TWI448413B

TWI448413B - 氣動式微幫浦

Info

Publication number: TWI448413B
Application number: TW100132197A
Authority: TW
Inventors: Liang Ju Chien; Chi Han Chiou
Original assignee: Ind Tech Res Inst
Priority date: 2011-09-07
Filing date: 2011-09-07
Publication date: 2014-08-11
Also published as: TW201311542A; US20130058805A1; US9732743B2

Description

氣動式微幫浦

本發明係關於一種氣動式微幫浦，特別係關於一種採用壓力改變而作動之氣動式微幫浦。

在病患接收外科手術後，往往需要止痛劑來緩和疼痛。近年來，越來越多的研究探討著如何適時且適量的提供病患止痛劑，使病患有效地紓緩疼痛。

注入微幫浦係用於提供病患一止痛劑之裝置。藉由注入微幫浦的作動，止痛劑可自一儲存槽輸送至病患體內。依照不同的需求，注入微幫浦運用不同的機制來啟動，其中病患自控式止痛法(Patient Controlled Analgestic，以下簡稱PCA)係透過病患以手動方式按壓觸發鈕，以啟動注入微幫浦，使一定劑量的止痛劑提供至病患體內。

PCA擁有以下好處：(1)當病患需要止痛劑時，病患可即時地接納止痛劑，而不需等醫護人員前來協助；(2)縮短了病患感受到疼痛與止痛劑注入之間所耗費之時間；以及(3)使病患得到最佳的麻醉效果並減少疼痛指數，如此有助於降低因疼痛所造成的併發症狀，可早日康復。

許多關於氣動式注入微幫浦的研究被提出。

美國專利US 6408878提出一種長閉型之微結構彈性閥，其中包括一寬度小於1000微米之彈性微結構、一控制通道及一流體通道。彈性微結構設置於流體通道中，以阻斷流體通道。當控制通道呈現負壓狀態時，彈性微結構進入控制通道中，流體流過流體通道。然而，在關閉與開啟流體通道之過程中，彈性微結構需至少移動一個流體通道之寬度之距離。

美國專利US7445926提供一種用於微流體裝置之流體控制結構，其中包括：一流體基板、一玻璃基板及一設置於流體基板與玻璃基板之間的橫隔膜。橫隔膜因自身韌性，使流體基板上的流體通道保持長關狀態。當玻璃基板內的氣室形成負壓後，橫隔膜進入玻璃基板之氣室內，使流體通過流體通道。

中華民國專利TWI269776提出一種微流體驅動裝置，其中包括：一連續彎曲之氣體通道、一薄膜及一流體通道，其中氣體通道與流體通道分別設置於薄膜之上下二側。在氣體通道與流體通道之交會處，薄膜因壓力而產生變形，並推動流體通道內之流體前進。

中華民國義守大學論文「新型薄膜氣動微幫浦的研究與設計」中提供了一種雙側蠕動式氣動幫浦，其中包括一流道、及複數個成對設置於流道兩側之加壓閥。藉由加壓閥所提供之壓力使流道變形，並推動流體。然而，加壓閥需加壓至一定程度之壓力，才能有效關閉流道。

有鑑於此，本發明之一目的在於減少氣動式注入微幫浦中薄膜因運動行程過大，而導致彈性疲勞或損壞等缺點。本發明之另一目的在於解決傳統氣動式注入微幫浦中，液體回流及液體滯留於流道中等問題。本發明之又一目的在於提供一個可即時反應，且有效率運作之氣動式注入微幫浦。

為達上述目的，本發明提出一種氣動式微幫浦，包括一流道層、一上基板、一下基板、一上層薄膜、以及一下層薄膜。流道層包括一流體入口、一流體出口及一腔體，其中流體依序流過流體入口、腔體、及流體出口。上基板包括對應於腔體的一上氣室。下基板包括對應於腔體的一下氣室。上層薄膜設置於上氣室與腔體之間，且下層薄膜設置於下氣室與腔體之間。

在上述較佳實施例中，氣動式微幫浦包括設置於流體入口或流體出口中的一逆止閥。逆止閥包括一凸塊及一瓣膜。凸塊形成於流體入口或流體出口之內側壁，瓣膜以可分離的方式與凸塊抵接。其中在流體入口朝流體出口之方向上，凸塊與瓣膜相互重疊，且凸塊設置於瓣膜之前。上述之流體入口及流體出口分別定義於流道層與下層薄膜之間，其中瓣膜係設置於下層薄膜上。

在上述較佳實施例中，腔體具有形成於上層薄膜與下層薄膜之間的一凸緣，其中凸緣環繞腔體之內側壁，且具有連結於腔體之內側壁的一底部、及連結於底部的一頂部，其中底部之寬度大於頂部之寬度。

在上述較佳實施例中，上層薄膜與流道層為一體成形。

在上述較佳實施例中，上層薄膜及下層薄膜分別受上氣室及下氣室之氣壓影響，同時進入腔體或同時遠離腔體。

在上述較佳實施例中，上氣室及下氣室分別具有連通於外部的一氣室通道，其中氣室通道中氣體流動方向分別垂直於上層薄膜與下層薄膜所延展之平面。

在上述較佳實施例中，氣動式微幫浦更包括一上導流元件以及一下導流元件，其中上導流元件設置於流道層與上層薄膜之間，下導流元件設置於流道層與下層薄膜之間。

在上述較佳實施例中，上導流元件具有與流體入口連通的一入口、以及與腔體連通的一出口；下導流元件具有與腔體連通的一入口、以及與流體出口連通的一出口；流體入口、腔體、及流體出口係以彼此獨立的方式形成於流道層中；上層薄膜及下層薄膜受上氣室及下氣室之氣壓影響，交互地進入腔體。

本發明之氣動式微幫浦藉由氣室的壓力變化，使上、下層薄膜產生變形而改變腔體之體積，並驅動流體朝一特定方向流動。相較於習知技術之氣動式注入微幫浦，本發明之氣動式微幫浦無論在容納流體或送出流體之過程，皆相較於習知技術擁有更高的效率。

茲配合圖式及較佳實施例說明。

請參見第1、2圖，第1、2圖分別顯示本發明之第一實施例之剖面圖及元件分解圖。本發明之氣動式微幫浦100包括一流道層110、一上層薄膜120、一下層薄膜130、一上基板140、一下基板150及二個逆止閥160。

流道層110具有一上表面110a及一下表面110b，且包括一流體入口111、一流體出口113及一腔體115。腔體115連結於流體入口111與流體出口113之間，使一流體可依序流過流體入口111、腔體115及流體出口113，而完成一次的流體輸送程序。腔體115形成於流道層110之實質中心。在一具體實施例中，腔體115實質上為一圓環，且其內壁面具有一環狀凸緣117。環狀凸緣117具有連結於腔體115之內側壁的一底部117a、及連結於底部117a的一頂部117b，其中底部117a之寬度大於頂部117b之寬度。換言之，沿流道層110之上表面110a至下表面110b之方向上，腔體115之寬度逐漸變窄後再逐漸加寬。

流體入口111及流體出口113分別形成於腔體115之兩側，且分別具有一ㄇ字型內側壁。詳而言之，流體入口111及流體出口113係自流道層110之下表面110b向內凹陷之矩形凹槽。整體觀之，在相對流道層110之下表面110b之一側，流體入口111、流體出口113及腔體115係暴露於外部。

上層薄膜120相對於腔體115設置於流道層110之上表面110a。在此實施例中，上層薄膜120與流道層110係利用一體成形的方式製造而成(其具體製造方法待後續說明)，然而不應限制於此。

下層薄膜130利用黏合的方式連結於流道層110之下表面110b上，因此流體入口111、流體出口113及腔體115相對於流道層110之下表面110b之一側，得以封閉。換言之，流體入口111及流體出口113係定義於流道層110與下層薄膜130之間，且腔體115夾設於上層薄膜120與下層薄膜130之間。

上基板140連結於流道層110之上表面110a，且包括一上氣室141及一氣室通道143，其中上氣室141對應於腔體115，故上層薄膜120設置於上氣室141與腔體115之間。氣室通道143連結於上氣室141與外部裝置(未圖示)之間，以對於上氣室141之內部壓力進行調整，其中氣室通道143之氣體流動方向係實質上垂直於上層薄膜140所延展之平面。

下基板150連結於下層薄膜130，且包括一下氣室151及一氣室通道153，其中下氣室151對應於腔體115，故下層薄膜130設置於下氣室151與腔體115之間。氣室通道153連結於下氣室151與外部裝置(未圖示)之間，以對於下氣室151之內部壓力進行調整，其中氣室通道153之氣體流動方向係垂直於下層薄膜130所延展之平面。

二個逆止閥160設置於流體入口111及流體出口113中，且分別具有一凸塊161及一瓣膜163。凸塊161形成於流體入口111及流體出口113之ㄇ字型內側壁上。瓣膜163以可分離的方式與凸塊161抵接，並形成於下層薄膜130上。在本實施例中，凸塊161係與流道層110一體成形，且瓣膜163係形成於下層薄膜130面對流道層110之一側面，其製造方式及作用待後續說明。

由於對應於凸塊161所設置之區域，流體入口111及流體出口113之流道截面積減少，且由於瓣膜163之截面積約略相同於流體入口111及流體出口113之流道截面積，故沿流體入口111朝流體出口113之方向觀察，凸塊161與瓣膜163彼此重疊。值得注意的是，在流體入口111中，來自外部之流體依序穿過凸塊161及瓣膜163並進入腔體115；在流體出口113中，來自腔體115之流體依序穿過凸塊161及瓣膜163。

本發明之第一實施例之氣動式微幫浦100之製造程序說明如下。請參照第3-5圖，第3A-3D圖依序繪製本發明之第一實施例之上、下基板140、150之製造程序，其中因上、下基板140、150結構相同，故僅針對上基板140加以解說，在此先予指明。

為達大量生產之目的，本發明之元件皆以母模澆灌的方式熱固成形，故製造各樣元件前，需先進行模具生產的加工程序。請參考第3A至3D圖，首先，提供如第3A圖所示之模具10。接著，如第3B圖所示般，針對生產上基板140之模具10進行雕刻或曝光顯影及蝕刻等加工程序，其中模具10可為玻璃、矽或壓克力(PMMA)之材質所製成。隨後如第3C圖所示般，澆灌熱固性之物質(如：聚二甲基矽膠，PDMS)於模具10上，並於冷卻後取下加工完成的上基板140，如第3D圖所示。

在一具體實施例中，流道層110、上層薄膜120及凸塊161係共同利用一模具所製成。請參考第4A至4D圖，首先，提供如第4A圖所示之模具20。接著，如第4B圖所示般，針對模具20進行雕刻或曝光顯影及蝕刻等加工程序，其中模具20可為玻璃、矽之材質所製成。隨後如第4C圖所示般，澆灌熱固性之物質(如：聚二甲基矽膠，PDMS)於模具20上，並於冷卻後取下加工完成之流道層110、上層薄膜120及凸塊161，如第4D圖所示。

在一具體實施例中，下層薄膜130及瓣膜163係共同利用一模具所製成。請參照第5A至5D圖，首先，提供如第5A圖所示之模具30。接著，如第5B圖所示般，針對生產下層薄膜130之模具30進行雕刻或曝光顯影及蝕刻等加工程序，其中模具30可為玻璃、矽之材質所製成。隨後如第5C圖所示般，澆灌熱固性之物質(如：聚二甲基矽膠，PDMS)於模具30上，並於冷卻後取下加工完成之下層薄膜130及瓣膜163，如第5D圖所示。

在完成上述步驟後，再利用黏合的方式將各個元件相互結合，即可完成本發明之第一實施例之氣動式微幫浦100。需注意的是，熟悉此項技藝之人士當可明白上述製造程序並非希望加以限定本發明之結構特徵而加以描述。熟悉此項技藝之人士可依照不同需求，改變各組件之製造方式。

本發明之第一實施例之氣動式微幫浦100之作動方式說明如下：在PCA的治療程序中，病患自主性地按壓一觸發鈕後，氣動式微幫浦100即被驅動。如第6圖所示，氣室通道143及氣室通道153分別針對其所連結之上、下氣室141、151進行真空抽氣。由於上、下層薄膜120、130皆為一可彈性變形之元件，受上、下氣室141、151之負壓所吸引，上、下層薄膜120、130產生變形。上、下層薄膜120、130進入至上、下氣室141、151後，腔體115內部壓力減少，流體自流體入口111進入腔體115內部。值得注意的是，受流體之動能影響，位於流體入口111之瓣膜163相對於下層薄膜130進行樞轉，並遠離位於流體入口111內側壁上之凸塊161。相反地，受腔體115之負壓所影響，位於流體出口113之瓣膜163受吸引，而緊貼於位於流體出口113內側壁上之凸塊161，阻斷流體出口113。如此一來，腔體115即可大量容納流體，但有效地防止病患體液自流體出口113進入腔體115。

請參照第7圖，當腔體115內充滿流體後，氣室通道143及氣室通道153分別針對其所連結之上、下氣室141、151進行進氣加壓。由於上、下層薄膜120、130皆為一可彈性變形之元件，受上、下氣室141、151之正向壓所推擠，上、下層薄膜120、130皆產生變形。上、下層薄膜120、130進入至腔體115內後，上、下層薄膜120、130之實質中央部分彼此相互貼合，且貼附於腔體115內壁面之環狀凸緣117。由於腔體115夾設於上、下層薄膜120、130之間，故上、下層薄膜120、130僅需位移半個流道寬度H，即可完全排除容納於腔體115內之流體。

值得注意的是，受流體之動能影響，位於流體出口113之瓣膜163相對於下層薄膜130進行樞轉，並遠離位於流體出口113內側壁上之凸塊161，使流體流通於流體出口113。相反地，位於流體入口111之瓣膜163則緊密貼合位於流體入口111內側壁上之凸塊161，阻斷流體入口111。

又，由於腔體115之環狀凸緣117之結構特徵，上、下層薄膜120、130可完全貼附於環狀凸緣117上，並彼此緊密貼合。如此一來，腔體115內之流體得以完全排除，不會造成液體滯留(dead volume)的現象發生，使病患得以獲得符合配方用量之麻醉藥劑。

此外，受惠於氣室通道143、153之氣體流動方向係實質上垂直於上、下層薄膜120、130所延展之平面，氣室通道143、153所提供的氣體壓力係直接且有效率的帶動上、下層薄膜120、130的作動。但需注意的是，此特徵並非本發明之必要特徵，熟悉此技藝之人士當然可調整氣室通道143、153的位置，以達到不同需求。

請參見第8圖，第8圖顯示本發明之第二實施例之氣動式微幫浦200之元件分解圖，其中與氣動式微幫浦100相同或類似之元件施予相似之編號，且其特徵將不再說明。氣動式微幫浦200與氣動式微幫浦100不同之處在於，流道層210之腔體215係貫穿流道層210之實質中心，且上層薄膜220連結於流道層210之上表面210a。另一方面，上、下基板240、250之氣室通道243、253之氣體流動方向係平行於上、下基板240、250所延展之平面。

在上述實施例中，氣動式微幫浦利用上、下層薄膜共同作動的運作原理以減少薄膜運動行程，並增加薄膜使用壽命。腔體內部之環狀凸緣則有效地改善液體滯留的現象。設置於流體出、入口之逆止閥則限定流體流動的方向，避免病患體液回流於氣動式微幫浦內部。

請參見第9A圖至第9D圖，第9A圖至第9D圖顯示本發明之第三實施例之氣動式微幫浦300，其中與氣動式微幫浦100相同或類似之元件施予相似之編號，且其特徵將不再說明。氣動式微幫浦300與氣動式微幫浦100不同之處在於：氣動式微幫浦300包括一上導流元件360和一下導流元件370，來代替氣動式微幫浦100中之逆止閥160之功能，且流道層310中的流體入口311、腔體315、及流體出口313係以彼此獨立的方式形成。

詳而言之，上導流元件360係設置於流道層310與上層薄膜320之間，且具有與流體入口311連通的一入口361、以及與腔體315連通的一出口362，可用以於微幫浦300作動時、使流體依序流過流體入口311與腔體315；下導流元件370係設置於流道層310與下層薄膜330之間，且具有與腔體315連通的一入口371、以及與流體出口313連通的一出口372，可用以於微幫浦300作動時、使流體依序流過腔體315與流體出口313。

另外，值得注意的是，本實施例之氣動式微幫浦300之作動方式與第一實施例之氣動式微幫浦100之作動方式也並不完全相同；在本實施例中，上層薄膜320及下層薄膜330係輪流受上氣室341及下氣室351之氣壓影響，交互地進入腔體315。

亦即，受上氣室341之負壓所吸引，上、下層薄膜320、330產生變形，如第10A圖所示般，上層薄膜320進入至上氣室341後，腔體315內部壓力減少，流體自流體入口311經由上導流元件360之入口361、上層薄膜320變形後產生之間隙G1、上導流元件360之出口362後進入腔體315內部，此時下層薄膜330進入腔體315，確實阻斷流體出口313與腔體315的連通；之後，受下氣室351之負壓所吸引，上、下層薄膜320、330產生變形，如第10B圖所示般，下層薄膜330進入至下氣室351後，上層薄膜320進入腔體315，使得流體自腔體315經由下導流元件370之入口371、下層薄膜330變形後產生之間隙G2、下導流元件370之出口372後流至流體出口313，此時上層薄膜320確實阻斷流體入口311與腔體315的連通。

在本實施例中，藉由流道層310中的流體入口311、腔體315、及流體出口313係以彼此獨立的方式形成，且藉由上層薄膜320和下層薄膜330進入腔體315、來阻斷流體入口311、腔體315、及流體出口313之間的連通，可確實地限定流體流動的方向，避免病患體液回流於氣動式微幫浦內部。

另外，值得注意的是，在本實施例中，氣動式微幫浦300之作動方式也不限於上層薄膜320及下層薄膜330輪流受上氣室341及下氣室351之氣壓影響，只要流體可依序自流體入口311經由上導流元件360之入口361和出口362、腔體315、下導流元件370之入口371和出口372後流至流體出口313即可；例如，可僅於上氣室341或下氣室351之一方施加負壓來達到流體於氣動式微幫浦300中流動；或者，在上氣室341施加負壓時，也可在下氣室351施加正壓，以加強流體流動。

本發明各組件間相互之關係及作用原理已於上述內容作詳盡說明及解釋，惟應注意的是，以上所述之元件相對位置、數量、形狀等限制，並不侷限於本案圖式及說明書之內容所示，在檢視本案之發明時，應考量本發明之整體內容而視。

10、20、30．．．模具

100、200、300．．．氣動式微幫浦

110、210、310．．．流道層

110a、210a．．．上表面

110b．．．下表面

111、311．．．流體入口

113、313．．．流體出口

115、215、315．．．腔體

117．．．凸緣

117a．．．底部

117b．．．頂部

120、220、320．．．上層薄膜

130、230、330．．．下層薄膜

140、240、340．．．上基板

141、341．．．上氣室

143、243、343．．．氣室通道

150、250、350．．．下基板

151、351．．．下氣室

153、253、353．．．氣室通道

160．．．逆止閥

161．．．凸塊

163．．．瓣膜

360．．．上導流元件

361、371．．．入口

362、372．．．出口

370．．．下導流元件

G1、G2．．．間隙

F_O 、F_I ．．．流體流動方向

A_O 、A_I ．．．氣體流動方向

第1圖顯示本發明之第一實施例之氣動式微幫浦之剖面圖；

第2圖顯示本發明之第一實施例之氣動式微幫浦之元件分解圖；

第3A-3D圖顯示本發明之第一實施例之上、下基板之製造過程之剖面圖；

第4A-4D圖顯示本發明之第一實施例之部分元件之製造過程之剖面圖；

第5A-5D圖顯示本發明之第一實施例之部分元件之製造過程之剖面圖；

第6-7圖顯示本發明之第一實施例之氣動式微幫浦於作動時之剖面圖；

第8圖顯示本發明之第二實施例之氣動式微幫浦之元件分解圖；

第9A圖至第9D圖顯示本發明之第三實施例之氣動式微幫浦之示意圖，其中第9A圖顯示本發明之第三實施例之氣動式微幫浦之元件分解圖，第9D圖顯示本發明之第三實施例之氣動式微幫浦之剖面圖；以及

第10A-10B圖顯示本發明之第三實施例之氣動式微幫浦於作動時之剖面圖。

100．．．氣動式微幫浦

110．．．流道層

110a．．．上表面

111．．．流體入口

113．．．流體出口

115．．．腔體

117．．．凸緣

117a．．．底部

117b．．．頂部

120．．．上層薄膜

130．．．下層薄膜

140．．．上基板

141．．．上氣室

143．．．氣室通道

150．．．下基板

151．．．下氣室

153．．．氣室通道

160．．．逆止閥

161．．．凸塊

163．．．瓣膜

Claims

一種氣動式微幫浦，包括：一流道層，包括一流體入口、一流體出口、及一腔體，其中流體依序流過該流體入口、該腔體、及該流體出口；一上基板，包括對應於該腔體的一上氣室；一下基板，包括對應於該腔體的一下氣室；一上層薄膜，設置於該上氣室與該腔體之間；以及一下層薄膜，設置於該下氣室與該腔體之間。
如申請專利範圍第1項所述之氣動式微幫浦，更包括至少一逆止閥，設置於該流體入口或該流體出口中。
如申請專利範圍第2項所述之氣動式微幫浦，其中該逆止閥包括形成於該流體入口或該流體出口之側壁的一凸塊、及以可分離的方式與該凸塊抵接的一瓣膜。
如申請專利範圍第3項所述之氣動式微幫浦，其中在該流體入口朝該流體出口之方向上，該凸塊與該瓣膜相互重疊。
如申請專利範圍第3項所述之氣動式微幫浦，其中沿著該流體入口朝該流體出口之方向上，該凸塊設置於該瓣膜之前。
如申請專利範圍第3項所述之氣動式微幫浦，其中該流體入口及該流體出口分別定義於該流道層與該下層薄膜之間，且該瓣膜設置於該下層薄膜上。
如申請專利範圍第1項所述之氣動式微幫浦，其中該腔體具有形成於該上層薄膜與該下層薄膜之間的一凸緣。
如申請專利範圍第7項所述之氣動式微幫浦，其中該凸緣環繞該腔體之內側壁，且具有連結於該腔體之內側壁的一底部、及連結於該底部的一頂部，其中該底部之寬度大於該頂部之寬度。
如申請專利範圍第1項所述之氣動式微幫浦，其中該上層薄膜與該流道層為一體成形。
如申請專利範圍第1項所述之氣動式微幫浦，其中該上層薄膜及該下層薄膜分別受該上氣室及該下氣室之氣壓影響，同時進入該腔體或同時遠離該腔體。
如申請專利範圍第1項所述之氣動式微幫浦，其中該上氣室及該下氣室分別具有連通於外部的一氣室通道。
如申請專利範圍第1項所述之氣動式微幫浦，更包括：一上導流元件，設置於該流道層與該上層薄膜之間；以及一下導流元件，設置於該流道層與該下層薄膜之間。
如申請專利範圍第12項所述之氣動式微幫浦，其中該上導流元件具有與該流體入口連通的一入口、以及與該腔體連通的一出口。
如申請專利範圍第12項所述之氣動式微幫浦，其中該下導流元件具有與該腔體連通的一入口、以及與該流體出口連通的一出口。
如申請專利範圍第12項所述之氣動式微幫浦，其中該流體入口、該腔體、及該流體出口係以彼此獨立的方式形成於該流道層中。
如申請專利範圍第12項所述之氣動式微幫浦，其中該上層薄膜及該下層薄膜受該上氣室及該下氣室之氣壓影響，交互地進入該腔體。