DE19706513C2

DE19706513C2 - Mikrodosiervorrichtung und Verfahren zum Betreiben derselben

Info

Publication number: DE19706513C2
Application number: DE19706513A
Authority: DE
Inventors: Roland Zengerle; Michael Freygang; Manfred Stehr; Stephan Messner; Matthias Ashauer; Rainer Rosberg
Original assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Current assignee: HAHN-SCHICKARD-GESELLSCHAFT FUER ANGEWANDTE FORSCH
Priority date: 1997-02-19
Filing date: 1997-02-19
Publication date: 1999-06-17
Anticipated expiration: 2017-02-20
Also published as: DE19706513A1

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 ϕ_d und L_d den Volumenstrom beziehungsweise die fluidi sche Induktivität in Düsenrichtung angeben, und ϕ_r und L_r 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 Δp_d und Δp_r 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 Δp_laminar, der dazu dient den Strömungswiderstand zu über winden, und einen Druckabfall Δp_träge, der die Flüssigkeit im Kanal beschleunigt, zusammen. Somit gilt für die Druck differenz Δ_Leitung 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. p_R stellt den Druck im Medienreservoir dar, P_K den Kapillar druck und p den Druck in der Druckkammer. V_m entspricht dem von der Membran verdrängten Volumen, während V_O der Änderung des Kammervolumens entspricht, die sich durch Verspannungen des Gehäuses und andere Störeinflüsse ergibt. ϕ_r ist der Vo lumenfluß im Reservoirkanal und ϕ_D 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 ϕ_R, ϕ_D und p wie folgt beschrieben wird:

Als Designvorgaben sind bekannt: R_R, R_D, L_R, L_D. Betriebspa rameter sind die Spannung U(t) und der Medienreservoirdruck p_R. Zu Messen ist der Druck p_K und zu messen oder zu berech nen sind dV_m/dp, dV₀/dp und dV_m/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.

Claims

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.

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.

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.