微機電製程與微型幫浦簡介

微 機 電 系 統(Micro Electro Mechanical Systems) 是 利 用 半 導 體 製 程 (IC Fabrication)技術，將機械元件微小化，並可與電子元件結合，使其具有體積小、

質量輕….等特點，利用微機電技術所製造的微結構，和一般傳統元件相比，在 尺寸及質量均可微小化數個等級以上。

近幾年來因微機電技術的快速增進發展，使得微流體系統的製造與應用更加 多元化，微流體系統包含了微流道、微型閥、微流速感測器、微致動器、微幫浦 及微流體混合器…等元件，此類微流體系統體產品最主要的優點在於積極小、成 本便宜、精確度高且反應時間非常快，不僅在電子及機械領域中受到重視，對於 化學分析、生物醫學等領域亦有相當重大的應用價值。未來實際運用之對象，舉 例而言，在機械電子電機方面：小型機器用之燃料電池、微流量控制系統、精密 機械流速計；在化學分析系統方面：噴墨列印頭與微流體冷卻系統等產品；在生 物醫學方面：微量皮下藥劑輸送系統，其可定時精準地排出定量的藥物，將可運 用於麻醉藥物的使用，也可運用於人工心臟的發展，將可避免傳統人工心臟機構 疲勞與血液破壞的情形。如何利用微機電技術來製造體積小和功能多的微流體系 統元件及如何整合，將是未來值得研究的目標。

表一提為近年來微幫浦的研究方向與比較[11]。其中，壓電材料或靜電力作 動之diaphragm 式微幫浦，因構造簡單且效率佳而有許多相關的研究。

表一 各類型微幫浦的比較 Actuation

Type

Maximum flow rate(µl/min

Operation voltage(V)

Power consumption

(mW)

Maximum pump pressure (kpa)

1300 160 - 90

Piezoelectric

40 100 - 15

Electrostatic 850 200 1 31 Thermopneumatic 34 6 2000 4

Electromagnetic 20 3 900 -

Bimetallic 43 16 - -

SMA 50 - 630 0.52

CEW 60 2.3 0.03 0.6

Gear 300 - - -

圖1 薄膜式微幫浦簡圖

圖 1 為 diaphragm 微幫浦之簡單示意圖[12]。圖(a)為靜電驅動，圖(b)為壓電 材料驅動。薄膜式幫浦之作動原理為當致動器通電後，電極(counter electrode)或 壓電片(piezo disk)會產生收縮與膨脹的現象，進而帶動薄膜對幫浦運轉室(pump room)進行壓縮行程，並透過單向閥控制流體的流進與流出。

現今許多的微幫浦多是以矽當材料，用薄膜作動，配以不同的進出口閥 (inlet/outlet)控制流體的流動 [13-15]。但此種設計往往是不可重複的或不可靠的 [13]，其實薄膜式微幫浦最大的問題，在於薄膜的材料而非幫浦的設計。由於受 制於製程技術的限制，無法使用具高彈性的薄膜材料，而因往往在高頻率的往復 作動下造成材料的破壞。此外，壓電致動式或靜電制動式的薄膜微幫浦，並不能 提供大的行程容積（最大的行程容積：靜電式0.04 lµ , 壓電式 0.085 lµ ）[12]，

如在液體中有任何的氣泡產生，將因氣泡的可壓縮性，而大大降低幫浦的壓縮行 程容積，甚而停止幫浦的作動，此問題大大限制了薄膜式幫浦在微機械的適用性。

齒輪式幫浦則完全沒有薄膜式幫浦的問題[16]。齒輪式幫浦經實驗確認在水 與甘油的混合液中仍能保有流量與轉速之間的線性關係，可在黏性流體方面提供 相當精確的微小流量的供給。齒輪幫浦可在高黏性流體下運轉，甚至是在流體中 有微小固體時仍可順暢的作動，魯式轉子式的齒輪幫浦可提供更大的運轉室，可 提高流量與容許在流體裡存在更大的微小固體，或者可以更安全的傳送敏感的流 體，如血液[17-18]。

近年來有關齒輪式微幫浦之研究，主要為漸開線齒輪之微幫浦[16-18]，其優 點是構造簡單，漸開線之設計可同時兼顧傳動並以齒間空隙為運轉室。缺點是漸 開線齒廓是以傳動為主之設計，其運轉室空間不足而無法有效提升效率。齒輪式 微幫浦之構照造簡圖如圖3 所示。比較下圖 2，若在相同的外徑下，齒輪幫浦若 以螺旋式壓縮機轉子取二 D 形式外廓替代漸開線，將有叫好的運轉空間及轉子 面積效率。

圖2 轉子容積效率之比較

圖3 齒輪式微幫浦示意圖 1.3 轉子外廓設計

本研究之微齒輪幫浦係轉子參考 Faydor L. Litvin 於 1996 年所發表之論文 [19]，齒輪轉子之外廓設計首先必須選定一公轉子之線型參數方程式，根據嚙合 原理我們可以求出母轉子外廓與公轉子線型方程式之角度關係式，然後將此關係 式帶入座標轉換矩陣中可求出母轉子之線型參數方程式，在此外廓設計中我們選 定橢圓曲線為公轉子之線型參數方程式。參照圖4 求出橢圓之方程式σ₁⁽¹⁾與切線 向量^r_a⁽¹⁾(θ₁)，法線向量^N_a⁽¹⁾(θ₁)^T，法線向量之單位向量ⁿ⁽_a¹⁾(θ₁)，另參照圖 4 求 出座標轉換矩陣M_ba與M_ab。

圖4 橢圓之參數與座標轉換示意圖

定義於座標Sa之橢圓曲線參數方程式 ^r_a^(1)(θ₁⁾⁼

[ ^d

^a

^b

]

[

^a

^b

]

法線向量 N_a⁽¹⁾(θ₁)=

[

]

單位法線向量

[ ]