CN1097168C - 具有允许自起动的输入控制件的微型泵 - Google Patents

具有允许自起动的输入控制件的微型泵 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种微型泵(10，100)，至少包括一个第一板片(12)、一个第二板片(20)、一个中间片(18)、一个泵室(24)和输入和输出控制件(28，30)。本发明的特征在于，所述输入控制件(28)是一个止回阀，位于中间片(18)的大部分厚度上，并由活动件(40)和靠近板片(12，20)之一的膜片状部分(42)组成，使活动件(40)与中间片(18)的其它部分连接，使所述阀(28)能靠膜片的弹性在关闭位置和开放位置之间运动，一个体积有限的孔口穿过活动件(40)。

Description

具有允许自起动的输入控制件的微型泵
本发明涉及一种微型泵类的流体装置，该装置至少包括一个第一板片、一个第二板片、一个位于第一和第二板片之间的中间片、一个被所述第一板片和中间片限定的泵室、与所述泵室连通的输入和输出控制件和穿过第一和第二板片的输入、输出管，所述输入控制件是由一个活动件和一个膜片状部分组成的止回阀，该膜片状部分连接所述活动件与所述中间片的其它部分，位于输入管和泵室之间，可以通过其弹性使所述阀在关闭位置和开放位置之间运动，一个孔口在第一和第二端之间穿过所述活动件，所述阀的构成使得在所述开放位置，活动件不妨碍液体从所述孔口向所述泵室流动，活动件的第二端的构成是为了保证在关闭位置与构成阀座的板片的密封接触。
例如，该装置构成有规律地输送控制定量药品的医用微型泵。制造这些微型泵的基础是通过摄影石印技术雕刻硅或其它可用材料的微加工技术。对于上述特殊应用，以及在其它情况下，需要一种可以实现微型泵自起动的输入控制件。微型泵的控制通过改变泵室的体积(交替减少或增加)进行，例如用一个压电致动器进行控制。
欧洲专利申请95904674.9介绍了一种这样的自起动微型泵。但是，该专利中描述的输入阀不容易实现。欧洲专利90810272.6描述了一种包括一个输入机构的微型泵，输入机构为一个止回阀，但它不能保证泵的自起动。
本发明的目的就是提供一种微型泵这样的流动装置，这种装置包括一个输入控制件，可以可靠地得到所述装置的自起动，而该输入控制件容易制造。
根据本发明，该目的通过以下事实达到，即活动件位于所述中间片的大部分厚度上，膜状部分接近其它板片，并且所述孔口的体积狭小。
本发明所述装置中的液体进入控制件成为一个有阀座的止回阀。该止回阀包括一个膜片状的部分，可以通过其弹性打开和关闭阀门，一个在一个液体流动的孔口周围的活动件。活动件的一端还包括一个保证该进入阀在关闭位置时的密封性的装置，也就是说活动件密封贴靠一个与阀邻近并作为阀座的板片。
根据本发明的一个特征，为了避免活动件堵塞泵室的入口，最好使活动件邻近膜片状部分的一端至少有一个阻挡元件，用于限制所述阀从关闭位置向开放位置移动，在开放位置，所述阻挡元件的自由端与靠近膜片状部分的小片接触，所述阻挡元件不妨碍液体从所述孔口向所述泵室流动。
通过下面对实施例的描述可以更好地了解本发明及它的特征和优点。当然，下面的描述和附图只作为非限定性说明给出。附图如下：
图1为本发明的第一种类型微型泵的纵剖面图；
图2为第二种微型泵与图1相同的剖面图，图1、2表明处于关闭位置的液体输入控制件；
图3为图1或图2的细节放大图，涉及微型泵的包括液体输入控制件或输入阀的区域；
图4为图3所示输入阀沿IV-IV方向的局部示意图；
图5与图3相似，表示止回阀的一个实施变型，处于关闭位置，该阀形成本发明所述微型泵的输入控制件；
图6为如图3所示的装有液体输入止回阀实施变型的微型泵区域。
总之，对于图1、2所示微型泵的性能，请参阅前面所述的欧洲专利申请95904674.9，它也提出了制造这种微型泵的方法。需要指出的是，为了更好地显示图1、2所示的不同元件，与纵向使用的比例相比，大大夸大了组成微型泵的不同板片的厚度。
参照图1、2，微型泵10和100包括一个基板12，最好由玻璃制成，两个管道14和16穿过基板12，分别成为微型泵的输入管和输出管。
一个中间片18置于基板12之上，该中间片最好由硅制成，并通过已知的技术，如阳极焊接与基板12连接。中间片18之上为一个上片20，或叫第二板片，最好由玻璃制成，中间片和第二板片之间用与基板12和中间片18相同的技术连接。
第一板片12和第二板片20的厚度大约为1毫米，中间片的厚度基本恒定不变，但更薄，为0.1到0.5毫米，最好为0.3-0.5毫米，或0.3毫米左右。
中间片18的一部分形成基本为环形的泵膜22，与第一板片12的上表面构成泵室24。实际上，泵膜22成为受致动装置26、126控制的活动壁。
管道14通过一个或多个输入控制件28与泵室24连接，后面将详细描述输入控制件28。泵室24与液体输出控制件或输出阀30连接，输出控制件或输出阀的结构可以与前述欧洲专利申请95904674.9相似。
在图1、2的情况下，输出阀30包括上述欧洲专利申请中设置的元件，即一个环形凸边32，在输出阀30为关闭位置时与输出管道16相对，并与第一板片12的上表面密封接触，可弯曲膜片34和氧化硅薄层36、38分别可以避免环形凸边32、第一板片12和膜片34与第一板片12相对一侧的粘连，并可产生使凸边32贴靠第一板片12的预应力。
输出阀30还包括一个限制件39，位于环形凸边32处，在可弯曲膜片34与第一板片12相反的表面上，该限制件为一个阻挡元件，在输出阀30的开放位置贴靠第二板片20，以限制环形凸边32与第一板片12的间距。
从图1、2可以看到的处于关闭位置的输入控制件或输入阀28在图3中得到更详细的显示，图中输入阀处于开放位置。
正如在上述各图中看到的，输入阀28由一个膜片状的部分42所包围的活动件40组成。膜片42基本为圆形，直径约为3毫米，其厚度最好基本恒定，为10-50微米，最好为25微米左右。
因为输出阀30和输入阀28为止回阀，在阀的关闭位置，其一部分贴靠第一和第二中的一个。活动件40包围一个孔口44，该孔口穿过活动件40，从邻近第一板片12的第一端45到邻近第二板片20的第二端46。
活动件40最好具有变化的外形，例如断面为圆柱形，或如图1-3所示为圆锥形，最宽的部分向着第一板片12。
孔口44的体积成为加入泵室24体积的连接空间，为了不使该空间的体积与泵室相比显得太大，孔口44的体积应最小。
孔44可以有不同的形状，如截面为方形的柱形、圆锥形或棱锥形。如果构成中间片18的硅片雕刻技术能够制成小直径的孔口44，就可实现小截面的孔口44，并且截面在孔口44的整个长度上相等。
相反，如果使用的雕刻技术不能实现在截面的整个长度上恒定并且比较小的孔口，则优先考虑下面的制造方式。
在本发明的一种优选方式中，孔口44的形状由两个方形底的棱锥组成，棱锥的底成为所述孔口的端部，孔口的中心部分为两个棱锥。这种由两个顶部相接的倒棱锥组成的形状可以使孔口的总体积小于从活动件40的两端之一雕刻的单一棱锥的体积。
为了实现这种两个倒棱锥形的孔44，一种办法是从活动件40的两端45、46实现各向异性雕刻。为此，例如，沿活动件40的第一端45开始刻孔口44，刻痕为方形，其边长随着刻入活动件40而逐渐减小。用这种方法得到孔口44的第一部分，即下部，其断面减小，直到在相当于这样形成的棱锥的顶部处为零。
为了形成开口变大的孔口44，使用和刚才描述的一样的雕刻方法，这次从活动件40的第二端开始，因此当第二次雕刻达到上述的孔口44的第一部分时，就完成了整个孔口，形成开口变大的孔口44。
因此人们可以设法得到两个顶部重叠的倒棱锥，或两个有部分共同体积的棱锥，使孔口的最小截面足够大。为了对这些有个概念，下面是孔口44尺寸的几个数量级：
—孔口44的输入或输出截面：约为200微米，
—孔口44的中间截面：约50微米，
—孔口44的长度：至少为中间片18厚度的一半。
在孔口44的截面在整个长度上基本不变的情况下，例如用一种雕刻方法或离子反应微加工得到小直径孔口44，其直径可能为10-100微米。
用这种方法成功地使泵室14的体积最小，因为表面向着第一板片的膜片42限定了泵室的一部分，非常靠近第一板片12。
另外，孔口40的体积至少等于泵的单位体积的五分之一，也就是泵的每个开放-关闭周期输送体积或泵膜22每个上升-下降周期输送体积的五分之一，最好为十分之一。
为了达到该结果，膜片状部分的距最近的板片的最大距离与中间片的厚度之比小于1/20，约为7微米。另外，所述膜片状部分、活动件的第一端和孔口的出口都邻近第一板片，并且孔口的出口直通向泵室。
在活动件40的第二端46处，有一个环形凸边48包围孔口44的入口，当环形凸边48与第二板片20的下表面接触时，可以保证输入阀28的密封。人们当然优先选择接触表面尽可能小的环形凸边48，使得一方面接触表面具有最佳表面状态，面积尽可能小，另一方面输入管道14和泵室24之间较小的压差就能打开进入阀28。
实际上，人们知道，能够打开输入阀28的压差相当于输入阀28上游的连接空间50中的液体压力与孔口44中的液体压力也就是泵室24压力之差。
正如可以从图3看到的，当液体到达输入管道14时，液体进入连接空间50，并且从一定的压力开始，打开输入阀28，然后活动件40由于膜片42的弹性而下降。因此液体可以穿过连接空间50进入孔口44。
根据本发明的又一个特征，为了使液体能够在输入阀的开放位置穿过孔口44进入泵室24，在与第一板片12相对的活动件40的第一端45的表面设置了一系列小柱状的阻挡元件52，它们的一端与活动件40的第一端连接，其第二端、即自由端，贴靠第一板片12的上表面。人们知道，这些阻挡元件成为输入阀打开时的运动阻挡器，使得输入阀28做打开运动时，当活动件40接近第一板片12时，不会出现包围孔口44的出口的活动件40的第一端的表面靠在第一板片12上，从而堵塞孔口44出口的情况。
正如可以在图4更准确地看到的，一系列阻挡元件52分布在活动件40的第一端上。因此，流体进入孔口44后可以绕过这些阻挡元件52在泵室24的方向流动。
如果连接空间50中的液体压力等于泵室24中的液体压力，输入阀28通过一种回位现象而关闭，这种现象的起因将在下面解释。然后，致动装置26、126控制泵的膜片22向下运动，因而泵室22中的流体得到的压力高于位于输出阀30下游的连接空间中的液体压力。在这种情况下，一旦压差足够，则输出阀打开，液体输出泵室24。
如果泵室24中的液体压力等于位于输出阀30下游的连接空间中的液体压力，则输出阀30关闭。此后，制动装置26、126可以放松上升的泵膜片22，使泵室具有最大体积。由此可以开始一个与刚才描述的周期相同的泵送周期。
输入阀28另外包括第一氧化硅层54，至少覆盖与第二板片20接触的活动件40的第二端46的表面，以防止输入阀28处于关闭位置时阀和第二板片之间粘连。
该第一氧化硅层54至少覆盖与第二板片20接触区域中的环形凸边48，该氧化硅薄层可以避免活动件40与第二板片20之间的粘连。为了使输入阀28在其休息位置时关闭，进一步在膜片42上涂氧化硅层56、58，使膜片42承受一定向图上方的预应力。
氧化层56放在膜片状部分42邻近活动件40、并且朝向第二板片20的区域，而氧化层58放在膜片42离活动件40最远的区域，在与第一板片12相对的表面上。
正如在图5所示的一个实施变型中看到的，为了减少泵室24的体积，可以实现厚度不恒定的膜片42。
因此，正如在图5中看到的，可以使膜片42面向第一板片12的表面有一个以孔口44为中心的圆形凹陷60，使膜片42延伸在离活动件40最远的环形表面上的第一部分42a非常接近第一板片12，而膜片42位于邻近活动件40的环形上的第二部分42b距第一板片12的距比膜片的第一部分42a大。
最好用熟悉的摄影石印技术在中间硅片18内加工输入阀28，面向第一板片12的第一部分42a的表面应与第一板片12与输入阀28相对的表面平行，并且与阻挡元件52的自由端处在同一个水平，因为这两个元件同时加工。因此，当阀28关闭时，这两个元件距第一板片12的距离相同。阻挡元件52的自由端最好是平的，并且与第一板片12邻近泵室24的表面平行。
图5所示的输入阀28不包括图3所示的氧化层54、56、58，因为在制造时它要自然地处于静止的关闭位置。由于没有氧化层54，至少环形凸边48面对第二板片20的表面，并且/或者至少第二板片20面对环形凸边48的表面经过处理，例如覆盖一个抗粘连层，避免处于关闭位置的阀28与第二板片20之间粘连。
另外，可以实现带有阶梯状膜片42的输入阀28，如图5所示，并且包括图3所示氧化硅层54、56、58的部分或全部。如果设置氧化硅层58，则最好限于膜片42的第一部分42a。
图6所示的实施变型相当于一个处于关闭位置的输入止回阀28，它的位置与图3所示的位置相反。实际上，在这种情况下，膜片42靠近第二板片20，第一板片12面对环形凸边48的上表面的环形带成为阀28的阀座，环形凸边48指向图6的下方，并处于活动件40的第二端46上。活动件40的第一端45邻近第二板片20，并沿膜片42延长，阻挡元件52就在活动件40的第一端45的旁边，并且活动件沿膜片42径向延长。
孔口44具有同样的特征，并且可以用与前面介绍的实施方式中相同的方法实现。
由于这种实施变型的输入阀28的相反布置，为了使输出阀44(邻近活动件40的第一端45)的流体与中间片18和第一板片12之间的泵室24连通，一个与孔口44相似的补充孔口64在输入阀28的下游穿过中间片18的整个厚度。
包括一个根据刚才描述的实施变型制造的输入阀28的微型泵的性能与前面的欧洲专利申请中描述的微型泵相同。
为了与现有技术制造的微型泵性能进行比较，说明根据本发明制造的微型泵的新增性能，这里以从图1-5所示实施例和两个倒棱锥形的孔口44得到的数字为例。孔口44的死体积等于15×10-9升，阀28限定的死体积，即膜片42和第一板片12之间的体积为34×10-9升(为了比较，专利申请EP90810272.6图7A的输入阀的相应体积大于500×10-9升)，泵的单位体积为150×10-9升。使用这样的输入阀得到的微型泵的压缩率，相当于泵的单位体积与总的死体积的比，大于1。
该结果大大高于现有技术的微加工液体微型泵的结果，这些自起动的现有技术微型泵的压缩率最多为0.1左右。

Claims (17)

1.一种流体装置，如微型泵(10，100)，至少包括一个第一板片(12)、一个第二板片(20)、一个位于第一和第二板片(12，20)之间的中间片(18)、一个被所述第一板片(12)和中间片(18)限定的泵室(24)、与所述泵室(24)连通的输入和输出控制件(28，30)和穿过第一和第二板片(12，20)的输入、输出管道(14，16)，所述输入控制件(28)是由一个活动件(40)和一个膜片状部分(42)组成的止回阀，该膜片(42)连接所述活动件(40)和所述中间片(18)的其它部分，膜片(42)位于输入管道(14)和泵室(24)之间，可以通过其弹性使所述阀(28)在关闭位置和开放位置之间运动，一个孔口(44)在第一和第二端(45，46)之间穿过所述活动件(40)，在所述阀(28)开放位置，活动件不妨碍液体从所述孔口(44)向所述泵室(24)流动，活动件(40)的第二端(46)是为了在关闭位置保证与构成阀座的板片(12，20)的密封接触，
该装置的特征在于，活动件位于中间片(18)的大部分厚度上，膜片状部分靠近板片(12，20)中的一个，并且所述孔口(44)的体积小于泵室(24)的体积。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，活动件邻近所述膜片状部分(42)的第一端(45)至少有一个阻挡元件(52)，用于限制所述阀(28)从关闭位置向开放位置移动，在所述开放位置，所述阻挡元件的自由端与靠近膜片状部分(42)的板片(12，20)接触，而所述阻挡元件(52)不妨碍液体从所述孔口(44)向所述泵室(24)流动。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述活动件(40)的外形基本为圆柱形，或者圆锥形。
4.根据权利要求1至3之一所述的装置，其特征在于，所述孔口(44)为柱形。
5.根据权利要求1至3之一所述的装置，其特征在于，所述孔口(44)的形状为两个底部为方形的棱锥组合而成，两个棱锥的底成为所述孔口的端部，所述孔口的中心地区为两个棱锥。
6.根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述孔口(44)的体积最多等于泵的单位体积的五分之一。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述中间片(18)由硅制成，并且阀(28)另外包括第一氧化硅层(54)，至少覆盖与形成阀座的所述板片(12，20)接触的活动件第二端(46)，防止在阀的关闭位置所述阀(28)与所述板片(12，20)之间粘连。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，阀(28)另外包括第二氧化硅层(56)，至少延伸在阀(28)的外表面，在邻近活动件(40)并面向形成阀座的板片(12，20)的膜片状部分(42)上，以产生一个预应力，迫使阀(28)在休息位置处于关闭位置，贴靠所述板片(12，20)。
9.根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述中间片(18)的厚度基本恒定，在0.3-0.5毫米之间。
10.根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述膜片状部分(42)的厚度基本恒定，在10-50微米之间。
11.根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述膜片状部分(42)在其面向靠近膜片部分(42)的板片(12，20)的表面处有一个凹陷(60)，确定了更接近所述板片(12，20)的第一部分(42a)和靠近所述活动件(40)的第二部分(42b)。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，凹陷(60)为圆形，以所述孔口(44)为中心，所述膜片部分(42)的第一部分和第二部分(42a，42b)形成同心环。
13.根据权利要求11或12所述的装置，其特征在于，面向靠近膜片状的所述板片(12，20)的所述第一部分(42a)和所述阻挡元件(52)的自由端距所述板片(12，20)的距离相等。
14.根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，膜片状部分(42)距最近的板片(12，20)的最大距离为3-20微米。
15.根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，膜片状部分(42)距最近的板片(12，20)的最大距离与中间片(18)的厚度之比小于1/20。
16.根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述膜片状部分(42)、活动件的第一端和输出孔口(44)都靠近第一板片(12)，并且孔口(44)直接通向泵室(24)。
17.根据权利要求1至15之一所述的装置，其特征在于，所述膜片状部分(42)、活动件的第一端和输出孔口(44)都靠近第二板片(20)，并且孔口(44)通过穿过中间片(18)整个厚度的补充孔口(64)与所述泵室连通。
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