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

摘要

提供了一种制造弯曲换能器的方法，弯曲换能器包括驱动构件和膜片，所述方法包括：提供膜片（110）和驱动构件（210）；以及在驱动构件和膜片（110）接合期间施加生产信号（U生产）于驱动构件（210），使得在接合之后，驱动构件被预加应力，其中，生产信号为与操作弯曲换能器的操作信号相同的类型。

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。

US 2004/0036047 A1和US 2006/0027772 A1描述了常闭阀。由两个 硅芯片堆叠形成，其中，下硅芯片包括阀的进口和出口，以及其中，安装 于下芯片上的上芯片包括阀室凹口、阀口和在面向下芯片侧上的挺杆以及 在背向下芯片的上芯片相对侧上用于界定膜片的凹口，其中，压电驱动器 设置于挺杆上的膜片上，以向下移动形成于下芯片中的阀活门来打开阀。 在关闭状态中，即，当压电陶瓷未致动时，阀口将阀进口与阀室流体分离。 假使压电陶瓷致动，压电陶瓷向下移动经由挺杆连接至膜片的阀活门。在 该情况下，阀口不再抵接在挺杆上，并且阀打开。人们已经认识到，在阀 制造之后，膜片有时往往在向下方向上偏转。假使向下方向上偏转太大， 阀可能无法实现常闭阀的致密性要求，或者在与膜片相反的方向上以轻微 压力打开。阀非致动状态下的所述不期望流动是不利的，并且在医疗技术 或者燃料电池领域中可能尤其重要。

本发明目的是提供制造弯曲换能器的方法，使得消除现有技术上述缺 点中一个或者全部。本发明另一个目的是提供可提供高压缩率并且可容易 工艺设计的微型泵。本发明又一目的是提供具有可靠致密性特性的微型 阀。

发明内容

通过根据权利要求1所述的制造弯曲换能器的方法、根据权利要求 13所述的制造微型泵的方法、根据权利要求14所述的制造微型阀的方法、 根据权利要求17所述的微型泵和根据权利要求20所述的微型阀来实现本 发明目的。

本发明实施方式提供制造弯曲换能器的方法，所述弯曲换能器包括驱 动构件和膜片，所述方法包括以下步骤：提供膜片和驱动构件；以及在驱 动构件和膜片接合期间施加生产信号于驱动构件，使得在接合之后，驱动 构件被预加应力，其中，生产信号为与操作弯曲换能器的操作信号相同的 类型。

弯曲换能器的实施方式包括膜片以及接合至膜片的驱动构件，其中， 驱动构件利用驱动构件主表面接合至可弯曲或者可偏转膜片，以将施加于 驱动构件的操作或者致动信号转换为垂直于主表面的弯曲换能器移动，驱 动构件经由主表面接合至膜片。换言之，操作信号影响平行于主表面的驱 动构件尺寸变化（收缩或者膨胀），驱动构件经由主表面接合至膜片（也 称为横向尺寸或者方向），所述操作信号被转换为与主表面垂直关系的移 动，驱动构件经由主表面接合至膜片（也称为垂直尺寸或者方向）。转换 度由驱动构件的d31系数定义。由于本制造方法，这些弯曲换能器被预加 应力或者预鼓起。所述预加应力的弯曲换能器可被用于微型泵和微型阀 中，以克服上述问题。

例如，驱动构件可为压电驱动构件或者当某个类型致动信号或者输入 施加于驱动构件时适用于改变其容积或者至少一个尺寸的任何其它驱动 构件。在压电驱动构件的情况下，生产信号和操作信号为施加于压电驱动 构件的电压。假使施加正电压，压电驱动构件收缩，因此，相对于介于驱 动构件和膜片之间的接合表面在膜片相对方向上移动膜片。

例如，驱动构件的替代性实施方式为磁致伸缩驱动构件或者包括磁致 伸缩材料的驱动构件，假使磁场施加于磁致伸缩驱动构件，磁致伸缩材料 改变它们容积。在该情况下，生产信号和操作信号（在随后正常操作期间 施加于驱动构件的信号）为电磁场。

从上述实例可以显而易见，生产信号和操作信号为相同类型信号（针 对压电驱动构件的电压，针对磁致伸缩驱动构件的磁场）。

针对生产信号和操作信号，生产信号幅值（针对压电驱动构件的生产 信号和操作信号的电压电平，针对磁致伸缩驱动构件的磁场强度）可为相 同或者可为不同。

针对生产信号和操作信号，生产信号的极性或者方向（针对压电驱动 构件的电压极性，针对磁致伸缩驱动构件的磁场方向）可为相同或者可为 不同，例如，反向。

假使生产信号和操作信号的极性或者方向为相同，通过本发明方法实 现的弯曲换能器（膜片和/或驱动构件）的预鼓起类型与当驱动构件致动时 膜片或者弯曲换能器的相对应行程完全相同。

在某些实施方式中，根据应用，生产信号具有与操作信号相同的极性， 并且生产信号幅值为与操作信号幅值相同或者更小或者更高幅值。

本发明实施方式提供制造微型泵的方法，所述微型泵包括具有膜片和 驱动构件的弯曲换能器，其中，所述膜片形成泵膜片，并且适用于通过驱 动构件在第一鼓起位置和第二较少鼓起位置之间移动；泵本体，连接至泵 膜片，以界定泵本体与泵膜片之间的泵室；所述方法包括以下步骤：通过 本发明方法制造弯曲换能器，使得当驱动构件未致动时，泵膜片在第一鼓 起位置中呈现预鼓起形状。

本发明实施方式提供制造微型阀的方法，所述微型阀包括具有膜片和 驱动构件的弯曲换能器，其中，所述膜片形成阀膜片，并且适用于通过驱 动构件在第一位置和第二位置之间移动以打开或者关闭微型阀；所述方法 包括以下步骤：通过本发明方法来制造弯曲换能器。

实施方式也提供微型泵，所述微型泵包括：弯曲换能器，包括膜片和 驱动构件，其中，膜片形成微型泵的泵膜片，并且适用于通过驱动构件在 第一鼓起位置和第二较少鼓起位置之间移动；以及泵本体，连接至泵膜片， 以界定泵本体与泵膜片之间的泵室；其中，当驱动构件未致动时，泵膜片 在第一鼓起位置中呈现预鼓起形状，以及其中，弯曲换能器已经通过本发 明方法制造。

另外，实施方式提供微型阀，所述微型阀包括：弯曲换能器，包括膜 片和驱动构件，其中，膜片形成微型阀的阀膜片，并且适用于通过驱动构 件在第一位置和第二位置之间移动以打开或者关闭微型阀；其中，弯曲换 能器已经通过本发明方法制造。

本发明实施方式是基于以下发现：图8所示微型泵的鼓起840以及相 对应闭死容积是由预加应力的隔膜或者膜片弯曲形状未与压电致动器的 相对应行程完全相同的事实引起的。换言之，在生产（例如，氧化物层或 者激光焊接）期间由预加应力引起的预加应力膜片偏转不同于在微型泵操 作期间由压电致动器引起的膜片偏转。

本发明实施方式允许通过提供针对泵膜片的预鼓起方法来使压缩率 最大化，所述预鼓起方法适用于压电膜片移动，或者一般地，适用于致动 器-膜片移动。因此，鼓起840以及相对应闭死容积可得以避免或者至少 减少。为了实现适用于由接合至泵膜片的驱动构件引起的泵膜片移动的泵 膜片预鼓起，本方法实施方式包括以下步骤：将驱动构件接合至泵膜片， 使得当驱动构件未致动时，泵膜片呈现预鼓起形状。因此，当驱动构件致 动并且相应地膜片呈现第二较少鼓起位置时，由处于非致动状态的驱动构 件引起的泵膜片张力或者应力减少。在制造预鼓起泵膜片的方法的实施方 式中，例如，当驱动构件和泵膜片都具有平面形状时，驱动构件可接合至 泵膜片。由于当将驱动构件接合至泵膜片时横向收缩驱动构件的不同温度 系数和/或生产信号施加，当驱动构件未致动时，泵膜片连同驱动构件一起 在第一鼓起位置中呈现向上预鼓起形状。驱动构件致动引起驱动构件再次 收缩（同时，减少泵膜片张力），膜片向下偏转表示预鼓起的反向偏转， 假使用于驱动或者致动驱动构件的驱动信号足够强以引起驱动构件再次 呈现边界处没有或者至少忽略鼓起的平面或者至少基本上平面形状。

换言之，由驱动构件致动引起的膜片变形表示反向作用，并且由预鼓 起引起的变形因此至少减少泵膜片边界处鼓起或者偏转840。

换言之，本发明实施方式提供微型泵，其中，预鼓起泵膜片的弯曲形 状适用于由驱动构件致动引起的变形，使得当泵膜片处于第二较少鼓起或 者平面位置中并且未施加反压力时，面向泵本体的泵膜片具有平面基础形 状。术语“平面基础形状”表示假使泵室底为平面或者具有腔的平面，泵 膜片具有平面形状，假使泵室底或者泵膜片包括突起作为分布于泵室底上 的抗粘附构件，泵膜片可能在泵室底边界处略微鼓起，其中，最外面抗粘 附构件被设置并且向着泵室中心部分呈现平面形状，所述平面形状由抗粘 附突起归因于其刚度而实现。

根据制造微型泵的方法的实施方式，驱动构件（即，压电驱动构件） 连接至处于收缩状态的泵膜片，即，预定生产信号或者电压施加于驱动构 件以引起驱动构件收缩，并且之后释放信号电压。由于信号或者电压释放， 驱动构件膨胀，并且因此使膜片连同驱动构件一起向上和背向泵室弯曲。

根据制造微型泵的方法的又一实施方式，泵膜片和驱动构件（例如， 压电驱动构件）另外加热至预定生产温度，在所述生产温度下相互接合， 并且之后例如冷却至正常环境温度。由于驱动构件和泵膜片的不同热膨胀 系数，弯曲换能器被以另外方式预加应力。

一方面，所述效应可被用于制造具有增加预加应力特性的弯曲换能 器，例如，所述增加预加应力特性可被用于提供具有增加更多的预鼓起高 度的泵或者阀膜片。

另一方面，假使驱动构件和泵膜片的不同温度膨胀系数通常会导致向 下方向（从驱动构件向泵膜片的方向）上预鼓起，可施加生产信号，使得 在第一方向上通过释放生产信号实现的泵膜片预鼓起远远补偿了在与第 一方向相反的第二方向上通过例如将驱动构件和泵膜片冷却至正常或者 环境温度实现的泵膜片预鼓起。

第二方面针对半导体膜片特别有利，半导体膜片通常具有比压电陶瓷 或者其它压电驱动构件更低的热膨胀系数，因此导致向下方向上不想要的 预鼓起。通过施加生产信号于压电驱动构件，所述生产信号引起压电驱动 构件收缩，可远远补偿向下预鼓起，因此可实现向上方向（从泵膜片向压 电驱动构件）上预鼓起。

因此，如US 2004/0036047 A1和US 2006/0027772 A1中所述的常闭 阀通过对由压电驱动构件和硅膜片形成的弯曲换能器预加应力可在非致 动状态下更可靠地封闭或者密封。

就微型泵而论，微型泵压缩率c由行程容积ΔV和闭死容积V₀之比 （即，c=ΔV/V₀）定义。因此，可主要考虑增加压缩率的两个措施。第一， 增加行程容积ΔV，第二，减少闭死容积V₀。本发明实施方式允许实现两 个措施，因此增加了压缩率。

输入和输出止回阀相对并且在膜片之下并且在泵本体内的配置允许 实现高行程容积，同时减少闭死容积。此外，泵膜片预鼓起只需要在一个 方向上（例如，仅在向下方向上）使用或者致动驱动构件，尤其压电驱动 构件，因此减少驱动构件复杂性，在压电驱动构件情况下，减少去极化风 险。

根据形成泵室底的泵本体上表面的形状以及在第二较少鼓起位置中 泵膜片形状，可减少微型泵的闭死容积。因此，例如，微型泵的实施方式 包括设置于泵膜片和泵室底之间无间隔构件或者间隔结构，并且还包括至 少基本上平面的泵室底，其中，当泵膜片处于第二（即，基本上平面）位 置中时，泵膜片形状和泵室底形状一致，因此，提供微型阀，其中，泵室 闭死容积基本上仅由阀井的闭死容积界定。

微型泵的实施方式可包括完全平面的泵本体，其中，整个泵本体（不 仅是界定泵室底的泵本体部分）基本上为平面（例如，除了阀井之外都为 平面）。不管硅或者其它半导体材料、金属或者聚合物材料被用于制造泵 本体，和/或不管输入和输出止回阀如何制造或者集成，所述完全平面的表 面或者泵本体容易制造。因此，所述实施方式也允许减少工艺设计复杂性。

由于与泵膜片相对的进口和出口止回阀配置，进口和出口止回阀的闭 死容积和/或进口和出口止回阀的阀井减少了粘附效应，并且允许从泵室底 更容易移除泵膜片以及相对应的泵膜片向上移动。微型泵的更多实施方式 包括进口和/或出口止回阀，所述进口和/或出口止回阀与泵膜片中心区域 相对配置，以进一步降低粘附效应和/或降低流动阻力。

在更多实施方式中，泵膜片直接接合于泵膜片上表面上，使得当泵膜 片被移动至第二位置并且呈现平面形状时，泵膜片抵接上表面，例如，除 了面向泵室的阀侧上阀结构中阀井和/或凹口之外，上表面也形成泵室底。 “直接接合”在上下文中应当理解为，在具有接合材料（例如，胶水）的 情况下，或者在无接合材料（即，接合材料更少）（例如，使用超声波接 合、激光接合等）的情况下，泵膜片可连接至泵本体，然而，在介于泵膜 片和泵本体之间无间隔层或者元件的情况下，当泵膜片处于第二平面位置 中时，将引起介于泵膜片和泵室底之间的间隙。

因此，本发明实施方式提供具有自吸行为的微型泵，并且适合于输送 如气体的可压缩介质，并且此外为耐泡沫且泡沫无关。

微型泵在适于使得在泡沫进入泵室的情况下，微型泵仍处于工作时被 认为耐泡沫，泡沫（或者泡沫一部分）将通过泵室传输。然而，在泵室中 存在气泡（或者它们一部分）期间，泵送速率可能改变。

微型泵在适于使得在泡沫进入泵室的情况下，微型泵不仅仍处于工 作，而且泵送速率与泵室中气体存在无关时被认为与泡沫无关。

根据本发明的制造膜片预鼓起的方法允许实现特别高预鼓起程度，例 如，与泵室横向延伸有关的大预鼓起高度，即，与泵室直径有关，因此， 不仅促进高泵室容积Vmax，而且尤其促进高行程容积ΔV，最后促进高 压缩率c。

此外，本方法的实施方式允许制造或者生产预鼓起泵膜片或者阀膜 片，或者一般地预加应力膜片，而无需另外处理步骤，例如，另外氧化物 层的形成。

附图说明

下文中参考附图描述实施方式。

图1A示出制造弯曲换能器的方法的实施方式的流程图。

图1B示出微型泵的实施方式，其中，泵膜片本身处于第一预鼓起位 置或者状态中（处于非致动或者静止状态中）。

图1C示出根据图1B的微型泵处于第二致动位置或者状态中的实施 方式，其中，泵膜片呈现平面形状并且抵接在泵室底上。

图1D示出当从第二较少鼓起（这里，平面形状）到第一鼓起形状移 动时泵膜片的中间形状。

图2A示出具有安装于泵膜片上表面上的压电驱动构件的微型泵的实 施方式的横截面（处于第一非致动或者静止状态中）。

图2B示出根据图2A的微型泵处于第二致动状态中的示意横截面。

图3A、图3B示出解释制造微型泵的方法的示意横截面视图。

图4A至图4F示出制造微型泵的方法的实施方式的示意横截面视图。

图5A、图5B示出根据基于图4A至图4F所述的方法制造的微型泵 处于非致动状态中和处于致动状态中的示意横截面视图。

图6示出针对不同鼓起效果或者鼓起原因从泵膜片中心到泵膜片边 界的（半泵膜片）归一化弯曲线图。

图7A示出针对在未施加生产电压情况下在80°C下压电接合从泵膜 片中心到泵膜片边界的泵膜片的弯曲线的图。

图7B示出针对在80°C并且73.6V生产电压的情况下的压电接合从 泵膜片中心到泵膜片边界的泵膜片的弯曲线的图。

图7C示出针对在80°C并且73.6V生产电压的情况下的压电接合从 泵膜片中心到泵膜片边界的泵膜片的更多弯曲线的图。

图7D示出针对在80°C并且178V生产电压的情况下的压电接合从 泵膜片中心到泵膜片边界的泵膜片的不同弯曲线的图。

图7E、图7F、图7FF、图7G示出具有预加应力的弯曲换能器的常 闭阀的示意图。

图7H示出具有预鼓起阀膜片的常开阀的第一实施方式。

图7I示出具有预鼓起阀膜片的微型阀的第二实施方式的示意图。

图8示出具有常规预加应力膜片的微型泵处于非致动和致动状态中 的示意图。

相同和/或等同元件在以下附图描述中通过相同或者等同参考数字来 表示。

具体实施方式

图1A示出制造弯曲换能器的方法的实施方式的流程图，所述弯曲换 能器包括驱动构件和膜片。在步骤1010中，提供膜片和驱动构件。在步 骤1020中，在驱动构件和膜片接合期间生产信号施加于驱动构件，使得 在接合之后，驱动构件被预加应力，其中，生产信号为与操作弯曲换能器 的操作信号相同类型的信号。换言之，生产信号为与在弯曲换能器正常操 作期间施加于驱动构件以弯曲或者偏转弯曲换能器和膜片的操作信号相 同类型的信号。

生产信号优选仅在接合已经终止之后释放，或者在整个接合过程期间 施加。

接合本身可通过任何合适接合技术来执行。驱动构件和膜片的接合可 无接合材料或者使用接合材料来执行，例如，通过使用胶水胶合或者通过 使用液态焊料焊接。与特定接合材料无关，借助于设置于驱动构件和膜片 之间的接合材料来执行接合，并且生产信号仅在接合材料硬化（优选完全 硬化）之后释放。假使生产电压提前释放，例如，在接合材料完全硬化之 前，驱动构件将改变其大小，因此将降低在接合之后驱动构件被预加应力 的程度。

如先前已经描述，生产信号施加导致驱动构件大小改变，在接合换能 器的情况下，平行于驱动构件表面的尺寸改变，驱动构件通过驱动构件表 面接合至膜片。改变可为收缩或者膨胀。例如，假使施加正电压，压电致 动器收缩，假使施加负电压，压电致动器扩大到某个程度。因此，实施方 式施加正生产电压于压电致动器，以将压电致动器设定为收缩状态，并且 将压电致动器保持在收缩状态，直至接合终止。在接合之后，并且在释放 正生产电压之后，压电致动器在未致动时试图膨胀或者扩大到其正常大小 或者尺寸，然而，压电致动器经由整个主表面接合至膜片，试图将其目前 尺寸保持在横向尺寸中，即，在平行于压电驱动构件与膜片接触表面的尺 寸中。因此，压电驱动构件、膜片或者一般地弯曲换能器变为预加应力。

假使压电致动器和膜片未机械连接至任何外设，或者仅连接于它们至 外设（例如，微型泵或者微型阀）的边界上，生产电压释放影响压电致动 器膨胀，然而不影响正常大小，假使它不会接合至膜片，它将膨胀。另一 方面，由于压电致动器，膜片也膨胀。因此，在压电致动器与其正常尺寸 相比被预压缩的意义上，压电致动器被预加应力，而在膜片与其正常尺寸 相比被预拉伸的意义上，膜片被预加应力。同时，驱动构件和膜片被预鼓 起，这是归因于在向着压电致动器的方向上预加应力。

假使压电致动器和膜片不仅固定在它们边界处，例如，而且固定在它 们中心处（例如参见根据US 2004/0036047 A1、US 2006/0027772 A1以及 图7E至图7G的常闭阀），膜片和压电致动器无法在向着压电致动器的方 向上弯曲，然而被预加应力，并且可视为在向着压电致动器的方向上预加 应力（在压电致动器被压缩意义上预加应力，并且例如防止在向下方向上 不想要的预鼓起（由于其它生产参数））。

同样考虑因素适用于可用于弯曲换能器的任何其它驱动构件。

在实施方式中，使用胶水将驱动构件接合至膜片，胶水往往需要比正 常环境温度更高的某个预定生产温度。因此，驱动构件和膜片的不同温度 系数可引起另外预加应力，所述另外预加应力叠加到由生产信号引起的预 加应力。假使生产信号的预加应力和由不同温度膨胀系数引起的预加应力 为相同类型（例如，都导致在接合之后驱动构件压缩，或者都导致在接合 之后驱动构件预拉伸），预加应力相加，而假使生产信号的预加应力和由 不同温度膨胀系数引起的预加应力为不同（例如，相反或者反向类型）（例 如，通过施加生产信号的预加应力将引起压缩，而由不同温度系数引起的 预加应力将引起预拉伸，反之亦然），预加应力可至少部分相互补偿。

本发明又一发现为，由驱动构件和膜片的不同温度膨胀系数引起的预 加应力可被用于增加预加应力，因此例如实现更高预鼓起高度和行程，或 者将生产信号设定为以下电平和极性：使得在不期望的方向上由不同温度 系数引起的不期望的预鼓起至少部分被补偿、完全补偿或者甚至过补偿， 例如，以实现期望尺寸和方向的预鼓起和行程。

在一个实施方式中，膜片（例如，金属）的温度系数大于驱动构件（例 如，压电陶瓷）的温度系数，并且生产信号为使得驱动构件在接合期间处 于收缩状态。在该情况下，由两个效应引起预加应力为相同类型（驱动构 件压缩），并且增加可实现预加应力（预压缩），并且根据膜片和/或驱动构 件的机械固定，也可实现预鼓起高度。

在又一实施方式中，膜片（例如，硅）的温度膨胀系数小于驱动构件 （例如，压电驱动构件）的温度膨胀系数，并且生产信号为使得驱动构件 在接合期间处于收缩状态，并且由不同温度膨胀系数引起的预加应力被由 生产信号引起的预加应力远远补偿。

替代性实施方式可使用激光接合或者其它接合技术将驱动构件接合 至膜片，并且如上所述在接合期间施加生产信号，以实现弯曲致动器的预 加应力以及可能预鼓起。

因为可使用现有接合处理和技术，所以可容易实施制造方法的实施方 式。仅需预见在将驱动构件接合至膜片的步骤期间施加生产信号于驱动构 件的措施。当生产信号施加于驱动构件的方式可为与操作信号施加相同 时，这得以进一步促进。针对压电致动器，例如，用于在正常操作期间施 加操作信号于压电致动器的相同电气连接也可被用于在制造或者生产期 间施加生产信号。

下文中，将描述包括弯曲换能器实施方式的微型泵实施方式，其中， 弯曲换能器的膜片形成泵膜片。

图1B和图1C示出微型泵实施方式的示意横截面视图，所述微型泵 包括泵膜片110、泵本体120以及被动式进口止回阀130和被动式出口止 回阀140。图1B示出处于第一鼓起位置中第一实施方式的横截面视图。 图1C示出处于第二较少鼓起位置中微型泵的实施方式。在图1B中，适 用于将泵膜片从第一鼓起位置驱动到第二较少鼓起位置的驱动构件未致 动。因此，驱动构件（即，驱动器或者致动器；图1B中未示出）也可称 为处于非致动状态、非激活状态、非活动状态或者静止状态，并且微型泵 和泵膜片的位置或者状态也可称为非致动、非激活、非活动或者静止位置 或者状态。在图1C中，驱动构件（图1C中未示出）被激活或者致动， 并且已经使泵膜片110移动至第二位置。因此，就驱动构件、泵膜片和微 型泵而论，所述状态或者位置也可称为致动或者激活状态或者位置。

泵膜片110具有第一或者上表面112以及与第一表面112相对设置的 第二或者下表面114。泵本体120包括第一或者上表面122以及与第一表 面122相对设置的第二或者下表面124。泵膜片110在其圆周处连接至泵 本体120，其中，泵室102被定义为介于泵膜片110与泵本体120之间的 空间或者容积。泵本体120包括进口126和出口128（泵进口/泵出口）以 及在泵本体上侧（即，面向泵膜片110的侧）上的腔，第一阀130和第二 阀140设置于腔中。第一阀130和第二阀140流体连接（即，直接流体连 接）至泵室102。

图1B示出微型泵100的实施方式，其中，进口止回阀130和出口止 回阀140被提供作为两个半导体芯片150和160的堆叠170，其中，双阀 结构170的上半导体层或者芯片150设置于下半导体层或者芯片160上， 以及其中，上半导体层150已经被机械结构化，以提供针对进口止回阀的 阀瓣以及针对出口止回阀140的阀座，并且下半导体层160已经被结构化， 以提供针对进口止回阀的阀座以及针对出口止回阀的阀瓣。第一和/或第二 半导体层150和160可包括硅或者其它半导体材料。例如，关于所述层状 阀结构的更多细节在US 6,261,066 B1中描述。其它实施方式可包括其它 进口和出口阀，例如，主动式进口或者出口阀，并且可包括除了半导体材 料之外的材料，例如金属或者聚合物。

从图1B和图1C可以看出，泵本体120的第一表面122为平面，进 口和出口止回阀130、140的上表面（或者换言之，面向泵膜片110的上 层150的上表面152）也为平面，并且就图1B垂直取向而论位于与第一 表面122相同高度水平。在所述共同平面（由表面152、122界定）下， 进口止回阀130包括腔132，例如在上层和下层150、160内的腔，出口止 回阀140包括例如在上层150内的腔142，所述腔142也被称为“阀井” 132和142。

虽然图1B和图1C示出具有插入式双阀结构170的泵本体120，但 是微型泵的其它实施方式可包括直接在泵内结构化的阀结构130和140， 或者换言之，阀结构130和140直接集成到泵本体120的材料中。

在其它实施方式中，阀结构170的上表面152可能已经形成泵本体 120（例如参见图4A至图4F以及图5A至图5B）。

下文中，泵本体120的第一表面122以及进口和出口止回阀130和 140的上表面152也将被统称为泵本体第一表面或者泵室底。因此，除了 阀井的腔132和142之外，根据图1B和图1C的微型泵100包括基本上 平面的第一表面122或者基本上平面的泵室底，即，平面第一表面。

在上下文内，应当提到，泵室内102的最大容积Vmax包括介于泵本 体120与如图1B所示（处于预鼓起状态）泵膜片110之间的容积以及阀 井132和142的容积。从图1C还可以看出，在泵膜片110在第二较少鼓 起位置中呈现平面形状并且抵接泵本体120的第一表面122的实施方式 中，最小或者闭死容积V₀基本上由阀井132和142的容积界定。这两个 容积之差也被称为行程容积ΔV，即，ΔV=Vmax-V₀。因为压缩率c被 定义为c=ΔV/V₀，所以根据图1B至图1C的微型泵实施方式提供高压缩 率。

从图1B还可以看出，参考符号H是指泵室处于非致动状态的高度， 即，介于泵本体的第一表面122与泵膜片中心104中泵膜片下表面114之 间的垂直距离。泵室或者微型泵的直径D由介于微型泵两个相对横向位置 之间距离定义-处于非致动预鼓起状态-泵膜片110触碰泵本体，泵本体通 常与泵膜片110在其圆周连接至泵本体120的位置一致。

泵室102经由介于泵膜片110和泵本体120之间在泵膜片110圆周处 连接相对于环境完全密封（除了进口止回阀130和出口止回阀140之外）。 泵膜片110的圆周可具有多角形状、任何点对称几何形状或者任何其它形 状。多角形和点对称圆周提供改良泵送特性，这是因为它们避免在移动期 间扭曲。

图1D示出当从第二平面状态移动到第一预鼓起状态（参见箭头A） 时泵膜片110处于早期中间状态110’的示意横截面视图。当驱动构件不再 致动时，泵膜片110开始再呈现预鼓起状态。例如，通过形成图1D所示 小鼓起，在泵膜片中心104处，泵膜片110向上移动开始，所述小鼓起增 加高度（参见箭头A）并且横向延伸（参见箭头B）以最终到达完全预鼓 起位置，如图1B所示。微型泵的典型问题为，一旦泵膜片110抵接泵本 体120，泵膜片110往往粘附泵本体120。进口止回阀130和出口止回阀 140相对并且在泵膜片110之下的配置减少所述粘附效应，这是归因于由 这些阀形成的泵井。更多实施方式包括设置于中心区域126中的进口止回 阀130和出口止回阀140，所述中心区域126从膜片中心延伸到泵本体120 的相对应中心。从图1D可以看出，进口止回阀和出口止回阀与它们相对 应阀井的所述中心配置使得更容易形成初始鼓起形状110’，如图1D所示， 因此，进一步减少粘附效应。中心区域126的直径可为在小于泵室102直 径D的70%、小于50%或者小于30%的范围内。

针对使泵膜片110介于例如如图1B所示第一预鼓起位置与例如如图 1C所示平面第二位置之间移动的微型泵实施方式，泵室102的高度H也 表示行程距离或者行程高度。

通过增加泵室直径D和/或通过增加行程高度H，可增加泵室容积 Vmax和行程容积ΔV。如下文将描述，生产微型泵的方法的实施方式允 许生产具有大直径D、高行程高度H以及行程高度H与泵室直径D之高 比率的微型泵。

微型泵或者一般地弯曲换能器以及生产微型泵的方法的实施方式可 包括一个或者多个压电驱动构件，例如单态压电元件、多层压电元件或者 压电层叠元件或者当施加某个驱动信号（也称为操作信号或者致动信号或 者生产信号）时适用于横向收缩的任何其它驱动构件。这些驱动信号可为 驱动电压（例如，针对压电驱动构件）、驱动电流或者适用于驱动驱动构 件的任何其它物理措施。同样适用于生产信号。

图2A和图2B示出微型泵200的实施方式的示意横截面视图，微型 泵200包括连接至泵膜片110顶部112的压电驱动元件210。与图1B相 似，图2A示出具有处于第一预鼓起位置中的泵膜片110的微型泵，图2B 示出具有处于第二较少鼓起位置中的泵膜片110的微型泵，在该情况下为 平面位置。压电驱动元件210包括在压电驱动元件210第一表面212（也 称为上表面或者顶部表面）上的顶部电极以及在压电驱动元件210第二表 面214（也称为下表面或者底部表面）上的底部电极，其中，第二表面214 设置于压电驱动元件210的相对主表面上（电极未示出）。例如，经由至 少设置于泵膜片第一表面112一部分上的导电涂层，压电驱动元件210的 顶部电极电气连接至微型泵第一触点216，压电驱动元件210的底部电极 电气连接至微型泵第二触点218。压电驱动元件210例如可经由胶水或者 其它接合技术接合至泵膜片110。压电驱动元件被极化为使得假使介于顶 部电极216和底部电极218（分别为第一触点216和第二触点218）之间 施加正电压，压电驱动元件横向收缩，因此使预鼓起泵膜片110向下弯曲 至泵本体120。在图2A中，无电压（U=0）施加于电触点216、218。换 言之，压电驱动元件未激活，并且预鼓起泵膜片110呈现其预鼓起位置。 在图2B中，施加正电压，例如U=Umax，使得泵膜片110向下弯曲至平 面泵本体120，并且抵接平面泵本体。

微型泵的优选实施方式是基于以下想法：泵膜片或者驱动膜片接合至 基本上平面的泵室底或者包括下凹的泵室底上，所述下凹小于在向上方向 上泵膜片的预鼓起高度H，其中，泵膜片向上预鼓起，并且阀单元170（例 如，阀结构130、140）包括在泵室底内。扭曲或者预扭曲（即，预鼓起） 的膜片可在至泵室底的方向上扭曲或者移动，使得泵膜片抵接泵室底上平 面（参见图1C和图2B）。闭死容积V0因此基本上仅由阀井132、142的 余下闭死容积界定。

从第一预鼓起位置到第二平面位置的泵膜片110移动可以各种方式 实现，例如，经由压电陶瓷210或者其它压电驱动器，例如，压电堆叠致 动器，胶合在泵膜片顶部上，如基于图2A和图2B讨论，当施加正电压 时横向收缩，当无电压施加时横向释放，当施加负电压时，膨胀到释放状 态的横向长度或者尺寸之外。

在更多实施方式中，经由永久接合至泵膜片的压电堆叠致动器来施加 向下弯曲泵膜片的力发射。

根据例如US 6,261,066 B1的硅微型阀的阀井包括大约360纳升（0.36 微升）的余下闭死容积。具有与例如根据US 6,261,066 B1具有30mm直 径的微型泵的泵膜片鼓起形状相似的预鼓起形状的泵膜片允许产生大约 22微升行程容积。因此，压缩率c为22/0.36=61。此压缩率高出在0.1-1.0 范围内的已知微型泵的压缩率数倍。通过优化，压缩率可进一步增加，这 是因为上述硅微型泵的阀就它们闭死容积而论可进一步优化。因此，例如， 有可能生产具有大约50纳升余下闭死容积的硅阀。通过增加泵室，行程 容积可例如增加至50微升。因此，可实现50微升/50纳升=1000压缩率。 结合相对应坚固尺寸的压电驱动器，可提供微型泵，所述微型泵可产生接 近真空条件的高负压力或者产生几百巴的非常大正压力。

下文中，描述生产本发明微型泵的实施方式的方法的实施方式。

将基于图3A和图3B描述制造微型泵的方法的实例，所述微型泵可 与根据图1A的方法组合。根据本实例，驱动构件（例如，压电驱动构件） 接合在泵膜片顶部上，并且由于压电驱动器和泵膜片的不同温度膨胀系 数，泵膜片预鼓起。泵膜片110例如已经接合至泵本体120上，所述泵本 体例如已经包括进口止回阀130和出口止回阀140。例如，如图3A所示， 泵室底可为平面或者至少基本上平面，如图3A所示，并且泵膜片可接合 至平面形状泵本体。除了包括泵本体和泵膜片的上述结构之外，驱动构件 （例如，压电驱动器）被提供并且设置于泵膜片110顶部上，所述泵膜片 110具有介于压电驱动器210和泵膜片110之间的胶水320层。胶水320 例如可被放到压电驱动器下表面上或者泵膜片上表面上。压电驱动器在预 定生产压力下（例如，使用硅树脂模具310）按压到泵膜片上，以均匀分 布胶水并且实现薄胶水层320。胶水在增加生产或者接合温度T生产下硬化。

泵本体120、泵膜片110和压电驱动器210的加热可在压电驱动器210 安装到泵膜片110上之前或者在压电驱动构件已经定位（包括胶水）在泵 膜片110顶部上之后开始，然而，在生产温度T生产下执行胶水硬化。

在胶水硬化之后，泵器件（包括泵本体、泵膜片和压电驱动构件）被 冷却。由于压电驱动元件（即，压电驱动元件包括或者构成的材料）的温 度膨胀系数，例如，压电陶瓷，α_压电小于泵膜片（即，泵膜片包括或者构 成的材料）的温度膨胀系数α_膜片，泵膜片的收缩性大于接合至泵膜片顶部 的压电驱动器的收缩性，因此，包括泵膜片和压电驱动器的驱动单元向上 鼓起（当压电驱动器未致动时）。

根据生产微型泵的方法实例的微型泵可例如包括：泵膜片，利用金属 或者金属合金作为泵膜片材料，例如，具有在20摄氏度下10^-6/K的10-25 倍范围内的温度膨胀系数，或者合成材料和/或聚合物，例如，具有在20 摄氏度下10^-6/K的10-250倍范围内的温度膨胀系数；以及压电驱动器， 例如压电陶瓷驱动元件，例如，具有在20摄氏度下10^-6/K的2-7倍范围 内的温度膨胀系数。

泵膜片的温度膨胀系数可比驱动构件的温度膨胀系数大五倍以上或 者大十倍以上。上述介于泵膜片温度膨胀系数和驱动构件温度膨胀系数之 比越高，泵膜片110预鼓起程度越高，相应地，高度H、行程高度H、行 程容积ΔV越高，最终，压缩率越高。

压电陶瓷210和膜片110的接合以及在生产温度下胶水硬化可在泵膜 片已经接合至泵本体（如上所述）之后或者在执行膜片和泵本体接合之前 执行。

图3A示出压电陶瓷210接合至泵膜片110顶部上，经由硅树脂模具 310施加图3A中生产压力（参见箭头312）以及在生产温度T_生产下胶水 320硬化。图3B示出预鼓起膜片110，在泵已经冷却之后，由于不同温度 膨胀系数，预鼓起膜片110预鼓起（图3B中未示出胶水）。

将基于图4A至图4F描述根据图1A生产微型泵的方法的实施方式。 图4A至图4F示出具有预鼓起泵膜片的微型泵生产的示意横截面视图，其 中，例如如上下文中参考图1B描述，双层阀结构170形成泵本体120， 以及其中，泵膜片被提供为结构化并且薄化第三层410。

从图4A可以看出，第三层410在其上表面或者第一表面412中心区 域中薄化，以提供弹性泵膜片110。从图4A还可以看出，第三层410在 具有例如比中心区域直径D更大的直径的又一中心区域或者中心区中与 第一表面412相对设置的下表面或者第二表面414上也已经略微薄化。泵 膜片110，相应地，第三层410和泵本体170相互连接，使得泵室102界 定在泵本体和泵膜片之间。

在更多实施方式中，第三层可包括平面第二表面或者下表面414（即， 在泵室区中的中心区域中没有腔，或者换言之，在第三层下表面圆周处没 有间隔结构或者在泵本体顶部表面上没有等同间隔结构），使得在执行预 鼓起之前，泵膜片110在泵本体中心部分中抵接至上表面或者泵室底。所 述实施方式的余下闭死容积基本上仅由阀井132和142界定。

例如，这样的层状泵结构的生产在US 6,261,066中描述。例如，三个 层150、160和410包括半导体材料（例如硅）或者其它材料。

换言之，在图4A中，示出在预鼓起之前并且在将压电陶瓷接合至膜 片之前的微型泵。

在图4B中，底部表面上具有胶水320层的压电陶瓷210放置于膜片 110的顶部表面412上。

图4C示出微型泵结构，具有定位于膜片110上的压电陶瓷210以及 介于压电陶瓷与泵膜片之间的胶水320层。

在图4D中，例如，使用硅树脂模具310，压电陶瓷210在预定生产 压力下按压到泵膜片110上。生产压力为使得胶水320优选大体上均匀地 分布于压电陶瓷和泵膜片的连接表面上，并且提供足够小以允许介于膜片 顶部表面上导电层与压电陶瓷底部电极之间峰值触点都电气连接的胶水 层厚度。峰值触点允许使用绝缘或者非导电胶水将压电驱动构件接合至泵 膜片，并且还电气连接压电驱动构件的下电极。应当提到，在由图4C和 图4D所述的步骤中，胶水尚未硬化。

在图4E中，生产电压U_生产施加于压电驱动构件210（例如，压电陶 瓷或者压电堆叠致动器），使得压电驱动构件收缩。在压电驱动器收缩或 者皱缩之后，胶水硬化，同时施加生产电压U_生产并且经由硅树脂模具310 也保持生产压力。

在胶水已经硬化之后，生产电压和压力释放。

换言之，压电陶瓷被胶合至泵膜片上，其中，在胶水硬化期间，正生 产电压U_生产施加于压电驱动元件。因此，压电驱动构件陶瓷收缩，并且接 合至处于收缩状态的膜片。生产电压仅在胶水已经硬化之后释放。

在电压已经释放之后，压电陶瓷想要再次放松或者膨胀，因此，引起 驱动单元（即，泵膜片和压电陶瓷）预鼓起，如图4F所示（图4F中未示 出胶水）。

因此，图4A的泵结构已经修改为包括预加应力或者预鼓起的膜片或 者隔膜。根据泵室容积和闭死容积，所述实施方式可实现高压缩率，之前 已经解释。

虽然已经借助于膜片410已经接合至泵本体170来描述生产微型泵的 方法的实施方式，但是在替代性实施方式中，在泵膜片或者第三层接合至 泵本体之前，也可执行预鼓起（即，在生产电压下压电陶瓷定位和胶水硬 化）。

图5A示出通过根据图4A至图4F的方法生产的微型泵的示意横截面 视图。图5A示出具有处于非致动状态（U=0V）的预鼓起膜片110的微型 泵。图5示出处于致动状态的图5A微型泵，其中，泵膜片110具有大体 上平面形状。例如，假使未施加反向压力或者背向压力，通过施加等于生 产电压U_生产的操作电压U，例如300V，泵膜片110可移动到第二平面位 置。假使施加反向压力，操作或者致动电压U可增加到比生产电压U_生产更高的电压值，以在泵室内产生足够压力，以克服输出止回阀140打开所 需的阈值压力差，并且泵室内流体可从微型泵泵出。

如上所述，基于图4A至图4F所述的方法也可与基于图3A和图3B 所述的方法结合，并且提供生产微型泵的方法的又一实施方式，也允许实 现泵膜片预鼓起。

在上述实施方式中，泵膜片通过驱动构件预拉伸，这是归因于不同热 膨胀系数和/或归因于在生产电压已经释放之后压电驱动构件膨胀。因此， 当驱动构件致动并且向下弯曲泵膜片时，由于拉伸，泵膜片应力部分或者 完全释放，例如，当泵膜片处于第二平面位置中时。

与静电或者电磁驱动构件相比，使用压电驱动构件（例如，压电陶瓷， 即，压电堆叠）的微型泵实施方式以相对低电压提供大行程力和行程长度 或者高度。

为了减少粘附效应，或者为了避免当泵膜片抵接泵本体时泵膜片粘附 至泵本体，可设置类似例如从输入止回阀或者相应阀井径向延伸的设置凹 口的星状物，或者可实施从泵室底或者泵膜片延伸至泵室内的小突口或者 突起。

虽然已经描述微型泵的主要实施方式，所述实施方式包括由半导体材 料（例如，硅）制成的输入止回阀和输出止回阀130和140，但是微型泵 的其它实施方式可包括相似或者不同被动式进口和出口止回阀，所述被动 式进口和出口止回阀可包括与泵本体无关（进口和出口止回阀集成到泵本 体中）的不同材料，例如金属或者聚合物。

此外，虽然已经描述微型泵的实施方式，所述实施方式包括集成或者 设置在泵本体中的输入止回阀和输出止回阀130和140，但是替代性实施 方式可包括例如横向设置于泵膜片和泵本体之间的阀。

微型泵的更多实施方式可包括泵本体，进口和出口止回阀一体形成在 泵本体中，例如，基于图4A至图5B已经描述。

其它实施方式可包括具有一体形成阀进口和阀出口结构130和140 的泵本体，所述阀进口和阀出口结构130和140包括例如钢、不锈钢或者 弹簧不锈钢、合成材料或者聚合物的材料，其中，这些泵本体可包括单层 或者多层，以形成阀结构。因此，微型泵的更多实施方式可包括由金属、 合成材料或者聚合物或者它们堆叠结构制成的泵本体和泵膜片。与硅泵本 体和泵膜片相比，由金属或者聚合物制成泵本体和泵膜片生产成本较低， 并且提供较高弹性，例如，较低杨氏模量。

本发明其它实施方式提供具有驱动膜片的微型泵，其中，驱动膜片介 于向上预鼓起或者预扭曲位置与大体上平面位置之间移动，其中，在面向 泵本体的泵膜片设置的表面上的不平整部分小于膜片行程高度H。

这样的微型泵可包括在向上方向上预鼓起的驱动膜片。所述实施方式 可包括接合至驱动膜片上的压电陶瓷。

微型泵的所述实施方式还可包括通过压电堆叠致动器介于两个位置 之间移动的膜片，其中，膜片永久接合至压电堆叠致动器。

下文中，将讨论泵膜片形状的几个模拟结果，以解释本发明实施方式 的更多方面和/或优点。

使用有限元分析，针对硅压电泵（具有泵膜片以及作为驱动构件的压 电驱动构件的微型泵，所述泵膜片包括或者由硅构成）已经计算泵膜片弯 曲形状。针对微型泵几何形状，已经使用以下参数：具有6.3mm边长和 50mm泵膜片本身厚度或者高度的二次硅泵膜片、具有150mm厚度或者 高度的压电驱动构件，其中，就泵膜片边长而论，压电驱动构件的边长之 比为0.8。弯曲形状示出为平行于通过从泵膜片中心到泵膜片边界的膜片 中心的轴。

针对由以下引起弯曲形状形成的情况，已经判定不同特性弯曲形状： （1a）仅因为由使用材料不同温度膨胀系数引起的热机械张力，（1b）仅 因为通过施加电场于压电驱动构件的弯片式压电换能器致动器效应，（2） 仅因为压力（介于泵膜片上侧和下侧之间不同压力）施加效应，以及（3） 仅因为归因于具有内在张力的结构化氧化物层的弯片式压电换能器致动 器效应（结构：在相同位置处氧化物层而不是压电驱动构件）。

情况（1a）和（1b）就它们效果和特性弯曲形状而论为相同，并且将 被概括为情况“U/T”。情况（2）将被称为情况“P”，情况（3）将被称为 情况“Ox”。在图6中，这三个上述“纯粹情况”的弯曲形状以归一化方 式示出，即，针对相对应情况，高度z缩放到最大弯曲值z_o，并且横向位 置x缩放到硅膜片长度x_o。在图6下部分中，示出具有长度x_o（从中心到 边界）的泵膜片120，并且示出从中心到泵膜片长度0.8的压电驱动构件 长度（边长比0.8）。在图6中，参考符号610是指情况U/T，参考符号620 是指情况P，参考符号630是指情况Ox。图6示出针对不同弯曲效果或者 情况的泵膜片半个（从中心到边界）的归一化弯曲形状。

在第一近似中，就弯曲（弯曲形状）而论温度、压力和氧化物张力以 及位移容积的所有这些效果为线性缩放并且线性重叠。

下文中，就它们绝对值而论讨论泵膜片弯曲以及位移容积或者行程容 积。针对硅膜片，模拟参数为：6300×6300mm²横向区域或者表面、50mm 厚度、166GPa杨氏模量（泊松值0.3），针对压电驱动构件，模拟参数为： 为硅膜片横向宽度和长度0.8的压电驱动构件横向宽度和长度、150mm厚 度、90GPa杨氏模量（泊松值0.3）。温度膨胀系数α针对硅为0.3×10^-6/K， 针对压电驱动构件为5×10^-6/K（差2.7×10^-6/K）。压电驱动构件的d31 系数为330×10^-12m/V。

图7A示出从中心（图左手边）到边界（图右手边）的现有技术泵膜 片弯曲形状图，其中，横向尺寸x归一化为泵膜片的半个长度或者宽度x₀， 并且垂直尺寸z示出为微米绝对值。图7A示出假使在未施加生产电压（U _生产=0）的情况下在80°C下已经安装或者组装压电驱动构件，在无压力情 况下在20°C下在-50V（参考符号712）、0V（参考符号714）和150V（参 考符号716）处弯曲形状。在图内，缩写“w.”被用于“具有”，缩写“wo.” 被用于“不具有”。

从图7A可以看出，假使通过在80°C下硬化胶水来执行压电驱动构 件和泵膜片的接合，在室温（20°C）下测量已经导致温差–60°C，因此导 致泵膜片向下弯曲5μm。换言之，由于硅泵膜片温度膨胀系数小于压电 驱动构件温度膨胀系数的事实，当泵膜片和压电驱动构件冷却至例如室温 时，在增加生产温度T_生产下压电驱动构件和泵膜片弯曲引起在向下方向 （负z值）上泵膜片预鼓起。在向下方向上泵膜片预鼓起是有利的，这是 因为不允许使用例如平面泵室底，增加闭死容积和/或需要使泵室底适用于 泵膜片弯曲线，这是复杂并且昂贵，如上所述。此外，在硅膜片情况下， 向下方向上某个预鼓起几乎不可避免，这是因为硅膜片具有比压电驱动器 更低的温度膨胀系数，并且用于将压电驱动器接合至泵膜片的胶水通常在 比正常环境或者操作温度更高的温度下硬化。

如上所述，假使泵膜片温度膨胀系数高于压电驱动构件温度膨胀系 数，在使泵膜片和压电驱动构件冷却至例如室温之后，泵膜片在相反方向 上（即，在向上方向上）预鼓起。因此，可容易生产正面或者向上预鼓起 泵膜片，而无需另外处理步骤，例如另外氧化物层形成。

弯曲形状714可视为当驱动构件未致动并且无其它外部压力或者影 响施加于泵膜片时泵膜片呈现的弯曲形状。从图7A可以看出，高度z（或 者H）在泵膜片中心处大约为-5.35μm。假使施加-50V负驱动电压，因 为压电驱动构件膨胀，所以泵膜片在向上方向上偏转（参考符号712），假 使施加+150V正电压作为驱动电压，因为压电驱动构件收缩，所以泵膜片 进一步向下弯曲（参见参考符号716）。

在压电驱动构件和泵膜片接合期间施加电压（例如，生产电压U_生产） 于压电驱动构件，根据在接合期间施加的生产电压，图7A所示温度效应 （泵膜片向下弯曲）可被反向作用、部分补偿、完全补偿或者甚至过补偿。 针对补偿温度差60°C，例如，假使在80°C下执行压电驱动构件和泵膜片 接合并且随后在20°C下操作或者使用微型泵，需要73.6V生产电压以补 偿由温度差60°C引起的负预弯曲，即，假使驱动构件未致动，获得平面 形状。当弯曲形状为相同（即，归一化相同）时，同时补偿行程和容积， 并且当无外部压力和无电压施加时，泵膜片再次呈现平面形状。

图7B示出针对在80°C并且73.6V生产电压下压电接合至泵膜片， 从中心到边界的泵膜片半个弯曲形状图（与图7A相似表示）。参考符号 722示出在无外部压力P的情况下在20°C并且-50V驱动电压下泵膜片弯 曲形状。参考符号724示出在无外部压力情况下在20°C并且0V驱动电压 （无驱动电压）下泵膜片弯曲形状，参考符号726示出在1巴外部压力P 下在20°C并且150V驱动电压下泵膜片弯曲形状。从图7B可以看出，在 80°C下接合压电驱动构件，并且在接合期间施加73.6V生产电压，由-60°C 温度差引起的负或者向下预弯曲以及由于释放生产电压的正或者向上预 弯曲相互补偿，使得当压电驱动构件未致动时，泵膜片呈现平面形状（参 见参考符号724）。基于图7A已经解释，负电压施加于压电驱动构件引起 泵膜片向上偏转（参见参考符号722），而正电压施加引起泵膜片向下鼓起 （参见参考符号726）。

图7C示出与图7B相似的图（针对图7B中相同泵膜片）。两个上弯 曲形状为相同。然而，参考符号728是指由于施加150V驱动电压和1巴 外部压力导致的弯曲形状。可以看出，施加150V驱动电压引起泵膜片向 下偏转，但是1巴反向压力施加于泵膜片。

下文中，示例性计算在压电驱动构件和泵膜片接合（在80°C下）期 间施加哪个电压，使得泵膜片只是在某个反向压力下并且在150V驱动电 压下触碰或者抵接在泵本体上表面上。压力应为从以下所得压缩率得出。

图7D示出与图7A至图7C表示相似的泵膜片弯曲形状图，然而， 针对泵膜片，其中，已经在80°C下并且在178V生产电压下执行压电驱动 构件接合。参考符号732是指在无压力情况下在20°C并且50V下从泵膜 片中心到泵膜片边界的泵膜片弯曲形状。参考符号734是指处于非致动状 态（驱动电压U=0）并且在无外部压力（P=0）的情况下泵膜片弯曲形状。 参考符号736是指当150V生产电压施加于压电驱动构件并且1巴反向压 力施加于泵膜片时的相同泵膜片（通过在80°C和178V下接合压电驱动 构件来预弯曲）。从图7D可以看出，与图7B和图7C的73.6V生产电压 相比，图7D的178V更高生产电压实现厚硅泵膜片在向上方向上预鼓起， 但是硅泵膜片温度膨胀系数小于压电驱动构件压电材料的温度膨胀系数， 即，通过施加生产电压，归因于不同温度系数的泵膜片向下预鼓起被过补 偿。利用这些生产参数，在泵膜片中心处可实现大约7.5μm预鼓起高度。 假使施加负驱动电压（参见参考符号732），泵膜片向上偏转，而假使施加 正驱动电压，泵膜片朝着泵本体向下偏转（参见参考符号736）。

可以看出，泵膜片抵接在泵室底或者泵本体上，但是施加1巴反向压 力。反向压力P引起在边界处泵膜片略微偏转。假使未施加反向压力（P=0 毫巴），泵膜片将完全抵接泵室底，这是因为预鼓起适用于由压电驱动构 件致动引起的变形。在泵膜片736之下剩余闭死容积大约为11.5nL，并 且仅在上述反向压力情况下出现。然而，与大约163nL总行程容积（介 于泵膜片形状732和736之间容积）相比，这些闭死容积为小。

总结上述情况，生产预鼓起泵膜片的方法的实施方式提供泵膜片材料 和驱动构件（例如，压电驱动构件）的各种组合，并且允许灵活调整生产 参数，例如，生产信号、生产电压和/或生产温度，以遵从实现微型泵必需 的预定操作参数，例如，行程高度、行程容积、压缩率、反向压力。

使用生产信号来收缩驱动构件并且将处于收缩状态的驱动构件接合 至泵膜片的生产预鼓起泵膜片的方法的实施方式为非常灵活，这是因为几 乎任何信号值或者电压值可被用作生产值或者生产电压。因此，可实现几 乎任何预鼓起高度、行程高度和行程容积。

假使胶水被用于将驱动构件接合至泵膜片，胶水通常具有它们必须硬 化的胶水特定生产温度。这些生产温度通常高于室温温度。根据生产温度 幅值以及生产温度和操作温度之差，假使驱动构件和泵膜片具有不同温度 膨胀系数，随后在固有引起泵膜片和驱动构件的正常操作、预加应力和可 能预鼓起期间使用微型泵，或者一般地弯曲换能器。通过选择适当驱动构 件和泵膜片材料，例如，针对膜片的相应压电陶瓷和钢或者复合材料，由 不同温度膨胀系数引起的预加应力效应可被用于增加泵膜片的预加应力 以及可能预鼓起。相同考虑因素适用于使用接合材料的其它接合方法，例 如焊接。

两个效应的考虑因素甚至允许使用具有比压电驱动构件更小温度膨 胀系数的泵膜片材料，例如半导体泵膜片，如硅泵膜片，但是它们通常会 引起在向下方向上预鼓起。然而，通过另外施加适当生产信号或者生产值， 在向下方向上预鼓起可被远远补偿，以最终实现在向上方向上预鼓起。

换言之，在某些实施方式中，第二热膨胀系数（包括第二材料的驱动 构件的热膨胀系数）高于第一热膨胀系数（包括第一材料的膜片的热膨胀 系数），并且生产信号为使得通过释放生产信号实现的在第一方向上泵膜 片预鼓起远远补偿通过冷却已接合驱动构件和泵膜片实现的在与第一方 向相对的第二方向上泵膜片预鼓起。

生产预鼓起泵膜片的方法的更多实施方式因此包括：例如，基于当驱 动构件致动时泵膜片应当呈现第二位置的预定反向压力值，自动判定第一 和第二材料和/或生产信号值。

与使用在压电致动器顶部上氧化物层的预鼓起方法相比，本发明实施 方式需要较少材料（无氧化物层），就可实现行程容积和行程高度而论， 较少生产步骤（未形成介于泵膜片和压电驱动构件之间氧化物层）为更灵 活，并且提供更高行程高度和行程容积。

在某些实施方式中，驱动构件和泵膜片接合被执行为使得泵室具有当 泵膜片处于第一鼓起位置时第一容积以及当泵膜片处于第二较少鼓起位 置时第二容积，其中，第二容积小于第一容积，其中，泵膜片、泵本体以 及被动式进口和出口止回阀被设置为使得压缩率大于50或者大于100，其 中，压缩率由微型泵行程容积与第二容积之比定义，以及其中，行程容积 由第一容积与第二容积之差定义。例如，第二容积基本上由被动式进口和 /或出口止回阀处泵本体内阀井容积和/或被动式进口或者出口止回阀本身 中凹口和/或当泵膜片处于第二位置时适用于防止泵膜片粘附至泵本体第 一表面的抗粘附构件定义。

替代性实施方式可使用激光接合或者其它接合技术将驱动构件接合 至泵膜片并且在如上所述接合期间施加生产信号，以实现弯曲致动器预加 应力以及可能预鼓起。

在更多实施方式中，驱动构件可适用于在它使泵膜片移动到第二较少 鼓起位置之前将泵膜片驱动到第三更多鼓起位置（例如，通过施加负电压 于压电驱动构件）。

下文中，描述微型阀的实施方式，所述微型阀包括通过本发明实施方 式制造的弯曲换能器。

图7E、图7F、图7FF和图7G示出常闭微型阀700的示意横截面视 图。图7E和图7F示出处于非致动自阻断状态的微型阀：未施加操作或者 驱动电压（U=0V）并且阀关闭。图7E示出进口端口侧视图，而图7F示 出出口端口90度旋转侧视图。图7FF和图7G示出处于打开状态的微型 阀。施加正操作电压或者驱动电压（U>0V）。图7FF示出与图7E相同的 侧视图，即，进口端口侧视图（然而处于打开状态），图7G示出与图7F 相同的侧视图，即，出口端口侧视图（然而处于打开状态）。微型阀具有 与US 2004/0036047 A1和US 2006/0027772 A1中描述的微型阀相同的设 计。从图7E至图7G可以看出，微型阀700由第一芯片或者两级作用物 芯片740以及第二芯片或者扁平芯片750构成。两级作用物芯片740包括 在第一主侧或者表面744（根据图7E至图7F的顶部表面）上的凹口或者 斜坡742以及在相对主侧745上的凹口或者斜坡743以及通过两个凹口或 者斜坡742和743形成的膜片110。驱动构件（例如，压电陶瓷）设置于 膜片110的第一表面或者侧表面或者侧112上。挺杆746在膜片110的第 二相对侧114上突起。第一芯片740还包括密封边缘748，从膜片110第 二表面114突起，如挺杆746。第二芯片750包括形成在第二芯片（参见 图7E和图7FF）中的流体进口752以及流体出口或者阀出口754（参见图 7F和图7G）。第二芯片750还包括灵活活门或者闭合元件754，所述灵活 活门或者闭合元件754经由挺杆746机械连接至膜片110。从图7F和图 7G可以看出，活门包括在背向膜片的表面上的凹口756，以使假使驱动构 件210致动，向下偏转或者移动成为可能。从图7E可以看出，假使驱动 构件未致动，密封边缘748将阀进口752与凹口743（也称为阀室凹口743） 流体断开连接或者密封。假使驱动构件210致动，通过提供介于阀进口752 和阀室凹口743之间流体连接，由驱动构件210和膜片110形成的弯曲换 能器向下弯曲，并且同时向下弯曲活门754和打开阀（参见图7F）。从图 7F和图7G可以看出，出口端口754总是流体连接至阀室凹口740。换言 之，通过激活驱动构件210，阀进口752经由阀室凹口743流体连接至阀 出口754。

第一芯片740和第二芯片750可由硅或者任何其它材料制成。然而， 假使第一和第二芯片740、750为硅或者其它半导体芯片，使用需要特定 生产硬化温度的胶水或者粘合剂的驱动构件210接合可导致在至活门754 的方向上不期望的泵膜片110预鼓起，因此，降低常闭阀700的密封可靠 性。相同考虑因素适用于实现或者需要两个芯片加热的其它接合方法。

本发明实施方式允许通过施加生产信号（例如，在压电致动器210 情况下，正生产电压）来补偿或者甚至过补偿在朝着活门754的方向上预 鼓起。根据本发明实施方式的驱动构件（例如，压电驱动构件）预加应力 具有微型阀安全或者可靠闭合的效果。驱动构件的小预加应力可能足以提 供可靠常闭阀。此外，假使施加向后压力，通过施加适当生产信号，可容 易调整阀保持闭合的最大阈值压力。

图7H示出由第一芯片740和第二芯片750构成的常开阀的实施方式。 第一芯片740包括在第一侧744上的凹口742，以形成阀膜片110。在背 向第二芯片750的膜片110第一侧112上，驱动构件（例如，压电驱动构 件210）接合至膜片110。驱动构件210和膜片110形成弯曲换能器。第 一芯片740经由与第一表面或者侧744相对的第二表面或者侧745连接至 第二芯片750。第二芯片750包括：阀进口752，由从面向第一芯片的第 二芯片侧延伸到第二芯片相对侧的通孔形成；以及与阀进口752相似的阀 出口754，由从面向第一芯片的第二芯片第一侧延伸到相反第二侧或者表 面的通孔形成。在第二芯片750的第一侧上，形成凹口758以界定阀座或 者阀口759。

根据本发明实施方式，驱动构件210已经接合至膜片110，并且在背 向第二芯片的方向上预鼓起。因此，假使驱动构件210未致动，阀进口752 和阀出口754为流体连接，并且阀打开。假使驱动构件210致动，驱动构 件210向下移动膜片110，直至膜片110触碰阀口759以密封或者关闭阀。

图7I示出与图7H常开微型阀相似的常开阀的又一实施方式。与图 7H微型阀相反，图7I的微型阀包括在第一芯片第二侧745上的另外凹口 743以及从阀膜片110第二侧突起的挺杆746。挺杆746与阀进口752和 阀密封件759相对设置。

根据本发明实施方式，驱动构件210接合至膜片110，并且膜片110 预鼓起。假使驱动构件210未致动，由于膜片110的预鼓起形状，阀进口 752与阀出口754流体连接。假使驱动构件210致动，膜片朝着第二芯片 移动，挺杆746抵接阀口759并且关闭阀。

就生产工程以及功能优点而论，如图7H和图7I所示具有预鼓起膜 片的微型阀实施方式是有利的。假使膜片由硅或者其它半导体材料形成， 必须预见介于阀座或者阀口与闭合元件（膜片或者挺杆）之间无间隔元件 或者结构。因此，最少需要一个掩模、一个光刻和一个蚀刻步骤，因此， 减少生产成本和复杂性。

假使常开阀闭合，膜片或者挺杆处于平面条件下。尤其是，在非圆形 阀座或者阀口或者甚至蛇形阀座（用于增加流通）情况下，可避免剩余间 隙，假使膜片将偏转以闭合阀，所述间隙将存在。因此，本发明实施方式 提供具有改良密封特性的微型阀，所述微型阀容易设计和制造。

以上参考本发明特定实施方式来特定示出和描述。本领域技术人员应 当理解，在不脱离本发明精神和范围的情况下，可对形式和细节作出各种 其它改变。因此，应当理解，在不脱离本文中公开并且由以下权利要求包 括的更广泛概念的情况下，可作出各种改变，以适应不同实施方式。