TWI392639B - 電磁式微幫浦 - Google Patents

Description

電磁式微幫浦

本發明係關於一種微幫浦，特別是關於一種電磁式微幫浦。

習用微幫浦，如中華民國公告第I256374號「PDMS無閥微幫浦結構及其製程」發明專利案，係包含一PDMS結構體、一薄膜及一壓電致動器。該PDMS結構體之上表面凹設有一腔體以及與該腔體相連通之一輸入槽體及一輸出槽體，該輸入槽體及輸出槽體係分別延伸至該PDMS結構體之下表面，使得該PDMS結構體之下表面形成一輸入開孔及一輸出開孔；該薄膜係設有一中間挖孔，該薄膜係設置於該PDMS結構體之上表面，並密封該輸入槽體及輸出腔體，且該中間挖孔係對應於該腔體之位置中；該壓電致動器係以密封固定方式結合於該薄膜之中間挖孔。

當使用該習用微幫浦時，需將該輸入開孔連接一液體源，以電力驅動該壓電致動器作動；當該壓電致動器背向該腔體之方向翹曲變形時，所造成之壓力差將使該液體源內之液體向該輸入槽體流動；當該壓電致動器向該腔體之方向翹曲變形時，該壓電致動器將壓迫該腔體內之液體，使液體往該輸出槽體流動。如此，透過該壓電致動器相對該腔體產生往復震動，便可將該液體由該輸入開孔流入該輸入槽體，並由該輸出開孔流出。

一般而言，上述習用微幫浦具有下列缺點，例如：由 於該壓電致動器之震動位移量較小，因此需要較為高頻之震動頻率方可驅動該習用微幫浦，造成其具有耗能較高之缺點；再者，該壓電致動器所使用之壓電材料成本較高，造成該習用微幫浦具有製作成本較高之缺點。基於上述原因，其確實有必要進一步改良上述習用微幫浦。

本發明之主要目的係提供一種電磁式微幫浦，以提升薄膜震動位移量及降低製作成本。

為了達到上述之發明目的，本發明的技術手段係利用一線圈單元產生與一磁性薄膜相吸或相斥之磁場，使得該磁性薄膜可具有高位移量，並降低該電磁式微幫浦之啟動頻率及耗能。

根據本發明之電磁式微幫浦，係包含：一基板、一蓋板、一磁性薄膜及一線圈單元。該基板具有一第一面及第二面，且該第一面凹陷形成一流槽；該蓋板係設置於該基板之第一面，該蓋板設有分別與該流槽相連通並貫穿該蓋板之一輸入孔、一輸出孔及一通孔，該通孔係位於該輸入孔及輸出孔之間；該磁性薄膜具有彈性變形能力且設置於該蓋板之表面並覆蓋封閉該通孔；該線圈單元係設置於該基板之第二面且對位於該通孔，該線圈單元交互產生N極及S極的磁場，並對該磁性薄膜形成交互的電磁吸力及推斥力，以驅動該磁性薄膜變形。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯 易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參照第1圖所示，本發明較佳實施例之電磁式微幫浦係包含一基板1、一蓋板2、一磁性薄膜3及一線圈單元4。該基板1係位於該蓋板2及線圈單元4之間，該磁性薄膜3係設置於該蓋板2之頂面。

請參照第1及2圖所示，舉例而言，本發明之基板1係選擇以玻璃材質製成，該基板1係具有一第一面11、一第二面12及一流槽13。該基板1於該第一面11以一定深度凹陷形成該流槽13，以供容置流體。舉例而言，本實施例中，該基板1之厚度係選擇為1mm，且該流槽13之深度係選擇為30μm。

請再參照第1及2圖所示，舉例而言，本發明之蓋板2係選擇以玻璃材質製成，且係設置於該基板1之第一面11。該蓋板2係設有一輸入孔21、一輸出孔22及一通孔23，該輸入孔21、輸出孔22及通孔23皆貫穿該蓋板2，並分別與該流槽13相連通。該輸入孔21及輸出孔22係分別用以供一流體流入及流出，該輸入孔21及輸出孔22內係可分別另外設置一通管24，以便透過該通管24連接一流體源或將流體導引至適當位置；例如，本發明之通孔23之截面係分別大於該輸入孔21及輸出孔22之截面。本發明之電磁式微幫浦係應用阻抗幫浦(impedance pump)之原理，因此，該通孔23於該第一面11上係位於該輸入孔21及輸出孔22之間，例如，該輸入孔21及輸出孔22相 對該通孔23係形成不對稱設置，亦即，使該通孔23位於阻抗不協調位置(impedance-mismatched position)，當該磁性薄膜3產生震動時，可使流體產生不均勻之壓力分佈現象，而使流體往同一方向流動，可作為無閥微幫浦使用。舉例而言，該輸入孔21與該通孔23之間之距離係大於該輸出孔22與該通孔23之間之距離，使得該通孔23並非該輸入孔21及輸出孔22之對稱中心。例如，本實施例之蓋板2之厚度係選擇為1mm。

請再參照第1及2圖所示，本發明之磁性薄膜3係設置於該蓋板2之頂面，以覆蓋封閉該通孔23。該磁性薄膜3具有彈性變形能力，該磁性薄膜3係可選擇於一具有彈性變形能力之薄膜(例如以PDMS材料製成之薄膜)上鍍上一層磁性物質而製成，使得該磁性薄膜3具有一彈性薄膜及一磁性層，且該彈性薄膜層較佳係面對該通孔23；或者，亦可選擇以磁性物質混合塑性材料之方式製成該磁性薄膜3，如此，便可透過該磁性薄膜3之設置，以提供相對於壓電材料更大之位移量。舉例而言，本實施例之磁性薄膜3之磁場強度係為1.4特斯拉(Tesla)，且厚度係選擇為100μm。

請再參照第1及2圖所示，該線圈單元4係設置於該基板1之第二面12，並對位於該通孔23。該線圈單元4係包含一絕緣層41、一線圈42、一電極層43及一連接部44。該絕緣層41係以絕緣材料製成，例如本實施例係以聚硫亞氨(polyimide)材料製成該絕緣層41，該絕緣層41 係包含一第一絕緣層411及一第二絕緣層412，該第一絕緣層411係設置於該基板1之第二面12，該第二絕緣層412係位於該第一絕緣層411之底面，使得該第一絕緣層411係位於該基板1及該第二絕緣層412之間；該線圈42係埋設於該第一絕緣層411內，且係暴露於該第一絕緣層411與該第二絕緣層412相鄰之底面，且該線圈42較佳係對位於該通孔23，該線圈43之線寬係可選擇為75至125μm；該電極層43係設置於該第二絕緣層412之底面，使得該第二絕緣層412係介於該第一絕緣層411及該電極層43之間；該連接部44係穿設於該第二絕緣層412，且係連接於該線圈42及該電極層43之間，使得該線圈42可藉由該連接部44與該電極層43電性連接。上述該線圈單元4係可透過習知之顯影蝕刻及電鍍製程完成製作。

請參照第3圖所示，當使用本發明之電磁式微幫浦時，首先，透過該電極層43接通電源，使得電流以一輸入方向流入該線圈42，舉例而言，該磁性薄膜3之上方為N極，下方為S極，該電流之輸入方向於俯視時係為順時針方向，該線圈42可產生一S極於該線圈42上方，N極於該線圈42下方之磁場；如此，該線圈42所產生之磁場將與該磁性薄膜3之磁場相斥，而向背對該通孔23之方向翹曲變形，該通孔23內之空間變大，而與該電磁式微幫浦外部之流體產生一壓差，又如前所述，該通孔23係位於阻抗不協調位置，使得該電磁式微幫浦外部之流體由該輸入孔21流入該流槽13，而不會由該輸出孔22流入。

請參照第4圖所示，反之，當改變該電流之輸入方向時，例如於俯視時係為逆時針方向，則該線圈42將產生一方向相反之磁場，S極於該線圈42下方，N極於該線圈42上方之磁場，使得該線圈42所產生之磁場與該磁性薄膜3相吸，造成該磁性薄膜3向該通孔23之方向翹曲變形，而壓迫位於該通孔23內之流體，又該通孔23係位於阻抗不協調位置，造成該流體僅由該輸出孔22流出，而不會由該輸入孔21流出。如此，重複改變該電流之輸入方向，便可對該磁性薄膜3重複產生吸斥效果，進而由該輸入孔21將流體吸入該流槽13內，並由該輸出孔22流出。

由於本發明之電磁式微幫浦係利用該線圈42與該磁性薄膜3之間的電磁吸斥力作為該電磁式微幫浦之驅動力，使得該磁性薄膜3可產生較大之震動幅度；且該磁性薄膜3不需高頻率之震動便可驅動該電磁式微幫浦，可降低耗能，亦可降低整體電磁式微幫浦之製作成本。

為驗證本發明之電磁式微幫浦之磁性薄膜3具有高位移量，僅需低震動頻率即可驅動該電磁式微幫浦，因此另進行下列測試：請參照第5圖所示，係為本發明之電磁式微幫浦之磁性薄膜3最大位移量(μm)對輸入電流(A)之相對變化圖。其中，第a組係為理論值，第b組係為實際實驗值。由結果可得知該磁性薄膜3之最大位移量可達約180μm，可驗證該磁性薄膜3確實具有高位移量。

請參照第6圖所示，其係為本發明之電磁式微幫浦之 流量(ml/s)對磁性薄膜3震動頻率(Hz)之相對變化圖。由結果可得知，該磁性薄膜3之震動頻率僅需數百Hz便可驅動本發明電磁式微幫浦，而習用微幫浦之壓電啟動器的震動頻率則需達數萬Hz方可驅動習用微幫浦，與本發明相差數百倍之多。因此，本發明之電磁式微幫浦可有效降低啟動頻率，進而降低耗能。

如上所述，本發明之電磁式微幫浦係利用該線圈42產生與該磁性薄膜3相吸或相斥之磁場，以驅動該磁性薄膜3震動，以使該電磁式微幫浦之磁性薄膜3可具有高位移量；再者，該電磁式微幫浦僅需低啟動頻率便可運作，可有效降低耗能；且該磁性薄膜3之製作成本低廉，因此，亦可降低該電磁式微幫浦之製作成本。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧基板

11‧‧‧第一面

12‧‧‧第二面

13‧‧‧流槽

2‧‧‧蓋板

21‧‧‧輸入孔

22‧‧‧輸出孔

23‧‧‧通孔

24‧‧‧通管

3‧‧‧磁性薄膜

4‧‧‧線圈單元

41‧‧‧絕緣層

411‧‧‧第一絕緣層

412‧‧‧第二絕緣層

42‧‧‧線圈

43‧‧‧電極層

44‧‧‧連接部

第1圖：本發明較佳實施例之電磁式微幫浦之立體分解圖。

第2圖：本發明較佳實施例之電磁式微幫浦之剖視圖。

第3圖：本發明較佳實施例之電磁式微幫浦之作動示意圖。

第4圖：本發明較佳實施例之電磁式微幫浦之作動示意圖。

第5圖：本發明較佳實施例之電磁式微幫浦之磁性薄膜最大位移量(μm)對輸入電流(A)之相對變化圖。

第6圖：本發明較佳實施例之電磁式微幫浦之流量(ml/s)對磁性薄膜3震動頻率(Hz)之相對變化圖。

1‧‧‧基板

11‧‧‧第一面

12‧‧‧第二面

13‧‧‧流槽

2‧‧‧蓋板

21‧‧‧輸入孔

22‧‧‧輸出孔

23‧‧‧通孔

24‧‧‧通管

3‧‧‧磁性薄膜

4‧‧‧線圈單元

41‧‧‧絕緣層

411‧‧‧第一絕緣層

412‧‧‧第二絕緣層

42‧‧‧線圈

43‧‧‧電極層

44‧‧‧連接部

Claims (8)

1. 一種電磁式微幫浦，係包含：一基板，具有一第一面及第二面，該基板於該第一面凹陷形成一流槽；一蓋板，係設置於該基板之第一面，該蓋板設有一輸入孔、一輸出孔及一通孔，該輸入孔、輸出孔及通孔皆貫穿該蓋板，且分別與該流槽相連通，該通孔係位於該輸入孔及輸出孔之間；一磁性薄膜，具有彈性變形能力，該磁性薄膜設置於該蓋板之表面並覆蓋封閉該通孔；及一線圈單元，係設置於該基板之第二面，且該線圈單元係對位於該通孔，該線圈單元交互產生N極及S極的磁場，並對該磁性薄膜形成交互的電磁吸力及推斥力，以驅動該磁性薄膜變形。
2. 依申請專利範圍第1項所述之電磁式微幫浦，其中該輸入孔及輸出孔相對該通孔係形成不對稱之設置。
3. 依申請專利範圍第1項所述之電磁式微幫浦，其中該通孔之截面大於該輸入孔及輸出孔之截面。
4. 依申請專利範圍第1項所述之電磁式微幫浦，其中該磁性薄膜係包含一彈性薄膜層及一磁性層，且該彈性薄膜層係面對該通孔。
5. 依申請專利範圍第4項所述之電磁式微幫浦，其中該彈性薄膜層係以PDMS材料製成之薄膜。
6. 依申請專利範圍第1項所述之電磁式微幫浦，其中該磁 性薄膜係以磁性物質混合塑性材料製成。
7. 依申請專利範圍第1項所述之電磁式微幫浦，其中該線圈單元係包含一絕緣層、一線圈、一電極層及一連接部，該絕緣層係設置於該基板之第二面，該線圈係埋設於該絕緣層內，該電極層係設置於該絕緣層之底面，使得該絕緣層位於該基板及該電極層之間，該連接部係設置於該絕緣層內，以電性連接於該線圈及該電極層之間。
8. 依申請專利範圍第7項所述之電磁式微幫浦，其中該絕緣層係包含一第一絕緣層及一第二絕緣層，該第一絕緣層係設置於該基板之第二面，且該第一絕緣層係位於該基板及該第二絕緣層之間，該線圈係設置於該第一絕緣層內，且暴露於該第一絕緣層與該第二絕緣層相鄰之底面，該連接部係穿設於該第二絕緣層。