CN2469208Y - 双腔式双金属膜热驱动微型泵 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于微电子机械系统领域,包括由单晶硅膜、金属铝膜和位于二者之间的多晶硅加热电阻以及作为电隔离介质的二氧化硅所组成的复合膜片,单晶硅膜具有入口、出口阀门,阀门由单晶硅悬臂梁阀片和单晶硅环形阀座中央通孔结合而成,复合膜片与阀门间构成密闭的泵腔,泵腔为设置在复合膜片的上、下两侧的双腔结构。本实用新型充分利用膜片受热变形的能量,降低热泵工作过程中的机械能损失,最大限度的提高微泵的流量和泵送效率。
Description
本实用新型属于微电子机械系统领域，特别涉及微型泵结构设计。
近十几年来，微型机械制造技术一直是非常活跃的研究领域。微型泵作为一种重要的微型执行器，可广泛应用于人体体内葡萄糖浓度监控和药物输送、DNA合成、微量流体供给和精确控制、芯片冷却系统和微型卫星等等，其广泛的应用前景引起研究者的极大兴趣和深入细致的研究。目前，已研制出的微型泵结构、加工工艺形式多样，驱动原理分别有静电致动、压电致动、电磁致动、热致动、气动、电液致动、凝胶致动、光致动、超声波致动(FTP)、气泡驱动以及形状记忆合金膜片驱动等等。微型泵的结构性能优化方面的研究刚刚起步。
与其它应用于微电子机械系统的驱动方式相比，基于双金属效应的电热驱动方式具有优越的力学特性，能提供足够大的动力和位移，响应速度适中，可靠性好，因此得到了普遍的关注。其中采用铝和硅材料制作的硅铝双金属驱动膜片由于材料及工艺上均与IC(集成电路)工艺完全兼容，结构和工艺复杂度低，所以在微泵研制中得到应用。
清华大学微电子所制作的热驱动微型泵(清华大学学报自然科学版，2000，Vol.40，No.6，36-38)结构如图]所示。单晶硅层111,112,113的表面结构是通过微机械表面加工的方法刻蚀得到的。单晶硅层112与单晶硅层113的厚度完全相同，制作工艺完全相同，放置方向相反。复合膜片由单晶硅膜111、金属铝膜12和位于二者之间的多晶硅13加热电阻组成，二氧化硅14作为电隔离介质。复合膜片的总厚度约30微米，半径约2250微米。微泵具有单晶硅悬臂梁阀片微阀门结构，构成微流量泵的入口阀门15和出口阀门16。阀门由悬臂梁阀片和环形阀座中央通孔结合而成。单晶硅膜111，铝硅双金属驱动膜片与阀门间的密闭空腔称为泵腔17。微泵具有入口18，出口19。(为观察方便，图中膜片厚度方向的放大倍数比宽度方向大的多)
该微泵的工作原理为：多晶硅电阻在方波电流的作用下周期性地发热/冷却，使驱动膜片温度周期性变化。由于铝膜和硅膜热膨胀系数的差异，复合膜片产生周期性的变形，使泵腔的容积发生周期性变化，流体便不断地被吸入和排出。
清华大学工程力学系和微电子所对这种微型泵的性能进行了试验测试和数值模拟，结果发现，在单位加热功率下，此微泵的输出流量很低。最佳工况条件下，输入功率1瓦特，微泵输出流量约30微升/分钟。
本实用新型的目的是为克服已有技术的不足之处，设计出一种双腔式双金属膜热驱动微型泵，对原有的双金属热驱动微泵的结构进行了改进，采用两个泵腔，充分利用膜片受热变形的能量，降低热泵工作过程中的机械能损失，最大限度的提高微泵的流量和泵送效率。
本实用新型设计的一种双腔式热驱动微型泵，包括由单晶硅膜、金属铝膜和位于二者之间的多晶硅加热电阻以及作为电隔离介质的二氧化硅所组成的复合膜片，该单晶硅膜具有入口阀门和出口阀门，该阀门由单晶硅悬臂梁阀片和单晶硅环形阀座中央通孔结合而成，所说的复合膜片与阀门间构成密闭的泵腔；其特征在于，所说的泵腔为双腔结构，该双腔对称设置在所说复合膜片的上、下两侧。
本实用新型所说的单晶硅膜还可设置入口通道和出口通道，该入口通道与所说的两个泵腔的两个入口阀门相通，该出口通道与所说的两个泵腔的两个出口阀门相通。
本实用新型具有以下特点：
(1)微泵工作周期内，每时每刻都有流体的吸入排出，大大提高膜片变形到液体机械能的能量转换效率，微泵的流量大，如图3所示。
(2)通过数值计算，在加热功率为1瓦特，不同的驱动频率下，分别得到新型双腔泵与已有的单腔泵的流量。计算结果总结见表1。新型泵的流量比原有泵普遍提高。
表1：输入功率为1瓦特下微泵流量值比较(单位：微升/分钟)
| 0.5Hz | 1Hz | 2Hz | 4Hz | 5Hz | 6Hz | 8Hz | 10Hz | 16Hz | |
| 单腔泵 | 6.31 | 11.02 | 19.53 | 30.53 | 32.55 | 32.16 | 25.84 | 27.75 | 17.9 |
| 双腔泵 | 9.31 | 17.06 | 34.837 | 45.308 | 46.26 | 45.75 | 35.88 | 33.4 | 20.16 |
| 增加％ | 47.54 | 54.81 | 78.38 | 48.40 | 42.12 | 42.26 | 38.85 | 20.36 | 12.62 |
(1)可以提供平稳，不间断的流量。
(2)膜片两侧都有泵腔保护，减少了损坏的可能性。
(3)所需材料和制作工艺与IC工艺完全兼容。
图3是输入功率为1瓦特的条件下，双腔式双金属膜热驱动微型泵和原有单腔泵的流量对比图。横坐标是驱动频率，单位赫兹，纵坐标是微泵的流量，单位微升/分钟。图中方块点曲线代表原有的单腔泵在输入功率为1瓦特条件下，不同驱动频率下的输出流量，三角点曲线代表双腔式双金属热驱动微型泵在同样的条件下的流量。所有结果均是数值模拟计算结果。
附图说明：
图1是已有的单泵腔热驱动微型泵结构示意图。
图2是本实用新型的实施例结构示意图。
图3是本实用新型的微型泵和原有单腔泵的流量对比图。
本发明设计的一种双腔式热驱动微型泵的实施例结构如图2所示，微泵整体为类似轴对称结构，半径约2500微米，高度约2200微米。仍然采用双金属热驱动方式，用硅铝双金属膜片作为驱动源。复合驱动膜片由铝膜21和硅膜22构成，膜片的总厚度约30微米，半径约2250微米。微泵具有单晶硅悬臂梁阀片微阀门结构，一共有四个阀门，分别是上方进口阀门231，下方进口阀门232，上方出口阀门241，上方出口阀门242。在驱动膜片的上方为上泵腔251，驱动膜片下方为下泵腔252。流体从入口26进入微泵，通过通道28，阀门以及泵腔，最后从出口27流出。
本实施例的特点是：复合膜片的上下对称分布两个泵腔，以及相应的入口阀门和出口阀门，泵的流量比原有模型显著提高。当膜片受热变形向上振动时，上方泵腔251压力增大，入口阀门231关闭，出口阀门241打开，同时下方泵腔252压力减小，入口阀门232打开，出口阀门242关闭，所以上方泵腔251排出流体，下方泵腔252吸入流体。相反，当膜片冷却变形向下振动时，上方泵腔压力251减小，入口阀门231打开，出口阀门241关闭，同时下方泵腔252压力增大，入口阀门232关闭，出口阀门242打开，所以上方泵腔251吸入流体，下方泵腔252排出流体。整体看来，在微泵的整个工作周期内，每时每刻都在吸入和排出流体。
Claims (2)
1、一种双腔式热驱动微型泵，包括由单晶硅膜、金属铝膜和位于二者之间的多晶硅加热电阻以及作为电隔离介质的二氧化硅所组成的复合膜片，该单晶硅膜具有入口阀门和出口阀门，该阀门由单晶硅悬臂梁阀片和单晶硅环形阀座中央通孔结合而成，所说的复合膜片与阀门间构成密闭的泵腔；其特征在于，所说的泵腔为双腔结构，该双腔对称设置在所说复合膜片的上、下两侧。
2、如权利要求1所述的双腔式热驱动微型泵，其特征在于，该单晶硅膜还设置有入口通道和出口通道，该入口通道与所说的两个泵腔的两个入口阀门相通，该出口通道与所说的两个泵腔的两个出口阀门相通。
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