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Die
Erfindung betrifft eine Verteileranordnung zum wahlweisen Verbinden
mindestens eines Einlasskanals mit mindestens einem Auslasskanal zum
Verteilen kleiner Fluidvolumina.
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In
analytischen Systemen stellt sich oft die Aufgabe, kleine Volumina
von Fluiden wie Proben, Reagenzien oder Spülmedien in matrixartigen Strukturen
zu verteilen. Hierzu sind bei den herkömmlichen Strukturen Ventile
notwendig, um die verschiedenen Verteilwege freizugeben oder zu
schließen. Eine
solche Struktur ist beispielsweise eine Sammelleitung, an die über Ankoppelstellen
verschiedene nach außen
führende
Zu- und Ableitungen gekoppelt werden, um die verschiedenen Wege
zu realisieren.
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Solche
Strukturen werden bisher in der Regel mit Schlauchsystemen realisiert,
die aus mit Formstücken
(T-Stücke,
Kreuzstücke
etc.) verbundenen Schlauchabschnitten bestehen. Die Ventile werden
meist mit Hilfe von Stempeln gebildet, welche die Schlauchabschnitte
an vorgesehenen Stellen abdrücken
können.
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Diese
Ausführungen
haben deutliche Nachteile und Schwachstellen. Der Materialeinsatz
sowie der Aufwand für
den Zusammenbau der Systeme sind sehr hoch. Die auftretende Materialermüdung an den
Abdruckstellen der Schläuche
erfordert ein regelmäßiges Austauschen
derselben. Das Miniaturisierungspotential ist nur gering. Je nach
Schlauchquerschnitt werden beim Schaltvorgang erhebliche Volumina
verschoben bzw. verdrängt.
Beim Einsatz von elektromagnetisch betätigten Stempeln ist eine Geräusch- und
Wärmeentwicklung
unvermeidbar. Elektromotorisch betätigte Stempel erhöhen den
Material- und Ansteueraufwand beträchtlich. Die Schaltzeiten der
Ventile können
nicht beliebig verkürzt
werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verteileranordnung der
eingangs genannten Art anzugeben, mit der unter Vermeidung der vorstehend
genannten Nachteile mit einem geringen apparativen und betrieblichen
Aufwand auch kleinste Fluidvolumina zuverlässig auf unterschiedliche Wege verteilt
werden können.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Verteileranordnung der vorstehend genannten Art umfassend zwei
aufeinander liegende Fluidleitschichten, in denen jeweils der mindestens eine
Einlasskanal bzw. der mindestens eine Auslasskanal so ausgebildet
ist, dass sich die Kanäle
der beiden Fluidschichten beim Aufeinanderlegen derselben in zumindest
einem Verbindungsbereich überdecken
und in dem Verbindungsbereich an der der jeweils anderen Fluidleitschicht
zugekehrten Schichtoberfläche
münden,
wobei eine der Fluidleitschichten in dem jeweiligen Verbindungsbereich
eine die Fluidleitschicht durchsetzende Durchbrechung hat, eine an
der die Durchbrechung aufweisenden Fluidleitschicht auf ihrer der
anderen Fluidleitschicht abgewandten Schichtoberfläche anliegende
flexible Membran, und eine die Membran gegen die Fluidleitschicht
spannende Aktuatorschicht, in der mindestens ein Steuerkanal für ein Druckfluid
ausgebildet ist, der in Flucht mit mindestens einer Durchbrechung in
der einen Fluidleitschicht zu der Membranoberfläche geführt ist.
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Bei
der erfindungsgemäßen Lösung kann
die Verbindung zwischen den in den Fluidleitschichten ausgebildeten
Kanälen
in dem jeweiligen Verbindungsbereich durch die flexible Membran
unterbrochen werden, die durch das Druckfluid durch die Durchbrechung
der einen Fluidschicht hindurch gegen die Mündungsöffnung des in der anderen Fluidschicht
ausgebildeten Kanals gedrückt
werden kann. Diese Lösung
hat den Vorteil, dass außer
der flexiblen Membran keine bewegten Teile in den Leitungskreislauf
für das
zu verteilende Fluid ragen. Der Kreis für das die Membranen betätigende
Druckfluid ist vollständig
und zuverlässig
von dem Leitungskreis für
das zu verteilende Fluid getrennt. Die Entstehung von Totvolumina
in dem Leitungskreis kann weitgehend vermieden werden. Die Zufuhr
des Druckfluides, beispielsweise Druckluft kann über sehr kleine beispielsweise
elektromagnetisch betriebene Ventile geschaltet werden. Die Verteileranordnung
hat dann neben den Anschlüssen
für das
zu verteilende Fluid selbst nur eine Druckluftzuführung und
elektrische Kontakte. Durch die Verstärkerfunktion der Druckluft genügen sehr
leistungsschwache und kleine Ventile mit geringer Durchflussrate.
Anstelle der elektromagnetischen Ventile können auch nach dem piezoelektrischen
Prinzip arbeitende Ventile eingesetzt werden. Wegen des geringen
Druckluftbedarfes genügen auch
hier kleinste Durchlassquerschnitte.
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Vorzugsweise
sind die Kanäle
in den Fluidleitschichten in Form offener Rillen ausgebildet und durch
eine Trennmaske abgedeckt, die jeweils im Verbindungsbereich eine
Durchbrechung hat. Es genügt
dabei eine Trennmaske, die zwischen den beiden Fluidleitschichten
eingespannt ist. Diese Lösung erleichtert
die Herstellung der Fluidleitschichten, da die Kanäle nicht
gebohrt werden müssen
und daher auch einen beliebigen Verlauf nehmen können, so lange sie sich nicht
kreuzen.
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Es
können
aber auch sich kreuzende Leitungen in den Fluidleitschichten ausgebildet
werden, in dem in einer der Fluidleitschicht Kanalabschnitte ausgebildet
sind, die durch einen in der jeweils anderen Fluidleitschicht ausgebildeten
Kanalabschnitt über
steuerbare oder nicht steuerbare Verbindungsbereiche verbindbar
sind. Auf diese Weise kann beispielsweise ein in einer Fluidleitschicht
ausgebildeter Kanal durch den Umweg über die andere Fluidleitschicht „untertunnelt" werden.
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Die
Membran besteht vorzugsweise aus einem Elastomer wie beispielsweise
Silikon. Die Fluidleitschichten und die Aktuatorschicht können aus Kunststoff,
beispielsweise im Spritzgussverfahren auf einfache Weise hergestellt
werden, ohne dass ein anschließendes
Bohren oder Nachbearbeiten erforderlich ist.
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Die
erfindungsgemäße Verteileranordnung erfordert
einen gegenüber
herkömmlichen
Lösungen wesentlich
reduzierten Materialaufwand. Die Herstellung kann weitgehend automatisiert
werden. Verbindungsstellen mit Zufluss- und Abflussleitungen sind nur
an der Peripherie der Verteileranordnung vorgesehen. Wie vorstehend
beschrieben wurde, können auch
komplexe zweilagige Topologien von Kanälen einfach realisiert werden,
in dem man die Kanäle durch
die Trennmaske in die jeweils andere Fluidleitschicht umleiten kann.
Bei entsprechender Gestaltung der Kanäle können diese effektiv mit minimaler Restkontamination
gespült
werden. Mehrere gleichschaltende Ventile können bequem über einen
einzigen Steuerkanal betätigt
werden. Eine mögliche
Materialermüdung
beschränkt
sich auf die flexible Membran, wobei auch hier die Gefahr einer
Materialermüdung
wegen der geringen Hubhöhe
und damit der geringen Dehnung der Membran gering ist. Da die Gesamthöhe der aufeinander
liegenden Schichten relativ klein gehalten werden kann, kann die
gesamte Verteileranordnung bei Bedarf auch leicht temperiert werden.
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Die
folgende Beschreibung erläutert
in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles. Es zeigen:
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1 eine
schematische perspektivische Explosionsdarstellung der die erfindungsgemäße Verteileranordnung
bildenden Schichten und Lagen,
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2 einen
schematischen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Verteileranordnung
im Bereich einer Verbindungsstelle zwischen den Kanälen der
Fluidleitschichten,
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3 einen
der 2 entsprechenden Schnitt an einer anderen Stelle
der Verteileranordnung,
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4 eine
schematische Darstellung des Kanalschemas einer erfindungsgemäßen Verteileranordnung
mit Verbindungsstellen und Anschlussstellen,
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5 einen
der 2 entsprechenden Schnitt durch eine abgewandelte
Ausführungsform der
Erfindung und
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6 einen
der 2 entsprechenden Schnitt durch eine weitere Ausführungsform
der Erfindung.
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Die
erfindungsgemäße Verteileranordnung besteht
gemäß 1 im
wesentlichen aus einer Anzahl von Schichten oder Platten, die in
der Reihenfolge ihrer Aufzählung übereinander
gelegt werden:
eine erste Fluidleitschicht- oder platte 10,
eine
Trennschicht oder Trennmaske 12,
eine zweite Fluidleitschicht 14,
eine
elastische Membran 16 und
eine Aktuatorschicht 18.
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In
der der Trennmaske 12 zugewandten Oberfläche 20 der
ersten Fluidleitschicht 10 ist ein Kanal 22 in
Form einer offenen Rille ausgebildet, der sich von einem Rand der
Fluidleitschicht 10 zu einem flach gewölbten offenen Dom 24 erstreckt.
In der der Trennmaske 12 zugewandten Oberfläche 26 der zweiten
Fluidleitschicht 14 ist ein Kanal 28 in Form einer
offenen Rille ausgebildet, die sich von einem Rand der zweiten Fluidleitschicht 14 bis
zu einer in dieser ausgebildeten kreisförmigen Durchbrechung 30 erstreckt.
Die Anordnung ist so getroffen, dass sich beim übereinander legen der Fluidleitschichten 10 und 14 sowie
der zwischen ihnen eingeschlossenen Trennmaske 12 der Dom 24 und
die Durchbrechung 30 überdecken.
Dies stellt den Verbindungsbereich für die Kanäle 22 und 28 dar.
Um sie physisch miteinander zu verbinden, so dass Fluid von einem
Kanal in den anderen übertreten
kann, ist in der Trennmaske 12 in dem Verbindungsbereich
eine Durchbrechung oder Öffnung 32 ausgebildet.
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In
der der Membran 16 zugewandten Oberfläche der Aktuatorschicht 18 ist
ein Kanal 34 in Form einer offenen Rille ausgebildet, der
von einem Rand der Aktuatorplatte 18 zu einem flach gewölbten Dom 36 führt, der
beim aufeinander legen der Schichten oder Platten 10 bis 18 mit
der Durchbrechung 30 und dem Dom 24 fluchtet.
Dieser Kanal 34 dient zum Zuführen eines Druckfluides, beispielsweise
Druckluft, um den über
dem Dom 36 liegenden Abschnitt der Membran 16 durch
die Durchbrechung 30 in der zweiten Fluidleitschicht 14 hindurch
gegen die Trennmaske 12 zu drücken, wodurch die Durchbrechung 32 in
der Trennmaske 12 verschlossen wird.
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Diese
Situation ist in 2 dargestellt, welche einen
Schnitt durch die zusammengebaute Verteileranordnung entlang den
Kanälen 22, 28 und 34 zeigt.
Man erkennt, wie durch die über
den Kanal 34 zugeführte
Druckluft die Membran 16 sich durch die Durchbrechung 30 wölbt und
bis in die Durchbrechung 32 der Trennmaske 12 hinein
ragt und diese verschließt.
Damit ist die Verbindung zwischen den Kanälen 28 und 22 unterbrochen.
Wird der Druckluftkanal 34 belüftet, kehrt die Membran 16 aufgrund
der Elastizität
ihres Materials in die gestreckte Lage zurück, wodurch die Kanäle 28 und 22 über die
Durchbrechung 32 in der Trennmaske 12 miteinander
verbunden werden.
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Die
Kanäle 22 und 28 können grundsätzlich beliebig
ausgerichtet sein, solange sie sich in einem Verbindungsbereich überdecken.
Es kann ein Kanal in der einen Fluidleitschicht über mehrere Verbindungsbereiche
mit einer Mehrzahl von Kanälen
in der anderen Fluidleitschicht verbunden sein oder es können in
beiden Fluidleitschichten jeweils mehrere Kanäle ausgebildet sein, wie dies
anhand der 4 noch erläutert wird.
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3 zeigt
in einem der 2 entsprechenden Schnitt eine
Möglichkeit,
komplexere Kanalstrukturen aufzubauen, bei denen sich Kanäle kreuzen, ohne
sich zu berühren
oder zu schneiden. Man erkennt in 3 einen
quer zu seiner Längsrichtung geschnittenen
Kanal 38 und zwei in ihrer Längsrichtung geschnittene Kanalabschnitte 40,
die in der ersten Fluidleitschicht 10 ausgebildet sind.
Die beiden Kanalabschnitte 40 können in der ersten Fluidleitschicht
nicht miteinander verbunden werden, ohne den Kanal 38 zu
schneiden. Um eine kreuzungsfreie Verbindung der Kanalabschnitte 40 zu
ermöglichen, ist
ihnen ein Verbindungskanal 42 zugeordnet, der in der zweiten
Fluidleitschicht 14 ausgebildet ist und über entsprechende
Durchbrechungen 32 in der Trennmaske 12 die beiden
einander zugekehrten Enden der Kanalabschnitte 40 miteinander
verbindet. Der Kanal 40 wird mit Hilfe des Verbindungskanalabschnittes 42 auf
diese Weise unter dem Kanal 38 hindurch geführt. Bei
der in der 3 dargestellten Ausführungsform
handelt es sich um eine permanente Verbindung der beiden Kanalabschnitte 40 durch
den Verbindungskanalabschnitt 42. Es bestünde jedoch auch
die Möglichkeit,
die Verbindungsstellen zwischen den Kanalabschnitten 40 und
dem Verbindungskanalabschnitt 42 in der gleichen Weise
auszubilden, wie dies anhand der 1 und 2 für die Verbindungsstelle
zwischen den Kanälen 22 und 28 erläutert wurde,
so dass die Verbindung zwischen den Kanalabschnitten 40 wahlweise
geschlossen oder geöffnet
werden kann.
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4 zeigt
in schematischer Weise das Schaltbild einer Verteileranordnung mit
einer komplexeren Matrix von Kanälen,
wobei die Kanäle
grundsätzlich
in beiden Richtungen durchströmt
werden können.
Dabei bezeichnen die strichpunktierten Linien die in der Fluidleitschicht 10 ausgebildeten
Kanäle und
Kanalabschnitte. Die in der zweiten Fluidleitschicht 14 ausgebildeten
Kanäle
und Kanalabschnitte sind durch Strichfolgen angegeben. Die Kreise
bezeichnen steuerbare Verbindungsstellen mit einer Durchbrechung
in der Trennmaske 12 und die durchgezogenen Linien zeigen
Steuerkanäle
für die
Zufuhr von Druckfluid zu den jeweiligen Verbindungsbereichen. Die
Aus- und Einlässe
für die
jeweiligen Kanäle liegen
an der Peripherie der Verteileranordnung, wo entsprechende Schläuche oder
Zuleitungen angeschlossen werden können.
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Die
für die
Steuerung des Fluidflusses zu oder von der Verteileranordnung erforderlichen
nicht dargestellten Ventile können
auch als separate Baugruppe realisiert werden, die mit der Verteileranordnung
oder Matrix-Baugruppe durch ein Array von sehr dünnen Schläuchen verbunden ist. Damit
können
elektrische Störungen,
Wärmeeintrag
und akustische Abstrahlungen von der Verteileranordnung fern gehalten
werden.
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Die
Kanaltopologien in den drei Hauptschichten, nämlich den beiden Fluidleitschichten 10, 12 und
der Aktuatorschicht 18 müssen zunächst, wie bereits beschrieben
wurde, jeweils kreuzungsfrei sein. Es ist jedoch auch möglich, wie
dies anhand der 3 erläutert wurde, ähnlich wie
bei elektrischen Leiterplatten „Durchkontaktierungen" von einer Fluidleitschicht
in die andere Fluidleitschicht zu realisieren. Dazu muss die Trennmaske
an den entsprechenden Stellen Durchbrechungen haben, wobei in der
der Membran nahen Fluidleitschicht anstelle der Durchbrechung 30 nur
ein nach unten geschlossener Dom ausgebildet ist. Auf diese Weise
können
praktisch beliebig gestaltete Topologien realisiert werden.
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Die
Fluidleitschichten, die Trennmaske und die Aktuatorschicht sind,
wie dies oben bereits beschrieben wurde, vorzugsweise aus einem
Kunststoff, beispielsweise Polycarbonat, hergestellt. Die Fluidleitschichten
können
auch zumindest teilweise aus transparentem Material gefertigt sein.
Dies ermöglicht
es, an bestimmten Stellen der Flüssigkeitskanäle optische
Sensoren anzubringen. Zum elektrischen Anschluss dieser Sensoren
kann die Trennmaske selbst als mit Leiterbahnen versehene gedruckte
Schaltung ausgeführt
sein, wobei die Sensoren als oberflächenmontierbare Bauteile auf
die Trennmaske aufgelötet
werden. Alternativ hierzu sind auch kapazitive Sensoren denkbar.
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In ähnlicher
Weise kann die als gedruckte Schaltung ausgeführte Trennmaske verschiedene zum
Erfassen chemischer oder physikalischer Größen bestimmte Sensoren tragen,
die unterschiedliche Analysen der in den Flüssigkeitskanälen befindlichen
Substanzen ausführen.
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Da
die erfindungsgemäße Verteileranordnung
als in sich geschlossene Baugruppe einfach und preiswert herzustellen
ist, kann sie auch bequem als ganzes ausgetauscht werden, wenn dies
erforderlich sein sollte.
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Die
in der 5 dargestellte Ausführungsform der Erfindung unterscheidet
sich in ihrem grundsätzlichen
Aufbau nicht von der in der 2 dargestellten
Ausführungsform.
Gleiche Teile sind daher auch wieder mit gleichen Bezugszeichen
versehen. Bei der Ausführungsform
nach 5 sind die von zwei Verbindungsbereichen ausgehenden
Kanäle 28 über eine
weitere Durchbrechung 30 miteinander verbunden. Der Durchbrechung 30 in
der Mitte zwischen den beiden Verbindungsbereichen ist ebenfalls
ein Steuerkanal oder Druckluftkanal 34 zugeordnet. Die
Trennmaske 12 hat oberhalb dieser mittleren Durchbrechung 30 aber
keine Durchbrechung 32.
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Mit
der in der 5 dargestellten Anordnung kann
eine dosierende Pumpwirkung erzielt werden. Wird die Membran 16 unter
der mittleren Durchbrechung 30 mit Druck beaufschlagt,
so wölbt
sie sich in den Hohlraum der Durchbrechung 30 hinein, wie
dies in 5 dargestellt ist. Dadurch verdrängt die
Membran die in dem Hohlraum 30 vorhandene Flüssigkeit in
dem dargestellten Ausführungsbeispiel
nach links, da hier der Flüssigkeitsweg
durch die Öffnung 32 zu dem
Kanal 22 des linken Verbindungsbereiches freigegeben ist.
Nachdem diese Verdrängung
abgeschlossen ist, wird der als Abflusskanal genutzte Kanal 22 geschlossen,
indem die Öffnung 32 in
dem linken Verbindungsbereich durch die Beaufschlagung der Membran 16 mit
Druckluft geschlossen wird. Dann wird der in der 5 rechte
Verbindungsbereich durch die Entlastung der Membran geöffnet und danach
die Membran 16 in der mittleren Durchbrechung 30 ebenfalls
entlastet, so dass sie in ihren gestreckten Zustand zurückkehrt.
Durch die dadurch bewirkte Volumenvergrößerung in der Durchbrechung 30 wird
Flüssigkeit
durch den rechten Kanal 22, die Öffnung 32 und die
Durchbrechung 30 des rechten Verbindungsbereiches sowie
durch den von diesem ausgehenden Kanal 28 angesaugt. Ein
neuer Pumpzyklus kann beginnen. Durch unterschiedliche Durchmesser
oder Abmessungen der als Pumpenkammer wirkenden mittleren Durchbrechungen 30 kann
das Dosiervolumen der Pumpe in gewissem Umfange dimensioniert werden.
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Die
in der 5 dargestellte Ausführungsform bietet auch die
Möglichkeit,
die gesamte Anordnung für
den einmaligen oder kurzzeitigen Gebrauch zu konzipieren. In diesem
Fall wird die mittlere Durchbrechung 30 in Verbindung mit
einer belüfteten
Steuerleitung 34 als Reservoir für Reagenzien benutzt. Die beim
Füllen
entstehende Auswölbung
der Membranschicht nach unten kann dabei ein gewisses Volumen an
Reagenz unter einem Vordruck aufnehmen. Durch Zuführen von
Druckmedium zu dem Steuerkanal 34 kann dieses vorher gespeicherte
Reagenz dann einer bestimmten Verwendung zugeführt werden.
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6 schließlich zeigt
eine Ausführungsform,
die bei geringen Ansprüchen
an die Schaltgeschwindigkeit der Anordnung genutzt werden kann. Hierzu
entfällt
die an eine äußere Druckmittelquelle anschließbare Steuerleitung.
Stattdessen ist lediglich ein abgeschlossener Hohlraum 44 unterhalb
der jeweiligen Durchbrechung 30 und der sie nach unten abdichtenden
Membran 16 ausgebildet. Dieser Hohlraum ist mit einer geeigneten
Flüssigkeit,
wie z. B. Alkohol, gefüllt,
die bei einer mäßigen Erwärmung rasch
verdampft und dadurch einen Druck erzeugt, der die Membran gegen
die Durchbrechung in der Trennmaske 12 presst. Zum Zuführen der
Verdampfungswärme
dient ein Heizelement 46, das in die Aktuatorschicht 18 unterhalb
des Hohlraums 44 eingebettet ist.