DE102012209117A1

DE102012209117A1 - Microfluidische Vorrichtung und externer piezoelektrischer Aktor

Info

Publication number: DE102012209117A1
Application number: DE201210209117
Authority: DE
Inventors: Kevin P. Killeen; Storrs T. Hoen
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2013-01-03
Also published as: JP2013015134A; US20130000758A1

Abstract

Fluidpumpende Vorrichtung enthaltend einen piezoelektrischen Aktor, welcher extern gekoppelt ist mit einer mikrofluidischen Vorrichtung. Der piezoelektrische Aktor hat eine axiale Auslenkung entlang einer längsgerichteten Achse in Reaktion auf ein Anlegen einer Biasspannung. Die axiale Auslenkung des piezoelektrischen Aktors betreibt eines von einem internen Ventil und einer internen Pumpenkammer der mikrofluidischen Vorrichtung.

Description

HINTERGRUND
Hin- und hergehende Mikropumpen werden für verschiedene Anwendungen verwendet, wie beispielsweise ein Laden von Proben in Flüssigchromatographieinstrumente. Eine typische Mikropumpe kann ein Einlassventil enthalten, eine Pumpkammer und eine Auslasskammer, wobei die Pumpkammer Fluid pumpt durch alternierendes Expandieren zum Empfangen des Fluids durch das Einlassventil und Kontrahieren zum Ausstoßen des Fluids durch das Auslassventil. Allgemein bewirkt eine hin- und hergehende Bewegung eines Diaphragmas oder einer Membran, welche einen Teil der Pumpenkammer bildet, dass die Pumpenkammer expandiert und kontrahiert. Verschiedene Techniken zum Erzeugen der hin- und hergehenden Bewegung umfassen zum Beispiel die Verwendung von thermopneumatischen, elektrostatischen, pneumatischen und piezoelektrischen Aktoren. Die Leistungsfähigkeit von konventionellen Mikropumpen ist allgemein limitiert durch die größte Abmessung einer Blase, die toleriert werden kann.
Konventionelle Mikropumpen mit piezoelektrischen Aktoren haben typischer Weise eine laterale Dehnungskonfiguration, welche eine flache piezoelektrische Scheibe enthält, die eine erste Seite aufweist, die an dem Diaphragma einer Pumpenkammer befestigt ist, und eine zweite Seite, die frei ist, sich in Reaktion auf ein elektrisches Signal auszudehnen. Eine längsgerichtete Achse der piezoelektrischen Scheibe ist im Wesentlichen parallel zu einer oberen Oberfläche des Diaphragmas, so dass die piezoelektrische Scheibe wirksam flach auf dem Diaphragma liegt. Wenn eine Biasspannung angelegt wird, kontrahiert die piezoelektrische Scheibe lateral, was ein Biegemoment zwischen der piezoelektrischen Scheibe und dem Diaphragma bewirkt. Das Biegemoment krümmt das Diaphragma, was bewirkt, dass Fluid innerhalb der Pumpenkammer ausgestoßen wird. Während diese Konfiguration relativ einfach herzustellen ist und große Auslenkungen erzeugt, kann sie nicht große Drücke erzeugen. Zum Beispiel kann eine konventionelle laterale Dehnungsmikropumpe ungefähr 0,06 Bar bis ungefähr 2 Bar an Druck erzeugen.
Die Einlass- und Auslassventile können aktiv betätigt werden in einer ähnlichen Weise wie die Pumpenkammer, z. B. unter Verwendung eines piezoelektrischen Aktors, oder die Einlass- und oder Auslassventile können passive Rückschlagventile sein. Jedoch sind passive Rückschlagventile typischerweise ungeeignet für hochdruckpiezoelektrisch betätigte Mikropumpen, da die Menge an Fluid, die in jedem Zyklus gepumpt wird, beschränkt ist und ein endliches Fluidvolumen benötigt wird, um die Rückschlagventile zu betätigen. Piezoelektrisch betätigte Ventile können beschränkt sein auf Differentialdrücke von ungefähr z. B. 3 Bar. Viele Piezoelektrisch betätigte Einlass- und Auslassventile beruhen auf Biegemoden-Aktoren, um einen großen Bewegungsbereich zu erzielen.
Es gibt einige Beispiele von konventionellen Mikropumpen, welche piezoelektrische Aktoren aufweisen, die longitudinal expandieren und kontrahieren, im Gegensatz zu lateral. Wiederum enthalten solche Mikropumpen typischerweise eine flache piezoelektrische Scheibe mit einer längsgerichteten Achse, die im Wesentlichen parallel zu der oberen Oberfläche des Diaphragmas ist, so dass die piezoelektrische Scheibe wirksam flach auf dem Diaphragma liegt. Jedoch dehnt sich, wenn eine Biasspannung angelegt wird, die piezoelektrische Scheibe vertikal nach unten, was ein Biegemoment bewirkt zum Krümmen des Diaphragmas. Jedoch können solche Konfigurationen schwierig herzustellen sein und schlechte On/Off-Strömungsverhältnisse aufweisen. Auch befindet sich in einem Beispiel ein thermisch balancierter piezoelektrischer Aktor innerhalb der Ventilkammer. Obwohl diese Mikropumpe in der Lage ist, hohe On/Off-Strömungsratenverhältnisse zu erzeugen und gegen relativ hohe Drücke abdichten kann, ist der piezoelektrischer Aktor unter Zug platziert und das Arbeitsfluid in der Ventilkammer kommt in Kontakt mit dem piezoelektrischen Aktor. Entsprechend ist die Mikropumpe nicht geeignet für Hochdrucksysteme, in welchen eine Mannigfaltigkeit von Flüssigkeiten verwendet werden kann, was ein Risiko einer Kontamination erzeugt. Ferner kann, da der piezoelektrische Aktor innen liegend in der Ventilkammer ist, die Ventilkammer bezüglich des piezoelektrischen Aktors nicht entfernt oder ersetzt werden.
ZUSAMMENFASSUNG
In einer repräsentativen Ausführungsform enthält eine Fluidtransfervorrichtung einen piezoelektrischen Aktor, welcher extern an eine mikrofluidische Vorrichtung gekoppelt ist. Der piezoelektrische Aktor hat eine axiale Auslenkung entlang einer längsgerichteten Achse ansprechend auf ein Anlegen einer Biasspannung, wobei die axiale Auslenkung des piezoelektrischen Aktors eines von einem internen Ventil und einer internen Pumpkammer der mikrofluidischen Vorrichtung betätigt.
In einer anderen repräsentativen Ausführungsform enthält eine Fluidtransfervorrichtung eine mikrofluidische Vorrichtung mit einer Pumpenkammer und einem ersten piezoelektrischen Aktor, welcher mit der mikrofluidischen Vorrichtung gekoppelt ist. Der erste piezoelektrische Aktor ist konfiguriert, um sich entlang einer ersten längsgerichteten Achse auszudehnen und zu kontrahieren in Reaktion auf selektives Anlegen einer ersten Biasspannung zum Komprimieren der Pumpenkammer, wo der erste piezoelektrische Aktor extern zu der mikrofluidischen Vorrichtung ist.
In einer anderen repräsentativen Ausführungsform enthält eine Fluidtransfervorrichtung eine planare mikrofluidische Vorrichtung, einen ersten piezoelektrischen Aktor, einen zweiten piezoelektrischen Aktor und einen dritten piezoelektrischen Aktor. Die planare mikrofluidische Vorrichtung enthält ein Einlassventil, eine Pumpenkammer in Fluidkommunikation mit dem Einlassventil über eine Einlassöffnung und ein Auslassventil in Fluidkommunikation mit der Pumpenkammer über eine Auslassöffnung. Der erste piezoelektrische Aktor ist extern zu der mikrofluidischen Vorrichtung und mechanisch mit dem Einlassventil gekoppelt, wobei der erste piezoelektrische Aktor in Reaktion auf selektives Anlegen einer ersten Biasspannung eine erste axiale Auslenkung aufweist, die bewirkt, dass das Einlassventil über die mechanische Kopplung schließt bzw. öffnet. Der zweite piezoelektrische Aktor ist extern zu der mikrofluidischen Vorrichtung und mit der Pumpenkammer mechanisch gekoppelt, wobei der zweite piezoelektrische Aktor in Reaktion auf selektives Anlegen einer zweiten Biasspannung eine zweite axiale Auslenkung aufweist, welche bewirkt, dass die Pumpenkammer über die mechanische Kopplung komprimiert bzw. expandiert. Der dritte piezoelektrische Aktor ist extern zu der mikrofluidischen Vorrichtung und mit dem Auslassventil mechanisch gekoppelt, wobei der dritte piezoelektrische Aktor in Reaktion auf selektives Anlegen einer dritten Biasspannung eine dritte axiale Auslenkung aufweist, welche bewirkt, dass das Auslassventil über die mechanische Kopplung schließt bzw. öffnet. Folglich wird Fluid von einer Vorrichtungseinlassöffnung, welche mit dem Einlassventil verbunden ist, in die Pumpenkammer durch die Einlassöffnung angesaugt, wenn das Einlassventil offen ist, die Pumpenkammer expandiert und das Auslassventil geschlossen ist. Ähnlich wird das Fluid ausgestoßen von der Pumpenkammer durch die Auslassöffnung zu einer Vorrichtungsauslassöffnung, die mit dem Auslassventil verbunden ist, wenn das Einlassventil geschlossen ist, die Pumpenkammer komprimiert und das Auslassventil offen lässt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die anschaulichen Ausführungsformen werden am besten verstanden von der folgenden detaillierten Beschreibung, wenn diese zusammen mit den begleitenden Zeichnungen gelesen wird. Es wird betont, dass die verschiedenen Merkmale nicht notwendiger Weise maßstabsgerecht dargestellt sind. Tatsächlich können die Abmessungen beliebig erhöht oder verringert sein zur Klarheit der Diskussion. Wo immer es anwendbar und praktikabel ist, beziehen sich ähnliche Bezugszeichen auf ähnliche Elemente.
1A und 1B zeigen Querschnittsdiagramme, welche eine Fluidtransfervorrichtung veranschaulichen, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
2A und 2B sind Querschnittsdiagramme, welche eine Fluidtransfervorrichtung veranschaulichen, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
3 ist ein Querschnittsdiagramm, welches eine Mehrventil-Fluidtransfervorrichtung veranschaulicht, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
4A und 4B sind Querschnittsdiagramme, welche eine Mehrventil-, integrierte Fluidtransfervorrichtung veranschaulichen, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
5A und 5B sind Querschnittsdiagramme, welche Mehrventilmikrofluidische Vorrichtung von integrierten Fluidtransfervorrichtungen veranschaulichen, gemäß repräsentativen Ausführungsformen.
6 ist ein Querschnittsdiagramm, welches eine Aktorvorrichtung veranschaulicht, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
7 ist ein Querschnittsdiagramm, welches eine Mehrventil-, integrierte Fluidtransfervorrichtung veranschaulicht, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform, welche die Aktorvorrichtung von 6 enthält.
8A und 8B sind Querschnittsdiagramme, welche eine Ventilkammer veranschaulichen, welche eine erhabene Struktur aufweisen, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
9A und 9B sind Querschnittsdiagramme, welche eine Pumpenkammer veranschaulichen, die eine erhabene Struktur aufweist, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
10A und 10B sind Querschnittsdiagramme, welche eine Pumpenkammer veranschaulichen, die eine abgesenkte Struktur aufweisen, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
11A und 11B sind Querschnittsdiagramme, welche eine Pumpenkammer veranschaulichen, die eine gaspermeable Membran aufweist, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
12A und 12B sind Querschnittsdiagramme, welche eine Mehrventil, integrierte Fluidtransfervorrichtung veranschaulichen, welche einen Dauerdurchfluss aufweist, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In der folgenden detaillierten Beschreibung sind, zum Zwecke der Erläuterung und nicht der Beschränkung, anschauliche Ausführungsformen dargelegt, um ein gründliches Verständnis von Ausführungsformen gemäß den vorliegenden Lehren zu liefern. Jedoch wird es für jemanden, der den Vorteil der vorliegenden Offenbarung gehabt hat, offenkundig werden, dass andere Ausführungsformen gemäß den vorliegenden Lehren, die von dem spezifischen hierin offenbarten Details abweichen, innerhalb des Umfangs der anhängenden Ansprüche bleiben können. Darüber hinaus können Beschreibungen von gut bekannten Vorrichtungen und Verfahren weggelassen sein, um die Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen nicht zu verschleiern. Solche Verfahren und Vorrichtungen sind innerhalb des Umfangs der vorliegenden Lehren.
Allgemein ist es selbstverständlich, dass die Zeichnungen und die verschiedenen Elemente, die darin dargestellt sind, nicht maßstabsgerecht dargestellt sind. Ferner werden relative Ausdrücke, wie beispielsweise „über”, „unter”, „Deck-”, „Boden”, „obere”, „untere”, „linke”, „rechte”, „vertikal” und „horizontal” verwendet, um die verschiedenen Beziehungen von Elementen zueinander zu beschreiben, wie in den begleitenden Zeichnungen veranschaulicht. Es ist selbstverständlich, dass diese relativen Ausdrücke beabsichtigt sind, verschiedene Orientierung der Vorrichtung und/oder Elemente zusätzlich zu der Orientierung, die in den Zeichnungen dargestellt ist, zu umfassen. Zum Beispiel wäre, wenn die Vorrichtung bezüglich der Ansicht in den Zeichnungen invertiert werden würde, ein Element, welches als „über” einem anderen Element beschrieben ist, nun zum Beispiel „unter” diesem Element. Ähnlich wäre, wenn die Vorrichtung um 90° gedreht werden würde bezüglich der Ansicht in den Zeichnungen, ein Element, welches als „vertikal” beschrieben ist, z. B. nun „horizontal” sein.
Verschiedene repräsentative Ausführungsformen liefern eine planare mikrofluidische Vorrichtung, welche mit einem oder mehreren externen piezoelektrischen Aktoren gekoppelt ist zum Erzeugen einer Fluidpumpvorrichtung oder Fluidtransfervorrichtung, wie beispielsweise einer Mikropumpe. Zum Beispiel kann die mikrofluidische Vorrichtung einen Einlass enthalten, eine erste Ventilkammer, eine Pumpkammer, eine zweite Ventilkammer und einen Auslass. Ein erster piezoelektrischer Aktor ist konfiguriert zum Öffnen und Schließen eines ersten Ventils in der ersten Ventilkammer, ein zweiter piezoelektrischer Aktor ist konfiguriert zum Komprimieren und Expandieren der Pumpkammer, und ein dritter piezoelektrischer Aktor ist konfiguriert zum Öffnen und Schließen eines zweiten Ventils in der dritten Ventilkammer. Jeder von dem ersten, zweiten und dritten piezoelektrischen Aktor ist konfiguriert, um sich axial auszudehnen und zu kontrahieren, entlang einer gestreckten längsgerichteten Achse, zum Wechselwirken mit dem entsprechenden Ventil oder der Pumpkammer.
Durch Schließen des zweiten Ventils, Öffnen des ersten Ventils und Expandieren der Pumpenkammer, wird Fluid von dem Einlass eingesaugt. Durch Schließen des ersten Ventils, Öffnen des zweiten Ventils und Komprimieren der Pumpenkammer wird Fluid von der Vorrichtung ausgestoßen. Entsprechend ist die Fluidtransfervorrichtung in der Lage Fluid zu pumpen und einen erheblichen Druck zu erzeugen, z. B. in einem Bereich von ungefähr 50 Bar bis über ungefähr 1.000 Bar an Druck. Die verschiedenen Ausführungsformen können verwendet werden für Hochleistungs-Flüssigchromatographie (high performance liquid chromatography, HPLC)-Instrumente, zum Beispiel, zum Laden von Proben und/oder als die analytische Pumpe selbst.
1A und 1B sind Querschnittsdiagramme, welche eine Fluidtransfervorrichtung veranschaulichen, enthaltend einen piezoelektrischen Aktor, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
Bezug nehmend auf 1A und 1B, enthält die Fluidtransfervorrichtung 100 eine planare mikrofluidische Pumpenvorrichtung 130, welche eine interne Pumpenkammer 140, eine Einlassöffnung 131 und eine Auslassöffnung 132 aufweist. Die mikrofluidische Pumpenvorrichtung 130 enthält auch eine flexible Membran 120, welche die obere Wand der internen Pumpenkammer 140 bildet. Wie im Detail unten beschrieben ist, wird die flexible Membran 120 nach unten gebogen (oder deformiert) von ihrer anfänglichen Position (dargestellt in 1A) in eine gebogene Position (dargestellt in 1B), Fluid von der Pumpenkammer 140 durch die Auslassöffnung 132 ausstoßend, und wird aufwärts geradegerichtet von ihrer gebogenen Position in ihre anfängliche Position, Fluid in die Pumpenkammer 140 durch die Einlassöffnung 131 einsaugend, um eine Pumpwirkung zu liefern. Die mikrofluidische Pumpenvorrichtung 130 kann gebildet sein aus einem strapazierfähigen Material, wie beispielsweise rostfreiem Stahl oder einem anderen Metallmaterial. Alternativ kann die mikrofluidische Pumpenvorrichtung 130 aus einem anderen Material gebildet sein, wie beispielsweise Glas, Keramik, Silikon oder einem Polymer, wie beispielsweise Polyimid, Polycarbonat oder anderem Kunststoff, ohne von dem Umfang der vorliegenden Lehren abzuweichen. Ähnlich kann die flexible Membran 120 gebildet sein aus einem flexiblen Metall, beispielsweise aus einem rostfreien Stahl. Alternativ kann die flexible Membran 120 aus Materialien wie beispielsweise Polymeren, Glas, Keramik und Metallen oder irgendeiner Kombination davon gebildet sein, ohne von dem Umfang der vorliegenden Lehren abzuweichen. In verschiedenen Ausführungsformen sind die internen Oberflächen der mikrofluidischen Pumpvorrichtung 130 (z. B. Wände der Pumpenkammer 140) mit einer nichtreaktiven Beschichtung beschichtet, welche z. B. ein Polymer, Keramik, Glas, Metall oder Fluorpolymerbeschichtung enthalten kann.
Die Fluidtransfervorrichtung 100 enthält ferner einen piezoelektrischen Aktor 110, welcher extern an die mikrofluidische Pumpenvorrichtung 130 über eine Bosse 115 (engl. boss) gekoppelt ist. Der piezoelektrische Aktor ist extern gekoppelt, dadurch dass er vollständig außerhalb der Pumpenkammer 140 angeordnet ist und ist daher nicht in Kontakt ist mit der Arbeitsflüssigkeit, die in der Pumpenkammer 140 enthalten ist oder durch diese hindurch geht. Der piezoelektrische Aktor 110 kann daher in Hochdrucksystemen verwendet werden für welche es anderenfalls ein Risiko einer Kontamination des piezoelektrischen Aktors 110 gibt, wenn er nicht extern zu der mikrofluidischen Pumpenvorrichtung 130 wäre. In verschiedenen Konfigurationen kann der externe piezoelektrische Aktor 110 auch von der mikrofluidischen Pumpenvorrichtung 130 abnehmbar sein. Deshalb erlaubt die externe Kopplung des piezoelektrischen Aktors 110 ein einfaches Ersetzen der mikrofluidischen Pumpenvorrichtung 130.
In der dargestellten Konfiguration hat der piezoelektrische Aktor 110 eine längliche Form, wobei die Länge größer ist als die Breite, wie in 1A und 1B angegeben. Eine längsgerichtete Achse L des piezoelektrischen Aktors 110 ist im Wesentlichen senkrecht zu der oberen Oberfläche (flexible Membran 120) der mikrofluidischen Pumpenvorrichtung 130 angeordnet. Dies weicht von einem konventionellen System ab, in welchem eine längsgerichtete Achse des piezoelektrischen Aktors parallel zu der oberen Oberfläche der mikrofluidischen Vorrichtung ist, so dass sie im Wesentlichen flach auf der mikrofluidischen Vorrichtung liegt. Obwohl der piezoelektrische Aktor 110 dargestellt ist als eine im Wesentlichen rechteckige Form aufweisend, sollte es sich verstehen, dass eine Vielzahl von länglichen Formen, welche eine längsgerichtete Achse L aufweisen, eingebaut sein können, ohne von dem Umfang der vorliegenden Lehren abzuweichen.
Der piezoelektrische Aktor hat eine axiale Verschiebung entlang der längsgerichteten Achse L in Reaktion auf ein Anlegen einer Biasspannung. Zum Beispiel dehnt sich auf ein Anlegen der Biasspannung (z. B. 100 V) der piezoelektrische Aktor 110 von einer kontrahierten Position (dargestellt in 1A) in eine verlängerte Position (dargestellt in 1B) aus und zwingt die flexible Membran 120, sich nach unten zu biegen in die Pumpenkammer 140, um eine Distanz, welche der axialen Verschiebung mittels der Bosse 115 entspricht. Die Abwärtsbewegung der flexiblen Membran 120 komprimiert folglich die Pumpenkammer 140, so dass die Pumpenkammer 140 von einer expandierten Position (dargestellt in 1A) in eine komprimierte Position (dargestellt in 1B) übergeht. Die Bewegung von der expandierten Position in die komprimierte Position bewirkt, dass die Pumpenkammer 140 Fluid von der Auslassöffnung 132 ausstößt. Die Bosse 115 liefert einen Übergang von dem Querschnitt des piezoelektrischen Aktors 110 (z. B. rechteckig) zu einem kreisförmigen Gebiet, über welches Druck auf die flexible Membran 120 angelegt wird.
Ähnlich, wenn die Biasspannung reduziert wird (z. B. 0 Volt wird angelegt), was ein Entfernen der Biasspannung einschließt, kontrahiert der piezoelektrische Aktor 110 von der verlängerten Position (dargestellt in 1B) zu seiner anfänglichen kontrahierten Position (dargestellt in 1A), was es der flexiblen Membran 120 der mikrofluidischen Pumpenvorrichtung 130 erlaubt, sich gerade zu richten und sich aufwärts aus der Pumpenkammer 140 heraus zu bewegen. Die gerade richtende Bewegung der flexiblen Membran 120 expandiert folglich die Pumpenkammer 140, so dass die Pumpenkammer 140 von ihrer komprimierten Position (dargestellt in 1B) zu ihrer anfänglich expandierten Position (dargestellt in 1A) übergeht. Die Bewegung von der komprimierten Position zu der expandierten Position bewirkt, dass die Pumpenkammer 140 Fluid durch die Einlassöffnung 131 einsaugt. Das Anlegen der Biasspannung an den piezoelektrischen Aktor 110 wird in einer periodischen Weise wiederholt, um zu bewirken, dass die Pumpenkammer 140 alternierend expandiert und komprimiert, was bewirkt, dass Fluid eingesaugt wird und ausgestoßen wird durch die Einlassöffnung 131 bzw. die Auslassöffnung 132.
In der dargestellten anschaulichen Ausführungsform enthält die Fluidtransfervorrichtung 100 auch einen hochsteifen Aktor 150, welcher mit an dem piezoelektrischen Aktor 110 gekoppelt ist. Der hochsteife Aktor 150 kann ein langsamer Aktor mit niedriger Nachgiebigkeit sein, der konfiguriert ist zum Einstellen einer Position des piezoelektrischen Aktors bezüglich der mikrofluidischen Pumpenvorrichtung 130, z. B. um sicherzustellen, dass der piezoelektrische Aktor 110 korrekt positioniert ist bezüglich der mikrofluidischen Pumpenvorrichtung 130. Zusätzlich liefert der hochsteife Aktor 150 eine Barriere, die verhindert, dass der piezoelektrische Aktor 110 sich in einer Aufwärtsrichtung ausdehnt auf das Anlegen der Biasspannung, was bewirkt, dass die axiale Auslenkung in der Abwärtsrichtung auftritt, um die flexible Membran 120 effizienter zu biegen. Ähnlich dem piezoelektrischen Aktor 110 ist der hochsteife Aktor 150 extern zu der mikrofluidischen Pumpenvorrichtung 130, was es erlaubt, das mikrofluidische Teil einfach zu ersetzen. Der hochsteife Aktor 150 kann eingestellt sein, z. B., um jede langsame thermische Fehlausrichtung aufzunehmen, die zwischen dem piezoelektrischen Aktor 110 und der mikrofluidischen Pumpenvorrichtung 130 auftritt.
In dem dargestellten Beispiel ist der hochsteife Aktor 150 implementiert als ein einstellbarer Schraubenantrieb, der konfiguriert ist zum Einstellen der Position des piezoelektrischen Aktors 110 entlang der längsgerichteten Achse L durch entsprechendes Bewegen des Schraubenantriebs in Richtungen im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn. Der Schraubenantrieb kann realisiert sein durch Koppeln eines Rotationsmotors an eine einstellbare Schraube mit feiner Ganghöhe, z. B., wie beispielsweise einem Rotationsschrittmotor. Natürlich können andere Typen von hochsteifen Aktoren 150 eingebaut werden oder der hochsteife Aktor kann überhaupt weggelassen werden ohne von dem Umfang der vorliegenden Lehren abzuweichen. Andere Implementierungen des hochsteifen Aktors 150 enthalten beispielsweise einen pneumatischen Aktor, einen thermischen Aktor oder einen Keilantrieb.
2A und 2B sind Querschnittsdiagramme, welche eine Fluidtransfervorrichtung veranschaulichen, welche einen piezoelektrischen Aktor enthält, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
Bezug nehmend auf 2A und 2B enthält die Fluidtransfervorrichtung 200 einen piezoelektrischen Aktor 110, eine Bosse 115 und einen hochsteifen Aktor 150, welche zum Zwecke der Beschreibung als dieselben wie mit Bezug auf 1A und 1B beschrieben, angenommen werden. Die Fluidtransfervorrichtung 200 enthält ferner eine planare mikrofluidische Ventilvorrichtung 230, welche eine interne Ventilkammer 240, eine flexible Membran 220, eine Einlassöffnung 231 und eine Auslassöffnung 232 aufweist. Die mikrofluidische Ventilvorrichtung 230 enthält auch ein Ventil 245, welches innerhalb der Ventilkammer 240 gebildet ist durch den Betrieb der flexiblen Membran 220 und dem vorstehenden Teil 246 der Auslassöffnung 232. Wie detailliert unten beschrieben ist, wird die flexible Membran 220 von ihrer anfänglichen Position (dargestellt in 2A) nach unten gebogen (oder deformiert) in eine gebogene Position (dargestellt in 2B), um mechanisch den vorstehenden Teil 246 zu kontaktieren, was verhindert, dass Fluid in die Einlassöffnung 231 eintritt oder aus der Auslassöffnung 232 austritt und folglich das Ventil 245 wirksam schließt. Die flexible Membran 220 wird dann aufwärts geradegerichtet von der gebogenen Position in ihre anfängliche Position, was es einem Fluid erlaubt, in die Einlassöffnung 231 einzutreten und die Auslassöffnung 232 zu verlassen, was das Ventil 245 wirksam öffnet.
Jeder von dem piezoelektrischen Aktor 110, der Bosse 115 und dem hochsteifen Aktor 150 ist extern zu der mikrofluidischen Ventilvorrichtung 230, wie oben diskutiert. Zum Beispiel ist der piezoelektrische Aktor 110 extern gekoppelt, dadurch, dass er vollständig außerhalb der Ventilkammer 240 angeordnet ist und daher nicht in Kontakt ist mit dem Fluid, welches in der Ventilkammer 245 und/oder dem Ventil 245 enthalten ist oder hindurchgeht. Der piezoelektrische Aktor 110, die Bosse 115 und der hochsteife Aktor 150 können auch von der mikrofluidischen Ventilvorrichtung 230 abnehmbar sein.
Die mikrofluidische Ventilvorrichtung 230 kann aus einem widerstandsfähigen Material gebildet sein, wie beispielsweise rostfreiem Stahl oder einem anderen Metall. Alternativ kann die mikrofluidische Pumpenvorrichtung 230 aus einem anderen Material gebildet sein, wie beispielsweise Glas, Keramik, Silikon oder einem Polymer, wie beispielsweise Polyimid, Polycarbonat oder einem anderen Kunststoff, ohne von dem Umfang der vorliegenden Lehren abzuweichen. Ähnlich kann die flexible Membran 220 aus einem flexiblen Metall gebildet sein, wie beispielsweise rostfreiem Stahl. Alternativ kann die flexible Membran 220 aus einem anderen Material gebildet sein, wie beispielsweise Polymeren, Glas, Keramik und Metallen oder irgendeiner Kombination davon, ohne von dem Umfang der vorliegenden Lehren abzuweichen. Wie oben diskutiert, können in verschiedenen Ausführungsformen die internen Oberflächen der mikrofluidischen Pumpenvorrichtung 230 (z. B. Wände der Ventilkammer 240) mit einer nichtreaktiven Beschichtung, welche ein Polymer, Keramik, Glas, Metall oder eine Fluorpolymerbeschichtung enthalten kann, beschichtet sein, zum Beispiel.
Wie oben diskutiert, hat der piezoelektrische Aktor 110 eine axiale Auslenkung entlang einer längsgerichteten Achse L in Reaktion auf ein Anlegen einer Biasspannung (nicht dargestellt). Zum Beispiel dehnt sich der piezoelektrische Aktor 110 auf ein Anlegen der Biasspannung (z. B. 100 V) von einer kontrahierten Position (dargestellt in 2A) in eine verlängerte Position (dargestellt in 2B) aus, was die flexible Membran 220 der mikrofluidischen Ventilvorrichtung 230 dazu zwingt, sich abwärts in die Ventilkammer 240 zu biegen um eine Distanz, welche der axialen Verschiebung mittels der Bosse 115 entspricht. Wie oben angemerkt, bedeckt die flexible Membran 220 dadurch den vorstehenden Teil 246 der Auslassöffnung 232, was das Ventil 245 wirksam schließt (dargestellt in 2B). Ähnlich, wenn das Anlegen der Biasspannung reduziert wird (z. B. 0 V wird angelegt), kontrahiert der piezoelektrische Aktor 110 von der verlängerten Position (dargestellt in 2B) in seine anfängliche kontrahierte Position (dargestellt in 2A), was es der flexiblen Membran 220 der mikrofluidischen Ventilvorrichtung 230 erlaubt, sich nach oben aus der Ventilkammer 240 heraus zu bewegen. Die Aufwärtsbewegung der flexiblen Membran 220 expandiert folglich die Ventilkammer 240 und legt den vorstehenden Teil 246 frei, was das Ventil 245 wirksam öffnet (dargestellt in 2A). Ein Öffnen des Ventils 245 versetzt die Ventilkammer 242 in die Lage, Fluid durch die Einlassöffnung 231 einzusaugen. Das Anlegen der Biasspannung an den piezoelektrischen Aktor 110 wird in einer periodischen Weise wiederholt, um zu bewirken, dass das Ventil 245 alternierend öffnet und schließt, was es dem Fluid ermöglicht, eingesaugt und ausgestoßen zu werden durch die Einlassöffnung 231 bzw. die Auslassöffnung 232.
3 ist ein Querschnittsdiagramm, welches eine Mehrventil-Fluidtransfervorrichtung veranschaulicht, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.
Bezug nehmend auf 3 enthält eine Fluidtransfervorrichtung 300 eine Einlassventilvorrichtung 301, eine Pumpenvorrichtung 302 und eine Auslassventilvorrichtung 303, welche dargestellt sind als separate mikrofluidische Vorrichtungen in Fluidkommunikation miteinander durch die Fluidleitungen 306 bzw. 307. In der dargestellten Ausführungsform kann die Einlassventileinrichtung 301 im Wesentlichen dieselbe sein wie die Fluidtransfervorrichtung 200, die in 2A und 2B dargestellt ist, sein und die Pumpenvorrichtung 302 kann im Wesentlichen dieselbe sein wie die Fluidtransfervorrichtung 100, welche in 1A und 1B dargestellt ist. Die Auslassventilvorrichtung 303 kann ähnlich sein der Fluidtransfervorrichtung 200, die in 2A und 2B dargestellt ist, außer, dass die Einlassöffnung und die Auslassöffnung vertauscht sind, wie unten diskutiert ist. In einer alternativen Ausführungsform kann die Einlassventilvorrichtung 301, die Pumpenvorrichtung 302 und die Auslassventilvorrichtung 303 als eine einzige integrierte Einheit hergestellt sein, wovon ein Beispiel in 4A und 4B dargestellt ist.
Die Einlassventilvorrichtung 301 enthält einen ersten piezoelektrischen Aktor 311, welcher mechanisch gekoppelt ist mit einer flexiblen Membran 321 der mikrofluidischen Ventilvorrichtung 331 über eine Bosse 316 zum Betreiben des Einlassventils 346 in der Einlassventilkammer 341. Wie oben diskutiert, hat der erste piezoelektrische Aktor 311 einer erste axiale Auslenkung entlang seiner längsgerichteten Achse in Reaktion auf selektives Anlegen einer ersten Biasspannung (nicht dargestellt). Das heißt, das sequentielle Anlegen und Reduzieren (z. B. Entfernen) der ersten Biasspannung bewirkt, dass der piezoelektrische Aktor 311 sich entsprechend ausdehnt und kontrahiert, und die flexible Membran 321 der mikrofluidischen Ventilvorrichtung 331 biegt und gerade richtet um alternierend das Einlassventil 346 zu schließen und zu öffnen. Wenn es geschlossen ist, verhindert das Einlassventil 346 Fluid daran, eingesaugt zu werden in die Einlassöffnung 324, welche der Vorrichtungseinlassöffnung 361 der Fluidtransfervorrichtung 300 entspricht, oder ausgestoßen zu werden von der Auslassöffnung 325 durch Pressen der flexiblen Membran 321 gegen den vorstehenden Teil 347. Wenn es geöffnet ist, erlaubt das Einlassventil 346, dass Fluid eingesaugt wird zu der Einlassöffnung 324 und ausgestoßen wird von der Auslassöffnung 325.
Die Pumpenvorrichtung 302 enthält einen zweiten piezoelektrischen Aktor 312, welcher mechanisch mit der flexiblen Membran 322 der mikrofluidischen Pumpenvorrichtung 332 gekoppelt ist über eine Bosse 317 zum Betreiben der Pumpenkammer 342. Wie oben diskutiert, hat der zweite piezoelektrische Aktor 312 eine zweite axiale Auslenkung entlang seiner längsgerichteten Achse in Reaktion auf selektives Anlegen einer zweiten Biasspannung (nicht dargestellt). Das heißt, ein sequentielles Anlegen und Reduzieren (z. B. Entfernen) der zweiten Biasspannung bewirkt, dass der piezoelektrische Aktor 312 sich entsprechend ausdehnt und kontrahiert was bewirkt, dass die flexible Membran 322 der mikrofluidischen Ventilvorrichtung 332 sich biegt und geradegerichtet zum alternierenden Komprimieren und Expandieren der Pumpenkammer 342. Wenn sie komprimiert wird, stößt die Pumpenkammer 342 Fluid von der Auslassöffnung 327 aus, d. h. während das Einlassventil 346 (oben diskutiert) geschlossen ist, um zu verhindern, dass Fluid in die Einlassöffnung 326 eingesaugt wird, und das Auslassventil 348 (oben diskutiert) offen ist, um es dem Fluid zu erlauben, von der Auslassöffnung 327 ausgestoßen zu werden. Wenn sie expandiert wird, saugt die Pumpenkammer 342 Fluid durch die Einlassöffnung 326 ein, z. B. während das Auslassventil 348 (oben diskutiert) geschlossen ist, was verhindert, dass Fluid durch die Auslassöffnung 327 ausgestoßen wird, und das Einlassventil 346 (oben diskutiert) offen ist, um zu erlauben, dass Fluid durch die Einlassöffnung 326 eingesaugt wird.
Die Auslassventilvorrichtung 303 enthält einen dritten piezoelektrischen Aktor 313, welcher mechanisch an eine flexible Membran 323 der mikrofluidischen Ventilvorrichtung 333 gekoppelt ist über eine Bosse 318 zum Betreiben des Einlassventils 348 in der Einlassventilkammer 343. Wie oben diskutiert, hat der dritte piezoelektrische Aktor 313 eine dritte axiale Auslenkung entlang seiner längsgerichteten Achse in Reaktion auf selektives Anlegen einer dritten Biasspannung (nicht dargestellt). Das heißt, sequentielles Anlegen und Reduzieren (z. B. Entfernen) der dritten Biasspannung bewirkt, dass der piezoelektrische Aktor 313 sich entsprechend ausdehnt und kontrahiert und die flexible Membran 323 der mikrofluidischen Ventilvorrichtung 333 biegt und gerade richtet, um alternierend das Auslassventil 348 zu schließen und zu öffnen. Wenn es geschlossen ist, verhindert das Auslassventil 348, dass Fluid zu der Einlassöffnung 328 eingesaugt wird oder ausgestoßen wird von der Auslassöffnung 329, welche der Vorrichtungsauslassöffnung 362 der Fluidtransfervorrichtung 300 entspricht, durch Drücken der flexiblen Membran 323 gegen einen vorstehenden Teil 349. Wenn es geöffnet ist, ermöglicht das Auslassventil 348, dass Fluid zu der Einlassöffnung 328 eingesaugt wird und von der Auslassöffnung 329 ausgestoßen wird.
Die Einlassventilvorrichtung 301, die Pumpenvorrichtung 302 und die Auslassventilvorrichtung 303 enthalten hochsteife Aktoren 351, 352 bzw. 353, welche mit dem entsprechenden ersten, zweiten und dritten piezoelektrischen Aktoren 311, 312 und 313 gekoppelt sind. Jeder von den hochsteifen Aktoren 351, 352 und 353 kann ein langsamer Aktor mit niedriger Nachgiebigkeit sein, der konfiguriert ist zum Einstellen einer Position der ersten, zweiten und dritten piezoelektrischen Aktoren 311, 312 und 313, wie oben diskutiert mit Bezug auf den hochsteifen Aktor 115 in 1A bis 2B. In dem dargestellten Beispiel sind die hochsteifen Aktoren 351, 352 und 353 implementiert als einstellbare Schraubenantriebe, konfiguriert zum Einstellen der Position des ersten, zweiten und dritten piezoelektrischen Aktors 311, 312 und 313 entlang der entsprechenden längsgerichteten Achsen durch Bewegen des Schraubenantriebs in entsprechenden Richtungen im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn.
Der Betrieb der Einlassventilvorrichtung 301 und der Auslassventilvorrichtung 303 ist koordiniert mit dem Betrieb der Pumpenvorrichtung 302, um eine Bewegung von Fluid von der Vorrichtungseinlassöffnung 361 zu der Vorrichtungsauslassöffnung 362 durch die Fluidtransfervorrichtung 300 zu ermöglichen. Zum Beispiel werden, wie oben beschrieben, um Fluid von der Vorrichtungsauslassöffnung 362 auszustoßen, die erste und zweite Biasspannung an den ersten bzw. zweiten piezoelektrischen Aktor 311 bzw. 312 angelegt, bewirkend, dass das Einlassventil 346 der Einlassventilvorrichtung schließt und bewirkend, dass die Pumpenkammer 342 der Pumpenvorrichtung 302 komprimiert. Zur selben Zeit wird die dritte Biasspannung zu dem dritten piezoelektrischen Aktor 313 reduziert (z. B. 0 Volt wird angelegt), bewirkend, dass das Auslassventil 348 der Auslassventilvorrichtung 303 öffnet, was es dem Fluid in der Pumpenkammer 342 ermöglicht, durch die Vorrichtungsauslassöffnung 362 über die Auslassöffnung 327 auszutreten. Um Fluid zu der Vorrichtungseinlassöffnung 361 einzusaugen, wird die erste und zweite Biasspannung zu dem ersten bzw. zweiten piezoelektrischen Aktor 311 bzw. 312 reduziert (z. B. 0 V wird angelegt), bewirkend, dass das Auslassventil 346 der Einlassventilvorrichtung 301 öffnet und bewirkend, dass die Pumpenkammer 342 der Pumpenvorrichtung 302 expandiert. Zur selben Zeit wird die dritte Biasspannung an den dritten piezoelektrischen Aktor 313 angelegt, bewirkend, dass das Auslassventil 348 der Auslassventilvorrichtung 303 schließt, was es dem Fluid ermöglicht, in die Pumpenkammer 342 durch die Vorrichtungseinlassöffnung 361 über die Einlassöffnung 326 eingesaugt zu werden.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Timing des Anlegens und der Reduktion (z. B. des Entfernens) der ersten, zweiten und dritten Biasspannung gesteuert werden durch eine Steuervorrichtung (nicht dargestellt), wie beispielsweise einen Prozessor oder eine Zentralprozessiereinheit (central processing unit, CPU), anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (application specific integrated circuits, ASICs), feldprogrammierbare Gate-Arrays (field programmable gate arrays, FPGAs) oder Kombinationen davon, unter Verwendung von Software, Firmware, hartverdrahteten Logikschaltungen, oder Kombinationen davon. Wenn ein Prozessor oder eine CPU verwendet wird, wird ein Speicher (nicht dargestellt) hinzugefügt zum Speichern von ausführbarer Software/Firmware und/oder ausführbarem Code, welcher Signale von der Steuervorrichtung zu dem ersten, zweiten und dritten Aktor 311–313 steuert. Der Speicher kann jede Anzahl, Typ und Kombination von nichtflüchtigem Nurlesespeicher (read only memory, ROM) und flüchtigem Direktzugriffsspeicher (volatile random access memory, RAM) sein und kann verschiedene Typen von Informationen speichern, wie beispielsweise Computerprogramme und Software-Algorithmen, welche von dem Prozessor oder der CPU ausführbar sind. Der Speicher kann jede Anzahl, Typ und Kombination von materiellem Computer lesbaren Speichermedium sein, wie beispielsweise einem Plattenlaufwerk, einem elektrisch programmierbaren Nurlesespeicher (electrically programmable read only memory, EPROM); einem elektrisch löschbaren und programmierbaren Nurlesespeicher (electrically eraseable and programmable read only memory, EEPROM), einer CD, einer DVD, einem universellen seriellen Bus (universal serial bus, USB), Laufwerk und dergleichen. Die erste, zweite und dritte Biasspannung kann von derselben oder von verschiedenen Spannungsquellen sein und/oder kann dieselbe sein oder verschieden voneinander sein, abhängig von der Charakteristik des entsprechenden von dem ersten, zweiten und dritten Aktor 311–313, wie dies einem Fachmann offenkundig sein wird.
In verschiedenen Ausführungsformen ist die Auslenkung von jedem von dem ersten, dem zweiten und dem dritten piezoelektrischen Aktor 311, 312 und 313 limitiert auf weniger als ungefähr 100 μm und kann weniger als ungefähr 10 μm in verschiedenen Konfigurationen sein. Das Fluidvolumen, das von der Vorrichtungsauslassöffnung 362 bei jedem Pumpenhub ausgestoßen wird, ist daher relativ klein, typischerweise in der Größenordnung von ungefähr 20 Nanoliter, zum Beispiel. Jedoch ist der erste, zweite und dritte piezoelektrische Aktor 311, 312, 313 in der Lage, bei relativ hohen Frequenzen zu arbeiten, z. B. von ungefähr 10 Zyklen/s bis ungefähr 10.000 Zyklen/s, was eine Fluidströmung über ungefähr 10 μL/min erlaubt.
4A und 4B sind Querschnittsdiagramme, welche eine Mehrventil-, integrierte Fluidtransfervorrichtung beschreiben, die als eine einzige Einheit ausgebildet ist, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform. Insbesondere 4B zeigt die Querschnittsansicht von 4A entlang der Linie A-A'.
Bezug nehmend auf 4A enthält die Fluidtransfervorrichtung 400 eine Einlassventilvorrichtung 401, eine Pumpenvorrichtung 402 und eine Auslassventilvorrichtung 403, welche eine integrierte, planare mikrofluidische Vorrichtung 410 teilen. Das heißt, in der dargestellten Ausführungsform sind die Einlassventilkammer 441, die Pumpenkammer 442 und die Auslassventilkammer hergestellt als separate Gebiete in der einzigen mikrofluidischen Vorrichtung 410. Die mikrofluidische Vorrichtung 410 enthält drei separate Schichten oder Platten, welche als Membranplatte 420, Mündungsplatte 430 und Verbindungsplatte 440 bezeichnet werden, von denen jede auf einer oder beiden Seiten strukturiert sein kann, z. B. unter Verwendung von elektrochemischen Ätzen. Die strukturierte Membranplatte 420, die Mündungsplatte 430 und die Verbindungsplatte 440 sind ausgerichtet und miteinander verbunden, um die verschiedenen Merkmale der integrierten Fluidtransfervorrichtung 400 zu erzeugen, einschließlich der Vorrichtungseinlassöffnung 461, der Einlassventilkammer 441, der Pumpenkammer 442, der Auslassventilkammer 443 und der Vorrichtungsauslassöffnung 462, wie auch der Einlass- und Auslassöffnung 424–429 und Fluidleitungen 404–408, welche eine Fluidkommunikation der Vorrichtungseinlassöffnung 461, der Einlassventilkammer 441, der Pumpenkammer 442, der Auslassventilkammer 443 und der Vorrichtungsauslassöffnung 462 untereinander erlauben.
Die Einlassventilkammer 441 und die Auslassventilkammer 443 enthalten ein entsprechendes Einlassventil 446 und Auslassventil 448, welche durch Biegen und Geraderichten von ersten und dritten flexiblen Gebieten 421 und 423 der Membranplatte 420 arbeiten durch Betreiben des ersten und dritten piezoelektrischen Aktors 411 bzw. 413. Ähnlich arbeitet die Pumpenkammer 442 durch Biegen und Geraderichten eines zweiten flexiblen Gebietes 422 der Membranplatte 420 durch Betreiben des zweiten piezoelektrischen Aktors 412. Die Membranplatte 420, die Mündungsplatte 430 und die Verbindungsplatte 440 können aus Metall oder anderem flexiblen Material gebildet sein, wie beispielsweise aus Bögen von rostfreiem Stahl, zum Beispiel. Wenn Metall verwendet wird, können die Membranplatte 420, die Mündungsplatte 430 und die Verbindungsplatte 440 ausgerichtet und zusammengeschmolzen werden unter Verwendung von Hochtemperatur-Metalldiffusionsbonding.
Wie in 4B dargestellt, können das erste, zweite und dritte flexible Gebiet 421, 422 und 423 in der Form kreisförmig sein. Hervorstehende Teile 447 und 449 können auf ähnliche Weise kreisförmig in der Form sein und sind zentriert innerhalb des ersten und dritten flexiblen Gebiets 421 bzw. 423. Die ersten, zweiten und dritten flexiblen Gebiete 421, 422 und 423 können von derselben Größe sein, aufweisend Durchmesser von ungefähr 1,0 mm bis 10 mm, z. B., und insbesondere von ungefähr 4,0 mm bis ungefähr 5,0 mm. In alternativen Konfigurationen können die ersten, zweiten und dritten flexiblen Gebiete 421, 422 und 423 andere Formen als Kreise haben und/oder können voneinander verschiedene Größen haben, ohne von dem Umfang der vorliegenden Lehren abzuweichen.
Insbesondere enthält die Einlassventilvorrichtung 401 den ersten piezoelektrischen Aktor 411, der an das erste flexible Gebiet 421 der Membranplatte 420 über eine Bosse 416 mechanisch gekoppelt ist zum Betreiben des Einlassventils 446 in der Einlassventilkammer 441. Wie oben diskutiert, hat der erste piezoelektrische Aktor 411 eine erste axiale Auslenkung entlang seiner längsgerichteten Achse in Reaktion auf selektives Anlegen einer ersten Biasspannung (nicht dargestellt), so dass ein sequentielles Anlegen und Reduzieren (z. B. Entfernen) der ersten Biasspannung bewirkt, dass der piezoelektrische Aktor 411 sich entsprechend ausdehnt und kontrahiert, und das erste flexible Gebiet 421 biegt und gerade richtet, um alternierend das Einlassventil 446 zu schließen und zu öffnen. Wenn es geschlossen ist, verhindert das Einlassventil 446 dass Fluid in die Einlassöffnung 421 (welche mit der Vorrichtungseinlassöffnung 461 über die Leitung 405 verbunden ist) eingesaugt zu werden oder von der Auslassöffnung 425 ausgestoßen zu werden durch Drücken des ersten flexiblen Teils 421 gegen den vorstehenden Teil 447. Wenn es geöffnet ist, erlaubt das Einlassventil 446 dem Fluid, zu der Einlassöffnung 424 eingesaugt zu werden, und von der Auslassöffnung 425 ausgestoßen zu werden.
Die Pumpenvorrichtung 402 enthält den zweiten piezoelektrischen Aktor 412, welcher mechanisch an das zweite flexible Gebiet 422 der Membranplatte 420 über eine Bosse 417 mechanisch gekoppelt ist zum Betreiben der Pumpkammer 442. Wie oben diskutiert, hat der zweite piezoelektrische Aktor 412 eine zweite axiale Auslenkung entlang seiner längsgerichteten Achse in Reaktion auf ein selektives Anlegen einer zweiten Biasspannung (nicht dargestellt), so dass das sequentielle Anlegen und Reduzieren (z. B. Entfernen) der zweiten Biasspannung bewirkt, dass der piezoelektrische Aktor 412 sich entsprechend ausdehnt und kontrahiert und den zweiten flexiblen Teil 422 biegt und gerade richtet, um alternierend die Pumpenkammer 442 zu komprimieren und zu expandieren. Wenn sie komprimiert wird, stößt die Pumpenkammer 442 Fluid von der Auslassöffnung 427 aus, z. B. während das Einlassventil 446 (oben diskutiert) geschlossen ist, um zu verhindern, dass das Fluid in die Einlassöffnung 426 eingesaugt wird, und das Auslassventil 448 (oben diskutiert) offen ist, um zu erlauben, dass das Fluid von der Auslassöffnung 427 ausgestoßen wird. Wenn sie expandiert wird, saugt die Pumpenkammer 442 Fluid durch die Einlassöffnung 426 ein, z. B. während das Auslassventil 448 (unten diskutiert) geschlossen ist, was verhindert, dass Fluid durch die Auslassöffnung 427 ausgestoßen wird, und das Einlassventil 446 (oben diskutiert) offen ist, um es dem Fluid zu erlauben, durch die Einlassöffnung 426 eingesaugt zu werden.
Die Auslassventilvorrichtung 403 enthält den dritten piezoelektrischen Aktor 413, welcher mechanisch mit dem dritten flexiblen Teil 423 der Membranplatte 420 gekoppelt ist über eine Bosse 418 zum Betreiben des Einlassventils 448 in der Einlassventilkammer 443. Wie oben diskutiert, hat der dritte piezoelektrische Aktor 413 eine dritte axiale Auslenkung entlang seiner längsgerichteten Achse in Reaktion auf ein selektives Anlegen einer dritten Biasspannung (nicht dargestellt), so dass ein sequentielles Anlegen und Reduzieren (z. B. Entfernen) der dritten Biasspannung bewirkt, dass der piezoelektrische Aktor 413 sich entsprechend ausdehnt und kontrahiert und den dritten flexiblen Teil 423 biegt und gerade richtet, um alternierend das Auslassventil 448 zu schließen und zu öffnen. Wenn es geschlossen ist, verhindert das Auslassventil 448 das Fluid daran zu der Einlassöffnung 428 eingesaugt zu werden oder von der Auslassöffnung 429 (welche verbunden ist mit der Vorrichtungsauslassöffnung 462 über die Leitung 408) ausgestoßen zu werden, durch Drücken des dritten flexiblen Teils 423 gegen den vorstehenden Teil 449. Wenn es geöffnet ist, ermöglicht das Auslassventil 448 es dem Fluid, zu der Einlassöffnung 428 eingesaugt zu werden und von der Auslassöffnung 429 ausgestoßen zu werden.
Die Einlassventilvorrichtung 401, die Pumpenvorrichtung 402 und die Auslassventilvorrichtung 403 enthalten hochsteife Aktoren 451, 452 bzw. 453, welche mit dem entsprechenden ersten, zweiten und dritten piezoelektrischen Aktor 411, 412 und 413 gekoppelt sind. Jeder von den hochsteifen Aktoren 451, 452 und 453 kann ein langsamer Aktor mit niedriger Nachgiebigkeit sein, der konfiguriert ist zum Einstellen einer Position von dem entsprechenden ersten, zweiten und dritten piezoelektrischen Aktor 411, 412 und 413, wie oben mit Bezug auf den hochsteifen Aktor 150 in 1A bis 2B diskutiert. In den dargestellten Beispielen sind die hochsteifen Aktoren 451, 452 und 453 implementiert als einstellbare Schraubenantriebe, die konfiguriert sind zum Einstellen der Position des ersten, zweiten und dritten piezoelektrischen Aktors 411, 412 und 413 entlang der entsprechenden längsgerichteten Achse durch entsprechendes Bewegen des Schraubenantriebs in Richtungen im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn.
Der Betrieb der Einlassventilvorrichtung 401 und der Auslassventilvorrichtung 403 sind koordiniert mit dem Betrieb der Pumpenvorrichtung 402 durch eine Steuervorrichtung (nicht dargestellt) zum Ermöglichen einer Bewegung von Fluid von der Vorrichtungseinlassöffnung 461 zu der Vorrichtungsauslassöffnung 462 durch die Fluidtransfervorrichtung 400, im Wesentlichen dasselbe wie oben beschrieben mit Bezug auf die Fluidtransfervorrichtung 300, dargestellt in 3. Daher werden die spezifischen Details betreffend die Struktur und/oder den Betrieb des Controllers (und des zugehörigen Speichers) nicht wiederholt. Eine Mikropumpe, die als Fluidtransfervorrichtung 400 konfiguriert ist, kann zum Beispiel Druck von ungefähr 50 Bar bis über ungefähr 1000 Bar erzeugen.
Eine gesamte Nachgiebigkeit der Fluidtransfervorrichtung 400 wird, teilweise bestimmt durch die Menge an Fluid, die von den Ventilöffnungen, z. B. der Auslassöffnung 425 des Einlassventils 446 und der Einlassöffnung 428 des Auslassventils 448 transferiert wird. Die Einlass- und Auslassventile 446 und 448 haben auch fluidische Verbindungen, z. B. Einlassöffnung 424 und Auslassöffnung 429, welche an die Einlass- und Auslassventilkammern 441 bzw. 443 koppeln. Um die Menge an heraus geschlepptem Fluid zu reduzieren, ist die Pumpenkammer 442 mit beiden, der Auslassöffnung 425 des Einlassventils 446 (über die Leitung 406) und der Einlassöffnung 428 des Auslassventils 448 (über die Leitung 407) verbunden. Auf diese Weise spielt das Fluid, welches in den Einlass- und Auslassventilkammern 441 und 443 enthalten ist, keine Rolle in dem Bestimmen der gesamten Nachgiebigkeit der Fluidtransfervorrichtung 400. In einer anschaulichen Konfiguration kann die Tiefe der Pumpenkammer 442 in der Größenordnung von ungefähr 10 μm bis ungefähr 100 μm sein, z. B., zum Reduzieren des entsprechenden Kammervolumens. Für Anwendungen, in welchen die Nachgiebigkeit der Fluidtransfervorrichtung 400 nicht kritisch ist, kann die Tiefe der Pumpenkammer 442 größer sein und/oder die Pumpenkammer 442 kann mit der Vorrichtungseinlassöffnung 461 oder der Vorrichtungsauslassöffnung 462 außerhalb der entsprechenden Auslassöffnung 425 und Einlassöffnung 428 verbunden sein.
5A und 5B sind Querschnittsdiagramme, welche Mehrventil planare mikrofluidische Vorrichtungen von integrierten Fluidtransferbaugruppen veranschaulichen, gemäß repräsentativen Ausführungsformen. Genauer zeigt 5A einen Querschnitt einer planaren mikrofluidischen Vorrichtung 510a und 5B zeigt einen Querschnitt einer planaren mikrofluidischen Vorrichtung 510b, von denen jede eine Membranplatte 420 aufweist, die entfernbar ist über eine Dichtungsschicht, wie unten diskutiert.
Bezug nehmend auf 5A enthält die planare mikrofluidische Vorrichtung 510a die Membranplatte 420, die Mündungsplatte 430 und die Verbindungsplatte 440, welche strukturiert, ausgerichtet und miteinander verbunden werden zum Erzeugen der verschiedenen Merkmale einer integrierten Fluidtransfervorrichtung, wie oben diskutiert mit Bezug auf die Fluidtransfervorrichtung 400 und der entsprechenden planaren mikrofluidischen Vorrichtung 410 in 4A und 4B. Zusätzlich ist eine Bodenoberfläche der Membranplatte 420 entfernbar verbunden mit einer oberen Oberfläche der Mündungsplatte 430 durch eine Dichtungsschicht, welche eine Reihe von O-Ringen enthält, einschließlich eines ersten O-Rings 571, eines zweiten O-Rings 572 und eines dritten O-Rings 573. Der erste O-Ring 571 umgibt das erste flexible Gebiet 421 zum Dichten des Umfangs der Einlassventilkammer 441, der zweite O-Ring 572 umgibt das zweite flexible Gebiet 422 zum Dichten des Umfangs der Pumpenkammer 442 und der dritte O-Ring 573 umgibt das dritte flexible Gebiet 423 zum Dichten des Umfangs der Auslassventilkammer 443. Jeder von dem ersten, dem zweiten und dem dritten O-Ring 571–573 kann gebildet sein aus einem nachgiebigen Polymer, wie beispielsweise Viton^®, PTFE, Kalrez^®, zum Beispiel. Folglich sind die entsprechenden Dichtungen gebildet durch Komprimieren der Membranplatte 420 gegen den ersten, zweiten und dritten O-Ring 571–573, was es ermöglicht, dass die Membranplatte 420 zu der Mündungsplatte 430 gut gedichtet ist. Ansonsten ist die Bildung und der Betrieb der planaren mikrofluidischen Vorrichtung 510a im Wesentlichen dasselbe wie oben diskutiert wurde mit Bezug auf die planare mikrofluidische Vorrichtung 410.
Ähnlich, Bezug nehmend auf 5B, enthält die planare mikrofluidische Vorrichtung 510b die Membranplatte 420, die Mündungsplatte 430 und die Verbindungsplatte 440, welche strukturiert, ausgerichtet und miteinander verbunden sind zum Erzeugen der verschiedenen Merkmale einer integrierten Fluidtransfervorrichtung, wie oben beschrieben wird mit Bezug auf die Fluidtransfervorrichtung 400 und die entsprechende planare mikrofluidische Vorrichtung 410 von 4A und 4B. Zusätzlich ist eine Bodenoberfläche der Membranplatte 420 entfernbar verbunden mit einer oberen Oberfläche der Mündungsplatte 430 durch eine Dichtungsschicht, welche eine Dichtungsmembran 570 enthält, die gebildet sein kann aus einem Polymer, wie beispielsweise Polyimid, PEEK, PAEK, oder Vespel^®, zum Beispiel. Folglich sind die Dichtungen, welche die Einlassventilkammer 441, die Pumpenkammer 442 und die Auslassventil 443 umgeben, gebildet durch Komprimieren der Membranplatte 420 gegen die Dichtungsmembran 570, was es ermöglicht, dass die Membranplatte 420 zu der Mündungsplatte 430 gut gedichtet ist. Ansonsten ist die Bildung und der Betrieb der planaren mikrofluidischen Vorrichtung 510b im Wesentlichen dasselbe wie oben diskutiert wird mit Bezug auf die planare mikrofluidische Vorrichtung 410.
6 ist ein Querschnittsdiagramm, welches eine betätigende Vorrichtung veranschaulicht, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform. Zum Beispiel enthält die betätigende Vorrichtung einen piezoelektrischen Aktor und einen hochsteifen Aktor zum Treiben einer planaren mikrofluidischen Vorrichtung, wobei der piezoelektrische Aktor und der hochsteife Aktor, die in 6 dargestellt sind, detaillierte Konfigurationen des piezoelektrischen Aktors 110 und des hochsteifen Aktors 150 sein können, die oben diskutiert wurden mit Bezug auf 1 bis 2, des ersten, zweiten und dritten piezoelektrischen Aktors 311–313 und des ersten, zweiten und dritten hochsteifen Aktors 351–353 diskutiert oben mit Bezug auf 3 und/oder des ersten, zweiten und dritten piezoelektrischen Aktors 411–413 und des ersten, zweiten und dritten hochsteifen Aktors 451–453 diskutiert oben mit Bezug auf die 4A und 4B.
Bezug nehmend auf 6 enthält eine Betätigungsvorrichtung 600 eine anschauliche hochsteife Aktorbaugruppe 650 und eine anschauliche piezoelektrische Aktorbaugruppe 610. In der dargestellten Ausführungsform ist die hochsteife Aktorbaugruppe 650 ein Schraubenantrieb, z. B. enthaltend einen Rotationsmotor 652, welcher an einem Rahmen 680 befestigt ist und gekoppelt ist mit einer Einstellschraube 654 mit feiner Ganghöhe (z. B. M3, 0,2 mm Ganghöhe), durch eine Zugentlastung 656. Die Zugentlastung 656 nimmt z. B. eine Fehlausrichtung des Rotationsmotors 652 und der Einstellschraube 654 auf. Die Einstellschraube ist durch den Rahmen 680 geschraubt und kann gegen die Gewinde vorbelastet sein mit einer Schraubenvorlast 658, die schematisch als Feder dargestellt ist. Eine erste Kugellageroberfläche 659 ist gearbeitet oder gebondet an einem distalen Ende der Einstellschraube 654. Wenn die Einstellschraube 654 ausgefahren wird, sitzt die erste Kugellageroberfläche 659 in einem ersten zusammenpassenden Sockel 671 der piezoelektrischen Aktorbaugruppe 610 und überträgt folglich die Auslenkung der Einstellschraube 654 auf die piezoelektrische Baugruppe 610.
Der erste Gegensockel 671 ist an einer ersten Trägerplatte 672 befestigt, die frei ist, sich in Längs(vertikaler)-Richtung relativ zu dem Rahmen 680 zu bewegen. Jedoch ist die erste Trägerplatte 672 lateral eingeschränkt, so dass sie nicht in der Lage ist zu rotieren, z. B. um eine längsgerichtete Achse des piezoelektrischen Aktors 611, wie unten diskutiert. Entsprechend wird, wenn die Einstellschraube 654 rotiert, in einer Richtung im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn, das zugehörige Drehmoment von der ersten Trägerplatte 672 aufgenommen und wird nicht in den piezoelektrischen Aktor 611 gekoppelt. Zum Beispiel kann der piezoelektrische Aktor 611 aus gesintertem(n) Material(ien) gebildet sein und wäre folglich anfällig für einen Bruch, wenn er einer Drehung oder einem Zug ausgesetzt wird durch den Betrieb der Einstellschraube 654. Die erste Trägerplatte 672 ist mit dem Rahmen 680 durch einen ersten Federträger 682 verbunden, schematisch dargestellt als zwei Federn auf jeder Seite der ersten Trägerplatte 672. Der erste Federträger 682 zieht die erste Trägerplatte 672 und den befestigten zweiten Gegensockel 673 in Kontakt mit einer zweiten Kugellageroberfläche 674, die an ein Ende des piezoelektrischen Aktors 611 befestigt ist.
Der piezoelektrische Aktor 611 ist wirksam der Kern der Betätigungsvorrichtung 600. Der piezoelektrische Aktor 611 kann jeder von einer Vielzahl von Piezoaktoren sein, entweder eingelassen oder blank, gebildet von irgendeinem von einer Vielzahl von piezoelektrischen Materialien. Zum Beispiel kann der piezoelektrische Aktor 611 ein gestapelter piezoelektrischer Aktor sein, wie beispielsweise der piezoelektrische Aktor AE0505D16F, erhältlich von Thorlabs, oder eine piezoelektrische Röhre, wie beispielsweise der PiezoröhrenAktor PT-120, erhältlich von Physik Instrumente, obwohl andere Typen von piezoelektrischen Aktoren eingebaut werden können, ohne von dem Umfang der vorliegenden Lehren abzuweichen. In 6 ist der piezoelektrische Aktor dargestellt mit einem Dehnungsmesser 612. Der Widerstand des Dehnungsmessers 612 ändert sich, wenn der piezoelektrische Aktor 611 sich ausdehnt auf das Anlegen einer Spannung über erste und zweite Spannungsleitungen 615 und 616 oder kontrahiert auf eine Reduktion der Spannung von den ersten und zweiten Spannungsleitungen 615 und 616. Der Dehnungsmessers 612 ist schematisch dargestellt, wobei ein konstanter Strom durch die erste Dehnungsmesserleitung 616 angelegt werden kann und der Dehnungsmesserwiderstand überwacht werden kann durch Messen der Spannung, die zwischen der ersten Dehnungsmesserleitung 613 und der zweiten Dehnungsmesserleitung 614 induziert wird. In einer Ausführungsform kann der Dehnungsmesser 612 in einer Widerstandsbrücke angeordnet sein, z. B. mit zwei aktiven Sensoren und zwei Dummy-Widerständen.
Da sehr wenig Drehmoment an den piezoelektrischen Aktor 611 angelegt werden sollte, wird ein mechanischer Kontakt hergestellt mit dem piezoelektrischen Aktor 611 durch die zweite Kugellageroberfläche 674, die an einem Ende des piezoelektrischen Aktors 611 befestigt ist, wie oben diskutiert, und eine dritte Kugellageroberfläche 675, die an dem entgegen gesetzten Ende des piezoelektrischen Aktors 611 befestigt ist. Die dritte Kugellageroberfläche 675 kontaktiert einen dritten Gegensockel 676, welcher an der zweiten Trägerplatte 677 befestigt ist. Die zweite Trägerplatte 677 kann mit dem Rahmen 680 verbunden sein durch einen zweiten Federträger 684, der schematisch dargestellt ist als zwei Federn auf jeder Seite der zweiten Trägerplatte 677. Folglich erlaubt, wenn die Einstellschraube 654 zurückgezogen wird, der erste Federträger 682 und der zweite Federträger 684 dem piezoelektrischen Aktor 611, sich frei in der longitudinalen (vertikalen) Richtung zu bewegen, was besonders signifikant ist, wenn eine entsprechende mikrofluidische Vorrichtung (nicht dargestellt in 6) entweder entfernt oder eingesetzt wird. Beispiele der entsprechenden mikrofluidischen Vorrichtung enthalten mikrofluidische Pumpenvorrichtungen 130 und 333, dargestellt in 1A, 1B und 3; mikrofluidische Ventilvorrichtungen 230, 331 und 333, dargestellt in 2A, 2B und 3; und integrierte mikrofluidische Vorrichtungen 410, 510a und 510b, dargestellt in 4A, 4B, 5A und 5B, wie oben diskutiert. Die Positionen des ersten Federträgers 682 und/oder des zweiten Federträgers 684 kann gewählt sein, so dass ein vierter Gegensockel 679 leicht (z. B. einige Newton an Kraft) gegen eine Membran oder einen Lagerträger, montiert auf der Membran der entsprechenden mikrofluidischen Vorrichtung, die an der piezoelektrischen Aktorbaugruppe 610 befestigt ist, gedrückt wird.
Der Dehnungsmesser 612 kann z. B. zwei Zwecken dienen. Erstens überwacht der Dehnungsmesser 612 die Ausdehnung des piezoelektrischen Aktors 610 und erlaubt, dass der piezoelektrische Aktor 610 sich akkurat bewegt. Dies ist hilfreich dadurch, dass der piezoelektrische Aktor 610, insbesondere wenn er implementiert ist als ein stapelpiezoelektrischer Aktor 610, erhebliches Kriechen und Hysterese mit der angelegten Spannung zeigen kann. Aus diesem Grund, um präzise das Fluid, welches von der entsprechenden mikrofluidischen Vorrichtung ausgestoßen wird, abzumessen, ist es notwendig, die physikalische Auslenkung des piezoelektrischen Aktors 610 zu messen und eine Steuerschleife um die Spannung zu platzieren, die an dem piezoelektrischen Aktor 610 angelegt ist. Wenn eine Biasspannung in der Größenordnung von z. B. ungefähr 100 V über die ersten und zweiten Spannungsleitungen 615 und 616 angelegt wird, wird sich der piezoelektrische Aktor 610 um einige Mikrometer verlängern. Zum Beispiel, wenn der piezoelektrische Aktor 610 implementiert ist als ein piezoelektrischer Aktor AE0505D16F, wie oben erwähnt, bewirkt ein Anlegen von 100 V, dass sich der piezoelektrische Aktor 610 um ungefähr 12 μm ausdehnt. Während ein wesentlicher Teil dieser 12 μm Auslenkung gleichzeitig mit der angelegten Spannung auftritt, wird es einige Mikrometer von zusätzlicher Auslenkung geben, die über den Zeitraum von Minuten auftreten, da der piezoelektrische Aktor 610 fortfährt zu „kriechen”.
Zweitens liefert der Dehnungsmesser 612 eine Rückkopplung an den Rotationsmotor 652, zum Beispiel durch eine Steuervorrichtung (nicht dargestellt) zum Positionieren der Einstellschraube 654. Zum Beispiel wird, wenn eine entsprechende mikrofluidische Vorrichtung unter den piezoelektrischen Aktor 610 angesetzt wird, eine kleine zusätzliche Kraft auf den piezoelektrischen Aktor 610 aufgebracht, welche detektierbar ist als kleine Kompression des piezoelektrischen Aktors 610. Die erste Kugellageroberfläche 659, die an der Einstellschraube 654 befestigt ist, ist in dieser Phase nicht in Kontakt mit dem ersten Gegensockel 671. Wenn es gewünscht wird, die entsprechende mikrofluidische Vorrichtung zu betätigen, wird der Rotationsmotor 652 angetrieben und ein Widerstandssignal des Dehnungsmessers 612 wird überwacht. Bis die erste Kugellageroberfläche 659 den ersten Gegensockel 671 kontaktiert, wird es keine Widerstandsänderung geben. Jedoch, wenn ein Kontakt hergestellt wird, wird die Einstellschraube 654 den piezoelektrischen Aktor 611 komprimieren und nach unten drücken auf die Membran der entsprechenden mikrofluidischen Vorrichtung. Die Kompression des piezoelektrischen Aktors 611 wird von dem Dehnungsmesser 612 detektiert als eine Abnahme im Widerstand. Folglich kann ein Widerstands-Sollwert des Dehnungsmessers 612 verwendet werden zum Bestimmen der geeigneten Vorlast von der Einstellschraube 654.
In einem Überwachen der Kompression des piezoelektrischen Aktors 611 bei Null angelegten Bias, kann der Dehnungsmesser 612 auch verwendet werden zum Überwachen einer thermischen Drift, die auftreten kann. Da der piezoelektrische Aktor 611 einige Zentimeter lang sein kann, kann eine Temperaturänderung von einigen Grad bewirken, dass das distale Ende des piezoelektrischen Aktors 611 sich um einige Mikrometer verschiebt, im Betrag ähnlich zu der Auslenkung des piezoelektrischen Aktors 611. Der Motor 652 kann diese thermische Drift kompensieren durch Sicherstellen, dass das Signal des Dehnungsmesser 612 bei Null angelegtem Bias konstant bleibt. In verschiedenen Ausführungsformen kann ein Betrieb und/oder eine Überwachung des Rotationsmotors 652, des Dehnungsmessers 612 und einer Spannungsquelle (nicht dargestellt), die mit den ersten und zweiten Spannungsleitungen 615 und 616 verbunden ist, von einer Steuervorrichtung (nicht dargestellt) durchgeführt werden. Die Steuervorrichtung kann einen Prozessor enthalten oder eine CPU, ASICs, FPGAs, oder Kombination davon, unter Verwendung von Software, Firmware, hartverdrahteten Logikschaltungen, oder Kombinationen davon, welche ähnlich oder dieselbe sein kann, wie die Steuervorrichtung, die oben mit Bezug auf 3 diskutiert wurde.
7 ist ein Querschnittsdiagramm, welches eine Mehrventil-, integrierte Fluidtransfervorrichtung veranschaulicht, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform, welche die Aktorvorrichtung von 6 enthält.
Bezug nehmend auf 7 enthält die Mehrventil integrierte Fluidtransfervorrichtung 700 drei Aktorvorrichtungen, eine erste Aktorvorrichtung 701, eine zweite Aktorvorrichtung 702 und eine dritte Aktorvorrichtung 703, die mit einer entsprechenden mikrofluidischen Vorrichtung 410 gekoppelt sind. Es versteht sich, dass jede von den ersten, zweiten und dritten Aktorvorrichtungen 701, 702 und 703 im Wesentlichen dieselbe ist wie der piezoelektrische Aktor 600, der oben mit Bezug auf 6 diskutiert wurde und deshalb wird dessen Beschreibung nicht wiederholt. Ähnlich ist die mikrofluidische Vorrichtung 410 oben mit Bezug auf 4A und 4B diskutiert worden und folglich wird die Beschreibung nicht wiederholt.
In der dargestellten Ausführungsform ist die mikrofluidische Vorrichtung 410 eingefügt oder befestigt an den externen ersten, zweiten und dritten Aktorvorrichtung 701, 702 und 703. Nachdem eine fluidische Verbindung hergestellt wurde mit der Vorrichtungseinlassöffnung 461 und der Vorrichtungsauslassöffnung 462, werden die einstellbaren Schrauben 654a, 654b und 654c der ersten, zweiten und dritten Aktorvorrichtung 701, 702 und 703 entsprechend der Einlassventilkammer 441, der Pumpenkammer 442 und der Auslassventilkammer 443 ausgefahren, bis die entsprechenden Dehnungsmesser 612a, 612b und 612c ihre entsprechenden Sollwerte erreichen.
Die integrierte Fluidtransfervorrichtung 700 wird zum Ansaugen gebracht (engl. primed) durch Strömen von Fluid bei niedrigem Druck durch die Einlasskammer 441, die Pumpenkammer 442 und die Auslassventilkammer 443. Der piezoelektrische Aktor 611a, welcher dem Einlassventil 446 entspricht, wird ausgedehnt durch Anlegen von 100 V, um das Einlassventil 446 zu schließen. Der piezoelektrische Aktor 611b, welcher der Pumpenkammer 442 entspricht, wird ausgedehnt durch Anlegen einer kontinuierlich veränderlichen Spannung von weniger als 100 V, zum Komprimieren der Pumpenkammer 442. Das Ausdehnen der piezoelektrischen Aktoren 611a und 611 kann überwacht werden unter Verwendung der entsprechenden Dehnungsmesser 612a und 612 und die angelegte Spannung kann gesteuert werden, um eine kontinuierliche Fluidströmung zu liefern.
Wenn der piezoelektrische Aktor 611b, welcher der Pumpenkammer 442 entspricht, seine vollständige Ausdehnung erreicht, wird der piezoelektrische Aktor 611c, welcher dem Auslassventil 448 entspricht, ausgedehnt durch Anlegen von 100 V, um das Auslassventil 448 zu schließen und der piezoelektrische Aktor 611a, welcher dem Einlassventil 446 entspricht, wird kontrahiert durch Anlegen von 0 V an das vorher offene Einlassventil 446. Zwischenzeitlich wird der piezoelektrische Aktor 611b, welcher der Pumpenkammer 442 entspricht, kontrahiert durch Anlegen von 0 V, was es der Pumpenkammer 442 erlaubt, zu expandieren. Der Pumpbetrieb fährt dann fort durch Wiederholen des abwechselnden Anlegens von 100 V und 0 V an die piezoelektrischen Aktoren 611a–611c. Das heißt, der piezoelektrische Aktor 611a, welcher dem Einlassventil 426 entspricht, wird wiederum ausgedehnt durch Anlegen von 100 V, um das Einlassventil 426 zu schließen, während der piezoelektrische Aktor 611c, welcher dem Auslassventil 428 entspricht, wieder kontrahiert wird durch Anlegen von 0 V, um das Auslassventil 428 zu öffnen.
In dem vorliegenden Beispiel wird der piezoelektrische Aktor 611b, welcher der Pumpenkammer 442 entspricht, sich um ungefähr 6 μm bei jedem Pumpzyklus ausdehnen, was bewirkt, dass ungefähr 20 nL von der Vorrichtungsauslassöffnung 462 ausgestoßen werden. Es ist relativ geradlinig, die piezoelektrischen Aktoren 611a–611c auf 1/1000 ihres Bewegungsweges zu steuern unter Verwendung der entsprechenden Dehnungsmesser 612a–612c, und folglich ist es möglich, die Fluidströmung mit 20 Picoliter/min Genauigkeit in dem vorliegenden Beispiel zu steuern. Darüber hinaus sind die piezoelektrischen Aktoren 611a–611c in der Lage, bei hohen Frequenzen zu arbeiten und ein zuverlässiger Betrieb ist bis zu 100 Hz möglich, entsprechend einer Strömungsrate von 120 μL/min.
In verschiedenen Konfigurationen kann die Auslenkung des piezoelektrischen Aktors 611b relativ klein sein relativ zu der Größe der Pumpenkammer 442. Es ist wichtig in solch einer Konfiguration, dass die integrierte Fluidtransfervorrichtung 700 korrekt zum Ansaugen gebracht wird oder anderenfalls können Luftblasen die Leistungsfähigkeit herabsetzen. Fluide, die beispielsweise mit HPLC-Instrumenten verwendet werden, werden üblicherweise entgast bevor sie in die integrierte Fluidtransfervorrichtung 700 eintreten, was es vereinfacht zum Ansaugen zu kommen, da kleine Luftblasen dazu tendieren, zurück in das Fluid zu diffundieren. Jedoch sollten Luftblasen in dem Fluid immer noch minimiert werden. Ein anschauliches Verfahren, um eine Pumpenkammer und Ventile, wie beispielsweise die Pumpenkammer 442, das Einlassventil 446 und das Auslassventil 448 der mikrofluidischen Vorrichtung 410, zum Ansaugen zu bringen, um die Bildung von Luftblasen in dem Fluid abzuschwächen, ist unten beschrieben.
Die Vorrichtungsauslassöffnung 462 sollte zuerst über der Vorrichtungseinlassöffnung 461 positioniert werden. Zum Beispiel kann die mikrofluidische Vorrichtung 410 rotiert werden (z. B. um ungefähr 90°), so dass die Vorrichtungsauslassöffnung 462 im Wesentlichen über der Vorrichtungseinlassöffnung 461 angeordnet ist. Ein organisches Fluid, wie beispielsweise Methanol, kann verwendet werden, um zum Ansaugen zu kommen und dann ersetzt werden mit dem gewünschten Betriebsfluid, wie beispielsweise Wasser, Acetonitril und Methanol, zum Beispiel. Die gesamte mikrofluidische Vorrichtung 410 kann ausgepumpt werden, bevor sie zu dem Ansaugen gebracht wird, und dann zurückgefüllt werden mit Kohlendioxid (CO₂), welches sich in den meisten Fluiden leichter löst. Auch können die inneren Oberflächen der Einlass- und Auslassventilkammern 441 und 443 und der Pumpenkammer 442 mit einem hydrophilen oder hydrophoben Polymer beschichtet sein, um ein zum-Ansaugenkommen zu unterstützen. Das hydrophile oder hydrophobe Polymer kann strukturiert sein, um sicherzustellen, dass keine Blasen gefangen werden, wenn das Fluid in die Einlassventilkammer 441, die Pumpenkammer 442 und/oder die Auslassventilkammer 443 eintritt.
Zusätzlich können mechanische Merkmale in eines oder mehrere von den Einlass- und Auslassventilkammern 441 und 443 und/oder der Pumpenkammer 442 eingebaut sein, wie beispielsweise anschaulich erhabene Strukturen (welche z. B. mehrere Rippen umfassen können) dargestellt in 8A bis 9B und anschaulich vertiefte Strukturen (welche beispielsweise mehrere Nuten enthalten können), dargestellt in 10A bis 10B. Die erhabenen Strukturen halten das Wachstum von Fluidtropfen auf, wenn das Fluid in die Einlass- und Auslassventilkammer 441 und 443 und/oder die Pumpenkammer 442 eintritt. Das Fluid geht nicht in die nächste Sektion über, bis die Fläche zwischen jedem erhabenen Teil oder Rippe der erhabenen Struktur und einem entsprechenden Einlass (oder vorigen erhabenen Teil) vollständig mit Fluid gefüllt ist. In dieser Weise können Einlass- und Auslassventilkammern 441 und 443 und/oder die Pumpenkammer 442 mit sehr wenig eingefangener Luft gefüllt werden.
8A und 8B zeigen Querschnittsdiagramme, welche eine Ventilkammer veranschaulichen, welche eine erhabene Struktur aufweist, entsprechend einer repräsentativen Ausführungsform. Insbesondere zeigt 8B den Querschnitt von 8A entlang der Linie B-B'. Bezug nehmend auf 8A und 8B enthält eine repräsentative Einlassventilkammer 841 ein Einlassventil 846, welches gebildet ist durch Biegen und Geraderichten einer flexiblen Membran 821 auf einen vorstehenden Teil 847 in Reaktion auf einen Betrieb eines piezoelektrischen Aktors (nicht dargestellt), wie oben diskutiert. Fluid tritt in die Einlassventilkammer 841 durch die Einlassöffnung 824 ein und verlässt die Einlassventilkammer 841 durch die Auslassöffnung 825. Die Einlassventilkammer 841 enthält ferner eine erhabene Struktur mit ersten und zweiten Rippen oder erhabenen Teilen 845 und 846, welche erhabene konzentrische Kreise sind, welche den vorstehenden Teil 847 umgeben. Natürlich können mehr oder weniger erhabene Teile enthalten sein, ohne von dem Umfang der vorliegenden Lehren abzuweichen.
9A und 9B sind Querschnittsdiagramme, welche eine Pumpenkammer veranschaulichen, die eine erhabene Struktur aufweist, entsprechend einer repräsentativen Ausführungsform. Insbesondere zeigt 9B den Querschnitt von 9A entlang der Linie C-C'. Bezug nehmend auf 9A und 9B ist eine repräsentative Pumpenkammer 942 gebildet durch Biegen und Geraderichten einer flexiblen Membran 922 in Reaktion auf einen Betrieb eines piezoelektrischen Aktors (nicht dargestellt), wie oben diskutiert. Fluid tritt in die Pumpenkammer 942 durch die Einlassöffnung 925 ein und verlässt die Pumpenkammer 942 durch eine Auslassöffnung 927. Die Pumpenkammer 942 enthält eine erhabene Struktur, welche erste bis fünfte erhabene Teile 951–955 aufweist. In dem dargestellten Beispiel durchquert der dritte erhabene Teil 953 den inneren Durchmesser der Pumpenkammer 942, während die ersten und zweiten erhabenen Teile 951 und 952 sich von dem dritten erhabenen Teil 953 nach links weg biegen und die vierten und fünften erhabenen Teile 954 und 955 biegen sich von dem dritten erhabenen Teil 953 nach rechts weg. Natürlich können mehr oder weniger erhabene Teile enthalten sein, ohne von dem Umfang der vorliegenden Lehren abzuweichen.
10A und 10B zeigen Querschnittsdiagramme, welche eine Pumpenkammer veranschaulichen, die eine vertiefte Struktur aufweist, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform. Insbesondere zeigt 10B den Querschnitt von 10A entlang der Linie D-D'. Bezug nehmend auf 10A und 10B ist die repräsentative Pumpenkammer 1042 gebildet durch Biegen und Geraderichten einer flexiblen Membran 1022 in Reaktion auf den Betrieb eines piezoelektrischen Aktors (nicht dargestellt), wie oben diskutiert. Fluid tritt in die Pumpenkammer 1042 durch die Einlassöffnung 1026 ein und verlässt die Pumpenkammer 1042 durch die Auslassöffnung 1027. Die Pumpenkammer 1072 enthält ferner eine geätzte vertiefte Struktur, welche erste bis fünfte Nuten oder vertiefte Teile 1051–1055 aufweist. In dem dargestellten Beispiel durchquert der dritte vertiefte Teil 1053 den inneren Durchmesser der Pumpenkammer 1042, während die ersten und zweiten vertieften Teile 1051 und 1052 sich von dem dritten vertieften Teil 1053 nach links weg biegen und die vierten und fünften vertieften Teile 1054 und 1055 sich von dem dritten vertieften Teil 1053 nach rechts weg biegen. Natürlich können mehr oder weniger vertiefte Teile enthalten sein, ohne von dem Umfang der vorliegenden Lehren abzuweichen.
In einer anderen Ausführungsform kann die Pumpenkammer und/oder die Ventilkammer eine gaspermeable Membran enthalten. Zum Beispiel sind 11A und 11B Querschnittsdiagramme, welche eine Pumpenkammer veranschaulichen, die eine gaspermeable Membran aufweist, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform. Insbesondere zeigt 11B den Querschnitt von 11A entlang der Linie E-E'. Bezug nehmend auf 11A und 11B, ist eine repräsentative Pumpenkammer 1142 gebildet durch Biegen und Geraderichten einer flexiblen Membran 1122 in Reaktion auf einen Betrieb eines piezoelektrischen Aktors (nicht dargestellt), wie oben diskutiert. Fluid tritt in die Pumpenkammer 1142 durch die Einlassöffnung 1126 ein und verlässt die Pumpenkammer 1142 durch die Auslassöffnung 1127. Die gestapelte Membranplatte 1120, die Mündungsplatte 1130 und die Verbindungsplatte 1140 sind strukturiert auf einer oder beiden Seiten, um die Pumpenkammer 1142, die Einlassöffnung 1126 und die Auslassöffnung 1127 zu bilden, wie dargestellt. Zusätzlich ist die gaspermeable Membran 1125 gebildet zwischen der Membranplatte 1120 und der Mündungsplatte 1130, was es eingefangenen Luftblasen (oder anderen Gasen) ermöglicht, die Pumpenkammer 1142 zu verlassen, während das Fluid zurückgehalten wird. Die gaspermeable Membran 1125 kann aus verschiedenen Membranmaterialien gebildet sein, wie beispielsweise Nafion^®, Silikongummi, Agarose oder poröses Teflon^®, zum Beispiel, obwohl andere Materialien enthalten sein können, ohne von dem Umfang der vorliegenden Lehren abzuweichen. Das verwendete Material hängt zumindest teilweise ab von dem Fluid, das gepumpt werden soll und dem internen Druck der Pumpenkammer 1142.
Für bestimmte Implementierungen, wie beispielsweise in HPLC-Instrumenten, sollte die Fluidtransfervorrichtung eine kontinuierliche Strömung aufweisen. Die Fluidtransfervorrichtungen 300, 400 bzw. 700, wie mit Bezug auf 3, 4A, 4B und 7 beschrieben wurden, können beispielsweise nicht eine kontinuierliche Strömung liefern, da die externe Fluidströmung stoppt, wenn die entsprechende Pumpenkammer 342, 442 gefüllt wird. Im Gegensatz hierzu sind 12A und 12B Querschnittsdiagramme, welche eine Mehrventil-, integrierte Fluidtransfervorrichtung zeigen, welche eine kontinuierliche Strömung aufweist, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform. Insbesondere zeigt 12B den Querschnitt von 12A entlang der Linie F-F.
Bezug nehmend auf 12A enthält die integrierte Fluidtransfervorrichtung 1200 eine Einlassventilvorrichtung 1201, eine erste Pumpenvorrichtung 1202, eine Auslassventilvorrichtung 1203 und eine zweite Pumpenvorrichtung 1204, welche eine integrierte planare mikrofluidische Vorrichtung 1210 teilen. Das heißt, in der dargestellten Ausführungsform sind die Einlassventilkammer 1241, die erste Pumpenkammer 1242, die Auslassventilkammer 1243 und die zweite Pumpenkammer 1244 hergestellt als separate Gebiete in der einzigen mikrofluidischen Vorrichtung 1210. Die integrierte Fluidtransfervorrichtung 1200, wie in 12A und 12B dargestellt, kann z. B. als eine binäre Pumpe bezeichnet werden.
Wie oben mit Bezug auf 4A und 4B diskutiert, enthält die mikrofluidische Vorrichtung 1210 drei separate Schichten oder Platten, welche als Membranplatte 1220, Mündungsplatte 1230 und Verbindungsplatte 1240 bezeichnet werden, von denen jede strukturiert sein kann auf einer oder beiden Seiten, z. B., unter Verwendung von elektrochemischen Ätzen, um die verschiedenen Merkmale der integrierten Fluidtransfervorrichtungen 1200 zu erzeugen, wenn diese ausgerichtet und miteinander verbunden werden. Diese Merkmale enthalten die Vorrichtungseinlassöffnung 1261, die Einlassventilkammer 1241, die erste Pumpenkammer 1242, die Auslassventilkammer 1243 und die zweite Pumpenkammer 1244 und die Vorrichtungsauslassöffnung 1262, wie auch Einlass- und Auslassöffnungen 1224–1229 und 1276–1277 und Fluidleitungen 1205–1209, welche die Fluidkommunikation der Vorrichtungseinlassöffnungen 1261, der Einlassventilkammer 1241, der ersten Pumpenkammer 1242, der Auslassventilkammer 1243, der zweiten Pumpenkammer 1244 und der Vorrichtungsauslassöffnung 1262 untereinander ermöglichen.
Es versteht sich, dass jede von der Einlassventilvorrichtung 1201, der ersten Pumpenvorrichtung 1202, der Auslassventilvorrichtung 1203 und der zweiten Pumpenvorrichtung 1204 einen entsprechenden externen piezoelektrischen Aktor aufweist, welcher axiale Auslenkungen entlang seiner längsgerichteten Achse hat, wie beispielsweise der erste piezoelektrische Aktor 411, der oben mit Bezug auf 4A diskutiert wurde (wie auch einen entsprechenden hochsteifen Aktor und/oder Bosse). Jedoch sind die piezoelektrischen Aktoren in 12A nicht dargestellt, zur Klarheit und um die Beschreibung zu vereinfachen. Die Struktur und Funktionalität der piezoelektrischen Aktoren sind im Wesentlichen dieselben wie oben diskutiert.
Die Einlassventilkammer 1241 und die Auslassventilkammer 1243 enthalten ein entsprechendes Einlassventil 1246 und Auslassventil 1248, welche durch Biegen und Geraderichten von ersten und dritten flexiblen Gebieten 1221 und 1223 der Membranplatte 1220 arbeiten durch Betreiben von entsprechenden piezoelektrischen Aktoren (nicht dargestellt). Ähnlich funktionieren die erste Pumpenkammer 1242 und die zweite Pumpenkammer 1244 durch Biegen und Geraderichten von zweiten und vierten flexiblen Gebieten 1222 und 1224 der Membranplatte 1220 durch Betreiben von entsprechenden piezoelektrischen Aktoren (nicht dargestellt). Wie in 12B dargestellt, kann das erste bis vierte flexible Gebiet 1221–1224 beispielsweise kreisförmig in der Form sein. Die vorstehenden Teile 1247 und 1249 können gleichermaßen kreisförmig in der Form sein und können innerhalb der ersten und dritten flexiblen Gebiete 1221 bzw. 1223 zentriert sein. Die ersten bis vierten flexiblen Gebiete 1221–1224 können gleich oder verschieden sein in Größe und/oder Form, wie oben diskutiert. Ansonsten kann die Struktur und der Betrieb des Einlassventils 1246 und des Auslassventils 1248 im Wesentlichen dasselbe sein wie die des Einlassventils 446 und des Auslassventils 448 und die Struktur und der Betrieb der ersten Pumpenkammer 1242 und der zweiten Pumpenkammer 1244 sind im Wesentlichen dieselben wie die der Pumpen 442, wie oben mit Bezug auf 4A und 4B diskutiert. Daher werden die Beschreibungen hierin nicht wiederholt.
Der Betrieb der Einlassventilvorrichtung 1201 und der Auslassventilvorrichtung 1203 werden koordiniert mit dem Betrieb der ersten Pumpenvorrichtung 1202 und der zweiten Pumpenvorrichtung 1204 durch eine Steuervorrichtung (nicht dargestellt) zum Ermöglichen einer Bewegung von Fluid von der Vorrichtungseinlassöffnung 1261 zu der Vorrichtungsauslassöffnung 1262 durch die Fluidtransfervorrichtung 1200, im Wesentlichen wie oben mit Bezug auf die Fluidtransfervorrichtung 300, die in 3 dargestellt ist, diskutiert wurde.
Einen anschaulichen Betrieb der integrierten Fluidtransfervorrichtung 1200, welche eine kontinuierliche Strömung von Fluid liefert, wird unten beschrieben. In der dargestellten Ausführungsform ist die mikrofluidische Vorrichtung 1210 eingesetzt in oder befestigt an den entsprechenden externen piezoelektrischen Aktoren (nicht dargestellt). Nachdem eine fluidische Verbindung mit der Vorrichtungseinlassöffnung 1261 und der Vorrichtungsauslassöffnung 1262 hergestellt wurde, werden die einstellbaren Schrauben oder andere externe hochsteife Aktoren (nicht dargestellt), welche der Einlassventilkammer 1241, der ersten Pumpenkammer 1242, der Auslassventilkammer 1243 und der zweiten Pumpenkammer 1244 entsprechen, ausgefahren bis ihre entsprechenden Dehnungsmesser ihre entsprechende Sollwerte erreichen, wie oben diskutiert. Die integrierte Fluidtransfervorrichtung 1200 wird zum Ansaugen gebracht durch Strömen von Fluid unter niedrigem Druck durch die Einlassventilkammer 1241, die erste Pumpenkammer 1242, die Auslassventilkammer 1243 und die zweite Pumpenkammer 1244. Anfänglich wird ein piezoelektrischer Aktor, welcher der Auslassventilvorrichtung 1203 entspricht, durch Anlegen von 100 V ausgefahren, um das Auslassventil 1248 zu schließen.
In einer ersten Aktion wird ein piezoelektrischer Aktor, welcher der Einlassventilvorrichtung 1210 entspricht, kontrahiert durch Anlegen von 0 V, zum Öffnen des Einlassventils 1246 und dann wird ein piezoelektrischer Aktor, welcher der ersten Pumpenvorrichtung 1202 entspricht, ähnlich kontrahiert zum Füllen der ersten Pumpenkammer 1242 mit Fluid. Der piezoelektrische Aktor, welcher der Einlassventilvorrichtung 1201 entspricht, wird dann expandiert durch Anlegen von 100 V, um das Einlassventil 1246 zu schließen, und der Kammer-piezoelektrische Aktor, welcher der ersten Pumpenvorrichtung 1202 entspricht, wird leicht ausgedehnt, um den Druck in der ersten Pumpenkammer 1242 mit dem Druck an der zweiten Pumpenkammer 1244 ungefähr auszugleichen. Dieser Zustand wird beibehalten, bis zu einer Vervollständigung einer zweiten Aktion, die in dem nachfolgenden Absatz beschrieben wird, welche im Wesentlichen gleichzeitig mit der ersten Aktion durchgeführt werden soll.
In der zweiten Aktion wird ein piezoelektrischer Aktor, welcher der zweiten Pumpenvorrichtung 1204 entspricht, ausgefahren durch Anlegen einer kontinuierlich variablen Spannung von weniger als 100 V zum Komprimieren der zweiten Pumpenkammer 1244. Die Ausdehnung des piezoelektrischen Aktors wird überwacht, z. B. unter Verwendung eines Dehnungsmessers, und die angelegte Spannung wird gesteuert, um die kontinuierliche Strömung von Fluid zu liefern. Wenn die Piezoelektrik ihre vollständige Ausdehnung erreicht, wird der piezoelektrische Aktor, welcher der Auslassventilvorrichtung 1203 entspricht, kontrahiert durch Anlegen von 0 V zum Öffnen des Auslassventils 1248.
In einer dritten Aktion wird ein piezoelektrischer Aktor, welcher der ersten Pumpenvorrichtung 1202 entspricht, ausgefahren durch Anlegen einer kontinuierlich veränderlichen Spannung von weniger als 100 V zum Komprimieren der ersten Pumpenkammer 1241. Die Ausdehnung des piezoelektrischen Aktors wird überwacht, z. B. unter Verwendung eines Dehnungsmessers, und die angelegte Spannung wird gesteuert zum Liefern einer kontinuierlichen Strömung von Fluid, die größer ist als die gewünschte Strömung. Wenn der piezoelektrische Aktor der ersten Pumpenvorrichtung 1202 seine vollständige Ausdehnung erreicht, wird der Prozess wiederholt, z. B. durch Wiederbeginnen mit dem Ausdehnen des piezoelektrischen Aktors, welcher der Auslassventilvorrichtung 1203 entspricht, durch Anlegen von 100 V zum Schließen des Auslassventils 1248 und dann Durchführen der ersten bis vierten Aktionen, wobei die vierte Aktion im Wesentlichen gleichzeitig mit der dritten Aktion durchgeführt werden soll.
In der vierten Aktion wird der piezoelektrische Aktor, welcher der zweiten Pumpenvorrichtung 1204 entspricht, kontrahiert durch Anlegen einer kontinuierlich veränderlichen Spannung von weniger als 100 V, was der zweiten Pumpenkammer 1244 erlaubt, zu expandieren. Die angelegte Spannung wird gesteuert, z. B. unter Verwendung von Dehnungsmessern der piezoelektrischen Aktoren, die den ersten und zweiten Pumpenvorrichtungen 1202 und 1204 entsprechen zum Pumpen einer kontinuierlichen Strömung von Fluid bei der gewünschten Stärke. Da die erste Pumpenkammer 1242 eine größere Strömung an Fluid als die gewünschte Strömung erzeugt, wird sich die zweite Pumpenkammer 1244 während der vierten Aktion mit Fluid füllen. Die integrierte Fluidtransfervorrichtung 1200 ist folglich in der Lage, eine kontinuierliche Strömung zu liefern.
Natürlich können verschiedene alternative Konfigurationen und/oder Anordnungen von einem oder mehr Fluidtransfervorrichtungen eingebaut werden, ohne von dem Umfang der vorliegenden Lehren abzuweichen. Zum Beispiel kann eine Fluidtransfervorrichtung eine Einlassventilvorrichtung aufweisen, gefolgt von mehreren miteinander verbundenen Pumpenvorrichtungen, gefolgt von einer Auslassventilvorrichtung. Diese Konfiguration multipliziert das Verschiebungsvolumen einer Pumpenkammer in einer einzigen Pumpenvorrichtung durch jedoch mehr Pumpenvorrichtungen, die zwischen den Einlass- und Auslassventilvorrichtungen enthalten sind. Mehrere miteinander verbundene Pumpenvorrichtungen haben einen Vorteil über dem einfachen Erhöhen der lateralen Größe einer einzigen Pumpenkammer, welche die Steifheit der flexiblen Membran in der Pumpenvorrichtung verringern kann, was sie anfälliger macht für unerwünschte mechanische Deformation bei hohen Rückdrücken.
Ferner können mehrere Fluidtransfervorrichtungen, z. B. konfiguriert gemäß einer oder mehr der Ausführungsformen, die hierin diskutiert sind, miteinander verbunden werden, parallel und/oder in Reihenkombinationen, um zusätzliche Vorteile zu liefern. Zum Beispiel können die mehreren Fluidtransfervorrichtungen parallel verbunden sein, wobei entsprechende Vorrichtungseinlassöffnungen miteinander verbunden sind und entsprechende Vorrichtungsauslassöffnungen miteinander verbunden sind. Die einzelnen Fluidtransfervorrichtungen können dann synchron oder asynchron betätigt werden. Synchronisierte Betätigung erhöht eine Volumenströmungsrate durch Multiplizieren der Strömungsrate einer einzigen Fluidtransfervorrichtung durch jedoch viele Fluidtransfervorrichtungen, die miteinander parallel verbunden sind. Asynchrone (oder gestaffelte) Betätigung kann ein Pulsierendämpfen für eine kontinuierliche Strömung und/oder z. B. zeitlich variierende Strömungsraten erzeugen.
Ähnlich können die mehreren Fluidtransfervorrichtungen in Reihe verbunden sein, wobei mehrere Einlass- und Auslassventilvorrichtungen, getrennt voneinander durch eine oder mehrere Pumpenvorrichtungen konfiguriert sind, so dass die Auslassöffnung von jeder Auslassventilvorrichtung verbunden ist mit der Einlassöffnung einer nachfolgenden Einlassventilvorrichtung. Diese gestufte Konfiguration ermöglicht ein Pumpen gegen höhere Drücke. Jede entsprechende Pumpenkammer(n) der miteinander verbundenen Fluidtransfervorrichtungen würde inkrementell seinen individuell maximal erreichbaren Druck zu dem Druck, der von der Pumpkammer(n) der vorigen Fluidtransfervorrichtung(en) erzeugt wurde, hinzufügen. Daher wäre der maximal erreichbare Druck gleich der Summe der maximal erreichbaren Drücke der konstituierenden äquivalenten Transfervorrichtungen.
Während spezifische Ausführungsformen hierin offenbart werden, sind Variationen möglich, welche innerhalb des Konzeptes und Umfangs der Erfindung bleiben. Solche Variationen würden klar werden nach der Inspektion der Beschreibung, der Zeichnungen und der Ansprüche hierin. Die Erfindung soll daher nicht beschränkt sein außer innerhalb des Umfangs der anhängenden Patentansprüche.

Claims

Fluidtransfervorrichtung enthaltend: einen piezoelektrischen Aktor, welcher extern mit einer mikrofluidischen Vorrichtung gekoppelt ist, wobei der piezoelektrische Aktor eine axiale Auslenkung entlang einer längsgerichteten Achse aufweist in Reaktion auf ein Anlegen einer Biasspannung, wobei die axiale Auslenkung des piezoelektrischen Aktors eines von einem internen Ventil und einer internen Pumpkammer der mikrofluidischen Vorrichtung betreibt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner enthaltend mindestens eines der folgenden Merkmale: einen hochsteifen Aktor, welcher mit dem piezoelektrischen Aktor gekoppelt ist und konfiguriert ist zum dynamischen Einstellen einer Position des piezoelektrischen Aktors relativ zu der mikrofluidischen Vorrichtung;
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die axiale Auslenkung des piezoelektrischen Aktors weniger als ungefähr 10 μm ist.
Fluidtransfervorrichtung enthaltend: eine mikrofluidische Vorrichtung enthaltend eine Pumpenkammer; und einen ersten piezoelektrischen Aktor, welcher mit der mikrofluidischen Vorrichtung gekoppelt ist und konfiguriert ist, um sich auszudehnen und zu kontrahieren entlang einer ersten längsgerichteten Achse in Reaktion auf ein selektives Anlegen einer ersten Biasspannung zum Komprimieren der Pumpenkammer, wobei der erste piezoelektrische Aktor extern zu der mikrofluidischen Vorrichtung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei interne Wände der mikrofluidischen Vorrichtung und der Pumpenkammer mit einer nichtreaktiven Beschichtung beschichtet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei der erste piezoelektrische Aktor eines von einem gestapelten piezoelektrischen Aktor oder einer piezoelektrischen Röhre aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, ferner enthaltend: einen hochsteifen Aktor, welcher mit dem piezoelektrischen Aktor gekoppelt ist und konfiguriert ist zum Einstellen einer Position des piezoelektrischen Aktors bezüglich der mikrofluidischen Vorrichtung, wobei der hochsteife Aktor extern zu der mikrofluidischen Vorrichtung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der hochsteife Aktor einen einstellbaren Schraubenantrieb aufweist, der konfiguriert ist zum Einstellen der Position des piezoelektrischen Aktors entlang der längsgerichteten Achse.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der einstellbare Schraubenantrieb einen Rotationsmotor aufweist, welcher mit einer Schraube mit feiner Ganghöhe gekoppelt ist in Kontakt mit dem piezoelektrischen Aktor.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, ferner enthaltend: einen Dehnungsmesser, welcher zwischen dem ersten piezoelektrischen Aktor und dem hochsteifen Aktor angeordnet ist, wobei der Dehnungsmesser konfiguriert ist zum Detektieren einer Kompression des ersten piezoelektrischen Aktors und zum Liefern einer Rückkopplung an den hochsteifen Aktor zum Einstellen der Position des ersten piezoelektrischen Aktors bezüglich der mikrofluidischen Vorrichtung basierend auf der detektierten Kompression.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, wobei die mikrofluidische Vorrichtung ferner ein Ventil enthält mit einer Ventilkammer, welche fluidisch verbunden ist mit der Pumpenkammer über eine Öffnung, wobei ein Betrieb des Ventils es einem Fluid ermöglicht, in die Pumpenkammer durch die Öffnung einzutreten oder auszutreten.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Vorrichtung ferner aufweist: einen zweiten piezoelektrischen Aktor, welcher mit der mikrofluidischen Vorrichtung gekoppelt ist und konfiguriert ist zum Ausdehnen entlang einer zweiten längsgerichteten Achse in Reaktion auf ein Anlegen einer zweiten Biasspannung zum Schließen des Ventils und zum Kontrahieren entlang der zweiten längsgerichteten Achse in Reaktion auf eine Reduktion der angelegten zweiten Biasspannung zum Öffnen des Ventils, und wobei der zweite piezoelektrische Aktor extern zu der mikrofluidischen Vorrichtung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei mindestens eine von der Pumpkammer und der Ventilkammer eine erhabene Struktur aufweist, die konfiguriert ist zum Aufhalten des Wachstums von Tropfen, wenn das Fluid die mindestens eine von der Pumpenkammer und der Ventilkammer eintritt.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei mindestens eine von der Pumpenkammer und der Ventilkammer eine vertiefte Struktur aufweist, die konfiguriert ist zum Aufhalten eines Wachstums von Tropfen, wenn Fluid in die mindestens eine von der Pumpenkammer und der Ventilkammer eintritt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei mindestens eine von der Pumpenkammer und der Ventilkammer eine gaspermeable Membran aufweist, die konfiguriert ist, um es Luftblasen, die in dem Fluid gefangen sind, zu erlauben, die mindestens eine von der Pumpenkammer und der Ventilkammer zu verlassen.
Kombinations-Fluidtransfervorrichtung enthaltend eine von der Fluidtransfervorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15 verbunden parallel oder in Reihe mit einer anderen der Fluidtransfervorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15.
Fluidtransfervorrichtung, enthaltend: eine planare mikrofluidische Vorrichtung enthaltend ein Einlassventil, eine Pumpenkammer in Fluidkommunikation mit dem Einlassventil über eine Einlassöffnung, und ein Auslassventil in Fluidkommunikation mit der Pumpenkammer über eine Auslassöffnung; einen ersten piezoelektrischen Aktor, welcher extern zu der mikrofluidischen Vorrichtung ist und mit dem Einlassventil mechanisch gekoppelt ist, wobei der erste piezoelektrische Aktor eine erste axiale Auslenkung aufweist in Reaktion auf ein selektives Anlegen einer ersten Biasspannung, bewirkend, dass das Einlassventil über die mechanische Kopplung schließt bzw. öffnet; einen zweiten piezoelektrischen Aktor, welcher extern zu der mikrofluidischen Vorrichtung ist und mit der Pumpenkammer mechanisch gekoppelt ist, wobei der zweite piezoelektrische Aktor eine zweite axiale Auslenkung in Reaktion auf ein selektives Anlegen einer zweiten Biasspannung aufweist, bewirkend, dass die Pumpenkammer über die mechanische Kopplung komprimiert bzw. expandiert; und einen dritten piezoelektrischen Aktor, welcher extern zu der mikrofluidischen Vorrichtung ist und mechanisch mit dem Auslassventil gekoppelt ist, wobei der dritte piezoelektrische Aktor eine dritte axiale Auslenkung aufweist in Reaktion auf ein selektives Anlegen einer dritten Biasspannung, bewirkend, dass das Auslassventil über die mechanische Kopplung schließt bzw. öffnet, wobei Fluid von einer Vorrichtungseinlassöffnung, die mit dem Einlassventil verbunden ist, in die Pumpenkammer durch die Einlassöffnung eingesaugt wird, wenn das Einlassventil offen ist, die Pumpenkammer expandiert und das Auslassventil geschlossen ist, und wobei Fluid von der Pumpenkammer durch die Auslassöffnung zu einer Vorrichtungsauslassöffnung, welche mit dem Auslassventil verbunden ist, ausgestoßen wird, wenn das Einlassventil geschlossen ist, die Pumpenkammer komprimiert und das Auslassventil offen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die planare mikrofluidische Vorrichtung ferner aufweist: eine Mündungsplatte, welche das Einlassventil, die Pumpenkammer und das Auslassventil definiert; und eine flexible Membranplatte, eine flexible Membranplatte, welche auf der Mündungsplatte gestapelt ist, wobei die flexible Membranplatte einen ersten flexiblen Teil aufweist, welcher das Einlassventil bedeckt, einen zweiten flexiblen Teil, welcher die Pumpenkammer bedeckt und einen dritten flexiblen Teil, welcher das Auslassventil bedeckt, aufweist, wobei der erste, zweite und dritte piezoelektrische Aktor in physikalischem Kontakt mit dem ersten, zweiten bzw. dritten flexiblen Teil der flexiblen Membranplatte ist, bewirkend, dass der erste, zweite und dritte flexible Teil der flexiblen Membranplatte sich biegt in Reaktion auf die erste, zweite und dritte Auslenkung.
Vorrichtung nach Anspruch 18, ferner enthaltend: eine Dichtungsschicht, welche zwischen der flexiblen Membranplatte und der Mündungsplatte angeordnet ist und es der flexiblen Membranplatte ermöglicht, zu der Mündungsplatte gut abgedichtet zu sein.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Dichtungsschicht eines von einer Mehrzahl von O-Ringen oder eine Dichtungsmembran aufweist.