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