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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Betätigen eines
Ventils in einem mikromechanischen Gerät, insbesondere in einer medizinischen,
molekularbiologischen oder biochemischen Analysevorrichtung. Auf
dem Gebiet der Medizin und der Molekularbiologie finden zusehends elektronische
diagnostische Systeme (EDD, Elektronic Diagnostic Device) Anwendung,
welche einen möglichst
kompakten Aufbau aufweisen. Selbst aufwändige Untersuchungen oder Analyse-
bzw. Diagnoseverfahren sollen innerhalb einer kompakten Baueinheit
auch in kleineren Labors oder Arztpraxen vorgenommen werden können. Hierbei
wird beispielsweise eine Probe, beispielsweise eine Blutprobe einer
erkrankten Person, auf Viren untersucht. Innerhalb des elektronischen
diagnostischen Systems werden beispielsweise der Krankheitsvirus
und seine DNA zunächst
extrahiert. Anschließend
wird die DNA-Sequenz vervielfältigt,
um sie in einem nachgeschalteten Messverfahren identifizieren und
auswerten zu können.
Diese unterschiedlichen Schritte sollen in einer kompakten Einheit,
der so genannten Cartridge, ausgeführt werden, welche also ein
in sich geschlossenes chemisches Labor darstellt. Das gesamte Gerät für das elektronische
diagnostische oder analytische System weist hierbei beispielsweise die
Größe eines
Arbeitsplatzdruckers auf.
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Bei
der Untersuchung oder Analyse werden mitunter sehr geringe Mengen
der zu untersuchenden Probe zwischen den einzelnen Stufen innerhalb der
Cartridge gepumpt bzw. gefördert.
Zur Steuerung des Flüssigkeitsstroms
sind unter anderem sicher schließende Ventile erforderlich,
um sicherzustellen, dass die Messergebnisse beispielsweise nicht
durch eine ungewollte Vermischung von zwei verschiedenen Stoffströmen beeinträchtigt werden.
Die Cartridge bildet daher eine so genannte Flu idik. Sofern hier
von einem mikromechanischen Gerät
oder System gesprochen wird, ist hierunter insbesondere zu verstehen,
dass die Elemente der Fluidik, wie beispielsweise Strömungskanäle oder
Ventile, mikromechanischer Natur sind, also sehr geringe Abmessungen
aufweisen.
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Für das sichere
Verschließen
eines solchen Strömungskanals
sind vergleichsweise hohe Kräfte, beispielsweise
in der Größenordnung
von 10 N, erforderlich. Gleichzeitig sind aufgrund der mikromechanischen
Ausbildung die Ventilhübe
sehr gering und liegen beispielsweise im Bereich von einigen Zehntelmillimetern.
Aufgrund der geringen Abmessungen und des damit verbundenen feingliedrigen Aufbaus
des Systems einerseits und der vergleichsweise hohen notwendigen
Schließkräfte für die Ventile
andererseits besteht die Gefahr von Beschädigungen. Insbesondere kann
bei Betätigung
des Ventils mit einem Ventilstößel aufgrund
des nur geringen Ventilhubs nicht ohne weiteres gewährleistet
werden, dass das Ventil einerseits exakt schließt und dass andererseits eine
Beschädigung
des Ventils oder des Strömungskanals
beispielsweise aufgrund einer zu großen Bewegung des zwangsgeführten Ventilstößels ausgeschlossen
ist.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein sicheres und gleichzeitig
schonendes Verschließen
eines derartigen mikromechanisch wirkenden Ventils zu ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
gelöst
durch eine Vorrichtung zum Betätigen
eines Ventils in einem mikromechanischen Gerät, insbesondere in einer medizinischen,
molekularbiologischen oder biochemischen Diagnose- oder Analysevorrichtung,
mit einem von dem Ventil verschließbaren Strömungskanal. Die Vorrichtung
weist einen Ventilstößel auf,
der über
eine Stößelspitze
auf ein Verschlusselement des Ventils einwirkt. Dabei ist die Stößelspitze mit
einem Stößelende
federnd über
ein Federelement verbunden. Unter Federelement und federnder Lagerung
wird hierbei allgemein eine nachgiebige, nicht starre Anordnung
der Stößelspitze
verstanden.
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Durch
die federnde oder elastische Anordnung der Stößelspitze ist im Vergleich
zu einem starren Stößel der
entscheidende Vorteil erreicht, dass Lageungenauigkeiten des Stößels in
Bezug auf das zu verschließende
Ventil vergleichsweise unkritisch sind. Denn eine "zu große" Hubbewegung des
Stößels, die
bei einem starren Stößel unweigerlich
zu einer Beschädigung
des Ventils führen
würde,
wird aufgrund der federnden Lagerung der Stößelspitze kompensiert, so dass
auf das Ventil lediglich die Federkraft der federnd gelagerten Stößelspitze
einwirkt.
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Durch
das Federelement ist daher die genaue Lagepositionierung weniger
kritisch. Selbst wenn aufgrund einer wiederholten Betätigung des Ventils
sich gegebenenfalls die Nulllage oder die Justage des Ventilstößels verändert, ist
weiterhin aufgrund des Federelements ein sicheres und zugleich schonendes
Verschließen
des Strömungskanals
gewährleistet.
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Gemäß einer
zweckdienlichen Weiterbildung kommt das Federelement vollständig ohne
Fremdenergie aus, ist also als ein passiv wirkendes Element ausgebildet.
Es brauchen daher keine Installationen, wie beispielsweise Hydraulik-
oder Pneumatikansteuerungselemente vorgesehen sein, über die
Einfluss auf die Federeigenschaften des Federelements genommen werden.
Aufgrund des geforderten kompakten Aufbaus wären derartige Ansteuerelemente bereits
aus platztechnischen Gründen
nur schwer realisierbar. Durch die passiv wirkende Ausbildung ist zugleich
ein geringer und damit kostengünstiger
apparativer Aufwand erzielt. Zweckdienlicherweise ist das Federelement
hierbei eine mechanische Federeinheit, welche problemlos und kostengünstig herstellbar
ist.
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Um
einen einfachen Zusammenbau des Stößels zu ermöglichen, ist zweckdienlicherweise
vorgesehen, dass das Federelement als eine eigenständige Baueinheit
ausgebildet ist, die an dem Stößelende befestigt,
insbesondere angeschraubt ist.
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Um
ein sicheres und zugleich schonendes Verschließen des Ventils zu gewährleisten,
ist das Federelement auf eine Vorspannkraft vorgespannt, wobei nach
einem Anpressfederweg das Federelement mit einer Ventilverschlusskraft
gegen die Stößelspitze
drückt.
Durch den Anpressfederweg, der beispielsweise einige Millimeter
beträgt,
wirkt über eine – im Vergleich
zu dem nur wenige Zehntelmillimeter betragenden Ventilhub – lange
Strecke nur die eher geringe Vorspannkraft auf das Verschlusselement
des Ventils ein. Über
den Anpressfederweg findet daher eine Längenkompensation, beispielsweise bei
ungenauer Positionierung des Stößels, statt.
Der Stößel kann
also über
einen vergleichsweise langen Stößelhub betätigt werden,
ohne dass das Ventil beschädigt
wird. Mit Erreichen der Verschlusskraft ist ein sicheres Verschließen des
Ventils gewährleistet. Nach
Durchlaufen des Anpressfederwegs bleibt die Federspannung auf einen
im Wesentlichen konstanten Ventilverschlusswert oder erhöht sich
nur noch geringfügig.
Nach Durchlaufen des Anpressfederwegs steht also noch ein vergleichsweise
großer
Verschlussfederweg zur Verfügung,
so dass auch hier eine Kompensation erfolgen kann und ein exakter Stößelhub für ein sicheres
und schonendes Verschließen
des Ventils nicht zwingend erforderlich ist.
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Zweckdienlicherweise
ist das Federelement derart ausgebildet, dass die Ventilverschlusskraft etwa
im Bereich von 6–10
N liegt. Bevorzugt ist weiterhin der Ventilhub des Ventils hierbei < 1 mm und beträgt etwa
0,2–0,3
mm. Gleichzeitig beträgt
in einer zweckdienlichen Ausgestaltung der wirksame Federweg des
Federelements etwa 10 mm und insbesondere etwa 6 mm. Der wirksame
Federweg schließt hierbei
den Anpressfederweg sowie den Verschlussfederweg ein, die beide
etwa gleich groß sind.
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Die
Aufgabe wird weiterhin gelöst
durch einen Ventilstößel gemäß Anspruch
10, welcher zum Einbau in dem mikromechanischen Gerät vorgesehen
ist, sowie durch das Verfahren gemäß Anspruch 11.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
jeweils in schematischen und stark vereinfachten Darstellungen:
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1 eine
Anordnung umfassend einen Ventilstößel sowie einen von einem Ventil
verschließbaren
Strömungskanal,
wobei der Stößel sich
in der Offen-Stellung befindet,
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2 eine
mit der 1 vergleichbare Anordnung, bei
der sich der Stößel in der
geschlossenen Stellung befindet, und
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3 eine
vergrößerte, schematische
Querschnittsansicht im Bereich des Strömungskanals.
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In
einer so genannten Cartridge einer mikrofluidischen medizinischen
Analysevorrichtung sind üblicherweise
mehrere Strömungselemente 2 angeordnet,
die jeweils einen Strömungskanal 4 aufweisen.
Im Ausführungsbeispiel
ist eines der Strömungselemente 2 dargestellt.
Während
des Betriebs wird der Strömungskanal 4 von
einer zu untersuchenden Probenflüssigkeit
durchströmt.
Zur Steuerung des Stroms der Probenflüssigkeit ist ein Ventil 6 vorgesehen,
welches im Ausführungsbeispiel
als Membranventil mit einer von einer Ventilkugel 8 beaufschlagten
Membran 10 umfasst. Die Ventilkugel 8 und die
Membran 10 bilden ein Verschlusselement des Ventils 6 zum
Verschließen
des Strömungskanals 4.
Die Ventilkugel 8 wird hierbei mit Hilfe eines Ventilstößels 12 betätigt.
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In
einer alternativen, hier nicht näher
dargestellten Ausgestaltung, wirkt ein Stößelende 16 des Ventilstößels 12 unmittelbar
ohne Zwischenschaltung der Ventilkugel 8 auf die das Verschlusselement bildende
Membran 10 ein. Zweckdienlicher weise ist hierbei die Stößelspitze 16 abgerundet
und beispielsweise halbkugelartig ausgebildet. Alternativ hierzu kann
die Stößelspitze 16 in
etwa plan oder auch in Richtung des Strömungskanals 4 langgestreckt
mit einer halbzylindrischen Abrundung ausgestaltet sein.
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Zum
Verschließen
des Strömungskanals 4 wird
ausgehend von der in 1 dargestellten Offen-Stellung
die Stößelspitze 16 gegen
die Ventilkugel 8 gedrückt,
so dass der Strömungskanal 4 durch die
Membran 10 verschlossen wird und die in 2 dargestellte
Geschlossen-Stellung eingenommen wird. Zum Öffnen des Ventils 6 fährt die
Stößelspitze 16 wieder
in die in 1 gezeigte Stellung. Insbesondere
durch den anliegenden Flüssigkeitsdruck gibt
die Membran 10 den Strömungskanal 4 für die Probenflüssigkeit
wieder frei, die in Pfeilrichtung durch den Strömungskanal 4 strömt.
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Der
Strömungskanal 4 weist
im Ausführungsbeispiel
eine Breite von lediglich etwa 0,2 mm bis 0,5 mm auf. In dieser
Größenordnung
liegt in etwa auch der notwendige Ventilhub H, um den die Ventilkugel 8 zum
Verschließen
des Strömungskanals 4 verschoben
werden muss. Je nach Ausbildung des Ventils 6 kann der
Ventilhub H zwischen 0,2 mm bis etwa 0,7 mm variieren. Um ein sicheres
Verschließen des
Ventils 6 zu gewährleisten
und eine Beeinflussung der hochsensiblen Messergebnisse durch eine ungewollte
Leckage der Probenflüssigkeit
zu verhindern, ist eine für
die geringen Abmessungen des Strömungskanals 4 und
des insgesamt feingliedrigen Aufbaus vergleichsweise hohe Verschlusskraft
von im Ausführungsbeispiel
etwa 8 N notwendig. Gleichzeitig muss eine Beschädigung des Strömungselements 2 infolge
einer zu großen
Presskraft auf die Ventilkugel 8 verhindert werden.
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Um
ein möglichst
schonendes und zugleich sicheres Schließen des Ventils 6 zu
ermöglichen, weist
der Ventilstößel 12 ein
Federelement 14 auf, an dem eine Stößelspitze 16 angeordnet
ist. Über
die Stößelspitze 16 wirkt
der Ventilstößel 12 auf das
Ventil 6 ein. An das Federelement 14 schließt sich
am gegenüberliegenden
Ende der Stößelspitze 16 ein
Stößelende 18 an.
Das Federelement 16 ist im Ausführungsbeispiel als eine mechanische
Federeinheit mit einer Feder ausgebildet. Anstelle einer Feder kann für das Federelement 14 auch
ein elastisches Element oder elastisches Material verwendet werden. Die
Federeinheit weist zwei teleskopartig ineinander verschiebliche
Teilstücke
auf. Das Federelement 14 ist in 1 im ausgefahrenen
Zustand und in 2 im eingefahrenen Zustand dargestellt.
Das Federelement 14 weist einen in 1 dargestellten
wirksamen Federweg X auf. Dieser wirksame Federweg X beträgt hierbei
ein Vielfaches, beispielsweise mehr als das Zehnfache des angesprochenen
Ventilhubs H von wenigen Zehntelmillimetern. Im Ausführungsbeispiel
beträgt
der wirksame Federweg X etwa 6 mm.
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Das
Federelement 14 ist auf eine Vorspannkraft eingestellt,
die beispielsweise etwa ein Viertel unter der notwendigen Verschlusskraft
liegt, mit der die Ventilkugel 8 für ein sicheres Verschließen beaufschlagt
werden muss. Im Ausführungsbeispiel
beträgt
diese Vorspannkraft 6 N. Nach Durchlaufen eines Teilstücks des
wirksamen Federwegs X, nämlich eines
Anpressfederwegs, wird die notwendige Verschlusskraft von 8 N erreicht.
Diese Verschlusskraft wird beispielsweise nach etwa der Hälfte des
wirksamen Federwegs X erreicht. Über
den restlichen wirksamen Federweg X kann die Verschlusskraft annähernd konstant
bleiben oder bis beispielsweise auf 10 N ansteigen. Die Federkraft
nimmt hierbei vorzugsweise linear und stetig über den Federweg X von 6 N auf
10 N zu.
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Das
Federelement 14 ist daher derart ausgebildet, dass über den
gesamten wirksamen Federweg X auf die Ventilkugel 8 eine
Kraft ausgeübt
wird, die eine Beschädigung
des Ventils 6 sicher ausschließt. Da der wirksame Federweg
X im Vergleich zu dem notwendigen Ventilhub H vergleichsweise groß ist, werden über den
wirksamen Federweg X Lageungenauigkeiten beispielsweise aufgrund
von bestehenden Toleranzen, einer nicht exak ten Justage oder aufgrund
einer Dejustierung infolge einer wiederholten Betätigung des
Ventils 6 kompensiert.
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Das
Federelement 14 ist mit seinem rückwärtigen, zum Stößelende 18 orientierten
Teilstück mit
dem Stößelende 18 verbunden.
Insbesondere bildet das Stößelende 18 eine
Führung
für das
rückwärtige Teilstück, welches
vorzugsweise in das Stößelende 18 eingeschraubt
ist.
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Zum Öffnen und
Verschließen
des Ventils wird ein Seil- oder Bowdenzug 20 insbesondere
elektromotorisch betätigt.
Zum Verschließen
drückt
der Seilzug 20 den Ventilstößel 12 gegen das Ventil 6. Die über das
Federelement 14 vorgespannte Stößelspitze 16 drückt gegen
die Ventilkugel 8, so dass das vordere Teilstück des Federelements 14 innerhalb des
wirksamen Federwegs X teleskopartig in das hintere Teilstück verfährt. Der
Seilzug 20 ist daher zur Ausübung einer Druckkraft geeignet
ausgebildet.
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Gemäß der in 3 dargestellten
Ausführungsform
weist der Strömungskanal 4 im
Bereich der Ventilkugel 8 eine an den Radius der Ventilkugel 8 angepasste
kalottenförmige
Ausmuldung 22 auf. Die Ventilkugel 8 ist in einem
Gehäuseteil 24 des Srömungselements 2 durch
eine geeignete Formgebung unverlierbar gehalten und gegen die Membran 10 vorgespannt.
Die Membran 10 reicht daher im Bereich der Ausmuldung 22 bereits
ein Teilstück
in den im Bereich der Ausmuldung 22 vergrößerten Strömungskanal 4 hinein
und verengt diesen bereits in der Offen-Stellung. Die Verengung
des Strömungskanals 4 ist
dabei bevorzugt derart gewählt,
dass der Strömungsquerschnitt
im Bereich der Ausmuldung 22 in etwa dem im restlichen
Strömungskanal 4 entspricht.
Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass beim Verschließen nur
eine geringe Flüssigkeitsmenge von
der Ventilkugel 8 verdrängt
wird. Zum Verschließen
des Strömungskanals 4 wird
die Ventilkugel 8 über
die hier nicht dargestellte Stößelspitze 16 weiter in
den Strömungskanal 4 hin eingedrückt. Zur
Führung
der Stößelspitze 16 ist
im Gehäuseteil 24 ein Kanal 26 ausgebildet.