DE10220705A1

DE10220705A1 - Device for chemical or biochemical analysis of samples or reagents using water as a solvent

Info

Publication number: DE10220705A1
Application number: DE2002120705
Authority: DE
Inventors: Albrecht Vogel; Peter Krippner; Manfred Wetzko; Christian J Schmidt; Antonio Ruzzu; Rolf Merte
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 2002-05-10
Filing date: 2002-05-10
Publication date: 2003-11-27
Also published as: EP1543333A1; WO2003096026A1

Abstract

Einrichtung zur chemischen oder biochemischen Analyse von Proben oder Reagenzien unter Verwendung von Wasser (14) als Lösungsmittel, welches in einem Reservoir einer nachgeschalteten Analyseeinheit (13) für die Durchführung der Analyse zur Verfügung steht, wobei das Reservoir durch eine Kondensatoreinheit (1) mit Mitteln zur Gewinnung des benötigten Wassers (14) direkt aus der Luftfeuchtigkeit von durch die Kondensatoreinheit (1) hindurchströmender Umgebungsluft gebildet ist.Device for the chemical or biochemical analysis of samples or reagents using water (14) as a solvent, which is available in a reservoir of a downstream analysis unit (13) for carrying out the analysis, the reservoir being provided by means of a condenser unit (1) to obtain the required water (14) directly from the air humidity of ambient air flowing through the condenser unit (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur chemischen oder biochemischen Analyse von Proben oder Reagenzien unter Verwendung von Wasser als Lösungsmittel, welches in einem Reservoir einer nachgeschalteten Analyseeinheit für die Durchführung der Analyse zur Verfügung steht. The present invention relates to a device for chemical or biochemical Analysis of samples or reagents using water as Solvent, which is in a reservoir of a downstream analysis unit for the execution of the analysis is available.

Für eine Vielzahl von chemischen oder biochemischen Analysemethoden ist das Bereitstellen von Wasser erforderlich, um dieses im Rahmen der durchzuführenden Analysen als Lösungsmittel für Proben oder Reagenzien zu verwenden. Beispielsweise auf den Gebieten der Biotechnologie oder der kombinatorischen Chemie kommt oftmals reines Wasser als Lösungsmittel zum Einsatz. Das Wasser ist für die durchzuführenden Analysen in kleinsten Volumina präzise zu dosieren. This is for a variety of chemical or biochemical analysis methods Provision of water required to be carried out as part of the Use analyzes as solvents for samples or reagents. For example comes in the fields of biotechnology or combinatorial chemistry often pure water is used as a solvent. The water is for them to precisely dose the analyzes to be carried out in the smallest volumes.

Aus dem Stand der Technik ist es allgemein bekannt, das benötigte Wasser zu diesem Zwecke in einem Reservoir der Einrichtung für die Analyseeinheit bereitzustellen. Das Wasser wird aus dem Reservoir gewöhnlich durch Pipestieren oder Dispensen bedarfsgerecht entnommen und anschließend der nachgeschalteten Analyseeinheit zugeführt. Um den Betrieb der Analyseeinheit sicherzustellen, ist das Reservoir bei Erreichen einer unteren Füllstandsgrenze manuell mit Wasser nachzufüllen oder gänzlich auszuwechseln. In der Praxis werden beispielsweise auswechselbare, das benötigte Wasser enthaltene Behälter angeboten, die mit einer versiegelten Anschlussöffnung ausgerüstet sind. Ein voller Behälter ist nach Entfernen des leeren Behälters auf die Einrichtung aufzustecken, wobei die Fluidverbindung zur Analyseeinheit der Einrichtung hergestellt wird, so dass das im Behälter enthaltene Wasser der Analyseeinheit als Lösungsmittel zur Verfügung steht. It is generally known from the prior art that the water required for this To provide purposes in a reservoir of the device for the analysis unit. The Water is usually removed from the reservoir by pipetting or dispensing removed as required and then from the downstream analysis unit fed. To ensure the operation of the analysis unit, the reservoir is at If a lower fill level is reached, refill manually with water or to be replaced entirely. In practice, replaceable, for example Containers required water are offered, sealed with a Connection opening are equipped. A full container is empty after removing it Attach container to the device, the fluid connection to Analysis unit of the device is manufactured so that the contained in the container Water of the analysis unit is available as a solvent.

Ein Nachteil dieser Lösung ist jedoch, dass die Analysezeit einer mit dem bekannten begrenzten Wasserreservoir ausgestatteten Einrichtung zur Analyse von Proben oder Reagenzien in Abhängigkeit vom Volumen des Reservoirs begrenzt ist. Um eine möglichst lange, ununterbrochene Analysezeit zu erzielen, kamen bislang Reservoirs mit entsprechend großen Volumina zum Einsatz. Allerdings verursacht diese bekannte Lösung einen relativ großen Platzbedarf, der in manchen Fällen sogar die geometrischen Abmaße der eigentlichen Analyseeinheit bei weitem überschreitet. A disadvantage of this solution, however, is that the analysis time is one with the known one limited water reservoir equipped facility for analysis of samples or Reagents is limited depending on the volume of the reservoir. To one Up to now, reservoirs have been used to achieve the longest possible, uninterrupted analysis time with correspondingly large volumes. However, this causes known Solution a relatively large amount of space, which in some cases even geometrical dimensions of the actual analysis unit far exceeds.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Einrichtung der vorstehend beschriebenen Art zu schaffen, die gegenüber dem Stand der Technik eine unbegrenzte Analysezeit bei geringem Platzbedarf ermöglicht. It is therefore the object of the present invention a device of the above described type to create a compared to the prior art unlimited analysis time with little space required.

Die Aufgabe wird ausgehend von einer Einrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder. The task is based on a facility according to the preamble of Claim 1 solved in conjunction with its characteristic features. The the following dependent claims give advantageous developments of Invention again.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das Reservoir der Einrichtung zur Analyse von Proben oder Reagenzien durch eine Kondensatoreinheit gebildet ist, welche Mittel zur Gewinnung des benötigten Wassers direkt aus der Luftfeuchtigkeit von durch die Kondensatoreinheit hindurchströmender Umgebungsluft besitzt. The invention includes the technical teaching that the reservoir of the device is formed by a capacitor unit for the analysis of samples or reagents, what means to extract the required water directly from the air humidity of ambient air flowing through the condenser unit.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Kondensatoreinheit liegt insbesondere darin, dass hiermit eine kontinuierliche, bedarfsgerechte Wassergewinnung möglich ist. Somit wendet sich die Erfindung von einer herkömmlichen Bevorratung von Wasser ab und beschreitet durch die verbrauchsnahe Gewinnung des Wassers innerhalb der Analyseeinrichtung einen neuen Weg. Die Kondensatoreinheit kann im Vergleich zu einem herkömmlichen austauschbaren oder nachfüllbaren Behälter zur Wasserbevorratung sehr viel kleiner ausgeführt werden. Die Menge des hiermit gewinnbaren Wassers ist insbesondere abhängig von der Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft sowie des Volumenstroms an Umgebungsluft, welcher die Kondensatoreinheit durchströmt. Weiterhin ist die Menge an gewinnbarem Wasser auch abhängig von der Temperatur der Umgebungsluft sowie der Temperatur innerhalb der Kondensatoreinheit, welche die Kondensation auslöst. The advantage of the capacitor unit according to the invention is in particular that this enables continuous, needs-based water production. Consequently the invention turns away from a conventional storage of water and treats the consumer-oriented extraction of water within the Analysis facility a new way. The capacitor unit can be compared to a conventional interchangeable or refillable container for Water storage can be carried out much smaller. The amount of this recoverable water is particularly dependent on the air humidity Ambient air and the volume flow of ambient air, which the Flows through the condenser unit. Furthermore, the amount of water that can be obtained also depending on the temperature of the ambient air and the temperature inside the condenser unit, which triggers the condensation.

Zum Kondensieren der in der Umgebungsluft enthaltenen Luftfeuchtigkeit wird vorzugsweise mindestens ein Kühlelement verwendet, welches die Wandung der Kondensatoreinheit zumindest teilweise kühlt, um eine Kondensation der durch die Kondensatoreinheit hindurchströmenden Umgebungsluft auszulösen. Hierbei kann das Kühlelement entweder selbst einen Teil der Wandung bilden oder direkt hinter einer Wandung der Kondensatoreinheit angeordnet sein. Letzterenfalls ist die Wandung möglichst dünn zu halten, um einen guten Kältedurchgang und somit einen hohen Wirkungsgrad zu gewährleisten. To condense the air moisture contained in the ambient air preferably used at least one cooling element, which the wall of the Condenser unit at least partially cools to condense through the Trigger ambient air flowing through the condenser unit. Here it can Cooling element either form part of the wall itself or directly behind one Wall of the capacitor unit can be arranged. The latter is the wall to keep it as thin as possible to ensure good passage of cold and therefore a high level To ensure efficiency.

Vorzugsweise erfolgt die Beförderung der Umgebungsluft durch die Kondensatoreinheit hindurch mittels einer an einem Lufteinlass oder an einem Luftauslass der Kondensatoreinheit angeordneten Luftpumpe. Bei einer Anordnung der Luftpumpe am Lufteinlass saugt diese die Umgebungsluft an und drückt die angesaugte Umgebungsluft durch die Kondensatoreinheit hindurch bis zum Luftauslass. Bei einer bevorzugten Anordnung der Luftpumpe seitens des Luftauslasses entfaltet die Luftpumpe ihre Saugwirkung über den Lufteinlass, so dass die Umgebungsluft durch das innere der Kondensatoreinheit hindurch gesaugt wird. The ambient air is preferably conveyed through the Condenser unit through one at an air inlet or at one Air outlet of the condenser unit arranged air pump. With an arrangement of Air pump at the air inlet sucks in the ambient air and presses it aspirated ambient air through the condenser unit to Air outlet. In a preferred arrangement of the air pump on the part of Air outlet, the air pump unfolds its suction through the air inlet so that the ambient air is sucked through the inside of the condenser unit.

Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme ist das sich in der Kondensatoreinheit aufgrund der Kondensation der Umgebungsluft ansammelnde Wasser mittels einer einem Wasserauslass der Kondensatoreinheit zugeordneten Wasserpumpe bedarfsgerecht entnehmbar. Über die Ansteuerung der Wasserpumpe erfolgt gleichzeitig auch die Dosierung des benötigten Wassers. Somit kann das Wasser nicht selbstständig in die nachgeschaltete Analyseeinheit gelangen. Um das sich innerhalb der Kondensatoreinheit befindliche Wasser abziehen zu können, ist es auch denkbar, mehrere Wasserauslässe im Bodenbereich der Kondensatoreinheit zu platzieren, welche in ein gemeinsames Kanalsystem münden, in dem die Wasserpumpe an geeigneter Stelle platziert ist. Falls die Platzverhältnisse es ermöglichen, kann der Boden der Kondensatoreinheit flach trichterförmig ausgebildet werden, wobei der Wasserauslass an der tiefsten Stelle des Bodens angeordnet ist. According to a further measure improving the invention, this is in the Condenser unit accumulating due to the condensation of the ambient air Water by means of a water outlet assigned to the condenser unit Water pump can be removed as required. Via the control of the water pump the required water is also metered at the same time. So that can Water does not get into the downstream analysis unit independently. To do that to be able to withdraw water located within the condenser unit it is also conceivable to close several water outlets in the bottom area of the condenser unit place which lead to a common channel system in which the Water pump is placed in a suitable place. If space is there allow, the bottom of the capacitor unit can be formed flat funnel-shaped with the water outlet at the lowest point on the floor.

Um mit der erfindungsgemäßen Einrichtung eine geregelte Wassergewinnung zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, zur Ermittlung der Temperatur und der relativen Luftfeuchtigkeit der einströmenden Umgebungsluft einen ersten Temperatursensor bzw. einen Luftfeuchtigkeitssensor vorzusehen. Weiterhin ist zur Ermittlung der Temperatur innerhalb der Kondensatoreinheit und der Strömungsgeschwindigkeit der Umgebungsluft durch die Kondensatoreinheit hindurch ein zweiter Temperatursensor bzw. ein Volumenstromsensor vorzusehen. Aus diesen insgesamt vier unterschiedlichen Sensoren kann innerhalb einer nachgeschalteten Steuereinheit die Menge des kondensierbaren Wassers bestimmt werden. Dem entsprechend ist die Wasserentnahme durch die Wasserpumpe steuerbar, so dass nur dann eine Wasserentnahme erfolgt, wenn genügend kondensiertes Wasser zur Verfügung steht. Die Menge des kondensierten Wassers wird über eine entsprechende Ansteuerung des Kühlelements sowie der Luftpumpe zur Beeinflussung der Kühlleistung bzw. der Pumprate für die hindurchströmende Umgebungsluft beeinflusst. In order to regulate water extraction with the device according to the invention enable, it is proposed to determine the temperature and the relative Humidity of the incoming ambient air a first temperature sensor or to provide a humidity sensor. Furthermore, to determine the Temperature within the condenser unit and the flow rate of the Ambient air through the condenser unit, a second temperature sensor or to provide a volume flow sensor. Out of these four Different sensors can be used within a downstream control unit Amount of condensable water can be determined. The is accordingly Water withdrawal controllable by the water pump, so that only one Water is drawn off when there is sufficient condensed water available. The amount of condensed water is controlled accordingly the cooling element and the air pump to influence the cooling capacity or Inflation rate for the ambient air flowing through.

Eine dichte Messung der Menge des innerhalb der Kondensatoreinheit kondensierten Wassers kann auch mit Mitteln zur Messung des Füllstandes innerhalb der Kondensatoreinheit erfolgen. Je nach Ausbildung dieser Mittel können analoge oder diskrete Füllstandsmesswerte gewonnen werden. Vorzugsweise umfassen die Mittel zum Messen des Füllstandes mehrere Elektroden, die an einer Seitenwandung der Kondensatoreinheit in äquidistanten Abständen angebracht sind, um hiermit kapazitiv die Lage des Wasserspiegels zu bestimmen. Eine Füllstandsmessung über die Elektroden ist bei der erfindungsgemäßen Analyseeinrichtung besonders geeignet, da diese einfach zu installieren sind und zuverlässige Messwerte über den Füllstand liefern. A tight measurement of the amount of condensed inside the condenser unit Water can also be used with means for measuring the level within the Capacitor unit. Depending on the training of these funds, analog or discrete level readings can be obtained. The means preferably comprise to measure the level, several electrodes on one side of the Capacitor unit are attached at equidistant intervals to be capacitive to determine the position of the water level. A level measurement over the Electrodes are particularly suitable in the analysis device according to the invention because these are easy to install and reliable measurements of the level deliver.

Vorzugsweise wird die vorstehend beschriebene Analyseeinrichtung in Mikrosystemtechnik ausgeführt, wobei die Kondensatoreinheit eine in einem Halbleiterchip geätzte Kavität als Reservoir umfasst. Hierin wird das aus der Umgebungsluft stammende Wasser mittels eines nach Art eines Peltierelements ausgebildeten Kühlelements kondensiert. Der Halbleiterchip besteht vorzugsweise aus Silizium. Das Peltierelement wird zur Erzielung einer hohen Kühlleistung an der Unterseite des Halbleiterchips im Bereich des Bodens der hierin geätzten Kavität platziert. Ein Peltierelement pumpt im Sinne eines thermoelektrischen Generators Wärme ab, so dass beim Zuführen von Strom eine vorher warme Kontaktstelle gekühlt wird und eine andere - vorher kalte - Kontaktstelle erwärmt wird. Zur Erzielung des gewünschten Kühleffekts ist die dabei entstehende Wärme nach außen hin abzuführen. The analysis device described above is preferably shown in Microsystem technology executed, the capacitor unit one in one Includes semiconductor chip etched cavity as a reservoir. This is where the Water originating from ambient air by means of a Peltier element trained cooling element condensed. The semiconductor chip preferably consists of Silicon. The Peltier element is used to achieve a high cooling capacity Underside of the semiconductor chip in the region of the bottom of the cavity etched therein placed. A Peltier element pumps in the sense of a thermoelectric generator Heat, so that a previously warm contact point is cooled when electricity is supplied and another - previously cold - contact point is heated. To achieve the The desired cooling effect is the resulting heat to the outside dissipate.

Sowohl der Lufteinlass als auch der Luftauslass wird vorzugsweise durch in den Halbleiterchip geätzte Mikrokanalabschnitte hergestellt, welche auf einem höheren Niveau als der Boden der Kavität liegen, um die Ansammlung von Wasser hierin zu ermöglichen. Die in den Halbleiterchip geätzte Kavität sowie die hieran angrenzenden Mikrokanalabschnitte können mittels eines Deckelelements, welches auf den Halbleiterchip gebondet wird, verschlossen werden. Das Deckelelement kann beispielsweise aus demselben Halbleitermaterial wie der Halbleiterchip oder aus Glas bestehen. Both the air inlet and the air outlet are preferably through in the Semiconductor chip etched microchannel sections made on a higher Level as the bottom of the cavity to prevent the accumulation of water therein enable. The cavity etched into the semiconductor chip and the adjacent ones Microchannel sections can be by means of a cover element, which on the Semiconductor chip is bonded, sealed. The cover element can for example from the same semiconductor material as the semiconductor chip or from glass consist.

Vorzugsweise mündet der mindestens eine Wasserauslass am Boden der Kavität in ein in einem darunter liegenden Halbleiterchip geätztes Kanalsystem ein. Durch diese schichtartige Anordnung von Halbleiterchips kann die bei der erfindungsgemäßen Kondensatoreinheit gewünschte dreidimensionale Struktur auf einfache Weise hergestellt werden. Der untere, das Kanalsystem enthaltene Halbleiterchip ist - genauso wie das Deckelelement - durch Bonden an dem die Kavität enthaltenen Halbleiterchip befestigt. The at least one water outlet preferably opens into the bottom of the cavity a channel system etched in an underlying semiconductor chip. Through this Layer-like arrangement of semiconductor chips can in the inventive Capacitor unit desired three-dimensional structure in a simple manner getting produced. The bottom semiconductor chip containing the channel system is - just like the lid element - by bonding to the cavity Semiconductor chip attached.

Die in dieser Schichtstruktur integrierte Luftpumpe und/oder Wasserpumpe wird vorzugsweise nach Art einer mechanischen Mikropumpe ausgebildet. Eine solche Mikropumpe bedient sich gewöhnlich einer Membran als Pumpelement, welche mittels eines Piezoelements als Antrieb in eine Schwingbewegung versetzt wird, um die Pumpwirkung zu erzeugen. The air pump and / or water pump integrated in this layer structure is preferably designed in the manner of a mechanical micropump. Such Micropump usually uses a membrane as a pump element, which means of a piezo element as a drive is set into an oscillating movement in order to To produce pumping action.

Zur Vermeidung eines Überlaufs der Kondensatoreinheit durch Wasseraustritt aus dem Lufteinlass oder dem Luftauslass wird vorgeschlagen, dass zwischen dem bodennahen Bereich der Kavität, in dem sich das kondensierte Wasser ansammelt, und dem Bereich des Lufteinlasses sowie des Luftauslasses eine feuchtigkeitsdurchlässige Membran angeordnet ist. Die Membran trennt so den Bereich des angesammelten Wassers vom Durchströmungsbereich der Umgebungsluft ab. Hierdurch wird die Widerstandsfähigkeit der Kondensatoreinheit gegen Erschütterungen und Lageänderungen in einfacher Weise erhöht. Vorzugsweise kann die feuchtigkeitsdurchlässige Membran zwischen dem die Kavität enthaltenden Halbleiterchip und dessen korrespondierenden Deckelelement angeordnet sein. To prevent the condenser unit from overflowing due to water leakage from the Air inlet or air outlet is suggested to be between the ground level Area of the cavity in which the condensed water collects and the Area of the air inlet and the air outlet a moisture-permeable Membrane is arranged. The membrane thus separates the area of the accumulated Water from the flow area of the ambient air. This will make the Resistance of the capacitor unit to shocks and Changes in location increased in a simple manner. Preferably, the moisture-permeable membrane between the one containing the cavity Semiconductor chip and its corresponding cover element can be arranged.

Zur Erhöhung der Ausbeute an kondensiertem Wasser wird vorgeschlagen, dass der Boden der Kavität, in dessen Bereich sich das Kühlelement befindet, mit einer Mikrostruktur versehen ist, um die effektive gekühlte Oberfläche der Kavität zu vergrößern. Hierdurch vergrößert sich die Fläche, an der die Feuchtigkeit kondensieren kann. Die Mikrostruktur kann beispielsweise als kegelförmige oder pyramidenförmige Erhebungen oder dergleichen ausgebildet sein. To increase the yield of condensed water, it is proposed that the Bottom of the cavity, in the area of which the cooling element is located, with a Microstructure is provided to create the effective cooled surface of the cavity enlarge. This increases the area on which the moisture condenses can. The microstructure can be conical or pyramidal, for example Elevations or the like can be formed.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt: Further measures improving the invention are described below together with the description of a preferred embodiment of the invention using the Figures shown in more detail. It shows:

Fig. 1 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Kondensatoreinheit der Einrichtung zur Analyse von Proben oder Reagenzien in Mikrosystemtechnik, Fig. 1 is a perspective exploded view of a condenser unit of the apparatus for analysis of samples or reagents in microsystems technology,

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung der Arbeitsweise der Kondensatoreinheit nach Fig. 1, Fig. 2 is a schematic representation of the operation of the capacitor unit of Fig. 1,

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung der um regelungstechnische Mittel erweiterten Arbeitsweise der Kondensatoreinheit nach Fig. 1, Fig. 3 is a schematic representation of extended to closed-loop control means operation of the capacitor unit of Fig. 1,

Fig. 4a eine Seitenansicht der Kondensatoreinheit nach Fig. 1 im zusammengebauten Zustand gemäß einer ersten Ausführungsform, FIG. 4a is a side view of the capacitor unit of Fig. 1 in the assembled state according to a first embodiment;

Fig. 4b eine Seitenansicht der Kondensatoreinheit nach Fig. 1 im zusammengebauten Zustand gemäß einer weiteren Ausführungsform, FIG. 4b is a side view of the condenser unit of FIG. 1 in an assembled state according to another embodiment,

Fig. 5 eine perspektivische Außenansicht der Kondensatoreinheit mit einer mikrostrukturierten Kavität, und Fig. 5 is an external perspective view of the capacitor unit with a microstructured cavity, and

Fig. 6 eine Prinzipdarstellung einer integrierten Füllstandsmessung bei der Kondensatoreinheit nach Fig. 1. Fig. 6 is a schematic representation of an integrated level measurement of the capacitor unit of FIG. 1.

Die in Mikrosystemtechnik ausgeführte Kondensatoreinheit 1 nach Fig. 1 besteht im Wesentlichen aus einem Halbleiterchip 2 aus Silizium, in dem eine Kavität 3 als Reservoir für Wasser geätzt ist. Benachbart zur Kavität 3 ist ein Lufteinlass 4 sowie ein Luftauslass 5 in Form von ebenfalls in den Halbleiterchip 2 geätzten Mikrokanalabschnitten vorgesehen. An den Boden der Kavität 3 ist von unten her ein nach Art eines Peltierelements ausgebildetes Kühlelement 6 angebracht. Zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Kühlelement 6 und der Kavität 3 erfolgt die Anbringung unter Vermittlung einer Wärmeleitpaste 7. Ebenfalls von unten her steht ein Kanalsystem 8 mit in den Boden der Kavität 3 eingebrachten Wasserauslässen 9a, 9b in Verbindung. Das Kanalsystem 8 ist in einen weiteren Halbleiterchip 10 geätzt und mündet in eine - nicht weiter gezeigte - Wasserpumpe 11, welche das sich innerhalb der Kavität 3 befindliche Wasser dosiert entnimmt. Der Halbleiterchip 10 ist am Halbleiterchip 2 durch Bonden angebracht. Zum Verschließen der Kavität 3 sowie des benachbarten Lufteinlasses 4 und Luftauslasses 5 dient ein auf den Halbleiterchip 2 gebondetes Deckelelement 12. The capacitor unit 1 of FIG. 1 executed in microsystems technology consists essentially of a semiconductor chip 2 made of silicon, is etched in which a cavity 3 as a reservoir for water. An air inlet 4 and an air outlet 5 in the form of microchannel sections likewise etched in the semiconductor chip 2 are provided adjacent to the cavity 3 . A cooling element 6 designed in the manner of a Peltier element is attached to the bottom of the cavity 3 from below. To improve the thermal conductivity between the cooling element 6 and the cavity 3 , the attachment is carried out by means of a thermal paste 7 . Also from below is a channel system 8 with water outlets 9 a, 9 b introduced into the bottom of the cavity 3 . The channel system 8 is etched into a further semiconductor chip 10 and opens into a water pump 11 (not shown further), which doses the water contained in the cavity 3 . The semiconductor chip 10 is attached to the semiconductor chip 2 by bonding. A cover element 12 bonded to the semiconductor chip 2 serves to close the cavity 3 and the adjacent air inlet 4 and air outlet 5 .

Gemäß Fig. 2 funktioniert die vorstehend im Aufbau beschriebene Kondensatoreinheit 1 im Rahmen einer Einrichtung zur Analyse von Proben oder Reagenzien, welche zu diesem Zwecke weiterhin eine der Kondensatoreinheit 1 nachgeschaltete Analyseeinheit 13 aufweist. Aus der Luftfeuchtigkeit von über den Lufteinlass 4 die Kondensatoreinheit 1 einströmender Umgebungsluft wird innerhalb der Kondensatoreinheit 1 durch Kondensation Wasser 14 gewonnen. Die Gewinnung des benötigten Wassers 14 erfolgt mittels eines Kühlelements 15, welches die Wandung der Kondensatoreinheit 1 im Bodenbereich kühlt, um eine Kondensation der durch die Kondensatoreinheit 1 hindurchströmenden Umgebungsluft auszulösen. Die Beförderung der Umgebungsluft durch die Kondensatoreinheit 1 hindurch erfolgt mittels einer am Luftauslass 5 der Kondensatoreinheit 1 angeordneten Luftpumpe 16. Das sich in der Kondensatoreinheit 1 aufgrund der Kondensation der Umgebungsluft in Folge Kühlung mit dem Kühlelement 15 ansammelnde Wasser 14 ist mittels einer am Wasserauslass 9 der Kondensatoreinheit 1 angeordneten Wasserpumpe 17 bedarfsgerecht entnehmbar. Referring to FIG. 2, the capacitor unit 1 in the above-described structure operates in the context of a device for analysis of samples or reagents, which, to that end of the capacitor unit 1 further downstream analysis unit 13 has. Water 14 is obtained within the condenser unit 1 by condensation from the atmospheric humidity of ambient air flowing in via the air inlet 4 to the condenser unit 1 . The required water 14 is obtained by means of a cooling element 15 , which cools the wall of the condenser unit 1 in the base area in order to trigger condensation of the ambient air flowing through the condenser unit 1 . The ambient air is conveyed through the condenser unit 1 by means of an air pump 16 arranged at the air outlet 5 of the condenser unit 1 . The water 14 which accumulates in the condenser unit 1 due to the condensation of the ambient air as a result of cooling with the cooling element 15 can be removed as required by means of a water pump 17 arranged at the water outlet 9 of the condenser unit 1 .

Nach Fig. 3 ist die Kondensatoreinheit 1 mit weiteren elektronischen Mitteln ausrüstbar, um eine geregelte Wasserentnahme aus der Kondensatoreinheit 1 zu ermöglichen. Die Menge des kondensierten Wassers 14, welche der nachfolgenden Analyse zur Verfügung steht ist über eine Steuereinheit 18 bestimmbar, die entsprechend der benötigten Menge an Wasser 14 die Kühlleistung des Kühlelements 15 und/oder die Förderrate der Luftpumpe 16 reguliert. Zu diesem Zwecke empfängt die Steuereinheit 18 eingangsseitig Messwerte eines ersten Temperatursensors 19 zur Ermittlung der Temperatur T1 der einströmenden Umgebungsluft. Ein benachbarter Luftfeuchtigkeitssensor 20 ermittelt die relative Luftfeuchtigkeit der durch den Lufteinlass 4 einströmenden Umgebungsluft. Zur Ermittlung der gekühlten Temperatur T2 innerhalb der Kondensatoreinheit 1 ist ein zweiter Temperatursensor 21 vorgesehen. Weiterhin ist hier ein Volumenstromsensor 22 vorgesehen, welcher der Steuereinheit 18 Messwerte über die Strömungsgeschwindigkeit der durch die Kondensatoreinheit 1 hindurch beförderten Umgebungsluft vermittelt. Ausgehend von allen ermittelten Messwerten erfolgt über die Steuereinheit 18 eine geregelte Wassergewinnung sowie Wasserentnahme. According to FIG. 3, the condenser unit 1 can be equipped with further electronic means in order to enable regulated water withdrawal from the condenser unit 1 . The amount of condensed water 14 which is available for the subsequent analysis can be determined via a control unit 18 which regulates the cooling capacity of the cooling element 15 and / or the delivery rate of the air pump 16 in accordance with the required amount of water 14 . For this purpose, the control unit 18 receives measured values from a first temperature sensor 19 on the input side for determining the temperature T1 of the inflowing ambient air. An adjacent air humidity sensor 20 determines the relative air humidity of the ambient air flowing in through the air inlet 4 . A second temperature sensor 21 is provided to determine the cooled temperature T2 within the condenser unit 1 . Furthermore, a volume flow sensor 22 is provided here, which conveys measurement values to the control unit 18 about the flow velocity of the ambient air conveyed through the condenser unit 1 . On the basis of all the measured values determined, controlled water extraction and extraction take place via the control unit 18 .

Aus der in der Fig. 4a im zusammengebauten Zustand dargestellten Kondensatoreinheit 1 ist die relative Lage der äußeren Anschlüsse zueinander entnehmbar. So liegen sowohl der Lufteinlass 4 als auch der Luftauslass 5, welche durch in den Halbleiterchip 2 geätzte Mikrokanalabschnitte hergestellt sind, auf einem höheren Niveau als der Boden der Kavität 3, in welcher sich das Wasser 14 in Folge des Kondensierens ansammelt. Der bodenseitige Wasserauslass 9 ermöglicht einen Abzug des angesammelten Wassers 14, welches zur nachgeschalteten - hier nicht weiter gezeigten - Analyseeinheit transportiert wird. The relative position of the outer connections to one another can be seen from the capacitor unit 1 shown in the assembled state in FIG. 4a. Both the air inlet 4 and the air outlet 5 , which are produced by microchannel sections etched into the semiconductor chip 2 , are at a higher level than the bottom of the cavity 3 , in which the water 14 collects as a result of the condensation. The water outlet 9 on the bottom enables the accumulated water 14 to be drawn off , which is transported to the downstream analysis unit (not shown further here).

Bezugnehmend auf Fig. 4b ist zur Vermeidung eines Überlaufs der Kondensatoreinheit 1 durch Wasseraustritt aus dem Lufteinlass 4 oder dem Luftauslass 5 zwischen dem bodennahen Bereich der Kavität 3 einerseits - in welchem sich das kondensierte Wasser 14 ansammelt - und dem Bereich der Luftströmung zwischen dem Lufteinlass 4 und dem Luftauslass 5 andererseits eine feuchtigkeitsdurchlässige Membran 23 vorgesehen. Die feuchtigkeitsdurchlässige Membran 23 ist vorteilhafterweise zwischen dem die Kavität 3 enthaltenen Halbleiterchip 2 und dem korrespondierenden Deckelelement 12 eingespannt. Referring to FIG. 4b, in order to avoid an overflow of the condenser unit 1 due to water escaping from the air inlet 4 or the air outlet 5, on the one hand, between the region of the cavity 3 near the floor - in which the condensed water 14 collects - and the region of the air flow between the air inlet 4 and the air outlet 5, on the other hand, a moisture-permeable membrane 23 is provided. The moisture-permeable membrane 23 is advantageously clamped between the semiconductor chip 2 containing the cavity 3 and the corresponding cover element 12 .

Gemäß der Ausführungsform nach Fig. 5 ist der Boden der Kavität 3 im Halbleiterchip 2 mit einer Mikrostruktur versehen, welche aus einzelnen pyramidenartigen Erhebungen 24 besteht. Hierdurch wird die effektive gekühlte Oberfläche der Kavität 3 vergrößert, so dass sich die Ausbeute an kondensiertem Wasser erhöht. According to the embodiment according to FIG. 5, the bottom of the cavity 3 in the semiconductor chip 2 is provided with a microstructure which consists of individual pyramid-like elevations 24 . As a result, the effective cooled surface of the cavity 3 is increased, so that the yield of condensed water increases.

Gemäß der Ausführungsform nach Fig. 6 ist die Kondensatoreinheit 1 innerhalb ihrer Kavität 3 mit Mitteln zur Messung des Füllstandes des hierin angesammelten kondensierten Wassers 14 ausgestattet. Diese Mittel zur Messung des Füllstandes bestehen aus mehreren Elektroden 25, die an einer Seitenwandung 26 der Kondensatoreinheit 1 voneinander äquidistant beabstandet angebracht sind, um hiermit kapazitiv über die Steuereinheit 18 die Lage des Wasserspiegels 27 zu bestimmen. According to the embodiment according to FIG. 6, the condenser unit 1 is equipped within its cavity 3 with means for measuring the fill level of the condensed water 14 accumulated therein. These means for measuring the fill level consist of a plurality of electrodes 25 , which are attached to one side wall 26 of the capacitor unit 1 equidistantly from one another, in order to use this to determine the position of the water level 27 capacitively via the control unit 18 .

Die vorliegende Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorstehend lediglich als Beispiele aufgezeigten Ausführungsformen. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der Ansprüche umfasst sind. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere nicht beschränkt auf eine Ausführung in Mikrosystemtechnik, sondern kann auch durch andere apparatetechnische Ausführungsformen realisiert werden. Allerdings tritt das der Erfindung zugrundeliegende Problem insbesondere im Zusammenhang mit einer mikrosystemtechnisch ausgebildeten Einrichtung zur chemischen oder biochemischen Analyse von Proben oder Reagenzien unter Verwendung von Wasser als Lösungsmittel auf, da gerade in diesem Anwendungsbereich eine kleinbauende aber wirkungsvolle Wasserbereitstellung benötigt wird. Insoweit kommen die in der vorstehenden Beschreibung angeführten Vorteile insbesondere bei einer mikrosystemtechnischen Ausführungsform wegen des hier bestehenden notorischen Platzmangels zum Tragen. Bezugszeichenliste 1 Kondensatoreinheit
2 Halbleiterchip
3 Kavität
4 Lufteinlass
5 Luftauslass
6 Kühlelement
7 Wärmeleitpaste
8 Kanalsystem
9 Wasserauslass
10 Halbleiterchip
11 Wasserpumpe
12 Deckelelement
13 Analyseeinheit
14 Wasser
15 Kühlelement
16 Luftpumpe
17 Wasserpumpe
18 Steuereinheit
19 Temperatursensor
20 Luftfeuchtigkeitssensor
21 Temperatursensor
22 Volumenstromsensor
23 Membran
24 Erhebungen
25 Seitenwandung
26 Elektroden
27 Wasserspiegel
The present invention is not limited to the embodiments shown above only as examples. Rather, modifications thereof are also conceivable, which are included in the scope of the claims. The present invention is in particular not limited to an embodiment in microsystem technology, but can also be implemented by other apparatus-related embodiments. However, the problem on which the invention is based occurs in particular in connection with a microsystem-technical device for the chemical or biochemical analysis of samples or reagents using water as a solvent, since it is precisely in this area of application that a small-sized but effective water supply is required. In this respect, the advantages mentioned in the above description are particularly evident in the case of a microsystem embodiment because of the notorious lack of space here. Reference numeral list 1 capacitor unit
2 semiconductor chips
3 cavity
4 air intake
5 air outlet
6 cooling element
7 thermal paste
8 channel system
9 water outlet
10 semiconductor chip
11 water pump
12 cover element
13 analysis unit
14 water
15 cooling element
16 air pump
17 water pump
18 control unit
19 temperature sensor
20 humidity sensor
21 temperature sensor
22 volume flow sensor
23 membrane
24 surveys
25 side wall
26 electrodes
27 water level

Claims

1. A device for chemical or biochemical analysis of samples or reagents using water ( 14 ) as a solvent, which is available in a reservoir of a downstream analysis unit ( 13 ) for performing the analysis, characterized in that the reservoir by a capacitor unit ( 1 ) with means for obtaining the required water ( 14 ) directly from the air humidity of ambient air flowing through the condenser unit ( 1 ).

2. Device according to claim 1, characterized in that the means for obtaining the required water ( 14 ) comprise at least one cooling element ( 15 ) which at least partially cools the wall of the condenser unit ( 1 ) in order to condense the condenser unit ( 1 ) trigger ambient air flowing through it.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the ambient air is conveyed through the condenser unit ( 1 ) by means of an air pump ( 16 ) arranged on an air inlet ( 4 ) or on an air outlet ( 5 ) of the condenser unit ( 1 ) ,

4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the water collecting in the condenser unit ( 1 ) due to the condensation of the ambient air ( 14 ) by means of at least one water outlet ( 9 ) of the condenser unit ( 1 ) associated with the water pump ( 17 ) is removable.

5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a first temperature sensor ( 19 ) or an air humidity sensor ( 20 ) is provided for determining the temperature (T1) and the relative air humidity (rel.%), And that To determine the temperature (T2) within the condenser unit ( 1 ) and the flow velocity (V) of the ambient air through the condenser unit ( 1 ), a second temperature sensor ( 21 ) or a volume flow sensor ( 22 ) is provided, from which within a downstream control unit ( 18 ) the amount of condensed water ( 14 ) can be determined ( FIG. 3).

6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the condenser unit ( 1 ) for determining the amount of condensed water accumulated therein ( 14 ) is equipped with means for measuring the level.

7. Device according to claim 6, characterized in that the means for measuring the fill level comprise a plurality of electrodes ( 26 ) which are mounted on a side wall ( 25 ) of the capacitor unit ( 1 ) at a distance from one another in order to capacitively position the water level ( 27 ) to determine ( Fig. 6).

8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the capacitor system ( 1 ) produced in microsystem technology comprises a cavity ( 3 ) etched in a semiconductor chip ( 2 ) as a reservoir, in which the water ( 14 ) by means of a Peltier element trained cooling element ( 6 ) condensed, which is integrated in the semiconductor chip ( 2 ) or attached thereto.

9. Device according to claim 8, characterized in that both the air inlet ( 4 ) and the air outlet ( 5 ) are produced by microchannel sections etched in the semiconductor chip ( 2 ), which are at a higher level than the bottom of the cavity ( 3 ) to allow the accumulation of water ( 14 ) ( Fig. 4a).

10. The device according to claim 8, characterized in that the air pump ( 16 ) and / or the water pump ( 11 ) are designed in the manner of a mechanical micropump.

11. The device according to claim 8, characterized in that at least one water outlet ( 9 a, 9 b) is arranged at the bottom of the cavity ( 3 ) and opens into a channel system ( 8 ) etched in an underlying semiconductor chip ( 10 ).

12. The device according to claim 8, characterized in that to avoid overflow of the condenser unit ( 1 ) by water leakage from the air inlet ( 4 ) or the air outlet ( 5 ) between the near-bottom region of the cavity ( 3 ) in which the condensed water ( 14 ) accumulates, and the area of the air inlet ( 4 ) and the air outlet ( 5 ) through which the ambient air flows, a moisture-permeable membrane ( 23 ) is provided.

13. Device according to claim 8, characterized in that the moisture-permeable membrane ( 23 ) is arranged between the semiconductor chip ( 2 ) and a cover element ( 12 ) corresponding to its cavity ( 3 ) ( FIG. 4b).

14. Device according to claim 8, characterized in that to increase the yield of condensed water ( 14 ), the bottom of the cavity ( 3 ), in the area of which the cooling element ( 6 ) is located, is provided with a microstructure in order to effectively cool it Enlarge surface ( Fig. 5).