DE4239464A1

DE4239464A1 - Elektrothermische, statische Mikropumpe

Info

Publication number: DE4239464A1
Application number: DE19924239464
Authority: DE
Inventors: Joachim Prof Dr Ing Heinzl; Wolfram Runge
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-11-24
Filing date: 1992-11-24
Publication date: 1994-05-26

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine elektrothermische, statische Mikropumpe zum Fördern von Flüssigkeiten.

Der Transport von Flüssigkeiten und die Druckerzeugung sind Grundfunktionen, auf denen eine Vielzahl von Geräten basiert. In einigen Anwendungsfällen besteht die Anforderungen in der Förderung eines genau definierten Volumenstroms. Die bisher in der Literatur vorgestellten Mikropumpen sind nicht für alle denkbaren Anwendungen geeignet, da der Volumenstrom gering ist. Wenn hier auch durch Optimierung noch Steigerungen zu erwarten sind, ist doch die Leistungsfähigkeit der Mikropumpen durch ihr Aktorprinzip eng begrenzt.

Dabei soll insbesondere das Problem gelöst werden, Flüssigkeiten mit einer Vorrichtung zu fördern, die nur sehr wenig Platz einnimmt. Die elektrothermische, statische Mikropumpe soll es ermöglichen, auf kleinstem Raum einen Flüssigkeitsstrom zu fördern.

Bisher wurden statische Mikropumpen gebaut, die nach verschiedenen Aktorprinzipien funktionierten.

In der Literaturstelle "A Micro Membrane Pump with Electrostatic Actuation", Proc. Micro Electro Mechanical Systems ′92, Travemünde, Germany 4.-7.2.1992, wird eine Mikropumpe vorgestellt, die mit statischen Ventilen arbeitet. Die Volumenänderung einer Kammer, die zwischen den Ventilen angeordnet ist, wird durch die Bewegung einer Membran hervorgerufen, auf die elektrostatische Kräfte einwirken. Bei einer Betätigung der Pumpe mit einer Spannung von 170 Volt und einer Frequenz von 100 Hz wird ein Volumenstrom von 70 µl/min (= 1,16 mm³/s) erzielt.

In der Literaturstelle "A Thermopneumatic Micropump Based on Micro engineering Techniques", Sensors and Actuators, A21-A23 (1990) S. 198-202, wird eine Mikropumpe mit statischen Ventilen vorgestellt, bei der die Expansion von aufgeheizter Luft eine Membran bewegt, die eine Flüssigkeitskammer begrenzt. Mit zwei statischen Ventilen wird die Volumenänderung der Kammer in eine Förderbewegung umgesetzt. Der maximale Volumenstrom wird zu 34 µl/min (= 0,56 mm³/s) angegeben.

In der Literaturstelle "Micropump and Sample-injector for Integrated Chemical Analyzing Systems", Sensors and Actuators, A21-A23 (1990) S. 189-192, wird eine Mikropumpe mit statischen Ventilen vorgestellt, bei der ein Stapel aus piezoelektrischen Aktoren eine Membran bewegt. Die dadurch hervorgerufene Volumenänderung in einer Kammer bewirkt in Verbindung mit den entsprechend angeordneten Ventilen die Förderung der Flüssigkeit. Der Pumpendruck liegt bei 1 Meter Wassersäule (= 10000 Pa) und eine Doppelpumpe ("dual pumpe") nach diesem Prinzip erreicht einen Volumenstrom von 40 µl/min (= 0,66 mm³/s).

In der Literaturstelle "Microfabricated Electrohydrodynamic Pumps", Sensors and Actuators, A21-A23 (1990) S. 193-197, wird eine elekrohydrodynamische Mikropumpe vorgestellt, bei der ein schnell bewegtes elektrisches Feld auf Ladungen in der Flüssigkeit eine Kraft ausübt, die dann zur Strömung der Flüssigkeit führt.

In der Literaturstelle "Piezoelectric Micropump with Three Valves Working Peristaltically", Sensors and Actuators, A21-A23 (1990) S. 203-206, wird eine Mikropumpe vorgestellt, bei der drei planare, piezoelektrische Aktoren entlang eines Strömungskanals angeordnet sind. Die Aktoren verformen sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung; dabei vergrößert sich das Volumen des Strömungskanals und gleichzeitig öffnet sich ein Ventil. Durch die entsprechende Ansteuerung der drei Aktoren wird ein Volumenstrom erzeugt, der in seiner Richtung umkehrbar ist. Die Förderleistung bei einer Spannungsamplitude von 80 Volt wird zu 100 µl/min (= 1,66 mm³/s) angegeben.

Im Gegensatz dazu wird erfindungsgemäß eine elektrothermische, statische Mikropumpe vorgeschlagen, bei der ein Heizelement als Aktor dient, das durch Aufheizen der zu pumpenden Flüssigkeit eine Dampfblase erzeugt, deren Expansion in Kombination mit mindestens einem statischen Ventil zu einer Flüssigkeitsförderung führt. Durch die hohe Volumenvergrößerung, die die Flüssigkeit bei ihrer Verdampfung ausführt, kann eine sehr kleine Pumpe gebaut werden, die eine hohe Förderleistung aufweist. Außer dem einen oder mehreren statischen Ventilen hat die Pumpe keine bewegten Teile, wodurch sich eine besonders lange Lebensdauer und Funktionssicherheit ergibt.

Die Erfindung ist an Hand von 6 Figuren veranschaulicht, es stellt dar

Fig. 1 Elektrothermische, statische Mikropumpe aus monokristallinem Silizium mit einem statischen Zungenventil,

Fig. 2 Elektrothermische, statische Mikropumpe aus monokristallinem Silizium mit zwei statischen Zungenventilen,

Fig. 3 Elektrothermische, statische Mikropumpe mit zwei statischen Ventilen, die von gelenkigen Klappen gebildet werden,

Fig. 4 Elektrothermische, statische Mikropumpe mit zwei statischen Ventilen, die mit beweglichen, zylindrischen Verschlußkörpern arbeiten,

Fig. 5 Elektrothermische, statische Mikropumpe mit zwei statischen Ventilen, die mit beweglichen, prismatischen Verschlußkörpern arbeiten,

Fig. 6 Elektrothermische, statische Mikropumpe mit zwei statischen Ventilen, die von elastischen Klappen gebildet werden.

In Fig. 1 bezeichnet 2 ein Heizelement, das in einer flüssigkeitsgefüllten Kammer 4 angeordnet ist. Diese Kammer weist zum Zufuhrkanal 6 hin eine Drosselstelle 8 auf, die einen strömungsmechanischen Widerstand darstellt. Zwischen Abfuhrkanal 10 und Kammer 4 ist ein statisches Zungenventil 12 angeordnet, das nur eine Strömung in Richtung des Abfuhrkanals 10 gestattet. Im mittleren Teilbild ist die Flüssigkeitsförderung bei der Expansion der Dampfblase 14 dargestellt. Da der strömungsmechanische Widerstand des Zungenventils 12 kleiner als der der Drosselstelle 8 ist, wird ein größerer Teil der in der Kammer 4 befindlichen Flüssigkeit in den Abfuhrkanal 10 gedrückt und nur ein kleinerer Teil in den Zufuhrkanal 6. Im unteren Teilbild ist das Zusammenfallen der Dampfblase 14 dargestellt. Dabei schließt das Zungenventil 12 und die Kammer 4 füllt sich wieder auf indem Flüssigkeit von dem Zufuhrkanal 6 durch die Drosselstelle 8 in die Kammer 4 fließt. Nach dem vollständigen Zusammenfallen der Dampfblase 14 ist dieser Arbeitszyklus beendet und eine Flüssigkeitsmenge ist vom Zufuhrkanal 6 in den Abfuhrkanal 10 gefördert worden.

In Fig. 2 bezeichnet 22 ein Heizelement, das in einer flüssigkeitsgefüllten Kammer 24 angeordnet ist. Diese Kammer weist zum Zufuhrkanal 26 hin ein statisches Zungenventil 28 auf, das nur eine Strömung in Richtung der Kammer 24 gestattet. Zwischen Abfuhrkanal 30 und Kammer 24 ist ein statisches Zungenventil 32 angeordnet, das nur eine Strömung in Richtung des Abfuhrkanals 30 gestattet. Im mittleren Teilbild ist die Flüssigkeitsförderung bei der Expansion der Dampfblase 34 dargestellt. Da das Zungenventil 32 öffnet, wird ein Teil der in der Kammer 24 befindlichen Flüssigkeit in den Abfuhrkanal 30 gedrückt. Im unteren Teilbild ist das Zusammenfallen der Dampfblase 34 dargestellt. Dabei schließt das Zungenventil 32 und die Kammer 24 füllt sich wieder auf indem Flüssigkeit von dem Zufuhrkanal 26 durch das Zungenventil 28, das nun öffnet, in die Kammer 24 fließt. Nach dem vollständigen Zusammenfallen der Dampfblase 34 ist dieser Arbeitszyklus beendet und eine Flüssigkeitsmenge ist vom Zufuhrkanal 26 in den Abfuhrkanal 30 gefördert worden.

In Fig. 3 bezeichnet 40 ein Heizelement, das in einer Kammer 41 angeordnet ist. Diese Kammer 41 wird durch das statische Ventil 42 von dem Zufuhrkanal 43 getrennt. Das statische Ventil 44 trennt die Kammer 41 von dem Abfuhrkanal 45. Die statischen Ventile sind bei dieser Mikropumpe als Klappen ausgeführt, die aus einem elastischen Material gefertigt sind. Die Klappen sind über einen schmalen Steg mit dem Gehäuse verbunden, so daß sie um diese Stelle schwenken können. In der gezeichneten Stellung sind die beiden Ventile geschlossen.

In Fig. 4 bezeichnet 50 ein Heizelement, das in einer Kammer 51 angeordnet ist. Diese Kammer 51 wird durch ein statisches Ventil von dem Zufuhrkanal 53 getrennt. Ein weiteres statisches Ventil trennt die Kammer 51 von dem Abfuhrkanal 55. Die statischen Ventile sind bei dieser Mikropumpe mit bewegten Ventilkörpern 56 und 57 ausgeführt, die zylindrische Form haben. Diese Ventilkörper sind frei beweglich und erlauben nur eine Strömung von rechts nach links. Die Anschläge 58 und 59 verhindern, daß die Verschlußkörper von dem Querschnitt, den sie blockieren sollen, zu weit wegbewegt werden. In der gezeichneten Stellung sind die beiden Ventile geschlossen.

In Fig. 5 bezeichnet 60 ein Heizelement, das in einer Kammer 61 angeordnet ist. Diese Kammer 61 wird durch ein statisches Ventil von dem Zufuhrkanal 63 getrennt. Ein weiteres statisches Ventil trennt die Kammer 61 von dem Abfuhrkanal 65. Die statischen Ventile sind bei dieser Mikropumpe mit bewegten Ventilkörpern 66 und 67 ausgeführt, die prismatische Form haben. Diese Ventilkörper sind frei beweglich und erlauben nur eine Strömung von rechts nach links. Die Anschläge 68 und 69 verhindern, daß die Verschlußkörper von dem Querschnitt, den sie blockieren sollen, zu weit wegbewegt werden. In der gezeichneten Stellung sind die beiden Ventile geöffnet.

In Fig. 6 bezeichnet 70 ein Heizelement, das in einer Kammer 71 angeordnet ist. Diese Kammer 71 wird durch das statische Ventil 72 von dem Zufuhrkanal 73 getrennt. Das statische Ventil 74 trennt die Kammer 71 von dem Abfuhrkanal 75. Die statischen Ventile sind bei dieser Mikropumpe als elastische Klappen ausgeführt. Die Klappen sind fest mit dem Gehäuse verbunden, durch ihre Gestalt und Elastizität erlauben sie nur eine Strömung von rechts nach links. In der gezeichneten Stellung sind die beiden Ventile geschlossen.

Im Vergleich zum bisher Bekannten stellt die Erfindung einen mehrfachen technischen Fortschritt dar, da sie es ermöglicht, auf kleinstem Raum eine Pumpe für Flüssigkeiten zu verwirklichen, die einen verhältnismäßig großen Volumenstrom fördert. Durch die anwendbaren Massenherstellungstechnologien (Dünnschichttechnik, anisotropes Ätzen von monokristallinem Silizium) kann die neuartige Mikropumpe in großen Stückzahlen kostengünstig hergestellt werden.

Claims

1. Statische Mikropumpe für Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß als Aktoren Heizelemente, die kurzzeitig Dampfblasen erzeugen, verwendet werden und mindestens ein statisches Ventil vorgesehen ist, das durch den Flüssigkeitsdruck geöffnet und geschlossen wird.

2. Statische Mikropumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl vor wie hinter dem Heizelement im Flüssigkeitskanal je ein statisches Ventil vorgesehen ist, wobei das Heizelement jeweils durch einen kurzen Heizimpuls geheizt, eine Dampfblase erzeugt, die durch ihre Expansion die Flüssigkeit durch das eine Ventil verdrängt und beim Kollabieren der Dampfblase Flüssigkeit durch das andere Ventil nachsaugt.

3. Statische Mikropumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kombinationen von mindestens einem Ventil und einer Heizfläche parallel zueinander angeordnet sind, die nacheinander in zyklischer Reihenfolge angesteuert werden können, so daß ein kontinuierlicher Flüssigkeitsstrom erzeugt werden kann.

4. Statische Mikropumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kombinationen von je zwei Ventilen und einer Heizfläche hintereinander angeordnet sind, so daß das Druckniveau schrittweise erhöht werden kann.

5. Statische Mikropumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Pumpe mehrere strukturierte Siliziumschichten enthält, die durch anodisches Bonden miteinander verbunden sind.

6. Statische Mikropumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Chips, aus denen die Pumpe aufgebaut ist, die Ansteuerung und die Anschlüsse dafür enthält, wodurch die Ansteuerung über wenige Anschlüsse möglich wird.

7. Statische Mikropumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem die Verdampfung auslösenden elektrischen Heizimpuls, Heizimpulse vorgelagert werden, ohne daß die Verdampfung ausgelöst wird, um mehr Wärme in die Flüssigkeit zu bringen und damit den Wirkungsgrad zu erhöhen.

8. Statische Mikropumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Verdampfungserkennung vorgesehen werden, um abhängig davon die Heizimpuls beenden zu können und damit den Wirkungsgrad zu erhöhen und Störungen zu erkennen und melden zu können.