相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)根據(jù)35u.s.c.§119要求于2014年10月31日提交的題為“微型泵系統(tǒng)”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)no.62/073092的優(yōu)先權(quán)，其全部?jī)?nèi)容通過引用并入本文。

本說明書涉及微機(jī)電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

微機(jī)電系統(tǒng)(mems)是一種技術(shù)的名稱，其中使用通常用于半導(dǎo)體器件制造的硅半導(dǎo)體處理線將微米尺寸的機(jī)電部件制造在硅的基底上，即沉積通過光刻和蝕刻處理圖案化的材料層，使用諸如注塑、壓花或立體光刻(3d印刷)特別是用于微流體應(yīng)用的處理的聚合物，以及通過電鍍、蒸發(fā)和濺射處理沉積的金屬。陶瓷比如氮化硅、鋁和鈦以及碳化硅和其他陶瓷材料的性能。微機(jī)電系統(tǒng)通常包括處理數(shù)據(jù)的中央單元和與環(huán)境相互作用的若干部件。微機(jī)電系統(tǒng)的實(shí)例包括微傳感器(生物、化學(xué)和機(jī)械)、各種類型的結(jié)構(gòu)和微致動(dòng)器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

描述了用于生產(chǎn)諸如微型泵的微機(jī)電系統(tǒng)(mems)的卷對(duì)卷制造技術(shù)。卷對(duì)卷處理可用于制造各種微機(jī)電系統(tǒng)(mems)。公開了特定的卷對(duì)卷制造技術(shù)以生產(chǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)，其是特定微機(jī)電系統(tǒng)中的可釋放的機(jī)械結(jié)構(gòu)和可移動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其特定部分在微機(jī)電系統(tǒng)的操作中移動(dòng)。

根據(jù)一方面，提供了一種制造微機(jī)電系統(tǒng)的方法，所述微機(jī)電系統(tǒng)包括固定體元件和與所述固定體元件相關(guān)的可釋放和可移動(dòng)的特征，所述方法包括：對(duì)在片材的一個(gè)表面上具有金屬涂層的柔性塑料材料的第一片材進(jìn)行圖案化，以在該表面上產(chǎn)生第一金屬區(qū)域；對(duì)所述第一片材進(jìn)行圖案化，以從柔性塑料材料的第一片材產(chǎn)生所述固定體元件以及從具有所述第一金屬區(qū)域的第一片材的部分產(chǎn)生可釋放和可移動(dòng)的特征，其中可釋放和可移動(dòng)特征的圖案化使可釋放和可移動(dòng)的特征連接到固定體元件的一部分；以及將柔性塑料材料的第二片材層壓到第一片材以提供復(fù)合層壓結(jié)構(gòu)。

以下是該方面的范圍內(nèi)的一些實(shí)施例。

在該方法中，所述微機(jī)電系統(tǒng)是微型泵，所述固定體元件是泵體，并且可釋放和可移動(dòng)的元件是閥元件。所述第一片材的圖案化包括燒蝕，并且在所述第一片材上產(chǎn)生所述第一金屬區(qū)域和第二金屬區(qū)域，其中所述可移動(dòng)的可釋放元件是第一可移動(dòng)的可釋放元件，并且所述微型泵包括從具有第二金屬區(qū)域的第一片材的部分圖案化的第二可移動(dòng)的可釋放元件，其中第一和第二可移動(dòng)的可釋放元件是在所述泵體的入口和出口處的閥元件。所述可移動(dòng)的可釋放元件是t閥的t形構(gòu)件和ω閥的ω形構(gòu)件。所述方法還包括在所述第二片材的第一表面上沉積導(dǎo)電層的第二片材。所述導(dǎo)電層的沉積發(fā)生在所述第二片材的層壓之前。

所述微機(jī)電系統(tǒng)在卷對(duì)卷處理線上被制造，并且所述方法還包括：從第一卷移除具有金屬涂層的柔性塑料材料的第一片材；以及從第二卷移除在一個(gè)表面上具有金屬涂層的柔性塑料材料的第二片材；并且其中，在第一站發(fā)生燒蝕，在第二站發(fā)生圖案化，并且在第三站發(fā)生層壓。所述方法還包括：在所述第二片材的第一表面上沉積導(dǎo)電層的第二片材；對(duì)第二片材上的導(dǎo)電層進(jìn)行圖案化，以提供在第二片材上提供電極的導(dǎo)電層的隔離區(qū)域。所述方法還包括：將所述復(fù)合層壓結(jié)構(gòu)切割成包括所述固定體元件和可釋放和可移動(dòng)的特征的單個(gè)模片；堆疊各個(gè)模片以產(chǎn)生堆疊結(jié)構(gòu)；以及層壓堆疊結(jié)構(gòu)以產(chǎn)生微機(jī)電系統(tǒng)的部件。所述微機(jī)電系統(tǒng)是微型泵，所述固定體元件是泵體，并且所述可釋放和可移動(dòng)的元件是閥元件；其中第一片材的圖案化包括燒蝕，用于在第一片材上產(chǎn)生第一金屬區(qū)域和第二金屬區(qū)域，其中可移動(dòng)的可釋放元件是第一可移動(dòng)的可釋放元件，并且微型泵包括從具有第二金屬區(qū)域的第一片材的部分圖案化的第二可移動(dòng)的可釋放元件，其中第一和第二可移動(dòng)的可釋放元件是在泵體的入口和出口處的閥元件。

根據(jù)一方面，提供了一種在卷對(duì)卷處理線中制造微機(jī)電系統(tǒng)的方法，所述方法包括：從第一卷展開在片材的一個(gè)表面上具有金屬涂層的柔性材料的第一網(wǎng)；從第二卷展開柔性材料的第二網(wǎng)；當(dāng)片材橫穿第一圖案化站時(shí)，在第一圖案化站從第二片材材料產(chǎn)生主體元件和可移動(dòng)元件；從第三卷展開在第三片材上具有金屬層的柔性材料的第三網(wǎng)；在層壓站將第三網(wǎng)層壓到第二網(wǎng)。

以下是該方面的范圍內(nèi)的一些實(shí)施例。

所述微機(jī)電系統(tǒng)是微型泵，并且所述可移動(dòng)的可釋放元件是閥元件。所述微型泵和兩個(gè)可移動(dòng)的可釋放元件是作為泵體的主體的入口和出口處的閥元件。所述方法還包括：將犧牲填充材料施加到所述主體元件和可移動(dòng)元件；并且在層壓之后，用合適的溶劑去除犧牲填充材料。

一個(gè)或多個(gè)方面可以包括以下一個(gè)或多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

利用這些技術(shù)，微機(jī)電系統(tǒng)比如微傳感器、微致動(dòng)器、微型泵被制造成具有可通過諸如卷對(duì)卷處理的技術(shù)制成的可釋放和可移動(dòng)(可自由移動(dòng)和良好地彎曲)的特征。具有這種特征的這種微機(jī)電系統(tǒng)可以以非常便宜的方式使用卷對(duì)卷(r2r)處理來制造。

在附圖和下面的描述中闡述了本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的細(xì)節(jié)。本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)通過描述和附圖以及通過權(quán)利要求書是顯而易見的。

附圖說明

圖1a和1b是作為在泵送循環(huán)的兩個(gè)相反階段中工作的微型泵的微機(jī)電系統(tǒng)的功能框圖。

圖2a是組裝的模塊層的堆疊的組裝圖。

圖2b是模塊層的分解圖。

圖2c是圖2b的模塊層的組裝圖。

圖2d是中間模塊層的分解圖。

圖3和圖4是應(yīng)用于微型泵的電極的電壓波形圖。

圖5是示例性驅(qū)動(dòng)電路的框圖。

圖6是以示例性網(wǎng)格配置布置的微型泵的框圖。

圖7是集成在模片框架中的微型泵的透視圖。

圖8a和8b是冷卻裝置中的示例性冷卻設(shè)備的相應(yīng)頂側(cè)視圖和底側(cè)視圖。

圖9a-9c是氣道壓力呼吸裝置的相應(yīng)透視圖、前視圖和立體圖。

圖10a-10f是呼氣閥的視圖。

圖11a-11d示出了示例性滑閥的細(xì)節(jié)。

圖12是卷對(duì)卷處理結(jié)構(gòu)的概念圖。

圖12a是用于圖2b的結(jié)構(gòu)的一些示例性的卷對(duì)卷處理站的概念圖。

圖13a-13d是用于構(gòu)造具有可釋放和可移動(dòng)特征的裝置的卷對(duì)卷實(shí)施方式的視圖。

圖14是掩模的視圖。

具體實(shí)施方式

概述

微機(jī)電系統(tǒng)諸如微傳感器、微致動(dòng)器(如下所述的微型泵)通過卷對(duì)卷處理制造。

微機(jī)電系統(tǒng)可以是實(shí)驗(yàn)室片上系統(tǒng)，可用于燃料電池、高通量電子冷卻系統(tǒng)和生物化學(xué)系統(tǒng)。諸如微型泵的微機(jī)電系統(tǒng)可以以小的精確測(cè)量的量輸送流體，例如氣體或液體。微型泵可用于各種應(yīng)用。由于采用卷對(duì)卷技術(shù)制造，所以可以非常便宜地制造這些裝置。

微型泵系統(tǒng)

微型泵

現(xiàn)在將結(jié)合微型泵示例來描述通過卷對(duì)卷處理制造的微機(jī)電系統(tǒng)。

圖1示出了包括單個(gè)間隔泵室104的微型泵100。泵主體102包括沿著泵送方向114的兩個(gè)壁110、112和沿著與泵送方向114垂直的方向的彼此相對(duì)的兩個(gè)固定端壁106、108。壁106、108、110和112限定由膜間隔的單個(gè)室104。也就是說，在兩個(gè)端壁106、108之間，膜116、118、120、122、124、126從壁110延伸到壁112，將泵室104分成七個(gè)隔室130、132、134、136、138、140、142。在該實(shí)施方式中，每個(gè)隔室分別包括限定在壁110、112中的入口和出口。例如，隔室130包括壁110中的入口150和壁112中的出口152。其他入口和出口未被標(biāo)記。

隔室130-142彼此流體地密封。在一些實(shí)施方式中，不同的隔室可以具有相同的入口和/或相同的出口(圖中未示出)，并且這些不同的隔室可以彼此流體連通。在泵室104的相對(duì)端處的兩個(gè)隔室130、142具有由泵體102的固定壁和膜提供的壁。隔室130、142之間的所有其它中間隔室具有由兩個(gè)膜形成的壁。在一些實(shí)施例中，至少一個(gè)中間隔室具有由兩個(gè)膜形成的隔室壁。盡管在圖中示出了六個(gè)膜，但泵室可以延伸具有另外的中間隔室。電極(圖1a和1b中未明確示出，參見圖2a和2c)附接到膜116-126中的每一個(gè)，并且可選地連接到端壁帽106、108。

電極連接到驅(qū)動(dòng)電路(參見圖3-5)，其向電極傳送電壓以通過靜電吸引/排斥來激活膜。在沒有激活的情況下，膜停留在圖中虛線所示的標(biāo)稱位置。每個(gè)靜止膜可以基本上平行于端壁106、108，并且隔室132-140可以具有相同的標(biāo)稱體積vi。例如，兩個(gè)相鄰膜在其標(biāo)稱位置之間的距離為約50微米，標(biāo)稱體積vi可以從納升到微升至毫升，例如0.1微升。

在一些實(shí)施方式中，隔室130、142各自具有標(biāo)稱體積ve，其為中間隔室132-140的標(biāo)稱體積的一半。例如，膜116在其標(biāo)稱位置與端壁106之間或膜126在其標(biāo)稱位置與端壁108之間的距離為約25微米。標(biāo)稱體積ve可以從納升到微升至毫升，例如0.05微升。隔室130-142也可以具有不同的尺寸。這些尺寸基于例如卷對(duì)卷生產(chǎn)線的具體處理要求以及功率消耗和應(yīng)用考慮來選擇。

例如，具有25微米寬度的隔室130、142可以允許具有降低的峰值驅(qū)動(dòng)電壓的起動(dòng)功能。驅(qū)動(dòng)電壓將在下面進(jìn)一步討論。作為示例，微型泵可以具有長(zhǎng)度為約1.5mm、寬度為約1.5mm、總高度(不同隔室的累積高度)為0.05mm、總體積為約0.1125mm³的內(nèi)部體積。

與用于類似目的的常規(guī)泵相比，微型泵使用較少的受到較小應(yīng)力的材料，并且使用更少的功率被驅(qū)動(dòng)。微型泵具有微米至毫米級(jí)的尺寸，并且可以提供寬范圍的流率和壓力。由微型泵提供的流率大概可以計(jì)算為：

微型泵的總體積×驅(qū)動(dòng)頻率。

通常，流率可以是微升至微升的級(jí)別。通常，壓力受到多少能量(例如驅(qū)動(dòng)電壓)放入微型泵中的影響。在一些實(shí)施方式中，電壓越高，電壓越大，并且電壓的上限由微型泵的分解極限定義，電壓的下限由膜的致動(dòng)能力定義。微型泵上的壓力可以在約微psi至十分之幾psi的范圍內(nèi)。選擇的流率和壓力范圍可以通過選擇泵材料、泵設(shè)計(jì)和泵制造技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。所描述的微型泵是往復(fù)式分類中的位移式泵。泵送發(fā)生在包括流體(例如氣體或液體)的兩個(gè)交替操作中，通過致動(dòng)微型泵的泵室進(jìn)行充電和流體放電。在充電操作中，泵室被打開到較低的壓力源，并且流體填充到室中。在放電操作中，泵室內(nèi)的流體從泵室壓縮到更高的壓力槽。

圖1a和1b示出了相同泵的兩種操作狀態(tài)，當(dāng)相鄰膜朝向彼此移動(dòng)并且減小隔室的體積以從隔室排出氣體時(shí)，隔室被壓縮。與該隔室的壓縮同時(shí)，當(dāng)其兩個(gè)膜移動(dòng)遠(yuǎn)離彼此以擴(kuò)張室體積時(shí)，相鄰隔室被充電。當(dāng)致動(dòng)時(shí)，泵室的每個(gè)膜可以圍繞中心標(biāo)稱位置在兩個(gè)相反的方向上移動(dòng)，當(dāng)膜未被致動(dòng)時(shí)在該位置靜止。

在操作中，常規(guī)泵室的膜形成用于泵送的單個(gè)泵室隔室。在泵送循環(huán)的充電和放電操作期間氣體分別進(jìn)行一次充電和放電。氣體僅在半循環(huán)內(nèi)流出，而在另一半循環(huán)內(nèi)氣體流入。

在即時(shí)微型泵中，每個(gè)隔室用于泵送。例如，兩個(gè)固定端壁之間的兩個(gè)膜形成三個(gè)用于泵送的隔室。微型泵可以具有比執(zhí)行相同量泵送的常規(guī)泵更高的效率并且能夠消耗更少的能量，例如因?yàn)閱蝹€(gè)膜行進(jìn)較小距離并因此被驅(qū)動(dòng)較少。當(dāng)兩個(gè)固定端壁之間的膜和隔室的數(shù)量增加時(shí)，效率和節(jié)能可以進(jìn)一步增加。

通常，為了進(jìn)行泵送，每個(gè)隔室包括氣體入口和氣體出口。入口和出口可以包括閥，例如被動(dòng)閥，其響應(yīng)于施加到閥的壓力而打開或關(guān)閉。在一些實(shí)施方式中，閥是瓣閥，并且通過在泵隔室內(nèi)或外的氣體流動(dòng)產(chǎn)生的閥上的壓差而被驅(qū)動(dòng)。因?yàn)椴恍枰鲃?dòng)驅(qū)動(dòng)，所以瓣閥可以減少泵操作的復(fù)雜性?？商娲兀部梢砸允褂脟娮旌蛿U(kuò)散器的無閥形式來構(gòu)建微型泵。

通常，膜被驅(qū)動(dòng)以通過靜電力移動(dòng)。電極可以連接到每個(gè)固定端壁和膜。在隔室的充電操作期間，隔室的兩個(gè)相鄰電極具有相同的正或負(fù)電壓，導(dǎo)致兩個(gè)電極且因此兩個(gè)膜彼此排斥。在隔室的放電操作期間，隔室的兩個(gè)相鄰電極具有相反的正或負(fù)電壓，導(dǎo)致兩個(gè)電極且因此兩個(gè)膜彼此吸引。

隔室的兩個(gè)電極形成平行板靜電致動(dòng)器。電極通常具有小尺寸和低靜態(tài)功耗?？梢韵蛎總€(gè)電極施加高電壓以致動(dòng)隔室。但是可以以低電流執(zhí)行致動(dòng)。

如前所述，微型泵的每個(gè)膜相對(duì)于其中心標(biāo)稱位置在兩個(gè)相反的方向上移動(dòng)。因此，與常規(guī)泵中的隔室相比，為了擴(kuò)展或減少隔室相同量的體積，本說明書的膜的行進(jìn)距離例如小于常規(guī)泵中的膜的一半。因此，膜經(jīng)歷較少的彎曲和較小的應(yīng)力，導(dǎo)致更長(zhǎng)的使用壽命并允許更多的材料選擇。此外，由于膜的行進(jìn)距離相對(duì)較小，因此膜上的電極的起動(dòng)驅(qū)動(dòng)電壓可以相對(duì)較低。因此，消耗較少的功率。對(duì)于具有兩個(gè)膜的隔室，由于兩個(gè)膜都在移動(dòng)，所以達(dá)到吸合電壓(pull-involtage)所需的時(shí)間可以更短。

用于向電極施加電壓的驅(qū)動(dòng)電路采用低dc電壓源并將其轉(zhuǎn)換成ac波形。波形的頻率和形狀可由壓控振蕩器控制。驅(qū)動(dòng)電壓可以通過乘法器電路升高到所需的電平。

具有上述特征的微機(jī)電系統(tǒng)比如微型泵使用卷對(duì)卷(r2r)處理來制造。在使用柔性塑料卷或金屬箔卷作為基底或襯底層的電子器件的制造中，卷對(duì)卷處理正在被采用。卷對(duì)卷處理已被用于其他領(lǐng)域，用于將涂覆和印刷施加到從卷傳送的柔性材料上，然后在處理到輸出卷之后重新卷曲柔性材料。在材料被卷曲在輸出輥或卷曲輥上之后，具有涂層的材料、層壓材料或印刷材料被切割成最終尺寸。

以下是選擇微型泵的不同部件的材料的一些示例標(biāo)準(zhǔn)。

泵體和閥門—用于泵體的材料可以由集成的瓣閥的要求來定義，如果瓣閥由與閥體相同的材料制成。在一些實(shí)施方式中，材料需要足夠堅(jiān)固或足夠堅(jiān)硬以保持其形狀來提供泵室容積，但還需要足夠彈性以允許瓣閥根據(jù)需要移動(dòng)。此外，選擇可能受到瓣閥的幾何設(shè)計(jì)的影響。在一些實(shí)施方式中，材料是可蝕刻的或光敏的，使得其特征可被定義和加工/開發(fā)。有時(shí)，還希望材料相互作用良好，例如與微型泵中的其它材料粘附。此外，材料是非導(dǎo)電的。合適的材料的實(shí)例包括su8(負(fù)極環(huán)氧樹脂抗蝕劑)和pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)抗蝕劑。

膜—該部件的材料形成用于對(duì)泵室進(jìn)行充電和放電的鼓膜結(jié)構(gòu)(覆蓋泵室的薄膜)。因此，需要材料在所需距離上來回彎曲或拉伸并且具有彈性特性。膜材料不透流體(包括氣體和液體)，不導(dǎo)電，并且具有高的擊穿電壓。合適材料的實(shí)例包括氮化硅和特氟隆。

電極—這種結(jié)構(gòu)非常薄，由導(dǎo)電的材料組成。因?yàn)殡姌O不會(huì)傳導(dǎo)很多的電流，所以材料可以具有高電阻，盡管高電阻特征不是必需的。電極受到膜的彎曲和拉伸，因此，希望材料柔軟地處理彎曲和拉伸而沒有疲勞和故障。此外，在操作條件下，電極材料和膜材料將需要彼此良好地粘合，例如不會(huì)彼此分層。合適材料的實(shí)例包括金和鉑。

電互連—驅(qū)動(dòng)電壓被傳導(dǎo)到每個(gè)隔室的每個(gè)膜上的電極?？梢允褂脤?dǎo)電材料(例如金和鉑)來構(gòu)建到這些電極的導(dǎo)電路徑。

在圖2a-2d中，示出了模塊化的微型泵。

參考圖2a，模塊化微型泵200由模塊層201(圖2b和2c)組成，以形成泵200的端部隔室200a、200b。模塊化微型泵200還包括許多模塊層250(圖2d)，以形成泵200的中間隔室200c。

微型泵200中的閥可以由連接到輸入端和輸出端的單個(gè)閥代替，或者每層中的各個(gè)閥可以交錯(cuò)。下面討論采用卷對(duì)卷處理的模塊化微型泵制造的具體細(xì)節(jié)。

現(xiàn)在參考圖2b，模塊層201各自包括形成固定泵壁(類似于圖1a、1b中的壁106、108)的泵端蓋202。電極208連接到泵端蓋202，用于啟動(dòng)隔室209。

單個(gè)模塊層201在泵端蓋202與電極208之間和在膜206連同與連接到泵體204的相對(duì)側(cè)上的膜206(類似于圖1a、1b中的膜116、126)的電極210之間形成泵體204的一部分。電極210包括與模塊層200外部的驅(qū)動(dòng)電路連接的引線212。

膜206、泵端蓋202和泵體204可以具有相同的尺寸，并且電極208、210可以具有比膜206或其它元件更小的尺寸。在一些實(shí)施方式中，膜206具有約幾微米乘幾微米至約幾毫米乘幾毫米的尺寸和約5微米的厚度。泵體204具有約幾微米乘幾微米至約幾毫米乘幾毫米的外部尺寸，約50微米的厚度，以及約幾微米乘幾微米至約幾毫米乘幾毫米的內(nèi)部尺寸。泵體的厚度限定隔室209(類似于圖1a中的隔室130、142)的標(biāo)稱尺寸。電極210、202具有基本對(duì)應(yīng)于泵體204的內(nèi)部尺寸的尺寸。在一些實(shí)施方式中，電極具有約2.25mm²的表面積和約0.5微米的厚度。圖2c中示出了組裝的模塊層201。

現(xiàn)在還參考圖2c，泵體204包括分別形成入口和出口的兩個(gè)被動(dòng)閥214、216。入口閥214包括止動(dòng)件218和擋板220。止動(dòng)件連接到泵體204并且位于由泵體形成的隔室130、140的外部。擋板220具有附接到泵體204的一端部222和可相對(duì)于止動(dòng)件218和泵體204移動(dòng)的另一端部224。特別地，擋板的端部224可以在建立壓力差時(shí)朝向隔室130、140的內(nèi)部彎曲，使得模塊層外部的壓力大于模塊層內(nèi)部的壓力。例如，這樣的壓力差是在流體從模塊外部流入隔室209的充電操作期間建立的。當(dāng)內(nèi)部壓力高于外部壓力時(shí)，例如在流體從隔室209流動(dòng)離開到模塊層的外部的放電操作期間，擋板224朝向止動(dòng)件彎曲并被止動(dòng)件218阻止。因此，在放電操作期間，隔室209中的流體不從入口閥214流出。

出口閥216還分別包括類似于止動(dòng)件218和擋板220的止動(dòng)件230和擋板232。然而，止動(dòng)件230沿著流體流入或流出隔室209的方向位于擋板232的前方。當(dāng)內(nèi)部壓力高于外部壓力時(shí)，擋板從止動(dòng)件彎曲以打開閥，當(dāng)內(nèi)部壓力低于外部壓力時(shí)，擋板朝向止動(dòng)件彎曲以關(guān)閉閥。有效地，在充電操作期間，出口閥216關(guān)閉，使得流體不流出閥216，并且在放電操作期間，出口閥216打開，并且流體從閥216流出。

參考圖2d，中間隔室(類似于圖1a-b中的隔室132-140)可以各自使用模塊層250形成。模塊層250包括泵體252、電極256和形成在電極256與泵體252之間的膜254。泵體252可以具有與泵體204相似或相同的特征，電極256可以具有與電極208相似或相同的特征，并且膜254可以具有與膜206相似或相同的特征。模塊層250還包括瓣閥(未標(biāo)出，但在圖中示出)。

如前所述，每個(gè)泵體的閥可以與泵體一體形成。雖然電極被示出為要附接到其它元件的預(yù)制片材，但是電極可以直接形成在這些元件上，例如通過印刷。模塊層200、250的不同元件可以使用粘合劑彼此粘合。在一些實(shí)施方式中，可以使用溶劑來部分地熔化不同元件并將它們粘附在一起。

返回參考圖2a，因此圖2d的多個(gè)例如兩個(gè)、三個(gè)或任何所需數(shù)量的模塊層250堆疊在彼此的頂部上以在泵室中形成多個(gè)中間隔室。在堆疊200中，每個(gè)膜由泵體分離，并且每個(gè)泵體由膜分離。為了形成完整的泵，圖2b的模塊層201放置在堆疊200的每個(gè)頂端和底端上，使得模塊層201的泵端蓋形成泵室的兩個(gè)固定端壁。

再次參考圖1a和1b，在每個(gè)泵送循環(huán)期間，隔室被激活，使得每個(gè)隔室在一半循環(huán)內(nèi)充電并且在另一半循環(huán)內(nèi)放電。相鄰的隔室以180度相位差操作，即當(dāng)隔室130充電時(shí)，其相鄰的隔室132正在放電，反之亦然。結(jié)果，每隔一個(gè)隔室都可以同相操作。在圖1a和1b中，隔室用奇數(shù)(“o”)隔室和偶數(shù)(“e”)隔室標(biāo)記，o隔室彼此同相，e隔室彼此同相，且o隔室相對(duì)于e隔室是異相的。

為了在放電狀態(tài)下操作泵的隔室，相反標(biāo)志的電壓施加到這些隔室的相對(duì)壁上的電極。

例如，如圖1a所示，固定壁106上的電極的電壓為負(fù)，而膜116上的電極的電壓為正，或者膜118上的電極的電壓為正，而膜120上的電極的電壓為負(fù)等。同時(shí)，泵的其他隔室在充電狀態(tài)下操作。相同標(biāo)志的電壓施加到這些其它隔室的相對(duì)壁上的電極。相反標(biāo)志的電壓導(dǎo)致隔室的兩個(gè)相對(duì)的壁彼此吸引，并且相同標(biāo)志的電壓導(dǎo)致隔室的兩個(gè)相對(duì)的壁彼此排斥。固定壁106、108不移動(dòng)。然而，膜116-126朝向吸引力的方向或排斥力的方向移動(dòng)。結(jié)果，在泵送循環(huán)的一半中，隔室130、134、138、142放電并且其他隔室同時(shí)充電(圖1a)，并且在泵送循環(huán)的另一半中，隔室132、136、140放電并且其他隔室同時(shí)充電(圖1b)。

在一些實(shí)施方式中，膜的材料和要被施加到膜和端壁106、108的電壓被選擇成使得當(dāng)被激活時(shí)，每個(gè)膜基本上擴(kuò)展相鄰膜的標(biāo)稱位置之間的距離d的一半。在膜的標(biāo)稱位置與固定壁之間的距離為d/2的端部隔室130、142中，激活的膜將隔室的體積減小到接近于零(在放電操作中)并且擴(kuò)大隔室的體積至接近2*ve。對(duì)于中間隔室，通過將每個(gè)膜移動(dòng)d/2，在充電操作中，隔室的體積擴(kuò)大到接近2*vi，并且在放電操作中減小到接近零。微型泵100能夠高效率地運(yùn)轉(zhuǎn)。

可以基于驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)的頻率來確定泵送循環(huán)的周期。在一些實(shí)施方式中，驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)的頻率為約幾hz至約幾khz，例如約2khz。由微型泵100的泵送產(chǎn)生的流速或壓力可以受到每個(gè)隔室的體積、膜在激活時(shí)的位移量和泵送循環(huán)周期的影響?？梢酝ㄟ^選擇不同的參數(shù)例如驅(qū)動(dòng)電壓的幅度來實(shí)現(xiàn)各種流速(包括高流速，例如ml/s級(jí)別)和壓力(包括高壓，例如十分之一psi級(jí)別)。作為示例，微型泵可以包括總共15個(gè)模塊層，包括圖2b的兩個(gè)層200和圖2c的13個(gè)層250。該示例微型泵可以以約843hz的頻率驅(qū)動(dòng)并消耗約0.62mw的功率，并且在約0.0652psi下提供約1.56ml/s的流速。

在一些實(shí)施方式中，使用四種類型的電信號(hào)來驅(qū)動(dòng)膜。這四種類型是：

v-：所有電壓的dc參考；可用于直接驅(qū)動(dòng)一些膜；

v+：用于直接驅(qū)動(dòng)一些膜并用于其他膜的dc高壓；

v1：用于驅(qū)動(dòng)一些膜以控制操作的周期性ac波形。它包括50％的占空比，并在一個(gè)完整的泵送循環(huán)中在v-和v+之間擺動(dòng)。

v2：與v1相同，除了180度異相。

此外，基于吸合和釋放電壓的現(xiàn)象，一旦達(dá)到v1或v2的最高幅度，驅(qū)動(dòng)電壓就可以降低到較低的電壓。特別地：

v1.5：吸合電壓值。

v2.5：釋放電壓值。

現(xiàn)在參考圖3，示出了分別用于施加到固定壁106和膜116-124上的六個(gè)電極上的六個(gè)示例性組波形301-306。施加到微型泵100或其他微型泵中的其它附加膜和固定壁的波形可以通過圖3所示的圖案得到。在泵送循環(huán)期間，第一組波形301的v-恒定地施加到固定壁106上的電極。用于施加到膜116的第二組波形302是v1的形式。第三組波形303是v+并且恒定地施加到膜118。第四組波形304是用于施加到膜120的v2。第五組波形305和第六組波形306是第一和第二組波形301、302的重復(fù)。如果對(duì)于其它膜(例如膜124和126(圖1a))需要附加波形，則重復(fù)繼續(xù)第三和第四波形等。

在一些實(shí)施方式中，v1、v2、v-和v+的幅度相同。在其他實(shí)施方式中，這些電壓中的至少一些的幅度是不同的。雖然示出了特定的波形圖案，但泵100的電極也可以被其它波形圖案激活。

現(xiàn)在參考圖4，示出了分別對(duì)應(yīng)于圖3的六組波形301-306的六組波形321-326。圖4所示的組與圖3所示的組之間的差異是圖3的ac電壓波形v1和v2分別轉(zhuǎn)化為v1.5和v2.5，以利用吸合和釋放現(xiàn)象。

在該示例中，在波形組322、324、326中，一旦達(dá)到了吸合點(diǎn)，則正走向電壓降低(由箭頭↓所示)到較低的電壓。這個(gè)較低的電壓仍然大于釋放電壓，使得膜保持在其驅(qū)動(dòng)狀態(tài)。下一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換定義了相反操作的開始，在此期間施加了類似的電壓電平偏移。負(fù)走向電壓(由箭頭↑所示)升高到具有較小幅度的電壓?？梢酝ㄟ^在其保持時(shí)間期間減小驅(qū)動(dòng)電壓的幅度來減小泵100的功率消耗。

驅(qū)動(dòng)電路

現(xiàn)在參考圖5，示出了用于施加電壓的驅(qū)動(dòng)電路500的示例，比如圖3或圖4所示。驅(qū)動(dòng)電路500接收電源電壓502、電容電壓電流504信號(hào)和泵控制516，并將驅(qū)動(dòng)電壓506輸出到微型泵比如圖1a和1b的微型泵的電極。在一些實(shí)施方式中，電源電壓502是從使用微型泵100的系統(tǒng)提供的。電源電壓還可以由隔離電路(未示出)提供。

驅(qū)動(dòng)電路500包括高電壓倍增器電路508、壓控振蕩器(“vco”)510、波形發(fā)生器電路512以及反饋和控制電路514。高電壓倍增器電路508將電源電壓502倍增到期望的高電壓值，例如約100v至700v，標(biāo)稱為500v。還可以使用其它電壓，取決于材料特性，例如介電常數(shù)、厚度、機(jī)械模量特性、電極間距等。在一些實(shí)施方式中，高電壓倍增器電路508包括升壓電路(未示出)。壓控振蕩器510產(chǎn)生微型泵的驅(qū)動(dòng)頻率。振蕩器510被電壓控制，并且可以通過外部泵控制信號(hào)516改變頻率，使得泵100基于流速要求推動(dòng)或多或少的流體。波形發(fā)生器電路512產(chǎn)生用于電極的驅(qū)動(dòng)電壓。如前所述，一些驅(qū)動(dòng)電壓是彼此具有特定相位關(guān)系的ac電壓。波形發(fā)生器電路512控制這些相位以及波形的形狀。反饋和控制電路514接收提供微型泵中的電容、電壓和/或電流的測(cè)量值的信號(hào)，并且電路514可產(chǎn)生反饋信號(hào)以提供對(duì)電路500的波形發(fā)生器512的附加控制，從而幫助調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓以獲得期望的性能。

系統(tǒng)在設(shè)備中的集成

上述微型泵系統(tǒng)可以集成在不同的產(chǎn)品或設(shè)備中以執(zhí)行不同的功能。例如，微型泵系統(tǒng)可以將諸如計(jì)算機(jī)或冰箱的設(shè)備中的風(fēng)扇或鼓風(fēng)機(jī)替換為空氣移動(dòng)器以移動(dòng)空氣。與常規(guī)的風(fēng)扇或鼓風(fēng)機(jī)相比，微型泵可以能夠以更低的成本更好地執(zhí)行更高的可靠性。在一些實(shí)施方式中，這些空氣移動(dòng)器以大規(guī)模并行配置直接內(nèi)置在基本水平的主機(jī)中。

在一些實(shí)施方式中，微型泵系統(tǒng)從其中集成有該系統(tǒng)的主機(jī)產(chǎn)品接收功率。功率可以以單個(gè)相對(duì)較低的電壓(例如低至5v或更低)的形式接收到微型泵系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路，例如圖5的驅(qū)動(dòng)電路500。

系統(tǒng)配置

圖1a、1b和2d的模塊層堆疊可被看作是并聯(lián)連接的模塊層。每個(gè)單獨(dú)的模塊層vi或ve的體積很小。在一些實(shí)施方式中，即使堆疊中的所有層的總體積也相對(duì)較小。在一些實(shí)施方式中，多個(gè)堆疊或微型泵可并聯(lián)連接以增加總體積流量。

類似地，單個(gè)微型泵的壓力能力相對(duì)較低。即使在堆疊中存在多個(gè)模塊層，因?yàn)樗鼈儾⒙?lián)連接，所以這些層不會(huì)增加堆疊的總壓力。然而，當(dāng)多個(gè)堆疊或微型泵串聯(lián)連接時(shí)，堆疊的壓力可以增加。在一些實(shí)施方式中，串聯(lián)連接的泵以不同的速度被驅(qū)動(dòng)以補(bǔ)償不同的質(zhì)量流量。例如，內(nèi)置的增壓室或樹型配置的布管也可用于補(bǔ)償不同的質(zhì)量流量。

現(xiàn)在參考圖6，示出了模塊層堆疊(其也可以稱為微型泵堆疊)610a-610e、612a-612e、614a-614e和616a-616e的行610-616和列610'-616'以及列617'，它們連接在網(wǎng)格配置600中。每行610、612、614、616中的模塊層堆疊串聯(lián)連接。模塊層堆疊610a-610e、612a-612e、614a-614e和616a-616e的行610-616經(jīng)由公共輸入620和公共輸出622并聯(lián)連接。

有效地，每行中的串聯(lián)連接的堆疊可以提供基本上等于單個(gè)堆疊壓力之和的總壓力。在圖中所示的示例中，如果每個(gè)堆疊具有0.1psi的壓力并且每行包括五個(gè)堆疊，則每行實(shí)現(xiàn)0.5psi的總壓力，這也是網(wǎng)格600的總壓力。網(wǎng)格600的總流量是每行堆疊的流量的四倍。

在圖中所示的示例中，每行堆疊的流量為1體積流量(vf)。網(wǎng)格包括四個(gè)并聯(lián)連接的行，導(dǎo)致總流量為4vf。為了實(shí)現(xiàn)期望的壓力和期望的流量，可以通過選擇要串聯(lián)連接的堆疊的數(shù)量和并聯(lián)連接的行的數(shù)量來構(gòu)建類似于網(wǎng)格600的網(wǎng)格。

可替代地，另一種串聯(lián)配置具有設(shè)置在一組平行泵的每個(gè)階段之間的共同增壓室。這種配置將傾向于使排放壓力且從而下一階段的輸入壓力相等。在一些實(shí)施方式中，堆疊相對(duì)較小，并且其中許多可以在小的區(qū)域中制造。網(wǎng)格的布管和接線可以在制造單個(gè)堆疊時(shí)進(jìn)行，并且可以以成本有效的方式進(jìn)行。

示例性應(yīng)用

如上所述，空氣可以用于電化學(xué)反應(yīng)和冷卻，例如在燃料電池中。通常，用于冷卻的空氣量是用于反應(yīng)的許多倍。

參考圖7，示出了具有集成的微型泵系統(tǒng)700的燃料電池，其具有流體輸入700a和輸出700b。具有上述特征的微型泵系統(tǒng)600(或100或200)直接集成到包含燃料電池704的模片框架702中。當(dāng)使用多個(gè)模片框架時(shí)，通常在模片之間存在最小間距，并且該空間中的一些可以用于容納微型泵系統(tǒng)600，而對(duì)模片沒有額外的體積開銷。一個(gè)示例性的燃料電池公開在于11-09-2004提交的、現(xiàn)為美國(guó)專利no.7029779的、題目為“燃料電池和功率芯片技術(shù)”的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)10/985736中，其全部?jī)?nèi)容通過引用并入本文。

集成空氣泵系統(tǒng)可以將空氣移動(dòng)功能有效地劃分成許多例如數(shù)千個(gè)部件，從而最大限度地減少為了移動(dòng)空氣而對(duì)鼓風(fēng)機(jī)或風(fēng)扇的需要。微型泵可以以成本低大量生產(chǎn)，體積小，重量輕，功能強(qiáng)大，功耗低，允許空氣移動(dòng)的大量分配。微型泵系統(tǒng)600可以在任何時(shí)候在空氣(或液體)需要在緊密的空間中移動(dòng)的情況下使用。

另一個(gè)這樣的應(yīng)用是冷卻電子部件，比如cpu。

現(xiàn)在參考圖8a和8b，微型泵(100、200、600)用于冷卻在非常高的溫度下運(yùn)行的電路/設(shè)備(例如中央處理器單元等)以及例如太陽(yáng)能電池和led照明。

作為示例，圖8a和8b示出了cpu冷卻器800的頂視圖和底視圖。代替大型散熱器和風(fēng)扇布置，一層或多層微型泵802直接指向冷卻板804，用于沖擊效應(yīng)，冷卻板貼在cpu上。在一些實(shí)施方式中，cpu冷卻器800可以去除150瓦的熱量。冷卻器具有低外形，并且可用于具有很小可用空間的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中。

微型泵系統(tǒng)可用于通過固定在cpu上的冷卻板來泵送液體，以將液體中的熱量去除并將其傳遞到遠(yuǎn)處。例如，攜帶熱量的熱液體可被泵送通過散熱器，并且可以使用附加的微型泵來吹送空氣以冷卻散熱器。

微型泵系統(tǒng)還可以將空氣吹過傳統(tǒng)方法中使用的散熱器；或者可以內(nèi)置在散熱器中。如前所述，微型泵系統(tǒng)可以配置成提供更大的壓力以進(jìn)一步推動(dòng)空氣。微型泵系統(tǒng)還可以分布在主機(jī)設(shè)備中，而不需要空氣管道。

現(xiàn)在參考圖9a和9b，示出了用于治療呼吸障礙的自主裝置900(裝置)。裝置900是cpap型(連續(xù)正壓氣道通氣)呼吸裝置。然而，裝置900與cpap機(jī)器不同，是一種自主裝置，其在鼻部局部，并且以所需的壓力提供所需量的空氣流以治療各種呼吸障礙，比如阻塞性睡眠呼吸暫停(“osa”)。

cpap呼吸裝置900以鼻環(huán)的形式示出。其他布置也是可能的(參見圖9d)。如圖所示，裝置900具有用于設(shè)置在裝置900的主體904中的空氣入口和微型泵600(圖6)的通道902。該裝置還可以包含用于呼氣的閥(參見圖10和10a-10f)。裝置900的端部904a、904b裝配在用戶的鼻子中，經(jīng)由通道905a、905b和密封件提供氣流，并且經(jīng)由環(huán)形部分903連接，環(huán)形部分903內(nèi)可設(shè)置電源，例如電池(未示出)。

由于微型泵系統(tǒng)很小并且可以移動(dòng)大量的空氣，所以微型泵系統(tǒng)被內(nèi)置在裝置900中，例如為許多患有睡眠呼吸暫?；蜃枞院粑系K(obd)的人提供救濟(jì)。裝置900可以是具有小尺寸(例如裝配在鼻子下面)和輕重量(例如輕達(dá)幾克)的獨(dú)立裝置，并且可以使用電池來操作。

在一些實(shí)施方式中，裝置900可以包括呼氣閥(下面討論)，而在其它實(shí)施方式中，可以省略呼氣閥。

在一些實(shí)施方式中，裝置900可以是可再充電的，例如電池可以被再充電。在其他裝置中，裝置可以是一次性的。用戶可以在晚上穿戴裝置，每天都會(huì)將其丟棄。替代的布置是可能的，例如在裝置中使用空氣-金屬電池?？諝?金屬電池(例如空氣-鋅)被激活并持續(xù)一段時(shí)間，此后被處理掉。

裝置900構(gòu)造成裝配到用戶的鼻子中并且從內(nèi)置于環(huán)中的微型泵600(或100、200)供應(yīng)加壓空氣流。因此，裝置900不需要對(duì)另一裝置(例如機(jī)器)的軟管或電線，并且該裝置使用獨(dú)立的電源，例如配置為操作大約全夜的睡眠(例如約八個(gè)小時(shí)左右)的電池。裝置900不需要帶子。該裝置可以配置為當(dāng)用戶呼氣時(shí)或當(dāng)用戶在吸氣之前處于暫停狀態(tài)時(shí)，阻止將空氣吹入用戶的鼻子。裝置900具有消除呼氣阻力(與迎面而來的空氣作戰(zhàn)或過早切斷呼氣結(jié)束)的呼氣閥。

裝置900可以感測(cè)壓力以打開和關(guān)閉微型空氣泵。裝置900感測(cè)呼吸周期中的每個(gè)呼吸和不同點(diǎn)的壓力，以配置微氣泵的運(yùn)行，從而在呼氣循環(huán)的“結(jié)束”處關(guān)閉呼氣閥。該裝置通過呼吸基礎(chǔ)在呼吸時(shí)響應(yīng)用戶。

裝置900小巧，重量輕，裝配在用戶的鼻子下方，在用戶的鼻子上進(jìn)行密封以將該裝置固定在適當(dāng)位置。該裝置可以在暫停期間為呼吸暫停治療提供適當(dāng)?shù)膲毫Γ⑶以谖鼩馄陂g提供適當(dāng)?shù)暮粑粫硥毫Ψ秶?。裝置900可以是一次性的，因此不需要清潔，可以是低成本的。此外，由于與現(xiàn)有的cpap機(jī)器相比具有相對(duì)的舒適性，裝置900隨著裝置的舒適度而提高了順應(yīng)性，不需要帶子、面罩或系繩。

現(xiàn)在參考圖9c，示出了用于cpap裝置960的備選配置的概念圖。在該配置中，cpap裝置960包括容納微型泵600的主體962，這里具有表示為966的57個(gè)組件泵元件和呼氣閥(參見圖10a-10f)。cpap裝置960具有緩沖塞964a、964b，其中空氣通道通過提供鼻部接口的塞。緩沖塞由通常橡膠材料制成，當(dāng)插入用戶的鼻孔時(shí)使其緊密配合。cpap裝置960具有一個(gè)或所示的兩個(gè)出口968a、968b，用于呼出空氣。

現(xiàn)在參考圖10，示出了例如在圖9a-9c所示的配置的示意圖，呼氣閥980聯(lián)接到cpap裝置900或960(泵966)內(nèi)的微型泵600。如圖所示，呼氣閥980聯(lián)接在微型泵600(以及100或200)與裝置900的入口964a、964b和出口968a、968b之間。呼氣閥980是蝶形結(jié)構(gòu)，并且在呼吸結(jié)束時(shí)/呼吸停止開始時(shí)和在呼氣開始時(shí)，使用來自微型泵的空氣流關(guān)閉閥980，呼氣閥980甚至在微型泵在呼氣閥980上吹送空氣時(shí)打開。

裝置900配置為選擇需要多少微型泵600的空氣流來推動(dòng)閥980關(guān)閉。來自微型泵600的壓力將在呼氣之前保持呼氣閥980關(guān)閉。所有來自用戶的呼氣氣流被施加到呼氣閥980以打開呼氣閥980。可以優(yōu)化閥瓣的形狀，以幫助呼氣閥980在呼氣期間保持打開。此外，根據(jù)設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)，還可以使用弱磁性來保持呼氣閥980的打開或關(guān)閉。來自用戶的呼出空氣通常足以克服來自微型泵的最小量的氣流以保持呼氣閥980關(guān)閉。

現(xiàn)在參考圖10a-10f，示出了概念呼氣閥980的各種視圖。圖10a-10f示出了用于呼氣閥980的蝶閥配置。閥980被示出并且包括主體981、入口982、端口984a和984b(984b僅在圖10f的視圖中示出)、出口端口985和閥瓣986。瓣閥986可圍繞軸向構(gòu)件988旋轉(zhuǎn)，以打開和關(guān)閉由大箭頭989表示的端口984a、984b與出口端口985之間的通道。微型泵600通過入口982施加空氣以關(guān)閉瓣閥986。在圖10和圖9c的上下文中，入口982聯(lián)接到微型泵的輸出，端口984a、984b聯(lián)接到塞964a、964b(具有空氣通道)，并且出口聯(lián)接到一個(gè)或兩個(gè)出口968a、968b。

閥可以有各種配置。例如，如2015年2月26日提交的本發(fā)明人未決的專利申請(qǐng)序列號(hào)14/632423(其通過引用并入本文)中所述，可以在輸出端口上使用滑閥(“t閥”)，并且可以在微型泵例如200(圖2b)的室的輸入端口上使用滑閥(“ω閥”)?；仡櫟?，室209是由泵體204和膜206(圖2b)(或泵體的端壁)產(chǎn)生的。

現(xiàn)在參考圖11a和11b，示出了具有滑閥的微型泵的替代實(shí)施方式1000。示出了用于輸出端口上的示例性滑閥1010(“t”或“τ”閥)和用于微型泵例如200(圖2b)的室例如209的輸入端口上的滑閥1020(“ω閥”)的詳細(xì)信息。“t”閥具有“t”(或希臘字母“τ”)形的可移動(dòng)構(gòu)件，而ω閥具有希臘字母“ω”形狀的可移動(dòng)構(gòu)件。

回顧到，室209是由泵體204和膜206(圖2b)(或泵體的端壁)產(chǎn)生的。在圖11a中，用于制造泵體204的材料1000的一部分將t閥1010提供在微型泵室的輸出端口處。t閥1010包括平坦構(gòu)件1012，其提供閥以關(guān)閉輸出端口，并且平坦構(gòu)件1012連接到位于由區(qū)域1018形成的隔室1017中的桿構(gòu)件1014。來自室的出口由區(qū)域1016提供。

在圖11a中，用于制造泵體204的材料1000的另一部分將ω閥1020提供在微型泵室的輸入端口處。ω閥1020包括活塞狀構(gòu)件1022，該構(gòu)件1022為具有水平臂1024a的稍微半圓形的ω形構(gòu)件1024提供止動(dòng)件，水平臂1024a提供閥以關(guān)閉輸入端口，并且ω形構(gòu)件1024具有豎直的臂1024b。ω形構(gòu)件通過活塞狀構(gòu)件1022限定到在活塞構(gòu)件1022與ω構(gòu)件1024之間的區(qū)域(未標(biāo)出)形式。來自室的入口由區(qū)域1026提供。

現(xiàn)在參考圖11b，蝕刻體1000'具有在輸出端口上的滑閥1010(“t閥”)和輸入端口上的滑閥1020(“ω閥”)，并且它們通過從由蝕刻線1002引導(dǎo)的主體材料中除去多余的材料而形成，如圖所示，使得每個(gè)滑閥1010和1020在非常受限的區(qū)域內(nèi)自由移動(dòng)，根據(jù)施加到室的壓力，但不能自由地移動(dòng)到限制區(qū)域的外部。t閥1010具有從輸出端口關(guān)閉的平坦構(gòu)件1012，并且限制在由1016和1017限定的區(qū)域中，而ω閥1020被區(qū)域1026和區(qū)域1027限制。

圖11c和11d以更高的放大倍率示出了輸出端口上的滑閥1010(“t閥”)和輸入端口上的滑閥1020(“ω閥”)。

在一些實(shí)施方式中，微型泵系統(tǒng)還可以用于通過測(cè)量膜之間的電容來感測(cè)膜之間的距離。微型泵包括電極，每對(duì)電極形成靜電致動(dòng)器，其實(shí)際上是具有間隔開一定距離的兩個(gè)導(dǎo)電板即電極的可變電容器。當(dāng)跨過兩個(gè)電極施加電壓時(shí)，電極朝向彼此移動(dòng)或相互遠(yuǎn)離移動(dòng)。隨著電極之間的距離變化，電容也隨之變化。隨著電極移動(dòng)得越來越近，電容增加，并且隨著電極移動(dòng)分離，電容減小。因此，一對(duì)電極之間的電容可以提供關(guān)于該對(duì)電極之間的距離的信息。

在一些實(shí)施方式中，該信息可以應(yīng)用于確定系統(tǒng)的多個(gè)參數(shù)。例如，可以測(cè)量多個(gè)量，包括壓力、體積、流速和密度。犧牲填充材料用于下述r2r處理。在一些實(shí)施方式中，溶劑用于制造過程，其可以對(duì)微型泵的各種其它材料施加額外的要求。在一些實(shí)施方式中，電路元件被印刷到膜中。釋放材料用于使瓣閥的擋板能夠移動(dòng)。通常，雖然上面已經(jīng)指定了某些材料，但是還可以使用具有與上述相似的性質(zhì)的其它材料。

用于生產(chǎn)微型泵和瓣閥的卷對(duì)卷處理

參考圖12，示出了卷對(duì)卷處理線的概念圖。處理線包括若干個(gè)站，例如發(fā)生沉積、圖案化和其它處理的站1到站n(可以是或包括封閉的室)。因此，在高水平觀察的處理可以是添加(在需要的地方準(zhǔn)確地添加材料)或減去(在需要的地方添加材料和去除材料)。根據(jù)需要，沉積處理包括蒸發(fā)、濺射和/或化學(xué)氣相沉積(cvd)以及印刷。圖案化處理可以包括取決于要求技術(shù)，比如掃描激光和電子束圖案生成、機(jī)械加工、光學(xué)平版印刷、凹版印刷和柔性版印刷(偏移)打印，這取決于被圖案化的特征的分辨率。噴墨打印和絲網(wǎng)印刷可用于放下諸如導(dǎo)體的功能材料。還可以使用諸如壓印和壓花的其它技術(shù)。

原始原料卷是柔性材料的網(wǎng)。在卷對(duì)卷處理中，柔性材料的網(wǎng)可以是任何這樣的材料，通常是玻璃或塑料或不銹鋼。雖然可以使用任何這些材料(或其他材料)，但是塑料具有比玻璃和不銹鋼更低的成本考慮的優(yōu)點(diǎn)，并且當(dāng)用于cpap類型(持續(xù)氣道正壓)呼吸裝置(圖9)時(shí)是用于生產(chǎn)微型泵的生物相容性材料。在微型泵的其他應(yīng)用中，例如作為電子部件的冷卻部件，將使用其他材料，比如不銹鋼或能夠承受所遇到的溫度的其他材料，比如特氟隆和可以承受所遇到的溫度的其他塑料。

現(xiàn)在參考圖12a，對(duì)于圖2a-2d所示的結(jié)構(gòu)，根據(jù)所需的處理設(shè)置卷對(duì)卷處理結(jié)構(gòu)內(nèi)的站。因此，盡管泵端蓋和頂蓋可以形成在圖12的網(wǎng)或塑料片上，但在一個(gè)實(shí)施方式中，在形成微型泵堆疊之后提供端蓋和頂蓋，如將要所述。

塑料網(wǎng)用于通過將材料沉積在隨后是圖案化站282的沉積站280處的網(wǎng)上來支撐泵體204(圖2b)。泵體204和止動(dòng)件218以及用于瓣閥214(圖2b)的擋板220形成在形成站284處的泵體204中。在一個(gè)實(shí)施方式中，設(shè)置站286以沉積犧牲材料來將擋板保持在主體上。具有泵體204和形成用于瓣閥214(圖2a)的擋板220的網(wǎng)具有在站290處沉積在泵體204上的膜。在沉積站292，電極210沉積在膜206上，其在圖案化站294處圖案化。

擋板220具有附接到泵體204的一端部222和可相對(duì)于止動(dòng)件218和泵體204移動(dòng)的另一端部224。使用與泵體相同的材料在泵體中形成擋板。用于擋板220、232的材料需要足夠堅(jiān)固或堅(jiān)硬以保持其形狀，但是需要足夠彈性以允許擋板220、232根據(jù)需要移動(dòng)。該材料是可蝕刻的或光敏的，使得其特征可以被定義和加工/開發(fā)。該材料與微型泵中的其它材料相互作用，例如粘附，例如通過聚合或超聲波焊接。此外，該材料是非導(dǎo)電的。合適的材料的實(shí)例包括su8(負(fù)極環(huán)氧樹脂抗蝕劑)和pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)抗蝕劑。

在泵體上施加膜片206，其中圖案化電極210支撐在膜206上。用于將驅(qū)動(dòng)電壓傳導(dǎo)到每個(gè)膜上的電極206的電互連通過沉積導(dǎo)電材料例如金、銀和鉑層(或?qū)щ娪湍T如銀油墨等)來提供。在一些實(shí)施方式中，一些電路元件被印刷到膜上。

在制造微型泵時(shí)，可以使用的犧牲填充材料是例如聚乙烯醇(pva)。如果需要，可以使用犧牲填充材料來在處理期間將膜支撐在泵體上。然后將在制造過程中使用溶劑以隨后除去該犧牲填充材料。

具有微型泵單元(泵體和具有電極和電連接的膜)的卷被切割并且微型泵單元被收集，組裝成微型泵單元的堆疊，并且通過包括端蓋和頂蓋進(jìn)行包裝以提供微型泵(例如圖2a)。取決于網(wǎng)上的泵單元的布局，可以將泵單元的網(wǎng)折疊成泵單元的堆疊，其中電極設(shè)置在膜層上。

膜材料需要在所需距離上來回彎曲或拉伸，因此應(yīng)具有彈性特征。膜材料不透流體(包括氣體和液體)，不導(dǎo)電，并且具有高的擊穿電壓。合適材料的實(shí)例包括氮化硅和特氟隆。

電極的材料是導(dǎo)電的。電極不會(huì)產(chǎn)生顯著的電流。該材料可以具有高電阻，盡管高電阻特征不是必需的。電極受到膜的彎曲和拉伸，因此，希望材料柔軟地處理彎曲和拉伸而沒有疲勞和故障。此外，電極材料和膜材料在操作條件下粘合良好，例如不會(huì)彼此分層。合適材料的實(shí)例包括例如金、銀和鉑層(或?qū)щ娪湍热玢y油墨等)。釋放材料可用于允許閥移動(dòng)。合適的釋放材料包括例如上述犧牲填充材料。

參見圖13a-13d，示出了提供模塊化微型泵200(圖2a)的替代的卷對(duì)卷處理方法。微型泵200具有在操作中可移動(dòng)并且可以在制造期間從載體釋放的特征。這些特征包括膜(其彎曲)和擋板(在彎曲或擺動(dòng)的瓣閥上)或可被釋放的可滑動(dòng)閥(圖12a-12d)。在這個(gè)討論中，重點(diǎn)將在于具有滑動(dòng)和釋放特征的閥(圖12a-12d的τ和ω閥的τ和ω部分)。可以使用本文公開的技術(shù)在卷對(duì)卷處理線中生產(chǎn)的其他類型的微機(jī)電系統(tǒng)將具有在操作中可移動(dòng)的其它特征，例如作為分別滑動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的特征的示例的桿或齒輪。處理過程中也會(huì)釋放這些特征，如下所述。

通過使用卷對(duì)卷處理來制造微型泵260，其中原料片材(或多個(gè)原料片材)穿過多個(gè)站以具有應(yīng)用于單個(gè)片材(或多個(gè)片材)的特征，并且單個(gè)片材(或多個(gè)片材)隨后被吸收以形成可重復(fù)的復(fù)合層(參見圖2a-2d)的部分，以最終生產(chǎn)制造的微型泵(或具有可移動(dòng)和/或可釋放特征的其它結(jié)構(gòu))的復(fù)合片材。在圖12a-12b的微型泵的實(shí)施方式中，卷對(duì)卷處理提供了在構(gòu)造的微機(jī)電系統(tǒng)內(nèi)可自由移動(dòng)(例如自由移動(dòng))的特征。

參考圖13a，使用諸如玻璃或塑料或不銹鋼的柔性材料的片材304作為網(wǎng)。對(duì)于具有滑閥或具有瓣閥的微型泵(圖2a-2d中的微型泵200)的特定實(shí)施方式，該材料是塑料片材，例如聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(pet)，其被提供具有金屬層304a，例如在片材304的主表面上的鋁(al)。

片材304是涂覆有具有100a°(埃)厚度的鋁的薄金屬層304a的50微米厚的pet(特氟隆)片材。還可以使用其他厚度(例如，片材304可以具有例如25微米至250微米(或更大)的厚度)，并且層304a的厚度可以為50a°至500a°(或更大)。根據(jù)要構(gòu)造的微機(jī)電系統(tǒng)的期望特性和卷對(duì)卷處理線的處理能力預(yù)測(cè)厚度。這些考慮將為最大厚度提供實(shí)際限制。類似地，根據(jù)要構(gòu)造的微機(jī)電系統(tǒng)的期望特性和在卷對(duì)卷處理線中處理非常薄的片材的能力預(yù)測(cè)最小厚度。

對(duì)于微機(jī)電系統(tǒng)是微型泵的示例，這些層將具有如上所述的用于泵體的約50微米的厚度和用于微型泵200的膜元件的5微米的厚度。然而，甚至對(duì)于微型泵而言還可以是其他厚度。金屬層304a通過各種方法被提供，例如蒸發(fā)或其它技術(shù)。這樣的金屬化膜也可商購(gòu)。

來自具有金屬層304a的卷(未示出)的片材304在燒蝕臺(tái)(例如激光燒蝕臺(tái)1)處被圖案化。使用掩模(未示出)來配置激光燒蝕臺(tái)以從將用于形成微型泵單元的片材304的那些部分即主體、區(qū)域1018、區(qū)域1022和1024b去除金屬層304a，同時(shí)將金屬304'僅留在最終將成為可移動(dòng)部件的片材的部分上，其在具有滑閥(如圖11a-11d所示)的微型泵的情況下分別是τ閥和ω閥的“t”(或τ)形構(gòu)件(圖11c中的1017)和“ω”形構(gòu)件(圖11d中的1026)，如圖13a-1詳細(xì)所示。任選地，金屬304'也可以留在片材的其上未制造各種結(jié)構(gòu)的那些外部部分上，以便在不必要的燒蝕中相同的時(shí)間/費(fèi)用，如圖13a-1詳細(xì)所示。

留在片材部分上的將成為τ閥的τ部分和ω閥的ω部分的金屬允許這些特征在相應(yīng)的閥內(nèi)移動(dòng)。這種技術(shù)依賴于以下認(rèn)識(shí)：在如下所述的層壓塑料層期間，基于隨后的層壓技術(shù)將采用的條件，塑料不會(huì)層壓到金屬。然而，在這些條件下，塑料將粘附到下面的塑料。所定義的條件包括層壓期間足以使塑料通過靜電機(jī)構(gòu)粘附到下面的塑料而不熔化pet的熱、壓力和時(shí)間。

現(xiàn)在參考圖13b，對(duì)片材304進(jìn)行微加工，其中片材部分上的所留金屬304a'將對(duì)準(zhǔn)t閥的t部分(圖12d中的1017)和ω閥的ω部分(圖12d中的1026)，以及任選地在外部部分上的。第二掩模(未示出)用于構(gòu)造第二激光燒蝕臺(tái)以限定或形成圖11a-11d的微型泵的隔室和閥構(gòu)件(在圖13b中表示為區(qū)域306)，以及對(duì)準(zhǔn)孔(未示出，但將在下面討論)。還提供了用于電連接的通孔，如圖所示。微加工消除塑料以形成微型泵的隔室，同時(shí)留下泵體的框架部分，并且還形成閥的容納結(jié)構(gòu)，如總體示出為項(xiàng)目306'。

現(xiàn)在參考圖13c，具有t閥的t部分(圖12d中的1017)和ω閥的ω部分(圖12d中的1026)的限定特征的片材304和隔室被層壓在層壓站至第二片材308，例如5微米厚的pet片材，在片材的頂表面上具有100a的al的第二金屬層310。該第二片材308在由隔室和閥區(qū)域的限定特征提供的泵體上形成膜。第二片材也被加工成在涂覆金屬層之前或之后提供對(duì)準(zhǔn)孔(未示出)。

在將第二片材308層壓到第一片材304之前，第二片材308還在與泵體結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)的一些區(qū)域上設(shè)置有若干個(gè)隨機(jī)分散的孔(未示出)。這些隨機(jī)分散的孔由機(jī)器視覺系統(tǒng)使用以顯露和識(shí)別第一片材304上的泵體單元的底部特征。通過隨機(jī)孔注意第一片材中識(shí)別的特征來產(chǎn)生數(shù)據(jù)。當(dāng)由泵體(下面討論)上的層和在τ和ω特征上的區(qū)域中的金屬墊形成電極時(shí)，這些數(shù)據(jù)將用于對(duì)準(zhǔn)第三燒蝕臺(tái)。

第二片材308被層壓并因此粘結(jié)(或粘附)到在第一片材304上具有塑料和在第二片材308上具有塑料的區(qū)域中的第一片材304，但是不粘附或粘結(jié)到在第一片材304上具有金屬和在第二片材308上具有塑料的第一片材304。由于上述層壓條件，導(dǎo)致該選擇性粘附。這允許微型泵中的可移動(dòng)構(gòu)件自由移動(dòng)，例如圖12a-12d的τ和ω結(jié)構(gòu)。

此時(shí)，形成了具有膜的微型泵的可重復(fù)單元的復(fù)合片材310，例如泵體和可移動(dòng)且可釋放的特征，但是沒有由膜上的層形成的電極。通過在會(huì)與片材接觸的特征上使用金屬提供的這種選擇性粘附可以用于在其它微機(jī)電系統(tǒng)中提供其他可移動(dòng)的特征，比如瓣閥上的擋板、橫梁、懸臂結(jié)構(gòu)、齒輪等，該系統(tǒng)包括這樣的可移動(dòng)特征。

機(jī)器視覺系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)據(jù)文件，其被激光燒蝕系統(tǒng)用于將第三激光燒蝕臺(tái)與第四掩模對(duì)準(zhǔn)，使得來自激光燒蝕系統(tǒng)的激光束根據(jù)第四掩模提供電極210(圖2b)，其中電極與泵體的相應(yīng)部分對(duì)準(zhǔn)。電極通過在不是電極和導(dǎo)體的一部分的區(qū)域中去除金屬而形成，在片材上留下隔離的電極和導(dǎo)體。因此，通過使用機(jī)器視覺系統(tǒng)來提供圖案化電極與泵體的對(duì)準(zhǔn)，以觀察層壓結(jié)構(gòu)的前側(cè)上的特征，從而使用常見于行業(yè)的技術(shù)來提供激光燒蝕系統(tǒng)用于將激光束與第四掩模對(duì)準(zhǔn)的定位數(shù)據(jù)。

現(xiàn)在參考圖13d，復(fù)合片材310被供給到第三激光燒蝕臺(tái)，以通過燒蝕沉積在形成膜的第二片材上的100a°al層來形成電極。根據(jù)第四掩模(圖14)對(duì)復(fù)合片材310進(jìn)行圖案化，以在泵體的相應(yīng)區(qū)域上限定電極。第三燒蝕臺(tái)從第二層消除金屬，留下隔離電極于片材上。

現(xiàn)在參考圖14，示出了用于配置第三激光燒蝕臺(tái)以提供電極210(圖2b)的第四掩模320。該第四掩模可被看作為示出了膜上的電極210(圖2b)和導(dǎo)體212(圖2b)、對(duì)準(zhǔn)孔334和切割線336。具有電極(圖13d)的該復(fù)合片材320被供給到沿著切割線336切割片材的站(未示出)，如圖14所示。從圖13a-13d的每個(gè)處理步驟提供的對(duì)準(zhǔn)孔334用于提供一種機(jī)構(gòu)，以對(duì)準(zhǔn)從這些片材切割的每個(gè)模片來產(chǎn)生如圖2d所示的這種泵體的堆疊。

使用可以包括安裝到水平底座的垂直四個(gè)柱的夾具(未示出)來堆疊各個(gè)切割模片。在夾具上設(shè)置端蓋(例如具有金屬層的50微米pet片材)，并且在端蓋上方設(shè)置有第一可重復(fù)單元?？芍貜?fù)單元被點(diǎn)焊(施加局部加熱源)以將單元固定在夾具上的適當(dāng)位置。由于每個(gè)可重復(fù)單元堆疊在先前可重復(fù)單元上，該單元被點(diǎn)焊。通過讓t閥在堆疊的一側(cè)上且ω閥在堆疊的另一側(cè)上來提供堆疊，并且由于閥的排列而交錯(cuò)，以便具有分離堆疊(參見圖2d)中的每個(gè)閥的固體表面。一旦堆疊完成，就可以提供頂蓋(未示出)。堆疊單元被發(fā)送到未示出的層壓站，其中堆疊被層壓，將所有可重復(fù)單元和蓋層壓在一起。端蓋和頂蓋也可以是包裝的一部分。否則可以成對(duì)地層壓可重復(fù)單元組。

模塊化微型泵260由模塊層組成，以形成泵260的端部隔室。模塊層各自包括形成固定泵壁的泵端蓋(類似于圖1a、1b中的壁106、108)。電極連接到泵端蓋以激活隔室。電極包括連接到驅(qū)動(dòng)電路(未示出)的引線(未示出)。在層壓堆疊之后，堆疊單元被切割以形成單獨(dú)的微型泵。

用于組裝的其他堆疊技術(shù)可以在有或沒有對(duì)準(zhǔn)孔334的情況下進(jìn)行。

本文描述的不同實(shí)施方式的元件可以組合以形成上面沒有具體闡述的其他實(shí)施例。元件可能在本文所述的結(jié)構(gòu)之外，而不會(huì)對(duì)其操作產(chǎn)生不利影響。此外，各種單獨(dú)的元件可以組合成一個(gè)或多個(gè)單獨(dú)元件來執(zhí)行本文所述的功能。其它實(shí)施例在所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。