專利名稱：用于借助壓電換能器移動液體的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有用于移動液體的裝置的設(shè)備以及使用用于這樣的裝置 移動液體的方法。
背景技術(shù)：
例如作為生物傳感器使用的微流體系統(tǒng)，由于其結(jié)構(gòu)大小和相對小的可用 液體容積要求具有小橫截面的微型通道的系統(tǒng)。由于該小的橫截面和相對小的
流速，使這樣的系統(tǒng)的雷諾數(shù)(Reynolds-Zahlen )很小，雷諾數(shù)表征惰性與粘 滯力的關(guān)系，并且對無粘滯性的理想液體為無窮大。由此造成在這些通道中的 液流主要是片狀的，并因此而沒有充分混合。
這樣的充分混合例如在生物傳感器中是必要的，以使聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng) (Polymerasekettenreaktion, PCR)加速或還可1起DNA雜交，因為這兩種情況都 是擴(kuò)散限制過程。
為了解決這個問題，最近建議基于鈮酸鋰芯片的表面波諧振器，其在 140MHz情況下以直至500mW的HF功率工作。由此產(chǎn)生液體的準(zhǔn)無序的混合， 由此例如可以在幾分鐘內(nèi)完成雜交。
然而這樣的解決方案常常由于結(jié)構(gòu)大小和頻率范圍而受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種具有用于移動液體的裝置的設(shè)備以 及使用這樣的裝置的用于移動液體的方法。
該技術(shù)問題通過如權(quán)利要求1特征部分描述的設(shè)備和通過如權(quán)利要求19 特征部分描述的用于移動液體的方法來解決。
本發(fā)明的優(yōu)選實施方式和其它細(xì)節(jié)在從屬權(quán)利要求中給出。
根據(jù)本發(fā)明所述設(shè)備包括用于移動液體的裝置，該裝置具有至少一個壓電 聲諧振元件，和連接在壓電層上的兩個電極，其中壓電聲諧振元件這樣實現(xiàn)，通過借助電極在壓電層上施加壓力而以諧振頻率激勵該壓電層的容積振蕩，該 容積振蕩在液體中傳遞。
這樣的壓電聲諧振元件作為所謂的BAW ( bulk acoustic wafe,體聲波)諧振 器在技術(shù)上是公知的，并且被開發(fā)為適合于高頻應(yīng)用的無源組件，例如在移動 無線通信技術(shù)中。
與表面聲波諧振器(SAW, Surface Acoustic Wafe Resonator )不同，BAW
諧振器激勵壓電層的聲容積振蕩(固體聲振蕩)，且沒有表面波。根據(jù)壓電聲諧 振器的配置，被激勵的壓電聲諧振器元件的容積振蕩可以是縱向振蕩和/或容積 剪切振蕩。例如在六角形壓電材料例如PZT (鋯鈦酸鉛)的c軸的垂直晶體方 向下，在電極設(shè)置于底部和上部(三明治結(jié)構(gòu))的情況下得到沿壓電層層厚的 縱向振蕩。反之，可以得到沿著壓電層的橫向延伸的容積剪切振蕩，其中多晶 層這樣取向，使c軸在層平面中延伸。
優(yōu)選本發(fā)明設(shè)備的壓電聲諧振元件這樣工作，即激勵縱向振蕩。優(yōu)選壓電 聲諧振元件工作在0.5到10GHz的頻率范圍內(nèi)，其中產(chǎn)生在液體中強烈衰減的 波，該波導(dǎo)致液體充分混合。
優(yōu)選該裝置包括多個逆相(gegenphasig)控制的壓電聲諧振元件。由此就 是較大的液體容積也可以得到充分混合，因為通過逆相控制可以實現(xiàn)在液體中 的渦流以及改善的充分混合。
優(yōu)選本發(fā)明裝置的壓電聲諧振元件的大小為50到200jam。相對已有的解 決方案的重要優(yōu)點在于提高了小型化的潛力，由此可以大大限制整個微流體系 統(tǒng)的大小。
根據(jù)本發(fā)明可以將用于移動液體的裝置構(gòu)成為混合裝置和/或作為泵裝置。 作為微型泵它們例如可以設(shè)置在通過壓電聲諧振元件的控制而彎曲偏轉(zhuǎn)的膜 上。以優(yōu)選方式壓電聲諧振元件的厚度為半個波長(入/2)。
所述設(shè)備可以構(gòu)造為模塊。該模塊可以這樣構(gòu)造，使得可整合在微流體系 統(tǒng)中，例如通過簡單的推入或插入。
在壓電聲諧振元件的簡單的實施中，將其設(shè)置于聲鏡上，該聲鏡包括多個 具有非常不同的聲阻抗的層。但是壓電聲諧振元件也可以設(shè)置于薄膜上，該薄
膜例如可以通過對具有例如氮化或氧化覆蓋層的硅片的背面腐蝕制造成腐蝕止 檔。在此該設(shè)備可以被構(gòu)造為微型泵，其中膜通過壓電聲諧振元件的控制經(jīng)歷 彎曲偏轉(zhuǎn)，其振蕩在液體中傳遞。當(dāng)該設(shè)備包括多個逆相控制的壓電聲諧振元件時，可以獲得改善的泵性 能。在特別優(yōu)選的實施方式中，該裝置被構(gòu)造為多膜反接觸泵(Multi-
Membran-Gegenkontaktpumpe ),其中將流體通道中在流向上先后接續(xù)的多個壓 電聲諧振元件設(shè)置為執(zhí)行器(泵)，并且在兩個壓電聲諧振元件之間設(shè)置了逆流障。
通過本發(fā)明的具有用于移動液體的裝置的設(shè)備的整合能力獲得以下特別 的優(yōu)點，即可以簡單的方式作為薄層組件整合到半導(dǎo)體襯底上。在此可以利用 通常的半導(dǎo)體技術(shù)的方法過程，例如雙極型、CMOS技術(shù)或雙CMOS技術(shù)。
所述設(shè)備可以通過倒裝法安裝在高頻襯底(Hochfrcquenzsubstrat, HF )上。 該HF襯底可以是模塊的一部分，其以簡單的方式整合于流單元的外殼中。高 頻襯底優(yōu)選地是LTCC( Low Temperature Cofired Ceramics,低溫?zé)铺沾?襯底。
關(guān)于可縮小性，本發(fā)明設(shè)備的特別優(yōu)點在于，可以最簡單的方式利用用來 檢測物質(zhì)的傳感器整合于相同的技術(shù)平臺上。這樣的用來檢測物質(zhì)的裝置可以 是檢測混合物中特定物質(zhì)的傳感器，但是也可以是例如質(zhì)量傳感器 (Massensensor )。
通過檢測特定物質(zhì)的積聚，傳感器的功能可以包括選擇性地確定混合物中 的該物質(zhì)、確定相應(yīng)物質(zhì)的濃度、確定質(zhì)量、確定反應(yīng)動力學(xué)等。
這樣的基于壓電聲容積諧振器的傳感器是技術(shù)人員公知的。例如申請人的 申請WO2004/017063 A2描述了這樣的用于測量物質(zhì)在BAW諧振器表面的積 聚的微傳感器。BAW諧振器的諧振頻率由于物質(zhì)的積聚而改變，從而由此可以 推斷物質(zhì)的積聚。這樣的用于檢測物質(zhì)的裝置具有表面段，該表面段為待檢測 物質(zhì)的積聚而設(shè)置，并可以對不同的待檢測物質(zhì)而不同地設(shè)置。
通過組合或整合本發(fā)明的用于移動液體的裝置和用來檢測物質(zhì)的裝置的 功能，可以開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。例如可以監(jiān)測孩i反應(yīng)，其中可以同時測定反應(yīng) 產(chǎn)物。因為傳感器元件和執(zhí)行器元件作為整合的半導(dǎo)體組件實現(xiàn)于同 一芯片上， 該設(shè)備可以在最小空間內(nèi)實現(xiàn)，由此僅需要非常小的試劑容積，這在許多情況 下帶來明顯的費用降低。另外還可以制造具有多個元件、可以并行地實施不同 的測試的陣列。
例如可以設(shè)置具有厚度諧振模式的第一壓電聲諧振元件和具有剪切振蕩模式的 第二諧振元件。在此該設(shè)備可以這樣構(gòu)造用不同的驅(qū)動裝置來控制該兩個壓電聲諧振元件，即單獨驅(qū)動。
在特別優(yōu)選的實施方式中兩個壓電聲諧振元件以疊式互相重疊設(shè)置。在此 上面的諧振元件作為傳感器元件構(gòu)造，并優(yōu)選具有入/2的厚度。在這種情況下 上面的元件對聲波起抗反射層的作用，這使得在混合時可以在液體中特別有效 地傳輸能量。
特別有效的和大大縮小的本發(fā)明的設(shè)備是具有整合的生物傳感器的
MEMS ( Microelectronic Mechanical Systems,孩i電子才幾沖成系統(tǒng))泵。該泵包4舌在 控制時導(dǎo)致膜彎曲偏轉(zhuǎn)的第 一壓電聲諧振元件。另外還設(shè)置有逆相驅(qū)動的第二 壓電聲諧振元件。兩個壓電聲諧振元件在流單元的流通道內(nèi)前后相繼地設(shè)置。 在流單元中兩個壓電聲諧振元件之間設(shè)有逆流障。在作為泵起作用的兩個壓電 聲諧振元件的上側(cè)，分別設(shè)置有用于檢測物質(zhì)的裝置，該裝置具有用于積聚要 檢測的物質(zhì)的相應(yīng)的涂層。
以這種方式通過本發(fā)明的裝置實現(xiàn)了作為具有多功能的微系統(tǒng)技術(shù)組件 的例子的傳感器和混合元件的組合或傳感器和泵元件的組合。大大減少的結(jié)構(gòu) 尺寸開辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域并降低了制造成本。
基于壓電聲諧振元件的硅相容性，也可以構(gòu)造芯片系統(tǒng)上的實驗室
(Lab-on-a-Chip-System ),因為其將相應(yīng)的混合功能和傳感器功能與相應(yīng)整合 的分析裝置相統(tǒng)一。
但是本發(fā)明并不限于這樣的實施方式，還同樣提出具有至少一個壓電聲諧 振元件的裝置，該壓電聲諧振元件這樣構(gòu)成，通過該壓電聲諧振元件的電^fe的 控制可激勵壓電聲層的縱向的容積振蕩和同時剪切模式容積振蕩。
通過有針對性地選擇壓電層的晶向可以獲得這樣的壓電聲諧振元件。例如 可以是由ZnO組成的壓電聲層，其晶體c軸以合適的方式傾斜。例如傾斜16。。 除了 ZnO例如還可以使用具有合適的傾斜的AIN或PZT ( Bleizirkonattitanat， 鋯鈦酸鉛)。在這樣的配置下用一個壓電聲諧振元件移動液體并同時進(jìn)行測量。 與此相應(yīng)地用 一個壓電聲諧振元件提供傳感器功能和執(zhí)行器功能。
在這種用同時作為傳感器和執(zhí)行器起作用的壓電聲諧振元件的實施方式 中，可以相對強地激勵縱向模式以及激勵剪切模式。在縱向模式中液體混合， 因為該模式很好地耦合在液體中。用剪切模式例如作為檢測物質(zhì)的例子實施重 量測量。
關(guān)于制造過程在這樣的實施方式中具有極大的優(yōu)點，因為僅需處理一個壓電聲諧振元件。因為這可以用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體過程實施，因此可以毫無問題地整合 其他功能單元例如振蕩器、分析電路等。不需要運動的部分并且不需要薄膜或 懸臂，由此使產(chǎn)生的設(shè)備具有簡單的制造過程以及高可靠性。
通過將兩個功能執(zhí)行器/傳感器組合在一個組件中進(jìn)一步小型化并能提供
微流體組件，其外部尺寸明顯在100 m m以下，優(yōu)選在50 m m以下。
本發(fā)明還提出在使用本發(fā)明的裝置的情況下用來移動液體的方法。該方法 包括以下步驟將用于移動液體的本發(fā)明裝置與液體接觸，并且激勵壓電層的 容積振蕩為諧振。


下面對照附圖描述本發(fā)明的實施例和其它細(xì)節(jié)。
圖1以橫截面示意地示出具有壓電聲諧振元件的用于移動液體的裝置的第 一實施例，
圖2以橫截面示意地示出具有壓電聲諧振元件的用于移動液體的裝置的第 二實施例，
圖3以橫截面示意地示出本發(fā)明設(shè)備的一個構(gòu)造為微型混合器的實施例， 圖4以俯視圖示意地示出本發(fā)明設(shè)備的另 一個由傳感器元件和執(zhí)行器元件
組成并以陣列形成的實施例，
圖5以橫截面示意地示出本發(fā)明裝置的另一個由多個壓電聲諧振元件以疊
式排列的實施例，
圖6以橫截面示意地示出本發(fā)明裝置的一個具有整合的傳感器元件的作為
MEMS泵構(gòu)造的實施例。
圖7以橫截面示意地示出用于移動液體的本發(fā)明裝置的另一個實施例。 圖8示出了在圖8的壓電聲諧振元件上測出的振幅Sll與頻率的關(guān)系。 圖9示出了在剪切模式下在7卯MHz測出的、諧振頻率的測量與用于抗生
物素蛋白連接的時間的關(guān)系。
圖IO示出了用于移動液體的方法的實施例的流程。
具體實施例方式
在以下參照圖1和2解釋本發(fā)明裝置的用于移動液體的兩個基本結(jié)構(gòu)。 圖1示出了具有用于移動液體的裝置的設(shè)備的第一實施例，在該裝置中壓電聲諧振元件設(shè)置于襯底上。
設(shè)備IO包括設(shè)置于作為襯底12的硅片上的壓電聲諧振元件11。壓電聲諧
振元件11包括由具有層厚為1 nm的PZT組成的壓電層110。在壓電層110的 上側(cè)及下側(cè)裝有由層厚為500nm的鉑片組成的電極111及112。在電極111、 112 之間設(shè)置有由八1203構(gòu)成的絕緣層113。下面的電極112設(shè)置在由具有非常不同 的聲阻的多個交替層組成的聲鏡13上。在此例如可以是W/Si02層。這個作為 布拉格反射鏡(Bragg-Reflektor)起作用的聲鏡用來避免在襯底12中的聲損失。 聲鏡的各個層的層厚為入/4。
代替設(shè)置在壓電聲鏡上，壓電聲諧振元件還可以設(shè)置在薄膜上。在圖2中 示出這樣的實施方式。與圖1中相同的附圖標(biāo)記表示相同的組件。上面設(shè)置有 壓電聲諧振元件11的膜24由Si02組成。膜24在硅片23上形成覆蓋層。
用于產(chǎn)生膜的硅片處理過程是經(jīng)過背面腐蝕實施的，在該過程中通過材料 侵蝕形成硅片23背面的凹槽25。 Si02層24作為腐蝕止檔起作用并在完成組件 時形成膜。
在圖1和2示出的兩個實施例中，壓電聲薄層諧振器11都工作于厚度諧 振模式。在此壓電層的晶向為<111〉取向。這具有以下優(yōu)點，即結(jié)果的振蕩可 以特別好地在液體中傳遞，從而使有效的泵送及混合成為可能。
圖3示意地示出了一個實施方式的橫截面剖面圖，在該實施方式中本發(fā)明 設(shè)備構(gòu)造為完整的微流體系統(tǒng)。
微流體系統(tǒng)30包括限制流通道33的外殼，在圖3中示出了該外殼的 一個 外殼段32。通過該流通道33流過液體，該液體應(yīng)該在未示出的設(shè)備30的l殳中 被分析。為此目的，微流體系統(tǒng)包括用于充分混合通過流通道33流過的液體的 模塊31。該模塊31包括混合器芯片38,在該芯片上在流向前后相繼地設(shè)置有 兩個壓電聲諧振元件11,其結(jié)構(gòu)與在圖1和2中描述的壓電聲諧振元件11相 同，例外的是此處壓電聲諧振元件的外部尺寸為250 x 100 x 5Qnm,壓電層具 有30 ]u m的層厚?；旌掀餍酒?8通過倒裝法技術(shù)連接在LTCC( Low Temperature Coflre Ceramics,低溫?zé)铺沾?襯底37上。LTCC襯底可以公知的方式包含其 他無源的電子元件。在此混合器38的上面的片段經(jīng)過所謂的焊接接縫35與高 頻襯底37相連。焊接接縫35由金鎳合金組成。此外還設(shè)置有底層填料36。為 產(chǎn)生底層填料36在底部填充過程沿著芯片楞涂有材料帶，其中液體通過毛細(xì)管 效果在芯片下面流過。在圖3示出的混合器芯片38直接經(jīng)過倒裝法技術(shù)連接于高頻襯底37上的 結(jié)構(gòu)，帶來了很多優(yōu)點包括直接整合于微流體系統(tǒng)中的模塊31,從而獲得顯 著的縮小和整合。另外，關(guān)于高頻技術(shù)經(jīng)過焊接接縫連接于HF襯底帶來以下 優(yōu)點，在千兆赫茲范圍的頻率可以避免通過焊線導(dǎo)致的高內(nèi)部損失。
圖4示出了本發(fā)明設(shè)備的一個實施例，在該設(shè)備中在承載襯底44上設(shè)置 有4x4壓電聲諧振元件41、 42形成的陣列40。壓電聲諧振元件41在此構(gòu)造 為用于檢測物質(zhì)的傳感器元件用來識別物質(zhì)或通過測量積聚的質(zhì)量來測定其濃 度。在此壓電聲諧振元件41和42之間的基本差別在于壓電薄層的不同取向。 壓電聲諧振元件42的取向是這樣選擇的使得產(chǎn)生縱向容積振蕩，而傳感器元 件41則產(chǎn)生剪切振蕩。由于壓電層的不同取向，在陣列40中對傳感器元件41 和執(zhí)行器元件42的組合，要求另一個結(jié)構(gòu)平面。將多個傳感器元件41設(shè)置為 陣列具有在測量時提高位置分辨率的優(yōu)點。
傳感器元件和執(zhí)行器元件的組合還可以是疊式結(jié)構(gòu)形式。相應(yīng)的實施例在 圖5示出。在該實施例中本發(fā)明裝置構(gòu)造為具有整合的生物傳感器的薄層混合 器。設(shè)備50包括作為傳感器元件構(gòu)造的第一壓電聲諧振元件51。其由層厚為 1.5jum的ZnO壓電層510組成。在壓電層510的上側(cè)和下側(cè)設(shè)置有層厚為0.5 jjm的銀鈀合金電極511及512。在上電極511的上側(cè)，設(shè)置有敏感涂層55。 本實施例中是特別的DNA涂層，該涂層經(jīng)過鑰匙鎖原理可以對接(Andocken) 相應(yīng)的DNA以由不同物質(zhì)的混合中有選擇地積聚。壓電層510具有與壓電聲 諧振元件51的傳感器功能的相應(yīng)的剪切方向。
在該實施例中傳感器元件51以疊式設(shè)置在執(zhí)行器元件52上。相應(yīng)的壓電 聲諧振元件52由上側(cè)的銀鈀合金電極512和下側(cè)的銀鈀合金電極513組成。壓 電層520由層厚為500nm的A1N組成。壓電聲諧振元件52的長度在寬為5 0 p m的情況下為100 ju m。作為執(zhí)行器起作用的壓電聲諧振元件52設(shè)置在由氮化硅 組成的硅片54的膜53上。
通過以疊式的排列可以達(dá)到進(jìn)一 步的縮小。
代替膜53的結(jié)構(gòu)，還可以設(shè)置具有聲鏡的承載襯底。這樣設(shè)置其尺寸， 使反射既對容積振蕩的頻率范圍又對剪切振蕩的頻率范圍都是足夠的。
在圖5示出的實施例中上面的諧振元件51的厚度為入/2。由此上面的元件 對聲波起抗反射層的作用，由此在混合時可以實現(xiàn)在液體中特別有效的能量傳輸。圖6示出一個實施例，在該實施例中本發(fā)明設(shè)備構(gòu)造為具有整合的生物傳
感器的MEMS ( Microelectronic Mechanical SystemsJ鼓電子才幾才成系統(tǒng))泵。
設(shè)備60包括在上側(cè)限制通道62的流單元61,在圖6示出了該裝置橫截面 的一部分。通過具有整合的傳感器元件的反接觸泵63形成通道62的下側(cè)，該 傳感器元件被構(gòu)造為雙膜反接觸泵。微型泵63包括兩個在厚度方向具有壓電層 520的壓電聲諧振元件52，它們沿著流通道62前后相繼地設(shè)置，并被逆相控制。 壓電聲諧振元件52的結(jié)構(gòu)與在圖5中示出的壓電聲諧振元件52的結(jié)構(gòu)相同。 通過控制電極512及513造成膜的彎曲偏轉(zhuǎn)。兩個具有執(zhí)行器功能的壓電聲諧 振元件52被逆相控制。在流通道中設(shè)置有逆流障69,該逆流障與流單元的外 殼段61整體地構(gòu)造。其可以阻止液體逆流。通過雙壓電元件結(jié)構(gòu)可以使用具有 kHz范圍諧振頻率的膜彎曲偏轉(zhuǎn)。在壓電聲諧振元件52的上側(cè)類似于在圖5中 示出的同樣設(shè)置一個作為傳感器工作的壓電聲諧振元件51 。向上流設(shè)置的壓電 聲諧振元件51具有由聚合體構(gòu)成并適合于吸收特定的碳?xì)浠衔锏耐繉?6。 向上流的壓電聲諧振元件51具有由另 一聚合體構(gòu)成的、有選擇地吸收特定生物 分子的涂層65。與作為泵元件在kHz范圍工作的壓電聲諧振元件52不同，壓 電聲諧振元件51工作在千兆赫茲范圍。
在該實施例中通過以疊式排列具有不同功能的壓電聲諧振元件，也可以顯 著縮小，這使得可以將具有不同功能的微系統(tǒng)技術(shù)組件在一個組件中實現(xiàn)。
但是本發(fā)明并不限于為了在 一個組件中實現(xiàn)執(zhí)行器功能和傳感器功能，需 要多個壓電聲諧振元件的實施例。本發(fā)明同樣包括一個具有包括壓電聲諧振元 件的裝置的設(shè)備，該壓電聲諧振元件的壓電層這樣取向，通過控制電極既可激 勵縱向模式的容積振蕩也可激勵剪切模式的容積振蕩。這樣實施的具有這樣的 用于移動液體的裝置的設(shè)備在圖7中示出。在圖7中示出的設(shè)備70的結(jié)構(gòu)與圖 2中示出的結(jié)構(gòu)相同，不同的是圖7的實施例中使用由ZnO組成的壓電層，具 有幾乎在壓電層的層平面的c軸的晶體取向。在該實施例中傾斜16°。這樣的取 向可以相當(dāng)?shù)膹姸燃燃羁v向模式也激勵剪切模式，如在圖8中所示。借助縱 向模式，液體在諧振器上混合，因為此處可以很好地耦合于液體中。借助剪切 模式可實現(xiàn)傳感器功能。例如圖9示出在剪切模式下在7卯MHz測量的抗生物 素蛋白連接的重量測量的例子。
該實施例具有以下優(yōu)點，僅用 一個壓電聲諧振元件可以同時激勵縱向模式 和剪切模式，從而可以將執(zhí)行器和傳感器功能統(tǒng)一于僅一個壓電聲諧振元件。在圖7示出的實施例中壓電聲諧振元件由圖中未示出的信號混合器驅(qū)動。該信 號混合器重疊相應(yīng)的適合激勵相應(yīng)模式的頻率。
在圖7中壓電聲諧振元件701構(gòu)造于膜上。但是例如也可以在具有聲鏡的 襯底上使用圖1所示的結(jié)構(gòu)。
除了圖7所示的壓電層由ZnO組成的實施例，還可以相應(yīng)的合適的傾斜使 用其它壓電材料，如A1N、 PZT。在具有六角形結(jié)晶結(jié)構(gòu)的壓電材料中在許多 情況下取向優(yōu)選在<45°的范圍內(nèi)。
以上所述的實施例可以有不同的修改，其中不同實施方式的各個特征可以 相互組合或交換。只要這樣的修改對專業(yè)人員來說是沒有困難地顯而易見的， 則它們就是通過對所解釋的實施例的描述被隱含地公開的。例如可以在陣列中 不僅組合執(zhí)行器功能和傳感器功能，而且還可以這樣改變壓電聲諧振元件的結(jié) 構(gòu)方式，使各壓電聲諧振元件適合于同時激勵縱向模式和剪切模式，并設(shè)置附 加的作為分離組件實現(xiàn)相應(yīng)功能的壓電聲諧振元件。
以下關(guān)于圖10描述在使用本發(fā)明的裝置的情況下移動液體的方法的實施例。
在步驟100這樣將本發(fā)明設(shè)備與液體接觸，使得在液體中出現(xiàn)本發(fā)明裝置 的壓電聲諧振元件的容積振蕩。在步驟101通過激勵壓電聲諧振元件的容積振 蕩來實施液體的移動，該振蕩在液體中傳遞用于移動液體。
權(quán)利要求
1. 一種具有用于移動液體的裝置的設(shè)備，其特征在于，所述裝置包括至少一個具有至少一個壓電層(110)和兩個設(shè)置在該壓電層(110)上的電極(111，112)的壓電聲諧振元件(11)，其中所述壓電聲諧振元件(11)這樣實現(xiàn)，通過借助電極(111，112)在壓電層(110)上施加壓力以諧振頻率激勵該壓電層(110)的容積振蕩，該容積振蕩在液體中傳遞以移動液體。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述用于移動液體的裝置這 樣構(gòu)造，使所述壓電聲諧振元件(11)的被激勵的容積振蕩為縱向振蕩。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其特征在于，所述裝置被構(gòu)造成具有 頻率范圍為0.5至4GHz的諧振頻率的用于充分混合液體的混合裝置。
4. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，所述裝置具有多 個壓電聲諧振元件(11 )。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其特征在于，所述裝置構(gòu)成為，逆相控制 所述多個壓電聲諧振元件(11)。
6. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，所述壓電聲諧振 元件(11 )的厚度為入/2。
7. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，所述至少一個壓 電聲諧振元件(11)設(shè)置在膜(24)上。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其特征在于，所述裝置構(gòu)造為微型泵，其 中所述膜(24)通過所述壓電聲諧振元件(11)的控制而經(jīng)歷彎曲偏轉(zhuǎn)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的設(shè)備，其特征在于，所述裝置構(gòu)造為具有至 少兩個逆相控制的壓電聲諧振元件(11)的多膜反接觸泵。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的設(shè)備，其特征在于，所述構(gòu)造成微型泵的 裝置實施為多膜泵，具有至少兩個在通道(62)中在流向上相繼設(shè)置的壓電聲 諧振元件(11),其中在該兩個壓電聲諧振元件(11)之間設(shè)置有逆流障。
11. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備包括至 少一個附加的壓電聲諧振元件(11 )，其這樣構(gòu)造，使得被激勵的壓電聲諧振元 件(11)的壓電層(110)的容積振蕩是縱向容積振蕩。
12. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備構(gòu)造為模塊(31)，其中所述用于移動液體的裝置設(shè)置在HF襯底上。
13. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備包括至 少一個這樣構(gòu)造的壓電聲諧振元件(11 ),通過控制該壓電聲諧振元件(11 )的 電極(111, 112)可以激勵該壓電聲諧振元件(11)的壓電層的縱向模式的容 積振蕩和剪切模式的容積振蕩。
14. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，所述壓電聲諧 振元件(11 )具有由A1N、 PZT或ZnO組成的壓電層(110),其六角結(jié)構(gòu)的晶 體c軸相對層平面具有合適的傾斜，使得可以激勵壓電聲諧振元件(11)的壓 電層的縱向模式的容積振蕩和剪切模式的容積振蕩。
15. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，具有用來檢測 物質(zhì)的裝置，該裝置具有至少一個具有至少一個壓電層(110)和兩個設(shè)置在壓 電層(110)上的電極(111, 112)的壓電聲諧振元件(11 )，其中所述壓電聲 諧振元件(11 )這樣實現(xiàn)，即通過借助電極(lll， 112)在壓電層(110)上施 加壓力可以諧振頻率來激勵壓電層(110)的剪切模式容積振蕩，并具有一個為 待檢測物質(zhì)的積聚而設(shè)置的表面段，其中壓電聲諧振元件(11)的諧振頻率根 據(jù)積聚的待檢測物質(zhì)的質(zhì)量而改變。
16. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備具有多 個壓電聲諧振元件(11 )，其中包括至少一個構(gòu)造成所述用于移動液體的裝置的 執(zhí)行器的第一壓電聲諧振元件(11)，以及一個構(gòu)造為所述用于檢測物質(zhì)的裝置 的傳感器元件的第二壓電聲諧振元件(11)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其特征在于，至少所述第一和第二壓電 聲諧振元件(11)以疊式構(gòu)造方式互相重疊地設(shè)置。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的設(shè)備，其特征在于，上面的諧振元件(11 ) 構(gòu)造為所述用于檢測物質(zhì)的裝置的傳感器元件，并具有的厚度。
19. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備具有根據(jù)權(quán)利要求 13或14所述的壓電聲諧振元件(11),其作為所述用來檢測物質(zhì)的裝置的傳感 器元件和所述用來移動液體的裝置的執(zhí)行器元件起作用。
20. —種用于移動液體的方法，具有以下步驟將液體與根據(jù)上述權(quán)利要 求中任一項所述的設(shè)備的壓電聲諧振元件(11)這樣接觸，使壓電聲諧振元件(11)的容積振蕩在液體中傳遞；以及以壓電聲諧振元件(11)的諧振頻率激 勵容積一展蕩以移動液體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有用于移動液體的裝置的設(shè)備，其特征在于，所述裝置包括至少一個具有至少一個壓電層(110)和兩個設(shè)置在該壓電層(110)上的電極(111，112)的壓電聲諧振元件(11)，其中所述壓電聲諧振元件(11)這樣實現(xiàn)，通過借助電極(111，112)在壓電層(110)上施加壓力以諧振頻率激勵該壓電層(110)的容積振蕩。所述壓電聲諧振元件(11)可以合適的方式與液體聲耦合以在液體中傳遞被激勵的容積振蕩而移動液體。該設(shè)備可以構(gòu)造成微型混合器或微型泵并且還可以包括用于檢測物質(zhì)的積聚的傳感器元件(41)。
文檔編號B01F11/02GK101305277SQ200680041868
公開日2008年11月12日 申請日期2006年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月9日
發(fā)明者簡·韋伯, 萊因哈德·蓋布爾, 馬蒂亞斯·施賴特, 馬賽厄斯·林克 申請人:西門子公司