DE102009049445A1 - Kontaktfreies emissionsinduziertes Mikroventil - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein kontaktfreies emissionsinduziertes Mikroventil oder Schalter mit Zustandsmeldung in einer strahlungspermeablen Spritzguss-, Folien- oder Leiterplattenumgebung (3). Fig. 1 zeigt die Komponenten, gekennzeichnet durch ein Schnappscheibenelement (1) oder Formgedächtniselement oder Polymorph als Schließerelement eines Fluidkanals (2). Das Aktorelement ist nicht elektrisch kontaktiert und wird durch eine extern befindliche Strahlungsquelle (7) erwärmt und somit die Zustandsänderung ausgelöst. Je nach Aktorzustand wird der Kanal durch den Anpressdruck selbstdichtend oder mit Hilfe einer Dichtung (4) verschlossen oder ein fluidischer Durchgang gewährleistet. Durch die Strahlungsreflexion (5) an dem konkav oder konvex geformten Aktorelement kann eine Zustandsrückmeldung über Photodioden (6) neben der Strahlungsquelle erfolgen. Das Fluid ist durch die physikalisch getrennte und undefiniert entfernte Anordnung der Strahlungsquelle (LED, Laser, IR Strahler, Induktion) vor elektrischer Spannung und Strom geschützt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein strahlungsaktiviertes minimalmechanisches Mikroventil oder Mikroschalter für fluidische Mikrosysteme. Stromlos und potentialfrei erfolgt die Betätigung des Aktors durch ein strahlungspermeables Trägermaterial. Der Ventilzustand oder Schalterzustand ist über Reflexionsmessung stromlos und potentialfrei feststellbar. Als Strahlungsassimilator werden Bimetallschnappscheiben, Formgedächtnismaterialien oder Polymorphe verwendet.
• Stand der Technik
• Es ist bekannt, dass Mikroventile mit Hilfe von Schnappscheiben und deren elektrische Beheizung realisiert werden ( DE 102 50 758 A1 2004.05.13). Eine Zustandsmeldung wird ebenfalls elektrisch abgefragt. Die Realisation ist jedoch sehr aufwendig.
• Es ist weiterhin bekannt, dass Mikroventile in Siliziumtechnologie hergestellt werden. Die Herstellung erfordert jedoch hohe technologische Investitionen und ist selbst in hohen Stückzahlen teurer.
• Es ist weiterhin bekannt, dass Mikroventile realisiert wurden, deren Funktionsprinzip auf Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungs-Koeffizienten, die miteinander stoffschlüssig oder formschlüssig verbunden sind, beruht ( DE 201 16 898 U1 ). Die mechanische Vorspannung des Aktors ist hier nicht notwendig. Jedoch ist eine kostengünstige Integration schwer und eine elektrische Ansteuerung notwendig.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein verbessertes Mikroventil zur Verfügung zu stellen, dass zumindest einen der oben genannten Nachteile überwindet.
• Detaillierte Beschreibung der Erfindung
• In einem ersten Aspekt ist die Erfindung auf ein Mikroventil oder Mikroschalter gerichtet, der im Gegensatz zum Stand der Technik kostengünstig, mit dem Fluid elektrisch keinen Kontakt bildend, einfach in vielfältige Trägermaterialien integrierbar und kontaktfrei steuerbar einsetzbar ist. Dieses Ventil soll durch eine punktgenaue Erwärmung, keine signifikante Erwärmung der Umgebungsmaterialien erzeugen und damit die Schaltzeiten derartiger Ventile verbessern. Zudem soll das Ventil eine kontaktfreie Zustandsbestimmung ermöglichen damit Sicherheitsabfragen und Ansteuerungen (Haltestrahlung) zu ermöglichen. Erfindungsgemäß werden alle Aspekte der Aufgabenstellung durch die im Anspruch formulierten Merkmale erfüllt.
• Die Vorteile hinsichtlich zum Stand der Technik bestehen darin, dass
• – mit der Verwendung eines Schnappscheibenelementes oder eines Formgedächtnismaterials oder eines Polymorphs, ohne elektrischer Kontaktierung, die Realisierung eines Ventils im Vergleich zu ähnlichen Konzepten deutlich günstiger ist.
• – der Aktor aus einem thermosensitiven Material besteht, welches sich, gemäß der Bezeichnung, mit einer induzierten Temperaturveränderung in eine geometrisch unterschiedliche Form wandelt
• – keine elektrischen Ableitungen zur Steuerung des Aktors im Trägermaterial notwendig sind, welches den Preis des Ventils deutlich vermindert.
• – keine elektrischen Ableitungen zur Zustandsbestimmung Aktors im Trägermaterial notwendig sind.
• – die Auswahl an Trägermaterialien und die Varianten der Aufbau- und Verbindungstechniken zunehmen.
• – kein Risikopotential durch eine elektrische Kontaktierung zu erwarten ist.
• – die Wärmeenergie direkt aufgenommen werden kann und nicht durch z. B. Heizelemente oder Widerstände übertragen werden muss.
• – die Erwärmung der Umgebungsmaterialien als auch des Fluids auf ein Minimum reduziert wird, da punktuell nur die Schnappscheibe erwärmt wird (bei optimaler Transparenz des Trägers oder bei direkter Schnappscheibenbestrahlung).
• – mit Integration des Ventils in ein Disposable, die Ansteuerung des Ventils kontaktlos über LED, Laser oder Induktion erfolgt und keine Verbindung (z. B. Kontaktstifte) zur Hardware besteht
• – Das Mikroventil kann, zur Verhinderung von physikalischen und chemischen Reaktionen, mit Chemikalien oder Gasen mit Gefahrenpotential in Kontakt kommen
• Eine Ausführungsform der Erfindung ist, dass das Mikroventil Bestandteil einer mit chemischer oder physikalischer Sensorik versehner Fluidik sein kann.
• Das Trägermaterial und dessen Aufbau- und Verbindungstechnik muss nur hinsichtlich der Fixierung des Aktors und der Strahlungspermeabilität hin gewählt werden.
• Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand einer Schnittskizze (1) dargestellt. In diesem Beispiel ist eine Bimetallschnappscheibe (1a) in einem aus strukturierten Folien (3) aufgebautem Fluidkörper eingebracht. Der Fluidkanal (2a) wird durch die Schnappscheibe (1a) und der Dichtung (4) permanent abgedichtet. Durch die Transmission von Strahlungsenergie des Emitters (7) durch die Folie auf die Schnappscheibe wird nur der Aktor erwärmt und schnappt mit Erreichen der Umschnapptemperatur in die Stellung (1b). Damit erfolgt die Öffnung des Kanals (2a) und das Fluid kann in Richtung (2b) transportiert werden. Gleichzeitig kann an der nun konvex gebogenen Scheibe, je nach Einbaugrad des Emitters (7) eine Zunahme der reflektierten Strahlung durch z. B. eine Photodiode (6) bestimmt werden.
• Bezugszeichenliste
• Fig. 1

1

Schnappscheibe

1b

Schnappscheibe ausgelenkt

2a

Fluidkanal Einlass

2b

Fluidkanal Auslass

3

Trägermaterial Folienschichten z. B. laminiert

4

Dichtung

5

Reflektierte Strahlung ausgelenkt

6

Photodiode

7

Emitter

8

Ventilhohlraum

• Fig. 1 Allgemeiner Aufbau
• Beschreibung des allgemeinen Aufbaus
• Ein emissionsinduziertes Mikroventil, wobei das Mikroventil umfasst:
• – ein Trägermaterial,
• – einen Einlasskanal,
• – einen Auslasskanal,
• – eine Schnappscheibe, die in einer Kammer angeordnet ist, wobei die Kammer in einen oberen Abschnitt und einen unteren Abschnitt unterteilt ist und wobei der obere Abschnitt einen Zugang zu dem Einlasskanal und einen Zugang zu dem Auslasskanal aufweist,
• – eine Dichtung,
wobei die Schnappscheibe mit der Trägerfolie verbunden ist und durch Strahlungseinwirkung zwischen einer geschlossenen und einer geöffneten Position wechseln kann, wobei die Schnappscheibe in der geschlossenen Position an der Dichtung 4 anliegt und dabei jeweils einen Zugang zudem Einlasskanal und dem Auslasskanal verschließt und wobei die Schnappscheibe in der geöffneten Position den jeweiligen Zugang zu dem Einlasskanal und dem Auslasskanal freigibt und dadurch in der geöffneten Position eine fluide Kommunikation zwischen dem Einlasskanal und dem Auslasskanal ermöglicht.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 10250758 A1 [0002]
• DE 20116898 U1 [0004]

Claims (25)

1. Ein Mikroventil, wobei das Mikroventil einen Aktor und ein Trägermaterial umfasst, wobei der Aktor aus einem strahlungsabhängigen Polymorph besteht und in das Trägermaterial eingebettet ist; wobei das Trägermaterial mindestens einseitig Strahlungspermeabilität aufweist und wobei der Aktor durch Strahlung einen von zwei stabilen Zuständen annimmt.
2. Das Mikroventil gemäß Anspruch 1, wobei die Strahlung von einer Strahlungsquelle ausgeht, die innerhalb oder außerhalb des Trägermaterials liegt.
3. Das Mikroventil gemäß Anspruch 1 oder 2 wobei der Aktor beweglich oder verformbar in das Trägermaterial eingebettet ist.
4. Das Mikroventil gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das strahlungsabhängige Polymorph aus einem thermosensitiven Material besteht.
5. Das Mikroventil nach Anspruch 4, wobei das thermosensitive Material aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus einem Bimetall, einer Formgedächtnislegierung, einem Formgedächtnispolymer und einem Polymorph besteht.
6. Das Mikroventil nach Anspruch 5, wobei das Bimetall aus der Gruppe ausgewählt wird, die besteht aus Elementen der 4 bis 14 Hauptgruppe und 3 bis 6 Periode des Periodensystems und deren Legierungen.
7. Das Mikroventil nach Anspruch 5, wobei die Formgedächtnislegierung aus der Gruppe ausgewählt wird, die besteht aus NiTi (Nickel-Titan; Nitinol) CuZn (Kupfer-Zink) CuZnAl (Kupfer-Zink-Aluminium) CuAINi (Kupfer-Aluminium-Nickel) FeNiAl (Eisen-Nickel-Aluminium).
8. Das Mikroventil nach Anspruch 5, wobei das Formgedächtnispolymer aus der Gruppe ausgewählt wird, die besteht aus Einweg-Memory-Polymeren, und aus optisch vernetzbaren und optisch lösbaren Polymeren
9. Das Mikroventil nach Anspruch 5, wobei der Polymorph aus der Gruppe ausgewählt wird, die besteht aus Hydrogel, Smart Hydrogel, stimuli-responsive hydrogel oder Acylamidhydrogel und Derivate dessen.
10. Das Mikroventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strahlungsquelle aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus einer LED, Laserstrahlung und Induktionsstrahlung besteht.
11. Das Mikroventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mikroventil keinerlei elektrische Kontaktierungen aufweist.
12. Das Mikroventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Aktor durch das spezifische energieabsorptive Material, bei gleichzeitiger Strahlungstransparenz des Trägermaterials, gekennzeichnet ist.
13. Das Mikroventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Aktor durch die direkte spezifische Energieaufnahme, die Energieabsorption der umgebenden Materialien verringert.
14. Verwendung des Mikroventils nach einem der vorhergehenden Ansprüche in strom- oder potentialkritischen Anwendungsbereichen.
15. Die Verwendung nach Anspruch 14 wobei die strom- oder potentialkritischen Anwendungsbereiche medizinische Anwendungsbereiche und/oder explosive Anwendungsbereiche umfasst.
16. Das Mikroventil nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Reflektionseigenschaft des Aktors so gewählt ist, dass die Reflektion der Strahlung vom Aktor seinen Zustand über eine Strahlungsmessung bestimmt.
17. Die unter 16 bezeichnete Zustandsbestimmung ebenfalls ohne elektrische Kontaktierung am Aktor und Aktorumgebung ermöglicht
18. Die unter 16 bezeichnete Zustandsmeldung auch durch eine kontaktfreie Strahlungsmessung durchgeführt werden kann
19. Verwendung des Mikroventils gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Mikroventil als Schalter verwendet wird.
20. Das Mikroventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, 17 oder 19, wobei die Strahlungsquelle zusammen mit dem Aktor in einer Geräteeinheit oder in einem Trägermaterial eingesetzt werden kann, wobei die Distanz der Bauelemente nur durch die notwendige Energieübertragung begrenzt wird
21. Verwendung des Mikroventils nach einem der Ansprüche 1 bis 14, 17 oder 20, als ein- oder mehrfach Bestandteil in einer ein- oder mehrschichtigen Fluidikkarte oder in einer Spritzgussfluidik.
22. Verwendung des Mikroventils nach einem der Ansprüche 1 bis 14, 17 oder 20, wobei das Mikroventil mehrfach verwendbar ist oder zur Einmalverwendung (Disposable) verwendet wird.
23. Die Verwendung gemäß Anspruch 21, wobei das Mikroventil in einer mehrfachverwendbaren Fluidik oder als Disposable verwendet wird.
24. Das Mikroventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mikroventil Bestandteil einer chemischen und/oder physikalischen Sensorik ist.
25. Das Mikroventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mikroventil mit menschlichen Körperflüssigkeiten in Kontakt gebracht werden kann.

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