微电化泵及其制造方法

专利名称：微电化泵及其制造方法技术领域：本发明涉及微电化泵和该微电化泵的制造方法，更准确地说，涉及使用微机械技术的作为精确控制液体的一种装置并强烈期望在医疗分析领域实际应用的微电化泵及其制造方法。当今微机械技术正在向前发展，对它的研究已经进展到使用它作为一种开发全新和尖端技术的手段。它的发展方向已由大量宣传工具广为公布，例如题为“硅微机械技术”的特写文章，发表于1989年8月21日，NIKKEI ELECTRONICS No.480，第125-155页。该文章的135至139页部分公开了微电化泵并说明了该微电化泵的结构。图33是该文章中说明的微电化泵的结构图。按照该微电化泵的结构，它按序分别接合一个玻璃基片或底板200，一个硅膜片201，和一个玻璃板205。膜片201有两个阀202和203，一个构成于这两个阀之间的振动膜片204，如图所示。该振动膜片适应于由一个通过空气层206的发热电阻207驱动。玻璃基片200具有一个入口208和一个出口209，分别导向阀202和203。当空气层206中的空气发生热膨胀、振动膜片204向下突出使泵腔210的内部压力增大时，入口阀202关闭，同时出口阀203打开，这样泵腔210中的加压液体排放到出口209。反之，当空气层206收缩振动膜片204返回其原始或以前状态时，阀202和203分别以相反方式发生作用，使得入口208吸入液体而出口209阻止液体通过其排放。这种微电化泵能够准确精细地控制流过它们的液流量并可应用于医学和分析领域，因此一直希望对它们进行改进。在NIKKEI ELECTRONICS，No.480中上述文章的后面一部分描述了包括微电化泵的微机械装置的制造方法。亦即，第146至149页公开了通过有效使用半导体蚀刻技术形成复杂三维硅(Si)结构的加工方法(异向性蚀刻等)，第150至152页公开了用于制造各种形状接合基片的基片接合技术(结合或粘着玻璃和硅基片的阳极接合方法)。硅制压力传感器已作为微机械装置研究，目前它们已进入实际应用阶段。然而，在微电化泵领域，最先进的一种目前正处于它的试验制造阶段，还没有微电化泵处于其实用阶段。因此，微电化泵的制造方法正处于探索阶段，还没有现成而可靠的方法可用。如上所述，微电化泵仍在发展，因此对高性能微电化泵的结构和制造方法有必要进行开发和研究。按照上述常规微电化泵，其结构具有如下一些缺点。首先，在微电化泵的排放性能问题上，图33所示的双阀型微电化泵比三阀型微电化泵容易制造。但是，由于入口和出口之间的压差使前者存在液流量逐渐减小的问题，从而降低微电化泵的效率。图34是所述杂志136页中的特性曲线，表示出双阀型微电化泵的流量Q随压力差P(线A)的增大而线性下降。相反，在三阀型微电化泵的情况下，流量Q基本不变(线B)。其原因在于第三阀配置在三阀微电化泵的入口阀和出口阀之间流通管路中，防止了由于压差带来的回流并可保持恒定流量。在两阀微电化泵的情况下，压差直接作用于出口阀使出口阀在其关闭方向受强压。如上所述，当双阀型微电化泵用于例如投配胰岛素且反压变为约600mmH2O时，该微电化泵不能排放胰岛素。实际上，必须以基本上恒定速率排放液体直到反压变为约400mmH2O。这正是微电化泵有必要改进的原因。第二个问题是关于微电化泵驱动装置的固定方法。按照常规固定方法，这一直是非常困难的，常常导致微电化泵驱动设备的不完全和无效安装。一般，在驱动装置中一直使用其可控性最好的压电元件。在这种情况下，为了充分展现压电元件的压电效应，有必要均匀地将该元件接合到微电化泵驱动机构的振动膜片上。将非常薄的膜片接合到振动膜片上一直很困难。原因在于振动膜片是通过固定其外围部分而承载的，在接合压电元件到振动膜片上的过程中该振动膜片易于屈曲，导致其平直度下降。因此，在压电元件和振动膜片之间得到差的接合。如果压电元件在过压下压向振动膜片，不良效应扩大到外围部分使该部分易于毁坏。由于难于控制压电元件的压力导致接合操作困难。第三个是关于保持常规微电化泵排放性能恒定的问题，尤其是在微电化泵用于以胰岛素对人体下药的情况下。用胰岛素对人体作过量注射是危险的。由此，必须立即检查由于微电化泵驱动装置发生故障、固定于微电化泵的针头的堵塞、混入泵中的空气、阀断裂等所引起的注射紊乱。然而，在常规微型泵送装置中没有配备这种检查装置。下一步将要考虑的是微电化泵制造方法的步骤，所述微电化泵是将由泵主要构件振动膜片和以与振动膜片同样材料(单晶硅)的阀膜片一体化构造的主薄膜板中夹入一个玻璃基片而成。振动膜片是没有问题的，因为它是利用制造硅压力传感器时获得的技术密诀和经验来制造的。但是，阀膜片具有一部分形成于构成阀部分的狭窄区域上，通过该区域玻璃基片相互接触形成小的间隙，破坏了该结构的密封效果。显然，有必要对该结构施加一定的压力，但是还没有合适的装置提供预压。当玻璃板和主薄膜板通过阳极接合方法相互进行粘着时，偶然阀部分也会粘附到玻璃板上使得该阀体无法使用。因此，本发明的目的是改进微电化泵的排放性能并提供在预定泵使用范围内具有几乎恒定流速特性的微电化泵。本发明的另一个目的是提供一种能够进行阀开闭操作的检查和控制并在阀中具有更稳定和牢固的封闭性的微电化泵。本发明还有一个目的是提供一种具有总是允许检查微电化泵的工作状态以使微电化泵正常或正确工作的结构的微电化泵。另外还有一个目的是提供一种有用而且最佳的制造方法以获得这种具有上述性能的微电化泵。本发明的其它目的从以下参照附图对实施例说明会非常明确。按照本发明的微电化泵具有一个基片，一个粘附于该基片的上表面的薄膜板;该膜板有一个入口和一个出口，一个吸入阀和一个输出阀，每个阀进行入口和出口的开和闭操作。一个振动膜片形成泵腔，以及一个液体流过的管路;一个粘附于所述薄膜板的上表面的表面板，以及一个用于驱动振动膜片的驱动装置;输出阀由一个覆盖出口的输入端的帽形阀体构成。按照该微电化泵的结构，借助反压在输出阀提升阀体的力的方向与借助来自泵腔的受压液体提升具有输出阀的间壁的作用力的方向是相互一致的，因此有可能在该微电化泵的实际应用范围内以几乎恒定的流速进行放射直到反压超过预先给定的封闭力。因此，即使本发明的双阀型微电化泵也能够基本上具备与现有技术的三阀型微电化泵同样的排出性能，并且其体积小型化和成本降低。微型且完全可控的压电元件适合于用作微电化泵振动膜片的驱动装置。振动膜片上安装的压电元件发生振荡使该振动膜片上下振动从而对泵腔施加压力，使得泵快速工作而不在乎液体温度的上升。直接将吸入液体导入具有入口阀的腔体是可能的，但是按照本发明最好在吸入液被导入形成于出口阀间壁之上的另一腔体以后，就进入该腔体入口阀一侧。当一个突发外力加到装有液体的例如连接到微电化泵上的容器时，有可能将突然的压力变化传递给输出阀间壁之上的腔体，输出阀的正向关闭防止液体通过输出阀排放出去。另外，有可能把泵腔引到吸入阀的间壁以上备置的腔体和具有输出阀的腔体。在这种结构中，泵腔中的压力同时传送到其它两个腔体，这样输出阀和吸入阀的开和闭操作可周期性地和准确无误地进行。为了检测和控制输出阀的开和闭操作，至少将输出阀间壁的顶部表面暴露在外面。可以将能够检测间壁的任何移动的器件、比如类似于驱动压电元件的压电元件或应力片固定于间壁。类似于输出阀的情况，可以用一个覆盖入口的输出端的帽形阀体构造吸入阀，这样安装在输出阀间壁上的压电元件正向控制输出阀的开和关操作，因而使输出阀更牢固的封闭。当将用和薄膜板同样材料制成的中间基片置于另一基片与薄膜板之间以利用该中间基片用蚀刻方法在中间基片横向侧边放置和延展入口和出口，使连接到这些口的管子很容易进行处理。当微电化泵的高度(厚度)尺寸相对于其水平面积具有某些容差时，有可能在双层结构的薄膜板之间插入一个中间基片。在这种情况下，上薄膜板有一个吸入阀和一个泵腔，下薄膜板有一个输出阀。中间基片具有分别形成于其上的从入口到吸入阀腔体的流通管路和从泵腔导向输出阀腔体的另一流通管路。分层微电化泵的抽送功能或操作与浅的或单层的微电化泵相同。当在振动膜片的中央提供一个支撑物并让该支撑物的末端与基片相接，在将用于驱动振动膜片的压电元件粘着于振动膜片的过程中，该支撑物作用为一个制动器，并在振动膜片周围接合部分的辅助下阻止所述驱动压电元件的压迫力。因此，在粘附压电元件期间能够保持振动膜片表面的平坦，毫无困难地对压电元件进行均匀稳固的粘着。通常，尽管该支撑物以柱状体形成，也可将形状改变为一个圆筒或径向安装在振动膜片上的凸出物，从而得到所支撑振动膜片更好的稳定性。还可使振动膜片与基片直接进行适当接触来支撑该振动膜片，获得与上述形状支撑物同样的工作效果。在振动膜片具有一上述支撑物并且该振动膜片本身与基片相接触、该振动膜片作为一个制动器的情况下，振动膜片的振幅总是不变从而获得稳定的体积恒定的排出量。特别是，由于制动器的存在，振动膜片以它的一半部分振荡，因此每一个周期或振幅的排放容量减少。但是，根据本发明通过增加排放周期数和(或)提高驱动电压有可能增加微电化泵总排放容量，因此在它的实际应用中不存在问题。当支撑物和振动膜片分开时，支撑物形成为一个圆筒形凸起物并整体于薄膜板上形成，凸起物的前端与振动膜片的中央部分接触，如上所述该凸起物用作一个制动器并且通过在凸起物上形成一个中央开口而作为一个流速控制阀，液体以固定速率流向或排放到外部。另外，当将用于检测驱动压电元件的动作或移动的检测装置安装在振动膜片上时，可以准确知道振动膜片的振荡波形并判断其行为是正确或正常的还是错误或不正常的。同样的原理可用于输出阀组件。使用经济的压电元件作为检测元件是方便的。检测压电元件可以固定于表面振动部分，该表面振动部分通过振动传递凸起物连接到输出阀的间壁或直接连接到间壁。这些振动膜片检测装置和阀检测装置单独使用或组合使用在本发明的微电化泵中。该检测装置的一个检测电路在一定间隔多个阶段内波形上升期间将检测到的波形与标准电压进行比较并以高或低的次序判断流动是正常的还是不正常的。根据检测结果的判定方法，可以通过放大后的检测波形的上升曲线来判断该检测波形，特别通过在一定间隔多个阶段内观察高(H)和低(L)的次序将波形与标准电压比较。例如，当得到波形次序为L-H-H，则判定液流正常，为波形高的次序不同于常规次序时，则判定为非正常。最好在基片或阀上提供粘附构件以便将预压加给吸入阀和输出阀的密封部分从而改进密封效果。按照本发明的微电化泵制造方法涉及微电化泵主体的主构件的薄膜板的制造方法并包括薄膜板的形成步骤，该薄膜板由面方向(100)的与之分别集成有振动膜片、液流管路和预定大小的阀的硅晶片制成，还包括另一对阀施加预压的附膜的形成步骤，即借助于仅对与基片表面相接触的阀的阀部分有效的掩膜喷镀。通过借助于湿型异向性蚀刻将面方向(100)硅晶片制成微电化泵的薄膜板，易于形成易加工并具有恒定斜角(54.7度)，另外具有平坦底部深的凹槽。由此，能够使阀部分和泵结构部分合适于成形和构造。因为在由掩膜喷镀步骤进行装配之前，附膜置于与薄膜板的玻璃基片相接触的阀部分，在玻璃基片与薄膜板之间利用阳极接合进行装配时，阀部分不能与玻璃基片接触。归因于附膜，如上所述施加预压给阀的阀部分，因此玻璃基片和阀部分的封闭效果得到改进。图1是按照本发明的微电化泵一个实施例的截面图;图2是沿图1中线A-A截取的横截面图;图3是沿图1中线B-B截取的横截面图;图4是表示用于上述实施例中的驱动压电元件驱动电路的一种实施例的框图;图5(a)、(b)是上述实施例的工作图;图6是用一电介体作为驱动装置的实施例的结构图;;图7和图8分别是本发明其他实施例的截面图;图9是具有横向入口和横向出口的实施例的结构图;图10是有两片薄膜置于中间的另一结构图;图11表示本发明又一实施例的截面图;图12是沿图11中线C-C的截面图;图13(a)-(c)分别表示图11所示实施例的操作图;图14是配置有圆筒凸起支撑物的实施例的截面图;图15是具有拱形凸出支撑物的实施例的截面图;图16是用振动膜片本身作为支撑物的实施例的截面图;图17是配置有具有阀功能的支撑部分的实施例的截面图;图18是沿图17中线D-D截取的截面图;图19是表示外加振动膜片检测装置的实施例的截面图;图20-23分别表示外加振动膜片检测装置的各种固定方法;图24是图19所示实施例电路的框图;图25(a)，(b)是图19实施例的工作图;图26是所检测输出波形判定方法的说明图;图27(a)是施加于振动膜片驱动压电元件的电压脉冲波形图;图27(b)是振动膜片的检测压电元件的输出波形图;图28是微电化泵故障状态与在故障位置检测的输出波形间关系的说明图;图29是表明将预压施加给入口阀和出口阀的密封部分方法的结构图;图30(a)-(i)分别是表示按照本发明的微电化泵的薄膜板制造方法步骤的示例部分;图31是说明使用薄膜板构造微电化泵的方法的截面图;图32是图31的横截面图;图33是常规微电化泵的截面图;图34是现有技术和本发明的描绘泵性能的特性图示。由图1-3显而易见，总的以标号10表示的微电化泵由基片1、薄膜板2、表面板3组成，并且它们以夹层结构装配。基片1由例如厚度为1mm左右的玻璃板制成，它有一个入口11和一个出口12。管13和14由连接器15不透水接合到入口11和出口12。管13的底端连接到例如一个化学容器(未示出)。管14的前端与例如一个注射针头接合(未示出)。薄膜板2由一个例如厚度约为0.3mm的硅基片组成。该薄膜板2具有分别通过蚀刻过程形成的一组吸入阀4和输出阀5，一个处在阀4和阀5之间的振动膜片6以及一个必要的液流管路(参见图2和3)。薄膜板2借助阳极接合方法接合到基片1的上表面。接合位置由16a，16b，16c加以表示。如图2和图3明确示出，形成在薄膜板2上的入口11有一吸入液流管路111连接于其上，管路111通过通孔112导引至形成于输出阀5之上的腔体113，并通过另一通孔114和连接管路115再导引到吸入阀4的腔体116。吸入阀4由一个矩形阀体41构成，它有一个中央通孔117通向阀体41之上的腔体118。另外，腔体118穿过通孔119并连接管路120导向振动膜片6之下的泵腔121。这样，被压液体通过输出管路122流向输出阀5的腔体123。输出阀5由帽形和矩形阀体51构成以便覆盖出口12的输入端12a。一个用作振动膜片6驱动装置的压片式压电元件7通过薄膜电极板71粘附于振动膜片6的上表面。图19中所示的72和73是用于给压电元件7施加电压的导线。类似于基片1的玻璃基片的表面板3用阳极接合方法粘附于薄膜2的上表面，导引压电元件7的插入口31，以便建立抽送液流系统。振动膜片6的外围部分61粘附于厚度约为0.5mm表面板3的插入口31的周围。图4示出驱动压电元件7的驱动电路的一个实施例的框图。如图4所示，该框图具有如下组成部分一个诸如锂电池的电源701，一个提升电路702，一个中央处理器(CPU)703，一个将低电压信号变为高电压信号的电平转换器704，一个驱动压电元件7的驱动器705，一个微电化泵的流速指示器706，以及一个用于选择流速的选择开关707。图5是上述实施例的工作图，微电化泵的操作参照图4和图5进行说明。首先，由开关707选择流速，CPU703输出微电化泵驱动信号。CPU703发出的信号一般工作在电压3-5V而压电元件7以诸如50V的高电压工作。提升电路702将3V电压升高到50V，电平转换器704将来自CPU703的信号转换为50V的信号。以这样的方式，50V的交变电压周期性地施加于压电元件7产生1Hz～几Hz的振荡。当振动膜片6由于压电效应向上弯曲或挠曲时，泵腔121中的压力减少，使得腔体123的间壁52向下挠曲而关闭输出阀5。在关闭输出阀5的同时，腔体118的间壁42向上挠曲或弯曲从而打开吸入阀4，导致通过通孔117从与腔体116连通的入口11吸入预定容量的液体。图5(b)中与图5(a)相反，当振动膜片向下弯曲时，泵腔121中的压力上升，该上升压力通过管路120和122同时传递给腔体118和123以便升高内部压力。由于腔体118的内压升高向下推具有吸入阀4的间壁42对着基片1压迫吸入阀4的阀体41，导致吸入阀4关闭。同时，腔体123的内压上升将该腔体的间壁52上推，使得输出阀5的阀体51从基片1分离，打开输出阀5并使预定容量的加压液体排放到出口12。通过压电元件7振荡的振动膜片6连续地吸入和排放液体。当振荡次数增加时，可以获得具有减少的脉冲的或平稳的液体抽吸操作。按照常规双阀型微电化泵，反压作用于关闭输出阀，因此反压越大，打开输出阀需要的力越大。当驱动压电元件以便升高泵腔的内部压力时，压电元件的振幅是受限制的，导致随着排放压力的增加常规微电化泵中的排放流量减少。反之，基于如下事实即本发明的输出阀5是由覆盖出口12的输入端12a的帽形阀体51构成，由出口12的反压提升间壁52(开启输出阀5的力)的操作的方向与泵腔121中推压间壁52的压力操作方向相同，消除了因反压对压电元件振幅的任何限制。很显然按照本发明的微电化泵在预定的泵使用或实际范围内以几乎恒定的流速连续放射直到反压超过输出阀5的回弹力并由外力有效施力于间壁52。按照本发明的微电化泵的抽送性能示于图34中，其中直线C示出现有技术的抽送性能。由图34以显示出本发明的双阀型微电化泵可达到相应于现有技术的三阀型微电化泵的性能，使该微电化泵的制造成本降低。图6示出用电介体7A代替压电元件7作为振动膜片6的驱动装置的微电化泵的实施例。如上所述，振动膜片借助电介体7A的静电力振荡。图7是表示本发明另一实施例的截面图，该图描绘出设有置于腔体113上面的表面板3部分的图1所示微电化泵。因此，输出阀5的间壁52的上表面暴露在外。按照微电化泵的这种结构，输入液体不象图1的情况引向输出阀5之上的腔体113，因此没有必要提供任何吸入液体压力突然变化(例如突然的外力施加于橡胶容器)的缓减装置。因此，很容易在间壁52上提供例如一种应力传感器7B代替对这种突发外力的缓减装置或任何其它保护装置，以便检查输出阀5的密封状态。由间壁52的弹性位移得到输出阀5的良好密封状态，从而可借助检测弹性位移控制抽送操作。由于理解和知道输出阀5敞开与微电化泵电源之间的关系，所以能够控制液体的流速。在图7B所示的实施例中，压电元件可直接用来代替应力传感器。如图8所示，有可能除去整个表面板3，将压电元件7C和7D固定于间壁42和52以便可靠控制阀的开和闭。在这种情况下，在输出阀5的一侧至少装置一个压电元件7D以便借助压电元件7D有效地协助输出阀5进行开和关操作，改进密封性。与振动膜片6的驱动压电元件的同步操作可以提高抽送功能的稳定性和正确性。另外，类似于输出阀5，可使帽形吸入阀的阀体41覆盖入口11的输出端11a，得到微电化泵的薄型结构和稳定封闭。按照图9所示实施例，与薄膜板2同样由硅制成的一个附加中间基片21旋转于基片1和膜板2之间，一个入口11和一个出口12分别横向安装在中间基片1上。入口11和出口12容易以比如上所述在玻璃基片1上形成孔的方法更低的成本，借助于蚀刻过程在中间基片21上制成。另外，该微电化泵结构具有横向或水平延伸的管13和14，因此这两管的延伸部分不影响周围并占据该结构周围较小空间。图10示出具有包含微电化泵吸入阀4的上层以及包含输出阀5的下层的实施例。一作为中间基片22的玻璃基片插在具有吸入阀4和泵腔121的上薄膜板2a和具有输出阀5的下薄膜板2b之间。装有压电元件7的振动膜片6粘附于上薄膜板2a的上表面。图10所示微电化泵的实施例相对于各个实施例的平面结构具有立体结构。按照图10所示实施例，从基片1的入口11吸入的液体流过形成在输出阀5的间壁52之上的液体管路125并穿过中间基片22的孔126进入吸入阀4的腔体116。泵腔121中的加压液体通过形成于中间基片22上的孔127进入输出阀5的腔体123并通过输出阀8将它自身从出口12排出。当在该结构的高度(宽度)方向的尺寸上具有某些容差时图10所示微电化泵特别有用。图11是具有形成在微电化泵振动膜片中央的支撑物的另一实施例的截面图，图12是图11中沿线C-C的截面图。图11和图12所示实施例具有为柱型突起物81的支撑物8，该柱型突起物81有一前(底)端82，该端与基片1的表面相接，该突起物形成在振动膜片6的中央。支撑物8的截面形状可以变为诸如圆形和方形等的任何形状。按照该实施例的特殊构造，振动膜片6由突起物81的中央支撑物和其与表面板3接触的边缘部分61支撑。因此，为驱动压电元件7粘附到振动膜片6上时，突起物81用作支柱或制动器并充分响应压电元件7的向下粘附力，减小振动膜片6表面的弯曲。换言之，由于这种作用，有效保持了振动膜片6表面的平直度，因此完全和牢固均匀地接合压电元件7。另外，既使压电元件7在其粘着期间以更强的力按压，也不会损坏振动膜片6的外围部分，使该过程易于进行。其次，图11所示实施例的抽送和阀操作除了下面几点以外与图4和图5所示微电化泵相同。因为振动膜片6的振幅借助突起物81的制动功能而为恒定的，如图13(C)所示，(参见图13(a)和(b))，可以获得稳定且不变的流量。从图1的实施例不能看出这个优点。详细说来，尽管振动膜片6由于制动作用而以半幅振荡并且每一次振荡的排放量减少，但是通过提高排放周期数和驱动电压实际可能获得必要排放量。支撑物8能够变换其形状为与振动膜片6同轴的圆筒形突起物，如图14所示，以便使振动膜片6的支撑状态更稳定，使驱动压电元件7的粘着操作牢固而稳定。可以将如图14所示的特殊结构结合到图11所示的实施例。可以形成多个图11所示的柱状突起物81并沿振动膜片6径向排列。按照图15所示的实施例，可以形成易于制造的凸形突出部分84，它在从输出方向产生突然压力时防止液体流向输出端及具有上述制动功能可阻止来自输出阀的回流。由以上描述很显然，各个突块81、83和84各自形成在振动膜片6的中央以便通过突块末端与基片1进行接触。可以最终去掉这些突块并使振动膜片6的部分与基片1相接触。这种结构如图16所示。按照图16所示的实施例，振动膜片6的整个表面与基片1相接，使得压电元件7更容易粘附其上。在这种情况下，振动膜片6的整个结构如图16中虚线所示在上部空间振荡以实现抽送功能。应注意凹槽62形成于图15和图16所示的振动膜片6的连接管路120和输出管路122侧以使液体通过凹槽和振动膜片6上移时形成的间隙。在该实施例中，振动膜片6A与用来代替上述实施例所示出部分的硅或玻璃制成薄膜的表面板3A整体形成，支撑振动膜片6A的中央部分的圆筒形突块85形成于薄膜板2A上以便将突块85的中心孔124引向输出管路122并将输出管路122之外的突块85的底部与基片1接合。另外，薄膜板2A与基片1的接合部分如图11示出实施例所示以16a，16b，16c和16d示出，其它在膜板2A和表面板3A之间的接合部分为16e，16f，16g和16h。还有，按照上述实施例，突块85的前端与振动膜片6A的底面相接触，获得对振动膜片6A的制动器功能并用作通过中心孔124流向输出侧的流速控制阀，从而因振动膜片6A的振荡获得恒定速率。配置有检测装置100的微电化泵的实施例将参照图19进行说明，该装置适合于检测微电化泵10的振动膜片102的动作。检测装置100由与用来驱动振动膜片的压电元件7相同的压电元件104组成，通过用于驱动的压电元件7的绝缘片108将用于检测的压电元件104粘着于其上。该检测压电元件104具有导线109和110。检测压电元件104直接检测在驱动压电元件7中的任何应力和振动膜片6的任何机械位移。应注意检测压电元件104是廉价元件。图20-23示出将上述设计策略应用于阀机制尤其是具有用于阀部分103的检测装置101的输出阀部分103的其它实施例。由于输出阀部分103以确定周期进行开和关动作，因此如同振动膜片102的情况通过检测阀部分的动作可以发现阀部分103的任何故障。如图20所示，将一个检测压电元件105固定于位于硅基片制成的表面板3的输出阀5之上的振荡部分32以通过振动传递突块53连接振动膜片32和配备有输出阀5的间壁52。输出阀5的动作出现在间壁52的弹性位移时并通过突块53传递给表面板的振动部分32。可通过检测压电元件105的振动波形间接检测输出阀5的动作。类似地，图21所示实施例具有直接固定于间壁52的检测压电元件105。在这种情况下，移动部分表面板3以暴露间壁52的上表面，输入液体流向配备有吸入阀4的腔体116。图22和23示出分别将发散电阻106和电介质107安装于间壁52上的情况。这些检测装置100和101可以单独或组合使用。图24示出驱动压电元件7的驱动电路的电路结构，并外加例如振动膜片检测装置100(检测压电元件104)的检测电路。图25示出图19所示微电化泵的工作状态。应注意到阀检测装置101也具有类似的电路结构。图24中的701-707对应于图4中的部分，708表示外加的检测电路。微电化泵10的抽送和阀操作已参照基本附图4和5(见图25(a)和(b))进行了说明。以下将说明检测装置100和检测电路708的操作。当对压电元件7施加驱动电压时，影响是瞬时的并通过检测压电元件104和检测电路708由CPU703作预定定时读出。当检测到任何故障发生时，CPU703可发出一个驱动停止信号，而显示装置706显示该故障。检测电路708放大由检测压电元件104产生的电压，并比较高(H)和低(L)(该电路中比较器的操作)，将合成信号传送给CPU703。图26描绘出检测压电元件104的曲线或输出波形并示出当50V、1Hz交变电压脉冲施加于驱动压电元件7(见图27(a))时示于图27(b)中的振动膜片检测压电元件104的输出的经放大的上升部分B。图26示出下述情况下的波形和曲线微电化泵处在其正常状态(P)，微电化泵中含有空气的状态(Q)以及微电化泵或针头的机构被阻塞的状态(R)。图26中的Vo表示预先设置的标准电压以便在检测电路708中判断故障产生的条件，所术故障根据检测压电元件104相对于标准电压Vo在从电压输出脉冲上升的一个期间内对应确定时间T1，T2和T3的说明电压的低(L)或高(H)的次序来判断。故障发生的状态如下所示进行检测。当假设例如T1＝10毫秒，T2＝30毫秒，和T3＝50毫秒(T的种类或电平数可任意选择)，则得到下列方程P(在正常情况下)(T1，T2，T3)＝(L，H，H)＝(O，I，I)Q(存在空气)(T1，T2，T3)＝(H，H，H)＝(I，I，I)R(被阻塞)(T1，T2，T3)＝(O，O，O)输出阀在输出阀一侧仅有开和闭两种状态，因此判断微电化泵的正常或非正常状态仅检测输出阀的开或闭即可。细言之，在从上升瞬间经过预定长时间以后将电压与标准电压比较时进行这种判断。图28示出微电化泵的故障状态和检测压电元件输出波形之间的关系。(a)微电化泵中存在空气的情形压力仅耗费于压缩空气，振动膜片的波形具有急剧上升部分并上下振动。输出阀部分的波形没有什么振动。(b)泵机制、管、和针头被阻塞的情况。振动膜片和输出阀部分基本上不振动。(c)泵有泄漏的情况与(a)相同(d)驱动压电元件破裂，断线的情况振动膜片和输出阀的幅度减小或没有输出获得。(e)由于反压或由于输出端的脏物阻塞而输出阀打开的情况。阀体中的阻力消失，输出侧的液体交替或往返流动，这样检测的波形具有陡升部分并上下振荡。在输出阀检测的波形几乎没有振荡。另外，上述检测仅在所检测波形的正侧进行而负侧由一个二极管消除。如上所述，当故障发生时，在产生的波形中或多或少出现小或大的畸变。流过微电化泵的液体从可压缩的变成为不可压缩介质或相反的瞬时可以通过检测波形进行检测。图29示出将预压加给上述这些实施例的吸入阀和输出阀的封闭部分43和53的方法。图29所示微电化泵具有基片1和粘附于基片1的一对诸如硅、金和银的金属镀层制成的附膜19和20。如上所述这样粘着附膜于基片1比粘于阀体容易并能够获得均匀厚度的接触表面。按照本发明的微电化泵重要构件薄膜板的制造方法将参照图30进行说明。各个步骤的每一制造过程和状态以图30所示步骤(a)-(i)的次序说明。实例Ⅰ首先，在步骤(a)，面方向(100)的硅片的两个面均进行磨洗以便制成厚度280μm的基片2P。将基片2P在1100℃氧气(O)中热氧化一小时。在步骤(b)，0.13μm的氧化膜片(SiO2膜片)2Q形成在步骤(a)中制成基片的整个表面上。其次，在步骤(c)，在形成于基片2P背面的氧化膜2Q上作抗蚀图形以便借助于氢氟酸蚀刻液除去其图案部分的氧化膜2Q。这样，便形成用于形成通孔的第一蚀刻工序所用的蚀刻掩膜图案2R。对一部分蚀刻掩膜图案2R上的硅进行第一异向性蚀刻以便在步骤(d)形成深150μm的不通孔25。基片2P在如(C)所示形成之后其蚀刻步骤通过将它浸入乙二胺·毛儿茶酚(pilocatechol)·水(摩尔比例为35∶5∶60)腐蚀液中并将该液体加热到110℃两小时而完成。为了防止腐蚀液蒸发，由液体回收方法来进行蚀刻。不通孔25仅有150μm深并且不穿过基片2P，因此有可能用真空夹紧装置处理硅晶片并控制其它通孔(随后阐述)的尺寸。以上述方式完成用于产生振动膜片、阀、和流通管路的氧化膜2Q的双面图案以形成产生阀的蚀刻掩膜图2T和产生振动膜片的另一蚀刻掩膜图2U，如(e)所示。第二异向性蚀刻(f)按照上述条件并使用上述同样蚀刻液在蚀刻掩膜图2T和2U部分的硅上进行。基片2P每侧上的蚀刻深度为110μm，并形成厚度60μm的振动膜片6和阀4和5的阀膜片。在阀膜片的中央形成通孔2V如图30(f-2)的放大图所示。正如所示出的，阀4和5的氧化膜2Q环绕阀膜片的中央部分。随后，氢氟酸溶液除去氧化膜2Q而形成如(g)所示形状，然后进行步骤(h)。在步骤(h)中，为了于基片阀部分形成厚度1μm的粘附膜2W，在二氧化硅薄膜上进行掩膜喷镀。按照掩膜摹制过程，将已在独立步骤中形成的用以去掉阀4和5的部分的金属掩膜相应地加于基片2P，然后对二氧化硅薄膜进行一定的高频喷镀工序，以将1μm二氧化硅淀积于阀4和5上。从而产生粘附膜片2W。喷镀条件是氩喷镀气压3×10乇，RF功率400W，基片温度200℃，并进行1小时30分钟。另外，(h)以后基片的整个表面如上所述被热氧化以便如(i)所示在两表面形成厚度0.3μm的氧化膜2X。完成这种整表面热氧化过程可提高微电化泵的抗腐蚀性这在抽送液体是化学物质时是必要的，该过程还可使液体易于流动。按照氧化过程，液体流通(见实例Ⅱ)的管路进一步提高了湿润功率和抗化学性能。因此，如步骤(i)所示，在阀4和5离开氧化膜制成的粘附膜2W约1μm处获得微电化泵的薄膜板2。上述在薄膜板2上阀4和5的部分制造二氧化硅的粘附膜2W的目的是为了防止阀4和5的这些附膜2W在组装微电化泵的阳级接合过程中与玻璃接触(见实例Ⅱ)。附膜2W的形成过程已参照前例Ⅰ中掩膜喷镀(f)-(h)作了说明。但是，可按照下列两种方法形成附膜。按照一种方法，通过在SiH4气体+O2气体中以400℃温度和100A/分钟CVD速率使用减压CVD 100分钟内将1μm二氧化硅薄膜形成在其片的整个表面上，在阀4和5部分形成抗蚀图形，除了阀4和5的部分以外二氧化硅薄膜用氢氟酸腐蚀流去除。按照另一种方法，用普通的湿润热氧化在基片的整个表面形成1μm二氧化硅薄膜，类似于上述方法仅阀4和5的部分保留二氧化硅薄膜。薄板2形成方法的特点为(1)基片背面馈刻形成不通孔2S和双面蚀刻形成在阀膜片中央的通孔2V，(2)在与玻璃接触的阀4和5的部分通过诸如掩膜喷镀处理形成附膜2W以防止在微电化泵的装配步骤中阀和玻璃彼此熔结。实例Ⅱ按照实例Ⅱ，用由实例Ⅰ的制造方法形成的薄膜板作为泵主体的微电化泵的装配方法在下面进行说明。图31和32示出描述用上述方法制造微电化泵的装配方法的局部视图。图31是纵向截面，图32是一横截面图。在图31中，薄膜板2未绘出薄氧化膜2X。如明显示出，配备有振动膜片6、末端带有附膜2W的阀4和5、以及流通管路110的薄膜板2在预定位置正确粘附于下玻璃板1(粘附方法随后说明)，上玻璃板3粘附于膜板2的顶部表面以形成流通管路110和连接到其上的抽送腔121。上和下玻璃板3和1由厚度1mm的硼硅玻璃制成。用作供液口11和排液口12的孔预先在下玻璃板1上制成，安装压电元件7的孔31在上玻璃板3振动膜片6以上的位置形成。处于粘附步骤之前状态下的微电化泵如图31所示整个加热到400℃，然后进行阳极接合(参见以前文献)，在该接合中薄膜板2一侧制成正级，下玻璃板1一侧制成负极，施加一直流电压1000V达10分钟。另外，在如上所述将接合薄膜板2的下玻璃板1制作为正极以及上玻璃板3制成为负极之后进行另一阳极接合过程。经过两个阶段阳极接合以后，上玻璃板1和下玻璃板3以及薄膜片2除了附膜2W以外被粘着。因为氧化膜2X具有薄如0.13μm的厚度，故可通过阳极接合过程接合。但是，附膜2W是用厚度1μm的氧化膜制成，由于在附膜2W上不能进行阳极接合过程，所以上述这种微电化泵制造方法成为可能。在微电化泵上进行阳极接合处理之后，阀4和5从薄膜板2的底面凸出或升起附膜2W的厚度，预压加到阀4和5的阀膜上。附膜2W以它1μm厚充压制在下玻璃板1上，但是阀4和5不与玻璃板粘结，因为玻璃不与二氧化硅薄膜作阳极接合，导致微电化泵中阀的良好密封性能。此后，供液管13接合到供液口11的底部，排液管14接合到排液口12的底部，这样即完成微电化泵的主结构。然后，微电化泵的制作进入最后阶段。参照一微电化泵主体已进行了步骤说明，然而实际上，许多相同图案形成在一块硅晶片上。一模板侵蚀成某一微电化泵的硅晶片，压电元件(隔膜)7粘附于振动膜片6的上表面，进行压电元件的电气连线(未示出)，导管(未示出)附着于供液口11和排液口12，即获得一微电化泵。很显然按照本发明的制造方法不限于应用于具有上述实例提到的结构的微电化泵，可以应用于不同结构的其它微电化泵和在本发明要点范围内的用于控制液体的类似装置。例如，在输出阀一侧提供不通孔2V，或将三阀系统应用于微电化泵，以及对每一种情况可使用本发明的制造方法。权利要求1.一种微电化泵，它包括一个基片，一个接合于所述基片的薄膜板，并有打开和关闭形成在基片上的入口和出口的一个吸入阀和一个输出阀，一个形成泵腔的振动膜片，以及一个液体流动的流通管路系统，一个接合于所述薄膜板顶部表面的表面板，以及一个驱动所述振动膜片的驱动装置，其特征在于所述输出阀由覆盖所述出口输入端的帽形阀体制成。2.按照权利要求1的微电化泵，其特征在于所述驱动装置是固定于振动膜片的压电元件。3.按照权利要求1的微电化泵，其特征在于所述入口通过置于输出阀间壁之上的另一腔体导向一具有吸入阀的腔体。4.按照权利要求3的微电化泵，其特征在于配置有所述振动膜片的所述泵腔导向具有输出阀的另一腔体以及置于吸入阀间壁之上的又一腔体。5.按照权利要求1的微电化泵，其特征在于至少在输出阀一侧的间壁的顶部表面暴露于空气。6.按照权利要求1的微电化泵，其特征在于至少在输出阀一侧的间壁的顶部表面暴露于空气并且有一用来检测间壁移动的检测元件、诸如应力计或压电元件、被固定于间壁。7.按照权利要求1的微电化泵，其特征在于吸入阀由覆盖所述入口输出端的帽形阀体制成。8.按照权利要求1的微电化泵，还包括一置于所述基片和薄膜板之间的中间基片，其特征在于所述中间基片具有侧向入口和横向出口。9.按照权利要求1的微电化泵，其特征在于所述薄膜板分为具有吸入阀的上薄膜板构件和泵腔以及具有输出阀的下薄膜板构件，所述两构件通常配备有从入口导向具有所述吸入阀的腔体的液流管路以及从所述泵腔导向所述输出阀腔体的另一液流管路的中间基片接合。10.按照权利要求2的微电化泵，其特征在于，在振动膜片的中央提供有一支撑物以便使该支撑物的末端与基片相接触。11.按照权利要求2的微电化泵，其特征在于所述支撑物是沿振动膜片直径方向提供的筒形突块和凸形突块。12.按照权利要求10的微电化泵，其特征在于所述支撑物是与基片接触的振动膜片自身。13.按照权利要求2的微电化泵，其特征在于在第一薄膜板上形成其由单独薄膜板制成的前端与振动膜片的中心接触的支撑物，并且该支撑物具有从泵腔导向输出阀腔体的液流管路。14.按照权利要求2的微电化泵，其特征在于所述振动膜片有一检测驱动装置压电元件状态的检测装置。15.按照权利要求14的微电化泵，其特征在于该检测装置是电绝缘固定于压电元件上的检测压电元件。16.按照权利要求14的微电化泵，其特征在于所述输出阀具有一检测间壁状况的检测装置。17.按照权利要求16的微电化泵，其特征在于输出阀的检测装置是固定于通过振动传递突块连接到输出阀间壁的表面板振动部分的上表面的检测压电元件。18.按照权利要求16的微电化泵，其特征在于所述输出阀的检测装置是一固定于输出阀上表面的检测压电元件。19.按照权利要求14或16的一种微电化泵，其特征在于检测装置具有从波形上升开始在预定或确定间隔的多个阶段内将检测波形与标准电压比较的检测电路。20.按照权利要求1的微电化泵，还包括对吸入阀和输出阀的封闭部分施加预压的粘附膜片。21.一种微电化泵的制造方法该微电化泵主体薄膜板配备有分别用同样材料制成的振动膜片、液流管路、以及阀膜片并且玻璃基片夹在该薄膜板中间，所述方法包括以下步骤(1)通过在面方向(100)硅片上进行金属版印刷技术的湿润型异向性蚀刻制造所述薄膜板，以形成所述振动膜片、管路、所述阀膜片以及在所述阀膜片上的开口，(2)形成仅对阀膜片的阀部分施加预压的粘附膜片，所述阀部分与玻璃基片的表面相接触。全文摘要一种用于医疗和分析领域的微电化泵具有一夹在表面板和玻璃基片之间的薄膜板。该中间模板具有一吸入阀和一输出阀而玻璃基片有一入口和一出口分别连接到相应阀。在借助蚀刻技术形成于薄膜板上的两阀之间，存在一振动膜片，在该振动膜片上有一检测振动膜片任何状态的压电元件。另一微电化泵具有上薄膜板构件和下薄膜板构件。上构件具有吸入阀，下构件具有输出阀。在上和下薄膜板构件之间插入一中间玻璃基片。文档编号F04B43/04GK1054119SQ9011026公开日1991年8月28日 申请日期1990年12月27日 优先权日1989年12月27日发明者宫崎肇, 丰田正明, 上原太介, 村中司, 纸透真, 野濑保人 申请人:精工爱普生株式会社