EP0844395B1 - Bidirektionale dynamische Mikropumpe - Google Patents

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EP0844395B1
EP0844395B1 EP97119955A EP97119955A EP0844395B1 EP 0844395 B1 EP0844395 B1 EP 0844395B1 EP 97119955 A EP97119955 A EP 97119955A EP 97119955 A EP97119955 A EP 97119955A EP 0844395 B1 EP0844395 B1 EP 0844395B1
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flow
channels
bidirectional dynamic
flank
micropump according
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Peter Heun
Holger Klingner
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HEUN, PETER
KLINGNER, HOLGER
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/02—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B43/04—Pumps having electric drive
    • F04B43/043—Micropumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B53/00—Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
    • F04B53/10—Valves; Arrangement of valves
    • F04B53/1077—Flow resistance valves, e.g. without moving parts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B2203/00—Motor parameters
    • F04B2203/04—Motor parameters of linear electric motors
    • F04B2203/0409—Linear speed

Definitions

  • the invention relates to a bidirectional dynamic micropump for small quantities of liquid, in the case of simple means, the fluid flow in quantity and direction variable is etched into a silicon wafer.
  • bidirectional pumps in which an undirected volume flow is generated, which is given by suitable measures a variable direction can be.
  • the volume flow by volume change a chamber, usually by using pumping membranes; reached and the direction is determined by actively controlled mechanical Intake and exhaust valves.
  • the disadvantage here is that except the pump drive more Actuators for the valves are required and results in a high control effort.
  • micropumps with directional passive valves which are a preferred Spumpraum own and where a direction reversal by exploitation of resonance phenomena is possible, see for example EP 703364A. These consist of a number very exactly aligned elements / 1 /. The quantity control in the reverse direction is very limited and the possible delivery rate is different from the preferred direction.
  • DE 42 23 019 and DE 44 22 743 are contain dynamic micropumps without mechanical valves based on directional Flow resistances work and a fixed flow direction exhibit.
  • the invention is therefore based on the object with a small number of Functional elements to an easily reproducible miniaturized pumping device too create, with easy tax expense, one in both directions in wide Borders variable fluid flow generated and characterized by very small dimensions distinguished.
  • the solution to this problem consists in a miniaturized arrangement of a Diaphragm pump and two connected flow channels such that due the excitation with special pulses in the flow channels to different Form times different resistance ratios.
  • a structure is introduced into an (100) oriented Si wafer 1 by anisotropic etching, which, together with a glass cover layer 2 applied by anodic bonding, results in an arrangement of pump chamber 4 and channels 7, 8 (FIG. 1).
  • the pumping chamber uses a piezo bimorph system as the drive diaphragm, which is formed by applying a piezoplate or piezoelectric layer 3 to the glass cover layer or chamber bottom. Between the piezoelectric actuator 3 and the glass cover layer 2 there is a metallization 6 and on the piezoelectric actuator 3 a further metallization 5 for electrical contacting of the actuator 3 (FIG. 2).
  • the pumping chamber 4 is rectangular with a trapezoidal cross-section. Immediately before and behind the pumping chamber are channels 7,8 with triangular or or trapezoidal cross section of different cross-sectional area, which constitute a non-linear flow resistance with respect to the flow velocity.
  • the mode of operation of the bidirectional dynamic micropump is based on the fact that laminar flows with defined flow resistances prevail in the channels of the pump structure up to a certain flow velocity and that the envelope of laminar flow to turbulent flow occurs when this flow velocity is exceeded (FIG. 3). This results in an increase of the flow resistance from R l to R t in the affected channel.
  • this effect is utilized by selecting different geometries for the channels 7 and 8 (ie channel 7 has a significantly smaller cross section and thus a higher flow velocity, but a comparable laminar flow resistance R 1 ) and the piezoactuator 3 of FIG Pumping chamber 4 is acted upon by a characteristic of the pumping pulse shape. Simplified, it is assumed that the change in volume of the pumping chamber 4 is linear to the voltage applied to the piezoelectric actuator 3.
  • this high-velocity fluid flow leads to the transition to turbulent flow and consequently to an increased flow resistance R t (FIG. 3).
  • channel 8 occurs because of the larger cross section, a lower flow velocity and the transition to turbulent flow and thus to an increased flow resistance is not achieved.
  • the pumping process in the direction of channel 7 turns out to be a reversal of the pumping process in the direction of channel 8.
  • the flow rate results from the difference between the lift and sink current and can be controlled very flexibly in both pumping directions by varying the drive amplitude and the pulse repetition frequency.
  • the efficiency of the arrangement described (db the ratio of flow rate to volume displacement) increases with the achieved ratio of R t to R l , ie with the amount of the value x.

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Description

Die Erfindung betrifft eine bidirektionale dynamische Mikropumpe für kleine Flüssigkeitsmengen, bei der mit einfachen Mitteln der Fluidstrom in Menge und Richtung variierbar ist, die in einen Silizium-Wafer geätzt ist.
Allgemein bekannt sind bidirektionale Pumpen mit rotatorischen Antrieben, die mit Hilfe von Zahnrad- oder Propelleranordnungen eine gerichtete Beschleunigung des Fluides bewirken. Hierbei erfolgt die Richtungsumkehr durch Umkehrung der Rotationsrichtung. Diese Anordnungen bestehen aus einer Anzahl mechanisch bewegter Elemente, die dem Verschleiß unterliegen und deren Miniaturisierung große Probleme bereitet bzw. begrenzt ist. Außerdem ergeben sich an den Lagerstellen Dichtungsprobleme.
Weiterhin bekannt sind bidirektionale Pumpen, bei denen ein ungerichteter Volumenstrom erzeugt wird, dem durch geeignete Maßnahmen eine variable Richtung gegeben werden kann. Bei diesen Anordnungen wird der Volumenstrom durch Volumenänderung einer Kammer, in der Regel durch Verwendung von Pumpmembranen; erreicht und die Richtungsbestimmung erfolgt durch aktiv gesteuerte mechanische Ein- und Auslaßventile. Nachteilig ist hierbei, daß außer des Pumpantriebes weitere Antriebe für die Ventile erforderlich sind und sich ein hoher Steuerungsaufwand ergibt.
Bekannt sind auch Mikropumpen mit gerichteten passiven Ventilen, die eine Vorzugspumprichtung besitzen und bei denen eine Richtungsumkehr durch Ausnutzung von Resonanzerscheinungen möglich ist siehe z.B EP 703364A. Diese bestehen aus einer Anzahl sehr exakt zueinander ausgerichteter Elemente /1/. Die Mengensteuerung in der Umkehrrichtung ist sehr stark eingegrenzt und die mögliche Fördermenge unterscheidet sich von der Vorzugsrichtung. In den Patentschriften DE 42 23 019 und DE 44 22 743 sind dynamische Mikropumpen ohne mechanische Ventile enthalten, die auf Basis gerichteter Strömungswiderstände arbeiten und eine festgelegte Strömungsrichtung aufweisen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, mit einer geringen Anzahl von Funktionselementen eine leicht reproduzierbare miniaturisierte Pumpeinrichtung zu schaffen, die mit einfachem Steueraufwand einen in beide Richtungen in weiten Grenzen variablen Fluidstrom erzeugt und sich durch sehr geringe Abmessungen auszeichnet.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einer miniaturisierten Anordnung von einer Membranpumpe und zwei angeschlossenen Strömungskanälen derart, daß sich infolge der Anregung mit speziellen Impulsen in den Strömungskanälen zu unterschiedlichen Zeitpunkten unterschiedliche Widerstandsverhältnisse ausbilden.
Die Erfindung wird nachstehend an einem konkreten Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 -
Schnittdarstellung der Pumpanordnung
Figur 2 -
Darstellung der Kanalgeometrie
Figur 3 -
Widerstandsverlauf eines Strömungswiderstandes in Abhängigkeit von der Flußgeschwindigkeit
Figur 4 -
Volumenströme und Kammervolumen beim Pumpvorgang
Figur 5 -
Volumenströme und Kammervolumen beim Pumpvorgang in Ge- genrichtung
Im beschriebenen Ausführungsbeispiel wird in einen (100) orientierten Si-Wafer 1 durch anisotropes Ätzen eine Struktur eingebracht, die zusammen mit einer durch anodisches Bonden aufgebrachten Glasdeckschicht 2 eine Anordnung von Pumpkammer 4 und Kanälen 7,8 ergibt (Fig. 1).
Die Pumpkammer verwendet als Antriebsmembran ein Piezo-Bimorph-System, das durch Aufbringen einer Piezoplatte oder Piezoschicht 3 auf Glasdeckschicht oder Kammerboden gebildet wird. Zwischen Piezoaktor 3 und Glasdeckschicht 2 befindet sich eine Metallisierung 6 und auf dem Piezoaktor 3 eine weitere Metallisierung 5 zur elektrischen Kontaktierung des Aktors 3 (Fig. 2).
Die Pumpkammer 4 ist rechteckig mit trapezförmigem Querschnitt. Unmittelbar vor und hinter der Pumpkammer befinden sich Kanäle 7,8 mit dreieckigem oder oder trapezförmigem Querschnitt unterschiedlicher Querschnittsfläche, die bezüglich der Strömungsgeschwindigkeit einen nichtlinearen Strömungswiderstand darstellen.
Die Funktionsweise der bidirektionalen dynamischen Mikropumpe beruht darauf, daß in den Kanälen der Pumpstruktur bis zu einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit laminare Strömungen mit definierten Strömungswiderständen vorherrschen und daß beim Überschreiten dieser Strömungsgeschwindigkeit der Umschlag von laminarer zu turbulenter Strömung erfolgt (Fig. 3). Daraus resultiert eine Erhöhung des Strömungswiderstandes von Rl auf Rt im betroffenen Kanal.
Erfindungsgemäß wird dieser Effekt genutzt, indem für die Kanäle 7 und 8 unterschiedliche Geometrien gewählt werden (d.h. Kanal 7 besitzt im Verhältnis zum Kanal 8 einen deutlich geringeren Querschnitt und damit eine höhere Strömungsgeschwindigkeit, jedoch einen vergleichbaren laminaren Strömungswiderstand R1) und der Piezoaktor 3 der Pumpkammer 4 mit einer für die Pumprichtung charakteristischen Impulsform beaufschlagt wird. Vereinfacht wird davon ausgegangen, daß die Volumenänderung der Pumpkammer 4 linear zur am Piezoaktor 3 angelegten Spannung ist.
Pumpvorgang in Richtung Kanal 8 (Fig. 4):
Der Piezoaktor 3 wird mit einer Impulsflanke angeregt, die für das Zeitintervall Tsenk einen steilen negativen Anstieg besitzt (Fig. 4). Dadurch wird eine schnelle Volumenverringerung ΔV1 = V0 -Vmin in der Pumpkammer 3 verursacht, aus der eine hohe Fluidströmungsgeschwindigkeit V resultiert. Im Kanal 7 mit dem geringeren Querschnitt führt dieser Fluidstrom hoher Geschwindigkeit zum Übergang zu turbulenter Strömung und demzufolge zu einem erhöhten Strömungswiderstand Rt (Fig. 3). Die Erhöhung dieses Widerstandes betrage x mit x>1, dh. Rt=x*Rl.
Im Kanal 8 tritt wegen des größeren Querschnittes eine geringere Strömungsgeschwindigkeit auf und der Übergang zu turbulenter Strömung und damit zu einem erhöhten Strömungswiderstand wird nicht erreicht. Das aus der Pumpkammer verdrängte Volumen teilt sich im umgekehrten Verhältnis der Strömungswiderstände auf die Kanäle 7 und 8 auf, d.h. der Anteil im Kanal 7 beträgt (Rl)/(Rl+Rt)* ΔV1 =1/(1+x)* ΔV1 und der Anteil im Kanal b beträgt (Rt)/(Rl+Rt)* ΔV1 =x/(1+x)* ΔV1.
Die Rückstellung des Piezoaktors 3 von Vmin auf V0 erfolgt mit einer Impulsflanke, die für das Zeitintervall Thub einen flachen positiven Anstieg besitzt. Dadurch wird eine langsame Volumenerhöhung ΔV2= -ΔV1 in der Pumpkammer 3 verursacht, aus der eine niedrige Fluidströmungsgeschwindigkeit V resultiert. Sowohl in Kanal 7 als auch in Kanal 8 tritt demzufolge eine geringere Strömungsgeschwindigkeit auf und der Übergang zu turbulenter Strömung und damit zu einem erhöhten Strömungswiderstand wird in beiden Kanälen nicht erreicht. Das in die Pumpkammer 3 einströmende Volumen teilt sich gleichmäßig auf die Kanäle 7 und 8 auf, d.h. der Anteil im Kanal 7 beträgt (Rl)/(Rl+Rl)*ΔV2 =-1/2*ΔV1 und der Anteil im Kanal 8 beträgt dementsprechend (Rl)/(Rl+Rl)*ΔV2=-1/2*ΔV1.
Somit ist der Betrag der Fluidströme während der Senk- und Hubbewegung unterschiedlich, d.h. über den gesamten Betrachtungszeitrum hinweg resultiert ein Fluidstrom in Richtung Kanal 8.
Pumpvorgang in Richtung Kanal 7 (Fig. 5):
Der Pumpvorgang in Richtung Kanal 7 stellt sich dar als Umkehrung des Pumpvorgangs in Richtung Kanal 8.
Der Piezoaktor 3 wird mit einer Impulsflanke angeregt, die für das Zeitintervall Tsenk einen flachen negativen Anstieg besitzt (Fig. 5). Dadurch wird eine langsame Volumenverringerung ΔV1 = V0-Vmin in der Pumpkammer 3 verursacht, aus der eine niedrige Fluidströmungsgeschwindigkeit V resultiert. Sowohl in Kanal 7 als auch in Kanal 8 tritt demzufolge eine geringe Strömungsgeschwindigkeit auf und der Übergang zu turbulenter Strömung und damit zu einem erhöhten Strömungswiderstand wird in beiden Kanälen nicht erreicht. Das aus der Pumpkammer verdrängte Volumen teilt sich gleichmäßig auf die Kanäle 7 und 8 auf, d.h. der Anteil im Kanal 7 beträgt (Rl)/(Rl+Rl)*ΔV1 =1/2*ΔV1 und der Anteil im Kanal 8 beträgt dementsprechend (Rl)/(Rl+Rl)*ΔV1=1/2*ΔV1.
Die Rückstellung des Piezoaktors 3 von Vmin auf V0 erfolgt mit einer Impulsflanke, die für das Zeitintervall Thub einen steilen positiven Anstieg besitzt (Fig. 5). Dadurch wird eine schnelle Volumenerhöhung ΔV2 = -ΔV1 in der Pumpkammer 3 verursacht, aus der eine hohe Fluidströmungsgeschwindigkeit V resultiert. Im Kanal 7 mit dem geringeren Querschnitt führt dieser Fluidstrom hoher Geschwindigkeit zum Übergang zu turbulenter Strömung und demzufolge zu einem erhöhten Strömungswiderstand Rt (Fig. 3). Die Erhöhung dieses Widerstandes beträgt x mit x>1, dh. Rt =x*Rl (s.o.). Im Kanal 8 tritt wegen des größeren Querschnittes eine geringere Strömungsgeschwindigkeit auf und der Übergang zu turbulenter Strömung und damit zu einem erhöhten Strömungswiderstand wird nicht erreicht Das in die Pumpkammer einströmende Volumen teilt sich im umgekehrten Verhältnis der Strömungswiderstände auf die Kanäle 7 und 8 auf, d.h. der Anteil im Kanal 7 beträgt (Rl)/(Rl+Rt)* ΔV2 = -1/(1+x)* ΔV1 und der Anteil im Kanal 8 beträgt (Rt)/(Rl+Rt)* ΔV2 = -x/(1+x)*ΔV1.
Somit ist der Betrag der Fluidströme wärend der Senk- und Hubbewegung unterschiedlich, d.h. über den gesamten Betrachtungszeitraum hinweg resultiert ein Fluidstrom in Richtung Kanal 7.
Die Fördermenge ergibt sich aus der Differenz von Hub- und Senkstrom und kann durch Variation der Ansteueramplitude und der Impulsfolgefrequenz sehr flexibel in beide Pumprichtungen gesteuert werden.
Der Wirkungsgrad der beschriebenen Anordnung (d.b. das Verhältnis von Fördermenge zu Volumenverdrängung) steigt mit dem erreichten Verhältnis von Rt zu Rl, also mit dem Betrag des Wertes x.
Ein Optimum der Fördermenge bei bekanntem Widerstandsverhältnis x (turbulent/laminar) kann erreicht werden, wenn der laminare Strömungswiderstand der Kanäle 7 und 8 nicht wie oben beschrieben gleich ist, sondern wenn das laminare Widerstandsverhältnis des Kanals 8 (bei dem kein Strömungsumschlag und somit keineWiderstandserhöhung verursacht wird) zum Kanal 7 den Betrag der Wurzel aus der Widerstandsänderung im Kanal 7 annimmt, d.h. R8l=y*R7l mit y=x-½ und 1 <x=R7t/R7l.
(Hierbei sind:
  • R8l - der laminare Widerstand des Kanals 8,
  • R7l - der laminare Widerstand des Kanals 7,
  • R7t - der turbulente Widerstand des Kanals 7.)

Claims (7)

  1. Bidirektionale dynamische Mikropumpe für kleine und kleinste Flüssigkeitsmengen mit Pumpkammer (4), Pumpenaktor (3) und zwei unterschiedlichen Kanälen dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (7 und 8) unterschiedliche Querschnittsform oder -fläche oder unterschiedliche Länge oder eine Kombination daraus aufweisen, die nichtlineare ungerichtete Stömungswiderstände unterschiedlicher Charakteristik darstellen, und deren variable Fluidströme zwischen laminarer und turbulenter Strömung mit geeigneten an den Aktor (3) angelegten Impulsen mit unsymmetrischer Flankensteilheit richtungsabhängig gesteuert werden.
  2. Bidirektionale dynamische Mikropumpe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur durch anisotropes Ätzen in einen Si-Wafer (1) eingebracht, mit einer Abdeckung verschlossen und mit einem Piezoaktor (3) versehen ist.
  3. Bidirektionale dynamische Mikropumpe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß dieser Impuls während mindestens eines Zeitraumes einer Periode eine Flankensteilheit aufweist, die in diesem Zeitraum in einem der Kanäle eine turbulente Strömung hervorruft.
  4. Bidirektionale dynamische Mikropumpe nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß als einfachste Form des Impulses ein Sägezahn mit einer steilen und einer flachen Flanke geeignet ist.
  5. Bidirektionale dynamische Mikropumpe nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß durch Vertauschen der Steilheit der Anstiegs- und Abfallflanke des Impulses eine Richtungsumkehr hervorgerufen wird.
  6. Bidirektionale dynamische Mikropumpe nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsbereich bezüglich Frequenz und Amplitude des Ansteuersignals für beide Pumprichtungen gleich ist.
  7. Bidirektionale dynamische Mikropumpe nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Steilheit der Anstiegsflanke des Ansteuersignals das den Wirkungsgrad festlegende Verhältnis zwischen turbulentem und laminarem Strömungswiderstand bestimmt.
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