DE19922612C2 - Mikromechanische Pumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Pumpe, mit einem peristaltischen Aktuator zur Förderung und/oder Verwaltung definierter Flüssigkeits- oder Gasmengen (Pumpmedium).

Das Dosieren geringster Flüssigkeitsmengen im Mikro- bis Nanoliter Bereich wird für viele Anwendungen in der Analytik, der Medizin- oder Umwelttechnik immer relevanter. Oftmals ist es von Interesse, eine definierte Flüssigkeitsmenge an einer Stelle aufzunehmen, zu transportieren und an einer anderen Stelle abzugeben. Aufgaben dieser Art sind Bestandteil aller quantitativer Analysen. Moderne Geräte können mittels schrittmotorgesteuerter Spritzenpumpen und Präzisionspipetten einige zehn bis einige hundert Mikroliter einer Flüssigkeit mit einer Genauigkeit besser als ein Prozent dosieren. Um Mengen von einigen hundert Nanolitern bis einigen zehn Mikrolitern mit derselben Genauigkeit zu manipulieren, müssen jedoch andere Dosierkonzepte gefunden werden.

Stand der Technik

Bei Dosiersystemen, die auf Mikropumpen beruhen, dominieren zwei Konzepte. Zum einen kommen Membranpumpen mit zwei passiven Ventilen zum Einsatz, zum anderen ventillose Pumpen nach dem Diffuser-Nozzle-Prinzip, welche im Ruhezustand nicht dicht sind. Beide Typen sind uni-direktional, d. h. sie können nur in einer Richtung fördern. Als Antrieb werden in beiden Fällen üblicherweise Piezoaktoren eingesetzt, die man auf die Pumpmembran aufklebt.

Eine elektrostatisch angetriebene Mikromembranpumpe mit passiven Ventilen ist aus DE 197 19 862 A1 bekannt. Bei hohen Antriebsfrequenzen dreht sich die Förderrichtung dieser Pumpe aufgrund der Trägheit der passiven Ventile um. Diese Eigenschaft ist jedoch nur begrenzt zum Rückwärtspumpen nutzbar. Die Förderrate ist nicht nur von der zugeführten Leistung, sondern auch von den Eigenschaften des zu fördernden Pumpmediums abhängig.

Es ist daher nicht möglich, von der eingebrachten elektrischen Leistung auf den Durchfluß eines beliebigen Pumpmediums zu schließen. Da das bei jedem Pumpschlag verdrängte Volumen nur einen Bruchteil des Volumens der Pumpkammer beträgt, hat die Pumpe ein hohes Totvolumen.

Die US 57 05 018 offenbart eine mikromechanische peristaltische Pumpe bei der das zu pumpende Medium mittels einer elektrisch leitfähigen Membran in einer mit Elektroden ausgestatteten Kavität befördert wird. Diese Pumpe hat den Nachteil, das sie im Ruhezustand nicht dichtet und dass die Spannung zwischen Membran und Elektroden über dem zu pumpenden Medium abfällt. Pumpen mit einem kreisförmigen Antriebselement werden z. B. in der WO 89/07199 offenbart.

Das Prinzip einer pneumatischen Kopplung abgeschlossener Luftvolumina für ein Mikroventil ist aus der Offenlegungsschrift DE 196 37 928 A1 bekannt. Dort ist ebenfalls eine auf diesem Prinzip basierende Mikropumpenanordnung offenbart. Nachteil dieser Anordnung ist, daß die Membran nicht fest an den Deckel abschließt. Dadurch werden zusätzliche Ventile benötigt um die Dichtheit der Pumpe im Ruhezustand zu gewährleisten. Weiter kann aufgrund der nicht endlos zusammenhängenden Form des Förderkanals kein Ununterbrochen kontinuierlicher Pumpmedientransport erfolgen. Diese Nachteile wirken sich negativ auf die Genauigkeit der Dosierfähigkeit und auf die Förderfähigkeit der Pumpe aus.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß es keinen Ansatz für Dosiersysteme gibt, die eine vorgegebene Flüssigkeitsmenge an einer Stelle aufnehmen und an einer anderen wieder abgeben können. Mikropumpen, die Flüssigkeitsmengen im Bereich unter zehn Mikrolitern präzise dosieren können, sind ebenfalls nicht verfügbar.

Gelöste Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine bidirektionale Mikropumpe zu schaffen, welche in der Lage ist im Mikroliterbereich, sowohl kontinuierlich zu fördern, als auch definierte Flüssigkeitsvolumina zu verwalten.

Beschreibung

Verfahren zum Betreiben der Pumpe zur Verfügung. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Die vorliegende Erfindung stellt darüber hinaus in den Ansprüchen 11 bis 14 auch Verfahren zum Betreiben der Pumpe zur Verfügung.

Die bevorzugten Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die mikromechanische Pumpe beruht auf dem Prinzip eines peristaltischen Aktuators, welcher durch das dichtende Überspannen, eines mit einem Antriebsmedium gefüllten, bevorzugt ringförmigen Hohlraumes in einem Substrat, mit einer elektrisch leitfähigen Membran gebildet wird. Auf dem Boden des Hohlraumes sind zumindest teilweise getrennt ansteuerbare Elektroden fest installiert. Bei teilweiser Ansteuerung der Elektroden wird die Membran über den angesteuerten Elektroden nach unten gezogen und, durch die Verdrängung des Antriebsmediums, die Membran über den nicht angesteuerten Elektroden nach oben gedrückt. Um eine Pumpe zu erhalten wird das Antriebselement, d. h. die Membran, mit einem flachen Deckel, der Einlaß und Auslaß enthält, fest abgedeckt. In den Bereichen der angesteuerten Elektroden, wo die Membran nach unten gezogen wird, entsteht ein Spalt zwischen Deckel und Membran, wogegen in den Bereichen der nicht angesteuerten Elektroden die Membran an den Deckel gedrückt wird. Dieser Spalt dient zur Aufnahme des Pumpmediums. Durch gezieltes Ansteuern der Elektroden kann der Bereich, in welchem die Membran an den Deckel gedrückt wird, peristaltisch vom Einlaß zum Auslaß bewegt werden. Das im Spalt eingeschlossene Pumpmedium wird definiert befördert.

Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschreiben.

Fig. 1 zeigt das Antriebselement der Mikropumpe als einen peristaltischen Aktuator, der ähnlich einer Schlauchpumpe funktioniert, als Querschnitt durch den peristaltischen Pumpenaktuator und als Draufsicht. Eine linear endlos zusammenhängende, bevorzugt ringförmige Einkerbung (8) mit beliebigem Querschnitt (Kavität) in einer Substratoberfläche wird von einer Membran (2) überspannt. Erfolgt der Verbindungsprozeß von Substrat (1) und Membran unter Normaldruck z. B. an Luft, wird ein bestimmtes Luftvolumen in der Kavität eingeschlossen. Der Pumpenaktuator wird also durch einen abgeschlossenen Hohlraum beliebiger Form zwischen einer beweglichen Membran und einem festen Untergrund gebildet. Dieser Hohlraum ist mit einem Gas oder einer Flüssigkeit (Antriebsmedium (17)), z. B. Luft gefüllt. Besteht das Antriebsmedium aus einer inkompressiblen Flüssigkeit, so ist die Anzahl der ansteuerbaren Elektroden durch das eingeschlossene Flüssigkeitsvolumen festgelegt. Die Membran ist elektrisch leitfähig oder/und leitfähig beschichtet. Sie kann z. B. aus Silizium, Metall oder Kunststoff bestehen. Das Substrat kann aus einem beliebigen, festen Material bestehen. Auf dem Boden der Kavität sind mehrere, voneinander isolierte Elektroden (3, 4) vergraben, welche zumindest teilweise unabhängig voneinander ansteuerbar sind. Die Elektroden können z. B. in Silizium implantiert sein oder eine metallische Dünnschicht auf einem Isolator, wie Glas, Kunststoff oder Keramik darstellen. Für jede getrennt ansteuerbare Elektrode wird ein Kontakt-Pad (7) bereitgestellt. Wird eine elektrische Spannung zwischen Membran und einer oder mehreren der Elektroden angelegt, zieht es die Membran an diesen Stellen nach unten (6). Da das Volumen unterhalb der Membran abgeschlossen ist, führt die verdrängte Luft, im Allgemeinen das Antriebsmedium, zu einem Ausbuckeln der Membran an einer anderen Stelle nach oben (5). Steuert man die Elektroden in einer geeigneten Weise an, kann der Buckel peristaltisch entlang der Kavität, also bei der bevorzugten Kreisform, im Kreis bewegt werden. Auf der linken Seite der Draufsicht ist ein Teil der Elektroden nicht angesteuert (4), d. h. nicht unter Spannung, die Membran kann sich hier unter dem Druck des eingeschlossenen Antriebsmediums nach oben buckeln.

Fig. 2 zeigt, wie um eine Pumpe zu erhalten, das Antriebselement, d. h. die Membran, mit einem flachen Substratdeckel (9) z. B. aus Silizium, Glas, Metall, Keramik oder Kunststoff, der den Einlaß (11) und den Auslaß (10) der Pumpe enthält, fest abgedeckt wird. Dies geschieht z. B. durch Aufbonden des Deckels. Durch spezielle Maßnahmen, wie z. B. das Aufbringen einer nicht bondbaren Beschichtung, wird verhindert, daß die Membran (2) im Kanalbereich am Deckel anklebt. Wird nun ein Teil der Elektroden angesteuert und die Membran dadurch nach unten gezogen, entsteht an dieser/n Stelle/n zwischen Membran und Deckelsubstrat ein Kanal. Durch den Einlaß kann sich der Kanal mit einem Pumpmedium (12) füllen. An anderer/n Stelle/n, wo keine Spannung anliegt, preßt das verdrängte Antriebsmedium die Membran an das Deckelsubstrat. Es bildet sich ein Verschluß.

Fig. 3 zeigt, wie durch geeignete Ansteuerung der Elektroden zwei Kanäle (15, 16), abgetrennt durch zwei dieser Verschlüsse (13, 14), ausgebildet werden können. Wird Verschluß 1 (13) zwischen Einlaß (11) und Auslaß (10) positioniert und Verschluß 2 (14) bewegt, wird die Flüssigkeit aus Kanal 1 (16) in den Auslaß verdrängt und in Kanal 2 (15) Flüssigkeit angesaugt. Hat Verschluß 2 den Auslaß erreicht, werden beide Verschlüsse synchron weiterbewegt, bis Verschluß 2 die Position zwischen den Öffnungen erreicht hat. Dann beginnt ein neuer Pumpzyklus mit Verschluß 1 in der Kolbenfunktion. Die Breite der Verschlüsse und der Öffnungen muß so gewählt werden, daß es zu keinem Kurzschluß zwischen Ein- und Auslaß kommen kann.

Fig. 4 veranschaulicht den Pumpprozeß durch eine systematische Darstellung eines Pumpzyklus. Wird z. B. Verschluß 1 zwischen Ein- und Auslaß positioniert und Verschluß 2 bewegt, wird das zu pumpende Medium aus Kanal 1 in den Auslaß verdrängt und gleichzeitig vom zu pumpenden Medium aus dem Einlaß in Kanal 2 angesaugt (Fig. 4a, 4b). Erreicht Verschluß 2 den Auslaß, wird Verschluß 1 syncron dazu weitergeschoben (Fig. 4c, 4d). Die Verschlüsse tauschen die Funktion, Verschluß 2 bleibt stehen, Verschluß 1 wandert, d. h. es beginnt ein neuer Pumpzyklus (Fig. 4e). Die Pumprichtung ist frei wählbar, sie wird durch die Ansteuerung der vergrabenen Elektroden vorgegeben.

Fig. 5 zeigt die Pumpenstruktur, gebildet durch eine abgeschlossene, mit Gas (17) gefüllte Kavität mit innenliegenden, getrennt ansteuerbaren Elektroden (21). Dieses Array elektrisch getrennt ansteuerbarer Elektroden befindet sich innerhalb des Hohlraums. Die Elektroden sind fest auf dem Untergrund (Substrat (1)) fixiert. Das zu fördernde Pumpmedium (12) befindet sich zwischen Membran (2) und Deckel (9). Wird zwischen ausgewählten Elektroden und der Membran eine elektrische Spannung angelegt, wird die Membran in diesem Bereich auf den Boden der Kavität heruntergezogen. Da die Kavität z. B. gasgefüllt ist, wird die Membran in den nicht angesteuerten Bereichen herausgewölbt (pneumatische Kopplung). Die Membran dichtet in den herausgewölbten Bereichen gegen die ebene oder z. B. gekrümmte Fläche eines starren Deckels. In den angesteuerten Bereichen besteht dagegen zwischen Membran und Deckel ein Spalt. Dadurch kann ein zwischen Membran und Deckel befindliches Pumpmedium definiert bewegt werden.

Fig. 6 zeigt zwei weitere Ausführungsform der beschriebenen Erfindung. In Fig. 6a befindet sich das Elektrodenarray (21) auf der Unterseite des Deckels (9). Dadurch wird der abgeschlossene, mit Antriebsmedium (17) gefüllte Aktuatorhohlraum zwischen Deckei und Membran (2) gebildet. Das zu fördernde Pumpmedium (12) befindet sich zwischen Membran (2) und Substrat (1). Das Substrat (1) muß dann entsprechend ausgeformt sein, damit die Membran dagegen dicht schließt. In Fig. 6b liegt das Elektrodenarray (21) außerhalb der mit dem Antriebsmedium (17) gefüllten Kavität, welche zwischen Membran (2) und Substrat (1) gebildet wird, an der Unterseite des Deckels (9). Dann fällt die elektrische Antriebsspannung über dem zu fördernden Pumpmedium (12) ab.

Fig. 7 zeigt ein Ventil auf der Grundlage der in Fig. 5 dargestellten Pumpenstruktur mit einem Ein- (18) und zwei Auslässen (19, 20). Das Abdichten des rechten Auslasses (20) erfolgt dabei analog zur Pumpe durch Herausbildung eines Verschlusses (22) unterhalb dieser Öffnung, in dem die Membran in allen Bereichen außerhalb der Öffnung durch Ansteuern der entsprechenden Elektrode nach unten gezogen wird. Die Elektroden (4) unterhalb der Öffnung (Auslaß (20)) werden hingegen nicht angesteuert, so daß die Membran an dieser Stelle gegen den Deckel gedrückt wird und die Öffnung (Auslaß (20)) verschließt. Damit dies möglich wird, muß die Öffnung entsprechend dimensioniert sein. Hat der Deckel mehrere Zu- und/oder Abführungen für Gase oder Flüssigkeiten, die sich durch eine geeignete Ansteuerung der Elektroden unabhängig voneinander verschließen oder öffnen lassen, so kann z. B. ein Ventil mit mehreren Ein- und/oder Auslässen realisiert werden.

Besonders vorteilhaft ist die linear endlos zusammenhängende, bevorzugt ringförmige Form der Kavität, falls die Querschnittsform der Kavität der Form der nach unten ausgebuckelten Membran entspricht und die Elektrodenform ebenfalls derart gekrümmt ist. In diesem Fall läßt sich, auch wenn die Membran, im angesteuerten Zustand dicht an das Substrat anliegt und das Antriebsmedium daher nur in Pumprichtung verdrängt werden kann, ein kontinuierlicher Pumpprozeß aufrecht erhalten. Dies wäre im Fall einer nicht endlos zusammenhängenden Kavität nicht möglich, da dann die Ansteuerung der Elektroden derart erfolgen müßte, daß das Antriebsmedium für den nächsten Pumpzyklus wieder zum Einlaß verdrängt werden müßte.

Die an die nach unten ausgebuckelte Membran angepaßte Querschnittsform der Kavität ist besonders vorteilhaft, falls es sich bei dem Antriebsmedium um ein Gas handelt, da dann der Druckanstieg im Gas, wegen dessen geringerem Volumen, bei Ansteuerung von Elektroden besonders hoch ist und die Membran in den nicht angesteuerten Bereichen fester an den Deckel gepreßt wird und daher die Pumpe dichter schließt. Was besonders bei der Benutzung als Ventil von großem Vorteil ist.

Die Pumpe ist bidirektional, d. h. es besteht die Möglichkeit die Pumprichtung jederzeit umzudrehen, und hat ein geringes Totvolumen, was beim Pumpen kompressibler Medien, also Gasen, von entscheidendem Vorteil ist. Der Antrieb kann mediengetrennt erfolgen, d. h. die Elektroden kommen nicht mit dem Pumpmedium in Berührung.

Da sich die Kapazität zwischen einzelnen Elektroden und der Membran in den herausgewölbten, erheblich von der Kapazität in den unten anliegenden Bereichen unterscheidet, kann der Pumpvorgang elektronisch überwacht werden. Eine gesteuerte Dosierung geringster Flüssigkeitsmengen ist möglich.

Ein weiterer Vorteil ist es, wenn die Membran unter Druckspannung steht, d. h. in Teilbereichen ohne jede Ansteuerung buckelt, so daß, wegen der weniger notwendigen Dehnung der Membran, weniger Kraft aufgewendet werden muß, um als Verschluß dienende herausgewölbte Bereiche innerhalb der Kavität zu bewegen. Die Pumpe kann dann mit wesentlich geringerer Spannung betrieben werden und es entsteht ein bistabiles Ventil, dessen Schaltzustände leistungslos gehalten werden können.

Claims (14)

1. Mikromechanische Pumpe zum Fördern eines Pumpmediums, mit

• - einem Substrat (1) mit einer Kavität (8) auf dessen Oberseite,
• - einer elektrisch leitfähigen und/oder leitfähig beschichteten, die Kavität (8) überspannenden Membran (2) auf der Oberseite des Substrats,
• - einem Deckel (9) über dem mit der Membran überspannten Substrat,
• - mehreren voneinander isolierten und mindestens teilweise getrennt ansteuerbaren, Elektroden (3, 4), auf dem Boden der Kavität oder auf der Unterseite des Deckels,

dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität linear endlos zusammenhängend ist, und die Membran in den Bereichen der nicht angesteuerten Elektroden (4) gegen die Fläche des Deckels dichtet (5), wogegen in den Bereichen der angesteuerten Elektroden (3) zwischen Deckel und Membran, dadurch, dass die Membran in Richtung der Elektroden angezogen wird (6), ein Spalt besteht und entweder der Spalt zwischen Deckel und Membran oder der Raum zwischen Substrat und Membran einen abgeschlossenen Hohlraum bildet und mit Antriebsmedium (17) gefüllt ist, wobei sich das Pumpmedium auf der dem Antriebsmedium gegenüberliegenden Seite der Membran befindet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden in Form und Größe der Querschnittsform der Kavität oder des Deckels, über der Kavität entsprechen.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und/oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kavität ringförmig ist.

4. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kavität im Querschnitt die Form der nach unten ausgebuckelten Membran hat.

5. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel und/oder das Substrat jeweils einen oder mehrere Zu- (11) und/oder Abflüsse (10) für das zu pumpende und/oder zu dosierende Medium (12) hat, welche zumindest teilweise unabhängig voneinander verschließbar oder zu öffnen sind.

6. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran unter Druckspannung steht.

7. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat und/oder die Membran und/oder der Deckel in Siliziumtechnologie gefertigt ist/sind und/oder die Elektroden in Silizium implantiert sind oder eine metallische Dünnschicht auf einem Isolator z. B. Glas, Kunststoff oder Keramik darstellen.

8. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Antrieb der Pumpe, d. h. das elektrische Feld zwischen den Elektroden und der Membran nicht über dem Pumpmedium abfällt.

9. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpvorgang elektronisch überwacht wird.

10. Verfahren zur Herstellung der Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 wobei, die Einrichtung mindestens teilweise in Siliziumtechnologie und/oder Mikrosystemtechnik gefertigt ist.

11. Verfahren zum Betreiben der Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Ansteuerung der Elektroden derart geschieht, daß zwei Kanäle (15, 16), abgetrennt durch zwei Verschlüsse (13, 14), deren Breite so gewählt wird, daß es zu keinem Kurzschluß zwischen Ein- (11) und Auslaß (10) kommt, ausgebildet werden und die peristaltische Weiterbewegung dieser Verschlüsse derart geschieht, daß wenn Verschluß 1 (13) zwischen Ein- und Auslaß positioniert ist, Verschluß 2 (14) in Richtung Auslaß bewegt wird, das zu pumpende Medium aus Kanal 1 (16) in den Auslaß verdrängt wird und gleichzeitig vom zu pumpenden Medium aus dem Einlaß in Kanal 2 (15) angesaugt wird und wenn Verschluß 2 den Auslaß erreicht, Verschluß 1 syncron weiter geschoben wird, worauf hin die Verschlüsse die Funktion tauschen und ein neuer Pumpzyklus beginnt.

12. Verfahren zum Betreiben der Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Ansteuerung der Elektroden derart geschieht, daß zwei Kanäle (15, 16), abgetrennt durch zwei Verschlüsse (13, 14), deren Breite so gewählt wird, daß es zu keinem Kurzschluß zwischen Ein- (11) und Auslaß (10) kommt, ausgebildet werden und die peristaltische Weiterbewegung dieser Verschlüsse derart geschieht, daß wenn Verschluß 1 (13) zwischen Ein- und Auslaß positioniert ist, Verschluß 2 (14) in Richtung Einlaß bewegt wird, das zu pumpende Medium aus Kanal 2 (15) in Richtung Einlaß verdrängt wird und gleichzeitig vom zu pumpenden Medium aus dem Auslaß in Kanal 1 (16) angesaugt wird und wenn Verschluß 2 den Einlaß erreicht, Verschluß 1 syncron weiter geschoben wird, worauf hin die Verschlüsse die Funktion tauschen und ein neuer Pumpzyklus beginnt

13. Verfahren nach den Ansprüchen 11 oder 12, wobei die Pumprichtung während des Betriebes beliebig umgeschaltet wird.

14. Verfahren zum Betreiben der Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Ansteuerung der Elektroden derart geschieht, daß durch gezieltes Öffnen und/oder Verschließen der Ein- und/oder Auslässe, ein Ventil mit jeweils einem oder mehreren Ein- und/oder Auslässen realisiert wird.