108_092-028AP-TW

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108_092-028AP-TW

發佈日期 : 2009-04-30

發明專利說明書
	※申請案號：
	※申請日期：　　　　　　　　　　※ＩＰＣ分類：

一、發明名稱：(中文/英文)
	氣動式微流體驅動裝置(全文下載)
二、申請人：共人
	指定為應受送達人

三、發明人：

◎專利代理人：


四、聲明事項

	□主張專利法第二十七條第一項國際優先權：
	□主張專利法第二十九條第一項國內優先權：
	□ 主張專利法第二十六條微生物：
□ 熟習該項技術者易於獲得，不須寄存

五、中文發明摘要：
	一種氣動式微流體驅動裝置，用於驅動一微管道內之微流體流動，並包含：整合組裝於微管道一端的一吸力元件與一斥力元件。供給氣體於吸力元件時，可輸出吸力至微管道並驅動微流體往氣動式微流體驅動裝置方向流動，供給氣體於斥力元件時，可輸出斥力至微管道並驅動微流體往遠離氣動式微流體驅動裝置方向流動。或二分別連接於微管道之二端的斥力元件，當供給氣體於其中一斥力元件時，可供給一斥力至微管道並驅動微流體往另一斥力元件方向流動。達到驅動微流體前進、後退或停滯的目的。

六、英文發明摘要：


七、指定代表圖：
（一）本案指定代表圖為：
（二）本代表圖之元件代表符號簡單說明：
	12．．．微管道 13．．．微流體 2．．．斥力元件 21．．．進氣管 22．．．增壓壁 24．．．連接管 3．．．吸力元件 31．．．進氣管 32．．．漸縮管 33．．．喉管 34．．．漸擴管 35．．．驅動管

八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：


九、發明說明：
	[發明所屬之技術領域] 本發明是有關於一種微流體驅動裝置，特別是指一種氣動式驅動各種生物微晶片中生物檢體或試劑等微流體運動的氣動式微流體驅動裝置。 [先前技術] 目前關於氣動式微流体驅動方法有許多種，且都各有其獨特之設計。由於都是屬於以壓縮空氣為主要驅動之動力，且功能相似，各種設計間的優劣差異就在於其元件構造的複雜度、操作時控制步驟的複雜度，及驅動微流體的效率高低。習知的技術中有些設計需變化使用三股以上之壓縮空氣氣流才能驅動微流體雙向流動，控制程序相當複雜，有些設計雖然只使用兩股壓縮空氣氣流，但是需要特別的連接管才能將不同的元件組合起來，系統構造過於複雜。有些設計只提供單方向的驅動力，必須有特殊微管道設計的配合才可能提供雙方向的微流體驅動控制。 [發明內容] 因此，本發明即在提供一種控制程序簡便、元件構造組合方便且適用於一般之微管道構造的氣動式微流體驅動裝置。本發明氣動式微流體驅動裝置，用於用於驅動一微管道內之微流體流動，並包含：一吸力元件及一斥力元件。該吸力元件具有一供氣體輸入的進氣管、一由該進氣管末端直向延伸且中空橫截面積漸縮的漸縮管，一由該漸縮管末端直向延伸且中空橫截面積漸漸擴大的漸擴管，及一連通於該進氣管與漸擴管之交接處且連接至所述微管道之一端的驅動管，該進氣管輸入氣體可於該驅動管內形成一將所述微管道內之微流體往該吸力元件方向吸引流動的吸力。該斥力元件具有一供氣體輸入的進氣管、一置於該進氣管末端的一增壓壁、及一由該進氣管延伸連通至該吸力元件之漸縮管末端並與該驅動管直向對應的連接管，該進氣管輸入氣體可於該連接管內形成一斥力，並經由該驅動管將所述微管道內之微流體往遠離該吸力元件方向推斥。另一種用於驅動一微管道內之微流體流動的氣動式微流體驅動裝置，包含二分別連接於所述微管道之二端的斥力元件。每一斥力元件具有一供氣體輸入的進氣管、一置於該進氣管末端的增壓壁、一由該進氣管末端直向延伸並穿越過該增壓壁且橫截面積小於該進氣管的排氣管，及一由該進氣管末端之內周面向外延伸至所述微管道之對應端的連接管。其中一斥力元件的進氣管輸入氣體可於該斥力元件之連接管內形成一將所述微管道內之微流體往另一斥力元件方向推斥的斥力。本發明之功效在於簡化氣動式微流體驅動裝置構造，簡化控制步驟，最終達到減少製造及操作成本的目的。 [實施方式] 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四較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的明白。在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明中，類似的元件是以相同的編號來表示。參閱圖1及圖2，本發明氣動式微流體驅動裝置之第一較佳實施例是配合一壓縮空氣伺服單元11，以驅動一微管道12內之微流體13流動。所述壓縮空氣伺服單元11可提供二輸出氣體之氣道111。該氣動式微流體驅動裝置包含一吸力元件3及一斥力元件2。該吸力元件3具有一連接所述壓縮空氣伺服單元11之一氣道111並供氣體輸入的進氣管31、一由該進氣管31末端直向延伸且中空橫截面積漸縮的漸縮管32、一由該漸縮管32末端直向延伸的喉管33、一由該喉管33末端直向延伸且中空橫截面積漸漸擴大的漸擴管34，及一垂直連通於該喉管33且連接至所述微管道12之一端的驅動管35。該吸力元件3之進氣管31輸入氣體之速度V_S後，依據文氏管原理可於該喉管33內形成一低壓區，使該驅動管35內形成一將所述微管道12內之微流體13往該吸力元件3方向吸引流動的吸力。該吸力元件3之外型參數有(a)該進氣管31之中空橫截面積A_S、(b)該喉管33之中空橫截面積A_T、(c)該漸擴管34出口端之中空橫截面積A_O、(d)該漸縮管32的內周面與該漸縮管32之軸線夾角角度φ₁、(e)該漸擴管34的內周面與該漸擴管34之軸線夾角角度φ₂、(f)該驅動管35之出口寬度，也就是所述微管道12之寬度W、(g)該漸縮管32之長度V。本實施例中採用該喉管33與該吸力元件3之進氣管31之橫截面積比值為0.1。該斥力元件2具有一連接所述壓縮空氣伺服單元11之另一氣道111以供氣體輸入的進氣管21、一置於該進氣管21末端的一增壓壁22、一由該增壓壁22往外延伸並與該進氣管21直向連通且中空橫截面積小於該進氣管21的排氣管23，及一由該進氣管21延伸連通至該吸力元件3之喉管33並與該驅動管35軸向對應的連接管24。也就是該斥力元件2與所述微管道12是分別組裝於該吸力元件3之兩相反側。該連接管24具有一由該進氣管21往外延伸且中空橫截面積漸縮的縮管段241及一由該縮管段241末端連接至所述微管道12且中空橫截面積一致的直管段242。該斥力元件2的進氣管21輸入氣體時，輸入氣體因受該增壓壁22阻礙而於該增壓壁22前形成高壓，該高壓形成斥力使氣流流經該連接管24向外流動，並經由該吸力元件3之驅動管35將所述微管道12內之微流體 13往遠離該吸力元件3方向推斥。藉此，將該吸力元件3與該斥力元件2整合裝設於所述微管道12之一端，當單獨供給該吸力元件3壓縮氣體之速度為V_S時可將所述微流體13往該吸力元件3方向吸引，當單獨供給該斥力元件2壓縮氣體之速度為V_E時可將所述微流體13往遠離該吸力元件3方向推斥。當該吸力元件3與該斥力元件2同時輸入壓縮氣體之速度為V_S與V_E時，所述微管道內之微流體13受到斥力或吸力，將視V_S與V_E之大小不同而有不同，若維持該吸力元件3壓縮氣體速度V_S 不變，該斥力元件2壓縮氣體速度V_E是0時，所述微流體13是受到吸力，若此時該斥力元件2壓縮氣體速度V_E由 0而逐漸升高直到超過某一臨界速度時，由於斥力作用迫使氣流由該連接管24向吸力元件3之喉管33方向流動，迫使吸力元件3之喉管33內原本水平流動之氣流向下彎折並撞擊該喉管33與該驅動管35之銜接處，而在此處產生高壓，此高壓將形成一斥力驅使氣體往驅動管35內流動驅動所述微流體13往遠離該吸力元件3方向流動。相對地逐漸降低該斥力元件2壓縮氣體V_E低於該臨界速度時，該吸力元件3之喉管33內之氣流恢復成水平流動而形成低壓區，並於驅動管35內形成吸力吸引所述微流體13往該吸力元件3方向流動。亦即藉由調整斥力元件2之進氣流速就可快速控制驅動所述微流體13前進或後退，並達到單端雙向的驅動所述微流體13的目的。以下即就該斥力元件2之外型參數對於提供斥力大小之計算加以說明。假設該斥力元件2之所有橫截面皆為矩形管道，圖2中該進氣管21之h_E為高度方向，δ為長度方向，垂直圖面為寬度方向，而假設其中所有微管道之寬度皆相同。該斥力元件2之外型參數有(a)該排氣管23是設置靠近於該進氣管21內周面之頂壁或底壁上、(b)該增壓壁22向風面之角度α、(c)該增壓壁22高度h₁對該進氣管21高度h_E之阻塞比、(d)該連接管24之縮管段241的內周面與該連接管24之軸線夾角角度γ、(e)該連接管24之縮管段 241距該增壓壁22之相對距離δ、(f)該連接管24之直管段242出口寬度，即所述微管道12之寬度。該連接管24直管段242出口之氣體流量平均速度為V_m。該進氣管21之氣體流量平均速度固定為V_inlet時，∣V_m︱愈大，表示斥力愈大。該增壓壁22高度h₁對該進氣管21高度h_E之阻塞比。當β=1時，該排氣管23完全阻塞，將迫使所有流入的空氣由該連接管24流出，此時流向該連接管24的氣流應是最大，即斥力最大。當β=0時，即無增壓壁22存在，此時流向該連接管24的氣流應是最少，即斥力最小。現設定以該進氣管21高度h_E為參考長度L_ref，該進氣管21空氣入口流速為參考速度V_ref，大氣壓力為參考壓力P_ref，空氣密度為參考密度ρ_ref，空氣黏滯係數為參考黏滯係數v_ref。若假設取L_ref=1 cm，V_ref=1 m/s，P_ref=1 atm，v_ref=1.51×10^-5m²/s，該連接管24之直管段242出口寬度，就是所述微管道12之管徑為1 mm，得到雷諾數；無因次之該進氣管21速度為V_intlet=1；無因次大氣壓力；該連接管24之直管段242其無因次寬度為0.1，其餘參數參閱表1。於圖3是以上述之斥力元件2外型參數與環境參數，計算出阻塞比β值與之關係圖，其中橫軸代表阻塞比β值之改變，縱軸代表的是之比值，由其圖形可知β愈大時，則微流體流速∣V_m︱愈大，且此趨勢是呈非線性增加。在此我們選取中庸的阻塞比β=0.5，計算得到。若要求更大的「斥力」，則可適當放大β。當該斥力元件2之外型固定後，另外對於斥力大小的控制只能藉由該進氣管21之空氣入口流量(或速度V_inlet)來控制，也就是控制所述壓縮氣體伺服單元11以調整斥力之大小。假設空氣性質不變，則改變入口速度相當於就是改變雷諾數。圖4是取阻塞比β=0.5時雷諾數Re與之關係圖，其中橫軸代表雷諾數Re，縱軸代表之比值，顯示雷諾數Re變化對於該連接管24出口速度∣V_m︱，也就是所述微流體13流動速度的影響。由圖中之圖形可之雷諾數Re對所述微流體13流動速度∣V_m︱的關係趨近於線性，當雷諾數變大，該連接管24出口端速度∣V_m︱及所述微流體13流動速度隨之線性增加。此一線性關係十分有利於簡化控制系統的工作。參閱圖5，為本實施例該斥力元件2是採用阻塞比β=0.8，且外型參數如表2所示時之進氣流速對吸力或斥力驅動所述微流體13流動速度之關係圖，其中橫軸代表該吸力元件3之進氣管31或該斥力元件2之進氣管21之空氣流速，縱軸代表所述微管道12內之微流體13受吸力或斥力造成流動之流速，由圖中可知該輸入氣體流速對吸力或斥力造成微流體13流動之流速是概略呈線性關係。參閱圖6，本發明氣動式微流體驅動裝置之第二較佳實施例之結構大致與第一實施例相同，其不同之處在於本實施例中該斥力元件2之阻塞比β=1，且該連接管24只有該直管狀，而無前述圖2中之縮管段241。也就是說該斥力元件2無如圖2所示之排氣管23，而該斥力元件2之進氣管21輸入之氣體完全進入該連接管24內，形成往該吸力元件3方向的斥力，並經由該吸力元件3驅動管35將所述微管道12內之微流體13往遠離該吸力元件3方向推斥。參閱圖7，為本實施例之外型參數如表3所示時之進氣流速與吸力或斥力之關係圖，其中橫軸代表該吸力元件3之進氣管31或該斥力元件2之進氣管21之空氣流速(V_S或V_E)，縱軸代表所述微管道12內之微流體13受吸力或斥力造成流動之流速V_M，由圖中可知該輸入氣體流速(V_S或V_E)對吸力或斥力造成微流體13流動之流速(V_M)是概略呈線性關係。參閱圖8，本發明氣動式微流體驅動裝置之第三較佳實施例的構造大致與該第二較佳實施例之構造相同，其不同之處在於該漸縮管32是由該吸力元件3之進氣管31末端逐漸往該漸擴管斜下延伸且截面積逐漸縮小的，使該喉管33之位置降低，與吸力元件3之進氣管31內周面之下壁維持h_I=0.1 參考長度之距離，且該驅動管35具有一由該在喉管33下方往下延伸並中空橫截面積由大漸縮的漸縮段351及一由該漸縮段351末端連通至所述微管道12之一端的直管段352。該驅動管35之漸縮段351的設計用意是使通過該喉管33的快速氣流臨接一個突然擴大區(Sudden Expansion Area)，令其在此漸縮段351內形成低壓之迴流區，以期增加該驅動管35內之吸力作用。參閱圖9，為本實施例之外型參數如表4所示時之進氣流速(V_S或V_E)與吸力或斥力驅動所述微流體13流動速度之關係圖，其中橫軸代表該吸力元件3之進氣管31或該斥力元件2之進氣管21之空氣流速(V_S或V_E)，縱軸代表所述微管道12內之微流體13受吸力或斥力造成流動之流速(V_M)，由圖中可知該輸入氣體流速(V_S或V_E)對吸力或斥力造成微流體13流動之流速(V_M)是概略呈線性關係。圖10所示為本發明氣動式微流體驅動裝置之第四較佳實施例，配合一壓縮空氣伺服單元11，以驅動一蛇行迴彎狀之微管道12內之微流體13流動。所述壓縮空氣伺服單元11可提供二輸出氣體之氣道111。該氣動式微流體驅動裝置包含二分別連接於所述微管道12之二端的斥力元件2。以達到雙端雙向驅動所述微流體13。該斥力元件2與第一較佳實施例中之斥力元件2相同，以下就不再就斥力元件2之構造與原理多作說明。當其中一斥力元件2的進氣管21輸入氣體時，於該斥力元件2之連接管24內形成一斥力，並將所述微管道12內之微流體13往另一斥力元件2方向推斥。藉著交替供給該二斥力元件2壓縮氣體可驅動所述微流體13於所述微管道12中前進、後退或停滯，其構造簡便就可達成驅動所述微流體13之目的。參閱圖11，為本實施例之斥力元件2之阻塞比β=0.5，其餘外型參數如表1所示時之進氣管21之空氣流速與產生之斥力驅動所述微流體13流動速度之關係圖，其中橫軸代表該斥力元件2之進氣管21之壓縮氣體速度，縱軸代表所述微管道12內之微流體13受斥力造成流動之流速，由圖中可知壓縮氣體速度對斥力造成微流體13流動之流速是概略呈線性關係。此一線性關係有助於簡化控制系統的工作。歸納上述，本發明利用該斥力元件2之連接管24與該吸力元件3相連接，整合裝設於所述微管道12之一端，當供給氣體於斥力元件2時，利用該斥力元件2的進氣管21與增壓壁22使輸入氣體因受該阻礙而形成高壓產生一斥力至微管道12並驅動微流體13往遠離本發明氣動式微流體驅動裝置方向流動。供給氣體於吸力元件3時，可輸出吸力至微管道12並驅動微流體13往本發明氣動式微流體驅動裝置方向流動，形成單端雙向驅動所述微流體13。或利用，利用二斥力元件2分別組裝所述微管道12之二端，當供給氣體於其中一斥力元件2時，可供給一斥力至微管道12並驅動微流體13往另一斥力元件2方向流動，形成雙端雙向驅動所述微流體13。且上述雙端雙向及單端雙向驅動方式之輸入氣體流速對吸力或斥力造成微流體13流動之流速是概略呈線性關係，可簡化控制方法，而以簡便之構造及控制方法就可驅動所述微流體13，故確實能達到發明之目的。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書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。 [圖式簡單說明] 圖1是本發明氣動式微流體驅動裝置之第一較佳實施例與一壓縮氣體伺服單元、一微管道整合組裝的正面簡略示意圖；圖2是該第一實施例與一微管道組合的正面示意圖；圖3是該第一實施例中一斥力元件推斥一微流體之速度及一進氣管速度之比值與其阻塞比的關係圖；圖4 是該第一實施例中該斥力元件推斥微流體之速度及該進氣管速度之比值與流經該斥力元件之氣體雷諾數的關係圖；圖5是該第一實施例中微流體速度對斥力元件與吸力元件之進氣管速度的關係圖；圖6是本發明氣動式微流體驅動裝置之第二較佳實施例與一微管道組合的正面示意圖；圖7是該第二實施例中微流體速度對斥力元件與吸力元件之進氣管速度的關係圖；圖8是本發明氣動式微流體驅動裝置之第三較佳實施例與一微管道組合的正面示意圖；圖9是該第三實施例中微流體速度對斥力元件與吸力元件之進氣管速度的關係圖；圖10是本發明氣動式微流體驅動裝置之第四較佳實施例與一壓縮氣體伺服單元、一微管道整合組裝的正面簡略示意圖；及圖11是該第四實施例中微流體流動速度對一斥力元件之進氣管壓縮氣體速度之關係圖。

十、申請專利範圍：
	1.一種氣動式微流體驅動裝置，用於驅動一微管道內之微流體流動，並包含：一吸力元件，具有一供氣體輸入的進氣管、一由該進氣管末端直向延伸且中空橫截面積漸縮的漸縮管，一由該漸縮管末端直向延伸且中空橫截面積漸漸擴大的漸擴管，及一連通於該漸縮管與漸擴管之交接處且連接至所述微管道之一端的驅動管，於該進氣管輸入高速氣體可於該驅動管內形成一將所述微管道內之微流體往該吸力元件方向吸引流動的吸力；一斥力元件，具有一供氣體輸入的進氣管、一置於該進氣管末端的一增壓壁、及一由該進氣管延伸連通至該吸力元件之漸縮管與漸擴管交接處並與該驅動管正對的連接管，該連接管及該驅動管是分別位於該漸縮管與漸擴管交接處的兩相反側，於該進氣管輸入氣體可於該連接管內形成一往該吸力元件方向的斥力，並經由該驅動管將所述微管道內之微流體往遠離該吸力元件方向推斥。 2.根據申請專利範圍第1項所述之氣動式微流體驅動裝置，其中，該斥力元件之連接管是由該進氣管周圍鄰近該增壓壁處往外延伸的。 3.根據申請專利範圍第1項或第2項所述之氣動式微流體驅動裝置，其中該斥力元件之連接管具有一由該進氣管往外延伸且中空橫截面積漸縮的縮管段，及一由該縮管段末端連接至該吸力元件之漸縮管末端且中空橫截面積一致的直管段。 4.根據申請專利範圍第1項所述之氣動式微流體驅動裝置，其中，該斥力元件更具有一由該進氣管末端穿越過該增壓壁且橫截面積小於該進氣管的排氣管。 5.根據申請專利範圍第1項所述之氣動式微流體驅動裝置，其中該吸力元件更具有一連接該漸縮管與該漸擴管的喉管，該驅動管就是連通於該喉管內。 6.根據申請專利範圍第5項所述之氣動式微流體驅動裝置，其中該吸力元件之驅動管具有一由該喉管往外延伸並中空橫截面積由大漸縮的漸縮段及一由該漸縮段末端連通至所述微管道之一端的直管段。 7.根據申請專利範圍第5項所述之氣動式微流體驅動裝置，其中該斥力元件之連接管係連通於與該吸力元件之喉管並與該吸力元件之驅動管軸向對應。 8.一種氣動式微流體驅動裝置，用於驅動一微管道內之微流體流動，並包含：二斥力元件，分別連接於所述微管道之二端，每一斥力元件具有一供氣體輸入的進氣管、一置於該進氣管末端的一增壓壁、一由該進氣管末端越過該增壓壁且橫截面積小於該進氣管並可供氣體排出的排氣管，及一由該進氣管之內周面向外延伸至所述微管道之對應端的連接管，在其中一斥力元件的進氣管輸入高速氣體時，可於該斥力元件之連接管內形成一將所述微管道內之微流體往另一斥力元件方向推斥的斥力。 9.根據申請專利範圍第8項所述之氣動式微流體驅動裝置，其中，每一斥力元件之連接管是由該進氣管周圍鄰近該增壓壁處往外延伸的。 10.根據申請專利範圍第8項或第9項所述之氣動式微流體驅動裝置，其中，每一斥力元件之連接管具有一由該進氣管往外延伸且中空橫截面積漸縮的縮管段及一由該縮管段末端連接至所述微管道且中空橫截面積一致的的直管段。


十一、圖式：

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