EP1458977A1 - Peristaltic micropump - Google Patents

Peristaltic micropump

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EP1458977A1
EP1458977A1 EP03792417A EP03792417A EP1458977A1 EP 1458977 A1 EP1458977 A1 EP 1458977A1 EP 03792417 A EP03792417 A EP 03792417A EP 03792417 A EP03792417 A EP 03792417A EP 1458977 A1 EP1458977 A1 EP 1458977A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
membrane
valve
pump
chamber
peristaltic
Prior art date
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EP03792417A
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German (de)
French (fr)
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EP1458977B1 (en
EP1458977B2 (en
Inventor
Martin Richter
Martin Wackerle
Yücel CONGAR
Julia Nissen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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Publication of EP1458977A1 publication Critical patent/EP1458977A1/en
Publication of EP1458977B1 publication Critical patent/EP1458977B1/en
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Publication of EP1458977B2 publication Critical patent/EP1458977B2/en
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Classifications

    • 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
    • F04B43/046Micropumps with piezoelectric drive
    • 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
    • F04B43/12Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having peristaltic action
    • F04B43/14Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having peristaltic action having plate-like flexible members

Definitions

  • the present invention relates to a micropump and, in particular, to a micropump that works according to a peristaltic pumping principle.
  • Micropu pen that work on a peristaltic pumping principle are known from the prior art.
  • the article “Design and Simulation of an implantable medical drug delivery system using microelectromechanical Systems technology” by Li Cao et al., Sensors and Actuators, A94 (2001), pages 117 to 125 deals with a peristaltic micropump, some Inlet, three pumping chambers, three silicon membranes, three normally closed active valves, three piezo stack actuators made of PZT, microchannels between the pumping chambers and an outlet.
  • the three pumping chambers are of the same size and are etched in a silicon wafer.
  • a peristaltic micropump is also known from WO 87/07218, which has three membrane areas in a continuous substrate surface.
  • a pump channel which is connected to a fluid supply, is formed in a carrier layer which carries the substrate and an associated support layer.
  • a transverse rib is formed in the pump channel in the area of an inlet valve and an outlet valve, on which an associated membrane section rests in the unactuated state in order to close the inlet valve and the outlet valve in the unactuated state.
  • the third membrane area which can also be operated separately, is arranged between the separately actuatable membrane areas assigned to the inlet valve and the outlet valve. By actuating the third membrane area, the chamber volume between the two valve areas is increased.
  • the actuator element consists of a three-way composite made of a metal membrane, a continuous ceramic layer and a segmented electrode arrangement.
  • the ceramic layer has to be segmented polarized, which is technically difficult.
  • Such a segmented piezo bending element is therefore complex and allows only small stroke volumes, so that such a pump cannot work in a bubble-tolerant and self-priming manner.
  • DE 19719862 A1 discloses a mini membrane pump that does not operate on the peristaltic principle, in which a pump membrane adjacent to a pump chamber can be actuated by a piezo actuator. A fluid inlet and a fluid outlet of the pump chamber are each provided with passive check valves.
  • the compression ratio of the micropump i.e. H. the ratio of the stroke volume of the pump membrane to the total pump chamber volume is set depending on the maximum pressure value, which is dependent on the valve geometry and the valve wetting, and which is necessary to open the valves, in order to enable bubble-tolerant, self-priming operation of the micromembrane pump there.
  • the object of the present invention is to provide a peristaltic micromembrane pump which can be constructed in a simple manner and which enables bubble-tolerant, self-priming operation.
  • this object is achieved by a peristaltic micropump according to claim 1.
  • the present invention provides a peristaltic microscope with the following features:
  • a pump body which, together with the first membrane area, forms a first valve, the passage opening of which is open when the first membrane area is not actuated, and whose passage opening can be closed by actuating the first mechanical area, which together with the second membrane area forms a pump chamber, the volume of which can be reduced by actuating the second membrane area, and which, together with the third membrane area, forms a second valve, the passage opening of which is open when the third membrane area is not actuated, and whose passage opening can be closed by actuating the third membrane area,
  • first and second valves are fluidly connected to the pump chamber.
  • the present invention thus provides a peristaltic micropump in which the first and the second valve are in the actuated state are open, and in which the first and the second valve can be closed by moving the membrane towards the pump body, while the volume of the pump chamber can also be reduced by moving the second membrane region towards the pump body.
  • the peristaltic micropump according to the invention enables the realization of bubble-tolerant, self-priming pumps, even when piezo elements arranged on a membrane are used as the piezo actuator.
  • piezo stacks piezo stacks
  • piezo actuators so-called piezo stacks (piezo stacks) can also be used according to the invention as piezo actuators, which, however, are disadvantageous compared to piezo diaphragm transducers in that they are large and expensive, problems with the connection technology between the stack and diaphragm and problems with the adjustment of the stacks deliver and are therefore associated with a higher effort.
  • the peristaltic micropump according to the invention is preferably dimensioned such that the ratio of stroke volume and dead volume is greater than a ratio of delivery pressure and atmospheric pressure, the stroke volume being the volume that can be displaced by the pump membrane.
  • the dead volume is the volume remaining between the inlet opening and outlet opening of the micropump when the pump diaphragm is actuated and one of the valves is closed and one is open
  • the atmospheric pressure is a maximum of approximately 1050 hPa (worst-case consideration)
  • the delivery pressure is in the Fluid chamber area of the micropump, ie in the pressure chamber, is necessary pressure to a liquid / gas interface at a point which is a flow restriction in the microperistaltic pump, ie between the pump chamber and the passage opening of the first or second valve, including this passage opening. represents moving past.
  • the peristaltic micropump operates in a bubble-tolerant and self-priming manner. This applies both when using the peristaltic micropump for conveying liquids when a gas bubble, usually an air bubble, gets into the fluid area of the pump, and when using the micropump according to the invention as a gas pump, when moisture inadvertently condenses from the gas to be conveyed and thus a gas / liquid interface can occur in the fluid area of the pump.
  • Compression ratios that meet the above condition can be achieved according to the invention, for example, by making the volume of the pump chamber larger than that of valve chambers formed between the respective valve membrane regions and opposite pump body sections. In preferred exemplary embodiments, this can be achieved in that the distance between the membrane and the surface and the pump body surface is greater in the region of the pump chamber than in the region of the valve chambers.
  • a further increase in the compression ratio of a peristaltic micropump according to the invention can be achieved by adapting the contour of a pump chamber structured in the pump body to the bending line of the pump membrane, ie the curved contour thereof in the actuated state, so that the pump membrane in the actuated state essentially does this can displace the entire volume of the pump chamber.
  • the contours of valve chambers formed in the pump body can also be adapted correspondingly to the bending line of the opposite membrane sections, so that, in the optimum case, the actuated membrane area displaces essentially the entire valve chamber volume in the closed state.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of an exemplary embodiment of a peristaltic micropump according to the invention in a fluid system
  • 2a to 2f are schematic representations to explain a piezo diaphragm transducer
  • 3a to 3c are schematic cross-sectional representations to explain the terms stroke volume and dead volume
  • Fig. 4 is a schematic diagram showing the volume / pressure tensile levels during a pumping cycle
  • 5a to 5c are schematic representations for explaining the term delivery pressure
  • FIG. 6a to 6c are schematic views of an alternative exemplary embodiment of a micro pump according to the invention.
  • Fig. 7 is an enlarged view of a portion of Fig. 6b;
  • FIG. 8 is an enlarged schematic cross sectional view of a modified area of FIG. 7;
  • 9a, 9b and 9c show schematic representations of possible pump chamber designs
  • 10a and 10b are schematic representations of an alternative exemplary embodiment of a micropump according to the invention
  • 11 to 13 are schematic cross sectional views of enlarged portions of modifications of the example shown in Figs. 10a and 10b;
  • FIG. 14 shows a schematic cross-sectional view of a further alternative exemplary embodiment of a micropump according to the invention.
  • FIG. 16 shows a schematic illustration of an alternative exemplary embodiment of a micro pump according to the invention.
  • FIG. 1 A first exemplary embodiment of a peristaltic micropump according to the invention, which is integrated in a fluid system, is shown in FIG. 1.
  • the micromembrane pump comprises a membrane element 10 which has three membrane sections 12, 14 and 16. Each of the membrane sections 12, 14 and 16 is provided with a piezo element 22, 24 and 26 and forms together with the same a piezo membrane transducer.
  • the piezo elements 22, 24, 26 can be glued to the respective membrane sections or can be formed on the membrane by screen printing or other thick-film techniques.
  • the outer surface of the membrane element is joined to a pump body 30 so that there is a fluid-tight connection between them.
  • Two fluid passages 32 and 34 are formed in the pump body 30, one of which, depending on the pumping direction, represents a fluid inlet and the other a fluid outlet.
  • the fluid passages 32, 34 are each surrounded by a sealing lip 36.
  • the underside of the membrane element 10 and the top of the Pump body 30 structured to define a fluid chamber 40 therebetween.
  • both the membrane element 10 and the pump body 30 are implemented in a respective silicon wafer, so that they can be joined to one another, for example by silicon fusion bonding.
  • the membrane element 10 has three recesses in the upper side thereof and one recess in the lower side thereof in order to define the three membrane regions 12, 14 and 16.
  • the diaphragm sections 12, 14 and 16 can each be actuated in the direction of the pump body 30 by the piezoelectric ducks or piezoceramics 22, 24 and 26, so that the diaphragm section 12 together with the fluid passage 32 represents an inlet valve 62 which can be actuated of the membrane section 12 can be closed.
  • the volume of the pump chamber region 42 arranged between the valves can be reduced by actuating the piezo element 24.
  • the pump is glued to a carrier block 50 with the pump body 30, wherein, as shown in FIG. 1, grooves 52 can optionally be provided in the carrier block 50 in order to absorb excess adhesive.
  • the grooves 52 can, for example, be provided surrounding the fluid channels 54 and 56 formed in the carrier block 50 in order to absorb excess adhesive and to prevent it from getting into the fluid channels 54, 56 or the fluid passages 32, 34.
  • the pump body 30 is glued or joined to the carrier block in such a way that the fluid id passage 32 in fluid communication with the fluid channel 54 and that the fluid passage is in fluid communication with the fluid channel 56.
  • a further channel 58 can be provided in the carrier block 50 between the fluid channels 54 and 56 as a transverse leak protection.
  • connecting pieces 60 are provided which can be used, for example, for attaching hose lines to the fluid system shown in FIG. 1.
  • a housing 61 is shown schematically in FIG. 1, which is joined to the carrier block 50, for example using an adhesive connection, in order to provide protection for the micropump and to seal the piezo elements moisture-tight.
  • the outlet valve 64 is closed and the inlet valve 62 is opened.
  • the pump diaphragm 14 is then moved upward in that the actuation of the piezo element 24 is ended.
  • the thereby expanding pump chamber leads to a negative pressure in the pump chamber, which in turn results in a suction of fluid through the opened inlet valve 62.
  • the inlet valve 62 is closed and the outlet valve 64 is opened so that the above-mentioned initial state is reached again.
  • the pump cycle described would thus result in a fluid volume that is essentially the stroke volume of the Diaphragm section 14 corresponds to, pumped from the fluid channel 54 to the fluid channel 56.
  • piezo membrane transducers or piezo bending transducers are preferably used as piezo actuators.
  • Such a bending transducer achieves an optimum stroke if the lateral dimensions of the piezoceramic correspond to approximately 80% of the membrane underneath.
  • the membrane which can typically have side lengths of 4 mm to 12 mm, deflections of several 10 ⁇ strokes and thus volume strokes in the range from 0.1 ⁇ l to 10 ⁇ l can be achieved.
  • Preferred exemplary embodiments of the present invention have volume strokes at least in such a range since bubble-tolerant peristaltic pumps can advantageously be realized with such a volume stroke.
  • FIG. 2a shows a piezoceramic 100, which is provided with metallizations 102 on both surfaces thereof.
  • the piezoceramic preferably has a large d31 coefficient and is polarized in the direction of arrow 104 in FIG. 2a. According to FIG. 2a there is no voltage on the piezoceramic.
  • the piezoceramic 100 shown in FIG. 2a is now firmly mounted on a diaphragm 106, for example glued, as shown in FIG. 2b.
  • the membrane shown is a silicon membrane, but the membrane can be formed by any other materials as long as it can be contacted electrically, for example as a metallized silicon membrane, as a metal foil or as a plastic membrane made conductive by a two-component injection molding. If a positive voltage, ie a voltage in the polarization direction, U> 0, is now applied to the piezoceramic, the piezoceramic contracts, see FIG. 2c. As a result of the fixed connection of the piezoceramic 100 to the membrane 106, the membrane 106 is deflected downward by this contraction, as is illustrated by arrows in FIG. 2d.
  • a negative voltage i. H. a voltage against the direction of polarization to which piezoceramic is applied, as shown in FIG. 2e.
  • Typical depolarization field strengths of lead zirconate titanate ceramics (PZT ceramics) are, for example, -4000 V / cm.
  • the medium to be switched is separated from the piezoceramic by the membrane.
  • the peristaltic micropumps according to the invention are to be used in applications in which bubble-tolerant, self-priming behavior is required, the microperistaltic pumps must be designed in order to comply with a design rule with regard to the compression ratio, which defines the ratio of stroke volume to dead volume.
  • the compression ratio which defines the ratio of stroke volume to dead volume.
  • FIG. 3a schematically shows a pump body 200 with an upper surface thereof, in which a pump chamber 202 is structured.
  • a diaphragm 204 is schematically shown above the pump body 200, which is provided with an inlet valve piezo actuator 206, a pump chamber piezo actuator 208 and an outlet valve piezo actuator 210.
  • Piezoactuators 206, 208 and 210 allow respective areas of the membrane 204 to move downward, ie. H. towards the pump body 200, as shown by arrows in Fig. 3a.
  • the line 212 in FIG. 3a furthermore shows the section of the diaphragm 204 opposite the pump chamber 200, i. H. the pump membrane, in its deflected, d. H. actuated by the pump chamber piezo actuator 208, state shown.
  • the difference in the pump chamber volume between the undeflected state of the membrane 204 and the deflected state 212 of the membrane 204 represents the stroke volume ⁇ V of the pump membrane.
  • the channel regions 214 and 216 arranged under the inlet valve piezo actuator 206 and under the outlet valve piezo actuator 210 can be closed by actuating the corresponding piezo actuator in each case by the respective membrane regions resting on the regions below the pump body.
  • Figures 3a to 3c are only rough schematic representations, the respective elements being designed in such a way that the respective valve openings can be closed. Consequently an inlet valve 62 and an outlet valve 64 are in turn formed.
  • FIG. 3b shows a situation in which the volume of the pump chamber 202 is reduced by actuating the pump chamber piezo actuator 208 and in which the inlet valve 62 is closed.
  • the situation shown in FIG. 3b thus represents the state after a quantity of fluid has been expelled from the outlet valve 64, the volume of the fluid region remaining between the closed inlet valve 62 and the passage opening of the open outlet valve 64 being the dead volume V 0 with respect to the pressure stroke, as shown by the hatched area in Fig. 3b.
  • the dead volume with respect to a suction stroke at which the inlet valve 62 is opened and the outlet valve 64 is closed is defined by the volume of the fluid region remaining between the closed outlet valve 64 and the passage opening of the opened inlet valve 62, as shown in FIG. 3c by the hatched region - shows is.
  • the respective dead volume is defined from the respectively closed valve to the passage opening at which a substantial pressure drop takes place at the moment of a respective volume change of the pumping chamber.
  • the dead volumes V 0 for the pressure stroke and the suction stroke are identical. If there are different dead volumes due to an asymmetry for a pressure stroke and a suction stroke, then, in the sense of a worst-case scenario, it is assumed below that the larger of the two dead volumes is used to determine the respective compression ratio.
  • a pressure po prevails in the fluid region existing between the inlet valve and the outlet valve, while this region has a volume V 0 + ⁇ V.
  • the pressure membrane moves downward by the stroke volume ⁇ V during the pressure stroke, as a result of which an overpressure pu forms in the fluid region, ie the pump chamber, so that a pressure of po + po prevails at a volume of Vo.
  • the overpressure in the pumping chamber is reduced by conveying the air volume ⁇ V through the outlet until pressure equalization has taken place. This outflow of fluid from the outlet corresponds to the jump from the upper curve to the lower curve in FIG.
  • the overpressure po during the pressure stroke or the underpressure p ⁇ during the suction stroke must exceed a minimum value during the pressure stroke or fall below it during the suction stroke.
  • the pressure amount during the pressure stroke and the suction stroke must exceed a minimum value, which can be referred to as the delivery pressure p F.
  • This delivery pressure is the pressure in the pressure chamber which must at least prevail to pass a liquid / gas interface at a point which represents a flow restriction between the pump chamber and the passage opening of the first or second valve, including this passage opening move.
  • This delivery pressure can be determined as follows depending on the size of this river constriction.
  • Capillary forces have to be overcome if free surfaces, for example in the form of gas bubbles (for example air bubbles) are moved in the fluid areas within the pump.
  • the pressure that must be applied to overcome such capillary forces depends on the surface tension of the liquid at the liquid / gas interface and the maximum radius of curvature ri and the minimum radius of curvature r 2 of the meniscus of this interface:
  • the delivery pressure to be generated is defined by equation 2, namely at the point within the flow path of the microperistaltic pump at which the sum of the inverse radii of curvature r x and r 2 of a liquid / gas interface with a given surface tension is maximum. This point corresponds to the river constriction.
  • a channel 220 (FIG. 5a) with a width d, the height of the channel also being d.
  • the channel 220 has a change in cross section at both channel ends 222, for example under the valve membrane or the pump membrane. 5a, the channel is completely filled with a liquid 224 which flows in the direction of arrow 226.
  • an air bubble 228 now strikes the change in cross-section at the entrance to the channel 220.
  • a wetting angle ⁇ occurs here.
  • 5c shows the situation when the air bubble or the meniscus 230 reaches the change in cross section 222 at the end of the channel 220.
  • This pressure barrier is not to be neglected in microperistaltic pumps of the type according to the invention due to the small geometry dimensions if such a channel represents the constriction of the pump.
  • the constriction mentioned is generally defined by the distance between the valve membrane and the opposite area of the pump body (for example a sealing lip) when the valve is open.
  • the smallest occurring radius of curvature can therefore be considered as independent of the tilt angle T, wetting angle ⁇ or abrupt changes in cross-section, half of the smallest emerging wall distance.
  • the peristaltic pump has a constriction at the inlet or outlet valve, which is defined by the gap geometry dependent on the valve stroke d. The following applies to these:
  • the respective constriction (channel constriction or valve constriction in the open state) at which larger capillary forces have to be overcome can be regarded as the flow constriction of the microperistaltic pump.
  • connecting channels within the peristaltic pump are therefore designed in such a way that the diameter of the channel exceeds at least twice the valve constriction, ie the distance between the membrane and the pump body when the valve is open.
  • the valve gap represents the flow constriction of the microperistaltic pump.
  • connecting channels with a smallest dimension, ie constriction, of 50 ⁇ m can be provided.
  • the upper limit of the channel diameter is determined by the dead volume of the channel.
  • the capillary force to be overcome depends on the surface tension at the liquid / gas interface. This surface tension in turn depends on the partners involved.
  • the surface tension is approximately 0.075 N / m and varies slightly with temperature.
  • Organic solvents generally have a significantly lower surface tension, while the surface tension at a mercury / air interface is, for example, approximately 0.475 N / m.
  • a peristaltic pump which is designed to overcome the capillary force at a surface tension of 0.1 N / m, is therefore suitable for pumping almost all known liquids and gases in a bubble-tolerant and self-priming manner.
  • the compression ratio of a micro-peristaltic pump according to the invention can be made correspondingly higher in order to enable such a pumping, for example also for mercury.
  • the actuator membrane compresses the gas volume or air volume.
  • the maximum overpressure in the pump chamber po is then determined by the pressure in the air bubble. It is calculated from the state equation of the air bubble.
  • ⁇ A represents the adiabatic coefficient of the gas, that is, the air.
  • the left side of the above equation represents the state before compression, while the right side represents the state after compression.
  • the overpressure po during the pressure stroke must be greater than the positive delivery pressure p F :
  • suction stroke differs in the initial position of the volumes.
  • the negative pressure p ö arises in the pump chamber, ie p 0 is negative:
  • the left side of equation 11 represents the state before expansion, while the right side represents the state after expansion.
  • the vacuum p 0 during the pressure stroke must be less than the necessary negative delivery pressure p F.
  • the delivery pressure p F is positive in terms of amount when considering the pressure stroke, and is negative in amount when considering the suction stroke. It follows:
  • the minimum necessary discharge pressure in Equation 8 corresponds to DEFINE ⁇ th pressure when having minimum dimensions in the peristaltic pump occurring Kanalengstellen at least twice as large as the valve gap are.
  • the minimum required delivery pressure can correspond to the pressure defined in equation 3 or equation 7 if the flow restriction of the microperistaltic pump is not defined by a gap but by a channel.
  • a microperistaltic pump according to the invention is to be used when pressure boundary conditions of a negative pressure pi at the inlet or a counter pressure p 2 at the outlet prevail, the compression ratio of a microperistaltic pump must be correspondingly larger in order to enable pumping against these inlet pressures or outlet pressures.
  • the pressure boundary conditions are defined by the intended application of the microperistaltic pump and can range from a few hPa to several 1000 hPa.
  • the overpressure po or underpressure Po occurring in the pumping chamber must at least reach these counter pressures so that a pumping effect occurs.
  • only thedoindif ⁇ leads ferenz a possible inlet vessel and the discharge vessel of 50 cm in water at back pressures of 50 hPa.
  • the desired delivery rate represents a boundary condition that places additional requirements.
  • foam-like substances are to be pumped with a microperistaltic pump according to the invention, it may be necessary to overcome a plurality of capillary forces, as described above, since several corresponding liquid / gas interfaces occur.
  • the microperistaltic pump must be designed to have a compression ratio in order to be able to generate correspondingly higher delivery pressures.
  • FIG. 6b shows a schematic cross-sectional view of a peristaltic micropump with membrane element 300 and pump body 302 along the line bb of FIGS. 6a and 6c
  • FIG. 6a shows a schematic plan view of the membrane element 300
  • FIG. 6c shows a schematic plan view of the pump body 302 shows.
  • the membrane element 300 in turn has three membrane sections 12, 14 and 16, which are each provided with piezo actuators 22, 24 and 26.
  • an inlet opening 32 and an outlet opening 34 are formed in the pump body 302, such that the inlet opening 32 together with the membrane region 12 defines an inlet valve, while the outlet opening 34 with the membrane region 16 defines an outlet valve.
  • a pump chamber 304 is formed in the pump body 302 below the membrane section 14.
  • fluid channels 306 are formed in the pump body 302, which are fluidly connected to the valve chambers 308 and 310 assigned to the membrane regions 12 and 16.
  • the valve chambers 308 and 310 are in the shown embodiment by recesses in the Membranele ⁇ element 300 formed, forms 312 ge ⁇ in the membrane element 300 also a contributing to the pumping chamber 304 is recess.
  • the pump chamber volume 304 is made larger than the volume of the valve chambers 308 and 310. This is achieved in the embodiment shown by a pump chamber lowering in which a structuring in the form of a pumping chamber lowering is formed in the pump body 302.
  • the stroke of the pump membrane 14 is preferably designed so that it can largely displace the volume of the pump chamber 304.
  • a further increase in the pump chamber volume compared to the valve chamber volume is achieved in the exemplary embodiment shown in FIGS. 6a to 6c in that the pump chamber membrane 14 is made larger in area (in the plane of the membrane element 300 or the pump body 302) than the valve chamber membranes, as best seen in Figure 6a. This results in a pump chamber that is larger in area compared to the valve chambers.
  • the supply channels 306 are structured in the surface of the pump body 302. These fluid channels 306 provide a reduced flow resistance without significantly deteriorating the compression ratio of the peristaltic micropump.
  • the surface of the pump body 302 could be implemented with three-stage depressions in order to implement the pump chamber of increased depth (compared to the valve chambers), while the upper chip is an essentially unstructured membrane , Such two-stage reductions are technologically somewhat more difficult to implement than the exemplary embodiment shown in FIGS. 6a to 6c.
  • Exemplary dimensions of the embodiment of a peristaltic micropump shown in FIGS. 6a to 6c are as follows:
  • valve membrane 12, 16 7.3 x 5.6 mm
  • pump membrane 14 7.3 x 7.3 mm
  • Membrane thickness 40 ⁇ m
  • Diameter of the inlet and outlet nozzle 32, 34 at least 50 ⁇ m;
  • Valve chamber height 8 ⁇ m; Pump chamber height: 30 ⁇ m;
  • Width of the valve sealing lips d DL lO ⁇ m; realizable overall size: 8 x 21 mm;
  • Opening cross section of the openings 32, 34 100 ⁇ m x 100 ⁇ m.
  • FIG. 7 An enlarged view of the left part of the cross-sectional view shown in FIG. 6b is shown in FIG. 7, the height H of the pumping chamber 304 being shown in FIG. 7.
  • the structures in the pump body 302 and in the membrane element 300 forming the pump chamber 304 have the same depths as shown in FIG. 7, it is preferred to structure the structures in the pump body 302 with a greater depth than that in the membrane element in order to achieve this To provide flow channel 306 with a sufficient flow cross-section, but without unduly affecting the compression ratio.
  • the structures in the pump body 302 that contribute to the fluid channel 306 and the pump chamber 304 can have a depth of 22 ⁇ m, while the structures in the membrane element 300 that define the valve chambers 308 or contribute to the pressure chamber 304 have a depth of 8 ⁇ m.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of an enlargement of section A of FIG. 7, but in a modified form.
  • the web is spaced from the opening 32 in the direction of the channel 206. This allows assembly tolerances to be taken into account in double-sided lithography. Furthermore, it can be prevented that wafer thickness fluctuations, the valve openings with different cross-sectional sizes Can have consequences, have no negative effects.
  • the distance x to the membrane 12 defines the flow constriction between the pump chamber and the valve passage opening when the valve position is open.
  • the compression ratio of the peristaltic pump must be chosen large in order to ensure self-filling behavior and robust operation with regard to a bladder tolerance to ensure. To achieve this, it is preferred to keep the dead volume small, which can be supported by adapting the contour or shape of the pump chamber to the bending line of the pump membrane in the deflected state.
  • a first way to implement such an adaptation is to implement a round pumping chamber, i.e. a pump chamber, the circumferential shape of which is adapted to the deflection of the pump membrane.
  • a round pumping chamber i.e. a pump chamber
  • FIG. 9a A schematic top view of the pump chamber and fluid channel section of a pump body with such a pump chamber is shown in FIG. 9a.
  • the pumping chamber under the pumping membrane can be designed such that its contour facing the pumping membrane follows the bending line of the pumping membrane with a precise fit.
  • a contour of the pump chamber can be achieved, for example, by an appropriately shaped injection molding tool or by an embossing stamp.
  • a schematic plan view of a pump body 340 in which such a fluid chamber 342 structures the bending line of the actuator membrane is shown in Fig. 9b.
  • fluid channels 344 structured in the pump body are shown in FIG. 9b, which lead to and away from the fluid chamber 342.
  • a schematic cross-sectional view along the line cc of FIG. 9b is shown in FIG.
  • FIG. 9c shows a diaphragm 346 with the piezo actuator 348 associated therewith also being shown in FIG. 9c.
  • Flow through the fluid channels 344 is indicated by arrows 350 in FIG. 9c.
  • FIG. 9c shows the contour 352 of the fluid chamber or pump chamber 342, which is facing the membrane 346 and is adapted to the bending line of the membrane (in the actuated state). This shape of the fluid chamber 352 enables the entire volume of the fluid chamber 342 to be displaced when the diaphragm 346 is actuated by the piezo actuator 348, as a result of which a high compression ratio can be achieved.
  • FIGS. 10a and 10b An embodiment of a peristaltic micropump, in which both the pump chamber 342 and valve chambers 360 are adapted to the bending lines of the respectively assigned membrane sections 12, 14 and 16, is shown in FIGS. 10a and 10b, with FIG. 10b a schematic top view points to the pump body 340, while FIG. 10a shows a schematic cross-sectional view along the line aa of FIG. 10b.
  • shape and contour are 360 and 362 as explained above with reference to the pumping chamber 342 of the valve chamber, adapted to the Bie ⁇ geline of the associated diaphragm portion 12 and 16 respectively.
  • FIG. 10a and 10b shape and contour are 360 and 362 as explained above with reference to the pumping chamber 342 of the valve chamber, adapted to the Bie ⁇ geline of the associated diaphragm portion 12 and 16 respectively.
  • Fluid channel 344a represents an input fluid channel
  • fluid channel 344b connects valve chamber 360 to pump chamber 342
  • fluid channel 344 connects pump chamber 342 to valve chamber 362
  • fluid channel 344d represents an outlet channel
  • the diaphragm element 380 in this exemplary embodiment is an unstructured diaphragm element which is provided in a pump body 340. see recess is introduced in order to define the valve chambers and the pump chamber together with the fluid regions formed in the pump body 340.
  • the connecting channels 344b and 344c between the chambers Aktorkam ⁇ are connected so that they contain a low compared to the stroke volume of dead volume. At the same time, these fluid channels significantly reduce the flow resistance between the actuator chambers, so that larger pumping frequencies and thus larger delivery flows are also possible, such a flow being again indicated by arrows 350 in FIG. 10a.
  • the fluid channels are separated by actuating the membrane sections 12 and 16, respectively, through the fully deflected membrane sections, so that fluid separation occurs between the fluid channels 344a and 344b or between the fluid channels 344c and 344d.
  • the contour of the valve chambers must be adapted exactly to the bending line of the respective membrane sections in order to achieve a tight fluid separation.
  • a web 390 can be provided in the respective valve chamber in the region of the largest stroke of the membrane section 12, which is shaped accordingly so that it can be completely sealed by the bending of the membrane section 12. More particularly, the web to the edges of the valve chamber ⁇ bends upward, according to the adjusted at the bend line form the valve chamber. This web can protrude into the respective valve chamber, alternatively, as shown in FIG. 11, the depth of the connecting channels 344 can be greater than the stroke y of the diaphragm section 12, at which the diaphragm section lies against the pump body, so that the web 390 is sunk, so to speak.
  • FIG. 12 An alternative exemplary embodiment of a valve chamber 360 is shown in FIG. 12, where the depth of the connecting channels 344 is smaller than the maximum stroke y of the membrane section 12, and thus as the depth of the valve chamber 360 adapted to the bending line of the membrane section 12 in the region of the largest Stroke of the diaphragm section 12. This enables a secure seal to be achieved when the valve is closed.
  • a web 390a in the valve chamber 360 which does not meet the maximum possible bending line of the actuator element, i. H. of the membrane section 12 together with the piezo actuator 22, as shown in FIG. 13.
  • the maximum possible bending line of the membrane section 12 is shown in FIG. 13 by a dashed line 400, while the line 410 corresponds to the maximum possible deflection of the membrane section 12 due to the provision of the web 390a.
  • the bending line of the membrane will often not be perfectly concentric with the center of the membrane, for example due to assembly tolerances of the piezoceramics and due to inhomogeneities in the adhesive application by which the piezoceramics are attached to the membranes.
  • the area of the web seal can therefore be increased somewhat, for example by approximately 5 to 20 ⁇ m, depending on the stroke of the actuator, compared to the rest of the fluid chamber, in order to ensure reliable contact of the membrane with the web and thus a secure seal. This also corresponds to the situation shown in FIG. 13. It should be noted, however, that this increases the dead volume and reduces the compression ratio.
  • a plastically deformable material for example silicone
  • silicone can be used as the fluid chamber material, at least in the area under the movable membrane. Inhomogeneities can then be compensated for by appropriately large actuator forces. In such a case, there is no longer a hard-hard seal, so that there is a certain tolerance against particles and deposits.
  • the thickness of the membrane sections 12, 14 and 16 and thus the thickness of the membrane element 380 can be 40 ⁇ m, for example, while the thickness of the piezo actuators can be 100 ⁇ m, for example.
  • a PZT ceramic with a large d31 coefficient can be used as the piezoceramic.
  • the side length of the membranes can be, for example, 10 mm, while the side length of the piezo actuators can be, for example, 8 mm.
  • the voltage swing for actuating the actuators in the aforementioned actuator geometry can be, for example, 140 V, which results in a maximum stroke of approximately 100 to 200 ⁇ m with a stroke volume of the pump membrane of approximately 2 to 4 ⁇ l.
  • such fluid modules are bubble-tolerant and self-priming and can convey both liquids and gases.
  • Such fluid pumps can also build up in principle several bar pressure for compressible and liquid media, depending on the design of the piezo actuator. In such a micropump, the maximum pressure that can be generated is no longer limited by the compression ratio, but rather by the maximum force of the drive element and the tightness of the valves. Despite these properties, a suitable channel dimensioning with a low flow resistance can deliver several ml / min.
  • all of the fluid channels i. H. the inlet fluid channel 344a and the outlet fluid channel 344d are also guided laterally, i. H. the fluid channels run in the same plane as the fluid chambers.
  • the sealing of the channels can be difficult with such a course.
  • An advantage of the lateral course of the fluid channels is that the entire fluid system, including reservoirs connected to the inlet channel 344a and / or the outlet channel 344d, can be molded in one manufacturing step, for example by injection molding or embossing.
  • FIG. 14 shows an exemplary embodiment of a microperistaltic pump according to the invention, in which the inlet fluid channel 412 and the outlet fluid channel 414 are sunk vertically in the pump body 340.
  • the fluid channels 412 and 414 have 412a and 414a at a substantially vertical portion, each substantially centrally in the Ventilkam ⁇ numbers under the parent to ⁇ diaphragm portions 12 and 16, 360 and 362 open.
  • the advantage of the exemplary embodiment of the fluid channels shown in FIG. 14 is that the fluid channels can be sealed in a defined manner.
  • a disadvantage is that such vertically recessed Flu ⁇ idkanäle production technique difficult to manufacture.
  • the peristaltic micropumps according to the invention are preferably controlled in that the membrane, for example the metal membrane or the semiconductor membrane, is at a ground potential, while the piezoceramics are moved by a typical peristaltic cycle, in each case by applying corresponding voltages to the piezoceramics.
  • a peristaltic micropump according to the invention can have further fluid chambers, for example another fluid chamber 420, which is connected to the pump chamber 342 via a fluid channel 422.
  • a first reservoir 424 is connected to the valve chamber 360 via the fluid channel 344a
  • a second reservoir 426 is connected to the valve chamber 420 via a fluid channel 428
  • a third reservoir 430 via the Fluid channel 344d is connected to the valve chamber 362.
  • a structure with four fluid chambers /. 15, for example, can form a branching structure or a mixer in which the mixed streams can be actively promoted.
  • the expansion to four fluid chambers with four assigned fluid actuators enables, as shown for example in FIG. 15, the implementation of three peristaltic pumps, wherein each pump direction between all reservoirs 424, 426 and 430 can be implemented in both directions. It is possible for a single membrane element to cover all fluid chambers and reservoir containers, a separate piezo actuator being provided for each fluid chamber.
  • the entire fluid system can thus be made very flat, the functional, fluid structures including fluid chambers, channels, membranes, piezo actuators and support structures having a total height of the order of 200 to 400 ⁇ m.
  • flexible fluidic systems are even conceivable.
  • fluid chambers can be connected in any way on one level.
  • different reservoirs. B. each be assigned a microperistaltic which feed then at ⁇ game as reagents to a chemical reaction (for example, a fuel cell) or Ka ⁇ libriersequenz carry out for an analysis system, wherein ⁇ play, in a water analysis i
  • the piezoceramics can be glued to the respective membrane sections, for example.
  • the piezoceramics, for example PZT can be applied directly using thick-film technology, for example by screen printing with suitable intermediate layers.
  • FIG. 16 An alternative embodiment of an inventive pump with recessed ⁇ SEN mikroperistaltician Einlrawfluid- channel 412 and recessed Auslrawfluidkanal 414 is shown in Fig. 16.
  • the Einlrawflußkanal 412 opens into the we ⁇ sentlichen centrally below the diaphragm portion 12 in a valve chamber 442, while the Auslwithfluidkanal 414 in ⁇ we sentlichen centrally below the diaphragm portion 16 in a valve chamber 444 opens.
  • a pump chamber 452 is formed in the pump body 440, which is fluidly connected to the valve chambers 442 and 444 by fluid channels in walls 454.
  • the three diaphragm portions 12, 14 and 16 in turn, a membrane element 456.
  • the diaphragm sections are however laktoren by Piezostape- driven 460, 462 and 464, the sponding to the entspre ⁇ diaphragm portions form placeable are.
  • the piezo stack actuators are used using suitable ones Housing parts 470 and 472, which are shown in Fig. 16 remote from the pump body and the membrane element, are used.
  • Piezo stack actuators are advantageous in that the same do not have to be fixedly connected to the membrane element, so that the same modular construction ermögli ⁇ chen.
  • the actuators do not actively retract a membrane section when actuation thereof is ended. Rather, the membrane section can only be moved back by the restoring force of the elastic membrane itself.
  • the peristaltic micropumps according to the invention can be manufactured using a wide variety of manufacturing materials and manufacturing techniques.
  • the pump body can be made of silicon, for example, made of plastic by injection molding, or machined using precision engineering.
  • the Membranele- ment that forms the drive diaphragm for the two valves and the pumping chamber can be made of silicon, by a metal foil such as stainless steel or titanium may be formed, by an in Zweikomponen ⁇ ten-injection molding manufactured with conductive coating virtue provided plastic membrane can be formed, or can be realized by an elastomer membrane.
  • connection of the diaphragm element and the pump body is an important point because high shear forces can occur at this connection during the operation of the peristaltic pump.
  • the following requirements apply to this connection:
  • silicon as the basic structure and membrane element
  • silicon fusion bonding without a joining layer can be carried out.
  • anodic bonding can preferably be used.
  • Other options are eutectic wafer bonding or wafer bonding.
  • the basic structure is made of plastic and the membrane element is a metal foil
  • lamination can be carried out if an adhesion promoter is used between the membrane element and the basic structure.
  • gluing with an adhesive with high shear strength can take place, in which case capillary stop trenches are then preferably formed in the basic structure in order to prevent glue from penetrating into the fluid structure.
  • both the membrane element and the pump body are made of plastic, ultrasonic welding can be used to connect them. If one of the two structures is optically transparent, laser welding can alternatively take place. In the case of an elastomeric membrane, the sealing properties of the membrane can be further used to make a seal by clamping to be granted ⁇ .
  • the membrane can be made to the pump body in an inventive microperistaltic. If the diaphragm is glued to the pump body in the micropump according to the invention, it should be noted that the metering of joining layer materials (eg adhesive) is critical, since on the one hand the diaphragm must be completely sealed (that is, sufficient adhesive must be applied) and on the other hand penetration of excess adhesive into the fluid chambers must be avoided.
  • joining layer materials eg adhesive
  • the bonding layer material may be an adhesive or an adhesive ⁇ medium is, for example, by dispensing or by applied an appropriately shaped stamp to the joint layer.
  • the membrane is placed on the base body. Possible burrs, which can be, for example, at the edge of the membrane when separated, are accommodated in a corresponding receptacle for the burr, so that a defined position of the membrane is ensured, above all in the direction perpendicular to the surface thereof, with regard to dead volume and tightness important is.
  • a stamp is pressed onto the pump body so that the adhesive layer remains as thin and defined as possible.
  • a capillary stop trench can be provided, which surrounds the fluid areas formed in the pump body.
  • the adhesive can be defined and harden thinly. Curing can take place at room temperature or accelerated in the oven or by UV radiation when using UV-curing adhesives.
  • the base body or pump body can be loosened as a connection technique by means of suitable solvents and a plastic membrane can be joined to the base body.

Abstract

The invention concerns a peristaltic micropump comprising a first membrane zone (12) provided with a first piezoelectric actuator (22) for actuating said first membrane zone (12), a second membrane zone (14) provided with a second piezoelectric actuator (24) for actuating said second membrane zone (14), and a third membrane zone (16) provided with a third piezoelectric actuator (26) for actuating said third membrane zone (16). A pump body (30) forms, with the first membrane zone (12), one first valve (62) whereof the passage orifice (32) is open when the first membrane zone (12) is not actuated and is closed when the first membrane zone (12) is operating. The pump body (30) forms, with the second membrane zone (14), a pumping cavity (42) whereof the volume decreases when the second membrane zone (14) is operating. Said pump body (30) forms, with the third membrane zone (16), a second valve (64) whereof the passage orifice (34) is open when the third membrane zone (16) is not actuated and is closed when the third membrane zone (16) is operating. The first and second valves (62, 64) are in fluid connection with the pumping cavity (42).

Description

Peristaltische Mikropumpe Peristaltic micropump
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Mikropumpe und insbesondere eine Mikropumpe, die nach einem peristal- tischen Pumpprinzip arbeitet.The present invention relates to a micropump and, in particular, to a micropump that works according to a peristaltic pumping principle.
Mikropu pen, die nach einem peristaltischen Pumpprinzip arbeiten, sind aus dem Stand der Technik bekannt. So befaßt sich der Artikel „Design and Simulation of an implantable medical drug delivery syste using microelectromechanical Systems technology" , von Li Cao u.a., Sensors and Actua- tors, A94 (2001) , Seiten 117 bis 125, mit einer peristaltischen Mikropumpe, die einen Einlaß, drei Pumpkammern, drei Siliziummembranen, drei normal-geschlossene aktive Ventile, drei Piezostapelbetätigungsglieder aus PZT, Mikrokanäle zwischen den Pumpkammern und einen Auslaß aufweist. Die drei Pumpkammern sind von gleicher Größe und sind in einen Siliziumwafer geätzt.Micropu pen that work on a peristaltic pumping principle are known from the prior art. For example, the article “Design and Simulation of an implantable medical drug delivery system using microelectromechanical Systems technology” by Li Cao et al., Sensors and Actuators, A94 (2001), pages 117 to 125, deals with a peristaltic micropump, some Inlet, three pumping chambers, three silicon membranes, three normally closed active valves, three piezo stack actuators made of PZT, microchannels between the pumping chambers and an outlet.The three pumping chambers are of the same size and are etched in a silicon wafer.
Aus der WO 87/07218 ist ebenfalls eine peristaltische Mikropumpe bekannt, die drei Membranbereiche in einer durchge- henden Substratfläche aufweist. In einer Trägerschicht, die das Substrat und eine zugeordnete Stützschicht trägt, ist ein Pumpkanal ausgebildet, der mit einem Fluidvorrat in Verbindung steht. In dem Pumpkanal ist im Bereich eines Einlaßventiles und eines Auslaßventiles jeweils eine Quer- rippe gebildet, auf der ein zugeordneter Membranabschnitt im unbetätigten Zustand aufliegt, um im unbetätigten Zustand das Einlaßventil und das Auslaßventil zu verschließen. Zwischen den dem Einlaßventil und dem Auslaßventil zugeordneten separat betätigbaren Membranbereichen ist der dritte Membranbereich, der ebenfalls separat betätigbar ist, angeordnet. Durch Betätigen des dritten Membranbereichs wird das Kammervolumen zwischen den beiden Ventilbereichen erhöht. Somit kann durch ein entsprechendes zeit- lieh gesteuertes Ansteuern der drei Membranbereiche eine peristaltische Pumpwirkung zwischen Einlaßventil und Auslaßventil erreicht werden. Gemäß der WO 87/07218 besteht das Aktorelement aus einem Dreierverbund aus Metallmembran, durchgehender keramischer Schicht und segmentierter Elektrodenanordnung. Die keramische Schicht muß dabei segmen- tiert polarisiert werden, was technisch schwierig ist. Ein derartiges segmentiertes Piezo-Biegeelement ist somit aufwendig und erlaubt nur geringe Hubvolumina, so daß eine derartige Pumpe nicht blasentolerant und selbstansaugend arbeiten kann.A peristaltic micropump is also known from WO 87/07218, which has three membrane areas in a continuous substrate surface. A pump channel, which is connected to a fluid supply, is formed in a carrier layer which carries the substrate and an associated support layer. A transverse rib is formed in the pump channel in the area of an inlet valve and an outlet valve, on which an associated membrane section rests in the unactuated state in order to close the inlet valve and the outlet valve in the unactuated state. The third membrane area, which can also be operated separately, is arranged between the separately actuatable membrane areas assigned to the inlet valve and the outlet valve. By actuating the third membrane area, the chamber volume between the two valve areas is increased. Thus, by a corresponding time controlled actuation of the three membrane areas a peristaltic pumping action between the inlet valve and the outlet valve can be achieved. According to WO 87/07218, the actuator element consists of a three-way composite made of a metal membrane, a continuous ceramic layer and a segmented electrode arrangement. The ceramic layer has to be segmented polarized, which is technically difficult. Such a segmented piezo bending element is therefore complex and allows only small stroke volumes, so that such a pump cannot work in a bubble-tolerant and self-priming manner.
Aus der DE 19719862 AI ist eine, nicht auf dem peristalti- schen Prinzip arbeitende, Mi romembranpumpe bekannt, bei der eine an eine Pumpkammer angrenzende Pumpmembran durch eine Piezoaktor betätigbar ist. Ein Fluideinlaß und ein Fluidauslaß der Pumpkammer sind jeweils mit passiven Rückschlagventilen versehen. Gemäß dieser Schrift ist das Kompressionsverhältnis der Mikropumpe, d. h. das Verhältnis von Hubvolumen der Pumpmembran zu Gesamtpumpkämmervolumen abhängig von dem maximalen von der Ventilgeometrie und der Ventilbenetzung abhängigen Druckwert, der notwendig ist, um die Ventile zu öffnen, eingestellt, um einen blasentoleranten, selbstansaugenden Betrieb der dortigen Mikromembran- pumpe zu ermöglichen.DE 19719862 A1 discloses a mini membrane pump that does not operate on the peristaltic principle, in which a pump membrane adjacent to a pump chamber can be actuated by a piezo actuator. A fluid inlet and a fluid outlet of the pump chamber are each provided with passive check valves. According to this document, the compression ratio of the micropump, i.e. H. the ratio of the stroke volume of the pump membrane to the total pump chamber volume is set depending on the maximum pressure value, which is dependent on the valve geometry and the valve wetting, and which is necessary to open the valves, in order to enable bubble-tolerant, self-priming operation of the micromembrane pump there.
Neben den oben genannten Piezoaktoren wäre es ferner möglich, Mikropumpen unter Verwendung elektrostatischer Aktoren zu realisieren, wobei elektrostatische Aktoren jedoch nur sehr geringe Hübe ermöglichen. Alternativ wäre auch die Realisierung pneumatischer Antriebe möglich, was jedoch einen hohen Aufwand hinsichtlich einer externen Pneumatik sowie der dafür erforderlichen Schaltventile notwendig macht. Pneumatische Antriebe stellen somit aufwendige, teuere und platzintensive Verfahren dar, um eine Membranauslenkung zu implementieren. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine peristaltische Mikromembranpumpe zu schaffen, die einfach aufgebaut werden kann und die einen blasentoleranten, selbstansaugenden Betrieb ermöglicht.In addition to the above-mentioned piezo actuators, it would also be possible to implement micropumps using electrostatic actuators, but electrostatic actuators only allow very small strokes. Alternatively, the implementation of pneumatic drives would also be possible, which, however, requires a high level of effort with regard to external pneumatics and the switching valves required for this. Pneumatic drives thus represent complex, expensive and space-intensive processes to implement a membrane deflection. The object of the present invention is to provide a peristaltic micromembrane pump which can be constructed in a simple manner and which enables bubble-tolerant, self-priming operation.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine peristaltische Mikropumpe gemäß Anspruch 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved by a peristaltic micropump according to claim 1.
Die vorliegende Erfindung schafft eine peristaltische Mik- ropu pe mit folgenden Merkmalen:The present invention provides a peristaltic microscope with the following features:
einem ersten Membranbereich mit einem ersten Piezoaktor zum Betätigen des ersten Membranbereichs;a first membrane area with a first piezo actuator for actuating the first membrane area;
einem zweiten Membranbereich mit einem zweiten Piezoaktor zum Betätigen des zweiten Membranbereichs;a second membrane area with a second piezo actuator for actuating the second membrane area;
einem dritten Membranbereich mit einem dritten Piezoaktor zum Betätigen des dritten Membranbereichs; unda third membrane area with a third piezo actuator for actuating the third membrane area; and
einem Pumpenkörper, der zusammen mit dem ersten Membranbereich ein erstes Ventil bildet, dessen Durchlaßöffnung im unbetätigten Zustand des ersten Membranbereichs offen ist und dessen Durchlaßöffnung durch Betätigen des ersten Me b- ranbereichs verschließbar ist, der zusammen mit dem zweiten Membranbereich eine Pumpkammer bildet, deren Volumen durch Betätigen des zweiten Membranbereichs verringerbar ist, und der zusammen mit dem dritten Membranbereich ein zweites Ventil bildet, dessen Durchlaßöffnung im unbetätigten Zu- stand des dritten Membranbereichs offen ist und dessen Durchlaßöffnung durch Betätigen des dritten Membranbereichs verschließbar ist,a pump body which, together with the first membrane area, forms a first valve, the passage opening of which is open when the first membrane area is not actuated, and whose passage opening can be closed by actuating the first mechanical area, which together with the second membrane area forms a pump chamber, the volume of which can be reduced by actuating the second membrane area, and which, together with the third membrane area, forms a second valve, the passage opening of which is open when the third membrane area is not actuated, and whose passage opening can be closed by actuating the third membrane area,
wobei das erste und das zweite Ventil mit der Pumpkammer fluidmäßig verbunden sind.wherein the first and second valves are fluidly connected to the pump chamber.
Die vorliegende Erfindung schafft somit eine peristaltische Mikropumpe, bei der das erste und das zweite Ventil im un- betätigten Zustand offen sind, und bei der das erste und das zweite Ventil durch Bewegen der Membran zu dem Pumpenkörper hin verschlossen werden können, während das Volumen der Pumpkammer durch Bewegen des zweiten Membranbereichs ebenfalls zu dem Pumpenkörper hin verringerbar ist.The present invention thus provides a peristaltic micropump in which the first and the second valve are in the actuated state are open, and in which the first and the second valve can be closed by moving the membrane towards the pump body, while the volume of the pump chamber can also be reduced by moving the second membrane region towards the pump body.
Durch diesen Aufbau ermöglicht die erfindungsgemäße peristaltische Mikropumpe die Realisierung blasentoleranter, selbstansaugender Pumpen, selbst wenn auf einer Membran an- geordnete Piezoelemente als Piezoaktor verwendet werden. Alternativ können erfindungsgemäß als Piezoaktoren auch sogenannte Piezo-Stapel (Piezo-Stacks) verwendet werden, die jedoch gegenüber Piezo-Membranwandlern nachteilig dahingehend sind, daß sie groß und teuer sind, Probleme bezüglich der Verbindungstechnik zwischen Stapel und Membran und Probleme bei der Justage der Stapel liefern und somit insgesamt mit einem höheren Aufwand verbunden sind.With this construction, the peristaltic micropump according to the invention enables the realization of bubble-tolerant, self-priming pumps, even when piezo elements arranged on a membrane are used as the piezo actuator. Alternatively, so-called piezo stacks (piezo stacks) can also be used according to the invention as piezo actuators, which, however, are disadvantageous compared to piezo diaphragm transducers in that they are large and expensive, problems with the connection technology between the stack and diaphragm and problems with the adjustment of the stacks deliver and are therefore associated with a higher effort.
Um sicherzustellen, daß die erfindungsgemäße peristaltische Mikropumpe blasentolerant und selbstansaugend arbeiten kann, wird dieselbe vorzugsweise derart dimensioniert, daß das Verhältnis aus Hubvolumen und Totvolumen größer als ein Verhältnis aus Förderdruck und Atmosphärendruck ist, wobei das Hubvolumen das durch die Pumpmembran verdrängbare Volu- men ist, das Totvolumen das zwischen Einlaßöffnung und Auslaßöffnung der Mikropumpe verbleibende Volumen, wenn die Pumpmembran betätigt ist und eines der Ventile geschlossen und eines geöffnet ist, ist, der Atmosphärendruck maximal etwa 1050 hPa (Worst-Case-Betrachtung) beträgt, und der Förderdruck der in dem Fluidkammerbereich der Mikropumpe, d. h. in der Druckkammer, notwendige Druck ist, um eine Flüssigkeits/Gas-Grenzflache an einer Stelle, die eine Flussengstelle in der Mikroperistaltikpumpe, d.h. zwischen der Pumpkammer und der Durchlaßöffnung des ersten oder zweiten Ventils, einschließlich dieser Durchlaßöffnung, darstellt, vorbei zu bewegen. Genügt das Verhältnis aus Hubvolumen und Totvolumen, das als Kompressionsverhältnis bezeichnet werden kann, der obigen Bedingung, so ist sichergestellt, daß die peristaltische Mikropumpe blasentolerant und selbstansaugend arbei- tet. Dies gilt sowohl bei Einsatz der peristaltischen Mikropumpe zum Fördern von Flüssigkeiten, wenn eine Gasblase, in der Regel eine Luftblase, in den Fluidbereich der Pumpe gelangt, als auch beim Einsatz der erfindungsgemäßen Mikropumpe als Gaspumpe, wenn unbeabsichtigterweise Feuchtigkeit aus dem zu fördernden Gas kondensiert und somit eine Gas/Flüssigkeits-Grenzfläche in dem Fluidbereich der Pumpe auftreten kann.In order to ensure that the peristaltic micropump according to the invention can operate in a bubble-tolerant and self-priming manner, it is preferably dimensioned such that the ratio of stroke volume and dead volume is greater than a ratio of delivery pressure and atmospheric pressure, the stroke volume being the volume that can be displaced by the pump membrane. the dead volume is the volume remaining between the inlet opening and outlet opening of the micropump when the pump diaphragm is actuated and one of the valves is closed and one is open, the atmospheric pressure is a maximum of approximately 1050 hPa (worst-case consideration), and the delivery pressure is in the Fluid chamber area of the micropump, ie in the pressure chamber, is necessary pressure to a liquid / gas interface at a point which is a flow restriction in the microperistaltic pump, ie between the pump chamber and the passage opening of the first or second valve, including this passage opening. represents moving past. If the ratio of stroke volume to dead volume, which can be referred to as the compression ratio, satisfies the above condition, it is ensured that the peristaltic micropump operates in a bubble-tolerant and self-priming manner. This applies both when using the peristaltic micropump for conveying liquids when a gas bubble, usually an air bubble, gets into the fluid area of the pump, and when using the micropump according to the invention as a gas pump, when moisture inadvertently condenses from the gas to be conveyed and thus a gas / liquid interface can occur in the fluid area of the pump.
Kompressionsverhältnisse, die der obigen Bedingung genügen, können erfindungsgemäß beispielsweise realisiert werden, indem das Volumen der Pumpkammer größer ausgeführt wird als das von zwischen den jeweiligen Ventilmembranbereichen und gegenüberliegenden Pumpenkörperabschnitten gebildeten Ventilkammern. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen kann dies realisiert werden, indem der Abstand zwischen Membran und Oberfläche und Pumpenkörperoberflache im Bereich der Pumpkammer größer ist als im Bereich der Ventilkammern.Compression ratios that meet the above condition can be achieved according to the invention, for example, by making the volume of the pump chamber larger than that of valve chambers formed between the respective valve membrane regions and opposite pump body sections. In preferred exemplary embodiments, this can be achieved in that the distance between the membrane and the surface and the pump body surface is greater in the region of the pump chamber than in the region of the valve chambers.
Eine weitere Erhöhung des Kompressionsverhältnisses einer erfindungsgemäßen peristaltischen Mikropumpe kann erreicht werden, indem die Kontur einer in dem Pumpenkörper strukturierten Pumpkammer an die Biegelinie der Pumpmembran, d. h. die gebogene Kontur derselben im betätigten Zustand, angepaßt wird, so daß die Pumpmembran im betätigten Zustand im wesentlichen das gesamte Volumen der Pumpkammer verdrängen kann. Ferner können auch die Konturen von in dem Pumpenkörper gebildeten Ventilkammern entsprechend an die Biegelinie der jeweils gegenüberliegenden Membranabschnitte angepaßt sein, so daß im Optimalfall im geschlossenen Zustand der betätigte Membranbereich im wesentlichen das gesamte Ventilkammervolumen verdrängt. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:A further increase in the compression ratio of a peristaltic micropump according to the invention can be achieved by adapting the contour of a pump chamber structured in the pump body to the bending line of the pump membrane, ie the curved contour thereof in the actuated state, so that the pump membrane in the actuated state essentially does this can displace the entire volume of the pump chamber. Furthermore, the contours of valve chambers formed in the pump body can also be adapted correspondingly to the bending line of the opposite membrane sections, so that, in the optimum case, the actuated membrane area displaces essentially the entire valve chamber volume in the closed state. Preferred exemplary embodiments of the present invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 eine schematische Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen peristaltischen Mikropumpe in einem Fluidsystem;1 shows a schematic cross-sectional view of an exemplary embodiment of a peristaltic micropump according to the invention in a fluid system;
Fig. 2a bis 2f schematische Darstellungen zur Erläuterung eines Piezo-Membranwandlers;2a to 2f are schematic representations to explain a piezo diaphragm transducer;
Fig. 3a bis 3c schematische Querschnittdarstellungen zur Erläuterung der Begriffe Hubvolumen und Totvolumen;3a to 3c are schematic cross-sectional representations to explain the terms stroke volume and dead volume;
Fig. 4 ein schematisches Diagramm, das die Volumen/Druck-Zugstände während eines Pumpzyklusses zeigt;Fig. 4 is a schematic diagram showing the volume / pressure tensile levels during a pumping cycle;
Fig. 5a bis 5c schematische Darstellungen zur Erläuterung des Begriffs Förderdruck;5a to 5c are schematic representations for explaining the term delivery pressure;
Fig. 6a bis 6c schematische Ansichten eines alternativen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Mik- ropumpe;6a to 6c are schematic views of an alternative exemplary embodiment of a micro pump according to the invention;
Fig. 7 eine vergrößerte Darstellung eines Bereichs von Fig. 6b;Fig. 7 is an enlarged view of a portion of Fig. 6b;
Fig. 8 eine vergrößerte schematische Querschnittdarstellung eines modifizierten Bereichs von Fig. 7;FIG. 8 is an enlarged schematic cross sectional view of a modified area of FIG. 7;
Fig. 9a, 9b und 9c schematische Darstellungen möglicher Pumpkammergestaltungen;9a, 9b and 9c show schematic representations of possible pump chamber designs;
Fig. 10a und 10b schematische Darstellungen eines alternativen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Mikropumpe; Fig. 11 bis 13 schematische Querschnittansichten vergrößerter Bereiche von Modifikationen des in den Fig. 10a und 10b gezeigten Beispiels;10a and 10b are schematic representations of an alternative exemplary embodiment of a micropump according to the invention; 11 to 13 are schematic cross sectional views of enlarged portions of modifications of the example shown in Figs. 10a and 10b;
Fig. 14 eine schematische Querschnittansicht eines weiteren alternativen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Mikropumpe;14 shows a schematic cross-sectional view of a further alternative exemplary embodiment of a micropump according to the invention;
Fig. 15 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Mehrfach-Mikropumpe; und15 shows a schematic illustration of a multiple micropump according to the invention; and
Fig. 16 eine schematische Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Mik- ropumpe .16 shows a schematic illustration of an alternative exemplary embodiment of a micro pump according to the invention.
Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen peristaltischen Mikropumpe, die in ein Fluidsystem integriert ist, ist in Fig. 1 gezeigt. Die Mikromembranpumpe umfaßt ein Membranelement 10, das drei Membranabschnitte 12, 14 und 16 aufweist. Jeder der Membranabschnitte 12, 14 und 16 ist mit einem Piezoelement 22, 24 bzw. 26 versehen und bildet zusammen mit demselben einen Piezo-Membranwandler. Die Piezoelemente 22, 24, 26 können auf die jeweiligen Membran- abschnitte geklebt sein oder können durch Siebdruck oder andere Dickschichttechniken auf der Membran gebildet sein.A first exemplary embodiment of a peristaltic micropump according to the invention, which is integrated in a fluid system, is shown in FIG. 1. The micromembrane pump comprises a membrane element 10 which has three membrane sections 12, 14 and 16. Each of the membrane sections 12, 14 and 16 is provided with a piezo element 22, 24 and 26 and forms together with the same a piezo membrane transducer. The piezo elements 22, 24, 26 can be glued to the respective membrane sections or can be formed on the membrane by screen printing or other thick-film techniques.
Das Membranelement ist an äußeren Bereichen desselben umlaufend an einen Pumpenkörper 30 gefügt, so daß zwischen denselben eine fluiddichte Verbindung besteht. In dem Pumpenkörper 30 sind zwei Fluiddurchlässe 32 und 34 gebildet, von denen einer, je nach Pumprichtung, einen Fluideinlaß und der andere einen Fluidauslaß darstellt. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Fluiddurchlässe 32, 34 jeweils von einer Dichtlippe 36 umgeben.The outer surface of the membrane element is joined to a pump body 30 so that there is a fluid-tight connection between them. Two fluid passages 32 and 34 are formed in the pump body 30, one of which, depending on the pumping direction, represents a fluid inlet and the other a fluid outlet. In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, the fluid passages 32, 34 are each surrounded by a sealing lip 36.
Ferner sind bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel die Unterseite des Membranelements 10 und die Oberseite des Pumpenkörpers 30 strukturiert, um eine Fluidkammer 40 zwischen denselben zu definieren.Furthermore, in the embodiment shown in FIG. 1, the underside of the membrane element 10 and the top of the Pump body 30 structured to define a fluid chamber 40 therebetween.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind sowohl das Memb- ranelement 10 als auch der Pumpenkörper 30 in einer jeweiligen Siliziumscheibe implementiert, so daß dieselben beispielsweise durch Silicon Fusion Bonding aneinander gefügt sein können. Wie Fig. 1 zu entnehmen ist, weist das Membranelement 10 in der Oberseite desselben drei Ausnehmungen und in der Unterseite desselben eine Ausnehmung auf, um die drei Membranbereiche 12, 14 und 16 zu definieren.In the exemplary embodiment shown, both the membrane element 10 and the pump body 30 are implemented in a respective silicon wafer, so that they can be joined to one another, for example by silicon fusion bonding. As can be seen in FIG. 1, the membrane element 10 has three recesses in the upper side thereof and one recess in the lower side thereof in order to define the three membrane regions 12, 14 and 16.
Durch die Piezoele ente bzw. Piezokeramiken 22, 24 und 26 sind die Membranabschnitte 12, 14 und 16 jeweils in Rich- tung auf den Pumpenkörper 30 zu betätigbar, so daß der Membranabschnitt 12 zusammen mit dem Fluiddurchlaß 32 ein Einlaßventil 62 darstellt, das durch Betätigen des Membranabschnitts 12 verschlossen werden kann. In gleicher Weise stellen der Membranabschnitt 16 und der Fluiddurchlaß 34 zusammen ein Auslaßventil 64 dar, das durch Betätigen des Membranabschnitts 16 mittels des Piezoelements 26 geschlossen werden kann. Schließlich ist durch Betätigen des Piezoelements 24 das Volumen des zwischen den Ventilen angeordneten Pumpkammerbereichs 42 reduzierbar.The diaphragm sections 12, 14 and 16 can each be actuated in the direction of the pump body 30 by the piezoelectric ducks or piezoceramics 22, 24 and 26, so that the diaphragm section 12 together with the fluid passage 32 represents an inlet valve 62 which can be actuated of the membrane section 12 can be closed. In the same way, the membrane section 16 and the fluid passage 34 together constitute an outlet valve 64, which can be closed by actuating the membrane section 16 by means of the piezo element 26. Finally, the volume of the pump chamber region 42 arranged between the valves can be reduced by actuating the piezo element 24.
Bevor auf die Funktionsweise der in Fig. 1 gezeigten peristaltischen Mikropumpe eingegangen wird, sei zunächst kurz die Fluidsystemumgebung, in die die Mikropumpe gemäß Fig. 1 eingebaut ist, beschrieben. Die Pumpe ist dabei mit dem Pumpenkörper 30 auf einen Trägerblock 50 geklebt, wobei optional, wie in Fig. 1 gezeigt ist, Nuten 52 in dem Trägerblock 50 vorgesehen sein können, um überschüssigen Kleber aufzunehmen. Die Nuten 52 können beispielsweise in dem Trägerblock 50 gebildete Fluidkanäle 54 und 56 umgebend vorge- sehen sein, um überschüssigen Kleber aufzunehmen und zu verhindern, daß derselbe in die Fluidkanäle 54, 56 bzw. die Fluiddurchlässe 32, 34 gelangt. Der Pumpenkörper 30 ist derart an den Trägerblock geklebt bzw. gefügt, daß der Flu- iddurchlaß 32 in Fluidverbindung mit dem Fluidkanal 54 und daß der Fluiddurchlaß in Fluidverbindung mit dem Fluidkanal 56 ist. Zwischen den Fluidkanälen 54 und 56 kann in dem Trägerblock 50 ein weiterer Kanal 58 als Querleckschutz vorgesehen sein. An den äußeren Enden der Fluidkanäle 54, 56 sind Anschlußstücke 60 vorgesehen, die beispielsweise zum Anbringen von Schlauchleitungen an das in Fig. 1 gezeigte Fluidsystem dienen können. Ferner ist in Fig. 1 schematisch ein Gehäuse 61 gezeigt, das beispielsweise un- ter Verwendung einer Klebeverbindung an den Trägerblock 50 gefügt ist, um einen Schutz für die Mikropumpe zu liefern und die Piezoelemente feuchtedicht abzuschließen.Before going into the mode of operation of the peristaltic micropump shown in FIG. 1, the fluid system environment into which the micropump according to FIG. 1 is installed is briefly described. The pump is glued to a carrier block 50 with the pump body 30, wherein, as shown in FIG. 1, grooves 52 can optionally be provided in the carrier block 50 in order to absorb excess adhesive. The grooves 52 can, for example, be provided surrounding the fluid channels 54 and 56 formed in the carrier block 50 in order to absorb excess adhesive and to prevent it from getting into the fluid channels 54, 56 or the fluid passages 32, 34. The pump body 30 is glued or joined to the carrier block in such a way that the fluid id passage 32 in fluid communication with the fluid channel 54 and that the fluid passage is in fluid communication with the fluid channel 56. A further channel 58 can be provided in the carrier block 50 between the fluid channels 54 and 56 as a transverse leak protection. At the outer ends of the fluid channels 54, 56, connecting pieces 60 are provided which can be used, for example, for attaching hose lines to the fluid system shown in FIG. 1. Furthermore, a housing 61 is shown schematically in FIG. 1, which is joined to the carrier block 50, for example using an adhesive connection, in order to provide protection for the micropump and to seal the piezo elements moisture-tight.
Zur Beschreibung eines Peristaltikpumpenzyklusses der in Fig. 1 gezeigten Pumpe sei zunächst von einem Ausgangszustand ausgegangen, bei dem das Einlaßventil 62 geschlossen ist, die dem zweiten Membranabschnitt 14 entsprechende Pumpmembran im unbetätigten Zustand ist und das Auslaßventil 64 offen ist. Ausgehend von diesem Zustand wird durch Betätigen des Piezoelements 24 die Pumpmembran 14 nach unten bewegt, was dem Druckhub entspricht, wodurch das Hubvolumen durch das offene Auslaßventil in den Auslaß, d. h. den Fluidkanal 56 gefördert wird. Das Komprimieren der Pumpkammer 42 während des Druckhubes um das Hubvolumen führt zu einem Überdruck in der Pumpkammer, der sich durch die Fluidbewegung durch das Auslaßventil abbaut.To describe a peristaltic pump cycle of the pump shown in FIG. 1, it is initially assumed that there is an initial state in which the inlet valve 62 is closed, the pump membrane corresponding to the second membrane section 14 is in the unactuated state and the outlet valve 64 is open. Starting from this state, by actuating the piezo element 24, the pump diaphragm 14 is moved downward, which corresponds to the pressure stroke, whereby the stroke volume through the open outlet valve into the outlet, i.e. the H. the fluid channel 56 is promoted. The compression of the pump chamber 42 during the pressure stroke by the stroke volume leads to an overpressure in the pump chamber, which is reduced by the fluid movement through the outlet valve.
Ausgehend von diesem Zustand wird das Auslaßventil 64 geschlossen und das Einlaßventil 62 geöffnet. Anschließend wird die Pumpmembran 14 nach oben bewegt, indem die Betätigung des Piezoelements 24 beendet wird. Die dadurch expandierende Pumpkammer führt zu einem Unterdruck in der Pumpkammer, der wiederum ein Einsaugen von Fluid durch das geöffnete Einlaßventil 62 zur Folge hat. Anschließend wird das Einlaßventil 62 geschlossen und das Auslaßventil 64 geöffnet, so daß wieder der oben genannte Ausgangszustand erreicht ist. Durch den beschriebenen Pumpzyklus würde somit ein Fluidvolumen, das im wesentlichen dem Hubvolumen des Membranabschnitts 14 entspricht, von dem Fluidkanal 54 zu dem Fluidkanal 56 gepumpt.Starting from this state, the outlet valve 64 is closed and the inlet valve 62 is opened. The pump diaphragm 14 is then moved upward in that the actuation of the piezo element 24 is ended. The thereby expanding pump chamber leads to a negative pressure in the pump chamber, which in turn results in a suction of fluid through the opened inlet valve 62. Then the inlet valve 62 is closed and the outlet valve 64 is opened so that the above-mentioned initial state is reached again. The pump cycle described would thus result in a fluid volume that is essentially the stroke volume of the Diaphragm section 14 corresponds to, pumped from the fluid channel 54 to the fluid channel 56.
Erfindungsgemäß werden als Piezoaktoren vorzugsweise Piezo- Membranwandler bzw. Piezo-Biegewandler verwendet. Einen optimalen Hub verrichtet ein solcher Biegewandler, wenn die lateralen Abmessungen der Piezokeramik ca. 80% der darunterliegenden Membran entsprechen. Je nach lateralen Abmessungen der Membran, die typischerweise Seitenlängen von 4 mm bis 12 mm aufweisen kann, können somit Auslenkungen von mehreren 10 μ Hub und damit Volumenhübe im Bereich von 0,1 μl bis 10 μl erreicht werden. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung weisen Volumenhübe zumindest in einem solchen Bereich auf, da bei einem derartigen Volumenhub vorteilhaft blasentolerante Peristaltikpumpen realisiert werden können.According to the invention, piezo membrane transducers or piezo bending transducers are preferably used as piezo actuators. Such a bending transducer achieves an optimum stroke if the lateral dimensions of the piezoceramic correspond to approximately 80% of the membrane underneath. Depending on the lateral dimensions of the membrane, which can typically have side lengths of 4 mm to 12 mm, deflections of several 10 μ strokes and thus volume strokes in the range from 0.1 μl to 10 μl can be achieved. Preferred exemplary embodiments of the present invention have volume strokes at least in such a range since bubble-tolerant peristaltic pumps can advantageously be realized with such a volume stroke.
Zu beachten ist bei Piezo-Membranwandlern dabei, daß diese einen effektiven Hub nur nach unten, d. h. zu dem Pumpen- körper hin ermöglichen. Diesbezüglich wird auf die schematischen Darstellungen der Fig. 2a bis 2f verwiesen. Fig. 2a zeigt eine Piezokeramik 100, die auf beiden Oberflächen derselben mit Metallisierungen 102 versehen ist. Die Piezokeramik umfaßt vorzugsweise einen großen d31-Koeffizienten und ist in Richtung des Pfeils 104 in Fig. 2a polarisiert. Gemäß Fig. 2a liegt keine Spannung an der Piezokeramik an.It should be noted with piezo diaphragm converters that they only have an effective stroke downwards, i.e. H. to the pump body. In this regard, reference is made to the schematic representations of FIGS. 2a to 2f. FIG. 2a shows a piezoceramic 100, which is provided with metallizations 102 on both surfaces thereof. The piezoceramic preferably has a large d31 coefficient and is polarized in the direction of arrow 104 in FIG. 2a. According to FIG. 2a there is no voltage on the piezoceramic.
Zur Erzeugung eines Piezo-Membranwandlers ist nun die in Fig. 2a gezeigte Piezokeramik 100 fest auf einer Membran 106 montiert, beispielsweise geklebt, wie in Fig. 2b gezeigt ist. Bei der dargestellten Membran handelt es sich dabei um eine Siliziummembran, wobei die Membran jedoch durch beliebige andere Materialien gebildet sein kann, solange sie elektrisch kontaktiert werden kann, beispielswei- se als metallisierte Siliziummembran, als Metallfolie oder als durch einen Zweikomponentenspritzguß leitfähig gemachte Kunststoffmembran. Wird nun an die Piezokeramik eine positive Spannung, d. h. eine Spannung in Polarisationsrichtung, U > 0, angelegt, so kontrahiert die Piezokeramik, siehe Fig. 2c. Durch die feste Verbindung der Piezokeramik 100 zur Membran 106 wird durch diese Kontraktion die Membran 106 nach unten ausgelenkt, wie durch Pfeile in Fig. 2d verdeutlicht ist.To generate a piezo diaphragm transducer, the piezoceramic 100 shown in FIG. 2a is now firmly mounted on a diaphragm 106, for example glued, as shown in FIG. 2b. The membrane shown is a silicon membrane, but the membrane can be formed by any other materials as long as it can be contacted electrically, for example as a metallized silicon membrane, as a metal foil or as a plastic membrane made conductive by a two-component injection molding. If a positive voltage, ie a voltage in the polarization direction, U> 0, is now applied to the piezoceramic, the piezoceramic contracts, see FIG. 2c. As a result of the fixed connection of the piezoceramic 100 to the membrane 106, the membrane 106 is deflected downward by this contraction, as is illustrated by arrows in FIG. 2d.
Um eine Bewegung der Membran nach oben zu bewirken, müßte eine negative Spannung, d. h. eine Spannung entgegen der Polarisationsrichtung, an die Piezokeramik angelegt werden, wie in Fig. 2e gezeigt ist. Dies führt jedoch zu einer De- Polarisation der Piezokeramik schon bei geringen Feldstärken in Gegenrichtung, wie in Fig. 2e durch einen Pfeil 108 angedeutet ist. Typische Depolarisationsfeidstärken von Bleizirkonattitanat-Keramiken (PZT-Keramiken) liegen beispielsweise bei -4000 V/cm. Somit kann eine Bewegung der Membran nach oben, d. h. in Richtung der Piezokeramik, nicht realisiert werden, wie in Fig. 2f angedeutet ist.To cause the membrane to move upward, a negative voltage, i. H. a voltage against the direction of polarization to which piezoceramic is applied, as shown in FIG. 2e. However, this leads to a de-polarization of the piezoceramic even at low field strengths in the opposite direction, as indicated by an arrow 108 in FIG. 2e. Typical depolarization field strengths of lead zirconate titanate ceramics (PZT ceramics) are, for example, -4000 V / cm. Thus, upward movement of the membrane, i. H. in the direction of the piezoceramic, as indicated in FIG. 2f.
Trotz dieses Nachteils dahingehend, daß aufgrund der unsymmetrischen Natur des Piezoeffektes mit dem Zweischicht- Silizium-Piezo-Biegewandler, d. h. dem Piezo-Membranwandler, nur eine aktive Bewegung nach unten, d. h. in Richtung zu dem Pumpenkörper hin, realisiert werden kann, stellt die Verwendung eines solchen Biegewandlers eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, da diese Form von Wandlern zahlreiche Vorteile aufweist. Zum einen besitzen sie ein schnelles Ansprechverhalten, in der Größenordnung von ca. 1 Millisekunde bei einem geringen Energie- verbrauch. Ferner ist eine Skalierung mit Abmessungen von Piezokeramik und Membran über große Bereiche möglich, so daß ein großer Hub (10 .... 200 μm) und eine große Kraft (Schaltdrücke 104 Pa bis 106 Pa) möglich sind, wobei bei einem größeren Hub die erreichbare Kraft abnimmt und u ge- kehrt. Ferner ist durch die Membran das zu schaltende Medium von der Piezokeramik getrennt. Sollen die erfindungsgemäßen peristaltischen Mikropumpen bei Anwendungen zum Einsatz kommen, bei denen ein blasentolerantes, selbstansaugendes Verhalten erforderlich ist, müssen die Mikroperistaltikpumpen entworfen werden, um einer Designregel hinsichtlich des Kompressionsverhältnisses, das das Verhältnis von Hubvolumen zu Totvolumen definiert, zu genügen. Zur Definition der Begriffe Hubvolumen ΔV und Totvolumen V0 sei zunächst auf die Fig. 3a bis 3b verwiesen.Despite this disadvantage in that, due to the asymmetrical nature of the piezo effect, only an active downward movement, ie towards the pump body, can be realized with the two-layer silicon-piezo bending transducer, ie the piezo diaphragm transducer of such a bending transducer is a preferred embodiment of the present invention, since this form of transducer has numerous advantages. On the one hand, they have a fast response behavior, on the order of about 1 millisecond with low energy consumption. Furthermore, scaling with dimensions of piezoceramic and membrane over large areas is possible, so that a large stroke (10 .... 200 μm) and a large force (switching pressures 10 4 Pa to 10 6 Pa) are possible, with a larger one Stroke the achievable force decreases and u reversed. Furthermore, the medium to be switched is separated from the piezoceramic by the membrane. If the peristaltic micropumps according to the invention are to be used in applications in which bubble-tolerant, self-priming behavior is required, the microperistaltic pumps must be designed in order to comply with a design rule with regard to the compression ratio, which defines the ratio of stroke volume to dead volume. For the definition of the terms displacement volume ΔV and dead volume V 0 , reference is first made to FIGS. 3a to 3b.
Fig. 3a zeigt schematisch einen Pumpenkörper 200 mit einer oberen Oberfläche desselben, in der eine Pumpkammer 202 strukturiert ist. Oberhalb des Pumpenkörpers 200 ist schematisch eine Membran 204 gezeigt, die mit einem Einlaßven- til-Piezoaktor 206, einem Pumpka mer-Piezoaktor 208 und einem Auslaßventil-Piezoaktor 210 versehen ist. Durch die Piezoaktoren 206, 208 und 210 können jeweilige Bereiche der Membran 204 nach unten, d. h. in Richtung auf den Pumpenkörper 200 zu, bewegt werden, wie durch Pfeile in Fig. 3a gezeigt ist. Durch die Linie 212 ist in Fig. 3a ferner der der Pumpkammer 200 gegenüberliegende Abschnitt der Membran 204, d. h. die Pumpmembran, in ihrem ausgelenkten, d. h. durch den Pumpkammer-Piezoaktor 208 betätigten, Zustand gezeigt. Die Differenz des Pumpkammervolumens zwischen dem nicht ausgelenkten Zustand der Membran 204 und dem ausgelenkten Zustand 212 der Membran 204 stellt das Hubvolumen ΔV der Pumpmembran dar.3a schematically shows a pump body 200 with an upper surface thereof, in which a pump chamber 202 is structured. A diaphragm 204 is schematically shown above the pump body 200, which is provided with an inlet valve piezo actuator 206, a pump chamber piezo actuator 208 and an outlet valve piezo actuator 210. Piezoactuators 206, 208 and 210 allow respective areas of the membrane 204 to move downward, ie. H. towards the pump body 200, as shown by arrows in Fig. 3a. The line 212 in FIG. 3a furthermore shows the section of the diaphragm 204 opposite the pump chamber 200, i. H. the pump membrane, in its deflected, d. H. actuated by the pump chamber piezo actuator 208, state shown. The difference in the pump chamber volume between the undeflected state of the membrane 204 and the deflected state 212 of the membrane 204 represents the stroke volume ΔV of the pump membrane.
Gemäß Fig. 3a können die unter dem Einlaßventil-Piezoaktor 206 und unter dem Auslaßventil-Piezoaktor 210 angeordneten Kanalbereiche 214 und 216 durch ein jeweiliges Betätigen des entsprechenden Piezoaktors geschlossen werden, indem die jeweiligen Membranbereiche auf den darunterliegenden Bereichen des Pumpenkörpers aufliegen. Dabei sind die Figu- ren 3a bis 3c lediglich grobe schematische Darstellungen, wobei die jeweiligen Elemente so ausgestaltet sind, daß ein Schließen jeweiliger Ventilöffnungen möglich ist. Somit sind wiederum ein Einlaßventil 62 und ein Auslaßventil 64 gebildet .According to FIG. 3a, the channel regions 214 and 216 arranged under the inlet valve piezo actuator 206 and under the outlet valve piezo actuator 210 can be closed by actuating the corresponding piezo actuator in each case by the respective membrane regions resting on the regions below the pump body. Figures 3a to 3c are only rough schematic representations, the respective elements being designed in such a way that the respective valve openings can be closed. Consequently an inlet valve 62 and an outlet valve 64 are in turn formed.
In Fig. 3b ist eine Situation gezeigt, bei der das Volumen der Pumpkammer 202 durch Betätigen des Pumpkammer- Piezoaktors 208 reduziert ist und bei der das Einlaßventil 62 geschlossen ist. Die in Fig. 3b gezeigte Situation stellt somit den Zustand nach dem Ausstoßen einer Fluidmen- ge aus dem Auslaßventil 64 dar, wobei das Volumen des zwi- sehen dem geschlossenen Einlaßventil 62 und der Durchlaßöffnung des offenen Auslaßventils 64 verbleibenden Fluid- bereichs das Totvolumen V0 bezüglich des Druckhubes darstellt, wie durch den schraffierten Bereich in Fig. 3b gezeigt ist. Das Totvolumen bezüglich eines Saughubes, bei dem das Einlaßventil 62 geöffnet und das Auslaßventil 64 geschlossen ist, ist durch das Volumen des zwischen dem geschlossenen Auslaßventil 64 und der Durchlaßöffnung des geöffneten Einlaßventils 62 verbleibenden Fluidbereichs definiert, wie in Fig. 3c durch den schraffierten Bereich ge- zeigt ist.3b shows a situation in which the volume of the pump chamber 202 is reduced by actuating the pump chamber piezo actuator 208 and in which the inlet valve 62 is closed. The situation shown in FIG. 3b thus represents the state after a quantity of fluid has been expelled from the outlet valve 64, the volume of the fluid region remaining between the closed inlet valve 62 and the passage opening of the open outlet valve 64 being the dead volume V 0 with respect to the pressure stroke, as shown by the hatched area in Fig. 3b. The dead volume with respect to a suction stroke at which the inlet valve 62 is opened and the outlet valve 64 is closed is defined by the volume of the fluid region remaining between the closed outlet valve 64 and the passage opening of the opened inlet valve 62, as shown in FIG. 3c by the hatched region - shows is.
An dieser Stelle sei angemerkt, daß das jeweilige Totvolumen von dem jeweils geschlossenen Ventil bis zu der Durchlaßöffnung, an der im Moment einer jeweilige Volumenände- rung der Pumpkammer ein wesentlicher Druckabfall stattfindet, definiert ist. Bei einem symmetrischen Aufbau von Einlaßventil und Auslaßventil, wie er für eine bidirektionale Pumpe bevorzugt ist, sind die Totvolumen V0 für den Druckhub und den Saughub identisch. Ergeben sich aufgrund einer Unsymmetrie für einen Druckhub und einen Saughub unterschiedliche Totvolumina, so sei im Sinne einer Worst-Case- Betrachtung im folgenden davon ausgegangen, daß zur Ermittlung des jeweiligen Kompressionsverhältnisses das größere ' der beiden Totvolumina verwendet wird.At this point it should be noted that the respective dead volume is defined from the respectively closed valve to the passage opening at which a substantial pressure drop takes place at the moment of a respective volume change of the pumping chamber. With a symmetrical construction of the inlet valve and outlet valve, as is preferred for a bidirectional pump, the dead volumes V 0 for the pressure stroke and the suction stroke are identical. If there are different dead volumes due to an asymmetry for a pressure stroke and a suction stroke, then, in the sense of a worst-case scenario, it is assumed below that the larger of the two dead volumes is used to determine the respective compression ratio.
Das Kompressionsverhältnis der Mikroperistaltikpumpe berechnet sich aus dem Hubvolumen ΔV und dem Totvolumen V0 wie folgt: ε = ΔV/V0 . Gl . lThe compression ratio of the microperistaltic pump is calculated from the stroke volume ΔV and the dead volume V 0 as follows: ε = ΔV / V 0 . Eq. l
Im folgenden wird von einer Worst-Case-Betrachtung ausge- gangen, bei der der gesamte Pumpenbereich mit einem komprimierbaren Fluid (Gas) gefüllt ist. Die bei einem peristaltischen Pumpzyklus, wie er oben beschrieben wurde, in der Peristaltikpumpe auftretenden Volumen/Druck-Zustände sind in dem Diagramm von Fig. 4 gezeigt. Dabei sind in Fig. 4 jeweils sowohl die isothermen Volumen/Druck-Kennlinien als auch die adiabatischen Volumen/Druck-Kennlinien gezeigt, wobei im Sinne einer Worst-Case-Betrachtung im folgenden von isothermen Verhältnissen, wie sie bei langsamen Zu- standsänderungen auftreten, ausgegangen wird.In the following, a worst case analysis is assumed, in which the entire pump area is filled with a compressible fluid (gas). The volume / pressure conditions that occur in the peristaltic pump during a peristaltic pump cycle as described above are shown in the diagram of FIG. 4. 4 each shows both the isothermal volume / pressure characteristic curves and the adiabatic volume / pressure characteristic curves. In the sense of a worst-case analysis, the following isothermal conditions, such as occur with slow changes in state, is assumed.
Zu Beginn eines Druckhubes herrscht in dem zwischen Einlaßventil und Auslaßventil existierenden Fluidbereich ein Druck po, während dieser Bereich ein Volumen V0 + ΔV aufweist. Ausgehend von diesem Zustand bewegt sich die Druck- membran während des Druckhubes um das Hubvolumen ΔV nach unten, wodurch sich ein Überdruck pü in dem Fluidbereich, d. h. der Pumpkammer, bildet, so daß bei einem Volumen von Vo ein Druck von po + po herrscht. Der Überdruck in der Pumpkammer baut sich ab, indem das Luftvolumen ΔV durch den Auslaß gefördert wird, bis ein Druckausgleich stattgefunden hat. Dieses Ausströmen von Fluid aus dem Auslaß entspricht in Fig. 4 dem Sprung von der oberen Kurve zu der unteren Kurve. Am Ende des Druckausgleichs herrscht somit ein Zustand po, Vo, der dem Ausgangspunkt eines Saughubes ent- spricht. Ausgehend von diesem Zustand wird die Membran von dem Pumpenkörper wegbewegt, d. h. das Volumen der Druckkammer expandiert um das Hubvolumen ΔV. Somit wird zu dem in Fig. 4 als „Saughub nach Expansion" bezeichneten Zustand p0 ~ Pu/ V0 + ΔV gewechselt. Aufgrund des herrschenden Unter- drucks wird ein Fluidvolumen ΔV durch die Einlaßöffnung angesaugt, bis ein Druckausgleich stattgefunden hat. Das Einströmen von Fluid in die Pumpkammer entspricht in Fig. 4 dem Sprung von der unteren Kurve zu der oberen Kurve. Nach dem Druckausgleich herrscht somit der Zustand p0, V0 + ΔV, der wiederum dem Ausgangspunkt eines Druckhubes entspricht.At the beginning of a pressure stroke, a pressure po prevails in the fluid region existing between the inlet valve and the outlet valve, while this region has a volume V 0 + ΔV. Starting from this state, the pressure membrane moves downward by the stroke volume ΔV during the pressure stroke, as a result of which an overpressure pu forms in the fluid region, ie the pump chamber, so that a pressure of po + po prevails at a volume of Vo. The overpressure in the pumping chamber is reduced by conveying the air volume ΔV through the outlet until pressure equalization has taken place. This outflow of fluid from the outlet corresponds to the jump from the upper curve to the lower curve in FIG. At the end of the pressure equalization, there is a state po, Vo, which corresponds to the starting point of a suction stroke. Starting from this state, the membrane is moved away from the pump body, ie the volume of the pressure chamber expands by the stroke volume ΔV. 4 is changed to the state p 0 ~ Pu / V 0 + ΔV, which is referred to as the “suction stroke after expansion” in FIG. 4. Due to the negative pressure prevailing, a fluid volume ΔV is sucked in through the inlet opening until pressure equalization has taken place. The inflow 4 corresponds to the jump from the lower curve to the upper curve the pressure equalization therefore prevails in the state p 0 , V 0 + ΔV, which in turn corresponds to the starting point of a pressure stroke.
Bei den obigen allgemeinen Zustandsbetrachtungen, die zur allgemeinen Erläuterung der Erfindung dienen, wurden jeweils die Volumenverdrängungen des Einlaßventiles und Aus- laßventiles zwischen den jeweiligen Saughüben und Druckhüben vernachlässigt.In the above general state considerations, which serve to explain the invention in general, the volume displacements of the inlet valve and outlet valve between the respective suction strokes and pressure strokes were neglected.
Um eine Blasentoleranz erreichen zu können, muß der Überdruck po beim Druckhub, bzw. der Unterdruck pα beim Saughub, einen Mindestwert beim Druckhub überschreiten bzw. beim Saughub unterschreiten. Anders ausgedrückt muß der Druckbetrag beim Druckhub und beim Saughub einen Mindest- wert, der als Förderdruck pF bezeichnet werden kann, überschreiten. Dieser Förderdruck ist der Druck in der Druckkammer, der mindestens herrschen muß, um eine Flüssig- keits/Gas-Grenzfläche an einer Stelle, die eine Flußengstelle zwischen der Pumpkammer und der Durchlaßöffnung des ersten oder zweiten Ventils, einschließlich dieser Durchlaßöffnung, darstellt, vorbei zu bewegen. Dieser Förderdruck kann abhängig von der Größe dieser Flußengstelle wie folgt ermittelt werden.In order to be able to achieve a bladder tolerance, the overpressure po during the pressure stroke or the underpressure p α during the suction stroke must exceed a minimum value during the pressure stroke or fall below it during the suction stroke. In other words, the pressure amount during the pressure stroke and the suction stroke must exceed a minimum value, which can be referred to as the delivery pressure p F. This delivery pressure is the pressure in the pressure chamber which must at least prevail to pass a liquid / gas interface at a point which represents a flow restriction between the pump chamber and the passage opening of the first or second valve, including this passage opening move. This delivery pressure can be determined as follows depending on the size of this river constriction.
Es müssen Kapillarkräfte überwunden werden, wenn freie 0- berflächen, beispielsweise in Form von Gasblasen (beispielsweise Luftblasen) in den Fluidbereichen innerhalb der Pumpe bewegt werden. Der Druck, der aufgebracht werden muß, um solche Kapillarkräfte zu überwinden, hängt von der Ober- flächenspannung der Flüssigkeit an der Flüssigkeit/Gas- Grenzfläche und dem maximalen Krümmungsradius ri und dem minimalen Krümmungsradius r2 des Meniskus dieser Grenzfläche ab:Capillary forces have to be overcome if free surfaces, for example in the form of gas bubbles (for example air bubbles) are moved in the fluid areas within the pump. The pressure that must be applied to overcome such capillary forces depends on the surface tension of the liquid at the liquid / gas interface and the maximum radius of curvature ri and the minimum radius of curvature r 2 of the meniscus of this interface:
Der zu erbringende Förderdruck ist durch Gleichung 2 definiert, und zwar an der Stelle innerhalb des Strömungspfades der Mikroperistaltikpumpe, an der die Summe der inversen Krümmungsradien rx und r2 einer Flüssigkeits/Gas-Grenz- fläche mit einer gegebenen Oberflächenspannung maximal ist. Diese Stelle entspricht der Flußengstelle. The delivery pressure to be generated is defined by equation 2, namely at the point within the flow path of the microperistaltic pump at which the sum of the inverse radii of curvature r x and r 2 of a liquid / gas interface with a given surface tension is maximum. This point corresponds to the river constriction.
Zur Veranschaulichung sei beispielsweise ein Kanal 220 (Fig. 5a) mit einer Breite d betrachtet, wobei die Höhe des Kanals ebenfalls d betrage. Der Kanal 220 besitzt an beiden Kanalenden 222, beispielsweise unter der Ventilmembran oder der Pumpmembran, eine Querschnittsänderung. In Fig. 5a ist der Kanal vollständig mit einer Flüssigkeit 224 gefüllt, die in Richtung des Pfeils 226 fließt.For example, consider a channel 220 (FIG. 5a) with a width d, the height of the channel also being d. The channel 220 has a change in cross section at both channel ends 222, for example under the valve membrane or the pump membrane. 5a, the channel is completely filled with a liquid 224 which flows in the direction of arrow 226.
Gemäß Fig. 5b trifft nun eine Luftblase 228 auf die Querschnittsänderung am Eingang des Kanals 220. Dabei tritt ein Benetzungswinkel θ auf. Der Benetzungswinkel θ definiert einen maximalen Krümmungsradius τ\ und einen minimalen Krümmungsradius r2 eines durch den Kanal 220 zu bewegenden Meniskus 230, wobei bei gleicher Höhe und Breite des Kanals £ι = r2 gilt. In Fig. 5c ist die Situation dargestellt, wenn die Luftblase, bzw. der Meniskus 230 die Querschnittsänderung 222 am Ende des Kanals 220 erreicht.5b, an air bubble 228 now strikes the change in cross-section at the entrance to the channel 220. A wetting angle θ occurs here. The wetting angle θ defines a maximum radius of curvature τ \ and a minimum radius of curvature r 2 of a meniscus 230 to be moved through the channel 220, where £ ι = r 2 applies for the same height and width of the channel. 5c shows the situation when the air bubble or the meniscus 230 reaches the change in cross section 222 at the end of the channel 220.
Stellt ein solcher Kanal den Bereich eines Fluidsystems dar, an dem die größte Kapillarkraft überwunden werden muß, so beträgt der erforderliche Druck in diesem Spezialfall If such a channel represents the area of a fluid system where the greatest capillary force has to be overcome, the pressure required in this special case is
2 4 Δp = σ — = σ — G1.3 r d2 4 Δp = σ - = σ - G1.3 r d
Diese Druckbarriere ist bei Mikroperistaltikpumpen der erfindungsgemäßen Art aufgrund der kleinen Geometriedimensio- nen nicht zu vernachlässigen, wenn ein solcher Kanal die Engstelle der Pumpe darstellt. Bei einem Leitungsdurchmesser von beispielsweise d = 50 μ und einer Oberflächenspan- nung Luft/Wasser von σwa = 0,075 N/m beträgt die Druckbarriere Δpb = 60 hPa, während bei einem Kanaldurchmesser d = 25 μm die Druckbarriere Δpb = 120 hPa beträgt.This pressure barrier is not to be neglected in microperistaltic pumps of the type according to the invention due to the small geometry dimensions if such a channel represents the constriction of the pump. With a cable diameter of, for example, d = 50 μ and a surface span air / water of σ wa = 0.075 N / m, the pressure barrier is Δp b = 60 hPa, while with a duct diameter d = 25 μm the pressure barrier is Δp b = 120 hPa.
Bei Mikroperistaltikpumpen der erfindungsgemäßen Art wird die angesprochene Engstelle in der Regel jedoch durch den Abstand zwischen Ventilmembran und gegenüberliegendem Bereich des Pumpenkörpers (beispielsweise einer Dichtlippe) bei geöffnetem Ventil definiert sein. Diese Engstelle stellt einen Spalt dar, der eine gegenüber der Höhe unendlich große Breite aufweist, d.h. ri = r und r2 = unendlich.In the case of microperistaltic pumps of the type according to the invention, however, the constriction mentioned is generally defined by the distance between the valve membrane and the opposite area of the pump body (for example a sealing lip) when the valve is open. This constriction represents a gap that has an infinitely wide width compared to the height, ie ri = r and r 2 = infinite.
Für einen solchen Kanal ergibt sich aus obiger Gleichung 2:For such a channel, the following results from equation 2:
Δp = σ- G1.4 rΔp = σ- G1.4 r
Allgemein ist der Zusammenhang zwischen dem kleinsten Krümmungsradius und dem kleinsten Wandabstand d durch folgende Beziehung gegeben:In general, the relationship between the smallest radius of curvature and the smallest wall distance d is given by the following relationship:
G1.5G1.5
2 • sin(90° + T - Θ)2 • sin (90 ° + T - Θ)
wobei Θ den Benetzungswinkel darstellt und F die Verkippung zwischen den beiden Wänden.where Θ represents the wetting angle and F the tilt between the two walls.
Der Worst-Case-Fall, d.h. der kleinste Krümmungsradius unabhängig vom Verkippungswinkel und Benetzungswinkel ist gegeben, wenn die Sinusfunktion maximal, d.h. sin (90°4 -Θ) =1 wird. Dies tritt beispielsweise bei abrupten Querschnitts- änderungen, wie sie in den Fig. 5a bis 5c gezeigt sind, o- der bei Kombinationen von Verkippungswinkel T und Benet¬ zungswinkel Θ auf. Im Worst-Case-Fall gilt:The worst-case scenario, ie the smallest radius of curvature regardless of the tilt angle and wetting angle, is given when the sine function becomes maximum, ie sin (90 ° 4 -Θ) = 1. This occurs for example at the abrupt cross-sectional changes such as, o- in FIGS. 5a to 5c are shown with the combination of tilting angle T and Benet ¬ wetting angle Θ on. In the worst case scenario:
r = — G1.6r = - G1.6
2 Als kleinster auftretender Krümmungsradius kann daher unabhängig vom Verkippungswinkel T, Benetzungswinkel Θ oder abrupten Querschnittsänderungen die Hälfte des kleinsten auftetenden Wandabstands betrachtet werden.2 The smallest occurring radius of curvature can therefore be considered as independent of the tilt angle T, wetting angle Θ or abrupt changes in cross-section, half of the smallest emerging wall distance.
In einer Peristaltikpumpe existieren zum einen Fluidverbin- dungen zwischen den Kammern mit einer gegebenen Kanalgeometrie und einer Engstelle, die eine geringste Durchflußabmessung d definiert. Für einen solchen Kanal gilt:In a peristaltic pump, on the one hand, there are fluid connections between the chambers with a given channel geometry and a constriction that defines the smallest flow dimension d. The following applies to such a channel:
4 Δp = σ — Gl.7. d4 Δp = σ - Eq. 7. d
Zum anderen besitzt die Peristaltikpumpe eine Engstelle am Einlaß- bzw. Auslassventil, die durch die von dem Ventilhub d abhängigen Spaltgeometrie definiert ist. Für diese gilt:On the other hand, the peristaltic pump has a constriction at the inlet or outlet valve, which is defined by the gap geometry dependent on the valve stroke d. The following applies to these:
2 Δp = σ— G1.8. d2 Δp = σ— G1.8. d
Die jeweilige Engstelle (Kanalengstelle oder Ventilengstel- le im geöffneten Zustand) , an der größere Kapillarkräfte überwunden werden müssen, kann als Flußengstelle der Mikroperistaltikpumpe betrachtet werden.The respective constriction (channel constriction or valve constriction in the open state) at which larger capillary forces have to be overcome can be regarded as the flow constriction of the microperistaltic pump.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Er- findung werden daher Verbindungskanäle innerhalb der Peristaltikpumpe derart ausgelegt, daß der Durchmesser des Kanals mindestens das doppelte der Ventilengstelle, d.h. dem Abstand zwischen Membran und Pumpenkörper im geöffneten Ventilzustand, übersteigt. In einem solchen Fall stellt der Ventilspalt die Flußengstelle der Mikroperistaltikpumpe dar. Beispielsweise können bei einem Ventilhub von 20μm Verbindungskanale mit einer geringsten Abmessung, d.h. Engstelle, von 50μm vorgesehen sein. Die obere Grenze des Kanaldurchmessers wird durch das Todvolumen des Kanals be- stimmt. Die zu überwindende Kapillarkraft hängt von der Oberflächenspannung an der Flüssigkeit/Gas-Grenzfläche ab. Diese Oberflächenspannung hängt wiederum von den beteiligten Partnern ab. Für eine Wasser/Luft-Grenzfläche beträgt die Oberflächenspannung etwa 0,075 N/m und variiert leicht mit der Temperatur. Organische Lösemittel besitzen in der Regel eine deutlich geringere Oberflächenspannung, während die Oberflächenspannung an einer Quecksilber/Luft-Grenzfläche beispielsweise etwa 0,475 N/m beträgt. Eine Peristaltikpu - pe, die ausgelegt ist, um die Kapillarkraft bei einer Oberflächenspannung von 0,1 N/m zu überwinden, eignet sich somit, um nahezu alle bekannten Flüssigkeiten und Gase blasentolerant und selbstansaugend zu pumpen. Alternativ kann das Kompressionsverhältnis einer erfindungsgemäßen Mikrope- ristaltikpumpe entsprechend höher gemacht werden, um ein solches Pumpen beispielsweise auch für Quecksilber zu ermöglichen.In preferred exemplary embodiments of the present invention, connecting channels within the peristaltic pump are therefore designed in such a way that the diameter of the channel exceeds at least twice the valve constriction, ie the distance between the membrane and the pump body when the valve is open. In such a case, the valve gap represents the flow constriction of the microperistaltic pump. For example, with a valve stroke of 20 μm, connecting channels with a smallest dimension, ie constriction, of 50 μm can be provided. The upper limit of the channel diameter is determined by the dead volume of the channel. The capillary force to be overcome depends on the surface tension at the liquid / gas interface. This surface tension in turn depends on the partners involved. For a water / air interface, the surface tension is approximately 0.075 N / m and varies slightly with temperature. Organic solvents generally have a significantly lower surface tension, while the surface tension at a mercury / air interface is, for example, approximately 0.475 N / m. A peristaltic pump, which is designed to overcome the capillary force at a surface tension of 0.1 N / m, is therefore suitable for pumping almost all known liquids and gases in a bubble-tolerant and self-priming manner. Alternatively, the compression ratio of a micro-peristaltic pump according to the invention can be made correspondingly higher in order to enable such a pumping, for example also for mercury.
Die im nachfolgenden erörterten Designregeln gelten für die Förderung von Gasen und inkompressiblen Flüssigkeiten, wobei bei der Förderung von Flüssigkeiten davon ausgegangen werden muß, daß im Worst-Case-Fall Luftblasen das gesamte Pumpkämmervolumen ausfüllen. Bei der Förderung von Gasen muß damit gerechnet werden, daß aufgrund einer Auskonden- sierung Flüssigkeit in die Pumpe gelangen kann. Im folgenden wird davon ausgegangen, daß der Piezoaktor so ausgelegt ist, daß alle erforderlichen Unterdrücke und Überdrücke erreicht werden können.The design rules discussed in the following apply to the conveyance of gases and incompressible liquids, whereby when conveying liquids it must be assumed that air bubbles fill the entire pump chamber volume in the worst-case scenario. When pumping gases, it must be expected that liquid can get into the pump due to condensation. In the following it is assumed that the piezo actuator is designed in such a way that all required negative and positive pressures can be achieved.
Zunächst sei ein Druckhub betrachtet. Während des Ausstoßvorgangs komprimiert die Aktormembran das Gasvolumen, bzw. Luftvolumen. Der maximale Überdruck in der Pumpkammer po wird dann durch den Druck in der Luftblase bestimmt. Er berechnet sich aus der Zustandsgieichung der Luftblase.First, consider a pressure stroke. During the ejection process, the actuator membrane compresses the gas volume or air volume. The maximum overpressure in the pump chamber po is then determined by the pressure in the air bubble. It is calculated from the state equation of the air bubble.
Die Variablen p0, V0, ΔV und pü wurden oben bezugnehmend auf Fig. 4 erläutert. γA stellt den Adiabatenkoeffizient des Gases, d.h. der Luft, dar. Die linke Seite der obigen Gleichung stellt den Zustand vor der Kompression dar, während die rechte Seite den Zustand nach der Kompression darstellt. Weiterhin muß der Überdruck po beim Druckhub größer als der positive Förderdruck pF sein: The variables p 0 , V 0 , ΔV and p ü were explained above with reference to FIG. 4. γ A represents the adiabatic coefficient of the gas, that is, the air. The left side of the above equation represents the state before compression, while the right side represents the state after compression. Furthermore, the overpressure po during the pressure stroke must be greater than the positive delivery pressure p F :
po > PF Gl.10po> P F Eq. 10
Nun sei ein Saughub betrachtet. Der Saughub unterscheidet sich durch die Ausgangslage der Volumina. Nach der Expansion entsteht der Unterdruck pö in der Pumpkammer, d. h. p0 ist negativ:Now consider a suction stroke. The suction stroke differs in the initial position of the volumes. After the expansion, the negative pressure p ö arises in the pump chamber, ie p 0 is negative:
Po * = (Po + PuXVo + ΔV)ΪA Gl.llPo * = (Po + PuXVo + ΔV) ΪA Eq.ll
Die linke Seite der Gleichung 11 gibt den Zustand vor der Expansion wieder, während die rechte Seite den Zustand nach der Expansion wiedergibt. Der Unterdruck p0 beim Druckhub muß kleiner sein als der notwendige negative Förderdruck pF. Dabei ist zu beachten, daß der Förderdruck pF bei der Betrachtung des Druckhubes betragsmäßig positiv, bei der Betrachtung des Saughubes betragsmäßig negativ ist. Es folgt:The left side of equation 11 represents the state before expansion, while the right side represents the state after expansion. The vacuum p 0 during the pressure stroke must be less than the necessary negative delivery pressure p F. It should be noted that the delivery pressure p F is positive in terms of amount when considering the pressure stroke, and is negative in amount when considering the suction stroke. It follows:
Pu < pF G1.12Pu <p F G1.12
Aus den obigen Gleichungen ergibt sich für das mindestens notwendige Kompressionsverhältnis von blasentoleranten Mikroperistaltikpumpen für den Druckhub:For the minimum necessary compression ratio of bubble-tolerant microperistaltic pumps for the pressure stroke, the following equations result:
Für den Saughub ergibt sich folgendes Kompressionsverhältnis : The following compression ratio results for the suction stroke:
Ist der Förderdruck pF klein gegenüber dem Atmosphärendruck Po, können die vorhergehenden Gleichungen wie folgt vereinfacht werden, was einer Linearisierung um den Punkt p0, V0 entspricht:If the delivery pressure p F is small compared to the atmospheric pressure Po, the previous equations can be simplified as follows, which corresponds to a linearization around the point p 0 , V 0 :
Druckhub: ε > — ^I Gl.15Pressure stroke: ε> - ^ I Eq. 15
YA PoYA Po
Saughub: ε > — G1.16Suction stroke: ε> - G1.16
YA POYA PO
Als gültige Gleichung für den Saughub und den Druckhub ergibt sich:The valid equation for the suction stroke and the pressure stroke is:
YA POYA PO
Bei schnellen Zustandsänderungen sind die Verhältnisse adiabatisch, d. h. γa = 1,4 für Luft. Bei langsamen Zustands- änderungen sind die Verhältnisse isotherm, d. h. γA = 1- Mit einer konsequenten Anwendung der Worst-Case-Annahme wird im folgenden das Kriterium mit γA = 1 verwendet. Somit kann als Designregel für das notwendige Kompressionsverhältnis blasentoleranter Mikroperistaltikpumpen festgehal- ten werden, daß das Kompressionsverhältnis größer sein muß als das Verhältnis des Förderdrucks zum Atmosphärendruck, d. h. :In the case of rapid changes in state, the conditions are adiabatic, ie γ a = 1.4 for air. In the case of slow changes in state, the conditions are isothermal, ie γ A = 1. With a consistent application of the worst case assumption, the criterion with γ A = 1 is used below. Thus, as a design rule for the necessary compression ratio of bubble-tolerant microperistaltic pumps, it can be stated that the compression ratio must be greater than the ratio of the delivery pressure to the atmospheric pressure, ie:
ε>^ G1.18ε> ^ G1.18
Popo
Oder mit den genannten Volumina: ^ >M G1.19Or with the volumes mentioned: ^> M G1.19
V0 PoV 0 Po
Die oben angegebene einfache lineare Designregel entspricht der Tangente an der isothermen Zustandsgieichung von Fig. 4 im Punkt p0, V0.The simple linear design rule given above corresponds to the tangent to the isothermal equation of FIG. 4 at point p 0 , V 0 .
Bevorzugte Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Mikroperistaltikpumpen werden somit derart gestaltet, daß das Kompressionsverhältnis der obigen Bedingung genügt, wobei der minimal notwendige Förderdruck dem in Gleichung 8 definier¬ ten Druck entspricht, wenn in der Peristaltikpumpe auftretende Kanalengstellen minimale Abmessungen aufweisen, die zumindest doppelt so groß wie der Ventilspalt sind. Alternativ kann der minimal erforderliche Förderdruck dem in Gleichung 3 oder Gleichung 7 definierten Druck entsprechen, wenn die Flußengstelle der Mikroperistaltikpumpe nicht durch einen Spalt sondern einen Kanal definiert ist.Preferred embodiments of the invention microperistaltic are thus designed such that the compression ratio satisfies the above condition, the minimum necessary discharge pressure in Equation 8 corresponds to DEFINE ¬ th pressure when having minimum dimensions in the peristaltic pump occurring Kanalengstellen at least twice as large as the valve gap are. Alternatively, the minimum required delivery pressure can correspond to the pressure defined in equation 3 or equation 7 if the flow restriction of the microperistaltic pump is not defined by a gap but by a channel.
Soll eine erfindungsgemäße Mikroperistaltikpumpe zum Ein- satz kommen, wenn Druckrandbedingungen eines Unterdrucks pi am Einlaß bzw. eines Gegendrucks p2 am Auslaß vorherrschen, so muß das Kompressionsverhältnis einer Mikroperistaltikpumpe entsprechend größer sein, um ein Pumpen gegen diese Einlaßdrücke bzw. Auslaßdrücke zu ermöglichen. Die Druck- randbedingungen werden von der vorgesehenen Anwendung der Mikroperistaltikpumpe definiert und können von wenigen hPa bis zu mehreren 1000 hPa reichen. Für solche Fälle muß der in der Pumpkammer auftretende Überdruck po, bzw. Unterdruck Po diese Gegendrücke mindestens erreichen, damit eine Pump- Wirkung auftritt. Beispielsweise führt allein die Höhendif¬ ferenz eines möglichen Einlaßgefäßes bzw. Auslaßgefäßes von 50 cm bei Wasser zu Gegendrücken von 50 hPa.If a microperistaltic pump according to the invention is to be used when pressure boundary conditions of a negative pressure pi at the inlet or a counter pressure p 2 at the outlet prevail, the compression ratio of a microperistaltic pump must be correspondingly larger in order to enable pumping against these inlet pressures or outlet pressures. The pressure boundary conditions are defined by the intended application of the microperistaltic pump and can range from a few hPa to several 1000 hPa. For such cases, the overpressure po or underpressure Po occurring in the pumping chamber must at least reach these counter pressures so that a pumping effect occurs. For example, only the Höhendif ¬ leads ferenz a possible inlet vessel and the discharge vessel of 50 cm in water at back pressures of 50 hPa.
Weiter stellt die gewünschte Förderrate eine Randbedingung dar, die zusätzliche Anforderungen stellt. Bei einem gegebenen Hubvolumen ΔV wird die Förderrate Q durch die Betriebsfrequenz f des sich wiederholenden Peristaltikzyklus- ses definiert: Q = ΔV " f. Innerhalb der Periodendauer T = 1/f muß sowohl der Saughub als auch der Druckhub der Peristaltikpumpe verrichtet werden, insbesondere muß das Hubvolumen ΔV umgesetzt werden. Die verfügbare Zeit beträgt daher maximal T/2 für Saughub und Druckhub. Die benötigte Zeit, um das Hubvolumen durch die PumpkammerZuleitung und die Ventilengstelle zu fördern, hängt nun einerseits von dem Strömungswiderstand ab, andererseits von der Druckamplitude in der Pumpkammer.Furthermore, the desired delivery rate represents a boundary condition that places additional requirements. For a given stroke volume ΔV, the delivery rate Q is determined by the operating frequency f of the repeating peristaltic cycle. It defines: Q = ΔV "f. Both the suction stroke and the pressure stroke of the peristaltic pump must be performed within the period T = 1 / f, in particular the stroke volume ΔV must be implemented. The available time is therefore a maximum of T / 2 for suction stroke and The time required to convey the stroke volume through the pump chamber feed line and the valve constriction now depends on the one hand on the flow resistance and on the other hand on the pressure amplitude in the pump chamber.
Sollen mit einer erfindungsgemäßen Mikroperistaltikpumpe schaumartige Substanzen gepumpt werden, so kann es notwendig sein, daß eine Mehrzahl von Kapillarkräften, wie sie oben beschrieben sind, überwunden werden muß, da mehrere entsprechende Flüssigkeit/Gas-Grenzflächen auftreten. In einem solchen Fall muß die Mikroperistaltikpumpe ausgelegt sein, um ein Kompressionsverhältnis aufzuweisen, um ent¬ sprechend höhere Förderdrücke erzeugen zu können.If foam-like substances are to be pumped with a microperistaltic pump according to the invention, it may be necessary to overcome a plurality of capillary forces, as described above, since several corresponding liquid / gas interfaces occur. In such a case, the microperistaltic pump must be designed to have a compression ratio in order to be able to generate correspondingly higher delivery pressures.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß das Kompressionsverhältnis einer erfindungsgemäßen Mikroperistaltikpumpe entsprechend höher gewählt werden muß, wenn der in der Mikroperistaltikpumpe notwendige Förderdruck pF neben den angesprochenen Kapillarkräften ferner von den Randbe- dingungen der Anwendung abhängt. Beachtet werden sollte, daß hier der Förderdruck relativ zum Atmosphärendruck betrachtet wird, im Druckhub also ein positiver Förderdruck pF angenommen wird, während im Saughub ein negativer Förderdruck pF angenommen wird. Als ein technisch sinnvoller Wert für einen robusten Betrieb kann daher für einen Saughub und einen Druckhub ein Betrag des Förderdrucks von mindestens pF = 100 hPa angenommen werden.In summary, it can be stated that the compression ratio of a microperistaltic pump according to the invention must be chosen to be correspondingly higher if the delivery pressure p F necessary in the microperistaltic pump also depends on the boundary conditions of the application in addition to the capillary forces mentioned. It should be noted that here the delivery pressure is considered relative to the atmospheric pressure, ie a positive delivery pressure p F is assumed in the pressure stroke, while a negative delivery pressure p F is assumed in the suction stroke. An amount of the delivery pressure of at least p F = 100 hPa can therefore be assumed as a technically sensible value for robust operation for a suction stroke and a pressure stroke.
Betrachtet man einen Gegendruck von beispielsweise 3000 hPa am Pumpenauslaß, gegen den gepumpt werden muß, so ergibt sich nach der obigen Gleichung 13 ein Kompressionsverhältnis von ε > 3, wobei ein Atmosphärendruck von 1013 hPa angenommen wird. Muß die Mikroperistaltikpumpe gegen einen großen Unterdruck ansaugen, beispielsweise einen Unterdruck von -900 hPa, so ist nach der obigen Gleichung 14 ein Kompressionsverhältnis von ε > 9 einzuhalten, um ein Pumpen gegen einen solchen Unterdruck zu ermöglichen.If one considers a back pressure of, for example, 3000 hPa at the pump outlet, against which it is necessary to pump, then a compression ratio of ε> 3 results according to equation 13 above, an atmospheric pressure of 1013 hPa being assumed. If the microperistaltic pump has to suction against a large negative pressure, for example a negative pressure of -900 hPa, then a compression ratio of ε> 9 must be maintained according to equation 14 above in order to enable pumping against such a negative pressure.
Beispiele von peristaltischen Mikropumpen, die die Realisierung derartiger Kompressionsverhältnisse ermöglichen, werden nachfolgend näher erläutert.Examples of peristaltic micropumps that enable the realization of such compression ratios are explained in more detail below.
Fig. 6b zeigt eine schematische Querschnittansicht einer peristaltischen Mikropumpe mit Membranelement 300 und Pumpenkörper 302 entlang der Linie b-b von Fig. 6a und Fig. 6c, während Fig. 6a eine schematische Draufsicht auf das Membranelement 300 und Fig. 6c eine schematische Draufsicht auf den Pumpenkörper 302 zeigt. Das Membranelement 300 besitzt wiederum drei Membranabschnitte 12, 14 und 16, die jeweils mit Piezoaktoren 22, 24 und 26 versehen sind. In dem Pumpenkörper 302 ist wiederum eine Einlaßöffnung 32 und eine Auslaßöffnung 34 gebildet, derart, daß die Einlaßöffnung 32 zusammen mit dem Membranbereich 12 ein Einlaßventil definiert, während die Auslaßöffnung 34 mit dem Membranbereich 16 ein Auslaßventil definiert. Unterhalb des Membran- abschnitts 14 ist eine Pumpkammer 304 in dem Pumpenkörper 302 gebildet. Ferner sind Fluidkanäle 306 in dem Pumpenkörper 302 gebildet, die mit den Membranbereichen 12 und 16 zugeordneten Ventilkammer 308 und 310 fluidmäßig verbunden sind. Die Ventilkammern 308 und 310 sind bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch Ausnehmungen in dem Membranele¬ ment 300 gebildet, wobei in dem Membranelement 300 ferner eine zu der Pumpkammer 304 beitragende Ausnehmung 312 ge¬ bildet ist.6b shows a schematic cross-sectional view of a peristaltic micropump with membrane element 300 and pump body 302 along the line bb of FIGS. 6a and 6c, while FIG. 6a shows a schematic plan view of the membrane element 300 and FIG. 6c shows a schematic plan view of the pump body 302 shows. The membrane element 300 in turn has three membrane sections 12, 14 and 16, which are each provided with piezo actuators 22, 24 and 26. In turn, an inlet opening 32 and an outlet opening 34 are formed in the pump body 302, such that the inlet opening 32 together with the membrane region 12 defines an inlet valve, while the outlet opening 34 with the membrane region 16 defines an outlet valve. A pump chamber 304 is formed in the pump body 302 below the membrane section 14. Furthermore, fluid channels 306 are formed in the pump body 302, which are fluidly connected to the valve chambers 308 and 310 assigned to the membrane regions 12 and 16. The valve chambers 308 and 310 are in the shown embodiment by recesses in the Membranele ¬ element 300 formed, forms 312 ge ¬ in the membrane element 300 also a contributing to the pumping chamber 304 is recess.
Bei dem in den Fig. 6a bis 6c gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Pumpkammervolumen 304 größer ausgeführt als die Volumen der Ventilkammern 308 und 310. Dies wird bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel erreicht, indem eine Pumpkam- erabsenkung in dem eine Strukturierung in der Form einer Pumpkammerabsenkung in dem Pumpenkörper 302 gebildet ist. Der Hub der Pumpenmembran 14 wird vorzugsweise so ausgelegt, daß sie das Volumen der Pumpkammer 304 weitgehend verdrängen kann.In the embodiment shown in FIGS. 6a to 6c, the pump chamber volume 304 is made larger than the volume of the valve chambers 308 and 310. This is achieved in the embodiment shown by a pump chamber lowering in which a structuring in the form of a pumping chamber lowering is formed in the pump body 302. The stroke of the pump membrane 14 is preferably designed so that it can largely displace the volume of the pump chamber 304.
Eine weitere Erhöhung des Pumpkammervolumens gegenüber den Ventilkämmervolumen ist bei dem in den Fig. 6a bis 6c gezeigten Ausführungsbeispiel erreicht, indem die Pumpkammer- membran 14 flächenmäßig (in der Ebene des Membranelements 300 bzw. des Pumpenkörpers 302) größer gestaltet ist als die Ventil ammermembranen, wie am besten in Fig. 6a zu sehen ist. Somit ergibt sich eine flächenmäßig verglichen mit den Ventilkammern größere Pumpkammer.A further increase in the pump chamber volume compared to the valve chamber volume is achieved in the exemplary embodiment shown in FIGS. 6a to 6c in that the pump chamber membrane 14 is made larger in area (in the plane of the membrane element 300 or the pump body 302) than the valve chamber membranes, as best seen in Figure 6a. This results in a pump chamber that is larger in area compared to the valve chambers.
Um den Strömungswiderstand zwischen den Ventilkammern 308 und 310 und der Pumpkammer 304 zu reduzieren, sind die Zuleitungskanäle 306 in der Oberfläche des Pumpenkörpers 302 strukturiert. Diese Fluidkanäle 306 liefern einen reduzier- ten Strömungswiderstand, ohne das Kompressionsverhältnis der peristaltischen Mikropumpe signifikant zu verschlechtern.In order to reduce the flow resistance between the valve chambers 308 and 310 and the pump chamber 304, the supply channels 306 are structured in the surface of the pump body 302. These fluid channels 306 provide a reduced flow resistance without significantly deteriorating the compression ratio of the peristaltic micropump.
Alternativ zu dem in den Fig. 6a bis 6c gezeigten Ausfüh- rungsbeispiel könnte die Oberfläche des Pumpenkörpers 302 mit dreistufigen Absenkungen realisiert sein, um die Pumpkammer erhöhter Tiefe (verglichen mit den Ventilkammern) zu implementieren, während der obere Chip eine im wesentlichen unstrukturierte Membran ist. Solche zweistufige Absenkungen sind technologisch etwas schwieriger zu realisieren als das in den Fig. 6a bis 6c gezeigte Ausführungsbeispiel.As an alternative to the exemplary embodiment shown in FIGS. 6a to 6c, the surface of the pump body 302 could be implemented with three-stage depressions in order to implement the pump chamber of increased depth (compared to the valve chambers), while the upper chip is an essentially unstructured membrane , Such two-stage reductions are technologically somewhat more difficult to implement than the exemplary embodiment shown in FIGS. 6a to 6c.
Beispielhafte Abmessungen des in den Fig. 6a bis 6c gezeigten Ausführungsbeispiels einer peristaltischen Mikropumpe lauten wie folgt:Exemplary dimensions of the embodiment of a peristaltic micropump shown in FIGS. 6a to 6c are as follows:
Abmessung der Ventilmembrane 12, 16: 7,3 x 5,6 mm; Abmessung der Pumpmembran 14: 7,3 x 7,3 mm; Membrandicke: 40 μm;Dimension of the valve membrane 12, 16: 7.3 x 5.6 mm; Dimension of the pump membrane 14: 7.3 x 7.3 mm; Membrane thickness: 40 μm;
Durchmesser der Einlaß- bzw. Auslaßdüse 32, 34: mindestens 50 μm;Diameter of the inlet and outlet nozzle 32, 34: at least 50 μm;
Ventilkammerhöhe: 8 μm; Höhe der Pumpkammer: 30 μm;Valve chamber height: 8 μm; Pump chamber height: 30 μm;
Breite der Ventil-Dichtlippen dDL: lOμm; realisierbare Gesamtgröße: 8 x 21 mm;Width of the valve sealing lips d DL : lOμm; realizable overall size: 8 x 21 mm;
Abmessungen der Piezoelemente: Fläche: 0,8 mal Membranabmessung, Dicke: 2,5 mal Membrandicke; Dicke der Piezoelemente: lOOμm; undDimensions of the piezo elements: area: 0.8 times the membrane dimension, thickness: 2.5 times the membrane thickness; Piezo element thickness: 100 μm; and
Öffnungsquerschnitt der Öffnungen 32, 34: lOOμm x lOOμm.Opening cross section of the openings 32, 34: 100 μm x 100 μm.
Eine vergrößerte Darstellung des linken Teils der in Fig. 6b gezeigten Querschnittdarstellung ist in Fig. 7 gezeigt, wobei in Fig. 7 die Höhe H der Pümpkammer 304 angezeigt ist. Obwohl gemäß der Darstellung von Fig. 7 die die Pumpkammer 304 bildenden Strukturierungen in dem Pumpenkörper 302 und in dem Membranelement 300 gleiche Tiefen besitzen, ist es bevorzugt, die Strukturierungen in dem Pumpenkörper 302 mit einer größeren Tiefe als die in dem Membranelement auszugestalten, um den Flußkanal 306 mit einem ausreichenden Flußquerschnitt zu versehen, ohne jedoch das Kompressionsverhältnis übermäßig zu beeinträchtigen. Beispielsweise können die Strukturierungen in dem Pumpenkörper 302, die zu dem Fluidkanal 306 und der Pumpkammer 304 beitragen, eine Tiefe von 22 μm aufweisen, während die Strukturierungen in dem Membranelement 300, die die Ventilkammern 308 definieren bzw. zu der Druckkammer 304 beitragen, eine Tiefe von 8 μm aufweisen können.An enlarged view of the left part of the cross-sectional view shown in FIG. 6b is shown in FIG. 7, the height H of the pumping chamber 304 being shown in FIG. 7. Although the structures in the pump body 302 and in the membrane element 300 forming the pump chamber 304 have the same depths as shown in FIG. 7, it is preferred to structure the structures in the pump body 302 with a greater depth than that in the membrane element in order to achieve this To provide flow channel 306 with a sufficient flow cross-section, but without unduly affecting the compression ratio. For example, the structures in the pump body 302 that contribute to the fluid channel 306 and the pump chamber 304 can have a depth of 22 μm, while the structures in the membrane element 300 that define the valve chambers 308 or contribute to the pressure chamber 304 have a depth of 8 μm.
Fig. 8 stellt eine schematische Querschnittansicht einer Vergrößerung des Abschnitts A von Fig. 7 dar, jedoch in einer modifizierten Form. Gemäß Fig. 8 ist der Steg von der Öffnung 32 in Richtung zu dem Kanal 206 hin beabstandet an- geordnet. Dadurch können Montagetoleranzen bei einer doppelseitigen Lithographie berücksichtigt werden. Ferner kann damit verhindert werden, daß Waferdickenschwankungen, die Ventilöffnungen mit unterschiedlichen Querschnittgrößen zur Folge haben können, keine negativen Auswirkungen haben. Wie in Fig. 8 zu erkennen ist, definiert der Abstand x zu der Membran 12 die Flußengstelle zwischen Pumpkammer und Ventildurchlaßöffnung bei geöffneter Ventilstellung.FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of an enlargement of section A of FIG. 7, but in a modified form. According to FIG. 8, the web is spaced from the opening 32 in the direction of the channel 206. This allows assembly tolerances to be taken into account in double-sided lithography. Furthermore, it can be prevented that wafer thickness fluctuations, the valve openings with different cross-sectional sizes Can have consequences, have no negative effects. As can be seen in FIG. 8, the distance x to the membrane 12 defines the flow constriction between the pump chamber and the valve passage opening when the valve position is open.
Wie oben ausgeführt wurde, muß in den Bereichen des Fluid- systems, in denen eine Pumpwirkung erforderlich ist, indem ein Pumpkämmervolumen einer Peristaltikpumpe gebildet wird, das Kompressionsverhältnis der Peristaltikpumpe groß ge- wählt werden, um ein selbstbefüllendes Verhalten und einen robusten Betrieb bezüglich einer Blasentoleranz zu gewährleisten. Um dies zu erreichen, ist es bevorzugt, die Totvoluminas klein zu halten, was unterstützt werden kann, indem die Kontur bzw. Form der Pumpkammer an die Biegelinie der Pumpmembran im ausgelenkten Zustand angepaßt wird.As stated above, in the areas of the fluid system in which a pumping action is required by forming a pump chamber volume of a peristaltic pump, the compression ratio of the peristaltic pump must be chosen large in order to ensure self-filling behavior and robust operation with regard to a bladder tolerance to ensure. To achieve this, it is preferred to keep the dead volume small, which can be supported by adapting the contour or shape of the pump chamber to the bending line of the pump membrane in the deflected state.
Eine erste Möglichkeit, eine solche Anpassung zu realisieren, besteht darin, eine runde Pumpkammer zu implementieren, d.h. eine Pumpkammer, deren Umfangsform an die Auslen- kung der Pumpmembran angepasst ist. Eine schematische Draufsicht auf den Pumpkammer- und Fluidkanal-Abschnitt eines Pumpenkörpers mit einer solchen Pumpkammer ist in Fig. 9a gezeigt. In die runde Pumpkammer 330 münden wiederum vergleichbar mit der Darstellung von Fig. 6c die Fluidkanä- le 306, die eine Fluidverbindung zu Ventilkammern, die beispielsweise wiederum in einem Membranelement strukturiert sein können, herstellen.A first way to implement such an adaptation is to implement a round pumping chamber, i.e. a pump chamber, the circumferential shape of which is adapted to the deflection of the pump membrane. A schematic top view of the pump chamber and fluid channel section of a pump body with such a pump chamber is shown in FIG. 9a. The fluid channels 306, which produce a fluid connection to valve chambers, which in turn can be structured in a membrane element, for example, flow into the round pump chamber 330, comparable to the illustration in FIG. 6c.
Um eine weitere Reduzierung des Totvolumens und damit eine weitere Erhöhung des Kompressionsverhältnisses erreichen zu können, kann die Pumpkammer unter der Pumpmembran so gestaltet werden, daß ihre der Pumpmembran zugewandte Kontur paßgenau der Biegelinie der Pumpmembran folgt. Eine solche Kontur der Pumpkammer kann beispielsweise durch ein entsprechend geformtes Spritzgußwerkzeug oder durch einen Prägestempel erreicht werden. Eine schematische Draufsicht auf einen Pumpenkörper 340, in dem eine solche der Biegelinie der Aktormembran folgende Fluidkammer 342 strukturiert ist, ist in Fig. 9b gezeigt. Ferner sind in Fig. 9b in dem Pumpenkörper strukturierte Fluidkanäle 344 dargestellt, die zu der Fluidkammer 342 hin und von derselben weg führen. Eine schematische Querschnittansicht entlang der Linie c-c von Fig. 9b ist in Fig. 9c gezeigt, wobei in Fig. 9c ferner eine Membran 346 mit dem derselben zugeordneten Piezoaktor 348 dargestellt. Ein Fluß durch die Fluidkanäle 344 ist in Fig. 9c durch Pfeile 350 angezeigt. Ferner ist in Fig. 9c die der Membran 346 zugewandte an die Biegelinie der Memb- ran (im betätigten Zustand) angepaßte Kontur 352 der Fluidkammer bzw. Pumpkammer 342 zu erkennen. Diese Form der Fluidkammer 352 ermöglicht, daß bei Betätigen der Membran 346 durch den Piezoaktor 348 im wesentlichen das gesamte Volumen der Fluidkammer 342 verdrängt wird, wodurch ein hohes Kompressionsverhältnis erreicht werden kann.In order to be able to achieve a further reduction in the dead volume and thus a further increase in the compression ratio, the pumping chamber under the pumping membrane can be designed such that its contour facing the pumping membrane follows the bending line of the pumping membrane with a precise fit. Such a contour of the pump chamber can be achieved, for example, by an appropriately shaped injection molding tool or by an embossing stamp. A schematic plan view of a pump body 340 in which such a fluid chamber 342 structures the bending line of the actuator membrane is shown in Fig. 9b. Furthermore, fluid channels 344 structured in the pump body are shown in FIG. 9b, which lead to and away from the fluid chamber 342. A schematic cross-sectional view along the line cc of FIG. 9b is shown in FIG. 9c, a diaphragm 346 with the piezo actuator 348 associated therewith also being shown in FIG. 9c. Flow through the fluid channels 344 is indicated by arrows 350 in FIG. 9c. Furthermore, FIG. 9c shows the contour 352 of the fluid chamber or pump chamber 342, which is facing the membrane 346 and is adapted to the bending line of the membrane (in the actuated state). This shape of the fluid chamber 352 enables the entire volume of the fluid chamber 342 to be displaced when the diaphragm 346 is actuated by the piezo actuator 348, as a result of which a high compression ratio can be achieved.
Ein Ausführungsbeispiel einer peristaltischen Mikropumpe, bei der sowohl die Pumpkammer 342 als auch Ventilkammern 360 an die Biegelinien der jeweils zugeordneten Membranab- schnitte 12, 14 und 16 angepaßt sind, ist in den Fig. 10a und 10b gezeigt, wobei Fig. 10b eine schematische Draufsicht auf den Pumpenkörper 340 zeigt, während Fig. 10a eine schematische Querschnittansicht entlang der Linie a-a von Fig. 10b zeigt. Wie den Fig. 10a und 10b zu entnehmen ist, sind Form und Kontur der Ventilkammer 360 und 362 wie oben Bezug nehmend auf die Pumpkammer 342 erläutert, an die Bie¬ gelinie des jeweils zugeordneten Membranabschnitts 12 bzw. 16 angepaßt. Wie ferner am besten in Fig. 10b zu sehen ist, sind wiederum Fluidkanäle 344a, 344b, 344c und 344d in dem Pumpenkörper 340 gebildet. Der Fluidkanal 344a stellt einen Eingangsfluidkanal der, der Fluidkanal 344b verbindet die Ventilkammer 360 mit der Pumpkammer 342, der Fluidkanal 344 verbindet die Pümpkammer 342 mit der Ventilkammer 362, und der Fluidkanal 344d stellt einen Ausgangskanal dar.An embodiment of a peristaltic micropump, in which both the pump chamber 342 and valve chambers 360 are adapted to the bending lines of the respectively assigned membrane sections 12, 14 and 16, is shown in FIGS. 10a and 10b, with FIG. 10b a schematic top view points to the pump body 340, while FIG. 10a shows a schematic cross-sectional view along the line aa of FIG. 10b. As is apparent from FIGS. 10a and 10b, shape and contour are 360 and 362 as explained above with reference to the pumping chamber 342 of the valve chamber, adapted to the Bie ¬ gelinie of the associated diaphragm portion 12 and 16 respectively. As further best seen in FIG. 10b, fluid channels 344a, 344b, 344c and 344d are again formed in the pump body 340. Fluid channel 344a represents an input fluid channel, fluid channel 344b connects valve chamber 360 to pump chamber 342, fluid channel 344 connects pump chamber 342 to valve chamber 362, and fluid channel 344d represents an outlet channel.
Wie ferner in Fig. 10a gezeigt ist, ist das Membranelement 380 bei diesem Ausführungsbeispiel ein unstrukturiertes Membranelement, das in eine in dem Pumpenkörper 340 vorge- sehene Ausnehmung eingebracht ist, um zusammen mit den in dem Pumpenkörper 340 gebildeten Fluidbereichen die Ventilkammern und die Pumpkammer zu definieren.As further shown in FIG. 10 a, the diaphragm element 380 in this exemplary embodiment is an unstructured diaphragm element which is provided in a pump body 340. see recess is introduced in order to define the valve chambers and the pump chamber together with the fluid regions formed in the pump body 340.
Die Verbindungskanäle 344b und 344c zwischen den Aktorkam¬ mern sind so geschaltet, daß sie ein im Vergleich zum Hubvolumen geringes Totvolumen beinhalten. Gleichzeitig verringern diese Fluidkanäle den Strömungswiderstand zwischen den Aktorkammern signifikant, so daß auch größere Pümpfre- quenzen und damit größere Förderströme, wobei ein solcher Strom wiederum durch Pfeile 350 in Fig. 10a angezeigt ist, möglich werden. Im Bereich der Ventilkammern 360 und 362 werden die Fluidkanäle durch Betätigen der Membranabschnitte 12 bzw. 16 durch die vollständig ausgelenkten Membranab- schnitte getrennt, so daß eine Fluidtrennung zwischen den Fluidkanälen 344a und 344b bzw. zwischen den Fluidkanälen 344c und 344d auftritt. Die Kontur der Ventilkammern muß dabei exakt an die Biegelinie der jeweiligen Membranabschnitte angepaßt sein, um eine dichte Fluidtrennung zu er- reichen. Alternativ kann, wie in Fig. 11 gezeigt ist, ein Steg 390 in der jeweiligen Ventilkammer im Bereich des größten Hubs des Membranabschnitts 12 vorgesehen sein, der entsprechend geformt ist, so daß er vollständig durch die Biegung des Membranabschnitts 12 abgedichtet werden kann. Spezieller biegt sich der Steg zu den Rändern der Ventil¬ kammer hin nach oben, entsprechend der an die Biegelinie angepassten Form der Ventilkammer. Dieser Steg kann in die jeweilige Ventilkammer vorstehen, wobei alternativ, wie es in Fig. 11 gezeigt ist, die Tiefe der Verbindungskanäle 344 größer sein kann als der Hub y des Membranabschnitts 12, bei dem der Membranabschnitt an dem Pumpenkörper anliegt, so daß der Steg 390 sozusagen versenkt ist. Ist die Tiefe der Verbindungskanäle größer als der maximale Hub, geht dies zu Kosten des Kompressionsverhältnisses, ermöglicht jedoch geringe Strömungswiderstände zwischen den Aktorkammern. Ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Ventilkammer 360 ist in Fig. 12 gezeigt, wobei dort die Tiefe der Verbindungskanäle 344 kleiner ist als der maximale Hub y des Membranabschnitts 12, und damit als die Tiefe der an die Biegelinie des Membranabschnitts 12 angepaßten Ventilkammer 360 im Bereich des größten Hubes des Membranabschnitts 12. Dadurch kann eine sichere Abdichtung im geschlossenen Zustand des Ventils erreicht werden.The connecting channels 344b and 344c between the chambers Aktorkam ¬ are connected so that they contain a low compared to the stroke volume of dead volume. At the same time, these fluid channels significantly reduce the flow resistance between the actuator chambers, so that larger pumping frequencies and thus larger delivery flows are also possible, such a flow being again indicated by arrows 350 in FIG. 10a. In the area of the valve chambers 360 and 362, the fluid channels are separated by actuating the membrane sections 12 and 16, respectively, through the fully deflected membrane sections, so that fluid separation occurs between the fluid channels 344a and 344b or between the fluid channels 344c and 344d. The contour of the valve chambers must be adapted exactly to the bending line of the respective membrane sections in order to achieve a tight fluid separation. Alternatively, as shown in FIG. 11, a web 390 can be provided in the respective valve chamber in the region of the largest stroke of the membrane section 12, which is shaped accordingly so that it can be completely sealed by the bending of the membrane section 12. More particularly, the web to the edges of the valve chamber ¬ bends upward, according to the adjusted at the bend line form the valve chamber. This web can protrude into the respective valve chamber, alternatively, as shown in FIG. 11, the depth of the connecting channels 344 can be greater than the stroke y of the diaphragm section 12, at which the diaphragm section lies against the pump body, so that the web 390 is sunk, so to speak. If the depth of the connecting channels is greater than the maximum stroke, this comes at the expense of the compression ratio, but enables low flow resistances between the actuator chambers. An alternative exemplary embodiment of a valve chamber 360 is shown in FIG. 12, where the depth of the connecting channels 344 is smaller than the maximum stroke y of the membrane section 12, and thus as the depth of the valve chamber 360 adapted to the bending line of the membrane section 12 in the region of the largest Stroke of the diaphragm section 12. This enables a secure seal to be achieved when the valve is closed.
Um eine Ventilabdichtung im geschlossenen Zustand zu erreichen, die vorgegebenen Druckanforderungen genügt, kann es bevorzugt sein, in der Ventilkammer 360 einen Steg 390a vorzusehen, der nicht die maximal mögliche Biegelinie des Aktorelements, d. h. des Membranabschnitts 12 zusammen mit dem Piezoaktor 22, nachbildet, wie in Fig. 13 gezeigt ist. Die maximal mögliche Biegelinie des Membranabschnitts 12 ist in Fig. 13 durch eine gestrichelte Linie 400 gezeigt, während die Linie 410 der maximal möglichen Auslenkung des Membranabschnitts 12 aufgrund des Vorsehens des Stegs 390a entspricht. Somit sitzt die Membran 12 im voll ausgelenkten Zustand, wenn der Steg 390 abgedichtet wird, mit einer Restkraft auf dem Steg 390a auf, wobei diese Restkraft dimensioniert werden kann, um Druckanforderungen, die die Dichtung aushalten muß, zu genügen.In order to achieve a valve seal in the closed state, which meets the specified pressure requirements, it can be preferred to provide a web 390a in the valve chamber 360 which does not meet the maximum possible bending line of the actuator element, i. H. of the membrane section 12 together with the piezo actuator 22, as shown in FIG. 13. The maximum possible bending line of the membrane section 12 is shown in FIG. 13 by a dashed line 400, while the line 410 corresponds to the maximum possible deflection of the membrane section 12 due to the provision of the web 390a. Thus, in the fully deflected state, when the web 390 is sealed, the membrane 12 rests on the web 390a with a residual force, which residual force can be dimensioned in order to meet pressure requirements which the seal has to withstand.
Bei praktischen Realisierungen wird die Biegelinie der Membran oft nicht perfekt konzentrisch zum Membranmittelpunkt sein, beispielsweise aufgrund von Montagetoleranzen der Piezokeramiken und aufgrund von Inhomogenitäten des Kleberauftrags, durch den die Piezokeramiken an den Membranen angebracht sind. Daher kann der Bereich der Stegabdichtung etwas, beispielsweise um ca. 5 bis 20 μm, je nach Hub des Aktors, gegenüber dem Rest der Fluidkammer erhöht werden, um einen sicheren Kontakt der Membran mit dem Steg und damit eine sichere Abdichtung zu gewährleisten. Dies entspricht ebenfalls der in Fig. 13 gezeigten Situation. Zu beachten ist allerdings, daß dadurch das Totvolumen vergrößert und das Kompressionsverhältnis verringert wird. Alternativ zu den genannten Möglichkeiten kann als Fluid- kammermaterial zumindest im Bereich unter der beweglichen Membran ein plastisch verformbares Material, beispielsweise Silikon, verwendet werden. Durch entsprechend groß ausgelegte Aktorkräfte können dann Inhomogenitäten ausgeglichen werden. In einem solchen Fall liegt keine Hart-Hart- Dichtung mehr vor, so daß eine gewisse Toleranz gegen Partikel und Ablagerungen existiert.In practical implementations, the bending line of the membrane will often not be perfectly concentric with the center of the membrane, for example due to assembly tolerances of the piezoceramics and due to inhomogeneities in the adhesive application by which the piezoceramics are attached to the membranes. The area of the web seal can therefore be increased somewhat, for example by approximately 5 to 20 μm, depending on the stroke of the actuator, compared to the rest of the fluid chamber, in order to ensure reliable contact of the membrane with the web and thus a secure seal. This also corresponds to the situation shown in FIG. 13. It should be noted, however, that this increases the dead volume and reduces the compression ratio. As an alternative to the options mentioned, a plastically deformable material, for example silicone, can be used as the fluid chamber material, at least in the area under the movable membrane. Inhomogeneities can then be compensated for by appropriately large actuator forces. In such a case, there is no longer a hard-hard seal, so that there is a certain tolerance against particles and deposits.
Im folgenden sei kurz eine beispielhafte Dimensionierung einer Peristaltikpumpe, wie sie in den Fig. 10a und 10b gezeigt ist, angegeben. Die Dicke der Membranabschnitte 12, 14 und 16 und somit die Dicke des Membranelements 380 kann beispielsweise 40 μm betragen, während die Dicke der Piezoaktoren beispielsweise 100 μm betragen kann. Als Piezokeramik kann eine PZT-Keramik mit einem großen d31-Koeffizien- ten verwendet werden. Die Seitenlänge der Membranen kann beispielsweise 10 mm betragen, während die Seitenlänge der Piezoaktoren beispielsweise 8 mm betragen kann. Der Spannungshub zum Betätigen der Aktoren bei der genannten Aktorgeometrie kann beispielsweise 140 V betragen, was einen maximalen Hub von ca. 100 bis 200 μm mit einem Hubvolumen der Pumpmembran von ca. 2 bis 4 μl zur Folge hat.An exemplary dimensioning of a peristaltic pump as shown in FIGS. 10a and 10b is briefly given below. The thickness of the membrane sections 12, 14 and 16 and thus the thickness of the membrane element 380 can be 40 μm, for example, while the thickness of the piezo actuators can be 100 μm, for example. A PZT ceramic with a large d31 coefficient can be used as the piezoceramic. The side length of the membranes can be, for example, 10 mm, while the side length of the piezo actuators can be, for example, 8 mm. The voltage swing for actuating the actuators in the aforementioned actuator geometry can be, for example, 140 V, which results in a maximum stroke of approximately 100 to 200 μm with a stroke volume of the pump membrane of approximately 2 to 4 μl.
Durch die Anpassung der Fluidkammerausführung an die Biege¬ linie der Membran fällt das Totvolumen der drei für die Peristaltikpumpe benötigten Fluidkammern weg, so daß nur noch die Verbindungskanäle, die die Ventilkammern mit der Pump- kammer verbinden, verbleiben. Werden Verbindungskanäle mit einer Tiefe von 100 μm, einer Breite von 100 μm und einer Länge von jeweils 10 mm, so daß sich eine Gesamtlänge für die Fluidkanäle 344b und 344c von 20 mm ergibt, ergibt das ein Pumpkammer-Totvolumen von 0,2 μl . Daraus kann ein Kom- pressionsverhältnis ε = ΔV/V = 4 μl/0,2 μl = 20 ermittelt werden. Mit einem derart großen Kompressionsverhältnis von bis zu 20 sind derartige Fluidmodule blasentolerant und selbstansaugend und können sowohl Flüssigkeiten als auch Gase fördern. Derartige Fluidpumpen können ferner für kompressible und flüssige Medien prinzipiell mehrere bar Druck aufbauen, je nach Auslegung des Piezoaktors. Bei einer solchen Mikropumpe wird der maximal erzeugbare Druck nicht mehr durch das Kompressionsverhältnis begrenzt, sondern durch die maximale Kraft des Antriebselements und durch die Dichtheit der Ventile definiert. Trotz dieser Eigenschaften können durch eine geeignete Kanaldimensionierung mit einem geringen Strömungswiderstand mehrere ml/min gefördert werden.By adjusting the fluid chamber execution to the bending of the membrane ¬ line, the dead volume of the three required for the peristaltic pump fluid chambers falls away, so that only the connecting channels, the chambers, the valve chamber with the pumping connect remain. If connecting channels with a depth of 100 μm, a width of 100 μm and a length of 10 mm each, so that the overall length for the fluid channels 344b and 344c is 20 mm, this results in a pump chamber dead volume of 0.2 μl. From this, a compression ratio ε = ΔV / V = 4 μl / 0.2 μl = 20 can be determined. With such a large compression ratio of up to 20, such fluid modules are bubble-tolerant and self-priming and can convey both liquids and gases. Such fluid pumps can also build up in principle several bar pressure for compressible and liquid media, depending on the design of the piezo actuator. In such a micropump, the maximum pressure that can be generated is no longer limited by the compression ratio, but rather by the maximum force of the drive element and the tightness of the valves. Despite these properties, a suitable channel dimensioning with a low flow resistance can deliver several ml / min.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel waren sämt- liehe Fluidkanäle, d. h. auch der Einlaßtluidkanal 344a und der Auslaßfluidkanal 344d lateral geführt, d. h. die Fluidkanäle verlaufen in der gleichen Ebene wie die Fluidkam- mern. Wie oben dargelegt wurde, kann bei einem derartigen Verlauf die Abdichtung der Kanäle schwierig sein. Vorteil- haft an dem lateralen Verlauf der Fluidkanäle ist jedoch, daß das gesamte Fluidsystem einschließlich mit dem Einlaßkanal 344a und/oder dem Auslaßkanal 344d verbundenen Reservoiren mit einem Herstellungsschritt geformt werden kann, beispielsweise mit Spritzguß oder Prägen.In the exemplary embodiment described above, all of the fluid channels, i. H. the inlet fluid channel 344a and the outlet fluid channel 344d are also guided laterally, i. H. the fluid channels run in the same plane as the fluid chambers. As stated above, the sealing of the channels can be difficult with such a course. An advantage of the lateral course of the fluid channels, however, is that the entire fluid system, including reservoirs connected to the inlet channel 344a and / or the outlet channel 344d, can be molded in one manufacturing step, for example by injection molding or embossing.
In Fig. 14 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Mikroperistaltikpumpe gezeigt, bei dem der Einlaßflu- idkanal 412 und der Auslaßfluidkanal 414 in dem Pumpenkörper 340 vertikal versenkt sind. Die Fluidkanäle 412 und 414 weisen einen im wesentlichen vertikalen Abschnitt 412a und 414a auf, die jeweils im wesentlichen zentral unter den zu¬ geordneten Membranabschnitten 12 bzw. 16 in die Ventilkam¬ mern 360 bzw. 362 münden. Der Vorteil des in Fig. 14 gezeigten Ausführungsbeispiels der Fluidkanäle besteht darin, daß die Fluidkanäle definiert abgedichtet werden können. Nachteilig ist jedoch, daß solche vertikal versenkten Flu¬ idkanäle fertigungstechnisch schwierig herzustellen sind. Die erfindungsgemäßen peristaltischen Mikropumpen werden vorzugsweise angesteuert, indem die Membran, beispielsweise die Metallmembran oder die Halbleitermembran, auf einem Massepotential liegt, während die Piezokeramiken durch ei- nen typischen Peristaltikzyklus bewegt werden, indem jeweils entsprechende Spannungen an die Piezokeramiken angelegt werden.FIG. 14 shows an exemplary embodiment of a microperistaltic pump according to the invention, in which the inlet fluid channel 412 and the outlet fluid channel 414 are sunk vertically in the pump body 340. The fluid channels 412 and 414 have 412a and 414a at a substantially vertical portion, each substantially centrally in the Ventilkam ¬ numbers under the parent to ¬ diaphragm portions 12 and 16, 360 and 362 open. The advantage of the exemplary embodiment of the fluid channels shown in FIG. 14 is that the fluid channels can be sealed in a defined manner. However, a disadvantage is that such vertically recessed Flu ¬ idkanäle production technique difficult to manufacture. The peristaltic micropumps according to the invention are preferably controlled in that the membrane, for example the metal membrane or the semiconductor membrane, is at a ground potential, while the piezoceramics are moved by a typical peristaltic cycle, in each case by applying corresponding voltages to the piezoceramics.
Neben der oben beschriebenen Mikroperistaltikpumpe unter Verwendung von drei Fluidkammern 342, 360 und 362 kann ein erfindungsgemäße peristaltische Mikropumpe weitere Fluidkammern aufweisen, beispielsweise eine weitere Fluidkammer 420, die über einen Fluidkanal 422 mit der Pumpkammer 342 verbunden ist. Eine derartige Struktur ist in Fig. 15 sche- matisch gezeigt, wobei ein erstes Reservoir 424 über den Fluidkanal 344a mit der Ventilkammer 360 verbunden ist, ein zweites Reservoir 426 über einen Fluidkanal 428 mit der Ventilkammer 420 verbunden ist und ein drittes Reservoir 430 über den Fluidkanal 344d mit der Ventilkammer 362 ver- bunden ist.In addition to the microperistaltic pump described above using three fluid chambers 342, 360 and 362, a peristaltic micropump according to the invention can have further fluid chambers, for example another fluid chamber 420, which is connected to the pump chamber 342 via a fluid channel 422. Such a structure is shown schematically in FIG. 15, wherein a first reservoir 424 is connected to the valve chamber 360 via the fluid channel 344a, a second reservoir 426 is connected to the valve chamber 420 via a fluid channel 428 and a third reservoir 430 via the Fluid channel 344d is connected to the valve chamber 362.
Eine Struktur mit vier Fluidkammern/. wie sie in Fig. 15 gezeigt ist, kann beispielsweise eine Verzweigungsstruktur bzw. einen Mischer bilden, bei dem die Mischströme aktiv gefördert werden können. Die Erweiterung auf vier Fluidkammern mit vier zugeordneten Fluidaktoren ermöglicht, wie beispielsweise in Fig. 15 gezeigt ist, die Realisierung von drei Peristaltikpumpen, wobei jede Pumprichtung zwischen allen Reservoirs 424, 426 und 430 in beiden Richtungen rea- lisiert werden kann. Dabei ist es möglich, daß ein einziges Membranelement alle Fluidkammern und Reservoirbehälter abdeckt, wobei für jede Fluidkammer ein separater Piezoaktor vorgesehen ist. Somit kann die gesamte Fluidik sehr flach gestaltet werden, wobei die funktionalen, fluidischen Strukturen inklusive Fluidkammern, Kanälen, Membranen, Piezoaktoren und Trägerstrukturen eine Gesamthöhe in der Größenordnung 200 bis 400 μm aufweisen können. Somit sind Sys- teme denkbar, die in Chipkarten integriert werden können. Ferner sind sogar flexible fluidische Systeme denkbar.A structure with four fluid chambers /. 15, for example, can form a branching structure or a mixer in which the mixed streams can be actively promoted. The expansion to four fluid chambers with four assigned fluid actuators enables, as shown for example in FIG. 15, the implementation of three peristaltic pumps, wherein each pump direction between all reservoirs 424, 426 and 430 can be implemented in both directions. It is possible for a single membrane element to cover all fluid chambers and reservoir containers, a separate piezo actuator being provided for each fluid chamber. The entire fluid system can thus be made very flat, the functional, fluid structures including fluid chambers, channels, membranes, piezo actuators and support structures having a total height of the order of 200 to 400 μm. Thus, systems conceivable that can be integrated into chip cards. Furthermore, flexible fluidic systems are even conceivable.
Neben den gezeigten Ausführungsbeispielen können Fluidkam- ern beliebig in einer Ebene verschaltet werden. So kann beispielsweise unterschiedlichen Reservoirs z. B. je eine Mikroperistaltikpumpe zugeordnet werden, die dann bei¬ spielsweise Reagenzien einer chemischen Reaktion zuführen (beispielsweise bei einer Brennstoffzelle) , oder eine Ka¬ libriersequenz für ein Analysesystem durchführen, bei¬ spielsweise bei einer Wasseranalyse iIn addition to the exemplary embodiments shown, fluid chambers can be connected in any way on one level. For example, different reservoirs. B. each be assigned a microperistaltic which feed then at ¬ game as reagents to a chemical reaction (for example, a fuel cell) or Ka ¬ libriersequenz carry out for an analysis system, wherein ¬ play, in a water analysis i
Zur Erzeugung eines Piezo-Membranwandlers können die Piezokeramiken beispielsweise auf die jeweiligen Membranab- schnitte geklebt werden. Alternativ können die Piezokeramiken, beispielsweise PZT, direkt in Dickschichttechnik aufgebracht werden, beispielsweise durch Siebdruckverfahren mit geeigneten Zwischenschichten.To produce a piezo membrane transducer, the piezoceramics can be glued to the respective membrane sections, for example. Alternatively, the piezoceramics, for example PZT, can be applied directly using thick-film technology, for example by screen printing with suitable intermediate layers.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemä¬ ßen mikroperistaltischen Pumpe mit versenktem Einlaßfluid- kanal 412 und versenktem Auslaßfluidkanal 414 ist in Fig. 16 gezeigt. Der Einlaßflußkanal 412 mündet wiederum im we¬ sentlichen mittig unter dem Membranabschnitt 12 in eine Ventilkammer 442, während der Auslaßfluidkanal 414 im we¬ sentlichen mittig unter dem Membranabschnitt 16 in eine Ventilkammer 444 mündet. Die jeweiligen Mündungsöffnungen des Einlaßkanals 412 und des Auslaßkanals 414 sind mit ei¬ ner Dichtlippe 450 versehen. Ferner ist in dem Pumpenkörper 440 eine Pumpkammer 452 gebildet, die durch Fluidkanäle in Wänden 454 mit den Ventilkammern 442 und 444 fluidmäßig verbunden ist. Gemäß dem in Fig. 16 gezeigten Ausführungsbeispiel bilden die drei Membranabschnitte 12, 14 und 16 wiederum ein Membranelement 456. Bei diesem Ausführungsbei- spiel werden die Membranabschnitte jedoch durch Piezostape- laktoren 460, 462 und 464 angetrieben, die auf die entspre¬ chenden Membranabschnitte aufsetzbar sind. Zu diesem Zweck werden die Piezostapelaktoren unter Verwendung geeigneter Gehäuseteile 470 bzw. 472, die in Fig. 16 entfernt von dem Pumpenkörper und dem Membranelement gezeigt sind, verwendet.An alternative embodiment of an inventive pump with recessed ¬ SEN mikroperistaltischen Einlaßfluid- channel 412 and recessed Auslaßfluidkanal 414 is shown in Fig. 16. In turn, the Einlaßflußkanal 412 opens into the we ¬ sentlichen centrally below the diaphragm portion 12 in a valve chamber 442, while the Auslaßfluidkanal 414 in ¬ we sentlichen centrally below the diaphragm portion 16 in a valve chamber 444 opens. The respective orifices of the inlet channel 412 and the outlet channel 414 are provided with ei ¬ ner sealing lip 450th Furthermore, a pump chamber 452 is formed in the pump body 440, which is fluidly connected to the valve chambers 442 and 444 by fluid channels in walls 454. According to the in Fig. Embodiment shown 16, the three diaphragm portions 12, 14 and 16, in turn, a membrane element 456. In this embodiment, the diaphragm sections are however laktoren by Piezostape- driven 460, 462 and 464, the sponding to the entspre ¬ diaphragm portions form placeable are. For this purpose, the piezo stack actuators are used using suitable ones Housing parts 470 and 472, which are shown in Fig. 16 remote from the pump body and the membrane element, are used.
Piezostapelaktoren sind vorteilhaft dahingehend, daß dieselben nicht fest mit dem Membranelement verbunden sein müssen, so daß dieselben einen modularen Aufbau ermögli¬ chen. Bei solchen nicht fest verbundenen Piezostapelaktoren ziehen die Aktoren einen Membranabschnitt nicht aktiv zu- rück, wenn eine Betätigung desselben beendet wird. Vielmehr kann eine Rückbewegung des Membranabschnitts nur durch die Rückstellkraft der elastischen Membran selbst erfolgen.Piezo stack actuators are advantageous in that the same do not have to be fixedly connected to the membrane element, so that the same modular construction ermögli ¬ chen. In the case of such piezo stack actuators which are not firmly connected, the actuators do not actively retract a membrane section when actuation thereof is ended. Rather, the membrane section can only be moved back by the restoring force of the elastic membrane itself.
Die erfindungsgemäßen peristaltischen Mikropumpen können unter Verwendung verschiedenster Herstellungsmaterialien und Herstellungstechniken gefertigt werden. Der Pumpenkörper kann beispielsweise aus Silizium hergestellt werden, aus Kunststoff durch Spritzguß gefertigt werden oder fein- werktechnisch spanend hergestellt werden. Das Membranele- ment, das die Antriebsmembrane für die beiden Ventile und die Pumpkammer bildet, kann aus Silizium hergestellt werden, kann durch eine Metallfolie, beispielsweise Edelstahl oder Titan, gebildet sein, kann durch eine in Zweikomponen¬ ten-Spritzgußtechnik gefertigte mit leitfähigen Beschich- tugnen versehene Kunststoffmembran gebildet sein, oder kann durch eine Elastomermembran realisiert sein.The peristaltic micropumps according to the invention can be manufactured using a wide variety of manufacturing materials and manufacturing techniques. The pump body can be made of silicon, for example, made of plastic by injection molding, or machined using precision engineering. The Membranele- ment that forms the drive diaphragm for the two valves and the pumping chamber can be made of silicon, by a metal foil such as stainless steel or titanium may be formed, by an in Zweikomponen ¬ ten-injection molding manufactured with conductive coating virtue provided plastic membrane can be formed, or can be realized by an elastomer membrane.
Die Verbindung von Membranelement und Pumpenkörper ist ein wichtiger Punkt da an dieser Verbindung im Betrieb der Pe- ristaltikpumpe hohe Scherkräfte auftreten können. An diese Verbindung sind folgende Anforderungen zu stellen:The connection of the diaphragm element and the pump body is an important point because high shear forces can occur at this connection during the operation of the peristaltic pump. The following requirements apply to this connection:
dicht; dünne Fügeschicht (< 10 μm) , da die Pumpkammerhöhe ein kritischer beeinflußt; mechanische Beständigkeit; und chemisch beständig gegen zu fördernde Medien. Im Falle von Silizium als Grundstruktur und Membranelement kann ein fügeschichtloses Silicon Fusion Bonding erfolgen. Im Falle einer Silizium-Glaskombination kann vorzugsweise ein anodisches Bonden verwendet werden. Weitere Möglichkeiten sind ein eutektisches Waferbonden oder ein Waferkleben.thick; thin joint layer (<10 μm) because the pump chamber height is a critical one affected; mechanical resistance; and chemically resistant to media to be pumped. In the case of silicon as the basic structure and membrane element, silicon fusion bonding without a joining layer can be carried out. In the case of a silicon-glass combination, anodic bonding can preferably be used. Other options are eutectic wafer bonding or wafer bonding.
Falls die Grundstruktur aus Kunststoff besteht und das Membranelement eine Metallfolie ist, kann ein Laminieren durchgeführt werden, wenn ein Haftvermittler zwischen Membranelement und Grundstruktur verwendet wird. Alternativ kann ein Kleben mit einem Klebstoff hoher Scherfestigkeit erfolgen, wobei dann in der Grundstruktur vorzugsweise Kapillarstopgräben gebildet werden, um ein Eindringen von Kleber in die Fluidstruktur zu vermeiden.If the basic structure is made of plastic and the membrane element is a metal foil, lamination can be carried out if an adhesion promoter is used between the membrane element and the basic structure. Alternatively, gluing with an adhesive with high shear strength can take place, in which case capillary stop trenches are then preferably formed in the basic structure in order to prevent glue from penetrating into the fluid structure.
Falls sowohl Membranelement als auch Pumpenkörper aus Kunststoff bestehen, kann zur Verbindung derselben ein Ultraschallschweißen verwendet werden. Falls eine der beiden Strukturen optisch transparent ist, kann alternativ ein Laserschweißen erfolgen. Im Falle einer Elastomermembran können die Dichtungseigenschaften der Membran ferner dazu verwendet werden, eine Abdichtung durch Klemmung zu gewähr¬ leisten.If both the membrane element and the pump body are made of plastic, ultrasonic welding can be used to connect them. If one of the two structures is optically transparent, laser welding can alternatively take place. In the case of an elastomeric membrane, the sealing properties of the membrane can be further used to make a seal by clamping to be granted ¬.
Im folgenden wird kurz erläutert, wie eine mögliche Befes¬ tigung der Membran an dem Pumpenkörper bei einer erfindungsgemäßen Mikroperistaltikpumpe erfolgen kann. Wird bei der erfindungsgemäßen Mikropumpe die Membran an den Pumpen- körper geklebt, so ist zu beachten, daß die Dosierung von Fügeschichtmaterialien (z.B. Klebstoff) kritisch ist, da einerseits die Membran rundum dicht sein muß (also ausreichend Klebstoff aufgebracht werden muß) , und andererseits ein Eindringen von überschüssigem Klebstoff in die Fluid- kammern vermieden werden muß.The following explains briefly how a possible buildin ¬ account the membrane can be made to the pump body in an inventive microperistaltic. If the diaphragm is glued to the pump body in the micropump according to the invention, it should be noted that the metering of joining layer materials (eg adhesive) is critical, since on the one hand the diaphragm must be completely sealed (that is, sufficient adhesive must be applied) and on the other hand penetration of excess adhesive into the fluid chambers must be avoided.
Das Fügeschichtmaterial, das ein Klebstoff oder ein Haft¬ mittel sein kann, wird z.B. durch Dispensieren oder durch einen entsprechend geformten Stempel auf die Fügeschicht aufgebracht. Nach dem Auftrag des Fügeschichtmaterials wird die Membran auf den Grundkörper bestückt. Mögliche Grate, die z.B. beim Vereinzeln am Rand der Membran sein können, finden in einer entsprechenden Aufnahme für den Grat Platz, so daß eine definierte Lage der Membran vor allem in der Richtung senkrecht zur Oberfläche derselben sichergestellt ist, was bezüglich des Totvolumens und der Dichtheit wichtig ist.The bonding layer material may be an adhesive or an adhesive ¬ medium is, for example, by dispensing or by applied an appropriately shaped stamp to the joint layer. After the application of the joining layer material, the membrane is placed on the base body. Possible burrs, which can be, for example, at the edge of the membrane when separated, are accommodated in a corresponding receptacle for the burr, so that a defined position of the membrane is ensured, above all in the direction perpendicular to the surface thereof, with regard to dead volume and tightness important is.
Danach wird mit einem Stempel auf den Pumpenkörper gedrückt, damit die Klebeschicht möglichst dünn und definiert bleibt. Um überschüssigen Kleber aufzunehmen, kann ein Kapillarstopgraben vorgesehen sein, der die in dem Pumpenkör- per gebildeten Fluidbereiche umgibt. Somit kann solcher ü- berschüssiger Kleber nicht in die Fluidkammern gelangen. Unter diesen Bedingungen kann der Klebstoff definiert und dünn aushärten. Das Aushärten kann bei Raumtemperatur erfolgen oder beschleunigt im Ofen oder durch UV-Bestrahlung bei Verwendung von UV-härtenden Klebstoffen.Then a stamp is pressed onto the pump body so that the adhesive layer remains as thin and defined as possible. In order to absorb excess adhesive, a capillary stop trench can be provided, which surrounds the fluid areas formed in the pump body. Thus, such excess adhesive cannot get into the fluid chambers. Under these conditions, the adhesive can be defined and harden thinly. Curing can take place at room temperature or accelerated in the oven or by UV radiation when using UV-curing adhesives.
Alternativ zu der beschriebenen Klebetechnik kann als Verbindungstechnik ein Anlösen des Grundkörpers bzw. Pumpenkörpers durch geeignete Lösemittel und ein Fügen einer Kunststoffmembran an den Grundkörper erfolgen. As an alternative to the adhesive technique described, the base body or pump body can be loosened as a connection technique by means of suitable solvents and a plastic membrane can be joined to the base body.

Claims

Patentansprüche claims
1. Peristaltische Mikropumpe mit folgenden Merkmalen:1. Peristaltic micropump with the following features:
einem ersten Membranbereich (12) mit einem ersten Piezoaktor (22; 460) zum Betätigen des ersten Membranbereichs;a first membrane area (12) with a first piezo actuator (22; 460) for actuating the first membrane area;
einem zweiten Membranbereich (14) mit einem zweiten Piezoaktor (24; 462) zum Betätigen des zweiten Membranbereichs;a second membrane area (14) with a second piezo actuator (24; 462) for actuating the second membrane area;
einem dritten Membranbereich (16) mit einem dritten Piezoaktor (26; 464) zum Betätigen des dritten Membranbereichs; unda third membrane area (16) with a third piezo actuator (26; 464) for actuating the third membrane area; and
einem Pumpenkörper (30; 302; 340; 440),a pump body (30; 302; 340; 440),
der zusammen mit dem ersten Membranbereich (12) ein erstes Ventil (62) bildet, dessen Durchlaßöffnung (32) im unbetätigten Zustand des ersten Membranbereichs offen ist und dessen Durchlaßöffnung durch Betätigen des ersten Membranbereichs verschließbar ist,which, together with the first membrane area (12), forms a first valve (62), the passage opening (32) of which is open when the first membrane area is not actuated and the passage opening can be closed by actuating the first membrane area,
der zusammen mit dem zweiten Membranbereich (14) eine Pumpkammer (42; 304; 330; 342; 452) bildet, deren Volumen durch Betätigen des zweiten Membranbereichs verringerbar ist, undwhich, together with the second membrane region (14), forms a pump chamber (42; 304; 330; 342; 452), the volume of which can be reduced by actuating the second membrane region, and
der zusammen mit dem dritten Membranbereich (16) ein zweites Ventil (64) bildet, dessen Durchlaßöffnung (34) im unbetätigten Zustand des dritten Membranbereichs offen ist und dessen Durchlaßöffnung durch Be- tätigen des dritten Membranbereichs verschließbar ist,which, together with the third membrane area (16), forms a second valve (64), the passage opening (34) of which is open when the third membrane area is not actuated, and the passage opening of which can be closed by actuating the third membrane area,
wobei das erste und das zweite Ventil (62, 64) mit der Pumpkammer fluidmäßig verbunden sind. wherein the first and second valves (62, 64) are fluidly connected to the pump chamber.
2. Peristaltische Mikropumpe gemäß Anspruch 1, bei der zwischen einem Hubvolumen ΔV, einem Totvolumen V0, einem Förderdruck PF und dem Atmosphärendruck P0 folgen- de Beziehung gilt:2. The peristaltic micropump according to claim 1, in which the following relationship applies between a stroke volume ΔV, a dead volume V 0 , a delivery pressure P F and the atmospheric pressure P 0 :
ΔV/Vo > PF/P0,ΔV / Vo> P F / P 0 ,
wobei das Hubvolumen ΔV das bei einer Betätigung des zweiten Membranbereichs (14) verdrängte Volumen ist, wobei das Totvolumen V0 ein Volumen ist, das zwischen der geöffneten Durchlaßöffnung (32; 34) eines der Ventile (62, 64) und der geschlossenen Durchlaßöffnung (32, 34) des anderen der Ventile (62, 64) im betätig- ten Zustand des zweiten Membranbereichs (14) vorliegt, und wobei der Förderdruck pF der in der Pumpkammer (42; 304; 330; 342; 452) notwendige Druck ist, um eine Flüssigkeits/Gas-Grenzfläche an einer Flußengstelle in der peristaltischen Mikropumpe vorbei zu bewegen.wherein the displacement .DELTA.V is the displaced upon actuation of the second diaphragm portion (14) volume, wherein the dead volume V 0 is a volume that is between the open passage opening (32; 34) of the valves (62, 64) and the closed passage opening ( 32, 34) of the other of the valves (62, 64) is in the actuated state of the second membrane region (14), and the delivery pressure p F is the pressure required in the pumping chamber (42; 304; 330; 342; 452) to move a liquid / gas interface past a flow restriction in the peristaltic micropump.
3. Peristaltische Mikropumpe gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der zwischen dem ersten Membranbereich (12) und dem Pumpenkörper (302; 340; 440) eine erste Ventilkammer (308; 360; 442) gebildet ist und bei der zwischen dem dritten Membranbereich (16) und dem Pumpenkörper (302; 340; 440) eine zweite Ventilkammer (310; 362; 444) gebildet ist, wobei die Ventilkammern mit der Pumpkammer (42; 304; 330; 342; 452) fluidmäßig verbunden sind.3. A peristaltic micropump according to claim 1 or 2, in which a first valve chamber (308; 360; 442) is formed between the first membrane region (12) and the pump body (302; 340; 440) and in which between the third membrane region (16 ) and the pump body (302; 340; 440), a second valve chamber (310; 362; 444) is formed, the valve chambers being fluidly connected to the pump chamber (42; 304; 330; 342; 452).
4. Peristaltische Mikropumpe gemäß Anspruch 3, bei der das Volumen der Pumpkammer (304) größer ist als das Volumen der ersten oder der zweiten Ventilkammer (308, 310) .4. The peristaltic micropump according to claim 3, wherein the volume of the pump chamber (304) is greater than the volume of the first or the second valve chamber (308, 310).
5. Peristaltische Mikropumpe gemäß Anspruch 4, bei der ein Abstand zwischen Membranoberfläche und Pumpenkör- peroberflache im Bereich der Pumpkammer (304) größer ist als im Bereich der Ventilkammer (308, 310) . 5. A peristaltic micropump according to claim 4, in which a distance between the membrane surface and the pump body surface is greater in the region of the pump chamber (304) than in the region of the valve chamber (308, 310).
6. Peristaltische Mikropumpe nach Anspruch 4 oder 5, bei der der zweite Membranbereich (14) und die Pumpkammer flächenmäßig größer sind als der erste oder dritte Membranbereich (12, 16) und die zugeordneten Ventilkammern.6. Peristaltic micropump according to claim 4 or 5, in which the second membrane area (14) and the pumping chamber are larger in area than the first or third membrane area (12, 16) and the associated valve chambers.
7. Peristaltische Mikropumpe nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei der die Membranbereiche (12, 14, 16) in ei- nem Membranelement (10; 300; 380; 456) gebildet sind, wobei die Ventilkammer (308, 310; 360, 362; 442, 444), die Pumpkammer (42; 304; 330; 342; 452) und Fluidkanäle (306; 344) zwischen den Ventilkammern und der Pumpkammer durch Strukturierungen in dem Pumpenkörper und/oder in dem Membranelement gebildet sind.7. Peristaltic micropump according to one of claims 3 to 6, in which the membrane regions (12, 14, 16) are formed in a membrane element (10; 300; 380; 456), the valve chamber (308, 310; 360, 362; 442, 444), the pump chamber (42; 304; 330; 342; 452) and fluid channels (306; 344) between the valve chambers and the pump chamber are formed by structuring in the pump body and / or in the membrane element.
8. Peristaltische Mikropumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Pumpkammer (330; 342) eine Strukturierung in dem Pumpenkörper (340) aufweist, wobei die Kontur der Strukturierung an die gebogene Kontur des zweiten Membranabschnitts (14) im betätigten Zustand angepaßt ist.8. Peristaltic micropump according to one of claims 1 to 7, wherein the pumping chamber (330; 342) has a structure in the pump body (340), the contour of the structure being adapted to the curved contour of the second diaphragm section (14) in the actuated state is.
9. Peristaltische Mikropumpe nach einem der Ansprüche 3 bis 7, bei der die Pumpkammer (342) und die Ventilkammern (360, 362) Strukturierungen in dem Pumpenkörper9. Peristaltic micropump according to one of claims 3 to 7, in which the pump chamber (342) and the valve chambers (360, 362) structuring in the pump body
(340) aufweisen, wobei die Konturen der Strukturierungen an die jeweilige gebogene Kontur des entsprechenden Membranabschnitts (12, 14, 16) im betätigten Zu- stand angepaßt sind.(340), the contours of the structuring being adapted to the respective curved contour of the corresponding membrane section (12, 14, 16) in the actuated state.
10. Peristaltische Mikropumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der der erste und der dritte Membranbereich10. A peristaltic micropump according to any one of claims 1 to 9, wherein the first and third membrane areas
(12, 16) und die Piezoaktoren (22, 26; 460, 464) der- selben derart ausgelegt sind, daß sie im betätigten Zustand mit einer vorbestimmten Kraft auf ein Gegenelement (390; 390a) , um das jeweilige Ventil zu schließen, drücken. (12, 16) and the piezo actuators (22, 26; 460, 464) are designed in such a way that, when actuated, they press a counter element (390; 390a) with a predetermined force in order to close the respective valve ,
11. Peristaltische Mikropumpe nach Anspruch 9, die laterale Fluidzuleitungen (344a, 344d) zu den Ventilkammern (360, 362) aufweist, die in dem Pumpenkörper (340) ge- bildet sind, die durch Betätigen des entsprechenden Membranabschnitts verschlossen werden.11. The peristaltic micropump according to claim 9, which has lateral fluid supply lines (344a, 344d) to the valve chambers (360, 362) which are formed in the pump body (340) and which are closed by actuating the corresponding membrane section.
12. Peristaltische Mikropumpe nach Anspruch 11, bei der im Bereich einer Ventilkammer (360, 362) ein Steg (390; 390a) vorgesehen ist, gegen den der entsprechende betätigte Membranabschnitt anliegt, um die entsprechende laterale Fluidleitung zu verschließen.12. A peristaltic micropump according to claim 11, in which a web (390; 390a) is provided in the region of a valve chamber (360, 362) against which the corresponding actuated membrane section abuts in order to close the corresponding lateral fluid line.
13. Peristaltische Mikropumpe gemäß Anspruch 11, bei der die Ventilkammern dem jeweiligen Membranabschnitt gegenüberliegend ein plastisch verformbares Material aufweisen, gegen das im betätigten Zustand der jeweilige Membranabschnitt anliegt.13. A peristaltic micropump according to claim 11, in which the valve chambers opposite the respective membrane section have a plastically deformable material against which the respective membrane section abuts in the actuated state.
14. Peristaltische Mikropumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, die ferner zumindest einen weiteren Membranbereich mit einem weiteren Piezoaktor zum Betätigen des weiteren Membranbereichs aufweist, wobei der weitere Membranbereich zusammen mit dem Pumpenkörper ein wei- teres Ventil bildet, dessen Durchlaßöffnung im unbetätigten Zustand des weiteren Membranbereichs offen ist und dessen Durchlaßöffnung durch Betätigen des weiteren Membranbereichs verschließbar ist, wobei das weitere Ventil mit ' 'der Pumpkammer fluidmäßig verbunden ist.14. A peristaltic micropump according to one of claims 1 to 13, which further has at least one further membrane region with a further piezo actuator for actuating the further membrane region, the further membrane region together with the pump body forming a further valve, the passage opening of which in the unactuated state further membrane region is open and the passage opening can be closed by actuating the further membrane region, the further valve is fluidly connected to '' of the pumping chamber.
15. Peristaltische Mikropumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei der die Piezoaktoren Piezomembranwandler, die durch jeweilige auf einen Membranbereich aufge- brachte Piezoelemente gebildet sind, sind.15. Peristaltic micropump according to one of claims 1 to 14, in which the piezo actuators are piezo membrane transducers, which are formed by respective piezo elements applied to a membrane area.
16. Peristaltische Mikropumpe nach Anspruch 15, bei dem die Piezoelemente auf den jeweiligen Membranbereich geklebt oder in Dickschichttechnik auf dem jeweiligen Membranbereich gebildet sind.16. Peristaltic micropump according to claim 15, in which the piezo elements on the respective membrane area glued or formed in thick-film technology on the respective membrane area.
17. Peristaltische Mikropumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei der die Piezoaktoren durch jeweilige Pie- zostapel gebildet sind.17. Peristaltic micropump according to one of claims 1 to 14, in which the piezo actuators are formed by respective piezo stacks.
18. Fluidsystem mit einer Mehrzahl von peristaltischen Mikropumpen nach einem der Ansprüche 1 bis 17 und ei- ner Mehrzahl von Reservoiren, die mit den peristaltischen Mikropumpen fluidmäßig verbunden sind. 18. Fluid system with a plurality of peristaltic micropumps according to one of claims 1 to 17 and a plurality of reservoirs which are fluidly connected to the peristaltic micropumps.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006028986B4 (en) 2006-06-23 2019-06-27 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Contrast membrane drive to increase the efficiency of micropumps

Families Citing this family (70)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9138537B2 (en) * 2003-10-02 2015-09-22 Medtronic, Inc. Determining catheter status
US7320676B2 (en) * 2003-10-02 2008-01-22 Medtronic, Inc. Pressure sensing in implantable medical devices
US8323244B2 (en) * 2007-03-30 2012-12-04 Medtronic, Inc. Catheter malfunction determinations using physiologic pressure
US9033920B2 (en) * 2003-10-02 2015-05-19 Medtronic, Inc. Determining catheter status
CN100458152C (en) * 2004-03-24 2009-02-04 中国科学院光电技术研究所 Micro-mechanical reciprocating membrane pump
DE102005001807A1 (en) * 2005-01-13 2006-07-20 Air Liquide Deutschland Gmbh Process for heating an industrial furnace and apparatus therefor
DE102005038483B3 (en) * 2005-08-13 2006-12-14 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Micro pump e.g. fluid micro pump, for bidirectional delivery of fluid, has diaphragm areas whose geometric dimensions and elastic properties are designed so that displaced volume and changes of dimensions completely comply with requirements
DE102005055697B4 (en) * 2005-11-23 2011-12-29 Allmendinger Elektromechanik Gmbh Device for metered delivery of a fluid and device with such a device
JP4638820B2 (en) * 2006-01-05 2011-02-23 財団法人神奈川科学技術アカデミー Micro pump and manufacturing method thereof
US7976795B2 (en) * 2006-01-19 2011-07-12 Rheonix, Inc. Microfluidic systems
ATE453419T1 (en) * 2006-03-14 2010-01-15 Hoffmann La Roche PERISTALTIC MICRO PUMP WITH VOLUME FLOW SENSOR
EP2030643A1 (en) * 2006-04-06 2009-03-04 Medtronic, Inc. Systems and methods for identifying catheter malfunctions using pressure sensing
US7842426B2 (en) * 2006-11-22 2010-11-30 Gm Global Technology Operations, Inc. Use of a porous material in the manifolds of a fuel cell stack
JP4873014B2 (en) 2006-12-09 2012-02-08 株式会社村田製作所 Piezoelectric micro blower
JP4946464B2 (en) * 2007-01-30 2012-06-06 ブラザー工業株式会社 Liquid transfer device and method for manufacturing liquid transfer device
US9044537B2 (en) 2007-03-30 2015-06-02 Medtronic, Inc. Devices and methods for detecting catheter complications
DE102007045637A1 (en) * 2007-09-25 2009-04-02 Robert Bosch Gmbh Microdosing device for dosing small amounts of a medium
EP2205869B1 (en) * 2007-10-22 2017-12-27 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Membrane pump
US8382452B2 (en) 2007-11-23 2013-02-26 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V. Pump arrangement comprising a safety valve
US8353682B2 (en) * 2007-11-23 2013-01-15 Stichting Imec Nederland Microfluidic-device systems and methods for manufacturing microfluidic-device systems
US8327845B2 (en) 2008-07-30 2012-12-11 Hydrate, Inc. Inline vaporizer
US9968733B2 (en) * 2008-12-15 2018-05-15 Medtronic, Inc. Air tolerant implantable piston pump
US20110315227A1 (en) * 2008-12-24 2011-12-29 Wenmiao Shu Microfluidic system and method
US8267885B2 (en) * 2008-12-31 2012-09-18 Fresenius Medical Care Holdings, Inc. Methods and apparatus for delivering peritoneal dialysis (PD) solution with a peristaltic pump
CA2777445C (en) * 2009-10-21 2014-08-05 Biocartis Sa Microfluidic cartridge with parallel pneumatic interface plate
FR2952628A1 (en) 2009-11-13 2011-05-20 Commissariat Energie Atomique PROCESS FOR MANUFACTURING AT LEAST ONE DEFORMABLE MEMBRANE MICROPUMP AND DEFORMABLE MEMBRANE MICROPUMP
US8757511B2 (en) 2010-01-11 2014-06-24 AdvanJet Viscous non-contact jetting method and apparatus
DE102010001369B4 (en) * 2010-01-29 2013-10-10 Paritec Gmbh Peristaltic system, fluid delivery device, pipetting device, cuff and method for operating the peristaltic system
US8850892B2 (en) 2010-02-17 2014-10-07 Viking At, Llc Smart material actuator with enclosed compensator
EP2542809A1 (en) 2010-03-05 2013-01-09 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Valve, layer structure comprising a first and a second valve, micropump and method of producing a valve
EP2542810B1 (en) 2010-03-05 2015-04-15 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der Angewandten Forschung e.V. Method for manufacturing a micro pump and micro pump
DE102010028524A1 (en) * 2010-05-04 2011-11-10 Robert Bosch Gmbh Microfluidic component, in particular peristaltic micropump, and method for its production
GB2481425A (en) 2010-06-23 2011-12-28 Iti Scotland Ltd Method and device for assembling polynucleic acid sequences
US8729774B2 (en) 2010-12-09 2014-05-20 Viking At, Llc Multiple arm smart material actuator with second stage
US9139316B2 (en) 2010-12-29 2015-09-22 Cardinal Health 414, Llc Closed vial fill system for aseptic dispensing
FR2974598B1 (en) * 2011-04-28 2013-06-07 Commissariat Energie Atomique FLOW METER MICROPUMP AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME
CN103648566B (en) * 2011-05-10 2017-03-01 弗劳恩霍夫应用研究促进协会 Controlled fluid sample dispenser and its using method
WO2012152319A2 (en) * 2011-05-10 2012-11-15 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Controllable scent sample dispenser, and animal training and testing system for detecting scents
KR101197208B1 (en) * 2011-06-29 2012-11-02 한국과학기술원 Micro pump and driving method thereof
US20130000759A1 (en) * 2011-06-30 2013-01-03 Agilent Technologies, Inc. Microfluidic device and external piezoelectric actuator
US20130000758A1 (en) * 2011-06-30 2013-01-03 Agilent Technologies, Inc. Microfluidic device and external piezoelectric actuator
DE102011107046B4 (en) 2011-07-11 2016-03-24 Friedrich-Schiller-Universität Jena micropump
US9417332B2 (en) 2011-07-15 2016-08-16 Cardinal Health 414, Llc Radiopharmaceutical CZT sensor and apparatus
US20130102772A1 (en) 2011-07-15 2013-04-25 Cardinal Health 414, Llc Systems, methods and devices for producing, manufacturing and control of radiopharmaceuticals-full
WO2013012813A1 (en) 2011-07-15 2013-01-24 Cardinal Health 414, Llc Modular cassette synthesis unit
US9346075B2 (en) 2011-08-26 2016-05-24 Nordson Corporation Modular jetting devices
US9254642B2 (en) 2012-01-19 2016-02-09 AdvanJet Control method and apparatus for dispensing high-quality drops of high-viscosity material
GB2500658A (en) 2012-03-28 2013-10-02 Dna Electronics Ltd Biosensor device and system
DE102012106848A1 (en) * 2012-07-27 2014-01-30 Prominent Dosiertechnik Gmbh Dosing system and metering pump for this
EP2766606B1 (en) * 2012-12-21 2015-12-16 Fraunhofer Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Pump arrangement comprising a safety valve arrangement
DE102013100559A1 (en) 2013-01-21 2014-07-24 Allmendinger Elektromechanik KG Device for the metered delivery of a fluid, and device and method with such a device
US10276776B2 (en) 2013-12-24 2019-04-30 Viking At, Llc Mechanically amplified smart material actuator utilizing layered web assembly
FR3020632B1 (en) * 2014-04-30 2017-09-29 Commissariat Energie Atomique SYSTEM FOR MODULATING THE QUANTITY OF LIQUID DELIVERED BY A PIEZO-ELECTRICALLY CONTROLLED MICRO PUMP
EP3151751A4 (en) * 2014-06-06 2018-02-21 The Regents of the University of California Self-shielded, benchtop chemistry system
JP2017519148A (en) * 2014-06-13 2017-07-13 フォーミュラトリックス インコーポレイテッド Fluid delivery system for in ovo injection device
KR102151025B1 (en) 2014-07-28 2020-09-02 이종희 A pumping method by using piezo electric pump
KR102151030B1 (en) 2014-07-28 2020-09-02 이종희 A pumping method controlling pulsation by using piezo electric pump
KR102099790B1 (en) 2014-07-28 2020-04-10 이종희 Piezo electric pump
DE102015218468A1 (en) 2015-09-25 2017-03-30 Robert Bosch Gmbh Pumping device for pumping a fluid, method for operating a pumping device and method for producing a pumping device
DE102015224619A1 (en) 2015-12-08 2017-06-08 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. micro-dosing system
DE102015224622A1 (en) 2015-12-08 2017-06-08 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. FREISTRAHLDOSIERSYSTEM
DE102016201718B4 (en) 2016-02-04 2022-02-17 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Pump with polygonal piezo diaphragm converter
US11020524B1 (en) 2016-02-19 2021-06-01 University Of South Florida Peristaltic micropumps and fluid delivery devices that incorporate them
US20170285858A1 (en) * 2016-03-30 2017-10-05 Intel Corporation Intelligent pressure sensitive display
CN109681414A (en) * 2018-03-09 2019-04-26 常州威图流体科技有限公司 A kind of minitype piezoelectric pump, piezoelectricity pump group and assembly method based on optical transmission weldering
JP7069875B2 (en) * 2018-03-14 2022-05-18 セイコーエプソン株式会社 Liquid discharge head and liquid discharge device
DE102018217744A1 (en) * 2018-10-17 2020-04-23 Robert Bosch Gmbh Method for conveying at least a first medium within a channel system of a microfluidic device
US20220259037A1 (en) * 2021-02-12 2022-08-18 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Arched Membrane Structure for MEMS Device
WO2023141079A1 (en) * 2022-01-18 2023-07-27 Aita Bio Inc. Pressure sensor for a device for delivering insulin to a user
WO2023141072A1 (en) * 2022-01-19 2023-07-27 Aita Bio Inc. Mems micropump with multi-chamber cavity for a device for delivering insulin

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3618106A1 (en) * 1986-05-30 1987-12-03 Siemens Ag PIEZOELECTRICALLY OPERATED FLUID PUMP
JPH0227073A (en) * 1988-07-15 1990-01-29 Shiroki Corp Locking system for car
JP2671412B2 (en) * 1988-08-02 1997-10-29 日本電気株式会社 Piezoelectric micro pump
JPH02126860A (en) * 1988-11-08 1990-05-15 Olympus Optical Co Ltd Internally buried type micropump
US5171132A (en) * 1989-12-27 1992-12-15 Seiko Epson Corporation Two-valve thin plate micropump
EP0465229B1 (en) * 1990-07-02 1994-12-28 Seiko Epson Corporation Micropump and process for manufacturing a micropump
US5466932A (en) * 1993-09-22 1995-11-14 Westinghouse Electric Corp. Micro-miniature piezoelectric diaphragm pump for the low pressure pumping of gases
US5593290A (en) * 1994-12-22 1997-01-14 Eastman Kodak Company Micro dispensing positive displacement pump
DE19637928C2 (en) * 1996-02-10 1999-01-14 Fraunhofer Ges Forschung Bistable membrane activation device and membrane
US6074178A (en) * 1997-04-15 2000-06-13 Face International Corp. Piezoelectrically actuated peristaltic pump
DE19719862A1 (en) * 1997-05-12 1998-11-19 Fraunhofer Ges Forschung Micro diaphragm pump
US6247908B1 (en) * 1998-03-05 2001-06-19 Seiko Instruments Inc. Micropump
SE9803848D0 (en) * 1998-11-11 1998-11-11 Thomas Laurell Micro Pump

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2004018875A1 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006028986B4 (en) 2006-06-23 2019-06-27 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Contrast membrane drive to increase the efficiency of micropumps

Also Published As

Publication number Publication date
DE10238600A1 (en) 2004-03-04
AU2003255478A1 (en) 2004-03-11
JP2005536675A (en) 2005-12-02
DE50300465D1 (en) 2005-05-25
CN1675468A (en) 2005-09-28
US20050123420A1 (en) 2005-06-09
US7104768B2 (en) 2006-09-12
EP1458977B1 (en) 2005-04-20
WO2004018875A1 (en) 2004-03-04
JP4531563B2 (en) 2010-08-25
EP1458977B2 (en) 2008-11-12
CN100389263C (en) 2008-05-21

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