根据蠕动抽吸原则所工作的微型泵是在现有技术中所熟知的。由Li Cao等人 发表于Sensors and Actuators，A94(2001)，第117至125页的文章″使用微电机 系统技术的注射医药传输系统的设计与仿真(Design and simulation of an implantable medical drug delivery system using microelectromechanical systems technology)″，处理了包括一个入口，三个泵室，三个硅膜，三个一般 关闭活动阀，三个锆酸盐钛酸盐的压力叠堆启动器，介于这些泵室间的多个微通道， 以及一个出口的蠕动微型泵。这三个泵室是具有同样的尺寸并被刻蚀至一硅晶片 中。
由WO 87/07218也可了解蠕动微型泵是在一连续基质范围中具有三个膜区域。 在一支撑该基质与一相关背面层的支撑层中，形成一泵通道，其与一流体供应相连 接。在该泵通道中，在一入口阀与一出口阀的区域中，一转换支撑(rib)是形成 在一位于该非启动状态中的相关膜部分上，以关闭该入口阀，且该出口阀是于非启 动状态中。介于与该入口阀与出口阀有关的分离可启动膜区域之间，配置被个别启 动的第三个膜区域。通过启动该第三膜区域，介于该两阀区域间的腔室容积是增加 的。因此，以这三个膜区域的相关时序，便可达成介于入口阀与出口阀间的一蠕动 泵作用。根据WO 87/07218，该作用器组件是由包括金属膜，连续陶瓷层，与分段 电极配置的三个组件的组合而组成。该陶瓷层必须以一分段的方式被极化，这在技 术上是困难的。这样的一分段压力弯曲组件因此昂贵并仅形成一小的冲程容积，因 此这样的泵不能以一容忍气泡式(bubble-tolerant)与自吸式(self-priming) 的方式中作用。
从DE 19719862A1可知，微膜泵无法基于该蠕动原则而作用，其中连接泵室 的泵膜可以供过压力作用器而启动。该泵室流体入口与流体出口均设有被动检核 阀。根据此文献，该微型泵的压缩比率，即该泵膜的冲程容积对总泵室容积的比率， 这是根据与该阀几何与阀湿润度有关的该最大压力值所调整，其必须用来开启阀， 以让该微膜泵的容忍气泡式与自吸式操作进行。
除了该上述的压力作用器以外，其也可能使用静电作用器来操纵微型泵，其 中该静电作用器无论如何仅可形成一非常小的冲程。替代地，气动式驱动的操纵是 可能的，然而，就外部气动式而言其需要高耗费，就如同为此所需要的切换阀一样。 气动式驱动代表了昂贵、高成本以及空间密集的方式，以操纵膜偏斜。

本发明的目的是提供一种结构简单的蠕动微膜泵，且其允许容忍气泡式与自 吸式操作。
本发明提供一蠕动微型泵，包括：
一第一膜区域，带有用来启动该第一膜区域的第一压力作用器；
一第二膜区域，带有用来启动该第二膜区域的第二压力作用器；
一第三膜区域，带有用来启动该第三膜区域的第三压力作用器；以及
一泵体，其与该第一膜部分区域一起形成第一阀，其通道开口是在该第一 膜区域的未启动状态中开启，且其通道开口可由启动该第一膜区域而关闭，其 与该第二膜区域一起形成泵室，其容积可以启动该第二膜区域而减少，并与该 第三膜区域一起形成第二阀，其通道开口是在该第三膜区域的未启动状态中开 启，且其通道开口可由启动该第三膜区域而关闭；
其中该第一与第二阀是流体连通至该泵室；
其中在一冲程容积ΔV与一死区容积V0间，一传送压力PF，与大气压力P0 具有以下的关系：
ΔV/V0＞PF/P0，
其中该冲程容积ΔV是由该第二膜区域的启动所导致的该泵室的容积减少 值，其中该死区容积V0是在该第二膜区域的启动状态时存在于该阀的一开启的 通道开口与该另一阀的关闭的通道开口间的容积，且其中该传送压力PF为该泵 室中移动一液/气界面通过该蠕动微型泵中的瓶颈所需要的压力。
本发明因此提供一蠕动微型泵，其中该第一与第二阀是在未启动状态中开 启，且其中该第一与第二阀可以朝着该泵体移动该膜而被关闭，而该泵室的容 积是也通过朝着该泵体移动该第二膜区域而减少。
通过此结构，本发明蠕动微型泵可进行容忍气泡式与自吸式的操作，即使 配置在该膜上的压力组件是作为压力作用器。替代地，根据本发明，所谓的压 力叠堆也可用于压力作用器，然而因为其较大且昂贵，这对于压力薄膜转换器 是较不利的，而对该叠堆与膜之间的连结技术方面，以及对该叠堆的调整方面 产生问题，而要全部连接则是高耗费的。
为了确保本发明蠕动微型泵可在容忍气泡式与自吸式的方式中操作，其较 佳地是被尺寸化，以使得冲程容积与死区容积的比率大于该传送压力(传递压 力)与大气压力的比率，其中该冲程容积是由该泵膜所导致的该泵室的容积减 少值，该死区容积是该微型泵的入口开口与出口开口之间维持的容积，当该泵 膜是被启动，且该阀其中之一是被关闭，另一被开启时，该大气压力是大约为 1050百帕(hPa)的最大值(最差情况考量)，且该传送压力为在该微型泵的 流体腔室区域，也就是在该压力室中所需的压力，以移动一液/气界面通过一 在该为蠕动泵中代表流动束缩(瓶颈)的位置，换言之，是介于该泵室与该第 一或第二阀的通道开口之间，并包括该通道开口。
如果该冲程容积与死区容积的比率，其被称为压缩比率，满足上述的条件， 其确保该蠕动微型泵可以容忍气泡式与自吸式的方式操作。为了传送流体，该 蠕动微型泵的两方使用的应用，在一般为空气气泡的气体气泡到达该泵的流体 区域，且本发明微型泵是作为一气体泵使用时，当被传输的气体的水气是非故 意凝结时，一气/液界面便会在该泵的流体区域中产生。
满足上述条件的压缩比例，例如可利用将该泵室的容积具体化为是大于在 该各阀膜区域与对面的泵体部分之间所形成的阀室容积所实现。在较佳实施例 中，此是由膜与表面之间的距离所实现，且在该泵室区域中的泵室表面是大于 在该阀室中的区域。
本发明蠕动微型泵的额外增加的压缩比率，可以通过调整在该泵室中的泵 室结构至该泵膜弯曲线的轮廓而达成，换言之，在该启动状态的弯曲线轮廓， 因此开泵膜大体上可替代在启动状态中所有的泵室容积。此外，形成在泵体中 阀室的轮廓也可相应地调整至该个别对面膜部分的弯曲线，因此在最佳情况 中，该启动膜区域的大体上取代在关闭状态中的完全阀室容积。
附图说明
这些与其它的目的以及本发明的特点，将从后续结合附图的描述变得更清楚， 其中：
图1为在一流体系统中，本发明实施例的蠕动微型泵剖面示意图；
图2a至2f是用以说明压力膜转换器的示意图；
图3a至3c是用以说明该冲程容积与死区容积用词的剖面示意图；
图4是说明在一抽吸循环中，该容积/压力状态曲线图；
图5a至5c是用以说明该传送压力项目的示意图；
图6a至6c是本发明的替代实施例的微型泵示意图；
图7是图6b的区域放大的示意图；
图8是图7的一修正区域的放大剖面示意图；
图9a，9b与9c是可能的泵室设计的示意图；
图10a与10b是本发明的替代实施例的微型泵的示意图；
图11至图13为图10a与10b说明范例的修正的放大区域的剖面示意图；
图14是本发明另一替代实施例的微型泵的剖面示意图；
图15是本发明多重微型泵的示意图；以及
图16是本发明替代实施例的微型泵的示意图。

整合于流体系统中的本发明蠕动微型泵，其第一实施例是于图1中显示。 该微膜泵包括一具有三个膜部分12，14与16的膜组件10。每个膜部分12， 14与16分别装配有一压力组件22，24与26，并一起形成一压力膜转换器。 该压力组件22，24与26可以被胶合在该各膜部分上，或是以一屏幕印刷或其 它厚膜技术，形成于该膜上。
该膜组件结合于一泵体30外部区域的周围，因此在其之间有流体贴紧连 接的区域。在该泵体30中形成两流体通道32与34，而根据其抽吸方向，其中 之一代表流体入口，而另一个为流体出口。在图1显示的实施例中，该流体通 道32，34是各自以一密封边缘36所包围。
此外，在图1显示的实施例中，该膜组件10的底部侧与该泵体30的顶部 侧是建构以限定出在它们之间的一流体腔室40。
在显示的实施例中，该膜组件10与该泵体30两者都是分别以一硅盘 (silicon disk)实施，因此这可用硅融合接合来彼此结合。如同从图1所能 看到的，在该膜组件10的顶部侧具有三个凹处，且在其底部侧具有一个凹处， 用以限定该三个膜区域12，14与16。
以该压力组件或压电陶瓷体22，24与26，该膜部分12，14与16可以在 朝向该泵体30的方向上各自被启动，因此该流体通道32与膜部分12是代表 了一入口阀62，其可通过启动该膜部分12而被关闭。同样的，该膜部分16与 该流体通道34是代表了一出口阀64，其可利用该压力组件26启动该膜部分 16而被关闭。最后，通过启动该压力组件24，可以减少在该阀间配置的泵室 区域42的容积。
在开始进行图1中所显示的蠕动微型泵的功能之前，在该流体系统的最初 环境，而将根据图1所装配的微型泵予以描述。该泵如图1中所显示，在一可 选择的支撑块50上胶合于该泵体30，并于该支撑块50中提供键槽52以容纳 过多的胶。这些键槽52例如是被提供在该支撑块50中所形成的流体通道54 与56周围，以容纳过多的胶，并避免其到达该流体通道54、56或该流体通道 32、34。该泵体是被胶合或结合至该支撑块，如此该流体通道32是与该流体 通道54流体连通，而该流体通道34是与该流体通道56流体连通。在该流体 通道54与56之间，也可于该支撑块50中提供一另外的通道58，作为横向裂 缝保护。在该流体通道54，56的外侧端，提供附件60，其可以例如于图1中 所显示的，用来在该流体系统中附加管道。此外，在图1中，一外罩61是概 要显示，其使用例如一胶合连接而与一支撑块50结合，以对该微型泵提供保 护，并以一湿润紧贴的方式完成该压力组件。
为了进行如图1中所显示的泵的蠕动抽吸循环的描述，首先是从一初始状 态开始，其中该入口阀是被关闭的，有关该第二膜部分14的泵膜是处于未启 动状态，且该出口阀64是被开启的。从此状态开始，通过启动该压力组件24， 该泵膜14是被朝下移动，其与该传送冲程有关，通过该冲程容积被传送通过 该开启的入口阀至该出口，换言之，该流体通道56。在该传送冲程期间，由该 冲程容积所形成泵室42的压缩，在该泵室中形成一正向压力，并随着流体流 过该出口阀而降低。
从此状态开始，该出口阀64被关闭，且该入口阀62是被开启的。接着该 泵膜14是通过结束该压力组件24的启动而朝上移动。该泵室便因此扩张，并 在该泵室中形成一负向压力，其再一次造成吸吮该流体通过开启的入口阀62。 接着该入口阀62是被关闭，且该出口阀64是被开启，因此再次达成该上述的 初始条件。通过该描述的抽吸循环，大体上与该膜部分14的冲程容积有关的 一流体容积，可因此从该流体通道54被注入该流体通道56。
根据本发明，较佳地是使用压力膜转换器或压力弯向转换器 (piezo-bending converters)作为压力作用器。这样的一个弯向转换器，在 当该压电陶瓷体的侧向尺寸大约为该下方的典型地包括边长为4毫米至12毫 米的膜的80％时，形成一最佳冲程，其可达成10微米偏斜的冲程，以及由此 的从0.1微升(μl)至10微升的冲程容积。本发明的较佳实施例至少包括于 此范围的冲程容积，因为，在这样的冲程容积中，可有利地操作容忍气泡式的 蠕动泵。
对于压力膜转换器而言，需被注意的是仅能有一朝下的有效冲程，换言之， 即是朝向该泵体。在此观点中，参照至图2a至2f的概要描述。图2a显示在 两侧表面上都带有金属化物102的一压电陶瓷体100。该压电陶瓷体较佳地是 具有一大的横向压电常数d31，并以图2a中的箭头方向被极化。根据图2a， 在该压电陶瓷体中是不存在电压的。
为了生产一压力膜转换器，于图2a中所显示的压电陶瓷体100是固定地 设置在一膜106上，以例如在图2b中所显示的胶合方式。该描述的膜为一硅 膜，其中然而该膜也可以使用其它的材料形成，只要其可以电传导的，举例而 言像是金属硅化物膜、金属箔片或是以双成分注射铸造传导所制造的塑料膜。
如果一正向电压U＞0，换言之，在极化方向上的电压，是被施加至该压电 陶瓷体，参照图2c，该压电陶瓷体便收缩。通过该压电陶瓷体100固定连接至 该膜106，该膜106便因此收缩而朝下偏斜，就如在图2d中以箭头所清楚表示 的一样。
为了造成该膜的一朝上移动的一负向电压，换言之，一相反于该极化方向 的电压，必须施加至该压电陶瓷体上，就如图2e中所显示。然而此导致已经 在低场强度中相反方向上的该压电陶瓷体的一去极化作用，就如在图2e中以 箭头所表示一样。典型的铅垂锆酸盐钛酸盐(plumb zirconate titanate，PZT) 陶瓷体的去极化场强度例如为-4000伏特/厘米(V/cm)。因此如图2f中所示， 该膜的一朝上移动，换言之，朝向该压电陶瓷体的方向便无法实现。
尽管由带有双层硅压力弯向转向器，即该压力膜转换器，的该压力影响的 非对称性质造成的不利因素，是仅有一活动的朝下移动，换言之，朝向该泵体 的方向是可被实现的，使用如此的一弯向转换器代表了本发明的一较佳实施 例，因为此转换器的形式具有许多优点。其中一部份，其在低能量耗费时，具 有大约1毫秒尺度的快速反应。此外，压电陶瓷体与膜的尺寸尺度可以横跨大 范围，因此一大的冲程(10微米至200微米)以及一大的力量(转换成压力为 104帕至106帕)便成为可能，其中在一大的冲程之下，可达到的力量便降低， 反之亦然。此外，所切换的媒介是通过该膜而从该压电陶瓷体所分离。
如果本发明的蠕动微型泵是被使用应用于一容忍气泡式中，其便需要自吸 (self-priming)操作，该微蠕动泵必须被设计成满足关于该限定为冲程容积 与死区容积的比率的压缩比率的设计准则。有关该冲程容积ΔV与该死区容积 V0的定义，首先参照图3a至3b。
图3a是概要显示具有一顶部表面的泵体200，其中一泵室202是被结构化 的。在该泵体200上方，概要显示一膜204，其是装配具有一入口阀压力作用 器206，一泵室压力作用器208以及一出口阀压力作用器210。通过该压力作 用器206，208与210，如在图3a中以箭头所显示一样，该膜204的分别区域 可以被朝下移动，即朝向该泵体200的方向。通过图3a中的线212，该膜204 所面对该泵体200的部分，即该泵膜，也同样的在其偏斜状态中显示，换言之， 由该泵室压力作用器208所启动。在该膜204的未偏斜状态与该膜204的偏斜 状态212之间的泵室容积差异，代表了该泵膜的冲程容积ΔV。
根据图3a，配置于该入口阀压力作用器206下方与该出口阀压力作用器 210下方的通道区域214与216，可以利用位于该泵体下方的各膜区域所启动 的个压力作用器而被关闭。图3a至3c仅为粗糙的概要描述，其中该个组件被 设计成可能关闭各阀开口。由此，一入口阀62与一出口阀64是再一次被形成。
在图3b中显示了一状态，其中该泵室202的容积是以启动该泵室压力作 用器208而减少，且其中该入口阀62是被关闭的。因此显示于图3b中的状态 代表从该出口阀64的一流体量喷出后的情况，其中介于该关闭的入口阀62与 该打开的出口阀64的通道开口之间的剩余流体区域容积，代表了关于该传送 冲程的死区容积，如在图3b中以阴影所表示的区域。对于一吸力冲程的死区 容积，其中该入口阀62是被打开的，而该出口阀64则被关闭，是以介于该关 闭的出口阀64与该打开的入口阀62的通道开口之间的剩余流体区域容积所定 义，如在图3c中以阴影所表示的区域。
于此观点，其应被注意的是该各死区容积是由该各关闭阀至该通道开口， 大体上在该泵室中发生一压力跌落，使得一个别容积改变的时刻所定义。以入 口与出口阀的一对称构造，较佳地为一双方向性(bi-directional)泵，用于 传送冲程与吸力冲程的死区容积V0为一致的。如果由为了一传送冲程与一吸力 冲程所造成的非对称性所形成的不同死区容积，就最差情况考量而论，在后续 中其是需要开始使用两死区容积中较大的一个，以确定该各压缩比率。
该微蠕动泵的压缩比率是以该冲程容积ΔV与该死区容积V0所计算：
ε＝ΔV/V0    第1式
在后续中，其会从一最差情况开始考虑，其中该完整的泵区域是以一压缩 流体(气体)所填充。在一蠕动泵中，像是以上已经叙述的蠕动抽吸循环中所 形成的容积/压力状态，显示于图4。在图4中，显示了该等温的容积/压力曲 线与该绝热的容积/压力曲线，其中，就最差情况而论，在后续中会从他们以 缓慢的状态改变所形成的等温条件开始。
在一传送冲程的开始时，当该流体区域中具有一容积V0+ΔV时，在入口阀 与出口阀之间存在一压力p0。从此状态开始，通过在该流体区域，换言的，该 泵室中形成一正向压力pp，该压力膜在由该冲程容积ΔV的传送冲程期间朝下移 动，因此在容积V0中具有压力p0+pp。在泵室中的正向压力由被传送通过该出口 的空气容积ΔV而降低，直到开始执行压力补偿。从该出口所流出的流体，与图 4中从该上方曲线至该下方曲线的跳跃有关。在该压力补偿结束时，其具有一 与吸力冲程起始点有关的状态p0，V0。从此状态开始，该膜便远离该泵体，换 言之，该压力室容积通过该冲程容积ΔV而扩展。因此，其是被改变成为在图4 中称为”扩展之后的吸力冲程”的状态p0-pn，V0+ΔV。由于存在的负向压力，一 流体容积ΔV是被吸引通过该入口开口，直到压力补偿被完成。流进入该泵室的 流体，与图4中从该下方曲线至该上方曲线的跳跃有关。在该压力补偿之后， 具有一状态p0，V0+ΔV，其再次与该吸力冲程的起始点有关。
在上述一般考量的状态，用于本发明的一般说明中，介于各吸力冲程与传 送冲程之间，该入口阀与出口阀的容积位移是被忽略的。
对一容忍气泡式而言，该传送冲程时的正向压力pp与在该吸力冲程时的负 向压力pn，必须分别地超过传送冲程的最小值以及低于该吸力冲程。换句话说， 在该传送冲程与吸力冲程时的压力强度，必须超过一最小值，其可以指明作为 传送压力pF。该传送压力为该压力室中的压力，其至少必须存在以移动一液/ 气界面，通过代表介于该泵室与包含该通道开口的第一或第二阀的通道开口之 间的流动束缩的位置。此传送压力也与此流动束缩的尺寸有关，这在后面的描 述将被表明。
当自由表面，像是在该泵中以气体泡泡(例如空气泡泡)的形式于流体区 域中移动的时候，其需要克服毛细力。所必须被施加以克服这样毛细力的压力， 是与该液体于该液/气界面的表面张力，与该新月型界面的最大曲率半径r1及 该最小曲率半径r2有关：
$\mathrm{\Delta p}=\sigma (\frac{1}{r_1}+\frac{1}{r_2})$
第2式
该被产生的传送压力是以第2式所定义，即是在该微蠕动泵的流动路径的 位置，于一液/气界面的曲率半径r1及r2的倒数，在一给定表面张力下的最大 数值。此位置是与该流动束缩有关。
为了描述，例如考虑一具有宽度d的通道220(图5a)，且该通道的高度 也为d。该通道在位于该阀膜或该泵膜下方的通道两端222具有一横断面改变。 在图5a中，该通道是完全以一液体224填充，并于箭头226的方向上移动。
根据图5b，一空气泡泡228现在在该通道220的输入处撞击改变的横断面 上。于此，产生一湿润角度θ。该湿润角度θ定义一新月型230的最大曲率半 径r1与一最小曲率半径r2，其移动通过该通道，其中在该通道的高与宽相等处 r1＝r2。在图5c中所描述的状态是当该空气泡泡或是该新月型230达到该通道 端点的改变横断面222。
如果这样的一通道代表了一流体系统在该最大毛细力所需要被克服的区 域，于此情况中所需要的压力于r1＝r2＝r＝d/2时，为：
$\mathrm{\Delta p}=\sigma \frac{2}{r}=\sigma \frac{4}{d}$
第3式
在本发明形式的微蠕动泵中，当这样的一通道代表了该泵的束缩时，由于 该小的几何尺寸，此压力障碍便不能被忽略。例如带有一线性直径为d＝50微 米与一空气/水的表面张力为σwa＝0.075牛顿/米(N/m)时，该压力障碍为Δ pb＝60百帕(hPa)，在一通道直径为d＝25微米中，该压力障碍为Δpb＝120百 帕(hPa)。
在本发明形式的微蠕动泵中，该说明的束缩无论如何通常将以阀膜与在开 口阀处的泵体(例如一密封边缘)的反面区域之间的距离所定义。此束缩代表 一具有对该高度来说的无限宽度的狭缝，换言之，r1＝r而r2＝无限。
从上述的第2式中，这样的一个通道造成后续结果：
$\mathrm{\Delta p}=\sigma \frac{1}{r}$
第4式
一般，在该最小曲率半径与该最小壁距离d之间的关系，是以下述关系给 定：

第5式
其中，Θ代表该湿润角度，而Γ代表两壁间的倾斜角度。
该最差情况，换言之，该最小曲率半径与该倾斜角及湿润角度无关，是在 当该正弦函数具有最大值的时候产生，换言之sin(90°+Γ-Θ)＝1。
此发生在例如在图5a至5c中所显示的横断面突然改变的时候，或倾斜角 度Γ与湿润角度Θ的组合时。在该最差情况中，即成为：
$r=\frac{d}{2}$
第6式
该最小发生壁距离之半，可因此考量成该最小发生曲率半径，是与该倾斜 角度Γ，湿润角度Θ或突然改变的横断面无关。
一方面，在一蠕动泵中，流体连接存在于具有给定通道几何尺寸的泵室与定 义该最低通道尺寸d的束缩之间。对于这样的通道，其具有：
$\mathrm{\Delta p}=\sigma \frac{4}{d}$
第7式
另一方面，该蠕动泵具有在该入口或出口阀处的束缩，其是以关于该阀冲程 的狭缝几何尺寸所定义。对此其具有：
$\mathrm{\Delta p}=\sigma \frac{2}{d}$
第8式
在其需要被克服的较大毛细力处的各束缩(通道束缩或在该打开状态的阀 束缩)，可被视为该为蠕动泵的流动束缩。
在本发明的一较佳实施例中，位于该蠕动泵中的连接通道是被设计成该通 道的直径至少超过该阀束缩的两倍，换言之，介于膜与该开口阀状态中的泵体 之间的距离。在这样的情况中，该阀狭缝代表了该微蠕动泵的流动束缩。举例 而言，以20微米的阀冲程，可以提供带有一例如束缩的最小尺度的50微米的 连接通道。该通道直径的上部限制是由该通道的死区容积所决定。
该需被克服的毛细力在该液/气界面的表面张力有关。此表面张力进一步 与该有关的搭档有关。对一汞/空气界面而言，该表面张力约为0.075牛顿/米 且轻微地随着温度变化。有机溶剂通常具有一明显低的表面张力，像是在一汞 /空气界面处的表面张力约为0.475牛顿/米。一设计用以克服在0.1牛顿/米 的表面张力所形成的毛细力的蠕动泵，因此适合用于一容忍气泡式 (bubble-tolerant)与自吸式(self-priming)中，抽吸所有已知的液体与 气体。替代地，本发明的微蠕动泵的压缩比率可相对应的较高，以让这样例如 为了汞所使用的泵也可达成。
随后所讨论的设计规则，用以传送气体与不可压缩液体，其中，在液体的 传送中，其必须从这样的最差状况开始，空气泡泡完全填充该泵室的容积。在 气体的传送中，其必须面对由于凝结所形成的液体可能到达该泵的情况。在后 续中，其是从该情况开始，该压力作用器是被设计成可以达到所有所需要的负 向压力与正向压力。
首先，先考虑一传送冲程。在该排除过程期间，该作用器膜压缩该气体容 积或是空气容积。该泵室中的最大正向压力pp是接着由该空气泡泡中的压力所 决定。其是从该空气泡泡的状态方程式所计算。
p0(V0+ΔV)γA＝(p0+pp)(V0)γA    第9式
该变量p0，V0，ΔV与pp已经在有关图4中说明。γA代表像是空气的气体的 绝热系数。上述方程式的左侧代表在压缩之前的状态，而右侧代表压缩之后的 状态。此外，在传送冲程的正向压力pp必须较该传送压力pF为大：
pp＞pF  第10式
现在，考虑一吸力冲程。该吸力冲程是因为该容积的开始位置而不同。在 该泵室中的负向压力的扩展发展之后，换言之，pn为负值：
p0V0 γA＝(p0+pn)(V0+ΔV)γA    第11式
第11式的左侧反应在该扩展之前的状态，而该右侧反应在该扩展之后的 状态。该传送冲程的负向压力pn必须较该所需要的负向传送压力pF为小。要被 注意的是，该正数值的传送压力是考虑为传送冲程，而负数值是考虑为吸力冲 程。其：
Pn＜pF  第12式
从该上述的方程式，对于容忍气泡式微蠕动泵用以传送冲程的所需要的 最小压缩比率为：
$ϵ<{\left(\frac{p_0}{p_0+p_F}\right)}^{\frac{1}{{\gamma }_A}}-1$
第13式
而该后续用以吸力冲程的压缩比率为：
$ϵ<{\left(\frac{p_0}{p_0+p_F}\right)}^{\frac{1}{{\gamma }_A}}-1$
第14式
如果该传送压力pF相对该大气压力p0而言为小的，该之前的方程式可被如 之后简化以与该点p0，V0线性相关：
传送冲程：
$ϵ>1-\frac{1}{{\gamma }_A}\frac{p_F}{p_0}$
第15式
吸力冲程：
$ϵ>1-\frac{1}{{\gamma }_A}\frac{p_F}{p_0}$
第16式
对于该吸力冲程与该传送冲程的有效方程式为：
$ϵ>1-\frac{1}{{\gamma }_A}\frac{\left|p_F\right|}{p_0}$
第17式
对于快速改变的状态，该情况是绝热的，换言之对空气而言γA系为1.4。 对于慢速改变的状态，该条件是等温的，换言之，γA是1。对于该最差状况假 设的应用，在后续中系使用γA＝1的临界值。因此做为该容忍气泡式微蠕动泵之 所需压缩比率的设计规则，其表示为该压缩比率较该传送压力对该大气压力之
$ϵ>\frac{\left|p_F\right|}{p_0}$
比率为大，换言之：
第18式
或是以容积表示：
$\frac{\mathrm{\Delta V}}{V_0}>\frac{\left|p_F\right|}{p_0}$
第19式
上面所指出的简化设计规则，是与图4中的等温状态方程式中，于该点p0， V0的正切值有关。
本发明微蠕动泵的较佳实施例是依此设计，因此该压缩比率满足上述的条 件，其中该当发生于蠕动泵中的通道束缩所具有的最小尺寸，是至少是该阀狭 缝的两倍时，该最小需要的传送压力是与在第8式中所定义的压力有关。替代 地，当该为蠕动泵的流动束缩细部以一狭缝而用一通道所定义时，该最小需要 的传送压力是与该第3或第7式中所定义的压力有关。
如果本发明的微蠕动泵被使用，当在该入口处的负向压力p1压力边界条件， 或是在该出口处的后方压力p2存在时，一微蠕动泵的压缩比率必须被相对应的 变大，以让泵可以抵抗这些入口压力或出口压力。该压力边界条件是以该微蠕 动泵所提供的应用所定义，且可能的范围为数百帕(hPa)至数千百帕(hPa)。 为了这样的情况，发生在该泵室中的正向压力pp或负向压力pn必须至少达到这 些后方压力，因此产生泵活动。举例而言，一独自可能的入口容器或出口容器 的50厘米高度差异，对水而言造成50百帕(hPa)的后方压力。
此外，该需求的传输率代意味着引起额外需求的边界条件。对一给予的冲 程容积ΔV，该传输率Q是以该重复的蠕动循环的操作频率f所定义：Q＝ΔV·f。 其中该周期为T＝1/f，都必须执行该蠕动泵的吸力冲程与传送冲程两者，特别 是该冲程容积ΔV必须被平移。对吸力冲程与传送冲程而言，该可获得时间因 此最大为T/2。需要用来传输该冲程容积通过该泵室供应线与该阀束缩的时间， 一方面是与该流动束缩有关，另一方面则与该泵室中的压力强度有关。
如果似泡沫(foam-like)的物质是以一发明的微蠕动泵所抽吸，其可能 需要克服如同上述的多数毛细力，因为产生许多对应的液/气界面。在这样的 情况中，该微蠕动泵必须被设计为具有一压缩比率，其可以产生对应高的传送 压力。
总结而言，其可被表示的是本发明的微蠕动泵的压缩比率，当在该微蠕动 泵中所需要的传送压力pF，除了该指出的毛细力之外，是进一步地与该应用的 边界条件有关时，其必须被对应较高地选择。其应被注意的是，于此是考虑有 关于该大气压力的传送压力，一正向传送压力pF是被假设于该传送冲程中，而 一负向的传送压力是被假设于该吸力冲程中。为了稳定操作的技术敏感度数 值，至少应为PF＝100百帕(hPa)的传送压力强度，是被假设用于一吸力冲程 与一传送冲程中。
考虑在泵出口处，例如为3000百帕(hPa)的后方压力，对照其应被抽吸， 根据第13式便得到ε＞3的压缩比例，其中是假设1013百帕(hPa)的大气压 力。
如果该微蠕动泵必须以一例如-900百帕(hPa)的非常大的负向压力抽吸， 根据上述第14式，便需要达到一ε＞9的压缩比而能够以这样的一个负向压力 作用。
能够实行这样的压缩比的蠕动微型泵范例，是于之后更详细地说明。
图6b显示一沿着图6a与6c中的b-b线，具有膜组件300与泵体302的 蠕动微型泵的概要横断面图，而图6a显示在该膜组件300的概要俯视图，且 图6c为该泵体302的概要俯视图。该膜组件300具有三个膜部分12，14与16， 且每个带有压力作用器22，24与26。在该泵体302中，一入口开口32与一出 口开口34再次形成，因此该入口开口32与该膜部分12一起限定了一入口阀， 而该出口开口34与该膜部分16一起限定了一出口阀。在该膜部分14下方， 一泵室304形成于该泵体302之中。此外，流体通道306也在该泵体302中形 成，其是与有关于该膜部分12与16的阀室308与310流体连通。于该实施例 所显示中，该阀室308与310是由该膜组件300中的凹槽所形成，其中，在该 膜组件300中，也同时形成贡献于该泵室304的凹槽312。
在图6a至6c中所显示的实施例中，该泵室容积304形体上是大于该阀室 308与310的容积。在显示的实施例中，其是以在该泵体302中所形成的一凹 陷的泵室形式结构所达成。该泵膜14的冲程较佳地是被设计为可以大量取代 该泵室304的容积。
于图6a至6c中所显示的实施例中，相对于该阀室容积所额外增加的泵室 容积，是以设计该泵室膜14较该阀室膜的面积(在该膜组件300或泵体302 的平面中)为大而达成，然而其无法良好的在图6a中呈现。因此，形成较该 阀室为具有较大面积的泵室。
为了减少介于该阀室308及310以及该泵室304之间的流动阻抗，该供应 通道306是建构在该泵体302的表面上。这些流体通道306提供一减低的流动 阻抗，而不明显的降低该蠕动微型泵的压缩比率。
在图6a至6c中所显示的替代实施例中，该泵体302的表面可以执行三个 步骤沉降的方法，以让泵室深度增加(与该阀室相比)，而该上方芯片大体上 为一非结构化膜。这样的二步骤沉降在技术上是较图6a至6b中所显示的实施 例而稍难实作。
图6a至6c中所显示一蠕动微型泵的实施例的示范尺寸如下：
该阀膜12，16的尺寸：7.3×5.6毫米；
该泵膜14的尺寸：7.3×7.3毫米；
膜厚度：40微米；
该入口或出口阀喷嘴32，34的直径：至少50微米
阀室高度：8微米；
该泵室高度：30微米
该阀密封边缘dDL的宽度：10微米；
可操作的全尺寸：8×21毫米；
该压力组件的尺寸：面积：0.8倍的膜尺寸，厚度：2.5倍的膜厚度；
该压力组件的厚度：100微米；以及
该开口32，34的开口横断面：100微米×100微米
于图6b中显示所描述的横断面的左侧部分的放大描述显示于图7中，其 中在图7中，该泵室304的高度H是被显示的。虽然，根据图7的描述，在该 泵体302与该膜组件300中所形成该泵室304的结构，具有相同的深度，其较 佳地是定义在该泵体302的结构中具有较在该膜组件中为大的深度，以提供具 有足够流动横断面的流动通道306，但不需要过度的妨碍该压缩比率。举例而 言，在该泵体302中的结构所提供的流体通道306，以及该泵体302可具有一 22微米的深度，而在该膜组件300中的结构所定义的阀室308或所提供的压力 室304可具有一8微米的深度。
图8描述图7的A部分的放大概要的修正形式横断面图。根据图8，该脊 部是从该开口32，于该通道306的方向配置。由此，容许的配置可以考虑到一 双侧的印刷方式。此外，可避免该晶片厚度的变异，在阀开口处所可能造成的 不同横断面尺寸，其便具有负向的影响。如在图8中所认清的，到该膜12的 距离x定义了该泵室与在开启阀位置的阀通道开口之间的流动束缩。
如同以上所说明，在该流体系统的区域中，需要一抽吸动作，一蠕动泵的 压缩比率便需要以形成一蠕动泵的泵室容积的方式，而被较大的选择，以保证 自吸式(self-priming)执行以及与容忍气泡式(bubble-tolerant)有关的 稳定操作。为了达成此目标，其较佳地是保持较小的死区容积，其可以通过调 整该泵室的轮廓或形状至在该偏斜状态中的泵膜的弯曲线所支持。
实现如此调整的一第一可能性，在于实施一球型泵室，换言之，一泵室的 周围形状是被调整至该泵膜的偏斜处。在该泵室与一具有如此泵室的泵体流体 通道部分的概要俯视图是显示在图9a中。再一次与图6c的描述相比，该流体 通道306产生至阀室的一流体连通，其例如可以一膜组件引导至该球型泵室330 而形成。
为了可以达成该死区容积的一进一步减少，并因此增加该压缩比率，在该 泵膜下方的泵室可被设计成其面对该泵膜的轮廓，是适切地依着该泵膜的弯曲 线。如此的泵室轮廓是例如以一相应形成的注入铸造工具或一凸起压印所达 成。一泵体340的概要俯视图，其中这样的一个依着该作用器膜的弯曲线的流 体腔室342是被结构化，并显示于图9b中。此外，在图9c中，于该泵体中所 形成，引导至或远离该流体腔室342的流体通道344，是被描述的。沿着图9b 中的线c-c的一概要横断面是于图9c中所显示，其中图9c中也描述具有一与 此相关的压力作用器348的膜346。一通过该流体通道344的流是在图9c中以 箭头350所指明。此外，在图9c中，该流体腔室或泵室342的轮廓352，面对 该膜346并适合该膜的弯曲线(在该启动状态)是可以被确认的。该流体腔室 352的形状，在以该压力作用器348所启动该膜346的时候，大体上让该流体 腔室342的完全容积被取代，借此达到一高压缩比率。
一蠕动微型泵的实施例，其中该泵室342与该阀室360两者都是被调适至 分别相关膜部分12，14与16的弯曲线，是显示于图10a与10b，其中图10b 显示在该泵体340上的一概要俯视图，而图10a显示沿着图10b中的线a-a的 概要横断面图。如在图10a与10b中所能得到的，该阀室360与362的形状与 轮廓，如以上关于该泵室342所说明的，是被调整至该分别相关膜部分12或 16的弯曲线上。如在图10b中可良好所见，流体通道344a，344b，344c与344d 是在一次于该泵体340中形成。该流体通道344s代表一输入流体通道，该流 体通道344b连接该阀室360至该泵室342，该流体通道344c连接该泵室342 至该阀室362，且该流体通道344d代表一输出通道。
如在图10a中所显示，在此实施例中的膜组件380，是一插入至该泵体340 中所提供的凹槽的非结构化膜组件，以与形成在该泵体340中的流体区域一起 定义该阀室与该泵室。
介于该作用器腔室连接通道344b与344d是被切换的，因此他们包括一与 该冲程容积相比为小的死区容积。在该同时间，这些流体通道明显的减少介于 该作用器腔室之间的流动阻抗，也可能提升该抽吸频率，并因此较佳地传输流 体，其中在一次以图10a中的箭头指出这样的流动。在该阀室360与362的区 域中，该流体通道是以该完全偏斜膜部分所启动膜部分12或16而被分离，因 此在该流体通道344a与344b间或该流体通道344c与344d之间的流体分离便 产生。该阀室的轮廓必须被正确地调整至该各膜部分的弯曲线，以达到一紧贴 的流体分离。替代地，如在图11中所显示，一脊部390可提供于位在该膜部 分12的最大冲程区域中的各阀室。更明确地，该脊部朝着该阀室的边缘向上 弯曲，以与该调整至该弯曲线的阀室形状一致。该脊部可以投影至该各阀室中， 其中替代地，如在图11中所显示，该连接通道344的深度是大于该膜部分12 的冲程y，在该膜部分邻近于该泵体处，因此该脊部390可以说是下陷。如果 该连接通道的深度是大于该最大冲程，这会让该压缩比率损失，但可形成在该 作用器腔室之间的低流动阻抗。
图12中显示一阀室360的替代实施例，其中该连接通道344的深度是小 于该膜部分12的最大冲程y，以及小于在该膜区域12的最大冲程区域中，调 适至该膜区域12的阀室360深度。由此，安全的密封可在该阀的关闭状态中 达成。
为了达到在满足预定压力要求的关闭状态的阀密封，其较佳地是在该阀室 360中提供一脊部390a，其不与跟该压力作用器22一已知作用器组件，也就 是该膜部分12的最大可能弯曲线重叠，就如在图13中所显示。该膜部分12 的最大可能弯曲线是在图13中以一虚线400显示，其中由于提供该脊部390a， 线410是与该膜部分12的最大可能偏斜有关。因此，当该脊部390是被密封 时，该膜12以在该完全偏斜状态的一残余力而座落于该脊部390a之上，其中 此残余力是被调整以满足该密封所抵抗的要求压力。
在实际操作中，该膜的弯曲线时常不是完好地与该膜中央同中心，例如由 于该压电陶瓷体的装设容忍，以及由于利用来将压电陶瓷体贴紧至该膜的使用 胶的非均值性。因此，该密封脊部的区域可以是轻微的，例如大概5至20微 米，随着抵抗该流体腔室的剩余部分而增加，与该作用器的冲程有关，以确保 带有该脊部的膜的安全接触，以及由此的安全密封。其是与图13中所显示的 状态有关。然而，其是被观察到由此的死区容积是增加的，而该压缩比率是减 少的。
替代该指出的可能性，像是硅的蠕动可变形材料可以在低于该可移动膜的 区域中至少作为流体腔室材料。通过作用器力量，其是被设计为相应大的，非 均值性便可被平衡。在这样的情况中，不再存在任何硬碰硬的密封，因此是有 一特定对于颗粒与沉积上的容忍度。
在之后，一蠕动泵的示范尺寸，就如同在图10a与10b中所显示，被简要 地指明。该膜部分12，14与16的厚度，以及由此的该膜组件的厚度，是如为 40微米，而该压力作用器的厚度例如为100微米。作为一压电陶瓷体，使用带 有一大的横向压电常数d31的锆酸盐钛酸盐(PZT)陶瓷体。该膜的侧边长度 例如为10毫米，而该压力作用器的侧边长度例如为8毫米。用起启动该具有 指出的尺寸的作用器的扬升电压例如为140伏特，其造成大约100至200微米 的一最大冲程，而伴随的泵膜冲程容积约为2至4微升。
通过该流体腔室设计为该膜的弯曲线的调整方式，用于蠕动泵的三个流体 腔室所需要的死区容积不再存在，因此仅剩余连接该阀室与该泵室的该连接通 道。如果带有一深度为100微米，宽度为100微米，长度为10毫米的流体通 道是被使用，则一用于该流体通道344b与344c的总体长度为20毫米，此造 成在一0.2微升的泵室死区容积。从此便可确定一压缩比率ε＝ΔV/V＝4微升/0.2 微升＝20。
以这样接近到20的大压缩比率，这样的流体模块为容忍气泡式与自吸式， 并可传输液体与气体。原则上，这样的流体泵可根据该压力作用气的设计，另 外建立许多用于压缩与液体媒介的压力棒(bars of pressure)。以这样的微 型泵，该最大可产生压力是不再受到该压缩比率而限制，但以该驱动组件的最 大力量与该阀的紧密度所决定。不过这些性质，每分钟些许毫升可以一低的流 动阻抗由适当的通道尺寸所传送。
在该上述的实施例中，所有的流体通道，即该入口流体通道344a与该出 口流体通道344d，是被侧向的胶合，也就是说该流体通道是在与该流体腔室相 同的平面中通过。如同以上前方所设置的，在这样的一个方向中，该通道的密 封是困难的。然而，其是有利地在该流体通道的侧方向中，该完全的流体系统， 包括连接至该入口流体通道344a及/或该出口流体通道344d的贮存器，是可 以一像是注入铸造工具或一凸起压印的制作步骤被制作。
在图14中，显示本发明的微蠕动泵的实施例，其中该入口流体通道412 与该出口流体通道414是于该泵体340中垂直凹陷。该流体通道412与414大 体上具有一垂直部分412a与414a，每个大体上在该相关膜部分12或16之下， 中央地引导至该阀室360或362。于图14中所显示的流体通道实施例的有利之 处，是在于该流体通道是以一定义方式所密封。然而，其不利之处是该垂直凹 陷的流体通道，就制程方面来说是难以生产的。
本发明的蠕动微型泵较佳地是以处于一接地势能的膜所控制，举例而言像 是金属膜或是半导体膜，而该压电陶瓷体是以一典型的蠕动循环，由每个被施 加至该压电陶瓷体的相关电压所移动。
除了该上述使用三个流体腔室342，360与362的微蠕动泵之外，本发明 蠕动微型泵包括另外的流体腔室，举例而言通过一流体通道422连接至该泵室 342的额外流体腔室420。这样的一个结构在图15中概要的显示，其中一第一 贮存器424是通过该流体通道344a被连接至该阀室360，一第二贮存器426是 通过一流体通道428被连接至该阀室420，而一第三贮存器430是通过该流体 通道344d被连接至该阀室362。
一带有四个流体腔室的结构，如在图15中所显示的，是形成例如一分支 结构或是一混合器，其中该混合流是主动被传送的。该扩张至带有四个相关流 体作用器的四个流体通道，如同在图15中所显示的，让三个蠕动泵得以实行， 其中介于所有贮存器424，426与430之间的每个泵方向是可以在双方向上操 作。以此，其可能使一单一膜组件覆盖所有的流体腔室与贮存器容器，其中一 分离的压力作用器是提供给每个流体腔室。因此，该完全的射流可被设计为非 常平坦，其中，包过流体腔室，通道，膜，压力作用器与支撑结构的有用的射 流结构，具有一总体上为200至400微米尺度的高度。因此，系统可能被整合 至芯片卡之中。此外，更弹性的射流结构也是可能的。
除了所显示的实施例以外，流体腔室可被任意地插入在一平面中。因此， 每个微蠕动泵可与不同的贮存器相关联，如随后供应试剂至一化学反应器中 (是如于一燃料胞元中)或为了一像是水分析的分析系统执行测定序列。
为了该压力膜转换器的创造，该例如为锆酸盐钛酸盐(PZT)陶瓷体的压 电陶瓷体可例如被胶合至该各膜部分上，例如以带有适当中介层的屏幕印刷的 方式。
本发明微蠕动泵的替代实施例，带有凹陷入口流体通道412与凹陷出口流体 通道414，显示在图16中。该入口流通道412大体上再一次在该膜部分12之 下，中央地引导一阀室442，其中该出口流体通道大体上在该膜部分16之下， 中央地引导一阀室444。该入口通道412与该出口通道414的分别开口为了一 密封边缘450做准备。此外，在该泵体440中形成一泵室452，其是以在壁454 中的流体通道，流体连结至该阀室442与444。根据图16中显示的实施例，该 三个膜部分12，14与16再一次形成一膜组件456。在此实施例中，无论如何 该膜部分是以一压力叠堆作用器460，462与464所驱动，其是可以位于该相 关膜部分之上。为这目的，如图16中所显示，该压力叠堆作用器是以采用远 离该泵体与膜组件的适当遮蔽部分470或472而被使用。
压力叠堆作用器为有利的，因为他们不需要被固定连接至该膜组件，因此 他们能够成为一调变结构。在这样不需固定连接的压力叠堆作用器中，当其启 动是被终止的时候，该作用器是不主动地拉回一膜部分。该膜部分的反转移动 仅可以由该弹性膜本身的反作用力而被取代。
本发明蠕动微型泵可使用许多不同的制造材料与造技术而被制造。该泵体是 例如由硅而产生，以注入铸造的方式制程，或是以精确工程切割的方式产生。 为了两阀与该泵室所形成该驱动部分的膜组件，可由硅而产生，由例如不锈钢 或是钛的金属薄片而产生，可以由一可塑的膜在为了传导覆盖的两成分注入技 术技术中所形成，或由一弹性体膜所执行。
膜组件与泵体的连接是一重要的课题，因位在此连接的高剪力可在该蠕动 泵的操作中发生。为了此连接，便产生后续的要求：
-紧贴；
-薄连接层(＜10微米)，因为该泵室的高度是影响该死区容积的临界设 计参数；
-机械耐久性；以及
-对于被传输媒介的化学阻抗。
在以硅作为基本结构与膜组件的情况中，可发生不需连接层的硅融合键 结。在一硅玻璃结合的情况中，较佳地是使用阳极键结。另外的可能性为共熔 晶片键结或晶片胶合。
如果由塑料所组成的基本结构，以及膜组件为一金属薄片，当作为在该膜 组件与基本结构之间的首先使用时，是可被切片的。替代地，高剪力强度胶的 胶合可发生，接着其中较佳地毛细终止沟槽便在该基本结构中产生，以避免在 该流体结构中的胶侵入。
如果膜组件与泵体都由塑料组成，超音波焊接是可为此的连接而使用。如 果该两结构之一为光学穿透的，替代的采用激光焊接所实行。在一弹性体膜的 情况中，该膜的密封特性被额外使用，以保证强制施加的密封。
在后续中，齐备简要的解释该膜至该泵体的一可能配置是如何在本发明的 微蠕动中实行。在本发明的微型泵中，如果该膜是被胶合至该泵体，其要被注 意地是连结层材料(例如，胶)的剂量为临界的，因为一方面该膜必须被完全 的贴紧(换言之，必须施加足够的胶)，而另一方面在该流体腔室中的多余胶 侵入必须被避免。
该连接层材料，其可为胶或是一黏着剂，是被施加在该连接层上，例如以 免除或是以一相应形状压印的方式。在该连接层材料的施加后，该膜是装载在 该基本主体之上。可能的毛边，其例如是当修边时在该膜的边缘所产生，为了 该毛边而找寻一相关贮藏器中的空间，因此该膜的一定义位置是被确定的，特 别是在垂直于其表面的方向上，其对于该死区容积与紧贴度为重要的。
接着其是以一压印被压制该泵体之上，因此该胶层尽可能为维持薄的与清 晰的。为了考虑到超过的胶，一毛细终止沟槽可在该泵体中形成的该流体区域 周围所提供。因此，这样多余的胶不能到达该流体腔室。在这些情况下，该胶 是以一明确与薄的方式而处理。该处理可在室温时执行，或在该烤箱以加速的 方式或以使用紫外线处理胶的紫外辐射进行。
替代该描述的胶技术，以适当溶剂与基本主体的塑性膜，所进行的基本主 体或泵体的部分方案，可以作为连接技术来实行。