TW202045844A - 製造微流體閥及系統之方法 - Google Patents
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Abstract
本發明揭示微流體閥,其可包括:一閥體,其中具有至少一個腔;一閘傳輸元件,其將該腔分成一輸入閘終端及一輸出閘終端;一閘埠,其經建構以將驅動流體輸送至該輸入閘終端中;以及一流體通道。該閘傳輸元件可包括一可撓性隔膜及耦接至該可撓性隔膜的一柱塞。該閘傳輸元件可以經建構以在該腔內移動以在對該輸入閘終端加壓時抑制自該流體通道的一入口埠至一出口埠的一個體流體流動,且在對該輸入閘終端減壓時允許自該入口埠至該出口埠的個體流體流動。本發明亦揭示各種其他相關系統及方法。
Description
本發明描述微流體閥、微流體系統及相關方法。舉例而言,本發明之微流體閥可以包括將輸入閘終端與輸出閘終端分開的閘傳輸元件。閘傳輸元件可以包括耦接至柱塞的可撓性隔膜,該可撓性隔膜可以在敞開位置與閉合位置之間移動以控制個體流體流動穿過流體通道。
微流體系統為涉及流體流動的小型機械系統。微流體系統可以用於諸多不同的領域,諸如生物醫學、化學遺傳、生物化學、製藥、觸覺及其他領域。微流體閥為微流體系統的基本組件,且可以用於停止、開始或以其他方式控制微流體系統中之流體的流動。常規的微流體閥可以經由流體壓力(例如藉助壓電材料或彈簧負載機構)來致動。
在微流體系統的規模上製造可再用和可靠的閥可能具有挑戰性。舉例而言,以使得可與閥形成可靠密封(例如,在閥座處,在閥的組件之間,等)的方式形成此小規模的閥可能為困難的。另外,如同微流閥的小型機構中之運動零件可能易碎且難以控制而不會造成損壞。
因此,本發明認識到需要並提供用於改良的微流體閥及系統的解決方案,用於控制微流體系統中之流體流動之方法以及用於製造微流體閥及系統之方法。
如將在下文更詳細地描述,本發明描述微流體閥、微流體系統及相關方法。舉例而言,本發明之微流體閥可以包括將輸入閘終端與輸出閘終端分開的閘傳輸元件。閘傳輸元件可以包括耦接至柱塞的可撓性隔膜,該可撓性隔膜可以在敞開位置與閉合位置之間移動以控制個體流體流動穿過流體通道。
在一些實施方式中,本發明包括微流體閥。該等微流體閥可包括:閥體,其中具有至少一個腔;及閘傳輸元件,其安置在該腔內且將該腔分離成輸入閘終端及輸出閘終端。閘傳輸元件可以包括可撓性隔膜及耦接至該可撓性隔膜的柱塞。閘埠可以經建構以將驅動流體引導至輸入閘終端中以對輸入閘終端加壓。流體通道可包括入口埠、限制區域及出口埠。流體通道可以經建構以將個體流體自入口埠輸送穿過限制區域且至出口埠。閘傳輸元件可以經建構以在腔內移動以限制限制區域,以在對輸入閘終端加壓時抑制個體流體自入口埠至出口埠的流動,且在對輸入閘終端減壓時擴展限制區域以允許或增加個體流體自入口埠至出口埠的流動。
在一些實例中,限制區域可以至少部分地由可撓性泡罩來界定,該可撓性泡罩位於輸出閘終端內,在入口埠及出口埠上方,且在柱塞與入口埠及出口埠之間。可撓性泡罩可以將輸出閘終端分成可撓性泡罩內的限制區域及在可撓性泡罩的外部與閘傳輸元件之間的輸出閘排氣室。柱塞可經建構以在輸入閘終端加壓時壓抵可撓性泡罩以收縮限制區域。閥體亦可包括排氣出口,該排氣出口經建構以將流體引導至輸出閘排氣室及自輸出閘排氣室引導流體。輸出閘排氣室可以經建構以經由排氣出口加壓及減壓。在一些實例中,閥體可以包括安置在可撓性隔膜與形成可撓性泡罩的可撓性材料之間的閘主體部分,安置在可撓性隔膜的與閘主體部分相對的一側上且包含閘埠的驅動主體部分,以及流體通道主體部分,安置在形成可撓性泡罩的可撓性材料的與閘主體部分相對的一側上且包括入口埠及出口埠的流體通道主體部分。
在額外實例中,平行於可撓性隔膜截取的腔的剖面面積可以為約25 mm2
或更小,諸如約1 mm2
或更小。柱塞可以化學接合至可撓性隔膜。閥體可以包括矽、二氧化矽、玻璃、聚碳酸酯或剛性聚合物中之至少一者。可撓性隔膜可包括聚合物材料,諸如聚矽氧烷材料。
在一些實施方式中,本發明包括微流體系統。微流體系統可以包括微流體閥、驅動流體源、個體流體源以及流體驅動機構。該微流體閥可包括:閥體,其中具有至少一個腔;及閘傳輸元件,其安置在該腔內且將該腔分離成輸入閘終端及輸出閘終端。閘埠可以經建構以將驅動流體引導至輸入閘終端中以對輸入閘終端加壓。入口埠可經建構以將個體流體輸送至流體通道的限制區域中。出口埠可經建構以將個體流體輸送至流體通道的限制區域。可撓性泡罩可位於入口埠與出口埠之間的流體通道內。可撓性泡罩可在流體通道中界定限制區域,該限制區域可經建構以變形以阻塞入口埠與出口埠之間的流體通道,以在對輸入閘終端加壓時抑制自入口埠至出口埠的個體流體流動,且在對輸入閘終端減壓時允許自入口埠至出口埠的個體流體流動。驅動流體源可經建構以經由閘埠將驅動流體輸送至輸入閘終端中或自輸入閘終端輸送出。個體流體源可以經建構以將個體流體輸送至入口埠。流體驅動機構可經建構以自出口埠接收個體流體。
在一些實例中,閘傳輸元件可以包括可撓性隔膜及安置在腔內並耦接至可撓性隔膜的柱塞。柱塞可以經建構以在對輸入閘終端加壓時壓抵在可撓性泡罩上,以阻塞入口埠與出口埠之間的限制區域。流體驅動機構可以包括微機電裝置、可擴展腔、活塞系統或觸覺回饋裝置中之至少一者。在一些實施方式中,腔內的可撓性隔膜的表面面積可以大於可撓性泡罩的表面面積。
在一些實施方式中,本發明內容包括控制個體流體在微流體系統中的流動之方法。根據此類方法,個體流體可以自入口埠至出口埠輸送穿過流體通道的限制區域。驅動流體可以自閘埠流動至微流體閥體中之腔內的輸入閘終端中。輸出閘終端及輸入閘終端可以藉由閘傳輸元件彼此分開,該閘傳輸元件可以包括可撓性隔膜及耦接至該可撓性隔膜的柱塞。回應於流動至輸入閘終端中之驅動流體,閘傳輸元件可以移動以壓抵位於輸出閘終端內的可撓性泡罩並使其變形。可撓性泡罩可以將輸出閘終端與限制區域分開。藉由用經變形撓性泡罩阻塞限制區域,可以抑制個體流體自入口埠至出口埠的流動。
在一些實例中,控制個體流體的流動之方法可以包括使個體流體自出口埠流動至流體驅動機構中以啟動流體驅動機構。啟動流體驅動機構可以包括啟動人工實境系統的觸覺回饋裝置。可以經由閘埠自輸入閘終端汲取驅動流體,以移動閘傳輸元件,以釋放抵靠可撓性泡罩的壓力並解除對限制區域的阻塞。
在一些實施方式中,本發明可以包括製造微流體閥之方法。根據此類方法,可以在微流體閥體內形成腔。閘傳輸元件可以定位於腔內。閘傳輸元件可以將腔分成輸入閘終端及輸出閘終端。可以在微流體閥體內形成流體通道以包括入口埠、限制區域及出口埠。閘傳輸元件可以經定位及經建構以在對輸入閘終端加壓及減壓時往返移動以限制限制區域,以在對輸入閘加壓時抑制個體流體自入口埠至出口埠的流動,並在對輸入閘終端減壓時擴大限制區域,以允許或增加個體流體自入口埠至出口埠的流動。
在一些實例中,將閘傳輸元件定位在腔內可包括將柱塞定位在輸出閘終端內,並將柱塞耦接至可撓性隔膜。可撓性泡罩可定位於輸出閘終端內且位於入口埠及出口埠上方。限制區域可以界定在流體通道中在入口埠與出口埠之間且在可撓性泡罩內。柱塞可以經建構以在對輸入閘終端加壓時使可撓性泡罩變形,以用經變形可撓性泡罩阻塞限制區域,以抑制個體流體自入口埠至出口埠的流動。在微流體閥體內形成腔可以包括形成腔以具有平行於可撓性隔膜截取的約1 mm2或更小的剖面面積。可以在微流體閥體中形成排氣出口。排氣出口可以與輸出閘終端流體連通。
在一些實例中,在微流體閥體內形成腔可包括在微流體閥體的驅動主體部分內形成輸入閘終端,並在微流體閥體的閘主體部分內形成輸出閘終端。可以在閘主體部分的表面上形成可撓性隔膜。可以將驅動主體部分耦接至閘主體部分,且可以將流體通道主體部分耦接至閘主體部分。可以在流體通道主體部分的表面上形成可撓性泡罩。可以在驅動主體部分、閘主體部分或流體通道主體部分中之至少一者上或其中形成至少一個對準標記。將驅動主體部分耦接至閘主體部分並將流體通道主體部分耦接至閘主體部分可包括使用至少一個對準標記來將驅動主體部分、閘主體部分及流體通道主體部分彼此對準。
在一些實例中,在微流體閥體內形成腔可包括執行至少一個光微影操作。在微流體閥體內形成腔可包括在矽材料、二氧化矽材料、玻璃材料、聚碳酸酯材料或剛性聚合物材料中之至少一者內形成腔。
在一些實施方式中,本發明包括製造微流體系統之方法。根據此類方法,可以形成微流體閥。舉例而言,可以自驅動主體部分移除材料以形成輸入閘終端及通至該輸入閘終端中的閘埠。可以在閘主體部分上形成可撓性隔膜。可以自閘主體部分移除材料以形成輸出閘終端並在該輸出閘終端內界定柱塞,該柱塞接合至可撓性隔膜。可以在流體通道主體部分上形成可撓性泡罩。可以自流體通道主體部分移除材料,以形成與可撓性泡罩的內部流體連通的入口埠及出口埠。可以將驅動主體部分耦接至閘主體部分,且可以藉助可撓性隔膜將輸入閘終端與輸出閘終端分開。可以將閘主體部分耦接至流體通道主體部分。可以將驅動流體源以操作方式耦接至閘埠。可以將個體流體源以操作方式耦接至入口埠。當微流體閥處於敞開狀態時,可以將流體驅動機構以操作方式耦接至出口埠以由個體流體操作。
在一些實例中,形成微流體閥可以包括同時形成複數個微流體閥。將驅動主體部分耦接至閘主體部分可以包括將包括複數個驅動主體部分的驅動主體基板材料接合至包括複數個閘主體部分的閘主體基板材料。將閘主體部分耦接至流體通道主體部分可包括將包括複數個閘主體部分之閘主體基板材料接合至包括複數個流體通道主體部分的流體通道主體基板材料。
在一些實例中,自驅動主體部分移除材料,自閘主體部分移除材料以及自流體通道主體部分移除材料可以包括執行光微影操作以選擇性地移除材料。在流體通道主體部分上形成可撓性泡罩可包括在流體通道主體部分上形成區塊,在區塊及流體通道主體部分上方形成可撓性材料,以及移除區塊,同時在將可撓性材料留下以保持在流體通道主體部分上。移除區塊可包括使用選擇性材料移除過程移除區塊穿過入口埠或出口埠中之至少一者的材料。在區塊及流體通道主體部分上方形成可撓性材料以及在閘主體部分上形成可撓性隔膜中之每一者可包括形成彈性體材料。將流體驅動機構以操作方式耦接至出口埠可包括將微機電裝置、可擴展腔、活塞系統或觸覺回饋裝置中之至少一者以操作方式耦接至出口埠。在一些實施方式中,在流體通道主體部分上形成撓性泡罩可以包括形成撓性泡罩以具有小於將輸入閘終端及輸出閘終端分開的撓性隔膜的表面面積的表面面積。將閘主體部分耦接至流體通道主體部分可包括使柱塞鄰接抵靠可撓性泡罩。
根據本文中所描述的一般原理,可以將本文中所描述的任何實施方式的特徵彼此結合使用。在結合附圖及申請專利範圍閱讀以下詳細描述時,將更充分地理解此等及其他實施方式、特徵及優點。
本發明總體上針對微流體閥系統以及相關方法。如將在下文更詳細解釋的,本發明的實施方式可以包括微流體閥,該微流體閥具有安置在閥體內的腔內的可撓性隔膜。可撓性隔膜可將腔分成輸入閘終端及輸出閘終端。入口埠可經建構以將個體流體引導至限制區域中,而出口埠可經建構以當微流體閥處於敞開狀態時將個體流體引導出限制區域。柱塞可安置在腔內並耦接至可撓性隔膜。可撓性隔膜及柱塞可經建構以在腔內移動以在對輸入閘終端加壓時抑制個體流體自入口埠至出口埠的流動,並在對輸入閘終端減壓時允許個體流體流動。在一些實施方式中,可撓性泡罩可以位於輸出閘終端內並位於限制區域上方,微流體系統可以併入有此類微流體閥。亦揭示控制流體流動及製造微流體系統之相關方法。
以下將參考圖1至圖5提供對實例流體系統及閥(例如,微流體系統及微流體閥)的詳細描述。參考圖6至圖39,提供對微流閥製造的各個階段的詳細描述。參考圖40及圖41,分別提供處於敞開及閉合狀態的實例性微流體閥的詳細描述。參考圖42,提供對控制流體流流動之實例方法的詳細描述。參考圖43及圖44,提供製造微流體系統的實例方法的詳細描述。參考圖45至圖47提供對各種人工實境系統的詳細描述。參考圖48-50,提供對用於觸覺、人工實境及虛擬實境的實例系統及裝置的詳細描述。
本發明可以包括觸覺流體系統,其涉及控制(例如,停止、開始、限制、增加等)流體流動穿過流體通道。流體流動的控制可以藉助流體閥來完成。圖1根據本發明的至少一個實施方式示出用於控制流動穿過流體通道12的流體閥10的示意圖。來自流體源的流體(例如,加壓流體源,流體泵等)可自入口埠14流動穿過流體通道12至出口埠16,該流體通道可以操作方式耦接至例如流體驅動機構、另一流體通道或流體貯存器。
流體閥10可包括用於控制穿過流體通道12的流體流動的閘18。閘18可以包括閘傳輸元件20,其可以為可移動組件,其經建構以將輸入力、壓力或位移傳輸至限制區域22以限制或停止穿過流體通道12的流動。相反地,在一些實例中,向閘傳輸元件20施加力、壓力或位移可導致敞開限制區域22以允許或增加穿過流體通道12的流動。施加至閘傳輸元件20的力、壓力或位移可以被稱為閘力、閘壓力或閘位移。閘傳輸元件20可以為可撓性元件(例如,彈性體膜、隔膜等),剛性元件(例如,可移動活塞、槓桿等)或其組合(例如,耦合至彈性隔膜或隔板的可移動的活塞或槓桿)。
如圖1中所說明,流體閥10的閘18可以包括在閘傳輸元件20的相對側上的一或多個閘終端,諸如輸入閘終端24A及輸出閘終端24B(本文中統稱為「閘終端」統稱為「閘終端24」)。閘終端24可以為用於施加力(例如,壓力)至閘傳動元件20的元件。藉由舉例,閘終端24可以各自為或包括與閘傳輸元件20毗鄰的流體室。替代地或另外地,閘終端24中之一或多者可以包括諸如槓桿、螺絲或活塞之類的固體組件,該固體組件經建構以向閘傳輸元件20施加力。
在一些實例中,閘埠26可以與輸入閘終端24A流體連通,以在輸入閘終端24A內施加正或負流體壓力。控制流體源(例如,加壓流體源、流體泵等)可以與閘埠26流體連通,以選擇性地對輸入閘終端24A加壓及/或減壓。在額外實施方式中,可以其他方式(諸如利用壓電元件或機電致動器等)在輸入閘終端24A處施加力或壓力。
在圖1中所說明的實施方式中,輸入閘終端24A的加壓可能致使閘傳輸元件20朝向限制區域22位移,從而導致對輸出閘終端24B對應加壓。輸出閘終端24B的加壓繼而可致使限制區域22部分或完全限制以減少或停止流體流動穿過流體通道12。輸入閘終端24A的減壓可以致使閘傳動件20自限制區域22位移遠離,從而導致對輸出閘終端24B的對應減壓。輸出閘終端24B的減壓繼而可致使限制區域22部分或完全擴展以允許或增加流體流動穿過流體通道12。因此,流體閥10的閘18可用於控制自流體通道12的入口埠14至出口埠16的流體流動。
圖2為微流體系統100的示意性俯視圖,其包括微流體閥102,經建構以由微流體閥102啟動的流體驅動機構104,用於驅動微流體閥102的驅動流體源106,及用於使個體流體流動以啟動流體驅動機構104的個體流體源108。可以藉由微流體閥102的閘來控制個體流體的流動。閘埠110可在驅動流體源106與微流體閥102之間提供流體連通。入口埠112可以在個體流體源108與微流體閥102之間提供流體連通。出口埠114可以在微流體閥102與流體驅動機構104之間提供流體連通。微流體閥102可包括可在腔118內移動的柱塞116,以敞開及閉合微流體閥102以控制個體流體的流動。
微流體系統100可以包括基板120,微流體系統100的至少一些組件安置在基板120內或其上。舉例而言,基板120的至少一部分可以界定微流體閥102的閥體122、驅動流體源106、個體流體源108、閘埠110、入口埠112、出口埠114、腔118及/或流體驅動機構104中的一或多者。在一些實施方式中,基板120可以包括材料堆疊,諸如驅動主體部分,至少一種可撓性材料(例如,彈性材料),閘主體部分及/或流體通道主體部分。在一些實例中,術語「可撓性」可以表示能夠彎曲及/或返回至原始狀態而不會造成永久損壞。可撓性材料亦可以為可拉伸的。在一些實例中,基板120可以包括矽、二氧化矽、玻璃及/或剛性聚合物(例如,聚碳酸酯材料、丙烯酸材料、聚氨酯材料、氟化彈性體材料、聚矽氧烷材料等)中之至少一者。
流體驅動機構104可以為可藉由以微流體規模流動及/或加壓個體流體來驅動或控制的任何機構。藉由實例而非限制性,流體驅動機構104可包括微機電裝置(例如,所謂的「MEMS」裝置)、可擴展腔、活塞系統及/或觸覺回饋裝置中之至少一者。
驅動流體源106及個體流體源108中之每一者可以為可以將經加壓流體(例如,氣體(例如,空氣、氮氣等)或液體(例如,水、油等)提供至微流體閥102的任何源或機構。藉由實例而非限制性,驅動流體源106及個體流體源108可以各自為或包括加壓貯存器、風扇、泵,或活塞系統等。
視情況,在一些實施方式中,排氣出口124(在圖2中以虛線示出)可以與微流體閥102流體連通。排氣出口埠124可以使得微流體閥102內的一或多個室能夠隨著柱塞116往返移動擴展及/或收縮,以敞開或閉合微流體閥102,如下文將進一步詳細說明。
在一些實施方式中,微流體系統100可以併入在觸覺回饋裝置中,諸如供由人工實境(例如,虛擬實境、擴增實境、混合實境或複合實境)系統使用。微流體系統100可以經定位在經建構以向使用者提供觸覺回饋(例如,振動、壓力等)的可穿戴裝置(例如,頭帶、頭戴式顯示器、手套、臂章等)上或在其中。舉例而言,微流體系統100的流體驅動機構104可以為可擴展腔,其經建構以在敞開微流體閥102時用個體流體填充並擴展。擴展的腔可以壓抵使用者,且使用者可以感知來自擴展腔的壓力,諸如由使用者在人工實境中採取的動作所產生的壓力。藉由實例,微流體系統100可以併入在手套的手指中,且使用者可以在空間中使用其手指在人工實境環境中進行選擇。微流體系統100的可擴展腔可以用個體流體填充及擴展,以在使用者的手指上提供壓力點以確認使用者做出的選擇。壓力點可以提供使用者正在觸摸真實物件的感覺。替代地,流體驅動機構104可以包括偏心旋轉元件,當微流體閥102處於敞開狀態時,偏心旋轉元件可以由流動個體流體旋轉,從而產生振動感,作為使用者的觸覺回饋。
下文結合圖3A至圖5、圖40及圖41描述可用於微流體閥102的架構的實例。
圖3A至圖5說明根據本發明的至少一個實施方式的微流體閥200的各種視圖。舉例而言,在圖3A至圖5中所示出的微流體閥200可以用作圖2中所示出的微流體系統100的微流體閥102。
微流體閥200可以包括用於控制閘211的閘埠210。閘211可以控制個體流體穿過流體通道自入口埠212至出口埠214的流動。閘埠210、入口埠212及出口埠214可各自穿過閥體222並進入形成在閥體222中之腔218中。腔218可經劃分成被由可撓性隔膜234分開的輸入閘終端230及輸出閘終端232。閘埠210可以與輸入閘終端230流體連通。柱塞216可以安置在腔218內且可以經建構以往返移動(例如,自圖3A、圖4及圖5的角度上下移動)以敞開及閉合微流體閥200。該柱塞216可耦接至(例如,附接至、化學鍵合至、緊固至)可撓性隔膜234。柱塞216及可撓性隔膜234可以一起界定微流體閥200的閘傳輸元件。可撓性隔膜234可以由聚合物(例如,彈性體材料,諸如聚矽氧烷材料)形成。
在一些實施方式中,可撓性泡罩236可定位在輸出閘終端232內,在入口埠212與出口埠214之間,且在柱塞與入口埠212及出口埠214之間。可撓性隔膜236可以由聚合物(例如,彈性體材料,諸如聚矽氧烷材料)形成。可撓性泡罩236可以將輸出閘終端232與可撓性泡罩236內的流體通道的限制區域238(在圖4及圖5中識別)及在可撓性泡罩236之外部與可撓性隔膜234之間的輸出閘排氣室240(在圖4及圖5中識別)分開。柱塞216可以定位在輸出閘排氣室240內。在一些實施方式中,至少一個排氣出口224可以與輸出閘排氣室240流體連通,從而使得輸出閘排氣室240能夠自由地擴展(即,不受輸出閘排氣室240內的流體壓力的阻力)擴展且在輸入閘終端230的加壓及減壓時收縮。
閥體222可以包括驅動主體部分244,其至少部分地界定輸入閘終端230;閘主體部分246,其至少部分地界定柱塞216及/或輸出閘終端232;以及流體通道主體部分248,其至少部分地界定入口埠212及出口埠214。驅動主體部分244及閘主體部分246可以彼此分離且藉由可撓性隔膜234彼此耦接(例如,黏附,化學接合)。閘主體部分246及流體通道主體部分248可以彼此分離,且可以藉由形成可撓性泡罩236的可撓性材料250彼此耦接(例如,黏附、化學接合)。
藉由引入或汲取驅動流體穿過閘埠210來對輸入閘終端230進行充分的加壓及減壓可分別使柱塞216及可撓性隔膜234上下移動(自圖3A、圖4及圖5的角度來看)。因此,當輸入閘終端230被充分加壓時,柱塞216可以向下移動以限制(例如,收縮、阻塞)入口埠212與出口埠214之間的限制區域238。在一些實施方式中,柱塞216的向下運動可以壓抵可撓性泡罩236並使其變形(例如,壓下)以收縮限制區域238。阻塞限制區域238可以抑制(例如,減少或終止)自入口埠212至出口埠214的個體流體流動,因此閉合微流體閥200。
在輸入閘終端230充分減壓後,柱塞216可以向上移動以解除阻塞限制區域238。舉例而言,柱塞216的向上移動可以釋放可撓性泡罩236上的壓力,以允許限制區域238擴展。限制區域238的擴展可以藉由可撓性泡罩236的彈性性質及/或入口埠212的加壓中之一或兩者來實現。解除阻塞限制區域238可以允許個體流體自入口埠212流動至出口埠214,因此敞開微流體閥200。
在一些實例中,排氣出口224可用於對輸出閘排氣室240加壓及/或減壓,諸如,以促進阻塞或解除阻塞限制區域238。
藉由非限制性實例,腔218內的可撓性隔膜234的表面面積可以大於可撓性泡罩236的表面面積。當輸入閘終端230經加壓時,由柱塞216施加抵靠可撓性泡罩236的力可以與可撓性隔膜234的表面面積與可撓性泡罩236的表面面積的比成比例。因此,與可撓性泡罩236的表面面積相比,較大表面面積的可撓性隔膜234可以提供機械優勢,以較之表面面積相等的情況以輸入閘終端230中之驅動流體較低壓力來閉合微流體閥200。在一些實例中,平行於可撓性隔膜截取的腔218的剖面面積(即,腔室218內的可撓性隔膜234的表面面積)可以為約25 mm2或更少,諸如約1 mm2或更少。
如圖3A及圖3B中所示出,柱塞216及腔218可以各自具有帶圓形剖面的圓柱形狀。然而,本發明不限於此。例如,在額外實施方式中,柱塞216及/或腔218中之一或兩者可以具有正方形、矩形、卵圓形、橢圓形或不規則形的剖面形狀。可以選擇柱塞216、腔218、閘埠210、入口埠212及出口埠214的形狀及尺寸,以調整微流體閥200的機械、流體及功能性質。
圖6至圖41說明根據本發明的至少一個實施方式的微流體閥300的各個製造階段的剖面視圖。廣義地說,微流體閥300可以藉由形成及組裝驅動主體部分344、閘主體部分346及流體通道主體部分348而形成。圖6至圖15說明驅動主體部分344的各個製造階段的剖面視圖。圖16至圖25說明閘主體部分346的各個製造階段的剖面視圖。圖26至圖39說明流體通道主體部分348的各個製造階段的剖面視圖。圖40說明在驅動主體部分344、閘主體部分346及流體通道主體位置348組裝在一起之後,微流體閥300及其閘處於敞開狀態的剖面視圖。圖41說明閘處於閉合狀態的經組裝微流體閥300的剖面視圖。
參考圖6,可以選擇驅動主體基板材料352以進行處理以形成驅動主體部分344(在圖15中以其完成狀態示出)。藉由實例而非限制性,驅動主體基板材料352可以為或包括矽材料、二氧化矽材料、玻璃材料或剛性聚合物材料。在一些實施方式中,驅動主體基板材料352可以為待處理以包括各別微流體閥300(圖40)的複數個驅動主體部分344的晶圓或其他塊狀基板。
第一光阻劑材料354可以安置在驅動主體基板材料352的上表面上方,如圖7中所示出。如光微影領域中已知的,第一光阻劑材料354可以能夠經由選擇性地暴露於輻射(例如,紫外線光、紅外光等)及顯影來圖案化。舉例而言,可以藉由旋塗過程或另一沈積過程將第一光阻劑材料354施加至驅動主體基板材料352。
如圖8中所示出,可以將第一遮罩356定位在第一光阻劑材料354上方。第一遮罩356可以具有輻射阻塞部分及輻射透射部分(例如,透明部分或間隙)的圖案。可以經由第一遮罩356的輻射透射部分對第一光阻劑材料354進行選擇性地輻射,如由第一箭頭358所示出。輻射可以被第一遮罩356的輻射阻塞部分阻塞。第一光阻劑材料354的化學結構可以藉由暴露於輻射而變更,且可以相對於第一光阻劑材料354的未輻射部分選擇性地移除(例如,可溶)。
參考圖9,可以移除(例如顯影)第一光阻劑材料354的輻射部分。舉例而言,第一光阻劑材料354可以為所謂的正性光阻劑材料,其在被適當輻射物輻射之後變得可被顯影劑溶劑或其他化學物質移除(例如,可溶),而在未被輻射時不能被顯影劑溶劑或其他化學物質移除,如在光微影領域中已知。在顯影之後,可以通過第一光阻劑材料354的未輻射部分使位於第一光阻劑材料354的輻射部分之下的驅動主體基板材料352暴露。驅動主體基板材料352的暴露部分可以呈預定圖案(例如,形狀、尺寸、數目等)。
如在圖10中所示出,驅動主體基板材料352的暴露部分可經移除以在驅動主體基板材料352中至少部分地界定輸入閘終端330。藉由實例,可執行各向異性材料移除過程(例如,蝕刻過程)以移除驅動主體基板材料352的暴露部分。相對於第一光阻劑材料354的其餘未經輻射部分,材料移除過程對於驅動主體基板材料352可以為選擇性的。
參考圖11,可以諸如藉由正交各向同性或各向異性材料移除過程(例如,化學蝕刻過程、離子蝕刻過程、研磨過程、化學-機械平坦化(「CMP」)過程,暴露於溶劑等)自驅動主體基板材料352移除剩餘第一光阻劑材料354。
如圖12中所示出,驅動主體載體基板360可以附接至驅動主體基板材料352並形成在其中形成的輸入閘終端330上方,諸如經由黏合材料362。在圖12至圖15中以與圖6至圖11相反定向示出驅動主體基板材料352。
仍然參考圖12,第二光阻劑材料364可以安置在驅動主體基板材料352的與輸入閘終端330相對的表面上方。第二遮罩366可以位於第二光阻劑材料364上方,且可以經由第二遮罩366對第二光阻劑材料364進行選擇性輻射,如由第二箭頭368所示出。
藉由實例,第二光阻劑材料364可以為正性光阻劑材料,如上文參考第一光敏抗蝕劑材料354所解釋。因此,如在圖13中所示出,可以選擇性地移除(例如,顯影)第二光阻劑材料364的輻射部分,且第二光阻劑材料364的非輻射部分可以保留在驅動主體基板材料352上方。
參考圖14,可以移除驅動主體基板材料352的經由第二光阻劑材料364的其餘部分暴露的部分,例如藉助相對於第二光阻劑材料364對驅動主體基板材料352具有選擇性的各向異性材料移除過程(例如,蝕刻過程)。此材料移除過程可以在驅動主體基板材料352中形成閘埠310,該閘埠可以與輸入閘終端330流體連通。
如圖15中所示出,第二光阻劑材料364及驅動主體載體基板360可以自驅動主體基板材料352移除(例如顯影),且驅動主體部分344可以藉由所得結構來界定。驅動主體部分344可以包括閘埠310及輸入閘終端330。在其中將形成多個各別微流體閥300的多個驅動主體部分344的實施方式中,晶圓或其他塊狀基板的多個驅動主體部分344可在此時或在稍後時間彼此分開(例如,切割),如下文將進一步所描述。
如上文所述,圖16至圖25說明閘主體部分346的製造的各個階段。參考圖16,可以選擇閘主體基板材料370以進行處理以形成閘主體部分346(在圖25中以其完成狀態示出)。藉由實例而非限制性,閘主體基板材料370可以為或包括矽材料、二氧化矽材料、玻璃材料或剛性聚合物材料。在一些實施方式中,閘主體基板材料370可以呈待處理以包括各別微流體閥300(圖40)的複數個閘主體部分346的晶圓或其他塊狀基板形式。
參考圖17,可以在閘主體基板材料370上方形成第一蝕刻停止材料372,諸如二氧化矽。藉由實例而非限制,第一蝕刻停止材料372可以藉由化學汽相沈積(「CVD」)過程、電漿增強CVD(「PECVD」)過程、第一擴散過程等形成。
如圖18中所示出,第二蝕刻停止材料374,諸如二氧化矽,可以形成在閘主體基板材料370的與第一蝕刻停止材料372相對的表面上。藉由實例而非限制,第二蝕刻停止材料374可以藉由化學汽相沈積(「CVD」)過程、電漿增強CVD(「PECVD」)過程、第一擴散過程等形成。
參考圖19,可以在第一蝕刻停止材料372上方形成第一可撓性材料376。第一可撓性材料376可以為例如聚合物材料(例如,彈性體材料,諸如聚矽氧烷材料)。在一些實例中,第一可撓性材料376可以化學接合至第一蝕刻停止材料372,第一蝕刻停止材料372可又化學接合至閘主體基板材料370。在一些實施方式中,在第一蝕刻停止材料372上方形成第一可撓性材料376之前,可以對第一蝕刻停止材料372進行電漿處理,諸如用於第一可撓性材料376與第一蝕刻停止材料372之間的經改良接合。
在圖20中,以相對於圖19相反定向示出閘主體基板材料,第一蝕刻停止材料372、第二蝕刻停止材料374及第一可撓性材料376。第三光阻劑材料378可以形成在第二蝕刻停止材料374上方,且第三遮罩380可以位於第三光阻劑材料378上方。可以經由第三遮罩380對第三光阻劑材料378進行輻射,如由第三箭頭382示出。
藉由實例,第三光阻劑材料378可以為所謂負性光阻劑材料,其在未經輻射使可溶於顯影劑中且在經輻射時不可溶於顯影劑中。如圖21中所示出,可以移除(例如顯影)第三光阻劑材料378的未經輻射的部分以暴露第二蝕刻停止材料374的下伏部分。
參考圖22,可以移除第二蝕刻停止材料374的暴露部分,以暴露閘主體基板材料370的下面部分。
如圖23中所示出,可以將閘主體基板材料370的暴露部分移除,諸如藉助相對於第三光阻劑材料378、第一蝕刻停止材料372及/或第二蝕刻停止材料374的其餘部分對閘主體基板材料370具有選擇性的各向異性材料移除過程(例如,諸如幹反應離子蝕刻過程的蝕刻過程)。此材料移除過程可以在閘主體基板材料370中形成溝槽,且可以在溝槽的底部暴露第一蝕刻停止材料372的部分。
在一些實施方式中,可以接合參考圖21至圖23所描述的材料移除過程形成可選排氣出口埠324(如圖41中所示出)。舉例而言,第三光阻劑材料378可以經由第三遮罩380暴露於輻射,且可以經顯影以形成包括排氣出口埠324的圖案。可藉由上文所描述材料移除過程將第三光阻劑材料378中之圖案轉印至第二蝕刻停止材料374及閘主體基板材料370,以形成溝槽及排氣出口埠324兩者。
如圖24中所示出,然後可以諸如藉由相對於第一可撓性材料376對第一蝕刻停止材料372具有選擇性的材料移除過程,將第一蝕刻停止材料372的暴露部分自溝槽的底部移除。參考圖21至圖24所描述的材料移除過程可以界定輸出閘終端332及在輸出閘終端332內的柱塞316。
參考圖25,可以移除第三光阻劑材料378,且所得結構可以包括閘主體部分346及柱塞316。柱塞316可以藉由輸出閘終端332在物理上與毗鄰閘主體部分346分離。然而,柱塞316可以經由第一可撓性材料376耦接至閘主體部分346,該第一可撓性材料376可以界定跨越輸出閘終端332的可撓性隔膜334。第一可撓性材料376可以化學接合至閘主體部分346及柱塞316。柱塞316及可撓性隔膜334可以一起界定閘傳輸元件。在其中將形成多個各別微流體閥300的多個閘主體部分346的實施方式中,晶圓或其他塊狀基板的多個閘主體部分346可在此時或在稍後時間彼此分開(例如,切割),如下文將進一步所描述。
如上文所述,圖26至圖39說明流體通道主體部分348的製造的各個階段。參考圖26,可以選擇流體通道主體基板材料386以進行處理以形成流體通道主體部分348(在圖39中以其完成狀態示出)。藉由實例而非限制性,流體通道主體基板材料386可以為或包括矽材料、二氧化矽材料、玻璃材料或剛性聚合物材料。在一些實施方式中,流體通道主體基板材料386可以呈待處理以包括各別微流體閥300(圖40)的複數個流體通道主體部分348的晶圓或其他塊狀基板形式。
如圖27中所示出,第四光阻劑材料388可以安置在流體通道主體基板材料386的表面上方。藉由實例,第四光阻劑材料388可以為負性光阻劑材料,如上文參考第三光阻劑材料378所解釋。
參考圖28,第四遮罩390可以定位於第四光阻劑材料388上方,且輻射可以經引導穿過第四遮罩390至第四光阻劑材料388的暴露部分,如圖28中之第四箭頭392所示出。
在圖29中,可以藉由顯影劑移除第四光阻劑材料388的未被輻射部分,以選擇性地暴露下伏流體通道主體基板材料386的部分。金屬材料394可以沈積在剩餘的第四光阻劑材料388及流體通道主體基板材料386的暴露部分上方。藉由實例,金屬材料394可以藉由物理汽相沈積(「PVD」)過程(諸如濺射過程)來沈積。金屬材料394可以為或包括例如鋁材料。
參考圖30,可以移除第四光阻劑材料388及其上的金屬材料394的一部分,從而在流體通道主體基板材料386上留下金屬材料394的圖案。剩餘金屬材料394可以形成著陸墊,當阻塞流體通道中之限制區域時,將可撓性泡罩壓抵該著陸墊。
參考圖31,可以在流體通道主體基板材料386及金屬材料394上方安置第五光阻劑材料396。第五光阻劑材料396可以為正性光阻劑材料,如上文參考第一光阻劑材料354所描述。可以將第五遮罩398定位於第五光阻劑材料396上方,且可以對總成進行輻射以選擇性地暴露第五光阻劑材料396的部分,如由第五箭頭400所示出。
如在圖33中所示出,亦可將第五光阻劑材料396的經輻射部分移除,留下第五光阻劑材料396在金屬材料394及流體通道主體基板材料386的毗鄰部分上方的區塊402。
參考圖34,可以對第五光阻劑材料396進行熱處理以使第五光阻劑材料396的區塊402的上拐角變圓,從而形成經修圓區塊404。可以基於構成區塊402的材料的類型,其對熱的物理反應(例如,拐角的水平修圓)以及在熱處理之後所得的經修圓區塊404的所要輪廓來選擇熱處理的溫度及時間。經修圓區塊404可以形成將在其上方形成可撓性泡罩的基礎結構,如下文進一步解釋。因此,可以基於所得可撓性泡罩的所要形狀來選擇經修圓區塊404的形狀。
參考圖35,第二可撓性材料406可以安置在流體通道主體基板材料386上方及經修圓區塊404上方。舉例而言,第二可撓性材料406可以為聚合物材料(例如,彈性材料,諸如聚矽氧烷材料)。第二可撓性材料406在經修圓區塊404上方的部分可以界定可撓性泡罩336。
在圖36至圖38中,以相對於圖26至圖35相反定向說明流體通道主體基板材料386、金屬材料394、第五光阻劑材料396的經修圓區塊404及第二可撓性材料406。
參考圖36,第六光阻劑材料408可以安置在流體通道主體基板材料386的與第二可撓性材料406相對的表面上方。第六光阻劑材料408可以為負性光阻劑材料,如上文參考第三光阻劑材料378所解釋。第六遮罩410可以定位於第六光阻劑材料408上方。可以經由第六遮罩410對第六光阻劑材料408進行輻射,如由第六箭頭412所示出,以將第六遮罩410的圖案轉印至第六光阻劑材料408。
參考圖37,可以將第六光阻劑材料408的未經輻射的部分移除,以經由第六光阻劑材料408的其餘部分暴露流體通道主體基板材料386的部分。
如圖38中所示出,可以在各向異性材料移除過程中,諸如蝕刻過程(例如,化學蝕刻過程、幹反應離子蝕刻過程等)中移除流體通道主體基板材料386的暴露部分,如在光微影領域中為眾所周知的。此材料移除過程可以在流體通道主體基板材料386中形成孔,該等孔將在所得微流體閥300中限定入口埠312及出口埠314(參加見圖40)。可以經由入口埠312及出口埠314暴露在第二可撓性材料406下方的經修圓區塊404的第五光阻劑材料396。
在圖39中,相對於圖36至圖38中所示的結構以倒置定向(即,以與圖26至圖35中相同定向)示出結構。如在圖39中所示出,可以例如藉由各向同性材料移除過程(例如,濕蝕刻過程、化學蝕刻過程,等)經由入口埠312及出口埠314移除經修圓區塊404的第五光阻劑材料396,如在光微影領域中為眾所周知的。此時,可以形成並界定可撓性泡罩336及在入口埠312與出口埠314之間的流體通道的限制區域338。另外,亦可以形成並界定流體通道主體部分348。在其中將形成多個各別微流體閥300的多個流體通道主體部分348的實施方式中,晶圓或其他塊狀基板的多個流體通道主體部分348可在此時或在稍後時間彼此分開(例如,切割),如下文將進一步所解釋。
接下來,驅動主體部分344(圖15)、閘主體部分346(圖25)及流體通道主體部分348(圖39)可以組裝並彼此耦接以形成微流體閥300,如在圖40中所示出。在一些實例中,驅動主體部分344、閘主體部分346及流體通道主體部分348的單個單元(例如,晶粒)可以形成並單獨組裝並彼此耦接以形成一個微流體閥300。替代地,分別包括驅動主體部分344、閘主體部分346及流體通道主體部分348的多個單元的晶圓或其他塊狀基板可以彼此對準、組裝並耦接。然後,複數個微流體閥300可以彼此分離(例如,切削、切割等)並且同時形成。
在一些實例中,驅動主體部分344、閘主體部分346及流體通道主體部分348可以經組裝並藉助黏合劑材料彼此耦接。在另外實例中,驅動主體部分344、閘主體部分346及流體通道主體部分348可以經組裝並且經由化學接合彼此耦接。例如,驅動主體部分344、閘主體部分346及流體通道主體部分348可以彼此壓抵及/或熱處理以形成化學接合。可以在驅動器主體部分344、閘主體部分346及流體通道主體部分348之間的介面處施加一或多種接合劑,以促進在腸道組件之間形成化學接合。
如在圖40中所示出,在將閘主體部分346組裝至流體通道主體部分348上時,由於可撓性泡罩336的結構,柱塞316可能被迫向上(相對於圖40的透視圖)遠離流體通道主體部分348。可撓性隔膜334可以拉伸以使得柱塞316能夠處於圖40中所示出的位置。在一些實施方式中,在不施加任何流體力或壓力的情況下,可撓性泡罩336的結構可足以將柱塞316保持在此向上位置中。在額外實施方式中,在入口埠312的加壓、輸入閘終端330的減壓及/或輸出閘排氣室340的加壓時,可將柱塞316迫使至向上位置(圖40)中。當柱塞316處於圖40中所說明的向上位置中時,限制區域338可能會為阻塞,微流體閥300可能會處於敞開狀態,且個體流體可能會自入口埠312流動至出口埠314(並最終至流體驅動機構)。
在圖41中,微流體閥300經說明處於閉合狀態,其中柱塞316朝向流體通道主體部分348處於向下(相對於圖41的透視圖)位置。柱塞316可壓抵可撓性泡罩336並使其變形,以阻塞入口埠312與出口埠314之間的限制區域338(圖40)。在經由閘埠310對輸入閘終端330充分加壓及/或經由排氣口324對輸出閘排氣室340減壓時,柱塞316可移動至此向下位置。
圖41亦說明形成在驅動主體部分344、閘主體部分346及流體通道主體部分348的表面上的可選對準標記414(以虛線示出)。對準標記414可以視情況在各別驅動主體部分344、閘主體部分346及/或流體通道主體部分348的製造期間形成。舉例而言,對準標記414可以藉由列印(例如,噴墨列印)過程、蝕刻過程及/或光微影過程形成。對準標記414(若存在)可促進對準驅動主體部分344、閘主體部分346及流體通道主體部分348,以使其正確組裝。替代地,形成在驅動主體部分344、閘主體部分346及流體通道主體部分348中之其他特徵可以用於在組裝期間促進此等結構的對準,諸如輸入閘終端330的邊緣、輸出閘終端332的邊緣、入口埠312及/或出口埠314等。
圖42為根據本發明的至少一個實施方式說明控制微流體系統中之個體流體的流動之方法500的流程圖。在操作510處,可以將個體流體自入口埠至出口埠輸送穿過流體通道的限制區域。舉例而言,如上文所描述,限制區域可以在輸出閘終端內且可以由可撓性泡罩的內部界定。在一些實例中,輸送至出口埠中之流體可以流動至流體驅動機構以啟動流體驅動機構。藉由非限制性實例,流體驅動機構可以為人工實境系統的觸覺回饋裝置。
在操作520處,可藉由閘傳輸元件(例如,耦接至柱塞的可撓性隔膜)使驅動流體流動至與輸出閘終端分開的輸入閘終端中。舉例而言,如上文所描述,驅動流體可以自驅動流體源經由閘埠引入至輸入閘終端中。
在操作530處,可以移動閘傳輸元件以壓抵位於輸出閘終端內的可撓性泡罩並使其變形。輸出閘終端可以藉由可撓性泡罩與限制區域分開。舉例而言,閘傳輸元件可以回應於流動至輸入閘終端的驅動流體而運動。
在操作540處,藉由用變形的可撓性泡罩阻塞限制區域,可以抑制自入口埠至出口埠的個體流體的流動。舉例而言,如上文所描述述,限制區域可以藉由可撓性泡罩的變形而收縮。以此方式,微流體閥可以操作至閉合狀態。若期望將微流體閥自閉合狀態操作至敞開狀態,則方法500亦可包括經由閘埠自輸入閘終端汲取驅動流體以移動閘傳輸元件以釋放對可撓性泡罩的壓力並解除阻塞限制區域。
圖43及圖44為根據本發明的至少一個實施方式分別說明製造微流體系統之方法600及700的流程圖。
參考圖43,方法600可以包括在微流體閥體內形成腔的操作610,流體閥主體可為或包括矽材料、二氧化矽材料、玻璃材料或剛性聚合物材料中之至少一者。舉例而言,如上文所描述,可以在微流體閥體的驅動主體部分內形成輸入閘終端,且可以在微流體閥體的閘主體部分內形成輸出閘終端。可以執行至少一次光微影操作以在微流體閥體內形成腔。腔可形成為具有約25 mm2或更小的剖面面積,諸如約1 mm2或更小。
在操作620處,可以將閘傳輸元件定位在腔內以將輸入閘終端與輸出閘終端分開,諸如藉由在閘主體部分的表面上安置可撓性隔膜並將柱塞耦接至可撓性隔膜上。閘主體部分及驅動主體部分可以彼此耦接。
在一些實施方式中,流體通道主體部分可在閘主體部分的與驅動主體部分相反的一側上耦接至閘主體部分。
在操作630處,可以在微流體閥體內形成流體通道以包括入口埠、限制區域及出口埠。閘傳輸元件可以經定位及經建構以在輸入閘終端的加壓及減壓時往返移動以限制限制區域,以在輸入閘終端加壓時抑制個體流體自入口埠至出口埠的流動。類似地,閘傳輸元件可以經建構以在輸入閘終端減壓時往返移動以允許或增加個體流體自入口埠至出口埠的流動。可撓性泡罩可將限制區域與輸出閘終端的輸出閘排氣室分開。因此,可撓性泡罩可形成在限制區域上方並位於輸出閘終端內。排氣出口可以形成在微流體閥體中,與輸出閘排氣室流體連通。
參考圖44,製造微流體系統之方法700可以包括形成微流體閥,如操作710處所示出。可以如上文所描述形成微流體閥。舉例而言,可以自微流體閥體的驅動主體部分移除材料(例如,藉由執行至少一個光微影操作),以形成輸入閘終端及進入輸入閘終端的閘埠。可撓性隔膜可以形成在微流體閥體的閘主體部分上。舉例而言,可撓性隔膜可以為或包括聚合物材料(例如,彈性體材料,諸如聚矽氧烷材料)。可以自閘主體部分移除材料(例如,藉由執行至少一個光微影操作),以形成輸出閘終端並在輸出閘終端內界定柱塞。柱塞可以接合至可撓性隔膜上,但可以其他方式與閘主體部分分開。可以在微流體閥體的流體通道主體部分上形成可撓性泡罩,且可以自流體通道主體部分移除材料(例如,藉由執行至少一個光微影操作)以形成入口埠及出口埠。入口埠和出口埠可與可撓性泡罩的內部流體連通。驅動主體部分可以耦接至閘主體部分。輸入閘終端可以藉助可撓性隔膜與輸出閘終端分開。可以將閘主體部分耦接至流體通道主體部分。
在一些實例中,形成微流體閥可以包括同時形成複數個微流體閥。將驅動主體部分耦接至閘主體部分可以包括將包括複數個驅動主體部分的驅動主體基板材料接合至包括複數個閘主體部分的閘主體基板材料。將閘主體部分耦接至流體通道主體部分可包括將包括複數個閘主體部分之閘主體基板材料接合至包括複數個流體通道主體部分的流體通道主體基板材料。在閘主體部分耦接至流體通道主體部分之後,柱塞可鄰接抵靠可撓性泡罩。
在一些實例中,在流體通道主體上形成可撓性泡罩可以包括在流體通道主體部分上形成區塊。區塊可以經修圓,諸如藉由對區塊進行熱處理。可以在區塊及流體通道主體部分上方形成可撓性材料(例如,彈性材料,諸如聚矽氧烷材料)。可以移除區塊,同時保留可撓性材料以保持在流體通道主體部分上。舉例而言,藉由使用選擇性材料移除過程將穿過入口埠或觸控埠中之至少一者的區塊的材料移除來移除區塊。可撓性泡罩可以經形成以具有小於可撓性隔膜的表面面積的表面面積,以便提供用於操作微流體閥的機械優勢。
在操作720處,可以將驅動流體源以操作方式耦接至微流體閥的閘埠。舉例而言,驅動流體源可以為或可以包括加壓儲器、風扇、泵或活塞系統等,其可以放置成與閘口流體連通。
在操作730處,可將個體流體源以操作方式耦接至微流體閥(例如,流體通道)的入口埠。舉例而言,個體流體源可以為或可以包括加壓儲器、風扇、泵或活塞系統等,其可以放置成與閘口流體連通。
在操作740處,可將流體驅動機構以操作方式耦接至微流體閥(例如,流體通道)的出口埠。當微流體閥處於敞開狀態時,流體驅動機構可以由個體流體操作。舉例而言,流體驅動機構可以包括MEMS裝置、可擴展腔、活塞系統及/或觸覺回饋裝置中之至少一者。
因此,揭示用於控制流體流動的微流體閥以及相關系統及方法。該等微流體閥可包括:閥體,其中具有至少一個腔;以及閘傳輸元件,其將腔劃分成輸入閘終端及輸出閘終端。閘傳輸元件可包括耦接至可撓性隔膜的柱塞。閘傳輸元件可以經建構以在腔內移動以在輸入閘終端加壓時抑制自流體通道的入口埠至出口埠的個體流體流動,且在對輸入閘終端減壓時允許個體流體流動。所揭示概念可以提供經改良架構及方法,其能夠且促進以微流體規模控制流體流動。
本發明的實施方式可以包括各種類型的人工實境系統或與之結合實施。人工實境係在向使用者呈現之前已以某一方式調整的實境形式,其可包括例如虛擬實境(VR)、擴增實境、混合實境(MR)、複合實境,或其某一組合及/或衍生物。人工實境內容可包括完全生成的內容或與所捕獲(例如,真實世界)內容組合之生成的內容。人工實境內容可包括視訊、音訊、觸覺回饋或其某一組合,其中任何一者可在單一通道或多個通道中呈現(諸如向觀眾產生三維效果的立體視訊)。另外,在一些實施方式中,人工實境亦可與用於例如在人工實境中創建內容及/或以其他方式用於人工實境中(例如,在其中執行活動)的應用程式、產品、附件、服務或其某一組合相關聯。
可以各種不同的外觀尺寸及組態來實施人工實境系統。一些人工實境系統可以經設計為在無近眼顯示器(NED)的情況下工作,其實例為圖45中之人工實境系統800。其他人工實境系統可以包括NED,其亦提供對實境世界的可見性(例如,圖46中之人工實境系統900)或將使用者在視覺上沉浸在人工實境中(例如,圖47中之VR系統1000)。雖然一些人工實境裝置可以為整裝系統,但其他人工實境裝置可以與外部裝置通信及/或協調以向使用者提供人工實境體驗。此類外部裝置的實例包括手持控制器、行動裝置、台式電腦桌上型電腦、使用者佩戴的裝置,一或多個其他使用者佩戴的裝置及/或任何其他合適的外部系統。
轉向圖45,人工實境系統800通常表示可穿戴裝置,該可穿戴裝置經定尺寸以適合使用者的身體部位(例如,頭部)。如圖A5中所示出,人工實境系統800可以包括框架802及相機總成804,該相機總成耦接至框架802且經建構以藉由觀察局部環境來收集關於局部環境的資訊。人工實境系統800亦可包括一或多個音訊裝置,諸如輸出音訊換能器808(A)及808(B)以及輸入音訊換能器810。輸出音訊換能器808(A)及808(B)可以向使用者提供音訊回饋及/或內容,且輸入音訊換能器810可以在使用者的環境中捕獲音訊。
如所示出,人工實境系統800可以不必包括位於使用者眼睛前面的NED。無NED的人工實境系統可能會採用各種形式,諸如頭帶、帽子、發帶、皮帶、手錶、腕帶、腳腕帶、戒指、頸帶、項鏈、胸帶、眼鏡架及/或任何其他任何類型或形式的設備。雖然人工實境系統800可以不包括NED,但人工實境系統800可以包括其他類型的螢幕或視覺回饋裝置(例如,集成至框架802的側面的顯示螢幕)。人工實境系統800可以包括一或多個觸覺回饋裝置812,其可以為或包括圖1的流體系統10及/或圖2的微流體系統100。
本發明中所論述的實施方式亦可以在包括一或多個NED的人工實境系統中實施。舉例而言,如圖46中所示出,人工實境系統900可以包括具有框架910的眼鏡裝置902,該框架910經建構以將左顯示裝置915(A)及右顯示裝置915(B)保持在使用者的眼睛前面。顯示裝置915(A)及915(B)可以一起或獨立地動作以向使用者呈現影像或一系列影像。雖然人工實境系統900經說明為包括兩個顯示器,但本發明的實施方式可以在具有單個NED或多於兩個NED的人工實境系統中實施。
在一些實施方式中,人工實境系統900可以包括一或多個感測器,諸如感測器940。感測器940可以回應於人工實境系統900的運動而生成量測信號,且可以位於框架910的基本上任何部分上。感測器940可以包括位置感測器、慣性量測單元(IMU)、深度攝影機總成,或任何組合。在一些實施方式中,人工實境系統900可以包括或可以不包括感測器940,或可以包括多於一個感測器。在感測器940包括IMU的實施方式中,IMU可以基於來自感測器940的量測信號來生成校準資料。感測器940的實例可以包括(但不限於)加速計、陀螺儀、磁力計、偵測運動的其他合適類型的感測器,用於IMU的錯誤校正的感測器或其某一組合。
人工實境系統900亦可以包括帶有複數個聲響感測器920(A)至920(J)的麥克風陣列,其統稱為聲響感測器920。聲響感測器920可以為偵測由聲波引起的氣壓變化的換能器。每一聲響感測器920可以經建構以偵測聲音並將所偵測聲音轉換成電子格式(例如,類比或數位格式)。圖46中之麥克風陣列可以包括,例如,十個聲響感測器:920(A)及920(B)(其可以經設計為放置在使用者的對應耳朵內),聲響感測器920(C)、920(D)、920(E)、920(F)、920(G)及920(H)(其可以定位於框架910上的各個位置處)及/或聲響感測器920(1)及920(J)(其可以定位於對應頸帶905上)。
麥克風陣列的聲響感測器920的組態可以變化。雖然在圖46中將人工實境系統900示出為具有十個聲響感測器920,但聲響感測器920的數目可以大於或小於十。在一些實施方式中,使用更多數目的聲響感測器920可以增加所收集的音訊資訊的量及/或音訊資訊的靈敏度及準確性。相反,使用較少數目的聲響感測器920可以降低控制器950處理所收集的音訊資訊所需的計算能力。另外,麥克風陣列的每一聲響感測器920的位置可以變化。舉例而言,聲響感測器920的位置可以包括在使用者上的所界定位置,在框架910上的界定座標,與每一聲響感測器相關聯的定向,或其某一組合。
聲響感測器920(A)及920(B)可以位於使用者耳朵的不同部分上,諸如在耳廓後面或在耳部或耳窩內。或者,除了耳道內部的聲音感測器920之外,在耳朵上或周圍亦可能存在額外聲音感測器。將聲響感測器定位在使用者的耳道附近可以使得麥克風陣列能夠收集關於聲音如何到達耳道的資訊。藉由將至少兩個聲響感測器920定位在使用者頭部的任一側上(例如,作為雙耳麥克風),人工實境裝置900可以模擬雙耳聽力並捕獲圍繞使用者頭部的3D立體聲聲場。在一些實施方式中,聲響感測器920(A)及920(B)可以經由有線連接而連接至人工實境系統900,且在其他實施方式中,聲響感測器920(A)及920(B)可以經由無線連接(例如,藍芽連接)連接至人工實境系統900。在其他實施方式中,聲響感測器920(A)及920(B)可以根本不與人工實境系統900結合使用。
框架910上的聲響感測器920可以沿著鏡腿的長度,跨過橋接件,在顯示裝置915(A)及915(B)上方或下方,或其某一組合而定位。聲響感測器920可以經定向,使得麥克風陣列能夠在圍繞佩戴人工實境系統900的使用者的廣泛方向範圍上偵測聲音。在一些實施方式中,可以在人工實境系統900的製造期間執行優化過程,以判定麥克風陣列中之每一聲響感測器920的相對定位。
人工實境系統900可以進一步包括或連接至諸如頸帶905的外部裝置(例如,配對裝置)。如所示出,頸帶905可以經由一或多個連接器930耦接至眼鏡裝置902。連接器930可以為有線或無線連接器,且可以包括電及/或非電(例如,結構)組件。在一些狀況下,眼鏡裝置902及頸帶905可以獨立地操作,而在其之間無任何有線或無線連接。雖然圖46在眼鏡裝置902及頸帶905上的實例位置中說明眼鏡裝置902及頸帶905的組件,但該等組件可以在眼鏡裝置902及/或頸帶905上以其他方式及/或不同地分佈。在一些實施方式中,眼鏡裝置902及頸帶905的組件可以位於與眼鏡裝置902、頸帶905或其某一組合配對的一或多個額外外圍裝置上。此外,頸帶905通常表示任何類型或形式的配對裝置。因此,對頸帶905的以下論述亦可以適用於各種其他配對裝置,諸如智慧型手錶、智慧型電話、腕帶、其他可穿戴裝置、手持控制器、平板電腦、膝上型電腦等。
將諸如頸帶905之類的外部裝置與人工實境眼鏡裝置配對可以使得眼鏡裝置實現一副眼鏡的外觀尺寸,同時仍然為擴展能力提供足夠的電池及計算能力。人工實境系統900的電池功率、計算資源及/或額外特徵中之一些或全部可以由配對裝置提供或在配對設備與眼鏡裝置之間共享,因此減小眼鏡裝置總體的重量、熱量分佈及外形尺寸,同時仍保留所要功能。例如,頸帶905可允許將原本將包括在眼鏡裝置中之組件包括在頸帶905中,因為使用者可在其肩部承受比其在其頭部或面部承受較重的重量負荷。頸帶905亦可以具有較大的表面面積,在該較大表面面積上,可以將熱量擴散及分散至周圍環境。因此,與在獨立眼鏡裝置上原本可能的電池及計算能力相比,頸部帶905可允許更大的電池及計算能力。由於在頸帶905中承載的重量可能比在眼鏡裝置902中承載的重量對使用者的侵入性小,因此與使用者原本承受較重獨立眼鏡裝置相比,使用者可以承受佩戴較輕的眼鏡中之並攜帶或佩戴配對裝置達更長時間,因此可以將人工實境環境更全面地融入使用者的日常活動中。
頸帶905可以與眼鏡裝置902及/或其他裝置通信地耦接。其他裝置可以向人工實境系統900提供某些功能(例如,追蹤、定位、深度映射、處理、存儲、觸覺回饋等)。在圖46的實施方式中,頸帶905可以包括兩個聲響感測器(例如,920(1)及920(J)),其為麥克風陣列的一部分(或潛在地形成其特有麥克風子陣列)。頸帶905亦可以包括控制器925及電源935。
頸帶905的聲響感測器920(1)及920(J)可以經建構以偵測聲音並將所偵測聲音轉換成電子格式(類比或數位)。在圖46的實施方式中,聲響感測器920(1)及920(J)可以被定位在頸帶905上或其中,因此增加頸帶聲響感測器920(1)及920(J)與位於眼鏡裝置902上的其他聲響感測器920之間的距離。在一些狀況下,增加麥克風陣列的聲響感測器920之間的距離可以改良經由麥克風陣列執行的波束形成的準確性。舉例而言,若聲音由聲響感測器920(C)及920(D)偵測到,且聲響感測器920(C)與920(D)之間的距離大於例如聲響感測器920(D)與920(E)之間的距離,則與在由聲音感測器920(D)及920(E)所偵測到聲音相比,所偵測的聲音的所判定源位置可為更準確。
頸帶905的控制器925可以處理由在頸帶905及/或人工實境系統900上的感測器生成的資訊。舉例而言,控制器925可以處理來自麥克風陣列的資訊,該資訊描述由麥克風陣列所偵測到的聲音。對於每一所偵測到的聲音,控制器925可以執行DoA估計以估計所偵測到的聲音到達麥克風陣列的方向。當麥克風偵測到聲音時,控制器925可以用該資訊填充音訊資料集。在人工實境系統900包括慣性量測單元的實施方式中,控制器925可以自位於眼鏡裝置902上的IMU計算所有慣性及空間計算。連接器930可以在人工實境系統900與頸帶905之間以及在人工實境系統900與控制器925之間傳遞資訊。該資訊可以為光資料、電資料、無線資料或任何其他可傳輸資料形式。將由人工實境系統900生成的資訊的處理移動至頸帶905可以減輕眼鏡裝置902中之重量及熱量,從而使使用者更舒適。
頸帶905中之電源935可以將功率提供至眼鏡裝置902及/或頸帶905。電源935可以包括(但不限於)鋰離子電池、鋰聚合物電池、一次鋰電池、鹼性電池或任何其他形式蓄電裝置。在一些狀況下,電源935可以為有線電源。在頸帶905上而非在眼鏡裝置902上包括電源935可以幫助更好地分配由電源935產生的重量及熱量。
人工實境系統900可以包括一或多個觸覺回饋裝置945,其可以為或包括圖1的流體系統10及/或圖2的微流體系統100。觸覺回饋裝置945可以併入在眼鏡裝置902中以向使用者的頭部或面部提供觸覺回饋,及/或可以併入在頸帶905或另一可佩戴裝置(例如,手套、頭帶、臂章,等)向使用者的脖子或另一身體部位提供觸覺回饋。
如所述,一些人工實境系統可以代替將人工實境與實際實境混合,而基本上用虛擬體驗來代替使用者對真實世界的一或多種感官知覺。此類型系統的一個實例為頭戴式顯示系統,諸如圖47中之VR系統1000,其大部分或完全覆蓋使用者的視野。VR系統1000可以包括前剛性主體1002及綁帶1004,綁帶1004經塑形以適合於圍繞使用者的頭部。VR系統1000亦可以包括輸出音訊換能器1006(A)及1006(B)。一或多個觸覺回饋裝置1008可以為或包括圖1的流體系統10及/或圖2的微流體系統100,亦可以包括在VR系統1000中,諸如(但不限於)在綁帶1004中或其上。此外,雖然在圖47中未示出,但前剛性體1002可以包括一或多個電子元件,包括一或多個電子顯示器,一或多個慣性量測單元(IMU),一或多個追蹤發射器或偵測器及/或用於創建人工實境體驗的任何其他合適裝置或系統。
人工實境系統可以包括各種類型的視覺回饋機構。舉例而言,人工實境系統900及/或VR系統1000中之顯示裝置可以包括一或多個液晶顯示器(LCD)、發光二極體(LED)顯示器,有機LED(OLED)顯示器及/或任何其他合適類型的顯示螢幕。人工實境系統可能包括兩隻眼睛的單個顯示螢幕,或可能為每隻眼睛提供一顯示螢幕,此可以為變焦調整或校正使用者的折射異常提供額外的靈活性。一些人工實境系統亦可以包括具有一或多個透鏡(例如,習用凹透鏡或凸透鏡的菲涅耳透鏡、可調整液體透鏡等)的光學子系統,使用者可以經由該等透鏡觀看顯示螢幕。
除了或代替使用顯示螢幕,一些人工實境系統可以包括一或多個投影系統。例如,人工實境系統900及/或VR系統1000中之顯示裝置可以包括將光(例如,使用波導)投射至顯示裝置中之微型LED投影儀,諸如允許環境光從中穿過的透明組合透鏡。顯示裝置可以使所投射光朝向使用者瞳孔折射,且可以使得使用者能夠同時觀看人工實境內容及真實世界。人工實境系統亦可以經建構有任何其他合適類型或形式的影像投影系統。
人工實境系統亦可以包括各種類型的電腦視覺組件及子系統。舉例而言,人工實境系統800、人工實境系統900及/或VR系統1000可以包括一或多個光學感測器,諸如二維(2D)或三維(3D)相機、飛行時間深度感測器、單光束或掃掠雷射測距儀、3D LiDAR感測器及/或任何其他合適類型或形式的光學感測器。人工實境系統可以自此等感測器中之一或多者處理資料,以識別使用者的位置,映射真實世界,為使用者提供關於真實世界環境的上下文及/或執行各種其他功能。
人工實境系統亦可包括一或多個輸入及/或輸出音訊換能器。在圖45及圖47中所示出的實例中,輸出音訊換能器808(A)、808(B)、1006(A)及1006(B)可以包括音圈揚聲器、帶狀揚聲器、靜電峰值器、壓電揚聲器、骨傳導換能器、軟骨傳導換能器及/或任何其他合適類型或形式的音訊換能器。類似地,輸入音訊轉換器810可以包括電容式麥克風、動態麥克風,帶狀麥克風及/或任何其他類型或形式的輸入換能器。在一些實施方式中,單個換能器可以用於音訊輸入及音訊輸出。
儘管在圖45至圖47中未示出,但人工實境系統可以包括觸覺(即,觸覺)回饋系統,可以將其併入至頭飾、手套、緊身衣、手持控制器、環境裝置(例如,椅子、地板墊等)及/或任何其他類型的裝置或系統中。觸覺回饋系統可以提供各種類型的皮膚回饋,包括振動、力、牽引力、紋理及/或溫度。觸覺回饋系統亦可以提供各種類型的運動感覺回饋,諸如運動及順應性。觸覺回饋可以使用電動機、壓電致動器、流體系統及/或各種其他類型的回饋機構來實施。觸覺回饋系統可以獨立於其他人工實境裝置,在其他人工實境裝置內及/或結合其他人工實境裝置來實施。
藉由提供觸覺感覺、聽覺內容及/或視覺內容,人工實境系統可以在各種上下文及環境中創建完整的虛擬體驗或增強使用者的真實體驗。例如,人工實境系統可以在特定環境中輔助或擴展使用者的感知、記憶或認知。一些系統可以增強使用者與實境世界中其他人的互動,或可以實現與虛擬世界中其他人的更沉浸式互動。人工實境系統亦可用於教育目的(例如,用於學校、醫院、政府機構、軍事組織、商業企業等的教學或培訓),娛樂目的(例如,用於玩視訊遊戲、聽音樂、觀看視訊內容等)及/或出於可存取性目的(例如,作為助聽器、視覺輔助工具等)。本文中所揭示實施方式可以在此等上下文及環境中之一或多者及/或其他上下文及環境中啟用或增強使用者的人工實境體驗。
如所述,人工實境系統800、900及1000可以與各種其他類型的裝置一起使用,以提供更引人注目的人工實境體驗。此等裝置可以為具有換能器的觸覺介面,該換能器提供觸覺回饋及/或收集關於使用者與環境互動的觸覺資訊。本文中所揭示的人工實境系統可以包括偵測或傳達各種類型的觸覺資訊的各種類型的觸覺介面,包括觸覺回饋(例如,使用者經由皮膚中之神經偵測到的回饋,亦可以被稱為皮膚回饋)及/或動覺回饋(例如,使用者經由位於肌肉、關節及肌腱中之受體偵測到的回饋)。
可以藉由位於使用者環境內的介面(例如,椅子、桌子、地板等)及/或使用者可以佩戴或攜帶的物件上的介面(例如,手套、腕帶等)來提供觸覺回饋。作為實例,圖48說明可穿戴手套(觸覺裝置4810)及腕帶(觸覺裝置4820)形式的振動觸覺系統4800。觸覺裝置4810及觸覺裝置4820經示出為可穿戴裝置的實例,該可穿戴裝置包括可撓性的、可穿戴紡織材料4830,該可撓性的、可穿戴紡織材料經塑形且經建構以分別用於抵靠使用者的手及手腕定位。本發明亦包括振動觸覺系統,該振動觸覺系統經塑形且經建構用於使其定位抵靠其他人體部位,諸如手指、手臂、頭部、軀幹、腳或腿。藉由實例而非限制性,根據本發明的各種實施方式的振動觸覺系統亦可以為手套、頭帶、臂章、袖子、頭套、襪子、襯衫或褲子以及其他可能性的形式。在一些實例中,術語「紡織物」可以包括任何可撓性的、可穿戴的材料,包括織造織物,非織造織物、皮革、布、可撓性聚合物材料、複合材料等。
一或多個振動觸覺裝置4840可以至少部分地定位在形成在振動觸覺系統4800的紡織材料4830中之一或多個對應袋內。振動觸覺裝置4840可以定位在向振動觸覺系統4800的使用者提供振動感覺(例如,觸覺回饋)的位置中。舉例而言,振動觸覺裝置4840可以被定位成抵靠使用者的手指、拇指或手腕,如圖48中所示出。在一些實例中,振動觸覺裝置4840可以足夠可撓性以順應或彎曲使用者的對應身體部位。
用於施加電壓至振動觸覺裝置4840以使其啟動的電源4850(例如,電池)可以諸如經由導電佈線4852電耦接至振動觸覺裝置4840。在一些實例中,振動觸覺裝置4840中之每一者可以獨立地電耦接至電源4850以進行單獨啟動。在一些實施方式中,處理器4860可以操作方式耦接至電源4850,且經建構(例如,經程式化)以控制觸覺裝置4840的啟動。
振動觸覺系統4800可以多種方式實施。在一些實例中,振動觸覺系統4800可以為具有用於與其他裝置及系統無關地操作的整體子系統及組件的獨立系統。作為另一實例,振動觸覺系統4800可以經建構以與另一裝置或系統4870互動。舉例而言,振動觸覺系統4800可以在一些實例中包括用於接收信號及/或向其他裝置或系統4870發送信號的通信介面4880。其他裝置或系統4870可以為行動裝置、遊戲控制台、人工實境(例如,虛擬實境、擴增實境、混合實境)裝置、個人電腦、平板電腦、網絡裝置(例如,數據機、路由器等)、手持式控制器等。通信介面4880可以經由無線(例如,Wi-Fi、藍芽、蜂巢、無線電等)鏈接或有線鏈接在振動觸覺系統4800與其他裝置或系統4870之間進行通信。若存在,則通信介面4880可以與處理器4860通信,以便向處理器4860提供信號以啟動或撤銷啟動一或多個振動觸覺裝置4840。
振動觸覺系統4800可以視情況包括其他子系統及組件,諸如觸敏墊4890、壓力感測器、運動感測器、位置感測器、照明元件及/或使用者介面元件(例如,開/關按鈕,振動控制元件等)。在使用期間,振動觸覺裝置4840可以經建構以出於各種不同的原因被啟動,諸如回應於使用者與使用者介面元件的互動、來自運動或位置感測器的信號、來自觸敏墊4890的信號、來自壓力感測器的信號、來自其他裝置或系統4870的信號等。
儘管電源4850、處理器4860及通信介面4880在圖48中經說明為位於觸覺裝置4820中,但本發明不限於此。舉例而言,電源4850、處理器4860或通信介面4880中之一或多者可位於觸覺裝置4810內或另一可穿戴紡織物內。
諸如結合圖48中示出及描述的觸覺可穿戴裝置可以在各種類型的人工實境系統及環境中實施。圖49示出實例虛擬實境環境4900,其包括一個頭戴式虛擬實境顯示器及兩個觸覺裝置(即,手套),且在其他實施方式中,此等組件及其他組件的任何數目及/或組合可以被包含在人工實境系統中。舉例而言,在一些實施方式中,可以存在多個頭戴式顯示器,每一頭戴式顯示器各自具有相關聯的觸覺裝置,且每一頭戴式顯示器及每一觸覺裝置與同一控制台,可攜式計算裝置或其他計算系統通信。
頭戴式顯示器4902通常表示任何類型或形式的虛擬實境系統,諸如圖47中之虛擬實境系統4700。觸覺裝置4904大體上表示任何類型或形式的可穿戴裝置,由人工實境系統的使用者穿戴,提供觸覺回饋至使用者以給予使用者其與虛擬對象實體接合的感知。在一些實施方式中,觸覺裝置4904可以藉由向使用者施加振動、運動及/或力來提供觸覺回饋。舉例而言,觸覺裝置4904可以限制或擴展使用者的運動。為了給出特定實例,觸覺裝置4904可以限制使用者的手向前移動,以使得使用者具有其手已經與虛擬牆壁實體接觸的感覺。在此特定實例中,藉由將流體泵送至觸覺裝置的可充氣囊中,觸覺裝置中之一或多個致動器可以實現實體運動限制。在一些實例中,使用者亦可以使用觸覺裝置4904來向控制台發送動作請求。動作請求的實例包括但不限於開始應用程式及/或結束應用程式的請求及/或在應用程式內執行特定動作的請求。
儘管觸覺介面可以與虛擬實境系統一起使用,如圖49中所示出,但觸覺介面亦可以與擴增實境系統一起使用,如在圖50中所示出。圖50為使用者5010與擴增實境系統5000互動的透視圖。在此實例中,使用者5010可以配戴具有一或多個顯示器5022且與觸覺裝置5030配對的一對擴增實境眼鏡5020。觸覺裝置5030可以為腕帶,其包括複數個綁帶元件5032及將綁帶元件5032彼此連接的張緊機構5034。
綁帶元件5032中之一或多者可包括任何類型或形式的致動器,其適於提供觸覺回饋。舉例而言,綁帶元件5032中之一或多者可以經建構以提供各種類型的皮膚回饋中之一或多種,包括振動、力、牽引力、紋理及/或溫度。為了提供此回饋,綁帶元件5032可以包括各種類型的致動器中之一或多者。在一個實例中,帶狀元件5032中之每一者可包括經建構以一致地或獨立地振動以向使用者提供各種類型的觸覺感覺中之一或多種的振動反應器(例如,振動反應器致動器)。可替代地,僅單個綁帶元件或一子組綁帶元件可以包括振動反應器。
觸覺裝置4810、4820、4904及5030可以包括任何合適數目及/或類型的觸覺換能器、感測器及/或回饋機構。舉例而言,觸覺裝置4810、4820、4904及5030可以包括一或多個機械換能器、壓電換能器及/或流體換能器。觸覺裝置4810、4820、4904及5030亦可包括不同類型及形式的換能器的各種組合,該等換能器一起或獨立地工作以增強使用者的真實體驗。在一個實例中,觸覺裝置5030的帶狀元件5032中之每一者可包括經建構以一致地或獨立地振動以向使用者提供各種類型的觸覺感覺中之一或多種的振動反應器(例如,振動反應器致動器)。
本文中所描述及/或說明的處理參數及步驟順序僅藉由實例給出且可以根據需要變化。舉例而言,雖然本文中說明及/或描述的步驟可以特定次序示出或論述,但此等步驟不一定需要以所說明或所論述次序執行。本文中所描述及/或說明的各種實例方法亦可省略本文中所描述或說明步驟中之一或多者,或除了所揭示步驟之外亦包括其他步驟。
提供前面的描述以使得熟習此項其他技術人員能夠最好地利用本文中所揭示的實例實施方式的各個態樣。此實例描述並非旨在為窮盡的或限於所揭示的任何精確形式。在不脫離本發明的精神和範圍的情況下,可以進行諸多修改及變型。在本文中所揭示的實施方式應被認為在所有方面為說明性的而非限制性。在判定本發明的範圍時,應參考所附申請專利範圍及其等效物。
除非另有說明,否則在說明書及申請專利範圍中使用的術語「連接至」及「耦接至」(及其派生詞)應解釋為准許直接及間接(即,經由其他元件或組件)連接。另外,在說明書及申請專利範圍中所使用的術語「一(a)」或「一(an)」應解釋為意指「中之至少一個」。
最後,為了易於使用,在說明書及申請專利範圍中使用的術語「包括」及「具有」(以及其派生詞)可與單詞「包含」互換使用並具有相同的含義。
無
附圖說明多個實例實施方式,且為說明書的一部分。此等圖式與以下描述一起展示及解釋了本發明的各種原理。
[圖1]為可以結合本發明的實施方式使用的實例流體控制系統的說明。
[圖2]為根據本發明的至少一個實施方式的微流體系統的示意性俯視圖。
[圖3A]為根據本發明的至少一個實施方式的微流體閥的透明透視圖。
[圖3B]為根據本發明的至少一個實施方式的圖3A的微流體閥的部分透明俯視圖。
[圖4]為根據本發明的至少一個實施方式的圖3A的微流體閥的剖面透視圖。
[圖5]為根據本發明的至少一個實施方式的圖3A的微流體閥的剖面側視圖。
[圖6至圖15]根據本發明的至少一個實施方式說明微流體閥的驅動主體部分的各個製造階段的剖面視圖。
[圖16至圖25]根據本發明的至少一個實施方式說明微流體閥的閘主體部分的各個製造階段的剖面視圖。
[圖26至圖39]根據本發明的至少一個實施方式說明微流體閥的流體通道主體部分的各個製造階段的剖面視圖。
[圖40]根據本發明的至少一個實施方式說明處於敞開狀態的經組裝微流體閥的剖面視圖。
[圖41]根據本發明的至少一個實施方式說明處於閉合狀態的圖40的經組裝微流體閥的剖面視圖。
[圖42]為根據本發明的至少一個實施方式說明控制微流體系統中之個體流體的流動之方法的流程圖。
[圖43及圖44]為根據本發明的至少一個實施方式分別說明製造微流體系統之方法的流程圖。
[圖45]為可以結合本發明的實施方式使用的實例人工實境頭帶的說明。
[圖46]為可以結合本發明的實施方式使用的實例擴增實境眼鏡的說明。
[圖47]為可以結合本發明的實施方式使用的實例虛擬實境耳機的說明。
[圖48]為可以結合本發明的實施方式使用的實例觸覺裝置的說明。
[圖49]為根據本發明的實施方式的實例虛擬實境環境的說明。
[圖50]為根據本發明的實施方式的實例擴增實境環境的說明。
在整個圖式中,相同的參考字符及說明表示相似但不一定相同的元件。雖然本文中所描述的實例實施方式可易於進行各種修改及替換形式,但特定實施方式已在圖式中藉由實例的方式示出,且將在本文中進行詳細描述。然而,本文中所描述的實例實施方式並不旨在限於所揭示特定形式。而是,本發明涵蓋落入所附申請專利範圍的範圍內的所有修改、等同形式及替代形式。
Claims (20)
- 一種製造一微流體閥之方法,該方法包含: 在一微流體閥體內形成一腔; 將一閘傳輸元件定位在該腔內,其中該閘傳輸元件將該腔分成一輸入閘終端及一輸出閘終端;及 在該微流閥體內形成一流體通道,該流體通道包括一入口埠,至少部分地位於該輸出閘終端內的一限制區域,以及一出口埠, 其中該閘傳輸元件經定位及經建構以在對該輸入閘終端加壓及減壓時往返移動以限制該限制區域,以在對該輸入閘加壓時抑制一個體流體自該入口埠至該出口埠的該流動,並在對該輸入閘終端減壓時允許並增加個體流體自該入口埠至該出口埠的該流動。
- 如請求項1之方法,其中將該閘傳輸元件定位在該腔內包含將一柱塞定位在該個體流體室內,並將該柱塞耦接至一可撓性隔膜;及 其進一步包含: 將一可撓性泡罩定位在該輸出閘終端內並位於該入口埠及該出口埠上方,該限制區域經界定在該流體通道中在該入口埠與出口埠之間且在該撓性泡罩內, 其中該柱塞經建構以在對該輸入閘終端加壓時使該可撓性泡罩變形,以用該經變形可撓性泡罩阻塞該限制區域,以抑制該個體流體自該入口埠至該出口埠的流動。
- 如請求項2之方法,其中在該微流體閥體內形成該腔包含形成該腔以具有平行於該可撓性隔膜截取的約1mm2 或更小的一剖面面積。
- 如請求項1之方法,其進一步包含在該微流體閥體中形成一排氣出口,其中該排氣出口與該輸出閘終端流體連通。
- 如請求項1之方法,其中在該微流體閥體內形成該腔包含: 在該微流體閥體的一驅動主體部分內形成該輸入閘終端;及在該微流體閥體的一閘主體部分內形成該輸出閘終端。
- 如請求項5之方法,其進一步包含在該閘主體部分的一表面上形成該可撓性隔膜。
- 如請求項5之方法,其進一步包含: 將該驅動主體部分耦接至該閘主體部分;及 將一流體通道主體部分耦接至該閘主體部分。
- 如請求項7之方法,其進一步包含在該流體通道主體部分的一表面上形成一可撓性泡罩。
- 如請求項7之方法,其進一步包含在該驅動主體部分、該閘主體部分或該流體通道主體部分中之至少一者上或其中形成至少一個對準標記,其中將該驅動主體部分耦接至該閘主體部分並將該流體通道主體部分耦接至該閘主體部分包含使用該至少一個對準標記來使該驅動主體部分、該閘主體部分及該流體通道主體部分彼此對準。
- 如請求項1之方法,其中在該微流體閥體內形成該腔包含執行至少一個光微影操作。
- 如請求項1之方法,其中在該微流體閥體內形成該腔包括在以下中之至少一者內形成該腔: 一矽材料; 一二氧化矽材料; 一玻璃材料; 一聚碳酸酯材料;或 一剛性聚合物材料。
- 一種製造一微流體系統之方法,該方法包含: 形成一微流體閥,其包含: 自一驅動主體部分移除材料,以形成一輸入閘終端及通至該輸入閘終端中的一閘埠; 在一閘主體部分上形成一可撓性隔膜; 自該閘主體部分移除材料以形成一輸出閘終端並在該輸出閘終端內界定一柱塞,該柱塞接合至該可撓性隔膜; 在一流體通道主體部分上形成一可撓性泡罩; 自該流體通道主體部分移除材料,以形成與該可撓性泡罩的一內部流體連通的一入口埠及一出口埠; 將該驅動主體部分耦接至該閘主體部分,並藉助該可撓性隔膜將該輸入閘終端與該輸出閘終端分開;及 將該閘主體部分耦接至該流體通道主體部分;及 將一驅動流體源以操作方式耦接至該閘埠; 將一個體流體源以操作方式耦接至該入口埠;及 當該微流體閥處於一敞開狀態時,將一流體驅動機構以操作方式耦接至該出口埠以由個體流體進行操作。
- 如請求項12之方法,其中: 形成該微流體閥包含同時形成複數個微流體閥; 將該驅動主體部分耦接至該閘主體部分包含將包括複數個驅動主體部分的一驅動主體基板材料接合至包括複數個閘主體部分的一閘主體基板材料;及 將該閘主體部分耦接至該流體通道主體部分包含將包括該複數個閘主體部分之該閘主體基板材料接合至包括複數個流體通道主體部分的一流體通道主體基板材料。
- 如請求項12之方法,其中自該驅動主體部分移除材料,自該閘主體部分移除材料及自該流體通道主體部分移除材料中之每一者包含執行一光微影操作以選擇性地移除該材料。
- 如請求項12之方法,其中在該流體通道主體部分上形成該可撓性泡罩包含: 在該流體通道主體部分上形成一區塊; 在該區塊及該流體通道主體部分上方形成一可撓性材料;及 移除該區塊,同時將該可撓性材料留下以保持在該流體通道主體部分上。
- 如請求項15之方法,其中移除該區塊包含使用一選擇性材料移除過程來移除該區塊穿過該入口埠或該出口埠中之至少一者的一材料。
- 如請求項15之方法,其中在該區塊和該流體通道主體部分上方形成該可撓性材料以及在該閘主體部分上形成該可撓性隔膜中之每一者包含形成一彈性體材料。
- 如請求項12之方法,其中將該流體驅動機構以操作方式耦接至該出口埠包含將以下中之至少一者以操作方式耦接至該出口埠: 一微機電裝置; 一可擴展腔; 一活塞系統;或 一觸覺回饋裝置。
- 如請求項12之方法,其中在該流體通道主體部分上形成該可撓性泡罩包含形成該可撓性泡罩以具有小於將該輸入閘終端及該輸出閘終端分開的該可撓性隔膜的一表面面積的一表面面積。
- 如請求項12之方法,其中將該閘主體部分耦接至該流體通道主體部分包含使該柱塞鄰接抵靠該可撓性泡罩。
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