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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Mikropumpe mit einer Membran
und eine fluidische Komponente zum Transportieren einer Flüssigkeit oder
eines Gases und ein Verfahren zum Pumpen eines Fluids mittels derselben.
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Das
technische Einsatzgebiet der hier beschriebenen Erfindung ist vorzugsweise
das miniaturisierte Pumpen, d. h. das Pumpen von Flüssigkeiten oder
Gasen mit Mikropumpen, also mit Pumpen mit geringer Abmessung. Mikropumpen
werden für den Transport bzw. den Antrieb von Fluiden (also
z. B. Gasen und Flüssigkeiten) in Fluidkanälen
bzw. Mikrofluidsystemen eingesetzt. Mit Hilfe von Mikropumpen lassen
sich definiert kleinste Fluidmengen transportieren, dosieren und
handhaben. Der kontrollierte Transport kleinster Gas- bzw. Flüssigkeitsmengen
ist in vielen Anwendungen, wie beispielsweise in der Invitro-Diagnostik,
bei der es auf schnelle Vorortanalysen („Point of Care")
von medizinischen, biologischen und chemischen Substanzen ankommt
oder in so genannten Lab-On-Chip Systemen wünschenswert.
Bei der miniaturisierten Analyse von Flüssigkeiten, wie
z. B. Wasser, Blut, Blutserum, Blutplasma, Speichel, aber auch zur
Steuerung miniaturisierter Reaktionen ist es notwendig, Flüssigkeitsvolumina zu
bewegen. Insbesondere, wenn eine komplexe Vorbereitung einer zu
untersuchenden Probe bzw. komplexe Nachweisreaktionen notwendig
sind, müssen häufig mehrere Flüssigkeiten
mit Volumina im Nano- oder Mikroliterbereich zeitgesteuert transportiert
werden. Es besteht oft die Notwendigkeit, derartig komplexe Abläufe
mittels preiswerter Einweg-Analysen zu realisieren. Aus diesem Grund
ist eine kostengünstige Technologie notwendig, die es ermöglicht,
Pumpen und eine Anordnung von mehreren Pumpen (Arrays von Pumpen)
zum gezielten Transport von Flüssigkeiten und Gasen herzustellen.
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Derartige
Analysesysteme werden beispielsweise als Kartuschen ausgebildet.
Da es sich um Einwegartikel handelt, sollten diese aus einem preiswerten
Material bestehen, wie z. B. aus Polymeren. Oft ist es zudem zweckmäßig,
wenn diese Kartuschen „flach" sind. Aus diesem Grunde sollte
eine integrierte Mikropumpe bzw. ein integrierter Aktor zum Fluidtransport
sowohl eine flache Bauweise ermöglichen und gleichzeitig
preiswert zu realisieren sein. Es kann zudem vorteilhaft sein, wenn
die zu bewegenden Flüssigkeiten nicht in direktem Kontakt
mit einer Pumpe stehen, sondern über einen Gasdruck (Überdruck
oder Unterdruck) angetrieben werden. Dazu kann es notwendig sein,
dass eine Pumpe auch in der Lage ist, Gase zu fördern.
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Pumpen
insbesondere zum Transport von Volumina im Mikroliter- und Submikroliterbereich
(Mikropumpen) sind z. B. aus der Veröffentlichung von Nguyen
N. -T., Huang X., Chuan T. K.: „MEMS-Mikropumps: A Review",
Journal of Fluids Engineering, Bd. 124, Juni 2002, 384–392 bekannt.
Derartige Mikropumpen nutzen passive oder aktive Ventile zur Erzeugung
einer Fluidflussvorzugsrichtung. Diese Ventile sind typischerweise
unterhalb oder am Rand einer Pumpenkammer oder in Kanälen,
also in Zu- bzw. Ableitungen zur Pumpenkammer positioniert. Diese
Anordnung erfordert besonders bei aktiven Ventilen einen komplexen
mehrlagigen Aufbau, was eine flache und kompakte Bauweise verhindert.
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Bei
einem Ventil handelt sich also in dieser Patentanmeldung um ein
fluidisches Element, das in der Lage ist, die (Vorzugs-)Richtung
eines Fluidstromes zu steuern. Dies umfasst insbesondere passive Ventile
ohne bewegliche Teile, wie z. B. dynamische passive Ventile, passive
Ventile mit beweglichen Teilen (z. B. Klappenventile), sowie aktive
Ventile, bei denen die Fliessrichtung aktiv gesteuert wird (z. B. aktive
Klappenventile). Pumpen auf Basis von dynamisch passiven Ventilen
werden auch oft als „ventillose" Pumpen bezeichnet.
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Bei
Mikropumpen, die die Aufgabe besitzen, Fluide (also Flüssigkeiten
und Gase) zu bewegen, können dynamische passive Ventile
zur Steuerung der Flussvorzugsrichtung eingesetzt werden. Bei derartigen
Anordnungen sind die richtungsgebenden Elemente üblicherweise
ortsfest, wie z. B. in dem Artikel von E. Stemme und G.
Stemme (1993), „A Valveless Diffusor/Nozzle-Based Fluid
Pump", Sensors and Actuators A 39: 159–167 gezeigt
ist.
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Die
aus dem Artikel von E. Stemme und G. Stemme bekannte Lösung
zum Transport von Volumina im Mikroliter- und Submikroliter-Bereich
nutzt speziell geformte Kanalelemente als dynamische passive Ventile,
um eine Vorzugsrichtung des Fluidstroms zu erreichen. Derartige
Pumpen werden, auch als „ventillose" Pumpen bezeichnet.
Jedoch auch hier befinden sich die richtungsgebenden Elemente unterhalb
oder am Rand einer Pumpenkammer.
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Besonders
beim Pumpen von Gasen weisen derartige Anordnungen den Nachteil
auf, dass das durch die Pumpenmembran verdrängte Volumen
zunächst zu einer Kompression des Gasvolumens in einer
Pumpenkammer führt. Dies führt im Folgenden dazu,
dass ein großer Teil des theoretisch durch die Auslenkung
der Membran verdrängten Volumens nicht zum Volumenstrom
durch die ortsfesten, richtungsgebenden Elemente beiträgt,
da lediglich eine, z. B. im Pumpenmembranbereich lokal auftretende Kompression
stattfindet.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Mikropumpe und
ein Verfahren zum Pumpen eines Fluids zu schaffen, die ein kostengünstiges Pumpen
eines Fluids unter Umgehung der oben angeführten Nachteile
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch eine Mikropumpe gemäß Anspruch
1 und ein Verfahren zum Pumpen eines Fluids gemäß Anspruch
12.
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine Mikropumpe mit einer Membran,
die sich über einen Querschnitt eines Fluidkanals erstreckt
und eine fluidische Komponente mit einer Durchgangsöffnung
durch die Membran aufweist, wobei die fluidische Komponente derart
ausgebildet ist, dass ein Strömungswiderstand durch die
Durchgangsöffnung bei einer Auslenkung der Membran in einer
ersten Richtung größer ist als ein Strömungswiderstand
durch die Durchgangsöffnung bei einer Auslenkung der Membran
in eine zweite Richtung, so dass eine Hin- und Herauslenkung der
Membran einen Nettofluidfluss durch die Durchgangsöffnung
in die erste Richtung hervorruft.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Pumpen eines
Fluids mittels einer Mikropumpe mit einer Membran, die sich über
einen Querschnitt eines Fluidkanals erstreckt und eine fluidische
Komponente mit einer Durchgangsöffnung durch die Membran
aufweist. Das Verfahren weist ein Auslenken der Membran auf, wobei
die fluidische Komponente derart ausgebildet ist, dass ein Strömungswiderstand
durch die Durchgangsöffnung bei einer Auslenkung der Membran
in einer ersten Richtung größer ist, als ein Strömungswiderstand
durch die Durchgangsöffnung, bei einer Auslenkung der Membran
in eine zweite Richtung, so dass ein Hin- und Herauslenken der Membran
zu einem Nettofluidfluss durch die Durchgangsöffnung in
die erste Richtung erfolgt.
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung ermöglichen es beispielsweise,
mikrofluidische Ventile in einer vorzugsweise flachen Bauweise zu
realisieren und in einer Membran zu integrieren, wobei die Anordnung
aus Ventilen und Membran in der Lage ist, sowohl Flüssigkeiten
als auch Gase zu bewegen. Konventionelle Mikropumpen besitzen keinen
in eine Membran integrierten Ventilaufbau. Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung bieten weiter den Vorteil, dass Pumpwirkungen
für Gase und/oder Flüssigkeiten mit preiswerten
Materialien und skalierbar bereitgestellt werden können,
so dass eine Erhöhung, der für eine bestimm te
Aufgabe benötigten Pumpenzahl, in einem Gerät
technologisch nur einer geringfügigen Kostenerhöhung
entspricht.
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
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1 die
schematische Seitenansicht einer Mikropumpe gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2a–c
schematisch die Funktionsweise der Mikropumpe gemäß 1;
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3a–c
die schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung und schematisch deren Funktionsweise;
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4a–c
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Mikropumpe gemäß der
vorliegenden Erfindung und deren Funktionsweise;
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5a–e
weitere Ausführungsbeispiele einer Mikropumpe mit unterschiedlichen
fluidischen Komponenten;
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6 schematisch
das Zusammenfassen mehrerer Mikropumpen gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zur Realisierung eines
Pumpenarrays; und
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7 die
Draufsicht eines Mikropumpenarrays.
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Bezüglich
der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung sollte beachtet werden, dass in den unterschiedlichen
Figuren für funktional identische bzw. gleichwirkende oder
funktionsgleiche äquivalente Elemente zur Vereinfachung
in der gesamten Beschreibung die gleichen Bezugszeichen verwendet werden.
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In 1 ist
eine Mikropumpe gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Die Mikropumpe 1 weist eine
Membran 2 auf, die sich über einen Querschnitt eines
Fluidkanals erstreckt und eine fluidische Komponente 4 mit
einer Durchgangsöffnung 4a durch die Membran 2 aufweist,
wobei die fluidische Komponente 4 derart ausgebildet ist,
dass ein Strömungswiderstand durch die Durchgangsöffnung 4a bei
einer Auslenkung der Membran 2 in eine erste Richtung größer
ist, als ein Strömungswiderstand durch die Durchgangsöffnung 4a bei
einer Auslenkung der Membran 2 in eine zweite Richtung,
so dass eine Hin- und Herauslenkung der Membran 2 einen
Nettofluidfluss durch die Durchgangsöffnung in die erste Richtung
hervorruft.
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Der
Begriff Querschnitt ist in diesem Zusammenhang nicht eng auszulegen
und kann neben einer Anordnung der Membran senkrecht zur Flussrichtung
eines Fluidkanals auch, wie u. a. in 1 gezeigt
ist, andere Anordnungsrichtungen der Membran umfassen, bei denen
sich die Membran allgemein über eine Schnittfläche
eines Fluidkanals erstreckt.
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In
dem Ausführungsbeispiel in 1 besteht die
fluidische Komponente aus einer Durchgangsöffnung 4a durch
die Membran 2. Die Durchgangsöffnung 4a ist
in diesem Ausführungsbeispiel konisch geformt, weshalb
sie als Diffusor/Düse wirkt und dementsprechend wie ein
dynamisch passives Ventil. Abhängig von der Bewegungsrichtung
der Membran 2 und damit der relativ zur Membran entstehenden
Flussrichtung eines Fluidstroms kann die konisch ausgeformte fluidische
Komponente 4 in der Membran 2 als ein Diffusor
wirken. Ein Diffusor stellt im Allgemeinen eine Vergrößerung
des Durchflussquerschnittes in Fließrichtung eines strömenden
Fluids (Gas, Flüssigkeit) dar, während eine Düse
im Allgemeinen eine Verkleinerung des Durchflussquerschnittes in
Fließrichtung eines strömenden Fluids (Gas, Flüssigkeit)
darstellt.
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Allgemein
gesprochen kann bei einer Durchgangsöffnung 4a mit
einer speziellen Geometrie ein von der Strömungsrichtung
des Fluids durch die Durchgangsöffnung 4a abhängiger
Strömungswiderstand auftreten. Bei der fluidischen Komponente 4 mit
der oben beschriebenen Durchgangsöffnung 4a kann
es sich also, um ein für ein Fluidrichtungswirkendes dynamisch
passives Ventil handeln. Die Strömungsrichtung sowie die
Strömungsgeschwindigkeit des Fluids durch die Durchgangsöffnung 4a wird
dabei im Wesentlichen durch die Bewegung der Membran 2 bestimmt.
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Die
Membran kann auch mehrere Durchgangsöffnungen aufweisen.
Diese Durchgangsöffnungen können auch als Diffusoren
oder Düsen ausgebildet sein.
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Die
Membran 2 in 1 kann beispielsweise in der
Mikropumpe zwischen den Seitenteilen 1a und 1b eingespannt
sein und, wie in der 1 gezeigt ist, mit einem Fluidkanal 10 in
dem ein Fluid 8 angeordnet ist in Verbindung stehen. Durch
die Mikropumpe 1 kann bei einer (periodischen) Auslenkung
der Membran 2, so wie es später genauer beschrieben wird,
ein Fluid 8 in Richtung 6a durch den Fluidkanal 10 gepumpt
werden.
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Die
Membran 2 kann z. B. aus Metall, oder Kunststoffe, wie
beispielsweise Thermoplaste, Elastomere, Silikone, Duroplaste, Kunststofffolien
mit ein- oder beidseitiger Klebeschicht, oder Silizium, Glas oder
Keramik bestehen.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
(2a–c) kann die Membran 2 der
Mikropumpe 1 beispielsweise aus einem magnetischen Material
bestehen. Ebenso ist es natürlich denkbar, dass sich ein
Magnet oder ein magnetische Material auf der Membran 2 befindet.
Die Membran 2 kann wieder speziell geformte fluidische Kanäle – die
Durchgangsöffnung 4a – aufweisen, welche
senkrecht zur Membranoberfläche und einer Auslenk- bzw.
Bewegungsrichtung der Membran eingebracht sind. Diese Kanäle
bzw. Durchgangsöffnungen 4a können z.
B. wieder als Diffusor/Düse ausgebildet sein, wie oben
im Zusammenhang mit 1 beschrieben wurde. Durch eine
schnelle Bewegung der Membran, beispielsweise mit einer Frequenz
von 50 Hz bis 10 MHz, kann durch die bewegte Membran ein Unter-
oder Überdruck erzeugt werden. Dieser Unter- oder Überdruck
kann dann zum Antrieb, von mit dem Raum unter der Membran in fluidischer
Kommunikation stehenden Flüssigkeiten oder Gasen genutzt
werden. Die Frequenz, mit der sich eine Membran bewegt, hängt
von dem exakten Material der Membran, der Diffusorgeometrie und
der von einem Aktor als Antriebsprinzip eingesetzten Methode ab.
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Wie
in der 2b gezeigt ist, kann die im
Zusammenhang mit 2a beschriebene Membran 2 einer
Mikropumpe 1 in eine erste Richtung 3a ausgelenkt
werden, so dass ein Fluid durch die Durchgangsöffnung 4a in
die der Auslenkung entgegengesetzten Richtung strömt. Wie
in 2b dargestellt ist, wird beim Auslenken der Membran 2 in
die Richtung 3a durch die spezielle Gestaltung der Durchgangsöffnung 4a ein
kleinerer Volumenstrom des Fluids durch die Durchgangsöffnung 4a in
eine Richtung 6b oberhalb der Membran 2 strömen,
als durch die in 2c dargestellte Auslenkung der
Membran in Richtung 3b in Richtung 6a strömt.
Die fluidische Komponente 4 der Durchgangsöffnung 4a in
der dargestellten konischen Form wirkt bei einer Durchströmung
in der durch 6b angezeigten Richtung als ein Diffusor bzw.
Zerstäuber. Bei anderen Ausführungsbeispielen
kann der Strömungswiderstand in Richtung des Diffusors
kleiner sein als in Richtung der Düse. Die genauen Verhältnisse
hängen von den geometrischen Gegebenheiten, wie z. B. dem Öffnungswinkel
der Durchgangsöffnung 4a und den Fließgeschwindigkeiten
durch die Durchgangsöffnung 4a ab. Das heißt,
bei einer entsprechenden Steuerung der Frequenz und der Amplitude
der Auslenkung der Membran kann die Fließgeschwindigkeit
und damit auch ein Nettofluidfluss in Richtung 6b erzeugt
werden.
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In 2c ist
die Situation schematisch dargestellt, in der die Membran 2 in
eine zweite Richtung 3b, welche entgegengesetzt ist zur
ersten Richtung 3a, ausgelenkt wird. Gleichzeitig wird
durch die spezielle Gestaltung der Durchgangsöffnung 4a eine
im Vergleich zur 2b größere
Fluidmenge in Richtung 6a durch die Durchgangsöffnung 4a gedrückt.
In diesem Ausführungsbeispiel wirkt die Durchgangsöffnung 4a,
also als eine Düse.
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Wiederholen
sich die in 2b und 2c dargestellten
Arbeitsschritte, so ergibt sich also ein Nettofluidfluss in die
erste Richtung 3a der Auslenkung der Membran, da durch
die Ventilwirkung (dynamisch passives Ventil) der Durchgangsöffnung 4a nur ein
kleinerer Volumenstrom 6b (in 2b) während der
Auslenkung der Membran in Richtung 3a zurück fließt,
als bei der Auslenkung der Membran 2 in Richtung 3b (in 2c)
hin fließt.
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Die
Auslenkung der Membran 2 kann in Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung auf verschiedene Art und Weise erfolgen.
In Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann
die Membran als Aktor oder Teil eines Aktors ausgebildet sein und
die Auslenkung der Membran in eine erste Richtung und eine zweite
Richtung durch eine Krafteinwirkung, die von einem Aktor hervorgerufen
wird, erzielt werden. In anderen Ausführungsbeispielen der
vorliegenden Erfindung kann die Membran aktorisch angetrieben sein.
In dem in den 2a bis 2c dargestellten
Ausführungsbeispiel kann der Aktor beispielsweise nach
einem elektromagnetischen Prinzip funktionieren, so dass die Pumpmembran 2,
die in diesem Ausführungsbeispiel ein magnetisches Material
aufweist, durch eine von einer stromdurchflossenen Spule erzeugten
magnetischen Kraft, die beispielsweise ähnlich wie bei
einem Lautsprecher oberhalb oder unterhalb der Membran angeordnet
und auch z. B. Teil des Seitenteils 1a sein kann, periodisch
in eine erste und eine zweite Richtung ausgelenkt werden kann. Die
stromdurchflossene Spule ist in den 2a bis 2c nicht
dargestellt, da es noch eine Reihe anderer möglicher Aktor-
bzw. Arbeitsprinzipien gibt, mit denen die Membran 2 ausgelenkt
werden kann.
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Denkbar
ist, dass ein Aktor zur Auslenkung der Membran nach einem elektrostatischen
Prinzip funktioniert, bei dem sich zwei parallele Elektrodenplatten
mit einem geringen Abstand gegenüberstehen. Dabei kann
eine Platte als die Membran 2 ausgebildet sein, die beim
Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Platten, zu der
gegenüberliegenden Platte hingezogen oder abgestoßen
wird.
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Ein
Aktor zur Auslenkung der Membran kann auch als piezoelektrischer
Aktor ausgelegt sein, wobei beispielsweise eine Piezokeramik auf
die Membran angebracht werden kann, so dass bei Anlegen einer Spannung
eine Querkontraktion der Piezokeramik auftritt, was zu einer Bewegung
der Membran in den in den 2b und 2c beschriebenen
Richtungen führen kann. Die Membran selber kann auch ein
piezoelektrisches Polymer aufweisen, oder einen Schichtaufbau mit
zumindest einer Schicht bestehend aus einem piezoelektrischen Polymer
aufweisen, wie z. B. Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylidenfluorid-Trifluoroethylene
(PVDF-TrFE) oder andere und damit selbst Teil des Aktors sein. Die
Membran auf Piezopolymerbasis kann sich dann, einer angelegten Spannung
folgend zusammenziehen und ausdehnen und damit die gewünschte
Auslenkung erzielt werden.
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Es
ist auch möglich, dass der Aktor nach einem magnetischen,
nach einem mechanischen, nach einem thermischen Prinzip, unter Ausnutzung einer
thermischen Ausdehnung bzw. von Phasenübergängen
oder unter Ausnutzung von Formgedächtnislegierungen funktioniert.
In anderen Ausführungsbeispielen kann die Auslenkung der
Membran aufgrund eines Aktors, der nach dem magnetostriktiven Prinzip
arbeitet, erzielt werden. In weiteren Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung kann der Aktor hydraulisch oder pneumatisch
bzw. thermopneumatisch betrieben werden. Denkbar ist auch der Einsatz
eines Bimetallaktors, der nach einem thermomechanischen Prinzip
arbeitet. Dabei kann die Membran aus mindestens zwei verschiedenen
metallischen Werkstoffen ausgebildet sein, die unterschiedliche
thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen. Durch ein Erwärmen
dieses Bimetalls entstehen aufgrund des unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten
mechanische Spannungen, die zu einer Verbiegung bzw. Auslenkung
einer Membran genutzt werden können. Dieser Vorgang kann
periodisch wiederholt werden.
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In
anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
kann die Auslenkung der Membran mit Hilfe eines elektrochemischen
Aktorprinzips erfolgen. Die Auslenkung der Membran kann hierbei über
eine reversible chemische Reaktion erreicht werden.
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In 3a ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
dargestellt. Eine Mikropumpe 1 weist wieder eine Membran 2 auf,
die sich über einen Querschnitt eines Fluidkanals 10 erstreckt
und eine fluidische Komponente 4 mit Durchgangsöffnungen 4a durch
die Membran 2 aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel
besteht die fluidische Komponente 4 nicht aus speziell
geometrisch geformten Durchgangsöffnungen 4a,
diese sind also nicht als Diffusor/Düsenelemente ausgebildet,
sondern vielmehr besteht die fluidische Komponente 4 aus
einer weiteren beweglichen, membranartigen Schicht 4b mit
einer Öffnung 4c, die über der Membran 2 angeordnet
ist. Die Membran 2 besitzt wieder Durchgangsöffnungen 4a,
die Teil der fluidischen Komponente sind und zu deren richtunggebender Wirkungsweise
beitragen. In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich
also um eine Mehrschichtmembran bestehend aus einer fluidischen
Komponente 4 mit den Durchgangsöffnungen 4a,
der membranartigen Schicht 4b bzw. der Ventilmembran 4b mit
der Öffnung 4c und der eigentlichen Membran 2. Die
Ventilmembran 4b mit der Öffnung 4c bilden
zusammen mit den Durchgangsöffnungen 4a der Membran 2 in
diesem Ausführungsbeispiel die fluidische Komponente 4 zur
Erzeugung einer Fluidflussvorzugsrichtung. In diesem Ausführungsbeispiel
sind Elemente zur Erzeugung einer Fluidvorzugsrichtung auf der Membran 2 angeordnet.
Die Ventilmembran kann zwischen den Seitenteilen 1a und 1b eingespannt
sein und zumindest teilweise lösbar bzw. lose die Membran
berühren.
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Die
fluidische Komponente mit einer Durchgangsöffnung kann
sich also im, am oder benachbart zum bewegten Teil der Pumpenmembran
befinden und dort als Ventil wirken.
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In
den 3b und 3c ist
die Funktionsweise der beispielhaften Mikropumpe 1 aus 3a dargestellt.
In dem schematischen Querschnitt von 3b ist
zu sehen, dass bei einer Auslenkung der Membran 2 in eine
erste Richtung 3a die Durchgangsöffnungen 4a in
der Membran 2 durch die Ventilmembran 4b geschlossen
sind und ein Fluidstrom 6a durch den Fluidkanal 10 in
den Raum unter die Mikropumpe gesaugt wird. Da die Durchgangsöffnungen 4a der
Membran 2 verschlossen sind, findet zu diesem Zeitpunkt
kein Fluidfluss in den Raum oberhalb der Membran statt. Anschließend
wird, wie in 3c dargestellt ist, die Membran 2 in
eine zweite Richtung 3b ausgelenkt. Durch die Auslenkung
der Membran 2 in Richtung 3b findet eine Volumenverdrängung
unterhalb der Membran 2 statt, so dass ein Fluid in Richtung 6b durch
den Fluidkanal 10 gedrückt bzw. gepumpt wird.
Die Ventilmembran 4b ist in diesem Ausführungsbeispiel
so ausgelegt, dass sie der Membran 2 nicht folgt, weshalb
bei einer Membranbewegung in Richtung 3b die Durchgangsöffnungen 4a geöffnet
werden, so dass ein Teil des Fluids durch die Durchgangsöffnungen 4a und
durch die Öffnung 4c in Richtung 6a oberhalb
der Membran 2 strömen kann. Insgesamt ist die
fluidische Komponente 4, also die Ventilmembran 4b mit Öffnung 4c und
die Durchgangsöffnungen 4a wieder derart ausgebildet,
dass durch den höheren Strömungswiderstand der
fluidischen Komponente 4 bei einer Auslenkung der Membran 2 in
die erste Richtung 3a verglichen zu einem Strömungswi derstand
durch die fluidische Komponente 4 bei einer Auslenkung
in eine zweite Richtung 3b, eine Hin- und Herauslenkung
der Membran 2 einen Nettofluidfluss 6a in die
Auslenkrichtung 3a der Membran mit dem größeren
Strömungswiderstand hervorruft.
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Eine
fluidische Richtungswirkung durch eine mehrschichtige Membran wird
in den 4a bis 4c in
einem anderen Ausführungsbeispiel dargestellt. Ähnlich
wie in 3a weist die Mikropumpe 1 in
dem Ausführungsbeispiel in 4a eine
Membran 2 und eine fluidische Komponente 4, die
wieder als (Ventil-)Membran 4b mit einer Öffnung 4c,
die lateral versetzt zu der Durchgangsöffnung 4a in
der Membran 2 ist, auf. In diesem Ausführungsbeispiel befindet
sich jedoch die Ventilmembran 4b unterhalb der Membran 2.
Aus diesem Grund bleiben die Durchgangsöffnungen 4a bei
einer Auslenkung der Membran 2 in die Richtung 3a geschlossen
(4b). Das heißt, es findet kein Fluidstrom
durch die Durchgangsöffnungen 4a und die Öffnung 4c statt.
Durch die Auslenkung der Membran in die erste Richtung 3a wird
jedoch das Fluid in einem Fluidkanal 10 in die Richtung 6a gepumpt.
Die Ventilmembran 4b ist so beweglich ausgebildet, dass
sie der Auslenkung 3a der Membran 2 folgt bzw.
von dieser in Richtung 3a gedrückt wird und die
Durchgangsöffnungen 4a während dieses
Vorgangs geschlossen bleiben. Dazu kann die Membran 2 beispielsweise
ein magnetisches Material aufweisen und die Ventilmembran kein magnetisches
Material aufweisen, so dass durch ein, von einem Aktor angelegtes
Magnetfeld nur die Membran 2 bewegt wird.
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Wie
in 4c schematisch dargestellt ist, werden bei einer
Auslenkung der Membran 2 in eine zweite Richtung 3b die
Durchgangsöffnungen 4a geöffnet, da die
fluidische Komponente 4 so ausgebildet ist, dass sie der
Membran nicht folgt. Dadurch kann ein Fluid durch die geöffneten
Durchgangsöffnungen 4a in Richtung 6a in
dem Bereich unter der Membran 2 strömen. In einem
nächsten Schritt wird die Membran dann, wie in 4b dargestellt,
wieder in die erste Richtung 3a ausgelenkt, so dass das
durch die geöffneten Durchgangsöffnungen 4a geströmte
Fluid durch den Fluidkanal 10 in Richtung 6a gepumpt wird.
Insgesamt findet also wieder ein Nettofluidfluss in eine erste Auslenkrichtung 3a der
Membran statt, in deren Richtung ein größerer
Strömungswiderstand besteht, als in einer zweiten Auslenkungsrichtung 3b der
Membran.
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In
Ausführungsbeispielen kann also die fluidische Komponente 4 als
eine Ventilmembran ausgebildet sein, die zusammen mit der Membran
eine Doppelschicht bzw. eine Mehrschichtmembran bildet. Die Ventilmembran 4b kann
eine weitere Öffnung 4c aufweisen, die lateral
versetzt zur Durchgangsöffnung 4a ist, und wobei
die Ventilmembran und die Membran 2 zumindest in einem
Bereich der sich von der Öffnung 4c bis zur Durchgangsöffnung 4a erstreckt
lösbar aneinander liegen.
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In
Ausführungsbeispielen kann die Mikropumpe so aufgebaut
sein, dass ein Fluidkanal, über dessen Querschnitt die
Mikropumpe angeordnet ist, keinen ortsfesten Fluidkanalabschnitt
aufweist der während einer Auslenkung der Membran die Durchgangsöffnung 4a versperrt.
Die Durchgangsöffnung 4a wird also von keinem
ortsfesten Teil des Fluidkanals bei einer Auslenkung der Membran
verschlossen. Die Membran berührt also in diesen Ausführungsbeispielen
bei keiner Auslenkung einen ortsfesten Fluidkanalabschnitt.
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Im
Folgenden sind schematisch weitere Ausführungsbeispiele
zur Mikropumpe und der Gestaltung der Membran bzw. der fluidischen
Komponente dargestellt. Es sind verschiedene Varianten der Pumpenmembran
mit integrierten richtungsgebenden Elementen denkbar.
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In 5a weist
die Membran 2 einen mehrschichtigen Aufbau auf, wobei die
fluidische Komponente 4 aus einer Ventilmembran 4b mit
einer Öffnung 4c, einer Durchgangsöffnung 4a in
der Membran 2 und einem Kugelsitzventil 4d besteht, durch
die eine fluidische Richtungswirkung erzeugt werden kann. Je nachdem,
in welche Richtung die Membran 2 ausgelenkt wird, verschließt
oder öffnet die Kugel des Kugelsitzventils 4d die
Durchgangsöffnung 4a der Membran 2, weshalb
ein Nettofluidfluss in eine bestimmte Richtung erzeugt wird. Es
kann also durch das Kugelsitzventil 4d, welches die Durchgangsöffnung 4a der
Membran 2 verschließen und öffnen kann,
eine für ein Fluid richtungsgebende Wirkung erzielt werden.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel ist schematisch in der 5b I
in einer Querschnittsdarstellung und in II in einer Draufsicht dargestellt.
Die Mikropumpe 1 weist in dem Ausführungsbeispiel
eine fluidische Komponente 4 auf, die als Membranring 4b mit
einer Öffnung 4c ausgebildet ist, der die Durchgangsöffnungen 4a der
Membran 2 je nach Auslenkrichtung der Membran ähnlich,
wie es im Zusammenhang mit den 3a–c
und den 4a–c beschrieben wurde,
verschließt und öffnet. Dadurch kommt es wieder
zu einer richtungsgebenden Wirkung für einen Fluidfluss
durch die Mikropumpe. Die Membran 2 kann in diesem Ausführungsbeispiel
beispielsweise ein magnetisches Material aufweisen, während
die fluidische Komponente kein magnetisches Material aufweist, so
dass nur die Membran 2 einem durch einen Aktor angelegten
Magnetfeld (nicht gezeigt in 5c) folgt,
während die Ventilmembran 4b nicht durch ein,
von dem Aktor erzeugtes Magnetfeld bewegt wird.
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In
dem Ausführungsbeispiel in 5c ist schematisch
in einer Schnittzeichnung I und einer Draufsichtzeichnung II ein
weiteres Ausführungsbeispiel einer Pumpenmembran 2 mit
der zugehörigen fluidischen Komponente 4 dargestellt.
In diesem Ausführungsbeispiel kann die fluidische Komponente 4 aus
einzelnen Klappen 4e, wie sie in der Draufsicht II zu sehen
sind und den Durchgangsöffnungen 4a bestehen.
Die einzelnen Klappen 4e können beispielsweise
zwischen dem Mikropumpenteil 1a und der Membran 2 fixiert
sein, wie in der Seitenansicht I angedeutet ist. Bei einer Auslenkung der
Membran in eine erste und zweite Richtung können die Klappen 4e die
Durchgangsöffnungen 4a freigeben oder versperren.
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Das
Ausführungsbeispiel für eine Mikropumpe 1 in 5d zeigt
wieder eine Ventilmembran 4b in einer schematischen Seitenansicht
I und einer Draufsicht II, wobei in diesem Ausführungsbeispiel
ein Teil 4f der Ventilmembran 4b auf einem mittleren
Teil 2a der Membran 2 befestigt ist. Die fluidische
Komponente 4 besteht in diesem Ausführungsbeispiel
also aus der Ventilmembran 4b, die in einem Teilbereich 4f an
der Membran 2 befestigt ist und der Durchgangsöffnung 4a.
Je nach Auslenkung der Membran 2 in eine erste oder zweite
Richtung werden die Durchgangsöffnungen 4a der
Membran 2 wieder geöffnet oder geschlossen und
es ergibt sich ein Nettofluidfluss. Wie in diesem Ausführungsbeispiel
gezeigt ist, kann sich die Ventilmembran nur über eine
Teilfläche der Membran 2 erstrecken. Diese also
nur in Teilbereichen lose bzw. lösbar überlappen.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel ist in 5e in
einer schematischen Seitenansicht I und einer Draufsicht II dargestellt.
In diesem Ausführungsbeispiel weist die fluidische Komponente 4 Öffnungen 4c in
einer Ventilmembran 4b auf und die Membran 2 eine
Durchgangsöffnung 4a. Durch die Ventilmembran 4b und
den darin befindlichen Löchern 4c kann bei einer
Auslenkung der Membran 2 in Richtung 3b ein Fluid
durch die Durchgangsöffnung 4a und die Öffnungen 4c der
Ventilmembran 4b in Richtung 3a strömen.
Bei einer anschließenden Auslenkung der Membran 2 in
eine Richtung 3a, ergibt sich für ein Fluid ein
höherer Strömungswiderstand als bei einer Auslenkung
in Richtung 3b. Es kann sich also wieder ein Nettofluidfluss
in Richtung 3a ergeben.
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In
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung besteht
die Membran 2 der Mikropumpe 1 beispielsweise
aus einem magnetischen Material oder besitzt magnetische Komponenten.
Die Membran kann fluidische Kanäle besitzen, die senkrecht zur
Membranoberfläche und damit der Bewegungsrichtung der Membran
eingebracht sind. Diese Kanäle können durch Klappen
abgedeckt sein, die ebenfalls aus einem magnetischen Material bestehen oder
magnetische Komponenten besitzen. Durch die Auslenkung der Membran
können die Klappen mit ausgelenkt werden und so die in
der Membran integrierten Kanäle öffnen oder verschließen.
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Die
Strukturierung einer Membran kann auf verschiedene Arten durchgeführt
werden. Zum einen können ein oder mehrere Diffusoren oder
Düsen sowie oben beschrieben, senkrecht zur Membranoberfläche
und somit parallel zur Bewegungsrichtung der Membran eingebracht
sein. Die Strukturierung der Membran kann durch Abformung jeglicher
Art, Lasern, Stanzen, chemische Strukturierung, lithographische
Strukturübertragung oder Sintern realisiert werden. Des
Weiteren können Öffnungen in der Membran enthalten
sein, die durch Klappen oder andere passive Ventile verschlossen
werden, wenn die Membran in die eine oder andere Richtung bewegt wird.
Zum anderen können derartige Klappen auch als aktive Ventile
ausgebildet sein und beispielsweise einen aktorischen Antrieb der
Membran zum Öffnen und Schließen mit nutzen.
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In
den 6 und 7 ist schematisch dargestellt,
dass die Mikropumpen gemäß der vorliegenden Erfindung,
wie in 6 in einer schematischen Seitenansicht dargestellt
ist, parallel zusammen geschaltet werden können, um so
eine höhere Pumpleistung zu erzielen. 7 zeigt
die Draufsicht einer weiteren Anordnung bestehend aus einer Vielzahl von
Mikropumpen (also 1, 2, 3 ... n-Mikropumpen) mit Membranen, die
in diesem Ausführungsbeispiel, konisch ausgebildete Durchgangsöffnungen 4a besitzen
und die die fluidische Komponente darstellen. Durch den Einsatz
der Pumpen 1a bis 1n in 6, kann
also entweder durch Zusammenschalten wie in 6 eine größere
Fluidmenge 8 in Richtung 6a gepumpt werden, als
mit Hilfe einer einzelnen Pumpe, oder aber mehrere unabhängige
Fluide gesteuert und bewegt werden.
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In
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung sind Elemente
bzw. fluidische Komponenten zur Erzeugung einer Flussvorzugsrichtung,
die in einer Membran integriert oder auf der Membran aufgebaut sein
können, beispielsweise als Mehrschichtmembran ausgeführt.
In Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung sind
Mikropumpen mit Membranen mit integrierten Ventilen oder richtungswirkenden
Elementen dargestellt, wobei die Pumpen bzw. Mikropumpen in Arrays
angeordnet sein können. Die Pumpen können beispielsweise
mechanisch, magnetisch, elektrostatisch, elektrochemisch, elektromagnetisch,
piezoelektrisch, pneumatisch, hydraulisch, thermisch, wie z. B.
bei Bi-Metallstreifen oder durch Verwendung von Formgedächtnislegierungen
betrieben werden. Die Membran kann also mit Hilfe dieser Antriebsprinzipien
ausgelenkt werden. Das Auslenken der Membran führt dann
zu einer Verdrängung einer Flüssigkeit oder eines
Gases also eines Fluids. Das Fluid strömt dabei durch die
in die Membran eingebrachten richtungswirkenden Elemente oder Ventile.
Die Bewegungsvorzugsrichtung des Fluids wird durch die in der Membran
enthaltenen oder auf der Membran aufgebauten Ventile oder richtungsgebenden
Elemente realisiert. Insbesondere betrifft die Erfindung auch die
Anwendung dieser Pumpen in flachen Substraten, wobei in einem Substrat
auch mehrere Pumpen realisiert sein können. Mehrere Pumpen
können z. B. dazu dienen, die in einem Substrat und mit
den Pumpen in fluidischer Kommunikation stehenden Flüssigkeitsreservoire
zu entleeren. Auch können mehrere Pumpen parallel geschaltet
sein, um eine höhere Pumpleistung gegenüber einer
Einzelpumpe zu erzielen.
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Die
Elemente zur Erzeugung einer Flussvorzugsrichtung können
als passive Elemente ohne bewegliche Teile, als passive Elemente
mit beweglichen Teilen, wie z. B. Klappen, Membranen oder Kugelsitzventil
oder als aktive Elemente, die einen Antrieb zur Realisierung der
Richtungswirkung besitzen, ausgebildet sein. Die Membran kann dabei
Aktor oder Teil des Aktors sein oder auch aktorisch angetrieben sein.
Es sind verschiedene Antriebsprinzipien wie z. B. piezoelektrisch,
elektromagnetisch, magnetisch, elektrostatisch, thermisch, durch
thermische Ausdehnung, durch einen Phasenübergang, durch eine
Formgedächtnislegierung, mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch
denkbar. Es kann dabei vorteilhaft sein, dass die richtungsgebenden
Elemente, also die fluidische Komponente sehr nahe an dem durch
die Membran bewegten oder komprimierten Fluid angeordnet sind. Dieser
Vorteil kann sich beispielsweise beim Pumpen von Gasen auswirken.
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Bei
dem Verfahren zum Pumpen eines Fluids mittels einer Mikropumpe mit
einer Membran, die sich über einen Querschnitt eines Fluidkanals
erstreckt und eine fluidische Komponente mit einer Durchgangsöffnung
durch die Membran aufweist, wobei die fluidische Komponente derart
ausgebildet ist, dass ein Strömungswiderstand durch die
fluidische Komponente bei einer Auslenkung der Membran in einer ersten
Richtung größer ist, als ein Strömungswiderstand
durch die fluidische Komponente bei einer Auslenkung der Membran
in eine zweite Richtung, wird ein Hin- und Herauslenken der Membran
so durchgeführt, dass ein Nettofluidfluss durch die fluidische Komponente
in die erste Richtung hervorgerufen wird.
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Das
Hin- und Herauslenken der Membran kann bei dem Verfahren durch einen
Aktor ausgeführt werden, der mit Hilfe einer magnetischen,
elektrostatischen, piezoelektrischen, elektromagnetischen, thermischen,
mechanischen, hydraulischen oder pneumatischen erzeugten Kraft eine
Auslenkung der Membran hervorrufen kann.
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Das
Verfahren kann so durchgeführt werden, dass die Membran
der Mikropumpe Aktor ist, oder zumindest Teil des Aktors ist bzw.
aktorisch angetrieben ist.
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Das
Hin – und Herauslenken der Membran kann so durchgeführt
werden, dass eine fluidische Komponente, die in der Membran integriert
ist, oder benachbart auf oder unter der Membran angeordnet ist,
während der Auslenkung der Membran in eine Richtung schließt
und während der Auslenkung der Membran in eine andere Richtung
geöffnet wird.
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Die
Membran in Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung
kann die Funktion der Aktorik bereits selbst mitbringen. Das heißt,
sie kann so ausgebildet sein, dass sie Teil des Aktors oder selbst
der Aktor ist. Die Membran kann dazu beispielsweise als magnetische
Polymermembran aufgebaut sein, die Teil eines auf einem magnetischen
bzw. elektromagnetischen Prinzips funktionierenden Aktors ist. Die Membran
kann auf der Basis von Piezopolymeren, wie z. B. PVDF oder PVDF-TrFe
aufgebaut sein. Die Membran kann beispielsweise auch so aufgebaut sein,
das eine elektrisch leitfähige Spule aufgebracht oder integriert
ist, die als Teil eines Aktors zur Auslenkung der Membran verwendet
wird. Die Verwendung derartiger aktiver Membranen kann dann zum
Aufbau eines Über- oder Unterdrucks vor oder hinter mindestens
eines mikrofluidischen Kanals oder Reservoirs verwendet werden.
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In
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist eine
Mikropumpe gezeigt, die auf dem Prinzip einer dynamisch, periodisch
ausgelenkten Membran beruht. Das für einen Fluidstrom richtungsgebende
Element, also das Ventil bzw. die fluidische Komponente befinden
sich nun im bewegten Teil der Pumpenmembran, so dass ein gerichteter
Nettofluidstrom durch die bewegte Pumpenmembran erfolgt.
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Bei
einigen der obigen Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung ist die Pumpe in einem Substrat gebildet, wobei sich sowohl
die Membran als auch der Fluidkanal lateral erstrecken. Dies ist
für den Aufbau der Pumpe vorteilhaft, da sie als Schichtanordnung
gebildet werden kann, wie es in den Figuren gezeigt ist. Allerdings
kann von dieser Anordnung natürlich auch abgewichen werden.
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Aus
den oben angeführten Ausführungsbeispielen lassen
sich weitere Kombinationen und Varianten der erfindungsgemäßen
Mikropumpe herstellen bzw. können Verfahren abgeleitet
werden ohne von der in dieser Erfindung dargestellten Idee für
eine Mikropumpe und einem Verfahren zum Pumpen abzuweichen. Deshalb
ist die vorliegende Erfindung nicht nur auf die angeführten
Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern vielmehr
sind auch Kombinationen oder andere Ausgestaltungsmöglichkeiten,
die auf der in dieser Erfindung beschriebenen Idee basieren, in
der Erfindung mit eingeschlossen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Nguyen N.
-T., Huang X., Chuan T. K.: „MEMS-Mikropumps: A Review",
Journal of Fluids Engineering, Bd. 124, Juni 2002, 384–392 [0004]
- - E. Stemme und G. Stemme (1993), „A Valveless Diffusor/Nozzle-Based
Fluid Pump", Sensors and Actuators A 39: 159–167 [0006]