DE19611270A1

DE19611270A1 - Micro-mixer for very small volumes of liquids or suspensions

Info

Publication number: DE19611270A1
Application number: DE19611270A
Authority: DE
Inventors: Steffen Dr Howitz; Steffen Wegener
Original assignee: GESIM GES fur SILIZIUM MIKROS
Current assignee: GESIM GES fur SILIZIUM MIKROS
Priority date: 1996-03-22
Filing date: 1996-03-22
Publication date: 1997-09-25

Abstract

Micromixer for mixing \- 2 very small volumes of liquids or suspensions, has a micro-ejector pump which comprises a pump chamber (6) with a micro-membrane piezo-electric plate actuator and an outlet (2) leading to outlet opening (9). The liquids are fed to the outlet passage (2) and/or the pump chamber (6) via separate feed passages (3,7) and are mixed with one another before reaching the outlet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikromischer zur Handhabung klei nster Flüssigkeitsmengen, insbesondere zum Vermischen von wenigstens zwei Flüssigkeiten oder Suspensionen, mit einer Mikroejektionspumpe, bestehend aus einer Pumpkammer, einer Mikromembran, die mit einem piezoelektrischen Plattenaktuator versehen ist und einem der Pumpkammer zugeordneten Auslaßkanal mit einer Ausstoßöffnung.The invention relates to a micromixer for handling small parts nster amounts of liquid, especially for mixing at least two liquids or suspensions, with one Micro ejection pump, consisting of a pump chamber, one Micro membrane made with a piezoelectric plate actuator is provided and an outlet channel assigned to the pump chamber with a discharge opening.

Die zu handhabenden Fluidvolumina können reine Stoffe, Stoff gemische sowie in Flüssigkeiten suspensierte Mikropartikel sein, die in der chemischen Analytik, der Medizintechnik und der Biotechnologie einer gezielten Weiterverarbeitung zuge führt werden sollen.The fluid volumes to be handled can be pure substances, substance mixtures and microparticles suspended in liquids be in chemical analysis, medical technology and targeted further processing of biotechnology should be led.

Mischprozeduren aus der Makrowelt, wie z. B. Verrühren oder die Erzeugung von Turbulenzen, können nicht durch einfaches Her unterskalieren auf kleinste Volumina von einigen Mikrolitern angewendet werden. Ursache hierfür ist die starke Tendenz mikrofluidischer Strömungen zur Laminarität. Branebjerg u. a. dokumentieren in Branebjerg, J., Fabius, B., Graevesen, P.; "Application of miniature analysers: from microfluidic compo nents to µTAS", Proc. µTAS′94, Twente, Seiten 141-151, eine Reihe von Untersuchungen zu Mischeffekten in geraden wie auch in mäanderförmigen Mikrokanälen. Sie fanden heraus, daß bei hohen Flußraten sowohl in den verwendeten geraden als auch in den mäanderförmigen Mikrokanälen eine vollständig ausgebildete laminare Strömung herrschte. Ein Vermischen der beiden verwen deten Flüssigkeiten wurde nicht beobachtet. Bei Flußraten, die um zwei Größenordnungen niedriger waren, kam es zur Mischung der beiden Flüssigkeiten an ihrer Grenzfläche.Mixed procedures from the macro world, such as B. stir or the Generation of turbulence cannot be done simply underscale to the smallest volumes of a few microliters be applied. The reason for this is the strong tendency microfluidic flows for laminarity. Branebjerg u. a. document in Branebjerg, J., Fabius, B., Graevesen, P .; "Application of miniature analyzers: from microfluidic compo nents to µTAS ", Proc. µTAS′94, Twente, pages 141-151, a Series of studies on mixing effects in straight as well in meandering microchannels. They found that at high flow rates in both the straight and used the meandering microchannels are fully developed laminar flow prevailed. Use a mixture of the two No liquids were observed. At flow rates that were mixed by two orders of magnitude of the two liquids at their interface.

Die bisher realisierten Mikromischer beruhen generell auf dem Prinzip der Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen den beiden zu mischenden Flüssigkeiten. So wird z. B. in Miyake, R., Lam merink, T. S. J., Elwenspoek, M., Fluitman, J. H. J., "Micro mixer with fast diffusion", The 1993 workshop in micro mecha nical systems, Fort Lauderdale, Florida, USA, 1993, ein in Silizium gefertigtes Mischmodul beschrieben, bei dem eine Flüssigkeit durch ein Mikrosieb in eine zweite Flüssigkeit gedrückt wird. Die Verwendung eines Mikrosiebes erhöht beim Eintritt der ersten Flüssigkeit in die zweite die Kontaktober fläche zwischen beiden Flüssigkeiten und erhöht so die Misch geschwindigkeit.The micromixers implemented so far are generally based on the Principle of increasing the contact area between the two liquids to be mixed. So z. B. in Miyake, R., Lam Merink, T. S.J., Elwenspoek, M., Fluitman, J.H. J., "Micro mixer with fast diffusion ", The 1993 workshop in micro mecha nical systems, Fort Lauderdale, Florida, USA, 1993, an in Silicon-made mixing module described, in which a Liquid through a microsieve into a second liquid is pressed. The use of a microsieve increases the Entry of the first liquid into the second the contact surface area between the two liquids and thus increases the mixing speed.

Der sogenannte Möbius-Mischer, Mensinger, H., Richter, T., Hessel, V., Döpper, J., Ehrfeld, W., "Microreactor with inte grated static mixer and analysis system", Proc. µTAS′94, Twente, Seiten 237-243, beruht ebenfalls auf dem Prinzip der Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen zwei Flüssigkeiten. Hierbei wird ein Flüssigkeitsstrom aus nicht mischbaren Flüssigkeiten rechtwinklig zu deren Grenzfläche in zwei Schichten geteilt, welche gedreht und anschließend wieder vereint werden. Dies führt zu einer Verdopplung der Grenz fläche beider Flüssigkeiten. Die Fertigung dieses Mischers erfolgt mit Hilfe des LIGA-Prozesses.The so-called Möbius mixer, Mensinger, H., Richter, T., Hessel, V., Döpper, J., Ehrfeld, W., "Microreactor with inte grated static mixer and analysis system ", Proc. µTAS′94, Twente, pages 237-243, is also based on the principle of Enlargement of the contact area between two liquids. Here, a flow of liquid becomes immiscible Liquids perpendicular to their interface in two Split layers, which rotated and then again be united. This leads to a doubling of the limit area of both liquids. The manufacture of this mixer takes place with the help of the LIGA process.

Die Mischung zweier Flüssigkeiten kann auch mit der Vorrich tung entsprechend WO 95/22696 realisiert werden, in der eine Mikrofluid-Diode beschrieben wird. Hierbei wird eine Flüssig keit unter Zuhilfenahme einer Mikroejektionspumpe als Sequenz von Einzeltropfen auf ein als Fluiddiode bezeichnetes Mikro sieb dosiert. Unter diesem Mikrosieb befindet sich eine zweite Flüssigkeit in einem Mikrokanal, an dessen Ende sich eine Saugpumpe befindet. Mit dieser Saugpumpe kann die von der Mikroejektionspumpe auf das Mikrosieb dosierte Flüssigkeit durch das Mikrosieb in den darunterliegenden Flüssigkeitskanal gesaugt werden. Dabei kommt es zu einer Vermischung der beiden Flüssigkeiten. Dieses Prinzip ist darüber hinaus auch für die leckfreie Flüssigkeitsinjektion in einen Mikrokanal geeignet.Mixing two liquids can also be done with the Vorrich device according to WO 95/22696 can be realized in which one Microfluidic diode is described. This is a liquid speed using a micro ejection pump as a sequence from single drops to a mic called fluid diode sieve dosed. There is a second one under this microsieve Liquid in a microchannel, at the end of which there is a Suction pump is located. With this suction pump the Micro ejection pump liquid dosed onto the microsieve through the microsieve into the liquid channel underneath be sucked. This mixes the two Liquids. This principle is also for the leak-free liquid injection into a microchannel.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mikromischer zur Handhabung kleinster Flüssigkeitsmengen, insbesondere zum Vermischen von wenigstens zwei Flüssigkeiten oder Suspensionen zu schaffen, der besonders zuverlässig arbeitet und mit dem es möglich ist, das Mischungsverhältnis den jeweiligen Anforde rungen anzupassen.The invention has for its object a micromixer for handling the smallest amounts of liquid, especially for Mixing at least two liquids or suspensions to create that works particularly reliably and with which it is possible, the mixing ratio the respective requirement adjustments.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Flüs sigkeiten über getrennte Zulaufkanäle dem Auslaßkanal und/oder der Pumpkammer der Mikroejektionspumpe zugeführt und vor dem Erreichen der Ausstoßöffnung miteinander vermischt und als Gemischtropfen aus dieser ausgestoßen werden.According to the invention the object is achieved in that the rivers liquids through separate inlet channels to the outlet channel and / or the pump chamber of the micro ejection pump and before the Reaching the discharge port mixed together and as Mixed drops can be expelled from this.

Die Vorrichtung ermöglicht das Vermischen von zwei oder mehre ren Flüssigkeiten kurz vor deren Austritt aus einer gemein samen Ausstoßöffnung der Mikroejektionspumpe in einem genau definierbaren Volumenverhältnis und aufgrund des Impulses der ausgestoßenen Mikrotropfen, die zielgerichtete Abgabe an den Ort einer Probenweiterverarbeitung bzw. eines Probenabfalls. Weiterhin ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung die Dosierung von Flüssigkeiten, welche allein durch eine Mikro ejektionspumpe nicht dosierbar wären. Dies wird möglich, da die Dimensionen des bzw. der zusätzlichen Einlaßkanäle in ihren Querschnitten z. B. durch Aufweitung so auf das jeweilige Fluid abgestimmt werden können, daß die Fluidzuführung sicher erfolgt und der Pumpvorgang an der Mikroejektionspumpe dadurch nicht beeinflußt wird. Dies ist insofern erfindungsspezifisch und bedeutsam, als daß eine normativ arbeitsfähige Mikroejek tionspumpe mit derart aufgeweiteten Kanalquerschnitten nicht arbeitsfähig sein würde. Infolgedessen können mit der erfin dungsgemäßen Vorrichtung Flüssigkeiten im Nanoliter- bis Mikroliterbereich dosiert und gefördert werden, die relativ große Partikel suspensiert haben und oder höherviskos sind.The device allows two or more to be mixed liquids just before they leave a common one same ejection opening of the micro ejection pump in one definable volume ratio and based on the momentum ejected microdroplets, the targeted delivery to the Location of sample processing or sample waste. Furthermore, the device according to the invention enables Dosing of liquids, which are carried out by a micro ejection pump would not be metered. This becomes possible because the dimensions of the additional inlet channel (s) in their cross sections z. B. by widening to the respective Fluid can be tuned to ensure that the fluid supply is safe and the pumping process on the micro ejection pump is not affected. In this respect, this is specific to the invention and significant that a normative micro ejek tion pump with such widened channel cross sections not would be able to work. As a result, with the inventions device according to the invention liquids in nanoliter bis Microliter range can be dosed and promoted, the relative Large particles have been suspended and are of higher viscosity.

Der Auslaßkanal und die Zulaufkanäle sind vorzugsweise als Mikrokapillaren ausgebildet.The outlet channel and the inlet channels are preferably as Microcapillaries trained.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist wenig stens ein Zulaufkanal zwischen der Pumpkammer und der Ausstoß öffnung mit dem Auslaßkanal verbunden, wobei wenigstens ein zweiter Zulaufkanal mit der Pumpkammer unmittelbar in Verbin dung steht. Der mit der Pumpkammer in Verbindung stehende Zulaufkanal mündet gegenüber dem Auslaßkanal in die Pumpkam mer.In an advantageous embodiment of the invention, there is little At least one inlet channel between the pump chamber and the discharge opening connected to the outlet channel, at least one second inlet channel in direct connection with the pump chamber manure stands. The one connected to the pumping chamber Inlet channel opens into the pump chamber opposite the outlet channel mer.

Beim Betrieb des Mikromischers, genau aber während des Belade modus, werden die in einem gewünschten Verhältnis miteinander zu vermischenden Flüssigkeiten aus den Zulaufkanälen und dem Auslaßkanal in die Pumpkammer gesaugt und nachfolgend im Ent lademodus als definiert gerichtetes und beschleunigtes Fluid gemisch in Form einer Folge von impulsbehafteten Mikrotropfen aus der Ausstoßöffnung herausgeschleudert.When operating the micromixer, but precisely during loading mode, be in a desired relationship with each other liquids to be mixed from the inlet channels and the Outlet channel sucked into the pumping chamber and subsequently in the Ent charging mode as a defined directional and accelerated fluid mixture in the form of a sequence of impulsive microdroplets thrown out of the discharge opening.

Die Zulaufkanäle stehen dabei mit Vorratsbehältern in Verbin dung, wobei die Verbindung mit den Vorratsbehältern durch Schläuche erfolgen kann.The inlet channels are connected to storage containers dung, whereby the connection with the storage containers through Hoses can be made.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Zulauf kanäle, oder ein Teil derselben, mit externen und/oder inte grierten aktiven Ventilen versehen. Damit ist es möglich, den Vorgang des aktiven Mischens in definierbaren Mischungsver hältnissen sowohl ohne zusätzliche aktive Ventile in den Bereichen der internen oder externen Fluidzuläufe, als auch durch den Einsatz der zusätzlichen Ventile zu steuern. Die zusätzlichen Ventile erlauben ergänzende Mischfunktionen, wobei diese genau in die Zulaufkanäle integriert werden müssen, welche jene Fluide führen, die zeitweise an der Ge mischbildung nicht beteiligt werden sollen.In a further embodiment of the invention, the inlet channels, or a part thereof, with external and / or inte provided active valves. This makes it possible to Process of active mixing in definable mixing ratios conditions without additional active valves in the Areas of internal or external fluid inlets, as well to control through the use of additional valves. The additional valves allow additional mixing functions, whereby these are precisely integrated into the inlet channels which carry those fluids that are temporarily on the Ge mixed education should not be involved.

Um eine für den Ausstoß von Mikrotropfen ausreichende Förder menge zu erreichen, ist das Volumen der Pumpkammer größer als die Summe der Volumina der Zulaufkanäle und des Auslaßkanales.To ensure sufficient funding for the ejection of microdroplets volume, the volume of the pump chamber is greater than the sum of the volumes of the inlet channels and the outlet channel.

Das Verhältnis der zu vermischenden Flüssigkeitsvolumina kann dadurch bestimmt werden, daß die Zulaufkanäle und der Auslaß kanal unterschiedliche Kanalquerschnitte aufweisen.The ratio of the volumes of liquid to be mixed can be determined by the fact that the inlet channels and the outlet have different channel cross sections.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das Mi schungsverhältnis der miteinander zu vermischenden Flüssig keiten oder Suspensionen durch die Arbeitsfrequenz der Mikro ejektionspumpe festgelegt.In a further embodiment of the invention, the Mi ratio of the liquid to be mixed or suspensions due to the working frequency of the micro ejection pump set.

Eine weitere Fortführung der Erfindung ist dadurch gekenn zeichnet, daß die Mikroejektionspumpe, die Zulaufkanäle, der Auslaßkanal und die aktiven Ventile in einem Silizium-Chip integriert sind, der mit einer Glasplatte, vorzugsweise durch anodisches Bonden, fest verbunden ist, indem die Zulaufkanäle und der Auslaßkanal durch die Glasplatte abgedeckt werden.A further continuation of the invention is thereby characterized records that the micro ejection pump, the inlet channels, the Outlet channel and the active valves in a silicon chip are integrated, preferably with a glass plate anodic bonding, firmly connected by the inlet channels and the outlet duct are covered by the glass plate.

Damit läßt sich der erfindungsgemäße Mikromischer durch in der Halbleitertechnik übliche Fertigungsschritte und mit geringen Kosten herstellen.This allows the micromixer according to the invention to be used in the Semiconductor technology usual manufacturing steps and with small Establish costs.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht das Absetzen von Mikrotropfen, welche aus zwei oder mehreren Flüssigkeiten bestehen können. Die sich während der Vermischung beim Belade vorgang in der erfindungsgemäßen Vorrichtung einstellenden Volumenanteile können sowohl im Entwurfs- als auch Betriebs prozeß des aktiven Mikromischers eingestellt werden. Bei Montage des aktiven Mikromischers an ein x-y-Positioniersystem können, z. B. bei der Wirkstoffdosierung, unterschiedliche Gemische praktikabel allein durch Frequenzmodulation erreicht werden. Anderseits kann ein Array von aktiven Mikromischern zum Einsatz kommen, bei dem die Zusammensetzung des dosierten Fluids mit Hilfe verschiedener Querschnitte des zusätzlichen Einlaßkanals oder durch zusätzlich eingebaute Mikroventile definiert wird.The device according to the invention enables the deposition of Micro drops, which consist of two or more liquids can exist. Which during the mixing while loading setting process in the device according to the invention Volume shares can be used in both design and operation process of the active micromixer can be set. At Assembly of the active micromixer on an x-y positioning system can, e.g. B. in drug dosage, different Mixtures practically achieved by frequency modulation alone will. On the other hand, an array of active micromixers are used in which the composition of the dosed Fluids using different cross sections of the additional Inlet channel or through additional built-in micro valves is defined.

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:The invention will be based on an embodiment are explained in more detail. The associated drawings show:

Fig. 1 die schematische Ansicht eines elektrisch steuer baren aktiven Mikromischers auf Basis einer Drop-On-Demand Mikropumpe; Figure 1 is a schematic view of an electrically controllable active micromixer based on a drop-on-demand micropump.

Fig. 2 den Pumpmodus des elektrisch steuerbaren aktiven Mikromischers; Fig. 2 shows the pumping mode of the electrically controllable active micro mixer;

Fig. 3 eine Seitenansicht des Mikromischers nach Fig. 3 im Pumpmodus; Fig. 3 is a side view of the micro mixer of FIG 3 in the pumping mode.

Fig. 4 den Belademodus des elektrisch steuerbaren aktiven Mikromischers; und Fig. 4 shows the loading mode of the electrically controllable active micro mixer; and

Fig. 5 eine Seitenansicht des Mikromischers nach Fig. 4 im Belademodus. FIG. 5 shows a side view of the micromixer according to FIG. 4 in the loading mode.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus genau einem Glas- Silizium-Chip 13 mit rechteckigen Außenabmessungen in welchen alle nachfolgend beschriebenen Elemente hineinintegriert wer den.The device according to the invention consists of exactly one glass-silicon chip 13 with rectangular outer dimensions in which all the elements described below are integrated.

Das nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die Realisierung eines aktiven Mikromischers 1 ent sprechend den Anordnungen aus Fig. 1, welcher einen zusätz lichen Zulaufkanal 3 in den Auslaßkanal 2 der Pumpkammer 6 der Mikroejektionspumpe aufweist. Das Hauptelement des aktiven Mikromischers 1 ist der auf einer Glasplatte 14 angeordnete Silizium-Chip 1, welcher die Außenabmessungen L×B×H = 11 mm×12 mm×1,5 mm aufweist. Die Verbindung des Mikro mischers 1 mit nicht dargestellten Vorratsbehältern für die zu mischenden Flüssigkeiten wird über Schläuche 15 realisiert. Diese sind über Einlaßstutzen an den Eingang 8 der Mikroejek tionspumpe und den Eingang 5 des zusätzlichen Zulaufkanals 3 gekoppelt. Die Abgabe des Flüssigkeitsgemisches durch die Ausstoßöffnung 9 erfolgt in Form von Mikrotropfen 10 in jede beliebige Richtung einer gewünschten Ablageregion. Diese Ab lageregion wird im Ausführungsbeispiel nicht näher beschrie ben, sie kann aber prinzipiell eine Flüssigkeitsoberfläche, eine Festkörperoberfläche oder eine gasgefüllte Reaktions kammer sein.The embodiment described below relates to the implementation of an active micromixer 1 accordingly the arrangements of FIG. 1, which has an additional union channel 3 in the outlet channel 2 of the pumping chamber 6 of the micro ejection pump. The main element of the active micromixer 1 is the silicon chip 1 arranged on a glass plate 14 , which has the external dimensions L × W × H = 11 mm × 12 mm × 1.5 mm. The connection of the micro mixer 1 with storage containers, not shown, for the liquids to be mixed is realized via hoses 15 . These are coupled via inlet connection to the inlet 8 of the micro ejection pump and the inlet 5 of the additional inlet channel 3 . The liquid mixture is dispensed through the discharge opening 9 in the form of microdroplets 10 in any direction of a desired storage region. This storage region is not described in the exemplary embodiment, but it can in principle be a liquid surface, a solid surface or a gas-filled reaction chamber.

Technologisch wird der Mikromischer 1 unter Verwendung der mikrotechnischen Siliziumformgebung und der atomaren Fügetech nik des anodischen Bondens realisiert. Die Herstellung eines zweiseitig strukturierten Silizium-Chips 13 erfolgt im ersten Präparationsschritt, welcher aus den Teilschritten thermische Oxidation, Fotolithografie und anisotropes Siliziumätzen be steht. Dieser Silizium-Chip 13 enthält die Strukturen einer Mikroejektionspumpe mit dem Eingang 8, dem Zulaufkanal 7, der Pumpkammer 6 und dem Auslaßkanal 2 und die des zusätzlichen Zulaufkanals 3 sowie dessen Eingang 5. Die Eingänge 5 und 8 sind als fluidische Durchkontaktierungen realisiert.Technologically, the micromixer 1 is implemented using the microtechnical silicon shaping and the atomic joining technology of the anodic bonding. A two-sided structured silicon chip 13 is produced in the first preparation step, which consists of the sub-steps of thermal oxidation, photolithography and anisotropic silicon etching. This silicon chip 13 contains the structures of a micro ejection pump with the inlet 8 , the inlet channel 7 , the pump chamber 6 and the outlet channel 2 and that of the additional inlet channel 3 and its inlet 5 . Inputs 5 and 8 are implemented as fluidic vias.

Dieser so strukturierte Silizium-Chip 13 wird nach einer mehr stufigen Reinigung mit einer Pyrex 7740-Glasplatte von 1 mm Dicke durch anodisches Bonden zu einem Silizium-Glas-Verbund (1) gefügt, es entsteht das Kapillarsystem des aktiven Mikro mischers 1. Da die Fertigung prinzipiell im Waferverbund er folgt schließt sich noch ein Chipvereinzelungsprozeß an. Bei diesem Sägeprozeß entstehen einzelne Silizium-Chips 13 mit den Ausstoßöffnungen 9 der aktiven Mikromischer 1.This structured silicon chip 13 is after a multi-stage cleaning with a Pyrex 7740 glass plate of 1 mm thickness by anodic bonding to a silicon-glass composite ( 1 ), it creates the capillary system of the active micro mixer 1st Since the fabrication basically follows in the wafer network, a chip separation process follows. In this sawing process, individual silicon chips 13 are formed with the discharge openings 9 of the active micromixers 1 .

Die Pumpkammer 6 wird durch eine Siliziummembran 16 abgedeckt, deren Dicke im Bereich von 50-190 µm liegt. Diese Siliziummem bran 16 wird durch einen piezoelektrisch aktiven Plattenaktua tor 17 lateral ausgelenkt, wobei die Dicke der eingesetzten Aktuatoren 17 im Bereich von 100-260 µm ausgewählt wurde.The pump chamber 6 is covered by a silicon membrane 16 , the thickness of which is in the range of 50-190 μm. This Siliziummem bran 16 is constituted by a piezoelectrically active Plattenaktua tor laterally deflected 17, wherein the thickness of the actuators employed was 17 microns selected in the range of 100-260.

Die Arbeitsweise des aktiven Mikromischers 1, anschaulich gemacht in zwei Modi, dem sogenannten Pumpmodus Fig. 2 und 3 bzw. dem Belademodus Fig. 4 und 5 stellt sich wie folgt dar.The mode of operation of the active micromixer 1 , illustrated in two modes, the so-called pump mode FIGS . 2 and 3 and the loading mode FIGS . 4 and 5, is as follows.

Im Pumpmodus liegt Spannung am Plattenaktuator 17 an, die Siliziummembran 16 der Pumpkammer 6 wird nach innen deformiert und verdrängt so das in der Pumpkammer 6 vorgefundene Fluid. Im Belademodus liegt keine Spannung am Plattenaktuator 17 an, d. h. die Siliziummembran 16 wird wieder selbsttätig in ihre unverformte Ausgangslage gebracht. Beim Anlegen einer elek trischen Spannung an den Plattenaktuator 17 wird der Schicht verbund aus Plattenaktuator 17 und Siliziummembran 16 ins Innere der Pumpkammer 6 ausgelenkt. Der dadurch entstehende Druckanstieg bewirkt das Ausströmen von Flüssigkeit aus der Pumpkammer 6. Diese Ausströmung tritt sowohl am Auslaßkanal 2 der Mikroejektionspumpe, dem bzw. den zusätzlichen Zulauf kanälen 3 sowie dem Zulaufkanal 7 in Erscheinung. Zum Ausstoß kleiner Mikrotropfen 10 kommt es jedoch dabei nur an der Aus stoßöffnung 9. Die Ausströmung von Flüssigkeit aus der Pump kammer 6 passiert genau solange, bis im gesamten Kanal- und Kammerverbund der Druckausgleich wiederhergestellt ist. Wird nun die Spannung am Plattenaktuator 17 wieder zu Null gere gelt, kommt es zur hysteresefreien Einstellung der unverform ten Ausgangslage der Siliziummembran 16 an der Pumpkammer 6. Diese Membranbewegung bewirkt den Eintritt der Anordnung in den Belademodus, weil es zu einer sprunghaften Vergrößerung des Pumpkammervolumens kommt. Dieser Prozeß ist durch die Ausbildung eines Unterdruckes in der Anordnung zu charakteri sieren. Der Unterdruck bewirkt das Nachströmen von Flüssig keiten aus allen mit der Pumpkammer in Kontakt stehenden Zu laufkanälen 3 über die Kontaktstelle 11 und den Zulaufkanal 7. Die Pumpkammer wird dadurch sowohl mit der Flüssigkeit aus dem Zulaufkanal 7 als auch der Flüssigkeit aus dem Zulaufkanal 3 gefüllt und in einem sich anschließenden erneuten Pumpmodus als Gemischtropfen aus der aktiven Mischeranordnung ausgesto ßen. Durch die Ausbildung eines Meniskus 12 in der Ausstoßöff nung 9 wird zuverlässig verhindert, daß während des Belademo dus Luft in den aktiven Mikromischer gesaugt wird.In the pumping mode, voltage is present at the plate actuator 17 , the silicon membrane 16 of the pumping chamber 6 is deformed inward and thus displaces the fluid found in the pumping chamber 6 . In the loading mode, there is no voltage at the plate actuator 17 , ie the silicon membrane 16 is automatically brought back into its undeformed starting position. When an electrical voltage is applied to the plate actuator 17 , the layer composite of plate actuator 17 and silicon membrane 16 is deflected into the interior of the pump chamber 6 . The resulting increase in pressure causes liquid to flow out of the pump chamber 6 . This outflow occurs both at the outlet channel 2 of the micro-ejection pump, the additional inlet channel (s ) 3 and the inlet channel 7 . To eject small microdroplets 10 , however, it occurs only at the opening 9 . The outflow of liquid from the pump chamber 6 happens exactly until the pressure equalization is restored in the entire channel and chamber assembly. Now if the voltage at the plate actuator 17 is zeroed again, there is a hysteresis-free setting of the non-deformed initial position of the silicon membrane 16 on the pump chamber 6 . This membrane movement causes the arrangement to enter the loading mode because the pump chamber volume increases suddenly. This process is characterized by the formation of a negative pressure in the arrangement. The negative pressure causes the afterflow of liquids from all the contact with the pump chamber to run channels 3 via the contact point 11 and the inlet channel 7th The pump chamber is thereby filled with both the liquid from the inlet channel 7 and the liquid from the inlet channel 3 and, in a subsequent renewed pumping mode, is expelled as mixed drops from the active mixer arrangement. The formation of a meniscus 12 in the discharge opening 9 reliably prevents air from being sucked into the active micromixer during loading mode.

BezugszeichenlisteReference list

1 Mikromischer
2 Auslaßkanal
3 Zulaufkanal
4 Ventil
5 Eingang des zusätzlichen Einlaßkanales
6 Pumpkammer
7 Zulaufkanal der Mikroejektionspumpe
8 Eingang der Mikroejektionspumpe
9 Ausstoßöffnung
10 Mikrotropfen
11 Kontaktstelle
12 Meniskus
13 Silizium-Chip
14 Glasplatte
15 Schlauch
16 Siliziummembran
17 Plattenaktuator 1 micromixer
2 outlet duct
3 inlet channel
4 valve
5 Entry of the additional inlet duct
6 pump chamber
7 Inlet channel of the micro ejection pump
8 Micro ejection pump input
9 discharge opening
10 micro drops
11 contact point
12 meniscus
13 silicon chip
14 glass plate
15 hose
16 silicon membrane
17 plate actuator

Claims

1. Micromixer for handling the smallest amounts of liquid, in particular for mixing at least two liquids or suspensions, with a micro ejection pump consisting of a pump chamber, a micro membrane, which is provided with a piezoelectric plate actuator and an outlet channel assigned to the pump chamber with a discharge opening, thereby characterized is characterized in that the liquids are fed via separate inlet channels ( 3 ; 7 ) to the outlet channel ( 2 ) and / or the pump chamber ( 6 ) of the micro-ejection pump and mixed with one another before reaching the discharge opening ( 9 ) and ejected as mixed drops from the latter.

2. Micromixer according to claim 1, characterized in that the outlet channel ( 2 ) and the inlet channels ( 3 ; 7 ) are designed as microcapillaries.

3. Micromixer according to claim 1 and 2, characterized in that at least one inlet channel ( 3 ) between the pump chamber ( 6 ) and the discharge opening ( 9 ) with the outlet channel ( 2 ) is connected and that at least a second inlet channel ( 7 ) with the pump chamber ( 6 ) is directly connected.

4. micromixer according to claim 1 to 3, characterized in that one of the communicating with the pumping chamber (6) inlet channels (7) opens out opposite the outlet channel (2) into the pump chamber (6).

5. Micromixer according to claims 1 to 4, characterized in that the inlet channels ( 3 ; 7 ) are connected to storage containers.

6. Micromixer according to claim 5, characterized in that the connection to the storage containers is carried out by hoses ( 15 ).

7. Micromixer according to claims 1 to 6, characterized in that the inlet channels ( 3 ; 7 ), or part thereof, are provided with external or integrated active valves ( 4 ).

8. Micromixer according to claims 1 to 7, characterized in that the volume of the pump chamber ( 6 ) is greater than the sum of the volumes of the run channels ( 3 ; 7 ) and the outlet channel ( 2 ).

9. Micromixer according to claims 1 to 6, characterized in that the inlet channels ( 3 ; 7 ) and the outlet channel ( 2 ) have different cross sections.

10. Micromixer according to claim 9, characterized records that the mixing ratio of the with liquids or suspensions to be mixed by the working frequency of the micro ejection pump is placed.

11. Micromixer according to claims 1 to 10, characterized in that the micro ejection pump, the inlet channels ( 3 ; 7 ), the outlet channel ( 2 ) and the acti ve valves ( 4 ) are integrated in a silicon chip ( 13 ), the is firmly connected to a glass plate ( 14 ) in which the inlet channels ( 3 ; 7 ) and the outlet channel ( 2 ) are covered by the glass plate ( 14 ).

12. Micromixer according to claim 11, characterized in that the silicon chip ( 13 ) and the glass plate ( 14 ) are connected to one another by anodic bonding.