公开/公告号CN103649541A
专利类型发明专利
公开/公告日2014-03-19
原文格式PDF
申请/专利权人 原子能和替代能源委员会;
申请/专利号CN201280032808.7
申请日2012-04-27
分类号F04B43/04(20060101);
代理机构11270 北京派特恩知识产权代理事务所(普通合伙);
代理人归莹;张颖玲
地址 法国巴黎
入库时间 2024-02-19 23:28:07
法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2019-04-12
未缴年费专利权终止 IPC(主分类):F04B43/04 授权公告日:20170714 终止日期:20180427 申请日:20120427
专利权的终止
2017-07-14
授权
授权
2014-05-28
实质审查的生效 IPC(主分类):F04B43/04 申请日:20120427
实质审查的生效
2014-03-19
公开
公开
技术领域
本发明涉及微流体的一般领域，并且涉及一种用于制造具有可变形的膜片 的微型泵（该微型泵设置有具有可变形的膜片的流量计）的方法以及一种具有 可变形的膜片的微型泵（该微型泵设置有流量计）。
背景技术
微型泵提供了确保微通道中的流体受控流动的可能性。微型泵可存在于许 多微流体系统中，例如作为示例地有芯片级实验室、用于注入医学物质的系统 或用于冷却电子芯片的其它液压回路。
根据微型泵是否机械地作用于关注的流体，流体流可以以不同的方式取得。 不同技术的描述可在Nguyen等人于2002年在J.Fluid.Eng.，Vol.124，384–392 中题为《微电子机械系统—微型泵：综述》的论文中找到。
具有可变形的膜片的微型泵属于微型泵的第一类，其中机械作用通过所述 膜片被应用到所述流体上以便导致所述微通道中的流体的移位。
文献US2005/0123420描述了该微型泵的示例，所述微型泵包括三个可变形 的膜片，所述三个可变形的膜片包括中心的泵膜片和两个上游的和下游的辅助 膜片。
如图1中示出的，所述微型泵包括第一基层110和第二基层120，所述第 一基层110和所述第二基层120相互组装到一起以便形成微通道。
所述第一基层110包括三个腔112-1、112-2、112-3，所述三个腔112-1、112-2、 112-3在所述基层的上部表面111S中形成并按顺序被连接。
所述第二基层120包括三个可变形的膜片122-1、122-2、122-3，所述三个 可变形的膜片122-1、122-2、122-3被放置为面向所述腔。应注意，所述第二基 层120形成为一整块，于是，所述可变形的膜片是所述基层的一部分并且不是 添加的部件。
所述中心膜片122-2和相应的腔112-2一起限定出所述微型泵的泵室。所 述上游膜片122-1和所述下游膜片122-3与它们相应的腔112-1和112-3形成了 主动阀。
所述膜片的变形利用放置在所述膜片的上部表面121S上的压电晶片131 来获得。
所述微型泵的微通道中受关注的流体流通过所述膜片的受控变形来获得， 所述膜片与所述上游阀和下游阀的作用一起增大或减少了所述泵室的体积。
结果证明，对于某些应用而言，设法测量泵的流速。例如用于输送药物的 植入泵的情况。
现有技术中的蠕动隔膜泵不结合任何允许对流速测量的传感器。唯一的解 决方案是从所述泵的下游或上游连接流量计，这使所述植入装置的制造和微型 化变得复杂。此外，为了避免任何测量偏倚，优选地，测量尽可能地靠近所述 泵或甚至在所述泵中执行。
存在许多用于测量所述流速的方法（热线、科里奥利效应等）。
一种方法由使用两个压力传感器组成，所述两个压力传感器被连续地定位 在流体通道中并由流体扼流部分隔开。在流体扼流部中由粘性耗散引发的压差 （称为压降）通过所述两个压力传感器来测量。流速和压差之间存在已知的比 例关系。因此，对压差的测量允许确定流速。
形成有两个不同的压力传感器的示例性流量计在图2中示出并且在文件 US6446513B1、US20050204828A1中以及在Sensor Actuate.a–Phys77,167 （1999）中刊出的R.E.Oosterbroek等人的论文中描述。流体在通过被定位在 装置的下部部分中的入口孔152进入之后流经中心通道156。所述流体通过出 口孔154流出，所述出口孔154同样被定位在所述装置的下部部分中。压阻式 传感器158、160一方面允许测量所述通道156上游的入口部分中的压力变化并 且另一方面允许测量所述通道156的下游的出口部分中的压力变化。所述装置 利用两个基层162、164形成，入口通道152和出口通道154在所述下部基层 162中形成，所述中心通道因此在所述上部基层164的下部部分中形成，其中， 两个贯通通道允许分别在所述装置的入口侧和出口侧通向压阻式传感器。
更一般地，仅存在非常少的基于微机械电子系统技术的泵的示例，所述微 机械电子系统技术将测量压力或流速的传感器和不含膜片的泵（显著地通过微 机械电子系统技术制成）集成，所述微机械电子系统技术集成了可靠和精确的 流量计。
发明内容
在此描述了一种具有可变形的膜片的微型泵，所述微型泵包括：
-第一室，所述第一室为所谓的泵室，所述第一室的壁包括第一可变形的 膜片和用于驱动所述第一膜片部分的装置，
-设置有第二可变形的膜片或第二可变形的膜片部分的第二室以及设置有 第三可变形的膜片或第三可变形的膜片部分的第三室，所述第二室和所述第三 室通过第一通道被连接到一起，所述第二室和所述第三室中的至少一个通过第 二通道被连接到所述第一室。
所述第二室和所述第三室中的每个都包括检测装置（例如至少一个采用检 测应变计形式的检测装置）以便在所述微型泵中流动的流体的作用下检测相应 的膜片部分的变形，但是所述第二室和所述第三室中的每个都没有设置驱动装 置。
因此，描述了一种隔膜泵（例如，通过微机械电子系统技术形成），所述隔 膜泵一方面包括至少一个泵室和至少两个致力于测量流量的室，所述至少两个 室各自包括检测装置（例如，至少一个应变计），另一方面，所述两个室由具有 固定几何形状的压降部分隔开。
举例而言：
-所述第二室和所述第三室中的每一个都设置有形成单臂电桥的4个应变 计，
-或者，所述第二室和所述第三室中的每一个都设置有2个应变计，所述4 个应变计形成单臂电桥；于是，优选地，设法使所述单臂电桥的4个应变计不 全相互平行，和/或使所述电桥中的相同膜片的2个应变计不相互平行，和/或使 所述单臂电桥包括相互平行的两个连续的应变计。
所述第二室和所述第三室中的每一个可设置有2个应变计，所述4个应变 计形成单臂电桥并且具有相同的额定值。
数个配置可被应用，例如：
-所述第二室和所述第三室都可位于所述第一室的相同侧，所述第二室和 所述第三室中的一个通过第二通道连接到所述第一室，
-或者，所述第二室和所述第三室可位于所述第一室的两侧，所述第二室 和所述第三室各自通过通道被连接到所述第一室。
所述装置可进一步包括至少一个第四室，所述第四室被连接到其它室中的 一个室并且设置有第四可变形的膜片和用于驱动所述第四膜片的装置。
所述第四室、所述第四室的可变形的膜片部分和所述第四室的驱动装置可 形成阀。
优选地，所述装置包括第五室，所述第五室被连接到其它室中的一个室并 且设置有第五可变形的膜片和用于驱动所述第五膜片的装置。所述第五室、所 述第五室的可变形的膜片部分和所述第五室的驱动装置可形成阀。
在所述情况下，所述第一膜片、第四膜片和第五膜片被驱动以便在所述室 的入口和出口之间产生蠕动效应（例如，在本申请递交时未公布的申请FR09 57995中描述的）；也就是说，所述微型泵中受关注的流体的流量通过所述第一、 第四和第五膜片的受控变形（增加或减少相应室的体积的变形）来获得。
根据所述实施例，所述第四室可被称为进入室并且所述第五室可被称为输 出室。在所述情况下，泵送的流体连续地经过所述第四室、所述第一室和所述 第五室流动。于是，所述第二室和所述第三室被放置在所述第四室和所述第五 室之间。
优选地，管路通过以唇缘加边的孔通向所述第四室和/或所述第五室的内 部，所述唇缘以与所述第四可变形的膜片和/或所述第五可变形的膜片平行的方 式在所述第四室和/或所述第五室内部突出。
不同的可变形的膜片可以是同一膜片（厚度例如介于10微米和300微米之 间）的一部分。
每个所述膜片覆盖所述室，所述膜片通过所述腔限制或与所述腔有关，或 所述膜片形成所述室的壁中的一个壁或所述室的壁中的一个壁的至少一部分， 所述连接沿所谓的锚固区域的区域形成。
所述第二膜片和所述第三膜片的每一个都包括用于测量所述膜片的变形的 装置。所述装置可以是压电式或压阻式的变形测量计或应变计。
优选地，每个所述应变计被放置在所述膜片的可测量最大变形的位置（即， 所述锚固区域处）处。
根据另一实施例，所述第三膜片和所述第四膜片的每一个都包括4个安装 为单臂电桥的应变计。在所述情况下有利的是，放置在相同膜片上的应变计相 互平行地放置。
根据优选的实施例，所述第三膜片和所述第四膜片各自包括两个相互垂直 放置的应变计，一个应变计沿所述锚固区域的切线定向。然后，在所述第三膜 片和所述第四膜片上形成的四个应变计按照单臂电桥来安装。
所述应变计可被放置成和/或具有下述特征中的任一个或两个特征：
-所述应变计的每一个都位于与其所关联的室相对应的膜片的锚固区域或 边缘附近，
-所述应变计的每一个都具有介于1微米和10微米之间的宽度和介于10 微米和100微米之间的长度。
还描述了一种用于制造上述类型的流量计的方法，所述方法至少包括下述 步骤：
a）选择第一基层和第二基层，
b）制作所述室和所述第一基层中的第一通道，
c）将所述第一基层与所述第二基层组装到一起，
d）然后通过减薄所述第二基层来制作可变形的膜片，
e）在所述膜片上或所述膜片中形成用于检测所述膜片的变形的装置，至少 一个所述装置被定位在所述第二室的上方并且至少一个所述装置被定位在所述 第三室的上方，
f）至少在第一膜片上形成驱动装置。
所述可变形的膜片可通过使所述第二基层通过机械抛光或通过机械化学抛 光和/或通过蚀刻而从所述第二基层的上表面减薄来制成。
所述第二基层可采用绝缘体上外延硅类型，所述第二基层包括半导体基层、 介电层和半导体材料层，所述介电层在所述第二基层的减薄期间可被用作停蚀 层。
所述方法可进一步包括：
-制造第四室的步骤，所述第四室被连接到其它室中的一个并且设置有第四 可变形的膜片；以及制造用于驱动所述第四膜片的装置的步骤。
所述方法可进一步包括：
-制造第五室的步骤，所述第五室被连接到其它室中的一个并且设置有第五 可变形的膜片；以及制造用于驱动所述第五膜片的装置的步骤，
-和/或在所述第一基层中制作入口管路和出口管路的步骤，所述入口管路 和出口管路首先可在所述第一基层中被制成不通的，并且然后通过减薄所述第 一基层而被制成贯通管路。
用于制造所述室和所述通道的步骤可根据干法蚀刻或湿法蚀刻的技术同时 被应用。
所述组装步骤可贯通管路分子密封、通过阳极密封或共熔密封或通过粘合 来完成。所述组装步骤可在真空内完成。
优选地，当至少所述室和所述通道处于真空中或在非常低压下时实现所述 第一基层的减薄。
关于所述应变计，所述应变计可通过所述膜片上的金属沉积或通过掺杂半 导体材料来被制成。
附图说明
现在将参考附图来描述本发明的作为非限制性示例的实施例，在附图中：
已经描述的图1和图2分别为根据现有技术的示例的隔膜泵和根据现有技 术的示例的微流量计的剖视图；
图3为在本申请中描述的微型泵的流量计部分的剖视图；
图4A和4B为用于安装与流量计有关的传感器的电气图的示意图；
图5为在本申请中描述的微型泵的流量计部分的剖视图；
图6A和6B为用于安装与流量计有关的传感器的电气图的示意图；
图7为在本申请中描述的微型泵的流量计部分的俯视图；
图8为在本申请中描述的微型泵的剖视图；
图9为在本申请中描述的微型泵的俯视图；
图10A和10B为在本申请中描述的微型泵的俯视图；
图11A-11F图示地示出了用于制造在本申请中描述的流量计的方法的各个 步骤；
图12和13分别为通过应用外部流量计的微型泵和通过具有集成的流量计 的微型泵获得的流速的测量值的结果。
具体实施方式
在下文中，当提及“基层”时，它还可包括“层”。因此，这些术语的任一 个都同等地使用。
应注意，在附图中，不一定按比例绘制以使附图更为清晰。
在以下的所有描述中，使用了正交参考系统（i，j，k），如图3中所示。
此外，随后使用的术语“下部”和“上部”在此应根据沿所述正交参考系 统（i，j，k）的方向k的方向来理解。
术语“厚度”、“高度”和“深度”应根据沿相同的正交参考系统（i，j，k） 的方向k的测量值或距离来理解。
首先介绍允许在蠕动式微型泵中测量流速的装置。
这些装置的第一示例在图3和4A-4B中示出。图3为沿平面的剖视图，所 述平面的路径AA＇在图4A（俯视图）中示出。
所述装置包括2个膜片11＇、13＇，所述膜片11＇、13＇被放置为面向2个 腔（或室）11、13。所述腔11、13通过具有小截面的小通道12被连接到一起。 所述通道将对流体施加压降，所述流体如图3中的箭头Fe（流入）和箭头Fs （流出）所指示地流动。所述流体源自所述装置的另一部分或由外部源导入； 所述流体进入所述腔11中，然后经过所述扼流部或通道12并且最后进入所述 腔13中以便如所述箭头Fs所指示的继续流动，然后再次朝所述装置的另一部 分或朝外部流动。
所述腔11、13在ij平面或所述装置的平面中可各自呈圆形形状或盘形形状 （图4A中清晰地示出），所述腔11、13的直径可以大约为几毫米（例如，介 于1毫米和10毫米之间）。替代性地，所述腔可以是方形的或矩形的，所述替 代性的腔在图7中示意地示出并且将在随后被评论。
所述腔具有沿方向k测量的深度P，所述深度p大约为几微米到几百微米 （例如，介于10微米或50微米和100微米之间）。优选地，所述室11、13、 和所述通道12沿所述方向k测量的深度是非常类似的或相等的。为了形成较窄 的扼流部，所述通道12的深度可小于所述腔11、13中的一个腔的深度。由所 述扼流部产生的压降更大，因为所述扼流部采用小截面。因此，所述流体在所 述室11和13中的压差更大（如将随后描述的）。所述替代方案在图3中通过通 道12来表示，所述通道12的底部用虚线表示。
所述通道12沿平行于所述i轴线（垂直于所述装置中的流体的流动方向 Fe-Fs）的轴线的宽度为数十微米（例如，介于10微米和50微米之间）。
所述结构可通过叠置并组装到一起的2个基层20、30形成。
所述基层的每一个具有例如介于100微米和数百微米之间（例如，100微 米和500微米之间）的厚度。
所述基层的每一个在垂直于所述轴线k的ij平面中延伸。为此，所述ij平 面还被称为所述装置的平面或所述装置的主平面。所述轴线j沿所述装置中的 流体的流动方向并且所述轴线i垂直于所述轴线j。在某些情况下，每个所述基 层沿所述轴线k测量的厚度可相对于所述装置的侧向延伸（即相对于沿所述平 面ij测量的所述装置的尺寸L和l）而非常小；L（沿所述轴线j测量）例如介 于数毫米（例如2毫米或5毫米）和数厘米（例如2厘米或5厘米）之间，并 且l（沿所述轴线i测量）例如大约为1厘米，例如介于数毫米（例如2毫米或 5毫米）和数厘米（例如进一步地2厘米或5厘米）之间。
所述基层20、30可各自为半导体材料（例如，为硅或为例如玻璃或金属或 聚合物或塑料的其它材料）。硅是优选的，因为硅与共同的和精确的制造微技术 相配。进一步，所述材料具有良好的机械强度和耐老化性。在材料是硅的情况 下，所述基层例如通过分子组装或通道粘接（例如通过丝网印刷粘合）被粘合 到一起。分子密封具有不需要添加粘合剂的优点。
如图3所示，在所述腔11、12、13中流动的流体的压降测量通过用于测量 膜片的变形的装置来进行，所述装置在所述膜片上或所述膜片中形成。也就是 说，定位在腔11、13的上方或形成所述腔的壁的每个膜片11＇、13＇设置有测 量装置（例如在所述膜片11＇、13＇上或所述膜片11＇、13＇中形成的至少一个 应变计）。优选地，所述两个膜片部分11＇、13＇是相同的（相同的几何形状、 相同的尺寸、相同的硬度）。所述膜片没有用于对诸如泵的装置进行驱动的装置， 另一方面：所述泵的驱动装置与其它腔相关联，如随后进行描述的。因此，用 于驱动所述泵的装置的驱动导致的变形和形成所述腔11、13的应变计的装置是 不相关的，这提供了避免复杂信号处理操作的应用和导致测量误差的可能性。
在一个示例中，单个应变计被定位在每个所述腔11、13的上方。于是，每 个所述应变计与电阻器相似并且可与用于测量所述应变计自身电阻的装置相关 联，这允许对每个所述腔中的压力变化进行测量或估算。
根据图4A和4B示出的第二示例，每个所述膜片设置有成组的4个应变计， 所述应变计形成单臂电桥。也就是说，使所述腔11、13的每一个与成组的4个 电阻器R1-R4和R1＇-R4＇相关联。与所述第一腔11相关联的电阻器R1-R4 被定位成单臂电桥。相同的布置应用于与所述第二腔13相关联的4个电阻器 R1＇-R4＇。
在图4A中示出的示例中，与所述腔的每一个相关联的4个应变计相互平 行并平行于所述流体流动方向放置。在图4B中，用于放大并处理直接源于所 述两个电桥的数据的装置80、80＇、81＇被进一步示出。
不管所述应变计或所述电阻器的配置如何，所述两个单臂电桥的终端处的 电子测量允许测量所述腔11、13中的各自的压力。所述两个压力测量的差异提 供了确定由所述通道12产生的压降的可能性。
如图4A中所示，所述电路需要至少8个连接垫76。
所述组件的电路在图4B中图示地示出。用于测量单臂电桥的链包括放大 器80、80＇和模拟/数字转化器。通过两个电桥（如图4A和4B所示），两个测 量的放大的差被确定。所述差可在模拟转换以最小化信息退化之后被计算，优 选地以在模拟转换之前确定所述差。于是所述测量链可包括3个差动放大器80、 80＇、81＇，所述3个差动放大器80、80＇、81＇各自必须通过供电装置来供电。
但是这种电路可以证明是体积庞大的并且牵涉很大的电能消耗。
因此，可存在另一电路（如图5和6A-6B所示），所述电路包括2个位于 所述第一膜片11＇上或所述第一膜片11＇中的应变计（R3，R4）和2个位于 所述第一膜片13＇上或第一膜片13＇中的应变计（R1，R2）。所述配置提供了 （在压差在所述两个膜片之间存在时）相对于形成电桥的4个电阻器的值的各 自的变化具有最佳灵敏度值的可能性。
此外，通过两个所述单臂电桥（图4A和4B的情况），所述测量在两个不 同的瞬间进行，除非整个测量链是复制出的并且两个电桥的差的测量同时形成， 这很难实现。通过用以测量的单个电桥（图6A和6B的情况），不存在同步问 题并且瞬时流速可更精确地被测量。具体地，蠕动泵通常产生非常短的脉冲的 形式的流量，并且有利的是适当地限定脉冲的最大强度和时间宽度。
优选地，所述4个应变计定向成使得所述流速的测量更灵敏。例如，如果 所述膜片11＇、13＇各自具有圆形形状（如图6A所示），每个所述膜片的应变 计中的一个应变计被放置在所述膜片的径向方向上（图中的R4或R1），而第二 个应变计（R2或R3）沿着成角度的方向放置，或放置成在所述应变计放置的 位置处与由膜片形成的圆的半径形成这里为大致接近直角的角度（所指示的相 对定向应被理解为投射到由成对的向量（i，j）限定的平面上或投射到与所述装 置的主平面平行的平面上）。膜片的应变计沿流体流的方向被放置，而相同膜片 的其它应变计大体上垂直于所述应变计。
图7（方形腔的情况）重现了相同的布置，使得膜片的应变计沿所述流体 流的方向被布置，而另一应变计大体上垂直于所述应变计。
在图6A和6B的情况下，优选地，所述应变计的每一个位于相应的膜片的 边缘或锚固区域的附近（位于该应变计所形成于的基层中），此处是应力最大的 区域（同样在此处，投影在平面（i，j）中或投影在平行于所述装置的主平面的 平面中时）。
如图6A和6B所示，所述应变计R1-R4通过电线36连接到一起，使得整 体形成单臂电桥。所述电桥的顶点被连接到所述连接垫31上，所述连接垫31 允许所述流量计连接到包括放大器34的电子测量系统34、35上。
在上述的各种情况下，所述系统的输出（例如，图4B的放大器80的输出 或图6B的装置35的输出）可被连接到存储装置和/或数据处理装置（并且显著 地所述应变计的电阻器的变化）（例如，微处理器型的装置，进一步例如计算机 装置）上。所述装置允许计算流速的变化。显示屏（附图中未示出）允许操作 者在流体流动期间检测流速数据随时间的变化。
相对于例如图4A和4B的结构，图6A和6B中的类型的测量装置提供了 减少所述传感器和与所述传感器相关联的电子设备之间的电接头的数量的可能 性（4个连接件31代替8个连接件76，每个连接件对应于电桥的顶点）。
图6A和6B的所述结构的另一优点是由测量所消耗的能量的减少。实际上， 每个电桥为电驱动，并且由2个电桥（与室相关联的每个电桥）到1个单个电 桥的转变的事实提供了针对测量所需的能量损耗减半的可能性。
所述装置的应变计的布线本身比图4A和4B中简化了测量链的装置的布线 要简单得多。进一步，单个放大器34（图6B）是必需的。这表示空间和电损 耗最小化的改进：在具有两个电桥的配置中（因此，具有3个放大器80、80＇、 81＇），每个所述放大器必须被供电。此外，在测量链之前执行差动测量的事实 提供了减少信息降级的风险和因此最小化与所述流量计的电子设备相关联的测 量不确定性的可能性。
这些不同的优点尤其在于寻找对减少电子设备的尺寸、简化信息处理和减 少电损耗必不可少的医学（植入）应用的同时保持最佳的灵敏度等级。此外， 对于具有快速瞬态的流动（例如，具有膜片和阀的泵产生流速脉冲）而言，两 个单臂电桥上的测量值的差的计算可包括复杂的信号处理操作以便不会失去灵 敏性，这个问题不再通过具有单个电桥的流速测量来形成（如图6A和6B所示）。
替代方案在图5中示出，其中腔41、43在所述装置的平面中具有大体上为 方形或矩形的形状，所述腔41、43的每条边例如大约为数毫米（例如，介于1 毫米和10毫米之间）。所述附图中的其它附图标记表示与通过其它附图已经在 上文描述的元件相同的元件或类似的元件。沿轴线AA＇的半剖视图与图5中 的半剖视图相同并且所述测量电桥电路和与图6B相关联的上文所描述的电路 相同。
上文中与装置的各个元件的尺寸、可应用的材料和用于测量数据的装置有 关的其它考虑被应用于所述替代方案。
在上文示出的各种情况下，优选地，这些应变计采用导电材料或掺杂的半 导体材料。例如，所述量计在金或铝或钛或铂或合金（例如硅铝合金）中。优 选地，导电材料被选定为具有高的应变系数（例如铂）。替代性地，应变计在掺 杂半导体的材料（比如，例如通过植入硼离子取得的p型掺杂硅）中制成。利 用半导体材料（例如，以几1019at.cm-3计量掺杂硼的硅）中的应变计制成的传感器 提供比使用金属应变计的传感器大50-100倍的灵敏度。
所述应变计的每一个可具有细长形状，所述应变计的每一个具有数微米的 宽度（所述宽度可介于1微米和9微米或10微米之间）和数十微米的长度（所 述长度可介于10微米和100微米之间）。
在图3-6B的情况下，优选地，所述4个电阻器R1、R2、R3、R4为相同 的额定值R0（即，没有任何变形）。
如果基层（所述装置在所述基层中形成）的材料是硅，应变计优选地沿晶 体硅的晶格的<010>方向定向。这提供了压阻效应最大化的可能性：所述应变 计于是更灵敏。其它的变形传感器可在所述膜片11＇、13＇上存在，例如以便 测量所述膜片的任一个膜片中的压力。
当流体在由所述第一室11、所述通道12、所述第二室13形成的网络的整 体中流动时，由所述扼流部12产生的压降引起了所述腔11和13之间的压差。
如果Pa和Pb表示所述腔11和13中的各自的压力，优选地，在所述扼流 部12中产生的压降大于在其它的通道或腔中产生的压降。
作为示例，应重申的是，对于具有侧边的方形横截面d和长度L的通道而 言，压降通常写作：其中，μ为流体的粘度，并且Q为流速。 为了简化，将使用以下关系：
Pa-Pb=αQ， （公式1）
其中，Q表示流量计中的流速并且α为取决于所述扼流部12的几何形状和 所述流体的粘度的系数。因此，所述公式可被应用于沿所述j轴线（或所述ik 平面中）的通道的截面的任何几何形状上。
在压力的作用下，面向每个所述腔11、13的所述膜片11＇、13＇变形。形 成所述膜片的材料具有大体上弹性的特性，所以获得的所述压力和所述膜片的 变形之间的线性关系为一阶的，并且因此每个所述应变计的电阻的相对变化和 相应腔的压力之间的线性关系也为一阶的。
K为所述比例关系K的值取决于所述膜片的硬度、所述应变 计的位置和所述应变计的压阻特性。所述系数K还取决于所述应变计的定向。 如果两个应变计根据图6A和6B的定向被放置（因此轴线地和角向地），所述 两个应变计具有相反符号的系数K。因此，对图6A中受压力Pa影响的第一膜 片11＇的电阻而言，可以得到：
R4=R0（1-KPa）
R3=R0（1+KPa）
另外，对于图6B中受压力Pb影响的第二膜片13＇而言，可以得到：
R1=R0（1-KPb）
R2=R0（1+KPb）
所述电桥由电压V供应装置37来供电。失衡即所述单臂电桥的电势差△V 由以下关系给出：
（除了取决于电压的符号的约定的符号以外）。
因为电阻变化比所述应变计的额定值要小得多（△R<<R0），得到以下公式 （2）：
通过将公式（1）和（2）比较，可以发现：
所述最后的公式示出了上述的单臂电桥配置提供了得到所述流速Q和在所 述单臂电桥的终端上测量的电势差△V之间的直接关系的可能性。
对于所述应变计的其它相对定向而言，这些公式将是适用的。
如上所述（尤其在图6A和6B的配置中），通常，通过使每个膜片和每个 腔具有两个应变计并且所有的4个应变计形成单臂电桥，优选地，所述电阻器 不全是相互平行的和/或放置在相同膜片上的电阻器没有相互平行和/或由四个 电阻器形成的单臂电桥包括相互平行的两个连续的电阻。
通常，优选地，所述电阻器不全是相互平行的。
进一步，优选地，放置在相同膜片上的电阻器不全是相互平行的。有利地， 所述电阻器应相互垂直。例如，膜片可包括径向定向的电阻器，另一电阻器沿 切线定向。
另一优选情况是由所述四个电阻器形成的单臂电桥应包括相互平行的两个 连续的电阻器。
在图4A示出的配置中，所述第一单臂电桥R1、R2、R3和R4根据允许测量所述膜片13处的压力。按照相同的方式，所述第二单臂电桥R＇1、R＇ 2、R＇3和R＇4允许测量所述第二膜片11处的压力。于是根据公式1的关系 估算出所述流速。
现在说明包括所述流量测量装置的泵的其它方面。
如图8所示，多个腔（或室）9、11、13、15、17以及输送管路10、12、 14、16在第一基层20的上部表面中形成。
所述腔表示在实体的表面中制成的凹部或凹槽。
应注意，可使实施例仅具有3个室（一个室用于泵送并且两个室用于测量 所述流速），也就是说，图8的配置没有所述室9和17；在所述情况下，止回 阀被加到所述入口管路处，并且优选地，止回阀被加到所述入口和出口处。
在图8的示例中，所述装置包括5个所述腔：
-腔15（所谓的中心腔），
-上游腔9和下游腔17两个腔，
-通过管路12连通的两个腔11、13，所述组件具有与图3和5有关的上述 结构。
所述腔15、9、17可在平面（i，j）或所述装置的主平面中具有直径或对角 线为数毫米（例如，3毫米或6毫米）的盘形或环形或多边形的形状或相同类 型的任何其它形状，并且具有大约数微米到数百微米（例如，介于1微米或5 微米和50微米或100微米或500微米之间）的深度。实际上，可限定对应于由 所述膜片而移动的流体的体积和面向所述膜片定位的腔的体积之间的比率的压 缩率。优选地，所述压缩率尽可能地大。另外，优选地，腔的深度小于或等于 100微米。
所述通道12具有数十微米（通道为50微米或介于10微米和100微米之间） 的（沿所述j轴线垂直于所述流体的流动方向测量的）宽度，而其它的输送通 道10、14、16优选地具有较大的宽度（数百微米，例如，介于50微米和500 微米之间）。优选地，所述通道10和12的深度与所述腔9、11、13、15、17的 深度相同。
所述入口管路51和出口管路52以凹口的形成被制成，所述凹口分别开口 到上游腔9和下游腔17的内部。所述入口管路51和出口管路52可具有大约为 数百微米（例如，介于100微米和600微米或900微米之间）的直径和大约为 数百微米（例如，介于100微米或300微米和600微米或900微米之间）的深 度。
所述入口管路51和出口管路52通过以环形唇缘56、56＇加边的孔通向所 述腔中。所述唇缘可具有大体上等于所述唇缘位于的所述腔的深度的高度。
间隙61、62在所述第二基层30的下部表面中形成；所述间隙61、62将面 向相应的唇缘56、56＇。所述间隙61、62可以是环形的或盘形的形状并且具有 小的大约为数微米（例如，2微米）或十分之几微米（例如，0.1微米）的深度。
所述间隙表示具有小的深度（通常介于0.1微米和3微米之间）的凹部或 凹槽，所述凹部或凹槽面向具有大约数十微米（例如，50或100微米）的深度 的腔。因此，所述第二基层30的下部表面31I可被认为大体上是平面的。术语 “大体上”的在此描述了所述基层不超过数微米（例如，3微米）的厚度变化。
所述间隙61、62提供了在用于组装所述基层的连续步骤期间保证所述唇缘 56、56＇的顶点不接触所述第二基层30的下部表面的可能性。进一步，所述间 隙将在不受机械压力的膜片的情况下确保所述入口和出口管路51、52和所述腔 9、17（所述入口和出口管路51、52开口至所述腔9、17）之间的流体输送。
此外，凸台57可在所述第一基层20的上部表面中形成并且大体上位于所 述中心腔31的中心。为了避免所述第二基层30的下部表面和所述凸台57之间 的接触，有利地，间隙63在所述下部表面中形成。
替代性地，所述第二基层30的下部表面中可以不存在间隙，于是所述第二 基层30保持为平面的。于是，所述唇缘56、56＇的高度小于所述唇缘56、56＇ 位于的上游腔9和下游腔17的深度。因此，所述唇缘56、56＇的顶点不接触 所述第二基层的下部表面。进一步，还在不受机械压力的膜片的情况下确保了 所述入口和出口管路51、52和所述腔9、17（所述入口和出口管路51、52开 口至所述腔9、17）之间的流体输送。按照相同的方式，所述凸台57可具有小 于所述凸台57位于的中心腔15的深度的高度。
优选地，所述第一基层和第二基层20、30在硅中并且由分子密封来组装。 这种密封尤其适合于硅-硅或硅-玻璃型的组件。所述技术还被称为通过熔融的 密封或直接密封。
所述第二基层30具有大体上为平面的上部表面并且所述第二基层30的厚 度大体上是均匀的。术语“大体上”覆盖由在所述第二基层30的下部表面中形 成的间隙61-63导致的厚度可能在大约0.1微米到3微米的变化。
所述膜片的驱动装置可包括压电装置，所述压电装置例如采用晶片81的形 式，所述晶片81被放置在所述第二基层30的上部表面上并且被放置在所述腔 9、15、17的可变形的膜片上。所述晶片81各自位于导电盘83上并且通过导 电粘合剂被组装到所述导电盘83上。所述压电晶片的厚度可大约为100微米左 右（例如，大约125微米到200微米）。可使用的压电材料的介绍可在Doll等 人在Sensor.Actuat.A–Phys.，2007，Vol.139，203–209中题为《由4个硅膜 片式微型泵》的论文中找到。
替代性地，所述盘可在溶胶-凝胶型的化学气相沉积（chemical vapor deposition，CVD）之后被获得。在所述情况下，所述盘的厚度可具有小于1微 米或数微米的厚度。
接触垫72提供了确保所述微型泵通过外部系统供电的可能性。所述导电盘 83具有的直径大体上等于所述压电晶片的直径。所述直径可大约是所述腔（所 述盘面向所述腔放置）的直径的0.5到0.85倍。
最后，电线84被焊接到所述压电晶片的上部表面上并且被连接到导电轨道 上。因此，电压可独立地被施加到每个所述压电晶片上。于是，压电晶片的变 形导致相应的可变形的膜片的变形。因此，所述压电晶片可被用作用于驱动所 述膜片以便使所述膜片变形的装置。应注意，所述压电晶片还可被用作用于测 量所述膜片的运动或所述膜片由变形引起的位置的传感器。
此外，所述腔11、13各自被由所述上部基层30的部分形成的膜片部分覆 盖，并且在所述部分上具有至少一个上述的应变计11＇、13＇（与图3-7有关的）。 可存在数个应变计，例如用于上述与图3-4B有关的腔11、13的每一个的4个 应变计或用于上述与图5-6B有关的腔的每一个的2个应变计。
到所述应变计的连接件还在所述基层30的表面处形成。
这种系统在图9中以俯视图示出。与之前的附图标记相同的附图标记表示 相同的元件。
不同的腔、输送管路、唇缘56、56＇和凸台57在图9中示出。
图10A为相同的系统的示意俯视图，其中，仅示出了不同的腔和输送管路 的位置。可以看出，所述流量计的两个腔11、13被放置在所述进口阀9和用于 泵送的主膜片15之间。对称地（未示出），所述两个腔11、13可被放置在排出 阀17和主泵膜片15之间。
图10B表示替代性的示例，其中，所述流量计的两个腔11、13被放置在 所述主泵膜片15的任一侧上，并且压降由所述通道12、14和主室15形成，由 所述室15产生的压降相对于由所述通道12和14形成的压降可以忽略不计。对 于所述替代性示例，除了所述两个室和所述应变计的位置以外，所述唇缘、所 述凸台、所述上部基层、所述应变计、所述膜片的激励器与上述与图3-9有关 的所述唇缘、所述凸台、所述上部基层、所述应变计、所述膜片的激励器相同。
图11A-11E针对制造方法的不同步骤以剖视图示出了具有可变形的膜片的 微型泵。
所述结构的细节、尺寸、组成材料已经在上文中给出。
例如，考虑采用由具有两面抛光的硅晶片形成的第一基层20（图11A）。
例如，考虑采用由绝缘体上外延硅晶片（用于绝缘体上外延硅的SOI）形 成的第二基层30（图11B）。二氧化硅层30-2因此在上部30-1和下部30-3硅 层两者之间存在。
所述第一基层和第二基层的厚度大约为数百微米（例如，介于100微米和 700微米之间）。
所述第一基层和第二基层的尺寸可大约为数毫米到数厘米。举例而言，每 个所述基层可在所述ij平面内形成1cm x3cm的矩形。
所述第二基层30的下部硅层30-3的厚度大体上等于随后将目的在于组成 所述腔的每一个的可变形部分的可变性的膜片的厚度。因此，所述厚度可大约 为数十到数百微米（例如，10微米到300微米，并且优选地为50微米）。如随 后将详细描述的，所述第二基层的下部层30-3提供了精确地限定将形成的可变 形的膜片的厚度的可能性。
根据第一步骤，多个腔9、11、13、15、17以及输送管路10、14、16和所 述扼流部12在所述第一基层20的上部表面21S中形成。还形成了所述唇缘56、 56＇和所述凸台57。
所述腔表示实体的表面中形成的凹部或凹槽。
在图示的示例中，5个腔因此被获得，所述5个腔为中心腔15、两个上游 9和下游17腔以及两个腔11和13，所述两个腔11、13通过输送管路10、14 与所述装置的剩余部按顺序连接。所述中心腔15形成泵室，所述上游腔9和下 游腔17形成止回阀，并且所述通道12将允许测量流速。
所述入口管路51和出口管路52以凹口的形成被制成，所述凹口分别通向 上游腔9和下游腔17的内部，但是优选地还不是相对于所述第一基层20的贯 通腔。所述入口管路51和出口管路52位于所述腔的中心。
所述入口管路51和出口管路52通过环形唇缘56、56＇来通向所述腔中。 所述唇缘可具有大体上等于所述唇缘位于的所述腔的深度的高度。
此外，在所述情况下，所述间隙61、62、63在所述第二基层30面向相应 的唇缘56、56＇的下部表面31I中形成。
所述各个元件的制造可应用传统的微电子技术（例如，紧接着蚀刻步骤的 光刻法）。所述蚀刻可通过反应离子蚀刻（Rayonic Ion Etching，RIE）型的等离 子体来实现，这提供了获得直壁的可能性。“竖直的”表示沿所述参考系统（i， j，k）的矢量k定向。
与所述第二基层30的下部表面31I中缺少间隙和所述唇缘56、56＇的相应 高度的适配的替代性的示例已经被说明。因此，在用于组装所述基层的连续步 骤期间，所述唇缘16的顶点不接触所述第二基层的下部表面31I。按照相同的 方式，可制造凸台57，所述凸台57的高度小于所述凸台57位于的腔15的深 度。用于制造这些元件的步骤根据所需的尺寸来适配。例如，对于蚀刻技术， 光刻掩膜的形状和/或蚀刻时间是适配的。
所述基层于是被相互组装到一起。
如果所述第一基层和第二基层20、30分别在硅或绝缘体上外延硅中，可通 过分子密封来执行所述组装。所述技术还被称为通过焊接的密封或硅的直接密 封。
通过分子密封的所述组装步骤包括用于预备待组装的基层20、30的表面的 第一阶段，所述第一阶段更具体地为清洗和水合作用阶段。
因此，所述基层20、30通过例如RCA清洗（在Maluf和Williams题为《微 机械系统工程的引言》的书中描述）的湿处理来清洗。所述清洗技术提供了获 得清洁的和未受污染的表面的可能性，使所述表面具有高密度的氧氢基。
如图11C所示，于是所述基层被对准并且然后相互接触。
然后密封退火在高温下被执行一段确定时间。所述温度可被介于500℃和 1250℃之间（例如，大约为1000℃）并且退火时间可大约为一小时。于是， 由此取得的基层的组件可靠并持久。
应理解，在所述组装步骤期间，所述第二基层30还未受到用于制造可变形 的膜片的步骤的影响。因此，所述第二基层30的厚度大体上等于其初始厚度（即 数百微米）。可在所述下部表面31I中形成的间隙相对于所述第二基层30的整 体厚度具有可忽略的深度，并且因此不更改所述基层30的整体硬度。另外，在 所述组织步骤之前和期间，所述第二基层30的操作具有低的破坏或裂开的老化 风险。
此外，不管在所述密封退火期间应用的温度多高，所述第一基层20和第二 基层30具有足以使其部件上的任何热变形都可忽略的厚度。因此，所述第一基 层20的唇缘的顶点和所述第二基层30的下部表面31I之间的间隔可以非常小 （例如，大约为1微米或0.1微米，例如如上所述进一步更小）。因此，不存在 所述基层的任一个、所述唇缘56、56和所述第二基层30的下部表面31I被置 于相互接触以致所述表面发生密封而导致热变形的风险。出于相同的原因，所 述凸台17的顶点和所述下部表面31I之间的间隔还可大约为1微米或0.1微米。
最后，应注意，在所述组装步骤期间，所述入口管路51和出口管路52可 能不是贯通管路（如图11C和11D所示）。在所述情况下，所述组装步骤有利 地在真空内执行。举例而言，环境压力可被介于数10–4毫巴和数10–2毫巴之间。 这提供了通过限定于由所述腔9、11、13、15、17和管路12、14、16形成的封 闭体积中的气体的热膨胀来避免过大的超压在所述基层中产生和所述两个基层 的组装区域中产生的可能性。
所述可变形的膜片于是在所述第二基层中形成。
如图11D所示，所述实施例可通过覆盖所述第二基层30的表面的整体使 所述第二基层30从其上表面31S变薄来实现。
研磨类型的第一机械抛光阶段可被执行。所述技术显著地描述在Pei等人 在Int.J.Mach.Tool.Manu.,48(2008),1297–1307中题为《硅晶片的研磨：历史 张望的回顾》的论文中。
所述抛光可在所述中间的二氧化硅层30-2上方的数微米或数十微米处停 止。
所述中间层30-2的变薄可通过化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）型的机械化学抛光的已知技术来获得。替代性地并且与所述 技术结合地，RIE型的干法蚀刻和利用氢氧化钾或四甲基氢氧化铵 （tetramethylammonium hydroxide，TMAH）镀液的湿法蚀刻可被执行。在干法 或湿法蚀刻的情况下，所述二氧化硅层20-2具有被用作停蚀层的优点，这提供 了精确地控制待形成的膜片的最终厚度的可能性。
最后，所述第二基层30的中间的二氧化硅层30-2本身可通过所述RIE型 的干法蚀刻或具有氢氟酸（hydrofluoric acid，HF）的化学蚀刻来被蚀刻。
如图11E所示，所述第二基层30于是具有大体上平坦的上部表面31S并 且本质上包括初始的绝缘体上外延硅SOI的下部层30-3。
所述第二层30不具有任何用来形成可变形的膜片的几何上限定的区域。由 于所述第二层的厚度大约为数十微米到数百微米（例如，10微米到300微米， 并且优选地为50微米），所述第二层的任何区域可形成可变形的膜片。然而， 所述第二层30位于面向所述腔9、15、17的区域意在形成用于所述泵的可变形 的膜片并且面向所述腔11、13的区域意在形成用于所述传感器的可变形的膜 片。
应注意，所述变薄步骤可在大气压力下进行，而所述腔仍形成真空的封闭 体积。于是，压力被施加到所述第二基层30的上部表面31S上，这易于导致所 述上部表面31S在所述腔内弯曲。有利地，放置在所述中心腔15中的凸台57 形成用于所述第二基层30的邻接件并且因此对所述第二基层30的弯曲变形施 加限制。位于所述上游腔9和下游腔17中的唇缘56、56＇还可形成用于所述 第二基层30的邻接件并且还有助于限制所述第二基层的最大可能的弯曲。
由于所述第二基层30的上部表面31S的平坦，可在所述表面上进行传统的 微型制造步骤（例如，沉积）、利用具有纺纱机的光刻胶的沉积的光刻法步骤并 且进行蚀刻。所述步骤显著地提供了形成用于检测用于流量计的应变计的膜片 的变形的装置的可能性。所述装置可包括多个应变计，所述应变计例如被放置 在面向所述腔11、13的可变形的膜片的至少一个部分上或至少一个部分中，并 且所述应变计例如通过形成一个或两个单臂电桥来被电气性连接到一起。所述 应变计可以采用压阻型或压电型。
如图11E所示，所述检测装置可由在所述第二基层30的上部表面31S上 形成的导电水平来形成。所述导电水平通过衬垫金属层（例如，上文所述的材 料中的一种）来形成。所述导电水平提供了偏置所述压电晶片和将所述压电晶 片电连接的可能性。因此，所述应变计朝所述装置35或80或80＇的连接件还 被形成。
替代性地，所述应变计可在掺杂半导体的材料（比如，例如通过植入硼离 子取得的p型掺杂硅）中制成。所述替代性的示例的优点已经在上文讨论。
所述应变计直接在所述膜片的硅中形成。还可通过在所述膜片的表面处涂 覆多晶硅层来制造所述应变计。所述技术在Malhaire等人于2003年在Thin Solid Films,427,362–366中的题为《用于恶劣环境的具有原始多晶硅的绝缘多晶硅压 力传感器》的论文中出现。掺杂了硅的压电传感器的制造还描述在文件 WO201092092A1中。
所述传感器可包括（如图8的示例中的）在所述膜片上形成的应变计。
替代性地，所述传感器可包括与图3和5中国的示例类似的在所述膜片中 形成的应变计。在所述情况下，在所述膜片上形成的互连件将所述应变计电气 性连接到所述数据处理装置上。例如，基于电介质（比如，二氧化硅）的电绝 缘层可被放置在所述基层上，因此覆盖所述应变计和所述互连件。
其它的变形传感器可被加到其它的膜片上以便在致动器的作用下或在所述 泵中的压力的作用下测量所述膜片的变形。
优选地，在所述阶段，所述入口管路51和出口管路52还不是贯通管路。 蚀刻步骤因此在所述第一基层20的下部表面21I上被执行以便制造所述管路 （贯通管路）。所述组件于是被打开并与外部环境连通。
有利地，所述步骤在所述制造方法的最后被执行。所述步骤提供了避免所 述微型泵的微通道的内部被任何种类的残留物或杂质污染的可能性。因此，堵 塞所述上游阀和下游阀或对所述上游阀和下游阀不好的操作的风险被抑制。
最后，在当多个微型泵同时由形成第一基层的晶片和形成第二基层的第二 晶片制成时，所述晶片被切断以便个别处理由此制造的组件。
现在示出说明上述具有与微型泵集成为一体的流量计的装置的好处的结 果。
在进行的测试中，由上述与图8、9和6A有关的类型的隔膜泵产生的流量 通过集成的流量计来测量。所述结果与放置在泵后并通过管连接到所述泵上的 第二商业传感器（或外部流量计，Sensirion SLG1430–480,Switzerland）比较。 所述管为第一材料的第一柔性管，并且然后在第二阶段被替换为具 有与第一管的直径和长度相同的直径和长度的第一材料的刚性管。
对于所述两个试验，进行的测量被转移到：
-针对流量计位于所述泵外部的图12上；
-针对集成的流量计的图13上。
所述曲线示出了所述流量计的信号在数个泵送周期期间随时间的变化。所 述波动由蠕动式隔膜泵的操作原理引起。
在图12的情况下（外部流量计），所述两个测量提供了指示不同的瞬时流 量的不同信号。
通过所述刚性管，峰值很高并且很尖，而通过所述柔性管 ，峰值不是很高并且很宽。这由以下事实来说明：所述柔性管在由 流体回路中的泵产生的压力脉冲的作用下变形，由此改变了测量点处的瞬时流 速。
通过所述集成的流量计，所述两个实验提供了非常类似的信号（主峰值具 有相同的振幅和宽度）。
可以得出结论：泵中的瞬时流量精确地通过集成的流量计来测量并且所述 测量不受所述流体回路的连接件的影响，并且更通常地，泵中的瞬时流量保持 独立于所述流体系统的组件的液压阻抗。因此，通过分析所述瞬时流速随时间 的变化来分析所述泵的性能变得更简单，因为信号的形状的改变将指示所述泵 的性能的改变并且不指示流体网络的整体的液压阻抗特性（可在实验期间或从 一个实验到另一实验期间随时间变化）的改变。
所述实验示出了：利用本文所示类型的装置比利用具有从所述泵的上游或 下游放置的流量计的装置能更加精确和尖端地测量所述流速和分析所述泵的性 能。
所述改进在包括可废弃部分（管路、容器）和可重复使用部分（泵）的泵 送系统中尤其有利，所述泵送系统例如用于输送药物的可植入系统。具有有关 泵（老化）不与流体系统的剩余部分有关的装置的信息是很重要的。通过集成 有所述泵的流速传感器，在药物的输送期间和在每当消耗部分（容器和/或管路） 在新的注射期间被更换时（即使新的管路和新的容器具有不同的液压阻抗），可 连续不断地具体分析所述泵的性能，因此，没有必要在每次重复使用时重新校 准流速。
机译： 具有流量计的微型泵及其生产方法
机译： 具有流量计的微型泵及其生产方法
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