DE10332315A1

DE10332315A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Transport von Fluiden

Info

Publication number: DE10332315A1
Application number: DE10332315A
Authority: DE
Inventors: Fabian Rüchardt; Tobias Reker
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2003-07-16
Filing date: 2003-07-16
Publication date: 2005-02-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Transport von Fluiden (F), umfassend: DOLLAR A - zumindest eine Kontaktschicht mit einer Kontaktfläche, welche zum Inkontakttreten mit dem zu transportierenden Fluid ausgelegt ist; DOLLAR A - eine Vielzahl thermischer Elemente, welche derart ausgelegt und angeordnet ist, um zumindest einen räumlichen thermischen Gradienten entlang der Kontaktfläche zu erzeugen, welcher einen Transportvorgang des Fluids entlang der Kontaktfläche generiert. Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Transport von Fluiden.
Bislang werden Fluide größtenteils mit Hilfe mechanischer Pumpen, welche mechanische bewegte Teile umfassen, transportiert. Die konventionellen mechanischen Pumpen haben jedoch den Nachteil, daß sie nur schwer miniaturisierbar sind, da eine Übertragung der klassischen Pumpenkonstruktionen auf die Mikrosystemtechnik mit Schwierigkeiten hinsichtlich der Reibung, Genauigkeit, etc. verbunden ist.
Zunehmend werden in vielen Bereichen der Technik Mikropumpen benötigt, die eine genaue und vorzugsweise regelbare Dosierung der Menge des zu transportierenden Fluids im Mikro- und Nanoliterbereich ermöglichen.

In der US 5 085 562 ist eine piezoelektrisch betriebene Mikropumpe beschrieben, welche eine Pumpenkammer, einen Einlaßkanal und einen Auslaßkanal umfaßt, die jeweils über ein Einlaß- bzw. ein Auslaßventil in Verbindung mit der Pumpenkammer stehen. Weiter umfaßt die Mikropumpe einen piezoelektrischen Wafer, welcher eine Veränderung des Volumens der Pumpenkammer bewirkt und dadurch einen Pumpenvorgang auslöst.

DE 101 17 771 beschreibt ein Verfahren zur Manipulation kleiner Flüssigkeitsmengen bei dem zumindest zwei Oberflächenwellen im wesentlichen gleicher Wellenlänge zur Ausbildung einer stehenden Welle gegeneinander geschickt werden, um zumindest eine Flüssigkeitsmenge im Bereich eines oder mehreren Knoten dieser stehenden Welle zu konzentrieren. DE 101 17 771 offenbart weiterhin eine Vorrichtung zur Manipulation kleiner Flüssigkeitsmengen, welche dieses Verfahren verwirklicht.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine alternative Vorrichtung und ein Verfahren zum Transport von Fluiden ohne mechanisch bewegte Teile bereitzustellen. Ferner ist eine Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung bereitzustellen die sich besonders dazu eignet miniaturisiert zu werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine Vorrichtung zum Transport von Fluiden mit den in Anspruch 1 und in Anspruch 13 angegebenen Merkmalen und ein Verfahren zum Transport von Fluiden mit den in Anspruch 12 angegebenen Merkmalen gelöst.

Gemäß der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Transport von Fluiden bereitgestellt, umfassend:

– zumindest eine Kontaktschicht mit einer Kontaktfläche, welche zum Inkontakttreten mit dem zu transportierenden Fluid ausgelegt ist;
– eine Vielzahl thermischer Elemente, welche derart ausgelegt und angeordnet ist, um zumindest einen räumlichen thermischen Gradienten entlang der Kontaktfläche zu erzeugen, welcher einen Transportvorgang des Fluids entlang der Kontaktfläche generiert.

Ein thermischer Gradient in der Kontaktfläche bewirkt einen entsprechenden thermischen Gradienten im dem Fluid, welcher eine Massenverschiebung des Fluids aufgrund der unterschiedlichen Volumenausdehnungen des Fluids bei unterschiedlichen Temperaturen hervorruft und dadurch einen Transportvorgang generiert. Ein räumlicher thermischer Gradient wird im Sinne dieser Erfindung als Größe verstanden, welche proportional zu der Temperaturdifferenz zwischen zumindest zwei räumlich getrennten Stellen der Kontaktfläche, die im wesentlichen den Positionen der thermischen Elemente entsprechen. Somit kann der räumliche thermische Gradient insbesondere als ΔT/Δr beschrieben werden, wobei ΔT die Temperaturdifferenz und Δr den Abstand zwischen den räumlich getrennten Stellen der Kontaktfläche bezeichnet.

Ein thermischer Gradient kann vorzugsweise als ein dynamischer thermischer Gradient beziehungsweise ein sich mit der Zeit ändernder Gradient angelegt werden. Dynamische thermische Gradienten können in Form von unidirektionalen Wellen, aber auch als ein oder mehrere Pulse, angelegt werden.

Ferner ist unter dem Begriff Fluid im Sinne dieser Anmeldung eine Flüssigkeit und/oder ein Gas zu verstehen. Der Begriff Flüssigkeit kann unter anderem reine Flüssigkeiten, Mischungen, Dispersionen und Suspensionen sowie Flüssigkeiten, in denen sich feste Teilchen, zum Beispiel biologisches Material, befinden, umfassen.

Die Kontaktschicht kann unterschiedlich ausgebildet sein. Insbesondere kann die Kontaktschicht im wesentlichen planar, rohr- oder kanalförmig sein. Es ist auch möglich, daß die Kontaktschicht ein Bestandteil der thermischen Elemente ist. Gleichsam kann die Kontaktschicht ein- oder mehrstückig, zum Beispiel aus mehreren Schichten, ausgebildet sein.

Vorzugsweise sind die Vielzahl der thermischen Elemente an einer der Kontaktfläche gegenüberliegenden Elementfläche der Kontaktschicht angeordnet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Transport von Fluiden weist vorzugsweise einen kleinen Aufbau beziehungsweise eine kleine Bauform auf. Vorzugsweise weist zumindest eines der thermischen Elemente eine Wärmeübertragungsfläche auf, welche in thermischem Kontakt mit der Elementfläche steht, und die Wärmeübertragungsfläche einen Flächeninhalt von weniger als 10 mm², vorzugsweise weniger als 5 mm² und am meisten bevorzugt weniger als 2 mm² aufweist.

Ferner beträgt ein kleinster Abstand zwischen benachbarten thermischen Elementen parallel zu der Elementfläche weniger als 3 mm, vorzugsweise weniger als 2 mm und am meisten bevorzugt weniger als 1 mm.

Der thermische Gradient kann vorzugsweise auf das Fluid, insbesondere dessen Transportparameter und/oder die Umgebung abgestimmt werden. Vorzugsweise sind zumindest zwei benachbarte der Vielzahl der thermischen Elemente dazu ausgelegt, einen Temperaturunterschied der Kontaktfläche von zumindest 25°C zu erzeugen.

Die thermischen Elemente können in unterschiedlichen Geometrien bzw. Muster angeordnet werden. Vorzugsweise sind die thermischen Elemente im wesentlichen ketten- oder matrixartig angeordnet.

Weiter bevorzugt ist die Vielzahl der thermischen Elemente derart ausgelegt und angeordnet, um eine Vielzahl der thermischen Gradienten in Form einer thermischen Welle und/oder zumindest eines (thermischen) Pulses entlang der Kontaktfläche zu erzeugen. Unter einer thermischer Welle wird eine unidirektionale, vorzugsweise im wesentlichen ebene Welle verstanden. Bewegt sich diese Welle bzw. dieser Puls bzw. dieses Temperaturprofil in vorzugsweise einer im wesentlichen zu der Kontaktfläche parallelen Richtung, so wird das Fluid hierdurch in dieser Richtung getrieben und somit ein Fluidtransport realisiert.

Vorzugsweise umfaßt die Vorrichtung zum Transport von Fluiden weiter eine vorzugsweise programmierbare Steuereinrichtung zum Steuern der thermischen Elemente, um unterschiedliche Profile, Ausbreitungsgeschwindigkeiten und/oder Ausbreitungsrichtungen des zumindest einen thermischen Gradienten zu erzeugen. Zum Beispiel kann die Amplitude, die Geometrie oder die Geschwindigkeit des thermischen Gradienten und somit des Transportvorgangs gesteuert und vorzugsweise programmierbar auf die spezifische Anwendung, die Eigenschaften des Fluids sowie die Umgebung abgestimmt und angepaßt werden. Somit wird eine große Flexibilität der erfindugsgemäßen Vorrichtung erreicht.

Die thermischen Elemente können zum Beispiel Heizdrähte, Peltierelemente und so weiter umfassen. Besonders bevorzugt sind die thermischen Elemente als besondere Peltierelemente, sogenannte Mikropeltierelemente, welche zum Beispiel aus DE 198 45 104 A1 bekannt sind, aufgebaut. Dies ermöglicht eine besonders kleine Bauform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Hinsichtlich des Aufbaus und der Herstellung solcher Mikropeltierelemente wird auf die DE 198 45 104 A1 verwiesen, welche insoweit als integraler Offenbarungsbestandteil der vorliegenden Anmeldung zu verstehen ist.

Insbesondere umfaßt ein Mikropeltierelement vorzugsweise eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Thermoelementzellen, welche mittels einer Vielzahl von ersten elektrischen Leiterbahnen seriell miteinander verbunden sind, und von denen jede einen ersten Körper aus thermoelektrischem Material eines ersten Leitungstyps und einen zweiten Körper aus thermoelektrischem Material eines zweiten Leitungstyps aufweist, die mittels einer zweiten elektrischen Leiterbahn miteinander verbunden sind und die sandwichartig zwischen einer ersten und einer zweiten elektrisch isolierenden Schicht oder einem Substratwafer, welche eine elektrisch isolierende Schicht aufweist, angeordnet sind.

Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Vorrichtung unter Verwendung von aus der Halbleitertechnologie bekannten Herstellungsverfahren (vorzugsweise Silizium basierte Verfahren bzw. MEMS Verfahren) hergestellt. Somit kann die gesamte erfindungsgemäße Vorrichtung mit eventuell weiteren zusätzlichen mikroelektronischen Elementen auf einem Mikrochip realisiert werden.

Weiter bevorzugt weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zumindest einen thermischen Sensor auf, welcher auf zumindest einem der thermischen Elemente angeordnet ist und welcher zur Detektion der Temperatur der Wärmeübertragungsfläche des thermischen Elements ausgelegt ist, welche in thermischem Kontakt mit der Elementfläche der Kontaktschicht steht. Dies ermöglicht eine genauere Steuerung der thermischen Elemente.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Transport von Fluiden ermöglicht einen Transport von Fluiden ohne bewegliche Teile und damit verbundene Probleme. Ferner kann die erfindugsgemäße Vorrichtung miniaturisiert werden.

Gemäß der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Transportieren von Fluiden mit folgenden Schritten bereitgestellt:

– Bereitstellen zumindest einer Kontaktschicht mit einer Kontaktfläche, welche zum Inkontakttreten mit dem zu transportierenden Fluid ausgelegt ist;
– Bereitstellen des zu transportierenden Fluids und Inkontaktbringen mit der Kontaktfläche; und
– Erzeugen eines räumlichen thermischen Gradienten entlang der Kontaktfläche mit einer Vielzahl thermischer Elemente derart, daß ein Transportvorgang des Fluids entlang der Kontaktfläche generiert wird.

Ferner wird gemäß der Erfindung eine Vorrichtung zum Transport von Fluiden bereitgestellt, umfassend:

– zumindest eine Kontaktschicht mit einer Kontaktfläche, welche zum Inkontakttreten mit dem zu transportierenden Fluid ausgelegt ist, wobei die Kontaktschicht rohrförmig ausgebildet ist;
– zumindest ein Einlaß- und zumindest ein Auslaßventil, welche jeweils einen Durchfluß- und einen Sperrzustand aufweisen und einen Pumpenabschnitt der rohrförmigen Kontaktschicht begrenzen, und
– zumindest ein thermisches Element, welches derart ausgelegt und angeordnet ist, eine zeitliche Veränderung einer Temperatur eines Bereichs der Kontaktfläche in dem Pumpenabschnitt zu bewirken.

Vorzugsweise wird die erfindugsgemäße Vorrichtung als Fluidpumpe eingesetzt.

Das Einlaß- und das Auslaßventil können als Einwegventile ausgebildet sein, welche den Fluß des Fluids in die Richtung des Fluidtransports zulassen und die entgegengesetzte Richtung sperren.

Vorzugsweise ist das thermische Element zu einer zeitlichen Veränderung der Temperatur in Form eines thermischen Zyklusses mit einer Aufheiz- und einer Abkühlphase ausgelegt, wobei zumindest während eines Teils der Aufheizphase das Einlaßventil in seinem Sperrzustand und zumindest während eines Teils der Abkühlphase das Auslaßventil in seinem Sperrzustand ist. Das Einlaß- und das Auslaßventil haben als Vorzugsstellung vorzugsweise den Sperrzustand und öffnen sich nur bei entsprechenden Druckverhältnisse im Pumpenabschnitt, d.h. lassen den Fluß des Fluids in die Richtung des Fluidtransports nur bei entsprechenden Druckverhältnissen zu. Das Einlaßventil öffnet sich bei einem Unterdruck (Saugwirkung) und das Auslaßventil bei einem Überdruck im Pumpenabschnitt.

Vorzugsweise ist das thermische Element an einer der Kontaktfläche gegenüberliegenden Elementfläche der Kontaktschicht angeordnet.

Weiter bevorzugt weist das thermische Element eine Wärmeübertragungsfläche auf, welche in thermischem Kontakt mit der Elementfläche steht, und die einen Flächeninhalt von weniger als 10 mm², vorzugsweise weniger als 5 mm² und am meisten bevorzugt weniger als 2 mm² aufweist Vorzugsweise ist das thermische Element dazu ausgelegt, die Temperatur des Bereichs der Kontaktfläche um zumindest 20°C zu verändern.

Die erfindugsgemäße Vorrichtung wird vorzugsweise in einer kleinen Bauform realisiert. Vorzugsweise ist der Rohrinnendurchmesser der rohrförmigen Kontaktschicht weniger als 5 mm, vorzugsweise weniger als 3 mm und am meisten bevorzugt weniger als 1 mm.

Weiter bevorzugt beträgt ein Abstand zwischen dem Einlaß- und dem Auslaßventil in Längsrichtung der rohrförmigen Kontaktschicht weniger als 5 mm, bevorzugt weniger als 3 mm und am meisten bevorzugt weniger als 1.5 mm.

Eine kleine Bauform ermöglicht den Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung insbesondere in Bereichen, wo eine genaue Dosierung von kleinen Fluidmengen notwendig ist, insbesondere im medizinischen Bereich. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist der Einsatz in Brennstoffzellen zur genauen Dosierung von Methanol.

Weiter kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung eine vorzugsweise programmierbare Steuereinrichtung zum Steuern der Temperatur des thermischen Elements derart, daß eine vorbestimmte bzw. vorbestimmbare Amplitude und/oder Geschwindigkeit der Temperaturveränderung des Bereichs der Kontaktfläche erzeugt wird, aufweisen. Dadurch kann die Pumpenleistung geregelt und/oder auf die zu transportierende Flüssigkeit und/oder die Anwendung abgestimmt werden.

Besonders bevorzugt ist, wenn die thermischen Elemente Peltierelemente umfassen. Am meisten bevorzugt ist wenn das Peltierelement ein Mikropeltierelement ist, umfassend: eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Thermoelementzellen, welche mittels einer Vielzahl von ersten elektrischen Leiterbahnen seriell miteinander verbunden sind, und von denen jede einen ersten Körper aus thermoelektrischem Material eines ersten Leitungstyps und einen zweiten Körper aus thermoelektrischem Material eines zweiten Leitungstyps aufweist, die mittels einer zweiten elektrischen Leiterbahn miteinander verbunden sind und die sandwichartig zwischen einer ersten und einer zweiten elektrisch isolierenden Schicht oder einem Substratwafer, welcher eine elektrisch isolierende Schicht aufweist, angeordnet sind.

Vorzugsweise ist die Reaktionszeit im Bereich von Millisekunden, und zwar mit einer sehr kleinen Latenzzeit.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtungen ist, daß sie miniaturisiert werden können, was entscheidende Vorteile mit sich bringt, wie zum Beispiel kleinere Reaktionszeit, kleiner Material- und/oder Energiebedarf, größere Präzision, leichtere Handhabung, Möglichkeit der Integration mit anderen vorzugsweise silliziumbasierten Elementen in einem Chip etc.

Die Erfindung wird im folgenden anhand begleitender Zeichnungen bevorzugter Ausführungsformen beispielshaft beschrieben. Es zeigt:
1A eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die Kontaktschicht in Form einer geschlossenen Leitung ausgebildet ist;
1B eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die Kontaktschicht in Form einer im wesentlichen ebenen Platte ausgebildet ist; und
2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Eine erste Ausführungsform der Erfindung wird mit Bezug auf 1A beschrieben. In 1A ist die Kontaktschicht 10 in Form einer geschlossenen Leitung beziehungsweise in Form einer Röhre ausgebildet. Die Kontaktschnitt 10 kann unterschiedliche Querschnittprofile, beispielsweise einen Kreis, eine Ellipse, ein Rechteck oder eine andere geeignete Form aufweisen. Die Kontaktschicht 10 kann aber auch als eine teilweise geschlossene Leitung, zum Beispiel in Form eines Kanals mit unterschiedlichen Profilen ausgebildet sein. Ferner kann die Kontaktschicht 10 in Form einer im wesentlichen ebenen Platte ausgeführt sein, wie in 1B gezeigt.
Die Kontaktschicht 10 weist eine Kontaktfläche 101 auf, welche in Kontakt mit dem zu transportierenden Fluid F tritt und eine Elementfläche 102 welche in Kontakt mit der Wärmeübertragungsfläche 201 der thermischen Elemente 20 steht.
Die thermischen Elemente 20 sind kettenförmig entlang der Elementfläche 102 der Kontaktschicht 10 angeordnet, wobei der Abstand zwischen zwei benachbarten thermischen Elementen 20 parallel zu der Elementfläche 102 in dieser Ausführungsform ungefähr 0,5 mm beträgt. Der Abstand zwischen zwei benachbarten thermischen Elementen 20 kann aber auch andere geeignete Werte annehmen. Vorzugsweise ist der Abstand weniger als 3 mm, besonders bevorzugt weniger als 2 mm und am meisten bevorzugt weniger als 1 mm.
Ferner weisen die thermischen Elemente 20 eine Wärmeübertragungsfläche 201 auf, welche einen Flächeninhalt von vorzugsweise weniger als 10 mm², besonders bevorzugt weniger als 5 mm² und am meisten bevorzugt weniger als 2 mm² aufweist. In der in 1A und 1B gezeigte Ausführungsformen weist die Wärmeübertragungsfläche 201 einen Flächeninhalt von rund 1 mm² auf.
Die thermischen Elemente werden so gesteuert, daß eine Temperaturdifferenz zwischen zumindest zwei räumlich getrennten thermischen Elementen 20 entsteht. Diese Temperaturdifferenz spiegelt sich in einer Temperaturdifferenz zwischen zumindest zwei räumlich getrennten Stellen entlang der Kontaktfläche 101, deren Positionen den Positionen der thermischen Elementen entsprechen wieder, so daß ein thermischer Gradient entlang der Kontaktfläche 101 entsteht. Ein thermischer Gradient in der Kontaktfläche 101 bewirkt einen entsprechenden thermischen Gradient im dem Fluid F, welcher eine Massenverschiebung des Fluids F und dadurch einen Transportvorgang hervorruft.
Die in 1A und 1B gezeigten kettenförmig angeordneten thermischen Elemente können ihren Zustand zwischen "Heiß" (in den 1A und 1B als "HOT" bezeichnet) und "Kalt" (in den 1A und 1B als "COLD" bezeichnet) ändern und werden so vorzugsweise in Serie geschaltet, daß zumindest eine thermische Welle beziehungsweise ein oder mehrere Pulse beziehungsweise ein oder mehrere Gradientprofile sich in Richtung des Fluidtransports FT ausbreiten. 1A und 1B zeigen in Ihrem unteren Teil die Formation und die Ausbreitung als Funktion der Zeit des räumlichen thermischen Gradien, so daß eine thermische Welle beziehungsweise eine Vielzahl von thermischen Pulsen entstehen und sich in die Richtung des Fluidtransports FT ausbreiten.
Der thermische Gradient und/oder dessen Profil sind auf die Transportparameter des Fluids F und der Umgebung abzustimmen. Zum Beispiel wird die Einsatztemperatur je nach Anwendung vorzugsweise zwischen 0°C und 80°C gehalten. Der maximale Temperaturunterschied ΔT_max = T_max – T_min beträgt rund 60°C bis 80°C, wobei T_max die Temperatur des "Heiß"-Zustands und T_min die Temperatur des "Kalt"-Zustands bezeichnet. Insbesondere ist, wenn biologische Flüssigkeiten transportiert werden, die Einsatztemperatur vorzugsweise die Raumtemperatur (≈ 20°C) und der maximale Temperaturunterschied ΔT_max ≈ 45°C.
Die thermischen Elemente können vorzugsweise mit keiner oder einer sehr kleinen Latenzzeit sehr schnell umgeschaltet werden. Dies ermöglicht vorzugsweise eine Reaktionszeit im Bereich von Millisekunden.
Die thermischen Elemente werden vorzugsweise von einer Steuereinrichtung, welche nicht in 1A und 1B gezeigt ist, gesteuert um unterschiedliche Profile, Ausbreitungsgeschwindigkeiten und/oder Ausbreitungsrichtungen des zumindest einen thermischen Gradienten zu erzeugen. Insbesondere generiert die Steuereinrichtung zumindest ein Signal, welches die Temperatur des zumindest einen thermischen Elements ändert, so daß ein thermischer Gradient entsteht. Die Steureinrichtung kann vorzugsweise programmierbar sein, so daß die erfindugsgemäße Vorrichtung je nach Anwendung und Fluidtyp leicht konfigurierbar beziehungsweise rekonfigurierbar ist.
Vorzugsweise können die thermischen Elemente Peltierelemente umfassen. Der Einsatz von Peltierelementen kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn die maximale Temperatur T_max unterhalb der Raumtemperatur und unterhalb des Siedepunktes der zu transportierenden Flüssigkeit benötigt wird, zum Beispiel zum Transport leicht flüchtiger Flüssigkeiten.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Peltierelemente Mikropeliterelemente sind, welche vorzugsweise im Schichtverfahren in Silizium unter Benutzung von MEMS-Technologie (Micro-Electro-Mechanical Systems) hergestellt werden. Solche Mikropeltierelemente sind zum Beispiel aus DE 198 45 104 A1 bekannt. Vorzugsweise umfaßt ein Mikropeltierelement eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Thermoelementzellen, welche mittels einer Vielzahl von ersten elektrischen Leiterbahnen seriell miteinander verbunden sind, und von denen jede einen ersten Körper aus thermoelektrischem Material eines ersten Leitungstyps und einen zweiten Körper aus thermoelektrischem Material eines zweiten Leitungstyps aufweist, die mittels einer zweiten elektrischen Leiterbahn miteinander verbunden sind und die sandwichartig zwischen einer ersten und einer zweiten elektrisch isolierenden Schicht oder einem Substratwafer, welche eine elektrisch isolierende Schicht aufweist, angeordnet sind.
Einige Vorteile einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Mikropletierelementen sind unter anderem eine höhere Integrationsdichte und somit eine kleinere Bauform, kleinere Latenz- und Reaktionszeiten, Kompatibilität mit anderen mikroelektronischen Elementen, was den Aufbau in Chipform ermöglicht.
Ferner können die thermische Elemente auch Heizdrähte umfassen.
Die in 1B gezeigte Ausführungsform hat einen sehr ähnlichen Aufbau wie die in 1A gezeigte und ausführlich beschriebene erste Ausführungsform, mit dem Unterschied, daß die Kontaktschicht 10 als eine im wesentlichen planare Platte ausgebildet ist. Auf die ausführliche Beschreibung der thermischen Elemente, deren Anordnung und Funktionsprinzip wird deshalb unter Verweisung auf deren Beschreibung im Bezug auf die erste Ausführungsform verzichet. Die Kontaktschicht 10 kann weiterhin aus mehreren Schichten ausgebildet sein oder auch Bestandteil der thermischen Elementen sein. Die Richtung des Fluidtransports FT wird durch den von den thermischen Elementen in der Kontaktfläche 101 induzierten thermischen Gradienten vorgegeben. Mit einer Änderung der Richtung des thermischen Gradienten können unterschiedliche Transportgeometrien bzw. – konfigurationen realisiert werden.
Ferner wird eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche vorzugsweise als Pumpe eingesetzt werden kann, anhand von 2 beschrieben. Die in 2 gezeigte Vorrichtung umfaßt eine rohrförmige Kontaktschicht 40 mit einer Kontaktfläche 401, welche zum Inkontakttreten mit dem zu transportierenden Fluid F ausgelegt ist. Ferner umfaßt die Vorrichtung ein Einlaßventil 60 und ein Auslaßventil 70, welche einen Pumpenabschnitt 41 begrenzen. Das Einlaßventil 60 und das Auslaßventils 70 können jeweils als Einwegeventile ausbildet sein, welche jeweils einen Durchfluß- und einen Sperrzustand aufweisen.
Ferner umfaßt die in 2 gezeigte Vorrichtung zumindest ein thermisches Element 50, welches vorzugsweise ein Peltierelement und besonders bevorzugt ein Mikropeltierelement umfaßt. Das thermische Element ist an einer der Kontaktfläche 401 gegenüberliegenden Elementfläche 402 der Kontaktschicht 40 angeordnet und wird vorzugsweise von der Steuereinrichtung 80 so gesteuert, daß sich seine Temperatur und somit die abgegebene Wärme zumindest während eines thermischen Zyklusses ändert. Das thermische Element ist vorzugsweise dazu ausgelegt, die Temperatur des Bereichs der Kontaktfläche 401 um zumindest 20°C zu verändern.
Das thermische Element 50 bewirkt somit eine zeitliche Veränderung der Temperatur in dem Pumpenabschnitt 41 in Form eines thermischen Zyklusses mit einer Aufheiz- und einer Abkühlphase. Das Einlaßventil 60 ist dabei zumindest während eines Teils der Aufheizphase in seinem Sperrzustand. In diesem Zustand wird der Fluß des Fluids F durch das Ventil in die Richtung des Fluidtransports FT und in die entgegengesetzte Richtung gesperrt. Gleichzeitig wird aufgrund der Ausdehnung des Fluids F bei einer erhöhten Temperatur in dem Pumpenabschnitt 41 Druck generiert, so daß bei geöffnetem Auslaßventil 70 das Fluid F in die Richtung des Fluidtransports FT aus dem Pumpenabschnitt 41 hinausbewegt bzw. transportiert wird.
Das Auslaßventil 70 ist dagegen zumindest während eines Teils der Abkühlphase in seinem Sperrzustand. In diesem Zustand wird der Fluß des Fluids F durch das Ventil in die dem Fluidtransport entgegengesetzte Richtung gesperrt. Gleichzeitig wird das Fluid F abgekühlt und somit im Pumpenabschnitt 41 Unterdruck erzeugt, welcher bei geöffnetem Einlaßventil 60 Fluid F in den Pumpenabschnitt 41 hineinsaugt. Somit wird ein Pumpvorgang ausgelöst. Mit der Rate und Leistung mit welcher das Peltierelement zwischen Aufheiz- und Abkühlphase geschaltet wird, wird die Pumpenleistung geregelt.
Das thermische Element weist eine Wärmeübertragungsfläche 501 auf, welche in thermischem Kontakt mit der Elementfläche 402 steht, und einen Flächeninhalt von ≈ 1mm² hat. Der Flächeninhalt der Wärmeübertragungsfläche kann auch andere Werte, insbesondere weniger als 10 mm², vorzugsweise weniger als 5 mm² und am meisten bevorzugt weniger als 2 mm² betragen. Die erfindugsgemäße Vorrichtung kann auch zwei oder mehrere thermische Elemente umfassen, welche vorzugsweise entlang der Elementfläche der rohrförmige Kontaktschicht 40 angeordnet sind.
Die erfindugsgemäße Vorrichtung weist vorzugsweise eine sehr kleine Bauform auf. Insbesondere bei der in 2 gezeigten Ausführungsform beträgt der Rohrinnendurchmesser der rohrförmigen Kontaktschicht 40 lediglich etwa 0.5 mm und der Abstand zwischen dem Einlaß- und dem Auslaßventil 70 lediglich etwa 1 mm. Der Rohrinnendurchmesser und der Abstand zwischen dem Einlaß- und dem Auslaßventil 70 können auch weitere Zahlenwerte annehmen. Vorzugsweise beträgt der Rohrinnendurchmesser weniger als 5 mm, vorzugsweise weniger als 3 mm und am meisten bevorzugt weniger als 1 mm. Der Abstand zwischen dem Einlaß- und dem Auslaßventil 70 in Längsrichtung der rohrförmigen Kontaktschicht 40 beträgt vorzugsweise weniger als 5 mm, bevorzugt weniger als 3 mm und am meisten bevorzugt weniger als 1.5 mm.
Der Pumpenabschnitt 41, sowie das Einlaßventil 60 und das Auslaßventil 70 werden vorzugsweise im Schichtverfahren unter Verwendung von MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) Technologie hergestellt.
Ferner umfaßt die in 2 gezeigte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eine vorzugsweise programierbare Steuereinrichtung 80 zum Steuern der Temperatur des thermischen Elements derart, daß eine vorbestimmte bzw. vorbestimmbare Amplitude und/oder Geschwindigkeit der Temperaturveränderung des Bereichs der Kontaktfläche erzeugt wird. Somit wird die Pumpenleistung geregelt und an die Eigenschaften des zu transportierendes Fluids F beziehungsweise an die spezifische Anwendung angepaßt. Die Steuereinrichtung 80 kann vorzugsweise eine Stromquelle mit steuerbarer Spannung und Frequenz umfassen. Wenn ein thermisches Element ein Peltierelement umfaßt, wird durch Peltiereffekt eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden gegenüberliegenden Seiten des Peltierelements in Abhängigkeit von der angelegten Spannung erzeugt, und somit die Wärmeabgabe durch die Wärmeübertragungsfläche 501 gesteuert.
Wie oben beschrieben umfaßt bei der in 2 dargestellten Ausführungsform das thermische Element ein Peltierelement. Am meisten bevorzugt handelt es sich hierbei um ein Mikropeliterelement, welches zum Beispiel aus DE 198 45 104 A1 bekannt ist. Das Mikropeltierelement umfaßt vorzugsweise eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Thermoelementzellen, welche mittels einer Vielzahl von ersten elektrischen Leiterbahnen seriell miteinander verbunden sind, und von denen jede einen ersten Körper aus thermoelektrischem Material eines ersten Leitungstyps und einen zweiten Körper aus thermoelektrischem Material eines zweiten Leitungstyps aufweist, die mittels einer zweiten elektrischen Leiterbahn miteinander verbunden sind und die sandwichartig zwischen einer ersten und einer zweiten elektrisch isolierenden Schicht oder einem Substratwafer, welche eine elektrisch isolierende Schicht aufweist, angeordnet sind.
Besonders bevorzugt kann die gesamte bevorzugte erfindungsgemäße Vorrichtung im Schichtverfahren unter Verwendung der MEMS-Technologie (Micro-Electro-Mechanical Systems) hergestellt werden. Das ermöglicht eine kleine und kompakte Bauform, welche zahlreiche Anwendungen in Bereichen erlaubt, in denen eine genaue Dosierung der Fludimengen im Mikro- und Nanoliterbereich erwünscht und/oder notwendig ist.
Einige Beispiele sind im medizinischen Bereich die Anwendung in Pipettenspitzen zur genauen Dosierung von Medikamenten, in Brennstoffzellen, insbesondere Brennstoffzellen für Mobiltelefone zur genauen Dosierung und Zufuhr des Methanols an die Membran der Brennstoffzelle, in der Biotechnik für Medikamenten- oder DNA-Tests sowie in chemischen Mikroreaktoren.

10; 40: Kontaktschicht
101; 401: Kontaktfläche
102; 402: Elementfläche
20; 50: thermisches Element
201; 501: Wärmeübertragungsfläche
41: Pumpenabschnitt
60: Einlaßventil
70: Auslaßventil
80: Steuereinrichtung
F: Fluid
FT: Richtung des Fluidtransports

Claims

Vorrichtung zum Transport von Fluiden (F), umfassend: – zumindest eine Kontaktschicht mit einer Kontaktfläche, welche zum Inkontakttreten mit dem zu transportierenden Fluid ausgelegt ist; – eine Vielzahl thermischer Elemente, welche derart ausgelegt und angeordnet ist, um zumindest einen räumlichen thermischen Gradienten entlang der Kontaktfläche zu erzeugen, welcher einen Transportvorgang des Fluids entlang der Kontaktfläche generiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl der thermischen Elemente an einer der Kontaktfläche gegenüberliegenden Elementfläche der Kontaktschicht angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei zumindest eines der thermischen Elemente eine Wärmeübertragungsfläche aufweist, welche in thermischen Kontakt mit der Elementfläche steht, und die Wärmeübertragungsfläche einen Flächeninhalt von weniger als 10 mm², vorzugsweise weniger als 5 mm² und am meisten bevorzugt weniger als 2 mm² aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei ein kleinster Abstand zwischen benachbarten der thermischen Elemente parallel zu der Elementfläche weniger als 3 mm, vorzugsweise weniger als 2 mm und am meisten bevorzugt weniger als 1 mm ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei zumindest zwei benachbarte der Vielzahl der thermischen Elemente dazu ausgelegt sind, einen Temperaturunterschied der Kontaktfläche von zumindest 25°C zu erzeugen.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Vielzahl der thermischen Elemente im wesentlichen ketten- oder matrixartig angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Vielzahl der thermischen Elemente derart ausgelegt und angeordnet ist, um eine Vielzahl der thermischen Gradienten in Form einer thermischen Welle entlang der Kontaktfläche zu erzeugen.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, weiter umfassend eine Steuereinrichtung zum Steuern der thermischen Elemente, um unterschiedliche Profile, Ausbreitungsgeschwindigkeiten und/oder Ausbreitungsrichtungen des zumindest einen thermischen Gradienten zu erzeugen.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die thermischen Elemente Peltierelemente umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Peltierelement ein Mikropeltierelement ist, umfassend: eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Thermoelementzellen, welche mittels einer Vielzahl von ersten elektrischen Leiterbahnen seriell miteinander verbunden sind, und von denen jede einen ersten Körper aus thermoelektrischem Material eines ersten Leitungstyps und einen zweiten Körper aus thermoelektrischem Material eines zweiten Leitungstyps aufweist, die mittels einer zweiten elektrischen Leiterbahn miteinander verbunden sind und die sandwichartig zwischen einer ersten und einer zweiten elektrisch isolierenden Schicht oder einem Substratwafer, welche eine elektrisch isolierende Schicht aufweist, angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche und Anspruch 2, wobei auf zumindest einem der thermischen Elemente zumindest ein thermischer Sensor angeordnet ist, welcher zur Detektion der Temperatur einer Wärmeübertragungsfläche des thermischen Elements ausgelegt ist, welche in thermischem Kontakt mit der Elementfläche der Kontaktschicht steht.
Verfahren zum Transportieren von Fluiden mit folgenden Schritten: – Bereitstellen zumindest einer Kontaktschicht mit einer Kontaktfläche, welche zum Inkontakttreten mit dem zu transportierenden Fluid ausgelegt ist; – Bereitstellen des zu transportierenden Fluids und Inkontaktbringen mit der Kontaktfläche; und – Erzeugen eines räumlichen thermischen Gradienten entlang der Kontaktfläche mit einer Vielzahl thermischer Elemente derart, daß einen Transportvorgang des Fluids entlang der Kontaktfläche generiert wird.
Vorrichtung zum Transport von Fluiden, umfassend: – zumindest eine Kontaktschicht mit einer Kontaktfläche, welche zum Inkontakttreten mit dem zu transportierenden Fluid ausgelegt ist, wobei die Kontaktschicht rohrförmig ausgebildet ist; – zumindest ein Einlaß- und zumindest ein Auslaßventil, welche jeweils einen Durchfluß- und einen Sperrzustand aufweisen und einen Pumpenabschnitt der rohrförmigen Kontaktschicht begrenzen, und – zumindest ein thermisches Element, welches derart ausgelegt und angeordnet ist, eine zeitliche Veränderung einer Temperatur eines Bereichs der Kontaktfläche in dem Pumpenabschnitt zu bewirken.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei das thermische Element zu einer zeitlichen Veränderung der Temperatur in Form eines thermischen Zyklusses mit einer Aufheiz- und einer Abkühlphase ausgelegt ist, wobei zumindest während eines Teils der Aufheizphase das Einlaßventil in seinem Sperrzustand und zumindest während eines Teils der Abkühlphase das Auslaßventil in seinem Sperrzustand ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, wobei das thermische Element an einer der Kontaktfläche gegenüberliegenden Elementfläche der Kontaktschicht angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem Anspruch 15, wobei das thermische Element eine Wärmeübertragungsfläche aufweist, welche in thermischen Kontakt mit der Elementfläche steht, und die Wärmeübertragungsfläche einen Flächeninhalt von weniger als 10 mm², vorzugsweise weniger als 5 mm² und am meisten bevorzugt weniger als 2 mm² aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei das thermische Element dazu ausgelegt ist, die Temperatur des Bereichs der Kontaktfläche um zumindest 20°C zu verändern.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei der Rohrinnendurchmesser der rohrförmigen Kontaktschicht weniger als 5 mm, vorzugsweise weniger als 3 mm und am meisten bevorzugt weniger als 1 mm ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei der Abstand zwischen dem Einlaß- und dem Auslaßventil in Längsrichtung der rohrförmigen Kontaktschicht weniger als 5 mm, bevorzugt weniger als 3 mm und am meisten bevorzugt weniger als 1.5 mm ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, weiter umfassend eine Steuereinrichtung zum Steuern der Temperatur des thermischen Elements derart, daß eine vorbestimmte bzw. vorbestimmbare Amplitude und/oder Geschwindigkeit der Temperaturveränderung des Bereichs der Kontaktfläche erzeugt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 20, wobei die thermischen Elemente Peltierelemente umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei das Peltierelement ein Mikropeltierelement ist, umfassend: eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Thermoelementzellen, welche mittels einer Vielzahl von ersten elektrischen Leiterbahnen seriell miteinander verbunden sind, und von denen jede einen ersten Körper aus thermoelektrischem Material eines ersten Leitungstyps und einen zweiten Körper aus thermoelektrischem Material eines zweiten Leitungstyps aufweist, die mittels einer zweiten elektrischen Leiterbahn miteinander verbunden sind und die sandwichartig zwischen einer ersten und einer zweiten elektrisch isolierenden Schicht oder einem Substratwafer, welche eine elektrisch isolierende Schicht aufweist, angeordnet sind.