047_093-098AP-TW

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047_093-098AP-TW

發佈日期 : 2009-04-29

發明專利說明書


※申請案號：093135095	※I P C 分類：

一、	發明名稱：
	微閥門(全文下載)

二、

中文發明摘要：

一種微閥門，適用於控制微流體之運動方向，包含：一前後貫通之閥門管道、至少一位於該閥門管道之內周面底側並呈鋸齒狀的下擋件，及至少一位於該下擋件後方並固設於該閥門管道之內周面頂側且呈鋸齒狀之上擋件。藉此，所述微流體由前流入閥門管道中，受該下、上擋件之導引而彎曲順流出閥門管道，但如微流體由後往前流經閥門管道時，微流體受該上、下擋件之阻擋而阻礙部分微流體往前流動以降低逆向之流量。亦即藉由該上、下擋件之鋸齒狀的前後不對稱性，使不同流向之微流體受到不同之阻力，而具有單向閥之效果。

三、

英文發明摘要：

四、	指定代表圖：
	(一)本案指定代表圖為：第4圖
	(二)本代表圖之元件符號簡單說明：
	2．．．微閥門
	3．．．閥門管道
	4．．．前連接管道
	41．．．阻擋壁
	5．．．後連接管道
	6．．．下擋件
	61．．．長斜面
	62．．．短斜面
	7．．．上擋件
	71．．．長斜面
	72．．．短斜面

五、	本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：

六、	發明說明：
	【發明所屬之技術領域】
[n]	本發明是有關於一種微閥門，特別是指一種用於控制微流體之流動方向的微閥門。
	【先前技術】
[n]	一般微閥門(Microvalve)是晶片微流道中用來控制微流體運動方向的主要裝置。一般微閥門之設計都具備可活動之元件，並以此可活動元件之開或關來達成對微流體運動方向的控制。但在微管道內製造活動元件不僅技術難、成本高，且微閥門的動件易受流場分子的阻塞或受自然磨耗而失靈。相對的，無動件之微閥門由於無活動元件，故可避免上述之缺點。
[n]	現有無動件閥有兩大類：有如圖1所示之Tesla Valve，及圖2所示之Diffuser Valve，其工作原理是利用特定流道的不對稱性使得流體在不同方向流動時受到不同的阻力，由於此種阻力的雙極性(Diodicity)使得此特定流道在相同的壓差之下，正反方向的流量不同，因此有單向閥的效果。
[n]	圖1所示為Tesla T45無動件閥11，其具有一直向之第一管道111、一連通該第一管道111末端並與該第一管道111延長線方向呈45°的第二管道112，及一由該第一管道111與第二管道112銜接處彎曲插接至該第一管道111中段之迴轉管道113，當流體順向由第一管道111流入，再由第二管道112流出時，阻力較小。反之，由第二管道112逆向流入，由第一管道111流出時，有部分流體流經迴轉管道113，阻力較大。
[n]	圖2所示為Diffuser Valve13，其是於一前後貫通之管道131中形成一由前往後漸縮之喉部132。因喉部132之構造型狀的前後不對稱性。使其由前往後為順向，流動阻力小，由後往前為逆向，流動阻力大。因順向及逆向之阻力不同，於相同之壓差下，流量不同因而有單向閥之效果。
	【發明內容】
[n]	因此，本發明之主要目的，即在提供一種具有構造較簡單、雙極性較大等優點的微閥門。
[n]	本發明之另一目的即在於提供一種以上述之微閥門組成之微泵浦。
[n]	於是，本發明微閥門，適用於控制微流體之運動方向，包含：一前後貫通之閥門管道、至少一位於該閥門管道之內周面底側並呈向後斜上之鋸齒狀的下擋件，及至少一位於該下擋件後方並固設於該閥門管道之內周面頂側且呈向後斜下之鋸齒狀上擋件。
[n]	該下擋件具有一由閥門管道內周面底側向後斜上延伸之長斜面，及一由該長斜面後端緣向下延伸至閥門管道內周面之短斜面，該下擋件之長斜面長度是大於該短斜面之長度。
[n]	該上擋件具有一由閥門管道內周面頂側向後斜下延伸之長斜面，及一由該長斜面後端緣向上延伸至閥門管道內周面之短斜面，該上擋件之長斜面長度是大於該短斜面之長度。
[n]	藉此，所述微流體由前流入閥門管道中，微流體先經過該下、上擋件之長斜面再經過該短斜面流出閥門管道，但如微流體由後往前流經閥門管道時，微流體先經過該上、下擋件之短斜面後流過其長斜面流出閥門管道，由於該等長、短斜面之前後不對稱造成在相同壓差下，微流體由後往前流動時之流量，與微流體由前往後流動時之流量不同，因而有單向閥之效果。
[n]	本發明微泵浦包含：一可受外力控制而改變其內部密閉容積的震動腔及裝設於該震動腔上之二微閥門。
[n]	該等微閥門可區分為第一微閥門與第二微閥門，該第一微閥門之後連接管道後端連通於該震動腔上，而第二微閥門之前連接管道前端連通該震動腔。
[n]	該震動腔先被驅動而增加其內部之容積空間，微流體經由第一、第二微閥門被吸入震動腔中，且因第一微閥門是順向流入，由前吸入較多之微流體，之後震動腔被驅動而減低其內部之容積空間，微流體經由第一、第二微閥門被擠出震動腔外，且因第二微閥門是順向流出，往後擠出較多之微流體，藉此，吸入時經第一微閥門吸入較多之微流體，排出時經第二微閥門排出較多之微流體的方式，將微流體由前往後抽取流動。
	【實施方式】
[n]	有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
[n]	參閱圖3及圖4，本發明微閥門2之一較佳實施例，適用於控制微流體之運動方向，並包含一前後貫通之閥門管道3、分別銜接於該閥門管道3前端與後端的一前連接管道4與一後連接管道5、至少一位於該閥門管道3之內周面底側並呈向上凸伸之鋸齒狀的下擋件6，及至少一位於該閥門管道3之內周面頂側並呈向下凸伸之鋸齒狀的上擋件7。
[n]	該閥門管道3之管徑較該前連接管道4及後連接管道5之管徑大，而該前連接管道4及後連接管道5之管徑相同，該前連接管道4是前後延伸地連接於該閥門管道3前端，該前連接管道4之內周面底側後端水平銜接於該閥門管道3內周面之底側前端，而由於該前連接管道4管徑較小，其內周面頂側後端與該閥門管道3頂側前端是以一鉛直之阻擋壁41封合。
[n]	該後連接管道5是前後延伸地連接於該閥門管道3之後端，該後連接管道5之內周面頂側前端與該閥門管道3之頂側後端水平銜接，該後連接管道5之內周面下底側緣是呈往前斜下漸擴形狀以銜接該閥門管道3之內周面底側後端。
[n]	該下擋件6具有一由該閥門管道3內周面底側向後斜上延伸之長斜面61，及一由該長斜面61後端緣向下延伸至閥門管道3內周面底側的短斜面62。該長斜面61之長度須大於該短斜面62之長度，該下擋件6之高度與該前、後連接管道4、5之管徑相同，亦即該下擋件6之頂端與該閥門管道3內周面頂側之間距器等於該阻擋壁41之高度。
[n]	該上擋件7具有一由閥門管道3內周面頂側向後斜下延伸之長斜面71，及一由該長斜面71後端緣向上延伸該閥門管道3內周面頂側的短斜面72。該長斜面71之長度須大於該短斜面72之長度，該上擋件7是位於該下擋件 6後方，且該上擋件7之高度亦與該下擋件6之高度相同，也就是該上擋件7之底端與該閥門管道3內周面底側之間距亦與該阻擋壁41之高度相同。於本實施例中，該下、上擋件6、7是以鋸齒狀之塊體具體實施，但亦可以二板體以銳角角度互相接合以達到形成鋸齒狀外型，因此其實施上不以上述之方式為限。
[n]	藉此，所述微流體如圖5所示地順向地由前向後流入閥門管道3 中，受該下、上擋件6、7之長斜面61、71導引而順流出閥門管道3。微流體於流經下、上擋件6、7時，於阻擋壁41後方、下擋件6之短斜面62後方及上擋件7之短斜面72的後方都會形成分離區200(Separation Region)，於分離區200中會形成逆流(Reversed Flow)，使微流體承受分離損失(Separation losses)，而此時在長斜面61、71之表面之流體基本上並無分離現象。
[n]	如微流體如圖6所示地逆向由後往前流經閥門管道3時，微流體受該上、下擋件7、6之短斜面72、62阻擋而造成在長斜面61、71表面之流體產生分離，形成在該上擋件7之長斜面71下方、該下擋件6之長斜面61上方及前連接管道4內周面之頂側都形成大區域的分離區200，此時微流體所受之阻力較順向流動時之阻力為大，在進出口端壓力差大小相同時，使逆向的流量較順向流量小。
[n]	藉由流體於順向及逆向流動時，會受到不相同的阻力，此即所謂雙極性。雙極性之物理量可用閥門管道3之前後端的壓降比值來定義，在固定流量的條件下，其定義為：
[n]
[n]	其中，為逆向時閥門管道3後端及前端間之壓降，為順向時閥門管道3前、後端間之壓降。依此定義，當>1時，代表逆向的壓降大於順向的壓降，也代表逆向的流道阻力大於順向的流道阻力，因此，在相同壓差下，順向流與逆向流之間的流量不同，使其具有單向閥之效果。亦即雙極性越大，順向流與逆向流之間的流量差異越大，其單向閥之效果越佳。
[n]	參閱圖4，以下續針對本發明微閥門2之元件的外型設計參數以實驗結果及數據說明相關參數，致使本發明可達到大雙極性的目的。於討論之前先說明雷諾數之定義，假設微流體密度是ρ，前連接管道4內微流體之平均流速是U，參考長度是L，μ是微流體黏滯係數，則雷諾數Re之數學是可表示為
[n]
[n]	在本實施例說明中，是以水當工作流體，密度及黏滯係數為一定值，前連接管道4之高度H為單位長度(L=H)。因此雷諾數可寫成
[n]
[n]	由上式中可得知雷諾數與參考流速成正比，也就是說雷諾數的大小與流量是成一比例關係。
[n]	然後，先假設該前、後連接管道5及閥門管道3之截面形狀是長方形且寬度相同，再界定出相關設計參數，本發明之外型設計參數包含(1)該上、下擋件7、6之長斜面71、61與閥門管道3之內周面間之夾角α。(2)該上、下擋件7、6之短斜面72、62與一鉛垂線間之夾角β。(3)該下擋件6之後端與上擋件7前端間之水平距離Hx。(4)該下擋件6之頂端與閥門管道3 之內周面頂側間之間隙距離(亦等於上擋件7之底端與閥門管道3之內周面間之間隙距離)Hy。(5)前、後連接管道5之高度(亦等於上、下擋件7、6之垂直高度)H。(6)下擋件6之數量N(上、下擋件7、6之數量是相等的)。
[n]	針對該上、下擋件7、6之長斜面71、61與閥門管道3之內周面間之夾角α作討論，而其他參數需先訂定為β=0。、H _x=0，H _y=0.5單位長度(H)，N=1，Re=100，之後以流場數值模擬分析，分析不同之α角下，逆向時閥門管道3後端及前端之壓降，及順向時閥門管道3前、後端間之壓降，並計算出如圖7所示的不同α角時之雙極性變化曲線圖，由圖中可明顯看出於α角等於26.6度時，其雙極性有最大值，約為1.28，因此，α角之數值取為26.6度。
[n]	接著，以相同方式，分別針對該下擋件6之後端與上擋件7前端間之水平距離H_x作討論，而其他參數需先訂定為α=26.6°、β=0°，H _y=0.5H，N=1，Re=100，計算出如圖8所示的不同H_x時之雙極性變化曲線圖，由圖中可明顯看出於H_x等於0.5H時，其雙極性有最大值，約為1.37，因此，H_x之數值取為0.5。由上述之方式可分析出當α=26.6°、H _x=0.5，其雙極性有最大值。
[n]	之後以相同方式，針對該下擋件6之頂端與閥門管道3之內周面頂側間之間隙距離H_y作分析而繪製出圖9，由圖中可看出H_y越小，其雙極性越大，但H_y是該下擋件6之頂端與閥門管道3之內周面頂側間之間隙距離，如間隙距離過小，反而同時提高正、逆流向之壓差，造成微流體流場之阻力過大，且H _y=0相當於流道封閉，阻力無限大，故不宜選擇。因此選擇H_y之數值約為0.5H。
[n]	對於該上、下擋件7、6之短斜面72、62與一鉛垂線間之夾角 β作分析時，繪製出如圖10所示之曲線圖，由圖10中可知β角之角度越大時有越大之雙極性，但當夾角β如圖5所示大於0度時，該上、下擋件7、6之前、短斜面71、72、61、62連接處所形成之銳角過於尖銳，結構上較為脆弱，為顧及其使用壽命及耐用程度，選取夾角β為0度，亦即該上、下擋件7、6之短斜面72、62式垂直於該閥門管道3之內周面上。
[n]	最後針對下、上擋件6、7之數量N作分析以計算出不同條件時之雙極性，而繪製作出圖11，由圖11中可明顯看出下擋件6之數量(或上擋件7之數量)N增加時，雙極性亦呈指數型函數式增加，亦即其雙極性之增加有一上限，因此為降低其製作成本，及簡化本發明之構造，選取下擋件6之數量N不大於3(N≦3)。
[n]	最後，將本發明之微閥門2與先前技術中之T45無動件閥於不同雷諾數下以流場數值模擬分析比較其雙極性。同時，分析不同上、下擋件7、6數量N的微閥門2之雙極性，分析之結果繪製成圖12，圖中可明顯看出本發明之微閥門2的雙極性較習知之T45無動件閥效果好，且結構亦較簡便。此外也證明得知上、下擋件7、6之數量N越大其雙極性也越大，即單向閥之效果越好。
[n]	另外，參閱圖3，本發明微閥門2可以精密切割的方式或微顯影蝕刻方式於一基板201上刻出上述管道及元件之外型，再以另一上板202封蓋而成。且上述二種方式是目前工業界普遍使用且成熟之技術，利用該等技術可提高生產良率，亦可大量生產製造，降低生產成本。
[n]	本發明之另一目的即在於以上述之微閥門2組成一微泵浦，該微泵浦包含：一可受外力而改變內部容積的震動腔8，及二分別裝設於該震動腔8上的二微閥門2。
[n]	該震動腔8可以一壓電薄膜81以改變其容積，或是以一活塞式震動腔8改變其容積，由於該震動腔8是一般微泵浦中常見之元件，以下是以壓電式薄膜81震動腔8為例作說明，但實施上不以此為限。該壓電式震動腔8包括一具有一上開放端之槽室82，及一蓋覆於該槽室82之上開放端且可受外力驅動而上下鼓動的薄膜81。
[n]	該二微閥門2可區分為第一微閥門21及第二微閥門22。該第一微閥門21之後連接管道5後端連通於該震動腔8之槽室82內上，而第二微閥門22之前連接管道4前端連通該震動腔8之槽室82內。
[n]	藉此，當須將第一微閥門21前端之微流體抽取至第二微閥門22 之後端時，該壓電式薄膜81震動腔8之薄膜81先被驅動而如圖13所示地向上鼓起，微流體經由第一、第二微閥門22被吸進震動腔8之槽室82中，由於吸入的過程中，經第一微閥門21之微流體是順向流入，第二微閥門22是逆向流入，所以第一微閥門21前端被吸入之微流體較經第二微閥門22被吸入之微流體多。
[n]	接著，該壓電式薄膜81震動腔8之薄膜81被驅動而如圖14 所示地向下壓擠，震動腔8槽室82內之微流體經由第一、第二微閥門21、22被擠出震動腔8外，由於擠出的過程中，經第一微閥門21之微流體是逆向流出，第二微閥門22是順向流出，所以經第二微閥門22被排出之微流體較經第一微閥門21被排出之微流體多。亦即藉由吸入時經第一微閥門21吸入較多之微流體，排出時經第二微閥門22排出較多之微流體的方式，將微流體由前往後抽取流動。
[n]	綜上所述，本發明微閥門利用閥門管道3內之鋸齒狀的上、下擋件7、6，以造成流體順向流動及逆向流動時所受之阻力不同，形成雙極性，以產生順向流與逆向流間的流量差異，而具有單向閥之效果，且經設計其外型參數後，其雙極性效果較佳，使運用本發明微閥門製成之微泵浦具有良好之抽取效果，故確實達到本發明之目的。
[n]	惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
	【圖式簡單說明】
[n]	圖1是習知之Tesla T45無動件閥之正面視圖；
[n]	圖2是習知之Diffuser Valve無動件閥之正面視圖；
[n]	圖3是本發明微閥門之一較佳實施例之立體分解圖；
[n]	圖4是該較佳實施例的正面視圖，並說明其各外型參數；
[n]	圖5是該較佳實施例於微流體順向流入時，其流場分佈圖；
[n]	圖6是類似於圖5之視圖，並說明微流體逆向流入時之流場分佈；
[n]	圖7是該較佳實施例之一上、下擋件之長斜面與閥門管道之內周面間之夾角α對於雙極性之關係曲線圖；
[n]	圖8是該較佳實施例之該下擋件之後端與上擋件前端間之水平距離H_x對於雙極性之關係曲線圖；
[n]	圖9是該較佳實施例之該下擋件之頂端與閥門管道之內周面頂側間之間隙距離H_y對於雙極性之關係曲線圖；
[n]	圖10是該較佳實施例之該上、下擋件之短斜面與一鉛垂線間之夾角β對於雙極性之關係曲線圖；
[n]	圖11是該較佳實施例之下擋件之數量(或上擋件之數量)N對於雙極性之關係曲線圖；
[n]	圖12是該較佳實施例於不同上、下擋件數量N時之雙極性隨雷諾數變化下之變化曲線圖，並同時比較說明習知之Tesla T45無動件閥之雙極性之變化曲線；
[n]	圖13是本發明之微泵浦的正面視圖，說明微流體被吸引入一震動腔內之情形；及
[n]	圖14是類似於圖13之視圖，說明微流體被擠壓出該震動腔外之情形。
	【主要元件符號說明】
[y]	2．．．微閥門
[y]	200，．．分離區
[y]	201．．．基板
[y]	202．．．上板
[y]	21．．．第一微閥門
[y]	22．．．第二微閥門
[y]	3．．．閥門管道
[y]	4．．．前連接管道
[y]	41．．．阻擋壁
[y]	5．．．後連接管道
[y]	6．．．下擋件
[y]	61．．．長斜面
[y]	62．．．短斜面
[y]	7．．．上擋件
[y]	71．．．長斜面
[y]	72．．．短斜面
[y]	8．．．震動腔
[y]	81．．．薄膜
[y]	82．．．槽室

七、

申請專利範圍：

1. 一種微閥門，適用於控制微流體之運動方向，包含：一前後貫通之閥門管道；至少一下擋件，位於該閥門管道之內周面底側並呈向上凸伸之鋸齒狀，具有一由閥門管道內周面底側向後斜上延伸之長斜面，及一由該長斜面後端緣向下延伸至該閥門管道之內周面之短斜面，該長斜面之長度是大於該短斜面之長度；及至少一上擋件，位於該下擋件後方，並固設於該閥門管道之內周面頂側且呈向下凸伸之鋸齒狀，具有一由閥門管道內周面頂側向後斜下延伸之長斜面，及一由該長斜面後端緣向上延伸至該閥門管道之內周面之短斜面，該長斜面之長度是大於該短斜面之長度；藉此，所述微流體由前往後流入閥門管道中，微流體先經過下、上擋件之長斜面再經過短斜面順流出閥門管道，但如微流體由後往前流經閥門管道時，微流體先經過該上、下擋件之短斜面後流過長斜面流出閥門管道，由於該等長、短斜面之前後不對稱造成微流體由後往前流動時之流量較低。
2.依據申請專利範圍第1項所述之微閥門，更包含分別銜接於該閥門管道前後端且管徑較該閥門管道小的一前連接管道及一後連接管道，該前連接管道之內周面下側緣水平銜接於該下擋件長斜面之前端，該前連接管道內周面上側緣與該閥門管道上側緣是以一鉛直之阻擋壁銜接封合；該後連接管道之內周面上緣與該閥門管道之上緣水平銜接，該後連接管道之內周面下緣是呈往前斜下形狀以銜接該閥門管道之內周面下緣。
3.依據申請專利範圍第2項所述之微閥門，其中，該上、下擋件之高度與該前連接管道之管徑相同，也就是該下擋件之高度與該阻擋壁之高度相同。
4.依據申請專利範圍第2項所述之微閥門，其中，該上擋件及該閥門管道內周面底側之距離與該阻擋壁之高度相同。
5.依據申請專利範圍第1項所述之微閥門，其中，該下擋件之後端緣與該上擋件之前端緣間隔一水平距離。
6.依據申請專利範圍第1項所述之微閥門，其中，該上擋件之後端緣與該漸縮管之前端緣間隔一水平距離。
7.依據申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述之微閥門，其中，該下擋件之長斜面與該閥門管道之內周面底側之水平延長線間之夾角是26.6度。
8.依據申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述之微閥門，其中，該上擋件之長斜面與該閥門管道之內周面頂側之水平延長線間之夾角是26.6度。
9.依據申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述之微閥門，其中，該下擋件之短斜面是垂直於該閥門管道之內周面底側緣。
10.依據申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述之微閥門，其中，該下擋件之短斜面是垂直於該閥門管道之內周面底側緣。
11.依據申請專利範圍第2項或第3項所述之微閥門，其中，該下擋件之頂端與閥門管道之內周面頂側間之間隙距離是等於該該前連接管道之管徑的一半。
12.依據申請專利範圍第2項或第3項所述之微閥門，其中，該上擋件之底端與閥門管道之內周面底側間之間隙距離是等於該該前連接管道之管徑的一半。
13.一種微泵浦，包含：一震動腔，可受外力控制而改變其內部密閉容積；及二依據申請專利範圍第2項所述之微閥門，可區分為第一微閥門與第二微閥門，該第一微閥門之後連接管道後端連通於該震動腔上，而第二微閥門之前連接管道前端連通該震動腔；該震動腔先被驅動而增加其內部之容積空間，微流體經由第一、第二微閥門被吸入震動腔中，且因第一微閥門是順向流入，由前吸入較多之微流體，之後震動腔被驅動而減低其內部之容積空間，微流體經由第一、第二微閥門被擠出震動腔外，且因第二微閥門是順向流出，往後擠出較多之微流體，藉此，吸入時經第一微閥門吸入較多之微流體，排出時經第二微閥門排出較多之微流體的方式，將微流體由前往後抽取流動。

八、	圖式：
	圖1 圖2 圖3 圖4 圖5 圖6 圖7 圖8 圖9 圖10 圖11 圖12 圖13 圖14

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