EP0951617B1 - Micropumpe mit eingebautem zwischenstück - Google Patents
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Classifications
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F04B43/04—Pumps having electric drive
- F04B43/043—Micropumps
- F04B43/046—Micropumps with piezoelectric drive
Definitions
- the invention relates to a micropump and its manufacturing process, this micropump comprising at least one base plate, at least one upper plate and an intermediate plate interposed between the two other plates and made of a machinable material so as to define a pumping, at least one fluid inlet control member for connecting the pumping chamber with at least one inlet of the micropump, and at least one fluid outlet control member for connecting the pumping chamber with at least one an outlet from the micropump, the pumping chamber comprising a movable wall machined in the intermediate plate, said movable wall being able to move in two opposite directions during the suction or expulsion of said fluid in the pumping chamber, the upper plate being provided with at least one orifice connecting a cavity with at least part of the movable wall, actuation means fixed on the free face of the upper plate being provided to move said movable wall in order to cause a periodic variation in the volume of the pumping chamber, said actuating means comprising an actuating plate made of a material which can be machined so as to
- one of the elements of the actuation means is constituted by an intermediate part which is intended to bring the piezoelectric device into contact with the movable wall of the chamber pumping.
- the fabrication by micro-machining of this intermediate part and its mounting in the micropump device require great precision in order to obtain a micropump operating in a safe and regular manner.
- FIG. 1 represents one of the embodiments of the micropump described in the aforementioned document.
- This micropump comprises a base plate 82, an intermediate plate 86, an upper plate 88, actuating elements 87 intended to cooperate with the piezoelectric device 80 and an intermediate piece 84 in the form of a pushpin connected by its flat head to the elements d actuation 87.
- the objective of the present invention is to provide a micropump having an intermediate part whose manufacture is simplified while making it possible to obtain a micropump operating in a reliable and constant manner.
- said actuating plate is made of a material which can be machined so as to define said cavity, an intermediate piece machined in the upper plate being fixed on the actuating plate of so as to establish contact with the movable wall.
- the manufacture of the intermediate piece from the upper plate avoids manufacturing the intermediate piece independently of all the other elements of the micropump so that this intermediate piece integrates perfectly into the micropump as will be explained later .
- FIGS. 1 and 2 represent only the central part of a micropump as it is delimited by the zone A of FIG. 1.
- the central part of this micropump comprises a base plate 1 and an upper plate 2 which are preferably made of glass such as Pyrex. Between these two plates 1 and 2 is interposed the intermediate plate 3 which delimits, with the base plate 1, the pumping chamber 4.
- the central part of the intermediate plate 3 constitutes a movable wall 5 intended to allow the variation of the volume of the pumping chamber 4 under the action of a piezoelectric device 6 surmounting the micropump.
- An actuating plate 7 is inserted and fixed between the piezoelectric device 6 and the upper plate 2 by creating a cavity 8 between the actuating plate 7 and the upper plate 2.
- a free face 9 of the upper plate 2 is preferably fixed, by anodic welding to a portion of the actuating plate 7, on either side of the cavity 8.
- the face free 10 of the actuating plate 7 is connected to the piezoelectric device, in the extension of the central part of the cavity 8.
- the central part of the actuating plate 7 constitutes a mobile zone 11.
- the cavity 8 is extended at the level of the upper plate 2 by a connection orifice 12 of annular shape surrounding an intermediate part 13 produced from the same original part as the upper plate 2.
- the cavity 8 also has an annular shape and surrounds a portion of the mobile area 11 fixed to the intermediate piece 13.
- the upper plate 2 is in simple contact, without fixing, with the wall mobile 5 (zone 16 forming a stopper) so as to block any movement of the mobile wall 5 beyond this contact zone.
- This fixing is preferably avoided by virtue of an insulating layer covering the zone 16 forming a stopper of the upper plate 2, this layer being for example made of silicon oxide.
- the upper plate 2 and the intermediate plate 3 are fixed, preferably by anodic welding, to one another in the contact zones located outside with respect to the intermediate cavity 14.
- the plates intermediaries 3 and actuation 7 are preferably made of a semiconductor such as silicon.
- the actuation means consisting in particular of the piezoelectric device 6, the intermediate piece 13 and the movable wall 5 are centered around the same axis.
- the intermediate part 13 and the upper plate 2 come from the same initial plate, it is understood that the manufacture of the micropump device is considerably simplified, that the problems of tolerance and compatibility between the various constituent elements of this micropump are strongly minimized or even eliminated.
- the thickness of the intermediate piece 13 being necessarily identical to the thickness of the upper plate 2, during assembly, the adjustment between the pieces of the micropump device is then possible with a high degree of precision.
- the first preferred embodiment illustrated in FIG. 2 provides that the intermediate plate 3 and the actuation plate 7 delimit a sealed space, composed of the cavity 8, the connection orifice 12 and the intermediate cavity 14, a partial vacuum that can be set up within this sealed space.
- the sealing of the aforementioned space is made possible by the very high precision adjustment between the parts making up the micropump (mobile zone 11 of the actuating plate 7, upper plate 2, intermediate part 13, and mobile wall 5) .
- the strict identity between the thickness of the intermediate piece 13 and the upper plate 2 is a very important characteristic for obtaining a good fit between the pieces, which allows the aforementioned space to be sealed.
- the presence of a partial vacuum in the sealed space 8, 12, 14 makes it possible to pull the movable wall 5 of the pumping chamber 4 in the direction of the upper plate 2.
- the sealed space 8, 12, 14 cannot be placed under partial vacuum, but a conduit 15 connects this sealed space outside the micropump.
- this conduit 15 is produced in the upper part of the actuating plate 7 and communicates with the cavity 8 by connecting the latter with the outside of the part of the micropump shown in FIG. 3 so that the 'space defined above has a pressure equal to that of the outer space into which the conduit 15 opens, this pressure may be atmospheric pressure.
- a favorable solution as long as the manufacturing technique provides, in the case of the first manufacturing process, that the machining of the connection orifice 12 is obtained by electroerosive machining process or EDM (Etectro Discharge Machining) , by ultrasonic or UD (Ultrasonic Drilling) machining process or by chemical attack on the glass.
- EDM Electronic Detectro Discharge Machining
- UD Ultrasonic Drilling
- connection orifice 12 and the intermediate piece 13 in two stages, it is possible, by machining the connection orifice 12 and the intermediate piece 13 in two stages, to obtain better precision on the ribs of the various elements of the micropump. so that it presents a more reliable operation.
- the partial machining of the upper plate 2 is carried out by an electro-erosive machining process (EDM) or by an ultrasonic machining process (UD).
- EDM electro-erosive machining process
- UD ultrasonic machining process
- connection orifice 12 and of the intermediate piece 13 is practiced by chemical attack on the upper plate 2.
- the metal layer or layers can be located on one or the other of the two faces of the upper plate 2: on the face undergoing the partial creation of the orifice 12 and of the part 13 or on the machined face upon completion of the creation of this orifice but in all cases this or these metal layers are on the side opposite to the actuation plate 7.
- FIG. 4A a layer of chromium 2a, followed by a layer of copper 2b, is deposited on the upper plate 2.
- FIG. 4B the upper plate 2 is machined so as to partially create the connection orifice 12 of the intermediate part 13, this partial machining not relating to the entire thickness of the upper plate 2.
- FIG. 4C which corresponds to step c) of the second manufacturing process, the actuating plate 7, already machined and having the cavity 8, is fixed to the upper plate 2, for example by anodic welding on the side opposite to that carrying the metal layers.
- FIG. 4C which corresponds to step c) of the second manufacturing process
- 4D illustrates step d) of the second manufacturing process and shows that an additional machining of the upper plate 2 makes it possible to complete the creation of the annular connection orifice 12 surrounding the intermediate piece 13 so that the connection orifice 12 communicates with the cavity 8 and that the intermediate piece 13 is integral with the actuation plate 7 at the level of the central zone of the mobile zone 11.
- a third method of manufacturing a micropump making it possible to minimize the thickness tolerances, in particular at the level of the upper plate 2 and of the intermediate piece 13, will now be presented in relation to FIGS. 5A to 5F.
- the retaining layer 18 allows the production, by machining in one step, of the connection orifice 12 and of the intermediate piece 3 while allowing the upper plate 2 and the intermediate piece 13 to remain completely made aligned during the manufacturing process.
- the retaining layer is a polymer or a metal and the plates constituting the micropump device are fixed together, if necessary, by anodic welding.
- a partial vacuum is established within the sealed space formed by the cavity 8, of the connection orifice 12 and of the intermediate cavity 14.
- a pipe 15 is connected connecting the sealed space formed by the cavity 8, the connection orifice 12 and the intermediate cavity 14 , this space being delimited by the intermediate plate 3 and the actuation plate 7, outside the micropump.
- the intermediate part 13 is fixed to the movable wall 5, for example by welding anodic.
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Claims (25)
- Mikropumpe mit zumindest einem Grundplättchen (1), zumindest einem oberen Plättchen (2) und einem Zwischenplättchen (3), das zwischen den beiden anderen Plättchen (1, 2) angeordnet ist und aus einem bearbeitbaren Material gebildet ist, so daß eine Pumpkammer (4), zumindest ein Teil zum Steuern des Eintretens eines Fluids zum Verbinden der Pumpkammer (4) mit zumindest einem Eingang der Mikropumpe und zumindest ein Teil zum Steuern des Austretens des Fluids zum Verbinden der Pumpkammer (4) mit zumindest einem Austritt der Mikropumpe gebildet sind, wobei die Pumpkammer eine in das Zwischenplättchen eingearbeitete bewegliche Wand (5) aufweist, welche sich während des Ansaugens des Fluids in die Pumpkammer (4) und der Austreibung derselben aus dieser heraus in zwei gegenläufige Richtungen zu bewegen vermag, wobei das obere Plättchen mit zumindest einer Öffnung (12) versehen ist, die einen Hohlraum (8) mit zumindest einem Teil der beweglichen Wand (5) verbindet, wobei Betätigungsmittel (6, 7, 13), welche an der freien Oberfläche (9) des oberen Plättchens (2) befestigt sind, vorgesehen sind, um die bewegliche Wand (5) zu bewegen, um eine periodische Veränderung des Volumens der Pumpkammer (4) zu bewirken, wobei die Betätigungsmittel ein Betätigungsplättchen (7) umfassen, das aus einem bearbeitbaren Material gebildet ist, wodurch ein beweglicher Bereich (11) vorgegeben wird, gekennzeichnet durch die Tatsache, daß das Betätigungsplättchen (7) aus einem bearbeitbaren Material besteht, um den Hohlraum (8) zu bilden; wobei ein Zwischenteil (13), das in das obere Plättchen (2) eingearbeitet ist, an dem Betätigungsplättchen (7) derart befestigt ist, daß es mit der beweglichen Wand (5) in Berührung kommt.
- Mikropumpe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Tatsache, daß das Zwischenteil (13) an der beweglichen Wand (5) befestigt ist.
- Mikropumpe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Tatsache, daß das Zwischenplättchen (3) und das Betätigungsplättchen (7) einen dichten Raum (8, 12, 14) abgrenzen.
- Mikropumpe nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Tatsache, daß man im Herzen des dichten Raums (8, 12, 14) teilweise einen Leerraum vorsieht.
- Mikropumpe nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Tatsache, daß eine Leitung (15) den dichten Raum (8, 12, 14) mit dem Außenraum der Mikropumpe verbindet.
- Mikropumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Tatsache, daß Mittel (16, 17) die Verschiebbarkeit der beweglichen Wand (5) einschränken.
- Mikropumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Tatsache, daß die Betätigungsmittel (6, 7, 13) insbesondere aus einer piezoelektrischen Vorrichtung (6) gebildet sind.
- Mikropumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Tatsache, daß das Grundplättchen (1) und das obere Plättchen (2) aus einem Glas wie etwa Pyrex gebildet sind.
- Mikropumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Tatsache, daß das Zwischenplättchen (3) und das Betätigungsplättchen (7) aus einem Metall wie etwa Silizium gebildet sind.
- Mikropumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Tatsache, daß die Betätigungsmittel (6), das Zwischenteil (13) und die bewegliche Wand (5) um eine gemeinsame Achse herum zentriert sind.
- Verfahren zum Herstellen einer Mikropumpe, wie sie im Anspruch 1 beschrieben ist, bei welchem man die folgenden Schritte durchführt:a) Bearbeiten des Betätigungsplättchens (7) in einer solchen Weise, daß man den Hohlraum (8) erzeugt,b) Befestigen des Betätigungsplättchen (7) an dem oberen Plättchen (2),c) Bearbeiten des oberen Plättchens (2) in einer solchen Weise, daß die Verbindungsöffnung (12) und das Zwischenteil (13) erzeugt werden,d) Befestigen der Einheit oberes Plättchen (2)-Betätigungsplättchen (7) an der Einheit Zwischenplättchen (3)- Grundplättchen (1), unde) Befestigen einer Betätigungsvorrichtung wie etwa einer piezoelektrischen (6), an dem Betätigungsplättchen (7).
- Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch die Tatsache, daß die Bearbeitung für die Verbindungsöffnung (12) mittels eines elektroerosiven Bearbeitungsverfahrens oder EDM (Bearbeitung mit elektrischer Entladung), mittels eines Bearbeitungsverfahrens mit Ultraschall oder UD (Ultraschallbohren) oder mittels chemischen Angreifens des Glases erfolgt.
- Verfahren zum Herstellen einer Mikropumpe wie sie im Anspruch 1 beschrieben ist, bei welchem man die folgenden Schritte durchführt:a) Bearbeiten des Betätigungsplättchens (7) in einer solchen Weise, daß der Hohlraum (8) erzeugt wird,b) Bearbeiten des oberen Plättchens (2) in einer solchen Weise, daß die Verbindungsöffnung (12) und das Zwischenteil (13) teilweise erzeugt werden,c) Befestigen des Betätigungsplättchens (7) an dem oberen Plättchen (2),d) Bearbeiten des oberen Plättchens (2) in einer solchen Weise, daß man die Erzeugung der Verbindungsöffnung (12) und des Zwischenteils (13) vollendet,e) Befestigen der Einheit oberes Plättchen (2)-Betätigungsplättchen (7) an der Einheit Zwischenplättchen (3) - Grundplättchen (1),f) Befestigen einer Betätigungsvorrichtung wie etwa einer piezoelektrischen (6), an dem Betätigungsplättchen (7).
- Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch die Tatsache, daß die teilweise Bearbeitung des oberen Plättchens (2) mittels eines elektroerosiven Bearbeitungsverfahrens oder EDM (Bearbeitung mit elektrischer Entladung) oder mittels eines Bearbeitungsverfahrens mit Ultraschall oder UD (Ultraschallbohren) erfolgt.
- Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, gekennzeichnet durch die Tatsache, daß die Vollendung der Erzeugung der Verbindungsöffnung (12) und des Zwischenteils (13) mittels chemischen Angreifens des oberen Plättchens (2) erfolgt.
- Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch die Tatsache, daß man auf einer Oberfläche des oberen Plättchens (2) eine oder mehrere metallische Schichten (2a, 2b) aufbringt, bevor man mit der Erzeugung der Verbindungsöffnung (12) und des Zwischenteils (13) beginnt, wobei die metallische Schicht oder die metallischen Schichten entfernt werden, nachdem man die Verbindungsöffnung (12) und das Zwischenteil (13) erzeugt hat.
- Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Schicht oder die metallischen Schichten auf derjenigen Oberfläche des oberen Plättchens (2) aufgebracht werden, die Ziel der teilweisen Erzeugung der Verbindungsöffnung (12) und des Zwischenteils (13) ist.
- Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichent, daß die metallische Schicht oder die metallischen Schichten auf derjenigen Oberfläche des oberen Plättchens (2) aufgebracht sind, die beim Vollenden der Erzeugung der Verbindungsöffnung (12) und des Zwischenteils (13) bearbeitet wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, gekennzeichnet durch die Tatsache, daß man eine Chromschicht (2a) und anschließend eine Kupferschicht (2b) aufbringt.
- Verfahren zum Herstellen einer Mikropumpe, wie sie im Anspruch 1 beschrieben ist, bei welchem man die folgenden Schritte durchführt:a) Aufbringen einer Erhaltungsschicht (18) auf einer Oberfläche des oberen Plättchens (2),b) Bearbeiten des oberen Plättchens (2) an der Oberfläche, die der mit der Erhaltungsschicht (18) in Verbindung stehenden Oberfläche entgegengesetzt ist, in einer solchen Weise, daß die Verbindungsöffnung (12) und das Zwischenteil (13) erzeugt werden, wobei die Erhaltungsschicht (18) ebenfalls, allerdings höchstens teilweise, bearbeitet werden kann,c) Befestigen des Betätigungsplättchens (7) an der Oberfläche des oberen Plättchens (2), die der in Verbindung mit der Erhaltungsschicht (18) stehenden Oberfläche entgegengesetzt ist,d) Entfernen der Erhaltungsschicht (18),e) Befestigen der Einheit oberes Plättchen (2) - Betätigungsplättchen (7) an der Einheit Zwischenplättchen (3) - Grundplättchen (1), undf) Befestigen einer Betätigungsvorrichtung, wie etwa einer piezoelektrischen (6), an dem Betätigungsplättchen (7).
- Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch die Tatsache, daß die Erhaltungsschicht (18) ein Polymer oder ein Metall ist.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 19, gekennzeichnet durch die Tatsache, daß die Plättchen durch Anodenschweißen befestigt werden.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 20, gekennzeichnet durch die Tatsache, daß man beim Befestigen der Einheit oberes Plättchen (2) - Betätigungsplättchen (7) an der Einheit Zwischenplättchen (3) - Grundplättchen (1) das Zwischenteil (13) an der beweglichen Wand (5) befestigt.
- Verfahren nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch die Tatsache, daß man maschinell eine Leitung (15) erzeugt, die den dichten Raum (8, 12, 14), der von dem Zwischenplättchen (3) und dem Betätigungsplättchen (7) begrenzt wird, mit dem Außenraum der Mikropumpe verbindet.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 22, gekennzeichnet durch die Tatsache, daß man im Herzen des dichten Raums (8, 12, 14) einen teilweise Leerraum vorsieht.
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