ITUB20151781A1 - Micropompa con attuazione elettrostatica - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
"MICROPOMPA CON ATTUAZIONE ELETTROSTATICA"
La presente invenzione è relativa a una micropompa con attuazione elettrostatica.
Come è noto, le tecniche di fabbricazione dei dispositivi a semiconduttore sono state sfruttate con successo anche al di fuori del settore strettamente della microelettronica e sono state ad esempio utilizzate per realizzare sistemi microelettromeccanici e microfluidici per svariate applicazioni.
Il settore della fluidica, in particolare, ha beneficiato della possibilità di fabbricare componenti miniaturizzati, come micropompe e valvole, che consentono di trattare con elevatissima precisione volumi di liquidi dell'ordine del microlitro o inferiori. Tra gli altri, sono stati così perfezionati dispositivi per la stampa a getto di inchiostro, dispositivi biomedicali (ad esempio, microinfusori) e dispositivi per analisi biochimiche (ad esempio, microreattori per amplificazione e riconoscimento di acidi nucleici).
I componenti e i dispositivi microfluidici di base disponibili (micropompe e valvole) restano tuttavia relativamente complessi e la loro struttura rappresenta un limite alla miniaturizzazione, oltre a comportare costi di fabbricazione non trascurabili. Ad esempio, micropompe e valvole devono essere dotate di organi mobili e attuatori elettromeccanici che, agendo sugli organi mobili, controllano gli spostamenti di fluidi in accordo con le funzioni richieste. L'integrazione degli attuatori di regola è piuttosto difficoltosa e complica i processi di fabbricazione. Gli attuatori, infatti, normalmente richiedono strutture dedicate, che spesso devono essere realizzate a partire da strati strutturali appositamente previsti. Inoltre, gli attuatori impiegano materiali speciali, come materiali piezoelettrici o magnetici, che richiedono modifiche dei processi di fabbricazione più comuni e fasi di lavorazione aggiuntive (ad esempio, deposizione, mascheratura e definizione fotolitografica di strati di materiali speciali).
Occorre poi considerare che in molti casi la tenuta delle valvole, specialmente quando integrate in micropompe a membrana, non è ottimale e può essere causa di trafilamento e di riflussi che influiscono sul funzionamento del dispositivo.
Scopo della presente invenzione è fornire una micropompa che permetta di superare o almeno attenuare le limitazioni descritte.
Secondo la presente invenzione viene fornita una micropompa comprendente:
una camera di pompaggio, fra un primo substrato semiconduttore e un secondo substrato semiconduttore uniti fra loro;
una valvola di ingresso, avente un elemento otturatore di ingresso fra un passaggio di ingresso e la camera di pompaggio;
una valvola di uscita, avente un elemento otturatore di uscita fra la camera di pompaggio e un passaggio di uscita;
un primo recesso per accomodare l'elemento otturatore di ingresso quando la valvola di ingresso è in configurazione aperta, il primo recesso e la camera di pompaggio essendo fluidicamente accoppiati;
un secondo recesso per accomodare l'elemento otturatore di uscita quando la valvola di uscita è in configurazione aperta, il secondo recesso e la camera di pompaggio essendo fluidicamente disaccoppiati.
La configurazione della valvola di ingresso e della valvola di uscita, con il primo recesso comunicante con la camera di pompaggio e il secondo recesso da essa disaccoppiato, consente di controllare la direzioni del flusso elaborato in maniera del tutto passiva. Più precisamente, la valvola di ingresso e la valvola di uscita non richiedono attuatori dedicati e quindi la struttura è generalmente semplificata, con beneficio sia per 1'ingombro, sia per i costi di fabbricazione. Ad esempio, la micropompa come appena definita può essere realizzata a partire da due sole fette semiconduttrici unite fra loro. Inoltre, il controllo della micropompa è semplificato perché non deve tener conto della sincronizzazione delle valvole. Attuatori dedicati alle valvole, in particolare alla valvola di uscita possono eventualmente essere previsti se specifiche circostanze lo consigliano. Tuttavia, la micropompa è comunque pienamente operativa anche con valvole puramente passive.
Secondo un ulteriore aspetto dell'invenzione, la valvola di ingresso e la valvola di uscita sono di tipo ortoplanare.
Valvole di questo tipo sono efficienti, hanno una buona tenuta e si prestano a essere integrate nei processi di fabbricazione dei sistemi microelettromeccanici a semiconduttore .
Secondo un ulteriore aspetto dell'invenzione, la micropompa comprende:
una prima membrana di pompaggio in materiale semiconduttore, delimitante la camera di pompaggio su un primo lato;
una prima struttura di elettrodo, capacitivamente accoppiata alla prima membrana di pompaggio e configurata per applicare una prima forza elettrostatica alla prima membrana di pompaggio in presenza di una prima tensione di attuazione fra la prima struttura di elettrodo e la prima membrana di pompaggio; e
un'unità di controllo, configurata per applicare la prima tensione di attuazione in forma di onda periodica a frequenza controllata.
L'uso di una membrana di pompaggio in materiale semiconduttore e di una struttura di elettrodo capacitivamente accoppiate permette di sfruttare in modo efficace un meccanismo di attuazione basato su forze elettrostatiche. In particolare, è vantaggioso il fatto che la struttura di elettrodo può essere realizzata ad esempio in polisilicio e quindi facilmente integrata nei processi di fabbricazione di dispositivi microelettromeccanici a semiconduttore senza bisogno di impiegare materiali speciali come materiali magnetici o piezoelettrici.
Secondo un ulteriore aspetto dell'invenzione, la micropompa comprende un terzo recesso, delimitato su un lato dalla prima membrana di pompaggio e fluidicamente disaccoppiato dalla camera di pompaggio, la prima struttura di elettrodo essendo disposta su una parete del terzo recesso opposta alla prima membrana di pompaggio e configurata per ritrarre la prima membrana di pompaggio all'interno del terzo recesso.
In questo modo, lo spazio occupato dalla prima struttura di elettrodo è del tutto trascurabile e la sua realizzazione non incide in misura apprezzabile sui processi di fabbricazione.
Secondo un ulteriore aspetto dell'invenzione, la micropompa comprende:
una seconda membrana di pompaggio in materiale semiconduttore, delimitante la camera di pompaggio su un secondo lato, opposto al primo lato; e
una seconda struttura di elettrodo, capacitivamente accoppiata alla seconda membrana di pompaggio e configurata per applicare una seconda forza elettrostatica alla seconda membrana di pompaggio in risposta a una seconda tensione di attuazione fra la seconda struttura di elettrodo e la seconda membrana di pompaggio;
l'unità di controllo essendo configurata per fornire la seconda tensione di attuazione in forma di onda periodica con frequenza controllata e pari alla frequenza della prima tensione di attuazione.
L'impiego di due membrane contrapposte permette vantaggiosamente di aumentare il volume di fluido che può essere elaborato ad ogni ciclo di pompaggio e, quindi, di aumentare la portata massima della micropompa.
Per una migliore comprensione dell'invenzione, ne verrà ora descritta una forma di realizzazione, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- la figura 1 è uno schema a blocchi semplificato di un sistema microfluidico incorporante una micropompa in accordo a una forma di realizzazione della presente invenzione;
- la figura 2 è una vista in pianta dal basso, con parti rimosse per chiarezza, della micropompa di figura 1;
- la figura 3 è una sezione trasversale, presa lungo il piano di traccia III-III di figura 2, della micropompa di figura 2 in una configurazione di riposo;
- la figura 4 mostra la stessa vista di figura 3, con la micropompa in una prima configurazione operativa;
- la figura 5 mostra la stessa vista di figura 3, con la micropompa in una seconda configurazione operativa;
- la figura 6 è un grafico che illustra grandezze elettriche relative alla micropompa di figura 2;
- la figura 7 è una sezione trasversale di una micropompa in accordo a una diversa forma di realizzazione della presente invenzione;
- la figura 8 è una sezione trasversale di una micropompa in accordo a un'ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione;
- la figura 9 è una sezione trasversale di una micropompa in accordo a un'ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione;
- la figura 10 è un grafico che illustra grandezze elettriche relative a una micropompa in accordo a un'ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione; e
- la figura 11 è un grafico che illustra grandezze elettriche relative a una micropompa in accordo a un'ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione.
Con riferimento alla figura 1, un sistema microfluidico è indicato nel suo complesso con il numero 1 e comprende un dispositivo microfluidico 2, una micropompa 3, accoppiata al dispositivo microfluidico 2 attraverso linee di connessione fluidica 4, e un'unità di controllo 5.
Il dispositivo microfluidico 2 può essere un qualsiasi dispositivo che processa e/o dispensa un volume controllato di fluido, tipicamente dell'ordine dei microlitri o dei nanolitri. Per citare alcuni esempi non limitativi, il dispositivo microfluidico 2 può includere una testina di stampa a getto di inchiostro, un erogatore di un microinfusore per la somministrazione continua di farmaci o un dispositivo per 1'amplificazione e il rilevamento di acidi nucleici in un campione biologico. I componenti del sistema microfluidico 1 possono essere realizzati su rispettivi supporti distinti o essere integrati tutti o in parte in un unico supporto, includente ad esempio un substrato semiconduttore.
L'unità di controllo 5 controlla la micropompa 3 mediante uno o più segnali di controllo di pompaggio SCKe segnali di controllo ausiliari SAUXin modo che la micropompa 3 trasferisca al dispositivo microfluidico 2 una portata di fluido controllata attraverso le linee di connessione fluidica 4, secondo quanto richiesto dalle funzioni del dispositivo microfluidico 2 stesso. In una forma di realizzazione, i segnali di controllo di pompaggio SCKpossono essere in forma di tensioni periodiche, ad esempio a onda quadra, con frequenza controllata in funzione della portata di fluido da fornire al dispositivo microfluidico 2.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, a cui fanno riferimento le figure 2-5, la micropompa 3 comprende un primo substrato semiconduttore 7 e un secondo substrato semiconduttore 8 uniti fra loro mediante uno strato di incollaggio ("bonding") 9. Qui e nel seguito, con "substrato semiconduttore" si intende una struttura ottenuta dalla lavorazione di una fetta in materiale semiconduttore essenzialmente mediante tecniche di fabbricazione di dispositivi elettronici e microelettromeccanici a semiconduttore. In particolare, si intende che ciascun substrato semiconduttore può comprendere diversi strati e/o strutture di materiale semiconduttore, con rispettivi tipi e livelli di drogaggio, e, in aggiunta, strati e/o strutture di materiali differenti dai semiconduttori, inclusi materiali dielettrici .
Ad esempio, nella forma di realizzazione delle figure 2-5, il primo substrato semiconduttore 7 comprende un primo strato di supporto 10 in silicio monocristallino e un primo strato strutturale 11 in silicio policristallino, i quali sono meccanicamente collegati fra loro ed elettricamente isolati l'uno dall'altro mediante un primo strato dielettrico 12, ad esempio di ossido di silicio.
Analogamente, il secondo substrato semiconduttore 8 comprende un secondo strato di supporto 15 in silicio monocristallino e un secondo strato strutturale 16 in silicio policristallino, i quali sono meccanicamente collegati fra loro ed elettricamente isolati l'uno dall'altro mediante un secondo strato dielettrico 17 di ossido di silicio.
La micropompa 3 comprende inoltre un passaggio di ingresso 18, un passaggio di uscita 19, una camera di pompaggio 20, una valvola di ingresso 21, una valvola di uscita 22, un attuatone principale 25 e un attuatone ausiliario 26.
In una forma di realizzazione, il passaggio di ingresso 18 e il passaggio di uscita 19 sono ricavati entrambi attraverso il secondo substrato semiconduttore 8 per mettere in comunicazione la camera di pompaggio 20 con le linee di connessione fluidica 4, qui non illustrate. In una forma di realizzazione, il passaggio di ingresso 18 e il passaggio di uscita 19 si estendono perpendicolarmente a una superficie principale del secondo substrato semiconduttore 8 e alla camera di pompaggio 20.
La camera di pompaggio 20 è definita fra il primo substrato semiconduttore 7 e il secondo substrato semiconduttore 8 e la valvola di ingresso 21 e la valvola di uscita 22 consentono di accoppiare fluidicamente la camera di pompaggio 20 rispettivamente con il passaggio di ingresso 18 e con il passaggio di uscita 19.
Più in dettaglio, la valvola di ingresso 21 è di tipo ortoplanare e ha un elemento otturatore di ingresso 27 fra il passaggio di ingresso 18 e la camera di pompaggio 20. Un primo recesso 28 nel primo substrato 7 accomoda l'elemento otturatore di ingresso 27 quanto la valvola di ingresso 21 è in configurazione aperta. In una forma di realizzazione, il primo recesso 28 è definito da un'interruzione del primo strato dielettrico 12.
L'elemento otturatore di ingresso 27 è collegato al primo strato strutturale 11 del primo substrato 7 mediante elementi elastici di sospensione 30, anch'essi in silicio policristallino, che si estendono in direzione trasversale a una direzione di movimento dell'elemento otturatore di ingresso 27. Passaggi fluidici 29 sono definiti fra gli elementi elastici di sospensione 30 e mettono il primo recesso 28 in comunicazione fluidica con la camera di pompaggio 20. Il primo recesso 28 e la camera di pompaggio si trovano quindi sostanzialmente alla stessa pressione.
L'elemento otturatore di ingresso 27 è mantenuto contro il secondo substrato 8 dagli elementi elastici di sospensione 30, a chiusura del passaggio di ingresso 18, con una forza di precarico. L'elemento otturatore di ingresso 27 è provvisto di un distanziale 32, il cui spessore determina lo stato di tensione degli elementi elastici di sospensione 30 e, di conseguenza, la forza di precarico con cui l'elemento otturatore di ingresso 27 è mantenuto a chiusura del passaggio di ingresso 18. Finché la differenza di pressione fra il passaggio di ingresso 18 e la camera di pompaggio 20 è inferiore a una prima soglia di pressione, la forza di precarico prevale e la valvola di ingresso 21 rimane chiusa. Quando la prima soglia di pressione viene superata, l'elemento otturatore di ingresso 27 si ritrae nel primo recesso 30 e la valvola di ingresso 21 si apre.
La valvola di uscita 22, anch'essa di tipo ortoplanare, ha un elemento otturatore di uscita 33 fra il passaggio di uscita 19 e la camera di pompaggio 20. Un secondo recesso 35 accomoda l'elemento otturatore di uscita 33 quando la valvola di uscita 22 è in configurazione aperta, il secondo recesso e la camera di pompaggio essendo fluidicamente disaccoppiati.
L'elemento otturatore di uscita 33 è collegato al secondo strato strutturale 16 del secondo substrato 8 mediante una membrana valvolare 36 elastica, che delimita su un lato il secondo recesso 35 ed è continua. Il secondo recesso 35 è perciò fluidicamente disaccoppiato dalla camera di pompaggio 20 mediante la membrana valvolare 36. In una forma di realizzazione, in particolare, il secondo recesso 35 è sigillato.
L'elemento otturatore di uscita 33 è mantenuto contro il secondo substrato 8 dalla membrana valvolare 36, a chiusura del passaggio di uscita 19, con una forza di precarico. L'elemento otturatore di uscita 33 è provvisto di un distanziale 37, il cui spessore determina lo stato di tensione della membrana valvolare 36 e, di conseguenza, la forza di precarico con cui l'elemento otturatore di uscita 33 è mantenuto a chiusura del passaggio di uscita 19. Finché la differenza di pressione fra la camera di pompaggio 20 e il passaggio di uscita 19 è inferiore a una seconda soglia di pressione, la forza di precarico prevale e la valvola di uscita 22 rimane chiusa. Quando la seconda soglia di pressione viene superata, l'elemento otturatore di uscita 33 si ritrae nel secondo recesso 35 e la valvola di uscita 22 si apre. In una forma di realizzazione, la seconda soglia di pressione è maggiore della prima soglia di pressione. La forza di precarico consente di eliminare o almeno ridurre possibili retroflussi indesiderati verso la camera di pompaggio dalla linea di connessione fluidica 4 collegata al passaggio di uscita 19.
L'attuatore principale 25 comprende una prima membrana di pompaggio 40, una seconda membrana di pompaggio 41, una prima struttura di elettrodo 42 e una seconda struttura di elettrodo 43.
La prima membrana di pompaggio 40 e la seconda membrana di pompaggio 41, di silicio policristallino e sostanzialmente circolari, sono collegate rispettivamente al primo strato strutturale 11 del primo substrato 7 e al secondo strato strutturale 16 del secondo substrato 8 e delimitano la camera di pompaggio 20 ciascuna su un rispettivo lato.
Un terzo recesso 45 è ricavato nel primo substrato 7 ed è delimitato su un lato dalla prima membrana di pompaggio 40, Un quarto recesso 46 è ricavato nel secondo substrato 8 ed è delimitato su un lato dalla seconda membrana di pompaggio 41,
La prima membrana di pompaggio 40 e la seconda membrana di pompaggio 41 sono continue e pertanto disaccoppiano fluidicamente la camera di pompaggio 20 dal terzo recesso 45 e dal quarto recesso 46.
La prima struttura di elettrodo 42 è collocata su una parete del terzo recesso 45 opposta alla prima membrana di pompaggio 40 e, in una forma di realizzazione, comprende una pluralità di primi elettrodi 48 anulari concentrici (si veda in particolare la figura 2). Uno strato dielettrico 49 isola la prima struttura di elettrodo 42 dal primo strato strutturale 11 del primo substrato 7, che definisce la parete del terzo recesso 45. La prima struttura di elettrodo 42 è capacitivamente accoppiata alla prima membrana di pompaggio 40 e applica una prima forza elettrostatica Fi (figura 3) alla prima membrana di pompaggio 40 in presenza di una prima tensione di attuazione VAi(figura 6) fra la prima struttura di elettrodo 42 e la prima membrana di pompaggio 40. La prima forza elettrostatica Fxritrae la prima membrana di pompaggio 40 verso il terzo recesso 45, contribuendo a creare una depressione all'interno della camera di pompaggio 20. Quando la prima forza elettrostatica Fi viene rimossa, la prima membrana di pompaggio 40 ritorna nella propria configurazione di riposo e determina una compressione nella camera di pompaggio 20.
La prima tensione di attuazione VAiè determinata da uno o più dei segnali di controllo di pompaggio SCKforniti dall'unità di controllo 5 e può essere in forma di tensioni periodiche, ad esempio a onda quadra, con frequenza controllata in funzione della portata di fluido da fornire al dispositivo microfluidico 2. In una forma di realizzazione, i primi elettrodi 48 sono tutti polarizzati alla prima tensione di attuazione VAi. In una diversa forma di attuazione, tuttavia, i primi elettrodi 48 possono ricevere tensioni di attuazioni di uguale frequenza, ma differenti ad esempio per ampiezza e duty-cycle, in modo da ottenere una diversa distribuzione della prima forza di attuazione lungo la prima membrana di pompaggio 40,
La seconda struttura di elettrodo 43 è collocata su una parete del quarto recesso 46 opposta alla seconda membrana di pompaggio 41 e, in una forma di realizzazione, comprende una pluralità di secondi elettrodi 50 anulari concentrici, sostanzialmente realizzati simmetricamente ai primi elettrodi 48. Uno strato dielettrico 51 isola la seconda struttura di elettrodo 43 dal secondo strato di supporto 15 del secondo substrato 8, che definisce la parete del quarto recesso 46, La seconda struttura di elettrodo 43 è capacitivamente accoppiata alla seconda membrana di pompaggio 41 e applica una seconda forza elettrostatica F2(figura 3) alla seconda membrana di pompaggio 41 in presenza di una seconda tensione di attuazione VA2(figura 6) fra la seconda struttura di elettrodo 43 e la seconda membrana di pompaggio 41. La seconda forza elettrostatica F2ritrae la seconda membrana di pompaggio 41 verso il quarto recesso 46, creando una depressione nella camera di pompaggio 20. Quando la seconda forza elettrostatica F2viene rimossa, la seconda membrana di pompaggio 41 ritorna nella propria configurazione di riposo e determina una compressione nella camera di pompaggio 20.
La seconda tensione di attuazione VA2è determinata da uno o più dei segnali di controllo di pompaggio SCKforniti dall'unità di controllo 5 e può essere in forma di tensioni periodiche, ad esempio a onda quadra, con frequenza controllata in funzione della portata di fluido da fornire al dispositivo microfluidico 2. Come i primi elettrodi 48, i secondi elettrodi 50 possono essere polarizzati tutti alla seconda tensione di attuazione VA2oppure ricevere rispettive tensioni di attuazioni di uguale frequenza, ma differenti ad esempio per ampiezza e duty-cycle, in modo da ottenere una diversa distribuzione della seconda forza di attuazione lungo la seconda membrana di pompaggio 41.
Le tensioni di attuazione applicate alla prima membrana di pompaggio 40 e alla seconda membrana di pompaggio 41 hanno comunque la stessa frequenza e sono sincronizzate in modo da ottimizzare l'effetto di pompaggio, coordinando la deflessione della prima membrana di pompaggio 40 e della seconda membrana di pompaggio 41. La frequenza può essere variata in funzione della portata desiderata.
L'attuatore ausiliario 26 comprende una struttura di elettrodo ausiliaria 55, disposta su una parete del secondo recesso 35 opposta all'elemento otturatore di uscita 33 e alla membrana valvolare 36. La struttura di elettrodo ausiliaria 55 è capacitivamente accoppiata all'elemento otturatore di uscita 33 e alla membrana valvolare 36. In presenza di una tensione di attuazione ausiliaria fra la struttura di elettrodo ausiliaria 55 da un lato e l'elemento otturatore di uscita 33 e la membrana valvolare 36 dall'altro, la struttura di elettrodo ausiliaria 55 applica una forza elettrostatica ausiliaria che favorisce l'apertura della valvola di uscita. La tensione di attuazione ausiliaria può essere determinata dai segnali di controllo ausiliari SAox forniti dall'unità di controllo 5.
La micropompa 3 è azionata dall'unità di controllo 5 attraverso i segnali di controllo di attuazione SCK, a seguito dei quali vengono prodotte le tensioni di attuazione VAi, VA2, e, opzionalmente, attraverso i segnali di controllo ausiliari SA[jx. Nella fase attiva di ogni periodo delle tensioni di attuazione VAÌ, νΑ2, la prima membrana di pompaggio 40 e la seconda membrana di pompaggio 41 si deformano per effetto delle forze elettrostatiche Fx, F2 (figura 4) e si ritraggono all'interno rispettivamente del terzo recesso 45 e del quarto recesso 46, causando una depressione all'interno della camera di pompaggio 20. La differenza di pressione fra il passaggio di ingresso 18 e la camera di pompaggio 20 prevale sulla forza di precarico sull'elemento otturatore di ingresso 27 e la valvola di ingresso 21 si apre, consentendo il caricamento della camera di pompaggio 20. La valvola di ingresso 21 si richiude quando la differenza di pressione fra il passaggio di ingresso 18 e la camera di pompaggio 20 scende sotto la prima soglia di pressione.
La valvola di uscita 22 rimane invece chiusa, sia per la maggior forza di precarico dovuta all'azione della membrana valvolare 36, anche in ragione dello spessore del distanziale 37, sia per la contropressione del fluido gassoso presente nel secondo recesso 35, che è sigillato (o almeno fluidicamente disaccoppiato dalla camera di pompaggio 20).
Quando le forze elettrostatiche Fi, F2vengono rimosse (fase inattiva del periodo delle tensioni di attuazione VAi, VA2), la prima membrana di pompaggio 40 e la seconda membrana di pompaggio 41 tornano nelle rispettive configurazioni di riposo (figura 5) comprimendo il fluido nella camera di pompaggio 20. L'aumento di pressione non ha influenza sulla valvola di ingresso 21, poiché il primo recesso 28 è accoppiato fluidicamente alla camera di pompaggio 20 attraverso i passaggi fluidici 29 fra gli elementi elastici di sospensione 30.
Il secondo recesso 35 è invece disaccoppiato dalla camera di pompaggio 20 mediante la membrana valvolare 36. La compressione prodotta dal movimento di ritorno della prima membrana di pompaggio 40 e della seconda membrana di pompaggio 41 causa quindi uno squilibrio fra le facce della membrana valvolare 36 che tende ad aprire la valvola di uscita 22. Quando la differenza di pressione fra la camera di pompaggio 20 e il passaggio di uscita 19 supera la seconda soglia di pressione, l'elemento otturatore di uscita 33 si distacca dal secondo substrato 8 e la valvola di uscita 22 è effettivamente aperta.
Come la valvola di ingresso 21, anche la valvola di uscita 22 può dunque operare in modo completamente passivo, senza bisogno di comandi esterni. Tuttavia, in una fase iniziale di lavoro può essere utile controllare l'apertura della valvola di uscita 22 mediante 1'attuatore ausiliario 26 e i segnali di controllo ausiliari SAUX per favorire il riempimento della camera di pompaggio 20. In particolare, durante il caricamento iniziale (priming) del fluido di lavoro la valvola di uscita 22 può essere mantenuta aperta dall'attuatore ausiliario 26 per favorire l'evacuazione dell'aria inizialmente presente ed evitare la formazione di bolle gassose che potrebbero influenzare la funzionalità della micropompa 3. La possibilità di controllare l'apertura della valvola di uscita 22 risulta perciò particolarmente vantaggiosa per facilitare il riempimento iniziale del dispositivo microfluidico 2.
La micropompa descritta presenta vantaggiosamente una struttura semplificata, che beneficia in particolare di valvole di ingresso e di uscita utilizzabili in modo completamente passivo. Non è quindi richiesto uno specifico controllo. Un attuatore ausiliario elettrostatico della valvola di uscita può essere eventualmente previsto per favorire il funzionamento in particolari condizioni transitorie, ma di regola esso è superfluo in condizioni operative normali.
La struttura è semplificata al punto che la micropompa può essere fabbricata a partire da due sole fette semiconduttrici, dalle quali sono ricavati il primo substrato e il secondo substrato.
A ciò concorre anche la presenza di attuatori elettrostatici a membrana, sia per la camera di pompaggio, sia, eventualmente, per la valvola di uscita. Le strutture di elettrodo degli attuatori sono infatti alloggiati nei recessi fra gli strati di supporto e le rispettive membrane. La loro fabbricazione, inoltre è perfettamente compatibile con le tecniche normalmente utilizzate nella realizzazione di dispositivi microelettromeccanici. Tecniche per realizzare membrane sono infatti note e possono prevedere, ad esempio, prima di formare uno strato sacrificale su un substrato semiconduttore e quindi, dopo aver deposto uno strato di germe sullo strato sacrificale, di crescere uno strato strutturale dallo strato di germe. Lo strato strutturale può essere selettivamente attaccato mediante un processo fotolitografico per aprire trincee passanti nelle regioni dedicate alla realizzazione delle membrane. Lo strato sacrificale può essere poi rimosso mediante un attacco attraverso le trincee, che possono poi essere chiuse ad esempio mediante un processo di annealing (ossia di un trattamento ad alta temperatura in presenza di idrogeno che permette di ridistribuire il materiale semiconduttore, rendendo la struttura più omogenea). Il processo di annealing permette di ripristinare la continuità del materiale semiconduttore nelle regioni corrispondenti alle membrane. Le strutture di elettrodo degli attuatori possono essere agevolmente incorporate nello strato sacrificale nelle fasi iniziali di processo. Dopo avere formato uno strato isolante, ad esempio ossido di silicio, le strutture di elettrodo possono essere realizzati mediante definizione fotolitografica di uno strato di polisilicio deposto sullo strato isolante. Lo strato sacrificale, anch'esso di ossido di silicio, può essere poi deposto in modo da incorporare le strutture di elettrodo. Durante la rimozione dello strato sacrificale, le strutture di elettrodo stesse proteggono le porzioni sottostanti dello strato isolante, che vengono risparmiate e fungono successivamente da ancoraggi. Può essere previsto l'impiego di fogli di copertura di tipo "dry film" per l'impermeabilizzazione delle membrane.
Un ulteriore vantaggio degli attuatori a membrana descritti è dato dal fatto che, grazie alla disposizione delle strutture di elettrodo rispetto alle membrane, la camera di pompaggio non è interessata dai campi elettrici che determinano l'effetto di pompaggio. Per questo motivo, la micropompa secondo 1'invenzione può essere utilizzata senza inconvenienti anche quando il fluido da far circolare è una soluzione ionica.
La micropompa ha struttura essenzialmente planare e può avere passaggi di ingresso e di uscita sulla stessa faccia. Ciò è generalmente considerato vantaggioso perché la struttura del circuito fluidico collegato alla micropompa può essere semplificata.
Tale struttura non è tuttavia vincolante. Ad esempio, nella forma di realizzazione di figura 7, un passaggio di uscita, qui indicato con 119, è realizzato attraverso il primo substrato 107. In questo caso, come già descritto, le parti mobili della valvola di ingresso 121 sono integrate nel primo substrato 107, mentre il passaggio di ingresso 118 è realizzato nel secondo substrato 108. Un primo recesso 128, definito nel primo substrato 107, riceve l'elemento otturatore di ingresso 127 quando la valvola di ingresso 121 è aperta ed è fluidicamente accoppiato alla camera di pompaggio 120. La valvola di uscita 122 e l'attuatore ausiliario 126 sono invece incorporati nel secondo substrato 108. In particolare, la valvola di uscita 122 comprende un elemento otturatore di uscita 133, che chiude il passaggio di uscita 119 ed è collegato al secondo strato strutturale 116 del secondo substrato 108 attraverso una membrana valvolare 136. Un secondo recesso 135, definito nel secondo substrato 108 e fluidicamente disaccoppiato dalla camera di pompaggio 120 mediante la membrana valvolare 136, riceve l'elemento otturatore di uscita 133 quando la valvola di uscita 122 è aperta. La struttura di elettrodo ausiliaria 155 dell'attuatore ausiliario 126 è posta su una parete del secondo recesso 135 opposta alla membrana valvolare 136 e ad essa capacitivamente accoppiata.
Anche la presenza di due membrane di pompaggio contrapposte è generalmente vantaggiosa, sebbene non strettamente necessaria.
Nella forma di realizzazione illustrata in figura 8, ad esempio, è presente una sola membrana di pompaggio 240 nello stesso primo substrato 207 in cui sono integrate le parti mobili della valvola di ingresso 221 e della valvola di uscita 222. In questo caso, il secondo substrato 208 può avere puramente funzione di supporto e di delimitazione della camera di pompaggio 220, oltre a essere sede del passaggio di ingresso 218 e del passaggio di uscita 219.
Nella forma di realizzazione di figura 9, le parti mobili della valvola di ingresso 321 e della valvola di uscita 322 sono integrate nel primo substrato 307, mentre la sola membrana di pompaggio 341 presente è integrata nel secondo substrato 308. Sul lato opposto, la camera di pompaggio 320 è delimitata dal primo substrato 307. In questo caso, un recesso 346 è ricavato nel secondo substrato 308 ed è delimitato su un lato dalla membrana di pompaggio 341. La struttura di elettrodo 343 è collocata su una parete del recesso 346 opposta alla seconda membrana di pompaggio 341.
Come già accennato con riferimento alle figure 2-5, in una forma di attuazione, gli elettrodi di ciascuna struttura di attuazione possono ricevere tensioni di attuazioni di uguale frequenza, ma differenti ad esempio per ampiezza e/o dutycycle, in modo da ottimizzare il funzionamento della micropompa 1 mediante il controllo della distribuzione delle forze di attuazione lungo le membrane di pompaggio. La figura 10 illustra un esempio, sempre riferito alla struttura delle figura 2-5, in cui i primi elettrodi 48 della prima struttura di elettrodo 42 ricevono rispettive tensioni di attuazione VAu, -, VAIKdifferenti per ampiezza (nell'esempio si considerano presenti K primi elettrodi 48; l'indice 1 è riferito al primo elettrodo 48 più esterno e l'indice K si riferisce al primo elettrodo 48 centrale). I secondi elettrodi 50 della seconda struttura di elettrodo 43 tensioni di attuazione V3⁄42i, -, Y^Kuguali alle corrispondenti tensioni di attuazione Vm , ..., VA1K.
Nell'esempio di figura 11, le tensioni di attuazione VA11, -, VAIKe le tensioni di attuazione Ym , -, V3⁄42Kdifferiscono per duty-cycle. Ovviamente, è possibile prevedere l'impiego di tensioni di attuazione differenti sia per ampiezza, sia per duty-cycle.
Risulta infine evidente che alla micropompa descritta possono essere apportate modifiche e varianti, senza uscire dall'ambito della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.
Claims (15)
- RIVENDICAZIONI 1. Micropompa comprendente; una camera di pompaggio (20; 120; 220; 320), fra un primo substrato (7; 107; 207; 307) semiconduttore e un secondo substrato (8; 108; 208; 308) semiconduttore uniti fra loro; una valvola di ingresso (21; 121; 221; 321), avente un elemento otturatore di ingresso (27; 127) fra un passaggio di ingresso (18; 118) e la camera di pompaggio (20; 120; 220; 320); una valvola di uscita (22; 121; 221; 321), avente un elemento otturatore di uscita (33; 133) fra la camera di pompaggio (20; 120; 220; 320) e un passaggio di uscita (19; 119); un primo recesso (28; 128) per accomodare l'elemento otturatore di ingresso (27; 127) quando la valvola di ingresso (21; 121; 221; 321) è in configurazione aperta, il primo recesso (28; 128) e la camera di pompaggio (20; 120; 220; 320) essendo fluidicamente accoppiati; un secondo recesso (35; 135) per accomodare l'elemento otturatore di uscita (33; 133) quando la valvola di uscita (22; 121; 221; 321) è in configurazione aperta, il secondo recesso (35; 135) e la camera di pompaggio (20; 120; 220; 320) essendo fluidicamente disaccoppiati.
- 2. Micropompa secondo la rivendicazione 1, in cui il passaggio di ingresso (18; 118) è ricavato in uno fra il primo substrato (7; 107; 207; 307) e il secondo substrato (8; 108; 208; 308) e l'elemento otturatore di ingresso (27; 127) è collegato all'altro fra il primo substrato (7; 107; 207; 307) e il secondo substrato (8; 108; 208; 308); e il passaggio di uscita (19) è ricavato in uno fra il primo substrato (7; 107; 207; 307) e il secondo substrato (8; 108; 208; 308) e l'elemento otturatore di uscita (33) è collegato all'altro fra il primo substrato (7; 107; 207; 307) e il secondo substrato(8; 108; 208; 308).
- 3. Micropompa secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il passaggio di ingresso (18) e il passaggio di uscita (19) sono realizzati entrambi nel primo substrato o entrambi nel secondo substrato.
- 4. Micropompa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il passaggio di ingresso (18) e il passaggio di uscita (19) si estendono perpendicolarmente alla camera di pompaggio.
- 5. Micropompa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la valvola di ingresso (21; 121; 221; 321) e la valvola di uscita (22; 121; 221; 321) sono di tipo ortoplanare.
- 6. Micropompa secondo la rivendicazione 5, in cui; l'elemento otturatore di ingresso (27) è collegato al primo substrato mediante elementi elastici di sospensione (30) in materiale semiconduttore, estendentisi in direzione trasversale a una direzione di movimento dell'elemento otturatore di ingresso (27); passaggi fluidici (29) sono definiti fra gli elementi elastici di sospensione (30); e il primo recesso (28) è fluidicamente accoppiato alla camera di pompaggio (20) attraverso i passaggi fluidici (29).
- 7. Micropompa secondo la rivendicazione 5 o 6, in cui l'elemento otturatore di uscita (33; 133) è collegato al primo substrato (7; 107) mediante una membrana valvolare (36; 136) elastica e il secondo recesso (35; 135) è fluidicamente disaccoppiato dalla camera di pompaggio (20; 120) mediante la membrana valvolare (36; 136).
- 8. Micropompa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la valvola di ingresso (21) e la valvola di uscita (22) sono precaricate in modo da rimanere chiuse rispettivamente quando una differenza di pressione fra la camera di pompaggio (20) e il passaggio di ingresso (18) è inferiore a una prima soglia di pressione e quando una differenza di pressione fra il passaggio di uscita (19) e la camera di pompaggio (20) è inferiore a una seconda soglia di pressione, maggiore della prima soglia di pressione .
- 9. Micropompa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente: una prima membrana di pompaggio (40; 240; 341) in materiale semiconduttore, delimitante la camera di pompaggio (20; 220; 320) su un primo lato; una prima struttura di elettrodo (42; 343), capacitivamente accoppiata alla prima membrana di pompaggio (40; 240; 341) e configurata per applicare una prima forza elettrostatica (Fx )alla prima membrana di pompaggio in presenza di una prima tensione di attuazione (VAi)fra la prima struttura di elettrodo (42; 343) e la prima membrana di pompaggio (40; 240; 341); e un'unità di controllo (5), configurata per applicare la prima tensione di attuazione (VAi)in forma di onda periodica a frequenza controllata.
- 10. Micropompa secondo la rivendicazione 9, comprendente un terzo recesso (45; 346), delimitato su un lato dalla prima membrana di pompaggio (40; 341) e fluidicamente disaccoppiato dalla camera di pompaggio (20; 320), la prima struttura di elettrodo (42; 343) essendo disposta su una parete del terzo recesso (45; 346) opposta alla prima membrana di pompaggio (40; 341) e configurata per ritrarre la prima membrana di pompaggio (40; 341) all'interno del terzo recesso (45; 346).
- 11. Micropompa secondo la rivendicazione 9 o 10, in cui la prima struttura di elettrodo (42) comprende una pluralità di primi elettrodi (48) e l'unità di controllo (5) è configurata per applicare a ciascun primo elettrodo una rispettiva prima tensione di attuazione (VAn, VAIK)-
- 12. Micropompa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 9 a 11, comprendente; una seconda membrana di pompaggio (41) in materiale semiconduttore, delimitante la camera di pompaggio (20) su un secondo lato, opposto al primo lato; e una seconda struttura di elettrodo (43), capacitivamente accoppiata alla seconda membrana di pompaggio (41) e configurata per applicare una seconda forza elettrostatica (F2)alla seconda membrana di pompaggio (41) in risposta a una seconda tensione di attuazione (VA2)fra la seconda struttura di elettrodo (43) e la seconda membrana di pompaggio (41); l'unità di controllo (5) essendo configurata per fornire la seconda tensione di attuazione (VA2)in forma di onda periodica con frequenza controllata e pari alla frequenza della prima tensione di attuazione (VAÌ).
- 13. Micropompa secondo la rivendicazione 12, comprendente un quarto recesso (46), delimitato su un lato dalla seconda membrana di pompaggio (41) e fluidicamente disaccoppiato dalla camera di pompaggio (20), la seconda struttura di elettrodo (43) essendo disposta su una parete del quarto recesso (46) opposta alla seconda membrana di pompaggio (41) e configurata per ritrarre la seconda membrana di pompaggio (41) all'interno del quarto recesso (46).
- 14. Micropompa secondo la rivendicazione 12 o 13, in cui la seconda struttura di elettrodo (43) comprende una pluralità di secondi elettrodi (50) e l'unità di controllo (5) è configurata per applicare a ciascun secondo elettrodo (50) una rispettiva seconda tensione di attuazione (VA2i, -, Y3⁄42K)*
- 15. Micropompa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente una struttura di elettrodo ausiliaria (26), disposta su una parete del secondo recesso (35) opposta all'elemento otturatore di uscita (33), capacitivamente accoppiata all'elemento otturatore di uscita (33) e configurata per applicare una forza elettrostatica ausiliaria all'elemento otturatore di uscita (33) in presenza di una tensione di attuazione ausiliaria fra la struttura di elettrodo ausiliaria e l'elemento otturatore di uscita (33).
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