МИКРОНАСОС Российский патент 1995 года по МПК F04B43/00 

Изобретение относится к насосостроению, в частности к микронасосам, у которых по меньшей мере часть насосного механизма выполняется путем обработки кремниевой пластинки по методу фотолитографии.

Известен микронасос, содержащий по меньшей мере три пластинки, одна из которых выполнена из материала, поддающегося обработке по методу фотолитографии, а две другие являются опорными для первой и приклеены к ней с образованием по меньшей мере со второй - нагнетательной камеры, два обратных клапана, первый из которых служит для сообщения нагнетательной камеры с входом насоса, а второй клапан мембранного типа - для сообщения нагнетательной камеры с выходом насоса и средства в виде пластины, содержащей пьезоэлектрический элемент для периодической деформации пластинки, находящейся над камерой для изменения ее объема.

Недостатком известного насоса является то, что производительность такого насоса сильно зависит от давления на выходе во всем рабочем диапазоне. Кроме того, наличие регулировочного клапана увеличивает сложность насоса и опасность его ненадежной работы.

Целью изобретения является повышение надежности путем возможности регулирования производительности в зависимости от выходного давления в рабочем диапазоне.

Это достигается тем, что выход насоса сообщен с объемом, образованным под вторым клапаном и нагнетательным каналом, во втором клапане выполнен канал для сообщения объема с нагнетательной камерой с возможностью его открытия в момент всасывания, при этом в момент нагнетания подклапанная полость первого клапана сообщена с подклапанной полостью второго клапана посредством нагнетательной камеры через канал для соединения ее с выходом через находящийся в открытом состоянии второй клапан.

Кроме того, пластинка, содержащая пьезоэлектрический элемент, закреплена на второй пластинке, нагнетательная камера образована между первой опорной пластинкой и пластинкой, выполненной по методу фотолитографии, на которой закреплена пластина с пьезоэлектрическим элементом, вторая опорная пластинка содержит средство для подключения насоса к внешнему контуру, на пластинке, выполненной по методу фотолитографии, закреплен детекторный элемент, например датчик напряжений для контроля за нормальным функционированием насоса, пластинка, выполненная по методу фотолитографии, содержит участки, находящиеся в зоне первого и/или второго клапанов, выполненных в виде мембраны, имеющей кольцевые выступы, покрытые оксидом для образования затворов нормально закрытых клапанов, установленные с возможностью контакта с соответствующей опорной пластиной, участок пластины, выполненный в виде мембраны, находящейся в зоне второго клапана, по меньшей мере частично покрыт слоем материала, создающего в мембране силы сдвига, образующие дополнительное предварительное напряжение, например слоем оксида кремния. Кроме того, участок пластины, выполненный в виде мембраны в зоне первого клапана со стороны, противоположной кольцевому выступу, содержит выпуклость, направленную ко второй опорной пластине, для ограничения перемещения мембраны, при этом между второй опорной пластинкой и пластинкой, выполненной по методу фотолитографии, в зоне второго клапана образована компенсационная камера, сообщенная с входом насоса.

На фиг.1 показан микронасос, продольный разрез; на фиг.2 - промежуточная пластина, вид снизу; на фиг.3 - микронасос, продольный разрез, где кольцевая камера, окружающая кольцевой выступ всасывающего клапана, соединена с компенсационной камерой; на фиг.4 - разрез IV-IV на фиг.3; на фиг.5 - разрез V-V на фиг.3; на фиг.6 - разрез микронасоса, где камера нагнетания размещена несимметрично относительно клапанов всасывания и нагнетания; на фиг.7 - разрез VII-VII на фиг.6; на фиг.8 - вид нижней поверхности промежуточной пластинки микронасоса, где управляющий элемент в виде пьезоэлектрической пластинки размещен непосредственно на пластинке из кремния в зоне, совпадающей с нагнетательной камерой; на фиг.9 - разрез IX-IX на фиг.8; на фиг.10 - разрез Х-Х на фиг.8; на фиг.11 - вид микронасоса, где над нагнетательным клапаном предусмотрена дополнительная камера, перекрываемая соединительным приспособлением; на фиг.12 - вид сверху на фиг.11; на фиг.13 - график производительности насоса в функции давления, при этом давление на входе равно "0".

Микронасос содержит базовую пластинку 1, выполненную, например, из стекла. В ней имеются два канала 2 и 3, образующие всасывающий проход насоса и нагнетательный проход соответственно. Каналы 2 и 3 сообщаются с соединительными муфтами 4 и 5 соответственно.

Соединительная муфта 4 соединяется трубкой 6 с резервуаром 7, где находится жидкое накачиваемое вещество. Резервуар закрыт колпачком с отверстием, при этом полезный объем резервуара 7 отделяется от наружной области подвижным поршнем. Если насос применяется для инъекций лекарства в тело человека, то в резервуаре может содержаться это лекарство. В этом случае микронасос может размещаться на теле человека или быть имплантированным. Выпускной соединитель 5 может по трубке 10 соединяться с иглой для проведения инъекций (не показана).

Пластинка 11 выполнена из кремния либо иного материала, поддающегося обработке по методу фотолитографии, и приклеена к стеклянной пластинке 1. В свою очередь на кремниевой пластинке находится закрывающая стеклянная пластинка 12. Толщина пластинки 12 выбрана такой, что она может деформироваться управляющим элементом 13, в данном случае это пьезоэлемент в виде пластинки, снабженный электродами 13а и 13в, подключенными к генератору 14 переменного напряжения. В качестве пьезоэлемента может применяться элемент, изготавливаемый компанией Филипс под названием РХЕ-52, приклеиваемый к пластинке 12 с помощью соответствующего клея. Пластинки 11 и 12 вместе ограничивают прежде всего нагнетательную камеру 15 (см. фиг.2) круглой формы, причем камера находится под той зоной пластинки 12, которую деформирует управляющий элемент 13.

Между всасывающим каналом 2 и нагнетательной камерой 15 помещен первый клапан 16 обратного типа, устроенный в пластинке 11. Клапан помещен под нагнетательной камерой и состоит из мембраны 16а круглой формы, в центре которой имеется проходное отверстие 16в. В данном варианте реализации оно имеет квадратную форму. Со стороны канала 2 в клапане 16 имеется кольцевой выступ 16а, треугольный в сечении. Выступ 16с окружает отверстие 16в, покрыт тонким слоем оксида 17, также полученного по методу фотолитографии. Оксидная пленка увеличивает толщину и придает мембране 16а некоторое предварительное напряжение, когда вершина выступа 16с прижата к стеклянной пластинке 1, таким образом стеклянная пластинка служит также седлом для клапана 16.

Нагнетательный канал 3 насоса сообщается с нагнетательной камерой 15 через клапан 18, конструкция которого идентична конструкции клапана 16 за исключением различий в размерах слоя 17 по сравнению с соответствующим слоем у клапана 16, поэтому предварительное напряжение, создаваемое оксидным слоем 17, может отличаться от напряжения, существующего у клапана 16. Кроме того, в этом клапане предусмотрено такое же центральное отверстие, как отверстие 16а у клапана 16.

Нагнетательная камера сообщается с клапаном 18 через отверстие 19 и проход 20, оба они образованы в кремниевой пластинке 11.

Клапан 18 содержит мембрану 18а, частично покрытую слоем оксида, и кольцевой выступ 18с, также покрытый слоем оксида 17. В результате над клапаном 3 образуется объем 18d, где царит выходное давление. Оксидный слой создает в мембране 18а силы сдвига, обеспечивающие вздутие мембраны (оксидный слой находится с выпуклой стороны мембраны). В результате возникает дополнительное напряжение клапана в направлении закрывания по отношению к предварительному напряжению, создаваемому оксидным слоем, покрывающим кольцевой выступ 18с. Когда клапан 18 открыт, этот объем непосредственно сообщается с всасывающим клапаном 16 через нагнетательную камеру 15, благодаря чему создается минимальное сопротивление протеканию жидкости, поступающей из насоса на фазе нагнетания. Когда клапан 18 закрыт, выходное давление оказывает воздействие лишь на небольшую поверхность мембраны 18а, тогда как на значительно большую поверхность действует давление, царящее в камере нагнетания. В результате возникает эффект регулирования производительности насоса, которая становится практически независимой от давления на выходе (см. фиг. 13), причем этот эффект является следствием предварительного напряжения от оксидного слоя 17.

Толщина пластинок 1, 11 и 12 составляет соответственно 1 мм, 0,3 мм и 0,2 мм при поверхности размером 15х20 мм. Кроме того, пластинки могут закрепляться друг на друге различными известными способами, например склеиванием либо так называемой анодной сваркой.

На фиг.3-5 изображен второй вариант конструкции микронасоса по изобретению, во многом схожий с микронасосом по фиг.1 и 2. Отличие этого микронасоса в том, что кольцевая камера 16е (фиг.4), окружающая кольцевой выступ 16с всасывающего клапана 16, соединяется не только с каналом всасывания 2, но и с компенсационной камерой 21, образованной в пластинке 11 над клапаном 18 и закрытой пластинкой 12, закрывающей также и всю поверхность насоса. Подобное соединение осуществлено при помощи связного канала 22, образованного в кремнии и состоящего из трех ответвлений 22а, 22в и 22с, расположенных под прямым углом в пластинке 11. Ответвление 22с находится на ином уровне, чем ответвления 22а и 22в, и, кроме того, ответвления 22в, 22с сообщаются друг с другом через отверстие 23, устроенное в пластине 11. Вместе с тем, ответвление 22с (см. фиг.5) сообщается с всасывающим каналом 2 через отверстие 24, которое соединяет это ответвление с небольшой полостью 25, образованной в кремниевой пластинке 11 как раз над всасывающим каналом 2. Система каналов 22 рассчитана на получение связи канала 2 насоса с камерой 21, устроенной над мембраной 18а нагнетательного клапана 18 так, чтобы удерживать этот клапан в закрытом состоянии, когда у входа в насос существует избыточное давление, т.е. подобное устройство служит предохранителем от избыточных давлений.

На фиг.6 и 7 показан третий вариант конструкции микронасоса по изобретению. Принцип действия не меняется, однако камера 15 нагнетания размещается несимметрично относительно клапанов всасывания и нагнетания.

Насос состоит из трех пластинок, а именно опорной стеклянной 26, кремниевой 27 и закрывающей стеклянной 28, которая может деформироваться в зоне, находящейся над камерой 15 нагнетания, под действием пьезоэлектрического элемента 29 либо иного подходящего управляющего элемента.

Камера 15 нагнетания образована пластинками 27 и 28. Эти же пластинки ограничивают входную камеру 30 (фиг.6), куда открывается входное отверстие 30а, устроенное в пластинке 28.

Камера 30 сообщается с каналом 31 (фиг.7), расположенным в верхней части пластинки 27. В свою очередь канал 31 сообщается с вторым каналом 32, устроенным в пластине 27 со стороны пластинки 28. Канал 32 открывается в кольцевую камеру 33 всасывающего клапана 34, идентичного по конструкции клапану 16. Всасывающий клапан сообщается с камерой 15 через центральное отверстие 25.

Камера 15 также сообщается с нагнетательным клапаном 36 посредством отверстия 37 и канала 38, оба они устроены в пластинке 27. Нагнетательный клапан 36, предназначенный для перекрытия выходного отверстия 36а (фиг.6), выполнен таким же образом, как и нагнетательный клапан предыдущих вариантов реализации, и, кроме того, содержит выпуклость 39, находящуюся со стороны мембраны, противоположной клапанному выступу. Выпуклость 39, расположенная по центру мембраны, рассчитана на ограничение амплитуды ее перемещений, упираясь в пластинку 28 в случае, когда выходное давление превышает определенную допустимую величину. Входное отверстие 30а открывается в камеру 30, расположенную над нагнетательным клапаном 36, образуя компенсационную камеру, схожую с камерой 21 предыдущего варианта реализации. Благодаря этому подобная конструкция также обеспечивает защиту избыточных давлений.

На фиг.8-10 показан четвертый вариант реализации изобретения.

В этом случае микронасос также состоит из трех пластинок 40, 41 и 42. В пластинке 40, изготовленной из стекла, имеется нагнетательный канал 43. Пластинка 41 выполнена из кремния или иного подходящего материала и в ней по методу фотолитографии образованы нагнетательная камера 44, всасывающий клапан 45 и нагнетательный клапан 46, сообщающийся с нагнетательной камерой 44 через каналы 47 и 48.

В этом варианте реализации управляющий элемент в виде пьезоэлектрической пластинки 49 размещен непосредственно на пластинке из кремния 41 в зоне, совпадающей с нагнетательной камерой 44 с тем, чтобы обеспечить нагнетательное действие. Пластинка 41 деформируется и меняет объем нагнетательной камеры. Также желательно предусмотреть между пластинкой 41 и кристаллом 49 тонкий слой оксида кремния 49а, чтобы изолировать соответствующий электрод пьезоэлемента от пластинки. Пластинка 42 лишь частично закрывает пластинку 41, в ней имеется всасывающее отверстие 50, открывающееся в кольцевую компенсационную камеру 51, предусмотренную над нагнетательным клапаном 46. На этом клапане предусмотрена выпуклость 52, способствующая ограничению амплитуды мембраны этого клапана. Выпуклость может упираться в нижнюю поверхность пластинки 42, когда выходное давление под клапаном становится слишком большим.

Клапаны 45 и 46 инверсно расположены. Седло всасывающего клапана образовано пластинкой 42, тогда как седло клапана 46 образовано пластинкой 40, как и в других вариантах реализации. Подобное расположение не оказывает особого влияния на работу насоса.

На фиг. 11 изображен еще один вариант реализации изобретения, где над нагнетательным клапаном 53 предусмотрена камера 54, перекрываемая соединительным приспособлением 55, выполненным к примеру из пластмассы и приклеенным к кремниевой пластинке 56. В результате камера 54 полностью изолирована от внешней атмосферы, оставаясь таковой при всасывании насоса. Преимуществом такой конструкции следует считать исключение специальной закрывающей пластинки.

Как в насосе по фиг.8-10 (канал 57), так и в насосе по фиг.11 (камера 54), нагнетательные клапаны соединяются со входом насоса так, чтобы обеспечить защиту от избыточных давлений.

Работает микронасос следующим образом. Производительность насоса в функции давления в канале нагнетания проиллюстрирована диаграммой на фиг. 13.

Все варианты реализации работают одинаково. Для удобства обратимся к первому варианту реализации (фиг.1 и 2).

Когда к пьезоэлементу 13 не приложено электрическое напряжение, клапаны всасывания 16 и нагнетания 18 находятся в закрытом состоянии. По приложении электрического напряжения пьезоэлектрический элемент 13 деформируется, вызывая прогиб пластинки 12 внутрь. В результате внутри нагнетательной камеры 15 увеличивается давление, приводящее к открыванию нагнетательного клапана 18, как только сила, действующая на мембрану по причине давления в камере 15, превысит разность между силой, создаваемой предварительным напряжением в клапане 18, обеспечиваемым оксидным кремниевым слоем 17, и силой, создаваемой давлением в выходном канале 3. Благодаря этому, жидкость, заключенная в камере нагнетания, подается в выходной канал 3 с перемещением деформируемой зоны пластинки 12. На протяжении этой фазы клапан 16 всасывания удерживается закрытым под действием давления, царящего в нагнетательной камере 15. Поскольку камера 15 напрямую сообщается с выходным каналом 3, то на своем течении жидкость не встречает заметного сопротивления. Когда электрическое напряжение снимается, пьезоэлемент 13 принимает начальную форму, т.е. деформируется в другом направлении, и давление в нагнетательной камере 15 уменьшается. В результате нагнетательный клапан 18 закрывается как только сила, создаваемая давлением в нагнетательной камере 15, становится меньше разности между силой, определяемой предварительным напряжением в клапане, и силой, обеспечиваемой давлением в выходном канале 3. Открывание всасывающего клапана 10 происходит в тот момент, когда сумма силы, созданной давлением в нагнетательной камере, и силы, созданной предварительным напряжением в клапане 18, становится меньше силы, существующей из-за давления во входном канале 2. Тогда происходит всасывание жидкости в нагнетательную камеру 15 по входному каналу 2 под действием перемещения деформируемой зоны пластинки 12.

Если выбрать большое отношение диаметра мембраны нагнетательного клапана 18 и его седла, давление в канале нагнетания 3 почти не влияет на давление в нагнетательной камере, необходимое для открывания нагнетательного клапана. Следовательно, за счет тщательного выбора указанного отношения, а также частоты управления пьезоэлементом можно добиться, что выходное давление будет лишь в очень малой степени влиять на производительность насоса. На фиг.13 показаны полученные кривые зависимости производительности насоса от давления на выходе. Кривая А получена по приложении к пьезоэлементу микронасоса (фиг.3-5), имеющего указанные выше размеры, напряжения частотой 2 Гц, при этом производительность остается практически постоянной у величины 30 мкл/мин (наиболее благоприятный выбор). Если пьезоэлементом управлять с частотой 5 Гц, то производительность становится равной приблизительно 64 мкл/мин. Как видно из кривых на фиг.13, выбранное значение предварительного напряжения у мембраны нагнетательного клапана позволяет поддерживать производительность насоса постоянной у указанных величин, при этом давление на выходе может варьироваться от 0 до 70 см Н₂О. Кроме того, кривые показывают, что производительность остается постоянной даже при отрицательных значениях разности между давлением на выходе и давлением на входе (см. участки кривых С и Д соответственно). Подобный случай может возникнуть при наличии избыточного давления на входе насоса.

Микронасос вне зависимости от варианта его реализации является компактным и простым, обладает малым сопротивлением потоку и позволяет получить при очень хорошей аппроксимации постоянную производительность в функции давления на выходе.

Во всех вариантах реализации за исключением конструкции по фиг.1 и 2 предусмотрена защита насоса от избыточных давлений благодаря тому что вход насоса сообщается с камерой, расположенной над нагнетательным клапаном. При возникновении избыточного давления камера воздействует на нагнетательный клапан в направлении его закрывания, изолируя таким образом канал нагнетательной камеры. Подобное свойство насоса важно в том случае, когда насос размещается на пациенте вместе с гибким резервуаром. Если пациент сжимает резервуар (например, когда задевает о какое-либо препятствие), то избыточное давление в канале всасывания не приводит к увеличению производительности.

Благодаря тому, что компенсационная камера сообщается с входом насоса, вариации во входном давлении оказывают очень незначительное влияние на выходную производительность в нормальном рабочем диапазоне.

Подобную связь можно реализовать также за счет внешнего соединения. Например, в насосе (фиг.1 и 2) можно предусмотреть трубку, соединяющую вход с выходом.

На фиг.1 показано, что с кремниевой пластинкой можно соединить элемент управления работой, например приспособление в виде датчика напряжений 11А, тогда замер вариации сопротивления датчика дает информацию о работе насоса либо о разрыве мембраны, с которой соединен датчик. Во всех вариантах реализации можно предусмотреть один или несколько подобных элементов контроля.

Сущность изобретения: одна из трех пластин выполнена из материала, поддающегося обработке по методу фотолитографии, две другие являются опорными для первой и приклеены к ней с образованием второй нагнетательной камеры. Первый из обратных клапанов служит для сообщения нагнетательной камеры с входом насоса, второй клапан мембранного типа - для сообщения нагнетательной камеры с выходом насоса и средства в виде пластины. Пластина содержит пьезоэлектрический элемент для периодической деформации пластинки, находящейся над камерой для изменения ее объема. Выход насоса сообщен с объемом, образованным под вторым клапаном и нагнетательным каналом. Во втором клапане выполнен канал для сообщения объема с нагнетательной камерой с возможностью его открытия в момент всасывания. В момент нагнетания подклапанная полость первого клапана сообщена с подклапанной полостью второго клапана нагнетательной камерой через канал для соединения ее с выходом через находящийся в открытом состоянии второй клапан. 8 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. МИКРОНАСОС, содержащий по меньшей мере три пластинки, одна из которых выполнена из материала, поддающегося обработке по методу фотолитографии, а две другие являются опорными для первой и приклеены к ней с образованием по меньшей мере второй нагнетательной камеры, два обратных клапана, первый из которых служит для сообщения нагнетательной камеры с входом насоса, а второй клапан мембранного типа - для сообщения нагнетательной камеры с выходом насоса и средства в виде пластины, содержащей пьезоэлектрический элемент для периодической деформации пластинки, находящейся над камерой для изменения ее объема, отличающийся тем, что выход насоса сообщен с объемом, образованным под вторым клапаном и нагнетательным каналом, во втором клапане выполнен канал для сообщения упомянутого объема с нагнетательной камерой с возможностью его открытия в момент всасывания, при этом в момент нагнетания подклапанная полость первого клапана сообщена с подклапанной полостью второго клапана посредством нагнетательной камеры через канал для соединения ее с выходом через находящийся в открытом состоянии второй клапан. 2. Микронасос по п.1, отличающийся тем, что пластинка, содержащая пьезоэлектрический элемент, закреплена на второй опорной пластинке. 3. Микронасос по п.1, отличающийся тем, что нагнетательная камера образована между первой опорной пластинкой и пластинкой, выполненной по методу фотолитографии, на которой закреплена пластинка с пьезоэлектрическим элементом. 4. Микронасос по пп. 1 - 3 , отличающийся тем, что вторая опорная пластина содержит средство для подключения насоса к внешнему контуру. 5. Микронасос по пп. 1 - 4, отличающийся тем, что на пластинке, выполненной по методу фотолитографии, закреплен детекторный элемент, например датчик напряжений для контроля за нормальным функционированием насоса. 6. Микронасос по пп. 1 - 5, отличающийся тем, что пластинка, выполненная по методу фотолитографии, содержит участки, находящиеся в зоне первого и/или второго обратных клапанов, выполненных в виде мембраны, имеющей кольцевые выступы, покрытые оксидом для образования затворов нормально закрытых клапанов, установленные с возможностью контакта с соответствующей опорной пластиной. 7. Микронасос по п. 6, отличающийся тем, что участок пластины, выполненный в виде мембраны, находящейся в зоне второго клапана, по меньшей мере частично покрыт слоем материала, создающего в мембране силы сдвига, образующие дополнительное предварительное напряжение, например слоем оксида кремния. 8. Микронасос по пп. 6 и 7, отличающийся тем, что участок пластины, выполненный в виде мембраны, в зоне первого клапана со стороны, противоположной кольцевому выступу, содержит выпуклость, направленную к второй опорной пластине, для ограничения перемещения мембраны. 9. Микронасос по пп. 6 - 8, отличающийся тем, что между второй опорной пластиной и пластинкой, выполненной по методу фотолитографии, в зоне второго клапана образована компенсационная камера, сообщенная с входом насоса.