DE19834536C2 - Vorrichtung, Mikrosystem und Verfahren zum Transportieren und/oder Entmischen von Flüssigkeiten - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, ein Mikrosystem und ein Verfahren zum Transportieren und/oder Entmischen einer Flüssigkeit gemäß dem jeweiligen Oberbegriff der Patentansprüche 1, 8 und 9.

Zum Transport von Flüssigkeiten werden in vielen Bereichen der Technik Mikropumpen benötigt, deren Pumpleistung kontinuierlich auf konstante Werte einstellbar bzw. nach entsprechender Vorgabe regelbar sein soll. Durch den Einsatz derartiger Mikropumpen können die Flüssigkeiten dosiert, synthetisiert und analysiert werden. Zur Entmischung von Flüssigkeiten werden in vielen technischen Anwendungen Mikrozentrifugen benötigt, mit denen beispielsweise die Zusammensetzung von Flüssigkeiten geändert oder Komponenten getrennt werden können. Die Miniaturisierung ist erforderlich, um derartige Vorgänge in Mikrosystemen zu realisieren, in denen die Flüssigkeiten nicht zwischenzeitlich das Mikrosystem verlassen muß. Derartige Mikropumpen bzw. Mikrozentrifugen können in Mikrosystemen eine Schlüsselkomponente darstellen. Voraussetzung dafür ist, daß sie prozeßverträglich hergestellt und integriert werden können. Darüber hinaus soll eine preiswerte Massenanfertigung derartiger Mikrosysteme bzw. Mikrosystemkomponenten möglich sein.

Bisher bekannte Pumpen in der Mikrosystemtechnik basieren auf dem Prinzip der Volumenverdrängung, wodurch lediglich eine mittlere konstante Pumpleistung bis zu einer kritischen Leistungsgrenze möglich ist. Derartige Konstruktionen benötigen Ventile, um den Rücklauf der gepumpten Flüssigkeit zu verhindern.

Das komplizierte zeitliche Verhalten derartiger Systeme hat unter anderem den Nachteil, daß sich zusammengeschaltete Pumpsysteme kaum in allen Leistungsbereichen zeitlich und leistungsmäßig aufeinander abstimmen lassen.

Beispielsweise ist in der DE 42 44 619 A1 eine Membranpumpe beschrieben, bei der eine bewegbare, angetriebene Membran zyklisch umlaufend gegen eine Wand eines Pumpraumes gedrückt wird. Dabei wird die Flüssigkeit an einer Stelle des Pumpraums eingesaugt und an einer anderen Stelle des Pumpraums aus dem Pumpraum gedrückt. Dabei ergeben sich u. a. die oben beschriebenen Probleme.

Die Übertragung von klassischen Pumpenkonstruktionen, die auf dem Rotationsprinzip basieren, auf die Mikrosystemtechnik ist wegen der rotierenden Bauteile, wie zum Beispiel Achsen, Lager, u. s. w. praktisch ausgeschlossen, da die Schwierigkeiten hinsichtlich Reibung, Genauigkeit, u. s. w. bei Mikrosystemen kaum überwunden werden können.

In der DE 36 18 106 A1 ist eine piezoelektrisch betriebene Fluidpumpe beschrieben, bei der eine Membran mit einer piezoelektrisch anregbaren Schicht versehen ist und sich domartig auswölbt, um Drücke zu erzeugen. Dabei ergibt sich z. B. ein pulsierender Volumenstrom.

Zur Trennung von Flüssigkeiten sind bisher in der Mikrosystemtechnik Mikrodüsen eingeführt worden. Derartige Mikrokomponenten haben den Nachteil, daß eine Abhängigkeit von einer klassischen externen Druckerzeugung besteht.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Transportieren und/oder Entmischen einer Flüssigkeit zu schaffen, die als Mikrosystem realisiert werden kann, einen kontinuierlichen Volumenstrom erzeugt bzw. eine gleichmäßige Entmischung von Flüssigkeiten ermöglicht, mit der Probleme hinsichtlich Reibung und Genauigkeit überwunden werden, und die preisgünstig in Massenanfertigung herstellbar ist. Weiterhin soll ein Verfahren angegeben werden, mit dem Flüssigkeiten in Mikrosystemen transportiert und/oder entmischt werden können.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1, das Mikrosystem gemäß Patentanspruch 8 und das Verfahren gemäß Patentanspruch 9. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Transportieren und/oder Entmischen einer Flüssigkeit umfaßt einen zylindrischen Hohlraum bzw. Behälter zur Aufnahme einer Flüssigkeit und eine Antriebseinheit mit einer verformbaren Membran, die im Betriebszustand an die Flüssigkeit gekoppelt ist, wobei die Antriebseinheit piezoelektrische Elemente zur Erzeugung einer in der Membran umlaufenden Wanderwelle umfaßt, deren Wellenfront die Flüssigkeit antreibt, so daß die Flüssigkeit im Hohlraum rotiert und durch Zentrifugalkräfte in radialer Richtung transportierbar und/oder entmischbar ist. Die Vorrichtung hat den Vorteil, daß auf rotierende Bauteile, Achsen, Lager, etc. verzichtet werden kann und eine preiswerte Massenanfertigung im Bereich der Mikrosystemtechnik möglich ist. Reibungsprobleme werden überwunden und es kann ein kontinuierlicher Volumenstrom, der nicht pulsierend ist und mit hoher Genauigkeit einstellbar ist, erzeugt werden.

Vorteilhafterweise ist der Hohlraum auf einer Seite von der Membran begrenzt. Dadurch ist die Membran nur an einer Seite mit der Flüssigkeit in Kontakt und von der anderen Seite zugänglich, was die Konstruktion vereinfacht.

Bevorzugt sind die piezoelektrischen Elemente ringförmig auf der vorzugsweise scheibenförmigen Membran angeordnet, wobei sie jeweils mit einem Sektor der Membran gekoppelt sind. Dadurch wird eine besonders wirksame Ausprägung der Wanderwelle in der Membran erreicht, die einen effektiven Antrieb der Flüssigkeit ermöglicht.

Die Vorrichtung kann als Mikrosystem, bevorzugt in Siliziumtechnik bzw. aus Silizium gefertigt sein. Vorteilhafterweise hat sie eine Einlaßöffnung und eine Auslaßöffnung, die radial voneinander beabstandet sind. Es können auch mehrere Auslaßöffnungen in verschiedenen radialen Abständen vom Zentrum des Hohlraums angeordnet sein. Dadurch kann eine besonders effektive und genaue Entmischung von Flüssigkeiten erreicht werden. Ein Zuführkanal und/oder ein Abführkanal kann piezoelektrische Elemente zur Veränderung seines Querschnitts aufweisen, wodurch eine besonders genaue Drosselung bzw. Justierung ermöglicht wird.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Mikrosystem zum Transportieren und/oder Entmischen von Flüssigkeiten geschaffen, bei dem mehrere der oben genannten Vorrichtungen kaskadenartig zusammengeschaltet und/oder miteinander vernetzt sind. Dadurch kann die Leistung noch erhöht werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Flüssigkeit in einem Hohlraum mittels einer verformbaren Membran angetrieben, wobei die Flüssigkeit durch eine Wellenfront einer in der Membran umlaufenden Wanderwelle angetrieben wird, so daß sie im Hohlraum rotiert und durch Zentrifugalkräfte in radialer Richtung transportiert und/oder entmischt wird. Bevorzugt wird die Flüssigkeit im Zentrum des Hohlraums zugeführt und weiter außen entnommen. Die umlaufende Wanderwelle kann durch zyklische Anregung einer Vielzahl von piezoelektrischen Elementen erzeugt werden. Bevorzugt erfolgt eine Justierung oder Feinjustierung durch Veränderung der Anschlußquerschnitte.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft beschrieben, in denen

Fig. 1 einen Querschnitt einer Vorrichtung zum Transportieren und/oder Entmischen einer Flüssigkeit zeigt, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist;

Fig. 2 einen Schnitt durch die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung entlang der Linie A-A' zeigt;

Fig. 3 einen teilweisen, vergrößerten Schnitt durch eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Antriebseinheit darstellt; und

Fig. 5 die Auslenkung der Membran in Abhängigkeit vom Positionswinkel ϕ darstellt.

Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung umfaßt einen als Zylinder ausgestalteten Behälter 1 mit einem Innenraum zur Aufnahme einer Flüssigkeit. Der Behälter 1 ist auf einer Seite durch eine verformbare Membran 21 abgedeckt. Dadurch ist der Innenraum auf seiner Unterseite durch die Membran 21 und auf der Oberseite durch eine obere Wandung 1a des Behälters 1 begrenzt und bildet einen abgeschlossenen Hohlraum 11, der zylindrisch ausgestaltet ist. Ein Kanal 50 zur Flüssigkeitszufuhr erstreckt sich durch die obere Wandung 1a des Behälters 1 und mündet an einer Einlaßöffnung 40, die sich oberhalb des Zentrums des Hohlraums 11 befindet. Durch einen Randbereich 1b des Behälters 1 erstreckt sich ein weiterer Kanal 51 zur Abfuhr der Flüssigkeit aus dem Hohlraum 11. Der zylindrische Hohlraum 11 hat an seinem Rand eine Auslaßöffnung 41, durch die die Flüssigkeit in den Abführkanal 51 treten kann.

Die Membran 21 ist auf ihrer Unterseite, die der Flüssigkeit abgewandt ist, mit einer Vielzahl von piezoelektrischen Elementen 22 versehen, die bei Anregung eine Verformung der Membran verursachen. Dabei sind die piezoelektrischen Elemente 22 so auf der Unterseite bzw. der flüssigkeitsabgewandten Seite der Membran 21 angeordnet, daß bei einer entsprechenden zyklischen Anregung der piezoelektrischen Elemente 22 eine umlaufende Wanderwelle in der Membran 21 erzeugt wird. Durch die umlaufende Wanderwelle wird im Betriebszustand die Flüssigkeit im Hohlraum 11 mitgenommen und führt eine Rotationbewegung um eine Achse R aus, die durch das Zentrum des Hohlraums 11 verläuft. Die rotierende Flüssigkeit baut dadurch einen radialen Druckradienten auf, d. h. der Druck nimmt vom Zentrum des Hohlraums 11 zu seinem Rand hin zu. Da die Einlaßöffnung 40 und die Auslaßöffnung 41 radial voneinander beabstandet sind, wird die Flüssigkeit kontinuierlich vom zentralen Bereich des zylindrischen Hohlraums 11 zu seinem Rand hin gepumpt und durch die Auslaßöffnung 41 und den Abführkanal 51 transportiert. Die Vorrichtung ist in Siliziumtechnologie gefertigt und in der hierbeschriebenen Ausführungsform als Mikropumpe ausgestaltet.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die obere Wand 1a des Behälters 1 entlang der Linie A-A'. Der Zuführkanal 50 erstreckt sich vom Rand des zylindrischen Behälters 1 zu seinem Zentrum hin und mündet dort im zentralen Bereich des zylindrischen Hohlraums 11. Dadurch erfolgt die Flüssigkeitseinführung in einem Bereich des Zylinders, in dem ein relativ niedriger Druck herrscht. Die Ausführung der Flüssigkeit erfolgt über den Zylinderrand, wo aufgrund der Rotation der Flüssigkeit ein erhöhter Druck vorhanden ist. Bei mehreren Ein- und Ausgängen für die Flüssigkeit sind Positionierungen entsprechend den jeweiligen Druck- und Leistungsanforderungen möglich.

Fig. 3 zeigt schematisch einen teilweisen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der weitere piezoelektrische Elemente 31, 32 im Bereich des Zuführkanals 50 bzw. des Abführkanals 51 angeordnet sind. Mit den piezoelektrischen Elementen 31, 32 können die jeweiligen Anschlußquerschnitte verändert werden und somit kann eine Justierung oder Feinjustierung der Pumpleistung bzw. des Entmischungsgrades erfolgen. Bei der Entmischung kann z. B. das Ausströmen der Flüssigkeit zunächst durch Verschließen des Kanals 51 bzw. durch ein Schließventil verhindert werden, bis ein gewünschter Entmischungsgrad erreicht ist. Die Trennung bzw. Entmischung von Flüssigkeiten erfolgt in diesem Fall durch eine geeignete Anpassung der jeweiligen Öffnungs- und Schließzeiträume.

In der Membran 21 können an verschiedenen Stellen Auslaßöffnungen vorhanden sein, die sich in unterschiedlichen Abständen vom Zentrum des Hohlraums 11 bzw. des Behälters 1 befinden und in der Figur nicht dargestellt sind. Dadurch kann die aufgrund der Rotationbewegung und der auftretenden Zentrifugalkräfte entmischte Flüssigkeit an verschiedenen radialen Abständen vom Zentrum des Hohlraums 11 entnommen werden.

In Fig. 4 ist schematisch eine Antriebseinheit 2 dargestellt, mit der die Flüssigkeit im Hohlraum 11 in Rotation versetzt wird. Die Antriebseinheit 2 besteht aus der kreis- bzw. scheibenförmigen Membran 21, auf der die piezoelektrischen Elemente 22 als piezoelektrische Schichten aufgetragen sind. Die piezoelektrischen Elemente 22 stellen einzelne Segmente dar, die gemeinsam einen Ring bilden. Somit ist verschiedenen Sektoren der Membran 21 jeweils ein Ringsegment zugeordnet. Die piezoelektrischen Elemente 22 haben jeweils auf ihrer Ober- und Unterseite eine Elektrode, d. h. sie sind individuell in beiden Polaritäten ansteuerbar. Um die Wanderwelle zu erzeugen, werden sie zyklisch umlaufend angesteuert, wobei sie jeweils in Tangentialrichtung bzw. Umlaufrichtung kontrahieren. Durch die zeitlich versetzte Kontraktion bzw. Expansion der verschiedenen Segmente, entsteht bei entsprechender Ansteuerung in der Membran 21 eine oder mehrere zyklisch umlaufende Wanderwellen bzw. Oberflächenwellen.

In Fig. 5 ist der Verlauf der Wanderwelle in der Membran 21 dargestellt. Dabei ist die Auslenkung h in einem bestimmten radialen Abstand vom Zentrum der Membran und zu einem bestimmten Zeitpunkt abhängig vom jeweiligen Positionswinkel ϕ. Die Wanderwelle schreitet in Umlaufrichtung mit einer Geschwindigkeit v fort, so daß die Membran 21 zu einem späteren Zeitpunkt eine Verformung aufweist, wie sie in Fig. 5 durch die gestrichelte Linie dargestellt ist.

Die piezoelektrischen Elemente 22 werden so angeregt, daß sich die Wellenfront 28 gleichmäßig in Umlaufrichtung fortbewegt und dabei in dem zylindrischen Behälter 1 bzw. Hohlraum 11 einen zirkularen Druckgradienten erzeugt. Die Flüssigkeit wird durch die Wanderwelle bzw. Wellenfront 28 angeschoben, so daß sie im zylindrischen Hohlraum 11 rotiert. Die Rotation wird zu einer Entmischung und/oder zum Pumpen der Flüssigkeit genutzt, ohne daß eine Reibung zwischen verschiedenen Bauteilen erfolgt.

Als Mikrozentrifuge bzw. als Mikropumpe eignet sich die Vorrichtung dazu, vernetzte Mikrozentrifugensysteme aufzubauen bzw. mehrere Mikrozentrifugen oder Mikropumpen zu kaskadieren. Das Wanderwellenprinzip erlaubt es, die einzelnen Zentrifugen oder Mikropumpen mit hoher Genauigkeit einzeln anzusteuern und die jeweilige Leistung der zusammengeschalteten Vorrichtungen präzise aufeinander abzustimmen. Die als Mikropumpe oder Mikrozentrifuge ausgestaltete Vorrichtung weist keine rotierenden Bauteile, Achsen und Lager auf und kann in Siliziumtechnik als Mikrosystem gefertigt werden.

Claims (12)

1. Vorrichtung zum Transportieren und/oder Entmischen einer Flüssigkeit, mit
einem zylindrischen Hohlraum (11) zur Aufnahme einer Flüssigkeit und
einer Antriebseinheit (2) mit einer verformbaren Membran (21), die im Betriebszustand an die Flüssigkeit gekoppelt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Antriebseinheit piezoelektrische Elemente (22) zur Erzeugung einer in der Membran (21) umlaufenden Wanderwelle umfaßt, deren Wellenfront (28) die Flüssigkeit antreibt, so daß die Flüssigkeit im Hohlraum (11) rotiert und durch Zentrifugalkräfte in radialer Richtung transportierbar und/oder entmischbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (11) auf einer Seite von der Membran (21) begrenzt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Elemente (22) ringförmig auf der scheibenförmigen Membran (21) angeordnet sind, wobei sie jeweils mit einem Sektor der Membran (21) gekoppelt sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Mikrosystem, bevorzugt in Siliziumtechnik, gefertigt ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eine Einlaßöffnung (40) und mindestens Auslaßöffnung (41), die radial voneinander beabstandet sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Auslaßöffnungen in verschiedenen radialen Abständen vom Zentrum des Hohlraums (11) angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Zuführkanal (50) und einen Abführkanal (51), die mit dem Hohlraum (11) kommunizieren, wobei der Zuführkanal (50) und/oder der Abführkanal (51) piezoelektrische Elemente (31, 32) zur Veränderung seines Querschnitts aufweist.

8. Mikrosystem zum Transportieren und/oder Entmischen von Flüssigkeiten, gekennzeichnet durch mehrere Vorrichtungen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die kaskadenartig zusammengeschaltet und/oder miteinander vernetzt sind.

9. Verfahren zum Transportieren und/oder Entmischen von Flüssigkeiten, bei dem eine Flüssigkeit in einem zylindrischen Hohlraum (11) mittels einer verformbaren Membran (21) angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit durch eine Wellenfront (28) einer in der Membran (21) umlaufenden Wanderwelle angetrieben wird, so daß sie im Hohlraum (11) rotiert und durch Zentrifugalkräfte in radialer Richtung transportiert und/oder entmischt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit im Bereich des Zentrums des Hohlraums (11) zugeführt und weiter außen entnommen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die umlaufende Wanderwelle durch zyklische Anregung einer Vielzahl von piezoelektrischen Elementen (22) erzeugt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Justierung durch Veränderung der Anschlußquerschnitte erfolgt.