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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Fluidhandhabungsvorrichtung
und ein Verfahren zum Handhaben eines Fluids, und insbesondere eine Fluidhandhabungsvorrichtung
und ein Verfahren zum Handhaben eines Fluids, die zum Handhaben
eines gasförmigen
Fluids auf dem Gebiet der Mikrofluidik geeignet sind.
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Zum
Pumpen von Fluiden, d.h. Gasen und Flüssigkeiten, sind in der Mikrofluidik
zahlreiche Funktionsprinzipien bekannt. So ist es aus Goulpeau, J.
et al., „Experimental
study and modeling of polydimethylsiloxane peristaltic micropumps.", Journal of Applied
Physics 98, 044914, 2005; und Unger, M.A., et al., „Monolithic
microfabricated valves and pumps by multilayer soft lithography," Science, Vol 288, 2000,
Seiten 113–116
und der
EP 1065378
B1 bekannt, Elastomere, vornehmlich PDMS (PDMS = Polydimethylsiloxan),
als elastisches Membran-Element einzusetzen und beispielsweise durch
einen in einer zweiten Kanalebene angelegten externen Druck auszulenken,
um Flüssigkeiten
zu handhaben. Dadurch können
Flüssigkeiten
verdrängt/gepumpt
werden.
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Auch
eine magnetische Auslenkung derartiger Membranelemente in Fluidhandhabungsvorrichtungen
ist bekannt. Beispielsweise offenbaren Yamahata, C., et al., "A Ball Valve Micropump
in Glass Fabricated by Powder Blasting", Sensors and Actuators B-Chemical 110
(2005), Seiten 1–7;
und Yamahata, C., F. Lacharme, and M. A. M. Gijs. "Glass valveless micropump
using electromagnetic actuation",
Microelectronic Engineering 78–79
(2005), Seiten 132–137, den
Einsatz von Permanentmagneten, die mit einer elastischen Membran
verbunden sind. Zum Auslenken der Membran wird dabei ein Elektromagnet
eingesetzt.
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Eine
bei Pan, T. R., et al. "A
magnetically driven PDMS micropump with ball check-valves" Journal of Micromechanics
and Microengineering 15.5 (2005), Seiten 1021 bis 1026, offenbarte
Mikropumpe nutzt einen auf der Spindel eines Minimotors angebrachten
Permanentmagneten zur periodischen Anregung einer auf einer Membran
einer Mikropumpe angeordneten magnetischen Platte. Die Spindel rotiert
dabei unter der Pumpkammer, so dass die Pumpe mit der Drehfrequenz
des Motors betrieben wird.
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Aus
der WO 97/10435 A2 und aus Stehr, M., et al., "The VAMP – A new device for handling
liquids or gases" Sensors
and Actuators A-Physical 57.2 (1996), Seiten 153–157 ist eine rückschlagventillose Fluidpumpe
bekannt, die einen Pumpenkörper,
einen Verdränger
in der Form einer elastischen Membran, über die eine Öffnung verschlossen
und geöffnet werden
kann, und einen elastischen Puffer, der an eine in dem Pumpenkörper gebildete
Pumpenkammer angrenzt, aufweist.
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Aus
Günther,
A., et al., "Micromixing
of miscible liquids in segmented gas-liquid flow", Langmuir 21.4 (2005), Seiten 1547–1555 ist
ein mikrofluidisches System zum effizienten Mischen zweier mischbarer
Flüssigkeitsströme durch
Einführen
einer Gasphase bekannt, dass einen segmentierten Gas-Flüssigkeits-Fluss
erzeugt und die gemischten Flüssigkeits- und Gas-Ströme in einem
planaren kapillaren Separator vollständig trennt. Dabei werden Flüssigkeiten
und Gase durch externe Pumpen in Mikrokanäle eingeführt, wobei es durch geeignete
Wahl der Strömungsverhältnisse
an einer Verbindungsstelle zu einer Zwei-Phasen-Strömung kommt,
in der sich entlang des Kanals Flüssigkeits- und Gassegmente abwechseln.
Die segmentierte Gas-Flüssigkeits-Strömung wurde
durch die Zugabe eines fluoreszierenden Farbstoffs zur flüssigen Phase
visualisiert.
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Aus
der
DE 4244619 A1 und
der
DE 4118628 A1 sind
jeweils Membranpumpen bekannt, bei denen eine Membran magnetische
Schichtabschnitte aufweist. Magnetische Betätigungsglieder sind in eine
Position zu den magnetischen Schichtabschnitten bewegbar, um die
Membran zu betätigen.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine alternative
Möglichkeit
zur Betätigung
einer flexiblen Membran zum Handhaben von Fluiden zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Fluidhandhabungsvorrichtung nach Anspruch
1 und ein Verfahren nach Anspruch 11 gelöst.
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine Fluidhandhabungsvorrichtung mit
folgenden Merkmalen:
einem Körper, der eine Fluidhandhabungsstruktur aufweist;
einer
flexiblen Membran, die an dem Körper
angebracht ist und ausgelegt ist, um mit einem Fluid in der Fluidhandhabungsstruktur
zu interagieren, wobei die Membran eine erste Betätigungskomponente
aufweist;
einer zweiten Betätigungskomponente,
wobei die erste und die zweite Betätigungskomponente derart ausgebildet
sind, dass dieselben einander in einer ersten Lagebeziehung anziehen
oder abstoßen,
um die flexible Membran zu betätigen;
und
einer
Antriebseinrichtung zum Bewegen des Körpers, um die erste und die
zweite Betätigungskomponente
in die erste und aus der ersten Lagebeziehung zu bringen.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Handhaben
eines Fluids, mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines Körpers, der
eine Fluidhandhabungsstruktur aufweist, und einer flexiblen Membran,
die an dem Körper
angebracht ist und ausgelegt ist, um mit einem Fluid in der Fluidhandhabungsstruktur
zu interagieren, wobei die Membran eine erste Betätigungskomponente
aufweist; und Bewegen des Körpers,
um die erste und die zweite Betätigungskomponente
in eine erste und aus der ersten Lagebeziehung zu bringen, in der
sich die erste und die zweite Betätigungskomponente anziehen oder
abstoßen,
um die flexible Membran zu betätigen.
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Erfindungsgemäß wird somit
ein Körper,
in dem eine Fluidhandhabungsstruktur gebildet ist, relativ zu einer
Betätigungskomponente
bewegt, um dadurch eine flexible Membran durch Abstoßung oder Anziehung
auszulenken, um dadurch eine Interaktion mit einem Fluid zu bewirken.
Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere zum Handhaben,
z.B. Pumpen, von gasförmigen
Fluiden auf einem rotierenden Körper,
ohne aktive Vorrichtungen, wie z.B. Pumpen, auf dem rotierenden
Körper
vorsehen zu müssen.
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Bei
Ausführungsbeispielen
der Erfindung kann dabei die Fluidhandhabungsstruktur zusammen mit
der flexiblen Membran ein mikrofluidisches Ventil oder eine mikrofluidische
Pumpe definieren.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung sind die erste Betätigungskomponente
und die zweite Betätigungskomponente
ausgelegt, um eine magnetische Betätigung zu bewirken. Dabei weist die
flexible Membran zumindest abschnittsweise ein magnetisches oder
magnetisierbares (paramagnetisch oder diamagnetisch) Material, z.B.
Metall, auf. Beispielsweise kann die Membran magnetisch passive
paramagnetische Stahlplättchen
zur Kraftübertragung,
um die Membran zu betätigen,
aufweisen. Die zweite Betätigungskomponente
kann ein statisch angebrachter Magnet sein, so dass die Membran
beim Passieren des Magneten ausgelenkt wird.
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Bei
alternativen Ausführungsbeispielen
der Erfindung kann die erste Betätigungskomponente
ein elektrostatisch anziehbares oder elektrostatisch abstoßbares Material
aufweisen, um zusammen mit einer dazupassenden zweiten Betätigungskomponente
eine elektrostatische Betätigung
zu ermöglichen.
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Bei
Ausführungsbeispielen
der Erfindung ist die erste Betätigungskomponente
in eine elastische Deckelfolie, die eine Versiegelung mikrofluidischer Kanäle liefert,
integriert.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist die Antriebseinrichtung ausgelegt, um eine Rotation
des Körpers
mit der daran angebrachten flexiblen Membran zu bewirken, um diesen
relativ zu der zweiten Betätigungskomponente,
die statisch angebracht sein kann, zu bewirken. Durch die Rotation kann
dadurch eine periodische Auslenkung der Membran jeweils beim Passieren
der zweiten Betätigungseinrichtung
bewirkt werden.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung weist die Fluidhandhabungsstruktur eine Kavität auf, in
die die Membran beim Betätigen
ausgelenkt wird, um dadurch eine Volumenverdrängung zu bewirken.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
kann der Körper
eine Mehrzahl von Fluidhandhabungsstrukturen aufweisen, denen jeweils
flexible Membranen oder ein flexibler Membranabschnitt zugeordnet
ist, so dass durch eine Bewegung, beispielsweise eine Rotation,
des Körpers
relativ zu der zweiten Betätigungskomponente
die mehreren Membrane oder die mehreren Membranabschnitte gleichzeitig
oder nacheinander ausgelenkt und somit betätigt werden können. Somit
kann eine einzelne, zweite Betätigungskomponente
zur Betätigung
einer Mehrzahl von Membranen oder Membranabschnitten verwendet werden.
Wenn die zweite Betätigungskomponente
ausreichend groß ist,
kann die Mehrzahl von Membranen oder Membranabschnitten auch gleichzeitig betätigt werden.
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Bei
Ausführungsbeispielen
der Erfindung ist die Antriebseinrichtung ausgelegt, um eine Rotationsbewegung
oder eine beschleunigte Translationsbewegung des Körpers zu
be wirken. Bei weiteren Ausführungsbeispielen
der Erfindung ist in dem Körper
ferner ein Flüssigkeitskanal
gebildet, so dass durch die bei der Rotationsbewegung auftretende Zentrifugalkraft
oder die bei der beschleunigten Translation auftretende Eulerkraft
eine Flüssigkeit durch
den Flüssigkeitskanal
des Körpers
getrieben wird. Der Bewegung des Körpers kommt somit eine Doppelfunktion
zu, nämlich
zum einen das Betätigen der
Membran und zum anderen das Treiben einer Flüssigkeit durch den Flüssigkeitskanal.
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Die
vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere zur Handhabung von
Gasen auf rotierenden Systemen, auf denen ferner Flüssigkeiten
zentrifugal gehandhabt werden. Diesbezüglich kann die vorliegende
Erfindung eine vorteilhafte Lösung
für das
Problem liefern, auf einem rotierenden Körper Gas in einen Flüssigkeitskanal
zu pumpen, ohne auf dem Körper
eine aktive Gaspumpe, die unabhängig
von der Rotation arbeitet, vorsehen zu müssen.
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Diesbezüglich bilden
bei einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung die Fluidstruktur und die flexible Membran eine Gaspumpe,
die durch eine Rotation des Körpers
betätigbar
ist, um dadurch ein Gas in einen Flüssigkeitskanal, durch den zentrifugal (durch
die Rotation) eine Flüssigkeit
getrieben wird, zu pumpen. Ein alternatives Prinzip zur Druck-Beaufschlagung
auf (gasförmige)
Fluide in zentrifugalen Systemen, welches hydrodynamisch unabhängig von
der Zentrifugalkraft wirkt, gleichzeitig aber mit der Rotation des
mikrofluidischen Substrats sowohl herstellungstechnisch (keine aktiven
Elemente) als auch durch die Aktuation über den Drehmotor selbst sehr gut
vereinbar ist, ist nicht bekannt. Bei derartigen Ausführungsbeispielen
kommt der Rotation somit eine Doppelfunktion zu, zum einem zum zentrifugalen
Antrieb von Flüssigkeiten
und zum anderen zum Handhaben gasförmiger Fluide, indem eine Betätigung einer
flexiblen Membran aufgrund der Rotation bewirkt wird.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
bei solchen Ausführungsbeispielen
insbesondere die Herstellung von Flüssigkeits-Gas-Dispersionen
auf einer rotierenden Plattform (Lab-On-A-Disk), die einen zentrifugalen
Flüssigkeitsantrieb
verwendet. Diesbezüglich
ermöglicht
die Erfindung eine gerichtete und durch eine Rotation periodisch
gesteuerte Verdrängung
eines diskreten Gasvolumens auf einer rotierenden Plattform in einen
Flüssigkeitskanal,
um dadurch in dem Kanal einen segmentierten Fluss, in dem die Flüssigkeit
in durch Gasblasen voneinander getrennte Segmente unterteilt ist,
zu erzeugen.
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Bei
Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung stellt die Betätigung der Membran eine reversible
Auslenkung derselben dar, d.h. Membran kehrt nach dem Betätigen derselben
in ihre Ausgangslage zurück.
Die hierfür
erforderliche Rückstellkraft
kann durch eine Elastizität
der Membran geliefert werden. Alternativ kann eine externe Vorrichtung vorgesehen
sein, um diese Rückstellkraft
bereitzustellen, beispielsweise eine weitere Betätigungseinrichtung (z.B. ein
Magnet), die angeordnet ist, um die Membran aus der ausgelenkten
in die Ausgangsstellung zurückzubringen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Anmeldung werden nachfolgend bezugnehmend auf die
beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1a eine
schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Fluidhandhabungsvorrichtung;
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1b eine
schematische Schnittansicht entlang der Linie B-B von 1a;
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2 eine
schematische Draufsicht auf Fluidhandhabungsstrukturen eines Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Fluidhandhabungsvorrichtung;
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3a bis 3d schematische
Querschnittansichten entlang der Linie entlang der Linie X-X von 2;
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4a schematisch
Fluidhandhabungsstrukturen eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;
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4b vergrößerte Darstellungen
eines Mündungsbereichs
der in 4a gezeigten Struktur;
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4c schematisch
Darstellungen zur Veranschaulichung unterschiedlicher Flüssigkeits-Gas-Strömungen;
und
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5 bis 7 schematische
Darstellungen zur Veranschaulichung eines Messprinzip des Pumpdrucks.
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Bevor
auf die Figuren im einzelnen näher eingegangen
wird, sei zunächst
darauf hingewiesen, dass die Figuren schematischer Natur und somit nicht
maßstabsgetreu
sind.
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Das
in den 1a und 1b gezeigte
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Handhabungsvorrichtung
umfasst ein Substrat 10, in dem eine Fluidhandhabungsstruktur 12 gebildet
ist. Auf der Oberseite des Substrats 10 ist, bei dem gezeigten
Ausführungsbeispiel
ganzflächig,
eine flexible Membran 14 angebracht. Die Fluidhandhabungsstruktur 12 und
die flexible Membran 14 sind ausgebildet, um eine Interaktion
mit einem Fluid zu ermöglichen,
wobei dieselben beliebige herkömmliche
Fluidikkomponenten, beispielsweise Pumpen oder Ventile, definieren
können.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
bilden das Substrat 10 und die flexible Membran 14 einen
Rotationskörper 18,
der um eine Rotationsachse 16 rotierbar ist. Alternativ
könnten das
Substrat und die flexible Membran in einem Modul gebildet sein,
das in einen Rotor einsetzbar ist, über den eine Rotation des Moduls
bewirkt werden kann.
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Der
Rotationskörper 18 ist über eine
Halterung 20 an einer Welle 22 gehalten, die durch
einen Motor 24 antreibbar ist. Die Halterung 20,
die Welle 22 und der Motor 24 stellen somit eine
Antriebseinrichtung dar, die beispielsweise durch eine herkömmliche
Zentrifuge gebildet sein kann, die eine gesteuerte Rotation des
Rotationskörpers
ermöglicht.
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In
der Membran 14 ist oberhalb der Fluidhandhabungsstruktur 12 eine
Betätigungskomponente 30 in
der Form eines paramagnetischen Stahlplättchens vorgesehen, wobei die
Membran 14 in 1a mit Ausnahme der Betätigungskomponente 30 durchsichtig
dargestellt ist. Das paramagnetische Stahlplättchen 30 ermöglicht zusammen
mit einem Magnet 32 eine Betätigung der Membran 14,
indem der oberhalb der Fluidhandhabungsstruktur 12 liegende
Bereich der Membran durch den Magneten 32 abgestoßen oder
angezogen wird, wenn das Stahlplättchen 30 und
der Magnet 32 einander gegenüber angeordnet sind, wie dies
in den 1a und 1b gezeigt
ist. Wird nun der Rotationskörper 18 relativ
zu dem stationären
Magneten 32 aus der Lagebeziehung, wie sie in den 1a und 1b gezeigt
ist, gedreht, so dass sich das Plättchen 30 und der
Magnet 32 nicht mehr gegenüber liegen, so endet die Betätigung und
die Membran 14 kehrt in den nicht ausgelenkten Zustand
zurück.
Somit wird durch Bewegen des Körpers 10 relativ
zu dem stationären
Magnet 32 die über
der Fluidhandhabungsstruktur 12 angeordnete Membran reversibel
betätigt.
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Das
Substrat 10 kann aus einem beliebigen geeigneten Material
bestehen, beispielsweise Silizium, Keramik, Glas oder einem Polymermaterial.
Die Membran kann aus einem beliebigen geeigneten Material, das die
erforderliche Flexibilität
und gegebenenfalls elastische Rückstellkraft
bietet, bestehen, beispielsweise aus Polydimethylsiloxan.
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Wie
in 1a angedeutet ist, kann in dem Substrat 10 ferner
eine zweite Fluidhandhabungsstruktur 12' gebildet sein, dem ein Membranabschnitt der
Membran 14 zugeordnet ist, in der wiederum eine Betätigungskomponente 30' angeordnet
ist. Der über der
Fluidhandhabungsstruktur 12' angeordnete Membranbereich
kann somit betätigt
werden, indem der Rotationskörper 18 aus
der gezeigten Lage um 180 Grad gedreht wird, so dass die Betätigungskomponente 30' dem Magnet 32 gegenüber liegt.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass auch eine größere Anzahl
von entsprechenden Strukturen in dem Rotationskörper gebildet sein kann, wobei
derselbe vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgebildet sein wird.
Durch die Rotation des Rotationskörpers 18 über den
statischen Magneten kann somit periodisch eine Interaktion mit einem
in den entsprechenden Fluidhandhabungsstrukturen befindlichen Fluid
getriggert werden.
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Bei
bevorzugten Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung sind die Fluidhandhabungsstruktur und
der zugeordnete Membranbereich ausgebildet, um eine Pumpe zu implementieren.
Ein derartiges Ausführungsbeispiel
und dessen Funktionsweise wird nachfolgend bezugnehmend auf die 2 und 3 erläutert.
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Die
Fluidhandhabungsstruktur 40 der Pumpe umfasst dabei eine
Ventilkammer 42 mit einem, bei diesem Ausführungsbeispiel,
senkrechten Einlass 44 zur Umgebungsluft. Die Ventilkammer 42 ist
mit einer Pumpkammer 46 verbunden, die einen in einen Mikrokanal
mündenden
Auslass 48 aufweist. Diese Fluidhandhabungsstrukturen 40 sind
in ein Substrat 50 strukturiert, wie den 3a bis 3d zu
entnehmen ist, wobei an dieser Stelle darauf hingewiesen sei, dass
dort lediglich ein kleiner Abschnitt des Substrats dargestellt ist.
Um den Einlass 44 ist ein erhöhter Ring 52 vorgesehen,
der als Ventilsitz dient. Wie in den 3a bis 3d ferner
zu sehen ist, kann der Boden der Fluidhandhabungsstrukturen 40 im Bereich
der Pumpkammer Strukturierungen aufweisen, die in 2 aus
Gründen
der Übersichtlichkeit nicht
dargestellt sind. Derartige Strukturierungen können beispielsweise einen Anschlag 54 aufweisen.
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Auf
dem Substrat 50 ist die Ventilkammer 42 und die
Pumpkammer 46 überdeckend
eine flexible Membran 60 vorgesehen, in der in einem der
Ventilkammer 42 zugeordneten Membranabschnitt eine erste
Betätigungskomponente 62 und
in einem der Pumpkammer 46 zugeordneten Membranabschnitt eine
zweite Betätigungskomponente 64 gebildet sind.
Die Betätigungskomponenten 62 und 64 können beispielsweise
durch temporär
magnetisierbare Metallplättchen
gebildet sein. Die Membran 60 ist in Bereichen außerhalb
der Fluidhandhabungsstrukturen an dem Substrat 50 angebracht,
wobei die über den
Fluidhandhabungsstrukturen angeordneten Bereiche flexibel sind.
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Der
zeitliche Verlauf eines Pumpzyklus ist in den 3a bis 3d dargestellt,
die die Bewegung des Substrats 50 relativ zu einem stationären Magneten 66 entlang
einer Bewe- gungsrichtung 68 zeigen.
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Aus
einem nicht betätigten
Zustand wird das Substrat 50 nach rechts über den
Magneten 66 bewegt, wie in 3a gezeigt
ist. Dadurch wird das Metallplättchen 62 durch
den Magneten 66 angezogen. Dadurch wird der Membranbereich,
in dem das Metallplättchen
gebildet ist, nach unten ausgelenkt, so dass die Membran 60 auf
dem Ventilsitz 52 aufliegt und somit den Einlass 44 verschließt. Die
Membran 60, die beispielsweise aus PDMS bestehen kann, dient
dabei als dichtendes Element. Wird ausgehend von dieser Situation
das Substrat 50 weiter nach rechts bewegt, so gelangt der
Magnet 66 unter das zweite Metallplättchen 64, so dass
das selbe angezogen wird und der zugeordnete Bereich der Membran nach
unten ausgelenkt wird. Somit wird ein festes Volumen eines in der
Pumpkammer 46 befindlichen Fluids durch den Auslass 48 aus
der Pumpkammer 46 verdrängt,
wie durch einen Pfeil 70 in 3b andeutet
ist. Hierbei ist das Ventil noch immer geschlossen, da der Magnet 66 nun
beide Metallplättchen 62 und 64 nach
unten auslenkt.
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Bei
einer weiteren Bewegung nach rechts gibt nunmehr der Magnet 66 das
erste Metallplättchen 62 frei,
so dass die Membran in dem zugeordneten Bereich entspannt und den
Einlass 94 freigibt. Dadurch wird ein Fluidvolumen durch
den Einlass 44 angesaugt, wie durch einen Pfeil 72 in 3c gezeigt
ist. Anschließend
bewegt sich das Substrat 50 weiter nach rechts, so dass
auch die Betätigung
des dem zweiten Metallplättchen 64 zugeordneten
Membranabschnitts endet und sich die Membran auch dort entspannt.
Somit nimmt die Pumpkammer wieder ihr ursprüngliches Volumen ein, siehe 3d. Von
Bedeutung ist hierbei, das der Pumpkanal, durch den das verdrängte Volumen
aus der Pumpkammer 46 gepumpt wird, gegenüber dem
Einlass, bei dem gezeigten Beispiel dem senkrechten Ventil, einen
hohen fluidischen Widerstand aufweist, so dass in der Gesamtbilanz über einen
kompletten Pumpzyklus Nettoluft in den Einlass 44 eingesaugt
wird (siehe Pfeile 42 und 74 in den 3c und 3d)
und aus dem Ausstoß 48 ausgestoßen wird.
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Um
die Entspannung der Membran zu unterstützen, können die Betätigungskomponenten
als Federplättchen,
beispielsweise Federstahlplättchen, ausgebildet
sein.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung zur Erzeugung eines segmentierten Flüssigkeits-Gas-Flusses
wird nun bezugnehmend auf die 4a bis 4c beschrieben.
Dabei kann beispielsweise eine Pumpe, wie sie oben bezugnehmend
auf die 2 und 3 beschrieben
wurde, verwendet werden. Alternativ könnte eine andere mikrofluidische
Pumpe verwendet werden, die durch das Auslenken einer Membran betätigbar ist
und mit Ausnahme der Betätigung
der Membran nach einem herkömmlichen
Prinzip arbeitet, z.B. eine peristaltische Pumpe oder eine Pumpe,
die eine Pumpkammer mit Rückschlagventilen
an einem Einlass und an einem Auslass der Pumpkammer verwendet.
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4 zeigt schematisch eine Draufsicht auf einen
Rotationskörper 80,
der eine Pumpe, wie sie oben bezugnehmend auf die 2 und 3 beschrieben wurde, mit Ventilkammer 42,
Pumpkammer 46, Auslass 48 und Betätigungskomponenten 62 und 64 aufweist.
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Der
Auslass 48 ist mit einem Fluidkanal 82 verbunden,
der in einen Flüssigkeitskanal 84 mündet. Bei
einer Rotation des Rotationskörpers 80 um eine
Rotationsachse 86 wird Flüssigkeit aus einem Reservoirbereich 88 durch
den Flüssigkeitskanal 84 zentrifugal
nach außen
getrieben. In einem gegebenen Frequenz-Arbeitsbereich wird bei jeder
Rotation der Pumpe über
den ortsfesten Magneten (siehe 66 in den 3a bis 3d)
ein von der Pumpe verdrängtes
Gas-Volumen in den Flüssigkeitsfluss
durch den Flüssigkeitskanal 84 eingepumpt
und entlang des Kanals 84 radial nach außen abgeführt. Vergrößerte Darstellungen
der Mündungsstelle
zwischen Gaskanal 82 und Flüssigkeitskanal 84 sind
dabei in 4b gezeigt. Durch die Zentrifugalkraft
wird ein kontinuierlicher Flüssigkeitsfluss 90 durch
den Flüssigkeitskanal 84 radial
nach außen
bewirkt. Beim Betätigen
der Pumpe wird durch den Kanal 82 ein Gasvolumen 92 in
den Kanal 84 eingepumpt, wie der mittleren Darstellung
von 4b zu entnehmen ist, das dann als Gasblase 94 durch
die darauffolgende Flüssigkeit
in den Kanal 84 radial nach außen getrieben wird, wie in
der unteren Darstellung von 4b gezeigt
ist. Dadurch ist es möglich,
segmentierte Gas-Flüssigkeits-Flüsse herzustellen,
die sich durch entlang des Kanals sequentiell angeordnete Flüssigkeits-
und Gas-Segmente
auszeichnen.
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Werden
mehrere Magneten entlang des Orbits der Pumpe positioniert, so kann
die Anzahl der pro Umdrehung erzeugten Gasblasen gesteigert und auch
die Länge
der Flüssigkeitssegmente
entlang des Kanals eingestellt werden. Dies ist in den Teilbildern
der 4c dargestellt, die unter anderem fotographische
Aufnahmen des Flüssigkeitskanals 84 nach
der Einmündung
des Fluidkanals 82 zeigen, wobei das Rechteck 100 in
den Teilbildern die Kameraposition darstellt, während die Rechtecke 102 Magnetpositionen
darstellen. Bei ei ner Rotation im Uhrzeigersinn mit einer Rotationsfrequenz
von ν =
10 Hz erfolgt ein periodisches Einpumpen einer jeweiligen Luftmenge
in einen kontinuierlich fließenden
Flüssigkeitsstrom 104.
Die Gasblasen sind in 4c jeweils mit den Bezugszeichen 106 bezeichnet.
Wie zu erkennen ist wird die Flüssigkeit
entlang des Kanals durch die Gasblasen in voneinander räumlich getrennte
Segmente unterteilt, wobei die Länge
der Flüssigkeitssegmente
durch die Position und Anzahl der Magneten 102 eingestellt
werden kann.
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Die 5 bis 7 zeigen
die experimentelle Charakterisierung der oben bezugnehmend auf die 2 und 3 beschriebenen Mikropumpe. Dabei wurde
der Auslass der mikrofluidischen Pumpe 40 mit einem U-förmigen Kanal 110 verbunden,
und ein mit Tinte gefärbtes
Wasser 102 wurde in den U-förmigen Kanal eingefüllt. Ohne
Magnet unter der Pumpe, also ohne eine Aktuation der Pumpe, wirkt
dann unter Rotation (siehe Zeile ν in 5)
nur die radial nach außen
gerichtete Zentrifugalkraft Fν, welche die zwei Wasser-Luft-Menisken in
den beiden symmetrischen Armen des Kanals auf gleicher Höhe austariert.
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Wird
nun der Magnet unter der rotierenden Scheibe, in der die genannten
Strukturen gebildet sind, so positioniert, dass die Pumpe ihn während der Rotation
passiert, so kommt es pro Umdrehung zu einer Druckerhöhung, die
gegebenenfalls zu einer Auslenkung der Wassersäule in Richtung des rechten
Kanalarmes führt.
Wird diese periodische Auslenkung nun an einer festen Winkelposition
kurz nach Passieren des Magneten stroboskopisch beobachtet, so ergibt
sich eine quasi statische Höhendifferenz
der beiden Grenzflächen,
welche dem von der Pumpe verdrängten,
fest definierten (so lange eine komplette Auslenkung in der Pumpkammer
vorausgesetzt wird) Gasvolumen unter Berücksichtung der Kompressibilität entspricht.
Je höher
die Rotationsfrequenz ν ist, desto
größer wird
der (hydrostatische) Druck, den dieser Füllstandsunterschied erzeugt,
und der von der Pumpe aufgebracht werden muss.
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Entsprechende
stroboskopische Aufnahmen für
unterschiedliche Rotationsfrequenzen von 10 Hz, 17, 5 Hz und 30
Hz sind in 6 gezeigt. Ferner sind in 7 der
Füllstandsunterschied Δr und der
diesem Unterschied entsprechende zentrifugale Druck p über der
Rotationsfrequenz ν dargestellt.
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Alternativ
zu der oben beschriebenen Pumpe könnte der erfindungsgemäße Lösungsansatz
zusammen mit einer Pumpe, wie sie in der WO 97/10435 A2 beschrieben
ist, verwendet werden. Die dort beschriebene Ventilpumpe umfasst
einen Pumpenkörper
und eine auslenkbare Membran, die derart ausgebildet sind, dass
zwischen denselben eine Pumpkammer, die über eine erste und eine zweite Öffnung mit
einem Einlass und einem Auslass fluidmäßig verbindbar ist, definiert
ist. Ein elastischer Puffer grenzt an die Pumpkammer an. Die auslenkbare Membran
verschließt
die erste Öffnung,
wenn sie in der ersten Einstellung ist, und lässt die erste Öffnung offen,
wenn sie in der zweiten Einstellung ist. Beim Öffnen der ersten Öffnung wird
zunächst
kein Fluid in die beiden Öffnungen
eingesaugt, sondern es wird lediglich der Puffer ausgelenkt. Bei
der Entspannung des Puffers wird Fluid durch die beiden Öffnungen eingesaugt.
Danach wird die erste Öffnung
wieder geschlossen, wobei sich wiederum das verdrängte Volumen
im Puffer speichert. Im letzten Schritt entspannt sich der Puffer
erneut und das in demselben „gespeicherte" Volumen wird durch
die zweite Öffnung
ausgestoßen,
da die erste Öffnung
verschlossen ist. Somit kommt es zu einem Nettofluss von der ersten Öffnung zu
der zweiten Öffnung.
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Die
Offenbarung der WO 97/10435 A2 hinsichtlich des Aufbaus und der
Funktionalität
einer solchen Pumpe wird hiermit durch Bezugnahme aufgenommen.
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Beim
erfindungsgemäßen Einsatz
würde die Membran
einer solchen Pumpe statt der in der WO 97/10435 A2 gelehrten piezoelektrischen
Betätigung betätigt werden,
indem die Membran mit einer entsprechenden Betätigungskomponente ausgestattet wird
und der Ventilkörper
dann auf die erfindungsgemäße Weise
relativ zu einer dazu passenden Betätigungskomponente bewegt wird,
so dass die zum Erreichen der Pumpwirkung erforderliche Auslenkung der
Membran auftritt.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Fluidhandhabungsvorrichtung
ist ein fluidisches Ventil. Dabei wird wiederum eine in eine Membran
integrierte Betätigungskomponente,
beispielsweise ein paramagnetisches Metallplättchen, beim Passieren einer
statischen zweiten Betätigungskomponente,
beispielsweise eines statischen Permanentmagneten, ausgelenkt. In
Folge dieser Auslenkung wird der Verschluss einer Ventilöffnung herbeigeführt. Auf
diese Weise lassen sich Flüssigkeitsströme während des
kurzen Moments des Passierens unterbrechen und somit periodisch
schalten. Alternativ dazu ist eine normal geschlossene Version eines
solchen Ventils denkbar. Dabei wird die Membran über dem Ventilsitz im nicht-angeregten
Zustand vorgespannt. Bei einer magnetisch bewirkten Auslenkung bewegt
sich die Membran vom Ventilsitz und das Ventil öffnet sich vorübergehend.
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Die
oben beschriebenen Ausführungsbeispiele
arbeiten unter Verwendung einer magnetischen Anziehung, um eine
Auslenkung einer flexiblen Membran und somit eine Betätigung zu
bewirken, wobei die in der Membran angeordnete Betätigungskomponente
kein Permanentmagnet ist. Der Betrieb des Elektromagneten kann beispielsweise
mit der Rotation des die Fluidhandhabungsstruktur enthaltenden Körpers synchronisiert
sein, so dass immer dann, wenn die Betätigungskomponente der flexiblen Membran
den selben passiert, das erforderliche Magnetfeld bereitgestellt
wird.
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Vorzugsweise
stellt dabei die stationäre
Betätigungskomponente
einen Magnetfeldgeber dar, der beispielsweise durch einen Permanentmagneten oder
einen Elektromagneten implementiert sein kann.
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Bei
Verwendung eines Permanentmagneten kann die aus erster und zweiter
Betätigungskomponente
bestehende Betätigungseinrichtung
deaktiviert (bzw. ausgeschaltet) werden, indem die zweite Betätigungskomponente
derart entfernt wird (beispielsweise bei dem in 1b gezeigten
Beispiel nach unten bewegt wird), dass die erste und zweite Betätigungskomponente
durch die Bewegung der ersten Betätigungskomponente nicht mehr
in die erste Lagebeziehung gebracht werden. Diesbezüglich kann bei
Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung eine Handhabungseinrichtung vorgesehen sein,
die die zweite Betätigungskomponente
zwischen einer inaktiven und einer aktiven Position bewegen kann.
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Alternativ
kann ein Permanentmagnet in der Membran vorgesehen sein, wobei dann
eine Auslenkung der Membran durch eine magnetische Anziehung oder
eine magnetische Abstoßung
realisiert werden kann.
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Bei
Verwendung eines Elektromagneten kann ein Aktivieren und Deaktivieren
der Betätigungseinrichtung
einfach durch Ein- und Abschalten des Elektromagneten bewirkt werden.
Ferner ermöglicht
die Verwendung eines Elektromagneten auch auf einfache Weise eine
beliebige Modulation des durch denselben erzeugten Magnetfelds.
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Alternativ
zu einer magnetischen Anziehung oder Abstoßung kann die vorliegende Erfindung
auch unter Verwendung einer elektrostatischen Anziehung oder Abstoßung implementiert
werden, wobei entsprechende Vorrichtungen vorzusehen sind, um die hierfür erforderlichen
Ladungen auf die Betätigungskomponente
der flexiblen Membran und die stationäre Betätigungskomponente aufzubringen.