DE102005038483B3

DE102005038483B3 - Mikropumpe

Info

Publication number: DE102005038483B3
Application number: DE102005038483A
Authority: DE
Inventors: Alexander Doll; Andreas Geipel; Frank GOLDSCHMIDTBÖING; Peter Woias
Original assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Current assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Priority date: 2005-08-13
Filing date: 2005-08-13
Publication date: 2006-12-14
Anticipated expiration: 2025-08-14
Also published as: WO2007020029A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Mikropumpen, und insbesondere auf membranbetriebene Mikropumpen, die mit nur zwei betätigbaren Membranbereichen auskommen. Dabei basiert die vorliegende Erfindung auf der Idee, dass bei einer Zweikammermikropumpe, die aus einer Einlassöffnung, einer Membran mit einem Antriebsmechanismus und einer Ventillippe sowie aus einer Auslassöffnung und einer Membran mit einem weiteren Antriebsmechanismus besteht, die geometrischen Abmessungen und elastischen Eigenschaften der beiden Membranen so ausgelegt werden, dass die verdrängten Volumina und die bei Bewegung der Membranen auftretenden Abmessungsänderungen ganz bestimmte Voraussetzungen erfüllen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Mikropumpen, und insbesondere auf membranbetriebene Mikropumpen, die mit nur zwei betätigbaren Membranbereichen auskommen.

Mikropumpen sind seit ca. 25 Jahren Gegenstand intensiver Forschung. So ist ein umfassender Überblick über dieses Thema beispielsweise in dem Artikel D J Laser et al. "A review of micropumps", J Micromech. Microeng. 14 (2004) R35–R64, gegeben. Gegenwärtig liegt die Hauptforschungsrichtung in der Entwicklung von sogenannten Verdrängerpumpen, da diese hohe Förderraten erzeugen und große Gegendrücke überwinden können und zudem, anders als die auf elektrischen und elektrochemischen Antriebsprinzipien beruhenden Mikropumpen, nicht auf spezielle Eigenschaften des Fördermediums angewiesen sind.

Für Anwendungen, die eine bidirektionale Förderung erfordern, werden in der Regel sogenannte peristaltische Mikropumpen verwendet, wie dies beispielsweise aus der Druckschrift F Goldschmidtböing et al "A generic analytical model for microdiaphragm pumps with active valves", Journal of Micromech. Microeng. 15 (2005) 673–683, bekannt ist. Diese peristaltische Mikropumpen weisen insgesamt drei betätigbare Membranenbereiche auf und werden im Folgenden als Dreimembranmikropumpen bezeichnet. Bei geeigneter Ausführung der ersten und/oder der dritten Membran kann die Dreimembranmikropumpe zudem die Funktion eines aktiven Absperrventils übernehmen. Die Notwendigkeit der drei Membranen erfordert aber relative große Chipabmessungen, was zu vergleichsweise hohen Kosten und bei raumkritischen Anwendungen, wie beispielsweise bei implantierbaren medizintechnischen Geräten, zu Integrationsproblemen führt.

Für Anwendungen, die eine vom anliegenden Druck unabhängige Dosierung erfordern, vor allen Dingen im Zusammenhang mit einer Medikamentendosierung, gibt es gegenwärtig noch keine befriedigende und genügend miniaturisierte Lösung.

Um eine Vereinfachung der benötigten Strukturen und Ansteuerungen zu erreichen, wurde vorgeschlagen, eine sogenannte Zweikammermikropumpe zu erstellen, die nur zwei bewegliche Membranen verwendet. Diese Anordnung, die auch als zweistufige peristaltische Mikropumpe bezeichnet wird, ist aus der Druckschrift J.M. Berg et al. "A two-stage discrete peristaltic micropump", Sensors and Actuators A 104 (2003) 6–10, bekannt. Diese Pumpe hat jedoch den Nachteil, dass nur gegen vergleichsweise geringe Außendrücke gepumpt werden kann. Eine vollständige Betrachtung der auftretenden Drücke und insbesondere eine von dem auftretenden Außendruck unabhängige Pumpengestaltung ist aus dieser Druckschrift nicht gezeigt. Darüber hinaus ist die in dieser Druckschrift offenbarte Anordnung vergleichsweise groß und daher für eine Anwendung als Implantat nicht geeignet.

Aus der deutschen Patentschrift DE 195 34 378 C1 ist eine Fluidpumpe bekannt mit einem Pumpenkörper, einem Verdränger, der mittels eines Antriebs in eine erste und eine zweite Endstellung positionierbar ist, wobei der Verdränger und der Pumpenkörper derart ausgebildet sind, dass zwischen denselben eine Pumpkammer, die über eine erste und eine zweite Öffnung, die keine Rückschlagventile aufweisen, mit einem Einlass und einem Auslass fluidmäßig verbindbar ist, definiert ist, und einem elastischen Puffer, der an die Pumpkammer angrenzt. Der Verdränger verschließt die erste Öffnung, wenn er in der ersten Endstellung ist und lässt die erste Öffnung offen, wenn er in der zweiten Endstellung ist. Die Fluidpumpe gemäß dieser Druckschrift verwendet nur einen einzigen Aktor und nur ein von diesem Aktor verschließbares Ventil. Die zweite Öffnung bleibt immer offen.

Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht daher darin, eine verbesserte Zweikammermikropumpe anzugeben, die in miniaturisierter und kostengünstiger Weise herstellbar ist und eine druckunabhängige Förderrate hat, die sich besonders für eine Medikamentendosierung eignet.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Dabei basiert die vorliegende Erfindung auf der Idee, dass bei einer Zweikammermikropumpe, die aus einer Einlassöffnung, einer Membran mit einem Antriebsmechanismus und einer Ventillippe sowie aus einer Auslassöffnung und einer Membran mit einem weiteren Antriebsmechanismus besteht, die geometrischen Abmessungen und elastischen Eigenschaften der beiden Membranen so ausgelegt werden, dass die verdrängten Volumina und die bei Bewegung der Membranen auftretenden Abmessungsänderungen ganz bestimmte Voraussetzungen erfüllen.

Insbesondere wird erfindungsgemäß eine Zweikammermikropumpe angegeben, welche die folgenden Elemente umfasst: Einen ersten Membranbereich, der von einem ersten Antriebsmechanismus betätigbar ist und mit mindestens einer ersten Ventillippe so zusammenwirkt, dass eine Einlassöffnung, an der ein Einlassdruck p_ein anliegt, durch Betätigen des ersten Antriebsmechanismus verschließbar ist, wobei durch Bewegen des ersten Membranbereichs von der ersten Ventillippe weg eine maximale positive Volumenänderung V_A+ein bezüglich einer unausgelenkten Membranposition des ersten Membranbereichs verursacht wird, und durch Bewegen des ersten Membranbereichs auf die erste Ventillippe zu eine maximale negative Volumenänderung V_A–ein bezüglich der unausgelenkten Membranposition des ersten Membranbereichs verursacht wird;
einen zweiten Membranbereich, der von einem zweiten Antriebsmechanismus betätigbar ist und mit mindestens einer zweiten Ventillippe so zusammenwirkt, dass eine Auslassöffnung, an der ein Auslassdruck p_aus anliegt, durch Betätigen des zweiten Antriebsmechanismus verschließbar ist, wobei durch Bewegen des zweiten Membranbereichs von der zweiten Ventillippe weg eine maximale positive Volumenänderung V_A+aus bezüglich einer unausgelenkten Membranposition des zweiten Membranbereichs verursacht wird, und durch Bewegen des zweiten Membranbereichs auf die zweite Ventillippe zu eine maximale negative Volumenänderung V_A–aus bezüglich der unausgelenkten Membranposition des zweiten Membranbereichs verursacht wird;
einen Pumpenkörper;
und eine Pumpkammer, die zwischen der ersten Ventillippe und der zweiten Ventillippe ausgebildet ist und von dem Pumpenkörper und mindestens Teilen des ersten und zweiten Membranbereichs begrenzt ist, so dass ihr Volumen durch Betätigen des ersten und/oder zweiten Membranbereichs veränderbar ist, wobei die Pumpkammer eine Gesamthöhe h_K hat und eine maximale Spalthöhe zwischen der ersten oder zweiten Ventillippe und dem ersten oder zweiten Membranbereich h₀ + w_max beträgt;
wobei die geometrischen Abmessungen der Membranbereiche, der Ventillippen und der Pumpkammer sowie die elastischen Eigenschaften der Membranbereiche, die durch konstante Faktoren C₀ bzw. C_C im offenen bzw. geschlossenen Zustand definiert sind, so gewählt sind, dass in Abhängigkeit von Schließdrücken p_Caus und p_Cein, bei denen die Auslassöffnung beziehungsweise die Einlassöffnung gerade geschlossen sind, die folgenden Bedingungen erfüllt sind:

pCaus > paus hK > h0 + wmax und (VA+ein – VA–ein) – CO·(pCaus– pein) – CC·(2·pCaus – pCein – pein) > 0.

In vorteilhafter Weise kann eine solche Mikropumpe zur bidirektionalen Förderung verwendet werden und hat gegenüber den etablierten Dreimembranpumpen nach dem peristaltischen Prinzip wesentlich verringerte Abmessungen. Weiterhin ist die erzielte Förderrate in weiten Bereichen vom Druck, gegen den gefördert wird, unabhängig, was sich besonderes positiv bei einer Anwendung für eine Medikamentendosierung bemerkbar macht.

Grundsätzlich können die erforderlichen Bedingungen durch Verwendung von Aktoren mit großer Kraft und großem Stellweg erfüllt werden. Besonders geeignet und auch gut untersucht ist hier ein piezoelektrischer Biegewandler, es sind jedoch auch andere Antriebsprinzipien denkbar, beispielsweise unter Verwendung von Druckluft oder elektrostatischen Aktorprinzipien. Jede andere Antriebsform, bei der eine flexible Membran zum Pumpen bewegt wird, ist selbstverständlich für die erfindungsgemäße Mikropumpe ebenfalls einsetzbar.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Ventillippen, welche die Einlass- und Auslassöffnung umgeben und durch die Betätigung des Membranbereichs zum Schließen der Öffnungen dienen, als kreisförmige Vorsprünge ausgeformt. Selbstverständlich können aber auch andere geometrische Formen verwendet werden.

Anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausgestaltungen wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Ähnliche oder korrespondierende Einzelheiten der erfindungsgemäßen Zweikammermikropumpe sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
1 eine schematische Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen 2-Kammer-Mikropumpe;
2 ein Detail aus der Darstellung der 1 zur Verdeutlichung der Abmessungen;
3 ein schematisches Zeitablaufdiagramm, das die statischen Zustände während eines Pumpzyklus der Anordnung aus 1 erläutert.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zweikammermikropumpe ist in einer schematischen Querschnittsansicht in 1 gezeigt. Dabei weist die Pumpe 10 einen beispielsweise in Siliziummikrotechnik hergestellten Pumpenkörper 20 auf, der in ein Fluidsystem integriert werden kann. Erfindungsgemäß umfasst die Mikropumpe 10 ein Membranelement 30 mit zwei Membranbereichen 2, 5, die durch Piezoaktoren 12, 15 betätigt werden können. Die hier gezeigten Piezoelemente 12, 15 können auf die jeweiligen Membranabschnitte 2, 5 geklebt sein oder können durch Siebdruck und andere Dickschichttechniken auf der Membran gebildet sein. Alternativ können anstelle der Piezoelemente 12, 15 auch andere Antriebsvorrichtungen verwendet werden, um die Membranbereiche zu bewegen.
An dem Pumpenkörper 20 sind Öffnungen 1, 4 vorgesehen, die je nach Pumprichtung einen Ein- und Auslass der Flüssigkeit erlauben. Für die folgenden Betrachtungen soll angenommen werden, dass die Öffnung 1 einen Einlass und die Öffnung 2 einen Auslass bildet. In der gezeigten Ausführungsform sind die Membranbereiche 2, 5 in dem Membranelement 30 durch Mikrostrukturierung ausgebildet und das Memb ranelement ist an äußeren Bereichen desselben umlaufend an den Pumpenkörper 20 gefügt, so dass zwischen dem Membranelement 30 und dem Pumpenkörper 20 eine fluiddichte Verbindung besteht. Sowohl das Membranelement 30 wie auch der Pumpenkörper 20 sind in einer jeweiligen Siliziumscheibe ausgebildet, und die beiden Elemente können beispielsweise durch sogenanntes Silicon Fusion Bonding aneinander gefügt sein. Damit können die einzelnen Pumpen 10 als Chips in einem Wafer-Prozess hergestellt werden und anschließend durch an sich bekannte Sägetechniken vereinzelt werden. Selbstverständlich können aber auch andere Herstellungsverfahren, die dem Fachmann im Zusammenhang mit der mikrotechnischen Herstellung von derartigen Pumpen geläufig sind, verwendet werden.
Erfindungsgemäß ist als Antriebsmechanismus eine Piezokeramik 12 fest auf der Membran 2 montiert, beispielsweise geklebt. Wie bereits erläutert, handelt es sich bei der dargestellten Membran um eine Siliziummembran, wobei die Membran jedoch durch beliebige andere Materialien gebildet sein kann, solange sie elektrisch kontaktierbar ist, beispielsweise als metallisierte Siliziummembran, als Metallfolie oder als durch einen Zweikomponentenspritzguss leitfähig gemachte Kunststoffmembran. Durch Anlegen einer Spannung an die Piezokeramik kontrahiert die Membran, wie dies grundsätzlich bekannt ist, und kann dabei sowohl in eine Richtung auf die Ventillippen 3, 6 zu wie auch von den Ventillippen 3, 6 weg bewegt werden. Bei einer Bewegung der Membran auf die an den Öffnungen 1, 4 vorgesehenen Ventillippen 3, 6 zu, können die jeweiligen Öffnungen 1, 4 geschlossen werden.
Die Einlassöffnung 1, die Membran mit dem Antriebsmechanismus 12 und die Ventillippe 3 bilden somit ein Ventil, das durch Betätigen des Antriebsmechanismus geöffnet oder geschlossen werden kann. Analog bildet die Auslassöffnung 4, der Membranbereich 5 mit dem Antriebsmechanismus 15 und die Ventillippe 6 ein Auslassventil. Die Einlassöffnung 1 und die Auslassöffnung 4 sind über eine Pumpkammer 7 fluidisch miteinander verbunden. Beide Membranen haben neben der im Zusammenwirken mit den Ventillippen zustande kommenden öffnenden und schließenden Funktion außerdem eine Volumenverdrängerfunktion.
Zur Herleitung der erfindungsgemäßen Prinzipien sollen im Folgenden Berechnungen analog zu dem für eine Dreimembranmikropumpe durchgeführten Verfahren der Druckschrift Journal of Micromech. Microeng. 15 (2005), 673–683, durchgeführt werden.
Es wird dabei davon ausgegangen, dass die erfindungsgemäße Zweikammermikropumpe 10 gegen einen relativen Auslassdruck p_aus, der an der Auslassöffnung 4 anliegt, fördert. Der Einlassdruck p_ein, der an der Einlassöffnung 1 anliegt, schwankt nur wenig um den Umgebungsdruck. Diese Bedingung ist nicht notwendig für die Funktion der Zweikammermikropumpe, erleichtert jedoch die Verständlichkeit der nachfolgenden Ausführungen.
Zur Herleitung der erfindungsgemäßen Funktionsprinzipien soll das statische Verhalten der Membranen 2, 5 aus 1 näher betrachtet werden. Dabei setzt sich eine Volumenänderung V bezüglich der unausgelenkten ebenen Membranposition aus zwei Anteilen zusammen, nämlich der Volumenverdrängung durch den Antrieb V_A und einem zu dem Kammerdruck p proportionalen Anteil: V = VA + CO·p (1)
Dabei entspricht V > 0 einer Kammervergrößerung, d. h. einer Bewegung der Membran 2 weg von der Ventillippe 3 und V < 0 einer Kammerverkleinerung, d. h. einer Bewegung der Membran in Richtung auf die Ventillippe 3 zu. Der Anteil V_A kann für das Einlassventil 1 zwischen den Werten V_A+ein > 0 und V_A–ein < 0 variieren. Entsprechend gilt für die maximale Volumenänderung durch den Antrieb für das Auslassventil 4, dass dieser zwischen V_A+aus > 0 und V_A–aus < 0 geschaltet werden kann.
Die in der Gleichung (1) angegebenen Konstante C_O hängt von der Geometrie und den mechanischen Eigenschaften der jeweiligen Membran ab. Sie wird der Einfachheit halber für die folgenden Ausführungen für beide Membranen gleich gewählt. Allerdings ist für den Fachmann klar, dass auch unterschiedliche Membraneigenschaften und damit unterschiedliche Konstante C_O gewählt werden können.
Die Auslenkung der Membranmitte kann entsprechend einer ähnlichen Überlegung durch die folgende Gleichung (2) beschrieben werden: Δw = wA + f·p (2)
Dabei kann der Anteil w_A für das Einlassventil zwischen den Werten w_A+ein > 0 und w_A–ein < 0 und entsprechend für das Auslassventil 4 zwischen w_A+aus > 0 und w_A–aus < 0 geschaltet werden.
Die Konstante f ist im Folgenden für beide Membranen gleich und beschreibt mechanische Eigenschaften, wie z. B. die Elastizität und Dehnbarkeit der Membran. Selbstverständlich können aber auch für jede Membran unterschiedliche Konstante f_ein bzw. f_aus gewählt werden.
Die Membran schließt das jeweilige Ventil, wenn ihre Mitte auf die Ventillippe 3 oder 6 auftrifft. Die Bedingung für das Schließen ist daher durch die folgende Gleichung (3) gegeben: Δw = –h0. (3)
Dabei ist h₀, wie in der 2 gezeigt, der Abstand zwischen der unausgelenkten Membran und der Ventillippe 3, 6. Die Gleichung (3) wird genau dann erfüllt, wenn der Kammerdruck unter einen Schließdruck p_C fällt. Der Schließdruck hängt von der jeweiligen Aktoransteuerung am Antriebsmechanismus ab. Unter Verwendung der Gleichungen (2) und (3) lässt sich der Schließdruck wie in Gleichung (4) gezeigt formulieren:
Entsprechend der zwei Aktorstellungen pro Ventil und den zwei vorhandenen Ventilen treten insgesamt vier Schließdrücke auf. Für die Theorie relevant sind aber nur die Schließdrücke bei nominal geschlossenem Ventil, wie sie in der folgenden Gleichung (5) für den Einlass und den Auslass zusammengefasst sind:
Für Kammerdrücke p unterhalb des Schließdrucks muss der Ausdruck für die Volumenverdrängung gemäß Gleichung (1) korrigiert werden, da dann neben der Aktorkraft und der Kammerdruckkraft zusätzlich die Auflagekraft auf der Ventillippe 3, 6 zu berücksichtigen ist: V = VA + CO·pC + CC·(p – pC) (6)
Die Material- und Geometriekonstante C_C ist dabei aufgrund der Versteifung durch die Ventillippe deutlich kleiner als der korrespondierende Wert für das offene Ventil C_O.
Um die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Dreikammermikropumpe mathematisch beschreiben zu können, sind in 3 die drei statischen Betriebszustände in ihrer zeitlichen Abfolge dargestellt.
Die Übergange zwischen den Zuständen I und II, II und III sowie III und I werden als Phasen A, B und C bezeichnet. In der Pumpkammer 7 treten während dieser Betriebszustände die drei Betriebszustandsdrücke p₁, p₂ und p₃ auf. Während der Phasen A, B und C wird durch das Einlassventil 1 das Volumen ΔV_Aein, ΔV_Bein und ΔV_Cein sowie durch das Auslassventil 4 das Volumen ΔV_Aaus, ΔV_Baus und ΔV_Caus umgesetzt.
Zunächst soll die Phase A betrachtet werden. Diese beschreibt einen Übergang zwischen dem Anfangszustand I, bei dem das Einlassventil 1 geschlossen und das Auslassventil 4 geöffnet ist in einen Zustand II, in dem beide Ventile geschlossen sind.
Für den Anfangszustand 1 gilt: p1 = paus (7)und V1 = VA–ein + VA+aus + CO·(paus + pCein) + CC·(paus – pCein). (8)
Die Bedingung für ein Ausstoßen von Flüssigkeit durch das Auslassventil 4 ist, dass der durch den am Auslass wirkenden Aktor 5 generierte Druck größer als der Schließdruck des Ventils 4, p_Caus, ist.
Dies stellt eine notwendige Bedingung für das Funktionieren der Mikropumpe dar und lässt sich mit den bisher definierten Parametern in Form der folgenden Gleichung (9) ausdrücken:
Weiterhin darf der erzeugte Kammerdruck nicht höher als der Schließdruck p_Cein sein, da ansonsten das Einlassventil 1 aufgedrückt würde. Dies lässt sich formelgemäß durch die folgende Gleichung (10) ausdrücken:
Schließlich muss der Schließdruck am Auslass höher als der Auslassdruck sein, damit anschließend das Auslassventil schließen kann: pCaus > paus (11)
Für den Fall, dass die Gleichungen (9), (10) und (11) erfüllt sind, ergibt sich der Zustand II nach Ablauf der Phase A als Endzustand wie folgt: p2 = PCaus (13)und V2 = VA–ein + VA–aus + CO·(pCaus + pCein) + CC·(pCaus – pCein) (14)damit kann man das durch das Auslassventil während der Phase A verdrängte Volumen berechnen zu ΔVAaus = V1 – V2 = VA+aus – VA–aus + CO·(paus – pCaus) + CC·(paus – pCaus). (15)
Für die Phase B, die einen Übergang von dem Zustand II auf den Zustand III beschreibt, ist der Zustand II der Anfangszustand und wird durch die folgenden Gleichungen (16) und (17) definiert: p2 = pCaus (16) V2 = VA–ein + VA–aus + CO·(pCaus + pCein) + CC·(pCaus – pCein) (17)
Für den zu erreichenden Endzustand III gilt: p3 = pein (18) V3 = VA+ein + VA–aus + CO·(pein + pCaus) + CC·(pein – pCaus) (19)
Damit wird während der Phase B das folgende Volumen durch das Einlassventil 1 angesaugt: ΔVBein = V2 – V3 = –(VA+ein – VA–ein) + CO·(pCein – pein) + CC·(2·pCaus – pCein – pein) (20)
Die Phase C schließlich beschreibt den Übergang von dem Zustand III zurück in den Zustand I, wodurch der Zyklus wieder am Anfang beginnt. Der Anfangszustand III wird beschrieben durch die folgenden Gleichungen: p3 = pein (21) V3 = VA+ein + VA–aus + CO·(pein + pCaus) + CC·(pein – pCaus) (22)
Wie aus der 3 erkennbar, werden in der Phase C die beiden Ventile 1 und 4 simultan und gegenläufig geschaltet. Dadurch besteht die Möglichkeit, dass während eines intermittierenden Zeitabschnitts beide Ventile gleichzeitig offen sind und die Gefahr eines Rückflusses besteht. Ein solcher Rückfluss kann aber dadurch unterdrückt werden, dass der fluidische Widerstand für die Strömung des Ventils wesentlich höher gewählt wird als der Widerstand für die Strömung zwischen den beiden Kammern.
Diese Bedingung, die einen ganz wesentlichen Einfluss auf die geometrische Auslegung der erfindungsgemäßen Mikropumpe hat, kann dadurch erfüllt werden, dass die Höhe der Pumpkammer 7, h_K, wesentlich größer als der maximale Ventilspalt h₀ + w_max gemäß der 2 gewählt wird. Es ergibt sich: hK > h0 + wmax (23)
Unter diesen Umständen schließt das Einlassventil, indem Flüssigkeit in den Auslassbereich nachströmt und anschließend Flüssigkeit durch das Auslassventil nachfließt, bis ein Druckgleichgewicht erreicht wird. Der zu erreichende Endzustand I wird durch die folgenden Gleichungen (24) und (25) beschrieben: p1 = paus (24) V1 = VA–ein + VA+aus + CO·(paus + pCein) + CC·(paus – pCein) (25)
Das durch das Auslassventil während Phase C verdrängte Volumen berechnet sich mit der nachfolgenden Gleichung (26): ΔVCaus = V3 – V1 = (VA+ein – VA–ein) – (VA+aus – VA–aus) + CO·(pin – paus + pCaus – pCein) + CC·(pin – pCaus – paus + pCein) (26)
Damit kann der Zyklus wieder von neuem durchlaufen werden. Das während eines einzelnen Zyklus A-B-C umgesetzte Volumen berechnet sich wie in der folgenden Gleichung (27) gezeigt: ΔVABC = ΔVA,aus + ΔVC,aus = –ΔVB,ein (VA+ein – VA–ein) – CO·(pCaus – pin) – CC·(2·pCaus – pCein – pin) (27)
Ein fortlaufender Förderstrom von einströmender Flüssigkeit durch die Öffnung 1 und ausströmender Flüssigkeit durch die Öffnung 4 kann bei zyklischer Abfolge der Phasen A-B-C aufrechterhalten werden, wenn das während eines Zyklus umgesetzte Zyklusvolumen größer als Null ist: ΔVABC > 0 (28)
Setzt man für ΔV_ABC die Gleichung (27) ein, so wird erkennbar, dass das Fördervolumen nicht vom Auslassdruck p_aus abhängt und es ergeben sich die nachfolgend zusammengefassten Bedingungen für das Funktionieren der erfindungsgemäßen Zweikammermikropumpe:

pCaus > paus hK > h0 + wmax und (VA+ein – VA–ein) – CO·(pCaus – pein) – CC·(2·pCaus – pCein – pein) > 0.
Mit der erfindungsgemäßen Auslegung der Zweikammermikropumpe sind zum einen deutlich kleinere Abmessungen erreichbar als bei bekannten Dreimembranmikropumpen, zum anderen ist die Förderung unabhängig von dem anliegenden Auslassdruck.
Allerdings wird mit einem steigenden Auslassdruck schließlich eine der oben erwähnten Bedingungen verletzt und durch diese Tatsache ein maximal zulässiger Auslassdruck p_aus definiert.
Vergleicht man jedoch die von J.M. Berg et al. präsentierte Zweikammermikropumpe mit den durch die erfindungsgemäße Lösung erreichten maximalen Ausgangsdrücken, so stellt man fest, dass, wie in 3 der genannten Druckschrift gezeigt, Pumphöhen von unter 1 cm Wassersäule mit der zweistufigen Pumpe erreicht werden, während im Vergleich dazu die erfindungsgemäße Zweikammermikropumpe in ersten Testmessungen Pumphöhen von bis zu 80 cm Wassersäule erreicht. Damit lassen sich wesentlich flexiblere Anwendungsbereiche erschließen.
Wie bereits erwähnt, eignen sich piezoelektrische Biegewandler für die Erfüllung der oben hergeleiteten fünf Bedingungen am besten, es sind aber auch andere Antriebsprinzipien denkbar, sofern sie eine ausreichende Kraft und einen ausreichend großen Stellweg ermöglichen.
Obwohl im Vorangegangenen stets zwei Membranen mit jeweils gleichen Parametern C_O, C_C und f beschreiben wurden und nur die Antriebskräfte für die beiden Membranen unterschiedlich gewählt wurden, kann eine analoge Anordnung mit un terschiedlicher elastischer und geometrischer Membranauslegung von Vorteil sein. Zur Vereinfachung der Herleitung wurde hier jedoch von einem symmetrischen Design ausgegangen.
Die Membranen müssen darüber hinaus auch nicht zwangsläufig in beide Richtungen ausgelenkt werden können. Eine Anordnung mit einer Auslenkung ausschließlich in eine Richtung, nämlich hin zu den Öffnungen, ist ebenfalls möglich. Auch Anordnungen mit Auslenkung ausschließlich nach oben bei gleichzeitiger mechanischer Vorspannung der Membran durch in den Membranbereich reichende Ventillippen sind möglich. Dabei würde bei der Berechnung ein negatives h₀ als Distanz zwischen der Membran und der Ventillippe angenommen werden.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht somit eine verringerte Baugröße gegenüber dem Dreikammer-Prinzip und beinhaltet dennoch dieselbe Funktionalität und stellt außerdem eine Pumpe bereit, die in miniaturisierter Form eine vom Auslassdruck unabhängige Fluidförderung ermöglicht.

Claims

Mikropumpe mit: einem ersten Membranbereich (2), der von einem ersten Antriebsmechanismus (12) betätigbar ist und mit mindestens einer ersten Ventillippe (3) so zusammenwirkt, dass eine Einlassöffnung (1), an der ein Einlassdruck p_ein anliegt, durch Betätigen des ersten Antriebsmechanismus verschließbar ist, wobei durch Bewegen des ersten Membranbereichs von der ersten Ventillippe weg eine maximale positive Volumenänderung V_A+ein bezüglich einer unausgelenkten Membranposition des ersten Membranbereichs verursacht wird, und durch Bewegen des ersten Membranbereichs auf die erste Ventillippe zu eine maximale negative Volumenänderung V_A–ein bezüglich der unausgelenkten Membranposition des ersten Membranbereichs verursacht wird; einem zweiten Membranbereich (5), der von einem zweiten Antriebsmechanismus (15) betätigbar ist und mit mindestens einer zweiten Ventillippe (6) so zusammenwirkt, dass eine Auslassöffnung (4), an der ein Auslassdruck p_aus anliegt, durch Betätigen des zweiten Antriebsmechanismus verschließbar ist, wobei durch Bewegen des zweiten Membranbereichs von der zweiten Ventillippe weg eine maximale positive Volumenänderung V_A+aus bezüglich einer unausgelenkten Membranposition des zweiten Membranbereichs verursacht wird, und durch Bewegen des zweiten Membranbereichs auf die zweite Ventillippe zu eine maximale negative Volumenänderung V_A–aus bezüglich der unausgelenkten Membranposition des zweiten Membranbereichs verursacht wird; einem Pumpenkörper (20), und einer Pumpkammer (7), die zwischen der ersten Ventillippe (3) und der zweiten Ventillippe (6) ausgebildet ist und von dem Pumpenkörper und mindestens Teilen des ersten und zweiten Membranbereichs begrenzt ist, so dass ihr Volumen durch Betätigen des ersten und/oder zweiten Membranbereichs veränderbar ist, wobei die Pumpkammer eine Gesamthöhe h_K hat und eine maximale Spalthöhe zwischen der ersten oder zweiten Ventillippe und dem ersten oder zweiten Membranbereich kleiner als die Gesamthöhe h_K ist; wobei die geometrischen Abmessungen der Membranbereiche, der Ventillippen und der Pumpkammer sowie die elastischen Eigenschaften der Membranbereiche so gewählt sind, dass die folgenden Bedingungen erfüllt sind: der beim Schließen des Auslassventils bei geschlossenem Einlassventil erzeugte Kammerdruck fällt nicht unter den Druck, bei dem das geschlossene Auslassventil öffnen würde; der beim Schließen des Auslassventils bei geschlossenem Einlassventil erzeugte Kammerdruck überschreitet nicht den Druck, bei dem das geschlossene Einlassventil öffnen würde; der Auslassdruck liegt unter dem Druck, bei dem das geschlossene Auslassventil öffnen würde.
Mikropumpe nach Anspruch 1, wobei der Antriebsmechanismus (12, 15) des ersten und zweiten Membranbereichs jeweils mindestens einen piezoelektrischen Biegewandler aufweist.
Mikropumpe nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste und zweite Ventillippe (3, 6) als kreisförmiger Vorsprung ausgeführt sind.
Mikropumpe nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der erste und der zweite Membranbereich unterschiedliche elastische Eigenschaften aufweisen.
Mikropumpe nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Membranbereiche (2, 5) in einem Membranelement (30) ausgebildet sind und die Einlassöffnung (1), die Auslassöffnung (4) und die Pumpkammer (7) durch Strukturierungen in dem Pumpenkörper (20) und/oder dem Membranelement (3) ausgebildet sind.
Mikropumpe nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Antriebsmechanismen mindestens einen Piezomembranwandler, der durch jeweils ein auf einen Membranbereich aufgebrachtes Piezoelement gebildet ist, aufweisen.
Mikropumpe nach Anspruch 6, wobei die Piezoelemente auf den jeweiligen Membranbereich geklebt oder in Dickschichttechnik auf dem jeweiligen Membranbereich gebildet sind.