专利名称：低电压低功率热气泡薄膜式微流体驱动装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微流体驱动装置，特别是涉及一种低电压低功率热气泡薄膜式微流体驱动装置。
背景技术：
随着可广泛应用于组合式化学、基因体与蛋白体技术等分析检测方法的微全分析系统(Micro Total Analysis Systems，μ-TAS)的发展日渐蓬勃，分析仪器和系统也进入了微米甚至纳米量级的新纪元。微全分析系统是将实验中进行的生化或一般化学反应整合在微小的芯片上，例如将大量的生化物质片段一端固定于芯片表面，并通过类似的方式使物质片段和各种检体两者间产生交互作用。
而进行此实验需要一些流体处理步骤，使微全分析系统能够发挥其功效，让芯片当中的物质与进入芯片当中的检体充分混和并发生反应。而在没有液体处理装置或类似的混流装置下很难使流体混合和流动自动化。于是一些微流体驱动装置即为了解决流体处理问题应运而生。其功能在于减少试剂消耗以及增加反应过程的速度。一般流体驱动装置，不外乎是泵系统。而现阶段用在芯片上驱动用的方法，除了芯片外接现有一般所使用的泵外，内建于芯片上的大致可分为机械式微泵(Mechanic micropumps)与非机械式微泵(non-mechanicmicropumps)。
大多数所发展的机械式微泵是属于往复式。许多这类的微泵构造是泵本体，再加上致动器(actuator)与逆止阀所构成，其致动器驱动方式包含有压电驱动(Piezoelectric)、静电驱动(electrostatic)、电磁驱动(Electromagnetic)、气压驱动(Pneumatic)、双金属层驱动(Bi-metal)及利用形状记忆合金(SMA)的记忆效应等方式。而非机械式微泵则有扩散式泵(Diffuser Pumps)、热-气压式泵(Thermo-pneumatic)、热毛细管泵(Thermocapillary Pumps)与气动式泵(PnuematicPumps)等。
一般来讲，机械式泵均属于单向流动的，所以常常无法满足双向驱动的需求。而且，压电驱动和静电驱动式泵需要的工作电压达110伏特以上；而电磁驱动式和热-气压式泵的耗损功率约为1000毫瓦(mW)；另外，如气动式泵则是需要外接一大型气源供应来加以驱动，丧失了机动性。现今微流体驱动泵的共通缺点为无法有效的控制流体流动方向，同时难以整合为可携带的系统。
发明内容
鉴于以上先前技术的问题，本发明的目的在于提供一种低电压低功率热气泡薄膜式微流体驱动装置，该装置能有效的控制流体流动方向。同时，利用热气泡推动弹性薄膜的动作方式可降低电压耗损功率，还具有速度快、易使微控制器结合控制流体驱动以整合为可携带系统的优点。
为达上述目的，本发明可通过如下措施实现一种低电压低功率热气泡薄膜式微流体驱动装置，该驱动装置包含有一流体结构，具有一流体通道及连接于该流体通道的一流体开口，流体填注于该流体通道当中并经由该流体开口进出；及一个以上的热气泡薄膜式致动器，该热气泡薄膜式致动器由一弹性薄膜所形成的一密闭液室底部设置一加热片所组成，该密闭液室是通过该弹性薄膜隔离于该流体通道并填充有一低沸点液体，该加热片是用以加热该低沸点液体以产生气泡对该弹性薄膜产生压迫与放松的动作，使该密闭液室的体积膨胀和收缩以驱动该流体通道内的流体。
该流体结构由厚膜光阻所形成。
该弹性薄膜的材质可选自硅橡胶、聚二甲基硅氧烷和聚对苯二甲烯所组成的族群其中之一。
该加热片的材质可选自钽铝化合物、二硼化铪、铂、金铬化合物和多晶硅所组成的族群其中之一。
一种低电压低功率热气泡薄膜式微流体驱动装置，该驱动装置包含有一流体结构，具有一流体通道及连接于该流体通道两端的一第一流体开口和一第二流体开口，流体填注于该流体通道当中并经由该第一流体开口和该第二流体开口进出；及三个热气泡薄膜式致动器，该热气泡薄膜式致动器是由一弹性薄膜所形成的一密闭液室底部设置一加热片所组成，该密闭液室是通过该弹性薄膜隔离于该流体通道并填充有一低沸点液体，该加热片是用以加热该低沸点液体以产生气泡对该弹性薄膜产生压迫与放松的动作，使该密闭液室的体积膨胀和收缩以驱动该流体通道内的流体，该每一热气泡薄膜式致动器的该弹性薄膜是依流体驱动的需求形成顶起、平整和下凹的状态。
该流体结构是由厚膜光阻所形成。
该弹性薄膜的材质可选自硅橡胶、聚二甲基硅氧烷和聚对苯二甲烯所组成的族群其中之一。
该加热片的材质可选自钽铝化合物、二硼化铪、铂、金铬化合物和多晶硅所组成的族群其中之一。
通过此种简单的设计，本发明可以简单的方法来驱动基材当中的流体，亦即，通过对弹性薄膜施加压力的方式。当气泡产生时，腔体结构当中的流体即受到压力，而推动流体流动。当气泡消失时，即由于薄膜本身的弹性回复而回流。
其中，此热气泡薄膜式微流体驱动装置的结构可由厚膜光阻构成，并以弹性薄膜作为隔层，用以在流体结构形成类似横隔膜弯曲形变的功用。此外，流体结构可在单一流体通道之下方设置多个热气泡薄膜式致动器，并依序使热气泡薄膜式致动器产生气泡以控制流体的驱动方向。气泡生成所需电压约十伏特左右，且加热片所耗功率亦在10毫瓦以下，因此，有利于芯片整合，并有驱动频率范围大及大范围流量范围操控的优点。本发明也可利用厚膜光组制程来制作流体结构和热气泡薄膜式致动器的液室结构，相较于一般微泵制程，能有效减少制作时间和增加良率。
本发明的优点在于本发明提供的低电压低功率热气泡薄膜式微流体驱动装置，能有效的控制流体流动方向。同时，利用热气泡推动弹性薄膜的动作方式可降低电压耗损功率，还具有速度快、易使微控制器结合控制流体驱动以整合为可携带系统的优点。
下面，结合具体实施例及其附图对本发明作进一步详细说明。
图1和图2为本发明第一实施例的操作示意图；
图3为本发明第二实施例的示意图；图4和图5为本发明第二实施例的操作示意图。
具体实施例方式
请参考图1和图2，为本发明第一实施例的操作示意图，其流体结构110包含让流体通过的流体通道111以及提供流体进出的流体进出口112；邻接其流体通道111设有热气泡薄膜式致动器，是由一密闭的液室120的底部设置一加热片121所组成，其密闭液室120的顶部为隔出流体通道的弹性薄膜122。再通过电极124使加热片121提供足够能量使液室120中的液体达到一特定温度来产生气泡123，同时，如图1所示，由于气泡123上升推动弹性薄膜122使液室120膨胀，而流体通道111的体积则压缩将液体外推；以及，如图2所示，在气泡消失之后液室120压缩，流体通道111的体积则膨胀将液体吸入；弹性薄膜122的压力方向变化可控制流体的进出。
其中，弹性薄膜可使用硅橡胶(silicone rubber)、聚二甲基硅氧烷(Polydimethyl siloxane，PDMS)或聚对苯二甲烯(Parylene)等弹性材质。加热片部分可选择钽铝化合物(TaAl)、二硼化铪(HfB2)、铂(Pt)、金铬化合物(AuCr)及多晶硅(polysilicon)。同时，液室中的液体须选择低沸点液体。
流体结构还可在单一流体通道的下方设置多个热气泡薄膜式致动器，并依序使热气泡薄膜式致动器产生气泡以控制流体的驱动方向。请参考图3，其为本发明第二实施例的示意图，是在流体结构210中包含让流体通过的流体通道211、提供流体进出的第一进出口212和第二进出口213，并依序设有成列的第一热气泡薄膜式致动器、第二热气泡薄膜式致动器和第三热气泡薄膜式致动器来控制流体的进出，利用电极224控制每一加热片221、231、241以提供能量使各液室220、230、240中的液体达到一特定温度来产生气泡推动弹性薄膜222、232、242；其流体驱动状态请参考图4和图5，其为本发明第二实施例的操作示意图，首先，流体运动的状态如图4所示，使第一热气泡薄膜式致动器的弹性薄膜222下凹，流体由第一进出口212进入流体通道；而第二热气泡薄膜式致动器的弹性薄膜232顶起，产生止回阀的功能；同时，第三热气泡薄膜式致动器的弹性薄膜242亦顶起，使流体由第二进出口213离开流体通道；然后，如图5所示，使第一热气泡薄膜式致动器的弹性薄膜222顶起，而第二热气泡薄膜式致动器的弹性薄膜232恢复平整或下凹，使流体流至第三热气泡薄膜式致动器的弹性薄膜242上方，可通过调整各弹性薄膜顶起的程度来控制流体通过的量；第三热气泡薄膜式致动器的弹性薄膜242则下凹以容纳流体，再使第一热气泡薄膜式致动器、第二热气泡薄膜式致动器和第三热气泡薄膜式致动器恢复至如图4所示的动作情形，即可使流体顺利由第二进出口213流出。如此，即循环成类似泵功能的热气泡薄膜式微流体驱动装置。而图4和图5的作动方式反向操作，即可进行另一方向的流体运动。
虽然本发明的较佳实施例揭示如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉相关技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当然可以进行适当的更动与润饰，因此本发明的专利保护范围应该以权利要求所确定的范围为准。
权利要求
1.一种低电压低功率热气泡薄膜式微流体驱动装置，其特征在于该驱动装置包含有一流体结构，具有一流体通道及连接于该流体通道的一流体开口，流体填注于该流体通道当中并经由该流体开口进出；及一个以上的热气泡薄膜式致动器，该热气泡薄膜式致动器由一弹性薄膜所形成的一密闭液室底部设置一加热片所组成，该密闭液室是通过该弹性薄膜隔离于该流体通道并填充有一低沸点液体，该加热片是用以加热该低沸点液体以产生气泡对该弹性薄膜产生压迫与放松的动作，使该密闭液室的体积膨胀和收缩以驱动该流体通道内的流体。
2.如权利要求1所述的低电压低功率热气泡薄膜式微流体驱动装置，其特征在于该流体结构由厚膜光阻所形成。
3.如权利要求1所述的低电压低功率热气泡薄膜式微流体驱动装置，其特征在于该弹性薄膜的材质选自硅橡胶、聚二甲基硅氧烷和聚对苯二甲烯所组成的族群其中之一。
4.如权利要求1所述的低电压低功率热气泡薄膜式微流体驱动装置，其特征在于该加热片的材质选自钽铝化合物、二硼化铪、铂、金铬化合物和多晶硅所组成的族群其中之一。
5.一种低电压低功率热气泡薄膜式微流体驱动装置，其特征在于该驱动装置包含有一流体结构，具有一流体通道及连接于该流体通道两端的一第一流体开口和一第二流体开口，流体填注于该流体通道当中并经由该第一流体开口和该第二流体开口进出；及三个热气泡薄膜式致动器，该热气泡薄膜式致动器是由一弹性薄膜所形成的一密闭液室底部设置一加热片所组成，该密闭液室是通过该弹性薄膜隔离于该流体通道并填充有一低沸点液体，该加热片是用以加热该低沸点液体以产生气泡对该弹性薄膜产生压迫与放松的动作，使该密闭液室的体积膨胀和收缩以驱动该流体通道内的流体，该每一热气泡薄膜式致动器的该弹性薄膜是依流体驱动的需求形成顶起、平整和下凹的状态。
6.如权利要求5所述的低电压低功率热气泡薄膜式微流体驱动装置，其特征在于该流体结构是由厚膜光阻所形成。
7.如权利要求5所述的低电压低功率热气泡薄膜式微流体驱动装置，其特征在于该弹性薄膜的材质选自硅橡胶、聚二甲基硅氧烷和聚对苯二甲烯所组成的族群其中之一。
8.如权利要求5所述的低电压低功率热气泡薄膜式微流体驱动装置，其特征在于该加热片的材质选自钽铝化合物、二硼化铪、铂、金铬化合物和多晶硅所组成的族群其中之一。
全文摘要
本发明涉及一种低电压低功率热气泡薄膜式微流体驱动装置，是结合流体结构和热气泡薄膜式致动器；流体结构包含流体通道，流体填注于流体通道当中并经由流体通道的开口进出，以及，热气泡薄膜式致动器是在弹性薄膜所形成的密闭液室底部设置加热片所组成，密闭液室是通过弹性薄膜隔离于流体通道并填充有低沸点液体；其动作方式为利用加热片加热低沸点液体以产生气泡，推动弹性薄膜以类似横隔膜的方式运动来驱动流体。
文档编号G01N27/416GK1521500SQ0310312
公开日2004年8月18日 申请日期2003年1月30日 优先权日2003年1月30日
发明者庄世玮, 钟震桂, 陈仲竹 申请人:财团法人工业技术研究院