CN112343801B - Mems泵 - Google Patents

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Abstract

一种MEMS泵，包括基部结构，与基部结构相对并可平行于基部结构的表面法线偏转的膜结构，并且包括基部结构和膜结构之间的泵腔，其中，泵腔的容积基于膜结构相对于基部结构的位置。MEMS泵包括通道，该通道被构造成让流体进入泵腔或离开泵腔，其中，通道相对于泵腔布置在平面内。MEMS泵包括阀结构，该阀结构流体耦接到通道，并且被构造成在第一状态下将通道连接到第一外部容积以便将流体提供至泵腔，并且用于在第二状态下将通道连接到第二外部容积以便将流体提供至第二外部容积。

Description

MEMS泵
技术领域
本公开涉及MEMS泵和用于操作MEMS泵的方法。本公开还涉及一种薄型MEMS泵。
背景技术
利用廉价和/或移动传感器系统进行污染物检测是一个即将到来的课题。污染物和有害健康的气体和/或颗粒即使在低浓度时也会变得有害。为了检测污染物，可以使用气体传感器。气体传感器大多是通过扩散驱动。
微型泵可以增强环境流体或空气到相应传感器系统的传输。微型泵可以提高采样速率和/或测量精度。与当前技术的传统泵相比，微型泵可以更小且成本更经济。微型泵可以单片集成在其它MEMS传感器系统内。
因此，实施例的目的是提供一种有效的MEMS泵以及用于操作该MEMS泵的方法。
发明内容
根据一个实施例，一种MEMS泵，包括：基部结构；与基部结构相对并可平行于基部结构的表面法线偏转的膜结构。MEMS泵还包括在基部结构和膜结构之间的泵腔，其中，泵腔的容积基于膜结构相对于基部结构的位置。MEMS泵包括通道，该通道被构造成让流体进入泵腔或离开泵腔，其中，通道相对于泵腔布置在平面内。MEMS泵还包括阀结构，该阀结构流体耦接到通道，并且被构造成用于在第一状态下将通道连接到第一外部容积以便将流体提供至泵腔，并且用于在第二状态下将通道连接到第二外部容积以便将流体提供至第二容积。
根据一个实施例，一种用于操作MEMS泵的方法，该MEMS泵包括基部结构，膜结构，与基部结构相对并可沿朝向基部结构的方向偏转；包括在基部结构和膜结构之间的泵腔；包括通道，该通道被构造成使流体进入泵腔或离开泵腔；并且包括阀结构，该阀结构流体耦接到通道，并且被构造成用于在第一状态下将通道连接到第一外部容积以便将流体提供至泵腔，并且用于在第二状态下将通道连接到第二外部容积以便将流体提供至第二外部容积。该方法包括控制阀结构以打开至第一外部容积的第一路径，并阻塞至第二外部容积的第二路径。该方法还包括向膜结构提供第一泵控制信号，以便改变泵腔的容积。所述方法包括向阀结构提供第二阀控制信号，以控制阀结构在泵腔的容积已经改变之后阻塞第一路径并打开第二路径。该方法还包括向膜结构提供第二泵控制信号，以便反向改变泵腔的容积。
在从属权利要求中定义了其它实施例。
附图说明
参考附图在本文中描述实施例，其中：
图1示出了根据实施例的MEMS泵的示意性框图；
图2示出了在实施例中布置的阀结构的示意性侧视图；
图3a示出了根据一个实施例的MEMS泵的示意性侧视图；
图3b示出了图3a的MEMS泵的示意性顶视图；
图4a至图4f示出了图3a的MEMS泵处于不同致动状态的示意性侧视图；
图5a至图5d示出了根据实施例的另一MEMS泵的泵送(pumping)循环的示意性侧视图；
图6示出了根据具有作为阀结构的一部分的预应变元件的实施例的MEMS泵的一部分的示意性侧视图；和
图7示出了根据实施例的方法的示意性流程图。
具体实施方式
即使在不同的附图中出现，在下面的描述中也用相等或等同的附图标记来表示相等或等同的元件或具有相等或等同功能的元件。
在下面的描述中，阐述多个细节以提供对本发明的实施例的更彻底的解释。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些特定细节的情况下实践本发明的实施例。在其它实例中，以框图形式而不是详细地示出公知的结构和装置，以避免模糊本发明的实施例。此外，除非另外特别说明，下文描述的不同实施例的特征可以彼此组合。
下面，参考MEMS(微机电系统)泵。MEMS可以包括半导体材料，例如单晶或多晶半导体材料，例如硅酮或砷酸镓。MEMS结构的元件可包括单层或多层构造。例如，一个或多个路径可以由半导体材料或诸如金属材料或氧化物材料或氮化物材料的不同材料形成。例如，一个或多个结构可以包括半导体材料，该半导体材料至少部分地被绝缘材料覆盖，绝缘材料诸如氮化物材料(例如，氮化硅等)和/或氧化物材料(例如，氧化硅)。
图1示出了根据实施例的MEMS泵10的示意性框图。MEMS泵10可以包括基部结构12，例如，基板。尽管基部结构12可以被称为基板，但这并不排除基部结构12具有包括在基部结构12中的机械和/或电功能。例如，可以在基部结构处布置电极结构。可选地或附加地，电路结构等可以布置在基部结构12上或基部结构12中。基部结构12可以称为基板。
MEMS泵10包括膜结构14。膜结构14可以包括半导体材料，例如，它可以形成为至少部分地包括硅酮材料。可选地或附加地，导电结构或导电层可以是膜结构14的一部分。可选地或附加地，绝缘层可以是膜结构14的一部分。例如，膜结构14可以包括具有半导体层的堆叠层，半导体层被掺杂以导电。该层可以被电连接以形成电极结构。这种电极结构可以至少部分地被绝缘层覆盖。这可以允许膜结构的静电致动。例如，作为基部结构12的一部分或在不同位置处，可以布置另一电极以允许膜14的静电或电动致动。可选地或附加地，不同的驱动构思可以实现，例如压电致动。也就是说，膜结构14可以包括允许膜结构14偏转的压电材料，该膜结构14仅作为非限制性示例示出为偏转的膜结构14'。尽管当与未致动或未偏转的膜结构14相比时，偏转的膜结构14'被示出为具有更靠近基部结构12的位置，但也可以使偏转的膜结构14'具有距基部结构12更大的距离。两种构造都允许布置在基部结构12和膜结构14之间的泵腔16具有基于膜结构14的位置或偏转的可变或改变的容积。也就是说，膜结构14相对于基部结构12的偏转或移动可以允许泵腔16的容积的变化。
尽管膜结构14被示出为具有在未致动状态下基本上平行于基部结构12的形状，从而忽略了由重力等引起的力，但是对于可能未偏转的膜结构14，相对于致动可以获得不同的形状。例如，即使膜结构14未被致动，也可以实现偏置、机械预应力等将膜结构14成形为不同的形状。
膜结构14可以包括至少第一状态和第二状态，其中，泵腔16的容积在第一状态和第二状态之间不同。例如，膜结构14可以在其中一种状态下被致动而在另一种状态下未被致动，或者可以在两种状态下都被致动。
膜结构10包括通道18，通道18被构造成用于让流体22进入泵腔16或用于让流体22离开泵腔16。例如，通道18可以被构造成用于这两者，即，用于例如在第一时间间隔期间让流体进入泵腔16，以及用于例如在第二不同的时间间隔期间让流体离开泵腔16。通道18相对于泵腔16布置在平面内。平面内可以理解为沿着平行于平面26的方向24具有相同的水平或布置，平面26基本上平行于基部结构12的表面12A和/或膜结构14的表面14A。方向24或其因子的至少一个分量可平行于基部结构12的表面法线N布置。方向24可被理解为厚度方向或高度方向，使得术语平面内可被理解为至少部分地布置在相同的厚度水平或相同的高度处。因此，平面26可平行于制造MEMS泵10的晶片的延伸。
MEMS泵10可包括阀结构28。阀结构28可流体耦接到通道18，并且从而流体耦接到泵腔16。阀结构28可被构造成用于将通道18和/或处于不同状态的泵腔16连接到不同的外部容积321和322。结合本实施例，外部容积应理解为在泵腔16的外部。外部容积321和322可以至少部分地位于不排除外部容积321和322彼此流体耦接的不同位置或区域。尽管描述MEMS泵10以使阀结构28处于将通道18与两个不同的外部容积321和322连接的构造中，但实施例可提供阀结构28将通道18连接到两个以上不同的外部容积的构造。
即，在不同的状态、位置或构造或操作模式下，阀结构可将通道连接到不同的外部容积。例如，在第一状态下，阀结构28可将通道18连接到外部容积321，以便将流体22提供至泵腔。例如，在第二状态的至少部分期间，膜结构14可以移动或偏转，以便例如当从偏转的膜结构14'的状态移动到膜结构14的状态时增大泵腔16的容积，使得流体22通过阀结构28从外部容积321吸入，通过通道18进入泵腔16。例如，在第二状态下，阀结构28可将通道18连接到外部容积322，以便将流体22提供至外部容积322。例如，在与阀结构28处于第二状态的时间间隔至少部分重叠的时间间隔期间，泵腔16的容积可以减小，例如当将膜结构14偏转到偏转的膜结构14'的构造中时。由此，流体22的至少一部分可从泵腔16泵出到外部容积322中。
通过将通道18相对于泵腔16布置在平面内，可以获得MEMS泵10的低厚度，即沿着厚度方向24的小延伸。
图2示出了阀结构28的可能实施方式的示意性侧视图。阀结构可以包括部341和部342，即阀结构28的元件。部341和342的相对位置可以是可变的。即，部341和342中的至少一个部可相对于另一部移动。例如，部341可相对于部分342沿移动方向36移动。可选地或附加地，部342可相对于部分341移动。根据一个示例，部342可形成壳体的至少一部分，部341可在该壳体中或相对于该壳体可移动。
在阀结构28的不同状态下，阀结构28被构造成用于分别间歇地流体地阻塞至外部容积321,322的第一流体路径381或第二流体路径382。在所示的状态中，第二流体路径382被阻塞，即，当阀结构28将通道连接到外部容积321时，通道18可让流体22从外部容积321通过。
为了改变阀结构28的状态，可以改变部341和342之间的相对位置，使得第一流体路径381被阻塞并且第二流体路径382被打开，使得泵腔和通道连接到外部容积322，从而允许流体22从泵腔行进到外部容积322。
不同状态之间的改变可以通过使用控制信号42来获得，例如，使阀结构28改变或保持部341和342之间的相对位置的电或光信号。
尽管阀结构28被示出为包括两个流体路径，即第一流体路径381和第二流体路径382，但是实施例涉及例如根据在MEMS泵的操作期间泵腔16必须连接到的外部容积的数量，而包括更多数量的路径的阀结构。在阀结构28的不同状态下，可以阻塞至少一条路径。可选地或附加地，在允许流体22通过阀结构28行进的每个操作状态中，除了一个路径之外的所有路径都可以被阻塞。
图3a示出了根据实施例的MEMS泵30的示意性侧视图。图3a仅示出MEMS泵30的一部分，MEMS泵30可以相对于轴线44轴对称或旋转对称，轴线44可以被称为中心轴线。
膜结构14可以具有张力地布置，以便具有直的膜。膜结构14可以形成为类似于扬声器膜。例如，膜结构14可以包括防粘附凸块46，防粘附凸块46适于在膜结构14和基部结构12之间的机械接触的情况下防止粘附到基部结构12。可选地，在膜结构14处可以省略防粘附凸块46。独立于此，防粘附凸块也可以布置在基部结构12处，以便在膜结构14和基部结构12之间具有防粘附凸块。
膜结构14可以朝向或远离基部结构12移动或偏转，以便改变泵腔16的容积。通道18相对于泵腔16布置在平面内。例如，通道18可包括结构中的一个或多个开口，该结构相对于基部结构12固定、保持或夹紧膜结构14。阀结构28可以通过使用例如任选的绝缘层481和/或482相对于膜结构14电绝缘。这可以允许向阀结构28的部分施加电势和/或电压，同时将那些结构与膜结构14绝缘。
例如，部341可相对于部342偏转。可选地或附加地，部342可以是可偏转的。可以例如通过使用静电力、压电效应和/或电动致动来获得部341和/或342的偏转。
例如，当与膜结构14相比时，部341可以由相同的层和/或材料和/或结构形成。即，部341可以是膜结构14的先前部分，例如通过蚀刻孔、沟槽等与膜结构14分离。膜结构14可包括电极结构，该电极结构允许在相对于可布置在基部结构12处的电极结构52施加电势时获得静电力和/或电动致动，其中，电极结构52可至少部分地被绝缘层54覆盖。以相同的方式，部341可以包括电极结构或者可以形成为电极结构。部342可至少在其部分中包括相应的电极结构，例如当使用电极结构52作为参考电位(例如接地)的源时，相应的电极结构可以是与膜结构14相同的电极结构52。可选地，电极结构52可以被分离成不同的部分。
例如，通过将控制信号421施加到阀结构28，例如施加到部341，可以获得部341的偏转。可选地或附加地，控制信号422可以施加到部分342-1，以便使该部分相对于部341偏转。通过使用控制信号421和/或422，可以间歇地阻塞第一流体路径381和第二流体路径382中的一个路径，同时打开另一路径。例如，在阀结构28改变其状态的时间期间，可以获得第一流体路径381和第二流体路径382都可以打开的时间间隔。当与第一流体路径381和第二流体路径382中的一个路径被阻塞的状态相比时，这样的时间间隔可以相对较短。
如所描述的，部341可至少部分地布置在膜结构14的平面内。当与膜结构14相比时，部341可以包括相同的材料。可选地或附加地，部342可至少部分地布置在与基部结构12相同的平面中，如针对部342的部分342-3所示。当与基部结构12相比时，部342可以包括相同的材料。即，部342可由与基部结构12相比时相同的晶片或层形成和/或由相同的层堆叠形成。
在部341和342之间可以布置唇状结构561和/或562。唇状结构可以形成为周向防粘附凸块，当在相应的不同部处对接时，该周向防粘附凸块允许拧紧以密封流体路径。例如，部341可朝向部342的部分342-1移动，和/或部分342-1可朝向部341偏转或移动，使得唇状结构561可邻接部341，从而紧固或密封第一流体路径381。在不同的状态下，部341可以朝向部342的部分342-2移动，使得唇状结构562邻接部分342-2，从而紧固第二流体路径382。
根据一个实施例，MEMS泵30不包括唇状结构。根据不同的实施例，布置唇状结构561和/或562。
部分342-1可以是可选的。然而，在图3a所示的构造中，部342包括两个或更多个部分。部341布置在部分342-1和342-2之间。阀结构28被构造成可替换地经由唇状结构561将部341与部分342-1连接，并且在不同的时间间隔，经由唇状结构562将部341与部分342-2连接。
唇状结构561和/或562可以形成为围绕泵腔16的周向防粘附凸块。即，高度561和/或582(沿厚度方向24的延伸)，与高度垂直的宽度622可以与防粘附凸块46的相应尺寸相同或可比较。与可以形成为点状结构的防粘附凸块46不同，唇状结构561和/或562可以形成为周向结构以形成唇状。因此，阀结构28可围绕膜结构14和/或泵腔16。
通道18可以例如形成为柱状结构64之间的一个或多个间隔。例如，柱状结构64可以周向布置，并且可以实施为将膜结构14与基部结构12隔开并且用于围绕泵腔。即，通道18可以形成为包括多个柱状结构64的这种周向结构。可选地，例如，可以布置多孔结构，该多孔结构同时允许保持膜结构14并允许流体22通过。
第二流体路径382可通向将流体22引导到外部容积322的排气66。在可选构造中，排气66也可以是进气68。可以布置一个或多个排气66。一个或多个排气66可以例如通过使用推工艺(push process)来获得，即，一个或多个排气66可以实现为形成在基部结构12中的孔。一个或多个排气66可以围绕中心膜布置。
如将结合例如图4a至图4f更详细地描述的，作为排气或进气的功能性可以基于阀结构28的致动的定时，即，在与膜结构14的致动或偏转的定时相关的时刻，第一流体路径381和第二流体路径382中的哪个流体路径被阻塞，即，它是将流体22吸入泵腔16还是引导流体22离开泵容积16。
MEMS泵30可包括控制单元74。控制单元74可以被构造成用于产生、提供或发送控制信号421和可选地控制信号422。可选地或附加地，控制单元72可被构造成用于提供、产生或发送控制信号74，该控制信号74允许例如通过使膜结构14偏转来改变泵腔16的容积。
MEMS泵30可包括位于泵腔16的中心部中的局部锥形件76，例如，该局部锥形件76从中心轴线44向外布置距离78，该距离78可为例如至多100微米、至多75微米或至多50微米。可选地或另外，距离78可以是泵腔16的径向延伸部82的至多20％、至多15％或至多10％。泵腔16可以具有平面内延伸，例如，平面内即垂直于方向24的半径或边缘长度，例如至少50微米且至多2000微米、至少100微米且至多1500微米、或者至少200微米且至多1000微米。
局部锥形件76可包括膜结构14和基部结构12之间的局部缩小的距离84。为此，局部锥形件76可以包括延伸部86，例如，平行于方向24的高度或厚度。延伸部86可以是例如至少100纳米且至多2500纳米，至少200纳米且至多2000纳米，或至少400纳米且至多1500纳米，或任何其它合适的值。局部减小的距离84允许膜14首先在局部锥形件76的区域处邻接基部结构12，并且然后向外朝向阀结构28移动，并且从而允许高效的泵送机构。例如，当在膜结构14和电极结构52的电极结构之间使用静电力时，在减小的距离的区域中静电力可以更高。因此，局部锥形件76可以朝向膜结构14产生，以局部地减小基部结构12和膜结构14之间的距离84。基于膜结构14的偏转以减小泵腔16的容积，基部结构12和膜结构14之间的机械接触可以首先在中心部中获得，并且然后在围绕中心部的围绕部88中获得，例如，由距离78跨越的区域。可选地或附加地，基于膜结构14的偏转以增加泵腔16的容积，基部结构12和膜结构14之间的机械接触可首先在周围部88中被释放，并且然后在中心部中被释放。
局部锥形件76可以例如通过LOCOS(硅酮的局部氧化)工艺来实现。由此，可在底部背板或基部结构的中心形成平台以支持致动。
延伸或间隔96可以经由以切向方式布置的柱状至脊状结构97而被获得，即，结构97可以例如使用半导体材料形成切向脊状结构。可经由绝缘结构481产生接触，绝缘结构481可用作如针对绝缘结构482所述的氮化物着陆焊盘(landing pads)。
一个或多个柱状结构64可包括径向延伸部92，即从中心轴线44向外的平面内延伸部，例如至少5微米且至多50微米、至少10微米且至多40微米或至少15微米且至多30微米，例如20微米。柱状结构64的延伸部94，例如平行于方向24的高度或其它延伸可以是例如至少1微米且至多10微米、至少1.5微米且至多7微米或至少2微米且至多5微米，例如3微米或任何其它合适的值。部分342-1和部341之间的距离96可以基于制造技术，并且可以是例如至少0.1微米且至多5微米、至少0.5微米且至多4微米或至少0.7微米且至多2微米，例如1微米。延伸部94和96可以彼此相同或相等。在所示的构造中，根据所述构造，膜结构14可以通过使用单个背板结构来致动，设计标准可以是在基部结构12和膜结构14之间具有大的距离，以具有泵腔16的大的容积。根据其它构造，例如，双背板构造，该构造具有布置成使得膜结构14布置在两个电极结构之间的另一电极结构，可以通过将膜结构14移动到两个相反的方向来获得大的泵容积。这可允许当彼此比较和/或作为绝对值时具有较小的延伸部94和/或较大的延伸部96。
图3b示出了MEMS泵30在其中一些部分是透明的和/或缺失的构造中的示意性顶视图。例如，部分342-1缺失，而部341是透明的，以便允许显示下面的排气66。部分341可包括防粘附凸块981至98j，该防粘附凸块981至98j可形成为例如与防粘附凸块46相比相同或不同。如可以看到的，在膜结构14和部341之间布置有间隙102，该间隙102也在图3a中示出。
柱状结构64可以被设计或实现为允许流体22在一个或两个方向上的高贯穿量，而同时允许相对于基部结构12支撑或加强膜结构14的高稳健性。例如，当与柱状结构64的延伸部104相比时，延伸部92可以相对较高，延伸部104垂直于延伸部92并且垂直于方向24。例如，延伸部104可以被称为宽度。延伸部104可以是例如至少100微米且至多2微米、至少200微米且至多1.7微米或至少0.5微米且至多1.5微米，例如1微米。这允许沿径向阻塞低量的通道18，而基于延伸部92可以获得高稳定性。柱状结构64可称为切向脊状结构。柱状结构64可以例如使用氮化物材料形成，并且可以被称为氮化物着陆焊盘。可选地，可以使用其它绝缘、导电或半导电材料。虽然唇状结构562可以是单个的、整体结构，但是唇状结构562也可以形成为多个部分。
图4a至图4f示出了MEMS泵30在不同致动状态下的示意性侧视图。在图4a所示的第一状态中，控制单元72被配置为提供控制信号42b以便阻塞第一流体路径381。并行地，控制单元72被配置用于向膜结构14提供控制信号74b，以便具有低容积的泵腔16，例如最小容积。也就是说，控制单元72被配置用于控制阀结构28，以便在第二流体路径382未被阻塞的同时阻塞第一流体路径381。
在图4b中所示的随后或后面的状态中，控制单元72可被配置用于维持对膜结构14的控制，同时将控制信号42a提供至阀结构28，以便不阻塞第一流体路径381并阻塞第二流体路径382。这可称为关闭排气66并打开进气68。
在图4c中所示的另一或随后的状态中，控制单元72可被配置用于维持阀结构28的状态，同时将控制信号74a提供至膜结构14，以便增加泵腔16的容积，从而引导流体22从外部容积321行进到泵腔16中。例如，膜结构14可被释放以未致动，从而恢复力可用于再次增大泵腔16的容积。可选地，膜结构可以被主动地移动到与基部结构12的距离增加的位置。即，控制单元72被配置为控制MEMS泵30以执行吸入循环。当开始吸入时，阀结构可已经处于打开第一流体路径381的状态，从而防止当在泵腔16中产生真空时对能量的需求以被动地机械地切换阀。
在图4d中所示的另一或随后的状态中，控制单元72可被配置为再次将控制信号42b提供至阀结构28，以便再次打开第二流体路径382，同时阻塞第一流体路径381。也就是说，排气66被打开，而进气68可以被阻塞或关闭。同时，控制单元72可被配置用于维持至膜结构14的控制信号74a。
在图4e中所示的另一或随后的状态中，控制单元72可被配置用于再次将控制信号74b提供至膜结构14，从而通过引导膜结构14朝向基部结构12移动来产生泵送循环，从而减小泵腔16的容积。这可导致流体22沿着第二流体路径382通过排气66行进。由此，可以获得根据图4a的状态。
在图4f中所示的另一或随后的状态中，控制单元72可被配置用于在改变到控制信号42a的同时保持膜结构14的位置，以便如结合图4b所述再次打开第一流体路径381。
即，控制单元72可被配置用于提供上述控制信号42a以控制阀结构28以打开到外部容积321的第一流体路径381并阻塞到外部容积322的第二流体路径382。控制单元可以被配置用于将泵控制信号74a和/或74b提供至膜结构14和/或基部结构12，以便改变泵腔16的容积。变化可能是增加或减少。此后，即，在流体已经行进到泵腔或从泵腔行进之后，控制单元可以被配置用于提供不同的阀控制信号42b，以便阻塞第一流体路径381并打开第二流体路径382。控制单元可以被配置用于提供泵控制信号，例如泵控制信号74b，以便反向改变泵腔的容积。
因此，可基于膜结构14相对于基部结构12的移动，即在吸入循环或泵送循环期间哪个流体路径被打开或被阻塞，来控制或至少影响流体22被泵送的方向和/或进气或排气的功能性。尽管进气68和排气66被示出为相对于MEMS泵30在平面之外，但是排气66和/或进气68也可以例如使用MEMS泵30的结构中的不同开口在平面内布置。
尽管控制信号74a和控制信号74b被示出为基于工作电极和对电极的不同致动原理或不同构造被施加到膜结构14，但控制信号可选地或附加地被施加到另一或其它元件，例如压电元件或其它电极。因此，控制信号42a和/或42b可以被施加到不同的电极或元件，从而导致阀结构28的适当致动。
即，可以主动地控制阀结构28的状态。当与被动阀结构相比时，这可允许在致动或改变泵腔的容积之前打开和/或关闭流体路径，从而允许短的泵循环和/或产生泵送或吸力的高效率，从而可省略开阀结构。即，控制单元72可用于以主动方式使阀结构28的操作与膜结构14的移动同步。如在移动膜结构14之前，阀结构28可被带入所要求的或期望的位置。
换句话说，首先可将膜拉向底部背板，这可称为起始位置(图4a)。第二，膜可以被拉向底部背板，进气可以打开，且排气可以关闭(图4b)。第三，膜可被释放到该膜的空闲位置，使得空气或液体(流体)被浸入(图4c)。第四，膜可以仍然处于空闲位置，排气可被打开，且进气可被关闭(图4d)。第五，膜可以被压向底部背板，使得空气或液体被强迫朝向排气(图4e)。第六，膜可被拉向底部背板，排气可被关闭，且进气可被打开(图4f)。可选地，进气和排气可以被交换(泵送循环可以相应地调整)，可选地或附加地，通过定义排气方向，泵送原理可以应用为平面内/平面内泵或平面内/平面外泵。
图5a至图5d示出了根据一个实施例的MEMS泵50的泵送循环的示意性侧视图。相应地，结合图4a至图4f给出的解释适用于MEMS结构50。当与MEMS结构30相比较时，MEMS结构50包括附加的第二基部结构122，其中，第一基部结构121可根据MEMS泵30的基部结构12而被形成。附加的第二基部结构122可以包括低流体阻力，例如，它可以包括开口104。因此，布置在第一基部结构121和第二基部结构122之间的膜结构14在朝向第二基部结构122移动时可能面临低流体阻力。第二基部结构122可在远离第一基部结构121时对膜结构14的偏转形成机械限制。任选地，第二基部结构122可包括电极元件，电极元件可用于在膜结构14和第二基部结构122之间产生吸力。当与MEMS泵30相比时，这可允许增大泵腔16的容积，由于膜结构14不仅被释放到平面或可能处于未偏转状态，而且可沿相反方向偏转。泵腔16和阀结构28的容积的控制可以根据结合MEMS泵30描述的泵循环。在图5a中，可以基于控制信号74b和42b获得泵循环。
在图5b中，当从控制信号42b改变到控制信号42a以使得不同的流体路径被阻塞和/或打开时，可以看到阀结构28的状态的切换。
在图5c中，对控制信号74a的改变可导致膜结构14的偏转，以便增大泵腔16的容积，从而出现流体22进入泵腔16的入口。
在图5d中，示出了当改变到控制信号42a以便再次改变打开和/或关闭的路径时的另一切换过程。随后，根据图5a中给出的说明，可通过控制MEMS泵50来启动或产生另一泵送循环。独立于另一个第二基部结构122，MEMS泵50可以在没有局部锥形件76的情况下获得。
防粘附凸块46还可以例如在设置在膜结构14和/或在第二基部结构122处时设置在第二基部结构122和膜结构14之间。
即，第一基部结构121和膜结构14之间的第一电位可导致泵腔16的容积减小，其中，第二基部结构122和膜结构14之间的电位可导致泵腔16的容积增大。
图6示出了根据实施例的MEMS泵60的一部分的示意性侧视图，MEMS泵60可以包括基本上对应于MEMS泵30的结构的结构。当与MEMS泵30相比较时，部341可包括预应变元件106，预应变元件106被构造成用于向部341施加机械预应变，以便当与图3a所示的未偏转状态相比时偏转部341。即，当与MEMS泵30的非致动状态相比较时，可包括电通道致动或预应变。预应变元件106可被构造成用于在MEMS泵60的未致动状态下偏转部341，以便阻塞泵腔16与外部容积321之间的路径或泵腔16与外部容积322之间的路径。这允许仅使用一个致动信号42，以便在阀结构28的状态之间切换。虽然这可能导致更高的信号幅度，因为预应变元件的力必须归化(naturalized)，但这可以允许简单的控制。即，尽管图6示出为在一构造中具有预应变元件106，在该构造中，在未致动状态下，即信号42为关断或为0伏等，到外部容积321的路径被阻塞，并且通过使元件341致动以阻塞泵腔16和外部容积322之间的路径来获得偏转34'1，但预应变元件106可以反向地适配。
可选地或除了将预应变元件106布置在部341处之外，预应变元件可以布置在不同的位置处，例如布置在部342处，例如布置在部分342-1和/或342-2处，以便获得在与MEMS泵30和50相关的描述中以被动方式主动产生的状态之一。
图7示出了根据实施例的方法700的示意性流程图，该方法700可用于本文描述的MEMS泵，也可用于可能具有布置在平面外的通道的其它MEMS泵。即，为了执行该方法，不必使通道布置在平面内。该方法涉及具有主动可控的阀结构。因此，要用方法700控制的MEMS泵可包括基部结构和与基部结构相对并且可沿着朝向基部结构的方向(例如方向24)偏转的膜结构。MEMS泵可以包括在基部结构和膜结构之间的泵腔和被构造成让流体传递到泵腔和从泵腔传递的通道，即，让流体传递到泵腔或从泵腔流出。MEMS泵可包括阀结构，阀结构流体地耦接到通道，并且被构造成用于在第一状态下将通道连接到第一外部容积以便将流体提供至泵腔，并且用于在第二状态下将通道连接到第二外部容积以便将流体提供至第二外部容积。阀结构可以通过使用控制信号的致动来控制。方法700可包括步骤700，用于控制阀结构打开至第一外部容积的第一路径并阻塞至第二外部容积的第二路径。方法700可包括步骤720，用于向膜结构提供第一泵控制信号以改变泵腔的容积。步骤730可用于向阀结构提供第二阀控制信号，以控制阀结构在泵腔的容积已经改变之后阻塞第一路径并打开第二路径。步骤740可包括提供第二泵控制信号以反向改变泵腔的容积。可以执行步骤720和740，使得一旦流体行进到泵腔内并且一旦行进到泵腔外。
根据所描述的实施例的MEMS泵可以是系统的一部分或子部分(组件)，例如，光声光谱仪(PAS传感器)或特定传感器。本文所述的微型泵也可用于例如医学或化学应用，例如原位分析、微型反应器、限定的微小剂量的药物的泵送等。实施例可允许由于主动液体气体输送而开发的传感器的加速(测量时间/扩散时间的减少)。可选地，它也可以是作为微型泵的分立的、单独的或自己的产品/系统。实施例提出了围绕中心泵腔放置入口阀和出口阀两者，以通过增加入口和出口横截面面积来减小流体阻力。实施例还包括使用阀膜，该阀膜在入口和出口之间共享，并且可选地关闭两个阀侧。基于对这些流体的实际逻辑力，其它微型泵可能在入口和/或出口阀处遭受高流体阻力。根据实施例的主动阀控制和/或与膜移动和位置同步的主动阀允许有效的MEMS泵。
换句话说，实施例涉及具有纯平面内操作(其中，外部容积布置在平面内)或与平面外操作相结合的平面内操作的微型泵。描述了一种具有泵膜或膜片的中心泵腔，中心泵腔被形成入口和/或出口的阀包围。入口和/或出口表现为三向特性，并围绕膜片或膜。基于从膜片/膜施加的力，液体和/或气体(即流体)在膜片/膜的帮助下通过预定路径从入口朝向出口传输。总的微型泵可以包括几微米的总厚度，并且横向上可以小于几毫米。膜片/膜的致动可以通过静电、压电或电动力学来实现。MEMS实现可以主要使用静电或压电致动。
描述了一种基于膜片/膜移动的平坦双向微泵的设计。获得足够小而薄以集成到MEMS传感器解决方案中(也可以单芯片集成)。该微型泵可以使用半导体制造工艺在单个波上产生。
虽然已经在装置的上下文中描述了一些方面，但是很清楚，这些方面也表示相应方法的描述，其中块或设备对应于方法步骤或方法步骤的特征。类似地，在方法步骤的上下文中描述的方面也表示相应装置的相应块或项或特征的描述。
上述实施例仅仅示出为对本发明的原理的说明。应当理解，本文描述的布置和细节的修改和变化对于本领域技术人员来说是显而易见的。因此，意图仅限于即将提出的专利权利要求的范围，而不限于通过对本文中实施例的描述和解释而呈现的具体细节。

Claims (15)

1.一种MEMS泵，包括：
基部结构(12)；
膜结构(14)，与所述基部结构(12)相对，并且能够平行于所述基部结构(12)的表面法线(N)偏转；
泵腔(16)，在所述基部结构(12)和所述膜结构(14)之间，其中所述泵腔(16)的容积基于所述膜结构(14)相对于所述基部结构(12)的位置；
通道(18)，被构造成使流体(22)进入所述泵腔(16)或离开所述泵腔(16)，其中所述通道(18)围绕所述泵腔(16)周向地布置在与所述泵腔(16)相同的平面内；和
阀结构(28)，流体耦接至所述通道(18)，并且被构造成用于在第一状态下将所述通道(18)连接至第一外部容积(321)，以便将所述流体(22)提供至所述泵腔(16)，并且用于在第二状态下将所述通道(18)连接至第二外部容积(322)，以便将所述流体(22)提供至所述第二外部容积(322)，其中，所述第一外部容积(321)是在所述泵腔(16)的外部并且被构造成用于向所述泵腔(16)提供所述流体(22)的外部容积，并且所述第二外部容积(322)是在所述泵腔(16)的外部并且被构造成用于从所述泵腔(16)接收所述流体(22)的外部容积。
2.根据权利要求1所述的MEMS泵，其中所述阀结构(28)包括第一部(341)和第二部(342)，其中所述第一部(341)和所述第二部(342)的相对位置是可变的，其中所述阀结构(28)被构造成响应于提供给所述阀结构的控制信号(42)，在不同状态下间歇地、阻塞到所述第一外部容积(321)和所述第二外部容积(322)中的一个的流体路径(38)。
3.根据权利要求2所述的MEMS泵，其中所述第一部(341)和所述第二部(342)中的至少一个被构造成能够基于静电力、压电效应和电动致动中的至少一个而偏转。
4.根据权利要求2或3所述的MEMS泵，其中所述第一部(341)能够相对于所述第二部(342)偏转，其中所述第一部(341)包括预应变元件(106)，所述预应变元件(106)构造成向所述第一部(341)施加机械预应变，以使所述第一部(341)偏转；并且/或者
其中所述第二部(342)能够相对于所述第一部(341)偏转，其中所述第二部(342)包括预应变元件，所述预应变元件被构造成向所述第二部(342)施加机械预应变，以使所述第二部(342)偏转。
5.根据权利要求2或3所述的MEMS泵，其中所述第一部(341)至少部分地布置在所述膜结构(14)的平面内，并且当与所述膜结构(14)相比时包括相同的材料，并且/或者其中所述第二部(342)至少部分地布置在与所述基部结构(12)相同的平面内，并且当与所述基部结构(12)相比时包括相同的材料。
6.根据权利要求2或3所述的MEMS泵，包括在所述第一部(341)和所述第二部(342)之间的唇状结构(56)；
其中所述唇状结构(56)被布置在所述第一部(341)处，并且被构造成用于邻接所述第二部(342)，以便阻塞第二流体路径(382)；或
其中所述唇状结构(56)被布置在所述第二部(342)处，并且被构造成用于邻接所述第一部(341)，以便阻塞第一流体路径(381)。
7.根据权利要求6所述的MEMS泵，其中所述唇状结构是第一唇状结构(561)；其中所述阀结构(28)包括所述第二部的第二部分(342-2)；其中所述第一部(341)被布置在所述第二部的第一部分(342-1)和所述第二部的所述第二部分(342-2)之间，所述阀结构(28)包括在所述第一部(341)和所述第二部的所述第二部分(342-2)之间的第二唇状结构(562)；其中所述阀结构(28)被构造成交替地将所述第一部(341)经由所述第一唇状结构(561)与所述第一部分(342-1)连接，以及经由所述第二唇状结构(562)与所述第二部分(342-2)连接。
8.根据权利要求6所述的MEMS泵，其中所述唇状结构(56)被形成为围绕所述泵腔(16)的周向防粘附凸块。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的MEMS泵，其中所述阀结构(28)围绕所述膜结构(14)。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的MEMS泵，包括控制单元(72)，所述控制单元(72)被配置为：
向所述阀结构(28)提供第一阀控制信号(42a)，以控制所述阀结构(28)打开至所述第一外部容积的第一流体路径(381)并阻塞至所述第二外部容积(322)的第二流体路径(382)；
向所述膜结构(14)和/或所述基部结构(12)提供第一泵控制信号(74a)，以便改变所述泵腔(16)的容积；
向所述阀结构(28)提供第二阀控制信号(42b)，以控制所述阀结构(28)在所述泵腔(16)的容积已经改变之后阻塞所述第一流体路径(381)并打开所述第二流体路径(382)；并且
提供第二泵控制信号(74b)，所述第二泵控制信号(74b)提供给所述膜结构(14)和/或所述基部结构(12)，以便反向改变所述泵腔(16)的容积。
11.根据权利要求1-3中任一项所述的MEMS泵，其中所述通道(18)被形成为包括多个柱(64)的周向结构，所述多个柱(64)将所述膜结构(14)与所述基部结构(12)隔开并围绕所述泵腔(16)。
12.根据权利要求1-3中任一项所述的MEMS泵，包括在所述泵腔(16)的中心部中的局部锥形件(76)，所述锥形件(76)朝向所述膜结构(14)突出以局部地减小所述基部结构(12)和所述膜结构(14)之间的距离(84)，其中基于所述膜结构(14)的偏转以便减小所述泵腔(16)的容积，所述基部结构(12)和所述膜结构(14)之间的机械接触首先在所述中心部中被获得，并且然后在围绕所述中心部的周围部(88)中被获得，并且/或者其中基于所述膜结构(14)的偏转以便增加所述泵腔(16)的容积，所述基部结构(12)和所述膜结构(14)之间的机械接触首先在所述周围部(88)中释放，并且然后在所述中心部中被释放。
13.根据权利要求1-3中任一项所述的MEMS泵，其中所述基部结构(12)是第一基部结构(121)，所述MEMS泵包括第二基部结构(122)，其中所述膜结构(14)被布置在所述第一基部结构(121)和所述第二基部结构(122)之间；其中所述MEMS泵被构造成基于所述第一基部结构(121)和所述膜结构(14)之间的第一电位减小所述泵腔(16)的容积，并且基于所述第二基部结构(122)和所述膜结构(14)之间的第二电位增大所述泵腔的容积。
14.根据权利要求1-3中任一项所述的MEMS泵包括在所述膜结构(14)和所述基部结构(12)之间的防粘附凸块(46)。
15.一种用于操作MEMS泵的方法(700)，所述MEMS泵包括：基部结构；膜结构，与所述基部结构相对并且能够沿着朝向所述基部结构的方向偏转；泵腔，在所述基部结构和所述膜结构之间；通道，被构造成使流体进入所述泵腔或离开所述泵腔，其中所述通道围绕所述泵腔周向地布置在与所述泵腔相同的平面；以及阀结构，流体耦接至所述通道，并且被构造成用于在第一状态下将所述通道连接至第一外部容积，以便将所述流体提供至所述泵腔，并且用于在第二状态下将所述通道连接至第二外部容积，以便将所述流体提供至所述第二外部容积，其中，所述第一外部容积是在所述泵腔的外部并且被构造成用于向所述泵腔提供所述流体的外部容积，并且所述第二外部容积是在所述泵腔的外部并且被构造成用于从所述泵腔接收所述流体的外部容积，所述方法包括：
控制(710)所述阀结构，以打开至所述第一外部容积的第一路径并阻塞至所述第二外部容积的第二路径；
提供(720)第一泵控制信号以便改变所述泵腔的容积；
向所述阀结构提供(730)第二阀控制信号，以控制所述阀结构在所述泵腔的容积已经改变之后，阻塞所述第一路径并打开所述第二路径；以及
提供(740)第二泵控制信号以便反向改变所述泵腔的容积。
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