PT93712A

PT93712A - Microbomba de debito constante

Info

Publication number: PT93712A
Application number: PT93712A
Authority: PT
Inventors: Harald Van Lintel
Original assignee: Westonbridge Int Ltd
Priority date: 1989-04-11
Filing date: 1990-04-10
Publication date: 1992-01-31
Also published as: AU5303490A; EP0392978A1; CA2014235A1; AU628153B2; US5085562A; CH679555A5; JPH03505771A; WO1990012209A1

Description

WESTONBRIDGE INTERNATIONAL LIMITED "MICROBOMBA DE DÉBITO CONSTANTE" A presente invenção diz respeito a uma microbomba do tipo no qual pelo menos uma parte do mecanismo da bomba é realizado por acabamento â máquina de uma plaqueta de silício por meio das técnicas de fotolitografia,.

As ftnicrobombasjpodem ser utilizadas designadamente para a administração de medicamentos no local, pois a miniaturização da bomba permite eventualmente uma implantação permanente desta no : corpo. Estas bombas permitem uma dosagem exacta de pequenas quan í tidades de fluido a injectar.

Essas microbombas sao descritas designadamente no artigo "A piezoelectric micropump based on micromachining of Silicon", de H. van Lintel et al., publicado em "Sensors and Actuators" N9. 15, 1988, pp 153-157. Estas microbombas compreendem essencial, mente um empilhamento de três plaquetas, quer dizer uma plaqueta de silício colocada entre duas plaquetas de vidro. A plaqueta de silício e gravada para formar uma cavidade, que, com uma das plaquetas de vidro, define a câmara de bombagem, pelo menos uma válvula automática de aspiração e pelo menos uma válvula automática de refluxo que coloca a câmara de bombagem em -2- / - comunicação respectivamente com um canal de saída. A parte da pia queta de vidro que forma uma parede da câmara de bombagem pode ser deformada por um elemento de comando constituído por exemplo por uma pastilha piezoeléctrica. Esta tem dois eléctrodos que, quando são ligados a uma fonte de tensão eléctrica, provocam a deformação da pastilha, e, seguidamente, a deformação da plaqueta de vidro, o que provoca uma variação do volume da câmara de bombagem. A parede deformável da câmara de bombagem pode ser assim deslocada entre uma primeira posição, na qual está relativamente afastada da parede oposta, quando a pastilha piezoeléctrica não está submetida a nenhuma tensão eléctrica, e uma segunda posição, na qual está mais próxima da parede oposta, quando se aplica uma tensão entre os eléctrodos da pastilha piezoeléctrica. 0 funcionamento da microbomba é o seguinte. Quando não se aplica nenhuma tensão eléctrica àjpastilha piezoeléctrica,) as vá_l vulas automáticas de aspiração e de refluxo estão em posição fechada. Quando se aplica uma tensão eléctrica, produz-se um aumento de pressão na câmara de bombagem que provoca a abertura da vál vula de refluxo quando a pressão na câmara é superior à soma da pressão no canal de saída com a pressão criada pela tensão prévia da válvula automática. 0 fluido contido na câmara de bombagem é então impelido para o canal de saída pela deslocação da parede deformável da primeira posição para a segunda posição. Durante esta fase, a válvula automática de aspiração mantém-se fechada pela pressão existente na câmara de bombagem. -3- /' /

Pelo contrário, quando se diminui a tensão eléctrica, a pressão na câmara de bombagem diminui. Isto provoca o fecho da válvula automática de refluxo, quando a pressão na câmara de bombagem é menor do que a soma da pressão no canal de saída com a pressão criada pela tensão prévia da válvula automática, e a aber tura da válvula automática de aspiração, quando a soma da pressão na câmara de bombagem e da pressão criada pela tensão prévia da válvula automática é menor do que a pressão no canal de entrada.

Há então aspiração de fluido na câmara de bombagem pelo canal de entrada, devido ao deslocamento da parede deformável da segunda posição para a primeira posição.

Conforme já foi indicado, estas microbombas são utilizadas designadamente para a administração de medicamentos. Tem importân — —" - - _ cia, portanto, que o débito da microbomba seja bem determinado, de maneira que o medicamento a injectar seja doseado de maneira muito exacta. Ora, as microbombas conhecidas apresentam certas imperfeições quanto a este ponto.

De facto, o débito da microbomba depende da variação de volume da câmara de bombagem entre as duas posições da parede deforma vel. Esta variação de volume depende de vários parâmetros, entre os quais a tensão eléctrica aplicada à pastilha piezoeléctrica e as características físicas da pastilha piezoeléctrica (espessura, diâmetro, constante dieléctrica) e da parede deformável (material, espessura). Assim, uma mesma tensão eléctrica aplicada a microbom bas aparentemente iguais poderá provocar deformações diferentes das câmaras de bombagem destas microbombas que, ulteriormente, n» j -4- terão débitos diferentes.

Aliás, para uma mesma microbomba, o débito pode evoluir com o decurso do tempo, por causa do envelhecimento dos materiais. Finalmente, o débito da microbomba depende da pressão no canal de saída, visto que a válvula automática de refluxo s5 se abre quando a pressão na câmara é maior do que a soma da pressão no canal de saída com a pressão criada pela tensão prévia da válvula automática. H. van Lintel et al. descreveram no artigo já citado uma microbomba equipada com uma válvula automática suplementar que permite o débito menos dependente da pressão no canal de saída.

No entanto, esta microbomba não permite resolver os outros inconvenientes invocados acima. A invenção tem como objectivo resolver em particular os inconvenientes mencionados, a fim de atingir um débito aproxima-damente constante da microbomba, e, em particular, independente das tolerâncias de fabricação da microbomba, do envelhecimento desta última e da pressão no canal de saída. A microbomba de acordo com a invenção compreende classicamente uma pluralidade de plaquetas unidas umas às outras de maneira estanque, na qual se formam uma câmara de bombagem definida por duas plaquetas unidas que delimitam uma cavidade obtida por gravura de pelo menos uma destas plaquetas, pelo menos uma válvula automática de aspiração e pelo menos uma válvula automática de -5- de refluxo que coloca a câmara de bombagem em comunicação respe-ctivamente com um canal de entrada e um canal de saída, compreen dendo esta microbomba também um elemento de comando para deformar elasticamente a parte de tuna plaqueta que constitui uma parede da câmara de bombagem entre uma primeira posição, na qual esta parede deformada está mais afastada da parede oposta da câmara de bombagem e uma segunda posição, na qual esta parede está relativa mente próxima desta parede oposta, com as deslocações da parede deformável a provocar a aspiração e o refluxo de um fluido. De acordo com a invenção, esta microbomba caracteriza-se por a câmara de bombagem compreender um batente que determina a segunda posição da parede deformável.

Este batente limita o movimento da parede deformável em direcção à parede oposta da câmara de bombagem. Isto permite defi nir de maneira muito exacta o volume da câmara de bombagem no fim da operação de refluxo do fluido.

Por outro lado, devido a este batente, deixa de ser necessário que a tensão eléctrica de comando da pastilha piezoeléctri-ca, ou mais geralmente a intensidade do sinal aplicado ao elemento de comando de deformação da parede deformável, tenha um valor exacto. Basta apenas que esta tensão seja superior à que é necessária para que o batente entre em contacto com a parede da câmara de bombagem que lhe está oposta.

Finalmente, o batente permite ter um débito aproximadamen-te independente da pressão existente no canal de saída, visto que é possível impor â pastilha piezoeléctrica uma tensão elevada, induzindo uma pressão elevada na câmara de bombagem, e, portanto, superior â soma da pressão existente no canal de saída nas condições normais de utilização e da pressão criada pela tensão prévia da válvula automática de refluxo, sem que isto se traduza num aumento da amplitude do movimento da parede deformável, que continua fixado pelo batente.

Este batente pode ser realizado designadamente com a forma de um ou mais ressaltos, que podem ser formados no fundo da cavidade durante a gravura da plaqueta na qual esta cavidade é realizada, e/ou realizada por gravura, colagem ou outro processo sobre a parede deformável. 0 batente também pode ser constituído simplesmente pelo fundo propriamente dito desta cavidade, desde que a altura da câmara de bombagem seja escolhida igual â amplitude desejada do movimento da parede deformável.

As características e vantagens da invenção vão ser melhor compreendidas com a descrição que se segue, apresentada a título ilustrativo mas não limitativo, com referência aos desenhos anexos, nos quais : a figura IA representa, em corte pela linha I-I, uma câmara de bombagem de uma microbomba de acordo com a invenção, na qual a parede deformável está representada na primeira posição, a figura 1B representa uma vista inferior da câmara de bombagem representada na figura IA, -7- .·» - a figura 2 representa um corte pela linha I-I da câmara de bombagem das figuras IA e* 1B, na qual a parede deformável está na segunda posição, - as figuras 3A e 3B representam respectivamente um corte pela linha III-III e uma vista inferior de uma variante de realização de uma câmara de bombagem para uma microbomba de acordo com a invenção, - a figura 4 é um corte transversal de outra variante de realização de uma câmara de bombagem para uma microbomba de acordo com a invenção, na qual a parede deformável está na primeira posição, a figura 5 representa, em corte transversal, a câmara de bombagem da figura 4 na qual a parede deformável ocupa a segun da posição, as figuras 6A e 6B representam, respectivamente, um corte pela linha VI-VI e uma vista inferior de uma microbomba de acordo com a invenção. - as figuras 7A e 7B representam, respectivamente, um corte pela linha VII-VII e uma vista inferior de outra microbomba de acordo com a invenção, e - a figura 8 é um esquema que representa o débito de uma microbomba em função da pressão no canal de saída, para uma micro bomba com duas válvulas automáticas de tipo conhecido e para uma microbomba de acordo com a invenção.

Uma primeira forma de realização de uma câmara de bombagem para uma microbomba de acordo com a invenção vai ser descrita com referência às figuras ΙΑ, 1B, 1C. Esta câmara de bombagem é delimitada por plaquetas 2, 4 unidas uma à outra de maneira estanque, por exemplo por soldadura anódica ou por colagem. Estas plaquetas têm geralmente uma espessura de alguns décimos de milímetro. A cavidade 6 que define a câmara de bombagem, assim como um canal de entrada 8 e um canal de saída 10, são obtidos por gravura da plaqueta 2 por meio de técnicas de fotolitografia bem conhecidas, como a gravura em fase líquida. A cavidade tem um diâmetro de 1 cm aproximadamente e uma altura compreendida entre 5 e 200 micra. A plaqueta 2 é feita de um material que pode ser gravado com faci lidade, tal como o silício monocristalino; a plaqueta 4 é de vidro, por exemplo.

Um elemento de comando como, por exemplo, uma pastilha pie zoeléctrica 12 está colocada na fase exterior da plaqueta 4, ao nível da cavidade 6. Esta pastilha piezoeléctrica está revestida em cada uma das suas faces com um eléctrodo ligado a uma fonte de tensão (não representada).

As figuras IA e 2 representam, respectivamente, a posição da plaqueta 4, conforme nenhuma tensão eléctrica é aplicada â piezoeléctrica 12 (primeira posição) ou se aplica uma tensão eléctrica a esta pastilha piezoeléctrica (segunda posição). % -9- t-

De acordo com a invenção, a câmara de bombagem tem um batente 14 que, limitando a amplitude do movimento da parede defor-mãvel 13 da plaqueta 4, determina perfeitamente a segunda posição desta parede deformãvel. Daqui resulta que o volume da câmara de bombagem, no fim da operação de refluxo, quer dizer, quando a parede deformãvel 13 está na segunda posição, tem um valor perfei tamente definido e reprodutível. A distância entre o batente e a parede oposta da câmara, quando a parede deformãvel está na primeira posição, é da ordem de 10 ou menos. Esta distância depende, evidentemente, das dimensões da câmara de bombagem e do débito de fluido desejado.

Na forma de realização representada nas figuras ΙΑ, 1B e 2, a pastilha piezoeléctrica 12 está fixada sobre a plaqueta de vidro 4. Claro que é possível fixar a pastilha piozoeléctrica 12 sobre a plaqueta de silício 2. Uma câmara de bombagem deste género foi representada em corte pela linha III-III e em vista inferi or respectivamente nas figuras 3A e 3B.

Nestas figuras, os elementos iguais aos representados na figura ΙΑ, 1B e 2 têm as mesmas referências. No caso em que a pia queta de silício 2 é portadora da pastilha piezoeléctrica 12, uma camada 16 de Sif^ é intercalada entre a plaqueta 2 e a pastilha piezoeléctrica 12 para promover um isolamento eléctrico. Finalmen te, deve observar-se que, nesta forma de realização, é necessário que o batente 14 tenha um diâmetro claramente inferior ao da pastilha piezoeléctrica, para não limitar excessivamente a flexibili -10- -10-

dade da plaqueta 2.

Nas duas primeiras formas de realização descritas, o baten te 14 é constituído por um ressalto que se prolonga a partir de uma parede da câmara de bombagem. Este ressalto é realizado na plaqueta de silício 2, quando se faz a gravura da cavidade e dos canais de entrada e de saída. A superfície superior 18 do ressalto, contra a qual encosta a parede oposta da câmara de bombagem, quando a pastilha piezoeléctrica é submetida a uma tensão eléctri. ca, é de preferência plana. Isto permite definir de maneira mais rigorosa a segunda posição da parede deformãvel. É também possível utilizar como batente o fundo da própria cavidade. É o que sucede quando se realiza uma cavidade cuja altu ra é igual à amplitude do movimento desejado da parede deformãvel. As figuras 4 e 5 representam cortes transversais de uma câmara de bombagem desse género, respectivamente na primeira posição e na segunda posição da plaqueta deformãvel 4. Nestas figuras, a câmara de bombagem é definida por uma cavidade 6 ligada a trai canal de entrada 8 e um canal de saída (não representado). Esta câmara de bombagem é composta por uma plaqueta de sílicio 2 e por uma plaqueta de vidro 4 como nas figuras anteriores. A pastilha piezoeléctrica está colocada sobre a plaqueta de vidro 4; claro que esta pastilha 12 pode também estar colocada sobre a plaqueta de silício 2, como nas figuras 3A e 3B. A utilização do fundo 20 da cavidade 6 como batente para a parede deformãvel tem a vantagem de diminuir o número de opera- -11-

.r% ções necessárias para gravar a plaqueta de silício 2, em comparação com as formas de realização anteriores, nas quais o batente é constituído por um ressalto. Além disso, conforme se vê na figura 5, o volume da câmara no fim da fase de refluxo é muito pequeno. Isto promove uma bombagem eficaz, mesmo que o líquido contenha muitas bolhas gasosas (desde que os volumes parasitas entre as válvulas automáticas e a própria câmara sejam também muito pequenos). Pelo contrário, se o volume da câmara de bombagem se mantiver bastante grande no fim da fase de refluxo, e é geralmente o que sucede quando o batente é um ressalto, as bolhas de gás podem ser comprimidas sem serem expulsas da câmara de bombagem.

Em contrapartida, convirá observar que a resistência ao escoamento do fluido é maior com uma câmara de bombagem como a representada na figura 4, que convém sobretudo, portanto, para microbombas com débito muito pequeno.

Uma forma de realização de uma microbomba deste género de acordo com a invenção está representada em corte por uma linha VI-VI e em vista inferior respectivamente nas figuras 6A e 6B. Esta microbomba compreende principalmente uma plaqueta de silício 22 colocada entre plaquetas de vidro 24 e 26. A plaqueta 22 é gra vada numa face para formar uma cavidade 28, que define a câmara de bombagem, e na outra face para regular a espessura da parte da plaqueta 22 que constitui a parede deformável 30 da câmara de bom bagem. Esta espessura é por exemplo de 150 A£m. -12-

As duas faces da plaqueta 22 são também gravadas para formar uma membrana 32 e uma nervura anular 34 de uma válvula automã tica de aspiração, uma membrana 36 e uma nervura anular 38 de tuna válvula automática de refluxo, e um canal de entrada 40a, 40b e um canal de saída 42a, 42b. Para evitar uma eventual adesão das válvulas automáticas sobre as plaquetas de vidro, revestem-se estas últimas com uma camada delgada 35, 39 de SiC^. A pastilha piezoeléctrica 44 que permite comandar o movimento da parede deformável 30 é colada com uma cola de ciano-acri lato depois de a parede deformável ter sido revestida com uma camada delgada 46 de SiC^, para promover um isolamento eléctrico. A pastilha piezoeléctrica 44 pode ser do tipo PXE-5 de Philips, com um diâmetro de 10 mm e uma espessura de 0,20 mm. A parede deformável 30 e as membranas 32, 36 estão formadas na plaqueta de silício 22, pelo que esta é de preferência uma plaqueta de silício monocristalino com orientação < 100^“, que tem boas propriedades mecânicas e se presta bem para a gravura. Esta plaqueta pode ter um diâmetro de 5 cm e uma espessura de 300 micra aproximadamente.

As plaquetas 24 e 26 sao de vidro polido. Têm um diâmetro de 5 cm e uma espessura de 1 mm. A plaqueta 24 tem trai furo de entrada 48 e um furo de saída 50. As plaquetas 24 e 26 estão unidas de maneira estanque ã plaqueta 22 por meio da técnica conheci da por soldadura anódica. -13- !, !l ^ ti

Na forma de realização representada nas figuras 6A e 6B, a altura da câmara de bombagem, isto é, a distância entre a parede deformável 30 e a plaqueta 26 quando não se aplica nenhuma ten são eléctrica à pastilha piezoeléctrica 44, . é escolhida (quando se faz a gravura da plaqueta 22) de maneira que o batente é formado pela superfície da plaqueta 26. A câmara de bombagem é análo ga, à descrita com referência âs figuras 4 e 5, sendo a única diferença que a pastilha piezoeléctrica esta fixada sobre a plaqueta de silício em vez de ser fixada sobre a plaqueta de vidro.

Representaram-se respectivamente nas figuras 7A e 7B, um corte pela linha VII-VII e uma vista de cima de uma microbomba de acordo com uma outra forma de realização da invenção. Esta microbomba é muito mais compacta que a microbomba representada nas figuras 6A e 6B. Obtém-se isto colocando a válvula automática de aspiração da microbomba directamente sobre uma das paredes da câmara de bombagem. Seria possível colocar ali também uma parte de uma válvula automática de refluxo.

Esta microbomba compõe-se de uma plaqueta de silício 52 colocada entre duas plaquetas de vidro 54 e 56. Uma face da plaqueta 52 está gravada para formar uma cavidade 58, que define a câmara de bombagem e, durante esta operação de gravura, forma-se um ressalto 60 para constituir um batente de acordo com a invenção. As duas faces da plaqueta de silício 52 estão também gravadas para formar uma membrana 62 e uma nervura anular 64 de uma válvula automática de. aspiração, uma membrana 66 e uma nervura anular 68 de uma válvula automática de refluxo, e um canal de entrada 70 e um canal de saída 72a, 72b. Formam-se revestimentos 65, 67 de SiC^ sobre as nervuras anulares 64, 68 para evitar a adesao das válvulas automáticas sobre as plaquetas de vidro. A válvula automática de aspiração está de preferência cen trada sobre a cavidade 58. Nestas condições, o ressalto 60, também centrado em relação à cavidade 58 e à válvula automática de aspiração, tem a forma de um anel. As válvulas automáticas podem ter um limitador de amplitude para diminuir os riscos de quebra da membrana. Para a válvula de refluxo, este limitador é constituído por uma nervura anular 69; para a válvula de aspiração, o ressalto 60 desempenha o papel de limitador. Abrem-se canais 71, 73 de preferencia nos limitadores de amplitude das válvulas automáticas, para permitir o escoamento do fluido quando estes limita dores estão em contacto com as plaquetas de vidro 54, 56.

Depois das operações de gravura, as placas de vidro 54 e 56 sao fixadas de maneira impermeável por meio de soldadura anõdica sobre a plaqueta de silício 52, tendo a plaqueta de vidro 54 uma abertura de entrada 74 e uma abertura de saída 76. A parede deformável 78 da câmara de bombagem é constituída por toma parte da plaqueta de vidro 56; a sua espessura é de 200 ximadamente.

Uma pastilha piezoeléctrica 80 está colada nesta parede 78 para comandar o movimento desta. De acordo com a invenção, o ressalto anular 60 limita a amplitude do movimento da parede deforma vel, o que permite definir-se de maneira exacta o volume da -15 «ι*

câmara de bombagem no fim da operação de refluxo.

Este batente permite também tornar constante o débito da microbomba nas condições normais de utilização. Conforme se pode observar no esquema da figura 8, o débito 0 de uma microbomba clássica com duas válvulas automáticas é uma função linear da pressão p existente â salda da microbomba (curva A). Em contrapartida o débito 0 de uma microbomba de acordo com a invenção é aproximadamente constante, nas gamas das pressões normais de utilização (curva B). Isto resulta de que, para uma pressão inferior a uma pressão máxima de utilização, a variação de volu me provocada pela deslocação da parede deformável é limitada. 0 débito é assim praticamente igual ao correspondente à pressão máxima de utilização.

Claims

-16- L •<· f REIVINDICAÇÕES 1,- Microbomba que compreende uma pluralidade de plaquetas (2,4? 22, 24, 26; 52, 54, 56) juntas umas âs outras de maneira estanque, na qual se formam uma câmara de bombagem (6; 28; 58) definida por duas plaquetas unidas que delimitam uma cavidade for mada mediante gravura de pelo menos uma destas plaquetas, pelo menos uma válvula automática de aspiração (32, 34; 62, 64) e pelo menos uma válvula automática de expulsão (36, 38; 66, 68) que põe a câmara de bombagem em comunicação respectivamente com um canal de entrada e um canal de saída, compreendendo a referida microbomba também um elemento de comando (12, 44, 80) para deformar elasticamente a parte de uma plaqueta que constitui uma parede (13; 30; 78) da câmara de bombagem entre uma primeira posição em que a referida parede deformável está relativamente afastada da parede oposta da câmara de bombagem e uma segunda posição em que

a referida parede deformável está mais próxima da referida parede oposta, com os deslocamentos da parede deformável a provocar a aspiração de um fluido para a câmara de bombagem ou a expulsão deste fluido, sendo a referida microbomba caracterizada por a referida câmara de bombagem compreender um batente (14; 20; 60) que determina a referida segunda posição da parede deformável.
2. - Microbomba de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por a batente ser um ressalto (14; 60) formado numa face interior da câmara de bombagem (6; 58).
3. - Microbomba de acordo com a reivindicação 2, caracterizada por a superfície (18) do batente que entra em contacto com uma face interior da câmara de bombagem, quando a parede deforma-vel ocupa a segunda posição, ser plana.
4. - Microbomba de acordo com uma qualquer das reivindicações 2 e 3, caracterizada por o ressalto (14) ser formado no fundo da cavidade, quando da gravura desta.
5. - Microbomba de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por o batente ser constituído pela face interior (20) da parede da câmara de bombagem situada diante da parede deformável (12). 6.- -18- *
6. - Microbomba de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 5, caracterizada por haver uma válvula automática de aspiração colocada na parede da câmara de bomba-gem oposta à parede deformãvel, e por uma parte (60), pelo me nos, desta válvula automática constituir o batente.
7. - Microbomba de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 5, caracterizada por o elemento de comando compreender uma pastilha piezoeléctrica (12; 44; 76) fixada na parede deformãvel. Q Agôrtfe Ciciai da Prrr-^dr’'!'? *nd'jsMaf

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