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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf Pipetiereinrichtungen und spezifischer auf Pipetiereinrichtungen
mit Mikropumpen.
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Mit zunehmender Verbesserung der
Herstellung von mikromechanischen Strukturen können heutzutage vielfältige Vorrichtungen
als Mikrostrukturvorrichtungen realisiert werden. Eine solche Mikrostrukturvorrichtung
umfaßt
beispielsweise eine Mikropipetiereinrichtung mit einer Mikropumpe.
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1 zeigt
eine bekannte Pipetiereinrichtung, die eine erste und zweite Mikropumpe 110a und 110b aufweist,
die jeweils aus drei übereinander
angeordneten Pumpenkörperabschnitten 110, 112 und 114 aufgebaut
sind. Die Pumpenkörperabschnitte 110, 112 und 114 umfassen
jeweils eine flache Scheibe bzw. Wafer mit Mikrostrukturen, die
mittels geeigneter Ätzverfahren
erzeugt werden. Typischerweise weisen die Pumpenkörperabschnitte 110, 112 und 114 bei
einer solchen bekannten Mikropumpe ein Halbleitermaterial, wie beispielsweise
Silizium, auf. Jede der Mikropumpen 100a und 110b umfaßt eine Pumpenkammer 116,
die durch Begrenzungen der Pumpenkörperabschnitte 110 – 114 gebildet
wird. Die Pumpenkammer 116 weist eine Einlaßöffnung 118 auf,
die in dem unteren Pumpenkörperabschnitt 110 gebildet
ist. Über
der Einlaßöffnung 118 ist
ein erstes Klappenventil 120 angeordnet, das als passives Rückschlagventil
ausgebildet ist. Das Klappenventil 120 ist in dem mittleren
Pumpenkörperabschnitt 112 gebildet
und weist eine längliche
flexible Klappe 120a auf, die sich über die Einlaßöffnung 118 erstreckt.
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Die Pumpenkammer 116 weist
ferner eine Auslaßöffnung 122 auf,
die durch ein zweites passives Klappenventil 124, das in
dem Pumpenkörperabschnitt 110 angeordnet
ist, verschlossen und geöffnet werden
kann. Das zweite Klappenventil 124 weist entsprechend zu
dem ersten Klappenventil 120 eine Klappe 124a mit
einer länglichen
flexiblen Form auf.
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Ferner weisen die Mikropumpen 100a und 100b ein
piezoelektrisches Betätigungselement 126 zum
Verändern
des Volumens der Pumpenkammer 116 auf. Das piezoelektrische
Betätigungselement 126 ist
als eine piezoelektrische Keramikschicht großflächig auf einer dünn ausgebildeten
Membran 128 angeordnet, die flexibel zwischen Halteelementen
angeordnet ist. Bei Anlegen einer geeigneten Spannung an das piezoelektrische
Betätigungselement 126 verformt
sich die Membran 128 und bewirkt, je nach Polarität der Spannung,
ein Vergrößern oder
Verkleinern des Volumens der Pumpenkammer 116.
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Bei einem Saugvorgang wird an das
piezoelektrische Betätigungselement 126 eine
Spannung angelegt, die die Membran 128 derart verformt,
daß sich
eine Vergrößerung des
Volumens der Pumpenkammer 116 ergibt. Dabei wird in der
Pumpenkammer 116 ein Unterdruck erzeugt, der bewirkt, daß das Ventil 120 von
einem geschlossenen Zustand in einen geöffneten Zustand übergeht,
wohingegen das Ventil 124 durch den Unterdruck einen geschlossen Zustand
aufweist. Dadurch wird ein Fluid durch die Öffnung 118 in die
Pumpenkammer 116 gesaugt.
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Bei einem Pumpvorgang wird das Pumpkammervolumen
durch ein Anlegen einer elektrischen Spannung an das piezoelektrische
Betätigungselement 116 verringert.
Der dabei entstehende Überdruck
bewirkt, daß auf
das Klappenventil 124 eine Kraft ausgeübt wird, die das Klappenventil 124 nach
unten bewegt. Dadurch wird die Öffnung 122 geöffnet, während die
Einlaßöffnung 118 durch
das Ventil 120 verschlossen wird. Durch den Überdruck
in der Pumpenkammer 116 wird das Fluid aus der Pumpenkammer 116 durch
die Öffnung 122 ausgestoßen.
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In der Pipetiereinrichtung ist die
Mikropumpe 100a angeordnet, so daß dieselbe saugseitig, d.h. mit
der Einlaßöffnung 118,
an den Pipettenkanal 132 einer Pipetierspitze 134 und
druckseitig, d.h. mit der Auslaßöffnung 122,
an die Umgebung angeschlossen ist. Dahingegen ist die Mikropumpe 100b entgegengesetzt
zu der Mikropumpe geschaltet, so daß dieselbe druckseitig an den
Pipettenkanal und saugseitig an die Umgebung angeschlossen ist.
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Beim Ansaugen eines zu dosierenden
Mediums wird die saugseitig an den Pipettenkanal angeschlossene
Mikropumpe 100a betätigt,
so daß sich das
Volumen der Pumpenkammer vergrößert und Luft
aus dem Pipettenkanal in die Pumpenkammer gesaugt wird. Dabei wird
ein Luftpolster 136 in der Pipettenspitze 134 abgebaut
und ein Dosiermedium 138 in die Pipettenspitze 134 angesaugt.
Die zweite Mikropumpe 100b, die druckseitig mit dem Pipettenkanal
in Verbindung steht, bleibt dabei ausgeschaltet.
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Umgekehrt wird bei einem Dosieren
des angesaugten Mediums die Mikropumpe 100b betätigt, indem
das Volumen der Pumpenkammer derselben verringert wird, während die
Mikropumpe 100a ausgeschaltet bleibt. Die druckseitig mit
dem Pipettenkanal verbundene Mikropumpe 100b erzeugt dabei
einen Überdruck
in dem Pipettenkanal, was ein Aufbauen des Luftpolster 136 und
ein Ausstoßen
des Dosiermediums bewirkt.
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Die oben beschriebenen Mikropumpen 100a und 100b zeichnen
sich durch eine einfache Ansteuerung aus, da bei den Pump- und Saugvorgängen als einzigstes
aktives Element lediglich das piezoelektrische Betätigungselement 126 betätigt werden
muß. Ferner
besteht ein Vorteil der Mikropumpen 100a und 110b darin,
daß dieselben
kompakt herstellbar sind, dahingehend, daß auf einem Chip, auf dem die
Mikropumpen ange ordnet sind, lediglich ein geringe Fläche verbraucht
wird. Darüber
hinaus liegt eine langjährige
Erfahrung für
derartige bekannte Mikropumpen mit Klappenventilen vor, so daß die Strukturen
der Mikropumpe mit einer hohen Genauigkeit erzeugt werden können.
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Die Verwendung von passiven Rückschlagventilen
bei den Mikropumpen 100a und 100b, die bei jeweiligem Über- bzw.
Unterdruck öffnen
oder schließen,
weist jedoch den Nachteil auf, daß ein Halten der Flüssigkeit
nicht immer gewährleistet
ist. Bereits ein geringer Überdruck
an der Einlaßöffnung 118 kann
bewirken, daß sich
die passiven Rückschlagventile
leicht öffnen,
wodurch ein Fluid in die Pumpenkammer 116 einströmen oder
ausströmen kann.
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Bei dem Einsatz der Mikropumpen 100a und 100b in
der oben beschriebenen Pipetiereinrichtung treten daher aufgrund
des oben beschriebenen unzureichenden Haltens der Dosierflüssigkeiten
bereits bei geringen Druckdifferenzen in Öffnungsrichtung Leckraten auf.
Insbesondere ein Halten von großen Flüssigkeitsmengen
ist aufgrund des hydrostatischen Drucks und der damit verbundenen
Leckraten nur eingeschränkt
möglich.
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Ein wesentlicher Nachteil der Mikropumpen 100a und 100b besteht
ferner darin, daß bei
hohen Druckpulsen ein sogenannter fluidischer Kurzschluß auftreten
kann. Wird während
des Ansaugens des Dosierfluids die Mikropumpe 100a betätigt, so
entsteht in dem Pipettenkanal 132 ein Druck p2, der geringer
als ein Druck p1 der Umgebung ist, die mit der Auslaßöffnung der
Mikropumpe 100a in Verbindung ist. Da der Pipettenkanal
jedoch mit der Auslaßöffnung der
Mikropumpe 100b und ferner die Umgebung mit der Einlaßöffnung der
Mikropumpe 100b in Verbindung steht, bewirkt der Druckunterschied,
daß sich
die Ventile der Mikropumpe 100b aufgrund des Druckunterschieds öffnen können, so
daß durch
die Mikropumpe 100b ein fluidischer Kurzschluß auftritt. Ferner
kann auch bei einem Ausstoßen
des Dosierfluids ein fluidi scher Kurzschluß auftreten. In diesem Fall
wird durch das Betätigen
der Mikropumpe 100b in dem Pipettenkanal ein Druck p2 erzeugt,
der größer als
der Druck p1 der Umgebung ist, die mit der Einlaßöffnung der Mikropumpe 100b in
Verbindung steht. Durch den Druckunterschied zwischen der Umgebung
und dem Pipettenkanal können
sich die Ventile der Mikropumpe 100a öffnen, so daß bei dem Dosiervorgang
ein fluidischer Kurzschluß durch
die Mikropumpe 100a auftreten kann.
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Bekannterweise kann die Gefahr des
fluidischen Kurzschlusses durch ein geeignetes Ansteuern des piezoelektrischen
Elements 126 verringert werden, bei dem kurzeitige hohe
Druckpulse vermieden werden. Das Ansteuern des piezoelektrischen Elements 126 kann
beispielsweise mittels einer sinusförmigen Signalform erfolgen.
Das Erzeugen der Sinusform erfordert jedoch einen zusätzlichen
Schaltungsaufwand, indem zusätzliche
Bauelemente und Schaltungsteile bereitgestellt werden müssen.
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Ein weiterer Nachteil der oben beschriebenen
bekannten Pipetiereinrichtung besteht darin, daß die Herstellung derselben
aufwendig ist. Die Mikropumpen 100a und 100b werden
aus drei Wafern gebildet, die nach einer Strukturierung übereinander angeordnet
werden. Das Anordnen der Wafer erfordert eine hohe Präzision,
damit die jeweils übereinander
angeordneten Strukturen der verschiedenen Wafer genau an der vorgesehenen
Position positioniert sind. Dabei erhöht sich der Aufwand mit jedem
zusätzlichen
Wafer.
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Ferner muß bei den bekannten Mikropumpen 100a und 100b der
mittlere Pumpenkörperabschnitt 112 dünn ausgebildet
sein, um eine Gesamthöhe
der Pumpenkammer 116 gering zu halten, so daß ein hohes
Kompressionsvermögen
erreicht wird. Das Dünnen
des Wafers wird bekannterweise mittels eines Schleifens bzw. Grinden
durchgeführt.
Durch das Schleifen treten jedoch mechanische Belastungen auf, die
zu einer Beschädi gung
der empfindlichen Mikrostrukturen oder zu einem Brechen des Wafers
führen
können.
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Alternativ kann bei der Herstellung
des mittleren Pumpenkörperabschnitts
auch ein dünner
Wafer als Ausgangswafer verwendet werden. Um die dünnen Wafer
während
des Herstellungsprozesses geeignet zu transportieren und zu lagern,
sind jedoch aufwendige und speziell an die dünnen Wafer angepaßte Handhabungsvorrichtungen
erforderlich. Ferner besteht bei dem Umgang mit den dünnen Wafern die
Gefahr eines Bruchs des Wafers, wodurch bei einer Massenfertigung
die Ausschußrate
erhöht
wird und die Herstellungskosten steigen.
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Ein weiterer Nachteil, der sich bei
den Mikropumpen 100a und 100b durch die Verwendung
von passiven Rückschlagventilen
ergibt, besteht darin, daß eine
einfache Fluidführung
nicht möglich
ist, da der Fluidstrom, bei einem Ein- und Ausströmen durch die
Klappen behindert wird. Insbesondere ist der Grad der Öffnung der
Klappen von dem Über-
bzw. Unterdruck in der Pumpenkammer abhängig, so daß sich je nach vorliegendem
Druck unterschiedliche Verläufe
des Fluids beim Einlassen bzw. Ausströmen ergeben. Dies muß bei einem
Entwurf der Mikropumpe berücksichtigt
werden.
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Ferner muß zum Bilden des Auslaß-Klappenventils 124 ein
Auslaßkanal 130 in
dem Pumpenkörperabschnitt 110 aufgrund
der länglichen
Form der Ventilklappe 124a einen großen Durchmesser aufweisen.
Dadurch reduziert sich eine Außenfläche des
Pumpenkörperabschnitts 110,
wodurch ein Befestigen der Mikropumpe erschwert ist.
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Darüber hinaus besteht ein wesentlicher Nachteil
der Pipetiereinrichtung gemäß 1 darin, daß zwei Mikropumpen 100a und 100b verwendet werden
müssen,
um ein Ansaugen und Dosieren zu erreichen, da die Mikropumpen 100a und 100b lediglich
mit einer Pumprichtung betrieben werden können.
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Dies erfordert einen hohen Aufwand
bei der Herstellung und einen zusätzlichen Platzverbrauch.
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Eine Pipetiereinrichtung, die entsprechend zu
der unter Bezugnahme auf
1 beschriebenen Pipetiereinrichtung
zwei Mikropumpen mit passiven Klappenventilen umfaßt, ist
beispielsweise in der
DE 198
47 869 A1 beschrieben.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
besteht darin, eine Pipetiereinrichtung und ein Verfahren zum Betreiben
einer Pipetiereinrichtung zu schaffen, die ein sicheres und stabiles
Dosieren eines Dosierfluids ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Pipettiereinrichtung
gemäß Anspruch
1 und ein Verfahren zum Betreiben einer Mikropumpe gemäß Anspruch
12 gelöst.
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Die vorliegende Erfindung schafft
eine Pipetiereinrichtung mit folgenden Merkmalen:
einer Mikropumpe
mit
einer Pumpenkammer mit einer ersten Öffnung und einer zweiten Öffnung;
einer
Einrichtung zum Verändern
des Volumens der Pumpenkammer;
einem ersten aktiven Ventil
zum Öffnen
und Schließen
der ersten Öffnung;
einem
zweiten aktiven Ventil zum Öffnen
und Schließen
der zweiten Öffnung;
und
einer Pipettenspitze, die über den Pipettenkanal mit der
ersten oder zweiten Öffnung
verbunden ist.
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Ferner schafft die vorliegende Erfindung
ein Verfahren zum Betreiben einer Pipetiereinrichtung mit folgenden
Schritten:
aktives Verschließen der ersten oder zweiten Öffnung,
wodurch eine Umgebung von der Pumpenkammer abgetrennt wird;
aktives Öffnen der
zweiten oder ersten Öffnung,
wodurch die Pumpenkammer mit dem Pipettenkanal verbunden wird;
Vergrößern des
Volumens der Pumpenkammer zum Ansaugen eines Dosierfluids durch
die Pipettenspitze; und
Verringern des Volumens der Pumpenkammer
zum Ausstoßen
des Dosierfluids durch die Pipettenspitze.
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Die vorliegende Erfindung basiert
auf der Erkenntnis, daß eine
Pipetiereinrichtung mit einer Mikropumpe mit einem stabilen und
sicheren Dosierverhalten realisiert werden kann, indem von der Verwendung
einer Mikropumpe mit passiven Ventilen zum Öffnen bzw. Schließen von Öffnungen
einer Pumpenkammer Abstand genommen wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird bei der erfindungsgemäßen Pipetiereinrichtung
eine Mikropumpe mit aktiven Ventile zum Öffnen und Verschließen der Pumpenkammeröffnungen
verwendet.
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Dadurch sind die Öffnungen der Pumpenkammer selbst
bei auftretenden Gegendrücken
sicher verschließbar.
Dies verhindert einen fluidischen Kurzschluß bei hohen Druckpulsen und
vermeidet das Auftreten von Leckraten.
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Die erfindungsgemäße Verwendung einer Mikropumpe
mit aktiven Ventilen ermöglicht
ein Betreiben in zwei Pumprichtungen, so daß zum Ansaugen und Dosieren
lediglich eine Mikropumpe erforderlich ist.
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Durch das Vorsehen von aktiven Ventilen wird
ferner eine einfache Fluidführung
erreicht, da der Verlauf des ein- oder
ausströmenden
Fluids im Gegensatz zu den bekannten Mikropumpen mit Klappenventilen
nicht durch die Klappen behindert wird. Dadurch ergibt sich in Ein-
und Auslaßkanälen, die mit
den Öffnungen
verbunden sind, ebenfalls eine einfache Fluidführung. Ferner können die Öffnungen mit
einer einfachen und symmetrischen Form gebildet werden. Dies vereinfacht
ein Strukturieren der Öffnungen
bei der Herstellung der Mikropumpe.
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Darüberhinaus ist bei der erfindungsgemäßen Pipetiereinrichtung
ein Herstellungsprozess einfach gehalten, da das kritische Erzeugen
von dünnen flexiblen
Klappen nicht erforderlich ist.
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Im Gegensatz zu der bekannten Pipetiereinrichtung
mit einer Mikropumpe mit passiven Klappenventilen ist es bei der
erfindungsgemäßen Pipetiereinrichtung
mit einer Mikropumpe mit aktiven Ventilen nicht erforderlich, eine
längliche
Ventilklappe in einem großdimensionierten
Auslaßkanal
eines Pumpenkörpers
anzuordnen. Dadurch kann eine äußere Oberfläche des
Pumpenkörpers
eine große
Befestigungsfläche
zum Befestigen der Mikropumpe an einem Träger aufweisen, so daß eine einfache
und sichere Befestigung der Mikropumpe möglich ist.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung umfaßt
eine Pipetiereinrichtung mit einer Mikropumpe, bei der die aktiven
Ventile piezoelektrische Ventile umfassen. Ferner weist die Einrichtung
zum Verändern
des Volumens der Pumpenkammer vorzugsweise eine Pumpenmembran auf,
die mit einer piezoelektrischen Betätigungseinrichtung zum Verändern des
Volumens betätigbar
ist. Die piezoelektrische Betätigungseinrichtung
umfaßt vorzugsweise
eine dünne
piezo-aktive Schicht, die auf einer äußeren Seite der Pumpenmembran
aufgebracht ist.
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Die Pumpenmembran ist vorzugsweise
zwischen Halteelementen angeordnet, die ein Verbiegen der Membran
ermöglichen,
ohne daß nachteilige Auswirkungen
auf die aktiven Ventile in Kauf genommen werden müssen.
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Die Mikropumpe der Pipetiereinrichtung
wird bevorzugt mit einer Schichtstruktur aus zwei strukturierten
flachen Scheiben, die übereinander
angeordnet sind, gebildet. Dadurch wird die Herstellung der Mikropumpe
einfach und kostengünstig
gehalten. Vorzugsweise wird als Material der Scheiben ein Halbleitermaterial
und besonders bevorzugt ein Siliziummaterial verwendet.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Querschnittsdarstellung einer bekannten Pipetiereinrichtung, die
zwei Mikropumpen mit passiven Klappenventilen aufweist;
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2 eine
schematische Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Mikropumpe,
die bei einer Pipetiereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet wird; und
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3 eine
schematische Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Pipetiereinrichtung
mit einer Mikropumpe gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Im folgenden wird unter Bezugnahme
auf 2 eine Mikropumpe 200 erklärt, die
bei einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
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Gemäß 2 weist die Mikropumpe 200 einen
Pumpenkörper 210 auf,
der vorzugsweise aus einem scheibenförmigen ersten Pumpenkörperabschnitt 212 und
einem scheibenförmigen
zwei ten Pumpenkörperabschnitt 214 gebildet
ist. Die Pumpenkörperabschnitte 212 und 214 sind
in vertikaler Richtung (y-Achse) übereinander
angeordnet und an Randbereichen derselben über Verbindungsstrukturen miteinander
verbunden. Die Pumpenkörperabschnitte 212 und 214 umfassen
vorzugsweise Scheiben aus einem Halbleitermaterial und besonders
bevorzugt aus Silizium. Der Pumpenkörper 210 kann jedoch
bei anderen Ausführungsbeispielen
jedes andere mikrostrukturierbare Material aufweisen. Die scheibenförmige Pumpenkörperabschnitte 212 und 214 werden
vorzugsweise mittels bekannter Lithographie- und Ätztechniken
strukturiert und mittels bekannter Verbindungstechniken zum Bilden
des Pumpenkörpers 210 verbunden.
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Eine länglich ausgebildete Pumpenkammer 216 ist
in der Mikropumpe 200 durch eine Ausnehmung 218 in
dem unteren Pumpenkörperabschnitt 212 und
eine wannenförmige
Ausnehmung 220 in dem oberen Pumpenkörperabschnitt 214 gebildet. Die
in Richtung des Pumpenkörper
weisenden Ausnehmungen 218 und 220 sind in horizontaler
Richtung (x-Achse) vorzugsweise mittig angeordnet, um eine symmetrische
Struktur zur Erreichen. Vorzugsweise ist die Pumpenkammer mit einer
geringen Höhe
gebildet, um ein hohes Kompressionsverhältnis zu erreichen.
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Die Mikropumpe 200 weist
ferner zwei Öffnungen 222 und 224 zum
Ein- oder Auslassen eines Fluids in die Pumpenkammer 216 auf,
die jeweils an gegenüberliegenden
Seiten der Pumpenkammer 216 in dem unteren Pumpenkörperabschnitt 212 gebildet sind.
Die Öffnungen 222 und 224 erstrecken
sich jeweils in der Form eines Kegelstumpfs von einer bezüglich des
Pumpenkörpers 210 auswärts gewandten
Oberfläche
zu einer nach innen gewandten Oberfläche des unteren Pumpenkörperabschnitts 212.
Die Öffnungen
können
jedoch auch mit anderen Formen, wie beispielsweise einer Zylinder-Form
gebildet sein. Vorzugsweise weisen die Öffnungen 222 und 224 eine
symmetrische Form auf, um eine Herstellung derselben zu vereinfachen.
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Über
der Öffnung 222 ist
ein erstes aktives Ventil 226 zum Schließen und Öffnen der Öffnung 222 angeordnet.
Das erste aktive Ventil 226 umfaßt ein Verschlußelement 228,
das auf einer bezüglich des
Pumpenkörpers 210 inneren
Oberfläche
des zweiten Pumpenkörperabschnitts 214 gebildet
ist. Das Verschlußelement 228 ist
derart gebildet, daß es in
einem geöffneten
Zustand des ersten aktiven Ventils 226 in vertikaler Richtung
von der Öffnung 222 beabstandet
ist.
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Das Verschlußelement 228 weist
eine flache Verschluß-Oberfläche auf,
die sich in horizontaler Richtung über seitlich der Öffnung 222 angeordnete Ventilsitz-Strukturen 222a und 222b erstreckt,
so daß die Öffnung 222 in
einem geschlossenen Zustand des Ventils 226 von dem Verschlußelement 228 vollständig verschlossen
wird. Die Ventilsitz-Strukturen 222a und 222b sind
vorzugsweise derart ausgebildet, daß bei einem Verschließen des
Ventils 226 die Auflagefläche des Verschlußelements 228 geringgehalten
ist. Die geringe Auflagefläche
bewirkt ein sicheres Verschließen
durch das Verschlußelement 228,
da die Gefahr eines undichten Verschlusses, beispielsweise durch
Unebenheiten in den Ventilsitz-Strukturen 222a und 222b,
mit abnehmender Auflagefläche
minimiert ist.
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Das Verschlußelement 228 ist jeweils
seitlich durch dünne
Stege mit Halteelementen 232 und 234 verbunden.
Dadurch ist das Verschlußelement 228 flexibel
bezüglich
den Halteelementen 232 und 234 angeordnet und
kann von einem geöffneten
Zustand in einen geschlossenen Zustand gebracht werden, bei dem
das Verschlußelement 228 mit
einer Verschluß-Oberfläche auf
den Ventilsitz-Strukturen 222a und 222b aufsitzt
und die Öffnung 222 verschließt.
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Um das Öffnen und Schließen des
ersten aktiven Ventils zu bewirken, ist auf einer der Verschluß-Oberfläche gegenüberliegenden
Oberfläche des
Verschlußelements 228 ein
erstes piezoelektrisches Betätigungselement 230 angeordnet.
Das erste piezoelektrische Betätigungselement 230 umfaßt vorzugsweise
eine dünne
Schicht eines piezoelektrischen Materials, wie beispielsweise Quarz.
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Das erste piezoelektrische Betätigungselement 230 ist über elektrische
Anschlüsse
(nicht gezeigt) mit einer Steuereinrichtung (nicht gezeigt) verbindbar,
um durch ein Anlegen einer elektrischen Spannung eine Kontraktion
oder Expansion des ersten piezoelektrischen Betätigungselements 230 zu erreichen,
die jeweils vertikale Verschiebungen des Verschlußelements 228 bewirken.
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Über
der Öffnung 224 ist
ferner ein zweites aktives Ventil 236 gebildet, das vorzugsweise
entsprechend zu dem ersten Ventil 226 ausgebildet ist. Genauer
gesagt, weist das zweite aktive Ventil 236 ein über der Öffnung 224 angeordnetes
Verschlußelement 238 auf,
das über
seitlich angeordnete Stege mit Halteelementen 242 und 244 verbunden
ist. Ebenso umfaßt
das zweite aktive Ventil 236 ein zweites piezoelektrisches
Betätigungselement 240 zum Ermöglichen
der vertikalen Bewegung des Verschlußelement 238. Ferner
sind entsprechend zu dem ersten Ventil seitlich der Öffnung 222 jeweils
Ventilsitz-Strukturen 224a und 224b gebildet.
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Wie es später genauer erklärt wird,
bewirken die piezoelektrischen Elemente 230 und 240 durch ein
Anlegen einer entsprechenden elektrischen Spannung ein Öffnen und
Verschließen
der Öffnungen 222 bzw.
224, so daß die
Pumpenkammer 216 zum Einlassen oder Auslassen eines Pumpmediums durch
die Öffnungen 222 bzw.
224 geschlossen oder geöffnet
werden kann.
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Zum Verändern des Volumens der Pumpenkammer
weist die Pumpenkammer 216 eine dünne Membran 246 auf,
die zwischen den Halteelementen 234 und 244 angeordnet
ist. Dadurch ist die dünne Membran 246 zwischen
den Halteelementen 234 und 244 flexibel biegbar,
so daß durch
ein Betätigen der
Membran das Volumen der Pumpenkammer 216 veränderbar
ist. Die mas siv ausgebildeten Halteelemente 234 und 244 verhindern,
daß sich
bei einer Betätigung
der Membran 246 eine Bewegung auf die Verschlußelemente 228 und 238 überträgt, so daß eine nachteilige
Beeinflussung der aktiven Ventile durch die Bewegung der Membran 246,
was beispielsweise zu einem Öffnen
eines verschlossenen Ventils führen
kann, verhindert ist. Ferner dienen die Halteelemente 234 und 244 auch
als Befestigungseinrichtungen, die ein Befestigen der Mikropumpe 200 an
einem Träger
ermöglichen.
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Auf einer dem Pumpenkörper 210 abgewandten
Seite der Membran 246 ist ferner ein piezoelektrisches
Membran-Betätigungselement 250 zum Betätigen der
Membran 246 angeordnet. Das piezoelektrische Membran-Betätigungselement 250 weist, wie
die piezoelektrischen Betätigungselemente 230 und 240,
vorzugsweise eine dünne
Schicht aus einem piezoelektrischem Material auf. Ferner ist das piezoelektrische
Membran-Betätigungselement 250 über elektrische
Anschlüsse
(nicht gezeigt) mit einer Steuereinrichtung verbindbar, um ein Anlegen
einer elektrischen Spannung zu ermöglichen.
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Bei der Pumpe 200 handelt
es sich um eine Pumpe nach dem Peristaltik-Prinzip, bei dem die
Betätigungselemente 230, 240 und 250 in
vorbestimmten Reihenfolgen aufeinanderfolgend betätigt werden.
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Ein Betreiben der Mikropumpe 200 nach
diesem Prinzip wird nachfolgend näher erklärt.
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Im folgenden wird zunächst eine
erste Pumprichtung erläutert,
bei der ein Fluid von der Öffnung 222 zu
der Öffnung 224 gepumpt
wird.
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Bei einem Ansaugvorgang wird zunächst das
zweite Ventil 236 betätigt,
um die Öffnung 224 zu schließen. Das
Betätigen
des zweiten Ventils 236 erfolgt durch ein Anlegen einer
elektrischen Spannung an das zweite piezoelektrische Element 240,
die bewirkt, daß das
Verschlußelement 238 zum Schließen der Öffnung 224 in
horizontaler Richtung nach unten bewegt wird. Daraufhin wird das
erste piezoelektrische Element 230 betätigt, um die Öffnung 222 zu öffnen.
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Nachfolgend wird an das piezoelektrische Membran-Betätigungselement 250 eine
Spannung angelegt, um eine Verformung der Membran 246 zu bewirken,
so daß sich
das Volumen der Pumpenkammer 216 vergrößert. Dadurch entsteht in der
Pumpenkammer 216 ein Unterdruck, wodurch ein Fluid von
der Öffnung 222 in
die Pumpenkammer 216 angesaugt wird. Nach dem Beenden des
Ansaugvorgangs wird das erste Ventil 226 geschlossen.
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Zum Auspumpen des in der vergrößerten Pumpenkammer 216 gespeicherten
Fluids wird daraufhin das zweite Ventil 236 durch Anlegen
einer elektrischen Spannung an das zweite piezoelektrische Betätigungselement 240 betätigt, um
die Öffnung 224 zu öffnen. Nach
dem Öffnen
wird an das piezoelektrische Membran-Betätigungselement 250 eine
Spannung angelegt, die bewirkt, daß sich das Volumen der Pumpenkammer 216 verkleinert.
Dies bewirkt, daß das
Fluid aus der Pumpenkammer 216 heraus und durch die Öffnung 224 gedrückt wird.
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Vorzugsweise ist die Öffnung 222 bei
dem Betrieb der Mikropumpe 200 mit einem ersten Fluidreservoir
in Verbindung, während
die Öffnung 224 mit einem
zweiten Fluidreservoir in Verbindung steht. Dies bewirkt, daß bei dem
oben beschriebenen Pumpvorgang Fluid von dem ersten Fluidreservoir
in das zweite Fluidreservoir gepumpt wird. Das erste und zweite
Fluidreservoir können
beispielsweise Umgebungsluft oder ein Behälter mit Flüssigkeit oder Gas sein.
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Nach dem Durchführen des oben beschriebenen
Pumptaktes kann der Pumpvorgang ein oder mehrere Male wiederholt
werden, um eine gewünschte
Fluid-Menge von dem ersten Reservoir zu dem zweiten Reservoir zu
pumpen.
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Zum Pumpen der Mikropumpe 200 mit
einer zweiten Pumprichtung, bei der ein Fluid von der Öffnung 224 zu
der Öffnung 222 gepumpt
wird, werden die aktiven Ventile 226 und 236 bezogen
auf die obigen Erklärungen
entsprechend vertauscht betrieben.
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Genauer gesagt, wird bei der zweiten Pumprichtung
in einem Ansaugvorgang zunächst das
erste Ventil 226 geschlossen, das zweite Ventil 236 geöffnet und
daraufhin die Membran zum Vergrößern des
Pumpenkammervolumens betätigt.
Dadurch wird ein Fluid von der Öffnung 224 in
die Pumpenkammer 216 angesaugt. Daraufhin verschließt das zweite
Ventil 236 die Öffnung 224,
während
das erste Ventil 226 die Öffnung 222 öffnet. Nachfolgend wird
die Membran 246 zum Verkleinern des Pumpenkammervolumens
betätigt,
wodurch das in der Pumpenkammer 216 befindliche Fluid durch
die Öffnung 222 ausgestoßen wird.
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Im folgenden wird unter Bezugnahme
auf 3 ein Ausführungsbeispiel
einer Pipetiereinrichtung 252 erklärt, bei der die unter Bezugnahme
auf 2 erklärte Mikropumpe 200 zum
Dosieren des Dosiermediums verwendet wird.
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Gemäß 3 ist bei der Pipetiereinrichtung 252 die
Mikropumpe 200 auf einem Trägerelement 254 angeordnet,
wobei ein in dem Trägerelement 254 ausgebildeter
Pipettenkanal 256 mit der Öffnung 224 der Mikropumpe
verbunden ist.
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Die Pipetiereinrichtung 252 weist
ferner eine Pipettenspitze 258 auf, die an einem vorderseitigen Ende
eine Öffnung
zum Ansaugen und Ausstoßen
einer Dosierflüssigkeit
aufweist. An einem rückseitigen Ende
weist die Pipettenspitze 258 ein Verbindungselement 260 auf,
das ausgebildet ist, um den Pipettenkanal 256 mit dem Innenraum
der Pipettenspitze 258 zu verbinden. Vorzugsweise ist das
Verbindungselement 260 auf eine wieder lösbare Weise
in den Pipettenkanal 256 eingeführt, um ein Austauschen der
Pipettenspitze 258 zu ermöglichen.
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Das Trägerelement 254 umfaßt ferner
einen Kanal 262, der an einem ersten Ende desselben mit der Öffnung 222 der
Mikropumpe 200 verbunden ist. Ein zweites Ende des Kanals 262,
das seitlich an dem Trägerelement
angeordnet ist, steht in Berührung
mit einer Umgebung, die beispielsweise Luft aufweist.
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Die Pipetiereinrichtung 252 kann,
wie es in 3 gezeigt
ist, zwischen dem zweiten Ende des Kanals 262 und der mit
dem Kanal verbundenen Umgebung einen Filter 264 aufweisen,
der über
ein Verbindungselement 266a mit dem Kanal 262 verbunden
ist.
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Typischerweise umfaßt die Umgebung
Luft als Medium, so daß der
Filter vorzugsweise als Luftfilter ausgebildet ist. Der Filter 264 kann
sämtliche bekannten
Filterarten, wie beispielsweise Partikelfilter, chemisch selektiv
absorbierende Filter oder elektrostatische Filter, umfassen.
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Das Filtern der Luft verhindert eine
Kontamination des Dosiermediums durch Partikel oder chemische Verunreinigungen
der Luft. Ferner wird verhindert, daß sich an den aktiven Ventilen
Verunreinigungen ablagern, die ein dichtes Verschließen der Öffnungen
verhindern können.
Der Filter 264 kann ferner ein äußeres Anschlußelement 266b aufweisen,
um eine Verbindung zu einer außerhalb
des Trägerelements 252 angeordneten
Ansaugleitung zu ermöglichen.
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Im folgenden wird nun ein Betrieb
der Pipetiereinrichtung 252 näher erläutert.
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Zum Ansaugen eines Dosiermediums,
das vorzugsweise eine Flüssigkeit
umfaßt,
wird die Mikropumpe 200 zunächst mit einer Pumprichtung
betrieben, bei der ein Arbeitsmedium, das beispielsweise Luft oder
ein anderes gasförmiges
Medium ist, über die Öffnung 224 aus
dem Pipettenkanal 256 angesaugt, in die Pumpenkammer 216 und über die Öffnung 222 in eine
mit dem Kanal 262 verbundene Umgebung gepumpt wird. Diese
Pumprichtung entspricht der unter Bezugnahme auf 2 erklärten zweiten Pumprichtung,
so daß eine
Darstellung der zugeordneten Arbeitsabläufe der Mikropumpe den entsprechenden
obigen Erklärungen
entnommen werden kann.
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Der Pumpvorgang zum Ansaugen bewirkt, daß im Inneren
der Pipettenspitze 258 ein Unterdruck entsteht, wodurch
das Dosiermittel in das Innere der Pipettenspitze 258 gesaugt
wird. Der Pumpvorgang zum Ansaugen des Dosiermittels 268 kann
so oft wiederholt werden, bis die gewünschte Menge des Dosiermittels 268 in
die Pipettenspitze 258 angesaugt ist. Während des Ansaugvorgangs wird
die sich als ein gasförmiges
Polster 270 in der Pipettenspitze 258 befindliche
Arbeitsmedium zunehmend durch das Dosiermittel 268 verdrängt. Das
gasförmige
Polster 270 bewirkt, daß der Pipettenkanal nicht in eine
Berührung
mit dem Dosiermedium kommt. Dies verhindert, daß bei einem Austausch der Pipettenspitze 258 zum
Dosieren eines anderen Dosiermittels das Dosiermittel durch in dem
Kanal vorhandene Dosiermittelreste des vorhergehenden Dosiermittel verschmutzt
wird.
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Nachdem die gewünschte Dosiermittelmenge angesaugt
ist, wird das Ventil zum Schließen
betätigt,
um ein Halten des Dosiermittels in der Pipettenspitze 258 zu
erreichen.
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Bei einem darauffolgenden Dosiervorgang wird
die Mikropumpe 200 mit der umgekehrten Pumprichtung betrieben,
bei der über
die Öffnung 222 das
Arbeitsmedium der Mirkopumpe 200 aus der Umgebung angesaugt
wird und über
die Öffnung 224 in
den Pipettenkanal 256 gepumpt wird.
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Diese Pumprichtung entspricht der
unter Bezugnahme auf 2 erklärten ersten
Pumprichtung, so daß hinsichtlich
einer genauen Beschreibung der Pumpvorgänge auf die entsprechenden
Erklärungen verwiesen
wird.
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Das Pumpen des Arbeitsmediums aus
der Umgebung in den Pipettenkanal 256 erzeugt in dem Pipettenkanal 256 und
in dem gasförmigen
Polster 270 einen Überdruck,
so daß das
Dosiermittel 264 durch das expandierende Luftpolster aus
der Pipettenspitze 258 gedrängt bzw. gestoßen wird.
Der Pumpvorgang kann so oft wiederholt werden, bis eine gewünschte Dosiermittelmenge
aus der Pipettenspitze 258 ausgebracht wurde.
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Wie es bereits vorhergehend erwähnt wurde, wird
durch die aktiven Ventile 226 und 236 ein dichtes Schließen unabhängig von
einem auftretenden Gegendruck erreicht. Dies wirkt sich bei der
Pipetiereinrichtung 252 vorteilhaft aus, da ein fluidischer
Kurzschluß,
wie er bei bekannten Mikropumpen mit Klappenventilen auftreten kann,
verhindert wird. Die Pipetiereinrichtung 252 erreicht daher
eine hohe Dosiergenauigkeit.
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Ebenso wird ein ungewolltes Ablösen des Dosiermediums
beim Halten desselben in der Pipettenspitze durch die geringe Leckraten
der aktiven Ventile erreicht.
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Obwohl bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen
die aktiven Ventile der Mikropumpe 200 als piezoelektrische
Ventile ausgebildet sind, können
andere Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung andere aktiv betätigbare Ventil-Typen, wie beispielsweise
mechanisch betätigbare
Ventile, elektrostatische Ventile oder elektromagnetische Ventile,
umfassen.
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Zum Betätigen der Membran kann anstelle der
beschriebenen piezoelektrischen Betätigungseinrichtung jede andere
bekannte Betätigungseinrichtung
zum Betätigen
der Membran, wie beispielsweise eine elektrostatische Betätigungseinrichtung, verwendet
werden.
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Ferner kann bei anderen Ausführungsbeispielen
jede bekannte Einrichtung verwendet werden, die ein Verändern des
Pumpen kammervolumens ermöglicht.
Solche Einrichtungen können
beispielsweise drehbare Elemente zum Komprimieren und Dekomprimieren
eines Fluids in der Pumpenkammer umfassen.
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Obwohl bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel
die Pumpenkammer lediglich zwei Öffnungen
aufweist, kann dieselbe bei alternativen Ausführungsbeispielen auch mehr
als zwei Öffnungen mit
entsprechend zugeordneten aktiven Ventilen aufweisen. Dies ermöglicht ein
selektives Pumpen, bei dem beispielsweise verschiedene Fluide aus
verschiedenen Reservoiren abwechselnd in die Pumpenkammer gepumpt
werden können
und daraufhin über
selektiv ausgewählte Öffnungen
in vorbestimmte andere Reservoire gepumpt werden können. Bei diesem
Ausführungsbeispiel
kann ein selektives Mischen verschiedener Fluide in der Pumpenkammer durchgeführt werden,
wobei ein Mischungsverhältnis durch
ein Steuern der aktive Ventile einstellbar ist. Die dadurch erreichte
Verwendung der Pumpenkammer als „Mischreaktor" weist ferner
den Vorteil auf, daß durch
die hohen Drücke
in der Pumpenkammer ein gute Durchmischung erreicht wird.
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Ferner ist die Pipetiereinrichtung
mit einer Mikropumpe gemäß der vorliegenden
Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiels einer Luftpolster-Pipetiereinrichtung
beschränkt.
Andere Ausführungsbeispiele
können
beispielsweise eine Pipetiereinrichtung nach dem Direktverdränger-Prinzip oder
eine Mikrotiter-Pipetiereinrichtung umfassen, bei denen jeweils
die erfindungsgemäße Mikropumpe
zum Dosieren des Dosiermittels verwendet wird.