DE19711270C2

DE19711270C2 - Micropump for fluid media

Info

Publication number: DE19711270C2
Application number: DE19711270A
Authority: DE
Inventors: Uwe Hannesen; Joachim Hillenbrand; Erich Moschel; Reimar Spohr
Original assignee: GSI Gesellschaft fuer Schwerionenforschung mbH
Current assignee: GSI Gesellschaft fuer Schwerionenforschung mbH
Priority date: 1997-03-18
Filing date: 1997-03-18
Publication date: 2001-07-26
Anticipated expiration: 2017-03-19
Also published as: DE19711270A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mikropumpe für fluide Medien mit einer Pumpkammer und einer Einrichtung zur Verände rung des Druckes in oder gegenüber der Kammer, sowie in ihrem Durchlaß in die Umgebung der Kammer ventilartig steuerbaren Ein- und Auslaßöffnungen an der Pumpkammer, die das Medium in bzw. durch die Pumpkammer fördern, wobei bei Unterdruck in der Kammer die Einlaß- und bei Überdruck die Auslaßöffnungen in Funktion treten.The present invention relates to a micropump for fluids Media with a pumping chamber and a device for changing tion of the pressure in or opposite the chamber, as well as in its Passage in the vicinity of the chamber controllable valve-like Inlet and outlet openings on the pumping chamber that contain the medium or convey through the pumping chamber, with vacuum in the Chamber the inlet and in case of overpressure the outlet openings in Function.

Ein verschließbares Mikroventil wird in der DE 41 39 668 A1 be schrieben. Es besteht aus einem Ventilkörper und einem Ventil sitz. Der Ventilsitz ist Teil einer dünnen Membran. Der Ventil körper ist an seinem Rand dicht mit dem Ventilsitz verbunden. Der Ventilsitz und der Ventilkörper haben jeweils mindestens eine Öffnung. Die Öffnungen im einen und andern Bereich sind derart gegeneinander versetzt, daß sich bei der Berührung des Ventilsitzes mit dem Ventilkörper die Öffnungen nicht einmal teilweise überlappen. In diesem Fall ist das Ventil geschlos sen.A closable microvalve is described in DE 41 39 668 A1 wrote. It consists of a valve body and a valve Seat. The valve seat is part of a thin membrane. The valve body is tightly connected to the valve seat at its edge. The valve seat and the valve body each have at least one an opening. The openings are in one and the other area so offset against each other that when touching the Valve seat with the valve body not even the openings partially overlap. In this case the valve is closed sen.

Konventionelle Mikropumpen werden mit den Techniken der Litho graphie hergestellt und sind mit ihren beweglichen Teilen rela tiv komplex aufgebaut. Eine solche Pumpe ist bekannt aus: van de Pol u. a. "A Thermopneumatic Micropump Based on Micro engineering Techniques", Zeitschrift Sensors and Actuators, A21-A23 (1990) 198-202. Zur Herstellung der Pumpe benötigt man jedoch eine relativ große Anzahl von Bearbeitungsschritten. Dies begrenzt einerseits die Miniaturisierbarkeit und reduziert andererseits auch die Zuverlässigkeit der Mikropumpen. Von Nachteil bei den bekannten Mikropumpen ist weiterhin, daß die zu pumpenden Flüssigkeiten gefiltert werden müssen, um eine zuverlässige Funktion der Pumpe sicherzustellen.Conventional micropumps are manufactured using the techniques of lithography and are relatively complex with their moving parts. Such a pump is known from: van de Pol et al. "A Thermopneumatic Micropump Based on Micro engineering Techniques", magazine Sensors and Actuators, A21-A23 ( 1990 ) 198-202. However, a relatively large number of processing steps are required to manufacture the pump. On the one hand, this limits the miniaturizability and on the other hand reduces the reliability of the micropumps. Another disadvantage of the known micropumps is that the liquids to be pumped have to be filtered in order to ensure reliable functioning of the pump.

Zur Förderung gasförmiger oder flüssiger Medien wird in der DE 195 39 020 A1 eine ventillose Pumpe beschrieben. Ein mit einem Einlaß und einem Auslaß versehenes Gehäuse der Pumpe besitzt eine als akustischer Resonator wirkende Kammer, die ein elek tromechanischer Wandler endseitig abdichtet. Der Wandler regt in der mit dem zu fördernden Medium gefüllten Kammer akustische Wellen an. Als Ein- und Auslaß dienen konische Bohrungen, die jeweils an einem Ort in die zylindrische Kammer münden, wo sich der Kammerdruck periodisch ändert. Sie sind derart ausgerich tet, daß der Einlaß dem in die Kammer fließenden Medium, der Auslaß dem in umgekehrter Richtung fließenden Medium den klei neren Strömungswiderstand bietet.DE 195 39 020 A1 describes the conveyance of gaseous or liquid media described a valveless pump. One with one Has inlet and an outlet provided housing of the pump a chamber acting as an acoustic resonator, the elek tromechanical transducer seals at the end. The converter is moving acoustic in the chamber filled with the medium to be pumped Waves on. Conical bores serve as inlet and outlet each open into the cylindrical chamber at a location where the chamber pressure changes periodically. You are so satisfied tet that the inlet to the medium flowing into the chamber, the Outlet the medium flowing in the reverse direction neren flow resistance.

Zur Gleichrichtung der durch eine schwingende Antriebvorrich tung außerhalb des Pumpraums erzeugten alternierenden Strömung in einer Mikropumpe werden mindestens zwei dynamische Mikroven tile in der Wand des Pumpraums verwendet (siehe DE 44 22 743 A1). Die Mikroventile haben keine beweglichen Teile und sind daher nicht verschließbar. Sie bestehen jeweils aus einem Mi krokanal, dessen Querschnitt sich in einer Strömungsrichtung kontinuierlich bis zur engsten Stelle verringert. Über die an der Wand anliegende Antriebsvorrichtung wird ein pulsierender Medienstrom durch die Mikrokanäle erzeugt.To rectify the by a vibrating drive device alternating flow generated outside the pump chamber There are at least two dynamic microves in a micropump Tile used in the wall of the pump room (see DE 44 22 743 A1). The microvalves have no moving parts and are therefore not lockable. They each consist of a Mi krokanal, whose cross section is in a flow direction continuously reduced to the narrowest point. About the at the drive device against the wall becomes a pulsating one Media stream generated by the microchannels.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine neue Mi kropumpe zu schaffen, die einfach im Aufbau und damit einfach in ihrer Herstellung ist und die gleichzeitig eine Filterung des zu pumpenden Mediums erlaubt.The object of the present invention is now to create a new Mi creating a pump that is simple in construction and therefore simple is in their production and at the same time a filtering of the medium to be pumped allowed.

Zur Lösung der Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung die Merkmale vor, die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegeben sind. Weitere vorteilhafte Merkmale zur Lösung der Aufgabe sind in den kennzeichnenden Teilen der Unteransprüche 2 und 3 angegeben.To achieve the object, the present invention proposes Features before in the characterizing part of the claim 1 are specified. Other advantageous features to solve the Task are in the characterizing parts of subclaims 2 and 3 indicated.

Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden im folgenden und anhand der Fig. 1 bis 4d erläutert. Es zeigen: Details of the present invention are explained below and with reference to FIGS. 1 to 4d. Show it:

die Fig. 1 eine Mikropumpe als offene Kapillare mit Anregung durch einen externen Schallgeber, Fig. 1, a micro-pump as an open capillary with excitation by an external acoustic transmitter,

die Fig. 2 eine Mikropumpe als offene Kapillare mit Anregung durch eine piezoelektrische Membran, Fig. 2 is a micro-pump as an open capillary with excitation by a piezoelectric diaphragm,

die Fig. 3 eine Mikropumpe mit geschlossener Kammer mit Anre gung durch eine piezoelektrische Membran, Fig. 3 is a micro-pump with a closed chamber with Anre supply by a piezoelectric diaphragm,

die Fig. 4a bis d die Verläufe von Membranauslenkung, Druck, Stromverlauf und transportiertes Volumen. FIGS. 4a-d, the curves of diaphragm deflection, pressure, current flow, and transported volume.

In den Fig. 1 bis 3 sind Mikropumpen für fluide Medien nach der Erfindung mit einer Pumpkammer und einer Einrichtung zur Veränderung, d. h. zum Erhöhen oder Verringern des Druckes in oder gegenüber der Kammer dargestellt. Unter Fluiden sind Flüs sigkeiten und Gase in einem Viskositätsbereich von 10^-1 bis 10^- ⁵ Poise zu verstehen. Die Pumpen weisen, ganz allgemein ge sehen, in ihrem Durchlaß in die Umgebung der Kammer ventilartig steuerbare Ein- und Auslaßöffnungen an der Pumpkammer auf, die das Medium in bzw. durch die Pumpkammer fördern. Dabei treten bei Unterdruck in der Kammer die Einlaß- und bei Überdruck die Auslaßöffnungen in Funktion. Gemeinsam ist allen Ausführungen nach der Erfindung, daß als Ein- und Auslaßöffnung in der Wand der Pumpkammer mindestens ein Mikroloch aus einer asymetrisch oder stufenförmig geätzten Kernspur von einem schweren Ion vorhanden ist, dessen Kanal zur Erzeugung eines richtungsabhängigen Durchflußwiderstandes mit sich über seine Länge veränderndem Querschnitt ausgebildet ist. Der Kanal kann dabei nach Art eines Kegels ausgebildet oder stufenförmig in seinem Durchmesser abgesetzt sein, die Abstufung kann auch durch hintereinandergesetzte Mikrolöcher mit gegeneinander verringertem oder vergrößertem Durchmesser erfolgen.In Figs. 1 to 3 are micro-pump for fluid media according to the invention having a pumping chamber and means for changing, that is shown to increase or decrease the pressure in or against the chamber. Fluids are liquids and gases in a viscosity range from 10 ^-1 to 10 ^- ⁵ poise. The pumps have, generally seen ge, valve-like controllable inlet and outlet openings on the pump chamber in their passage into the vicinity of the chamber, which convey the medium into or through the pump chamber. In this case, the inlet openings come into operation in the case of negative pressure in the chamber and the outlet openings in the case of excess pressure. Common to all the designs according to the invention is that there is at least one micro-hole from an asymmetrically or step-wise etched core trace of a heavy ion as the inlet and outlet opening in the wall of the pump chamber, the channel for generating a direction-dependent flow resistance with a cross-section that changes over its length is trained. The channel can be designed in the manner of a cone or can be stepped in its diameter, the gradation can also be achieved by micro-holes placed one behind the other with a diameter that is reduced or enlarged relative to one another.

Solche kegelförmige Mikrolöcher liegen mit ihren Abmessungen etwa im folgenden Bereichen:
Foliendicke: 1 bis 100 µm
kleinster Durchmesser am Lochende/-anfang 0,1 bis 10 µm
Kegelwinkel 2 bis 180°
wobei eine Geometrie von
Foliendicke 40 µm
kleinstem Durchmesser 10 µm
und Kegelwinkel 70°
typisch ist.The dimensions of such conical microholes are approximately in the following ranges:
Film thickness: 1 to 100 µm
smallest diameter at the end / beginning of the hole 0.1 to 10 µm
Taper angle 2 to 180 °
with a geometry of
Foil thickness 40 µm
smallest diameter 10 µm
and cone angle 70 °
is typical.

Das Fluid in dem Kanal wird durch Druckveränderungen in der Pumpkammer mit unterschiedlichem Strömumgswiderstand jeweils von einer Öffnung des Mikrolochkanales aus zu der anderen ge fördert, wobei die Richtung von der größeren zur kleineren Öff nung den geringeren Widerstand aufweist.The fluid in the channel is caused by pressure changes in the Pump chamber with different flow resistance each from one opening of the micro-hole channel to the other promotes, the direction from the larger to the smaller public voltage has the lower resistance.

In der Fig. 1 ist eine Mikropumpe dargestellt, deren Pumpkammer aus dem Innenraum 6 eines an der einen Seite 7 offenen Steigrohres 1 oder einer Kapillare besteht, die an der anderen Seite 8 mit einer Membrane 2 verschlossen sind, in welche ein oder mehrere aus Kernspuren asymetrisch geätzte Mikrolöcher 3 mit sich in Richtung des Innenraums 6 der Kapillare 1 erwei terndem Querschnitt eingebracht sind. Das Steigrohr 1 ist in ein Fluid 9 eingetaucht, das in ein Gefäß 10 eingefüllt ist. Die Vorrichtung zur Veränderung, d. h. zum Erhöhen und Ver ringern des Druckes in oder gegenüber dem Innenraum 6 besteht aus einem Aktuator zur Schwingungsaufgabe auf das Fluid 9, z. B. dem Schall- oder einem Schwingungsgeber 4, der sich in dem Fluid 9 auf der dem Innenraum 6 abgewendeten Seite der Membrane 2 befindet und der die Membrane über das Fluid in Schwingungen versetzt. Der Schwingungsgeber 4 besitzt als Aktuator z. B. eine Schwingmembran 11, deren Schwingungen auf das Fluid 9 übertragen werden.In FIG. 1, a micro pump is shown, whose pump chamber consists of the internal space 6 of a on the one side 7 open riser 1 or a capillary, which are closed at the other side 8 with a diaphragm 2, in which one or more of nuclear tracks Asymmetrically etched microholes 3 are introduced with a cross-section widening in the direction of the interior 6 of the capillary 1 . The riser pipe 1 is immersed in a fluid 9 which is filled into a vessel 10 . The device for changing, ie for increasing and reducing the pressure in or against the interior 6 consists of an actuator for the vibration task on the fluid 9 , for. B. the sound or a vibration generator 4 , which is located in the fluid 9 on the side facing away from the interior 6 of the membrane 2 and which sets the membrane in vibration via the fluid. The vibrator 4 has as an actuator z. B. a vibrating membrane 11 , the vibrations are transmitted to the fluid 9 .

In der Fig. 2 ist dieselbe Pumpe wie in der Fig. 1 dargestellt, wobei zum Unterschied jedoch die Vorrichtung zur Veränderung des Druckes in oder gegenüber dem Innenraum 6 aus einer ela stischen bzw. biegsamen Membrane 5 besteht, die ganz oder teil weise doppellagig aus zwei nach Art einer "Bimetallplatte" eng miteinander verbundenen biegsamen Schichten zusammengesetzt ist, deren eine Schicht ein beidseitig metallbedampftes piezoelektrisches Polymer (PVDF) und deren andere Schicht ein ungepoltes bzw. gegenphasig gepoltes PVDF ist. Die beidseitig aufgebrachten Metallschichten der piezoelektrischen Polymer schicht sind zur Kontaktierung an eine Wechselstromquelle 12 angeschlossen. In die Membrane 5 sind wie bei der Fig. 1 ein oder mehrere aus Kernspuren asymmetrisch geätzte Mikrolöcher 3 mit sich in Richtung des Innenraums 6 erweiterndem Querschnitt eingebracht, die durch alle Schichten der Membran 5 hindurch gehen. Die Pumpwirkung wird somit durch die auf das Fluid 9 einwirkende, bewegliche Pumpmembran 5 erzielt, deren Pumpbewe gung durch laterale Veränderung der Abmessungen der auf die Membran einwirkenden, piezoelektrischen Schicht erzeugt wird. Auf diese Art wird ein sehr einfaches Pumpprinzip geschaffen. Die Mikrolöcher mit sich veränderndem Querschnitt lassen die Moleküle des Fluids bevorzugt in einer Richtung hindurchströ men. Da sich die Löcher in einer Membran befinden, die durch einen piezoelektrischen Effekt in Schwingungen versetzt wird, wird zwischen deren Ober- und Unterseite eine oszillierende Druckdifferenz erzeugt. Zwischen der Ober- und der Unterseite bildet sich daher ein Differenzdruck aus. Durch Verkleinerung der asymmetrischen Öffnungen in mikroskopische bzw. submikros kopische Dimensionen wird der Einsatzbereich der Pumpe für mo lekulare Strömungen erweitert.In Fig. 2 the same pump as in Fig. 1 is shown, but in contrast, however, the device for changing the pressure in or relative to the interior 6 consists of an elastic or flexible membrane 5 , the whole or part of double-layered two flexible layers closely connected to one another in the manner of a “bimetallic plate”, one layer of which is a piezoelectric polymer (PVDF) vapor-coated on both sides and the other layer of which is a non-polarized or antiphase-polarized PVDF. The metal layers of the piezoelectric polymer layer applied on both sides are connected to an AC power source 12 for contacting. In the membrane 5 , as in FIG. 1, one or more microholes 3, which are asymmetrically etched from core traces and have a cross section widening in the direction of the interior 6 , are introduced, which pass through all layers of the membrane 5 . The pumping action is thus achieved by the movable pump membrane 5 acting on the fluid 9 , the pumping movement of which is generated by lateral changes in the dimensions of the piezoelectric layer acting on the membrane. In this way, a very simple pumping principle is created. The micro-holes with a changing cross-section preferably let the molecules of the fluid flow through in one direction. Since the holes are located in a membrane, which is caused to vibrate by a piezoelectric effect, an oscillating pressure difference is generated between the top and bottom. A differential pressure is therefore formed between the top and the bottom. By reducing the asymmetrical openings into microscopic or submicroscopic dimensions, the application range of the pump for molecular flows is expanded.

In der Fig. 3 ist eine Mikropumpe dargestellt, deren Pumpkammer 13 gegenüber der Umgebung 14 durch ein Gehäuse abgeschlossen ist und in deren Wand mindestens ein Paar Mikrolöcher 15 und 16 vorhanden sind, deren sich im Durchmesser verändernde Kanäle einander entgegen gerichtet sind. In der Fig. 3 ist nur ein Paar Mikrolöcher 15 und 16 dargestellt, es können jedoch auch viele Paare oder Einzellöcher vorhanden sein. Das heißt, daß sie in Bezug auf den Innenraum der Kammer 13 mit steigendem Durchmesser einmal einwärts (Mikroloch 16) und einmal auswärts (Mikroloch 15) gerichtet sind, so daß die als Einlaßöffnung wirkenden Mikrolöcher 16 der Pumpkammer 13 mit ihrer kleineren Öffnung, die als Auslaßöffnung wirkenden Mikrolöcher 15 der Pumpkammer 13 mit ihrer größeren Öffnung zugerichtet sind. Bei der in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsform sind die Mikro löcher 15 und 16 in die Pumpkammerwand eingesetzte Kunststoff folien 17 und 18 eingebracht, wobei die Asymmetrie der Löcher in jeder Folie 17 zur anderen 18 umgekehrt ist.In FIG. 3, a micro pump is shown, whose pump chamber 13 is completed from the environment 14 by a housing and at least a pair of micro-holes are provided in the wall 15 and 16, the diameter changing channels are directed opposite to each other. In Fig. 3 only a pair of micro holes 15 and 16 is shown, but there may also be many pairs or single holes. That is, they are directed with respect to the interior of the chamber 13 with increasing diameter once inwards (micro-hole 16 ) and once outwards (micro-hole 15 ), so that the micro-holes 16 acting as an inlet opening of the pump chamber 13 with their smaller opening, which as Exhaust opening acting microholes 15 of the pump chamber 13 are aligned with its larger opening. In the embodiment shown in Fig. 3, the micro holes 15 and 16 are inserted into the pump chamber wall plastic films 17 and 18 , the asymmetry of the holes in each film 17 to the other 18 is reversed.

Die Vorrichtung zur Veränderung des Druckes in dem Innenraum der Pumpkammer 13 nach der Fig. 3 besteht aus der in die Wand 20 dicht eingesetzte Membran 21, dem Schall- oder Schwingungs geber 4, deren Schwingungen das Fluid 19 durch die Mikrolöcher 15 und 16 fördert. Diese elastische bzw. biegsame Membran 21 ist ganz oder teilweise doppellagig aus zwei nach Art einer "Bimetallplatte" eng miteinander verbundenen biegsamen Schich ten zusammengesetzt, wobei eine Schicht ein beidseitig metall bedampftes piezoelektrisches Polymer (PVDF) und deren andere Schicht ein ungepoltes bzw. gegenphasig gepoltes PVDF ist. Die beidseitig aufgebrachten Metallschichten der piezoelektrischen Polymerschicht sind zur Kontaktierung an eine Wechselstrom quelle 12 angeschlossen. Dieses Prinzip ist aus der DE 44 22 743 A1 zu ersehen, sofern die dortige schwingende Antriebsvor richtung mit der "Bimetallplatte" gleichgesetzt wird.The device for changing the pressure in the interior of the pumping chamber 13 according to FIG. 3 consists of the membrane 21 tightly inserted into the wall 20 , the sound or vibration transmitter 4 , the vibrations of which the fluid 19 promotes through the microholes 15 and 16 . This elastic or flexible membrane 21 is wholly or partially composed of two layers of two flexible layers closely connected in the manner of a "bimetallic plate", wherein one layer is a metal vapor-coated piezoelectric polymer (PVDF) and the other layer is an unpolarized or antiphase polarized Is PVDF. The metal layers of the piezoelectric polymer layer applied on both sides are connected to an alternating current source 12 for contacting. This principle can be seen from DE 44 22 743 A1, provided that the oscillating Antriebsvor direction is equated with the "bimetallic plate".

Die Fig. 4a) bis d) zeigen das Zustandekommen der Pumpwir kung an einer asymetrischen Pore bei Anlegen einer symetrisch sägezahnförmigen Auslenkung. Schematisch sind übereinander im Zeitverlauf der entsprechende Verlauf der Membranauslenkung, des sich einstellenden Druckes, des sich einstellenden Flusses und des von links nach rechts übertragenen Volumens darge stellt. a) zeigt dabei die symetrisch sägezahnförmige Auslen kung der erzeugenden Membran, b) den Druckverlauf, c) den Stromverlauf, das heisst Strom = Volumen pro Zeiteinheit, d) das transportierte Volumen, wobei 28 das nach drei Zyklen gepumpte Volumen bildet. FIG. 4a) to d) show the occurrence of Pumpwir effect on an asymmetric pore upon application of a symmetrical sawtooth-shaped deflection. The corresponding course of the membrane deflection, the pressure that is established, the flow that is established and the volume transferred from left to right are schematically superimposed over time. a) shows the symmetrical sawtooth-shaped deflection of the generating membrane, b) the pressure curve, c) the current curve, i.e. current = volume per unit of time, d) the volume transported, 28 being the volume pumped after three cycles.

Claims

1. micropump for fluid media with a pumping chamber and a device for changing the pressure in or with respect to the pumping chamber, which consists of the interior ( 6 ) of a riser tube or a capillary ( 1 ) open on one side and on the other side (8) a membrane ( 2 ) is closed and immersed in a fluid-filled vessel ( 10 ), the membrane ( 2 ) having one or more of the microholes ( 3 ) with a cross-section widening relative to the interior ( 6 ), which are made from a asymmetric or step-shaped etched core trace of a heavy ion.

2. Micropump according to claim 1, characterized in that the device for changing the pressure in or ge compared to the interior ( 6 ) consists of an actuator ( 4 ) for vibrating the fluid, which is in the fluid ( 9 ) on the Interior ( 6 ) facing away from the membrane ( 2 ) and which causes the membrane ( 2 ) to vibrate via the fluid ( 9 ).

3. Micropump according to claim 1, characterized in that the device for changing the pressure in or with respect to the interior ( 6 ) consists of the membrane ( 5 ), these completely or partially double-layered from two in the manner of a "bimetal plate" closely together connected flexible layers is composed, one layer of which is a double-sided metal-vapor-deposited piezoelectric polymer (PVDF), the two-sided metal layers for contacting are connected to an alternating current source ( 12 ) and that the one or more holes ( 3 ) through all layers of the Go through the membrane ( 2 ).