DE19844518A1 - Hydraulic flow amplifier for microsystems with drive diaphragm bending under energy supply - Google Patents

Hydraulic flow amplifier for microsystems with drive diaphragm bending under energy supply

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Abstract

The drive diaphragm (2) bending provides a mechanical force for the microsystem and is integrated at the drive side in a first section of an amplifier cavity (3) with a large tapering cross-section, filled with an incompressible medium (8). An operational diaphragm (4) is integrated at the drive side with a second section of the amplifier cavity with a small cross-section and at the discharge side acts on the microsystem medium to be processed. The operational diaphragm comprises very flexible material.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen hydraulischer Weg­ verstärker für Mikrosysteme mit einer Antriebsmembran, die bei Energiezufuhr eine Biegebewegung zur Bereitstellung einer mechanischen Kraft im Mikrosystem ausführt.The present invention relates to a hydraulic path amplifier for microsystems with a drive membrane, the a bending movement to provide a mechanical force in the microsystem.

In der Mikrosystemtechnik wird seit längerem nach Lösungen gesucht, durch welche elektrische Energie in mechanische Energie umgesetzt werden kann. Beispielsweise ist es im Bereich der Mikrofluidik erforderlich, mechanische Kräfte bereitzustellen, die zur Betätigung von Pumpen oder Ventilen eingesetzt werden. Aufgrund der Schwierigkeiten, die bei der unmittelbaren oder direkten Umsetzung elektrischer in mecha­ nische Energie auftreten, haben sich Mikrosysteme bislang im industriellen Einsatz kaum durchsetzen können. Andererseits besteht ein erheblicher Bedarf, Mikrokomponenten anzuwenden, um die Miniaturisierung in den verschiedensten Technikberei­ chen voranzubringen.In microsystem technology, solutions have been around for a long time searched by what electrical energy into mechanical Energy can be implemented. For example, it is in Field of microfluidics required, mechanical forces To be provided to operate pumps or valves be used. Due to the difficulties encountered in direct or direct implementation of electrical in mecha nical energy occur, microsystems have so far can hardly enforce industrial use. On the other hand there is a significant need to apply microcomponents, miniaturization in a wide range of technical fields to advance.

Aus der deutschen Patentschrift DE 43 32 720 C2 ist eine Mikromembranpumpe bekannt, die eine Membran aufweist, welcher von außen direkt mechanische Energie zugeführt wird. Ein abgeschlossenes Mikrosystem liegt in diesem Fall nicht mehr vor, da die Zuführung mechanischer Energie über eine Makro- Mikro-Kopplung gelöst wird. Die Einsatzmöglichkeiten dieses bekannten Systems sind daher beschränkt.From German patent DE 43 32 720 C2 is one Micromembrane pump is known, which has a membrane, which mechanical energy is supplied directly from the outside. On closed microsystem is no longer in this case because the supply of mechanical energy via a macro Micro coupling is solved. The uses of this known systems are therefore limited.

In der Veröffentlichung von T.Gerlach "Ein neues Mikropum­ pen-Prinzip mit dynamischen passiven Ventilen", Shaker Verlag, Aachen, 1996 ist eine Pumpenstruktur mit einem Piezo-Bimorph-Antrieb gezeigt. Auf der Außenseite einer Membran ist ein Piezokeramikkristall angeordnet, der als Energiewandler dient, wobei der piezoelektrische Quereffekt ausgenutzt wird. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Piezokeramik kommt es zu einer Längenveränderung in Quer­ richtung, wodurch Spannungen in der Membran erzeugt werden, die letztlich zu einer gewünschten Durchbiegung der Membran führen. Da bei Piezoelementen der Quereffekt nur sehr geringe Längenänderungen bewirkt, ist die erzielbare Durchbiegung der Membran klein. Um eine verwertbare Volumenänderung des an die Membran angrenzenden Hohlraums, in welchem sich bei herkömm­ lichen Mikrosystemen das Arbeitsmedium befindet, zu erzielen, müssen relativ große Membranen verwendet werden. Dies vergrö­ ßert zwangsläufig das Totvolumen bei derartigen Anwendungen. Demzufolge ist der mögliche Arbeitsdruck insbesondere bei kompressiblen Medien sehr gering. Bei der Verwendung eines derartigen Mikrosystems als Mikropumpe ist auch bei inkom­ pressiblen Medien aufgrund des großen Totvolumens der Wirkungsgrad schlecht.In the publication by T.Gerlach "A new micropum principle with dynamic passive valves ", Shaker Verlag, Aachen, 1996 is a pump structure with a  Piezo-bimorph drive shown. On the outside of one A piezoceramic crystal is arranged as a membrane Energy converter is used, the piezoelectric cross effect is exploited. When applying an electrical voltage the piezoceramic there is a change in length in cross direction, which creates tension in the membrane, which ultimately leads to a desired deflection of the membrane to lead. Since the cross effect of piezo elements is only very slight Changes in length is the achievable deflection of the Small membrane. To a usable change in volume of the Membrane adjacent cavity, in which in conventional microsystems the working medium is located, relatively large membranes must be used. This increases inevitably reduces the dead volume in such applications. As a result, the possible working pressure is particularly at compressible media very low. When using a Such microsystems as a micropump is also available at incom pressible media due to the large dead volume of the Efficiency poor.

Aus der deutschen Patentschrift DE 41 35 655 C2 ist weiterhin eine elektrostatische Mikromembranpumpe bekannt, die mit einer relativ großflächigen Membran arbeitet. Zwischen der Membran und einer Gegenelektrode wird ein elektrisches Feld aufgebaut, wodurch die Membran zu einer Bewegung veranlaßt wird. Größere Auslenkungen der Membran scheitern dabei auch an den zur Verfügung stehenden Kräften, da die in Mikrosyste­ men erzielbaren Feldstärken begrenzt sind. Der Einsatz kom­ pressibler Medien bereitet auch bei dieser Anwendung Schwie­ rigkeiten.From the German patent DE 41 35 655 C2 is still an electrostatic micro diaphragm pump known with a relatively large membrane works. Between the Membrane and a counter electrode becomes an electric field built up, causing the membrane to move becomes. Larger deflections of the membrane also fail at the available forces, since the microsystem achievable field strengths are limited. The use com Pressibler Medien is also difficult for this application difficulties.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und einen hydraulischen Wegverstärker bereitzustellen, der in Mikrosys­ temen große Membranauslenkungen ermöglicht, die auch die Behandlung kompressibler Medien gestatten.It is therefore an object of the present invention to to overcome the disadvantages of the prior art and one  provide hydraulic displacement amplifier, which in Mikrosys large diaphragm deflections that also Allow treatment of compressible media.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Antriebsmembran abtriebsseitig in einen ersten Bereich eines Verstärkungs­ hohlraums mit einem großen Querschnitt integriert ist, daß der Verstärkungshohlraum mit einem inkompressiblen Medium gefüllt ist und einen sich verjüngenden Querschnitt besitzt, und daß eine Arbeitsmembran antriebsseitig in einem zweiten Bereich des Verstärkungshohlraums mit einem geringen Quer­ schnitt integriert ist und abtriebsseitig auf das zu beein­ flussende Medium im Mikrosystem einwirkt.This object is achieved in that the drive membrane on the output side in a first area of a reinforcement cavity with a large cross section is integrated that the reinforcement cavity with an incompressible medium is filled and has a tapering cross-section, and that a working diaphragm on the drive side in a second Reinforcement cavity area with a slight cross cut is integrated and on the output side to influence flowing medium in the microsystem.

Dies ermöglicht den Einsatz einer biegeschlaffen Arbeitsmem­ bran aus einem elastischen Material, die große Verformungen ausführen kann. Die notwendige Volumenänderung im Verstär­ kungshohlraum wird durch die Antriebsmembran bereitgestellt, die eine wesentlich größere Fläche als die Arbeitsmembran besitzt und aus einem biegesteifen Material hergestellt sein kann. Aufgrund des großen Flächenunterschieds zwischen Antriebsmembran und Arbeitsmembran wird die relativ geringe Durchbiegung der Antriebsmembran eine relativ große Durchbie­ gung der Arbeitsmembran hervorrufen, wobei durch die Verwen­ dung eines inkompressiblen Mediums im Verstärkungshohlraum die Verluste klein gehalten werden.This enables the use of a limp work meme bran from an elastic material, the large deformations can perform. The necessary volume change in the amplifier kungsvohlraum is provided by the drive membrane, which is a much larger area than the working membrane owns and be made of a rigid material can. Because of the large area difference between The drive diaphragm and working diaphragm become the relatively small Deflection of the drive diaphragm is a relatively large deflection cause the working membrane, whereby by the use of an incompressible medium in the reinforcement cavity the losses are kept small.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist außerhalb des Verstärkungshohlraums auf der Antriebsmembran ein Piezokri­ stall befestigt, der als Energieumwandlungselement arbeitet. Die Energiewandlung durch Ausnutzung des piezoelektrischen Effekts ermöglicht einen robusten und funktionssicheren Auf­ bau des hydraulischen Wegverstärkers. In an advantageous embodiment is outside the Reinforcement cavity on the drive membrane is a piezocri stall attached, which works as an energy conversion element. The energy conversion by utilizing the piezoelectric Effect enables a robust and reliable opening construction of the hydraulic path amplifier.  

Eine abgewandelte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß eine Steuereinheit angeordnet ist, mit der die der Antriebsmembran zugeführte Energie dosiert werden kann. Auf diese Weise können unterschiedlich große Durchbiegungen der Antriebsmembran erzeugt werden, die direkt in unterschiedlich große Durchbiegungen der Arbeits­ membran umgesetzt werden. Je nach Anwendungsfall kann so bei­ spielsweise die Durchflußmenge eines Mikroventils eingestellt werden.A modified embodiment of the present invention is characterized in that a control unit is arranged with which the energy supplied to the drive diaphragm can be dosed. This way, different large deflections of the drive diaphragm are generated that directly into different sized work deflections membrane are implemented. Depending on the application, so can for example, the flow rate of a microvalve set become.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform besitzt der Bereich des Verstärkungshohlraums mit großem Querschnitt einen ersten Volumenabschnitt mit einer zugeordneten ersten Antriebsmem­ bran und mindestens einen zweiten Volumenabschnitt mit einer zweiten zugeordneten Antriebsmembran. Die beiden Volumenab­ schnitte stehen dabei in Verbindung, sind jedoch über einen fluidischen Widerstand weitgehend voneinander entkoppelt. Zumindest einer dieser beiden Volumenabschnitte mündet in den Bereich des Verstärkungshohlraums mit geringem Querschnitt, in welchem die Arbeitsmembran angeordnet ist. Diese Ausfüh­ rungsform läßt sich beispielsweise einsetzen, wenn unter­ schiedlich große und unterschiedlich schnelle Auslenkungen der Arbeitsmembran erreicht werden sollen und im Verstär­ kungshohlraum Volumenänderungen unterschiedlichen Ausmaßes benötigt werden.In a modified embodiment, the area has of the reinforcement cavity with a large cross section a first Volume section with an assigned first drive member bran and at least a second volume section with a second assigned drive diaphragm. The two volumes cuts are related, but are over one fluidic resistance largely decoupled from each other. At least one of these two volume sections opens into the Region of the reinforcement cavity with a small cross-section, in which the working membrane is arranged. This execution Form can be used, for example, if under deflections of different sizes and speeds the working membrane should be reached and in the reinforcement kungshohlraum volume changes of varying degrees are needed.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der vor­ liegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen: Further advantages, details and training of the before lying invention emerge from the following Description of preferred embodiments, with reference on the drawing. Show it:  

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Systemkomponenten eines hydraulischen Wegverstärkers; Fig. 1 is a block diagram of the system components of a hydraulic Wegverstärkers;

Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau einer ersten Ausführungsform des hydraulischen Wegverstärkers; Fig. 2 shows the basic structure of a first embodiment of the hydraulic Wegverstärkers;

Fig. 3 den prinzipiellen Aufbau einer zweiten Ausführungs­ form des hydraulischen Wegverstärkers mit einer mikrotechnischen Gestaltung; Figure 3 shows the basic structure of a second embodiment of the hydraulic displacement amplifier with a microtechnical design.

Fig. 4 den prinzipiellen Aufbau eines Mikroventils unter Verwendung des hydraulischen Wegverstärkers; FIG. 4 shows the basic structure of a micro-valve using the hydraulic Wegverstärkers;

Fig. 5 den prinzipiellen Aufbau einer Mikropipette, unter Verwendung eines hydraulischen Wegverstärkers; FIG. 5 shows the basic structure of a micropipette, using a hydraulic Wegverstärkers;

Fig. 6 den prinzipiellen Aufbau einer Linse mit variabler Brennweite, unter Verwendung des hydraulischen Wegverstärkers; Fig. 6 shows the basic structure of a lens with variable focal length, using the hydraulic Wegverstärkers;

Fig. 7 den prinzipiellen Aufbau einer Mikropumpe, unter Verwendung des hydraulischen Wegverstärkers. Fig. 7 shows the basic structure of a micropump, using the hydraulic displacement amplifier.

In Fig. 1 sind in einem Blockschaltbild die wesentlichen Systemkomponenten eines erfindungsgemäßen hydraulischen Weg­ verstärkers gezeigt. Der Wegverstärker besteht aus einem Energiewandler 1, einer Antriebsmembran 2, einem Verstär­ kungshohlraum 3 und einer Arbeitsmembran 4. Bei dem Energie­ wandler 1 handelt es sich z. B. um ein Piezoelement, welches elektrische Energie in mechanische Energie umwandeln kann. Das Piezoelement ist an der Antriebsmembran 2 befestigt und ruft eine mechanische Verspannung der Antriebsmembran hervor. In Fig. 1, the essential system components of a hydraulic displacement amplifier according to the invention are shown in a block diagram. The Wegverstärker consists of a power converter 1, an actuator diaphragm 2, a Verstär kung cavity 3 and a working diaphragm. 4 The energy converter 1 is z. B. a piezo element, which can convert electrical energy into mechanical energy. The piezo element is attached to the drive membrane 2 and causes mechanical tensioning of the drive membrane.

Der Verstärkungshohlraum 3 ist mit einem inkompressiblen Medium, vorzugsweise einer geeigneten Flüssigkeit, gefüllt. Die Verbiegung bzw. Auslenkung der Antriebsmembran 2 bewirkt eine Volumenänderung des Verstärkungshohlraums und somit eine Druckänderung des im Verstärkungshohlraum enthaltenen Medi­ ums. Der veränderte Druck wirkt über das inkompressible Medium auch auf die Arbeitsmembran 4 ein, so daß diese eben­ falls eine Durchbiegung vollziehen wird und eine Kraft auf das an die Abtriebsseite der Arbeitsmembran angrenzende Medium abgeben kann.The reinforcement cavity 3 is filled with an incompressible medium, preferably a suitable liquid. The bending or deflection of the drive membrane 2 causes a change in volume of the reinforcement cavity and thus a change in pressure of the medium contained in the reinforcement cavity. The changed pressure acts on the incompressible medium also on the working membrane 4 , so that this will just if a deflection is carried out and can exert a force on the medium adjacent to the driven side of the working membrane.

Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer ersten Ausfüh­ rungsform des hydraulischen Wegverstärkers. Auf die Antriebs­ membran 2 wirkt eine beliebige mechanische Kraft ein, die von dem in Fig. 2 nicht eingezeichneten Energiewandler bereitge­ stellt wird. Die Energiewandlung kann auf die verschiedensten Weisen erfolgen. Aus dem Stand der Technik sind neben der Anwendung des piezoelektrischen Prinzips beispielsweise auch elektrostatische oder magnetische Energiewandlungsprinzipien bekannt. Wesentlich ist, daß die Antriebsmembran 2 in an sich bekannter Weise eine Auslenkung wan erfährt. Als Antriebsmem­ bran können biegesteife Platten verwendet werden, so daß in Verbindung mit dem Energiewandler eine biegesteife Bimorph­ platte entsteht. Die Antriebsmembran 2 ist in einem ersten Bereich 6 des Verstärkungshohlraums 3 angeordnet. Dieser erste Bereich 6 besitzt einen relativ großen Querschnitt Aar. (in Mikrosystemen beispielsweise 1 cm × 1 cm) der im wesentli­ chen von der Fläche der relativ großen Antriebsmembran bestimmt ist. Der Verstärkungshohlraum 3 besitzt weiterhin einen zweiten Bereich 7 mit einem geringen Querschnitt Aab. Der Querschnitt des Verstärkungshohlraums kann sich ausgehend von dem ersten Bereich 6 kontinuierlich oder diskontinuier­ lich (wie in Fig. 2 gezeigt) zum zweiten Bereich 7 hin verkleinern. Im zweiten Bereich 7 des Verstärkungshohlraums ist die Arbeitsmembran 4 angebracht, die auf ihrer Antriebsseite unmittelbar an ein inkompressibles Übertra­ gungsmedium 8 angrenzt. Das inkompressible Medium 8 füllt den Verstärkungshohlraum 3 möglichst vollständig aus. Bei der Herstellung eines entsprechenden Wegverstärkers ist darauf zu achten, daß keine Lufteinschlüsse im Übertragungsmedium ent­ halten sind, da dies die Übertragungseigenschaften ver­ schlechtern würde. Die Arbeitsmembran 4 und der ihr zugeord­ nete zweite Bereich 7 besitzen eine wesentlich kleinere Flä­ che als die Antriebsmembran 2. Da die Druckveränderung auf­ grund einer Auslenkung der Antriebsmembran 2 durch das inkom­ pressible Medium 8 nahezu vollständig auf die Arbeitsmembran 4 übertragen wird, bewirkt eine kleine Wegänderung wan an der Antriebsmembran eine große Wegänderung wab an der Arbeitsmem­ bran. Es kommt also zu einer sogenannten Wegverstärkung. Der Betrag der Wegverstärkung kann unter Einbeziehung der Flächen der beiden Membranen in bekannter Weise berechnet werden. Damit die Arbeitsmembran diese große Auslenkung wab ausführen kann, muß sie aus einem elastischen Material bestehen. Bei­ spielsweise kann Latex, Kautschuk oder ein ähnliches Material eingesetzt werden. Fig. 2 shows the basic structure of a first embodiment of the hydraulic displacement amplifier. Any mechanical force acts on the drive membrane 2 , which is provided by the energy converter not shown in FIG. 2. The energy conversion can take place in various ways. In addition to the application of the piezoelectric principle, electrostatic or magnetic energy conversion principles are also known from the prior art. It is essential that the drive membrane 2 undergoes a deflection wan in a manner known per se. Rigid plates can be used as the drive membrane, so that a rigid Bimorph plate is created in connection with the energy converter. The drive membrane 2 is arranged in a first region 6 of the reinforcement cavity 3 . This first area 6 has a relatively large cross section Aar. (In microsystems, for example, 1 cm × 1 cm) which is essentially determined by the area of the relatively large drive membrane. The reinforcement cavity 3 also has a second region 7 with a small cross section Aab. The cross section of the reinforcement cavity can decrease continuously from the first region 6 or discontinuously (as shown in FIG. 2) to the second region 7 . In the second region 7 of the reinforcement cavity, the working membrane 4 is attached, which directly adjoins an incompressible transmission medium 8 on its drive side. The incompressible medium 8 fills the reinforcement cavity 3 as completely as possible. When producing a corresponding path amplifier, care must be taken to ensure that no air pockets are present in the transmission medium, since this would impair the transmission properties. The working diaphragm 4 and the second region 7 assigned to it have a substantially smaller surface area than the drive diaphragm 2 . Since the change in pressure due to a deflection of the drive diaphragm 2 is transmitted through the inkom pressible medium 8 almost completely to the operating diaphragm 4 which causes a small change in displacement of w on the drive diaphragm has a large change in path w from bran at the Arbeitsmem. So there is a so-called path reinforcement. The amount of path gain can be calculated in a known manner, taking into account the areas of the two membranes. So that the working membrane can perform this large deflection w ab , it must consist of an elastic material. For example, latex, rubber or a similar material can be used.

Fig. 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer zweiten Ausfüh­ rungsform des hydraulischen Wegverstärkers. Diese Ausfüh­ rungsform ist konstruktiv so gestaltet, daß sich der komplette Wegverstärker mit klassischen Verfahren der Mikro­ systemtechnik herstellen läßt. Die Antriebsmembran 1 wird durch ätzen eines ersten Silizium-Wafers 10 erzeugt. Der Si- Wafer wird dabei bis auf die Dicke der Membran geätzt. Auf der nach außen gewandten Antriebsseite der Antriebsmembran 1 ist ein piezokeramisches Element als Energiewandler 2 aufge­ klebt. Das Piezoelement und die Antriebsmembran bilden gemeinsam den Antriebsbimorph. Abtriebsseitig ist die Antriebsmembran 1 integraler Bestandteil einer oberen Kappe des Verstärkungshohlraums 3, indem sich das inkompressible Medium 8 befindet. Fig. 3 shows the basic structure of a second embodiment of the hydraulic displacement amplifier. This embodiment is designed in such a way that the complete path amplifier can be manufactured using classic methods of micro system technology. The drive membrane 1 is produced by etching a first silicon wafer 10 . The Si wafer is etched down to the thickness of the membrane. On the outward-facing drive side of the drive membrane 1 , a piezoceramic element as an energy converter 2 is stuck up. The piezo element and the drive membrane together form the drive bimorph. On the output side, the drive membrane 1 is an integral part of an upper cap of the reinforcement cavity 3 , in which the incompressible medium 8 is located.

Der Verstärkungshohlraum 3 wird durch den ersten Si-Wafer 10 und einen zweiten Si-Wafer 11, der als untere Kappe wirkt, gebildet. Im zweiten Wafer 11 ist der Bereich 7 mit einem deutlich verringerten Querschnitt angeordnet. Das inkompressible Medium 8 füllt den von den beiden Wafern 10, 11 gebildeten Hohlraum vollständig aus. Als Übertragungsmedium 8 kann beispielsweise Wasser oder eine ölige Flüssigkeit verwendet werden. Der Verstärkungshohlraum 3 ist so auszulegen, daß beim Befüllen mit dem inkompressi­ blen Medium möglichst keine Gaseinschlüsse zurückbleiben, da diese den Wirkungsgrad des Wegverstärkers verschlechtern wür­ den.The reinforcement cavity 3 is formed by the first Si wafer 10 and a second Si wafer 11 , which acts as a lower cap. In the second wafer 11 , the area 7 is arranged with a significantly reduced cross section. The incompressible medium 8 completely fills the cavity formed by the two wafers 10 , 11 . For example, water or an oily liquid can be used as the transmission medium 8 . The reinforcement cavity 3 is to be designed in such a way that when it is filled with the inkompressi ble medium, as far as possible no gas inclusions remain, since these would impair the efficiency of the displacement amplifier.

Der Bereich 7 mit dem verringerten Querschnitt erstreckt sich bis zur Antriebsseite der Arbeitsmembran 4. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Arbeitsmembran 4 groß­ flächig zwischen der Unterseite des zweiten Wafers 11 und einem dritten Si-Wafer 13 befestigt. Es ist ein auf das Mate­ rial der Arbeitsmembran 4 abgestimmtes Befestigungsverfahren zu wählen. Der dritte Si-Wafer 13 kann auch integraler Bestandteil des sich anschließenden Mikrosystems sein. Im Bereich 7 mit dem verringerten Querschnitt weist der dritte Wafer 13 eine entsprechende Aussparung auf, damit die Arbeitsmembran 4 in diese Aussparung ausgelenkt werden kann, sobald aufgrund einer geringfügigen Durchbiegung der Antriebsmembran eine Druckerhöhung im Übertragungsmedium 8 erzeugt wird. Die Arbeitsmembran 4 besteht aus einem elasti­ schen Material, um eine große Auslenkung zu ermöglichen. The area 7 with the reduced cross section extends to the drive side of the working membrane 4 . In the embodiment shown, the working membrane 4 is fastened over a large area between the underside of the second wafer 11 and a third Si wafer 13 . It is to choose a fastening method matched to the material of the working membrane 4 . The third Si wafer 13 can also be an integral part of the subsequent microsystem. In the area 7 with the reduced cross section, the third wafer 13 has a corresponding recess so that the working membrane 4 can be deflected into this recess as soon as a pressure increase in the transmission medium 8 is generated due to a slight deflection of the drive membrane. The working membrane 4 is made of an elastic material to allow a large deflection.

Fig. 4 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Mikroventils unter Einsatz des erfindungsgemäßen hydraulischen Wegverstär­ kers. Der Verstärkungshohlraum 3 ist wiederum zwischen der Antriebsmembran 1, die in diesem Fall durch eine ebene Platte gebildet ist, und dem unteren Wafer 11 eingeschlossen. Im Bereich 7 mit dem verringerten Querschnitt ist die Arbeits­ membran 4 befestigt. Entlang der Unterseite des unteren Wafers 11 verläuft ein Durchflußkanal mit einem Ventileingang 15 und einem Ventilausgang 16. Direkt unter der Arbeitsmem­ bran 4 befindet sich ein Ventilsitz 17. In der dargestellten Ausführungsform ist der Ventilsitz 17 als im Kanal stehende Wand ausgebildet. Die mögliche Auslenkung der Arbeitsmembran 4 ist so dimensioniert, daß bei ausreichender Druckerhöhung im Übertragungsmedium 8 die Arbeitsmembran auf den Ventilsitz aufgepreßt wird. Dadurch ist der Durchflußkanal geschlossen. Bei geeigneter Ansteuerung des Energiewandlers 2 kann die resultierende Auslenkung der Arbeitsmembran 4 über einen bestimmten Bereich variiert werden, wodurch die Durchfluß­ menge des im Durchlaßkanal transportierten Arbeitsmediums steuerbar ist. Es sind andere Gestaltungen dieser Ventilan­ ordnung möglich, wobei besonders vorteilhaft ist, daß die Arbeitsmembran 4 aus einem elastischen Material besteht und dadurch eine hohe Abdichtungswirkung beim Aufpressen auf den Ventilsitz möglich wird. Bei bekannten Mikroventilen werden biegesteife Membranen angewendet, wodurch regelmäßig Leck­ stellen entstehen. Aufgrund der möglichen großen Auslenkung der elastischen Arbeitsmembran kann auch eine große Durchlaß­ öffnung bei insgesamt klein gehaltenen Ventilen bereitge­ stellt werden, so daß hohe Durchflußraten erzielbar sind. Eine große Durchlaßöffnung löst auch das Problem bisheriger Mikroventile, die bereits durch geringfügige Verunreinigungen im Arbeitsmedium zu Verstopfungen neigen. Fig. 4 shows the basic structure of a micro valve using the hydraulic displacement amplifier according to the invention. The reinforcement cavity 3 is in turn enclosed between the drive membrane 1 , which in this case is formed by a flat plate, and the lower wafer 11 . In area 7 with the reduced cross section, the working membrane 4 is attached. A flow channel with a valve inlet 15 and a valve outlet 16 runs along the underside of the lower wafer 11 . A valve seat 17 is located directly below the working membrane 4 . In the illustrated embodiment, the valve seat 17 is designed as a wall standing in the channel. The possible deflection of the working diaphragm 4 is dimensioned such that the working diaphragm is pressed onto the valve seat when the pressure in the transmission medium 8 increases sufficiently. This closes the flow channel. With suitable control of the energy converter 2 , the resulting deflection of the working diaphragm 4 can be varied over a certain range, as a result of which the flow rate of the working medium transported in the passage channel can be controlled. There are other designs of this valve arrangement possible, it being particularly advantageous that the working membrane 4 is made of an elastic material and thereby a high sealing effect when pressed onto the valve seat is possible. In known microvalves, rigid diaphragms are used, which regularly causes leaks. Due to the possible large deflection of the elastic working membrane, a large passage opening can be provided with small valves overall, so that high flow rates can be achieved. A large passage opening also solves the problem of previous micro valves, which tend to become blocked due to slight contamination in the working medium.

Fig. 5 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Mikropipette, bei der der erfindungsgemäße hydraulische Wegverstärker einge­ setzt wird. Auf der Antriebsmembran 1 ist neben dem ersten Energiewandler 2 ein zweiter Energiewandler 20 befestigt. Der Bereich des Verstärkungshohlraums 3 mit großem Querschnitt ist bei dieser Ausführungsform in einen ersten Volumenab­ schnitt 21 und einen zweiten Volumenabschnitt 22 unterteilt. Die beiden Volumenabschnitte 21, 22 stehen miteinander in Verbindung, sind jedoch über einen fluidischen Widerstand 23 (also eine wesentliche Querschnittsverengung) weitgehend voneinander entkoppelt. Dem ersten Volumenabschnitt 21 ist der Bereich der Antriebsmembran zugeordnet, welcher vorwie­ gend vom ersten Energiewandler 2 zur Auslenkung veranlaßt wird. Andererseits ist dem zweiten Volumenabschnitt 22 der Bereich der Antriebsmembran zugeordnet, welcher vorwiegend vom zweiten Energiewandler 20 zu einer entsprechenden Auslen­ kung veranlaßt wird. Die Arbeitsmembran 4 ist wiederum in dem Bereich mit dem stark verringerten Querschnitt befestigt und bei dieser Ausführungsform abtriebsseitig in einer Pipetten­ spitze 25 positioniert. Die Ansteuerung des ersten Energie­ wandlers 2 bewirkt eine relativ große Auslenkung der Antriebsmembran 1, so daß eine relativ große Volumenänderung des Verstärkungshohlraums 3 hervorgerufen wird. Dieser Vorgang wird zum Aufnehmen der zu pipettierenden Flüssigkeit genutzt. Dabei kann es besonders vorteilhaft sein, das die dem ersten Energiewandler 2 zugeordnete Antriebsmembran rela­ tiv elastisch ist, um große Volumenänderungen zu ermöglichen. Diese elastische Antriebsmembran ist dann aber nicht zur Erzeugung hoher Drücke geeignet. Der zweite Energiewandler 20 bewirkt demgegenüber eine relativ kleine Auslenkung der Antriebsmembran 1. Dieser Abschnitt der Antriebsmembran besteht vorzugsweise aus einem Material geringerer Elastizi­ tät, so daß zwar keine große Volumenänderung erzielbar ist, dafür aber hohe Drücke aufgebaut werden können. Dies kann für die Abgabe der aufgenommenen Flüssigkeit in kleinsten Mengen ausgenutzt werden. Bei geeigneter Ansteuerung des zweiten Energiewandlers 20 können hohe Druckimpulse erzeugt werden, die eine schnelle Abgabe kleiner Flüssigkeitsmengen bewirken. Der fluidische Widerstand 23 verhindert einen Druckausgleich während der kurzen Druckimpulse. Anschließend erfolgt über den fluidischen Widerstand der Volumenausgleich. Fig. 5 shows the basic structure of a micropipette, in which the hydraulic displacement amplifier according to the invention is set. A second energy converter 20 is attached to the drive membrane 1 in addition to the first energy converter 2 . The region of the reinforcement cavity 3 with a large cross section is divided in this embodiment into a first volume section 21 and a second volume section 22 . The two volume sections 21 , 22 are connected to one another, but are largely decoupled from one another via a fluidic resistor 23 (that is to say a substantial cross-sectional constriction). The first volume section 21 is assigned to the area of the drive membrane, which is mainly caused by the first energy converter 2 to deflect. On the other hand, the area of the drive membrane is assigned to the second volume section 22 , which is mainly caused by the second energy converter 20 to a corresponding deflection. The working membrane 4 is in turn fastened in the area with the greatly reduced cross section and in this embodiment, the tip 25 is positioned on the output side in a pipette. The control of the first energy converter 2 causes a relatively large deflection of the drive membrane 1 , so that a relatively large change in volume of the reinforcement cavity 3 is caused. This process is used to take up the liquid to be pipetted. It can be particularly advantageous that the drive membrane assigned to the first energy converter 2 is relatively elastic in order to enable large volume changes. This elastic drive membrane is then not suitable for generating high pressures. In contrast, the second energy converter 20 causes a relatively small deflection of the drive membrane 1 . This section of the drive diaphragm preferably consists of a material of lower elasticity, so that, although a large change in volume cannot be achieved, high pressures can be built up. This can be used for dispensing the absorbed liquid in the smallest quantities. With suitable activation of the second energy converter 20 , high pressure pulses can be generated, which bring about a rapid delivery of small amounts of liquid. The fluidic resistor 23 prevents pressure equalization during the short pressure pulses. The volume is then equalized using the fluidic resistance.

Fig. 6 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Linse mit varia­ bler Brennweite, bei welcher ebenfalls der hydraulische Weg­ verstärker eingesetzt wird. Die Antriebsmembran 1 mit dem darauf befestigten Energiewandler 2 bildet den oberen Abschluß des Verstärkungshohlraums 3, in welchem das inkom­ pressible Übertragungsmedium 8 eingeschlossen ist. Die Arbeitsmembran 4 besteht aus einem lichtdurchlässigem Mate­ rial und bildet eine Linse innerhalb eines Lichtweges. Die Querschnittsverringerung im Verstärkungshohlraum 3 ist bei dieser Ausführungsform relativ klein gehalten, da nur geringe Auslenkungen der Arbeitsmembran 4 gewünscht sind. Die durch die Arbeitsmembran 4 gebildete Linse verändert ihre Brenn­ weite bei veränderter Auslenkung. Fig. 6 shows the basic structure of a lens with variable focal length, in which the hydraulic path amplifier is also used. The drive membrane 1 with the energy converter 2 attached to it forms the upper end of the reinforcement cavity 3 , in which the incompressible transmission medium 8 is enclosed. The working membrane 4 consists of a translucent mate rial and forms a lens within a light path. The cross-sectional reduction in the reinforcement cavity 3 is kept relatively small in this embodiment, since only slight deflections of the working membrane 4 are desired. The lens formed by the working membrane 4 changes its focal length when the deflection changes.

Fig. 7 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Mikropumpe, wobei der hydraulische Wegverstärker in die Antriebseinheit der Mikropumpe integriert ist. Der Aufbau dieser Ausführungsform entspricht weitgehend dem bereits für das Mikroventil erläu­ terten Aufbau. Die Arbeitsmembran 4 fungiert als Antriebsor­ gan der Pumpe und wird innerhalb eines Pumpenvolumens 30 ausgelenkt. Außerdem sind strömungstechnisch gegenläufig arbeitende Ventilklappen 31 vorgesehen, die ein Ansaugen bzw. Auspressen des zu pumpenden Mediums ermöglichen. Fig. 7 shows the basic structure of a micro-pump, said hydraulic Wegverstärker is integrated in the drive unit of the micropump. The structure of this embodiment largely corresponds to the structure already explained for the microvalve. The working diaphragm 4 acts as the drive unit of the pump and is deflected within a pump volume 30 . In addition, valve flaps 31 working in opposite directions in terms of flow technology are provided, which allow the medium to be pumped to be sucked in or squeezed out.

Es sind weitere vielfältige Anwendungsfälle für den hydrauli­ schen Wegverstärker denkbar. Insbesondere im Bereich der Mikrofluidik kann die Erfindung bei Mikropumpen, Mikroventi­ len und anderen Bauelementen eingesetzt werden. Die konstruk­ tiven Einzelheiten können bei solchen Anwendungen von den beschriebenen Ausführungsformen abweichen und sich an bekann­ ten Prinzipien der Mikrosystemtechnik orientieren.There are other diverse applications for the hydrauli path amplifier conceivable. Especially in the area of Microfluidics can be the invention in micropumps, microventi len and other components are used. The construct tive details in such applications can be from Described embodiments differ and known orientate principles of microsystem technology.

Claims (13)

1. Hydraulischer Wegverstärker für Mikrosysteme mit einer Antriebsmembran (2), die bei Energiezufuhr eine Biegebewe­ gung zur Bereitstellung einer mechanischen Kraft im Mikro­ system ausführt, dadurch gekennzeichnet, daß
  • 1. die Antriebsmembran (2) abtriebsseitig in einen ersten Bereich (6) eines Verstärkungshohlraums (3) mit einem großen Querschnitt integriert ist;
  • 2. der Verstärkungshohlraum (3) mit einem inkompressiblen Medium (8) gefüllt ist und einen sich verjüngenden Quer­ schnitt besitzt;
  • 3. eine Arbeitsmembran (4) antriebsseitig in einen zweiten Bereich (7) des Verstärkungshohlraums (3) mit einem geringen Querschnitt integriert ist und abtriebsseitig auf das zu beeinflussende Medium im Mikrosystem einwirkt.
1. Hydraulic displacement amplifier for microsystems with a drive diaphragm ( 2 ), which performs a bending motion to supply a mechanical force in the micro system when energy is supplied, characterized in that
  • 1. the drive membrane ( 2 ) is integrated on the output side into a first region ( 6 ) of a reinforcement cavity ( 3 ) with a large cross-section;
  • 2. the reinforcement cavity ( 3 ) is filled with an incompressible medium ( 8 ) and has a tapering cross-section;
  • 3. a working membrane ( 4 ) on the drive side is integrated into a second region ( 7 ) of the reinforcement cavity ( 3 ) with a small cross section and acts on the output side on the medium to be influenced in the microsystem.
2. Hydraulischer Wegverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsmembran (4) eine biege­ schlaffe Membran aus einem stark elastischen Material ist.2. Hydraulic displacement amplifier according to claim 1, characterized in that the working membrane ( 4 ) is a flexible, sagging membrane made of a highly elastic material. 3. Hydraulischer Wegverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmembran (2) eine biegesteife Bimorphplatte ist.3. Hydraulic displacement amplifier according to claim 1 or 2, characterized in that the drive membrane ( 2 ) is a rigid bimorph plate. 4. Hydraulischer Wegverstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiezufuhr an die Antriebsmem­ bran (2) durch einen auf dieser außerhalb des Verstär­ kungshohlraums (3) befestigten Piezokristall (1) erfolgt. 4. Hydraulic displacement amplifier according to claim 3, characterized in that the energy supply to the Antriebsmem bran ( 2 ) by a on this outside of the amplification cavity ( 3 ) attached piezo crystal ( 1 ). 5. Hydraulischer Wegverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmembran (2) integraler Bestandteil einer ersten Kappe (10) des Verstärkungshohlraums (3) ist, und daß die Arbeitsmembran (4) an einer zweiten Kappe (11) des Verstärkungshohlraums (3) befestigt ist.5. Hydraulic displacement amplifier according to one of claims 1 to 4, characterized in that the drive membrane ( 2 ) is an integral part of a first cap ( 10 ) of the reinforcing cavity ( 3 ), and that the working membrane ( 4 ) on a second cap ( 11 ) of the reinforcement cavity ( 3 ) is attached. 6. Hydraulischer Wegverstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kappen (10, 11) aus Halbleiterma­ terial bestehen und aus Wafern gefertigt werden.6. Hydraulic displacement amplifier according to claim 5, characterized in that the caps ( 10 , 11 ) consist of semiconductor material and are made of wafers. 7. Hydraulischer Wegverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinheit vorgese­ hen ist, mit der die der Antriebsmembran (2) zugeführte Energie dosierbar ist, womit unterschiedlich starke Auslenkungen der Arbeitsmembran (4) einstellbar sind.7. Hydraulic displacement amplifier according to one of claims 1 to 6, characterized in that a control unit is hen vorgese with which the drive diaphragm ( 2 ) supplied energy can be metered, with which different degrees of deflection of the working diaphragm ( 4 ) are adjustable. 8. Hydraulischer Wegverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsmembran (4) als Antriebsteil einer Mikropumpe arbeitet.8. Hydraulic displacement amplifier according to one of claims 1 to 7, characterized in that the working diaphragm ( 4 ) works as a drive part of a micropump. 9. Hydraulischer Wegverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (6) des Verstärkungshohlraums (3) mit großem Querschnitt einen ersten Volumenabschnitt (21) mit einer zugeordneten ersten Antriebsmembran (2) und mindestens einen zweiten Volumen­ abschnitt (22) mit einer zweiten zugeordneten Antriebsmem­ bran besitzt, wobei die beiden Volumenabschnitte (21, 22) über einen fluidischen Widerstand (23) entkoppelt sind, und daß einer der beiden Volumenabschnitte in den Bereich (7) des Verstärkungshohlraums mit geringem Querschnitt mündet, in welchem die Arbeitsmembran (4) angeordnet ist. 9. Hydraulic displacement amplifier according to one of claims 1 to 7, characterized in that the region ( 6 ) of the reinforcement cavity ( 3 ) with a large cross section has a first volume section ( 21 ) with an assigned first drive membrane ( 2 ) and at least a second volume section ( 22 ) with a second associated drive membrane, wherein the two volume sections ( 21 , 22 ) are decoupled via a fluidic resistor ( 23 ), and that one of the two volume sections opens into the region ( 7 ) of the reinforcement cavity with a small cross section, in which the working membrane ( 4 ) is arranged. 10. Hydraulischer Wegverstärker nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Antriebsmembranen ineinan­ der übergehen und zwei den beiden Volumenabschnitten (21, 22) zugeordnete Energiewandler (2, 20) tragen.10. Hydraulic displacement amplifier according to claim 9, characterized in that the two drive membranes merge into one another and carry two energy converters ( 2 , 20 ) assigned to the two volume sections ( 21 , 22 ). 11. Hydraulischer Wegverstärker nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsmembran (4) in der Spitze (25) einer Pipette angeordnet ist.11. Hydraulic displacement amplifier according to claim 9 or 10, characterized in that the working membrane ( 4 ) is arranged in the tip ( 25 ) of a pipette. 12. Hydraulischer Wegverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsmembran (4) als Verschlußplatte eines Ventils (17) ausgestaltet ist.12. Hydraulic displacement amplifier according to one of claims 1 to 7, characterized in that the working membrane ( 4 ) is designed as a closure plate of a valve ( 17 ). 13. Hydraulischer Wegverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsmembran (4) aus einem lichtdurchlässigen Material besteht und als Linse mit veränderlicher Brennweite arbeitet.13. Hydraulic displacement amplifier according to one of claims 1 to 7, characterized in that the working membrane ( 4 ) consists of a translucent material and works as a lens with a variable focal length.
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