EP0722538B1 - Micro-diaphragm pump - Google Patents

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EP0722538B1
EP0722538B1 EP19940927548 EP94927548A EP0722538B1 EP 0722538 B1 EP0722538 B1 EP 0722538B1 EP 19940927548 EP19940927548 EP 19940927548 EP 94927548 A EP94927548 A EP 94927548A EP 0722538 B1 EP0722538 B1 EP 0722538B1
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EP
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valve
pump
membrane
chamber
characterised
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EP19940927548
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EP0722538A1 (en
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Richard Rapp
Helmut Kalb
Walter Stark
Dieter Seidel
Hans Biedermann
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Buerkert & Co Kg GmbH
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Original Assignee
Buerkert & Co KG GmbH
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/02Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B43/04Pumps having electric drive
    • F04B43/043Micropumps

Abstract

The invention relates to a micro-diaphragm pump consisting of two valve chambers, a pump chamber between them, each valve chamber being connected to the pump chamber by a channel, a pump drive and a diaphragm sealing the three chambers. The diaphragm has an inlet valve in the region of one valve chamber and an outlet valve in the region of the other. The aim of the invention is to design a pump in such a way that both valves may be fitted on the same side of the diaphragm and substantially to simplify the construction process of the pump body. For this purpose, the valves are integrated into the diaphragm and the valve component structures on the diaphragm are on the same side thereof, and a pump body containing the pump and valve chambers is made in one piece.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Mikromembranpumpe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie sie aus dem Tagungsband s. The invention relates to a micro-diaphragm pump according to the preamble of patent claim 1, as known from the Proceedings s. 124 bis 133 des 3. Symposiums Mikrosystemtechnik, FH Regensburg, 17. bis 18.02.1993 bekannt ist. 124 to 133 of the 3rd Symposium Microsystems Engineering, FH Regensburg, 17, is known to 18.02.1993.
  • Mikropumpen werden bislang fast ausschließlich in Silizium-Technologie gefertigt, wobei jeweils ein oder mehrere strukturierte Wafer aus Silizium und Glas durch anodisches Bonden miteinander verbunden werden. Micropumps have hitherto been manufactured almost exclusively in silicon technology, wherein one or more structured wafers of silicon and glass are bonded together by anodic bonding. Somit besteht auch die Pumpenmembran aus einem dieser Materialien. Thus, the pump diaphragm is made of one of these materials.
  • Aus J. Uhlemann, T. Wetzig, W. Rotsch, "Montagetechnologie strukturierter Flächenelemente am Beispiel einer Mikropumpe", 1. Symposium Mikrosystemtechnik, FH Regensburg, (1991), ist eine Pumpe mit einer Glasmembran bekannt. From J. Uhlemann, T. Wetzig, W. Rotsch, "assembly technology textured surface elements using the example of a micro-pump", 1st Symposium Microsystems Electronics, FH Regensburg (1991), a pump with a glass membrane is known.
  • Des weiteren ist aus FCM van de Pol, "A pump based on micro engineering techniques", University of Twente, (1989) eine Pumpe mit einer Membran aus einkristallinem Silizium und aus S. Shoji, M. Esashi, "Fabrication of a micropump integrated chemical analizing systems", Electronics and Communication in Japan, Teil 2, vol. Furthermore, from FCM van de Pol, "A pump based on microEngineering techniques", University of Twente, (1989), a pump with a diaphragm of monocrystalline silicon and S. Shoji, M. Esashi, "Fabrication of a micro pump integrated chemical analizing systems ", Electronics and Communication in Japan, part 2, vol. 72, Nr. 10, (1989), pp. 72, no. 10, (1989), pp. 52-59 eine Pumpe mit einem Ventil aus Polysilizium bekannt. 52-59, a pump with a valve of polysilicon known.
  • Aufgrund der Herstellungstechnik sind die Membranen aus Silizium ca. 20 µm und diejenigen aus Glas mindestens 40 µm dick, so daß nur geringe Membranauslenkungen von maximal 25 µm erzielt wurden. Due to the manufacturing technique, the membranes are made of silicon about 20 microns and those made of glass at least 40 microns thick, so that only small diaphragm deflections of up to 25 microns were obtained. Zudem resultieren aus der Bindung an die Kristallebenen beim anisotropen Ätzen des einkristallinen Siliziums Pumpenmenbranen mit eingeschränkten Geometrien, z. In addition, resulting from the binding to the crystal planes of the anisotropic etching of the monocrystalline silicon with Pumpenmenbranen confined geometries, z. B. eine quadratische Membrane. As a square membrane. Diese führen zu einer inhomogenen Spannungsverteilung bei der Membranauslenkung, wodurch die zulässigen Auslenkungen zusätzlich begrenzt werden. This lead to an inhomogeneous stress distribution in the membrane displacement, whereby the permissible deflections are also limited. Zur Membranauslenkung sind entsprechend dem Membranmaterial und der Membrandicke große Aktordrücke erforderlich. To diaphragm deflection the membrane material and the membrane thickness large Aktordrücke are accordingly required.
  • Die Funktion der Ventile aus Silizium beruht auf der Auslenkung einer Biegezunge, die eine Öffnung freigibt bzw. verschließt. The function of the valves of silicon based on the deflection of a flexible tongue, which releases or closes an opening. Die Biegezunge besteht aus Silizium und wird durch die über ihr abfallende Druckdifferenz elastisch verformt. The flexible tongue is made of silicon and is elastically deformed by the voltage drop across their pressure difference. Um ausreichende Durchflüsse zu gewährleisten, müssen die Ventile wegen des hohen Elastizitätsmoduls von Silizium entsprechend groß (2 - 8 mm Durchmesser) dimensioniert werden. To ensure adequate flow rates, the valves must because of the high modulus of elasticity of silicon correspondingly large - be dimensioned (2 8 mm diameter). Alle auf der Basis von Silizium gefertigten Pumpen werden mit Flüssigkeiten als Fördermedium betrieben. Manufactured on the basis of silicon pumps are operated with fluids as the conveying medium. Die Flüssigkeiten müssen dabei weitgehend partikelfrei sein, damit Ventilfunktionen, wie z. The liquids having to be largely free of particles so that valve functions such. B. dichtes Schließen, nicht beeinträchtigt werden. B. tight closure, are not affected. Da Silizium ein hydrophobes Material ist, bereitet die erstmalige Befüllung von Pumpen mit Wasser Schwierigkeiten. Since silicon is a hydrophobic material, the first fill of pumping difficulties with water. Für die Förderung von Gasen ist bislang eine funktionierende Mikropumpe bekannt. For the delivery of gases a working micropump is not yet known.
  • Daneben gibt es Mikropumpen, die ohne bewegliche Teile auskommen. There are also micro-pumps, which have no moving parts. Sie beruhen auf dem elektrohydrodynamischen Prinzip, wie es aus A. Richter et al., Elektrohydrodynamische Mikropumpen, VDI-Berichte 960, 1992, pp 235-249, bekannt ist. They are based on the electro-hydrodynamic principle, as is known from A. Richter et al., Electric Hydrodynamic micropumps, VDI Reports 960, 1992, pp 235-249.
  • Mit dieser Pumpe können jedoch nur organische Lösungsmittel geringer elektrischer Leitfähigkeit, wie z. This pump, however, only organic solvent of low electrical conductivity can such. B. Ethanol, gepumpt werden. Example, ethanol, to be pumped. So können wäßrige Lösungen, wie sie z. Thus aqueous solutions as such. B. für die Medizintechnik benötigt werden, oder Gase nicht gepumpt werden. As for medical technology are needed, or gases are not pumped.
  • Ein Nachteil der gattungsgemäßen Pumpe besteht darin, daß bei ihrer Herstellung eines der beiden Ventile gesondert gefertigt, vereinzelt und an der dem ersten Ventil gegenüberliegenden Seite der Membran befestigt werden muß. A disadvantage of the aforementioned pump is that manufactured separately in their manufacture one of the two valves, separated and must be fastened to the side opposite the first side of the valve membrane. Dazu ist ein erhöhter Montage- und Justieraufwand erforderlich. To an increased installation and adjustment is required.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Pumpe der gattungsgemäßen Art so zu gestalten, daß beide Ventile auf der gleichen Seite der Membran aufgebaut werden können, und der Fertigungsprozeß für die Pumpenkörper wesentlich vereinfacht werden kann. The object of the invention is to design a pump of the generic type so that both valves may be built on the same side of the membrane, and the manufacturing process for the pump body can be considerably simplified.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. This object is achieved by the characterizing features of patent claim 1.
  • Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. The dependent claims describe advantageous embodiments of the invention.
  • Vorteile der Erfindung sind: Advantages of the invention are:
    • Kostensenkung bei der Herstellung, durch deutlich verringerten Fertigungsaufwand Cost reduction in the manufacture, due to significantly reduced production costs
    • Verbesserung von Ausbeute und Qualität, Improvement of yield and quality,
    • optische Kontrolle des Fördervorgangs über eine durchsichtige Abschlußplatte aus Glas oder Pumpenkörper aus durchsichtigen Kunststoffen wie PMMA oder PVDF, optical control of the conveying process by a transparent cover plate made of glass or pump body of transparent plastics such as PMMA or PVDF,
    • kostengünstige Massenherstellung, da Batchfabrikation von wesentlichen Teilkomponenten der Pumpe möglich ist, cost mass production because of batch fabrication substantial portion of components of the pump is possible,
    • parallele Abformung der Pumpenkörper aus chemisch beständigen, inerten Kunststoffen wie PVDF, PFA oder PTFE, parallel impression of the pump body from chemically resistant, inert plastics such as PVDF, PFA or PTFE,
    • Herstellung der Membran und der Ventile in Dünnfilmtechnik mittels optischer Lithografie. Preparation of the membrane and the valves in thin-film technique using optical lithography.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand zweier Ausführungsbeispiele und der Figuren 1 bis 4 näher erläutert. The invention is explained below with reference to two exemplary embodiments and the Figures 1 to 4 in greater detail.
  • Dabei zeigt die Fig. 1 den schematischen Querschnitt einer Pumpe mit zwei Ventilen unterschiedlicher Steifigkeit und die Fig. 2 den schematischen Querschnitt einer Pumpe mit zwei gleichen Ventilen . The Figure 1. 2 shows the schematic cross-section of a pump with two valves of different stiffness and the Fig. The schematic cross section of a pump with two identical valves.
  • Die Fig. 3 zeigt den schematischen Aufbau eines besonders vorteilhaften Ventils und die Fig. 4 ein Bemaßungsbeispiel. Fig. 3 shows the schematic structure of a particularly advantageous valve and Fig. 4 is a Bemaßungsbeispiel.
  • Der obere Teil der Fig. 1 zeigt den unteren Pumpenkörper 1, welcher nach oben dicht mit der Membran 2 abgeschlossen ist. The upper part of Fig. 1 showing the lower pump body 1 which is closed at the top tightly with the membrane 2. Auf dieser sitzt dicht mit ihr verbunden (z. B. durch Kleben) der obere Pumpenkörper 3. Der untere Pumpenkörper enthält die beiden Ventilkammern 4, 5, die Pumpenkammer 6 sowie die beiden Kanäle 9, 10, welche die beiden Ventilkammern mit der Pumpenkammer verbinden. On this fits tightly with it connected (eg. As by gluing) of the upper pump body 3. The lower pump body containing the two valve chambers 4, 5, the pump chamber 6 as well as the two channels 9, 10, which connect the two valve chambers with the pumping chamber ,
  • Die Membran 2 enthält links das Einlaßventil 7 und rechts das Auslaßventil 8. Der Membranbereich oberhalb der Pumpenkammer 6 dient als Pumpenantrieb. The diaphragm 2 on the left contains the inlet valve 7 and the right exhaust valve 8. The membrane area above the pump chamber 6 serves as pump drive.
  • Der obere Pumpenkörper 3 enthält Einlaß - und Auslaßkanal 11, 12 für das zu fördernde Medium sowie eine Kammer für den Pumpenantrieb 13. Im Falle eines pneumatischen Antriebs ist, wie hier dargestellt, eine Zuleitung für das Antriebsmedium vorgesehen, welches durch seine Druckänderungen die Pumpe antreibt. The upper pump body 3 includes inlet - and outlet port 11, 12 for the medium to be conveyed and a chamber for the pump drive 13. In the case of a pneumatic drive, a feed line for the driving medium is as shown here, is provided, which drives through its pressure changes, the pump ,
  • Die beiden Ventile 7, 8 sind im unteren Teil der Figur vergrößert dargestellt. The two valves 7, 8 are shown in the lower part of the figure increases. Dabei sind die Ventile so ausgelegt, daß die Steifigkeit des auf die Membran 2 strukturierten Teils des Ventils 8 größer und die Steifigkeit des auf die Membran 2 strukturierten Teils des Ventils 7 kleiner ist als die der Membran. The valves are designed so that the rigidity of the structured onto the membrane 2 of the valve member 8 is larger and the rigidity of the structured onto the membrane 2 of the valve member 7 is smaller than that of the membrane. Überdruck in der Pumpenkammer 6 öffnet daher das Ventil 8 und schließt das Ventil 7 und Unterdruck in der Pumpenkammer 6 öffnet das Ventil 7 und schließt das Ventil 8. Die Dimensionierung der Ventile wird unten näher erläutert. Therefore, positive pressure in the pump chamber 6 opens the valve 8 and closes the valve 7 and negative pressure in the pump chamber 6 opens the valve 7 and closes the valve 8. The dimensioning of the valves will be explained in more detail below.
  • Beim Beispiel von Fig. 2 sind die vergrößert dargestellten Ventile 7, 8 identisch aufgebaut. In the example of FIG. 2, the valves 7 increases shown are constructed identically 8. Die dargestellte Pumpe unterscheidet sich von der Pumpe von Fig. 1 nur im Bereich des Auslaßventils 8. An den Kanal 10 schließt sich vor dem Ventil 8 der Umlenkkanal 14 an, welcher die Membran 2 durchbricht und welcher dazu dient den Medienstrom auf die andere Seite des Ventils 8 zu lenken. The illustrated pump differs from the pump of FIG. 1 only in the area of ​​the exhaust valve 8 to the channel 10 joins in front of the valve 8 of the diverter passage 14, which the membrane breaks 2 and which serves the media stream to the other side of the valve 8 to steer. Die Ventilkammer 5 ist über den Umlenkkanal 15, welcher ebenfalls die Membran durchbricht, mit dem Auslaßkanal 12 verbunden. The valve chamber 5 is connected via the deflecting channel 15 which also breaks through the membrane to the outlet channel 12th Anstatt des Umlenkkanals 15 kann der Auslaßkanal 12 auch nach unten herausgeführt werden. Instead of the deflection channel 15 of the outlet duct can be led out downward 12th
    Die Pfeile bei beiden Figuren zeigen die Richtung des geförderten Mediums an. The arrows in both figures indicate the direction of the conveyed medium.
  • Die Fig. 3 zeigt ein Ventil, welches den Merkmalen des Ventils der Fig. 3 b der DE 41 39 668 Al entspricht. FIG. 3 shows a valve corresponding to the characteristics of the valve of Fig. 3 b of DE 41 39 668 Al. Die Membran 2 entspricht dabei dem Ventilsitz 3 und das Ventil 7, 8 dem Ventilkörper 6. Das hier beschriebene Ventil zeichnet sich durch eine vorteilhafte Formgebung der Öffnungen in Membran 2 und Ventil 7, 8 aus. The membrane 2 corresponds to the valve seat 3 and the valve 7, 8 to the valve body 6. The valve described herein is characterized by an advantageous shaping of the openings in the diaphragm 2 and valve 7. 8 Die Öffnungen in der Membran 2, oben dargestellt, sind drei Schlitze welche einen dreistrahligen Stern in der Membran 2 darstellen. The openings in the membrane 2 illustrated above are representative of three slots a three-beam star in the membrane. 2 Der Verlauf der Schlitze ist ellipsenförmig zum Zentrum des Sterns hin gekrümmt, wobei die durch die großen Halbachsen der ellipsenförmigen Schlitzlinien gelegten Geraden ein gleichseitiges Dreieck bilden. The course of the slots is elliptically curved towards the center of the star, said defined by the semi-major axis of the elliptical slot lines straight form an equilateral triangle. Die Schnitte laufen an ihren Enden jeweils über die Scheitel hinaus und die benachbarten Enden von jeweils zwei Schnitten laufen trichterförmig mit umgebogenem Rand auseinander. The sections run at their ends on the vertex, and also the adjacent ends of two sections running in a funnel shape apart with bent-over edge. Darunter ist der Hohlraum 16 zwischen Membran und Ventil dargestellt, welcher durch das Wegätzen einer dünnen Opferschicht bei der Ventilherstellung entsteht. Including the cavity 16 is shown between the diaphragm and the valve which is formed by etching away a thin sacrificial layer in valve manufacture. Am Rande dieses Hohlraumes sind Membran und Ventil fest miteinander verbunden. On the edge of this cavity and the valve membrane are firmly interconnected. Die Verbindungslinie verläuft entlang des Außenrands der drei Schlitze bis zu deren Enden und von da jeweils in einem nach außen gewölbten Bogen zum benachbarten Ende des benachbarten Schlitzes. The connecting line runs along the outer edge of the three slots until their ends and from there in each case in an outwardly curved arc to the adjacent end of the adjacent slot. Der Hohlraum 16 hat eine dreizählige Drehachse senkrecht zur Zeichenebene und drei zweizählige Drehachsen in der Zeichenebene. The cavity 16 has a threefold rotational axis perpendicular to the plane and three-fold rotation axes in the plane of the drawing.
  • Unten ist ein Ventil 7, 8 dargestellt. Below, a valve 7, 8 is illustrated. Es weist drei Reihen von aufeinander zulaufenden Löchern auf, die über den drei zweizähligen Drehachsen des Hohlraums 16 verlaufen. It has three rows of converging holes which extend over the three twofold axes of rotation of the cavity sixteenth Dabei ist darauf zu achten, daß die Löcher im Ventil 7, 8, bei Berührung von Membran und Ventil im geschlossenen Zustand des Ventils, weit genug von den Schlitzen in der Membran entfernt sind. It is important to ensure that the holes in the valve 7, 8 is removed upon contact with membrane valve and the valve in the closed position, far enough from the slots in the membrane. Dabei sind die Ränder der Löcher mindestens 40 µm von den Schlitzen entfernt. The edges of the holes are at least 40 microns from the slits removed. Nur so ist eine ausreichende Dichtwirkung gewährleistet. Only in this way a sufficient sealing effect is ensured.
  • Im allgemeinen Fall kann auch ein mehr als dreiachsiger Stern gewählt werden. In the general case, a more than three-axis star can be selected.
  • Die Fig. 4 zeigt ein Bemaßungsbeispiel, bei welchem das Ventil, in der Draufsicht dargestellt, aus Polyimid und die Membran aus Titan besteht. FIG. 4 shows a Bemaßungsbeispiel, wherein the valve, shown in the plan view, made of polyimide and the diaphragm consists of titanium. Es sind nur die drei mittleren Ventillöcher eingezeichnet. There are shown only the three middle valve holes. Die übrigen Löcher sind nicht dargestellt, da auf sie bei dieser Metallkombination auch verzichtet werden kann. The remaining holes are not shown, as can also be dispensed with in this metal combination.
  • Dabei betragen: Here are: φp φp 500 µm 500 microns l l 155 µm 155 microns r r 36 µm 36 microns s s 73 µm 73 microns µ 1 μ 1 22 µm 22 microns µ 2 μ 2 55 µm. 55 microns.
  • Ein Ventil mit der Materialkombination Polyimid und Titan kann nach dem in der DE 41 39 668 A1 beschriebenen Verfahren hergestellt werden. A valve with the material combination of polyimide and titanium can be prepared by the process described in DE 41 39 668 A1 method.
  • Um Ventile zu erhalten, bei welchen die Titanmembran die leichter dehnbare Membran ist, wird die Polyimidmembran durch eine dickere, galvanisierte Schicht ersetzt. In order to obtain the valves, in which the titanium membrane, the membrane is more readily extensible, the polyimide membrane is replaced by a thicker, galvanized layer. Als Galvanikmaterial wird Nickel verwendet, da dieses mit 200 GPa von den verfügbaren Galvanikmaterialien mit Abstand den größten Elastizitätsmodul besitzt. As galvanizing material nickel is used because it has 200 GPa of the available electroplating materials by far the largest modulus of elasticity.
  • Gegenüber Titan besitzt Nickel, aufgrund eines 1,5-fach größeren Biaxialmoduls E/(1-γ), bei gleicher Dicke und Geometrie eine größere Biegesteifigkeit. Compared to titanium nickel has, due to a 1.5-fold greater Biaxialmoduls E / (1-γ), with the same thickness and geometry of a greater bending stiffness. Wählt man zudem für Nickel eine deutlich größere Dicke als die 2,7 µm des Titans, so wird bei Anliegen eines Differenzdrucks die Titanmembran stärker gedehnt als die Nickelschicht. In addition, one selects for nickel a significantly greater thickness than the 2.7 microns of titanium, then the titanium membrane stretched upon application of a differential pressure more strongly than the nickel layer.
  • Analog zum Herstellungsprozeß gemäß DE 41 39 668 A1 wird auf eine strukturierte Titanmembran eine Opferschicht aufgebracht und ebenfalls strukturiert. Following production process according to DE 41 39 668 A1 is deposited a sacrificial layer on a structured titanium membrane and also structured. Anschließend werden abweichend von DE 41 39 668 Al in zwei Arbeitsgängen jeweils 16 µm Fotolack aufgeschleudert und lichtoptisch strukturiert. each 16 micron photoresist are then deviating from DE 41 39 668 Al in two steps spun on and light-optically structured. Dann erfolgt, unter Verwendung von KOH, die Entwicklung des Fotolacks im Maschinenentwickler. Then the development of the photoresist is performed using KOH, machine developers. Danach wird der strukturierte Fotolack galvanisch aufgefüllt. After that, the patterned photoresist is galvanically filled. Anschließend kann der Fotolack mit Azeton entfernt und die Opferschicht herausgelöst werden. Then, the photoresist can be removed with acetone and the sacrificial layer is dissolved out. Um ein Einzelventil zu erhalten wird dann ein Rahmen aufgebracht, um ihn herum die Titanmembran durchtrennt und das Ventil vom Siliziumsubstrat gelöst. A single valve to obtain a frame is then applied to the titanium diaphragm is severed around it and the valve separated from the silicon substrate. Abschließend kann noch die Kohlenstoffschicht in einem Sauerstoffplasma entfernt werden. Finally, the carbon layer can also be removed in an oxygen plasma.
  • Für die verschiedenen möglichen Materialkombinationen können aus den unten angegebenen Formeln 1 bis 5 Hinweise für die Konstruktion entnommen werden. For the various possible combinations of materials 1 to 5 during the construction can be seen from the formulas below.
  • Dabei bedeuten mean while Index M Index M Membranwerkstoff (z. B. Ti) Membrane material (eg., Ti) Index S/E Index S / E Ventilwerkstoff am Einlaßventil (z. B. PI) Valve material at the inlet valve (z. B. PI) Index S/A Index S / A Ventilwerkstoff am Auslaßventil (z. B. Ni) Valve material at the outlet valve (z. B. Ni) Δp Ap Druckdifferenz pressure difference E'=E/1-ν E '= E / 1-ν Biaxialmodul Biaxialmodul a a Membranradius bei runder Membran Membrane radius for circular membrane d d Membrandicke membrane thickness Y Y Geometriefaktor des Membrandesigns Geometry factor of the membrane designs ω ω Membranauslenkung cone excursion ν ν Querkontraktionszahl Poisson's ratio E e Elastizitätsmodul modulus of elasticity σ o σ o Eigenspannung der Membran Residual stress of the membrane
    ω ω S/E S / E - ω - ω M/E M / E = ω = ω M/A M / A S/A S / A
    Figure imgb0001
    Δp = Ap = 4d 4d a a 2 2 σ σ o O ·ω+ · Ω + 8d 8d 3a 3a 4 4 E'ω E'ω 3 3
    Figure imgb0002
    ω= ω = 3 3 8 8th a a 4 4 Y Y d d 1 1 E' e ' Δp Ap 3 3
    Figure imgb0003
    aus (1) und (3): of (1) and (3):
    Figure imgb0004
    mit: With: E' e ' M/E M / E = E' = E ' M/A M / A = E' = E ' M M
    Figure imgb0005
    d d M/E M / E = d = d M/A M / A = d = d M M
    Figure imgb0006
    a a S/E S / E = a = a M/E M / E
    Figure imgb0007
    a a S/A S / A = a = a M/A M / A
    Figure imgb0008
    Wegen der Forderung gleicher lateraler Ventilgrößen gilt: Because of the requirement of equal lateral valve sizes shall apply: a a S/E S / E = a = a M/E M / E = a = a S/A S / A = a = a M/A M / A
    Figure imgb0009
    damit in order to
    Figure imgb0010
  • Variante A: Option A:
    Beide Ventile bis auf die Dicke geometrisch gleich Both valves are geometrically identical except for the thickness Y Y M/E M / E d d S/A S / A ·E · e S/A S / A ' ' 1/3 3.1 = = 1 1 E e M M ' ' ·d · d M M 1/3 3.1 ·(Y · (Y S/E S / E 1/3 3.1 +Y + Y M/E M / E 1/3 3.1 )- ) - Y Y d d S/E S / E ·E · e S/E S / E ' ' 1/3 3.1
    Figure imgb0011
  • Variante B: Option B:
    Gleiche Ventilwerkstoffe und Ventildicken Same valve materials and valve thicknesses Y Y S/A S / A d d S S ·E · e S S ' ' 1/3 3.1 = = 1 1 E e M M ' ' ·d · d M M 1/3 3.1 ·(Y · (Y M/A M / A 1/3 3.1 +Y + Y M/E M / E 1/3 3.1 )- ) - Y Y d d S S ·E · e S S ' ' 1/3 3.1
    Figure imgb0012
    und daraus durch einfache Umformung: and therefrom by simple transformation: 1 1 E e S S ' ' ·d · d S S 1/3 3.1 ·(Y · (Y S/A S / A 1/3 3.1 +Y + Y S/E S / E 1/3 3.1 )= ) = 1 1 E e M M ' ' ·d · d M M 1/3 3.1 ·(Y · (Y M/A M / A 1/3 3.1 +Y + Y M/E M / E 1/3 3.1 ) )
    Figure imgb0013
  • Um die Ventilcharakteristik verschiedener Membranventile, bestehend aus zwei Membranen miteinander vergleichen zu können, werden folgende Annahmen gemacht: The valve characteristic of various diaphragm valves to compare consisting of two membranes together are made the following assumptions:
    • 1. Die Ventilcharakteristik wird ua durch den Abstand zwischen den beiden Ventilmembranen unter Druckbeaufschlagung bestimmt. 1. The valve characteristic is determined inter alia by the distance between the two valve membranes under pressure. Zur Erzielung der identischen Ventilcharakteristik zweier Ventile muß der Membranabstand unter Druckbeaufschlagung identisch sein (Gl. 1). In order to obtain the identical valve characteristics of two valves of the membrane under pressure be distance (Eq. 1) must be identical.
    • 2. An beiden Ventilmembranen fällt derselbe Differenzdruck ab. 2. the same differential pressure drops on both valve diaphragms.
  • Die Formel für die Auslenkung einer runden Membran (ohne Öffnungen) unter Druckbeaufschlagung ist durch Gl. The formula for the deflection of a circular diaphragm (without openings) under pressure is given by Eq. 2 gegeben. 2 is given. Hieraus ergibt sich für die Membranauslenkung Gl. It follows the diaphragm deflection Eq. 3, wobei: 3, wherein:
    • Eigenspannungen der Membran nicht berücksichtigt wurden. Stresses the membrane were not considered.
    • Abweichungen des Ventildesigns von einer runden Geometrie sowie Öffnungen in der Ventilmembran werden durch den Geometriefaktor Y berücksichtigt. Deviations of the valve designs of a circular geometry as well as openings in the valve membrane are taken into account by the geometry factor Y.
  • Aus Gl. From Eq. 1 ergibt sich unter Einsetzen von Gl. 1 is obtained by substituting Eq. 3 die Gl. 3, the Eq. 4. Diese vereinfacht sich zu Gl. 4. This simplifies to Eq. 5, wenn berücksichtigt wird, daß: 5, if it is considered that:
    • eine der Membranen (Bsp. Ti-Membran) am Ein- und Auslaß aus demselben Material ist und dieselbe Dicke besitzt (Gl. 4a bzw. Gl. 4b), one of the membranes (eg. Ti-membrane) is at the inlet and outlet of the same material and has the same thickness (Eq. 4a and Eq. 4b)
    • die Außenabmessungen aller Membranen (Ventile) identisch sind (Gl. 4c - e). the external dimensions of all membranes (valves) are identical (Gl 4c -. e).
  • Variante A: Option A:
    Ein- und Auslaßventil unterscheiden sich, bei geometrisch identischem Ventildesign, in einem der Membranwerkstoffe. , Inlet and outlet valves differ with geometrically identical valve design, in any of the membrane materials.
  • Beispiel: Example:
    Einlaßventil: Titan- und Polyimidmembran Inlet valve: Titanium and polyimide
    Auslaßventil: Nickel- und Titanmembran. Exhaust valve: nickel and titanium diaphragm.
  • Da beide Ventile vom Design her identisch aufgebaut sind, benötigt man in Gl. Since both valves are built by design, identical, are needed in Eq. 5 nur noch zwei unterschiedliche Geometriefaktoren für die beiden Ventilmembranen. 5 only two different geometry factors for the two valve diaphragms. Somit ergibt sich Gl. Thus, equation results. 5a. 5a. Sind beide Ventilmembranen vom Design her identisch (identische Membranöffnungen, die gegeneinander verdreht sind), so entfallen alle Geometriefaktoren in Gl. Are both valve diaphragms, by design, identical (identical membrane openings turned against each other), so eliminated all geometric factors in Eq. 5a. 5a.
  • Variante B: Option B:
    Gleiche Membranwerkstoffe bei unterschiedlicher Formsteifigkeit (verschiedene Designs) der Ventilmembranen. Same membrane materials with different flexibility (different styles) of the valve membranes.
  • Beispiel: Example:
    Ein- und Auslaßventil bestehen aus je einer Titan- und Polyimidmembran. Inlet and outlet valves each comprise a titanium compound and polyimide. Sowohl die Dicke der Titan- als auch Polyimidmembran ist bei beiden Ventilen fertigungsbedingt identisch. Both the thickness of the titanium and polyimide membrane is both valves manufacturing reasons identical. Ein- und Auslaßventil unterscheiden sich jedoch in den Geometriefaktoren. However, inlet and outlet valves differ in the geometry factors.
  • Hiermit ergibt sich Gl. This results in Eq. 5b1 und durch einfachste Rechenoperationen Gl. 5b1 and simple arithmetic operations Eq. 5b2. 5b2.
  • Variante C: Variant C:
    Unterschiedliche Membranwerkstoffe und unterschiedliche Formsteifigkeit (Ventildesign) von Ein- und Auslaßventil. Different membrane materials and different stiffness (valve design) of inlet and outlet valves.
  • Es gilt Gl. It is Eq. 5 mit 4 unterschiedlichen Geometriefaktoren. 5 with 4 different geometry factors.
  • Die Nickelmembrane wurde möglichst biegesteif ausgeführt. The nickel membrane was resistant to bending as possible. D. h. D. h. es wurde eine gegenüber dem Titan größere Dicke der Membran (10 µm) gewählt. it was chosen over the titanium greater thickness of the membrane (10 microns). Zudem enthält die Membran lediglich kleine Löcher, so daß neben der ohnehin guten Materialsteifigkeit (gegeben durch den Biaxialmodul) eine hohe Formsteifigkeit erhalten wird. In addition, the membrane contains only small holes, so that in addition to the already good material rigidity (given by the Biaxialmodul) has a high stiffness is obtained.
  • Dagegen muß die Titanmembran, die an sich eine hohe Materialsteifigkeit aufweist (die allerdings kleiner ist, als die des Nickel), so strukturiert werden, daß die Formsteifigkeit der Membran sehr gering wird. In contrast, the titanium membrane which per se has a high rigidity material must (which is however smaller than that of nickel) are structured so that the stiffness of the membrane is very low. Dies wird dadurch erreicht, daß in der Titanmembran eine Tripol-ähnliche Struktur erzeugt wird. This is achieved in that a tripole-like structure is produced in the titanium diaphragm. Die Arme des Tripols sind schmal und damit biegeweich. The arms of the three-pole device are narrow and thus to bending. Bei der Wahl der Außenkontur wurde darauf geachtet, daß Kerbspannungen geringgehalten werden. When choosing the outer contour has been taken to ensure that notch stresses are kept low. Dies muß berücksichtigt werden, da andernfalls hohe Spannungen in der dünnen Titanmembran auftreten können, die die Bildung von Rissen und deren Fortschreiten entlang der strukturierten Schlitze bewirken würden, die die Tripolstruktur begrenzen und definieren. This must be taken into account, since high stresses in the thin titanium membrane may otherwise occur that would cause formation of cracks and their progress along the structured slots which limit the Tripolstruktur and define. Außerhalb der strukturierten Tripole sind Titan und Nickel fest miteinander verbunden, so daß eine "Hubbewegung" allein auf den Bereich der Tripole begrenzt bleibt. Outside the structured Tripole titanium and nickel are firmly interconnected so that a "reciprocating motion" is limited only to the area of ​​Tripole.
  • Möglichkeit 2: Option 2:
    Identische Ein- und Auslaßventile, wobei eine Umlenkung des Fördermediums durch eine zusätzliche Öffnung in der Membran an einem Anschluß erfolgt. Identical intake and exhaust valves, wherein a deflection of the conveying medium is effected by an additional opening in the membrane at a terminal.
  • Bei der Verwendung identischer Ventile ist eine Anströmung jeweils von derselben Ventilseite her notwendig. In the use of identical valves The flow to each of the same valve side is necessary. Deshalb muß das Fördermedium an einem Ventil in eine weitere Ebene umgelenkt werden. Therefore, the pumped liquid must be deflected to a valve in a further level. Teil 3 kann wiederum eine Mikrostruktur sein, die nach dem LIGA-Verfahren oder anderen Strukturierungsverfahren hergestellt wird. Part 3 can in turn be a microstructure, which is manufactured by the LIGA method or other patterning methods. Sie kann zusätzlich den Antrieb der Pumpe (thermopneumatisch, oder Anschlüsse für pneumatischen Antrieb) beinhalten. It may additionally driving the pump (thermopneumatically, or connections for pneumatic drive) include. Ob die Umlenkung am Einlaß- oder Auslaßventil erfolgt, hängt vom verwendeten Ventil und der Einbaulage des Ventils ab. Whether the deflection takes place at the intake or exhaust valve depends on the valve used and the installation position of the valve. Wenn die Ventile aus je einer Titan und Polyimidmembran bestehen und die Titanmembran gleichzeitig als Pumpenmembran dient, auf der die Wände der Pumpenkammer als LIGA-Struktur aufgebaut werden; When the valves of each of a polyimide membrane made of titanium and titanium and the membrane serves as the pump diaphragm, on the walls of the pump chamber are constructed as LIGA structure; dann muß z. then z must. B. die Umlenkung am Auslaßventil erfolgen. B. carried out the deflection at the outlet. Ebenso sind folgende Materialkombinationen für Membran und Ventile denkbar: Similarly, the following combinations of materials for the membrane and the valves are conceivable:
    • Titan/Nickel; Titanium / nickel;
    • Polyimid/Gold. Polyimide / gold.
  • Die letztere Variante hat den Vorteil, daß damit als Pumpenmembran eine extrem elastische Polyimidmembran zur Verfügung steht. The latter variant has the advantage that it is available as a pump diaphragm an extremely elastic polyimide.
  • Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Pumpenkörper 1, 3 als Kunststoffteile aus einem einzigen Werkstoff, z. Another possibility consists in the pump body 1, 3 and plastic parts of a single material, eg. B. durch Kunststoffabformung herzustellen. produce, by plastic molding. Die Formen für diese Kunststoffteile können je nach den gewünschten Abmessungen der Pumpenkörper über feinwerktechnische Verfahren oder nach dem LIGA-Verfahren gefertigt werden. The forms for these plastic parts can be manufactured via precision engineering process or the LIGA process depending on the desired dimensions of the pump body. Von den Pumpenkörpern 1, 2 kann einer oder beide aus Metall gefertigt sein. Of the pump bodies 1, 2 may be made of metal, one or both. Anstatt auf der Membran 2 die Wände des Pumpenkörpers 1 aufzubauen und den Pumpenkörper dann über das Montieren einer Abschlußplatte zu verschließen, kann die Membran (mit den Ventilen) auf den fertiggestellten Pumpenkörper montiert werden, z. Rather than build up on the membrane 2, the walls of the pump body 1, and then to close the pump body by mounting an end plate, the membrane can be mounted (with the valves) on the finished pump body, z. B. durch Kleben oder Verschweißen. For example, by gluing or welding. Dies hat gegenüber der aus gattungsgemäßen Pumpe den Vorteil, daß keine weiteren Strukturen auf der Membran aufgebaut werden müssen. This has the advantage over the out generic pump has the advantage that no additional structures must be built up on the membrane.
  • Die Pumpenkörper 1, 3 enthalten zusätzlich die fluidischen Anschlüsse zu Ein- und Auslaßventil 4, 5, die Umlenkkanäle 14, 15 und eine weitere Kammer mit Anschluß oberhalb der Pumpenkammer 6 für einen z. The pump body 1, 3 also contain the fluidic connections to inlet and outlet valves 4, 5, the deflection channels 14, 15 and a further chamber with a connection above the pump chamber 6 for example. B. pneumatischen Pumpenantrieb. B. pneumatic pump drive.
  • Bezugszeichenliste: LIST OF REFERENCE NUMBERS
  • 1 1
    Unterer Pumpenkörper Lower pump body
    2 2
    Membran membrane
    3 3
    Oberer Pumpenkörper Upper pump body
    4 4
    Ventilkammer (Einlaß) Valve chamber (inlet)
    5 5
    Ventilkammer (Auslaß) Valve chamber (outlet)
    6 6
    Pumpenkammer pump chamber
    7 7
    Ventil (Einlaß) Valve (inlet)
    8 8th
    Ventil (Auslaß) Valve (outlet)
    9 9
    Kanal channel
    10 10
    Kanal channel
    11 11
    Einlaßkanal intake port
    12 12
    Auslaßkanal outlet channel
    13 13
    Pumpenantrieb pump drive
    14 14
    Umlenkkanal diversion channel
    15 15
    Umlenkkanal diversion channel
    16 16
    Ventilhohlraum valve cavity

Claims (9)

  1. Micromembrane pump consisting of two valve chambers, a pump chamber arranged in-between with each valve chamber being connected to the pump chamber via a channel, a pump drive and a membrane for sealing the three chambers, which is carrying an inlet valve in the area of one valve chamber and an outlet valve in the area of the other valve chamber. The inlet valve is structured onto the membrane. This micromembrane pump is characterised by
    a) the parts of the valves (7, 8), which are structured onto the membrane (2), being located on the same side of the membrane and by
    b) all chambers and feed lines required for pump operation being structured into a lower pump body (1) and an upper pump body (3), both of which are connected tightly with the membrane (2).
  2. Micromembrane pump according to claim 1, characterised by both valves (7, 8) being of identical design and by a deflection channel (14) being arranged near one valve chamber for leading the medium flow to the other side of the membrane.
  3. Micromembrane pump according to claim 1, characterised by the stiffness of the part of one valve structured onto the membrane (2) being larger and the stiffness of the part of the other valve structured onto the membrane (2) being smaller than the stiffness of the membrane itself.
  4. Micromembrane pump according to one of the claims 1 to 3, characterised by the valves (7, 8) being equipped with at least three rows of holes leading towards each other and by the membrane (2) being provided with at least three inward bent slits in the area of the valves (7, 8).
  5. Micromembrane pump according to one of the claims 1 to 4, characterised by the pump body (1) accommodating the pump chamber (6) and the valve chambers (4, 5) being made of a plastic material.
  6. Micromembrane pump according to one of the claims 1 to 4, characterised by the pump body (1) accommodating the pump chamber (6) and the valve chambers (4, 5) being made of a metal material.
  7. Micromembrane pump according to one of the claims 1 to 6, characterised by the membrane (2) being made of polyimide.
  8. Micromembrane pump according to one of the claims 1 to 6, characterised by the membrane (2) being made of a metal.
  9. Micromembrane pump according to one of the claims 1 to 8, characterised by the pump body (1) accommodating the pump chamber (6) and the valve chambers (4, 5) consisting of a single piece.
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