DE19706513C2 - Mikrodosiervorrichtung und Verfahren zum Betreiben derselben - Google Patents
Mikrodosiervorrichtung und Verfahren zum Betreiben derselbenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Mikrodosier
vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben derselben.
Die präzise Dosierung kleinster Flüssigkeitsvolumina im Be
reich zwischen 0,01 µl und 1 µl ist beispielsweise auf den
Gebieten der Biotechnologie, der DNA-Analytik sowie der kom
binatorischen Chemie von großer und entscheidender Bedeu
tung. Gemäß dem Stand der Technik werden zur Dosierung klei
ner Volumina überwiegend Dispenser oder Pipetten verwendet.
Dabei wird das zu dosierende Volumen entweder direkt, durch
eine sogenannte Kolbendirektverdrängung, oder über ein zwi
schengeschaltetes Luftpolster verdrängt. Diesbezüglich sei
beispielsweise auf den Artikel "Pipettieren und Dispensie
ren", A. Jahns, Fachzeitschrift der Technischen Assistenten
in der Medizin, Jahrgang 8 (1993), Heft 12, Seiten 1166-
1172, Umschau Zeitschriftenverlag, verwiesen.
Luftpolsterpipetten eignen sich für die Dosierung von Vo
lumina zwischen 0,1 µl und 5 ml, wobei bei Volumina größer
als 1 µl Genauigkeiten von ±2-3% erreicht werden. Bei klei
neren Volumina werden jedoch aufgrund von Oberflächeneffek
ten an der Pipettenspitze nur Genauigkeiten von ca. ±10% er
reicht. Die Beschränkung bei der Dosiergenauigkeit bei klei
nen Volumina beruht hauptsächlich darauf, daß die Pipetten-
bzw. Dispenser-Spitze in das zu dosierende Medium einge
taucht werden muß, wobei Effekte wie Oberflächenspannung,
Benetzung und hydrostatischer Druck die Dosiermenge beein
flussen. Um diese Probleme sowie die Gefahr der Medienver
schleppung durch das Eintauchen zu umgehen, sollte ein Do
siersystem auf der Abgabe des Dosiervolumens im freien
Strahl beruhen. Direktverdränger-Dispensiervorrichtungen
bieten diesen zusätzlichen Vorteil, allerdings nur bei Volu
mina von ca. 10 µl und darüber.
Bekannte Systeme, die geringste Flüssigkeitsvolumen im Frei
strahl abgeben, sind Tintenstrahl-Druckköpfe. Es sind Tin
tenstrahl-Druckköpfe bekannt, die auf zwei grundsätzlich un
terschiedlichen Prinzipien basieren, solche, die unter Ver
wendung thermischer Wandler wirksam sind, und solche, die
unter Verwendung piezoelektrischer Wandler wirksam sind.
Diesbezüglich sei auf die Druckschriften N. Schwesinger:
"Planarer Tintenstrahldruckkopf". F, 11-12; S. 456-460;
1993; H. Bentin, M. Doering, W. Radtke, U. Rothgordt: "Phy
sical Properties of Micro-Planar Ink-Drop Generators". J.
Imaging Technology, 3; S. 152-155; 1986; und Wolfgang Wehl;
Tintendrucktechnologie: Paradigma und Motor der Mikrosystem
technik; Feinwerktechnik & Meßtechnik; Teil 1 in Ausgabe
6/95; Teil 2 in Ausgabe 9/95, verwiesen.
Bei Druckköpfen nach dem "Drop-on-Demand"-Verfahren wird
nach Anlegen eines Spannungspulses jeweils ein kleiner Tin
tentropfen im Freistrahl auf ein Papier geschleudert. Ein
typischer Tropfendurchmesser liegt bei etwa 60 µm, das Volu
men beträgt also etwa 0,0001 µl. Diese Druckköpfe sind in
der Regel jedoch nur für die Verwendung von speziellen Tin
ten ausgelegt. Medien, die beispielsweise in der Biotechno
logie eingesetzt werden, unterscheiden sich in Viskosität
und Oberflächenspannung von den Tinten meist sehr stark. Die
Viskosität und die Oberflächenspannung beeinflussen jedoch
die Tropfengröße und somit das dosierte Volumen beträcht
lich. Ferner ist eine Tropfengenerierung überhaupt nur in
einem sehr engen Viskositätsbereich möglich. Eine Modifizie
rung des Volumens der Einzeltropfen kann überdies durch eine
Modifikation der Ansteuerpulse nur in einem sehr einge
schränkten Bereich erfolgen.
Es sind ferner Dosiersysteme bekannt, die auch in der Lage
sind, bei Medien stark unterschiedlicher Viskosität Tropfen
zu generieren. Ein solches System ist beispielsweise in der
Schrift "Mikrodosierung", Firmenschrift der Fa. microdrop
GmbH, Norderstedt, 1995, beschrieben. Wie bei Tintenstrahl
druckköpfen wird das Tropfenvolumen dabei hauptsächlich von
der Größe des Düsendurchmessers bestimmt. Nur in stark ein
geschränktem Maße kann es auch durch die elektrische An
steuerung des Aktors beeinflußt werden. Der Vorgang des
Tropfenabrisses an der Düse hängt jedoch wie bei den Tinten
druckköpfen von den physikalischen Eigenschaften, d. h. der
Viskosität, der Oberflächenspannung, usw., der zu dosieren
den Medien ab. Wiederum ist somit die exakte Größe der Trop
fen stark medienabhängig. Die Dosierung eines gewünschten
Volumens, das meist in einem Bereich von 0,1 µl-1 µl liegt,
beruht auf dem Abzählen von Einzeltropfen gleicher Größe.
Das typische Volumen eines Einzeltropfens ist kleiner
0,0014. Da sich die Volumenfehler der Einzeltropfen bei
diesem Verfahren jedoch aufsummieren, ist die Dosierpräzi
sion stark eingeschränkt.
Um eine Erhöhung dieser Dosierpräzision zu ermöglichen, sind
aufwendige Systeme notwendig. Beispielsweise kann ein Bild
verarbeitungssystem verwendet werden, mit dem sich während
eines Dosiervorgangs die Größe der Einzeltropfen bestimmen
und die benötigte Tropfenanzahl berechnen läßt. Ferner kann
bei einem alternativen Verfahren zur Steigerung der Dosier
präzision dem zu dosierenden Medium ein fluoreszierender
Stoff beigemischt werden. Bei diesem alternativen Verfahren
wird der Dosiervorgang beendet, wenn die Intensität des
Fluoreszenzsignals den Sollwert erreicht. Es ist jedoch of
fensichtlich, daß beide genannten Verfahren zur Steigerung
der Dosierpräzision jeweils sehr aufwendig und teuer sind.
Die EP-A-0439327 beschreibt ein Steuersystem für eine Mikro
pumpe, die beispielsweise in einer Dosiervorrichtung ver
wendbar ist. Das Steuersystem steuert selektiv die Erzeugung
von Treiberpulsen zu einem piezoelektrischen Treiberelement,
um das Ausgeben von Fluid durch die Pumpe zu steuern. Gemäß
dem bekannten Steuersystem wird der Zustand eines Anschlus
ses, der mit dem piezoelektrischen Treiberelement des Ver
drängers verbunden ist, zu jeweiligen Zeitpunkten bezüglich
der ansteigenden Flanke des ersten Treiberpulses des piezo
elektrischen Elements in jeder Treiberperiode, beispielswei
se alle 3 Minuten, erfaßt. Die dabei erfaßten Spannungen
werden mit einem Schwellenwert verglichen. Basierend auf den
Ergebnissen der drei Vergleiche wird festgestellt, ob die
Mikropumpe ordnungsgemäß arbeitet, ob die Spritze verstopft
ist, oder ob Luft in der Mikropumpe vorliegt. Die Potential
schwankungen des piezoelektrischen Elements werden somit je
weils am Anfang einer Treiberperiode erfaßt, um festzustel
len, ob die Mikropumpe ordnungsgemäß arbeitet oder nicht,
wobei, wenn festgestellt wird, daß die Mikropumpe nicht ord
nungsgemäß arbeitet, der Betrieb eingestellt wird, um zu er
möglichen, daß die Pumpe durch eine andere ersetzt wird.
Ausgehend von dem genannten Stand der Technik liegt der vor
liegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine wenig aufwen
dige Mikrodosiervorrichtung zu schaffen, die die Ausgabe ex
akt definierter Fluidvolumen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Mikrodosiervorrichtung gemäß
Anspruch 1 gelöst.
Der vorliegenden Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrun
de, eine wenig aufwendige Pipettiervorrichtung zu schaffen,
die die Aufnahme und Ausgabe exakt definierter Fluidvolumen
ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Pipettiervorrichtung gemäß An
spruch 12 gelöst.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht dar
in, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Mikrodosier
vorrichtung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 14 ge
löst.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Mikrodosiervorrich
tung mit einer Druckkammer, die zumindest teilweise von ei
nem Verdränger begrenzt ist, einer Betätigungseinrichtung
zum Betätigen des Verdrängers, wobei durch die Betätigung
des Verdrängers das Volumen der Druckkammer veränderbar ist,
einem Medienreservoir, das über eine erste Fluidleitung
fluidmäßig mit der Druckkammer verbunden ist, und einer Aus
laßöffnung, die über eine zweite Fluidleitung fluidmäßig mit
der Druckkammer verbunden ist. Die erfindungsgemäße Mikrodo
siervorrichtung weist ferner eine Einrichtung zum Erfassen
der jeweiligen Stellung des Verdrängers sowie eine Steuer
einrichtung, die mit der Betätigungseinrichtung und der Ein
richtung zum Erfassen der Stellung des Verdrängers verbunden
ist, auf, wobei die Steuereinrichtung die Betätigungsein
richtung auf der Grundlage der erfaßten Stellung des Ver
drängers oder auf der Grundlage während zumindest eines vor
herigen Dosierzyklusses erfaßter Stellungen des Verdrängers
steuert, um den Ausstoß eines definierten Fluidvolumens aus
der Auslaßöffnung zu bewirken.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer derarti
gen Mikrodosiervorrichtung umfaßt die Schritte des Ansteu
erns der Betätigungsvorrichtung mit einem Signal geringer
Flankensteilheit, um eine Bewegung des Verdrängers aus einer
ersten Stellung in eine vorbestimmte zweite Stellung zu be
wirken, wobei die zweite Stellung des Verdrängers ein größe
res Volumen der Druckkammer definiert als die erste Stel
lung, und des nachfolgenden Ansteuerns der Betätigungsvor
richtung mit einem Signal großer Flankensteilheit, um eine
Bewegung des Verdrängers aus der zweiten Stellung in die er
ste Stellung zu bewirken, um dadurch ein definiertes Fluid
volumen aus der Auslaßöffnung auszustoßen.
Bei anfänglicher Inbetriebnahme der Mikrodosiervorrichtung
werden zunächst die Druckkammer und die Fluidleitungen mit
einem Fluid befüllt, bevor die Betätigungsvorrichtung mit
dem Signal geringer Flankensteilheit angesteuert wird.
Die erfindungsgemäße Mikrodosiervorrichtung kann vorteilhaft
unter Verwendung mikromechanischer Verfahren, insbesondere
Verfahren der Halbleitertechnologie, hergestellt werden.
Ferner kann die erfindungsgemäße Mikrodosiervorrichtung mo
dular aufgebaut sein, derart, daß beispielsweise die Druck
kammer, der Verdränger, die Einrichtung zum Erfassen der
Stellung des Verdrängers und optional zumindest Teile der
ersten und der zweiten Fluidleitung als austauschbares Modul
mittels mikromechanischer Verfahren aufgebaut sind.
Bei der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise durch inte
grierte Sensoren die Stellung des Verdrängers erfaßt. Eine
jeweilige Stellung des Verdrängers entspricht einem defi
nierten Volumen der Druckkammer. Die Steuereinrichtung ist
somit in der Lage, auf der Grundlage der Kenntnis des Volu
mens der Druckkammer die Betätigungseinrichtung zur Bewegung
des Verdrängers derart anzusteuern, daß der Ausstoß eines
definierten Fluidvolumens aus der Auslaßöffnung bewirkt
wird. Der wesentliche Vorteil eines derartigen Dosiervor
gangs unter Verwendung einer integrierten Volumenmessung
liegt darin, daß ein Fluidstrahl als Ganzes abgegeben wird,
und nicht eine Vielzahl von Einzeltropfen addiert werden
müssen, um die gewünschten Dosiervolumina, beispielsweise
auf dem Gebiet der Biotechnologie, zu erhalten. Obwohl der
genaue Abriß des Freistrahls an der Auslaßöffnung wie bei
herkömmlichen Systemen von den Medieneigenschaften beein
flußt wird, wird gemäß der vorliegenden Erfindung dennoch
eine höhere Dosiergenauigkeit erhalten. Da durch den Medien
verdränger der erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrichtung pro
blemlos auch größere Volumina im gewünschten Bereich zwi
schen 0,01 µl bis 0,1 µl während eines Vorgangs abgegeben wer
den können, spielen Volumenfehler, die eine Folge eines Ab
risses der Einzeltropfen sind und bei Tropfenvolumina von
0,0001 µl einen großen relativen Fehler darstellen würden,
keine Rolle mehr. Eine Summation der systematischen Fehler
pro Tropfen tritt gemäß der vorliegenden Erfindung nicht
mehr auf.
Bei der Rückstellung des Verdrängers in die zweite Stellung,
wobei das Volumen der Druckkammer verringert wird, um das
Fluid über die Auslaßöffnung als freien Strahl auszustoßen,
ist die Bewegung des Fluids in der ersten Fluidleitung, d. h.
dem Reservoirkanal, und der zweiten Fluidleitung, d. h. dem
Düsenkanal, nahezu ausschließlich von der Relation der Flüs
sigkeitsträgheit in den betreffenden Fluidleitungen be
stimmt, wobei die Relation der Strömungswiderstände der
Fluidleitungen dagegen vernachlässigbar ist. Dadurch ist das
definierte Fluidvolumen, das mittels der erfindungsgemäßen
Mikrodosiervorrichtung ausgestoßen wird, nahezu unabhängig
von der Viskosität, Oberflächenspannungen, usw. des zu do
sierenden Mediums. Folglich kann mittels der vorliegenden
Erfindung eine Dosierung sich in Viskosität und Oberflächen
spannung unterscheidender Medien, wie sie beispielsweise in
der Biotechnologie eingesetzt werden, durchgeführt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Dosierverfahren wird ein Fluid
strahl, oder bei der Anwendung für Flüssigkeiten ein Flüs
sigkeitsstrahl, mit variablem, einstellbarem Volumen von
einem Medienverdränger erzeugt, wobei das Volumen des Flüs
sigkeitsstrahls über einen bei einem bevorzugten Ausfüh
rungsbeispiel in den Medienverdränger integrierten Volumen
sensor geregelt wird. Der Volumensensor detektiert jeweils
den aktuellen Verdrängungszustand des Medienverdrängers und
gibt ein denselben anzeigendes elektrisches Signal aus. Die
Steuerung wertet den Ablauf des von dem Volumensensor detek
tierten zeitabhängigen Verdrängungsvorgangs aus und regelt
den Aktor des Verdrängers.
Optional kann die erfindungsgemäße Mikrodosiervorrichtung
weitere Elemente beinhalten, beispielsweise weitere Sensoren
zur Messung des Druckverlaufs in der Druckkammer, die auch
als Dosierkammer bezeichnet werden kann, der Medientempera
tur, usw., um weitere physikalische Einflüsse bei der Rege
lung des Dosiervorgangs berücksichtigen zu können. Ferner
kann ein aktives oder passives Ventil in den Reservoirkanal
eingebaut sein, welches eine Rückströmung des Mediums von
der Druckkammer zu dem Reservoir unterbindet.
Die erfindungsgemäße Mikrodosiervorrichtung kann ferner zur
Pipettierung eines Fluids bzw. einer Flüssigkeit verwendet
werden. Dazu wird ein Fluid über die Auslaßöffnung, die auch
als Düse bezeichnet werden kann, aufgenommen, indem die Düse
beispielsweise in ein zu pipettierendes Fluid eingetaucht
wird. Nachfolgend wird das aufgenommene Fluid wie beschrie
ben wieder im Freistrahl abgegeben. Das Aufnehmen kann bei
spielsweise durch einen Unterdruck in dem Medienreservoir,
der ein Einsaugen bewirkt, oder durch eine entsprechende Be
wegung des Aktors erfolgen.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Pipettiervor
richtung, bei der durch eine entsprechende Bewegung des Ak
tors eine Aufnahme eines Fluids durch die Auslaßöffnung in
die Dosierkammer bewirkt werden kann. Der Aufbau der Pipet
tiervorrichtung entspricht im wesentlichen dem Aufbau der
erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrichtung, wobei dieselbe je
doch das Medienreservoir und die dasselbe mit der Dosierkam
mer verbindende Fluidleitung nicht aufweist.
Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den ab
hängigen Ansprüchen dargelegt.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich
nungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Querschnittdarstellung von Kompo
nenten eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der
erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrichtung;
Fig. 2 eine schematische Querschnittdarstellung des bei
dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel verwen
deten Verdrängers;
Fig. 3 ein Diagramm, das ein Ansteuersignal zur Ansteue
rung der Betätigungseinrichtung gemäß einem bevor
zugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin
dung zeigt;
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel von Komponenten
einer erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrichtung, bei
der im Reservoirkanal ein Ventil angeordnet ist;
Fig. 5A und 5B schematische Querschnittdarstellungen eines
Verdrängers zur zusätzlichen Druckerfassung;
Fig. 6A und 6B schematische Darstellungen von Ausführungs
beispielen zur Realisierung der erfindungsgemäßen
Mikrodosiervorrichtung; und
Fig. 7 ein Schema, das wesentliche Parameter des erfin
dungsgemäßen Verfahrens darstellt.
In Fig. 1 ist eine mögliche Ausführungsform der erfindungs
gemäßen Mikrodosiervorrichtung, die sich speziell für eine
Herstellung des Dosierelementes mittels der Verfahren der
Halbleitertechnologie eignet, dargestellt. Der Medienver
dränger 10 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als
eine in Silizium geätzte versteifte Membran realisiert. Der
Volumensensor besteht bei diesem Ausführungsbeispiel aus in
den Medienverdränger integrierten piezoresistiven Widerstän
den 12 und 14. Die aus einer bestimmten Verdrängerposition
resultierende mechanische Spannung am Ort der Widerstände 12
und 14 in dem Medienverdränger 10 wird dabei über den piezo
resistiven Effekt in ein elektrisches Signal umgewandelt.
In Fig. 2 ist eine vergrößerte Querschnittansicht der Ver
drängerstruktur 10 dargestellt. Die in Fig. 2 dargestellte
Verdrängerstruktur ist mittels eines anisotropen KOH-Ätzens
hergestellt, das zu den trapezförmigen Ausnehmungen, die die
Membran 16 definieren, führt.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der vor
liegenden Erfindung ist die Verdrängerstruktur 10 mittels
eines anodischen Bondens mit einer Pyrexglas-Platte 18 ver
bunden. In der Siliziumscheibe, in der die Verdrängerstruk
tur 10 definiert ist, sind bei dem bevorzugten Ausführungs
beispiel Ausnehmungen vorgesehen, die einen Reservoirkanal
20, einen Düsenkanal 22 sowie eine Druckkammer 24 definie
ren. Der Düsenkanal 22 ist mit einer Auslaßöffnung 26, die
in Fig. 1 in gestrichelten Linien angedeutet ist, fluidmäßig
verbunden. Die Auslaßöffnung 26 kann in der Form einer Düse
ausgestaltet sein. Der Reservoirkanal 20 ist fluidmäßig mit
einem Medienreservoir (nicht dargestellt) verbunden. Die
Druckkammer 24 definiert ein durch eine Bewegung des Ver
drängers regelbares Dosiervolumen 28. Eine piezoelektrische
Betätigungseinrichtung, bei dem dargestellten Ausführungs
beispiel ein Piezostapel-Aktor 30, ist bei dem in Fig. 1
dargestellten Ausführungsbeispiel über ein Gegenlager 32
derart an der Mittenversteifung des Verdrängers angebracht,
daß durch eine Ansteuerung des Piezostapels 30 der
Medienverdränger 10 bewegt werden kann.
Die piezoresistiven Widerstände 12 und 14 sowie der Piezo
stapel 30 sind mit einer Steuereinrichtung (nicht darge
stellt) elektrisch verbunden.
Die Druck- oder Dosier-Kammer 24, die Fluidleitungen 20, 22
und die Auslaßöffnung 26 können beispielsweise durch Stan
dard-Ätztechniken in der Siliziumscheibe hergestellt sein.
Durch ein anodisches Bonden der Siliziumscheibe auf eine Py
rexplatte (Glas) können die Dosierkammer und die Fluidlei
tungen hermetisch abgeschlossen werden. Alternativ könnte
neben dem dargestellten Piezostapel-Aktor ein Piezo-Biege
wandler oder eine Piezoplatte als Antrieb verwendet werden.
Es ist jedoch offensichtlich, daß die vorliegende Erfindung
nicht auf piezoelektrische Antriebe begrenzt ist, sondern
auch andere Antriebe, beispielsweise elektromagnetische oder
elektrostatische, verwendet werden können.
Vorzugsweise werden der Reservoirkanal, die Druckkammer, der
Düsenkanal sowie die Verdrängermembran durch anisotrope
KOH-Ätzungen, die zu trapezförmigen bzw. dreieckigen Kanal
querschnitten führen, hergestellt. Überdies sind jedoch an
dere beliebige Querschnittsformen möglich, beispielsweise
Gräben mit senkrechten Wänden, die durch Trockenätztechniken
erzeugt werden.
Neben dem oben beschriebenen Aufbau können die Kanäle und
Ausnehmungen der mikromechanisch gefertigten Mikrodosiervor
richtung der vorliegenden Erfindung statt in Silizium auch
in Pyrexglas strukturiert sein, wobei ferner eine Kombina
tion einer Strukturierung in Silizium und Pyrexglas zur Rea
lisierung verwendbar ist. Die Größe der bestimmenden Parame
ter, Flußwiderstand, fluidische Induktivität und Kapillar
druck wird durch die Länge und die Ätztiefe der Kanäle be
stimmt. Durch einen Mehrfachmaskenprozeß können die Ätztiefe
der beiden Kanäle und der Druckkammer unabhängig voneinander
variiert werden.
Wie in Fig. 1 dargestellt ist, wird als Medienverdränger 10
vorzugsweise eine mittenversteifte Membran 16 verwendet. Da
bei kann die Mittenversteifung vorzugsweise als Ansatzfläche
für den Aktor 30 verwendet werden. Bei der Verwendung einer
versteiften Membran als Medienverdränger 10 kann bei gegebe
nem Stellweg des Aktors über die Membranweite der Dosierbe
reich angepaßt werden.
Anhand Fig. 3 wird nachfolgend ein Dosiervorgang gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
näher erläutert.
Zunächst erfolgt eine erstmalige Befüllung der Anordnung,
d. h. der Fluidleitungen 20 und 22 sowie der Druckkammer 24
entweder selbständig durch Kapillarkräfte oder mittels einer
externen Unterstützung durch Druckbeaufschlagung des Medien
reservoirs, Einpumpen des Mediums oder Einsaugen der Flüs
sigkeit, beispielsweise durch eine Erzeugung eines Vakuums
an der Auslaßöffnung. Am Ort der Auslaßöffnung, oder Düse,
wird das Austreten des Mediums durch die Oberflächenspannung
verhindert, während eine Rückströmung des Mediums in Rich
tung der Dosierkammer durch Kapillarkräfte verhindert wird.
Der Flüssigkeitsmeniskus regelt sich also selbst auf die Po
sition der Düse ein. Nach der erstmaligen Befüllung, die
beispielsweise nur bei einem ersten Dosiervorgang nach einer
länger anhaltenden Ruhephase der erfindungsgemäßen Dosier
vorrichtung durchgeführt werden muß, werden die im Folgenden
beschriebenen Schritte durchgeführt.
Während eines in Fig. 3 als Ansaugphase bezeichneten Inter
valls wird zunächst ein Ansteuersignal, U(t), mit einer ge
ringen Flankensteilheit an die Betätigungsvorrichtung ange
legt. Dies bewirkt eine langsame Bewegung der Membran aus
der Ausgangslage, durch die Dosierflüssigkeit von beiden Ka
nälen her, Düsenseite und Reservoirseite, in die Dosierkam
mer angesaugt wird. Die geringe Flankensteilheit des Ansteu
ersignals bewirkt, daß der zu dosierenden Flüssigkeit eine
geringe Beschleunigung vermittelt wird. Je nach Fließwider
stand und Kapillardruck der einzelnen Kanäle saugt die Mem
bran unterschiedliche Teilvolumina aus den beiden Kanälen.
Die Flüssigkeitsträgheit ist wegen des langsamen Vorgangs zu
vernachlässigen. Bei dem Vorgang ist jedoch darauf zu ach
ten, daß der Düsenkanal nicht vollständig entleert wird, und
somit Luft in die Dosierkammer gerät. Dies kann sicherge
stellt werden, indem die Ansteuerung des Aktors, d. h. die
Flankensteilheit des Ansteuersignals, der Relation der Strö
mungswiderstände der mit dem Medienreservoir verbundenen
Fluidleitung und der mit der Düse verbundenen Fluidleitung
angepaßt wird. Dieser Vorgang der langsamen Bewegung der
Membran aus der Ausgangslage ist abgeschlossen, wenn durch
den integrierten Volumensensor der Steuereinrichtung das Er
reichen der gewünschten Volumenstellung gemeldet wird.
Nachfolgend erfolgt bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausfüh
rungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Phase,
die mit "Einregeln des Fluidlevels" bezeichnet ist. Diese
Einregelung des Flüssigkeitsmeniskus auf das Düsenende er
folgt infolge von Kapillarkräften und Oberflächenspannungen
selbsttätig, nachdem der Verdränger die gewünschte Volumen
stellung erreicht hat. Die Dauer dieses Vorgangs wird be
stimmt durch den Strömungswiderstand der Kanäle und even
tuell der Dosierkammer, wobei jedoch der Strömungswiderstand
der Dosierkammer im Vergleich zum Strömungswiderstand der
Kanäle in den meisten Fällen vernachlässigbar ist, die phy
sikalischen Eigenschaften des Mediums, d. h. der Viskosität,
und dem hydrostatischen Druck in dem Reservoir. Diese Phase
des Einregelns des Fluidlevels ist optional, da dieselbe
entfallen kann, wenn die Ansaugphase genügend langsam er
folgt, wobei sich in diesem Fall der Flüssigkeitsmeniskus
stets am Ort der Düse befindet.
In einer dritten Phase, die in Fig. 3 mit "Dosierphase" be
zeichnet ist, wird der Verdränger durch eine geeignete An
steuerung der Betätigungseinrichtung durch die Steuerein
richtung nun sehr rasch in dessen Ausgangslage zurückge
stellt. Dies wird durch ein Ansteuersignal mit einer großen
Flankensteilheit, durch das der Flüssigkeit eine große Be
schleunigung vermittelt wird, realisiert. Dadurch wird Flüs
sigkeit über die Düse als freier Strahl ausgestoßen. Die Be
wegung der Flüssigkeit im Reservoir- und im Düsen-Kanal ist
unter diesen Umständen nahezu ausschließlich von der Rela
tion der Flüssigkeitsträgheit in den betreffenden Fluidlei
tungen bestimmt, wohingegen die Relation der Strömungswider
stände vernachlässigbar ist. Wenn die Trägheit der Flüssig
keit in der Fluidleitung zwischen der Dosierkammer und der
Düse klein gegenüber der Trägheit der Flüssigkeit in der
Fluidleitung zwischen der Dosierkammer und dem Reservoir
ist, so ist die Rückströmung von Flüssigkeit in das Reser
voir vernachlässigbar. Ist die Trägheit der Flüssigkeit in
dem Reservoirkanal hingegen nicht vernachlässigbar, so kann
die damit verbundene Rückströmung durch eine Kalibrierung
bestimmt und bei einer nachfolgenden Dosierung kompensiert
werden. Dies ist möglich, da die fluidische Induktivität L,
d. h. die Trägheit, einer Fluidleitung lediglich von deren
Geometriedaten, L = Leitungslänge/Leitungsquerschnitt, nicht
aber von den physikalischen Eigenschaften der in derselben
enthaltenen Flüssigkeit abhängt.
Der Anteil der beschleunigten Flüssigkeitsmenge in Düsen
richtung und Reservoirrichtung bei schnellen Änderungen des
Verdrängers, d. h. bei einer Vernachlässigung von Strömungs
widerständen, ist gegeben durch:
wobei ϕd und Ld den Volumenstrom beziehungsweise die fluidi
sche Induktivität in Düsenrichtung angeben, und ϕr und Lr
den Volumenstrom bzw. die Induktivität in Reservoirrichtung
angeben.
In der Regel sind der Umgebungsdruck und der Druck im Reser
voir, der einige mbar betragen kann, beide vernachlässigbar
gegen die in der Dosierkammer bei einer schnellen Änderung
des Verdrängers anliegenden Drücke, die mehrere bar betragen
können. Dadurch sind die Druckdifferenzen Δpd und Δpr na
hezu identisch, weshalb die Anteile der Flüssigkeitsströmun
gen in Düsenrichtung bzw. in Rückwärtsrichtung in einer fe
sten Relation stehen. Diese Relation ist unabhängig von der
Viskosität und der Dichte ρ der enthaltenen Flüssigkeit. Da
her kann das durch die Rückströmung durch den Reservoirkanal
verlorengehende Volumen in der ersten Phase des Dosiervor
gangs, d. h. das langsame Bewegen des Verdrängers zur Erhö
hung des Druckkammervolumens, einfach berücksichtigt werden.
Ein potentielles Überschwingen des Verdrängers über die Ru
helage hinaus kann beispielsweise unterbunden werden, indem
während des Ausstoßes des Flüssigkeitsstrahls das erfaßte
zeitabhängige Signal des Volumensensors durch die Steuerein
richtung detektiert und analysiert wird. Dadurch ist ein re
gelnder Eingriff in den laufenden Dosiervorgang möglich, was
jedoch eine aufwendige Elektronik erfordert. Alternativ kann
das durch den Volumensensor erfaßte Signal auch nach dem
Ausstoßvorgang analysiert werden und kann für eine Optimie
rung der Ansteuerparameter der Betätigungseinrichtung in
nachfolgenden Dosierzyklen dienen.
Die Steuereinrichtung der erfindungsgemäßen Mikrodosiervor
richtung steuert die Betätigungsvorrichtung somit auf der
Grundlage der jeweils während eines aktuellen Zyklusses von
dem Volumensensor, d. h. dem Sensor zur Erfassung der Stel
lung der Membran, empfangenen Signale oder auf der Grundlage
der während zumindest einem vorhergehenden Zyklus erfaßten
Sensorsignale.
In Fig. 4 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel einer er
findungsgemäßen Mikrodosiervorrichtung dargestellt, bei der
in dem Kanal zwischen der Druckkammer und dem Medienreser
voir ein Ventil angeordnet ist. Elemente, die denen in Fig.
1 entsprechen, sind in Fig. 4 mit identischen Bezugszeichen
bezeichnet. Der Pfeil 40 in Fig. 4 zeigt die Bewegung des
Medienverdrängers 10 aus der dargestellten Ruhelage an. Wie
in Fig. 4 dargestellt ist, ist ein Ventil, das allgemein mit
dem Bezugszeichen 42 bezeichnet ist, angeordnet, um einen
Verschluß der mit dem Medienreservoir (nicht dargestellt)
fluidmäßig verbundenen Fluidleitung 20 zu ermöglichen. Das
in Fig. 4 dargestellte Ventil 42 ist ein in der Technik üb
liches mittels eines piezoelektrischen Antriebs 44 betreib
bares Ventil, bei dem die Fluidleitung 20 durch eine mittels
des Antriebs 44 bewegbare Membran 46 verschlossen werden
kann.
Alternativ zu dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbei
spiel kann jedes geeignete bekannte aktive oder passive Ven
til zur Unterbindung einer Rückströmung durch den Reservoir
kanal 20 beim Ausstoßen des Flüssigkeitstrahls durch die Dü
se verwendet sein. Ein derartiges Ventil ist nicht notwen
dig, wenn das Volumen der rückströmenden Flüssigkeit infolge
der höheren Flüssigkeitsträgheit in die Richtung des Reser
voirs zu vernachlässigen ist, wie es bei Tintendruckköpfen
der Fall ist. Ferner kann auf ein derartiges Ventil verzich
tet werden, wenn die Menge des Flüssigkeitsvolumens eine fe
ste Relation mit dem zu dosierenden Volumen darstellt und
somit über die Volumenauslenkung des Verdrängers korrigiert
werden kann, siehe oben.
Die Bewegung des Verdrängers beim Ausstoßen der Flüssigkeit
kann direkt in die Ruhelage erfolgen. Alternativ kann, wie
wiederum in Fig. 3 dargestellt ist, die Bewegung des Ver
drängers beim Ausstoßen der Flüssigkeit mit einer geringen
Gegenbewegung abgeschlossen werden, siehe Ende der Dosier
phase. Durch diese Gegenbewegung tritt eine Gegenbeschleu
nigung auf, die den Abriß des Flüssigkeitsstrahls begünsti
gen kann.
Bezugnehmend auf die Fig. 5A und 5B wird nachfolgend ein al
ternatives Ausführungsbeispiel eines Medienverdrängers näher
beschrieben. Die Volumenverdrängung des Medienverdrängers
und der Druck in der Dosierkammer sind zwei unabhängige phy
sikalische Parameter. Durch eine geeignete Plazierung und
Verschaltung von mehreren verschiedenen Widerständen in der
Membranaufhängung des Verdrängers kann somit entweder druck
unabhängig die Volumenstellung des Verdrängers oder volumen
unabhängig der Druck in der Dosierkammer gemessen werden.
Eine derartige Anordnung von piezoresistiven Widerständen
ist in den Fig. 5A und 5B dargestellt. In der Membranaufhän
gung 50 sind vier piezoresistive Widerstände 52, 54, 56 und
58 implementiert. Fig. 5A zeigt die mechanische Verformung
der Membran im Falle eines Überdrucks in der Dosierkammer
bei vernachlässigbarem Verdrängervolumen. Fig. 5B zeigt die
mechanische Verformung der Membran im Falle einer Verdrän
gung bei verschwindendem Druck, beispielsweise am Ende der
oben beschriebenen Phase "Einregeln des Fluidlevels".
Obwohl die Signale der jeweils äußeren Widerstände nahezu
gleich sind, unterscheiden sich die beiden Fälle in dem Vor
zeichen der mechanischen Spannungen nahe der Mittenverstei
fung der Membran. Bei dem in Fig. 5A dargestellten Fall wir
ken auf alle vier piezoresistiven Widerstände Zugspannungen.
Bei dem in Fig. 5B dargestellten Fall, wirken auf die piezo
resistiven Widerstände 52 und 54 Zugspannungen, während auf
die piezoresistiven Widerstände 56 und 58 Druckspannungen
wirken. Zugspannungen werden durch den Druck in der Dosier
kammer erzeugt, während reine Volumenverformungen Druckspan
nungen erzeugen. Bei einer Verwendung des piezoresistiven
Effekts äußert sich dies in einem unterschiedlichen Vorzei
chen bei der Widerstandsänderung. Daher können durch die ge
eignete Plazierung und Auswertung der Widerstände beide phy
sikalischen Größen, d. h. Druck und Volumen, unabhängig von
einander bestimmt werden.
Im Folgenden werden weitere alternative Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrichtung dargelegt. Im
Ausgangszustand des Dosierzyklusses kann der Verdränger vor
gespannt sein und durch den Aktor in dieser Lage gehalten
werden, beispielsweise in die Dosierkammer hineingedrückt.
Der Verdränger läßt sich dabei in Richtung einer weiteren
Vorspannung durch eine weitere Auslenkung des Aktors bewe
gen. Entgegen der Vorspannungsrichtung bewegt sich der Ver
dränger bei nachlassender Aktorauslenkung allein durch seine
Rückstellkraft. Durch diese Variante ist keine feste Verbin
dung zwischen Aktor und Verdränger notwendig. Eine poten
tielle Klebeverbindung zwischen Aktor und Verdränger ent
fällt und der Montageaufwand reduziert sich erheblich. Be
züglich des in den Verdränger integrierten Volumensensors
ist dabei lediglich der durch die Vorspannung verursachte
Volumenoffset zu korrigieren.
Die oben beschriebene Alternative, Aktor und Verdränger ohne
feste Verbindung zu verwenden, ermöglicht einen modularen
Aufbau des Dosierelements. Ein solcher Aufbau ist zur Veran
schaulichung in den Fig. 6A und 6B dargestellt. Dabei sind
die Elektronik und der Antrieb, beispielsweise ein Piezo-
Stapelaktor 60 fest in einem Gehäuse 62 eingebaut, während
ein Chip 64, der den Medienverdränger und die Sensoren auf
weist, auswechselbar ist. Durch den Pfeil 66 in Fig. 6A ist
die Bewegungsrichtung des Piezo-Stapelaktors angegeben. Fer
ner ist in Fig. 6A eine Fluidleitung 68, die durch das Ge
häuse verläuft, dargestellt. Der rechtsseitige Teil von Fig.
6A stellt eine Vergrößerung der mikromechanisch gefertigten
Komponenten der Mikrodosiervorrichtung dar, wobei die Pyrex
platte und der Siliziumchip getrennt dargestellt sind.
Eine Vergrößerung dieser mikromechanisch gefertigten Kompo
nenten der Mikrodosiervorrichtung ist in auseinandergezoge
ner Form in Fig. 6B dargestellt. Diese Komponenten sind
durch eine Pyrexplatte 70, die beispielsweise mittels anodi
schem Bonden mit einem Siliziumchip 72 verbunden ist, gebil
det. Eine Fluidleitung 74, die mit einem Medienreservoir
(nicht dargestellt) fluidmäßig verbunden ist, verläuft durch
die Pyrexglasplatte 70. Die Pyrexglasplatte 70 weist ferner
eine Ausnehmung 76 auf, um eine elektrische Kontaktierung
von Anschlußflächen 78 auf dem Siliziumchip zu ermöglichen.
Der Reservoirkanal ist bei 80 dargestellt, während die Do
sierkammer bei 82 gezeigt ist. Auf dem Siliziumchip 72 sind
ferner Leitungsbahnen 84 zu den Volumensensoren vorgesehen.
Mittels einer weiteren Vergrößerung 86 ist in Fig. 6B das
Auslaßende oder die Düse der Mikrodosiervorrichtung 86 sche
matisch dargestellt.
Bei der beschriebenen modularen Konfiguration ist es vor
teilhaft, wenn zwischen dem Aktor und dem Verdränger keine
Klebeverbindung, sondern lediglich ein mechanischer Kontakt
zur Erzeugung einer Vorspannung, wie oben beschrieben wurde,
notwendig ist. Über das Signal der integrierten Volumensen
soren läßt sich die Vorspannung gleichzeitig reproduzierbar
und mit hoher Genauigkeit einstellen.
Bei allen beschriebenen Ausführungsbeispielen können durch
den integrierten Volumensensor Nichtlinearitäten und bei
spielsweise Hystereseeffekte beim Antrieb des Verdrängers
kompensiert werden. Ferner ist eine Beschichtung der Düse
mit einem hydrophoben Material vorteilhaft, da dadurch die
Oberflächenspannung erhöht wird und ein Austreten von Flüs
sigkeit durch die Düse im Ruhezustand weiter unterdrückt
wird. Diesbezüglich ist insbesondere eine Beschichtung
außerhalb der Düse in der Umgebung entlang des Umfangs der
selben mit einem hydrophoben Material vorteilhaft.
Alternativ zu den beschriebenen Volumensensoren in dem Me
dienverdränger kann der Volumensensor auch in der Betäti
gungsvorrichtung für den Verdränger integriert sein. Bei
spielsweise kann der Volumensensor als Dehnungsmeßstreifen
auf dem Piezostapelaktor realisiert sein, der die Auslenkung
desselben detektiert.
Wie erwähnt kann die erfindungsgemäße Mikrodosiervorrichtung
auch als Pipettiereinrichtung verwendet werden. Zu diesem
Zweck weist die dieselbe vorzugsweise eine Einrichtung zum
Erzeugen eines Unterdrucks in dem Medienreservoir auf, um
dadurch durch das Eintauchen der Auslaßöffnung, d. h. der Dü
se, in eine zu pipettierende Flüssigkeit ein Ansaugen einer
Flüssigkeit durch die Auslaßöffnung in die Dosierkammer
und/oder in das Medienreservoir zu ermöglichen. Jedoch kann
die zu pipettierende Flüssigkeit auch durch eine entspre
chende Bewegung des Aktors und damit des Verdrängers in die
Dosierkammer angesaugt werden, wobei dann das Vorsehen des
Medienreservoirs und der Fluidleitung zwischen dem Medienre
servoir und der Dosierkammer kein notwendiges Merkmal ist.
Bezüglich der übrigen Merkmale und der Ausgestaltung
derselben entspricht die Pipettiereinrichtung der Mikrodo
siereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die
Steuereinrichtung die Betätigungseinrichtung, d. h. den Ak
tor, auf der Grundlage der Signale von dem Sensor zu Erfas
sung der Stellung des Verdrängers während des gegenwärtigen
Pipettierzyklusses oder auf der Grundlage der Sensorsignale
während zumindest eines vorherigen Zyklusses steuert, um das
Ansaugen und/oder das Ausstossen eines definierten Fluidvo
lumens durch die Auslaßöffnung zu bewirken.
Die Auslaßöffnung der erfindungsgemäßen Vorrichtungen kann
alternativ als ein Düsenarray ausgebildet sein, das aus bei
spielsweise 10 Düsen besteht. Dadurch ist es möglich, ein
Array von Flüssigkeitsstrahlen zu erzeugen, wobei jeder ein
zelne Strahl nur ein Zehntel des gesamten Dosiervolumens
enthält. Dadurch ergibt sich die Funktionalität sogenannter
Mehrkanal-Pipetten, die zu Dosierung in sogenannte Mikroti
terplatten verwendet werden. Ferner wirkt bei mehreren klei
nen Düsen im Vergleich zu einer großen Düse eine größere Ka
pillarkraft auf die Austrittsseite, wodurch eine Rückströ
mung beim Ansteuern mit einem Signal geringer Flankensteil
heit reduziert wird.
Bei alternativen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Er
findung kann neben der beschriebenen planaren Anordnung von
Düse und Chip auch eine vertikale Anordnung der Düse zu dem
Chip implementiert sein, bei der der Ausstoß des Fluids aus
der Düse senkrecht zu dem Chip stattfindet. Eine vertikale
Anordnung ist vorteilhaft dahingehend, daß die Dosiervor
richtung, d. h. der Aktor, der Chip und die Düse, axial auf
gebaut sein kann, wie dies der Gewohnheit von Anwendern bei
spielsweise üblicher Pipetten entspricht.
Im Folgenden wird vereinfacht die Dynamik des Dosiervorgangs
dargestellt. Dabei sei ein Strömungswiderstand als R und ei
ne fluidische Induktivität als L definiert. Der Druckabfall
über einen Strömungskanal setzt sich aus einem Druckabfall
Δplaminar, der dazu dient den Strömungswiderstand zu über
winden, und einen Druckabfall Δpträge, der die Flüssigkeit
im Kanal beschleunigt, zusammen. Somit gilt für die Druck
differenz ΔLeitung über die gesamte Fluidleitung:
Der Strömungswiderstand R und die fluidische Induktivität L
rechnen sich beispielsweise für einen runden Schlauch mit
dem Radius r zu:
In Fig. 7 ist ein Schema zur Beschreibung der Dynamik einer
erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrichtung dargestellt. pR
stellt den Druck im Medienreservoir dar, PK den Kapillar
druck und p den Druck in der Druckkammer. Vm entspricht dem
von der Membran verdrängten Volumen, während VO der Änderung
des Kammervolumens entspricht, die sich durch Verspannungen
des Gehäuses und andere Störeinflüsse ergibt. ϕr ist der Vo
lumenfluß im Reservoirkanal und ϕD ist der Fluß im Düsenka
nal. In den nachfolgenden Gleichungen entspricht U der Steu
erspannung an dem Aktor.
Für die Fluidleitung zwischen der Dosierkammer und dem Re
servoir gilt:
Für die Fluidleitung zwischen der Dosierkammer und der Düse
gilt:
Für die Dosierkammer gilt:
und damit
Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß die Dynamik
des Dosierelements näherungsweise durch drei Differential
gleichungen für die drei unabhängigen Variablen ϕR, ϕD und p
wie folgt beschrieben wird:
Als Designvorgaben sind bekannt: RR, RD, LR, LD. Betriebspa
rameter sind die Spannung U(t) und der Medienreservoirdruck
pR. Zu Messen ist der Druck pK und zu messen oder zu berech
nen sind dVm/dp, dV0/dp und dVm/dU.
Das Differentialgleichungssystem ist für ein vorgegebenes
U(t) für die folgenden Randbedingungen zu lösen:
p(t = 0) = 0;
ϕR(t = 0) = 0; und
ϕD(t = 0) = 0.
ϕR(t = 0) = 0; und
ϕD(t = 0) = 0.
Claims (20)
1. Mikrodosiervorrichtung mit folgenden Merkmalen:
einer Druckkammer (24), die zumindest teilweise von ei nem Verdränger (10) begrenzt ist;
einer Betätigungseinrichtung (30) zum Betätigen des Verdrängers (10), wobei durch die Betätigung des Ver drängers (10) das Volumen (28) der Druckkammer (24) veränderbar ist;
einem Medienreservoir, das über eine erste Fluidleitung (20) fluidmäßig mit der Druckkammer (24) verbunden ist;
einer Auslaßöffnung (26), die über eine zweite Fluid leitung (22) fluidmäßig mit der Druckkammer (24) ver bunden ist;
gekennzeichnet durch
eine Einrichtung (12, 14) zum Erfassen der Stellung des Verdrängers (10); und
eine Steuereinrichtung, die mit der Betätigungseinrich tung (30) und der Einrichtung (12, 14) zum Erfassen des Stellung des Verdrängers (10) verbunden ist und die Be tätigungseinrichtung (30) auf der Grundlage der erfaß ten Stellung des Verdrängers (10) oder auf der Grundla ge während zumindest eines vorherigen Dosierzyklusses erfaßter Stellungen des Verdrängers (10) steuert, um den Ausstoß eines definierten Fluidvolumens aus der Auslaßöffnung (26) zu bewirken.
einer Druckkammer (24), die zumindest teilweise von ei nem Verdränger (10) begrenzt ist;
einer Betätigungseinrichtung (30) zum Betätigen des Verdrängers (10), wobei durch die Betätigung des Ver drängers (10) das Volumen (28) der Druckkammer (24) veränderbar ist;
einem Medienreservoir, das über eine erste Fluidleitung (20) fluidmäßig mit der Druckkammer (24) verbunden ist;
einer Auslaßöffnung (26), die über eine zweite Fluid leitung (22) fluidmäßig mit der Druckkammer (24) ver bunden ist;
gekennzeichnet durch
eine Einrichtung (12, 14) zum Erfassen der Stellung des Verdrängers (10); und
eine Steuereinrichtung, die mit der Betätigungseinrich tung (30) und der Einrichtung (12, 14) zum Erfassen des Stellung des Verdrängers (10) verbunden ist und die Be tätigungseinrichtung (30) auf der Grundlage der erfaß ten Stellung des Verdrängers (10) oder auf der Grundla ge während zumindest eines vorherigen Dosierzyklusses erfaßter Stellungen des Verdrängers (10) steuert, um den Ausstoß eines definierten Fluidvolumens aus der Auslaßöffnung (26) zu bewirken.
2. Mikrodosiervorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der in der
Fluidleitung (20) zwischen dem Medienreservoir und der
Druckkammer (24) ein aktives oder passives Ventil (42)
zur Verhinderung einer Fluidrückströmung von der Druck
kammer (24) zu dem Medienreservoir angeordnet ist.
3. Mikrodosiervorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der
die Druckkammer (24), der Verdränger (10) und die Ein
richtung (12, 14) zum Erfassen der Stellung des Ver
drängers (10) als mikromechanisch gefertigte Strukturen
ausgebildet sind.
4. Mikrodosiervorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der der
Verdränger (10) als eine in einen Siliziumwafer geätzte
versteifte Membran realisiert ist, und bei der die Ein
richtung zum Erfassen der Stellung des Verdrängers (10)
durch in oder an der Membran befindliche piezoresistive
Elemente (12, 14) realisiert ist.
5. Mikrodosiervorrichtung gemäß Anspruch 4, bei der zumin
dest Teile der ersten und der zweiten Fluidleitung (20,
22), die Auslaßöffnung (26) und die Druckkammer (24)
durch Strukturen in dem Siliziumwafer und/oder einer
Pyrexglasscheibe (18), die mit dem Siliziumwafer ver
bunden ist, definiert sind.
6. Mikrodosiervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis
5, bei der in der Druckkammer (24) ferner Einrichtungen
zum Erfassen des Drucks in der Druckkammer (24) ange
ordnet sind.
7. Mikrodosiervorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der die
Betätigungseinrichtung (30) ein Piezostapelaktor ist,
wobei die Einrichtung zur Erfassung der Stellung des
Verdrängers (10) durch einen auf dem Piezostapelaktor
(30) angebrachten Dehnungsmeßstreifen realisiert ist.
8. Mikrodosiervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis
7, bei der die äußere Umrandung der Auslaßöffnung (26)
mit einem hydrophoben Material beschichtet ist.
9. Mikrodosiervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis
8, bei der die Betätigungseinrichtung (60) und die
Steuereinrichtung fest in ein Gehäuse (62) eingebaut
sind, während die Druckkammer (24), der Verdränger (10)
und die Einrichtung zum Erfassen der Stellung des Ver
drängers auswechselbar in das Gehäuse installierbar
sind.
10. Mikrodosiervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis
9, bei der die Auslaßöffnung (26) durch ein Array einer
Mehrzahl von Öffnungen gebildet ist.
11. Mikrodosiervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis
10, die ferner eine Einrichtung zum Erzeugen eines Un
terdrucks in dem Medienreservoir aufweist.
12. Pipettiervorrichtung mit folgenden Merkmalen:
einer Druckkammer (24), die zumindest teilweise von ei nem Verdränger (10) begrenzt ist;
einer Betätigungseinrichtung (30) zum Betätigen des Verdrängers (10), wobei durch die Betätigung des Ver drängers (10) das Volumen (28) der Druckkammer (24) veränderbar ist;
einer Auslaßöffnung (26), die über eine Fluidleitung (22) fluidmäßig mit der Druckkammer (24) verbunden ist;
gekennzeichnet durch
eine Einrichtung (12, 14) zum Erfassen der Stellung des Verdrängers (10); und
eine Steuereinrichtung, die mit der Betätigungseinrich tung (30) und der Einrichtung (12, 14) zum Erfassen der Stellung des Verdrängers (10) verbunden ist und die Be tätigungseinrichtung (30) auf der Grundlage der erfaß ten Stellung des Verdrängers (10) oder auf der Grundla ge während zumindest eines vorherigen Pipettierzyklus ses erfaßter Stellungen des Verdrängers (10) steuert, um das Ansaugen und/oder den Ausstoß eines definierten Fluidvolumens durch die Auslaßöffnung (26) zu bewirken.
einer Druckkammer (24), die zumindest teilweise von ei nem Verdränger (10) begrenzt ist;
einer Betätigungseinrichtung (30) zum Betätigen des Verdrängers (10), wobei durch die Betätigung des Ver drängers (10) das Volumen (28) der Druckkammer (24) veränderbar ist;
einer Auslaßöffnung (26), die über eine Fluidleitung (22) fluidmäßig mit der Druckkammer (24) verbunden ist;
gekennzeichnet durch
eine Einrichtung (12, 14) zum Erfassen der Stellung des Verdrängers (10); und
eine Steuereinrichtung, die mit der Betätigungseinrich tung (30) und der Einrichtung (12, 14) zum Erfassen der Stellung des Verdrängers (10) verbunden ist und die Be tätigungseinrichtung (30) auf der Grundlage der erfaß ten Stellung des Verdrängers (10) oder auf der Grundla ge während zumindest eines vorherigen Pipettierzyklus ses erfaßter Stellungen des Verdrängers (10) steuert, um das Ansaugen und/oder den Ausstoß eines definierten Fluidvolumens durch die Auslaßöffnung (26) zu bewirken.
13. Pipettiervorrichtung gemäß Anspruch 12, die ferner ein
Medienreservoir aufweist, das über eine Fluidleitung
(20) mit der Druckkammer (24) verbunden ist.
14. Verfahren zum Betreiben der Mikrodosiervorrichtung nach
einem der Ansprüche 1 bis 10 mit folgenden Schritten:
- a) Ansteuern der Betätigungsvorrichtung (30) mit einem Signal geringer Flankensteilheit, um eine Bewegung des Verdrängers (10) aus einer ersten Stellung in eine vorbestimmte zweite Stellung zu bewirken, wo bei die zweite Stellung des Verdrängers (10) ein größeres Volumen der Druckkammer (24) definiert als die erste Stellung; und
- b) Ansteuern der Betätigungsvorrichtung (30) mit einem Signal großer Flankensteilheit, um eine Bewegung des Verdrängers (10) aus der zweiten Stellung in die erste Stellung zu bewirken, um dadurch ein de finiertes Fluidvolumen aus der Auslaßöffnung (26) auszustoßen.
15. Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem vor dem Schritt a)
ein Schritt des Befüllens der Fluidleitungen (20, 22)
und der Druckkammer (24) mit einem Fluid aus dem Me
dienreservoir durchgeführt wird.
16. Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15, bei dem das An
steuersignal für die Betätigungseinrichtung (30) nach
dem Schritt a) für eine vorbestimmte Zeitdauer auf ei
nem Pegel gehalten wird, durch den bewirkt wird, daß
der Verdränger (10) in der zweiten Stellung verbleibt.
17. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem
im Schritt b) die Betätigungseinrichtung (30) derart
angesteuert wird, daß der Verdränger (10) bei der Bewe
gung in die erste Position vor dem endgültigen Errei
chen derselben durch die Betätigungseinrichtung (30)
zunächst über die erste Position hinausbewegt wird.
18. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17 in Rück
bezug auf Anspruch 1, bei dem durch die Steuereinrich
tung eine Rückströmung durch die erste Fluidleitung
(20) während des Schritts b) bei der Ansteuerung der
Betätigungseinrichtung im Schritt a) kompensiert wird,
um im Schritt b) ein definiertes Fluidvolumen auszu
stoßen.
19. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18, bei dem
der Verdränger (10) in der ersten Stellung in einer
vorgespannten Stellung ist, derart, daß durch die An
steuerung der Betätigungsvorrichtung (30) im Schritt a)
der Verdränger (10) durch eine Rückstellkraft in die
zweite Stellung bewegt wird.
20. Verfahren zum Betreiben einer Mikrodosiervorrichtung
gemäß Anspruch 11, mit folgenden Schritten:
Eintauchen der Auslaßöffnung in ein zu dosierendes Fluid;
Ansaugen des zu dosierenden Fluids durch Betätigen der Unterdruckerzeugungseinrichtung in das Medienreservoir; und
Durchführen des Verfahrens gemäß Anspruch 14.
Eintauchen der Auslaßöffnung in ein zu dosierendes Fluid;
Ansaugen des zu dosierenden Fluids durch Betätigen der Unterdruckerzeugungseinrichtung in das Medienreservoir; und
Durchführen des Verfahrens gemäß Anspruch 14.
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