阀还包括电子电路，其包括时序生成器电路，该时序生成器电路具有耦合到电极的输出信号线以控制阀的操作，其顺序为：在关闭第二阀芯的同时打开第一阀芯以允许气体通过第一阀芯并进入单元隔室，平衡第一阀芯和单元隔室中的气体压力，关闭第一阀芯，并打开第二阀芯，以允许单元隔室中的气体进入第二阀芯并流出阀。

上述方面中的一个或多个可以具有以下优点中的一个或多个。

与当前商用的氧气浓缩器相比，气体浓缩器的重量的很可能相对较轻。与当前商用的氧气浓缩器相比，总尺寸将相对较小，并且很可能由筛床和/或电池尺寸驱动。与商用的氧气浓缩器相比，成本将相对便宜。对于给定的输出要求，可以通过主动分离和再生工艺、压力和真空泵来减小筛床的尺寸。

本发明的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中阐述。从说明书和附图以及从权利要求书中，本发明的其他特征、目的和优点是显而易见的。

附图说明

图1是微机电气体浓缩器系统的框图。

图2A-图2B是示出在微机电气体浓缩器系统中使用传感器的替代方案的框图。

图3是没有放气反馈的图2A-图2B的微机电气体浓缩器系统的时序图。

图3A-图3B是用于微机电气体浓缩器系统两个相位的阀布置的功能框图。

图4是具有放气反馈的微机电气体浓缩器系统的框图。

图4A-图4H是用于微机电气体浓缩器系统的两个相位的阀布置的功能框图。

图5是具有放气反馈的图4的微机电气体浓缩器系统的时序图。

图6A-图6E是用于图1-图4H的气体浓缩器系统的基于膜的阀的剖视图。

图7是用于微机电气体浓缩器系统的电路框图。

图8是出于体积考虑的微机电气体浓缩器系统的概念图。

图9是概念性地描绘阀组件的布局或掩膜的框图。

具体实施方式

概述

可以如我的共同待决的专利申请在2015年9月24日提交的US-2015-0267695-A1、2016年5月12日提交的US-2016-0131126-A1、2018年1月18日提交的US-2018-0015247-A1、2018年2月8日提交的US-2018-0038754-A1中所讨论的那样构造微机电系统，诸如微传感器，微CPAP(continuous positive air pressur，连续正气压)设备和微型泵。特别地，可以通过卷对卷(roll to roll，R2R)微机电系统工艺(MEMS)或(R2R MEMS)工艺来构造这些设备。

气体浓缩器

现在将描述采用微型泵和隔膜阀的气体浓缩器，诸如氧气浓缩器，特别是通过卷对卷微机电系统工艺(R2R MEMS)制造的气体浓缩器。气体浓缩器通常采用多组分输入气体混合物，例如环境空气，并从气体混合物中提取一个或多个气体组分，例如来自气体混合物的氮气，该组分随后被排出以进行浓缩，剩余的组分，例如从气体浓缩器输出的气体中的氧气。

参考图1，示出了气体浓缩器10。气体浓缩器10具有输入10a、输出10b、排气端口10c和排气端口10d，并且在一些实施方式中包括耦合到O₂(氧气)平衡储存器26的一对端口10e、10f。气体浓缩器10包括过滤器12、空气输入多级微型泵(输入微型泵)14和真空多级微型泵(真空微型泵)16。气体浓缩器10还包括主动阀组件18、电池20、相应的电子设备22、以及筛床25a、25b和气体，例如O₂储存器26(或简单地，气体浓缩器的出口)。输入微型泵14的入口15a经由过滤器12耦合到通常为环境或气体源的输入10a，输入微型泵14的出口15b耦合到阀组件18的输入18a。真空微型泵16的入口17a耦合到阀组件18的排气口18b，真空微型泵16的出口17b耦合到气体浓缩器10的排气口10c，在一些实施方式中，主动阀组件18、空气微型泵14和真空微型泵16被制造为R2R MEMS设备。在一些实施方式中，除了主动阀18、空气微型泵14和真空微型泵16之外，筛床25a、25b被制造为R2R MEMS设备。过滤器12、储存器26、电子设备22和电池20通常是分开制造的。在其他实施方式中，仅可以使用单个筛床。

参考图2A，气体浓缩器10被示为包括第一通道11a和第二通道11b。在图2A中，每个通道11a、11b包括到输入和真空微型泵14、16的相应连接，输入和真空微型泵14、16各自包括泵体(未示出)，该泵体具有由多个膜(未示出)隔开的单个分隔的泵室(未示出)。在一种实施方式中，输入和真空微型泵14、16是上面提到的通过参考的共同待决专利申请所描述的类型。输入和真空微型泵14、16具有相对应的端口，其中一些被指定为入口15a、17a，而其他被指定为出口15b、15b。多级微型泵14的入口15a耦合到环境(或混合气体供应)，并且输入微型泵14的出口15b耦合到阀组件18的输入端口18a。

阀组件18包括阀28a、28b、30a、30b、21、32a、32b、34a和34b。阀组件18的输入端口18a耦合到阀C1IV 30a和C2IV 30b(分别与通道1和2相对应)。真空微型泵16的入口17a耦合到阀组件18的排气口18c，更具体地说，耦合到阀28a、28b，并且真空微型泵16的出口17b被排气。如图所示，平衡阀21耦合筛床25a、25b。通道11a、11b在下面也称为“通道1”和“通道2”。

如图所示，通道1、11a包括阀28a、30a、筛床25a和阀32a、34a。如图所示，通道2、11b包括阀28b、30b、筛床25b和阀32b、34b。阀28a、30a、32a、34a和28b、30b、32b、34b中的每一个都具有充当入口或出口(未标出)的端口，但是这些端口的功能从图中方向箭头中显而易见。筛床25a、25b和阀21中的每一个都具有一对端口，其在某些操作相充当输入端口，而在其他操作相充当输出端口，这将在下面显而易见。

阀28a、28b的输出耦合到真空泵16的输入端口17a。如图所示，阀30a、30b具有分别耦合到筛床25a、25b和到阀28a、28b的输入的输出。如图所示，筛床25a、25b具有耦合到阀32a、34a和34a、34b的输入的输出。阀34a、34b具有作为放气管线的输出，而阀32a、32b具有耦合到输出端口18b以接收浓缩气体的输出。这些端口可以耦合到氧气储存器。如图所示，平衡阀21是耦合在筛床25a、25b的输出之间的双向阀。

在一些实施方式中，阀组件18可以构造为单个整体单元(包括所有阀28a、30a、32a、34a和28b、30b、32b、34b和21)，或者为两个整体单元，每个通道一个。用于第一通道的第一单元将包括作为第一单元的阀28a、30a、32a、34a。用于第二通道的第二单元将包括作为第二单元的阀28b、30b、32b、34b。阀21可以在任一个单元中，或在单独的单元中。

在一些实施方式中，阀组件18还可以根据阀的其他布置，诸如在图9中，被构造为整体单元。阀是具有至少两个静电控制的膜的微型阀(图6A-图6E)。整体单元是指阀由公共基板或主体层和公共膜层制造，并且具有通过公共基板或主体层的相应部分的通道，以适当地互连阀组件18中的阀。参见下面图9中的讨论。

参考图2B，示出了图2A的气体浓缩器10的修正10‘，其中第一传感器27a插在泵14的出口15b和通道11a、11b的入口之间，并且第二传感器27b插在泵16的入口17a和来自第一和第二通道11a、11b的出口之间。修正的气体浓缩器10a还包括耦合在阀32a、32b的输出和储存器(未示出)或环境之间的第三传感器27c。这些传感器(和或其他未示出的传感器)产生测量压力、流量、O₂浓度、温度等的传感器信号。这些信号由外部电路处理，例如，作为电子设备22(图1)的一部分的处理器或控制器，以从传感器信号中计算可以在显示设备上指示的压力、流量、O₂浓度等的测量。这些传感器与控制一起可以修正压力、流量、O₂浓度等。这些信号产生用于波形信号生成器的反馈，该波形信号生成器是电子设备22的一部分，该电子设备修正施加到气体浓缩器10’的信号的时序，如下所述。

现在参考图3，示出了没有排放空气储存器反馈的情况下，根据真空变压吸附(VPSA)原理操作的气体浓缩器10(或修正的气体浓缩器10’)的时序图。基本操作被分成两个相位A和B。由于所描述的气体浓缩器10是双筛床系统，所以相位时钟信号具有图3中使用的两个相位。如果使用大量的筛床25a、25b，则在每个相位中重复基本时序。在一些情况下，可以根据通过执行修正时序的算法等产生的传感器信号来修正时序。

还参考图3A，描绘了三条路径。第一路径(由粗线表示)是氧气(O₂)分离路径，其从泵14吸入空气并将集中的O₂流输送到储存器25。第二路径(由虚线表示)是从筛床25b排出氮气的排气路径。第三路径(由窄实线表示)是平衡路径。这些路径在相位A中提供，如下所示。

相位时钟信号(图3的相位时钟)(循环的第一相位处于主动(active)高电平状态)信号被施加到输入阀30a C1IV，并且相位时钟信号的补码被施加到输入阀30b C2IV。相位时钟信号关闭输入阀30a C1IV，并且相位时钟信号的补码打开输入阀30b C2IV。基本上同时，将排气信号(排气口1，图3)的真实值施加到排气阀C2VV 28b关闭排气阀C2VV 28b，并且将排气信号(排气口1，图3)的补码施加到排气阀C1VV 28a打开排气阀C1VV 28a。在通道1的主动气体浓缩操作期间，空气泵14和真空泵16都运行。但是，为了节约能源，可以在泵的部分循环内关闭泵，诸如在达到压力或真空之后。相位时钟信号是对称的-4个时间增量(或状态)高和4个时间增量(或状态)低，而排气信号是不对称的-3个时间增量(或状态)高和5个时间增量(或状态)低。

在一段时间(例如，不到一秒至几秒)之后，筛床25a C1SB中的压力已经上升到大约泵14的操作压力(这里大约是7psig)。在此期间，放气阀34a C1PV、输出阀32a C1OV和平衡阀21EV打开。施加放气信号(放气1，图3)以使放气阀C1PV 34a关闭不到一秒至几秒。这允许从筛床25a、C1SB的输出中排放任何氮气稀释的氧气。

接下来，将输出信号(OUT1，图3)施加到输出阀32a C1OV关闭该阀不到一秒至几秒，从而允许几乎纯O₂移动到均压储存器28，如图3A所示。一旦完成，将平衡信号(平衡器，图3)施加到平衡阀EV 21，其关闭该阀不到一秒至几秒，以允许筛床25b C2SB的部分加压。排气信号(排气口1，图3)被施加到排气阀28a C1VV关闭该阀，使得来自筛床25a C1SB的压力通过真空泵12b排放到环境中。该序列在相位时钟主动高电平信号开始时重复。

时序图中信号的时序是相对的，这意味着信号之间的关系很重要，但总绝对循环时间可以改变。总循环时间可以由各个组件在操作期间的响应时间来限定。例如，假设微型泵将筛床加压到7psig需要0.120秒，在这种情况下，排放或输出时序可以设置为0.010秒，但是可以花费更少的时间来执行。

参考图3、图3B查看相位B，可以看出，相应的通道2阀具有与如上所述的相应通道1阀在O₂分离期间具有的相同行为，但是相位移动了。第四路径(由粗线表示)是另一条O₂分离路径，其从泵14吸入空气并在相位B中将集中的O₂流输送到储存器25。第二路径(由虚线表示)是从筛床25a排出氮气的排气路径。第三路径(由窄实线表示)是平衡路径。这些路径在相位B中提供如下。

处于主动高电平状态的相位时钟信号(循环的第二相位)的补码被施加到输入阀30b C2IV和输入阀30a C1IV。在这种情况下，相位时钟信号的补码关闭输入阀30b C2IV并打开输入阀30a C1IV。基本上同时，将排气信号(排气口2，图3)的真实值施加到排气阀C1VV28a关闭排气阀C1VV 28a，并且将排气信号(排气口2，图3)的补码施加到排气阀C2VV 28b打开排气阀C2VV 28b。如上所述，在通道2的主动气体浓缩操作期间，空气泵14和真空泵16都运行，但是在循环的一部分中可以关闭。

在不到一秒至几秒之后，筛床25b C2SB中的压力已经上升到大约泵12a的操作压力(这里大约是7psig)。在此期间，放气阀34b C2PV、输出阀32b C2OV和平衡阀EV打开。施加放气信号(排放2，图3)以使放气阀C2PV 28b关闭不到一秒至几秒。这允许从筛床25b C2Sb的输出中排放任何氮气稀释的氧气。

接下来，将输出信号(OUT 2，图3)施加到输出阀32b C2OV，关闭该阀不到一秒至几秒，从而允许几乎纯O₂移动到均压储存器28。一旦完成，将平衡信号(平衡器，图3)施加到平衡阀EV 21，使其关闭不到一秒至几秒，以允许筛床25a C1SB的部分加压。排气信号(排气口2，图3)被施加到排气阀28b C2VV关闭该阀，使得来自筛床25b的压力C2SB由真空泵12b排放到环境中。该序列在相位时钟主动低电平信号开始时重复。

这种气体浓缩器，例如，氧气浓缩器的操作指标可以使空气泵在略高于环境压力0PSIG到大约7PSIG的范围内的压力下操作。典型的工作温度将接近环境温度(更广泛地说，在华氏50-90度或其他范围内)，并有少量的自加热。典型的循环时间将在不到1秒到大约7秒的范围内。循环时间范围的最小值将由各个功能的响应时间决定，而循环时间范围的最大值将由气体浓缩器10的应用和各个组件的材料特性决定。对于呼吸应用，循环时间将足够快，以跟上人的呼吸频率。吸附率将由泵14的操作压力驱动，而解吸率将由泵16产生的真空程度驱动。

吸附容量(以ml/g表示，是吸附材料的特性)。选择材料的量和筛子的几何形状以产生所需的ml/s(秒)特性的产率。流速将在每分钟4-5升左右-足以跟上呼吸的速度，并且操作模式可以是连续的或脉冲的，以节省在电池操作中的能量。如果需要，O₂浓度百分比可以超过90％或更高。气体浓缩器的重量很可能是由电池重量驱动的，因为剩余的组件相对较轻。与当前商用的氧气浓缩器相比，总重量相对较轻。与当前商用的氧气浓缩器相比，总尺寸相对较小，并且很可能由筛床和/或电池尺寸驱动。与商用的氧气浓缩器相比，成本相对便宜。

现在参考图4，示出了替代的气体浓缩器40。气体浓缩器40包括过滤器12、空气微型泵14和真空微型泵16。气体浓缩器40还包括主动阀(组件18)、电池20、相应的电子设备22以及筛床25a、25b，以及气体，例如O₂储存器42a，总体上如图1所示。此外，气体浓缩器40还包括排放储存器42b和放气反馈。放气储存器42b从主动阀18接收气体，并将该气体供给到空气泵。真空微型泵16的入口17a耦合到阀28a、28b，真空微型泵16的出口17b被排气。在一些实施方式中，阀、传感器和泵被制造为R2R MEMS设备。在一些实施方式中，除了阀和泵之外，筛床25a、25b被制造为R2R MEMS设备。过滤器12、储存器42a、42b、电子设备22和电池20被分开制造。尽管未示出，但是传感器，如在修正的气体浓缩器10‘中一样，也可以与替代气体浓缩器40一起使用。

图4A-图4D更详细地示出了阀组件18中的阀在相位A期间的操作，而图4E-图4H更详细地示出了阀在相位B期间的操作。在图4A-图4H中，可以推断放气储存器42b(实现下表中的功能1和功能2)，或者可以排除(仅实现下表中的功能1)。同样在图4A-图4D和图4E-图4H中，根据相位A、B和子相位A1-A4和B1-B4，阀被图示为打开或关闭，并且这些阀的操作在下表中总结：

操作状态A1(图4A)

操作状态A2(图4B)

操作状态A3(图4C)

操作状态A4(图4D)

同样，对于通道2，相位B如下：

操作状态B1(图4E)

操作状态B2(图4F)

操作状态B3(图4G)

操作状态B4(图4H)

现在参考图5，示出了气体浓缩器40根据快速真空变压吸附(RVPSA)原理操作并且包括放气储存器42b的时序图。该时序布置包括用于在前一循环结束时打开放气阀C1PV、34a和C2PV 34b(图4A)的信号(放气1A和放气1B)。除了气体浓缩器40包括具有两个功能的放气储存器42b(实现为气囊、柔性存储元件)之外，基本操作类似于图3(没有放气储存器)。放气储气器42b的一个功能是存储来自气体浓缩器40的排放气体，这些气体可以(直接或通过过滤器12)循环回到输入微型泵14，而另一个功能是一旦筛床25a、25b中的一个通过将筛床25a、25b中的压力从真空返回到环境中而完全排气，则使输入泵14需要泵送通过筛床25a、25b的气体量最小化。

回想一下，通过图1-图3的处理，输入微型泵14将给定通道的筛床加压到约7psig，而真空泵16在给定相位将另一通道排气。因此，在相位结束时，排气的筛床和通道相对于环境约为-7psig。因此，在下一个循环中，微型泵14将需要将筛床加压至+7psig或总净差14psig。通过使用放气功能2使完全通风的筛床在新循环开始之前返回到环境压力，这允许输入微型泵14泵入0psig通道而不是-7psig通道，从而使用更少的能量和更高效。可折叠放气储存器42b将具有使完全通风的筛床返回到环境压力所需的体积。

阀

在一些实施方式中，这些阀是微型电磁主动阀。在其他实施方式中，阀可以是在共同待决申请中讨论的滑动阀或瓣阀的改型。在另一些实施方式中，如现在所讨论的，阀是基于膜的阀。

现在参考图6A-图6C，示出了隔膜阀50的三种状态。图6A示出了静止状态51a(部分打开的阀状态)，图6B示出了完全打开的操作状态51b，而图6C示出了完全关闭的操作状态51c。阀50具有腔室52，该腔室52被锚定到阀体58上的一对膜56a、56b划分为三个隔室54a-54c，该阀体58具有例如6个壁以形成几何实体，其中两个壁58a、58b作为参考。在该实施方式中，隔室54b中的中间一个具有一对端口(未参考)。当膜朝向彼此移动时，阀50关闭，从而夹住中间隔室54b，从而隔离隔室54b相对端处的端口。当膜56a、56b彼此远离时，阀50打开并在隔室54b的相对端处的端口耦合。膜56a、56b在未启动时围绕中心标称位置沿两个相反方向移动。

膜的驱动是通过静电力。电极60连接到每个固定端壁58a、58b的一个主表面和每个膜56a、56b的一个主表面。这些电极彼此电隔离，并且根据给定隔膜阀正用于哪个阀而馈送诸如图3和图5的时序图中的电信号。

参考图6B，在阀打开操作期间，当两个相邻电极都具有正电荷或都具有负电荷(如图所示)时，这将导致设置在壁58a、58b之间的膜56a、56b彼此排斥。同样，当壁58a、58b在各个相邻电极上具有相反的电荷时，这将导致排斥膜56a、56b被吸引到与相应膜相邻的壁58a、58b，从而进一步增加膜56a、56b的彼此排斥，从而打开阀50。

参考图6C，在阀关闭操作期间，当两个相邻电极都具有相反的电荷时，一个正电荷另一个负电荷(如图所示)将导致设置在壁58a、58b之间的膜56a、56b彼此吸引。同样，当壁58a、58b具有与壁相邻的各个电极上的电荷相同的电荷时，这将使膜56a、56b与壁58a、58b相排斥，从而进一步使膜56a、56b彼此吸引，从而关闭阀50。

两个带有介质的电极组成平行板静电致动器。电极通常具有小尺寸和低静态功耗(非常低的电流)。可以向每个电极施加高电压来驱动隔室，但是该驱动是在非常低的电流下执行的。

如图6D所示，在一些实施方式中，阀65具有单个隔室。主体端盖上的电极60与膜54a、54b上的电极60介电隔离(例如，通过阀体66的一部分与膜54a、54b上的电极60隔离)。

现在参考图6E，在气体浓缩器10的一些实施方式中，使用两级阀70来释放单位体积的气体。两级阀70使用单元隔室72(以排出单位量的流体)。如图所示，单元隔室72具有一对端口，两个单隔室阀65(图6D)耦合在其上的一对端口处。单元隔室72设置在两个单隔室阀65之间。单元隔室72用于捕获单元(即，限定体积的流体，例如气体)。该阀70可以用作C1PV和C2PV阀(图2A的34a、34b等)，以在从放气储存器(图4)收集排放的气体之前，从气体浓缩器50排放单位体积的气体，以在新循环开始时将筛床25a、25b返回到环境。

排放单位体积的操作顺序如下：

1.在阀B关闭的情况下开启阀A以启动循环，以允许气体通过阀A进入单元放气容积(单元隔室)72。

2.平衡阀A两侧的压力。

3.关闭阀A。

4.开启阀B，以允许放气容积(单元隔室)72中的气体进入阀B，并从两级阀中流出。

5.关闭阀B以结束循环。

再次参考图3和图5，在每个相位周期期间，阀组件18(例如，图2A)中的阀根据这些图中适当的一个的时序被激活(当然，应当理解的是，可以使用替代时序和/或动态修改的时序)。对于基于膜的阀，阀被激活，使得每个阀的隔室通过彼此排斥的膜打开以打开阀，或者通过彼此吸引的膜关闭。

为了关闭阀，将极性相反的电压施加到这些隔室的相对壁上的电极上，建立正电荷和/或负电荷。符号相反的电压(电荷)导致两层膜彼此吸引以关闭通道，而相同极性的电压使两层膜彼此排斥。固定壁不会移动。膜朝向吸引力的方向或排斥力的方向移动。

选择膜的材料和施加到膜和端壁的电压，使得当被激活时，每个膜在相邻膜的标称位置之间扩展基本上距离d的一半，并且继续扩展以封闭通道，但不超过膜的介电击穿电压或弹性极限。在膜的标称位置和固定壁之间的距离可以是d或d/2的端隔室中，激活的膜将隔室的体积分别减小到接近d/2或零(在打开操作增加通过隔室的流速)。对于中间隔室，通过将每个膜移动d/2，在打开操作中隔室的体积扩大到接近2*V_i，并且在关闭操作中将隔室的体积减小到接近零。

在一些实施方式中，使用四种类型的电信号来驱动膜。四种类型是：

V-：所有电压的DC参考；可用于直接驱动一些膜；

V+：DC高压，用来直接驱动一些膜，然后切换到其他膜；

V1：周期性AC波形，用于驱动一些膜以控制操作。它包括50％的占空比，并在一个完整的泵浦循环内在V-和V+之间摆动。

V2：与V1相同，但相位相差180度。

多组波形被施加到固定壁和膜上的四个电极上，并且这些波形是从图3和/或图5中的时序信号导出。

现在参考图7，示出了用于向阀施加电压的驱动电路80的示例。驱动电路80接收电源电压(以及在一些实施方式中来自图2的实施方式的传感器信号)，并将驱动电压输出到阀。驱动电压将取决于气体浓缩器中使用的阀的类型。对于基于膜的阀，可以使用上面讨论的布置。

驱动电路80包括高压倍增器电路82、压控振荡器(VCO)84、波形生成器电路86以及可选的反馈和控制电路88。高压倍增器电路82将电源电压乘以期望的高压值，例如大约100V到700V，标称为500V。可以使用取决于诸如介电常数、厚度、机械模量特性、电极间距等材料特性的其它电压。在一些实施方式中，高压倍增器电路82包括升压电路(未示出)。压控振荡器84产生用于阀信号的驱动频率。振荡器84是电压控制的，并且可以通过外部控制信号改变频率，使得阀基于流量要求推动更多或更少的气体。波形生成器电路86生成用于膜上的电极的驱动电压。如前所述，一些驱动电压是彼此具有特定相位关系的AC电压。波形生成器电路86控制这些相位以及波形的形状。反馈和控制电路88接收提供电容、电压和/或电流的测量的信号，并且电路88可以产生反馈信号以提供对电路的波形生成器86的附加控制，以帮助调整驱动电压以获得期望的性能。这样的信号可以测量压力、流量和浓度等。驱动电路80可以与与微型泵14、16一起使用的驱动电路(未示出)分开或作为其一部分。

与上述申请中描述的微型泵一样，隔膜阀50、65、70的特征在其标称位置处的膜之间可以具有大约50微米的距离，并且标称体积V_i的范围可以从纳升到微升到毫升，例如0.1微升。在一些实施方式中，端隔室的每一个都具有标称体积V_e，该标称体积是中间隔室的标称体积的一半，例如约25微米。隔室可以有不同的尺寸。尺寸是基于例如卷对卷生产线的特定工艺要求以及功耗和应用考虑来选择的。其它细节可以从上述微型泵中提到的那些中得到适应，如上面提到的通过引用并入的公开的专利申请。

现在参考图8，示出了气体浓缩器的示例性概念体积图。该视图描绘了用于气体浓缩器各种组件的典型相对体积。从概念上讲，尺寸的示例可以是95.4mm×80mm×80mm或大约0.61升。重量可能小于一磅。

筛床显示为内部，但也可以是外部的，并且机械接口包括到筛床的端口。电子设备包括用于监视、控制和用户界面(显示控制)的电路。视图还从概念上显示了VP真空泵、VS阀开关、AP空气泵和预计将消耗很大比例体积的充电电池。充电接口也将作为所利用的电池空间的一部分被包括在内。

在常规设计中，筛床通常是最大的部件之一，并且被设计成在要求的浓度下产生所需的流速。对于给定的输出要求，可以通过使用主动分离和再生工艺、压力和真空泵来减小筛床的尺寸。较高的压力/真空度也有助于减小筛床尺寸，但以消耗电池中储存的能量为代价并减少“运行时间”。静电驱动是最有效的，并且有助于在给定的运行时间内减小电池的尺寸。筛床结构可以利用R2R MEMS技术提供的分层方法来降低传质限制和提高气体分离能力。

尺寸是由所公开的气体浓缩器10将提供的优点。如果筛床25a、25b被实施到R2RMEMS设备中，则电池可能是最大的外部设备，如图8所示。重量是紧随运行时间之后的另一个优点。成本也是一个显著的优势，可以让更多的人负担得起它的使用费用。一个典型的常规单元通常体积约为5-6升，重量为4-10磅，运行时间为5-6小时。气体浓缩器10的典型特征是体积为0.5升或更小，重量约为1磅，并且约为5-6小时。运行时间的成本比典型的传统单元便宜至少一个数量级。

下面是用于选择隔膜阀不同部分的材料的一些示例标准。

阀体-隔膜阀的阀体使用的材料可以由应用要求来限定，例如，如果阀由与微型泵相同的材料制成。材料需要足够坚固或足够坚硬，以保持其形状，以提供腔室体积。这种材料是不导电的。

膜-该部分的材料形成鼓膜结构(覆盖在隔室上的薄膜)。这样，材料需要在期望的距离上来回弯曲或拉伸，并且具有弹性特性。该膜材料对包括气体和液体的流体是不可渗透的，是不导电的，并且具有高击穿电压。合适材料的例子包括氮化硅、特氟龙和PET。

电极-这些结构非常薄，并且由导电材料组成。因为电极不传导很大的电流，所以该材料可以具有相对较高的电阻，尽管该高电阻特征不一定是所希望的。电极经受膜的弯曲和拉伸，因此，希望该材料柔软以应对弯曲和拉伸而不会疲劳和失效。此外，在操作条件下，电极材料和膜材料将需要彼此很好地粘附，例如，不会彼此分层。合适材料的例子包括金、铝和铂。

电气互连-驱动电压被传导到每个隔室的每个膜上的电极上。可以使用例如金、铝和铂的导电材料来建立通向这些电极的导电路径。

卷对卷工艺，用于生产气体浓缩器

卷对卷工艺线可以包括几个工位(station)，例如工位1到工位n(未示出)，并且这些工位可以是或包括封闭的腔室)，在这些工位处发生沉积、图案化和其他处理。因此，从高层次来看，工艺可以是加法的(恰好在需要的地方添加材料)，或减法的(在需要的地方添加材料和移除材料)。根据需要，沉积工艺包括蒸发、溅射和/或化学气相沉积(CVD)，以及印刷。图案化工艺可以包括取决于要求的技术，诸如扫描激光和电子束图案生成、加工、光学光刻、凹版和柔性版(胶印)印刷，具体取决于被图案化特征的分辨率。喷墨印刷和丝网印刷可以用于放下功能材料，例如导体。可以使用其他技术，例如压印和压纹。

原始的原料卷是柔性材料的腹板(web)。在卷对卷工艺中，柔性材料的腹板可以是任何这样的材料，并且通常是玻璃、塑料或不锈钢。虽然这些材料(或其他材料)中的任何一种都可以使用，但与玻璃和不锈钢相比，塑料具有成本更低的优势，并且是生产气体浓缩器的生物相容性材料。

在制造牺牲填充材料时，可以使用例如聚乙烯醇(PVA)。如果需要，可以使用牺牲填充材料在工艺中将膜支撑在主体上。然后在制造工艺中使用溶剂，以随后去除这种牺牲的填充材料。

具有阀单元(隔膜阀和与隔膜阀的路径连接，具有电极和电连接)的卷被切成小块并收集，并且可以与微型泵一起制造，或可以在制造微型泵之后组装并封装在一起。也就是说，取决于微型泵单元在腹板上的布局，可以将微型泵与阀单元集成在同一腹板上。

隔膜阀可以单独构造或作为带有互连通道的阀组件来构造，如图1-图4所示。

考虑图9作为阀组件18的示例性掩膜。阀组件18可以构造为一个整体单元或两个单元。对于图6A-图6C中讨论的阀类型50，由两个膜隔开的三个主体层的堆叠，在堆叠的主体层的两壁上有四个电极，并且在每个膜的主表面之一上的另外两个电极。导管(由图9中未引用的线示出)可以从主体层加工，很像提供膜间隔室的腔室是从主体层加工的，使用通过引用申请并入的上述技术中的任何一种。至于隔膜阀65、70，生产这些类型的阀的工艺将是相似的，但是涉及单体层和两个膜，并且可以根据上述申请中讨论的工艺的任何一种，用于微型泵的结构原理进行调整，因为在某些方面，考虑到在此讨论的特征，隔膜阀65、70是微型泵的单个驱动的中间腔室。

沸石的筛床25a、25b可以构造在不同的腹板上，并且这些可以与微型泵等结合在一起。微型泵的构造可以根据通过引用申请并入以上讨论的工艺的任何一种。

诸如玻璃或塑料或不锈钢的柔性材料片材用作腹板。对于特定实施方式，材料是塑料片材，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。

这个片材是50微米厚的片材。可以使用其他厚度(例如，片材可以具有例如25微米至250微米(或更大)之间的厚度。该厚度是根据将要建造的微机电系统的期望的性能和卷对卷工艺线的处理能力来预测的。这些考虑将提供对最大厚度的实际限制。类似地，最小厚度是根据将要构造的微机电系统的期望的性能以及在卷对卷工艺线中处理非常薄的片材的能力来预测的。

对于隔膜阀，层的厚度如上所述，对于主体约为50微米，以及膜元件约为5微米。然而，其他厚度也是可能的。例如用于电极的50到150埃的金属层由各种方法提供，诸如蒸发或其他技术。这样的金属化薄膜也是可商购的。

来自卷的片材在烧蚀工位(例如激光烧蚀工位1)处图案化。掩膜(未示出)用于配置激光烧蚀工位以移除或限定或形成隔室以及对准孔(未示出，但在公开的申请中讨论)。如在公开的申请中所示和讨论的，还提供了用于电气连接的通孔。微加工烧蚀塑料以形成阀的隔室，同时离开框架部分。

具有隔室的片材在层压工位被层压到片材上，例如5微米厚的PET片材，在该片材的顶表面上具有100A的Al金属层。该片材在隔室上形成膜和电极。这可以是中间隔室，并且因此在框架中定义了端口。端盖可以形成在第二和第三腹板上。在金属层的涂层之前或之后，这些片材被加工以提供对准孔(未示出)。

然后将端盖单元和中间单元堆叠以形成单独的阀，或者如果还产生通道，则将单独的阀互连以提供阀组件。在共同待决的公开申请中讨论的夹具(jig)，其包括安装在水平基座上的垂直的四个立柱，可以用来堆叠(阀或阀组件的)单个切割模具。在夹具上提供端盖(例如，具有金属层的50微米PET片材)，并且在该端盖上提供中间单元。中间单元被点焊(施加局部加热源)以将该单元保持在夹具上。第二顶端盖被提供在堆叠的中间单元上并点焊。一旦堆叠完成，利用顶盖，堆叠单元被送到层压工位，其中堆叠被层压，将单元和盖子层压在一起。端盖和顶盖也可以是封装的一部分。否则，可以将多组可重复单元成对层压。具有或不具有对准孔的用于组装的其它堆叠技术也是可能的。

总而言之，气体浓缩器50在气体浓缩器50内部具有微型泵(用作微鼓风机)，并且用于空气泵和真空泵两者。如图所示，主动阀18将是内部隔膜式阀。图6A-图6C和图6D中讨论的阀类型可以用于各种阀组件中的所有阀。在一些情况下，图6E中的阀可以用来代替图6A-图6D的阀类型。

在一些情况下，可以使用蠕动微型泵方法。一种蠕动泵(peristaltic pump)概念在2017年3月13日提交的申请序列号62/470,460的名称为“Micro Pump Systems andProcessing Techniques”中讨论，其全部内容通过引用合并于此。在这种方法中，三个微型泵元件串联配置。微型泵元件没有固定的阀，而是微型泵元件中的第一和第三微型泵元件用作第二微型泵元件的阀，该第二微型泵元件位于第一和第三微型泵元件之间。

筛床25a、25b可以是内部的或外部的，并且可以具有材料涂层通道。均压储存器可以是内部的或外部的，例如外部气球型结构。内部通道是在微制造工艺中限定，并且内部的电连接实在微制造工艺中限定。

电子设备22可以是外部小型化电路，其将经由软件算法实现相位定时，监视用于压力、流量、浓度等的内部集成传感器，以及控制内部或外部开关、泵和显示器等。电子设备22可以是内置的。电子设备22可以实现为各种不同的电气或电子控制、计算或处理设备中的任何一种，并且可以执行以上讨论各种功能的任意组合，以控制所公开的气体浓缩器的各种组件，例如阀、泵等。

电子设备22可以实现为控制器，该控制器通常并且可选地包括处理器(或多个处理器)、存储器、存储设备和输入/输出设备中的任何一个或多个。这些组件中的一些或全部可以使用系统总线互连。处理器能够处理用于执行的指令。在一些实施例中，处理器是能够处理存储在存储器中或存储设备上的指令的单线程处理器或多线程处理器或硬件控制器。一些实现可以包括显示设备，并且该控件被配置为向用户显示信息并执行上面讨论的各种监视和控制功能。用于在此公开的系统的合适的处理器包括通用微处理器和专用微处理器。

存储器存储系统内的信息，并且可以是计算机可读介质，诸如易失性或非易失性存储器。存储设备能够提供大容量存储。通常，存储设备可以包括被配置为存储计算机可读指令的任何非暂时性有形介质。存储设备包括所有形式的非易失性存储器，例如包括半导体存储设备，诸如EPROM、EEPROM和闪存设备等。在此公开的处理器和存储单元可以由从ASIC(专用集成电路)和类似补充，或并入，或提供。

在此描述的特征，包括用于执行各种测量、监视、控制和通信功能的组件，可以在数字电子电路中，或者在计算机硬件、固件或者在它们的组合中实现。方法步骤可以在有形地体现在信息载体中的计算机程序产品中实现，例如在机器可读存储设备中，以由可编程处理器运行，并且特征可以由运行这种指令程序的可编程处理器来执行，以执行上述步骤和功能中的任何一个。适用于由一个或多个系统处理器运行的计算机程序包括可直接或间接使用的一组指令，以使运行指令的处理器或其他计算设备执行某些活动，包括上面讨论的各种步骤。

可以组合在此描述的不同实施方式的元素以形成上文未具体阐述的其它实施例。可以将元件排除在此描述的结构之外，而不会不利地影响它们的操作。此外，可以将各种单独的元件组合成一个或多个单独的元件，以执行在此描述的功能，并且可以使用提供阀的不同时间或不同阀的算法来影响浓缩器操作。其他实施例在以下权利要求的范围内。例如，在一些实施方式中，仅可以使用一个微型泵。该布置将包括多路复用阀，其在循环的第一部分上来自微型泵的气体多路传输以将气体输送到第一通道10a，并且在循环的第二部分从第一通道10a抽出气体。

Claims

1.一种气体浓缩器，包括：

微型泵；

具有输入和输出的筛床；以及

阀组件，用于控制多组分气体从所述微型泵到所述筛床的所述输入的进入，排出所述气体的第一组分，并且将浓缩的所述气体的第二组分从所述筛床的所述输出供给到所述气体浓缩器的输出口。

2.如权利要求1所述的气体浓缩器，其中，所述阀组件包括：

多个阀，其布置在公共基板层上，所述多个阀经由布置在所述公共基板层中的通道在所述阀的入口和出口之间互连。

3.如权利要求1所述的气体浓缩器，其中，所述微型泵、所述筛床和所述阀组件提供第一通道，所述筛床是具有输入端口和输出端口的第一筛床，并且所述气体浓缩器还包括：

第二通道，包括：

第二筛床，具有经由所述阀组件耦合到所述微型泵的输入，并且所述第二筛床具有输出；以及

平衡阀，耦合在所述第一筛床和第二筛床的第二端口之间。

4.如权利要求2所述的气体浓缩器，其中，所述多个阀中的至少一些是隔膜阀。

5.如权利要求2所述的气体浓缩器，其中所述隔膜阀中的至少一些包括：

主体，具有腔室，该腔室具有通过所述主体的第一和第二端口，第一和第二端口限定了通过所述主体的通道；以及

一对隔开的膜，每个膜带有电极，所述膜附着在所述主体的壁上并布置在所述腔室中，在所述膜响应施加到所述电极的电信号的情况下，随着向所述电极施加类似的电荷以使所述膜远离彼此弯曲以打开所述通道，并且随着向所述电极施加相反的电荷以使所述膜朝向彼此弯曲以关闭所述通道。

6.如权利要求1所述的气体浓缩器，其中，所述阀组件包括：

输入阀，具有耦合到所述微型泵的输入端口和耦合到所述筛床的第一端口的输出端口，所述输入阀由输入信号控制以选择性地打开和关闭所述输入阀；

放气阀，具有耦合到所述筛床的第二端口的输入端口，由放气信号控制以选择性地打开和关闭所述放气阀；

排气阀，具有耦合到所述筛床的所述第一端口的输入端口和耦合到所述气体浓缩器的排气输出的输出，所述排气阀由排气信号控制以选择性地打开和关闭所述排气阀；以及

输出阀，具有耦合到所述筛床的所述第二端口的输入端口和耦合到所述气体浓缩器的所述输出的输出端口，所述输出阀由输出信号控制以选择性地打开和关闭所述输出阀。

7.如权利要求6所述的气体浓缩器，其中，所述微型泵、所述筛床和所述阀组件提供第一通道，并且所述气体浓缩器还包括：

第二通道，包括：

第二筛床，耦合到所述阀组件。

8.如权利要求7所述的气体浓缩器，其中，所述输入、放气、排气及输出阀和信号是第一阀和第一信号，并且针对所述第二通道，所述阀组件还包括，

第二输入阀，具有耦合到所述微型泵的输入端口和耦合到所述第二筛床的第一端口的输出端口，所述第二输入阀由所述第一信号的补码控制以选择性地打开和关闭所述第二输入阀；

第二放气阀，具有耦合到所述筛床的第二端口的输入端口，由第二放气信号控制以选择性地打开和关闭所述第二放气阀；

第二排气阀，具有耦合到所述筛床的所述第一端口的输入端口和耦合到所述气体浓缩器的所述排气输出的输出，所述第二排气阀由第二排气信号控制以选择性地打开和关闭所述排气阀；

平衡阀，耦合在所述第一筛床和第二筛床的所述第二端口之间；以及

输出阀，具有耦合到所述第二筛床的所述第二端口的输入端口和耦合到所述气体浓缩器的所述输出的输出端口，所述输出阀由第二输出信号控制以选择性地打开和关闭所述输出阀。

9.如权利要求1所述的气体浓缩器，其中，所述微型泵是第一微型泵，并且所述筛床是第一筛床，关于所述气体浓缩器还包括：

第二筛床，具有耦合到所述阀组件的第一端口；以及

第二微型泵，耦合到所述阀组件的排气端口。

10.如权利要求9所述的气体浓缩器，其中，所述第一和第二筛床具有第二端口，并且所述阀组件还包括：

平衡阀，耦合在所述第一筛床和第二筛床的第二端口之间。

11.如权利要求1所述的气体浓缩器，还包括：

输出气体储存器，耦合到所述阀组件的输出。

12.如权利要求1所述的气体浓缩器，其中，所述阀组件还被配置为从所述筛床排放气体，并且所述气体浓缩器还包括：

排放气体储存器，耦合到所述阀组件的排放输出端口。

13.如权利要求1所述的气体浓缩器，还包括：

包括时序生成器电路的电子电路，该时序生成器电路具有耦合到所述阀上的电极的输出信号线，以向所述阀组件中的阀提供时序信号。

14.如权利要求13所述的气体浓缩器，其中，所述电子电路还包括波形生成器，该波形生成器产生相对于地电势具有正电荷或负电荷的信号。

15.一种制造气体浓缩器的方法，所述方法包括：

通过以下方式形成阀组件：

对材料的主体层进行图案化以形成多个互连的隔室；

将携带第一导电层的柔性材料的第一片材层压在所述主体层的第一表面上；

将携带第二导电层的柔性材料的第二片材层压在所述主体层的第二相对表面上，以提供所述阀组件；

将所述阀组件耦合到向所述气体浓缩器提供输入气体的第一微型泵和提供所述输入气体的组分的排气的第二微型泵；以及

将所述阀组件耦合到第一筛床和第二筛床，每个筛床包括沸石以从所述输入气流中吸附第一气体。

16.如权利要求15所述的方法，其中，所述主体层是第一主体层，所述方法还包括：

对第二和第三主体层进行图案化以提供第一端盖隔室和第二端盖隔室；以及

将所述第一端盖隔室堆叠在复合材料层压结构的所述第一表面之上，并且将所述第二端盖隔室堆叠在所述复合材料层压结构的所述第二表面之上。

17.如权利要求15所述的方法，其中，图案化所述主体层包括：

对所述主体进行图案化以形成用于所述第一通道和所述第二通道的多个隔室，其中每个所述隔室与所述阀组件中的阀相对应，并且所述第一通道和所述第二通道各自包括输入阀、放气阀、排气阀和输出阀。

18.一种阀，包括：

一对隔开的膜，每个膜带有电极，所述膜附着在所述主体的壁上并布置在所述腔室中，在向所述电极的电荷的施加时，所述膜被配置为在第一模式下彼此吸引以关闭通过所述腔室的所述通道，并且在第二模式下彼此排斥以打开通过所述腔室的所述通道。

19.如权利要求18所述的阀，还包括：

第一端盖隔室；以及

第二端盖隔室，所述第一端盖隔室在复合材料层压结构的所述第一表面之上，并且所述第二端盖隔室在所述复合材料层压结构的所述第二表面之上。

20.如权利要求18所述的阀，还包括：

包括时序生成器电路的电子电路，该时序生成器电路具有耦合到电极的输出信号线以控制所述阀的操作。

21.如权利要求18所述的阀，其中，所述主体和一对隔开的膜是第一主体，并且第一对提供第一阀芯，所述阀还包括：

第二阀芯，包括：

第二主体，具有腔室，该腔室具有通过所述第二主体的第一和第二端口，第一和第二端口限定了通过所述第二主体的通道；以及

第二对隔开的膜，每个膜带有电极，所述膜附着在所述主体的壁上并布置在所述第二主体的所述腔室中，在向所述电极的电荷的施加时，所述膜被配置为在第一模式下彼此吸引以关闭通过所述腔室的所述通道，并且在第二模式下彼此排斥以打开通过所述腔室的所述通道；以及单元隔室，串联耦合在所述第一阀芯的输出和所述第二阀芯的输入之间。

22.如权利要求21所述的阀，还包括：

包括时序生成器电路的电子电路，该时序生成器电路具有耦合到电极的输出信号线，以根据如下顺序控制所述阀的操作：

在所述第二阀芯关闭的同时打开所述第一阀芯，以允许气体通过所述第一阀芯进入所述单元隔室；

平衡所述第一阀芯和单元隔室中的气体压力；

关闭所述第一阀芯；以及

打开所述第二阀芯以允许所述单元隔室中的气体进入所述第二阀芯并从所述阀中流出。