TWI667189B - 微機電之流體控制裝置 - Google Patents
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Abstract
本案提供一種微機電之流體控制裝置，由至少一導流單元所構成，至少一導流單元包含入口板、基材、共振膜、致動膜、壓電膜及出口板依序堆疊設置，共振膜與致動膜間定義第一腔室，致動膜與出口板間定義第二腔室，當壓電膜驅動致動膜時，流體由入口板之進入孔進入基材之匯流腔室，並流經共振膜之中空孔洞，以進入第一腔室內，並由致動膜之空隙導入第二腔室內，最後由出口板之出口孔導出，藉此以控制流體之流通。
Description
本案係關於一種微機電之流體控制裝置，尤指一種透過微型、薄型且靜音之微機電之流體控制裝置。
目前於各領域中無論是醫藥、電腦科技、列印、能源等工業，產品均朝精緻化及微小化方向發展，其中微幫浦、噴霧器、噴墨頭、工業列印裝置等產品所包含之流體輸送結構為其關鍵技術，是以，如何藉創新結構突破其技術瓶頸，為發展之重要內容。
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踨影，可見傳統的流體輸送裝置已漸漸有朝向裝置微小化、流量極大化的趨勢。
於現有技術中，流體輸送裝置主要以傳統的機構部件堆疊而構成，並以每一個機構部件極小化或厚度薄化的方式，來達到整體裝置微型化、薄型化之目的。然而，傳統機構件在微小化後，其尺寸精度控制不易，且組裝精度同樣難以掌控，進而造成產品良率不一，甚至有流體傳送之流量不穩定等問題。
再者，習知的流體傳輸裝置亦具有輸送流量不足的問題，透過單一流體傳輸裝置難以因應大量流體傳輸之需求，且習知的流體傳輸裝置通常有外凸之導接腳以供通電連接之用，故若欲將多個習知的流體傳輸裝置並排設置以提高傳輸量，其組裝精度同樣不易控制，導接腳容易造成設置的障礙，且亦導致其外接之供電線設置複雜，因此仍難以透過此方式提高流量，排列方式亦較無法靈活運用。
因此，如何發展一種可改善上述習知技術缺失，可使傳統採用流體傳輸裝置的儀器或設備達到體積小、微型化且靜音，且克服微型尺寸精度不易掌控、流量不足之問題，且可靈活運用於各式裝置之微型流體傳輸裝置，實為目前迫切需要解決之問題。
本案之主要目的在於提供一種微機電之流體控制裝置，藉由微機電製程製出一體成型之微型化流體控制裝置，以克服傳統流體輸送裝置無法同時兼具體積小、微型化、尺寸精度掌控以及流量不足之問題。
為達上述目的，本案之一較廣義實施樣態為提供一種微機電之流體控制裝置，其由至少一導流單元所構成，該至少一導流單元包含：一入口板，具有至少一入口孔；一基材；一共振膜，為面型微加工技術製成之懸浮結構，具有一中空孔洞及複數個可動部；一致動膜，為面型微加工技術製成之中空懸浮結構，具有複數個懸浮部、一外框部及至少一空隙；一壓電膜，貼附於該致動膜之該懸浮部之一表面；一出口板，具有一出口孔；其中，該入口板、該基材、該共振膜、該致動膜及該出口板係依序對應堆疊設置，該導流單元之該共振膜及該致動膜之間具有一間隙形成一第一腔室，該致動膜及該出口板之間形成一第二腔室，當該導流單元之該壓電膜驅動該致動膜時，流體由該入口板之該入口孔進入該匯流腔室，並流經該共振膜之該中空孔洞，以進入該第一腔室內，並由該至少一空隙導入該第二腔室內，最後由該出口板之該出口孔導出，藉此以控制流體之流通。
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係當作說明之用，而非架構於限制本案。
本案之微機電之流體控制裝置係由微機電製程製出一體成型之微型化流體控制裝置，用以克服傳統流體輸送裝置無法同時兼具體積小、微型化、輸出流量不足以及尺寸精度掌控不佳等問題。首先，請參閱第1圖及第2圖，第1圖為本案為第一較佳實施例之微機電之流體控制裝置之外觀結構示意圖，第2圖為第1圖所示之微機電之流體控制裝置之剖面結構示意圖。本實施例之微機電之流體控制裝置1係為一微機電系統製程(Microelectromechanical Systems, MEMS)所製出之流體控制裝置，透過乾、濕蝕刻的方式進行材料表面之微加工，以製成一體成型之微型流體控制裝置，本實施例為了方便說明與突顯結構之特徵，將微機電之流體控制裝置1之結構進行分解，然此並非用以說明其為可拆解之結構。如第1、2圖所示，於第一實施例中，微機電之流體控制裝置1係為一矩形平板狀的結構，但不以此為限，其主要由入口板17、基材11、共振膜13、致動膜14、複數個壓電膜15以及出口板16等元件依序堆疊所構成，其中入口板17具有入口孔170，共振膜13具有中空孔洞130及複數個可動部131，且共振膜13與該入口板17之間具有匯流腔室12(如第3A圖所示)，致動膜14具有懸浮部141、外框部142及複數個空隙143(如第3A圖所示)，出口板16具有出口孔160，但均不以此為限，其結構、特徵及設置方式將於說明後段進一步詳述。本實施例之微機電之流體控制裝置1全部以微機電系統製程(MEMS)技術一體成型製成，其尺寸體積小、薄型化，且無需如傳統流體控制裝置堆疊加工，可避免尺寸精度難以掌控之問題，所產出成品品質穩定且良率較高。
本實施例之微機電之流體控制裝置1透過入口板17之複數個入口孔170、基材11之複數個匯流腔室12、共振膜13之複數個中空孔洞130及複數個可動部131、致動膜14之複數個懸浮部141及複數個空隙143、複數個壓電膜15及複數個出口孔160以構成複數個導流單元10，換言之，每一個導流單元10均包含一個匯流腔室12、一個中空孔洞130、一個可動部131、一個懸浮部141、一空隙143、一個壓電膜15及一個出口孔160，且複數個導流單元10係共用一個入口孔170，但不以此為限，每一個導流單元10之共振膜13與致動膜14之間具有一間隙g0形成第一腔室18(如第3A圖所示)，以及致動膜14與出口板16之間形成第二腔室19(如第3A圖所示)。為方便說明微機電之流體控制裝置1之結構及流體控制方式，下述內容將以單一導流單元10進行說明，然此非用以限制本案僅有單一導流單元10，複數個導流單元10可包含複數個相同結構之單一導流單元10所組成微機電之流體控制裝置1，其數量可依據實際情形任施變化。於本案之另一些實施例中，每一個導流單元10亦可包含一個入口孔170，但不以此為限。
如第1圖所示，於第一較佳實施例中，微機電之流體控制裝置1之複數個導流單元10之數量係為40個，意即微機電之流體控制裝置1具有40個可單獨傳輸流體之單元，即如第1圖所示，每一出口孔160係對應於每一個導流單元10，且40個導流單元10更以20個為一行，以兩兩對應並排設置，但均不以此為限，其數量、排列方式皆可依據實際情形任施變化。
請參閱第2圖，於本實施例中，入口板17具有入口孔170，係為一貫穿入口板17之孔洞，以供流體流通，本實施例之入口孔170數量係為1個。於一些實施例中，入口孔170數量亦可為1個以上，但均不以此為限，其數量及設置方式可依據實際情形任施變化。於一些實施例中，入口板17更可包含過濾裝置(未圖式)，但不以此為限，該過濾裝置係封閉設置於入口孔170，用以過濾氣體中的粉塵，或是用以過濾流體中的雜質，以避免雜質、粉塵流至微機電之流體控制裝置1之內部使元件受損。
請同時參閱第2圖及第3A圖，第3A圖為第2圖所示之微機電之流體控制裝置之剖面之單一導流單元局部放大結構示意圖。如圖所示，於本實施例中，導流單元10之基材11係為以微機電製程中的矽體型微加工技術(Bulk Micromachining)所製成，且為一深寬比高的流體入口結構，且由於矽的機械特性與鋼相仿之楊氏系數、高兩倍的降伏強度，而密度只有鋼的三分之一，且矽之機械性質極穩定，適合應用於此動態微型結構中，但均不以此為限，其材料亦可依據實際情形任施變化。於本實施例中，基材11更包含一驅動電路(未圖示)，用以與壓電膜15之正極及負極電性連接，用以提供驅動電源，但不以此為限。於一些實施例中，驅動電路亦可設置於微機電之流體控制裝置1內部之任一位置，但不以此為限，可依實際情形任施變化。
請繼續參閱第2圖及第3A圖，於本實施例之微機電之流體控制裝置1中，共振膜13係為面型微加工技術(Surface micromachining)製成之懸浮結構，共振膜13更具有中空孔洞130及複數個可動部131，且每一導流單元10均具有一個中空孔洞130及其所對應之可動部131。於本實施例之導流單元10中，中空孔洞130係設置於可動部131之中心處，且中空孔洞130為一貫穿共振膜13之孔洞，並連通於匯流腔室12與第一腔室18之間，以供流體流通及傳輸。本實施例之可動部131係為共振膜13之部分，其為一可撓之結構，並可隨致動模14之驅動而上下彎曲振動，藉此以傳輸流體，其作動方式將於說明書後段進一步詳述。
請繼續參閱第2圖及第3A圖，於本實施例之微機電之流體控制裝置1中，致動膜14係為一金屬材料薄膜或多晶矽薄膜所構成，但不以此為限，該致動膜14為面型微加工技術(Surface micromachining)製成之中空懸浮結構，致動膜14更具有懸浮部141及外框部142，且每一導流單元10均具有一個懸浮部141。於本實施例之導流單元10中，懸浮部141係以複數個連接部(未圖示)連接至外框部142，以使懸浮部141懸浮於外框部142中，並於懸浮部141及外框部142之間定義出複數個空隙143，用以供流體流通，且懸浮部141及外框部142及空隙143之設置方式、實施態樣及數量均不以此為限，可依據實際情形變化。於一些實施例中，懸浮部141係為一階梯面之結構，意即懸浮部141更包含一凸部(未圖示)，該凸部可為但不限為一圓形凸起結構，設置於懸浮部141之下表面，並透過凸部之設置以使第一腔室18之深度維持於一特定區間值，藉此可避免因第一腔室18之深度過小導致共振模13之可動部131於進行共振時與致動膜14產生碰撞、產生噪音之問題，亦可避免因第一腔室18之深度過大導致流體傳輸壓力不足之問題，但不以此為限。
請繼續參閱第2圖及第3A圖，於本實施例之微機電之流體控制裝置1中，每一導流單元10均具有一個壓電膜15，其中壓電膜15更具有一正極及一負極(未圖示)，用以驅動該壓電膜致動14。於本實施例之導流單元10中，且壓電膜15係為一以溶膠凝膠法(Sol-gel method)製成之金屬氧化物薄膜，但不以此為限，壓電膜15係貼附於致動膜14之懸浮部141之上表面，用以驅動致動膜14往復式地垂直方向之往復式振動，並帶動共振膜13產生共振，藉此使共振膜13與致動膜14之間的第一腔室18產生壓力變化，以供流體之傳輸，其作動方式將於說明書後段進一步詳述。
請繼續參閱第1圖至第3A圖，於本實施例之微機電之流體控制裝置1中，出口板16更包含出口孔160，且每一導流單元10均具有一個出口孔160。於本實施例之導流單元10中，出口孔160係連通於該第二腔室19與出口板16外部之間，以供流體由第二腔室19經出口孔160流至出口板16外部，俾實現流體之傳輸。於一些實施例中，導流單元10之出口板16更包含一逆止閥(未圖示)，該逆止閥係封閉設置於出口孔160，其係依據第二腔室19之壓力變化而開啟或關閉，藉此以防止流體由外部逆流進入第二腔室19內，但不以此為限。於另一些實施例中，導流單元10之出口板16更包含過濾裝置(未圖示)，過濾裝置係封閉設置於出口孔160，用以過濾氣體中的粉塵，或是用以過濾流體中的雜質，以避免雜質、粉塵流至微機電之流體控制裝置1之內部元件使受損。
請同時參閱第3A圖至第3E圖，第3B圖至第3E圖為第3A圖所示之微機電之流體控制裝置之單一導流單元作動流程局部示意圖。首先，第3A圖所示之微機電之流體控制裝置1之導流單元10為未致能之狀態(即初始狀態)，其中共振膜13與致動膜14之間係具有間隙g0，以使共振膜13與致動膜14之懸浮部141之間可維持該間隙g0之深度，進而可導引流體更迅速地流動，且因懸浮部141與共振膜13保持適當距離使彼此接觸干涉減少，促使噪音產生可被降低，但不以此為限。
如第2圖及第3B圖所示，於導流單元10中，當致動膜14受壓電膜15電壓致動時，致動膜14之懸浮部141向上振動，使第一腔室18體積增大、壓力減小，則流體由入口板17上的入口孔170順應外部壓力進入，並匯集到基材11之匯流腔室12處，再經由共振膜13上與匯流腔室12對應設置的中央孔洞130向上流入至第一腔室18中。
接著，如第2圖及第3C圖所示，且由於受致動膜14之懸浮部141振動之帶動，使共振膜13之可動部131亦隨之共振而向上振動，且致動膜14之懸浮部141亦同時向下振動，使共振膜13之可動部131貼附抵觸於致動膜14之懸浮部141上，同時關閉第一腔室18中間流通的空間，藉此使第一腔室18壓縮而使體積變小、壓力增大，使第二腔室19體積增大、壓力變小，進而形成壓力梯度，使第一腔室18內部之流體推擠向兩側流動，並經由致動膜14之複數個空隙140流入第二腔室19中。
再如第2圖及第3D圖所示，致動膜14之懸浮部141繼續向下振動，並帶動共振膜13之可動部131隨之向下振動，使第一腔室18進一步壓縮，並使大部分之流體流至第二腔室19中暫存，以供下個步驟將流體大量擠出。
最後，如第2圖及第3E圖所示，致動膜14之懸浮部141向上振動，使第二腔室19壓縮而體積變小、壓力變大，進而使第二腔室19內之流體自出口板16之出口孔160導出至出口板16之外部，以完成流體之傳輸，且由於致動膜14之懸浮部141向上振動，同時共振板13之可動部131向下振動，使第一腔室18之體積增大、壓力減小，進而使流體再次由入口板17上的入口孔170順應外部壓力進入，並匯集到基材11之匯流腔室12處，再經由共振膜13上與匯流腔室12對應設置的中央孔洞130向上流入至第一腔室18。重複上述第3B圖至第3E圖之導流單元10之流體傳輸流程，使致動膜14之懸浮部141及共振膜13之可動部131持續進行往復式地上下振動，可持續將流體由進入口170持續導向出口孔160，俾實現流體之傳輸。
如此一來，經由本實施例之微機電之流體控制裝置1於每一導流單元10之流道設計中產生壓力梯度，使流體高速流動，並透過流道進出方向之阻抗差異，將流體由吸入端傳輸至排出端，且在排出端有壓力之狀態下，仍有能力持續推出流體，並可達到靜音之效果。於一些實施例中，共振膜13之垂直往復式振動頻率係可與致動膜14之振動頻率相同，即兩者可同時向上或同時向下，其係可依照實際施作情形而任施變化，並不以本實施例所示之作動方式為限。
於本實施例中，微機電之流體控制裝置1透過40個導流單元10可配合多種排列方式之設計以及驅動電路之連接，其靈活度極高，更應用於各式電子元件之中，且透過40個導流單元10可同時致能傳輸流體，可因應大流量之流體傳輸需求；此外，每一導流單元10亦可單獨控制作動或停止，例如：部份導流單元10作動、另一部分導流單元10停止，亦可以是部分導流單元10與另一部分之導流單元10交替運作，但均不以此為限，藉此可輕易達成各種流體傳輸流量之需求，並可達到大幅降低功耗之功效。
請參閱第4圖，第4圖為本案為第二較佳實施例之微機電之流體控制裝置之外觀結構示意圖。於本案第二較佳實施例中，微機電之流體控制裝置2之複數個導流單元20之數量係為80個，即出口板26之每一個出口孔260對應於每一導流單元20，換言之，微機電之流體控制裝置2具有80個可單獨傳輸流體之單元，每一導流單元20之結構係於前述第一實施例相仿，差異僅在於其數量、排列設置方式，故其結構於此不再進一步贅述。本實施例80個導流單元20亦以20個為一行，以四行對應並排設置，但均不以此為限，其數量、排列方式皆可依據實際情形任施變化。透過80個導流單元20同時致能傳輸流體，可達到相較於前述實施例更大的流體傳輸量，且每一導流單元20亦可單獨致能導流，其可控制流體傳輸流量的範圍更大，使其更靈活應用於各式需大流量流體傳輸之裝置中，但均不以此為限。
請參閱第5圖，第5圖為本案為第三較佳實施例之微機電之流體控制裝置之外觀結構示意圖。於本案第三較佳實施例中，微機電之流體控制裝置3係為一圓形結構，且其導流單元30之數量係為40個，即出口板36之每一個出口孔360對應於每一導流單元30，換言之，微機電之流體控制裝置3具有40個可單獨傳輸流體之單元，每一導流單元30之結構係於前述第一實施例相仿，差異僅在於其數量、排列設置方式，故其結構於此不再進一步贅述。本實施例40個導流單元30係以環型排列的方式設置，但不以此為限，其數量、排列方式皆可依據實際情形任施變化。透過40個導流單元30環形陣列，使其可應用於各式圓形或環狀流體傳輸通道。透過每一導流單元30之陣列方式變化，可因應需求裝置中所需求的各種形狀，使其更靈活應用於各式流體傳輸之裝置中。於另一些實施例中，複數個導流單元30亦可以蜂巢狀方式排列設置(未圖示)，但不以此為限。
綜上所述，本案所提供之微機電之流體控制裝置係以微機電系統製程(MEMS)技術一體成型製成，可達到尺寸體積小、薄型化等功效，且無需如傳統流體控制裝置堆疊加工，可避免尺寸精度難以掌控之問題，所產出成品品質穩定且良率較高。此外，透過壓電膜致能致動膜之進行作動，使流體於設計後之流道及壓力腔室中產生壓力梯度，進而使流體高速流動，由進入端快速傳遞至出口端，俾實現流體之傳輸。再者，本案亦透過導流單元之數量、設置方式及驅動方式之靈活變化，可因應各種不同裝置及流體傳輸流量之需求，可達到高傳輸量、高效能、高靈活性等功效。
本案得由熟知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。
1、2、3‧‧‧微機電之流體控制裝置
10、20、30‧‧‧導流單元
11‧‧‧基材
12‧‧‧匯流腔室
13‧‧‧共振膜
130‧‧‧中空孔洞
131‧‧‧可動部
14‧‧‧致動膜
141‧‧‧懸浮部
142‧‧‧外框部
143‧‧‧空隙
15‧‧‧壓電膜
16、26、36‧‧‧出口板
160、260、360‧‧‧出口孔
17‧‧‧入口板
170‧‧‧入口孔
18‧‧‧第一腔室
19‧‧‧第二腔室
g0‧‧‧間隙
第1圖為本案為第一較佳實施例之微機電之流體控制裝置之外觀結構示意圖。 第2圖為第1圖所示之微機電之流體控制裝置之剖面結構示意圖。 第3A圖為第2圖所示之微機電之流體控制裝置之剖面之單一導流單元局部放大結構示意圖。 第3B圖至第3E圖為第3A圖所示之微機電之流體控制裝置之單一導流單元作動流程局部示意圖。 第4圖為本案為第二較佳實施例之微機電之流體控制裝置之外觀結構示意圖。 第5圖為本案為第三較佳實施例之微機電之流體控制裝置之外觀結構示意圖。
Claims (9)
- 一種微機電之流體控制裝置，其由至少一導流單元所構成，該至少一導流單元，包含： 一入口板，具有至少一入口孔； 一基材； 一共振膜，為面型微加工技術製成之懸浮結構，具有一中空孔洞及複數個可動部，且該共振膜與該入口板之間具有一匯流腔室； 一致動膜，為面型微加工技術製成之中空懸浮結構，具有一個懸浮部及一外框部及至少一空隙； 一壓電膜，貼附於該致動膜之該懸浮部之一表面；以及 一出口板，具有一出口孔； 其中，該入口板、該基材、該共振膜、該致動膜及該出口板係依序對應堆疊設置，該導流單元之該共振膜及該致動膜之間具有一間隙形成一第一腔室，該致動膜及該出口板之間形成一第二腔室，當該導流單元之該壓電膜驅動該致動膜時，流體由該入口板之該入口孔進入該匯流腔室，並流經該共振膜之該中空孔洞，以進入該第一腔室內，並由該至少一空隙導入該第二腔室內，最後由該出口板之該出口孔導出，藉此以控制流體之流通。
- 如請求項第1項所述之微機電之流體控制裝置，其中該致動膜係為一金屬材料薄膜或一多晶矽薄膜。
- 如請求項第1項所述之微機電之流體控制裝置，其中該壓電膜係為一以溶膠凝膠法製成之金屬氧化物薄膜。
- 如請求項第1項所述之微機電之流體控制裝置，其中該微機電之流體控制裝置為微機電系統製程所製成之一體成型之結構。
- 如請求項第1項所述之微機電之流體控制裝置，其中該壓電膜更具有一正極及一負極，用以驅動該壓電膜致動。
- 如請求項第1項所述之微機電之流體控制裝置，其中該複數個導流單元之數量係為40個，且以20個為一行，兩行對應並排設置。
- 如請求項第1項所述之微機電之流體控制裝置，其中該複數個導流單元之數量係為80個，且以20個為一行，四行對應並排設置。
- 如請求項第1項所述之微機電之流體控制裝置，其中該複數個導流單元係以環狀方式排列設置。
- 如請求項第1項所述之微機電之流體控制裝置，其中該複數個導流單元係以蜂巢狀方式排列設置。
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