TW500877B - Thermolysis reaction actuating pump system - Google Patents

Description

500877 五、發明說明（1) 【發明之應用領域】 本發明係關於一種微型致動幫浦，特別是一種以熱分 解產生氣體以作為動力之熱分解反應致動幫浦系統。 【發明背景】 奪浦（Pump)原本是人類為了便於取得生活上絕對必要 的水而發明，其有兩種不可缺少的能力，吸上的能力與推 上的能力；也就是說，幫浦的作用在於產生讓流體流動的 動力（aCtUatl〇n)(吸或推）。然而，面對不同應用領域的 不同舄求不同型悲的幫浦相應被研發出來。從應用在大 型機組的大型幫浦（macropumps)，如水壩抽水系统，到廡 用在微機械領域的微型幫浦（micr〇pumps)，如可植入人體 内的心臟幫浦’各種尺度的幫浦都有。 一 、^7思用隹小尺度白ί 動 產生’所以’幫浦的動力產生方式跟大尺度的幫浦^ 產生有極大的差異，例如’其常常運用毛細管作用作 為動力產生的來源。如此的微型幫浦’常應用 試劑、產生壓力差、移動冷煤、傳輸血液等等 應用。此種微型幫浦亦可依傳輸動力的介f而將區八 為氣動式（pneumatic)與液動式（fluid);其叙二 浦係在幫浦的迴路系統中推動液體的流動以 ^ ^， 動式幫浦則透過推動幫浦迴路中的氣體央你 ’氣 迴路系統。 U體末推動整個幫浦的 計 在液動式幫浦方面，目前有幾種主要的 如薄膜幫浦（membrane pumps)，其運用 微型幫浦的設 兩個單向閥並 ο曙77 五、發明說明（2) 利用一個以電控制其震動的薄膜，利用此薄膜的震動即可 瓖單向閥中的流體產生流動，此種設計類似心臟的單向閥 流動；另有擴散幫浦（diffuser Pumps)，其利用兩個擴 散率不同的開口 ，在兩個開口的中間運用一薄膜震動裝置 反覆震動，利用擴散率不同而產生的淨流動即可成為動力 來源；還有一種設計，稱之為旋轉式幫浦（r〇tary pumps)’此種承浦利用齒輪的設計，利用齒輪帶動流體的 轉動而產生動力；另有一種電氫動力式幫浦 (electrohydrodynamic pumping，EHDp)，其利用流管内 的電位不斷變化，將帶電的流體加以推動；還有一種叫做 電滲式幫浦（elect roos mot ic pumping)，豆利用帶雷汽妒 兩端的電位差讓流體流動；超音波幫浦 P u m p s )則利用體腔中所產生的超音波來帶動流體；熱毛 細管幫浦（thermocapillary pumping，Tcp)則將毛細管中 的兩端之一端加熱，利用毛細管作用產生流體的動力；電 濕潤幫浦（electrowetting pumping)則利用。 液動式幫浦有一個共同的問題點，大部分都有連續性 的要求，亦即’流體不能有不連續的情形，否則會影響流 體的流動。而電氫動力式幫浦與電滲式幫浦則必須在帶= 液體中才能操作，所以，有其限制。 ％ (thermopneumatic punipmg)與氣泡幫浦（bubbu 卩㈣叩） 等微型幫浦的設計。熱氣動幫浦則在加熱器端備有氣體

第5頁 在氣動式幫浦方面，目前已有熱氣動幫潘 500877 五、發明說明

動力即可作為流體動力的來源，不過，當加熱器冷卻時， 液體又會回流。氣泡幫浦為相當簡單的設計，其利用加熱 器將液體蒸發來產生氣泡，利用此蒸發的氣泡作為推動力 的來源，於是，接近加熱器端的溫度將相當高。 以上的微型幫浦，各有其優缺點，如何能製造出一種 既簡單方便又便宜，且能移動流動管體内的不連續流體的 幫浦，成為幫浦研究的重要課題。 【發明之目的及概述】

鑒於以上習知技術的問題，本發明的目的在於提供一 種熱为知反應致動幫浦系統，其利用熱裂解反應 (thermolysis, thermo-decomposition reactions) 的氣體作為推力。 "、 们目的在於提供一種熱分解反應致動 浦糸統，可利用溫度控制來控制熱裂解所產旦 進而控制流體之流速。 〕乱組里 種熱分解反應致動 可推動微管内的不 本發明的尚有一個目的在於提供一 幫浦系統，利用熱裂解所產生的氣體， 連續液體。

本發明的還有一個目的在於提供一種埶八 幫浦系統，熱裂解所產生的氣體，可 =二午—心 連續液體推送出去，完成所有液體的推送，被=内的 反應的液體.，可於幫浦終端直接加以處理，σ =經過= 微管内發生污染的現象，且於清洗時，曰有回"IL 式清洗微管。 了冋樣以單向的

第6頁 500877 五、發明說明（4) 依據本發明所揭露的技術，本發明提供一種熱分解反 應致動幫浦系統，其包含了：第一壁面組，其為具有兩開 口端之管壁結構以定義一通道；一液體（liqUid)，用以注 入該通道；第二壁面組，具有一可封閉開口以及與該第一 壁面組之一開口端密合並相通之一開口，該第二壁面組係 定義為一反應腔並可透過該可封閉開口注入一熱裂解體至 該反應腔，及’加熱器（h e a t e r)，用以加熱該熱裂解體， 使位於該反應腔中之該熱裂解體產生氣體通過該通道以推 動該液體。 其中’液體可以是水、去離子水、生物溶液或化學溶 劑’要用何種液體當視使用的需求而定。而產生氣體的熱 裂解體材料，可從從碳酸氫銨（（N Η 4 ) C 0 3 )、碳酸氫鈉 (NaHC03)、硼氫鈉（NaBH4)、偶氮雙異丁酮腈（AZDN)、二 曱基二亞硝對苯二甲醯胺（(：6}14)_[(：〇11((：}13)-仰]2、苯磺 基氫骄（0BSH)、苯磺醯氫肼（（d-33) S02(C6H4S02NH-NH2) 2)、一亞硝基五亞甲基四胺（DPT)，當中加以選擇。而熱 裂解體則可以是固體、顆粒狀固體、丸狀固體或者是粉末 狀固體。只要控制熱裂解的溫度，即可控制氣體產生的速 度。 此外，加熱器的熱源可以是紅外線、雷射或微波，或 者以電阻式加熱。 第一壁面組當中微管狀的通道，其直徑小於1毫米， 較佳的直徑大小在1 〇 0 - 5 0 0微米（ m i c r 〇 s )之間，最佳的直 徑大小在100 —3〇〇微米（microns)之間。第一壁面組與第二

500877 五、發明說明（5) 壁面組可以任何一種微製造技術來製作。 斤透過本發明所提供之熱分解反應致動幫浦系統，只要 於弟一羞面組當中的反應腔中加入熱裂解體，並適當控制 加熱為、的溫度以讓熱裂解體產生適當的溫度，即可控制氣 體的產生並讓第一壁面組當中的液體產生推動力。 有關本發明的特徵與實作，茲配合圖示作最佳實施例 詳細§兄明如下： 、 【發明之詳細說明】

請參考「第1圖」，本發明之熱分解反應致動幫浦系 統1 0之示意圖。幫浦系統1 0包含了幾個主要的部分：第一 壁面組12與當中的液體22，第二壁面組16與加熱器24。整 個系統可以安裝在基板2 6上。 第一壁面組1 2，其管壁結構定義了微管狀的通道1 4， 通道14的直徑小於1毫米，較佳的直徑大小在1 0 0-5 0 0微米 (micros)之間，最佳的直徑大小在100-3〇〇微米（micr〇 ns) 之間。第一壁面組1 2可以任何一種微製造技術來製作，下 面的製造實施例將會介紹其中幾種。

至於第一管壁組1 2當中的液體2 2，則可以是水、去離 子水、生物溶液或化學溶劑’要用何種浪體當視使用的需 求而定。 第二壁面組1 6，設計上，其内部包含了一個空腔，亦 即，一個反應腔1 8，其與第一壁面組1 2的通道1 4開口處密 合相接以形成空間上的連通，並且，還有一個可封閉開口 (未書出）以填注東西進入反應腔1 8中。熱裂解體2 0即可從

第8頁 500877 五、發明說明（6) 可封閉開口處填注至反應腔丨8當 於產生氣體，當熱裂解體2 〇被加 開始產生氣體。由於熱裂解體2〇 以，一旦熱裂解體20開始產生氣 接的第一壁面組1 2的通道1 4排出 至於可以產生氣體的熱裂解 加以選擇，其包含了產生裂解的 體。其中，NH3為銨，C02為二氧 解體2 0可以是固體、顆粒狀固體 固體。只要控制熱裂解的溫度， 度。 此外，熱裂解體2 0的材料選 中的液體2 2不相互反應為原則； 熱裂解體2 0的化性，則可以在液 處’也就是第一壁面組1 2的入口 的礦物油，例如，矽膠油、石虫鼠 裂解體20所產生的氣體與液體22 學反應的疑慮發生。 加熱器2 4則用來力口熱熱裂解 式有許多種，只要能夠達到對熱 皆可，其可裝設於基板26上，或 源（heating source)則可選擇如 加熱器24當中的熱源；或者，運 讓溫度可均勻傳到反應腔1 8當中 $ 9頁 中。熱裂解體20的作用在 熱至熱裂解溫度時，其即 被填注至反應腔丨8中，所 體’氣體即會透過與之連 〇 體2 0材料，可從第1表中 溫度以及裂解所產生的氣 化碳，H20為水。而熱裂 、丸狀固體或者是粉末狀 即可控制氣體產生的速 擇，必須基於不與通道1 4 或者，若不考慮液體22與 體2 2與反應腔1 8的出口 處，加上一小段性質穩定 油或針車油等，其可將熱 加以隔絕，也就不會有化 體2 0，加熱器2 4的設計方 裂解體20加熱目的的方式 者裂設於基板26之中。熱 紅外線、雷射或微波作為 用電阻式以電加熱。為了 ，可在加熱器2 4與第二壁

500877 五、發明說明（7) 面組16之間加上一個導熱塊（heater block)28，在導熱塊 28與第二壁面組16之間運用黏著層30將第二壁面組16與導 熱塊2 8黏著並固定，即可形成反應腔1 8。 至於第一壁面組12與第二壁面組16的材料，則可從多 甲基-曱基壓克力酯（polymethyl methylacrylate)、多碳 系、環烯烴異分子聚合物（cycloolefin copolymer)、熱 塑性聚合物（thermoplastic polymer)、熱固性聚合物 (thermosetting polymer)、玻璃（glass)、無機 (inorganic)材料等多種不同的材料選擇，主要的選擇原 則為低化學反應性。 上述所談的本發明之熱分解反應致動幫浦系統，其具 體操作即靠加熱器24對熱裂解體2 0的加熱，然後產生氣 體。加熱器的溫度控制原則即依據熱裂解體2 0所選用的材 料而決定，也就是，不同的熱裂解體2 0材料，其具有不同 的熱裂解溫度，請參考「第1表」。超過熱裂解溫度，溫 度越高將會使熱裂解體2 〇的熱裂解反應更快，也就可使產 生的氣體動力越快，於是，液體的流動速率將會越快。 由於第一壁面組1 2的兩個開口端，一個與第二壁面組 1 6的反應腔1 8相接，另一個則為出口處。所以，位於第一 壁面組12之通道η中的液體22，將可於不斷產生的氣體推 進下，完全推到另一個出口處。所以，對於常常需要更換 的液體2 2來說，第一壁面組丨2的清潔較易。 接下來，請參考「第2圖」，本發明之熱分解反應致 動、、浦糸統之平面圖。「第2圖」為「第1圖」的幫浦系統

第10頁 500877 五、發明說明（8) 10的上視圖，圖中的反應腔1 8，其直徑約在〇 · 5公分。通 道1 4的覓度以及咼度，可設計為3 0 〇微米左右；整個通道 1 4的長度約在2 0公分左右’可設計為多段的彎曲狀，每一 段的長度為B，約在2公分左右。 本發明之熱分解反應致動幫浦系統的製作，可透過許 多種不同的方式來進行。如「第3圖」，其為本發明之熱 分解反應致動幫浦系統之形成方法之具體實施例。幫浦系 統由兩片基板製成，分別為基板26與第二基板，第二基 板36固疋在基板26上。從圖中可看到，在第二基板％上， 有事先挖好的通道14與反應腔18 ;而基板26上則有裝設於 其中的加熱為2 4與導熱塊2 8。只要將基板2 6與第二基板3 6 以黏著膠加以黏著即可固定兩者。第二基板36可以用矽基 板，並利用蝕刻的方式將通道14與反應腔18蝕刻出來。 「第4A〜4C圖」，則為本發明之幫浦系統中微管與反 應腔之形成方法之具體實施例。首先，依照所需的通道部 分與反應腔部分選擇性沉積第一可移除層3 2於基板2 6上， 可以光姓刻法來達成，如「第4A圖」所示n，沉積第 二層34於基板26上並整個覆蓋住第一可移除.層“，第二層 34可以用光阻層（phot〇resist layer)的材料，如多甲基— 甲基壓克力酯（P〇lymethyl methylacrylate)，如「第^ 圖」所不。最後，移除第一可移除層32，即可形成通道 14 ’同理’反應腔可在同一製程中完成，如「第圖」所 示。 在「第3圖」與「第4A〜4C圖」的實施例中，可在反應 im 第11頁 500877 五、發明說明（9) 腔形成後，將反應腔開一個可封閉開口，即可填入熱裂解 體。如此，每次熱裂解體反應完後，即可透過此一可封閉 開口反覆填充熱裂解體。 「第5A〜5C圖」，加熱器之溫度分別於攝氏80、100與 1 2 0度時，本發明之熱分解反應致動幫浦系統加入粉末反 應的效果圖。由於碳酸氫銨（（NH4)c〇3)的熱裂解溫度為攝 氏60度，所以，分別以攝氏80、1〇〇與丨2〇度作測試。以7 宅克（m g)的碳酸氫铵置入反應腔中，當反應腔中的溫度於 攝氏8 0度時，其當反應腔中有碳酸氫銨時，所推動通道中 的液體速度明顯比反應腔中沒有碳酸氫銨時快許多，如 「第5A圖」所示。溫度100與12〇度時，其差異更加明顯， ::第5B圖」、「第5C圖」所示。戶"，透過加熱器的溫 度调控，即可控制液體流動的速率。 雖然本發明以前述之較 用以限定本發明，任何熟習 之精神和範圍内，當可作些 之專利保護範圍須視本說明 者為準。 佳實施例揭露如上，铁苴並非 相關技藝者…脫離；；:月 口午之更動與潤飾，因此本發明 書所附之申請專利範圍所界定

第12頁 500877 圖式簡單說明 第1圖為本發明之熱分解反應致動幫浦系統之示意 圖， 第2圖為本發明之熱分解反應致動幫浦系統之平面 圖， 第3圖為本發明之熱分解反應致動幫浦系統之形成方 法之具體實施例； 第4 A〜4C圖為本發明之幫浦系統中微管與反應腔之形 成方法之具體實施例；及 第5A〜5C圖為加熱器之溫度分別於攝氏80、100與120 度時，本發明之熱分解反應致動幫浦系統加入粉末反應的 效果圖。 【圖示符號說明】 10 幫 浦 系 統 12 第 一 壁 面 組 14 通 道 16 第 二 壁 面 組 18 反 應 腔 20 執 裂 解 體 22 液 體 24 加 執 哭 XJU 26 基 板 28 導 敎 塊 30 黏 著 層 32 第 一 可 移 除層

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Claims (1)

1. 六、申請專利範圍 --- 1 · 一種熱分解反應致動幫浦，包含： 、，一第一壁面組，其為具有兩開口端之管壁結構以定 義一通道； 一，體（liqiud) ’用以注入該通道； 一第二壁面組，具有—可封閉開口以及與該第一壁 面組之一開口端密合並相通之一開口，該第二壁面組係 定義為一反應腔並可透過該可封閉開口注入一熱裂解體 至該反應腔；及 一加熱器（heater)，用以加熱該熱裂解體，使位於 该反應腔中之該熱裂解體產生氣體通過該通道以推動該 液體。 2 ·如申請專利範圍第丨項所述之熱分解反應致動幫浦，其 中該通道之截面積係小於1毫米平方。 3·如申請專利範圍第1項所述之熱分解反應致動幫浦，其 中。亥通道之覓度與咼度均小於微米（micr〇ns)。 4.如申請專利範圍第1項所述之熱分解反應致動幫浦，其 中該通道之寬度與高度均等於或小於3 0 0微米 (microns) 〇 5 ·如申請專利範圍第1項所述之熱分解反應致動幫浦，其 中該第一壁面組更包含一光阻層（ph〇t〇resist layer) 〇 6.如申請專利範圍第1項所述之熱分解反應致動幫浦，其 中該第一壁面組之至少一部份包含由多甲基-甲基壓克 力酯（polymethyl methylacrylate)、多碳系、環妹烴

   第15頁 500877 六、申請專利範圍 異分子聚合物（cycloolefin copolymer)、熱塑性聚合 物（thermo plastic polymer) ' 熱固性聚合物 (thermosetting polymer)、玻璃（glass)、無機 (i η o r g a n i c)材料，任選其一之材料。 7.如申請專利範圍第1項所述之熱分解反應致動幫浦，其 中該第二壁面組之至少一部份包含由多甲基-曱基壓克 力酯（polymethyl methylacrylate)、多碟系、環烯烴 異分子聚合物（cycloolefin copolymer)、熱塑性聚合 物（thermo plastic polymer)、熱固性聚合物 (thermosetting polymer)、玻璃（glass)、無機 (i η o r g a n i c )材料，任選其一之材料。 8 ·如申請專利範圍第1項所述之熱分解反應致動幫浦 中該第一壁面組之至少一部份包含一石夕基板。 9 ·如申請專利範圍第1項所述之熱分解反應致動幫浦 中該第二壁面組之至少一部份包含一石夕基板。 1 0 ·如申請專利範圍第1項所述之熱分解反應致動幫浦 液體係包含水。 1 1 ·如申請專利範圍第1項所述之熱分解反應致動幫浦 液體係包含去離子水。 1 2 ·如申請專利範圍第1頊戶斤述之熱分解反應致動幫浦 液體係包含生物溶液。 1 3 ·如申請專利範圍第1頊所 液體係包含化學溶劑。 1 4 ·如申請專利範圍第1項所 其 其 該 該 該 述之熱分解反應致動幫浦 述之熱分解反應致動幫浦 該 該

   500877 六、申請專利範圍 熱裂解體係包含一固體。 1 5 ·如申請專利範圍第1項所述之熱分解反應致動幫浦’该 熱裂解體係包含一顆粒狀固體。 1 6 ·如申請專利範圍第1項所述之熱分解反應致動幫浦’該 熱裂解體係包含一丸狀固體。 1 7 ·如申請專利範圍第1項所述之熱分解反應致動幫浦，該 熱裂解體係包含一粉末狀固體。 1 8 ·如申請專利範圍第1項所述之熱分解反應致動幫浦，該 熱裂解體係從碳酸氫銨（（NH4)C03)、碳酸氫鈉 (NaHC03)、硼氫鈉（NaBH4)、偶氮雙異丁酮腈（AZDN)、 二曱基二亞確對苯二甲酷胺（C6H4)-[C〇n(CH3)-N0]2、 苯磺基氫胼（〇BSH)、苯磺醯氫肼 (0)-33) S02(C6H4S02NH-NH2)2)、二亞硝基五亞甲基 四胺（D P T)，任選其一作為熱裂解材料。 1 9 ·如申請專利範圍第1項所述之熱分解反應致動幫浦，其 中該加熱器更包含一沉積有一擴散電阻之矽基板。 2 〇 ·如申請專利範圍第1項所述之熱分解反應致動幫浦，其 中該加熱器更包含一印刷電阻。 2 1 ·如申請專利範圍第1項所述之熱分解反應致動幫浦，其 中該加熱器係置於該反應腔下方。 2 2.如申凊專利範圍第1項所述之熱分解反應致動幫浦，其 中該加熱器係從一紅外線、一雷射與一微波，三者任 、其一作為其熱源（heating source)。 2 3 ·如申請專利範圍第2 1項所述之熱分解反應致動幫浦，

   500877 細ni 1 六、申請專利範圍 其中更包含一置於該加熱器與該反應腔間之導熱塊。 2 4 ·如申請專利範圍第2 2項所述之熱分解反應致動幫浦， 其中該加熱器與由該第二壁面所定義之該反應腔之間 更包含一黏著層。 2 5 · —種推動液體流動的方法，包含下列步驟： 提供一幫浦系統，其具有一第一壁面組與一第二 壁面組，該第一壁面組係定義一通道且注有一液體於 第一處，該第二壁面組係定義一反應腔且裝有一熱裂 解體，該第一壁面組與該第二壁面組加以連結並讓氣 體可由該反應腔流向該通道，及 加熱該熱裂解體以產生氣體’將该液體由該通道 之該第一處推動至該通道之一第二處。 2 6 ·如申請專利範圍第2 5項所述之推動液體流動的方法， 該熱裂解體係包含一固體。 2 7 ·如申請專利範圍第2 5項所述之推動液體流動的方法， 該熱裂解體係包含一粉末狀固體。 2 8 ·如申請專利範圍第2 5項所述之推動液體流動的方法， 該熱裂解體係從碳酸氫銨（（NH4 )C03)、碳酸氫鈉 (NaHC03)、硼氫鈉（NaBH4)、偶氮雙異丁酮腈（AZDN)、 二曱基二亞硝對苯二曱醯胺（C6H4)-[Con(CH3)-N0]2、 苯續基氫肼（〇 B S Η)、苯續氫胼 ((D-33) S02(C6H4S02NH-ΝΗ2)2)、二亞硝基五亞曱基 四胺（DPT)，任選其一作為熱裂解材料。 2 9 _如申請專利範圍第2 5項所述之推動液體流動的方法，

   第18頁 500877 六、申請專利範圍 其中對該 3 0 ·如申請專 其中對該 3 1 ·如申請專 其中對該 3 2 ·如申請專 其中對該 間。 3 3 ·如申請專 法，其中 之熱裂解 34·如申請專 該液體係 3 5 ·如申請專 該液體係 3 6 .如申請專 該液體係 熱裂解體加熱之溫度至少大於攝氏50度。 利範圍第2 5項所述之推動液體流動的方法’ 熱裂解體加熱之溫度至少大於攝氏56度。 利範圍第2 5項所述之推動液體流動的方法’ 熱裂解體加熱之溫度至少大於攝氏64度。 利範圍第2 5項所述之推動液體流動的方法’ 熱裂解體加熱之溫度係在攝氏45至75度之 利範圍第2 5或2 8項所述之推動液體流動的方 對該熱裂解體加熱之溫度係依據該熱裂解體 溫度設定，其範圍在攝氏4 5至2 5 0度之間。 利範圍第2 5項所述之推動液體流動的方法’ 包含去離子水。 利範圍第2 5項所述之推動液體流動的方法’ 包含生物溶液。 利範圍第2 5項所述之推動液體流動的方法’ 包含化學溶劑。

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