DE102016202038B3

DE102016202038B3 - Mikromechanische Vorrichtung und Verfahren zum Pumpen eines Fluids

Info

Publication number: DE102016202038B3
Application number: DE102016202038.2A
Authority: DE
Inventors: Tjalf Pirk; Radoslav Rusanov; Sven Zinober
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-02-11
Filing date: 2016-02-11
Publication date: 2017-07-27
Anticipated expiration: 2036-02-12
Also published as: FR3047730A1

Abstract

Die Erfindung schafft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Pumpen eines Fluids (1). Das Verfahren umfasst den Schritt: Erzeugen eines ersten Fluidstroms (71) um eine Öffnung (12) eines mikromechanischen Fluidkanals (2) herum oder einer Öffnung (12) eines mikromechanischen Fluidkanals (2) benachbart; wobei der erste Fluidstrom (71) derart erzeugt wird, dass sich im Bereich der Öffnung (12) ein Unterdruck gegenüber dem mikromechanischen Fluidkanal (2) derart ergibt, dass ein zweiter Fluidstrom (72) des Fluids (1) durch den Fluidkanal (2) und die Öffnung (12) hindurch erzeugt oder verstärkt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikromechanische Vorrichtung und ein Verfahren zum Pumpen eines Fluids, insbesondere zum Pumpen eines Fluids durch einen mikromechanischen Fluidkanal.
Stand der Technik
Miniaturisierte Vorrichtungen zum Pumpen von Fluiden werden für eine Vielzahl von Anwendungen benötigt. Beispielsweise besteht bei miniaturisierten Gassensoren, welche etwa in ein Smartphone eingebaut werden können, Bedarf an einer miniaturisierten Pumpe, welche die Gassensoren mit Umgebungsluft versorgt und dadurch ihre Ansprechzeit verringert.
Fluid-Mikropumpen werden auch für medizinische Anwendungen benötigt, wobei üblicherweise Pumpen verwendet werden, welche ein geringes Fluidvolumen mit hohem Druck bereitstellen, sogenannte „Low-Volume, High-Pressure”-Pumpen.
In der GB 2 478 926 A wird eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Luftstroms für makroskopische Anordnungen beschrieben.
In DE 198 50 046 A1 ist ein Herstellungsverfahren von mikrofluidischen Komponenten wie Venturi-Düsen beschrieben, welche beispielsweise als Strahlpumpen Anwendung finden.
In US 2015/0315771 A1 ist ein Aufsatz beschrieben, der dazu eingerichtet ist Seife mit Wasser zu mischen.
In US 2007/0134808 A1 ist eine Analysevorrichtung für flüssige Proben beschrieben.
In US 2008/0056954 A1 ist eine Vorrichtung beschrieben, welche dazu geeignet ist, Inkubationen kleiner Volumina von Reagenzien auf einer Oberfläche eines Objektträgers durchzuführen.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung offenbart eine mikromechanische Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.
Dementsprechend ist eine mikromechanische Vorrichtung zum Pumpen eines Fluids vorgesehen, mit einer Auslasseinrichtung, durch welche ein erster Fluidstrom des zu pumpenden Fluids auslassbar ist, und mit einer mikromechanischen Pumpeinrichtung.
Die Auslasseinrichtung ist um eine Öffnung eines mikromechanischen Fluidkanals herum oder einer Öffnung eines mikromechanischen Fluidkanals benachbart angeordnet. Alternativ ist die Auslasseinrichtung dazu ausgelegt, um eine Öffnung eines mikromechanischen Fluidkanals herum oder einer Öffnung eines mikromechanischen Fluidkanals benachbart angeordnet zu werden.
Die mikromechanische Pumpeinrichtung ist dazu ausgelegt, durch Pumpen den ersten Fluidstrom des Fluids aus der Auslasseinrichtung heraus derart zu erzeugen, dass sich im Bereich der Öffnung ein Unterdruck gegenüber dem mikromechanischen Fluidkanal derart ergibt, dass aufgrund des Unterdrucks ein zweiter Fluidstrom des Fluids durch den Fluidkanal und die Öffnung hindurch erzeugt oder verstärkt wird.
Weiterhin ist ein Verfahren zum Pumpen eines Fluids bereitgestellt, mit dem Schritt: Erzeugen eines ersten Fluidstroms um eine Öffnung eines mikromechanischen Fluidkanals herum oder einer Öffnung eines mikromechanischen Fluidkanals benachbart, wobei der erste Fluidstrom derart erzeugt wird, dass sich im Bereich der Öffnung ein Unterdruck gegenüber dem mikromechanischen Fluidkanal derart ergibt, dass aufgrund des Unterdrucks ein zweiter Fluidstrom des Fluids durch den Fluidkanal und die Öffnung hindurch erzeugt oder verstärkt wird.
Unter „im Bereich der Öffnung” soll insbesondere verstanden werden, dass der Unterdruck an einer von dem Fluidkanal abgewandten Außenseite der Öffnung erzeugt wird. Durch den Unterdruck wird ein etwaiger bereits bestehender Fluidstrom durch den Fluidkanal verstärkt oder erzeugt, was als „Air Multiplier”-Prinzip bezeichnet wird.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung stellt eine Vorrichtung zum Pumpen eines Fluids bereit, welche über eine besonders geringe Baugröße verfügt, so dass sie beispielsweise in ein mobiles Endgerät, wie etwa ein Smartphone, eingebaut werden kann. Gleichzeitig ist die Vorrichtung dazu in der Lage, einen benötigten hohen Volumenfluss zu erzeugen, beispielsweise einen Volumenfluss von 5 Mikrolitern pro Sekunde oder mehr. Darüber hinaus ist die Vorrichtung besonders energiesparend.
Durch die erfindungsgemäße Trennung von Antriebs-Fluidpfad (auf welchem sich der erste Fluidstrom bewegt) und Nutz-Fluidpfad (auf welchem sich der zweite Fluidstrom bewegt und zu welchem insbesondere die Öffnung und der Fluidkanal gehören), können Fehlfunktionen und Ausfälle durch Staubverschmutzung deutlich vermindert werden.
Die Erfindung ermöglicht die Verwendung einer „low-volume, high-pressure” mikroelektromechanischen (MEMS) Mikropumpe (μ-Pumpe) als Pumpeinrichtung, welche über eine kleine Baugröße verfügt und in ein MEMS-Bauteil integriert werden kann.
Bewegliche Teile (beispielsweise eine Membran, Klappen etc.) sind vorteilhaft, wenn sie überhaupt vorhanden sind, in der Pumpeinrichtung, z. B. der Mikropumpe, enthalten und befinden sich daher nur in einem sehr geringen Kontakt mit dem zu pumpenden Fluid, was eine Robustheit der gesamten Vorrichtung erhöhen kann. Der Kontakt mit dem Fluid kann in diesem Fall durch verhältnismäßig kleine und/oder, beispielsweise mittels einer Teflon-Membran, gefilterte Zugänge erfolgen. Der Nutz-Fluidpfad, welcher auch Haupt-Fluidpfad genannt werden kann, insbesondere der Fluidkanal und die Öffnung, kann hierdurch besonders kompakt, kurz und leicht zu reinigen ausgebildet werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in einigen Ausführungsformen besonders flach ausgebildet werden, so dass sie in einem späteren Packaging-Schritt an die Öffnung oder um die Öffnung herum angebracht oder zu der Öffnung angeordnet werden kann. Beispielsweise kann ein schlitzförmiger Einlass in einem Gehäuse eines mobilen Endgeräts, zum Beispiel eines Smartphones, zu einer Öffnung im Sinne der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfunktioniert werden. Zudem kann eine Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung somit kostengünstiger erfolgen.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die Auslasseinrichtung eine Anzahl von separaten Fluidauslässen, zum Beispiel Auslassdüsen, auf. Die Pumpeinrichtung kann dazu ausgelegt sein, den ersten Fluidstrom durch die Anzahl der separaten Fluidauslässe zu pumpen. Hierdurch kann ein besonders homogener Unterdruck im Bereich der Öffnung erzeugt werden. Die Anzahl der Fluidauslässe kann Eins sein oder eine Vielzahl von Fluidauslässen bedeuten, d. h. zwei oder mehr, beispielsweise acht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Auslasseinrichtung eine Homogenisierungseinrichtung auf, welche zum Homogenisieren des aus den Fluidauslässen austretenden ersten Fluidstroms ausgebildet ist. Die Homogenisierungseinrichtung ist fluidisch zwischen der Pumpeinrichtung und der Anzahl der Fluidauslässe angeordnet. Unter einer fluidischen Anordnung soll verstanden werden, dass das Fluid auf dem Weg zwischen der Pumpeinrichtung und der Anzahl der Fluidauslässe entlang des Antriebs-Fluidpfads zwangsläufig die Homogenisierungseinrichtung durchqueren muss. Die Homogenisierungseinrichtung ist durch den ersten Fluidstrom des Fluids aus der Pumpeinrichtung speisbar und die Anzahl der Fluidauslässe ist durch den ersten Fluidstrom des Fluids aus der Homogenisierungseinrichtung speisbar.
Die Homogenisierungseinrichtung ist dazu ausgelegt, einen Druck des Fluids an allen Fluidauslässen der Auslasseinrichtung zu homogenisieren, so dass der Druck an allen Fluidauslässen vorzugsweise gleich ist und sich somit auch eine gleiche Austrittsgeschwindigkeit des ersten Fluidstroms des Fluids aus den Fluidauslässen ergibt. Somit ist ein besonders homogener Unterdruck im Bereich der Öffnung erzeugbar.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Homogenisierungseinrichtung in Form eines Rings ausgebildet. Hierdurch kann sich eine besonders günstige Homogenisierung des ersten Fluidstroms an den Fluidauslässen ergeben. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Homogenisierungseinrichtung in Form eines durchbrochenen Rings ausgebildet. Hierdurch kann erreicht werden, dass sich das Fluid innerhalb der Homogenisierungseinrichtung lediglich in einer einzigen Richtung ausbreitet, wodurch eine Homogenisierung des Drucks an den Fluidauslässen noch präziser erreicht werden kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Vorrichtung dazu ausgelegt, den zweiten Fluidstrom mit einem Volumenstrom von mehr als 50 Mikrolitern pro Sekunde zu erzeugen. Alternativ kann die Vorrichtung dazu ausgelegt sein, einen durch den ersten und zweiten Fluidstrom gebildeten Gesamtfluidstrom mit einem Volumenstrom von mehr als 50 Mikrolitern pro Sekunde zu erzeugen. Die Vorrichtung kann auch dazu ausgelegt sein, den zweiten Fluidstrom und/oder den Gesamt-Fluidstrom mit einem Volumenstrom von mehr als 100 Mikrolitern, bevorzugt mehr als 500 Mikrolitern, besonders bevorzugt mehr als 5000 Mikrolitern, zu erzeugen.
Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung die Öffnung und den Fluidkanal, beispielsweise innerhalb eines Substrats der Vorrichtung, wobei die Auslasseinrichtung um die Öffnung herum oder der Öffnung benachbart angeordnet ist. Somit kann die Auslasseinrichtung besonders präzise um die Öffnung herum oder der Öffnung benachbart angeordnet werden.
Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung ein Substrat, wobei der Fluidkanal durch das Substrat hindurch ausgebildet ist. Die Öffnung kann somit an einer Außenseite des Substrats angeordnet sein.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Auslasseinrichtung dazu ausgelegt, den ersten Fluidstrom des Fluids über der Öffnung derart zu erzeugen, dass ein Fluidwirbel über der Öffnung entsteht. Unter einem Fluidwirbel ist insbesondere ein Bewegungsvektorfeld des ersten Fluidstroms zu verstehen, welcher eine nicht verschwindende Rotation (mathematische Operation „rot”) aufweist. Auf diese Weise kann eine Sogwirkung des ersten Fluidstroms zum Erzeugen des zweiten Fluidstroms verstärkt werden. Zudem kann auf diese Weise der zweite Fluidstrom stabiler gerichtet ausgebildet werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst die Vorrichtung eine Drucksensoreinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, einen Druckwert des ersten Fluidstroms des Fluids zu erfassen, beispielsweise an einem der Fluidauslässe der Auslasseinrichtung. Hierdurch kann eine konstante Performance gewährleistet werden, indem beispielsweise Sensorsignale der Drucksensoreinrichtung an eine Steuereinrichtung übermittelt werden, welche dazu ausgelegt ist, die Pumpeinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu steuern. Die Steuereinrichtung kann Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung oder eine externe Steuervorrichtung sein. Ist die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise innerhalb eines mobilen Endgeräts, etwa in einem Smartphone, angeordnet, kann eine externe Steuervorrichtung durch einen Prozessor des mobilen Endgeräts gegeben sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 ein schematisches Blockdiagramm einer mikromechanischen Vorrichtung zum Pumpen eines Fluids gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Draufsichtsansicht auf eine mikromechanische Vorrichtung zum Pumpen eines Fluids gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Querschnittsansicht der Vorrichtung aus 2;
4 eine schematische Detailansicht der Vorrichtung aus 2;
5 eine mikromechanische Vorrichtung zum Pumpen eines Fluids gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 eine schematische Draufsichtsansicht auf eine mikromechanische Vorrichtung zum Pumpen eines Fluids gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 eine schematische Draufsichtsansicht auf eine mikromechanische Vorrichtung zum Pumpen eines Fluids gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 eine schematische Detailansicht in Draufsicht auf eine mikromechanische Vorrichtung zum Pumpen eines Fluids gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 eine schematische Detailansicht eines Fluidauslasses zur Verwendung in einer Vorrichtung gemäß einer der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
10 eine schematische Detailansicht eines Fluidauslasses zur Verwendung in einer Vorrichtung gemäß einer der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung; und
11 ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Pumpen eines Fluids gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts Anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll insbesondere nicht, sofern nichts Anderes angegeben ist, eine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer mikromechanischen Vorrichtung 10 zum Pumpen eines Fluids 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Vorrichtung 10 umfasst eine Auslasseinrichtung 14, durch welche ein erster Fluidstrom 71 des zu pumpenden Fluids 1 auslassbar ist, das heißt durch welche der erste Fluidstrom 71, beispielsweise zum Verlassen der Vorrichtung 10, leitbar ist. Die Auslasseinrichtung 14 ist dazu ausgelegt, um eine Öffnung 12 eines mikromechanischen Fluidkanals 2 herum oder einer Öffnung 12 eines mikromechanischen Fluidkanals 2 benachbart angeordnet zu werden.
Optional kann die mikromechanische, oder mikroelektromechanische, Vorrichtung 10 den Fluidkanal 2 mit der Öffnung 12 umfassen. In diesem Fall kann die Auslasseinrichtung 14 um die Öffnung 12 des Fluidkanals 2 herum oder der Öffnung 12 des mikromechanischen Fluidkanals 2 benachbart angeordnet sein. Unter einer Anordnung um die Öffnung 12 herum kann insbesondere verstanden werden, dass die Auslasseinrichtung 14 dazu ausgebildet ist, den ersten Fluidstrom 71 symmetrisch bezüglich der Öffnung 12 zu leiten, beispielsweise rotationssymmetrisch oder drehsymmetrisch, insbesondere gemäß einer C_n-Symmetrie.
Die Vorrichtung 10 umfasst weiterhin eine mikromechanische oder mikroelektromechanische Pumpeinrichtung 16, welche dazu ausgelegt ist, durch Pumpen den ersten Fluidstrom 71 des Fluids 1 aus der Auslasseinrichtung 14 heraus derart zu erzeugen, dass sich im Bereich der Öffnung 12 ein Unterdruck gegenüber dem Fluidkanal 2 derart ergibt, dass ein zweiter Fluidstrom 72 des Fluids 1 durch den Fluidkanal 2 und die Öffnung 12 hindurch erzeugt wird. Der erste Fluidstrom 71 ist auch als Primärstrom und der zweite Fluidstrom 72 ist auch als Sekundärstrom bezeichenbar.
Die Pumpeinrichtung 16 kann als eine Mikropumpe, insbesondere eine „high pressure, low volume”-Pumpe ausgebildet sein. Die Pumpeinrichtung kann insbesondere mittels Silizium- oder Polymer-MEMS-Technologie realisiert sein.
Die Auslasseinrichtung 14 kann insbesondere eine Anzahl, bevorzugt Vielzahl, von separaten Fluidauslässen, z. B. Auslassdüsen, aufweisen, wobei die Pumpeinrichtung 16 dazu ausgelegt ist, den ersten Fluidstrom 71 durch die Anzahl der separaten Fluidauslässe hindurch zu pumpen. Die Symmetrie, gemäß welcher die Auslasseinrichtung 14 vorteilhaft bezüglich der Öffnung 12 angeordnet ist, kann sich ausschließlich auf die Anzahl der separaten Fluidauslässe beziehen. Der erste und der zweite Fluidstrom 71, 72 können aus demselben Reservoir des Fluids 1 entnommen sein bzw. werden, beispielsweise der Umgebungsluft, oder verschiedenen Reservoirs entstammen.
2 zeigt eine schematische Draufsichtsansicht auf eine mikromechanische Vorrichtung 110 zum Pumpen eines Fluids 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 110 ist eine Variante der Vorrichtung 10, wobei im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zu der Vorrichtung 10 genauer eingegangen wird. Solange nichts Gegenteiliges explizit beschrieben ist, kann die Vorrichtung 110 in Bezug auf ihre Bestandteile genauso ausgebildet sein wie die Vorrichtung 10.
Eine Auslasseinrichtung 114 der Vorrichtung 110 anstelle der Auslasseinrichtung 14 der Vorrichtung 10 umfasst eine Anzahl von Fluidauslässen 118, wobei die Anzahl exemplarisch acht beträgt. Die acht Fluidauslässe 118 sind in regelmäßigen Abständen entlang des Umfangs der exemplarisch kreisförmig dargestellten Öffnung 12 angeordnet und gehorchen somit einer C₈-Symmetrie.
Die Vorrichtung 110 umfasst ein Substrat 50, durch welches hindurch der Fluidkanal 2 mit der Öffnung 12 ausgebildet ist. Die Öffnung 12 ist beispielsweise kreisförmig, wobei insbesondere der Fluidkanal 2 mit einem, insbesondere gleichen, kreisförmigen Durchschnitt ausgebildet sein kann.
Eine Pumpeinrichtung 116 der Vorrichtung 110, anstelle der Pumpeinrichtung 16 der Vorrichtung 10, ist an dem Substrat 50 angebracht, beispielsweise in das Substrat 50 integriert. Die Pumpeinrichtung 116 kann ansonsten ebenso ausgebildet sein wie in Bezug auf die Pumpeinrichtung 16 der Vorrichtung 10 beschrieben.
In dem Substrat 50 ist eine der Anzahl der Fluidauslässe 118 entsprechende Anzahl von Zuleitungen 120 ausgebildet, mittels welcher der erste Fluidstrom 71 von der Pumpeinrichtung 116 zu dem jeweiligen Fluidauslass 118 leitbar ist. Die Pumpeinrichtung 116 ist dazu ausgelegt, den ersten Fluidstrom 71 durch die Zuleitungen 120 zu den Fluidauslässen 118 zu pumpen.
Die Pumpeinrichtung 116, die Zuleitung 120, und/oder die Fluidauslässe 118 können jeweils in das Substrat 50 integriert sein und/oder ganz oder teilweise auf das Substrat 50 aufgebaut sein. Der Fluidkanal 2 kann im einfachsten Fall das Substrat 50 geradlinig durchqueren. Der Fluidkanal 2 kann aber auch einen komplexeren Aufbau haben. Eine saugseitige, das heißt eine an einem von der Öffnung 12 abgewandten Ende des Fluidkanals 2 angeordnete weitere Öffnung des Fluidkanals 2 kann sich auch an einer seitlichen Fläche des Substrats befinden, so dass der zweite Fluidstrom 72 durch den Kanal 2 zum Beispiel um 90° abgelenkt werden kann. Der Fluidkanal 2, die Öffnung 12, die Auslasseinrichtung 114 und/oder die Zuleitungen 120 können beispielsweise durch Ätzen und/oder Strukturieren des Substrats 50 erzeugt werden. Die Zuleitungen 120 sind schematisch durch gekrümmte Linien dargestellt, werden aber in der Praxis aufgrund der verwendeten mikromechanischen Fertigungstechnologien üblicherweise möglichst geradlinig mit 90°-Ecken ausgebildet sein.
3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht der Vorrichtung 110 aus 2. Wie aus 3 ersichtlich, sind sowohl die Fluidauslässe 118, die Zuleitungen 120 als auch die Pumpeinrichtung 116 derart in das Substrat 50 integriert, dass sie bündig mit einer Außenseite 51 des Substrats 50 abschließen, in welcher die Öffnung 12 des Fluidkanals 2 ausgebildet ist. Einige oder alle Elemente könnten alternativ auch aus der Außenseite 51 des Substrats 50 herausstehen, beispielsweise um ein günstigeres Fluidströmungsprofil des ersten Fluidstroms 71 zu bewerkstelligen.
4 zeigt eine schematische Detailansicht der Außenfläche 51 des Substrats 50 zur Verdeutlichung des „Air Multiplier”-Effekts. Durch den ersten Fluidstrom 71 wird im Bereich der Öffnung 12 ein Unterdruck erzeugt, welcher einen – vorzugsweise im Vergleich zu dem ersten Fluidstrom 71 größeren – zweiten Fluidstrom 72 durch den Fluidkanal 2 bewirkt. Sind die Fluidauslässe 118 dazu ausgelegt, den ersten Fluidstrom 71 aus jedem der Auslässe 118 in gerader Richtung, insbesondere senkrecht zu der Außenfläche 51 des Substrats 50, auszuleiten, kann auch, insbesondere bei gerader Ausbildung des Fluidkanals 2, der zweite Fluidstrom 72 gerade, insbesondere senkrecht zu der Außenfläche 51, erzeugt werden.
5 zeigt eine mikromechanische Vorrichtung 210 zum Pumpen eines Fluids 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Vorrichtung 210 ist eine Variante der Vorrichtung 110 und unterscheidet sich von dieser darin, dass eine Auslasseinrichtung 214 der Vorrichtung 210 mit Fluidauslässen 218, Zuleitungen 220 der Vorrichtung 210 sowie eine Pumpeinrichtung 216 der Vorrichtung 210 sämtlich nicht in das Substrat 50 integriert, sondern auf der Außenfläche 51 des Substrats 50 angebracht sind, wie in 5 gezeigt. Die geometrischen Formen und Beziehungen untereinander zwischen den Fluidauslässen 218, den Zuleitungen 220 und der Pumpeinrichtung 216 können ebenso ausgebildet sein wie in Bezug auf die Fluidauslässe 118, die Zuleitungen 120 und die Pumpeinrichtung 116 der Vorrichtung 110 beschrieben.
6 zeigt eine schematische Draufsichtsansicht auf eine mikromechanische Vorrichtung 310 zum Pumpen eines Fluids 1 gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 310 ist eine Variante der Vorrichtung 110, welche sich von dieser in der Ausbildung einer Auslasseinrichtung 314 der Vorrichtung 310 anstelle der Auslasseinrichtung 114 der Vorrichtung 110 unterscheidet und ansonsten gleich ausgebildet ist.
Die Auslasseinrichtung 314 ist mit einer Homogenisierungseinrichtung 322 ausgebildet, welche zum Homogenisieren des aus den Fluidauslässen 118 der Auslasseinrichtung 314 austretenden ersten Fluidstroms 71 ausgelegt ist. Die Homogenisierungseinrichtung 322 ist fluidisch zwischen der Pumpeinrichtung 116 und der Anzahl der Fluidauslässe 118 angeordnet, wobei die Fluidzuleitungen 120 der Vorrichtung 310 von der Pumpeinrichtung 116 der Vorrichtung 310 den ersten Fluidstrom 71 zunächst in die Homogenisierungseinrichtung 322 leiten. Die Homogenisierungseinrichtung 322 ist als kreisförmiger Ring entlang des Umfangs der Öffnung 12 ausgebildet, von welchem Ring aus die Anzahl der Fluidauslässe 118 den ersten Fluidstrom 71 in den Bereich über der Öffnung 12 leitet.
Auch die Homogenisierungseinrichtung 322 kann in das Substrat 50 integriert ausgebildet sein oder auf einer Außenfläche 51 des Substrats 50 angebracht sein. Die Homogenisierungseinrichtung 322 kann als eine gemeinsame Kammer der Fluidauslässe 118 zum Druckausgleich bezeichnet werden, welche für eine gleiche Austrittsgeschwindigkeit des ersten Fluidstroms 71 aus allen Fluidauslässen 118 sorgt.
7 zeigt eine mikromechanische Vorrichtung 410 zum Pumpen eines Fluids 1 gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 410 ist eine Variante der Vorrichtung 310 gemäß 6 und unterscheidet sich von dieser in der Ausbildung einer Auslasseinrichtung 414 der Vorrichtung 410 mit einer Homogenisierungseinrichtung 422 sowie in der Ausbildung einer Zuleitung 420 der Vorrichtung 410.
Im Gegensatz zu der Homogenisierungseinrichtung 322 der Vorrichtung 310 ist die Homogenisierungseinrichtung 420 der Vorrichtung 410 nicht als vollständiger kreisförmiger Ring ausgebildet, sondern ist an einer Stelle entlang des Umfangs der Öffnung 12 vollständig unterbrochen. Es existiert außerdem nur eine einzige Zuleitung 420 zwischen der Pumpeinrichtung 116 der Vorrichtung 410 und der Homogenisierungseinrichtung 422. Die Zuleitung 420 mündet in ein erstes der beiden durch die Unterbrechung in der Ringform der Homogenisierungseinrichtung 422 gebildeten Enden. Das Fluid 1 breitet sich somit von der Mündung der Zuleitung 420 innerhalb der Homogenisierungseinrichtung 422 nur in einer ersten Richtung in der durchbrochenen Ringstruktur der Homogenisierungseinrichtung 422 aus, in 7 im Uhrzeigersinn.
8 zeigt eine schematische Detailansicht in Draufsicht auf eine mikromechanische Vorrichtung 510 zum Pumpen eines Fluids 1 gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 510 ist eine Variante einer beliebigen im Vorangehenden beschriebenen Vorrichtung 10; 110; 210; 310; 410 und unterscheidet sich von dieser in der Ausbildung einer Auslasseinrichtung 514 mit einer entsprechenden Anzahl von separaten Fluidauslässen 518 der Vorrichtung 510. Die Fluidauslässe 518 sind beispielsweise ebenso symmetrisch bezüglich der Öffnung 12 angeordnet wie die Fluidauslässe 118 der Vorrichtung 110. Der Einfachheit halber sind in 8 die Pumpeinrichtung der Vorrichtung 510 sowie die Zuleitungen zwischen der Pumpeinrichtung und der Auslasseinrichtung 514 nicht dargestellt.
Die Fluidauslässe 518 sind weiterhin dazu ausgelegt, einen ersten Fluidstrom 571 des Fluids 1 aus den Fluidauslässen 518, welcher ursprünglich durch eine Pumpeinrichtung der Vorrichtung 510, optional zusätzlich durch eine Homogenisierungseinrichtung der Vorrichtung 510, erzeugt wird, derart zu erzeugen, das heißt zu beeinflussen, dass ein Fluidwirbel 575 über der Öffnung 12 entsteht. Hierdurch kann sich, wie im Vorangehenden bereits beschrieben, eine verbesserte Sogwirkung und somit ein stärkerer zweiter Fluidstrom 72 aus der Öffnung 12 heraus ergeben.
Zum Ausbilden des Fluidwirbels 575 können die Auslasseinrichtungen 518 und/oder eine optionale Homogenisierungseinrichtung der Vorrichtung 510 Umlenkelemente enthalten, beispielsweise wie in den nachfolgenden 9 und 10 erläutert.
9 zeigt eine schematische Detailansicht eines Fluidauslasses 618 zur Verwendung in einer Vorrichtung 10; 110; 210; 310; 410; 510 gemäß einer der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Durch den Fluidauslass 618 ist ein erster Fluidstrom 671 benachbart zu der Öffnung 12 auslassbar, wie im Vorangehenden in Bezug auf den ersten Fluidstrom 71 und/oder 571 beschrieben. Der Fluidauslass 618 aus 9 ist exemplarisch auf dem Substrat 50 angeordnet, etwa wie in Bezug auf die Fluidauslässe 218 der Vorrichtung 210 beschrieben. Dasselbe gilt auch für eine Zuleitung 620 zu dem Fluidauslass 618.
Benachbart zu dem Fluidauslass 618, insbesondere an den Fluidauslass 618 angrenzend, und/oder um den Fluidauslass 618 herum, ist mindestens ein Umlenkelement 630 angeordnet, welches dazu ausgelegt ist, den aus dem Fluidauslass 618 austretenden ersten Fluidstrom 671 in seiner Richtung und/oder Strömungsgeschwindigkeit zu beeinflussen. In dem Beispiel gemäß 9 ist ein Lenkelement in Form eines Quaders zwischen der Öffnung 12 und dem Fluidauslass 618 angeordnet, um den ersten Fluidstrom 671 von der Fluidöffnung 12 stärker fortzuleiten.
Es soll verstanden werden, dass das in 9 gezeigte Umlenkelement 630 und weitere, ähnlich ausgebildete Umlenkelemente, ebenso auch in Verbindung mit jedem der Fluidauslässe 118; 218; 518 der Vorrichtungen 110; 210; 310; 410; 510 angeordnet werden können, insbesondere auch bei solchen Fluidauslässen 118; 518, welche in das Substrat 50 integriert sind.
10 zeigt eine schematische Detailansicht eines Fluidauslasses 718 zur Verwendung in einer Vorrichtung 10; 110; 210; 310; 410; 510 gemäß einer der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Gemäß 10 ist in einem Abschnitt einer Homogenisierungseinrichtung 722 ein Umlenkelement 730 angeordnet. Die Homogenisierungseinrichtung 722 ist derart ausgelegt, dass ein erster Fluidstrom 771, welcher beispielsweise ausgebildet ist wie der erste Fluidstrom 71, 571, wie oben beschrieben, sich nur in einer Richtung durch die Homogenisierungseinrichtung 722 bewegt, beispielsweise dadurch, dass die Homogenisierungseinrichtung 722 gleich wie die Homogenisierungseinrichtung 422 der Vorrichtung 410 ausgebildet ist.
Bezogen auf diese Ausbreitungsrichtung des ersten Fluidstroms 771 in der Homogenisierungseinrichtung 722 ist das Umlenkelement 730 innerhalb der Homogenisierungseinrichtung 722 hinter dem Fluidauslass 718 angeordnet, so dass ein erster Anteil 773 des ersten Fluidstroms 771 an dem Umlenkelement 730 abprallt und durch den Fluidauslass 718 aus der Homogenisierungseinrichtung 722 herausgeleitet wird und ein zweiter Anteil 774 des ersten Fluidstroms 771 sich weiter innerhalb der Homogenisierungseinrichtung 722 fortbewegt, insbesondere zu einem weiteren, beispielsweise gleich dem Fluidauslass 718 ausgebildeten Fluidauslass.
Obgleich die Homogenisierungseinrichtung 722 in 10 als auf dem Substrat 50 angebracht dargestellt ist, kann die Homogenisierungseinrichtung 722 auch in das Substrat 50 integriert sein, beispielsweise wie in Bezug auf die Homogenisierungseinrichtungen 322 und 422 beschrieben.
Die in Bezug auf 9 und 10 beschriebenen Umlenkelemente 630; 730 können an beliebigen der zuvor beschriebenen Auslässe 118; 518 der beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtungen 10; 110; 210; 310; 410; 510 und beliebigen Homogenisierungseinrichtungen 322; 422 der Vorrichtungen 310; 410 angeordnet werden.
11 zeigt ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Pumpen eines Fluids 1 gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Das Verfahren gemäß 11 ist insbesondere zum Durchführen mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10; 110; 210; 310; 410; 510 geeignet und ist gemäß allein in Bezug auf die erfindungsgemäßen Vorrichtungen beschriebenen Modifikationen und Weiterbildungen anpassbar und umgekehrt.
In einem Schritt S03 wird ein erster Fluidstrom 71; 571; 671; 771 um eine Öffnung 12 eine mikromechanischen Fluidkanals 2 herum oder einer Öffnung 12 eines mikromechanischen Fluidkanals 2 benachbart ausgebildet. Der erste Fluidstrom 71; 571; 671; 771 wird derart erzeugt, dass sich im Bereich der Öffnung 12 ein Unterdruck gegenüber dem mikromechanischen Fluidkanal 2 derart ergibt, dass durch den Unterdruck ein zweiter Fluidstrom 72 des Fluids 1 durch den Fluidkanal 2 und die Öffnung 12 hindurch erzeugt oder verstärkt wird.
Optional kann der erste Fluidstrom 71 mit einem Fluidwirbel 575 erzeugt werden, wie beispielsweise in Bezug auf 8 oben beschrieben.
Wie im Schritt S03 kann optional ein Schritt S01 oder ein Schritt S02 vorangehen. In dem Schritt S01 wird eine mikromechanische oder mikroelektromechanische Vorrichtung 10 bereitgestellt und bezüglich der Öffnung 12 des mikromechanischen Fluidkanals 2 derart angeordnet, dass die Auslasseinrichtung 14 der Vorrichtung 10 der Öffnung 12 des mikromechanischen Fluidkanals 2 benachbart angeordnet ist oder um die Öffnung 12 des mikromechanischen Fluidkanals 2 herum angeordnet ist. Alternativ kann in dem Schritt S02 eine mikromechanische oder mikroelektromechanische Vorrichtung 10; 110; 210; 310; 410; 510 bereitgestellt werden, welche den Fluidkanal 2 mit der Öffnung 12 umfasst.
Optional kann weiterhin durch eine Drucksensoreinrichtung ein Druckwert des ersten Fluidstroms 71; 571; 671; 771 des Fluids 1 erfasst werden. Das Erzeugen des ersten Fluidstroms 71; 571; 671; 771, insbesondere durch eine Pumpeinrichtung 16; 116, kann basierend auf dem erfassten Druckwert geregelt oder angepasst werden, beispielsweise durch eine Steuereinrichtung.

Claims

Mikromechanische Vorrichtung (10; 110; 210; 310; 410; 510) zum Pumpen eines Fluids (1), mit: einer Auslasseinrichtung (14; 114; 214; 314; 414; 514), durch welche ein erster Fluidstrom (71; 571; 671; 771) des zu pumpenden Fluids (1) auslassbar ist; wobei die Auslasseinrichtung (14; 114; 214; 314; 414; 514) um eine Öffnung (12) eines mikromechanischen Fluidkanals (2) herum oder einer Öffnung (12) eines mikromechanischen Fluidkanals (2) benachbart angeordnet ist oder dazu ausgelegt ist, um eine Öffnung (12) eines mikromechanischen Fluidkanals (2) herum oder einer Öffnung (12) eines mikromechanischen Fluidkanals (2) benachbart angeordnet zu werden; und einer mikromechanischen Pumpeinrichtung (16; 116; 216), welche dazu ausgelegt ist, durch Pumpen den ersten Fluidstrom (71; 571; 671; 771) des Fluids (1) aus der Auslasseinrichtung (14; 114; 214; 314; 414; 514) heraus derart zu erzeugen, dass sich im Bereich der Öffnung (12) ein Unterdruck gegenüber dem Fluidkanal (2) derart ergibt, dass ein zweiter Fluidstrom (72) des Fluids (1) durch den Fluidkanal (2) und die Öffnung (12) hindurch erzeugt oder verstärkt wird; wobei die Vorrichtung (10; 110; 210; 310; 410; 510) ein Substrat (50) umfasst; und wobei der Fluidkanal (2) mit der Öffnung (12) durch das Substrat (50) hindurch ausgebildet ist; wobei die Vorrichtung (10; 110; 210; 310; 410; 510) die Öffnung (12) und den Fluidkanal (2) umfasst; wobei die Auslasseinrichtung (114; 214; 314; 414; 514) eine Anzahl von mindestens zwei separaten Fluidauslässen (118; 218; 518; 618; 718) aufweist; und wobei die Pumpeinrichtung (116) dazu ausgelegt ist, den ersten Fluidstrom (71; 571; 671; 771) durch die Anzahl der mindestens zwei separaten Fluidauslässe (118; 218; 518; 618; 718) zu pumpen.
Vorrichtung (310; 410; 510) nach Anspruch 1, wobei die Auslasseinrichtung (314; 414; 514) eine Homogenisierungseinrichtung (322; 422; 722) aufweist, welche zum Homogenisieren des aus den Fluidauslässen (118; 618; 718) austretenden ersten Fluidstroms (71; 571; 671; 771) ausgebildet und fluidisch zwischen der Pumpeinrichtung (116) und der Anzahl der Fluidauslässe (118; 618; 718) angeordnet ist.
Vorrichtung (310; 410; 510) nach Anspruch 2, wobei die Homogenisierungseinrichtung (322; 422; 722) in Form eines Rings oder eines durchbrochenen Rings ausgebildet ist.
Vorrichtung (10; 110; 210; 310; 410; 510) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 wobei die Vorrichtung (10; 110; 210; 310; 410; 510) dazu ausgelegt ist, den zweiten Fluidstrom (72) mit einem Volumenstrom von mehr als fünfzig Mikrolitern pro Sekunde zu erzeugen.
Vorrichtung (510) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auslasseinrichtung (514) dazu ausgelegt ist, den ersten Fluidstrom (571) des Fluids (1) über der Öffnung (12) derart zu erzeugen, dass ein Fluidwirbel (575) über der Öffnung (12) entsteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit: einer Drucksensoreinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, einen Druckwert des ersten Fluidstrom (71; 571; 671; 771) des Fluids (1) zu erfassen.
Verfahren zum Pumpen eines Fluids (1) unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit dem Schritt: Erzeugen (S03) eines ersten Fluidstroms (71; 571; 671; 771) um eine Öffnung (12) eines mikromechanischen Fluidkanals (2) herum oder einer Öffnung (12) eines mikromechanischen Fluidkanals (2) benachbart; wobei der erste Fluidstrom (71; 571; 671; 771) derart erzeugt wird, dass sich im Bereich der Öffnung (12) ein Unterdruck gegenüber dem mikromechanischen Fluidkanal (2) derart ergibt, dass ein zweiter Fluidstrom (72) des Fluids (1) durch den Fluidkanal (2) und die Öffnung (12) hindurch erzeugt oder verstärkt wird.