EP1458977B2 - Peristaltic micropump - Google Patents

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EP1458977B2
EP1458977B2 EP03792417A EP03792417A EP1458977B2 EP 1458977 B2 EP1458977 B2 EP 1458977B2 EP 03792417 A EP03792417 A EP 03792417A EP 03792417 A EP03792417 A EP 03792417A EP 1458977 B2 EP1458977 B2 EP 1458977B2
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EP
European Patent Office
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membrane
valve
membrane region
pump body
pumping chamber
Prior art date
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EP03792417A
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EP1458977B1 (en
EP1458977A1 (en
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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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Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP1458977A1 publication Critical patent/EP1458977A1/en
Publication of EP1458977B1 publication Critical patent/EP1458977B1/en
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/02Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B43/04Pumps having electric drive
    • F04B43/043Micropumps
    • 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 more particularly to a micropump operating on a peristaltic pumping principle.
  • Micropumps operating on a peristaltic pumping principle are known in the art. So is 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 , comprising a peristaltic micropump having an inlet, three pumping chambers, three silicon diaphragms, three normally-closed active valves, three PZT piezo stack actuators, microchannels between the pumping chambers, and an outlet. The three pumping chambers are of equal size and are etched into a silicon wafer.
  • a peristaltic micropump which has three membrane regions in a continuous substrate surface.
  • a pump channel is formed which communicates with a fluid reservoir.
  • a transverse rib is formed in the region of an inlet valve and an outlet valve, on which an associated membrane portion rests in the unactuated state to close the inlet valve and the outlet valve in the unactuated state.
  • the actuator element consists of a threefold composite of metal membrane, continuous ceramic layer and segmented electrode arrangement.
  • the ceramic layer must be segmented polarized, which is technically difficult.
  • Such a segmented piezo-bending element is thus expensive and only allows low stroke volumes, so that such a pump can not work bladeless tolerant and self-priming.
  • micro-diaphragm pump in which a pumping chamber adjacent to a pumping membrane is actuated by a piezoelectric actuator. A fluid inlet and a fluid outlet of the pumping chamber are each provided with passive check valves.
  • the compression ratio of the micropump ie the ratio of stroke volume of the pumping membrane to total pumping chamber volume depending on the maximum valve geometry and valve wetting dependent pressure required to open the valves, is set to provide a bubble tolerant self-priming operation to allow local micromembrane pump.
  • the object of the present invention is to provide a peristaltic micromembrane pump which can be easily assembled and which enables a bubble-tolerant, self-priming operation.
  • this object is achieved by a peristaltic micropump according to claim 1.
  • the present invention thus provides a peristaltic micropump in which the first and second valves are open in the unactuated state and in which the first and second valves are moved by moving the membrane can be closed to the pump body, while the volume of the pumping chamber can also be reduced by moving the second membrane area towards the pump body.
  • the peristaltic micropump according to the invention makes it possible to realize bubble-tolerant, self-priming pumps, even if piezoelements arranged on a membrane are used as piezo actuators.
  • piezo actuators also so-called piezo-stacks (piezo stacks) can be used, which are disadvantageous to piezo membrane transducers in that they are large and expensive, problems with the connection technique between stack and membrane and problems in adjusting the stack supply and thus are associated with a higher total effort.
  • the inventive peristaltic micropump can work bubble-tolerant and self-priming, 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 displacement being the volume displaceable by the pump membrane, the dead volume the volume remaining between the inlet port and the outlet port of the micropump, when the pumping diaphragm is actuated and one of the valves is closed and one is open, the atmospheric pressure is at most about 1050 hPa (worst case consideration), and the delivery pressure is that in the fluid chamber region Micropump, d. H. in the pressure chamber, necessary pressure is to maintain a liquid / gas interface at a location which is a flow restriction in the microperistaltic pump, i. between the pumping chamber and the passage opening of the first or second valve, including this passage opening, to move past.
  • the peristaltic micropump works bubble-tolerant and self-priming. This applies both when using the peristaltic micropump for conveying liquids, when a gas bubble, usually an air bubble, enters the fluid region of the pump, as well as when using the micropump according to the invention as a gas pump when accidentally condensed moisture from the gas to be pumped and Thus, a gas / liquid interface may occur in the fluid region of the pump.
  • Compression ratios satisfying the above condition can be realized in the present invention, for example, by making the volume of the pump chamber larger than that of the valve chambers formed between the respective valve diaphragm portions and opposite pump body portions. In preferred embodiments, this can be realized by the distance between the membrane and surface and pump body surface in the pump chamber is greater 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 moving the contour of a pumping chamber structured in the pump body to the bending line of the pumping membrane, i. H. the curved contour of the same in the actuated state, adapted so that the pumping membrane in the actuated state can displace substantially the entire volume of the pumping chamber.
  • the contours of valve chambers formed in the pump body can be adapted accordingly to the bending line of the respective opposite membrane sections, so that in the optimal case in the closed state, the actuated membrane region displaces substantially the entire valve chamber volume.
  • the micro-diaphragm 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, respectively, and forms together with the same a piezo membrane transducer.
  • the piezo elements 22, 24, 26 may be glued to the respective membrane sections or may be formed by screen printing or other thick film techniques on the membrane.
  • the membrane element is circumferentially joined to a pump body 30 at outer portions thereof, so that there is a fluid-tight connection therebetween.
  • a pump body 30 In the pump body 30, two fluid passages 32 and 34 are formed, one of which, depending on the pumping direction, a fluid inlet and the other represents 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 are 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 together, for example, by silicon fusion bonding.
  • the membrane element 10 in the upper side of the same three recesses and in the bottom thereof has a recess to define the three membrane regions 12, 14 and 16.
  • the piezoelectric elements or piezoceramics 22, 24 and 26 By the piezoelectric elements or piezoceramics 22, 24 and 26, the diaphragm sections 12, 14 and 16 respectively in the direction of the pump body 30 to be actuated, so that the diaphragm portion 12 together with the fluid passage 32 is an inlet valve 62, which by actuation of the membrane portion 12th can be closed.
  • the diaphragm section 16 and the fluid passage 34 together constitute an outlet valve 64 which can be closed by actuating the diaphragm section 16 by means of the piezoelectric element 26.
  • the volume of the pumping chamber region 42 arranged between the valves can be reduced.
  • the peristaltic micropump shown will first be briefly the fluid system environment in which the micropump according to Fig. 1 is installed described.
  • the pump is glued to the pump body 30 on a support block 50, optionally, as in Fig. 1 shown grooves 52 may be provided in the support block 50 to receive excess adhesive.
  • the grooves 52 may be provided, for example, surrounding the fluid channels 54 and 56 formed in the support block 50 to receive excess adhesive and prevent it from entering the fluid channels 54, 56 and the fluid passages 32, 34, respectively.
  • the pump body 30 is bonded to the support block such that the fluid passage 32 is in fluid communication with the fluid passage 54 and that the fluid passage is in fluid communication with the fluid passage 56.
  • a further channel 58 may be provided as a cross leak protection in the support block 50.
  • connecting pieces 60 are provided, for example, for attaching hoses to the in Fig. 1 can serve shown fluid system.
  • a housing 61 which is joined, for example using an adhesive bond to the support block 50 to provide protection for the micropump and terminate the piezoelectric elements moisture-proof.
  • the in Fig. 1 shown pump is initially assumed from an initial state in which the inlet valve 62 is closed, the pump diaphragm corresponding to the second diaphragm portion 14 is in the unactuated state and the exhaust valve 64 is open.
  • the pumping membrane 14 is moved downward by actuation of the piezoelectric element 24, which corresponds to the pressure stroke, whereby the stroke volume through the open outlet valve in the outlet, that is, the fluid channel 56 is promoted.
  • the compression of the pumping chamber 42 during the pressure stroke by the stroke volume leads to an overpressure in the pumping chamber, which degrades by the fluid movement through the outlet valve.
  • Piezoelectric converters or piezoelectric bending converters are preferably used according to the invention as piezo actuators.
  • Such a bending transducer performs an optimum stroke when the lateral dimensions of the piezoceramic correspond to approximately 80% of the underlying membrane.
  • deflections of several 10 ⁇ m stroke and thus volume strokes in the range from 0.1 ⁇ l to 10 ⁇ l can thus be achieved.
  • Preferred embodiments of the present invention have volume strokes at least in such a range, since in such a volume stroke advantageous bubble tolerant peristaltic pumps can be realized.
  • Fig. 2a shows a piezoceramic 100, which is provided on both surfaces thereof with metallizations 102.
  • the piezoceramic preferably has a large d31 coefficient and is in the direction of arrow 104 in FIG Fig. 2a polarized. According to Fig. 2a no voltage is applied to the piezoceramic.
  • a piezo-membrane transducer is now in Fig. 2a shown piezoceramic 100 fixedly mounted on a membrane 106, for example glued, as in Fig. 2b is shown.
  • the membrane shown is a silicon membrane, but the membrane may be formed by any other materials as long as it can be electrically contacted, for example, as a metallized silicon membrane, as a metal foil, or as a plastic membrane rendered conductive by a two-component injection molding.
  • a positive voltage ie a voltage in the polarization direction, U> 0, is applied to the piezoceramic, then the piezoceramic contracts, see Fig. 2c , Due to the firm connection of the piezoceramic 100 to the membrane 106, the membrane 106 is deflected downwards by this contraction, as indicated by arrows in FIG Fig. 2d is clarified.
  • a negative voltage ie a voltage opposite to the direction of polarization
  • a depolarization of the piezoceramic even at low field strengths in the opposite direction, as in Fig. 2e is indicated by an arrow 108.
  • Typical depolarization field strengths of lead zirconate titanate ceramics (PZT ceramics) are, for example, -4000 V / cm.
  • a bending transducer is a preferred embodiment of the present invention, since this form of transducer has numerous advantages.
  • they have a fast response, on the order of about 1 millisecond with low power consumption.
  • a scaling with dimensions of piezoceramic and membrane over large areas is possible, so that a large stroke (10 .... 200 microns) and a large force (switching pressures 10 4 Pa to 10 6 Pa) are possible, with a larger Hub decreases the achievable force and vice versa.
  • the medium to be switched is separated from the piezoceramic by the membrane.
  • the micro-peristaltic pumps of the invention are to be used in applications where bubble-tolerant, self-priming behavior is required, the micro-peristaltic pumps must be designed to comply with a compression ratio design rule that defines the ratio of stroke volume to dead volume.
  • a compression ratio design rule that defines the ratio of stroke volume to dead volume.
  • Fig. 3a schematically shows a pump body 200 having an upper surface thereof, in which a pumping chamber 202 is structured.
  • a diaphragm 204 is schematically shown, which is provided with an inlet valve piezoactuator 206, a pumping chamber piezoactuator 208 and an outlet valve piezoactuator 210.
  • the piezoactuators 206, 208 and 210 By means of the piezoactuators 206, 208 and 210, respective regions of the membrane 204 can be moved downwards, ie in the direction of the pump body 200, as indicated by arrows in FIG Fig. 3a is shown.
  • Through the line 212 is in Fig.
  • the difference of the pumping 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 pumping membrane.
  • the channel regions 214 and 216 disposed below the inlet valve piezoactuator 206 and below the outlet valve piezoactuator 210 may be closed by a respective actuation of the corresponding piezoelectric actuator by resting the respective membrane regions on the underlying regions of the pump body.
  • FIGS. 3a to 3c merely rough schematic representations, wherein the respective elements are designed so that a closing of respective valve openings is possible.
  • an intake valve 62 and an exhaust valve 64 are formed.
  • Fig. 3b a situation is shown in which the volume of the pumping chamber 202 is reduced by operating the pumping chamber piezoactuator 208 and in which the inlet valve 62 is closed.
  • the situation shown thus represents the state after ejection of a fluid amount from the exhaust valve 64, wherein the volume of the remaining between the closed inlet valve 62 and the passage opening of the open exhaust valve 64 fluid area represents the dead volume V 0 with respect to the pressure stroke, as indicated by the hatched area in Fig. 3b is shown.
  • the dead volume with respect to a suction stroke in which the inlet valve 62 is opened and the outlet valve 64 is closed is defined by the volume of the fluid area remaining between the closed outlet valve 64 and the passage opening of the open inlet valve 62, as in FIG Fig. 3c is shown by the hatched area.
  • the respective dead volume is defined by the respective closed valve up to the passage opening at which a significant pressure drop occurs at the moment of a respective change in volume of the pumping chamber.
  • the dead volumes V 0 for the pressure stroke and the suction stroke are identical. If different dead volumes occur due to an asymmetry for a pressure stroke and a suction stroke, then, in the sense of a worst-case analysis, it is assumed in the following that the larger of the two dead volumes is used to determine the respective compression ratio.
  • a worst-case view is assumed in which the entire pump area is filled with a compressible fluid (gas).
  • the volume / pressure conditions occurring in the peristaltic pump in a peristaltic pumping cycle as described above are shown in the graph of FIG Fig. 4 shown.
  • Fig. 4 in each case both the isothermal volume / pressure characteristics and the adiabatic volume / pressure characteristics are shown, wherein in the sense of a worst-case consideration in the following of isothermal conditions, as they occur in slow state changes, is assumed.
  • the overpressure p Ü during the pressure stroke, and the negative pressure p U during the suction stroke, exceed a minimum value during the compression stroke or during the intake stroke must fall below.
  • the pressure amount during the compression stroke and the suction stroke must exceed a minimum value, which may be referred to as delivery pressure p F.
  • This delivery pressure is the pressure in the pressure chamber which must at least prevail to bypass a liquid / gas interface at a location which is a flow point between the pumping chamber and the passageway of the first or second valve, including this passageway move.
  • This delivery pressure can be determined as follows, depending on the size of this flow point.
  • Capillary forces must be overcome if free surfaces, for example in the form of gas bubbles (eg air bubbles), are moved in the fluid areas within the pump.
  • the delivery pressure to be provided is defined by Equation 2 at the location within the flow path of the microperistaltic pump where the sum of the inverse radii of curvature r 1 and r 2 of a liquid / gas interface having a given surface tension is at a maximum. This point corresponds to the Flu touchgstelle.
  • a channel 220 (FIG. Fig. 5a ) with a width d, where the height of the channel is also d.
  • the channel 220 has a cross-sectional change at both channel ends 222, for example below the valve membrane or the pumping membrane.
  • Fig. 5a the channel is completely filled with a liquid 224 flowing in the direction of the arrow 226.
  • Fig. 5b An air bubble 228 now encounters the change in cross section at the entrance of the channel 220.
  • a wetting angle ⁇ occurs.
  • Fig. 5c the situation is illustrated when the air bubble or meniscus 230 reaches the cross-sectional change 222 at the end of the channel 220.
  • This pressure barrier is not negligible in microperistaltic pumps of the type according to the invention due to the small dimensions of geometry, if such a channel represents the bottleneck of the pump.
  • the mentioned constriction is generally defined by the distance between the valve membrane and the opposite region of the pump body (for example a sealing lip) when the valve is open.
  • r d 2
  • half of the smallest ascending wall distance can be considered independently of the tilt angle ⁇ , wetting angle ⁇ or abrupt changes in cross section.
  • the peristaltic pump has a constriction at the inlet or outlet valve, which is defined by the gap geometry dependent on the valve lift d.
  • Ap ⁇ ⁇ 2 d
  • the respective constriction (channel constriction or valve constriction in the open state), at which larger capillary forces must be overcome, can be regarded as a flow point of the microperistaltic pump.
  • communication channels within the peristaltic pump are designed such that the diameter of the channel is at least twice that of the valve throat, i. the distance between diaphragm and pump body in the open valve state, exceeds.
  • the valve gap represents the flow point of the microperistaltic pump.
  • communication channels having a smallest dimension, i. Bottleneck be provided by 50 ⁇ m.
  • 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 about 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, for example, about 0.475 N / m.
  • a peristaltic pump designed to overcome the capillary force at a surface tension of 0.1 N / m is thus suitable for pumping virtually 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 pumping, for example, also for mercury.
  • suction stroke differs by the initial position of the volumes.
  • Equation 11 The left side of Equation 11 represents the state before expansion, while the right side represents the state after expansion.
  • the negative pressure p U during the pressure stroke must be smaller than the necessary negative delivery pressure p F.
  • the discharge pressure p F in terms of absolute value in the consideration of the pressure stroke, in terms of absolute value in the consideration of the suction stroke. It follows: p U > p F
  • Preferred embodiments of microperistaltic pumps according to the invention are thus designed such that the compression ratio satisfies the above condition, wherein the minimum necessary delivery pressure corresponds to the pressure defined in equation 8 if channel narrows occurring in the peristaltic pump have minimum dimensions which are at least twice as large as the valve gap.
  • the minimum required delivery pressure may correspond to the pressure defined in Equation 3 or Equation 7 if the flow location of the microperistaltic pump is not defined by a gap but a channel.
  • a microperistaltic pump according to the invention is to be used when pressure boundary conditions of a negative pressure p 1 at the inlet or a counterpressure p 2 prevail at the outlet, the compression ratio of a microperistaltic pump must be correspondingly greater in order to allow 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 occurring in the pumping chamber pressure p T, or negative pressure p U must achieve these back pressures at least, so that a pumping action occurs. For example, only the height difference of a possible inlet vessel or outlet vessel of 50 cm in water leads to counter pressures of 50 hPa.
  • the desired delivery rate is a constraint that places additional demands.
  • T 1 / f both the suction stroke and the pressure stroke of the peristaltic pump must be performed, in particular the displacement .DELTA.V must be implemented.
  • the available time is therefore maximum T / 2 for suction stroke and pressure stroke.
  • the time required to promote the stroke volume through the pumping chamber inlet and the valve throat now depends on the one hand on the flow resistance, on the other hand on the pressure amplitude in the pumping chamber.
  • foam-like substances are to be pumped with a microperistaltic pump according to the invention, it may be necessary for a plurality of capillary forces, as described above, to be overcome since a plurality of corresponding liquid / gas interfaces occur.
  • the micro-peristaltic pump must be designed to have a compression ratio in order to be able to produce correspondingly higher delivery pressures.
  • the compression ratio of a microperistaltic invention must be appropriately higher when necessary in the microperistaltic delivery pressure p F in addition to the aforementioned capillary forces also depends on the boundary conditions of the application.
  • the delivery pressure is considered relative to the atmospheric pressure, that is, a positive delivery pressure p F is assumed in the pressure stroke, while a negative delivery pressure p F is assumed in the intake stroke.
  • a compression ratio of ⁇ > 9 must be maintained according to Equation 14 above in order to allow pumping against such negative pressure.
  • 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 Fig. 6a and Fig. 6c
  • Fig. 6a a schematic plan view of the membrane element 300
  • Fig. 6c 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 piezoactuators 22, 24 and 26.
  • an inlet opening 32 and an outlet opening 34 is formed, such that the inlet port 32 defines an inlet valve together with the diaphragm portion 12, while the outlet port 34 defines an outlet valve with the diaphragm portion 16.
  • a pumping chamber 304 is formed in the pump body 302. Furthermore, fluid channels 306 are formed in the pump body 302, which are fluidly connected to the diaphragm areas 12 and 16 associated valve chamber 308 and 310.
  • the valve chambers 308 and 310 are formed in the embodiment shown by recesses in the membrane element 300, wherein in the membrane element 300 further to the pumping chamber 304 contributing recess 312 is formed.
  • the pumping chamber volume 304 is made larger than the volumes of the valve chambers 308 and 310. This is achieved in the illustrated embodiment by forming a pumping chamber depression in which a structuring in the form of a pumping chamber depression is formed in the pump body 302.
  • the stroke of the pump diaphragm 14 is preferably designed so that it can largely displace the volume of the pumping chamber 304.
  • a further increase of the pumping chamber volume compared to the valve chamber volume is in the in the Fig. 6a to 6c shown embodiment in that the pumping chamber membrane 14 in terms of area (in the plane of the diaphragm member 300 and the pump body 302) is made larger than the valve chamber membranes, as best in Fig. 6a you can see. This results in a larger in terms of area compared with the valve chambers pump chamber.
  • the supply channels 306 in the surface of the pump body 302 are structured. These fluid channels 306 provide reduced flow resistance without significantly degrading the compression ratio of the peristaltic micropump.
  • the surface of the pump body 302 could be realized with three stage depressions to implement the pumping chamber of increased depth (compared to the valve chambers), while the top chip is a substantially unstructured membrane. Such two-stage subsidence are technologically more difficult to implement than that in the Fig. 6a to 6c shown embodiment.
  • FIG. 7 An enlarged view of the left part of the in Fig. 6b shown cross-sectional view is in Fig. 7 shown in FIG Fig. 7 the height H of the pumping chamber 304 is displayed.
  • the patterns forming the pumping chamber 304 in the pump body 302 and in the membrane member 300 have equal depths, it is preferable to make the patterns in the pump body 302 deeper in depth than those in the membrane member to provide the flow channel 306 with a sufficient flow area without unduly compromising the compression ratio.
  • the patterns in the pump body 302 that contribute to the fluid channel 306 and the pumping chamber 304 may have a depth of 22 ⁇ m, while the patterns in the membrane element 300 that define the valve chambers 308 and the pressure chamber 304, respectively, have a depth of 8 microns may have.
  • FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of an enlargement of the section A of FIG Fig. 7 but in a modified form.
  • the web is spaced from the opening 32 in the direction of the channel 206.
  • mounting tolerances can be taken into account in a double-sided lithography.
  • wafer thickness variations that may result in valve openings with different cross-sectional sizes, have no negative impact.
  • Fig. 8 defines the distance x to the diaphragm 12, the Flu typegstelle between the pumping chamber and valve port with the valve open.
  • the compression ratio of the peristaltic pump is made large to ensure self-filling behavior and robust operation with respect to bladder tolerance.
  • a first possibility to realize such an adaptation is to implement a round pumping chamber, ie a pumping chamber whose circumferential shape is adapted to the deflection of the pumping membrane.
  • a round pumping chamber ie a pumping chamber whose circumferential shape is adapted to the deflection of the pumping membrane.
  • FIG Fig. 9a A schematic plan view of the pumping chamber and fluid channel section of a pump body having such a pumping chamber is shown in FIG Fig. 9a shown.
  • round pumping chamber 330 open similar to the representation of Fig. 6c the fluid channels 306, which produce a fluid connection to valve chambers, which in turn may be structured, for example, in a membrane element.
  • the pumping chamber can be configured under the pumping membrane so that its contour facing the pumping membrane follows in a precise fit the bending line of the pumping membrane.
  • a contour of the pumping chamber can be achieved for example by a correspondingly shaped injection molding tool or by an embossing punch.
  • a schematic plan view of a pump body 340, in which such a bending line of the actuator membrane following fluid chamber 342 is structured, is in Fig. 9b shown.
  • Fig. 9b illustrated in the pump body structured fluid channels 344 which lead to the fluid chamber 342 and away from the same.
  • a schematic cross-sectional view along the line cc of Fig. 9b is in Fig.
  • FIG. 9c shown in FIG Fig. 9c
  • a flow through the fluid channels 344 is in Fig. 9c indicated by arrows 350.
  • the membrane 346 facing to the bending line of the membrane (in the actuated state) adapted contour 352 of the fluid chamber or pumping chamber 342 to recognize.
  • This shape of the fluid chamber 352 allows substantially all the volume of the fluid chamber 342 to be displaced upon actuation of the diaphragm 346 by the piezoactuator 348, whereby a high compression ratio can be achieved.
  • FIG. 10b An embodiment of a peristaltic micropump, in which both the pumping chamber 342 and valve chambers 360 are adapted to the bending lines of the respective associated membrane sections 12, 14 and 16, is in the 10a and 10b shown, where Fig. 10b a schematic plan view of the pump body 340 shows while Fig. 10a a schematic cross-sectional view taken along the line aa of Fig. 10b shows.
  • the shape and contour of the valve chamber 360 and 362 as explained above with reference to the pumping chamber 342, adapted to the bending line of the respective associated membrane portion 12 and 16 respectively.
  • FIG. 10b a schematic plan view of the pump body 340 shows
  • Fig. 10a a schematic cross-sectional view taken along the line aa of Fig. 10b shows.
  • the shape and contour of the valve chamber 360 and 362 as explained above with reference to the pumping chamber 342, adapted to the bending line of the respective associated membrane portion 12 and 16 respectively.
  • fluid channels 344a, 344b, 344c, and 344d are formed in the pump body 340.
  • the fluid channel 344a constitutes an input fluid channel
  • the fluid channel 344b connects the valve chamber 360 to the pumping chamber 342
  • the fluid channel 344 connects the pumping chamber 342 to the valve chamber 362
  • the fluid channel 344d constitutes an outlet channel.
  • the membrane element 380 in this embodiment is an unstructured membrane element which is inserted into a recess provided in the pump body 340 to define the valve chambers and the pump chamber together with the fluid regions formed in the pump body 340.
  • connection channels 344b and 344c between the actuator chambers are connected so that they contain a small dead volume compared to the stroke volume. At the same time, these fluid channels reduce the flow resistance between the actuator chambers significantly, so that even larger pumice frequencies and thus larger flow rates, such a stream in turn by arrows 350 in Fig. 10a is displayed, become possible.
  • the fluid passages 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 passages 344a and 344b and between the fluid passages 344c and 344d, respectively.
  • a web 390 may be provided in the respective valve chamber in the region of the largest stroke of the diaphragm portion 12, which is shaped accordingly, so that it can be completely sealed by the bending of the diaphragm portion 12. More specifically, the web bends up to the edges of the valve chamber, according to the shape of the valve chamber adapted to the bending line. This web can protrude into the respective valve chamber, wherein alternatively, as in Fig.
  • the depth of the connection channels 344 may be greater than the stroke y of the membrane portion 12, in which the membrane portion abuts against the pump body, so that the web 390 is sunk, so to speak. If the depth of the connection channels is greater than the maximum stroke, this results in the cost of the compression ratio, but allows low flow resistance between the actuator chambers.
  • FIG Fig. 12 An alternative embodiment of a valve chamber 360 is shown in FIG Fig. 12 shown where the depth of the connecting channels 344 is smaller than the maximum stroke y of the diaphragm portion 12, and thus as the depth of the the bending line of the diaphragm portion 12 adapted valve chamber 360 in the region of the largest stroke of the diaphragm portion 12. This allows a secure seal in the closed state of the valve can be achieved.
  • a web 390a in the valve chamber 360 which does not simulate the maximum possible bending line of the actuator element, ie the membrane section 12 together with the piezoactuator 22 in Fig. 13 is shown.
  • the maximum possible bending line of the membrane section 12 is in Fig. 13 shown by a dashed line 400, while the line 410 corresponds to the maximum possible deflection of the diaphragm portion 12 due to the provision of the web 390a.
  • the bending line of the membrane will often not be perfectly concentric with the membrane center, for example due to assembly tolerances of the piezoceramics and due to inhomogeneities in the application of adhesive, by which the piezoceramics are attached to the membranes. Therefore, the area of the land seal can be slightly increased, for example, by about 5 to 20 ⁇ m, depending on the stroke of the actuator, relative 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 in Fig. 13 shown situation. It should be noted, however, that this increases the dead volume and the compression ratio is reduced.
  • a plastically deformable material for example silicone
  • silicone can be used as the fluid chamber material at least in the region below the movable membrane.
  • the thickness of the membrane sections 12, 14 and 16 and thus the thickness of the membrane element 380 can be, for example, 40 ⁇ m, while the thickness of the piezoactuators can be, for example, 100 ⁇ m.
  • a piezoceramic a PZT ceramic with a large d31 coefficient can be used.
  • the side length of the membranes may for example be 10 mm, while the side length of the piezoelectric actuators may be 8 mm, for example.
  • 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 diaphragm of approximately 2 to 4 ⁇ l.
  • the dead volume of the three fluid chambers required for the peristaltic pump drops, so that only the connection channels connecting the valve chambers to the pumping chamber remain.
  • such fluid modules are bubble tolerant and self-priming and can deliver both liquids and gases.
  • such fluid pumps can in principle build up several bar pressure for compressible and liquid media, depending on the design of the piezoelectric actuator.
  • the maximum pressure that can be generated is no longer limited by the compression ratio, but defined by the maximum force of the drive element and by the tightness of the valves.
  • several ml / min can be delivered by a suitable channel dimensioning with a low flow resistance.
  • the inlet fluid passage 344a and the outlet fluid passage 344d are guided laterally, d. H. the fluid channels are in the same plane as the fluid chambers. As stated above, in such a course, the sealing of the channels may be difficult. However, it is advantageous in the lateral course of the fluid channels that the entire fluid system, including reservoirs connected to the inlet channel 344a and / or the outlet channel 344d, can be formed with a manufacturing step, such as injection molding or stamping.
  • Fig. 14 an embodiment of a micro-peristaltic pump according to the invention is shown in which the inlet fluid channel 412 and the outlet fluid channel 414 are vertically recessed in the pump body 340.
  • the fluid channels 412 and 414 have a substantially vertical portion 412a and 414a, each of which opens into the valve chambers 360 and 362 substantially centrally below the associated membrane portions 12 and 16, respectively.
  • the advantage of in Fig. 14 shown embodiment of the fluid channels is that the fluid channels can be sealed sealed.
  • the disadvantage, however, is that such vertical sunken fluid channels are difficult to produce manufacturing technology.
  • the peristaltic micropumps according to the invention are preferably activated by the membrane, for example the metal membrane or the semiconductor membrane, being at a ground potential, while the piezoceramics are moved through a typical peristaltic cycle by respectively corresponding voltages be applied to the piezoceramics.
  • a peristaltic micropump according to the invention can have further fluid chambers, for example a further fluid chamber 420, which is connected to the pumping chamber 342 via a fluid channel 422.
  • a further fluid chamber 420 which is connected to the pumping 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 is connected to the valve chamber 362 via the fluid channel 344d.
  • a structure with four fluid chambers, as in Fig. 15 is shown, for example, form a branching structure or a mixer, in which the mixed streams can be actively promoted.
  • the extension to four fluid chambers with four associated fluid actuators, such as in Fig. 15 the realization of three peristaltic pumps, wherein each pumping direction between all reservoirs 424, 426 and 430 can be realized in both directions.
  • a single membrane element covers all fluid chambers and reservoir container, wherein a separate piezoelectric actuator is provided for each fluid chamber.
  • the entire fluidics can be made very flat, wherein the functional fluidic structures including fluid chambers, channels, membranes, piezo actuators and support structures can have an overall height in the order of 200 to 400 microns.
  • systems are conceivable that can be integrated into smart cards.
  • even flexible fluidic systems are conceivable.
  • fluid chambers can be connected as desired in one plane.
  • different reservoirs z. B. are each assigned a Mikroperistaltikpumpe, which then, for example, reagents perform a chemical reaction (for example, in a fuel cell), or perform a calibration sequence for an analysis system, for example in a water analysis.
  • the piezoceramics can be glued, for example, to the respective membrane sections.
  • the piezoceramics for example PZT, can be applied directly in thick film technology, for example by screen printing processes with suitable intermediate layers.
  • FIG Fig. 16 An alternative embodiment of a microperistaltic pump of the invention with recessed inlet fluid passage 412 and recessed outlet fluid passage 414 is shown in FIG Fig. 16 shown.
  • the inlet flow channel 412 in turn opens substantially centrally below the membrane portion 12 in a valve chamber 442, while the Auslwithfluidkanal 414 opens substantially centrally below the diaphragm portion 16 in a valve chamber 444.
  • the respective orifices of the inlet channel 412 and the outlet channel 414 are provided with a sealing lip 450.
  • a pumping chamber 452 is formed in the pump body 440 which is fluidly connected to the valve chambers 442 and 444 by fluid passages in walls 454. According to the in Fig.
  • the three membrane sections 12, 14 and 16 in turn form a membrane element 456.
  • the membrane sections are driven by piezo stack actuators 460, 462 and 464, which can be placed on the corresponding membrane sections.
  • the piezo stack actuators using suitable housing parts 470 and 472, the in Fig. 16 remote from the pump body and the membrane element are used.
  • Piezostapelaktoren are advantageous in that they need not be firmly connected to the membrane element, so that they allow a modular structure.
  • the actuators do not actively retract a diaphragm section when an actuation thereof is terminated. Rather, a return movement of the membrane portion can be done only by the restoring force of the elastic membrane itself.
  • the peristaltic micropumps of the present invention can be made using a variety of materials of manufacture and manufacturing techniques.
  • the pump body may for example be made of silicon, be made of plastic by injection molding or manufactured by machining technically.
  • the membrane element which forms the drive diaphragm for the two valves and the pumping chamber can be made of silicon, can be formed by a metal foil, for example stainless steel or titanium, can be formed by a plastic membrane provided with conductive coatings in two-component injection molding technique. or may be realized by an elastomeric membrane.
  • a non-silicone Silicon Fusion Bonding can take place.
  • anodic bonding may preferably be used.
  • Other possibilities are a eutectic wafer bonding or a wafer life.
  • the basic structure is made of plastic and the membrane element is a metal foil
  • lamination can be performed if a bonding agent is used between the membrane element and the basic structure.
  • bonding may be carried out with a high shear adhesive, in which case capillary stop trenches are preferably formed in the base structure in order to avoid penetration of adhesive into the fluid structure.
  • both membrane element and pump body are made of plastic, ultrasonic welding can be used to connect them. If one of the two structures is optically transparent, a laser welding can alternatively take place. In the case of an elastomeric membrane, the sealing properties of the membrane may also be used to provide a seal by clamping.
  • the bonding layer material which may be an adhesive or an adhesive, is used e.g. dispensed by dispensing or by a suitably shaped stamp on the joining layer.
  • the membrane is fitted onto the base body. Possible burrs, e.g. can be at the edge of the membrane, find in a corresponding receptacle for the burr place, so that a defined position of the membrane is ensured especially in the direction perpendicular to the surface thereof, which is important in terms of dead volume and tightness.
  • a stamp on the pump body, so that the adhesive layer remains as thin and defined.
  • a capillary stop trench may be provided surrounding the fluid areas formed in the pump body.
  • excess adhesive can not get into the fluid chambers.
  • the adhesive can be defined and cured thin. Curing may be at room temperature or accelerated in the oven or by UV irradiation using UV-curable adhesives.
  • the base body or pump body can be dissolved by suitable solvents and a plastic membrane can be bonded to the base body as a joining technique.

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Mikropumpe und insbesondere eine Mikropumpe, die nach einem peristaltischen Pumpprinzip arbeitet.The present invention relates to a micropump, and more particularly to a micropump operating on a peristaltic pumping principle.

Mikropumpen, 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 system using microelectromechanical systems technology" , von Li Cao u.a., Sensors and Actuators, 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.Micropumps operating on a peristaltic pumping principle are known in the art. So is 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 , comprising a peristaltic micropump having an inlet, three pumping chambers, three silicon diaphragms, three normally-closed active valves, three PZT piezo stack actuators, microchannels between the pumping chambers, and an outlet. The three pumping chambers are of equal size and are etched into a silicon wafer.

Aus der WO 87/07218 ist ebenfalls eine peristaltische Mikropumpe bekannt, die drei Membranbereiche in einer durchgehenden 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 Querrippe 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 zeitlich 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 segmentiert 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.From the WO 87/07218 Also, a peristaltic micropump is known which has three membrane regions in a continuous substrate surface. In a carrier layer, which carries the substrate and an associated support layer, a pump channel is formed which communicates with a fluid reservoir. In the pumping channel in each case a transverse rib is formed in the region of an inlet valve and an outlet valve, on which an associated membrane portion rests in the unactuated state to close the inlet valve and the outlet valve in the unactuated state. Between the inlet valve and the outlet valve associated separately operable membrane areas of the third membrane region, which is also actuated separately, arranged. By actuating the third diaphragm area, the chamber volume between the two valve areas is increased. Thus, by a corresponding timed control of the three membrane areas a peristaltic pumping action between the inlet valve and the outlet valve can be achieved. According to the WO 87/07218 the actuator element consists of a threefold composite of metal membrane, continuous ceramic layer and segmented electrode arrangement. The ceramic layer must be segmented polarized, which is technically difficult. Such a segmented piezo-bending element is thus expensive and only allows low stroke volumes, so that such a pump can not work bladeless tolerant and self-priming.

Aus der DE 19719862 A1 ist eine, nicht auf dem peristaltischen Prinzip arbeitende, Mikromembranpumpe 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 Gesamtpumpkammervolumen 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 Mikromembranpumpe zu ermöglichen.From the DE 19719862 A1 is known, not working on the peristaltic principle, micro-diaphragm pump, in which a pumping chamber adjacent to a pumping membrane is actuated by a piezoelectric actuator. A fluid inlet and a fluid outlet of the pumping chamber are each provided with passive check valves. According to this document, the compression ratio of the micropump, ie the ratio of stroke volume of the pumping membrane to total pumping chamber volume depending on the maximum valve geometry and valve wetting dependent pressure required to open the valves, is set to provide a bubble tolerant self-priming operation to allow local micromembrane pump.

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.In addition to the above-mentioned piezoelectric actuators, it would also be possible to realize micropumps using electrostatic actuators, but electrostatic actuators allow only very small strokes. Alternatively, the realization of pneumatic actuators would be possible, but this makes a lot of effort in terms of external pneumatic and the required switching valves necessary. Pneumatic drives thus represent complex, expensive and space-consuming procedures to implement a diaphragm deflection.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine peristaltische Mikromembranpumpe zu schaffen, die einfach aufgebaut werden kann und die einen blasentoleranten, selbstansaugenden Betrieb ermöglicht.The object of the present invention is to provide a peristaltic micromembrane pump which can be easily assembled and which enables a 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 somit eine peristaltische Mikropumpe, bei der das erste und das zweite Ventil im unbetätigten 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 second valves are open in the unactuated state and in which the first and second valves are moved by moving the membrane can be closed to the pump body, while the volume of the pumping chamber can also be reduced by moving the second membrane area towards the pump body.

Durch diesen Aufbau ermöglicht die erfindungsgemäße peristaltische Mikropumpe die Realisierung blasentoleranter, selbstansaugender Pumpen, selbst wenn auf einer Membran angeordnete 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 makes it possible to realize bubble-tolerant, self-priming pumps, even if piezoelements arranged on a membrane are used as piezo actuators. Alternatively, according to the invention as piezo actuators also so-called piezo-stacks (piezo stacks) can be used, which are disadvantageous to piezo membrane transducers in that they are large and expensive, problems with the connection technique between stack and membrane and problems in adjusting the stack supply and thus are associated with a higher total 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 Volumen 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-Grenzfläche 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.To ensure that the inventive peristaltic micropump can work bubble-tolerant and self-priming, 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 displacement being the volume displaceable by the pump membrane, the dead volume the volume remaining between the inlet port and the outlet port of the micropump, when the pumping diaphragm is actuated and one of the valves is closed and one is open, the atmospheric pressure is at most about 1050 hPa (worst case consideration), and the delivery pressure is that in the fluid chamber region Micropump, d. H. in the pressure chamber, necessary pressure is to maintain a liquid / gas interface at a location which is a flow restriction in the microperistaltic pump, i. between the pumping chamber and the passage opening of the first or second valve, including this passage opening, to move past.

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 arbeitet. 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.If the ratio of stroke volume and dead volume, which can be called the compression ratio, satisfies the above condition, it is ensured that the peristaltic micropump works bubble-tolerant and self-priming. This applies both when using the peristaltic micropump for conveying liquids, when a gas bubble, usually an air bubble, enters the fluid region of the pump, as well as when using the micropump according to the invention as a gas pump when accidentally condensed moisture from the gas to be pumped and Thus, a gas / liquid interface may occur in the fluid region 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 Pumpenkörperoberfläche im Bereich der Pumpkammer größer ist als im Bereich der Ventilkammern.Compression ratios satisfying the above condition can be realized in the present invention, for example, by making the volume of the pump chamber larger than that of the valve chambers formed between the respective valve diaphragm portions and opposite pump body portions. In preferred embodiments, this can be realized by the distance between the membrane and surface and pump body surface in the pump chamber is greater 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.A further increase in the compression ratio of a peristaltic micropump according to the invention can be achieved by moving the contour of a pumping chamber structured in the pump body to the bending line of the pumping membrane, i. H. the curved contour of the same in the actuated state, adapted so that the pumping membrane in the actuated state can displace substantially the entire volume of the pumping chamber. Furthermore, the contours of valve chambers formed in the pump body can be adapted accordingly to the bending line of the respective opposite membrane sections, so that in the optimal case in the closed state, the actuated membrane region displaces substantially the entire valve chamber volume.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1
eine schematische Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen peristaltischen Mikropumpe in einem Fluidsystem;
Fig. 2a bis 2f
schematische Darstellungen zur Erläuterung eines Piezo-Membranwandlers;
Fig. 3a bis 3c
schematische Querschnittdarstellungen zur Erläuterung der Begriffe Hubvolumen und Totvolumen;
Fig. 4
ein schematisches Diagramm, das die Volumen/Druck-Zugstände während eines Pumpzyklusses zeigt;
Fig. 5a bis 5c
schematische Darstellungen zur Erläuterung des Begriffs Förderdruck;
Fig. 6a bis 6c
schematische Ansichten eines alternativen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Mikropumpe;
Fig. 7
eine vergrößerte Darstellung eines Bereichs von Fig. 6b;
Fig. 8
eine vergrößerte schematische Querschnittdarstellung eines modifizierten Bereichs von Fig. 7;
Fig. 9a, 9b und 9c
schematische Darstellungen möglicher Pumpkammergestaltungen;
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;
Fig. 14
eine schematische Querschnittansicht eines weiteren alternativen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Mikropumpe;
Fig. 15
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Mehrfach-Mikropumpe; und
Fig. 16
eine schematische Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Mikropumpe.
Preferred embodiments of the present invention will be explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1
a schematic cross-sectional view of an embodiment of a peristaltic micropump according to the invention in a fluid system;
Fig. 2a to 2f
schematic representations for explaining a piezo-membrane converter;
Fig. 3a to 3c
schematic cross-sectional views to explain the terms stroke volume and dead volume;
Fig. 4
a schematic diagram showing the volume / pressure Zugstände during a pumping cycle;
Fig. 5a to 5c
schematic representations to explain the term delivery pressure;
Fig. 6a to 6c
schematic views of an alternative embodiment of a micropump according to the invention;
Fig. 7
an enlarged view of a range of Fig. 6b ;
Fig. 8
an enlarged schematic cross-sectional view of a modified region of Fig. 7 ;
Fig. 9a, 9b and 9c
schematic representations of possible pump chamber designs;
10a and 10b
schematic representations of an alternative embodiment of a micropump according to the invention;
Fig. 11 to 13
schematic cross-sectional views of enlarged areas of modifications of the in the 10a and 10b shown example;
Fig. 14
a schematic cross-sectional view of another alternative embodiment of a micropump according to the invention;
Fig. 15
a schematic representation of a multi-micropump according to the invention; and
Fig. 16
a schematic representation of an alternative embodiment of a micropump 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 Membranabschnitte geklebt sein oder können durch Siebdruck oder andere Dickschichttechniken auf der Membran gebildet sein.A first embodiment of a peristaltic micropump according to the invention, which is integrated in a fluid system, is disclosed in US Pat Fig. 1 shown. The micro-diaphragm 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, respectively, and forms together with the same a piezo membrane transducer. The piezo elements 22, 24, 26 may be glued to the respective membrane sections or may be formed by screen printing or other thick film techniques on the membrane.

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 membrane element is circumferentially joined to a pump body 30 at outer portions thereof, so that there is a fluid-tight connection therebetween. In the pump body 30, two fluid passages 32 and 34 are formed, one of which, depending on the pumping direction, a fluid inlet and the other represents a fluid outlet. At the in Fig. 1 In the embodiment shown, 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 in Fig. 1 In the embodiment shown, the underside of the membrane element 10 and the top of the pump body 30 are structured to define a fluid chamber 40 therebetween.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind sowohl das Membranelement 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 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 together, for example, by silicon fusion bonding. As Fig. 1 can be seen, the membrane element 10 in the upper side of the same three recesses and in the bottom thereof has a recess to define the three membrane regions 12, 14 and 16.

Durch die Piezoelemente bzw. Piezokeramiken 22, 24 und 26 sind die Membranabschnitte 12, 14 und 16 jeweils in Richtung 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.By the piezoelectric elements or piezoceramics 22, 24 and 26, the diaphragm sections 12, 14 and 16 respectively in the direction of the pump body 30 to be actuated, so that the diaphragm portion 12 together with the fluid passage 32 is an inlet valve 62, which by actuation of the membrane portion 12th can be closed. In the same way, the diaphragm section 16 and the fluid passage 34 together constitute an outlet valve 64 which can be closed by actuating the diaphragm section 16 by means of the piezoelectric element 26. Finally, by actuating the piezoelectric element 24, the volume of the pumping chamber region 42 arranged between the valves can be reduced.

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 vorgesehen 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 Fluiddurchlaß 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 unter Verwendung einer Klebeverbindung an den Trägerblock 50 gefügt ist, um einen Schutz für die Mikropumpe zu liefern und die Piezoelemente feuchtedicht abzuschließen.Before looking at how the in Fig. 1 The peristaltic micropump shown will first be briefly the fluid system environment in which the micropump according to Fig. 1 is installed described. The pump is glued to the pump body 30 on a support block 50, optionally, as in Fig. 1 shown grooves 52 may be provided in the support block 50 to receive excess adhesive. The grooves 52 may be provided, for example, surrounding the fluid channels 54 and 56 formed in the support block 50 to receive excess adhesive and prevent it from entering the fluid channels 54, 56 and the fluid passages 32, 34, respectively. The pump body 30 is bonded to the support block such that the fluid passage 32 is in fluid communication with the fluid passage 54 and that the fluid passage is in fluid communication with the fluid passage 56. Between the fluid channels 54 and 56, a further channel 58 may be provided as a cross leak protection in the support block 50. At the outer ends of the fluid channels 54, 56 connecting pieces 60 are provided, for example, for attaching hoses to the in Fig. 1 can serve shown fluid system. Furthermore, in Fig. 1 schematically shown a housing 61 which is joined, for example using an adhesive bond to the support block 50 to provide protection for the micropump and terminate the piezoelectric elements moisture-proof.

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.For the description of a peristaltic pump cycle the in Fig. 1 shown pump is initially assumed from an initial state in which the inlet valve 62 is closed, the pump diaphragm corresponding to the second diaphragm portion 14 is in the unactuated state and the exhaust valve 64 is open. Starting from this state, the pumping membrane 14 is moved downward by actuation of the piezoelectric element 24, which corresponds to the pressure stroke, whereby the stroke volume through the open outlet valve in the outlet, that is, the fluid channel 56 is promoted. The compression of the pumping chamber 42 during the pressure stroke by the stroke volume leads to an overpressure in the pumping chamber, which degrades 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.From this state, the exhaust valve 64 is closed and the inlet valve 62 is opened. Subsequently, the pumping membrane 14 is moved upward by the actuation of the piezoelectric element 24 is terminated. The thereby expanding pumping chamber leads to a negative pressure in the pumping chamber, which in turn has an intake of fluid through the open inlet valve 62 result. Subsequently, the inlet valve 62 is closed and the exhaust valve 64 is opened, so that again the above-mentioned initial state is reached. As a result of the pumping cycle described, a fluid volume which essentially corresponds to the displacement volume of the membrane section 14 would thus be 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 µm 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.Piezoelectric converters or piezoelectric bending converters are preferably used according to the invention as piezo actuators. Such a bending transducer performs an optimum stroke when the lateral dimensions of the piezoceramic correspond to approximately 80% of the underlying membrane. Depending on the lateral dimensions of the membrane, which can typically have side lengths of 4 mm to 12 mm, deflections of several 10 μm stroke and thus volume strokes in the range from 0.1 μl to 10 μl can thus be achieved. Preferred embodiments of the present invention have volume strokes at least in such a range, since in such a volume stroke advantageous bubble tolerant peristaltic pumps can be realized.

Zu beachten ist bei Piezo-Membranwandlern dabei, daß diese einen effektiven Hub nur nach unten, d. h. zu dem Pumpenkörper 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 membrane transducers that they allow an effective stroke only downwards, ie towards the pump body. In this regard, reference is made to the schematic representations of Fig. 2a to 2f directed. Fig. 2a shows a piezoceramic 100, which is provided on both surfaces thereof with metallizations 102. The piezoceramic preferably has a large d31 coefficient and is in the direction of arrow 104 in FIG Fig. 2a polarized. According to Fig. 2a no voltage is applied to 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, beispielsweise als metallisierte Siliziummembran, als Metallfolie oder als durch einen Zweikomponentenspritzguß leitfähig gemachte Kunststoffmembran.To produce a piezo-membrane transducer is now in Fig. 2a shown piezoceramic 100 fixedly mounted on a membrane 106, for example glued, as in Fig. 2b is shown. The membrane shown is a silicon membrane, but the membrane may be formed by any other materials as long as it can be electrically contacted, for example, as a metallized silicon membrane, as a metal foil, or as a plastic membrane rendered conductive by a two-component injection molding.

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.If a positive voltage, ie a voltage in the polarization direction, U> 0, is applied to the piezoceramic, then the piezoceramic contracts, see Fig. 2c , Due to the firm connection of the piezoceramic 100 to the membrane 106, the membrane 106 is deflected downwards by this contraction, as indicated by arrows in FIG Fig. 2d is clarified.

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 Depolarisation der Piezokeramik schon bei geringen Feldstärken in Gegenrichtung, wie in Fig. 2e durch einen Pfeil 108 angedeutet ist. Typische Depolarisationsfeldstärken 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.In order to bring about a movement of the membrane upwards, a negative voltage, ie a voltage opposite to the direction of polarization, would have to be applied to the piezoceramic, as in FIG Fig. 2e is shown. However, this leads to a depolarization of the piezoceramic even at low field strengths in the opposite direction, as in Fig. 2e is indicated by an arrow 108. Typical depolarization field strengths of lead zirconate titanate ceramics (PZT ceramics) are, for example, -4000 V / cm. Thus, a movement of the membrane upwards, ie in the direction of the piezoceramic, not be realized, as in Fig. 2f is indicated.

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 Energieverbrauch. 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 umgekehrt. Ferner ist durch die Membran das zu schaltende Medium von der Piezokeramik getrennt.Despite this drawback to the effect that due to the asymmetrical nature of the piezoelectric effect with the two-layer silicon piezoelectric bending transducer, ie the piezo diaphragm transducer, only an active downward movement, ie toward the pump body out, can be realized, is the use Such a bending transducer is a preferred embodiment of the present invention, since this form of transducer has numerous advantages. First, they have a fast response, on the order of about 1 millisecond with low power consumption. Furthermore, a scaling with dimensions of piezoceramic and membrane over large areas is possible, so that a large stroke (10 .... 200 microns) and a large force (switching pressures 10 4 Pa to 10 6 Pa) are possible, with a larger Hub decreases the achievable force and vice versa. Furthermore, the medium to be switched is separated from the piezoceramic by the membrane.

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.If the peristaltic micropumps of the invention are to be used in applications where bubble-tolerant, self-priming behavior is required, the micro-peristaltic pumps must be designed to comply with a compression ratio design rule that defines the ratio of stroke volume to dead volume. To define the terms displacement volume .DELTA.V and dead volume V 0 is first on the Fig. 3a to 3b directed.

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 Einlaßventil-Piezoaktor 206, einem Pumpkammer-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. Fig. 3a schematically shows a pump body 200 having an upper surface thereof, in which a pumping chamber 202 is structured. Above the pump body 200, a diaphragm 204 is schematically shown, which is provided with an inlet valve piezoactuator 206, a pumping chamber piezoactuator 208 and an outlet valve piezoactuator 210. By means of the piezoactuators 206, 208 and 210, respective regions of the membrane 204 can be moved downwards, ie in the direction of the pump body 200, as indicated by arrows in FIG Fig. 3a is shown. Through the line 212 is in Fig. 3a Further, the pump chamber 200 opposite portion of the diaphragm 204, ie the pumping membrane, in its deflected, that is actuated by the pumping chamber piezoelectric actuator 208, shown state. The difference of the pumping 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 pumping 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 Figuren 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 For example, the channel regions 214 and 216 disposed below the inlet valve piezoactuator 206 and below the outlet valve piezoactuator 210 may be closed by a respective actuation of the corresponding piezoelectric actuator by resting the respective membrane regions on the underlying regions of the pump body. Here are the FIGS. 3a to 3c merely rough schematic representations, wherein the respective elements are designed so that a closing of respective valve openings is possible. Thus, in turn, an intake valve 62 and an exhaust valve 64 are 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 Fluidmenge aus dem Auslaßventil 64 dar, wobei das Volumen des zwischen dem geschlossenen Einlaßventil 62 und der Durchlaßöffnung des offenen Auslaßventils 64 verbleibenden Fluidbereichs 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 gezeigt ist.In Fig. 3b a situation is shown in which the volume of the pumping chamber 202 is reduced by operating the pumping chamber piezoactuator 208 and in which the inlet valve 62 is closed. In the Fig. 3b The situation shown thus represents the state after ejection of a fluid amount from the exhaust valve 64, wherein the volume of the remaining between the closed inlet valve 62 and the passage opening of the open exhaust valve 64 fluid area represents the dead volume V 0 with respect to the pressure stroke, as indicated by the hatched area in Fig. 3b is shown. The dead volume with respect to a suction stroke in which the inlet valve 62 is opened and the outlet valve 64 is closed is defined by the volume of the fluid area remaining between the closed outlet valve 64 and the passage opening of the open inlet valve 62, as in FIG Fig. 3c is shown by the hatched area.

An dieser Stelle sei angemerkt, daß das jeweilige Totvolumen von dem jeweils geschlossenen Ventil bis zu der Durchlaßöffnung, an der im Moment einer jeweilige Volumenänderung 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.It should be noted at this point that the respective dead volume is defined by the respective closed valve up to the passage opening at which a significant pressure drop occurs at the moment of a respective change in volume of the pumping chamber. With a symmetrical construction of 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 different dead volumes occur due to an asymmetry for a pressure stroke and a suction stroke, then, in the sense of a worst-case analysis, it is assumed in the following 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 / V 0

Figure imgb0001
The compression ratio of the micro-peristaltic pump is calculated from the stroke volume ΔV and the dead volume V 0 as follows: ε = .DELTA.V / V 0
Figure imgb0001

Im folgenden wird von einer Worst-Case-Betrachtung ausgegangen, 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 Zustandsänderungen auftreten, ausgegangen wird.In the following, a worst-case view is assumed in which the entire pump area is filled with a compressible fluid (gas). The volume / pressure conditions occurring in the peristaltic pump in a peristaltic pumping cycle as described above are shown in the graph of FIG Fig. 4 shown. Here are in Fig. 4 in each case both the isothermal volume / pressure characteristics and the adiabatic volume / pressure characteristics are shown, wherein in the sense of a worst-case consideration in the following of isothermal conditions, as they occur in slow state changes, is assumed.

Zu Beginn eines Druckhubes herrscht in dem zwischen Einlaßventil und Auslaßventil existierenden Fluidbereich ein Druck p0, während dieser Bereich ein Volumen V0 + ΔV aufweist. Ausgehend von diesem Zustand bewegt sich die Druckmembran 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 V0 ein Druck von p0 + pÜ 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 p0, V0, der dem Ausgangspunkt eines Saughubes entspricht. 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 Unterdrucks 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, there is a pressure p 0 in the fluid area existing between the inlet valve and the outlet valve, while this area has a volume V 0 + ΔV. Starting from this state, the pressure membrane moves during the pressure stroke to the stroke volume .DELTA.V down, creating an overpressure p Ü in the fluid region, ie the pumping chamber forms, so that at a volume of V 0, a pressure of p 0 + p Ü prevails. The overpressure in the pumping chamber degrades by the air volume .DELTA.V is conveyed through the outlet until a pressure equalization has taken place. This outflow of fluid from the outlet corresponds to Fig. 4 the jump from the upper curve to the lower curve. At the end of the pressure equalization there is therefore a state p 0 , V 0 , 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 displacement volume .DELTA.V. Thus, the in Fig. 4 as "suction stroke after expansion" designated state p 0 - p u , V 0 + ΔV changed. Due to the prevailing negative pressure, a fluid volume .DELTA.V is sucked through the inlet port until a pressure equalization has taken place. The inflow of fluid into the pumping chamber corresponds to Fig. 4 the jump from the lower curve to the upper curve. After pressure equalization, the state p 0 , V 0 + ΔV prevails, 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 Auslaßventiles zwischen den jeweiligen Saughüben und Druckhüben vernachlässigt.In the above general state considerations, which serve to illustrate the invention in general, the volume displacements of the intake valve and the exhaust valve between the respective suction strokes and pressure strokes were neglected.

Um eine Blasentoleranz erreichen zu können, muß der Überdruck pÜ beim Druckhub, bzw. der Unterdruck pU beim Saughub, einen Mindestwert beim Druckhub überschreiten bzw. beim Saughub unterschreiten. Anders ausgedrückt muß der Druckbetrag beim Druckhub und beim Saughub einen Mindestwert, der als Förderdruck pF bezeichnet werden kann, überschreiten. Dieser Förderdruck ist der Druck in der Druckkammer, der mindestens herrschen muß, um eine Flüssigkeits/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 achieve a bubble tolerance, the overpressure p Ü during the pressure stroke, and the negative pressure p U during the suction stroke, exceed a minimum value during the compression stroke or during the intake stroke must fall below. In other words, the pressure amount during the compression stroke and the suction stroke must exceed a minimum value, which may be referred to as delivery pressure p F. This delivery pressure is the pressure in the pressure chamber which must at least prevail to bypass a liquid / gas interface at a location which is a flow point between the pumping chamber and the passageway of the first or second valve, including this passageway move. This delivery pressure can be determined as follows, depending on the size of this flow point.

Es müssen Kapillarkräfte überwunden werden, wenn freie Oberflächen, 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 Oberflächenspannung der Flüssigkeit an der Flüssigkeit/Gas-Grenzfläche und dem maximalen Krümmungsradius r1 und dem minimalen Krümmungsradius r2 des Meniskus dieser Grenzfläche ab: Δp = σ 1 r 1 + 12 r 2

Figure imgb0002
Capillary forces must be overcome if free surfaces, for example in the form of gas bubbles (eg 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 r 1 and the minimum radius of curvature r 2 of the meniscus of that interface: Ap = σ 1 r 1 + 12 r 2
Figure imgb0002

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 r1 und r2 einer Flüssigkeits/Gas-Grenzfläche mit einer gegebenen Oberflächenspannung maximal ist. Diese Stelle entspricht der Flußengstelle.The delivery pressure to be provided is defined by Equation 2 at the location within the flow path of the microperistaltic pump where the sum of the inverse radii of curvature r 1 and r 2 of a liquid / gas interface having a given surface tension is at a maximum. This point corresponds to the Flußengstelle.

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, to illustrate, a channel 220 (FIG. Fig. 5a ) with a width d, where the height of the channel is also d. The channel 220 has a cross-sectional change at both channel ends 222, for example below the valve membrane or the pumping membrane. In Fig. 5a the channel is completely filled with a liquid 224 flowing in the direction of the 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 r1 und einen minimalen Krümmungsradius r2 eines durch den Kanal 220 zu bewegenden Meniskus 230, wobei bei gleicher Höhe und Breite des Kanals r1 = 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.According to Fig. 5b An air bubble 228 now encounters the change in cross section at the entrance of the channel 220. In this case, a wetting angle θ occurs. The wetting angle θ defines a maximum radius of curvature r 1 and a minimum radius of curvature r 2 of a meniscus 230 to be moved through the channel 220, with r 1 = r 2 for the same height and width of the channel. In Fig. 5c the situation is illustrated when the air bubble or meniscus 230 reaches the cross-sectional change 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 mit r1 = r2 = r = d/2: Δp = σ 2 r = σ 4 d

Figure imgb0003
If such a channel represents the area of a fluid system at which the greatest capillary force must be overcome, the required pressure in this special case is r 1 = r 2 = r = d / 2: Ap = σ 2 r = σ 4 d
Figure imgb0003

Diese Druckbarriere ist bei Mikroperistaltikpumpen der erfindungsgemäßen Art aufgrund der kleinen Geometriedimensionen nicht zu vernachlässigen, wenn ein solcher Kanal die Engstelle der Pumpe darstellt. Bei einem Leitungsdurchmesser von beispielsweise d = 50 µm und einer Oberflächenspannung 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 negligible in microperistaltic pumps of the type according to the invention due to the small dimensions of geometry, if such a channel represents the bottleneck of the pump. With a line diameter of for example d = 50 μm and a surface tension air / water of σ wa = 0.075 N / m, the pressure barrier Δp b = 60 hPa, while with a channel diameter d = 25 μm the pressure barrier 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. r1 = r und r2 = unendlich.In the case of microperistaltic pumps of the type according to the invention, however, the mentioned constriction is generally defined by the distance between the valve membrane and the opposite region of the pump body (for example a sealing lip) when the valve is open. This bottleneck represents a gap having an infinite width compared to the height, ie r 1 = r and r 2 = infinity.

Für einen solchen Kanal ergibt sich aus obiger Gleichung 2: Δp = σ 1 r

Figure imgb0004
For such a channel it follows from equation 2 above: Ap = σ 1 r
Figure imgb0004

Allgemein ist der Zusammenhang zwischen dem kleinsten Krümmungsradius und dem kleinsten Wandabstand d durch folgende Beziehung gegeben: r = d 2 sin 90 ° + Γ - Θ

Figure imgb0005
wobei Θ den Benetzungswinkel darstellt und Γ die Verkippung zwischen den beiden Wänden.In general, the relationship between the smallest radius of curvature and the smallest wall distance d is given by the following relationship: r = d 2 sin 90 ° + Γ - Θ
Figure imgb0005
where Θ represents the wetting angle and Γ 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°+Γ-Θ)=1 wird. Dies tritt beispielsweise bei abrupten Querschnittsänderungen, wie sie in den Fig. 5a bis 5c gezeigt sind, oder bei Kombinationen von Verkippungswinkel Γ und Benetzungswinkel Θ auf. Im Worst-Case-Fall gilt: r = d 2

Figure imgb0006
The worst-case case, ie the smallest radius of curvature independent of the tilt angle and wetting angle, is given if the sine function is maximal, ie sin (90 ° + Γ-Θ) = 1. This occurs, for example, in abrupt cross-sectional changes, as in the Fig. 5a to 5c shown, or combinations of tilt angles Ben and wetting angle Θ. In the worst case case: r = d 2
Figure imgb0006

Als kleinster auftretender Krümmungsradius kann daher unabhängig vom Verkippungswinkel Γ, Benetzungswinkel Θ oder abrupten Querschnittsänderungen die Hälfte des kleinsten auftetenden Wandabstands betrachtet werden.As the smallest occurring radius of curvature, therefore, half of the smallest ascending wall distance can be considered independently of the tilt angle Γ, wetting angle Θ or abrupt changes in cross section.

In einer Peristaltikpumpe existieren zum einen Fluidverbindungen zwischen den Kammern mit einer gegebenen Kanalgeometrie und einer Engstelle, die eine geringste Durchflußabmessung d definiert. Für einen solchen Kanal gilt: Δp = σ 4 d

Figure imgb0007
In a peristaltic pump, fluid connections exist between the chambers with a given channel geometry and a constriction defining a minimum flow dimension d. For such a channel: Ap = σ 4 d
Figure imgb0007

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: Δp = σ 2 d

Figure imgb0008
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 lift d. For these applies: Ap = σ 2 d
Figure imgb0008

Die jeweilige Engstelle (Kanalengstelle oder Ventilengstelle 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 must be overcome, can be regarded as a flow point of the microperistaltic pump.

Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung 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 bestimmt.In preferred embodiments of the present invention, therefore, communication channels within the peristaltic pump are designed such that the diameter of the channel is at least twice that of the valve throat, i. the distance between diaphragm and pump body in the open valve state, exceeds. In such a case, the valve gap represents the flow point of the microperistaltic pump. For example, with a valve lift of 20μm, communication channels having a smallest dimension, i. Bottleneck, be provided by 50μm. The upper limit of the channel diameter is determined by the dead volume of the channel.

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 Peristaltikpumpe, 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 Mikroperistaltikpumpe entsprechend höher gemacht werden, um ein solches Pumpen beispielsweise auch für Quecksilber zu ermöglichen.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 about 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, for example, about 0.475 N / m. A peristaltic pump designed to overcome the capillary force at a surface tension of 0.1 N / m is thus suitable for pumping virtually 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 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 Pumpkammervolumen ausfüllen. Bei der Förderung von Gasen muß damit gerechnet werden, daß aufgrund einer Auskondensierung 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 below apply to the pumping of gases and incompressible liquids, and in the case of liquids, it must be assumed that in the worst case, air bubbles fill the entire pumping chamber volume. In the promotion of gases must be expected that can get into the pump due to a Auskondensierung liquid. In the following it is assumed that the piezoelectric actuator is designed so that all required negative pressures and 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 pÜ wird dann durch den Druck in der Luftblase bestimmt. Er berechnet sich aus der Zustandsgleichung der Luftblase. p 0 V 0 + ΔV γ A = p 0 + p Ü V 0 γ A

Figure imgb0009
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 pÜ beim Druckhub größer als der positive Förderdruck pF sein: p Ü > p F
Figure imgb0010
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 p Ü is then determined by the pressure in the air bubble. It is calculated from the equation of state of the bubble. p 0 V 0 + .DELTA.V γ A = p 0 + p Ü V 0 γ A
Figure imgb0009
The variables p 0 , V 0 , ΔV and p ü were discussed above with reference to FIG Fig. 4 explained. γ A represents the adiabatic coefficient of the gas, ie 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 p Ü must be greater than the positive delivery pressure p F during the pressure stroke: p Ü > p F
Figure imgb0010

Nun sei ein Saughub betrachtet. Der Saughub unterscheidet sich durch die Ausgangslage der Volumina. Nach der Expansion entsteht der Unterdruck pU in der Pumpkammer, d. h. pU ist negativ: p 0 V 0 γ A = p 0 + p U V 0 + ΔV γ A

Figure imgb0011
Now consider a suction stroke. The suction stroke differs by the initial position of the volumes. After expansion, the negative pressure p U arises in the pumping chamber, ie p U is negative: p 0 V 0 γ A = p 0 + p U V 0 + .DELTA.V γ A
Figure imgb0011

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 pU 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: p U > p F

Figure imgb0012
The left side of Equation 11 represents the state before expansion, while the right side represents the state after expansion. The negative pressure p U during the pressure stroke must be smaller than the necessary negative delivery pressure p F. It should be noted that the discharge pressure p F in terms of absolute value in the consideration of the pressure stroke, in terms of absolute value in the consideration of the suction stroke. It follows: p U > p F
Figure imgb0012

Aus den obigen Gleichungen ergibt sich für das mindestens notwendige Kompressionsverhältnis von blasentoleranten Mikroperistaltikpumpen für den Druckhub: ϵ > p 0 p 0 + p F 1 γ A - 1

Figure imgb0013
From the above equations results for the minimum required compression ratio of bubble-tolerant microperistaltic pumps for the pressure stroke: ε > p 0 p 0 + p F 1 γ A - 1
Figure imgb0013

Für den Saughub ergibt sich folgendes Kompressionsverhältnis: ϵ > p 0 p 0 + p F 1 γ A - 1

Figure imgb0014
For the suction stroke the following compression ratio results: ε > p 0 p 0 + p F 1 γ A - 1
Figure imgb0014

Ist der Förderdruck pF klein gegenüber dem Atmosphärendruck p0, können die vorhergehenden Gleichungen wie folgt vereinfacht werden, was einer Linearisierung um den Punkt p0, V0 entspricht:

  • Druckhub: ϵ > 1 γ A p F p 0
    Figure imgb0015
  • Saughub: ϵ > - 1 γ A p F p 0
    Figure imgb0016
If the delivery pressure p F is small compared to the atmospheric pressure p 0 , the preceding equations can be simplified as follows, which corresponds to a linearization around the point p 0 , V 0 :
  • compression stroke: ε > 1 γ A p F p 0
    Figure imgb0015
  • suction stroke: ε > - 1 γ A p F p 0
    Figure imgb0016

Als gültige Gleichung für den Saughub und den Druckhub ergibt sich: ϵ > 1 γ A p F p 0

Figure imgb0017
As a valid equation for the suction stroke and the pressure stroke results: ε > 1 γ A p F p 0
Figure imgb0017

Bei schnellen Zustandsänderungen sind die Verhältnisse adiabatisch, d. h. γA = 1,4 für Luft. Bei langsamen Zustandsänderungen 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 festgehalten werden, daß das Kompressionsverhältnis größer sein muß als das Verhältnis des Förderdrucks zum Atmosphärendruck, d. h.: ϵ > p F p 0

Figure imgb0018
For fast state changes, the ratios are adiabatic, ie γ A = 1.4 for air. For slow state changes, the ratios 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 micro-peristaltic 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 > p F p 0
Figure imgb0018

Oder mit den genannten Volumina: ΔV V 0 > p F p 0

Figure imgb0019
Or with the mentioned volumes: .DELTA.V V 0 > p F p 0
Figure imgb0019

Die oben angegebene einfache lineare Designregel entspricht der Tangente an der isothermen Zustandsgleichung von Fig. 4 im Punkt p0, V0.The simple linear design rule given above corresponds to the tangent to the isothermal equation of state of Fig. 4 at the 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 definierten 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 microperistaltic pumps according to the invention are thus designed such that the compression ratio satisfies the above condition, wherein the minimum necessary delivery pressure corresponds to the pressure defined in equation 8 if channel narrows occurring in the peristaltic pump have minimum dimensions which are at least twice as large as the valve gap. Alternatively, the minimum required delivery pressure may correspond to the pressure defined in Equation 3 or Equation 7 if the flow location of the microperistaltic pump is not defined by a gap but a channel.

Soll eine erfindungsgemäße Mikroperistaltikpumpe zum Einsatz kommen, wenn Druckrandbedingungen eines Unterdrucks p1 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 Druckrandbedingungen 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 pÜ, bzw. Unterdruck pU diese Gegendrücke mindestens erreichen, damit eine Pumpwirkung auftritt. Beispielsweise führt allein die Höhendifferenz 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 p 1 at the inlet or a counterpressure p 2 prevail at the outlet, the compression ratio of a microperistaltic pump must be correspondingly greater in order to allow 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 occurring in the pumping chamber pressure p T, or negative pressure p U must achieve these back pressures at least, so that a pumping action occurs. For example, only the height difference of a possible inlet vessel or outlet vessel of 50 cm in water leads to counter 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 Peristaltikzyklusses 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.Further, the desired delivery rate is a constraint that places additional demands. For a given swept volume ΔV, the delivery rate Q is defined by the repetitive peristaltic cycle operating frequency f: Q = ΔV · f. Within the period T = 1 / f both the suction stroke and the pressure stroke of the peristaltic pump must be performed, in particular the displacement .DELTA.V must be implemented. The available time is therefore maximum T / 2 for suction stroke and pressure stroke. The time required to promote the stroke volume through the pumping chamber inlet and the valve throat now depends on the one hand on the flow resistance, on the other hand on the pressure amplitude in the pumping 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 entsprechend 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 for a plurality of capillary forces, as described above, to be overcome since a plurality of corresponding liquid / gas interfaces occur. In such a case, the micro-peristaltic pump must be designed to have a compression ratio in order to be able to produce 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 Randbedingungen 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 determined that the compression ratio of a microperistaltic invention must be appropriately higher when necessary in the microperistaltic delivery pressure p F in addition to the aforementioned capillary forces also depends on the boundary conditions of the application. It should be noted that here the delivery pressure is considered relative to the atmospheric pressure, that is, a positive delivery pressure p F is assumed in the pressure stroke, while a negative delivery pressure p F is assumed in the intake stroke. As a technically meaningful value for a robust operation, therefore, an amount of the delivery pressure of at least p F = 100 hPa can be assumed 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.Considering a back pressure of, for example, 3000 hPa at the pump outlet, against which must be pumped, then results from the above equation 13, a compression ratio of ε> 3, assuming an atmospheric pressure of 1013 hPa.

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 the microperistaltic pump must suck against a large negative pressure, for example a negative pressure of -900 hPa, a compression ratio of ε> 9 must be maintained according to Equation 14 above in order to allow pumping against such 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 Membranabschnitts 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 Membranelement 300 gebildet, wobei in dem Membranelement 300 ferner eine zu der Pumpkammer 304 beitragende Ausnehmung 312 gebildet ist. 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 Fig. 6a and Fig. 6c , while Fig. 6a a schematic plan view of the membrane element 300 and Fig. 6c 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 piezoactuators 22, 24 and 26. In the pump body 302, in turn, an inlet opening 32 and an outlet opening 34 is formed, such that the inlet port 32 defines an inlet valve together with the diaphragm portion 12, while the outlet port 34 defines an outlet valve with the diaphragm portion 16. Below the diaphragm portion 14, a pumping chamber 304 is formed in the pump body 302. Furthermore, fluid channels 306 are formed in the pump body 302, which are fluidly connected to the diaphragm areas 12 and 16 associated valve chamber 308 and 310. The valve chambers 308 and 310 are formed in the embodiment shown by recesses in the membrane element 300, wherein in the membrane element 300 further to the pumping chamber 304 contributing recess 312 is formed.

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 Pumpkammerabsenkung 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 in the Fig. 6a to 6c In the embodiment shown, the pumping chamber volume 304 is made larger than the volumes of the valve chambers 308 and 310. This is achieved in the illustrated embodiment by forming a pumping chamber depression in which a structuring in the form of a pumping chamber depression is formed in the pump body 302. The stroke of the pump diaphragm 14 is preferably designed so that it can largely displace the volume of the pumping chamber 304.

Eine weitere Erhöhung des Pumpkammervolumens gegenüber den Ventilkammervolumen ist bei dem in den Fig. 6a bis 6c gezeigten Ausführungsbeispiel erreicht, indem die Pumpkammermembran 14 flächenmäßig (in der Ebene des Membranelements 300 bzw. des Pumpenkörpers 302) größer gestaltet ist als die Ventilkammermembranen, wie am besten in Fig. 6a zu sehen ist. Somit ergibt sich eine flächenmäßig verglichen mit den Ventilkammern größere Pumpkammer.A further increase of the pumping chamber volume compared to the valve chamber volume is in the in the Fig. 6a to 6c shown embodiment in that the pumping chamber membrane 14 in terms of area (in the plane of the diaphragm member 300 and the pump body 302) is made larger than the valve chamber membranes, as best in Fig. 6a you can see. This results in a larger in terms of area compared with the valve chambers pump chamber.

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 reduzierten 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 pumping chamber 304, the supply channels 306 in the surface of the pump body 302 are structured. These fluid channels 306 provide reduced flow resistance without significantly degrading the compression ratio of the peristaltic micropump.

Alternativ zu dem in den Fig. 6a bis 6c gezeigten Ausführungsbeispiel 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.Alternatively to that in the Fig. 6a to 6c In the embodiment shown, the surface of the pump body 302 could be realized with three stage depressions to implement the pumping chamber of increased depth (compared to the valve chambers), while the top chip is a substantially unstructured membrane. Such two-stage subsidence are technologically more difficult to implement than that in the Fig. 6a to 6c shown embodiment.

Beispielhafte Abmessungen des in den Fig. 6a bis 6c gezeigten Ausführungsbeispiels einer peristaltischen Mikropumpe lauten wie folgt:

  • Abmessung der Ventilmembrane 12, 16: 7,3 x 5,6 mm;
  • Abmessung der Pumpmembran 14: 7,3 x 7,3 mm;
  • Membrandicke: 40 µm;
  • Durchmesser der Einlaß- bzw. Auslaßdüse 32, 34: mindestens 50 pm;
  • Ventilkammerhöhe: 8 µm;
  • Höhe der Pumpkammer: 30 µm;
  • Breite der Ventil-Dichtlippen dDL: 10µm;
  • realisierbare Gesamtgröße: 8 x 21 mm;
  • Abmessungen der Piezoelemente: Fläche: 0,8 mal Membranabmessung, Dicke: 2,5 mal Membrandicke;
  • Dicke der Piezoelemente: 100µm; und
  • Öffnungsquerschnitt der Öffnungen 32, 34: 100µm x 100µm.
Exemplary dimensions of the in Fig. 6a to 6c shown embodiment of a peristaltic micropump are as follows:
  • Valve diaphragm dimensions 12, 16: 7.3 x 5.6 mm;
  • Measurement of the pumping membrane 14: 7.3 x 7.3 mm;
  • Membrane thickness: 40 μm;
  • Diameter of the inlet or outlet nozzle 32, 34: at least 50 pm;
  • Valve chamber height: 8 μm;
  • Height of the pumping chamber: 30 μm;
  • Width of the valve sealing lips d DL : 10μm;
  • Total realized size: 8 x 21 mm;
  • Dimensions of the piezo elements: Area: 0.8 times membrane dimension, thickness: 2.5 times membrane thickness;
  • Thickness of the piezo elements: 100μm; and
  • Opening cross-section of the openings 32, 34: 100μm x 100μm.

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 in Fig. 6b shown cross-sectional view is in Fig. 7 shown in FIG Fig. 7 the height H of the pumping chamber 304 is displayed. Although according to the presentation of Fig. 7 For example, as the patterns forming the pumping chamber 304 in the pump body 302 and in the membrane member 300 have equal depths, it is preferable to make the patterns in the pump body 302 deeper in depth than those in the membrane member to provide the flow channel 306 with a sufficient flow area without unduly compromising the compression ratio. For example, the patterns in the pump body 302 that contribute to the fluid channel 306 and the pumping chamber 304 may have a depth of 22 μm, while the patterns in the membrane element 300 that define the valve chambers 308 and the pressure chamber 304, respectively, have a depth of 8 microns may have.

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 angeordnet. 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 FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of an enlargement of the section A of FIG 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. As a result, mounting tolerances can be taken into account in a double-sided lithography. Furthermore, it can be prevented that wafer thickness variations that may result in valve openings with different cross-sectional sizes, have no negative impact. As in Fig. 8 can be seen, defines the distance x to the diaphragm 12, the Flußengstelle between the pumping chamber and valve port with the valve open.

Wie oben ausgeführt wurde, muß in den Bereichen des Fluidsystems, in denen eine Pumpwirkung erforderlich ist, indem ein Pumpkammervolumen einer Peristaltikpumpe gebildet wird, das Kompressionsverhältnis der Peristaltikpumpe groß gewählt 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 is made large to ensure self-filling behavior and robust operation with respect to bladder tolerance. In order to achieve this, it is preferable to keep the dead volumes small, which can be assisted by adapting the contour or shape of the pumping chamber to the bending line of the pumping 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 Auslenkung 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 Fluidkanäle 306, die eine Fluidverbindung zu Ventilkammern, die beispielsweise wiederum in einem Membranelement strukturiert sein können, herstellen.A first possibility to realize such an adaptation is to implement a round pumping chamber, ie a pumping chamber whose circumferential shape is adapted to the deflection of the pumping membrane. A schematic plan view of the pumping chamber and fluid channel section of a pump body having such a pumping chamber is shown in FIG Fig. 9a shown. In turn, round pumping chamber 330 open similar to the representation of Fig. 6c the fluid channels 306, which produce a fluid connection to valve chambers, which in turn may be structured, for example, in a membrane element.

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 Membran (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 achieve a further reduction of the dead volume and thus a further increase in the compression ratio, the pumping chamber can be configured under the pumping membrane so that its contour facing the pumping membrane follows in a precise fit the bending line of the pumping membrane. Such a contour of the pumping chamber can be achieved for example by a correspondingly shaped injection molding tool or by an embossing punch. A schematic plan view of a pump body 340, in which such a bending line of the actuator membrane following fluid chamber 342 is structured, is in Fig. 9b shown. Furthermore, in Fig. 9b illustrated in the pump body structured fluid channels 344 which lead to the fluid chamber 342 and away from the same. A schematic cross-sectional view along the line cc of Fig. 9b is in Fig. 9c shown in FIG Fig. 9c Furthermore, a membrane 346 with the same associated piezoelectric actuator 348 shown. A flow through the fluid channels 344 is in Fig. 9c indicated by arrows 350. Furthermore, in Fig. 9c the membrane 346 facing to the bending line of the membrane (in the actuated state) adapted contour 352 of the fluid chamber or pumping chamber 342 to recognize. This shape of the fluid chamber 352 allows substantially all the volume of the fluid chamber 342 to be displaced upon actuation of the diaphragm 346 by the piezoactuator 348, whereby 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 Membranabschnitte 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 Biegelinie 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 Pumpkammer 342 mit der Ventilkammer 362, und der Fluidkanal 344d stellt einen Ausgangskanal dar.An embodiment of a peristaltic micropump, in which both the pumping chamber 342 and valve chambers 360 are adapted to the bending lines of the respective associated membrane sections 12, 14 and 16, is in the 10a and 10b shown, where Fig. 10b a schematic plan view of the pump body 340 shows while Fig. 10a a schematic cross-sectional view taken along the line aa of Fig. 10b shows. Like that 10a and 10b can be seen, the shape and contour of the valve chamber 360 and 362 as explained above with reference to the pumping chamber 342, adapted to the bending line of the respective associated membrane portion 12 and 16 respectively. Furthermore, as best in Fig. 10b In turn, fluid channels 344a, 344b, 344c, and 344d are formed in the pump body 340. The fluid channel 344a constitutes an input fluid channel, the fluid channel 344b connects the valve chamber 360 to the pumping chamber 342, the fluid channel 344 connects the pumping chamber 342 to the valve chamber 362, and the fluid channel 344d constitutes 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 vorgesehene Ausnehmung eingebracht ist, um zusammen mit den in dem Pumpenkörper 340 gebildeten Fluidbereichen die Ventilkammern und die Pumpkammer zu definieren.As further in Fig. 10a 11, the membrane element 380 in this embodiment is an unstructured membrane element which is inserted into a recess provided in the pump body 340 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 Aktorkammern 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 Pümpfrequenzen 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 Membranabschnitte 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 erreichen. 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 Ventilkammer 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.The connection channels 344b and 344c between the actuator chambers are connected so that they contain a small dead volume compared to the stroke volume. At the same time, these fluid channels reduce the flow resistance between the actuator chambers significantly, so that even larger pumice frequencies and thus larger flow rates, such a stream in turn by arrows 350 in Fig. 10a is displayed, become possible. In the area of the valve chambers 360 and 362, the fluid passages 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 passages 344a and 344b and between the fluid passages 344c and 344d, respectively. The contour of the valve chambers must be exactly adapted to the bending line of the respective membrane sections in order to achieve a dense fluid separation. Alternatively, as in Fig. 11 is shown, a web 390 may be provided in the respective valve chamber in the region of the largest stroke of the diaphragm portion 12, which is shaped accordingly, so that it can be completely sealed by the bending of the diaphragm portion 12. More specifically, the web bends up to the edges of the valve chamber, according to the shape of the valve chamber adapted to the bending line. This web can protrude into the respective valve chamber, wherein alternatively, as in Fig. 11 1, the depth of the connection channels 344 may be greater than the stroke y of the membrane portion 12, in which the membrane portion abuts against the pump body, so that the web 390 is sunk, so to speak. If the depth of the connection channels is greater than the maximum stroke, this results in the cost of the compression ratio, but allows low flow resistance between the actuator chambers.

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.An alternative embodiment of a valve chamber 360 is shown in FIG Fig. 12 shown where the depth of the connecting channels 344 is smaller than the maximum stroke y of the diaphragm portion 12, and thus as the depth of the the bending line of the diaphragm portion 12 adapted valve chamber 360 in the region of the largest stroke of the diaphragm portion 12. This allows a secure seal in the closed state of the valve can be achieved.

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 that meets predetermined pressure requirements, it may be preferable to provide a web 390a in the valve chamber 360 which does not simulate the maximum possible bending line of the actuator element, ie the membrane section 12 together with the piezoactuator 22 in Fig. 13 is shown. The maximum possible bending line of the membrane section 12 is in Fig. 13 shown by a dashed line 400, while the line 410 corresponds to the maximum possible deflection of the diaphragm portion 12 due to the provision of the web 390a. Thus, in the fully deflected condition, when the web 390 is sealed, the membrane 12 seats with a residual force on the land 390a, which residual force can be dimensioned to meet pressure requirements that the gasket must endure.

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.In practical implementations, the bending line of the membrane will often not be perfectly concentric with the membrane center, for example due to assembly tolerances of the piezoceramics and due to inhomogeneities in the application of adhesive, by which the piezoceramics are attached to the membranes. Therefore, the area of the land seal can be slightly increased, for example, by about 5 to 20 μm, depending on the stroke of the actuator, relative 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 in Fig. 13 shown situation. It should be noted, however, that this increases the dead volume and the compression ratio is reduced.

Alternativ zu den genannten Möglichkeiten kann als Fluidkammermaterial 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.As an alternative to the abovementioned possibilities, a plastically deformable material, for example silicone, can be used as the fluid chamber material at least in the region below the movable membrane. By correspondingly large-sized actuator forces, inhomogeneities can then be compensated. In such a case, there is no hard-hard seal, so that a certain tolerance against particles and deposits exists.

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-Koeffizienten 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.In the following is a brief example of a sizing of a peristaltic pump, as in the 10a and 10b shown. The thickness of the membrane sections 12, 14 and 16 and thus the thickness of the membrane element 380 can be, for example, 40 μm, while the thickness of the piezoactuators can be, for example, 100 μm. As a piezoceramic, a PZT ceramic with a large d31 coefficient can be used. The side length of the membranes may for example be 10 mm, while the side length of the piezoelectric actuators may be 8 mm, for example. 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 diaphragm of approximately 2 to 4 μl.

Durch die Anpassung der Fluidkammerausführung an die Biegelinie der Membran fällt das Totvolumen der drei für die Peristaltikpumpe benötigten Fluidkammern weg, so daß nur noch die Verbindungskanäle, die die Ventilkammern mit der Pumpkammer 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 Kompressionsverhältnis ε = ΔV/V = 4 µl/0,2 µl = 20 ermittelt werden.By adapting the fluid chamber design to the bending line of the membrane, the dead volume of the three fluid chambers required for the peristaltic pump drops, so that only the connection channels connecting the valve chambers to the pumping chamber remain. Connecting channels with a depth of 100 microns, a width of 100 microns and a length of 10 mm, so that there is a total length for the fluid channels 344b and 344c of 20 mm, resulting in a pumping chamber dead volume of 0.2 ul. From this a compression ratio ε = ΔV / V = 4 μl / 0.2 μl = 20 can be determined.

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.With such a high compression ratio of up to 20, such fluid modules are bubble tolerant and self-priming and can deliver both liquids and gases. Furthermore, such fluid pumps can in principle build up several bar pressure for compressible and liquid media, depending on the design of the piezoelectric actuator. In such a micropump, the maximum pressure that can be generated is no longer limited by the compression ratio, but defined by the maximum force of the drive element and by the tightness of the valves. Despite these properties, several ml / min can be delivered by a suitable channel dimensioning with a low flow resistance.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel waren sämtliche Fluidkanäle, d. h. auch der Einlaßfluidkanal 344a und der Auslaßfluidkanal 344d lateral geführt, d. h. die Fluidkanäle verlaufen in der gleichen Ebene wie die Fluidkammern. Wie oben dargelegt wurde, kann bei einem derartigen Verlauf die Abdichtung der Kanäle schwierig sein. Vorteilhaft 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 embodiment described above, all the fluid channels, i. H. Also, the inlet fluid passage 344a and the outlet fluid passage 344d are guided laterally, d. H. the fluid channels are in the same plane as the fluid chambers. As stated above, in such a course, the sealing of the channels may be difficult. However, it is advantageous in the lateral course of the fluid channels that the entire fluid system, including reservoirs connected to the inlet channel 344a and / or the outlet channel 344d, can be formed with a manufacturing step, such as injection molding or stamping.

In Fig. 14 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Mikroperistaltikpumpe gezeigt, bei dem der Einlaßfluidkanal 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 zugeordneten Membranabschnitten 12 bzw. 16 in die Ventilkammern 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 Fluidkanäle fertigungstechnisch schwierig herzustellen sind.In Fig. 14 an embodiment of a micro-peristaltic pump according to the invention is shown in which the inlet fluid channel 412 and the outlet fluid channel 414 are vertically recessed in the pump body 340. The fluid channels 412 and 414 have a substantially vertical portion 412a and 414a, each of which opens into the valve chambers 360 and 362 substantially centrally below the associated membrane portions 12 and 16, respectively. The advantage of in Fig. 14 shown embodiment of the fluid channels is that the fluid channels can be sealed sealed. The disadvantage, however, is that such vertical sunken fluid channels are difficult to produce manufacturing technology.

Die erfindungsgemäßen peristaltischen Mikropumpen werden vorzugsweise angesteuert, indem die Membran, beispielsweise die Metallmembran oder die Halbleitermembran, auf einem Massepotential liegt, während die Piezokeramiken durch einen typischen Peristaltikzyklus bewegt werden, indem jeweils entsprechende Spannungen an die Piezokeramiken angelegt werden.The peristaltic micropumps according to the invention are preferably activated by the membrane, for example the metal membrane or the semiconductor membrane, being at a ground potential, while the piezoceramics are moved through a typical peristaltic cycle by respectively corresponding voltages be applied 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 schematisch 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 verbunden ist.In addition to the above-described microperistaltic pump using three fluid chambers 342, 360 and 362, a peristaltic micropump according to the invention can have further fluid chambers, for example a further fluid chamber 420, which is connected to the pumping chamber 342 via a fluid channel 422. Such a structure is in Fig. 15 1, 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 is connected to the valve chamber 362 via the fluid channel 344d.

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 realisiert 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 Systeme denkbar, die in Chipkarten integriert werden können. Ferner sind sogar flexible fluidische Systeme denkbar.A structure with four fluid chambers, as in Fig. 15 is shown, for example, form a branching structure or a mixer, in which the mixed streams can be actively promoted. The extension to four fluid chambers with four associated fluid actuators, such as in Fig. 15 the realization of three peristaltic pumps, wherein each pumping direction between all reservoirs 424, 426 and 430 can be realized in both directions. It is possible that a single membrane element covers all fluid chambers and reservoir container, wherein a separate piezoelectric actuator is provided for each fluid chamber. Thus, the entire fluidics can be made very flat, wherein the functional fluidic structures including fluid chambers, channels, membranes, piezo actuators and support structures can have an overall height in the order of 200 to 400 microns. Thus, systems are conceivable that can be integrated into smart cards. Furthermore, even flexible fluidic systems are conceivable.

Neben den gezeigten Ausführungsbeispielen können Fluidkammern beliebig in einer Ebene verschaltet werden. So kann beispielsweise unterschiedlichen Reservoirs z. B. je eine Mikroperistaltikpumpe zugeordnet werden, die dann beispielsweise Reagenzien einer chemischen Reaktion zuführen (beispielsweise bei einer Brennstoffzelle), oder eine Kalibriersequenz für ein Analysesystem durchführen, beispielsweise bei einer Wasseranalyse.In addition to the exemplary embodiments shown, fluid chambers can be connected as desired in one plane. For example, different reservoirs z. B. are each assigned a Mikroperistaltikpumpe, which then, for example, reagents perform a chemical reaction (for example, in a fuel cell), or perform a calibration sequence for an analysis system, for example in a water analysis.

Zur Erzeugung eines Piezo-Membranwandlers können die Piezokeramiken beispielsweise auf die jeweiligen Membranabschnitte geklebt werden. Alternativ können die Piezokeramiken, beispielsweise PZT, direkt in Dickschichttechnik aufgebracht werden, beispielsweise durch Siebdruckverfahren mit geeigneten Zwischenschichten.To produce a piezo-membrane converter, the piezoceramics can be glued, for example, to the respective membrane sections. Alternatively, the piezoceramics, for example PZT, can be applied directly in thick film technology, for example by screen printing processes with suitable intermediate layers.

Ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen mikroperistaltischen Pumpe mit versenktem Einlaßfluidkanal 412 und versenktem Auslaßfluidkanal 414 ist in Fig. 16 gezeigt. Der Einlaßflußkanal 412 mündet wiederum im wesentlichen mittig unter dem Membranabschnitt 12 in eine Ventilkammer 442, während der Auslaßfluidkanal 414 im wesentlichen mittig unter dem Membranabschnitt 16 in eine Ventilkammer 444 mündet. Die jeweiligen Mündungsöffnungen des Einlaßkanals 412 und des Auslaßkanals 414 sind mit einer 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 Ausführungsbeispiel werden die Membranabschnitte jedoch durch Piezostapelaktoren 460, 462 und 464 angetrieben, die auf die entsprechenden 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 a microperistaltic pump of the invention with recessed inlet fluid passage 412 and recessed outlet fluid passage 414 is shown in FIG Fig. 16 shown. The inlet flow channel 412 in turn opens substantially centrally below the membrane portion 12 in a valve chamber 442, while the Auslaßfluidkanal 414 opens substantially centrally below the diaphragm portion 16 in a valve chamber 444. The respective orifices of the inlet channel 412 and the outlet channel 414 are provided with a sealing lip 450. Further, a pumping chamber 452 is formed in the pump body 440 which is fluidly connected to the valve chambers 442 and 444 by fluid passages in walls 454. According to the in Fig. 16 The three membrane sections 12, 14 and 16 in turn form a membrane element 456. In this embodiment, however, the membrane sections are driven by piezo stack actuators 460, 462 and 464, which can be placed on the corresponding membrane sections. For this purpose, the piezo stack actuators using suitable housing parts 470 and 472, the 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 ermöglichen. Bei solchen nicht fest verbundenen Piezostapelaktoren ziehen die Aktoren einen Membranabschnitt nicht aktiv zurück, wenn eine Betätigung desselben beendet wird. Vielmehr kann eine Rückbewegung des Membranabschnitts nur durch die Rückstellkraft der elastischen Membran selbst erfolgen.Piezostapelaktoren are advantageous in that they need not be firmly connected to the membrane element, so that they allow a modular structure. In such non-fixed piezo stack actuators, the actuators do not actively retract a diaphragm section when an actuation thereof is terminated. Rather, a return movement of the membrane portion can be done only 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 feinwerktechnisch spanend hergestellt werden. Das Membranelement, 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 Zweikomponenten-Spritzgußtechnik gefertigte mit leitfähigen Beschichtugnen versehene Kunststoffmembran gebildet sein, oder kann durch eine Elastomermembran realisiert sein.The peristaltic micropumps of the present invention can be made using a variety of materials of manufacture and manufacturing techniques. The pump body may for example be made of silicon, be made of plastic by injection molding or manufactured by machining technically. The membrane element which forms the drive diaphragm for the two valves and the pumping chamber can be made of silicon, can be formed by a metal foil, for example stainless steel or titanium, can be formed by a plastic membrane provided with conductive coatings in two-component injection molding technique. or may be realized by an elastomeric membrane.

Die Verbindung von Membranelement und Pumpenkörper ist ein wichtiger Punkt da an dieser Verbindung im Betrieb der Peristaltikpumpe hohe Scherkräfte auftreten können. An diese Verbindung sind folgende Anforderungen zu stellen:

  • dicht;
  • dünne Fügeschicht (< 10 µm), da die Pumpkammerhöhe ein kritischer Designparameter ist, der das Totvolumen beeinflußt;
  • mechanische Beständigkeit; und
  • chemisch beständig gegen zu fördernde Medien.
The connection between the membrane element and the pump body is an important point since high shear forces can occur at this connection during operation of the peristaltic pump. The following requirements apply to this connection:
  • thick;
  • thin bonding layer (<10 μm), since the pump chamber height is a critical design parameter that affects the dead volume;
  • mechanical resistance; and
  • chemically resistant to media to be conveyed.

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.In the case of silicon as the basic structure and membrane element, a non-silicone Silicon Fusion Bonding can take place. In the case of a silicon-glass combination, anodic bonding may preferably be used. Other possibilities are a eutectic wafer bonding or a wafer life.

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 performed if a bonding agent is used between the membrane element and the basic structure. Alternatively, bonding may be carried out with a high shear adhesive, in which case capillary stop trenches are preferably formed in the base structure in order to avoid penetration of adhesive 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 gewährleisten.If both membrane element and pump body are made of plastic, ultrasonic welding can be used to connect them. If one of the two structures is optically transparent, a laser welding can alternatively take place. In the case of an elastomeric membrane, the sealing properties of the membrane may also be used to provide a seal by clamping.

Im folgenden wird kurz erläutert, wie eine mögliche Befestigung der Membran an dem Pumpenkörper bei einer erfindungsgemäßen Mikroperistaltikpumpe erfolgen kann. Wird bei der erfindungsgemäßen Mikropumpe die Membran an den Pumpenkörper 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 Fluidkammern vermieden werden muß.The following briefly explains how a possible attachment of the membrane to the pump body can take place in a micro-peristaltic pump according to the invention. If in the micropump of the invention, the membrane is glued to the pump body, it should be noted that the dosage of Fügeschichtmaterialien (eg adhesive) is critical, since on the one hand, the membrane must be tight (so sufficient adhesive must be applied), and on the other hand, penetration must be avoided by excess adhesive in the fluid chambers.

Das Fügeschichtmaterial, das ein Klebstoff oder ein Haftmittel 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, which may be an adhesive or an adhesive, is used e.g. dispensed by dispensing or by a suitably shaped stamp on the joining layer. After the application of the bonding layer material, the membrane is fitted onto the base body. Possible burrs, e.g. can be at the edge of the membrane, find in a corresponding receptacle for the burr place, so that a defined position of the membrane is ensured especially in the direction perpendicular to the surface thereof, which is important in terms of dead volume and tightness.

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 Pumpenkörper gebildeten Fluidbereiche umgibt. Somit kann solcher überschüssiger 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 press with a stamp on the pump body, so that the adhesive layer remains as thin and defined. To accommodate excess adhesive, a capillary stop trench may be provided surrounding the fluid areas formed in the pump body. Thus, such excess adhesive can not get into the fluid chambers. Under these conditions, the adhesive can be defined and cured thin. Curing may be at room temperature or accelerated in the oven or by UV irradiation using UV-curable 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 bonding technique described, the base body or pump body can be dissolved by suitable solvents and a plastic membrane can be bonded to the base body as a joining technique.

Claims (17)

  1. Peristaltic micropump comprising:
    a first membrane region (12) with a first piezo-actor (22; 460) for actuating the first membrane region;
    a second membrane region (14) with a second piezo-actor (24; 462) for actuating the second membrane region;
    a third membrane region (16) with a third piezo-actor (26; 464) for actuating the third membrane region; and
    a pump body (30; 302; 340; 440),
    wherein the pump body forms, together with the first membrane region (12), a first valve (62) whose passage opening (32) is open in the non-actuated state of the first membrane region and whose passage opening may be closed by actuating the first membrane region,
    wherein the pump body forms, together with the second membrane region (14), a pumping chamber (42; 304; 330; 342; 452) whose volume may be decreased by actuating the second membrane region, and
    wherein the pump body forms, together with the third membrane region (16), a second valve (64) whose passage opening (34) is open in the non-actuated state of the third membrane region and whose passage opening may be closed by actuating the third membrane region,
    wherein the first and second valves (62, 64) are fluidically connected to the pumping chamber,
    wherein between a stroke volume ΔV, a dead volume V0, a delivery pressure PF, and the atmospheric pressure P0 the following relationship applies: ΔV / V 0 > P F / P 0 ,
    Figure imgb0021

    wherein the stroke volume ΔV is a volume displaced by an actuation of the second membrane region (14), wherein the dead volume V0 is a volume present between the opened passage opening (32; 34) of one of the valves (62, 64) and the closed passage opening (32, 34) of the other of the valves (62, 64) in the actuated state of the second membrane region (14), and wherein the delivery pressure pF is the pressure necessary in the pumping chamber (42; 304; 330; 342; 452) to move a liquid/gas interface past a bottleneck in the peristaltic micropump.
  2. Peristaltic micropump of claim 1, wherein between the first membrane region (12) and the pump body (302; 340; 440) a first valve chamber (308; 360; 442) is formed, and wherein between the third membrane region (16) and the pump body (302; 340; 440) a second valve chamber (310; 362; 444) is formed, wherein the valve chambers are fluidically connected to the pumping chamber (42; 304; 330; 342; 452).
  3. Peristaltic micropump of claim 2, wherein the volume of the pumping chamber (304) is greater than the volume of the first or second valve chamber (308, 310).
  4. Peristaltic micropump of claim 3, wherein a distance between membrane surface and pump body surface in the region of the pumping chamber (304) is greater than in the region of the valve chamber (308, 310).
  5. Peristaltic micropump of claim 3 or 4, wherein the second membrane region (14) and the pumping chamber are greater in area than the first or third membrane region (12, 16) and the associated valve chambers.
  6. Peristaltic micropump of one of claims 2 to 5, wherein the membrane regions (12, 14, 16) are formed in a membrane element (10; 300; 380; 456), wherein the valve chamber (308, 310; 360, 362; 442, 444), the pumping chamber (42; 304; 330; 342; 452), and fluid channels (306; 344) are formed between the valve chambers and the pumping chamber by structures in the pump body and/or the membrane element.
  7. Peristaltic micropump of one of claims 1 to 6, wherein the pumping chamber (330; 342) has a structure in the pump body (340), wherein the contour of the structure is adapted to the arched contour of the second membrane section (14) in the actuated state.
  8. Peristaltic micropump of one of claims 2 to 6, wherein the pumping chamber (342) and the valve chambers (360, 362) have structures in the pump body (340), wherein the contours of the structures are adapted to the respective arched contour of the corresponding membrane section (12, 14, 16) in the actuated state.
  9. Peristaltic micropump of one of claims 1 to 8, wherein the first and the third membrane region (12, 16) and the piezo-actors (22, 26; 460, 464) thereof are designed such that they push on a counter-element (390; 390a) with a predetermined force in the actuated state to close the respective valve.
  10. Peristaltic micropump of claim 8, comprising lateral fluid feed lines (344a, 344b) to the valve chambers (360, 362) formed in the pump body (340), which are closed by actuating the corresponding membrane section.
  11. Peristaltic micropump of claim 10, wherein, in the region of a valve chamber (360, 362), a ridge (390; 390a) is provided against which the corresponding actuated membrane section abuts to close the corresponding lateral fluid line.
  12. Peristaltic micropump of claim 10, wherein the valve chambers comprise, opposite the corresponding membrane section, a plastically deformable material against which the corresponding membrane section abuts in the actuated state.
  13. Peristaltic micropump of one of claims 1 to 12, further comprising at least one further membrane region with a further piezo-actor for actuating the further membrane region, the further membrane region forming, together with the pump body, a further valve whose passage opening is open in the non-actuated state of the further membrane region and whose passage opening may be closed by actuating the further membrane region, the further valve being fluidically connected to the pumping chamber.
  14. Peristaltic micropump of one of claims 1 to 13, wherein the piezo-actors are piezo-membrane converters formed by respective piezo-elements applied onto a membrane region.
  15. Peristaltic micropump of claim 14, wherein the piezo-elements are glued onto the respective membrane region or formed on the respective membrane region in thick film technique.
  16. Peristaltic micropump of one of claims 1 to 13, wherein the piezo-actors are formed by respective piezo-stacks.
  17. Fluid system with a plurality of peristaltic micropumps of one of claims 1 to 16 and a plurality of reservoirs fluidically connected to the peristaltic micropumps.
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