DE102013201330A1 - Fluid transfer device for use in loading samples in high performance liquid chromatography instrument, uses axial displacement of piezoelectric actuator to operate internal valve and internal pump chamber of microfluidic device - Google Patents

Fluid transfer device for use in loading samples in high performance liquid chromatography instrument, uses axial displacement of piezoelectric actuator to operate internal valve and internal pump chamber of microfluidic device Download PDF

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Abstract

The fluid transfer device (100) includes a piezoelectric actuator (110) that is externally coupled to the microfluidic pump device (130). The actuator is axially displaced along a lengthwise axis (L) such that it operates the internal valve and the internal pump chamber (140) of the microfluidic device. A high-stiffness actuator (150), coupled to the piezoelectric actuator, dynamically adjusts position of the piezoelectric actuator relative to the microfluidic pump device. The axial displacement of the piezoelectric actuator is less than about 10 micrometers.

Description

HINTERGRUNDBACKGROUND

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 Pumpenkammer und eine Auslasskammer, wobei die Pumpenkammer Fluid pumpt durch alternierendes Expandieren zum Empfangen des Fluids durch das Einlassventil und Kontrahieren zum Ausstoßen des Fluids durch das Auslassventil. Natürlich bezieht sich „Fluid“ auf Flüssigkeiten und/oder Gase. 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.Reciprocating micropumps are used for various applications, such as loading samples into liquid chromatography instruments. A typical micropump may include an inlet valve, a pumping chamber and an outlet chamber, wherein the pumping chamber pumps fluid by alternately expanding to receive the fluid through the inlet valve and contracting to expel the fluid through the outlet valve. Of course, "fluid" refers to liquids and / or gases. Generally, a reciprocating motion of a diaphragm or membrane forming part of the pumping chamber causes the pumping chamber to expand and contract. Various techniques for generating the reciprocating motion include, for example, the use of thermo-pneumatic, electrostatic, pneumatic, and piezoelectric actuators. The performance of conventional micropumps is generally limited by the largest dimension of a bubble that can be tolerated.

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.Conventional micropumps with piezoelectric actuators typically have a lateral expansion configuration that includes a flat piezoelectric disc having a first side attached to the diaphragm of a pumping chamber and a second side free in response to an electrical signal expand. A longitudinal axis of the piezoelectric disc is substantially parallel to an upper surface of the diaphragm so that the piezoelectric disc is effectively flat on the diaphragm. When a bias voltage is applied, the piezoelectric disc contracts laterally, causing a bending moment between the piezoelectric disc and the diaphragm. The bending moment bends the diaphragm, causing fluid to be expelled within the pumping chamber. While this configuration is relatively easy to manufacture and produces large deflections, it can not generate high pressures. For example, a conventional lateral strain micro-pump may generate about 0.06 bar to about 2 bars of pressure.

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.The inlet and outlet valves may be actively actuated in a similar manner as the pump chamber, e.g. using a piezoelectric actuator, or the inlet and outlet valves may be passive check valves. However, passive check valves are typically unsuitable for high pressure piezoelectric actuated micropumps because the amount of fluid pumped in each cycle is limited and a finite volume of fluid is needed to actuate the check valves. Piezoelectric actuated valves may be limited to differential pressures of approximately e.g. 3 bar. Many piezoelectrically actuated inlet and outlet valves rely on flex mode actuators to achieve a wide range of motion.

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.There are some examples of conventional micropumps that have piezoelectric actuators that expand and contract longitudinally, as opposed to laterally. Again, such micropumps typically include a flat piezoelectric disk having a longitudinal axis substantially parallel to the top surface of the diaphragm so that the piezoelectric disk is effectively flat on the diaphragm. However, when a bias voltage is applied, the piezoelectric disk expands vertically downward, causing a bending moment to bend the diaphragm. However, such configurations may be difficult to manufacture and have poor on / off flow ratios. Also, in one example, a thermally balanced piezoelectric actuator is located within the valve chamber. Although this micropump is capable of producing high on / off flow rate ratios and sealing against relatively high pressures, the piezoelectric actuator is placed under tension and the working fluid in the valve chamber is in contact with the piezoelectric actuator. Accordingly, the micropump is not suitable for high pressure systems in which a variety of liquids can be used, creating a risk of contamination. Further, since the piezoelectric actuator is inside in the valve chamber, the valve chamber can not be removed or replaced with respect to the piezoelectric actuator.

ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY

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 Pumpenkammer der mikrofluidischen Vorrichtung betätigt. In a representative embodiment, a fluid transfer device includes a piezoelectric actuator that is externally coupled to a microfluidic device. The piezoelectric actuator has an axial displacement along a longitudinal axis in response to application of a bias voltage, wherein the axial displacement of the piezoelectric actuator actuates one of an internal valve and an internal pumping chamber of the microfluidic device.

In einer anderen repräsentativen Ausführungsform enthält eine Fluidtransfervorrichtung eine mikrofluidische Vorrichtung mit einem ersten Ventil und einem ersten piezoelektrischen Aktor, welcher mit der mikrofluidischen Vorrichtung gekoppelt ist. Das erste Ventil hat eine Ventilkammer und ein Betrieb des ersten Ventils ermöglicht es einem Fluid in die Ventilkammer durch eine Öffnung einzutreten oder auszutreten. Der erste piezoelektrische Aktor ist konfiguriert, um sich entlang einer ersten längsgerichteten Achse auszudehnen in Reaktion auf ein Anlegen einer ersten Biasspannung zum Schließen des ersten Ventils, und zum Kontrahieren entlang der ersten längsgerichteten Achse in Reaktion auf eine Reduktion der angelegten ersten Biasspannung zum Öffnen des ersten Ventils, wobei der erste piezoelektrische Aktor extern zu der mikrofluidischen Vorrichtung ist. In another representative embodiment, a fluid transfer device includes a microfluidic device having a first valve and a first piezoelectric actuator coupled to the microfluidic device. The first valve has a valve chamber and operation of the first valve allows fluid entering or leaving the valve chamber through an opening. The first piezoelectric actuator is configured to expand along a first longitudinal axis in response to application of a first bias voltage to close the first valve, and to contract along the first longitudinal axis in response to a reduction in the applied first bias voltage to open the first Valve, wherein the first piezoelectric actuator is external to the microfluidic device.

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. In another representative embodiment, a fluid transfer device includes a planar microfluidic device, a first piezoelectric actuator, a second piezoelectric actuator, and a third piezoelectric actuator. The planar microfluidic device includes an inlet valve, a pumping chamber in fluid communication with the inlet valve via an inlet port, and an outlet valve in fluid communication with the pumping chamber via an outlet port. The first piezoelectric actuator is external to the microfluidic device and mechanically coupled to the inlet valve, the first piezoelectric actuator having a first axial displacement in response to selectively applying a first bias voltage causing the inlet valve to close via the mechanical coupling , The second piezoelectric actuator is mechanically coupled externally to the microfluidic device and to the pumping chamber, the second piezoelectric actuator having a second axial displacement in response to selectively applying a second bias voltage, which causes the pumping chamber to compress via the mechanical coupling , The third piezoelectric actuator is mechanically coupled externally to the microfluidic device and to the exhaust valve, the third piezoelectric actuator having a third axial displacement in response to selectively applying a third bias voltage causing the exhaust valve to close via the mechanical coupling , Thus, fluid from a device inlet port connected to the inlet valve is drawn into the pump chamber through the inlet port when the inlet valve is open, the pump chamber expands and the outlet valve is closed. Similarly, the fluid is expelled from the pumping chamber through the outlet port to a device outlet port connected to the outlet valve when the inlet valve is closed, compressing the pumping chamber and leaving the outlet valve open.

In einer anderen repräsentativen Ausführungsform enthält eine mikrofluidische Vorrichtung eine von einer Pumpenkammer und einer Ventilkammer, die teilweise definiert sind durch eine flexible Membran und einen piezoelektrischen Aktor, welcher mit der mikrofluidischen Vorrichtung gekoppelt ist. Der piezoelektrische Aktor ist konfiguriert, um sich entlang einer längsgerichteten Achse auszudehnen in Reaktion auf ein Anlegen einer Biasspannung, wobei der Wert der Biasspannung die flexible Membran in eine Position bewegt, welche eine von der Pumpenkammer und der Ventilkammer komprimiert zum Beschränken eines Flusses an Fluid durch die mikrofluidische Vorrichtung bei einer gewünschten Strömungsrate. Der piezoelektrische Aktor ist extern zu der mikrofluidischen Vorrichtung.In another representative embodiment, a microfluidic device includes one of a pumping chamber and a valve chamber, which are partially defined by a flexible membrane and a piezoelectric actuator coupled to the microfluidic device. The piezoelectric actuator is configured to expand along a longitudinal axis in response to application of a bias voltage, the value of the bias voltage moving the flexible diaphragm to a position that compresses one of the pumping chamber and the valve chamber to restrict a flow of fluid the microfluidic device at a desired flow rate. The piezoelectric actuator is external to the microfluidic device.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

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.The illustrative embodiments are best understood from the following detailed description when read in conjunction with the accompanying drawings. It is emphasized that the various features are not necessarily drawn to scale. In fact, the dimensions may be arbitrarily increased or decreased for clarity of discussion. Wherever applicable and practicable, like reference numerals refer to similar elements.

1A und 1B zeigen Querschnittsdiagramme, welche eine Fluidtransfervorrichtung veranschaulichen, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform. 1A and 1B 10 show cross-sectional diagrams illustrating a fluid transfer device according to a representative embodiment.

2A, 2B und 2C sind Querschnittsdiagramme, welche eine Fluidtransfervorrichtung veranschaulichen, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform. 2A . 2 B and 2C Figure 10 are cross-sectional diagrams illustrating a fluid transfer device according to a representative embodiment.

3 ist ein Querschnittsdiagramm, welches eine Mehrventil-Fluidtransfervorrichtung veranschaulicht, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform. 3 FIG. 10 is a cross-sectional diagram illustrating a multi-valve fluid transfer device according to a representative embodiment. FIG.

4A und 4B sind Querschnittsdiagramme, welche eine Mehrventil-, integrierte Fluidtransfervorrichtung veranschaulichen, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform. 4A and 4B FIG. 10 are cross-sectional diagrams illustrating a multi-valve, integrated fluid transfer device according to a representative embodiment. FIG.

5A und 5B sind Querschnittsdiagramme, welche Mehrventilmikrofluidische Vorrichtung von integrierten Fluidtransfervorrichtungen veranschaulichen, gemäß repräsentativen Ausführungsformen. 5A and 5B 10 are cross-sectional diagrams illustrating multi-valve microfluidic devices of integrated fluid transfer devices, according to representative embodiments.

6 ist ein Querschnittsdiagramm, welches eine Aktorvorrichtung veranschaulicht, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform. 6 FIG. 10 is a cross-sectional diagram illustrating an actuator device according to a representative embodiment. FIG.

7 ist ein Querschnittsdiagramm, welches eine Mehrventil-, integrierte Fluidtransfervorrichtung veranschaulicht, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform, welche die Aktorvorrichtung von 6 enthält. 7 FIG. 12 is a cross-sectional diagram illustrating a multi-valve, integrated fluid transfer device according to a representative embodiment incorporating the actuator device of FIG 6 contains.

8A und 8B sind Querschnittsdiagramme, welche eine Ventilkammer veranschaulichen, welche eine erhabene Struktur aufweisen, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform. 8A and 8B FIG. 10 are cross-sectional diagrams illustrating a valve chamber having a raised structure according to a representative embodiment. FIG.

9A und 9B sind Querschnittsdiagramme, welche eine Pumpenkammer veranschaulichen, die eine erhabene Struktur aufweist, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform. 9A and 9B FIG. 10 are cross-sectional diagrams illustrating a pumping chamber having a raised structure according to a representative embodiment. FIG.

10A und 10B sind Querschnittsdiagramme, welche eine Pumpenkammer veranschaulichen, die eine abgesenkte Struktur aufweisen, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform. 10A and 10B FIG. 10 are cross-sectional diagrams illustrating a pumping chamber having a lowered structure according to a representative embodiment. FIG.

11A und 11B sind Querschnittsdiagramme, welche eine Pumpenkammer veranschaulichen, die eine gaspermeable Membran aufweist, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform. 11A and 11B FIG. 10 are cross-sectional diagrams illustrating a pumping chamber having a gas-permeable membrane according to a representative embodiment. FIG.

12A und 12B sind Querschnittsdiagramme, welche eine Mehrventil, integrierte Fluidtransfervorrichtung veranschaulichen, welche einen Dauerdurchfluss aufweist, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform. 12A and 12B 10 are cross-sectional diagrams illustrating a multi-valve, integrated fluid transfer device having a continuous flow according to a representative embodiment.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

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.In the following detailed description, for purposes of explanation and not limitation, illustrative embodiments are set forth in order to provide a thorough understanding of embodiments in accordance with the present teachings. However, for one who has had the benefit of the present disclosure, it will become apparent that other embodiments in accordance with the present teachings that depart from the specific details disclosed herein may remain within the scope of the appended claims. In addition, descriptions of well-known devices and methods may be omitted so as not to obscure the description of the exemplary embodiments. Such methods and apparatus are within the scope of the present teachings.

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.Generally, it is understood that the drawings and the various elements illustrated therein are not drawn to scale. Further, relative terms such as "over," "under," "top," "bottom," "upper," "lower," "left," "right," "vertical," and "horizontal" are used to refer to to describe the various relationships of elements to one another as illustrated in the accompanying drawings. It is to be understood that these relative terms are intended to encompass different orientation of the device and / or elements in addition to the orientation illustrated in the drawings. For example, if the device were inverted with respect to the view in the drawings, one element described as "above" another element would now be, for example, "under" that element. Similarly, if the device were rotated 90 ° with respect to the view in the drawings, an element described as "vertical", e.g. now be "horizontal".

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.Various representative embodiments provide a planar microfluidic device coupled to one or more external piezoelectric actuators for producing a fluid pumping device or fluid transfer device, such as a micropump. For example, the microfluidic device may include an inlet, a first valve chamber, a pumping chamber, a second valve chamber and an outlet. A first piezoelectric actuator is configured to open and close a first valve in the first valve chamber, a second piezoelectric actuator is configured to compress and expand the pumping chamber, and a third piezoelectric actuator is configured to open and close a second valve in the third valve chamber. Each of the first, second, and third piezoelectric actuators is configured to axially expand and contract along an elongated longitudinal axis for interaction with the corresponding valve or pumping chamber.

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. By closing the second valve, opening the first valve, and expanding the pumping chamber, fluid is drawn in from the inlet. By closing the first valve, opening the second valve and compressing the pump chamber, fluid is expelled from the device. Accordingly, the fluid transfer device is capable of pumping fluid and generating a substantial pressure, e.g. in a range of about 50 bar to over about 1,000 bar pressure. The various embodiments may be used for high performance liquid chromatography (HPLC) instruments, for example, for loading samples and / or as the analytical pump itself.

1A und 1B sind Querschnittsdiagramme, welche eine Fluidtransfervorrichtung veranschaulichen, enthaltend einen piezoelektrischen Aktor, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform. 1A and 1B FIG. 10 are cross-sectional diagrams illustrating a fluid transfer device including a piezoelectric actuator according to a representative embodiment. FIG.

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. Das Fluid kann eine Flüssigkeit oder ein Gas sein, wie es dem Fachmann offenkundig sein würde. 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. Referring to 1A and 1B , Contains the fluid transfer device 100 a planar microfluidic pump device 130 which is an internal pumping chamber 140 , an inlet opening 131 and an outlet opening 132 having. The microfluidic pump device 130 also contains a flexible membrane 120 , which is the top wall of the internal pump chamber 140 forms. Like in Detail is described below, the flexible membrane 120 bent down (or deformed) from its initial position (shown in FIG 1A ) into a bent position (shown in FIG 1B ), Fluid from the pump chamber 140 through the outlet opening 132 ejecting, and is straightened upwards from its bent position to its initial position, fluid into the pumping chamber 140 through the inlet opening 131 sucking in to deliver a pumping action. The fluid may be a liquid or a gas, as would be apparent to those skilled in the art. The microfluidic pump device 130 may be formed of a durable material, such as stainless steel or other metal material. Alternatively, the microfluidic pump device 130 be formed of a different material, such as glass, ceramic, silicone or a polymer such as polyimide, polycarbonate or other plastic, without departing from the scope of the present teachings. Similarly, the flexible membrane 120 be formed of a flexible metal, such as a stainless steel. Alternatively, the flexible membrane 120 of materials such as polymers, glass, ceramics, and metals, or any combination thereof, without departing from the scope of the present teachings. In various embodiments, the internal surfaces of the microfluidic pumping device 130 (eg walls of the pump chamber 140 ) coated with a non-reactive coating, which may contain, for example, a polymer, ceramic, glass, metal or fluoropolymer coating.

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. The fluid transfer device 100 also includes a piezoelectric actuator 110 , which externally to the microfluidic pump device 130 about a boss 115 (English boss) is coupled. The piezoelectric actuator is externally coupled, in that it is completely outside the pump chamber 140 is arranged and therefore is not in contact with the working fluid in the pump chamber 140 is included or passes through them. The piezoelectric actuator 110 can therefore be used in high-pressure systems for which there is otherwise a risk of contamination of the piezoelectric actuator 110 if it is not external to the microfluidic pumping device 130 would. In various configurations, the external piezoelectric actuator 110 also from the microfluidic pump device 130 be removable. Therefore, the external coupling of the piezoelectric actuator allows 110 a simple replacement of the microfluidic pump device 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.In the illustrated configuration, the piezoelectric actuator has 110 an elongated shape, wherein the length is greater than the width, as in 1A and 1B specified. A longitudinal axis L of the piezoelectric actuator 110 is substantially perpendicular to the upper surface (flexible membrane 120 ) of the microfluidic pump device 130 arranged. This deviates from a conventional system in which a longitudinal axis of the piezoelectric actuator is parallel to the upper surface of the microfluidic device so that it lies substantially flat on the microfluidic device. Although the piezoelectric actuator 110 As shown having a substantially rectangular shape, it should be understood that a variety of elongate shapes having a longitudinal axis L may be incorporated without departing from the scope of the present teachings.

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. The piezoelectric actuator has an axial displacement along the longitudinal axis L in response to a bias voltage being applied. For example, upon application of the bias voltage (eg, 100V), the piezoelectric actuator expands 110 from a contracted position (shown in FIG 1A ) to an extended position (shown in FIG 1B ) and forces the flexible membrane 120 to bend down into the pump chamber 140 to a distance, which of the axial displacement by means of the bosses 115 equivalent. The downward movement of the flexible membrane 120 thus compresses the pump chamber 140 so that the pump chamber 140 from an expanded position (shown in FIG 1A ) to a compressed position (shown in FIG 1B ) passes over. The movement from the expanded position to the compressed position causes the pump chamber 140 Fluid from the outlet port 132 ejects. The bosses 115 provides a transition from the cross section of the piezoelectric actuator 110 (eg rectangular) to a circular area, over which pressure on the flexible membrane 120 is created.

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, eine Pumpfunktionalität liefernd.Similarly, when the bias voltage is reduced (eg, 0 volts is applied), which involves removing the bias voltage, the piezoelectric actuator contracts 110 from the extended position (shown in FIG 1B ) to its initial contracted position (shown in FIG 1A ), what is the flexible membrane 120 the microfluidic pump device 130 allows to straighten up and out of the pump chamber 140 to move out. The straightening movement of the flexible membrane 120 consequently, the pump chamber expands 140 so that the pump chamber 140 from its compressed position (shown in 1B ) to its initially expanded position (shown in FIG 1A ) passes over. The movement from the compressed position to the expanded position causes the pump chamber 140 Fluid through the inlet opening 131 sucks. The application of the bias voltage to the piezoelectric actuator 110 is repeated in a periodic manner to cause the pump chamber 140 alternately expanded and compressed, causing fluid to be sucked in and expelled through the inlet port 131 or the outlet opening 132 Delivering a pumping functionality.

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 the illustrated illustrative embodiment, the fluid transfer device includes 100 also a highly rigid actuator 150 which is connected to the piezoelectric actuator 110 is coupled. The highly rigid actuator 150 may be a slow low compliance actuator configured to adjust a position of the piezoelectric actuator with respect to the microfluidic pump device 130 eg to make sure the piezoelectric actuator 110 is correctly positioned with respect to the microfluidic pumping device 130 , In addition, the high-stiffness actuator provides 150 a barrier that prevents the piezoelectric actuator 110 extending in an upward direction upon the application of the bias voltage, causing the axial deflection in the downward direction to occur around the flexible diaphragm 120 more efficient to bend. Similar to the piezoelectric actuator 110 is the highly rigid actuator 150 external to the microfluidic pumping device 130 , which makes it easy to replace the microfluidic part. The highly rigid actuator 150 can be adjusted, for example, to accommodate any slow thermal misalignment that occurs between the piezoelectric actuator 110 and the microfluidic pump device 130 occurs.

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.In the illustrated example, the high-stiffness actuator 150 implemented as an adjustable screw drive configured to adjust the position of the piezoelectric actuator 110 along the longitudinal axis L by correspondingly moving the screw drive in clockwise or counterclockwise directions. The screw drive can be realized by coupling a rotary motor to an adjustable screw with fine pitch, for example, such as a rotary stepping motor. Of course, other types of highly rigid actuators 150 can be incorporated or the highly rigid actuator can be omitted at all without departing from the scope of the present teachings. Other implementations of the highly rigid actuator 150 contain, for example, a pneumatic actuator, a thermal actuator or a wedge drive.

2A, 2B und 2C sind Querschnittsdiagramme, welche eine Fluidtransfervorrichtung veranschaulichen, welche einen piezoelektrischen Aktor enthält, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform. 2A . 2 B and 2C FIG. 15 are cross-sectional diagrams illustrating a fluid transfer device including a piezoelectric actuator according to a representative embodiment. FIG.

Bezug nehmend auf 2A bis 2C 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.Referring to 2A to 2C contains the fluid transfer device 200 a piezoelectric actuator 110 , a boss 115 and a highly rigid actuator 150 which are for the purpose of description as the same as with reference to 1A and 1B be adopted. The fluid transfer device 200 also includes a planar microfluidic valve device 230 which is an internal valve chamber 240 , a flexible membrane 220 , an inlet opening 231 and an outlet opening 232 having. The microfluidic valve device 230 also contains a valve 245 which is inside the valve chamber 240 is formed by the operation of the flexible membrane 220 and the preceding part 246 the outlet opening 232 , As described in detail below, the flexible membrane becomes 220 from its initial position (shown in FIG 2A ) is bent down (or deformed) to a bent position (shown in FIG 2 B ) mechanically to the protruding part 246 to contact, which prevents fluid from entering the inlet 231 entering or out of the outlet opening 232 exit and consequently the valve 245 effectively closes. The flexible membrane 220 is then straightened upwardly from the bent position to its initial position allowing fluid to enter the inlet port 231 enter and the outlet opening 232 to leave what the valve 245 opens effectively.

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.Each of the piezoelectric actuator 110 , the bosses 115 and the highly rigid actuator 150 is external to the microfluidic valve device 230 as discussed above. For example, the piezoelectric actuator 110 externally coupled, in that it is completely outside the valve chamber 240 is arranged and therefore is not in contact with the fluid which is in the valve chamber 245 and / or the valve 245 is included or passes. The piezoelectric actuator 110 , the bosses 115 and the highly rigid actuator 150 can also from the microfluidic valve device 230 be removable.

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. The microfluidic valve device 230 may be formed of a durable material, such as stainless steel or another metal. Alternatively, the microfluidic pump device 230 be formed of a different material, such as glass, ceramic, silicone or a polymer such as polyimide, polycarbonate or other plastic, without departing from the scope of the present teachings. Similarly, the flexible membrane 220 be formed of a flexible metal, such as stainless steel. Alternatively, the flexible membrane 220 be formed of a different material, such as polymers, glass, ceramics and metals or any combination thereof, without departing from the scope of the present teachings. As discussed above, in various embodiments, the internal surfaces of the microfluidic pumping device may 230 (eg walls of the valve chamber 240 ) with a non-reactive coating, which is a polymer, Ceramics, glass, metal or a fluoropolymer coating may be coated, for example.

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, was eine Fluidpumpfunktionalität liefert.As discussed above, the piezoelectric actuator has 110 an axial displacement along a longitudinal axis L in response to application of a bias voltage (not shown). For example, the piezoelectric actuator expands 110 upon application of the bias voltage (eg, 100V) from a contracted position (shown in FIG 2A ) to an extended position (shown in FIG 2 B ) what the flexible membrane 220 the microfluidic valve device 230 this forces you down into the valve chamber 240 to bend at a distance, which is the axial displacement by means of the bosses 115 equivalent. As noted above, the flexible membrane covers 220 thereby the above part 246 the outlet opening 232 what the valve 245 effectively closes (shown in 2 B ). Similarly, when the bias voltage application is reduced (eg, 0V is applied), the piezoelectric actuator contracts 110 from the extended position (shown in FIG 2 B ) into its initial contracted position (shown in FIG 2A ), what is the flexible membrane 220 the microfluidic valve device 230 allowed to move up from the valve chamber 240 to move out. The upward movement of the flexible membrane 220 thus expanding the valve chamber 240 and puts the previous part 246 free what the valve 245 effectively opens (shown in 2A ). An opening of the valve 245 displaces the valve chamber 242 able to fluid through the inlet opening 231 suck. The application of the bias voltage to the piezoelectric actuator 110 is repeated in a periodic manner to cause the valve 245 alternately opens and closes, allowing the fluid to be sucked in and expelled through the inlet port 231 or the outlet opening 232 , which provides a fluid pumping functionality.

Die Fluidtransfervorrichtung 200 kann auch konfiguriert sein, um eine variable Strömungsbegrenzung (oder variable Strömungsmodulation) des Fluids zu ermöglichen. Bezug nehmend auf 2C kann zum Beispiel eine vorläufige Biasspannung (z.B. 50 V) an den piezoelektrischen Aktor 110 angelegt werden zum Liefern einer axialen Auslenkung entlang der längsgerichteten Achse L zwischen der vollständig kontrahierten Position (dargestellt in 2A) und der vollständig ausgedehnten Position (dargestellt in 2B). Die vorläufige Biasspannung ist zwischen der Biasspannung (z.B. 0 V) zum vollständigen Kontrahieren des piezoelektrischen Aktors 110 und der Biasspannung (z.B. 100 V) zum vollständigen Ausdehnen des piezoelektrischen Aktors 110. Der Betrag der Ausdehnung des piezoelektrischen Aktors 110 kann eine lineare Funktion oder eine nicht-lineare Funktion der vorläufigen Biasspannung sein, abhängig von der jeweiligen Implementierung.The fluid transfer device 200 may also be configured to allow variable flow restriction (or variable flow modulation) of the fluid. Referring to 2C For example, a preliminary bias voltage (eg, 50V) may be applied to the piezoelectric actuator 110 be applied to provide axial deflection along the longitudinal axis L between the fully contracted position (shown in FIG 2A ) and the fully extended position (shown in FIG 2 B ). The preliminary bias voltage is between the bias voltage (eg, 0 V) for fully contracting the piezoelectric actuator 110 and the bias voltage (eg, 100V) for fully expanding the piezoelectric actuator 110 , The amount of expansion of the piezoelectric actuator 110 may be a linear function or a non-linear function of the preliminary bias voltage, depending on the particular implementation.

Ein Anlegen der vorläufigen Biasspannung zwingt die flexible Membran 220 der mikrofluidischen Ventilvorrichtung 230, sich nach unten zu biegen in die Ventilkammer 240 um eine Distanz, welche der axialen Auslenkung über die Bosse 115 entspricht, z.B. ungefähr die Hälfte der Distanz zu dem vorstehenden Teil 246 in dem dargestellten Beispiel. Durch kontinuierliches Anlegen der vorläufigen Biasspannung wird die flexible Membran 220 in dieser Position über dem vorstehenden Teil 246 gehalten, eine Begrenzung erzeugend, welche eine Strömung der Flüssigkeit von dem Einlassanschluss 231 zu dem Auslassanschluss 232 durch die Fluidtransfervorrichtung 200 einstellt. In anderen Worten wird die vorläufige Biasspannung an den piezoelektrischen Aktor 110 kontinuierlich angelegt zum Beibehalten einer konstanten axialen Auslenkung und zum Bewirken, dass die Fluidtransfervorrichtung 200 die Strömungsbegrenzungsfunktionalität liefert.Application of the preliminary bias voltage forces the flexible membrane 220 the microfluidic valve device 230 to bend down into the valve chamber 240 by a distance, which is the axial deflection over the bosses 115 corresponds, for example, about half the distance to the protruding part 246 in the example shown. Continuously applying the preliminary bias voltage turns the flexible membrane 220 in this position over the protruding part 246 held, creating a boundary, which is a flow of liquid from the inlet port 231 to the outlet port 232 through the fluid transfer device 200 established. In other words, the preliminary bias voltage is applied to the piezoelectric actuator 110 continuously applied to maintain a constant axial deflection and to cause the fluid transfer device 200 provides the flow limiting functionality.

In der dargestellten Ausführungsform schließt ein Erhöhen der vorläufigen Biasspannung die Begrenzung weiter, und reduziert folglich die Fluidströmung, und ein Reduzieren der vorläufigen Biasspannung öffnet die Begrenzung weiter, und erhöht folglich die Fluidströmung, um die gewünschte Strömungsrate zu erzielen. Die Fluidströmung kann ermöglicht sein durch eine Pumpwirkung von anderen Fluidtransfervorrichtungen, wie beispielsweise die Pumpwirkung, die oben mit Bezug auf die 1A2B beschrieben wurde, welche in Fluidkommunikation mit der Fluidtransfervorrichtung 200 sind, an welche die vorläufige Biasspannung angelegt wird. Beispiele von Fluidtransfervorrichtungen in Fluidkommunikation miteinander sind unten beschrieben mit Bezug auf die 35B, 7 und 12A12B.In the illustrated embodiment, increasing the preliminary bias voltage further completes the limitation, and thus reduces the fluid flow, and reducing the preliminary bias voltage further opens the boundary, and thus increases the fluid flow to achieve the desired flow rate. The fluid flow may be enabled by a pumping action of other fluid transfer devices, such as the pumping action described above with respect to FIGS 1A - 2 B which is in fluid communication with the fluid transfer device 200 are to which the preliminary bias voltage is applied. Examples of fluid transfer devices in fluid communication with each other are described below with reference to FIGS 3 - 5B . 7 and 12A - 12B ,

In verschiedenen Ausführungsformen kann die Fluidtransfervorrichtung 100 ähnlich konfiguriert sein für eine Strömungsmodulation. Zum Beispiel dehnt sich, Bezug nehmend auf 1B, der piezoelektrische Aktor 110 auf ein Anlegen der Biasspannung (z.B. 100 V) in die ausgedehnte Position aus, und zwingt die flexible Membran 120, sich nach unten in die Pumpenkammer 140 zu biegen. Durch Beibehalten des Anlegens der Biasspannung wird die flexible Membran 120 in dieser Position gehalten, was eine Begrenzung erzeugt, welche eine Strömung des Fluids von der Einlassöffnung 131 zu der Auslassöffnung 132 durch die Fluidtransfervorrichtung 100 einstellt. Ähnlich kann die Strömung moduliert werden durch Anlegen einer vorläufigen Biasspannung (z.B. 50 V) zwischen der Biasspannung (z.B. 0 V) zum vollständigen Kontrahieren des piezoelektrischen Aktors 110 und der Biasspannung (z.B. 100 V) zum vollständigen Ausdehnen des piezoelektrischen Aktors 110. Ein kontinuierliches Anlegen der vorläufigen Biasspannung bewirkt, dass der piezoelektrische Aktor 110 eine Position zwischen dem vollständig Kontrahiertsein und dem vollständig Ausgedehntsein (nicht dargestellt) beibehält, abhängig von der gewünschten Strömungsrate.In various embodiments, the fluid transfer device 100 similarly configured for flow modulation. For example, it expands, referring to 1B , the piezoelectric actuator 110 upon applying the bias voltage (eg, 100V) to the extended position, forcing the flexible membrane 120 , down into the pump chamber 140 to bend. By maintaining the application of the bias voltage, the flexible membrane becomes 120 held in this position, which creates a boundary which a flow of fluid from the inlet port 131 to the outlet opening 132 through the fluid transfer device 100 established. Similarly, the flow can be modulated by applying a bias bias voltage (eg, 50V) between the bias voltage (eg, 0V) to fully contract the piezoelectric actuator 110 and the bias voltage (eg, 100V) for fully expanding the piezoelectric actuator 110 , Continuously applying the preliminary bias voltage causes the piezoelectric actuator 110 a position between that completely Contraction and fully expanded (not shown), depending on the desired flow rate.

3 ist ein Querschnittsdiagramm, welches eine Mehrventil-Fluidtransfervorrichtung veranschaulicht, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform. 3 FIG. 10 is a cross-sectional diagram illustrating a multi-valve fluid transfer device according to a representative embodiment. FIG.

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 2A2C 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 2A2C 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.Referring to 3 contains a fluid transfer device 300 an intake valve device 301 , a pump device 302 and an exhaust valve device 303 , which are shown as separate microfluidic devices in fluid communication with each other through the fluid conduits 306 respectively. 307 , In the illustrated embodiment, the inlet valve means 301 be substantially the same as the fluid transfer device 200 , in the 2A - 2C is shown, and the pump device 302 may be substantially the same as the fluid transfer device 100 , what a 1A and 1B is shown. The outlet valve device 303 may be similar to the fluid transfer device 200 , in the 2A - 2C except that the inlet port and the outlet port are reversed, as discussed below. In an alternative embodiment, the inlet valve device 301 , the pump device 302 and the exhaust valve device 303 be made as a single integrated unit, an example of which in 4A and 4B is shown.

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. The inlet valve device 301 contains a first piezoelectric actuator 311 , which is mechanically coupled to a flexible membrane 321 the microfluidic valve device 331 about a boss 316 for operating the intake valve 346 in the intake valve chamber 341 , As discussed above, the first piezoelectric actuator has 311 a first axial displacement along its longitudinal axis in response to selectively applying a first bias voltage (not shown). That is, the sequential application and reduction (eg, removal) of the first bias voltage causes the piezoelectric actuator 311 expands and contracts accordingly, and the flexible membrane 321 the microfluidic valve device 331 Bends and straightens alternately the inlet valve 346 to close and open. When it is closed, the inlet valve prevents 346 Fluid from being sucked into the inlet port 324 , which is the device inlet opening 361 the fluid transfer device 300 corresponds to or to be ejected from the outlet port 325 by pressing the flexible membrane 321 against the preceding part 347 , When it is open, the inlet valve allows 346 in that fluid is sucked in to the inlet opening 324 and ejected from the outlet port 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. The pump device 302 contains a second piezoelectric actuator 312 which mechanically with the flexible membrane 322 the microfluidic pump device 332 is coupled via a boss 317 for operating the pump chamber 342 , As discussed above, the second piezoelectric actuator has 312 a second axial displacement along its longitudinal axis in response to selectively applying a second bias voltage (not shown). That is, sequentially applying and reducing (eg, removing) the second bias voltage causes the piezoelectric actuator 312 expands and contracts accordingly which causes the flexible membrane 322 the microfluidic valve device 332 bends and straightens to alternately compress and expand the pumping chamber 342 , When compressed, the pump chamber abuts 342 Fluid from the outlet port 327 out, ie during the intake valve 346 (discussed above) is closed to prevent fluid from entering the inlet 326 is sucked in, and the exhaust valve 348 (discussed above) is open to allow the fluid from the outlet port 327 to be expelled. When it expands, the pump chamber sucks 342 Fluid through the inlet opening 326 on, for example, while the exhaust valve 348 (discussed above) is closed, which prevents fluid from passing through the outlet port 327 is discharged, and the intake valve 346 (discussed above) is open to allow fluid through the inlet port 326 is sucked in.

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. The outlet valve device 303 contains a third piezoelectric actuator 313 , which mechanically to a flexible membrane 323 the microfluidic valve device 333 is coupled via a boss 318 for operating the intake valve 348 in the intake valve chamber 343 , As discussed above, the third piezoelectric actuator has 313 a third axial displacement along its longitudinal axis in response to selectively applying a third bias voltage (not shown). That is, sequentially applying and reducing (eg, removing) the third bias voltage causes the piezoelectric actuator 313 expands and contracts accordingly and the flexible membrane 323 the microfluidic valve device 333 bends and straightens to alternate the exhaust valve 348 to close and open. When it is closed, the exhaust valve prevents 348 in that fluid to the inlet port 328 is sucked in or ejected from the outlet opening 329 that of the device outlet opening 362 the fluid transfer device 300 corresponds by pressing the flexible membrane 323 against a protruding part 349 , When it is open, the exhaust valve allows 348 in that fluid to the inlet port 328 is sucked in and out of the outlet opening 329 is ejected.

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 1A2C. 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. The inlet valve device 301 , the pump device 302 and the exhaust valve device 303 contain highly rigid actuators 351 . 352 respectively. 353 , which with the corresponding first, second and third piezoelectric actuators 311 . 312 and 313 are coupled. Each one of the highly rigid actuators 351 . 352 and 353 may be a slow low compliance actuator configured to adjust a position of the first, second and third piezoelectric actuators 311 . 312 and 313 as discussed above with respect to the high stiffness actuator 115 in 1A - 2C , In the example shown, the highly rigid actuators 351 . 352 and 353 implemented as adjustable screw drives configured to adjust the position of the first, second and third piezoelectric actuators 311 . 312 and 313 along the respective longitudinal axes by moving the screw drive in corresponding clockwise or counterclockwise directions.

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. The operation of the intake valve device 301 and the exhaust valve device 303 is coordinated with the operation of the pump device 302 to prevent movement of fluid from the device inlet port 361 to the device outlet port 362 through the fluid transfer device 300 to enable. For example, as described above, fluid from the device outlet port becomes fluid 362 eject the first and second bias voltages to the first and second piezoelectric actuators, respectively 311 respectively. 312 created, causing that the inlet valve 346 the inlet valve device closes and causing the pump chamber 342 the pump device 302 compressed. At the same time, the third bias voltage becomes the third piezoelectric actuator 313 reduced (eg 0 volts is applied), causing the exhaust valve 348 the exhaust valve device 303 opens what it is the fluid in the pump chamber 342 allows, through the device outlet opening 362 over the outlet opening 327 withdraw. To deliver fluid to the device inlet port 361 to suck in, the first and second bias voltages become the first and second piezoelectric actuators, respectively 311 respectively. 312 reduced (eg 0 V is applied), causing the exhaust valve 346 the intake valve device 301 opens and causing the pump chamber 342 the pump device 302 expanded. At the same time, the third bias voltage to the third piezoelectric actuator 313 created, causing that the exhaust valve 348 the exhaust valve device 303 closes what allows the fluid into the pump chamber 342 through the device inlet port 361 over the inlet opening 326 to be sucked.

In alternativen Ausführungsformen wirken eine oder mehrere der Einlassventilvorrichtung 301, der Auslassventilvorrichtung 303 und der Pumpenvorrichtung 302 als variabler Strömungsmodulator, wie oben beschrieben wurde. Zum Beispiel können eine oder mehrere der ersten bis dritten Biasspannungen als eine vorläufige Biasspannung beibehalten werden, was bewirkt, dass die entsprechenden ersten bis dritten piezoelektrischen Aktoren 311313 sich ausdehnen und die erste bis dritte flexible Membran 321323 in einer fixen Position halten, die Fluidströmung um einen gewünschten Betrag beschränkend. Dies gilt auch für die anschaulichen Implementierungen, die unten mit Bezug auf 4A5B, 7 und 12A12B diskutiert sind.In alternative embodiments, one or more of the intake valve device operates 301 , the outlet valve device 303 and the pump device 302 as a variable flow modulator, as described above. For example, one or more of the first to third bias voltages may be maintained as a preliminary bias voltage, causing the corresponding first to third piezoelectric actuators 311 - 313 expand and the first to third flexible membrane 321 - 323 hold in a fixed position, restricting fluid flow by a desired amount. This also applies to the illustrative implementations, which are referred to below 4A - 5B . 7 and 12A - 12B are discussed.

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. Zum Beispiel kann die Steuervorrichtung konfiguriert sein zum Bestimmen einer Rate, bei welcher die ersten bis dritten Biasspannungen an die entsprechenden ersten bis dritten piezoelektrischen Aktoren 311313 angelegt werden sollen, um die gewünschte Pumprate zu erzielen, und zum entsprechenden Anlegen der bestimmten Rate. Ähnlich kann die Steuervorrichtung konfiguriert sein zum Bestimmen einer Ausdehnung von einem oder mehreren der ersten bis dritten piezoelektrischen Aktoren 311313, welche einer gewünschten Strömungsrate entspricht, und zum Steuern des Anlegens der ersten bis dritten Biasspannungen zum Bewegen der ersten bis dritten flexiblen Membran in die richtige Position zum Beschränken der Strömung des Fluids auf die gewünschte Strömungsrate.In various embodiments, the timing of application and reduction (eg, removal) of the first, second, and third bias voltages may be controlled by a controller (not shown), such as a processor or central processing unit (CPU), application-specific integrated Application specific integrated circuits (ASICs), field programmable gate arrays (FPGAs), or combinations thereof, using software, firmware, hardwired logic circuits, or combinations thereof. For example, the control device may be configured to determine a rate at which the first to third bias voltages to the corresponding first to third piezoelectric actuators 311 - 313 should be created to achieve the desired pumping rate and to apply the specific rate accordingly. Similarly, the controller may be configured to determine an extent of one or more of the first through third piezoelectric actuators 311 - 313 , which corresponds to a desired flow rate, and for controlling the application of the first to third bias voltages for moving the first to third flexible diaphragms to the proper position for restricting the flow of the fluid to the desired flow rate.

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 311313 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 311313, wie dies einem Fachmann offenkundig sein wird.When a processor or CPU is used, a memory (not shown) is added for storing executable software / firmware and / or executable code which signals from the controller to the first, second and third actuators 311 - 313 controls. The memory may be any number, type, and combination of non-volatile read only memory (ROM) and volatile random access memory (RAM), and may store various types of information, such as computer programs and software algorithms, that may be used by the computer Processor or the CPU are executable. The memory may be any number, type, and combination of tangible computer readable storage media, such as a disk drive, an electrically programmable read only memory (EPROM); an electrically erasable and programmable read only memory (EEPROM), a CD, a DVD, a universal serial bus (USB), a drive, and the like. The first, second and third bias voltages may be the same or different voltage sources and / or may be the same or different from each other, depending on the characteristics of the corresponding one of the first, second and third actuators 311 - 313 as will be apparent to one skilled in the art.

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. In various embodiments, the deflection of each of the first, second and third piezoelectric actuators 311 . 312 and 313 limited to less than about 100 μm and may be less than about 10 μm in various configurations. The volume of fluid flowing from the device outlet port 362 at each pump stroke is therefore relatively small, typically on the order of about 20 nanoliters, for example. However, the first, second and third piezoelectric actuators 311 . 312 . 313 capable of operating at relatively high frequencies, eg, from about 10 cycles / sec to about 10,000 cycles / sec, allowing fluid flow above about 10 μL / min.

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’. 4A and 4B 10 are cross-sectional diagrams describing a multi-valve, integrated fluid transfer device formed as a single unit, according to a representative embodiment. Especially 4B shows the cross-sectional view of 4A along the line 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 424429 und Fluidleitungen 404408, welche eine Fluidkommunikation der Vorrichtungseinlassöffnung 461, der Einlassventilkammer 441, der Pumpenkammer 442, der Auslassventilkammer 443 und der Vorrichtungsauslassöffnung 462 untereinander erlauben.Referring to 4A contains the fluid transfer device 400 an intake valve device 401 , a pump device 402 and an exhaust valve device 403 , which is an integrated, planar microfluidic device 410 share. That is, in the illustrated embodiment, the inlet valve chamber 441 , the pump chamber 442 and the outlet valve chamber made as separate regions in the single microfluidic device 410 , The microfluidic device 410 contains three separate layers or plates, which serve as a membrane plate 420 , Orifice plate 430 and connecting plate 440 each of which may be patterned on one or both sides, eg using electrochemical etching. The structured membrane plate 420 , the orifice plate 430 and the connection plate 440 are aligned and interconnected to the various features of the integrated fluid transfer device 400 including the device inlet port 461 , the inlet valve chamber 441 , the pump chamber 442 , the outlet valve chamber 443 and the device outlet port 462 as well as the inlet and outlet ports 424 - 429 and fluid lines 404 - 408 , which provides fluid communication of the device inlet port 461 , the inlet valve chamber 441 , the pump chamber 442 , the outlet valve chamber 443 and the device outlet port 462 allow each other.

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. The inlet valve chamber 441 and the exhaust valve chamber 443 contain a corresponding inlet valve 446 and exhaust valve 448 By bending and straightening first and third flexible areas 421 and 423 the membrane plate 420 operate by operating the first and third piezoelectric actuators 411 respectively. 413 , The pump chamber works similarly 442 by bending and straightening a second flexible area 422 the membrane plate 420 by operating the second piezoelectric actuator 412 , The membrane plate 420 , the orifice plate 430 and the connection plate 440 may be formed of metal or other flexible material, such as stainless steel sheets, for example. If metal is used, the membrane plate can 420 , the orifice plate 430 and the connection plate 440 aligned and fused together using high temperature metal diffusion bonding.

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. As in 4B shown, the first, second and third flexible area 421 . 422 and 423 be circular in shape. Protruding parts 447 and 449 may similarly be circular in shape and centered within the first and third flexible regions 421 respectively. 423 , The first, second and third flexible areas 421 . 422 and 423 may be of the same size, having diameters of from about 1.0 mm to 10 mm, for example, and in particular from about 4.0 mm to about 5.0 mm. In alternative configurations, the first, second and third flexible regions may be 421 . 422 and 423 have shapes other than circles and / or may have different sizes from each other, without departing from the scope of the present teachings.

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. In particular, the inlet valve device contains 401 the first piezoelectric actuator 411 , the first flexible area 421 the membrane plate 420 about a boss 416 is mechanically coupled to operate the inlet valve 446 in the intake valve chamber 441 , As discussed above, the first piezoelectric actuator has 411 a first axial displacement along its longitudinal axis in response to selectively applying a first bias voltage (not shown) so that sequentially applying and reducing (eg, removing) the first bias voltage causes the piezoelectric actuator 411 expands and contracts accordingly, and the first flexible area 421 bends and straightens to alternate the inlet valve 446 to close and open. When it is closed, the inlet valve prevents 446 that fluid into the inlet opening 421 (which with the device inlet opening 461 over the line 405 connected) to be sucked in or from the outlet opening 425 To be ejected by pressing the first flexible part 421 against the preceding part 447 , When it is open, the inlet valve allows 446 the fluid, to the inlet port 424 to be sucked in, and from the outlet port 425 to be expelled.

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 Pumpenkammer 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.The pump device 402 contains the second piezoelectric actuator 412 , which mechanically to the second flexible area 422 the membrane plate 420 about a boss 417 is mechanically coupled to operate the pump chamber 442 , As discussed above, the second piezoelectric actuator has 412 a second axial displacement along its longitudinal axis in response to a selective application of a second bias voltage (not shown) such that the sequential application and reduction (eg, removal) of the second bias voltage causes the piezoelectric actuator 412 expands and contracts accordingly and the second flexible part 422 bends and straightens to alternate the pump chamber 442 to compress and expand. When compressed, the pump chamber abuts 442 Fluid from the outlet port 427 off, eg while the inlet valve 446 (discussed above) is closed to prevent the fluid from entering the inlet 426 is sucked in, and the exhaust valve 448 (discussed above) is open to allow the fluid from the outlet port 427 is ejected. When it expands, the pump chamber sucks 442 Fluid through the inlet opening 426 on, for example, while the exhaust valve 448 (discussed below) is closed, which prevents fluid from passing through the outlet 427 is discharged, and the intake valve 446 (discussed above) to allow the fluid to pass through the inlet port 426 to be sucked.

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. The outlet valve device 403 contains the third piezoelectric actuator 413 which mechanically with the third flexible part 423 the membrane plate 420 is coupled via a boss 418 for operating the intake valve 448 in the intake valve chamber 443 , As discussed above, the third piezoelectric actuator has 413 a third axial displacement along its longitudinal axis in response to selectively applying a third bias voltage (not shown) such that sequential application and reduction (eg, removal) of the third bias voltage causes the piezoelectric actuator 413 expands and contracts accordingly and the third flexible part 423 bends and straightens to alternate the exhaust valve 448 to close and open. When it is closed, the exhaust valve prevents 448 the fluid thereupon to the inlet port 428 to be sucked in or from the outlet opening 429 (which is connected to the device outlet opening 462 over the line 408 ) by pushing the third flexible part 423 against the preceding part 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. When it is open, the exhaust valve allows 448 it the fluid, to the inlet port 428 to be sucked in and out of the outlet opening 429 to be expelled.

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.The inlet valve device 401 , the pump device 402 and the exhaust valve device 403 contain highly rigid actuators 451 . 452 respectively. 453 , which with the corresponding first, second and third piezoelectric actuator 411 . 412 and 413 are coupled. Each one of the highly rigid actuators 451 . 452 and 453 may be a slow low compliance actuator configured to adjust a position of the corresponding first, second and third piezoelectric actuators 411 . 412 and 413 as above with respect to the high stiffness actuator 150 in 1A to 2 B discussed. In the examples shown, the highly rigid actuators 451 . 452 and 453 implemented as adjustable screw drives configured to adjust the position of the first, second and third piezoelectric actuators 411 . 412 and 413 along the corresponding longitudinal axis by appropriately moving the screw drive in clockwise or counterclockwise directions.

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.The operation of the intake valve device 401 and the exhaust valve device 403 are coordinated with the operation of the pump device 402 by a control device (not shown) for permitting movement of fluid from the device inlet port 461 to the device outlet port 462 through the fluid transfer device 400 substantially the same as described above with respect to the fluid transfer device 300 represented in 3 , Therefore, the specific details regarding the structure and / or operation of the controller (and associated memory) are not repeated. A micropump acting as a fluid transfer device 400 may, for example, generate pressure of from about 50 bar to over about 1000 bar.

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.An entire compliance of the fluid transfer device 400 is determined in part by the amount of fluid from the valve openings, eg the outlet opening 425 of the inlet valve 446 and the inlet opening 428 the exhaust valve 448 is transferred. The intake and exhaust valves 446 and 448 also have fluidic connections, eg inlet opening 424 and outlet opening 429 , which are connected to the inlet and outlet valve chambers 441 respectively. 443 couple. To reduce the amount of fluid dragged out is the pump chamber 442 With both, the outlet opening 425 of the inlet valve 446 (over the line 406 ) and the inlet opening 428 the exhaust valve 448 (over the line 407 ) connected. In this way the fluid playing in the inlet and outlet valve chambers plays 441 and 443 is not involved in determining the overall compliance of the fluid transfer device 400 , In an illustrative configuration, the depth of the pump chamber 442 on the order of about 10 μm to about 100 be μm, for example, to reduce the corresponding chamber volume. For applications in which the compliance of the fluid transfer device 400 not critical, the depth of the pump chamber can 442 be larger and / or the pump chamber 442 can with the device inlet 461 or the device outlet opening 462 outside the corresponding outlet opening 425 and inlet opening 428 be connected.

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. 5A and 5B 12 are cross-sectional diagrams illustrating multi-valve planar microfluidic devices of integrated fluid transfer assemblies according to representative embodiments. Exactly shows 5A a cross section of a planar microfluidic device 510a and 5B shows a cross section of a planar microfluidic device 510b each of which is a membrane plate 420 which is removable via a sealing layer as discussed below.

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 571573 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 571573, 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.Referring to 5A contains the planar microfluidic device 510a the membrane plate 420 , the orifice plate 430 and the connection plate 440 which are structured, aligned and interconnected to produce the various features of an integrated fluid transfer device as discussed above with respect to the fluid transfer device 400 and the corresponding planar microfluidic device 410 in 4A and 4B , In addition, a bottom surface of the membrane plate 420 removably connected to an upper surface of the orifice plate 430 through a sealing layer containing a series of O-rings, including a first O-ring 571 , a second O-ring 572 and a third O-ring 573 , The first O-ring 571 surrounds the first flexible area 421 for sealing the circumference of the inlet valve chamber 441 , the second O-ring 572 surrounds the second flexible area 422 for sealing the circumference of the pump chamber 442 and the third O-ring 573 surrounds the third flexible area 423 for sealing the circumference of the outlet valve chamber 443 , Each of the first, second and third O-rings 571 - 573 may be formed of a resilient polymer, such as Viton ®, PTFE, Kalrez ®, for example. Consequently, the respective seals are formed by compressing the membrane plate 420 against the first, second and third O-ring 571 - 573 What makes it possible for the membrane plate 420 to the orifice plate 430 is well-sealed. Otherwise, the formation and operation of the planar microfluidic device 510a essentially the same as discussed above with respect to the planar microfluidic device 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. Similarly, referring to 5B Contains the planar microfluidic device 510b the membrane plate 420 , the orifice plate 430 and the connection plate 440 which are structured, aligned and interconnected to produce the various features of an integrated fluid transfer device as described above with respect to the fluid transfer device 400 and the corresponding planar microfluidic device 410 from 4A and 4B , In addition, a bottom surface of the membrane plate 420 removably connected to an upper surface of the orifice plate 430 through a sealing layer, which is a sealing membrane 570 contains, which may be formed of a polymer such as polyimide, PEEK, PAEK, or Vespel ®, for example. Consequently, the seals which are the inlet valve chamber 441 , the pump chamber 442 and the exhaust valve 443 surrounded, formed by compressing the membrane plate 420 against the sealing membrane 570 What makes it possible for the membrane plate 420 to the orifice plate 430 is well-sealed. Otherwise, the formation and operation of the planar microfluidic device 510b essentially the same as discussed above with respect to the planar microfluidic device 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 311313 und des ersten, zweiten und dritten hochsteifen Aktors 351353 diskutiert oben mit Bezug auf 3 und/oder des ersten, zweiten und dritten piezoelektrischen Aktors 411413 und des ersten, zweiten und dritten hochsteifen Aktors 451453 diskutiert oben mit Bezug auf die 4A und 4B. 6 FIG. 10 is a cross-sectional diagram illustrating an actuating device according to a representative embodiment. FIG. For example, the actuating device includes a piezoelectric actuator and a highly rigid actuator for driving a planar microfluidic device, wherein the piezoelectric actuator and the high-stiffness actuator, which in 6 are shown, detailed configurations of the piezoelectric actuator 110 and the highly rigid actuator 150 which were discussed above with reference to 1 to 2 , the first, second and third piezoelectric actuators 311 - 313 and the first, second and third high-stiffness actuators 351 - 353 discussed above with reference to 3 and / or the first, second and third piezoelectric actuators 411 - 413 and the first, second and third high-stiffness actuators 451 - 453 discussed above with reference to the 4A and 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.Referring to 6 includes an actuator 600 an illustrative high-stiffness actuator assembly 650 and an illustrative piezoelectric actuator assembly 610 , In the illustrated embodiment, the high-stiffness actuator assembly 650 a screw drive, eg containing a rotary motor 652 which is on a frame 680 is attached and coupled with an adjusting screw 654 with fine pitch (eg M3, 0.2 mm pitch), by a strain relief 656 , The strain relief 656 For example, takes a misalignment of the rotary motor 652 and the adjusting screw 654 on. The adjusting screw is through the frame 680 screwed and can be biased against the thread with a screw preload 658 , which is shown schematically as a spring. A first ball bearing surface 659 is machined or bonded to a distal end of the adjustment screw 654 , When the adjusting screw 654 is extended, sits the first ball bearing surface 659 in a first matching pedestal 671 the piezoelectric actuator assembly 610 and thus transmits the deflection of the adjusting screw 654 on the piezoelectric assembly 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. The first counter-pedestal 671 is on a first carrier plate 672 attached, which is free, in the longitudinal (vertical) direction relative to the frame 680 to move. However, the first carrier plate is 672 laterally constrained so that it is unable to rotate, eg, about a longitudinal axis of the piezoelectric actuator 611 as discussed below. Accordingly, when the adjusting screw 654 rotates, in a clockwise or counterclockwise direction, the associated torque from the first carrier plate 672 recorded and will not be in the piezoelectric actuator 611 coupled. For example, the piezoelectric actuator 611 made of sintered material (s) and would therefore be susceptible to breakage when subjected to rotation or tension by operation of the adjusting screw 654 , The first carrier plate 672 is with the frame 680 by a first spring carrier 682 connected, shown schematically as two springs on each side of the first support plate 672 , The first spring carrier 682 pulls the first carrier plate 672 and the attached second counter socket 673 in contact with a second ball bearing surface 674 attached to one end of the piezoelectric actuator 611 is attached.

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 Piezoröhren Aktor 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. The piezoelectric actuator 611 is effectively the core of the actuator 600 , The piezoelectric actuator 611 may be any of a variety of piezo actuators, either recessed or blank, formed from any of a variety of piezoelectric materials. For example, the piezoelectric actuator 611 be a stacked piezoelectric actuator, such as the piezoelectric actuator AE0505D16F, available from Thorlabs, or a piezoelectric tube, such as the piezoelectric tube actuator PT-120, available from Physik Instrumente, although other types of piezoelectric actuators can be installed without the circumference to depart from the present teachings. In 6 the piezoelectric actuator is shown with a strain gauge 612 , The resistance of the strain gauge 612 changes when the piezoelectric actuator 611 extends to the application of a voltage across first and second voltage lines 615 and 616 or contracts for a reduction in voltage from the first and second voltage lines 615 and 616 , The strain gauge 612 is shown schematically, with a constant current through the first strain gauge line 616 can be applied and the strain gauge resistance can be monitored by measuring the voltage between the first strain gauge line 613 and the second strain gauge lead 614 is induced. In one embodiment, the strain gauge may 612 be arranged in a resistance bridge, eg with two active sensors and two dummy resistors.

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, 2C 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. Because very little torque on the piezoelectric actuator 611 should be applied, a mechanical contact is made with the piezoelectric actuator 611 through the second ball bearing surface 674 attached to one end of the piezoelectric actuator 611 is fixed, as discussed above, and a third ball bearing surface 675 at the opposite end of the piezoelectric actuator 611 is attached. The third ball bearing surface 675 contacted a third counter socket 676 , which on the second support plate 677 is attached. The second carrier plate 677 can with the frame 680 be connected by a second spring carrier 684 schematically illustrated as two springs on each side of the second carrier plate 677 , Consequently, allowed when the adjustment screw 654 is withdrawn, the first spring carrier 682 and the second spring carrier 684 the piezoelectric actuator 611 , to move freely in the longitudinal (vertical) direction, which is particularly significant when a corresponding microfluidic device (not shown in FIG 6 ) is either removed or used. Examples of the corresponding microfluidic device include microfluidic pump devices 130 and 333 represented in 1A . 1B and 3 ; Microfluidic valve devices 230 . 331 and 333 represented in 2A . 2 B . 2C and 3 ; and integrated microfluidic devices 410 . 510a and 510b represented in 4A . 4B . 5A and 5B as discussed above. The positions of the first spring carrier 682 and / or the second spring carrier 684 can be chosen, leaving a fourth counter-pedestal 679 slightly (eg, some Newtons of force) against a diaphragm or bearing carrier mounted on the diaphragm of the corresponding microfluidic device attached to the piezoelectric actuator assembly 610 is attached, is pressed.

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“. The strain gauge 612 can for example serve two purposes. First, the strain gauge monitors 612 the extension of the piezoelectric actuator 610 and allows the piezoelectric actuator 610 moves accurately. This is helpful in that the piezoelectric actuator 610 in particular when implemented as a stacked piezoelectric actuator 610 , can show significant creep and hysteresis with the applied voltage. For this reason, in order to precisely meter the fluid expelled from the corresponding microfluidic device, it is necessary to measure the physical deflection of the piezoelectric actuator 610 to measure and place a control loop around the voltage applied to the piezoelectric actuator 610 is created. When a bias voltage of the order of, for example, about 100V across the first and second voltage lines 615 and 616 is applied, the piezoelectric actuator 610 extend by a few microns. For example, if the piezoelectric actuator 610 implemented as a piezoelectric actuator AE0505D16F, as mentioned above, applying 100 V causes the piezoelectric actuator 610 by about 12 microns expands. While a substantial portion of this 12 micron deflection occurs simultaneously with the applied voltage, there will be a few microns of additional deflection occurring over the period of minutes as the piezoelectric actuator 610 continues to "crawl".

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.Second, the strain gauge delivers 612 a feedback to the rotary motor 652 by, for example, a control device (not shown) for positioning the adjusting screw 654 , For example, when a corresponding microfluidic device is under the piezoelectric actuator 610 is applied, a small additional force on the piezoelectric actuator 610 applied, which is detectable as a small compression of the piezoelectric actuator 610 , The first ball bearing surface 659 attached to the adjusting screw 654 is not in contact with the first mating base at this stage 671 , When it is desired to actuate the corresponding microfluidic device, the rotary motor becomes 652 driven and a resistance signal of the strain gauge 612 is being supervised. Until the first ball bearing surface 659 the first counter-pedestal 671 contacted, there will be no resistance change. However, when a contact is made, the adjusting screw becomes 654 the piezoelectric actuator 611 compress and press down on the membrane of the corresponding microfluidic device. The compression of the piezoelectric actuator 611 gets from the strain gauge 612 detected as a decrease in resistance. Consequently, a resistance setpoint of the strain gauge 612 used to determine the appropriate preload from the adjustment screw 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. In monitoring the compression of the piezoelectric actuator 611 at zero applied bias, the strain gauge can 612 also be used to monitor a thermal drift that can occur. As the piezoelectric actuator 611 may be a few inches long, a temperature change of a few degrees may cause the distal end of the piezoelectric actuator 611 varies by a few microns, in amount similar to the deflection of the piezoelectric actuator 611 , The motor 652 can compensate for this thermal drift by ensuring that the signal of the strain gauge 612 zero bias remains constant. In various embodiments, operation and / or monitoring of the rotary motor 652 , the strain gauge 612 and a voltage source (not shown) connected to the first and second voltage lines 615 and 616 is connected, by a control device (not shown) to be performed. The controller may include a processor or a CPU, ASICs, FPGAs, or combinations thereof, using software, firmware, hardwired logic, or combinations thereof, which may be similar or the same as the controller described above with respect to FIG 3 was discussed.

7 ist ein Querschnittsdiagramm, welches eine Mehrventil-, integrierte Fluidtransfervorrichtung veranschaulicht, gemäß einer repräsentativen Ausführungsform, welche die Aktorvorrichtung von 6 enthält. 7 FIG. 12 is a cross-sectional diagram illustrating a multi-valve, integrated fluid transfer device according to a representative embodiment incorporating the actuator device of FIG 6 contains.

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.Referring to 7 includes the multi-valve integrated fluid transfer device 700 three actuator devices, a first actuator device 701 , a second actuator device 702 and a third actuator device 703 connected to a corresponding microfluidic device 410 are coupled. It is understood that each of the first, second and third actuator devices 701 . 702 and 703 essentially the same as the piezoelectric actuator 600 referring to the above 6 was discussed and therefore its description is not repeated. Similar is the microfluidic device 410 with reference to above 4A and 4B has been discussed and therefore the description will not be repeated.

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.In the illustrated embodiment, the microfluidic device is 410 inserted or attached to the external first, second and third actuator device 701 . 702 and 703 , After a fluidic connection has been made with the device inlet port 461 and the device outlet port 462 , are the adjustable screws 654a . 654b and 654c the first, second and third actuator device 701 . 702 and 703 corresponding to the intake valve chamber 441 , the pump chamber 442 and the exhaust valve chamber 443 extended until the appropriate extensometer 612a . 612b and 612c reach their corresponding setpoints.

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. The integrated fluid transfer device 700 is primed by flowing fluid at low pressure through the inlet chamber 441 , the pump chamber 442 and the exhaust valve chamber 443 , The piezoelectric actuator 611a which is the inlet valve 446 is extended by applying 100 V to the inlet valve 446 close. The piezoelectric actuator 611b , which is the pump chamber 442 is extended by applying a continuously variable voltage of less than 100 V to compress the pump chamber 442 , The expansion of the piezoelectric actuators 611a and 611 can be monitored using the appropriate strain gauges 612a and 612 and the applied voltage may be controlled to provide a continuous flow of fluid.

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 611a611c. 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. When the piezoelectric actuator 611b , which is the pump chamber 442 corresponds, reaches its full extent, becomes the piezoelectric actuator 611c , which is the outlet valve 448 equals, extended by applying 100 V to the exhaust valve 448 close and the piezoelectric actuator 611a which is the inlet valve 446 is contracted by applying 0 V to the previously open inlet valve 446 , In the meantime, the piezoelectric actuator 611b , which is the pump chamber 442 equal to, contracted by applying 0 V, which is the pump chamber 442 allowed to expand. The pumping operation then continues by repeating the alternate application of 100V and 0V to the piezoelectric actuators 611a - 611c , That is, the piezoelectric actuator 611a which is the inlet valve 426 corresponds, in turn, is extended by applying 100 V to the inlet valve 426 close while the piezoelectric actuator 611c , which is the outlet valve 428 corresponds, is contracted again by applying 0 V to the exhaust valve 428 to open.

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 611a611c auf 1/1000 ihres Bewegungsweges zu steuern unter Verwendung der entsprechenden Dehnungsmesser 612a612c, und folglich ist es möglich, die Fluidströmung mit 20 Picoliter/min Genauigkeit in dem vorliegenden Beispiel zu steuern. Darüber hinaus sind die piezoelektrischen Aktoren 611a611c 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 the present example, the piezoelectric actuator 611b , which is the pump chamber 442 equals about 6 microns at each pump cycle, causing about 20 nL from the device outlet 462 be ejected. It is relatively straightforward, the piezoelectric actuators 611a - 611c to control 1/1000 of their travel path using the appropriate strain gauges 612a - 612c , and thus it is possible to control the fluid flow with 20 picoliter / min accuracy in the present example. In addition, the piezoelectric actuators 611a - 611c able to operate at high frequencies and reliable operation is possible up to 100 Hz, corresponding to a flow rate of 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. In various configurations, the deflection of the piezoelectric actuator 611b be relatively small relative to the size of the pump chamber 442 , It is important in such a configuration that the integrated fluid transfer device 700 or otherwise, air bubbles may degrade the performance. Fluids used, for example, with HPLC instruments are usually degassed before entering the integrated fluid transfer device 700 which makes it easier to aspirate because small air bubbles tend to diffuse back into the fluid. However, air bubbles in the fluid should still be minimized. A vivid process to a pump chamber and valves, such as the pump chamber 442 , the inlet valve 446 and the exhaust valve 448 the microfluidic device 410 That is, to prime to mitigate the formation of air bubbles in the fluid is described below.

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.The device outlet opening 462 should first over the device inlet 461 be positioned. For example, the microfluidic device 410 be rotated (eg, by about 90 °) so that the device outlet opening 462 essentially above the device inlet opening 461 is arranged. An organic fluid, such as methanol, may be used to prime and then be replaced with the desired operating fluid, such as water, acetonitrile and methanol, for example. The entire microfluidic device 410 can be pumped out before it is aspirated and then backfilled with carbon dioxide (CO 2 ), which dissolves more easily in most fluids. Also, the inner surfaces of the intake and exhaust valve chambers 441 and 443 and the pump chamber 442 coated with a hydrophilic or hydrophobic polymer to aid in aspiration. The hydrophilic or hydrophobic polymer may be patterned to ensure that no bubbles are trapped when the fluid enters the inlet valve chamber 441 , the pump chamber 442 and / or the outlet valve chamber 443 entry.

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.Additionally, mechanical features may be in one or more of the inlet and outlet valve chambers 441 and 443 and / or the pump chamber 442 be incorporated, such as illustratively raised structures (which may include, for example, multiple ribs) shown in 8A to 9B and vividly recessed structures (which may include, for example, multiple grooves) shown in FIG 10A to 10B , The raised structures stop the growth of fluid droplets as the fluid enters the inlet and outlet valve chambers 441 and 443 and / or the pump chamber 442 entry. The fluid does not go into the next section until the area between each raised part or rib of the raised structure and a corresponding inlet (or previous raised part) is completely filled with fluid. In this way, inlet and outlet valve chambers 441 and 443 and / or the pump chamber 442 filled with very little trapped air.

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. 8A and 8B 10 show cross-sectional diagrams illustrating a valve chamber having a raised structure according to a representative embodiment. In particular shows 8B the cross section of 8A along the line B-B '. Referring to 8A and 8B contains a representative inlet valve chamber 841 an inlet valve 846 which is formed by bending and straightening a flexible membrane 821 on a protruding part 847 in response to operation of a piezoelectric actuator (not shown) as discussed above. Fluid enters the inlet valve chamber 841 through the inlet opening 824 and exits the inlet valve chamber 841 through the outlet opening 825 , The inlet valve chamber 841 Also includes a raised structure having first and second ribs or raised portions 845 and 846 which are raised concentric circles, which are the protruding part 847 surround. Of course, more or less raised parts may be included without departing from the scope of the present teachings.

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 951955 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. 9A and 9B FIG. 10 are cross-sectional diagrams illustrating a pumping chamber having a raised structure according to a representative embodiment. FIG. In particular shows 9B the cross section of 9A along the line C-C '. Referring to 9A and 9B is a representative pump chamber 942 formed by bending and straightening a flexible membrane 922 in response to operation of a piezoelectric actuator (not shown) as discussed above. Fluid enters the pump chamber 942 through the inlet opening 925 and leaves the pump chamber 942 through an outlet opening 927 , The pump chamber 942 contains a raised structure, which contains first to fifth raised parts 951 - 955 having. In the illustrated example, the third raised part passes through 953 the inner diameter of the pump chamber 942 while the first and second raised parts 951 and 952 from the third sublime part 953 turn left and the fourth and fifth raised parts 954 and 955 bend from the third sublime part 953 right away. Of course, more or less raised parts may be included without departing from the scope of the present teachings.

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 10511055 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. 10A and 10B 10 are cross-sectional diagrams illustrating a pumping chamber having a recessed structure according to a representative embodiment. In particular shows 10B the cross section of 10A along the line D-D '. Referring to 10A and 10B is the representative pump chamber 1042 formed by bending and straightening a flexible membrane 1022 in response to the operation of a piezoelectric actuator (not shown) as discussed above. Fluid enters the pump chamber 1042 through the inlet opening 1026 and leaves the pump chamber 1042 through the outlet opening 1027 , The pump chamber 1072 Also includes an etched recessed structure, which first to fifth grooves or recessed parts 1051 - 1055 having. In the example shown, the third recessed part passes through 1053 the inner diameter of the pump chamber 1042 while the first and second recessed parts 1051 and 1052 from the third recessed part 1053 turn left and the fourth and fifth recessed parts 1054 and 1055 from the third recessed part 1053 turn right away. Of course, more or less recessed parts may be included without departing from the scope of the present teachings.

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. In another embodiment, the pump chamber and / or the valve chamber may include a gas permeable membrane. For example 11A and 11B Cross-sectional diagrams illustrating a pumping chamber having a gas-permeable membrane according to a representative embodiment. In particular shows 11B the cross section of 11A along the line E-E '. Referring to 11A and 11B , is a representative pump chamber 1142 formed by bending and straightening a flexible membrane 1122 in response to operation of a piezoelectric actuator (not shown) as discussed above. Fluid enters the pump chamber 1142 through the inlet opening 1126 and leaves the pump chamber 1142 through the outlet opening 1127 , The stacked membrane plate 1120 , the orifice plate 1130 and the connection plate 1140 are structured on one or both sides to the pump chamber 1142 , the inlet opening 1126 and the outlet opening 1127 to form as shown. In addition, the gas permeable membrane 1125 formed between the membrane plate 1120 and the orifice plate 1130 , which allows trapped air bubbles (or other gases), the pump chamber 1142 leave while the fluid is retained. The gas permeable membrane 1125 may be formed of various membrane materials, such as Nafion ®, silicone rubber, agarose or porous Teflon ®, for example, although other materials may be included, without departing from the scope of the present teachings. The material used depends, at least in part, on the fluid being pumped and the internal pressure of the pump chamber 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’. For certain implementations, such as in HPLC instruments, the fluid transfer device should have a continuous flow. The fluid transfer devices 300 . 400 respectively. 700 as related to 3 . 4A . 4B and 7 for example, can not provide a continuous flow because the external fluid flow stops when the corresponding pump chamber 342 . 442 is filled. In contrast to this are 12A and 12B Cross-sectional diagrams showing a multi-valve, integrated fluid transfer device having a continuous flow, according to a representative embodiment. In particular shows 12B the cross section of 12A along the line 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.Referring to 12A contains the integrated fluid transfer device 1200 an intake valve device 1201 , a first pumping device 1202 , an exhaust valve device 1203 and a second pump device 1204 , which is an integrated planar microfluidic device 1210 share. That is, in the illustrated embodiment, the inlet valve chamber 1241 , the first pump chamber 1242 , the outlet valve chamber 1243 and the second pump chamber 1244 made as separate regions in the single microfluidic device 1210 , The integrated fluid transfer device 1200 , as in 12A and 12B can be referred to as a binary pump, for example.

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 12241229 und 12761277 und Fluidleitungen 12051209, 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. As above with respect to 4A and 4B discussed contains the microfluidic device 1210 three separate layers or plates, which serve as a membrane plate 1220 , Orifice plate 1230 and connecting plate 1240 each of which may be patterned on one or both sides, eg, using electrochemical etching, to accommodate the various features of the integrated fluid transfer devices 1200 when aligned and interconnected. These features include the device inlet port 1261 , the inlet valve chamber 1241 , the first pump chamber 1242 , the outlet valve chamber 1243 and the second pump chamber 1244 and the device outlet port 1262 as well as inlet and outlet openings 1224 - 1229 and 1276 - 1277 and fluid lines 1205 - 1209 showing the fluid communication of the device inlet ports 1261 , the inlet valve chamber 1241 , the first pump chamber 1242 , the outlet valve chamber 1243 , the second pump chamber 1244 and the device outlet port 1262 enable each other.

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.It is understood that each of the inlet valve device 1201 , the first pump device 1202 , the outlet valve device 1203 and the second pump device 1204 a corresponding external piezoelectric actuator having axial deflections along its longitudinal axis, such as the first piezoelectric actuator 411 referring to the above 4A was discussed (as well as a corresponding highly rigid actor and / or bosses). However, the piezoelectric actuators are in 12A not shown, for clarity and to simplify the description. The structure and functionality of the piezoelectric actuators are essentially the same as discussed above.

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 12211224 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 12211224 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.The inlet valve chamber 1241 and the exhaust valve chamber 1243 contain a corresponding inlet valve 1246 and exhaust valve 1248 By bending and straightening first and third flexible areas 1221 and 1223 the membrane plate 1220 operate by operating corresponding piezoelectric actuators (not shown). Similarly, the first pump chamber work 1242 and the second pump chamber 1244 by bending and straightening second and fourth flexible areas 1222 and 1224 the membrane plate 1220 by operating respective piezoelectric actuators (not shown). As in 12B shown, the first to fourth flexible area 1221 - 1224 for example, be circular in shape. The protruding parts 1247 and 1249 may be equally circular in shape and may be within the first and third flexible regions 1221 respectively. 1223 be centered. The first to fourth flexible areas 1221 - 1224 may be the same or different in size and / or shape as discussed above. Otherwise, the structure and operation of the intake valve 1246 and the exhaust valve 1248 be substantially the same as that of the intake valve 446 and the exhaust valve 448 and the structure and operation of the first pump chamber 1242 and the second pump chamber 1244 are essentially the same as those of the pumps 442 as above with respect to 4A and 4B discussed. Therefore, the descriptions are not repeated herein.

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.The operation of the intake valve device 1201 and the exhaust valve device 1203 are coordinated with the operation of the first pump device 1202 and the second pump device 1204 by a control device (not shown) for permitting movement of fluid from the device inlet port 1261 to the device outlet port 1262 through the fluid transfer device 1200 substantially as above with respect to the fluid transfer device 300 , in the 3 is discussed.

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. An illustrative operation of the integrated fluid transfer device 1200 which provides a continuous flow of fluid will be described below. In the illustrated embodiment, the microfluidic device is 1210 inserted in or attached to the corresponding external piezoelectric actuators (not shown). Having a fluidic connection with the device inlet port 1261 and the device outlet port 1262 are made, the adjustable screws or other external high-stiffness actuators (not shown), which the intake valve chamber 1241 , the first pump chamber 1242 , the outlet valve chamber 1243 and the second pump chamber 1244 Extend until their corresponding strain gauges reach their respective setpoints as discussed above. The integrated fluid transfer device 1200 is sucked by flowing fluid under low pressure through the inlet valve chamber 1241 , the first pump chamber 1242 , the outlet valve chamber 1243 and the second pump chamber 1244 , Initially, a piezoelectric actuator, which is the exhaust valve device 1203 corresponds, by applying 100 V extended to the exhaust valve 1248 close.

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 a first action, a piezoelectric actuator, which is the inlet valve device 1210 corresponds, contracted by applying 0 V, to open the inlet valve 1246 and then a piezoelectric actuator, which is the first pumping device 1202 corresponds, similarly contracted for filling the first pump chamber 1242 with fluid. The piezoelectric actuator, which is the inlet valve device 1201 is then expanded by applying 100V to the inlet valve 1246 and the chamber piezoelectric actuator which is the first pumping device 1202 corresponds, is slightly extended to the pressure in the first pump chamber 1242 with the pressure on the second pump chamber 1244 to balance approximately. This state is maintained until completion of a second action described in the following paragraph, which should be performed substantially concurrently with the first action.

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 the second action, a piezoelectric actuator, which is the second pumping device 1204 is extended by applying a continuously variable voltage of less than 100V to compress the second pumping chamber 1244 , The expansion of the piezoelectric actuator is monitored, eg, using a strain gauge, and the applied voltage is controlled to provide the continuous flow of fluid. When the piezoelectric reaches full extension, the piezoelectric actuator, which is the exhaust valve device 1203 corresponds, contracted by applying 0 V to open the exhaust valve 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 a third action, a piezoelectric actuator, which is the first pump device 1202 is extended by applying a continuously variable voltage of less than 100V to compress the first pumping chamber 1241 , The expansion of the piezoelectric actuator is monitored, eg, using a strain gauge, and the applied voltage is controlled to provide a continuous flow of fluid that is greater than the desired flow. When the piezoelectric actuator of the first pump device 1202 reaches its full extent, the process is repeated, for example by restarting with the expansion of the piezoelectric actuator, which the exhaust valve device 1203 by applying 100V to close the exhaust valve 1248 and then performing the first to fourth actions, wherein the fourth action is to be performed substantially concurrently with the third action.

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.In the fourth action, the piezoelectric actuator, which is the second pump device 1204 , contracted by applying a continuously variable voltage of less than 100 V, which is the second pumping chamber 1244 allowed to expand. The applied voltage is controlled, for example, using strain gauges of the piezoelectric actuators corresponding to the first and second pumping devices 1202 and 1204 for pumping a continuous flow of fluid at the desired level. Because the first pump chamber 1242 generates a larger flow of fluid than the desired flow, the second pump chamber 1244 fill with fluid during the fourth action. The integrated fluid transfer device 1200 is thus able to provide a continuous flow.

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. Of course, various alternative configurations and / or arrangements of one or more fluid transfer devices may be incorporated without departing from the scope of the present teachings. For example, a fluid transfer device may include an intake valve device, followed by a plurality of interconnected pump devices, followed by an exhaust valve device. This configuration multiplies the displacement volume of a pumping chamber in a single pumping device by, however, more pumping devices contained between the inlet and outlet valve devices. Several interconnected pumping devices have an advantage over simply increasing the lateral size of a single pumping chamber, which can reduce the stiffness of the flexible diaphragm in the pumping device, making it more susceptible to undesirable mechanical deformation at high backpressures.

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.Furthermore, a plurality of fluid transfer devices, e.g. configured in accordance with one or more of the embodiments discussed herein, in parallel and / or in series combinations to provide additional benefits. For example, the plurality of fluid transfer devices may be connected in parallel with corresponding device inlet ports connected together and corresponding device outlet ports connected together. The individual fluid transfer devices can then be operated synchronously or asynchronously. Synchronized actuation increases a volumetric flow rate by multiplying the flow rate of a single fluid transfer device by, however, many fluid transfer devices connected in parallel with each other. Asynchronous (or staggered) actuation may include pulsed vapors for continuous flow and / or e.g. generate time-varying flow rates.

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 den Pumpenkammer(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. Similarly, the plurality of fluid transfer devices may be connected in series with multiple inlet and outlet valve devices configured separately by one or more pump devices so that the outlet port of each outlet valve device is connected to the inlet port of a subsequent inlet valve device. This stepped configuration allows pumping against higher pressures. Each respective pump chamber (s) of the interconnected fluid transfer devices would incrementally add its individual maximum achievable pressure to the pressure generated by the pump chamber (s) of the previous fluid transfer device (s). Therefore, the maximum achievable pressure would be equal to the sum of the maximum achievable pressures of the constituent equivalent transfer devices.

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.While specific embodiments are disclosed herein, variations are possible which remain within the concept and scope of the invention. Such variations would become apparent upon inspection of the specification, drawings, and claims herein. The invention is therefore not intended to be limited except within the scope of the appended claims.

Claims (15)

Fluidtransfervorrichtung (100, 200) enthaltend: einen piezoelektrischen Aktor (110), welcher extern mit einer mikrofluidischen Vorrichtung (130, 230) 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 (240, 245) und einer internen Pumpenkammer (140) der mikrofluidischen Vorrichtung betreibt.Fluid transfer device ( 100 . 200 ) comprising: a piezoelectric actuator ( 110 ), which externally with a microfluidic device ( 130 . 230 The piezoelectric actuator has an axial displacement along a longitudinal axis in response to application of a bias voltage, wherein the axial displacement of the piezoelectric actuator of one of an internal valve ( 240 . 245 ) and an internal pump chamber ( 140 ) of the microfluidic device. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner enthaltend mindestens eines der folgenden Merkmale: einen hochsteifen Aktor (150), welcher mit dem piezoelektrischen Aktor gekoppelt ist und konfiguriert ist zum dynamischen Einstellen einer Position des piezoelektrischen Aktors relativ zu der mikrofluidischen Vorrichtung.Device according to claim 1, further comprising at least one of the following features: a highly rigid actuator ( 150 ) coupled to the piezoelectric actuator and configured to dynamically adjust a position of the piezoelectric actuator relative to the microfluidic device. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die axiale Auslenkung des piezoelektrischen Aktors weniger als ungefähr 10 µm ist.Apparatus according to claim 1 or 2, wherein the axial displacement of the piezoelectric actuator is less than about 10 microns. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Biasspannung an den piezoelektrischen Aktor in einer periodischen Weise angelegt wird, um zu bewirken, dass eines von dem internen Ventil und der internen Pumpenkammer eine Fluidpumpfunktionalität ermöglicht.The device of claim 1, wherein the bias voltage is applied to the piezoelectric actuator in a periodic manner to cause one of the internal valve and the internal pump chamber to provide fluid pumping functionality. Vorrichtung nach Anspruch 1 wobei die Biasspannung, die an den piezoelektrischen Aktor angelegt ist, sich kontinuierlich ändert zum Beibehalten einer konstanten axialen Auslenkung und zum Bewirken, dass einer von dem internen Ventil und der internen Pumpenkammer eine Strömungsbeschränkungsfunktionalität liefert. The device of claim 1, wherein the bias voltage applied to the piezoelectric actuator continuously changes to maintain a constant axial deflection and to cause one of the internal valve and the internal pump chamber to provide flow restriction functionality. Fluidtransfervorrichtung (300, 400), enthaltend: eine mikrofluidische Vorrichtung (301, 401), welche ein erstes Ventil (346, 446) enthält, welches eine Ventilkammer (341, 441) aufweist, wobei ein Betrieb des ersten Ventils es einem Fluid erlaubt, in die Ventilkammer durch eine Öffnung (324, 325, 424, 425) einzutreten oder auszutreten; und einen ersten piezoelektrischen Aktor (311, 411), welcher mit der mikrofluidischen Vorrichtung gekoppelt ist und konfiguriert ist, um sich entlang einer ersten längsgerichteten Achse auszudehnen in Reaktion auf ein Anlegen einer ersten Biasspannung zum Schließen des ersten Ventils und um sich entlang der ersten längsgerichteten Achse zu kontrahieren in Reaktion auf eine Reduktion der angelegten ersten Biasspannung zum Öffnen des ersten Ventils, wobei der erste piezoelektrische Aktor extern zu der mikrofluidischen Vorrichtung ist.Fluid transfer device ( 300 . 400 ), comprising: a microfluidic device ( 301 . 401 ), which is a first valve ( 346 . 446 ) containing a valve chamber ( 341 . 441 ), wherein operation of the first valve allows fluid to enter the valve chamber through an orifice (10). 324 . 325 . 424 . 425 ) enter or exit; and a first piezoelectric actuator ( 311 . 411 ) coupled to the microfluidic device and configured to expand along a first longitudinal axis in response to application of a first bias voltage to close the first valve and to contract along the first longitudinal axis in response to a reduction in the first applied first bias voltage for opening the first valve, wherein the first piezoelectric actuator is external to the microfluidic device. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der erste piezoelektrische Aktor eines von einem gestapelten piezoelektrischen Aktor oder einer piezoelektrischen Röhre aufweist.The device of claim 6, wherein the first piezoelectric actuator comprises one of a stacked piezoelectric actuator or a piezoelectric tube. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, ferner enthaltend: einen hochsteifen Aktor (351, 451), 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.Device according to one of claims 6 or 7, further comprising: a highly rigid actuator ( 351 . 451 ), which is coupled to the piezoelectric actuator and is configured to adjust a position of the piezoelectric actuator with respect to the microfluidic device, wherein the high stiffness actuator is external to the microfluidic device. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der hochsteife Aktor einen einstellbaren Schraubenantrieb (351, 451, 650) aufweist, der konfiguriert ist zum Einstellen der Position des piezoelektrischen Aktors entlang der längsgerichteten Achse, wobei der einstellbare Schraubenantrieb einen Rotationsmotor aufweist, welcher mit einer Schraube mit feiner Ganghöhe gekoppelt ist, die in Kontakt mit dem piezoelektrischen Aktor ist.Device according to claim 8, wherein the high-stiffness actuator has an adjustable screw drive ( 351 . 451 . 650 ) configured to adjust the position of the piezoelectric actuator along the longitudinal axis, the adjustable screw drive comprising a rotary motor coupled to a fine pitch screw in contact with the piezoelectric actuator. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, ferner enthaltend: einen Dehnungsmesser (612), 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.Device according to one of claims 8 or 9, further comprising: a strain gauge ( 612 ) disposed between the first piezoelectric actuator and the high stiffness actuator, wherein the strain gauge is configured to detect compression of the first piezoelectric actuator and provide feedback to the high stiffness actuator for adjusting the position of the first piezoelectric actuator relative to the microfluidic device on the detected compression. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die mikrofluidische Vorrichtung ferner eine Pumpenkammer (342, 442) aufweist, welche mit der Ventilkammer über eine Öffnung (326, 426) fluidisch verbunden ist, wobei ein Betrieb des ersten Ventils es einem Fluid ermöglicht, in die Pumpenkammer durch die Öffnung einzutreten oder auszutreten.Device according to one of claims 6 to 10, wherein the microfluidic device further comprises a pump chamber ( 342 . 442 ) which communicates with the valve chamber via an opening ( 326 . 426 ), wherein operation of the first valve allows fluid to enter or exit the pump chamber through the opening. Vorrichtung nach Anspruch 11, ferner aufweisend: einen zweiten piezoelektrischen Aktor (312, 412), welcher mit der mikrofluidischen Vorrichtung gekoppelt ist und konfiguriert ist zum Ausdehnen und Kontrahieren entlang einer zweiten längsgerichteten Achse in Reaktion auf ein selektives Anlegen einer zweiten Biasspannung zum Komprimieren und Expandieren der Pumpenkammer (342, 442), wobei der zweite piezoelektrische Aktor extern zu der mikrofluidischen Vorrichtung ist. The device of claim 11, further comprising: a second piezoelectric actuator ( 312 . 412 ) coupled to the microfluidic device and configured to expand and contract along a second longitudinal axis in response to selectively applying a second bias voltage to compress and expand the pumping chamber ( 342 . 442 ), wherein the second piezoelectric actuator is external to the microfluidic device. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei mindestens eine von der Pumpenkammer 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.The apparatus of claim 11 or 12, wherein at least one of the pumping chamber and the valve chamber has a raised structure configured to arrest the growth of droplets as the fluid enters the at least one of the pumping chamber and the valve chamber. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei mindestens eine von der Pumpenkammer und der Ventilkammer eine vertiefte Struktur aufweist, die konfiguriert ist zum Aufhalten eines Wachstums von Tropfen, wenn das Fluid in die mindestens eine von der Pumpenkammer und der Ventilkammer eintritt.The apparatus of any one of claims 11 to 13, wherein at least one of the pumping chamber and the valve chamber has a recessed structure configured to arrest growth of droplets as the fluid enters the at least one of the pumping chamber and the valve chamber. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei mindestens eine von der Pumpenkammer und der Ventilkammer eine gaspermeable Membran (1125) 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.Device according to one of claims 11 to 14, wherein at least one of the pump chamber and the valve chamber, a gas-permeable membrane ( 1125 ) configured to allow air bubbles trapped in the fluid to exit the at least one of the pumping chamber and the valve chamber.
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