[发明专利]弯曲换能器、微型泵和微型阀的制造方法以及微型泵和微型阀

说明书

技术领域

本发明涉及弯曲换能器、微型泵和微型阀的制造方法以及包括根据本方法制造的弯曲换能器的微型泵和微型阀。

背景技术

根据现有技术，存在大量不同微型膜片泵，所使用驱动理念为电磁、热和压电驱动原理。然而，市场上可购得的几乎所有微型膜片泵通过压电驱动原理来驱动。

微型泵的压缩率是一个重要参数，其限定当气体为泵送介质时，微型泵的耐泡沫和抗压能力。也由于流体泵泡沫可能在任何时候进入泵室，所以实际上也通过压缩率（除了大的致动隔膜力和低的阀泄漏之外）限定液体泵的抗压能力。压缩率被定义为泵膜片在一个气程或者周期内位移的容积（所谓行程容积）与闭死容积（即，当已经移动泵膜片以从泵室泵送出包含在泵室中的介质时剩余的最小容积）之间的比率。闭死容积也可被称为最大泵室容积与行程容积之间的容积差。已知微型泵的压缩率相对较小，并且在0.1至1的范围内。

例如，专利申请公开案EP 0 424 087A1描述了具有压电构件的微型泵，所述压电构件通过电压信号可在第一和第二方向上（即，向上和向下）变形，以分别将液体吸入微型泵的贮液器以及从微型泵的贮液器排出液体。然而，EP 0 424 087A1中所述的微型泵的不利之处在于，它们包括相当大的闭死容积，或者仅允许向上方向上的小行程，因此仅允许小行程容积。

此外，压电驱动微型膜片泵的压缩率通常由以下边界条件界定。当施加正电压于压电膜片换能器时，膜片换能器仅可在向下方向上偏转。通过施加负电压，仅向上偏转可行，其中，仅可实现大约向下行程的20%，否则压电陶瓷将被去极化。当将膜片移动限制于向下移动时，难以减少闭死容积和增加压缩率。因此，针对传统微型泵，例如参见US 2005/0123420 A1的微型膜片泵和US 6,261,066 B1的蠕动微型泵，压电构件仅在一个方向上移动，和/或泵室被形成为使得其轮廓适用于于膜片弯曲线，以减少闭合容积，以及从而使压缩率最大化。对泵送膜片弯曲线的适用于在工艺设计方面复杂并且昂贵，此外，对弯曲线的完全适用于通常不可行，这是因为泵送膜片本身不完全对称，例如，由于归因于胶合处理的泵送膜片扭曲，使得间隙仍然存在于泵室内，从而降低压缩率。此外，如果隔膜边缘被夹紧，那么标准致动器的行程容积由边界条件限制。最后，对于硅而言，通过蚀刻几个步骤仅可部分实现对准，这需要极大努力。

US 5,759,014描述了具有设置于玻璃基板上的硅泵送膜片以及彼此相对设置于泵送膜片相对侧上的进口阀和出口阀的微型泵。泵送膜片在静止位置中具有向上鼓起形状。压电元件被固定至膜片顶部。假使压电元件致动，膜片向下位移。通过在真空下放置位于紧密密封的膜片上的室，或者通过将包括预加应力适当变形的氧化物层施加于其上表面，可获得膜片的鼓起形状。根据US 5,759,014的微型泵的不利之处在于，由介于泵送室与进口和出口阀之间连接空间引起的闭死容积仍然相当高，膜片可实现鼓起高度受限（因此，仅促进有限的压缩率），并且需要膜片下表面上相当数量的圆形氧化硅区以防止膜片粘附或者吸入。此外，阀的横向配置显著增加泵室内流动阻力，于是行程容积仅可以非常低的泵送频率传输，限制了最大泵送速率。由于氧化物层或者真空卷曲的另一个缺点事实上在于，如果通过正电压来致动压电，那么隔膜无法移动至完全平坦位置。因此，隔膜边界处闭死容积仍然存在。

US2009/0158923 A1描述了通过两个金属层的激光焊接来实现的泵隔膜预加应力。本申请陈述（显然由于焊接处理的热影响）隔膜和泵室的预加应力可得以实现。然而，同样，在压电致动之后，大闭死容积（其甚至大于US 5,759,014中归因于氧化物层的闭死容积）仍然存在于隔膜边界处。

事实上，如图8所示致动膜片与泵室通过激光焊接的结合引起膜片不可避免的卷曲，这关于最小闭死容积未被优化。图8示出具有泵本体810和在泵膜片处通过激光焊接接合至泵本体的膜片820的微型泵的两个示意图。图8上部分示出处于预加应力非致动状态的泵膜片820，图8下部分示出通过设置于泵膜片上的压电元件830向下弯曲的同一膜片820。从图8下部分可以看出，膜片820不是完全平坦，但是示出在泵膜片边界处的鼓起或者偏转840，所述鼓起或者偏转840引起闭死容积增加，这是归因于由膜片边界处这些鼓起840界定的容积。