微流体致动器装置

【技术领域】

本案关于一种微流体致动器装置，尤指一种具有静电防护电路的微流体致动器装置。

【背景技术】

目前于各领域中无论是医药、电脑科技、打印、能源等工业，产品均朝精致化及微小化方向发展，其中微型帮浦产品所包含的微流体致动器为其关键技术。

随着科技的日新月异，流体输送结构的应用上亦愈来愈多元化，举凡工业应用、生医应用、医疗保健、电子散热、生活电子产品……等，甚至近来热门的行动穿戴装置亦可见它的踨影，可见传统的流体致动器已渐渐有朝向装置微小化、流量极大化的趋势。

现有技术中已发展多种微机电半导体制程制出的微流体致动器，然而，微小化后的微流体致动器，其工作频率达到100KHZ以上，因工作频率很高，所以微流体致动器在作动时，不断的与输送的流体摩擦，造成静电不断地累积在微流体致动器上，故如何避免静电累积，使微流体致动器装置能正常且长时间的使用，并保护微流体致动器装置免于静电的影响，实为当前迫切需要解决的问题之一。

【发明内容】

本案的主要目的是提供一种微流体致动器装置，具有静电防护电路。

本案的一广义实施态样为一种微流体致动器装置，包含：一承载板、至少一微流体致动器、至少一微控制器、至少一电极接垫以及至少一静电防护电路。微流体致动器设置于承载板上，用以输送流体。微控制器用以控制微流体致动器的开启或关闭。电极接垫设置于承载板上，并与微流体致动器相应电性连接。静电防护电路与电极接垫电性连接。

【附图说明】

图1A为本案微流体致动器示意图。

图1B至图1D为本案微流体致动器的作动示意图。

图2A为本案微流体致动器装置的第一实施例的示意图。

图2B为本案微流体致动器装置的第二实施例的示意图。

图3A至图3D为本案微流体致动器装置的微控制器的不同位置态样示意图。

图4A为本案微流体致动器装置的第一态样静电防护电路的电路图。

图4B为本案微流体致动器装置的第二态样静电防护电路的电路图。

图5A及图5B为本案微流体致动器装置的第一实施例的不同静电防护电路态样的示意图。

图6A为本案微流体致动器元件的第一态样静电防护电路的电路图。

图6B为本案微流体致动器元件的第二态样静电防护电路的电路图。

图7A及图7B为本案微流体致动器装置的第二实施例的不同静电防护电路态样的示意图。

【具体实施方式】

体现本案特征与优点的实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本案能够在不同的态样上具有各种的变化，其皆不脱离本案的范围，且其中的说明及图示在本质上当作说明之用，而非用以限制本案。

本案实施例的描述中，应予理解，所提及的「和」是与一般逻辑运算符表示「AND」或是「∧」的意思相同，例如电极接垫A和电极接垫B，是同时指电极接垫A与电极接垫B两者；所提及的「或」是与一般逻辑运算符表示「OR」或是「∨」的意思相同，例如电极接垫A或电极接垫B，是包含指电极接垫A与电极接垫B两者、单指电极接垫A以及单指电极接垫B。

本案微流体致动器装置的微流体致动器示意图，请参阅图1A所示，微流体致动器110是由微机电制程制出，微流体致动器110包含设有第一氧化层3的第一基板1、第二基板2及设有第二氧化层5的第三基板4依序层叠。于本实施例中，第一基板1上的流体入口11的数量为2个，但不以此为限。当第一基板1与第二基板2结合后，于第二基板2的第二下表面23与位于第一基板1的第一氧化层3相连。第一氧化层3的流体流道31的位置及数量皆与第一基板1的流体入口11相互对应。于本案实施例中，流体流道31同样也为2个，2个流体流道31的一端分别连接2个流体入口11。2个流体流道31的另一端则连通于汇流腔室32，让流体分别由2个流体入口11进入后，得以通过其对应的流体流道31并于汇流腔室32聚集，而第二基板2的穿孔21与汇流腔室32相通，供流体通行。第三基板4结合至第二基板2时，第二氧化层5与第二基板2的第二上表面22相邻，第二氧化层5的流体腔室51则分别与第二基板2的穿孔21及第三基板4的流体通道41相通，致使流体得以由穿孔21进入流体腔室51后再由流体通道41排出。

承上所述，第三基板4的流体通道41将第三基板4分为三部分，分别是振动部44、外周部45及连接部46。外周部45环绕设置于振动部44的周围，流体通道41形成于外周部45与振动部44之间，以及连接部46弹性连接于振动部44及外周部45之间。其中，振动部44的区域与第二氧化层5的流体腔室51相对应。另外，微流体致动器110进一步设置压电组件6于第三基板4上，且压电组件6位于振动部44的区域，让压电组件6带动振动部44振动位移时，得以压缩或扩张流体腔室51的容积，使流体流动。

此外，第二基板2的穿孔21的周缘区域为一共振部24，位于共振部24外围的则为固定部25，共振部24与第一氧化层3的汇流腔室32及第二氧化层5的流体腔室51相互对应，让共振部24能够于汇流腔室32及流体腔室51之间振动位移。

本案微流体致动器装置的微流体致动器的作动示意图，请参阅图1B至图1D，当压电组件6的下电极层61及上电极层64接收外部所传递的驱动电压及驱动信号(未图示)后，下电极层61及上电极层64将接收外部所传递的驱动电压及驱动信号传导至压电层62，此时压电层62接受到驱动电压及驱动信号后，因压电效应的影响开始产生形变，其形变的变化量及频率受控于驱动电压及驱动信号。而当压电层62开始受驱动电压及驱动信号开始产生形变后，得以带动第三基板4的振动部44开始位移，且压电组件6带动振动部44朝向一第一方向振动位移，以拉开与第二氧化层5之间的距离，其中第一方向为振动部44朝远离第二氧化层5的振动方向。如此，第二氧化层5的流体腔室51的容积得以提升，让流体腔室51内形成负压，得以吸取微流体致动器110外的流体由流体入口11进入其中，并导入第一氧化层3的汇流腔室32内。

再请继续参阅图1C，当振动部44受到压电组件6的位移时，第二基板2的共振部24会因共振原理影响，朝向第一方向位移，而当共振部24朝向第一方向位移时，得以压缩流体腔室51的空间，并且推动流体腔室51内的气体往第三基板4的流体通道41移动，让流体能够通过流体通道41排出。同时，在共振部24朝向第一方向位移而压缩流体腔室51时，汇流腔室32的容积因共振部24位移而提升，使其内部形成负压，得以持续吸取微流体致动器110外的流体由流体入口11进入其中。

最后请参阅如图1D所示，压电组件6带动第三基板4的振动部44朝向一第二方向振动位移，其中第二方向为振动部44朝接近第二氧化层5的振动方向，且第一方向与第二方向为相反之两个方向，借此第二基板2的共振部24亦受振动部44的带动而朝向第二方向位移，同步压缩汇流腔室32的流体通过其穿孔21向流体腔室51移动，而微流体致动器110外的流体由流体入口11暂缓进入，且流体腔室51的流体推往第三基板4的流体通道41内，使流体通道41的流体排出微流体致动器110外。而第二基板2的共振部24亦受振动部44的带动朝向第二方向位移，同步压缩汇流腔室32的流体通过其穿孔21向流体腔室51移动。后续压电组件6再恢复带动振动部44朝向第一方向位移时，其流体腔室51的容积会大幅提升，进而有较高的汲取力将流体吸入流体腔室51(如图1B所示)。如此重复图1B至图1D的操作动作，即可通过压电组件6持续带动振动部44振动位移，且同步连动共振部24振动位移，以改变微流体致动器110之内部压力，使其不断地汲取、排出气体来完成微流体致动器110的流体传输动作。

请参阅图2A，于本案第一实施例中，微流体致动器装置200A，是由一承载板100、至少一微流体致动器110、至少一微控制器120、至少一电极接垫A、至少一电极接垫B、至少一电极接垫C、至少一电极接垫D以及至少一静电防护电路140(ESD,Electro StaticDischarge)组合而成。

值得注意的是，于本案第一实施例中，微流体致动器110是设置于承载板100上，用以输送流体，微流体致动器110是以微机电制程制出，但不以此为限。于其他实施例中，微流体致动器110的制程方式亦可依设计需求而调整(例如：半导体制程、微机电制程……等等)。

值得注意的是，于本案第一实施例中，微控制器120是设置于承载板100上，用以控制微流体致动器110的开启或关闭，但不以此为限。于其他实施态样中，微控制器120未设置于承载板100上，但通过电性连接至承载板100，用以控制微流体致动器110的开启或关闭，但不以此为限。此外，于本案第一实施例中，微控制器120的数量为一个，但不以此为限。于本案其他实施态样中，微控制器120的数量可调整为二个或二个以上。

值得注意的是，于本案第一实施例中，微流体致动器110的上电极层64与承载板100上的电极接垫A电性连接，微流体致动器110的下电极层61与承载板100上的电极接垫B电性连接；为了方便说明，于本案第一实施例中，将微流体致动器110以及与电极接垫A和电极接垫B做好电性连接的整体，定义为一微流体致动器元件130。

另值得注意的是，于本案第一实施例中，静电防护电路140未设置于承载板100上。如图2A所示，电极接垫A和电极接垫B设置于承载板100上，而静电防护电路140借由导线与电极接垫A和电极接垫B电性连接，但不以此为限，于其他实施态样中静电防护电路140的设置位置与数量可依设计需求而调整。

请参阅图2B，于本案第二实施例中，微流体致动器装置200B，是由一承载板100、至少一微流体致动器110、至少一微控制器120、至少一电极接垫C'和至少一电极接垫D'以及至少一静电防护电路140组合而成。

值得注意的是，于本案第二实施例中，微流体致动器110设置于承载板100上，用以输送流体，微流体致动器110以微机电制程制出，但不以此为限。于其他实施例中，微流体致动器110的制程方式亦可依设计需求而调整(例如：半导体制程、微机电制程……等等)。

值得注意的是，于本案第二实施例中，微控制器120设置于承载板100上，用以控制微流体致动器110的开启或关闭，但不以此为限。于其他实施态样中，微控制器120未设置于承载板100上，但通过电性连接至承载板100，用以控制微流体致动器110的开启或关闭，但不以此为限。此外，于本案第二实施例中，微控制器120的数量是为一个，但不以此为限。于本案其他实施态样中，微控制器120的数量可调整为二个或二个以上。

值得注意的是，于本案第二实施例中，微流体致动器110的上电极层64与承载板100上的静电防护电路140电性连接，静电防护电路140再电性连接至电极接垫C'；微流体致动器110的下电极层61与承载板100上的另一静电防护电路140电性连接，该另一静电防护电路140再电性连接至电极接垫D'；为了方便说明，于本案第二实施例中，将微流体致动器110的上电极层64与下电极层61分别对应与二组静电防护电路140电性连接，电性连接后的二组静电防护电路140再分别与电极接垫C'和电极接垫D'电性连接，并与微流体致动器110的整体定义为一微流体致动器元件150。

另值得注意的是，于本案第二实施例中，静电防护电路140设置于承载板100上，通过电性连接于承载板100上的电极接垫C'或电极接垫D'之一，且与微流体致动器110电性连接，但不以此为限，于其他实施态样中，静电防护电路140的设置位置与数量可依设计需求而调整。

请参阅图3A，图3A所示为本案第一实施例的微控制器120的第一态样。微流体致动器装置300A的微控制器120的数量为一个，并设置于该承载板100上，通过电性连接至承载板100，用以控制该多个微流体致动器110的开启或关闭，但不以此为限，于本案其他实施态样中，微控制器120的数量可调整为二个或二个以上。

请参阅图3B，图3B所示为本案第一实施例的微控制器120的第二态样。微流体致动器装置300B的微控制器120A和微控制器120B的数量共为二个，并分别设置于该承载板100的上端与下端，通过电性连接至承载板100，用以控制该多个微流体致动器110的开启或关闭，但不以此为限，于本案其他实施态样中，微控制器120A和微控制器120B的位置可依设计需求而调整。

请参阅图3C，图3C所示为本案第一实施例的微控制器120的第三态样。微流体致动器装置300C的微控制器120A和微控制器120B的数量共为二个，并分别设置于该承载板100的左端与右端，通过电性连接至承载板100，用以控制该多个微流体致动器110的开启或关闭，但不以此为限，于本案其他实施态样中微控制器120A和微控制器120B的位置可依设计需求而调整。

请参阅图3D，图3D所示为本案第一实施例的微控制器120的第四态样。微流体致动器装置300D的微控制器120的数量为一个，并未设置于该承载板100上，但通过电性连接至承载板100，用以控制该多个微流体致动器110的开启或关闭，但不以此为限，于本案其他实施态样中，微控制器120的位置可依设计需求而调整。另值得注意的是，前述四种不同的微控制器120态样亦可组合于第二实施例中。

请参阅图4A，图4A所示为本案第一实施例的静电防护电路140的第一态样。静电防护电路140A包含一第一电位V1、一第一二极管D1、一第二二极管D2以及一参考电位V0。第一电位V1是由一系统电源(未图示)提供电力，系统电源可以是一直流电源、一弦波、一方波、一锯齿波、一脉冲波，但不以此为限。于其他实施例中，系统电源亦可依设计需求而改变。第一二极管D1的阴极与第一电位V1电性连接。第二二极管D2的阴极与第一二极管D1的阳极电性连接。参考电位V0是由该系统电源提供，亦是该电源系统的参考电位，并与第二二极管D2的阳极电性连接。

请参阅图4B，图4B所示为本案第一实施例的静电防护电路140的第二态样。静电防护电路140B包含一第二电位V2、一第三二极管D3、一第四二极管D4、一电阻R、一参考电位V0、一第三电位V3、一第五二极管D5以及一第六二极管D6。第二电位V2是由一系统电源(未图示)提供电力，系统电源可以是一直流电源、一弦波、一方波、一锯齿波、一脉冲波，但不以此为限。于其他实施例中，系统电源亦可依设计需求而改变。第三二极管D3的阴极与第二电位V2电性连接。第四二极管D4的阴极与第三二极管D3的阳极电性连接。电阻R介于25Ω～5000Ω之间，电阻R的一端与第四二极管D4的阴极及第三二极管D3的阳极电性连接。参考电位V0是由该系统电源提供，亦是该电源系统的参考电位，并与第四二极管D4的阳极电性连接。第三电位V3是由该系统电源提供电力，系统电源可以是一直流电源、一弦波、一方波、一锯齿波、一脉冲波，但不以此为限。于其他实施例中，系统电源亦可依设计需求而改变。第五二极管D5的阴极与第三电位V3电性连接。第六二极管D6的阴极、第五二极管D5的阳极及电阻R的另一端电性连接。最后，参考电位V0再与第六二极管D6的阳极电性连接。

请参阅图5A，于本案第一实施例中，微流体致动器装置400A是以静电防护电路140的第一态样的示意图，值得注意的是，静电防护电路140A未设置于承载板100上，但通过电性连接于承载板100上的电极接垫A或电极接垫B，但不以此为限。于本案其他的实施例中，微流体致动器元件130的电极接垫A可以仅接一组静电防护电路140A，而微流体致动器元件130的电极接垫B不接静电防护电路140A；或是，微流体致动器元件130的电极接垫A不接静电防护电路，而微流体致动器元件130的电极接垫B仅接一组静电防护电路140A；亦或是，多组微流体致动器元件130的电极接垫A或电极接垫B的一仅共接一组静电防护电路140A；亦或者，多组微流体致动器元件130的电极接垫A和多组微流体致动器元件130的电极接垫B仅共接一组静电防护电路140A。

请参阅图5B，于本案第一实施例中微流体致动器装置400B是以静电防护电路140的第二态样的示意图，值得注意的是，静电防护电路140B未设置于承载板100上，但通过电性连接于承载板100上的电极接垫A或电极接垫B，但不以此为限。于本案其他的实施例中，微流体致动器元件130的电极接垫A可以仅接一组静电防护电路140B，而微流体致动器元件130的电极接垫B不接静电防护电路140B；或是，微流体致动器元件130的电极接垫A不接静电防护电路，而微流体致动器元件130的电极接垫B仅接一组静电防护电路140B；亦或是，多组微流体致动器元件130的电极接垫A或电极接垫B仅共接一组静电防护电路140B；亦或者，多组微流体致动器元件130的电极接垫A和多组微流体致动器元件130的电极接垫B仅共接一组静电防护电路140B。

请参阅图6A，本案第二实施例的微流体致动器元件150A的静电防护电路140是以第一态样静电防护电路140A呈现。微流体致动器元件150A包含一微流体致动器110、二组静电防护电路140A以、电极接垫C’和电极接垫D’。值得注意的是，于本案第二实施例中的第一态样静电防护电路140A与第一实施例中的静电防护电路140的第一态样相同，故不再冗述。另值得注意的是，于本案第二实施例中，微流体致动器110、二组静电防护电路140A以及电极接垫C’和电极接垫D’是模块化为一微流体致动器元件150A，即，是具有静电防护功能的微流体致动器110。

当微流体致动器110的上电极层64或下电极层61出现异常电压时，第一二极管D1将会导通，使异常电压导入电源系统，使得微流体致动器110不受突波电压而被破坏；而当微流体致动器110的上电极层64或下电极层61出现低于电源系统电压时，第二二极管D2将会导通，使正常的电源参考电压由电源系统导入微流体致动器110，使得微流体致动器110不受不稳定电压而被破坏。如此静电防护电路140可以保护微流体致动器110在高频高速做动时，避免遭受静电影响而造成损毁，亦可使微流体致动器110在稳定的工作电源下作动。另值得注意的是，于本案其他实施态样中，静电防护电路140的第一态样静电防护电路140A的数量可依设计需求而调整。

请参阅图6B，本案第二实施例的微流体致动器元件150B的静电防护电路140是以第二态样静电防护电路140B呈现。微流体致动器元件150B包含一微流体致动器110、二组静电防护电路140B、电极接垫C’和电极接垫D’。值得注意的是，于本案第二实施例的第二态样静电防护电路140B与第一实施例的静电防护电路140的第二态样相同，故不再冗述。另值得注意的是，于本案第二实施例中，微流体致动器110、二组静电防护电路140B以及电极接垫C’和电极接垫D’是模块化为一微流体致动器元件150B，即，是具有静电防护功能的微流体致动器110。

当微流体致动器110的上电极层64或下电极层61出现异常电压时，第五二极管D5将会导通，使异常电压导入电源系统，使得微流体致动器110不受突波电压而被破坏；而当微流体致动器110的上电极层64或下电极层61出现低于电源系统电压时，第六二极管D6将会导通，使正常的电源参考电压由电源系统导入微流体致动器110，使得微流体致动器110不受不稳定电压而被破坏。如此的静电防护电路140可以保护微流体致动器110在高频高速做动时，避免静电造成的损毁，亦可使微流体致动器110在稳定的工作电源下作动。另值得注意的是，于本案其他实施态样中静电防护电路140的第二态样静电防护电路140B的数量可依计需求而调整。

此外，第二态样静电防护电路140B更具有一电阻R，电阻R用以隔离内部静电与外部静电。其中，内部静电是指微流体致动器110内部于作动时，经高速高频作动，因流体输送时，流体与微流体致动器110内部摩擦而产生的静电，换言之，内部静电强调于微流体致动器110作动时产生的静电。借由第五二极管D5、第六二极管D6的设置，可将内部静电的影响降低。然而，外部静电是指如人为触碰或正常物理现象所累积的电荷所产生的静电，换言之，外部静电强调于非微流体致动器110作动时所产生的内部静电。外部静电可借由第三二极管D3及第四二极管D4将外部静电导出。并且通过一电阻R用以隔离内部静电与外部静电，达到改善静电对微流体致动器110所带来的破坏。

请参阅图7A，于本案第二实施例中，微流体致动器装置500A是以模块化的微流体致动器元件150A示意图。值得注意的是，微流体致动器元件150A是采用静电防护电路140的第一态样静电防护电路140A(如图6A所示)，静电防护电路140A是设置于承载板100上，通过电性连接于承载板100上的电极接垫C'或电极接垫D'，且微流体致动器110亦设置于相同的承载板100上。值得注意的是，微流体致动器元件150A的排列方式可以是单个、单行、单列、多个、多行、多列、阵列……等排列方式，但不以此为限，微流体致动器元件150A的排列方式可依设计需求而改变。另值得注意的是，于本案其他实施态样中，微控制器120的数量可调整为二个或二个以上。

请参阅图7B，于本案第二实施例中，微流体致动器装置500B是以模块化的微流体致动器元件150B示意图。值得注意的是，微流体致动器元件150B是采用静电防护电路140的第二态样静电防护电路140B(如图6B所示)，静电防护电路140B是设置于承载板100上，通过电性连接于承载板100上的电极接垫C'或电极接垫D'，且微流体致动器110亦设置于相同的承载板100上。值得注意的是，微流体致动器元件150B的排列方式可以是单个、单行、单列、多个、多行、多列、阵列……等排列方式，但不以此为限，微流体致动器元件150B的排列方式可依设计需求而改变。另值得注意的是，于本案其他实施态样中微控制器120的数量可依调整为二个或二个以上。

本案提供一微流体致动器装置，使用微机电半导体制程，并具有静电防护电路，微流体致动器装置借由微控制器的控制来达成流体输送目的，极具产业的利用价值，爰依法提出申请。

本案得由熟知此技术之人士任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如附申请专利范围所欲保护者。

【符号说明】

110：微流体致动器

1：第一基板

11：流体入口

2：第二基板

21：穿孔

22：第二上表面

23：第二下表面

24：共振部

25：固定部

3：第一氧化层

31：流体流道

32：汇流腔室

4：第三基板

41：流体通道

44：振动部

45：外周部

46：连接部

5：第二氧化层

51：流体腔室

6：压电组件

61：下电极层

62：压电层

63：绝缘层

64：上电极层

200A、200B、300A、300B、300C、300D、400A、400B、500A、500B：微流体致动器装置

100：承载板

120、120A、120B：微控制器

130、150、150A、150B：微流体致动器元件

140、140A、140B：静电防护电路

A、B、C、C'、D、D'：电极接垫

D1：第一二极管

D2：第二二极管

D3：第三二极管

D4：第四二极管

D5：第五二极管

D6：第六二极管

R：电阻

V0：参考电位

V1：第一电位

V2：第二电位

V3：第三电位