专利名称：水凝胶致动式微型泵的制作方法
技术领域：
本实用新型属于一种微型泵，具体尤指一种水凝胶致动式微型泵。
微型泵的开发经历各种不同的新材料、新加工技术及不同应用实验，微型泵的致动型态已经非常多样化，其主要包含有电磁式、静电式、压电式、形状记忆合金、双金属等微型泵，各具有其优劣特点，请参考表1。
表1
一般而言，不同型态的微型泵总有其限制或缺点，较困扰者有操作电压较高、可携性较差(例如电磁式、静电式、热驱式)，效能差、较耗能源以及不易与系统整合；操作电压较高则电源供应系统较复杂，可携性较差，也不易与控制、感测系统整合；效能差、较耗能源则连续使用受限制，应用也受限制。
本实用新型的另一目的，是要公开一种利用水凝胶胀缩效果为致动微型泵的方法，由于水凝胶胀缩效果所产生的体积变化而致动微型泵的隔膜，而达到驱动流体腔室内流体的效果。
本实用新型的再一目的，是要公开一种以电泳方法使水凝胶体积发生胀缩效果而致动微型泵，电泳液由于电场作用而流向一端，使水凝胶的含液量产生变化，而致使水凝胶体积发生胀缩效果，具有低操作电压、低耗电的特性。
本实用新型的又一目的，是要公开一种以体型微机械加工制程生产微型泵，利用体型微机械加工(bulk micromaching)制程分别制做微型泵的各部元件，再与隔膜、水凝胶体等组合成微型泵流体腔室，具有良好的系统整合性。
本实用新型的目的是这样实现的一种水凝胶致动式微型泵，其特征在于，包含有二流体腔室；及一流体腔室通道，连通该二流体腔室；及第一层板及第二层板，是在对应于该流体腔室处各设一容置空间，该二容置空间之间形成高度略为向内陷缩的鞍部，并于该容置空间的底面各设一电极；一中间层板，置于该第一层板及该第二层板之间，在靠近二端各设一腔室空间，该二腔室空间之间形成一分隔；及其中该中间层板置于第一层板及第二层板之间并组合成微型泵本体，各层板之间并以隔膜分隔，该隔膜与第一层板第二层板及结构材之间形成一容置空间，该隔膜与第一层板及第二层板的鞍部之间形成电泳液通道，该隔膜与中间层板之间形成流体腔室，该隔膜与中间层板的分隔形成流体腔室通道，该第一层板对应于该流体腔室开孔处设有一通孔，可洪流体进出。
该微型泵构件是利用体型微机械加工制程所制作的。
该第一层板及该第二层板是以玻璃晶片利用体型微机械加工制程所制作的。
该中间层板是以矽晶片利用体型微机械加工制程所制作的。
该隔膜是聚合物材料矽胶膜或聚发亚胺膜。
该电极是白金电极。
该电泳液包含有磷酸盐溶液。
该水凝胶是丙烯发胺一丙烯酸共聚合水凝胶。
该第一层板及第二层板之间形成水凝胶体及电泳液的容置空间。
该中间层板、分隔板、结构材，电极及第二层板，可用一设有凹室的层板取代。
本实用新型的工作原理是利用水凝胶胀缩效果为致动方法的微型泵，其驱动流体腔室内流体的效果是由于水凝胶胀缩效果所产生的体积变化致动微型泵的隔膜而达到的。该水凝胶胀缩效果是利用电泳方法使电泳液由于电场作用而流向一端，使水凝胶的含液量产生变化，而使水凝胶体积发生胀缩而达到的。该水凝胶是丙烯发胺—丙烯酸共聚合水凝胶。其中产生电泳电场的操作电压不大于10伏特。该电泳液包含有磷酸盐。
本实用新型的积极效果是本实用新型所公开的一种低操作电压、低耗电及易与系统整合等特性的微型泵，很明显的，其符合微型泵的趋势是朝着低操作电压、低耗电、可携性高、易与系统整合、安全性高的方向发展。
本实用新型的水凝胶(hydrogel)致动式微型泵，利用水凝胶胀缩效果为致动微型泵的方法，由于水凝胶胀缩效果所产生的体积变化而致动微型泵的隔膜，而达到驱动流体腔室内流体的效果。
本实用新型的水凝胶致动式微型泵，以电泳(electrophoresis)方法使水凝胶体积发生胀缩效果而致动微型泵，电泳液由于电场作用而流向一端，使水凝胶的含液量产生变化，而致使水凝胶体积发生胀缩效果，电泳系一项成熟的技术，被应用于分离、分析带电荷的物质(例如蛋白质)，其操作原本须要求数百伏特以上电压，但因为微型泵的微型化效果，使得电泳的正负电极间的距离缩小，因而降低电泳的操作电压、同时也缩短响应时间，本实用新型以电泳原理操作微型泵而具有低操作电压、低耗电的优异效果。
本实用新型的水凝胶致动式微型泵，以微机械加工制程(MEMS)生产微型泵，微机械加工制程在概念上是结合半导体制程技术与精密机械技术，来制造微小元件及功能整合的微系统，微机械加工制程的优点有一、批量制造，在同一矽晶片上，可以一次完成数千个或数百个机械元件，可降低生产成本；二、可以制作出相当小且精确的机械元件；三、制作机械元件的同时也可制作电子元件，也就是说机械元件与电子元件可整合在同一矽晶片上本实用新型利用体型微机械加工制程分别制做微型泵的各部元件，所以容易与同为微机械加工制程生产的微阀、微流量计、微流道、微混合器等系统整合。
结构材24 容置空间231、32电泳液通道33 电极41、42玻璃晶片80白金镀膜81第一光阻层82 第二光阻层83SiO2膜84 镀氨化矽遮敝层101、102、103矽胶膜104 鞍部211、221通孔212、213 二端231、232分隔板233
电泳的操作电压一般皆设定在数百伏特(V)，此是因为利用电泳分离带电荷物质时，为求分离效果所以正负电极之间需有足够的移动的距离，一般电泳(如血清蛋白电泳)皆数公分至数十公分以上。
操作电泳时在电泳液两端加上一电场，阳离子会流向负电压，此时移动的带电物质会牵动电泳液中的溶剂一起移动，流体移动的流速可以用方程式(1)表示v=ϵξE4πη]]>方程式(1)其中v表示溶剂的泳动速度，ε表示流体的电性常数，ξ表示电动电势，E表示电场强度，η表示溶剂的黏度，因此可以从方程式(1)中看出溶剂的流速与电场强度成正比关系，因此，若将电泳的距离缩短至数十微米(micrometer)，也就是一般电泳的距离的1/1000，则所须的操作电压可大幅调降，其电极之间仍可维持高电场，据公式预估在数百毫伏特(mV)的操作电压下，电荷粒子在1秒甚至几个ms内即可从一电极移至另一电极，若提高操作电压则缩短电泳液的移动时间。其中电泳液包含磷酸盐，因此水凝胶的高膨胀速率，及高电泳速率下，微型泵的作动频率会提高，并可驱动大量流体流动，根本凝胶膨胀挤压腔室体积，膨胀频率与电泳速率，预测流量为1000ml/min以上。
参考
图1、图2，本实用新型以水凝胶致动式微型泵，其中微型泵构件系利用体型微机械加工制程所制作，包含有二流体腔室11、12；一流体腔室通道13，连通二流体腔室；第一层板21及第二层板22，系以玻璃晶片为基板利用体型微机械加工制程所制做，于对应于流体腔室的处各设一容置空间31、32，该二容置空间之间形成高度略为向内陷缩的鞍部211、221，并于容置空的底面各设一电极41、42；一中间层板23，置于第一层板及第二层板之间，系以矽晶片利用体型微机械加工制程所制做，在靠近二端231、232各设一腔室空间11、12，该二腔室空间之间形成一分隔板233；其中中间层板23置于第一层板21及第二层板22之间并组合成微型泵本体，各层板之间并以隔膜5分隔，隔膜5与第一层板21、第二层板22及结构材24之间形成水凝胶体及电泳液的容置空间31、32，隔膜5与第一层板及第二层板的鞍部211、221之间形成电泳液通道33，隔膜5与中间层板23与之间形成流体腔室11、12，隔膜5与中间层板的分隔233形成流体腔室通道13，第一层板21对应于流体腔室开孔处设有一通孔212、213，可供流体进出。其中结构材24，可为一种沈积材(SiO2或Si3N4)或一种光阻材料(例如原膜光阻结构SU8)。
其中流体腔室亦可以同时形成二个以上流体腔室的组合，各流体腔室之间亦皆各以一腔室通道来连通。
另一种水凝胶致动式泵，为上述
图1的微型泵的下半部省略中间层板23、分隔板233，结构材24、电极41、42及第二层板22，直接在流体腔室11、12下方设置一凹室的一层板取代。
其中电极41、42可选用白金镀膜；水凝胶体可选用丙烯发胺一丙烯酸共聚合水凝胶(poly(acrvlamlde-co-acrylic acid)hgdrogels)，其吸水—体积变化的反应时间较快电泳液可选用磷酸盐溶液；隔膜5材料可选自矽胶膜、聚发亚胺膜等聚合物材料，矽胶膜具有优良的伸缩性和生化安定性，聚发亚胺膜具有优良的化学与热学特性。
本实用新型的水凝胶致动式微型泵，系利用水凝胶胀缩效果为致动方法的微型泵，由于水凝胶胀缩效果所产生的体积变化而致动微型泵的隔膜，而达到驱动流体腔室内流体的效果，其中水凝胶胀缩效果系利用电泳方法使电泳液由于电场作用而流向一端，使水凝胶的含液量产生变化，而使水凝胶体积发生胀缩效果。
为说明本实用新型的水凝胶致动式微型泵的操作，请参考
图1，分别于电极41按正电源及电极42接负电源，则电泳液的容置空间31的电泳液经由通到33流向容置空间32，容置空间31内水凝胶因其含水量相对减少，因而水凝胶的体积收缩，并牵引隔膜5向内缩，流体腔室11的空间扩大，流体由通孔212流入流体腔室11，相反的，容置空间32内水凝胶因其含水量相对增加，因而水凝胶的体积膨胀，并挤压隔膜5向外，流体腔室12的空间缩小。
流体腔室12的流体由通孔213被压出，其结果是微型泵外的流体由通孔212流入，同时，微型泵内的流体由通孔213排出。
参考图2，将电源的正负极对调，亦即，分别于电极41接负电源及电极42按正电源，则电泳液的容置空间32的电永液经由通道33流向容置空间31，容置空间32内水凝胶因其含水量相对减少，因而水凝胶的体积收缩，并牵引隔膜5向内缩，流体腔室12的空间扩大，相反的，容置空间31内水凝胶因其含水量相对增加，因而水凝胶的体积膨胀，并挤压隔膜5向外，流体腔室11的空间缩小。
其结果是流体腔室11的流体经由流体腔室通道13而流入流体腔室12。
接下来，顺序重复上述步骤，其结果是流体腔室11的空间扩大，微型泵外的流体由通孔212流入微型泵的流体腔室11，然后，流体腔室11的空间缩小而流体腔室12的空间扩大，流体腔室11的流体经由流体腔室通道13而流入流体腔室12，然后，流体腔室12的空间缩小，微型泵内的流体由通孔213排出。
本实用新型的水凝胶致动式微电机具有双向流动工作方式，结合其他微阀(microvalve)系统，利用止阀的组合亦可使流体以相反方向流动，亦本微型泵即具备双向驱动潜力。亦可与其他微元件，如微感应器、微导管等，整合构成完整的微系统。
微机械加工制程在概念上是结合半导体制程技术与精密机械技术，来制造微小元件及功能整合的微系统，其中体型微机械加工制程(bulk micromaching)已成功地被运用在许多微元件的生产。本实用新型以水凝胶致动式微型泵，微型泵构件系利用体型微机械加工制程所制作，制作组合微型泵的第一层板21及第二层板22，请参考图3，其步骤包含有1.于晶片玻璃(glass wafer)80二端的表面镀一层白金膜81作为电极，二白金镀膜不相连接；2.利用厚膜光阻SU8于玻璃晶片上形成一厚度的第一光阻层82；3.利用厚膜光阻SU8于部份第一光阻层82上形成一厚度的第二光阻层83，并形成水凝胶的容置空间；4.成形SiO2膜84，蚀穿形成通孔。
制作组合微型泵的中间层板，请参考图4，其步骤包含有1.选取矽晶片断((100)Si wafer)为基板；
2.于矽晶片的二端镀氮化矽遮敝层101，形成蚀刻窗口；3.以硷液作非等向性蚀刻，一定深度时中断蚀刻；4.于中段镀氮化矽遮敝层102；5.于二端镀氮化矽遮敝层103；6.以硷液作非等向性蚀刻，对矽晶片(100)面蚀穿洞及形成斜面(111)；7.以矽胶膜104密合，形成流体腔室空间。
权利要求1.一种水凝胶致动式微型泵，其特征在于，包含有二流体腔室；及一流体腔室通道，连通该二流体腔室；及第一层板及第二层板，是在对应于该流体腔室处各设一容置空间，该二容置空间之间形成高度略为向内陷缩的鞍部，并于该容置空间的底面各设一电极；及一中间层板，置于该第一层板及该第二层板之间，在靠近二端各设一腔室空间，该二腔室空间之间形成一分隔；及其中该中间层板置于第一层板及第二层板之间并组合成微型泵本体，各层板之间并以隔膜分隔，该隔膜与第一层板第二层板及结构材之间形成一容置空间，该隔膜与第一层板及第二层板的鞍部之间形成电泳液通道，该隔膜与中间层板之间形成流体腔室，该隔膜与中间层板的分隔形成流体腔室通道，该第一层板对应于该流体腔室开孔处设有一通孔，可供流体进出。
2.如权利要求1所述水凝胶致动式微型泵，其特征在于，该微型泵构件是利用体型微机械加工制程所制作的。
3.如权利要求1所述水凝胶致动式微型泵，其特征在于，该第一层板及该第二层板是由玻璃晶片利用体型微机械加工制程所制作的。
4.如权利要求1所述水凝胶致动式微型泵，其特征在于，该中间层板是由矽晶片利用体型微机械加工制程所制作的。
5.如权利要求1所述水凝胶致动式微型泵，其特征在于，该隔膜是聚合物材料矽胶膜或聚发亚胺膜。
6.如权利要求1所述水凝胶致动式微型泵，其特征在于，该电极是白金电极。
7.如权利要求1所述水凝胶致动式微型泵，其特征在于，该电泳液包含有磷酸盐溶液。
8.如权利要求1所述水凝胶致动式微型泵，其特征在于，该水凝胶是丙烯发胺—丙烯酸共聚合水凝胶。
9.如权利要求1所述水凝胶致动式微型泵，其特征在于，该第一层板及第二层板之间形成水凝胶体及电泳液的容置空间。
10.如权利要求1所述水凝胶致动式微型泵，其特征在于，该中间层板、分隔板、结构材，电极及第二层板，可用一设有凹室的层板取代。
专利摘要一种水凝胶致动式微型泵，是利用水凝胶胀缩效果所产生的体积变化致动微型泵的隔膜，而达到驱动流体腔室内流体的效果。包含二流体腔室；及一流体腔室通道；及第一层板及第二层板；在所设容置空间底面各设一电极；及一中间层板，系以矽晶片利用体型微机械加工制程所制做，在靠近二端各设一腔室空间；其中间层板置于第一层板及第二层板之间并组合成微型泵本体；各层板之间并以隔膜分隔，分别形成水凝胶体及电泳液的容置空间、电泳液通道、流体腔室及流体腔室通道；第一层板对应于流体腔室开孔处设有一通孔，可供液体进出。提供了一种低操作电压、低耗电的微型泵，并增进其可携性、安全性与系统整合性。
文档编号F04B43/04GK2558784SQ0223453
公开日2003年7月2日 申请日期2002年5月8日 优先权日2002年5月8日
发明者庄世伟, 梁佩芳, 范光钱, 陈威宏 申请人:财团法人工业技术研究院