[發明專利]彎曲換能器、微型泵和微型閥的制造方法以及微型泵和微型閥

有效

• 申請號: 201080066584.2
• 申請日: 2010-03-05
• 公開（公告）號: CN102884352A
• 公開（公告）日: 2013-01-16
• 發明（設計）人: 馬丁·里希特;馬丁·瓦克爾勒;馬庫斯·赫茨
• 申請（專利權）人: 弗蘭霍菲爾運輸應用研究公司
• 主分類號: F16K99/00
• 分類號: F16K99/00;F04B43/04;H01L41/09
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 余剛;吳孟秋

技術領域

本發明涉及彎曲換能器、微型泵和微型閥的制造方法以及包括根據本方法制造的彎曲換能器的微型泵和微型閥。

背景技術

根據現有技術，存在大量不同微型膜片泵，所使用驅動理念為電磁、熱和壓電驅動原理。然而，市場上可購得的幾乎所有微型膜片泵通過壓電驅動原理來驅動。

微型泵的壓縮率是一個重要參數，其限定當氣體為泵送介質時，微型泵的耐泡沫和抗壓能力。也由于流體泵泡沫可能在任何時候進入泵室，所以實際上也通過壓縮率（除了大的致動隔膜力和低的閥泄漏之外）限定液體泵的抗壓能力。壓縮率被定義為泵膜片在一個氣程或者周期內位移的容積（所謂行程容積）與閉死容積（即，當已經移動泵膜片以從泵室泵送出包含在泵室中的介質時剩余的最小容積）之間的比率。閉死容積也可被稱為最大泵室容積與行程容積之間的容積差。已知微型泵的壓縮率相對較小，并且在0.1至1的范圍內。

例如，專利申請公開案EP?0?424?087A1描述了具有壓電構件的微型泵，所述壓電構件通過電壓信號可在第一和第二方向上（即，向上和向下）變形，以分別將液體吸入微型泵的貯液器以及從微型泵的貯液器排出液體。然而，EP?0?424?087A1中所述的微型泵的不利之處在于，它們包括相當大的閉死容積，或者僅允許向上方向上的小行程，因此僅允許小行程容積。

此外，壓電驅動微型膜片泵的壓縮率通常由以下邊界條件界定。當施加正電壓于壓電膜片換能器時，膜片換能器僅可在向下方向上偏轉。通過施加負電壓，僅向上偏轉可行，其中，僅可實現大約向下行程的20%，否則壓電陶瓷將被去極化。當將膜片移動限制于向下移動時，難以減少閉死容積和增加壓縮率。因此，針對傳統微型泵，例如參見US?2005/0123420?A1的微型膜片泵和US?6,261,066?B1的蠕動微型泵，壓電構件僅在一個方向上移動，和/或泵室被形成為使得其輪廓適用于于膜片彎曲線，以減少閉合容積，以及從而使壓縮率最大化。對泵送膜片彎曲線的適用于在工藝設計方面復雜并且昂貴，此外，對彎曲線的完全適用于通常不可行，這是因為泵送膜片本身不完全對稱，例如，由于歸因于膠合處理的泵送膜片扭曲，使得間隙仍然存在于泵室內，從而降低壓縮率。此外，如果隔膜邊緣被夾緊，那么標準致動器的行程容積由邊界條件限制。最后，對于硅而言，通過蝕刻幾個步驟僅可部分實現對準，這需要極大努力。

US?5,759,014描述了具有設置于玻璃基板上的硅泵送膜片以及彼此相對設置于泵送膜片相對側上的進口閥和出口閥的微型泵。泵送膜片在靜止位置中具有向上鼓起形狀。壓電元件被固定至膜片頂部。假使壓電元件致動，膜片向下位移。通過在真空下放置位于緊密密封的膜片上的室，或者通過將包括預加應力適當變形的氧化物層施加于其上表面，可獲得膜片的鼓起形狀。根據US?5,759,014的微型泵的不利之處在于，由介于泵送室與進口和出口閥之間連接空間引起的閉死容積仍然相當高，膜片可實現鼓起高度受限（因此，僅促進有限的壓縮率），并且需要膜片下表面上相當數量的圓形氧化硅區以防止膜片粘附或者吸入。此外，閥的橫向配置顯著增加泵室內流動阻力，于是行程容積僅可以非常低的泵送頻率傳輸，限制了最大泵送速率。由于氧化物層或者真空卷曲的另一個缺點事實上在于，如果通過正電壓來致動壓電，那么隔膜無法移動至完全平坦位置。因此，隔膜邊界處閉死容積仍然存在。

US2009/0158923?A1描述了通過兩個金屬層的激光焊接來實現的泵隔膜預加應力。本申請陳述（顯然由于焊接處理的熱影響）隔膜和泵室的預加應力可得以實現。然而，同樣，在壓電致動之后，大閉死容積（其甚至大于US?5,759,014中歸因于氧化物層的閉死容積）仍然存在于隔膜邊界處。

事實上，如圖8所示致動膜片與泵室通過激光焊接的結合引起膜片不可避免的卷曲，這關于最小閉死容積未被優化。圖8示出具有泵本體810和在泵膜片處通過激光焊接接合至泵本體的膜片820的微型泵的兩個示意圖。圖8上部分示出處于預加應力非致動狀態的泵膜片820，圖8下部分示出通過設置于泵膜片上的壓電元件830向下彎曲的同一膜片820。從圖8下部分可以看出，膜片820不是完全平坦，但是示出在泵膜片邊界處的鼓起或者偏轉840，所述鼓起或者偏轉840引起閉死容積增加，這是歸因于由膜片邊界處這些鼓起840界定的容積。