專利名稱：氣泡式微泵及其間接式氣泡產生裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種氣泡式孩i泵及其氣泡產生裝置，且特別涉及一
背景技術：
目前，微機電領域所采用的微泵大致上劃分為兩大類第一類 泵是利用才幾械推動的方式達成，例如氣泡式泵(bubble pump )、薄 月莫式泵(membrane pump )、才廣散式泵(diffuser pump )等。第二類 泵則是利用感應電場去馬區(qū)動液體，例》o電滲式泵(electro-osmotic pump )、電〉>^式泵(electrophoretic pump )與電；顯式泵(electro-wetting pump )等。
然而，前述的第 一類泵必須在孩i流道系統(tǒng)中架構復雜的枳4成纟且 件，這些機械組件的尺寸必須非常微細才可滿足要求，在技術上產 生許多限制。另外，第二類泵需要由復雜的電信號控制，且必須在 微流道系統(tǒng)中裝設傳感器以檢測流體的特性，亦具有許多與工藝技 術相關的限制。
在所有微泵中，電解氣泡式微泵具有低耗能、低驅動電壓、常 溫操作環(huán)境等優(yōu)點，其最適合在微流道系統(tǒng)中發(fā)展。但是此類型的 微泵都是在微流道中直接電解液體以產生氣泡，不僅會造成液體的 酸堿值改變，況且在通電到微泵的電極時，電極會產生電場影響流
體的驅動。另外，目前電解氣泡式纟鼓泵仍無法有效排出其所產生的 電解氣泡。

發(fā)明內容
本發(fā)明涉及一種氣泡式微泵及其間接式氣泡產生裝置，是在氣
電解氣泡導致液體產生酸解值的問題。
本發(fā)明提出一種間接式氣泡產生裝置，此裝置包括基板與氣泡 產生單元?；寰哂辛鞯?、至少一個排氣通道、進氣通道與氣泡出 口，其中排氣通道連接流道前段，進氣通道連接流道后段，氣泡出 口則位于流道末端。進氣通道引入氣體填充于部分的流道后4殳。氣
泡產生單元i殳置于流道前^:。當氣泡產生單元于流道前^a的液體中 產生第一氣泡時，流道后段上的液體被推向流道末端，流道后段中 的氣體會被液體推向氣泡出口以產生第二氣泡。
根據本發(fā)明的氣泡產生裝置，其中當第一氣泡從排氣通道向外 散失而流道前l(fā)殳的液體回填時，流道后l殳上的液體回流至流道前 段，由此使外部氣體通過進氣通道進入流道后段。
根據本發(fā)明的氣泡產生裝置，其中氣泡產生單元包括至少一個 電極組，電極組包括極性相反的第一電極與第二電極。
根據本發(fā)明的氣泡產生裝置，其中液體是電解質水溶液或去離 子水溶液。
根據本發(fā)明的氣泡產生裝置，其中基板于排氣通道上設有疏水材料。根據本發(fā)明的氣泡產生裝置，材料。
根據本發(fā)明的氣泡產生裝置, 材料。
根據本發(fā)明的氣泡產生裝置， 于流道后段的寬度。
其中基板于進氣通道上設有疏水 其中基板于流道后l殳上i殳有疏水 其中流道前段的寬度實質上不等
才艮據本發(fā)明的氣泡產生裝置，其中基板還具有液體入口，位于 流道前端。本發(fā)明還提出一種氣泡式微泵，其包括主部件與驅動部。 主部件具有主流道與側向排氣通道，此側向排氣通道連接主流道。
主流道的第 一 區(qū)域具有第 一表面，主流道的第二區(qū)域則具有第二表 面，其中第一區(qū)域與第二區(qū)域鄰近側向排氣通道，且第一表面的親 疏水性不同于第二表面的親疏水性。驅動部包括間接式氣泡產生裝 置，此間接式氣泡產生裝置的流道連接于前述的主流道，且間接式 氣泡產生裝置于第一區(qū)域與第二區(qū)域中產生氣泡。當氣泡由側向排 氣通道開始散失時，由于第 一表面的親疏水性與第二表面的親疏水 性的差異，^使第一區(qū)域的液體回填速度不等于第二區(qū)域的液體回填 速度，由A匕以馬區(qū)動'液體:t動。
根據本發(fā)明的氣泡式微泵，其中第 一表面的親疏水性由具有第 一粗糙因子的粗升造表面形成，第二表面的親疏水性由具有第二粗并造 因子的粗糙表面形成。
根據本發(fā)明的氣泡式微泵，其中第 一表面的親疏水性是通過主 部件于第 一表面上設有疏水材料而形成的，第二表面的親疏水性是 通過于第二表面"i殳有親水材庫+而形成的。
才艮據本發(fā)明的氣泡式^L泵，其中主部件于側向排氣通道上設有 疏水材津+。
根據本發(fā)明的氣泡式微泵，其中當間接式氣泡產生裝置產生的 氣泡乂人排氣通道向外散失而流道前段的液體回填時，流道后4史的液 體回流至流道前,殳，由此4吏外部氣體通過進氣通道進入流道后l史。
根據本發(fā)明的氣泡式微泵，其中氣泡產生單元包括至少 一個電 才及組，電才及組包括4及性相反的第 一 電才及與第二電才及。
才艮據本發(fā)明的氣泡式樣l泵，其中流道中的液體是電解質水溶液 或去離子7j^容-液。
根據本發(fā)明的氣泡式微泵，料。
根據本發(fā)明的氣泡式微泵,料。
根據本發(fā)明的氣泡式微泵,料。
根據本發(fā)明的氣泡式微泵, 流道后段的寬度。
才艮據本發(fā)明的氣泡式微泵, 道前端。
其中基板于排氣通道上設有疏水材
其中基板于進氣通道上i殳有疏水材 其中基板于流道后段上設有疏水材 其中流道前段的寬度實質上不等于 其中基4反還具有液體入口 ，位于流
本發(fā)明的氣泡式微泵的耗能低、不需要太大的驅動電壓，且可 于常溫環(huán)境下驅動，又不會使液體產生酸堿值的擾動問題。本發(fā)明 的氣泡式孩i泵及其間接式氣泡產生裝置非常適合成為驅動液體的 裝置。
為讓本發(fā)明的上述內容能更明顯易懂，下文特舉優(yōu)選實施例， 并配合附圖，作詳細i兌明如下


圖1示出依照本發(fā)明一優(yōu)選實施例的氣泡式微泵的分解圖。
圖2A 2C示出圖1的氣泡式《敬泵運作的連續(xù)示意圖。
具體實施例方式
請參照圖1，其示出根據本發(fā)明一優(yōu)選實施例的氣泡式微泵的 分解圖。如圖1所示，氣泡式微泵1包括基板100與蓋板110，氣 泡式樣t泵1于基一反100上i殳有主部件120與驅動部。主部件120具 有主流道122與側向排氣通道124，此側向排氣通道124連接主流 道122。主流道122的第一區(qū)i或(未標示于圖1 )具有第一表面122A, 主流道122的第二區(qū)i或(未標示于圖1 )則具有第二表面122B,其 中第一區(qū)域與第二區(qū)域鄰近側向排氣通道124,且第一表面122A 的親疏水性不同于第二表面122B的親疏7K性。驅動部包括間接式 氣泡產生裝置130,此間接式氣泡產生裝置130的流道132連接于 主部件120的主流道122。間接式氣泡產生裝置130于第一區(qū)域與 第二區(qū)域中產生氣泡。當氣泡由側向排氣通道124開始散失時，由 于第一表面122A的親疏水性與第二表面122B的親疏水性的差異， 使第一區(qū)域的液體回填速度不等于第二區(qū)域的液體回填速度，由此 以馬區(qū)動、液體;危動。
氣泡式微泵1的蓋板110設置于基板100上。蓋板110優(yōu)選為
透明材料制成。由此于氣泡式微泵1運作時，可清楚觀察基板100 上液體流動狀態(tài)。蓋板110的材質例如是高乙烯基含量硅橡膠 (Polydimethylsioxane, PDMS)或3皮璃等。另夕卜，本實施夸'J的蓋才反 110并具有第一流入孔112、第二流入孔114與流出孔116，以供液 體流入與流出基4反100， ^f旦本發(fā)明并不以此為限定。
基板100上的第一表面122A的親疏水性以及第二表面122B 的親疏7jc性可以通過至少二種方式達成。其一，4吏第一表面122A 為具有第一粗糙因子4M的粗糙表面，并使第二表面122B為具有第 二粗糙因子+ 2的粗糙表面。根據發(fā)表在電氣與電子工程師學會期 刊(IEEE， pp 694-697， 30 Jan 3 Feb 2005， Ashutosh Shastry,. etc )的 論文 "engineering surface roughness to manipulate droplets in micro-fluidic systems"(用以4乘4空孩"危系統(tǒng)中的液滴的工禾呈表面啦L 糙度)其論點表面的粗糙度調整可改變液滴與此表面的親疏程度， 以控制孩吏流系統(tǒng)中的液滴流動。因此，第一表面122A的第一粗糙 因子c^和第二表面122B的第二粗糙因子4)2的大小和液體與第一 表面122A及第二表面122B的4妾觸面積相關。如此一來，本實施例 可通過在平面上制造出許多孩i型硅柱體以改變此平面的表面粗糙 度，其中，粗糙因子4)的定義為"硅柱體的表面積(與液滴接觸的 面積)與平面總面積的比"。當平面的表面相4造度改變后，液滴與 平面的接觸角與毛細作用力將隨之改變，致使液滴于平面上的可動 性改變。
粗糙表面的粗糙因子與液體的接觸角相關。當表面的粗糙因子 越大時,液面的接觸角越小。而液面的接觸角影響其毛細作用力的 大小，進而影響在氣泡散失時液體回填的速度，其中，毛細作用力 越大，液體回填的速度越快。在大氣壓力下，毛細作用力與接觸角 約成反比，因而當液面的接觸角越小(粗糙因子越大)，毛細作用 力越大，液體的回填速度越快。
其二，第一表面122A的親疏水性是通過主部件120于該第一 表面122A上設有疏水材料而形成的，而第二表面122B的親疏水性 是通過于第二表面122B設有親水材料而形成的。親水材料與疏水 材料對于液滴的作用力不相同，其中，疏水材料對于液滴的毛細作 用力大于親水材料對于液滴的毛細作用力， -使得疏水、親水材料的
作用非常類似于前述的表面粗造度的概念，因此親水材料與疏水材 料的設計也可作為控制^f效流系統(tǒng)中液滴流動的方式。
在本實施例中，于主流道122第一區(qū)域的第一表面122A由疏 水材料制成，于第二區(qū)域的第二表面122B由親水材^1"制成。疏水 材料與親水材料可于主流道122制作完成后再形成于主流道122 上。或者，第一表面122A上的疏水材料與第二表面122B上的親水 才才灃+可與主流道122的工藝一并完成。
如前所述，由于第一表面122A的發(fā)u水特性以及第二表面122B 的親水特性，使第一區(qū)域的液體回填速度大于第二區(qū)域的液體回填 速度，以產生圖標中x方向上的液體凈流量。
優(yōu)選地，基板100于側向排氣通道124上也設有疏水材料，防 止液體由側向排氣通道124流出基一反100。其中，疏水材坤+例如是 特氟龍，親水材料則例如是玻璃、二氧化硅等?；?00還包括第 一液體入口 102、第二液體入口 104與液體出口 106。第一液體入 口 102位于流道132前端，并對應于蓋才反110的第一流入孑L 112 "i殳 置。第二液體入口 104連4妄于主流道122，并乂于應于蓋4反110的第 二流入孔114 i殳置。液體出口 106也連4妻于主流道122,并對應于 蓋板110的流出孔116i殳置。主流道122上的第一粗糙表面122A、 第二^Uf造表面122B與側向4非氣通道124例如4立于主流道122上的 中段位置。
如圖1所示，本實施例的間接式氣泡產生裝置130包括在基板 上^殳置的流道132、至少一個排氣通道134、進氣通道136、氣泡出 口 138與氣泡產生單元140。本實施例是以多個連4妄到流道前賴二 132A的排氣通道134作說明，排氣通道134用以使基板100上的 氣體排出。進氣通道136連4婁到流道后^殳132B，進氣通道136引 入氣體填充于部分的流道后段132B。氣泡出口 138位于流道132
的末端，并對應于主流道122上的第一區(qū)域與第二區(qū)域設置?；?100于排氣通道134、進氣通道136與部分的流道后段132B上均設 有疏水材并+，以防止液體乂人排氣通道134、進氣通道136與流道后 段132B流出基板100。當然，疏水材料也可以是特氟龍。流道前 段132A的寬度實質上不等于流道后段132B的寬度，本實施例以流 道前段132A的寬度小于流道后段132B的寬度作說明，且連接到主 流道122的部分流道后革殳132B的寬度逐漸減縮直到氣泡出口 138 處。
于間接式氣泡產生裝置130的流道132上的液體優(yōu)選是電解質 水〉容液或去離子7K〉容液。氣泡產生單元140 i殳置于流道前革史132A 并電性連4秦至驅動電源(未示出)。氣泡產生單元140用以于流道 前革殳132A中電解液體以產生氣泡。氣泡產生單元140包4舌至少一 個電極組，在本實施例中是以電才及組包括四個電才及142、 144、 146、 148作說明。每個電才及142、 144、 146、 148分別電性連4妄到驅動電 源，驅動電源4是供電壓到各電才及142、 144、 146、 148,并適時調整 馬區(qū)動的電擬J立置與電相j及'l"生。電才及142、 144、 146、 148的才才質例 如是金屬，但優(yōu)選金、鉑等鈍態(tài)金屬(惰性金屬)，較不易參與反 應。根據需求以驅動流道前段132A上的任二個電極，可選擇氣泡 所要產生的位置與大小。
請參照圖2A 2C,其示出圖1的氣泡式孩t泵運作的連續(xù)示意圖。 如圖2A所示，當液體L1由蓋寺反110 (見圖1)的第一流入孔112 與基板100的第一液體入口 102進入流道132中，由于部分流道后 段132B、排氣通道134與進氣通道136上設有疏水材料，液體Ll 維持在流道132上，而流道后l殳132B上i殳有疏水材料的部分會填 充氣體。液體L2則是經由蓋板110的第二流入孔114與基板100 的第二液體入口 104進入主流道122中。 當施力口電壓到電才及142與148,并4吏電才及142與148的才及性相 反時，電才及142與148會開始電解液體L1以產生電解氣泡Bl,如 圖2B所示。在氣泡Bl逐漸加大的過程中，流道后段132B上的液 體會被推向流道132末端，將流道后段132B上的氣體擠出流道132, 于主流道122的液體L2中產生氣泡B2。當氣泡B2達到一定的大 小，便會經由側向排氣通道124排出。
如圖2C所示，在氣泡B2從側向排氣通道124排出的過程中， 由于第一區(qū)域I與第二區(qū)域II的表面親疏水性具有差異，使主流道 122上左邊的液體受到較大的毛細作用力，使得液體回填的速度較 右邊的液體快，^口此Y更可〗吏液體L2產生一個向右的凈流量。
當氣泡Bl 乂人排氣通道134向外散失而流道前革殳132A的液體 Ll回填時，流道后,殳132B上的液體回流至流道前l(fā)殳132A,此時 于流道后段132B中會產生類似真空吸力的作用，將外部氣體由進 氣通道136導引到流道后4史132B,以再次填充氣體于部分的流道 后l殳132B中。,人施加電壓到電極142、 148以產生電解氣泡Bl, 并關閉電才及142、 148上的施加電壓，以由排氣通道134將氣泡B1 排出、以及氣泡B2 ,人側向排氣通道124排出與液體回填，到此完 成一個電解氣泡的生滅過程。
通過反復的電解氣泡B1以及間接產生的氣泡B2的生滅過程， 得以產生流體循環(huán)而達到連續(xù)凈流量的效果。氣泡式樣吏泵1可通過 不同的驅動電壓與操作頻率，《故精確流速以及流量控制。另外，也 可經由不同的流道截面積的調整以調控氣泡式樣吏泵1的性能。
由于氣泡式孩支泵1通過填充于流道后,殳132B的外部空氣所構 成的氣泡B2生滅以達到驅動液體L2的效果，其不受到電解氣泡 Bl的影響，也就是說，即使液體L1因電解氣泡而產生酸堿值變化， 液體L1也不會直接影響到液體L2的酸z喊性質。如此一來，當應用 氣泡式孩t泵1去驅動其它種類的液體時，i"更無須:纟旦心會因液體的酸 ^咸值護G動而影響到后續(xù)處理液體的樣么流道系統(tǒng)(如生物醫(yī)學芯片)。
雖然本實施例的基板IOO在第一區(qū)域I (或第一表面122A，見 圖l )與第二區(qū)域II (或第二表面122B,見圖1 )上分別鋪設有疏 水材料與親水材料，但是在其它實施例中，只要使第一區(qū)域I與第 二區(qū)域II對應的二個表面具有親疏水特性的差異即可。舉例來說， 只要在任一區(qū)域上涂布疏水材一?；蛴H水材并牛，或是造成第一區(qū)域I
與第二區(qū)域n的相4造因子差異即可。
另夕卜，本實施例的主流道122、流道132、排氣通道134、側向 排氣通道124、進氣通道136等，通過一^:樣i才幾電工藝即可在基板 IOO上制作完成。且由于排氣通道134、側向排氣通道124、進氣通 道136與部分流道132 i殳有疏水材料，4吏液體在一皮驅動時會保持在 流道132與主流道122內，而^又將氣泡/人基^反100中排出，有效地 解決了以往無法順利排出氣泡的缺點。
本發(fā)明上述實施例所纟皮露的氣泡式^f效泵及其間接式氣泡產生 裝置，其將間接產生的氣泡形成于具有親疏水特性差異的表面上， 通過氣泡排出時的液體回填速度快慢以產生流體凈流量。本發(fā)明的 氣泡式微泵的耗能低、不需要太大的驅動電壓，且可于常溫環(huán)境下 驅動，又不會使液體產生酸堿值的擾動問題。本發(fā)明的氣泡式微泵 及其間接式氣泡產生裝置非常適合成為驅動液體的裝置。
綜上所述，雖然本發(fā)明已以優(yōu)選實施例披露如上，然其并非用 以限定本發(fā)明。本發(fā)明所屬才支術領域普通才支術人員，在不脫離本發(fā) 明的精神和范圍內，當可進行各種更動與潤飾。因此，本發(fā)明的保 護范圍應當以所附的^=又利要求書所界定的為準。
1:氣泡式微泵
102:第一液體入口
106:液體出口
112:第一流入孔
116: 5危出孑L
122: 主流道
122B:第二表面
130:氣泡產生裝置
132A:流道前,炎
134:排氣通道
138:氣泡出口
142、 144、 146、 148:電才及
說明書第ii/ii頁
100:基板
104:第二液體入口
110:蓋板
114:第二流入孑L
120:主部件
122A:第一表面
124:側向排氣通道
132:流道
132B:流道后段
136:進氣通道
140:氣泡產生單元
權利要求
1.一種間接式氣泡產生裝置，包括基板(100)，具有流道(132)、至少一個排氣通道(134)、進氣通道(136)與氣泡出口(138)，所述排氣通道(134)連接流道前段(132A)，所述進氣通道(136)連接流道后段(132B)，所述氣泡出口(138)位于所述流道(132)末端，所述進氣通道(136)引入氣體填充于部分的所述流道后段(132B)；以及氣泡產生單元(140)，設置于所述流道前段(132A)；其中，當所述氣泡產生單元(140)于所述流道前段(132A)的液體中產生第一氣泡時，所述流道后段(132B)上的液體被推向所述流道(132)末端，由此所述流道后段(132B)中的氣體被液體推向所述氣泡出口(138)以形成第二氣泡。
2. 根據權利要求1所述的氣泡產生裝置，其中當所述第一氣泡從 所述排氣通道(134)向外散失而所述流道前4殳(132A)的液 體回填時，所述流道后辜殳(132B)上的液體回流至所述流道 前段(132A)，由此使外部氣體通過所述進氣通道(136)進 入所述流道后段(132B )。
3. 根據權利要求1所述的氣泡產生裝置，其中所述氣泡產生單元(140)包4舌至少一個電才及組，所述電極組包括才及性相反的第 一電極與第二電才及。
4. 根據權利要求1所述的氣泡產生裝置，其中所述液體是電解質 水溶液或去離子水>容液。
5. 根據權利要求1所述的氣泡產生裝置，其中所述基板(100)于所述排氣通道(134)上設有疏水材料。
6. —種氣泡式孩l泵，包括主部件(120)，具有主流道(122)與側向排氣通道(124)， 所述側向排氣通道(124)連4妻所述主流道(122),所述主流 道(122)的第一區(qū)域具有第一表面(122A),所述主流道(122) 的第二區(qū)域具有第二表面(122B)，所述第一區(qū)域與所述第二 區(qū)域鄰近所述側向排氣通道(124)，且所述第一表面(122A) 的親疏水性不同于所述第二表面(122B)的親疏水性；以及驅動部，包括根據權利要求1所述的間接式氣泡產生裝 置(130 )，所述間接式氣泡產生裝置(130 )的所述流道(132 ) 連接所述主流道(122)，所述間接式氣泡產生裝置(130)于 所述第一區(qū)域與所述第二區(qū)域中產生氣泡；其中，當所述氣泡由所述側向排氣通道(124)開始散失 時，由于所述第一表面(122A)的親疏水性與所述第二表面 (122B)的親疏水性的差異，z使所述第一區(qū)域的液體回填速 度不等于所述第二區(qū)域的液體回填速度，由此驅動液體流動。
7. 根據權利要求6所述的氣泡式微泵，其中所述第一表面(122A) 的親疏水性由具有第 一粗糙因子的粗糙表面形成，第二表面(122B)的親疏水性由具有第二粗糙因子的粗糙表面形成。
8. 根據權利要求6所述的氣泡式微泵，其中所述第一表面(122A) 的親疏水性是通過所述主部件(120 )于所述第一表面(122A ) 上i殳有疏水材沖+而形成的，所述第二表面(122B)的親疏水 性是通過于所述第二表面(122B) i殳有親水材沖+而形成的。
9. 根據權利要求6所述的氣泡式微泵，其中所述主部件(120 ) 于所述側向排氣通道(124)上設有疏水材料。
10. 根據權利要求6所述的氣泡式微泵，其中當所述間接式氣泡產 生裝置(130)產生的氣泡從所述排氣通道(134)向外散失而 所述流道前l(fā)殳(132A)的液體回填時，所述流道后革殳(132B ) 的液體回流至所述流道前4殳(132A),由itk/f吏外部氣體通過所 述進氣通道(136 )進入所述流道后4史(132B )。
全文摘要
本發(fā)明披露了一種氣泡式微泵及其間接式氣泡產生裝置。間接式氣泡產生裝置包括基板與氣泡產生單元。基板具有流道、至少一個排氣通道、進氣通道與氣泡出口，其中排氣通道連接流道前段，進氣通道連接流道后段，氣泡出口則位于流道末端。進氣通道引入氣體填充于部分的流道后段。氣泡產生單元設置于流道前段，當氣泡產生單元于流道前段的液體中產生第一氣泡時，流道后段上的液體被推向流道末端，流道后段中的氣體會被液體推向氣泡出口，以于氣泡式微泵中形成第二氣泡。由于氣泡式微泵具有不同的表面親疏水性，當第二氣泡于氣泡式微泵中散失時，液體回填速度產生差異，由此驅動液體流動。本發(fā)明的氣泡式微泵的耗能低，不會使液體產生酸堿值的擾動問題。
文檔編號B81B7/00GK101348232SQ20071013038
公開日2009年1月21日 申請日期2007年7月18日 優(yōu)先權日2007年7月18日
發(fā)明者劉承賢, 周忠誠, 瑯 徐, 威 王, 邱圣弘, 鄭志銘 申請人:明基電通股份有限公司