TWI699086B - Micro-electromechanical system pump module - Google Patents
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Description
本案係關於一種微機電泵模組,尤指一種利用訊號電極的設置來減少微處理器的接點,再利用開關單元控制微機電泵,進而簡化微機電泵接點與佈線。 This case is about a micro-electromechanical pump module, especially one that uses signal electrodes to reduce the contacts of the microprocessor, and then uses a switch unit to control the microelectromechanical pump, thereby simplifying the contacts and wiring of the microelectromechanical pump.
隨著科技的日新月異,流體輸送裝置的應用上亦愈來愈多元化,舉凡工業應用、生醫應用、醫療保健、電子散熱等等,甚至近來熱門的穿戴式裝置皆可見它的蹤影,可見傳統的泵浦已漸漸有朝向裝置微小化的趨勢,但傳統的泵浦難以將尺寸縮小至公釐等級,故目前的微型流體輸送裝置僅能使用壓電泵結構來作為微型流體傳輸裝置。 With the rapid development of science and technology, the applications of fluid delivery devices have become more and more diversified. For example, industrial applications, biomedical applications, medical care, electronic heat dissipation, etc., and even recent popular wearable devices can be seen in its traces, and can be seen in tradition. The pump has gradually become a trend toward miniaturization of the device, but the traditional pump is difficult to reduce the size to the millimeter level, so the current micro fluid delivery device can only use the piezoelectric pump structure as a micro fluid delivery device.
而微機電泵浦雖可將泵浦的體積微小化至微米等級,但微米等級的微機電泵浦會因為過小的體積限制了流體傳輸量,故需要多個微機電泵浦搭配使用,請參考第1圖所示,目前皆是透過一個高階微處理器1分別對各個微機電泵進行控制,但高階微處理器1本身成本高,且每個微機電泵2都必須要連接高階微處理器1的兩根微處理器接腳11連接,再透過高階微處理器1分別控制各個微機電泵2,才得以達到精確控制的效果,但卻會因此大幅提升高階微處理器1的成本,導致微機電泵模組成本居高不下,也會增加封裝打線的困難,難以普及,因此,如何降低微機電泵模組的成本為目前微機電泵首要克服的難關。
Although the MEMS pump can miniaturize the pump volume to the micron level, the micro-level MEMS pump will limit the fluid transfer due to its small size, so multiple MEMS pumps are required to be used together. Please refer to As shown in Figure 1, at present, each MEMS pump is controlled separately through a high-
本案之主要目的在於提供一種微機電泵模組,透過訊號電極來傳輸驅動微機電泵的調變電壓,再經由開關單元來控制微機電泵啟閉動作,來減少微處理器的接點,減少微機電泵模組的接點及佈線,進一步簡化微機電泵模組。 The main purpose of this case is to provide a micro-electro-mechanical pump module that transmits the modulated voltage for driving the micro-electro-mechanical pump through a signal electrode, and then controls the opening and closing actions of the micro-electro-mechanical pump through a switch unit, so as to reduce the contact points of the microprocessor and reduce The contacts and wiring of the MEMS pump module further simplify the MEMS pump module.
為達上述目的,本案之較廣義實施態樣為提供一種微機電泵模組,包含:一微機電晶片,具有一晶片本體係一長方形,具有一長邊及一短邊;至少一訊號電極,設置於該晶片本體並鄰近該短邊;複數個微機電泵,皆具有一第一電極與一第二電極,該第二電極電連接該至少一訊號電極;複數個開關單元,電連接該複數個微機電泵的該第一電極;以及複數個控制電極,設置於該晶片本體並鄰近該長邊且分別電連接該複數個開關單元;其中,該至少一訊號電極接收一調變電壓以傳至該複數個微機電泵的該第二電極,該複數個開關單元控制該複數個微機電泵啟閉作動。 To achieve the above objective, the broader implementation aspect of this case is to provide a MEMS pump module, which includes: a MEMS chip with a chip and a rectangle with a long side and a short side; at least one signal electrode, Are arranged on the chip body and adjacent to the short side; a plurality of microelectromechanical pumps all have a first electrode and a second electrode, the second electrode is electrically connected to the at least one signal electrode; a plurality of switch units are electrically connected to the plurality of The first electrode of a microelectromechanical pump; and a plurality of control electrodes, which are arranged on the chip body and adjacent to the long side and electrically connected to the plurality of switch units; wherein the at least one signal electrode receives a modulated voltage to transmit To the second electrode of the plurality of microelectromechanical pumps, the plurality of switch units control the opening and closing actions of the plurality of microelectromechanical pumps.
100:微機電泵模組 100: MEMS pump module
1:高階微處理器 1: High-end microprocessor
11:微處理器接腳 11: Microprocessor pin
2:微機電泵 2: MEMS pump
3:微機電晶片 3: MEMS chip
31:晶片本體 31: chip body
31a:長邊 31a: Long side
31b:短邊 31b: short side
4:訊號電極 4: Signal electrode
4a:第一訊號電極 4a: The first signal electrode
4b:第二訊號電極 4b: The second signal electrode
4c:第三訊號電極 4c: The third signal electrode
4d:第四訊號電極 4d: Fourth signal electrode
5:微機電泵 5: MEMS pump
51:第一電極 51: first electrode
52:第二電極 52: second electrode
53:壓電件 53: Piezoelectric
5A:第一微機電泵群組 5A: The first MEMS pump group
5B:第二微機電泵群組 5B: The second MEMS pump group
5C:第三微機電泵群組 5C: The third MEMS pump group
5D:第四微機電泵群組 5D: The fourth MEMS pump group
5E:第一微機電作動區 5E: The first MEMS actuation area
5F:第二微機電作動區 5F: The second MEMS actuation area
5G:第三微機電作動區 5G: The third MEMS actuation area
5H:第四微機電作動區 5H: The fourth MEMS actuation area
6:開關單元 6: Switch unit
61:第一開關單元 61: The first switch unit
62:第二開關單元 62: The second switch unit
63:第三開關單元 63: The third switch unit
64:第四開關單元 64: The fourth switch unit
7:控制電極 7: Control electrode
8:微處理器 8: Microprocessor
81:接腳 81: pin
G:閘極 G: Gate
D:汲極 D: Dip pole
S:源極 S: source
第1圖為先前技術中微機電泵模組的示意圖。 Figure 1 is a schematic diagram of a MEMS pump module in the prior art.
第2圖為本案微機電泵模組的第一實施例示意圖。 Figure 2 is a schematic diagram of the first embodiment of the microelectromechanical pump module of the present invention.
第3圖為本案微機電泵模組的第二實施例示意圖。 Figure 3 is a schematic diagram of the second embodiment of the micro-electromechanical pump module in this case.
第4圖為本案微機電泵模組的第三實施例示意圖。 Figure 4 is a schematic diagram of the third embodiment of the micro-electromechanical pump module of the present invention.
第5圖為本案微機電泵模組的第四實施例示意圖。 Figure 5 is a schematic diagram of the fourth embodiment of the microelectromechanical pump module of the present invention.
第6圖為本案微機電泵模組的第五實施例示意圖。 Figure 6 is a schematic diagram of the fifth embodiment of the micro-electromechanical pump module of the present invention.
第7圖為本案微機電泵模組的第六實施例示意圖。 Figure 7 is a schematic diagram of the sixth embodiment of the micro-electromechanical pump module in this case.
第8圖為本案微機電泵模組的第七實施例示意圖。 Figure 8 is a schematic diagram of the seventh embodiment of the micro-electromechanical pump module of the present invention.
第9圖為本案微機電泵模組的第八實施例示意圖。 Figure 9 is a schematic diagram of the eighth embodiment of the micro-electromechanical pump module in this case.
第10A圖為本案微機電泵的開關單元連接微機電泵之示意圖。 Figure 10A is a schematic diagram of the switch unit of the MEMS pump connected to the MEMS pump.
第10B圖為本案微機電泵的開關單元連接微機電泵另一實施例之示意圖。 Figure 10B is a schematic diagram of another embodiment of the micro-electro-mechanical pump's switch unit connected to the micro-electro-mechanical pump.
體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化,其皆不脫離本案的範圍,且其中的說明及圖示在本質上當作說明之用,而非用以限制本案。 Some typical embodiments embodying the features and advantages of this case will be described in detail in the following description. It should be understood that this case can have various changes in different aspects, all of which do not depart from the scope of the case, and the descriptions and diagrams therein are essentially for illustrative purposes rather than limiting the case.
請參考第2圖,第2圖為本案微機電泵模組的第一實施例示意圖。微機電泵模組100包含:一微機電晶片3、至少一訊號電極4、複數個微機電泵5、複數個開關單元6以及複數個控制電極7,微機電晶片3具有一晶片本體31,晶片本體31係一長方形具有一長邊31a及一短邊31b,訊號電極4設置於晶片本體31並鄰近短邊31b,微機電泵5皆設置晶片本體31上,每個微機電泵5分別具有一第一電極51、一第二電極52及一壓電件53,每個微機電泵5的第二電極52皆電連接訊號電極4,微機電泵5的壓電件53利用壓電效應產生形變,改變微機電泵5的內部壓力,進而汲取流體來達到傳輸流體的效果,開關單元6的一端連接微機電泵5的第一電極51,另一端連接控制電極7,控制電極7亦設置於晶片本體31並鄰近長邊31a,其中,訊號電極4會由一微處理器8接收一調變電壓並傳輸至微機電泵5的第二電極52,調變電壓為±1.8、±3.3、±3.6、±5伏特的方波,此外,調變電壓的波形也可以是弦波、三角波的交流電壓,但不以此為限,開關單元6通過控制電極7接收微處理器8的控制訊號來開啟或關閉,用來進一步控制與其連接的微機電泵5啟閉作動。當開關單
元6關閉時,與其連接的微機電泵5的第一電極51將會斷路,使微機電泵5停止運作,此外,當開關單元6開啟時,與其連接之微機電泵5的第一電極51將會視為接地,此時利用第二電極52所接收的調變電壓來驅動微機電泵5內的壓電件53。此外,於本案的第一實施例中,至少一訊號電極4的數量包含一第一訊號電極4a,本實施例的訊號電極4數量為一個,所有的微機電泵5的第二電極52皆電連接至第一訊號電極4a,由第一訊號電極4a傳遞調變電壓至各微機電泵5的第二電極52。
Please refer to Figure 2. Figure 2 is a schematic diagram of the first embodiment of the MEMS pump module in this case. The
請參考第3圖所示,第3圖為本案微機電泵模組的第二實施例示意圖,至少一訊號電極4包含有第一訊號電極4a及一第二訊號電極4b,前述的複數個微機電泵5依位置區分為一第一微機電泵群組5A及一第二微機電泵群組5B,其中位於第一微機電泵群組5A內的微機電泵5其第二電極52皆電連接至第一訊號電極4a,而位於第二微機電泵群組5B內的微機電泵5其第二電極52皆電連接至第二訊號電極4b,來達到分區控制的效果,本實施例之訊號電極4的數量為兩個。
Please refer to Figure 3. Figure 3 is a schematic diagram of the second embodiment of the MEMS pump module. At least one
請參考第4圖所示,第4圖為本案微機電泵模組的第三實施例示意圖,第三實施例與第二實施例相同訊號電極4皆為兩個,故訊號電極4具有第一訊號電極4a與第二訊號電極4b,第一訊號電極4a與第二訊號電極4b分開設置於晶片本體31的兩端(如上、下兩端),且第一訊號電極4a與第二訊號電極4b電連接,且前述之複數個微機電泵5的第二電極52電連接位於兩端的第一訊號電極4a與第二訊號電極4b,第三實施例可降低距離微機電泵5的第二電極52與訊號電極4之間的阻抗,來降低距離訊號電極4較遠的第二電極52的電力於傳輸時的損耗。
Please refer to Figure 4. Figure 4 is a schematic diagram of the third embodiment of the MEMS pump module. The third embodiment and the second embodiment have two
請參考第5圖所示,第5圖為本案微機電泵模組的第四實施例示意圖,至少一訊號電極4包含有第一訊號電極4a、第二訊號電極4b、一第三訊
號電極4c及一第四訊號電極4d,第一訊號電極4a與第三訊號電極4c間隔設置於晶片本體31的一端(如上端),第二訊號電極4b與第四訊號電極4d間隔設置於晶片本體31的另一端(如下端),而本實施例中,前述之複數個微機電泵5將依位置區域區分為第一微機電泵群組5A、第二微機電泵群組5B、第三微機電泵群組5C及第四微機電泵群組5D,第一微機電泵群組5A為鄰近第一訊號電極4a的微機電泵5所組成,第一訊號電極4a供位於第一微機電泵群組5A內所有的微機電泵5的第二電極52電連接;第二微機電泵群組5B為鄰近第二訊號電極4b的微機電泵5所組成,第二訊號電極4b供位於第二微機電泵群組5B內所有的微機電泵5的第二電極52電連接;第三微機電泵群組5C為鄰近第三訊號電極4c的微機電泵5所組成,第三訊號電極4c供位於第三微機電泵群組5C內所有的微機電泵5的第二電極52電連接;第四微機電泵群組5D為鄰近第四訊號電極4d的微機電泵5所組成,第四訊號電極4d供位於第四微機電泵群組5D內所有的微機電泵5其第二電極52電連接,來達到分區控制的效果。
Please refer to Figure 5. Figure 5 is a schematic diagram of the fourth embodiment of the micro-electromechanical pump module of the present invention. At least one
請參考第6圖所示,第6圖為本案微機電泵模組的第五實施例示意圖,本實施例與第四實施例中相同具有第一訊號電極4a、第二訊號電極4b、第三訊號電極4c及第四訊號電極4d,且其設置位置也相同,差異點為本實施例中第一訊號電極4a電連接第二訊號電極4b,第三訊號電極4c電連接第四訊號電極4d,並將前述之複數個微機電泵5區分為第一微機電泵群組5A及第二微機電泵群組5B,第一微機電泵群組5A為鄰近第一訊號電極4a或鄰近第二訊號電極4b的微機電泵5所組成,第二微機電泵群組5B為鄰近第三訊號電極4c或鄰近第四訊號電極4d的微機電泵5所組成,藉此來達到分區控制的功效,且減少訊號電極4與第二電極52之間的距離,降低電力傳輸的損耗。
Please refer to Figure 6. Figure 6 is a schematic diagram of the fifth embodiment of the MEMS pump module in this case. This embodiment has the same
請參考第7圖所示,第7圖為本案微機電泵模組的第六實施例示意圖,本實施例與第四實施例中具有相同第一訊號電極4a、第二訊號電極4b、第三訊號電極4c及第四訊號電極4d,且其設置位置也相同,本實施例中,第一訊號電極4a、第二訊號電極4b、第三訊號電極4c與第四訊號電極4d皆相互電連接,使前述之複數個微機電泵5的第二電極52得以電連接其較近的訊號電極4,如鄰近第一訊號電極4a的微機電泵5的第二電極52便電連接至第一訊號電極4a,鄰近第二訊號電極4b的微機電泵5的第二電極52便電連接至第二訊號電極4b,以此類推,訊號電極4供位置相近的微機電泵5電連接,來降低各微機電泵5於傳輸電力的損耗。
Please refer to Figure 7. Figure 7 is a schematic diagram of the sixth embodiment of the micro-electromechanical pump module in this case. This embodiment and the fourth embodiment have the same
請參考第8圖所示,第8圖為本案微機電泵的第七實施例示意圖,由於微機電泵5的體積過小,因此其傳輸量較低,經常使用多個同步使用來提升其傳輸量及傳輸效率,故本實施例中,複數個開關單元6包含了一第一開關單元61及一第二開關單元62,第一開關單元61與第二開關單元62分別位於晶片本體31的兩側(如左右兩側),前述的複數個微機電泵5依區域分為第一微機電作動區5E及一第二微機電作動區5F,鄰近第一開關單元61的多個微機電泵5組成第一微機電作動區5E,且其第一電極51皆電連接至第一開關單元61,同理,鄰近於第二開關單元62的多個微機電泵5組成第二微機電作動區5F,且其第一電極51同樣皆電連接至第二開關單元62,使得微處理器8經由控制第一開關單元61、第二開關單元62分別控制第一微機電作動區5E、第二微機電作動區5F內的所有微機電泵5,來達到分區且同步控制的功效,並於同步控制時能夠減少微處理器8的接腳81,於本實施例中,微處理器8僅需要兩根接腳81來分別連接第一開關單元61與第二開關單元62即可控制微機電泵模組
100,再利用另一接腳81將調變電壓輸送至訊號電極4,即可經由3根接腳便完成微機電泵模組100的控制,本實施例的微處理器8的接腳81的大幅度地減少,連帶的降低微機電泵模組100的整體成本。
Please refer to Figure 8. Figure 8 is a schematic diagram of the seventh embodiment of the MEMS pump in this case. Due to the small size of the
請參考第9圖所示,第9圖為本案微機電泵的第八實施例示意圖,本實施例中,複數個開關單元6包含了第一開關單元61、第二開關單元62、一第三開關單元63及一第四開關單元64,第一開關單元61、第二開關單元62、第三開關單元63及第四開關單元64各自鄰近於晶片本體31的4個角落,使得複數個微機電泵5依其位置區分為第一微機電作動區5E、第二微機電作動區5F、第三微機電作動區5G及第四微機電作動區5H,第一微機電作動區5E由鄰近於第一開關單元61的複數個微機電泵5所組成,且其第一電極51皆電連接第一開關單元61,第二微機電作動區5F由鄰近於第二開關單元62的複數個微機電泵5所組成,且其第一電極51皆電連接至第二開關單元62,第三微機電作動區5G由鄰近於第三開關單元63的複數個微機電泵5所組成,其第一電極51皆電連接至第三開關單元63,第四微機電作動區5H由鄰近第四開關單元64的複數個微機電泵5所組成,其第一電極51皆電連接至第四開關單元64,微處理器8再經由4個接腳分別電連接第一開關單元61、第二開關單元62、第三開關單元63及第四開關單元64,並透過該些開關單元6來分別控制第一微機電作動區5E、第二微機電作動區5F、第三微機電作動區5G及第四微機電作動區5H開啟或關閉,使得微處理器8僅用4根接腳81便可分別控制第一微機電作動區5E、第二微機電作動區5F、第三微機電作動區5G及第四微機電作動區5H,此外,本實施例中,複數個訊號電極4包含第一訊號電極4a、第二訊號電極4b、第三訊號電極4c及第四訊號電極4d,第一訊號電極4a鄰近於第一開關單元61,並電連接第一微機電作動區
5E內的微機電泵5的第二電極52,第二訊號電極4b鄰近於第二開關單元62,並電連接第二微機電作動區5F內的微機電泵5的第二電極52,第三訊號電極4c鄰近於第三開關單元63,並電連接第三微機電作動區5G內的微機電泵5的第二電極52,第四訊號電極4d鄰近於第四開關單元64,並電連接第四微機電作動區5H內的微機電泵5的第二電極52,來達到分區控制的同時,減少訊號電極4與微機電泵5之間的電阻,降低調變電壓於傳輸時的損耗。
Please refer to Figure 9. Figure 9 is a schematic diagram of the eighth embodiment of the micro-electromechanical pump in this case. In this embodiment, the plurality of
本案微機電模組的開關單元6可為一半導體開關單元,如利用金氧半場效電晶體(MOSFET)作為開關單元6所使用,且能直接利用半導體製程與微機電泵5整合,減少打線封裝的步驟及成本,可提升良率並降低成本,請參考第10A圖所示,第10A圖為本案微機電泵模組的開關單元示意圖,本案的開關單元6可為金氧半場效電晶體,以下開關單元6將使用N型金氧半場效電晶體(NMOSFET)作舉例說明,開關單元6皆分別具有一閘極G、一汲極D、一源極S,閘極G電連接所對應之控制電極7,控制電極7供微處理器8電連接,汲極D電連接至微機電泵5的第一電極51,源極S接地,開關單元6的閘極G通過控制電極7來接收微處理器8的控制訊號,來開啟或關閉。當開關單元6關閉時,微機電泵5的第一電極51將會斷路,此時,微機電泵5也會同時關閉;反之,當開關單元6開啟時,微機電泵5的第一電極51將會視為接地形成迴路,微機電泵5將會持續作動,並且由第二電極52接收的調變電壓來使得壓電件53產生形變,調整內部壓力來傳輸流體。本案的開關單元6除了可一對一連接一個微機電泵5之外,亦可以一對多連接多個微機電泵5(如第10B圖所示),並不以此為限。
The
此外,本案的開關單元6為半導體開關元件時,該些半導體開關元件可為一P型金氧半場效電晶體(PMOSFET)、一N型金氧半場效電晶體(NMOSFET)、一互補式金氧半場效電晶體(CMOSFET)、雙重擴散金氧半場效電晶體(DMOSFET)、橫向擴散金氧半場效電晶體(LDMOSFET)、之其中之一或其組合;該些半導體元件也可為雙極性電晶體(BJT),並不以此為限。
In addition, when the
綜上所述,本案提供一種微機電泵模組,將所有的微機電泵的第二電極連接至訊號電極,用以接收微處理器所傳輸的調變電壓,無須將所有微機電泵的第二電極一起分別連接微處理器,將可大幅減少微處理器的接腳,再利用開關單元來控制微機電泵的啟閉作動,使得微處理器僅需要控制開關單元即可控制整所有的微機電泵作動,降低微處理器的負擔,可簡化微機電泵模組的封裝步驟以及進一步降低其成本,也可減少微處理器的接腳,降低微處理器的成本;若需要分區控制時,透過一個開關單元同時控制多個微機電泵,將可提升整體控制效率,且更少的開關單元,將降低更多微處理器的負擔,不僅能夠降低成本,也因為元件的減少,更輕易完成打線封裝的步驟,有效地提升良率。 In summary, this project provides a MEMS pump module, which connects the second electrodes of all MEMS pumps to the signal electrode to receive the modulated voltage transmitted by the microprocessor, without the need to connect the second electrodes of all MEMS pumps. The two electrodes are connected to the microprocessor together, which will greatly reduce the pins of the microprocessor, and then use the switch unit to control the opening and closing of the micro-electromechanical pump, so that the microprocessor only needs to control the switch unit to control the entire micro The electromechanical pump is actuated to reduce the burden on the microprocessor, which can simplify the packaging steps of the MEMS pump module and further reduce its cost. It can also reduce the pins of the microprocessor and reduce the cost of the microprocessor; if partition control is required, Controlling multiple MEMS pumps through one switch unit at the same time will improve the overall control efficiency, and fewer switch units will reduce the burden on more microprocessors, which not only reduces costs, but also makes it easier to complete due to the reduction of components The steps of wire bonding and packaging have effectively improved the yield rate.
本案得由熟習此技術之人士任施匠思而為諸般修飾,然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。 This case can be modified in many ways by those who are familiar with this technology, but it is not deviated from the protection of the scope of the patent application.
100:微機電泵模組 100: MEMS pump module
3:微機電晶片 3: MEMS chip
31:晶片本體 31: chip body
31a:長邊 31a: Long side
31b:短邊 31b: short side
4:訊號電極 4: Signal electrode
4a:第一訊號電極 4a: The first signal electrode
5:微機電泵 5: MEMS pump
51:第一電極 51: first electrode
52:第二電極 52: second electrode
53:壓電件 53: Piezoelectric
6:開關單元 6: Switch unit
7:控制電極 7: Control electrode
8:微處理器 8: Microprocessor
81:接腳 81: pin
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Citations (6)
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