EP1543333A1 - Einrichtung zur chemischen oder biochemischen analyse von proben oder reagenzien unter verwendung von wasser als lösungsmittel - Google Patents

Einrichtung zur chemischen oder biochemischen analyse von proben oder reagenzien unter verwendung von wasser als lösungsmittel

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Publication number
EP1543333A1
EP1543333A1 EP03730013A EP03730013A EP1543333A1 EP 1543333 A1 EP1543333 A1 EP 1543333A1 EP 03730013 A EP03730013 A EP 03730013A EP 03730013 A EP03730013 A EP 03730013A EP 1543333 A1 EP1543333 A1 EP 1543333A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
water
condenser unit
air
cavity
unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03730013A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Albrecht Vogel
Peter Dr.-Ing. Krippner
Manfred Dr. Wetzko
Christian J. Dr. Schmidt
Antonio Dr.-Ing. Ruzzu
Rolf Merte
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.)
ABB Patent GmbH
Original Assignee
ABB Patent GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Patent GmbH filed Critical ABB Patent GmbH
Publication of EP1543333A1 publication Critical patent/EP1543333A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/02—Devices for withdrawing samples
    • G01N1/22—Devices for withdrawing samples in the gaseous state
    • G01N1/24—Suction devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/02—Devices for withdrawing samples
    • G01N1/22—Devices for withdrawing samples in the gaseous state
    • G01N2001/2282—Devices for withdrawing samples in the gaseous state with cooling means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
    • G01N1/38—Diluting, dispersing or mixing samples
    • G01N2001/383—Diluting, dispersing or mixing samples collecting and diluting in a flow of liquid

Definitions

  • the present invention relates to a device for the chemical or biochemical analysis of samples or reagents using water as a solvent, which is available in a reservoir of a downstream analysis unit for carrying out the analysis.
  • a large number of chemical or biochemical analysis methods require the provision of water in order to use it as a solvent for samples or reagents in the analyzes to be carried out.
  • pure water is often used as a solvent.
  • the water must be precisely dosed in the smallest volumes for the analyzes to be carried out.
  • BESTATIGUNGSKOPIE Plug the container onto the device, the fluid connection to the analysis unit of the device being established so that the water contained in the container is available to the analysis unit as a solvent.
  • a disadvantage of this solution is that the analysis time of a device for analyzing samples or reagents equipped with the known limited water reservoir is limited depending on the volume of the reservoir. To achieve the longest, uninterrupted analysis time, reservoirs with correspondingly large volumes have been used so far. However, this known solution requires a relatively large amount of space, which in some cases even far exceeds the geometric dimensions of the actual analysis unit.
  • the invention includes the technical teaching that the reservoir of the device for analyzing samples or reagents is formed by a condenser unit which has means for extracting the required water directly from the air humidity of ambient air flowing through the condenser unit.
  • the advantage of the condenser unit according to the invention is in particular that it enables continuous, needs-based water extraction.
  • the invention turns away from a conventional storage of water and treads by the consumer-oriented extraction of water within the
  • the capacitor unit can be compared to a conventional interchangeable or refillable container for water storage can be made much smaller.
  • the amount of water that can be obtained in this way depends in particular on the atmospheric humidity of the ambient air and the volume flow of ambient air which flows through the condenser unit. Furthermore, the amount of water that can be obtained is also dependent on the temperature of the ambient air and the temperature inside the condenser unit, which triggers the condensation.
  • At least one cooling element is preferably used, which at least partially cools the wall of the condenser unit in order to trigger condensation of the ambient air flowing through the condenser unit.
  • the cooling element can either itself form part of the wall or be arranged directly behind a wall of the condenser unit. In the latter case, the wall should be kept as thin as possible in order to ensure good passage of cold and thus a high one
  • the ambient air is preferably conveyed through the condenser unit by means of an air pump arranged at an air inlet or at an air outlet of the condenser unit.
  • Air pump at the air inlet sucks in the ambient air and pushes the sucked in ambient air through the condenser unit to the air outlet.
  • the air pump unfolds its suction effect via the air inlet, so that the ambient air is sucked through the interior of the condenser unit.
  • the water collecting in the condenser unit due to the condensation of the ambient air can be removed as required by means of a water pump assigned to a water outlet of the condenser unit.
  • a water pump assigned to a water outlet of the condenser unit.
  • the required water is also dosed. This means that the water cannot reach the downstream analysis unit independently.
  • a first temperature sensor or an air humidity sensor for determining the temperature and the relative atmospheric humidity of the incoming ambient air. Furthermore, to determine the
  • a second temperature sensor or a volume flow sensor To provide temperature within the condenser unit and the flow rate of the ambient air through the condenser unit, a second temperature sensor or a volume flow sensor. From these four different sensors, the amount of condensable water can be determined within a downstream control unit. The is accordingly
  • Water extraction can be controlled by the water pump, so that water is only drawn off if sufficient condensed water is available.
  • the amount of the condensed water is influenced by a corresponding control of the cooling element and the air pump to influence the cooling capacity or the pumping rate for the ambient air flowing through.
  • a dense measurement of the amount of water condensed within the condenser unit can also be carried out using means for measuring the fill level within the condenser unit. Depending on the design of these means, analog or discrete level measurement values can be obtained.
  • the means for measuring the fill level preferably comprise a plurality of electrodes which are attached to a side wall of the capacitor unit at equidistant intervals in order to capacitively determine the position of the water level.
  • a fill level measurement via the electrodes is particularly suitable in the analysis device according to the invention, since they are easy to install and provide reliable measured values about the fill level.
  • the analysis device described above is preferably implemented in microsystem technology, the capacitor unit comprising a cavity etched in a semiconductor chip as a reservoir. The water originating from the ambient air is condensed therein by means of a cooling element designed in the manner of a Peltier element.
  • the semiconductor chip preferably consists of
  • the Peltier element is placed on the underside of the semiconductor chip in the region of the bottom of the cavity etched therein in order to achieve a high cooling capacity.
  • a Peltier element pumps out heat in the sense of a thermoelectric generator, so that when a current is supplied, a previously warm contact point is cooled and another - previously cold - contact point is heated. To achieve the desired cooling effect, the heat generated must be dissipated to the outside.
  • Both the air inlet and the air outlet are preferably produced by microchannel sections etched into the semiconductor chip, which are at a higher level
  • the cavity etched into the semiconductor chip and the microchannel sections adjoining it can be closed by means of a cover element which is bonded to the semiconductor chip.
  • the cover element can for example consist of the same semiconductor material as the semiconductor chip or of glass.
  • the at least one water outlet at the bottom of the cavity preferably opens into a channel system etched in a semiconductor chip located underneath.
  • Capacitor unit desired three-dimensional structure can be produced in a simple manner.
  • the lower semiconductor chip containing the channel system is - like the cover element - attached to the semiconductor chip containing the cavity by bonding.
  • the air pump and / or water pump integrated in this layer structure is preferably designed in the manner of a mechanical micropump.
  • a micropump usually uses a membrane as a pump element, which means of a piezo element as a drive is set into an oscillating movement in order to generate the pumping effect.
  • a moisture-permeable membrane is arranged.
  • the membrane thus separates the area of the accumulated water from the flow area of the ambient air. This increases the resistance of the capacitor unit to shocks and
  • the moisture-permeable membrane can preferably be arranged between the semiconductor chip containing the cavity and its corresponding cover element.
  • the microstructure can be designed, for example, as conical or pyramid-shaped elevations or the like.
  • Fig. 1 is an exploded perspective view of a capacitor unit of the
  • FIG. 2 is a schematic diagram of the operation of the capacitor unit of FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a basic illustration of the mode of operation of the capacitor unit according to FIG. 1, expanded by means of control technology
  • 4a is a side view of the capacitor unit of FIG. 1 in the assembled state according to a first embodiment
  • FIG. 4b is a side view of the capacitor unit of FIG. 1 in the assembled state according to another embodiment
  • FIG. 5 is an external perspective view of the capacitor unit with a microstructured cavity
  • FIG. 6 shows a basic illustration of an integrated fill level measurement in the capacitor unit according to FIG. 1.
  • the capacitor unit 1 shown in FIG. 1 in microsystem technology consists of
  • a cavity 3 is etched as a reservoir for water.
  • An air inlet 4 and an air outlet 5 in the form of microchannel sections likewise etched in the semiconductor chip 2 are provided adjacent to the cavity 3.
  • a cooling element 6 designed in the manner of a Peltier element is attached to the bottom of the cavity 3 from below.
  • a channel system 8 is also connected from below with water outlets 9a, 9b introduced into the bottom of the cavity 3.
  • the channel system 8 is etched into a further semiconductor chip 10 and opens into a water pump (not shown further)
  • the semiconductor chip 10 is attached to the semiconductor chip 2 by bonding.
  • a cover element 12 bonded to the semiconductor chip 2 is used to close the cavity 3 and the adjacent air inlet 4 and air outlet 5.
  • the capacitor unit 1 described above works in the context of a device for analyzing samples or reagents, which for this purpose continues to be connected downstream of the capacitor unit 1 Analysis unit 13 has.
  • Water 14 is obtained within the condenser unit 1 by condensation from the atmospheric humidity of ambient air flowing in via the air inlet 4 to the condenser unit 1.
  • the water 14 required is obtained by means of a cooling element 15, which cools the wall "of the condenser unit 1 in the base area in order to trigger condensation of the ambient air flowing through the condenser unit 1.
  • the ambient air is conveyed through the condenser unit 1 by means of an air outlet 5
  • the air pump 16 arranged in the condenser unit 1.
  • the water 14 that accumulates in the condenser unit 1 due to the condensation of the ambient air as a result of cooling with the cooling element 15 can be removed as required by means of a water pump 17 arranged at the water outlet 9 of the condenser unit 1.
  • the condenser unit 1 can be equipped with further electronic means in order to enable a controlled water withdrawal from the condenser unit 1.
  • the amount of condensed water 14 which is available for the subsequent analysis can be determined via a control unit 18 which regulates the cooling capacity of the cooling element 15 and / or the delivery rate of the air pump 16 in accordance with the required amount of water 14.
  • the control unit 18 receives measured values on the input side of a first temperature sensor 19 for determining the temperature T1 of the inflowing ambient air.
  • An adjacent air humidity sensor 20 determines the relative air humidity of the ambient air flowing in through the air inlet 4.
  • a second temperature sensor 21 is provided to determine the cooled temperature T2 within the condenser unit 1.
  • a volume flow sensor 22 is provided here, which conveys to the control unit 18 measured values about the flow velocity of the ambient air conveyed through the condenser unit 1. Starting from all the measured values determined, controlled water extraction and water withdrawal take place via the control unit 18.
  • the relative position of the outer connections to one another can be seen from the capacitor unit 1 shown in the assembled state in FIG. 4a. So are both the air inlet 4 and the air outlet 5, which are produced by microchannel sections etched in the semiconductor chip 2, at a higher level than the bottom of the cavity 3, in which the water 14 collects as a result of the condensation.
  • the bottom water outlet 9 allows withdrawal of the accumulated water 14, to the downstream - is transported analysis unit - not shown here further ⁇ .
  • a moisture-permeable membrane 23 is provided.
  • the moisture-permeable membrane 23 is advantageously clamped between the semiconductor chip 2 containing the cavity 3 and the corresponding cover element 12.
  • the bottom of the cavity 3 in the semiconductor chip 2 is provided with a microstructure which consists of individual pyramid-like elevations 24.
  • the effective cooled surface of the cavity 3 is increased, so that the yield of condensed water increases.
  • the condenser unit 1 is equipped within its cavity 3 with means for measuring the fill level of the condensed water 14 accumulated therein.
  • These means for measuring the fill level consist of a plurality of electrodes 25, which are attached to a side wall 26 of the capacitor unit 1 equidistantly from one another in order to use this to determine the position of the water level 27 capacitively via the control unit 18.
  • the present invention is not limited to the embodiments shown above only as examples. Rather, modifications thereof are also conceivable, which are included in the scope of the claims.
  • the present invention is not limited to an embodiment in microsystem technology, but can also be implemented by other apparatus technology Embodiments can be realized.
  • the problem on which the invention is based occurs in particular in connection with a microsystem-technical device for chemical or biochemical analysis of samples or reagents using water as a solvent, since it is precisely in this area of application that a small but effective water supply is required.
  • the advantages mentioned in the above description are particularly evident in the case of a microsystem embodiment because of the notorious lack of space here.

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Abstract

Einrichtung zur chemischen oder biochemischen Analyse von Proben oder Reagenzien unter Verwendung von Wasser (14) als Lösungsmittel, welches in einem Reservoir einer nachgeschalteten Analyseeinheit (13) für die Durchführung der Analyse zur Verfügung steht, wobei das Reservoir durch eine Kondensatoreinheit (1) mit Mitteln zur Gewinnung des benötigten Wassers (14) direkt aus der Luftfeuchtigkeit von durch die Kondensatoreinheit (1) hindurchströmender Umgebungsluft gebildet ist.

Description

Einrichtung zur chemischen oder biochemischen Analyse von Proben oder Reagenzien unter Verwendung von Wasser als Lösungsmittel
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur chemischen oder biochemischen Analyse von Proben oder Reagenzien unter Verwendung von Wasser als Lösungsmittel, welches in einem Reservoir einer nachgeschalteten Analyseeinheit für die Durchführung der Analyse zur Verfügung steht.
Für eine Vielzahl von chemischen oder biochemischen Analysemethoden ist das Bereitstellen von Wasser erforderlich, um dieses im Rahmen der durchzuführenden Analysen als Lösungsmittel für Proben oder Reagenzien zu verwenden. Beispielsweise auf den Gebieten der Biotechnologie oder der kombinatorischen Chemie kommt oftmals reines Wasser als Lösungsmittel zum Einsatz. Das Wasser ist für die durchzuführenden Analysen in kleinsten Volumina präzise zu dosieren.
Aus dem Stand der Technik ist es allgemein bekannt, das benötigte Wasser zu diesem Zwecke in einem Reservoir der Einrichtung für die Analyseeinheit bereitzustellen. Das Wasser wird aus dem Reservoir gewöhnlich durch Pipestieren oder Dispensen bedarfsgerecht entnommen und anschließend der nachgeschalteten Analyseeinheit zugeführt. Um den Betrieb der Analyseeinheit sicherzustellen, ist das Reservoir bei Erreichen einer unteren Füllstandsgrenze manuell mit Wasser nachzufüllen oder gänzlich auszuwechseln. In der Praxis werden beispielsweise auswechselbare, das benötigte Wasser enthaltene Behälter angeboten, die mit einer versiegelten Anschlussöffnung ausgerüstet sind. Ein voller Behälter ist nach Entfernen des leeren
BESTATIGUNGSKOPIE Behälters auf die Einrichtung aufzustecken, wobei die Fluidverbindung zur Analyseeinheit der Einrichtung hergestellt wird, so dass das im Behälter enthaltene Wasser der Analyseeinheit als Lösungsmittel zur Verfügung steht.
Ein Nachteil dieser Lösung ist jedoch, dass die Analysezeit einer mit dem bekannten begrenzten Wasserreservoir ausgestatteten Einrichtung zur Analyse von Proben oder Reagenzien in Abhängigkeit vom Volumen des Reservoirs begrenzt ist. Um eine möglichst lange, ununterbrochene Analysezeit zu erzielen, kamen bislang Reservoirs mit entsprechend großen Volumina zum Einsatz. Allerdings verursacht diese bekannte Lösung einen relativ großen Platzbedarf, der in manchen Fällen sogar die geometrischen Abmaße der eigentlichen Analyseeinheit bei weitem überschreitet.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Einrichtung der vorstehend beschriebenen Art zu schaffen, die gegenüber dem Stand der Technik eine unbegrenzte Analysezeit bei geringem Platzbedarf ermöglicht.
Die Aufgabe wird ausgehend von einer Einrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das Reservoir der Einrichtung zur Analyse von Proben oder Reagenzien durch eine Kondensatoreinheit gebildet ist, welche Mittel zur Gewinnung des benötigten Wassers direkt aus der Luftfeuchtigkeit von durch die Kondensatoreinheit hindurchströmender Umgebungsluft besitzt.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Kondensatoreinheit liegt insbesondere darin, dass hiermit eine kontinuierliche, bedarfsgerechte Wassergewinnung möglich ist. Somit wendet sich die Erfindung von einer herkömmlichen Bevorratung von Wasser ab und beschreitet durch die verbrauchsnahe Gewinnung des Wassers innerhalb der
Analyseeinrichtung einen neuen Weg. Die Kondensatoreinheit kann im Vergleich zu einem herkömmlichen austauschbaren oder nachfüllbaren Behälter zur Wasserbevorratung sehr viel kleiner ausgeführt werden. Die Menge des hiermit gewinnbaren Wassers ist insbesondere abhängig von der Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft sowie des Volumenstroms an Umgebungsluft, welcher die Kondensatoreinheit durchströmt. Weiterhin ist die Menge an gewinnbarem Wasser auch abhängig von der Temperatur der Umgebungsluft sowie der Temperatur innerhalb der Kondensatoreinheit, welche die Kondensation auslöst.
Zum Kondensieren der in der Umgebungsluft enthaltenen Luftfeuchtigkeit wird vorzugsweise mindestens ein Kühlelement verwendet, welches die Wandung der Kondensatoreinheit zumindest teilweise kühlt, um eine Kondensation der durch die Kondensatoreinheit hindurchströmenden Umgebungsluft auszulösen. Hierbei kann das Kühlelement entweder selbst einen Teil der Wandung bilden oder direkt hinter einer Wandung der Kondensatoreinheit angeordnet sein. Letzterenfalls ist die Wandung möglichst dünn zu halten, um einen guten Kältedurchgang und somit einen hohen
Wirkungsgrad zu gewährleisten.
Vorzugsweise erfolgt die Beförderung der Umgebungsluft durch die Kondensatoreinheit hindurch mittels einer an einem Lufteinlass oder an einem Luftauslass der Kondensatoreinheit angeordneten Luftpumpe. Bei einer Anordnung der
Luftpumpe am Lufteinlass saugt diese die Umgebungsluft an und drückt die angesaugte Umgebungsluft durch die Kondensatoreinheit hindurch bis zum Luftauslass. Bei einer bevorzugten Anordnung der Luftpumpe seitens des Luftauslasses entfaltet die Luftpumpe ihre Saugwirkung über den Lufteinlass, so dass die Umgebungsluft durch das innere der Kondensatoreinheit hindurch gesaugt wird.
Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme ist das sich in der Kondensatoreinheit aufgrund der Kondensation der Umgebungsluft ansammelnde Wasser mittels einer einem Wasserauslass der Kondensatoreinheit zugeordneten Wasserpumpe bedarfsgerecht entnehmbar. Über die Ansteuerung der Wasserpumpe erfolgt gleichzeitig auch die Dosierung des benötigten Wassers. Somit kann das Wasser nicht selbstständig in die nachgeschaltete Analyseeinheit gelangen. Um das sich innerhalb der Kondensatoreinheit befindliche Wasser abziehen zu können, ist es auch denkbar, mehrere Wasserauslässe im Bodenbereich der Kondensatoreinheit zu platzieren, welche in ein gemeinsames Kanalsystem münden, in dem die Wasserpumpe an geeigneter Stelle platziert ist. Falls die Platzverhältnisse es ermöglichen, kann der Boden der Kondensatoreinheit flach trichterförmig ausgebildet werden, wobei der Wasserauslass an der tiefsten Stelle des Bodens angeordnet ist.
Um mit der erfindungsgemäßen Einrichtung eine geregelte Wassergewinnung zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, zur Ermittlung der Temperatur und der relativen Luftfeuchtigkeit der einströmenden Umgebungsluft einen ersten Temperatursensor bzw. einen Luftfeuchtigkeitssensor vorzusehen. Weiterhin ist zur Ermittlung der
Temperatur innerhalb der Kondensatoreinheit und der Strömungsgeschwindigkeit der Umgebungsluft durch die Kondensatoreinheit hindurch ein zweiter Temperatursensor bzw. ein Volumenstromsensor vorzusehen. Aus diesen insgesamt vier unterschiedlichen Sensoren kann innerhalb einer nachgeschalteten Steuereinheit die Menge des kondensierbaren Wassers bestimmt werden. Dem entsprechend ist die
Wasserentnahme durch die Wasserpumpe steuerbar, so dass nur dann eine Wasserentnahme erfolgt, wenn genügend kondensiertes Wasser zur Verfügung steht. Die Menge des kondensierten Wassers wird über eine entsprechende Ansteuerung des Kühlelements sowie der Luftpumpe zur Beeinflussung der Kühlleistung bzw. der Pumprate für die hindurchströmende Umgebungsluft beeinflusst.
Eine dichte Messung der Menge des innerhalb der Kondensatoreinheit kondensierten Wassers kann auch mit Mitteln zur Messung des Füllstandes innerhalb der Kondensatoreinheit erfolgen. Je nach Ausbildung dieser Mittel können analoge oder diskrete Füllstandsmesswerte gewonnen werden. Vorzugsweise umfassen die Mittel zum Messen des Füllstandes mehrere Elektroden, die an einer Seitenwandung der Kondensatoreinheit in äquidistanten Abständen angebracht sind, um hiermit kapazitiv die Lage des Wasserspiegels zu bestimmen. Eine Füllstandsmessung über die Elektroden ist bei der erfindungsgemäßen Analyseeinrichtung besonders geeignet, da diese einfach zu installieren sind und zuverlässige Messwerte über den Füllstand liefern. Vorzugsweise wird die vorstehend beschriebene Analyseeinrichtung in Mikrosystemtechnik ausgeführt, wobei die Kondensatoreinheit eine in einem Halbleiterchip geätzte Kavität als Reservoir umfasst. Hierin wird das aus der Umgebungsluft stammende Wasser mittels eines nach Art eines Peltierelements ausgebildeten Kühlelements kondensiert. Der Halbleiterchip besteht vorzugsweise aus
Silizium. Das Peltierelement wird zur Erzielung einer hohen Kühlleistung an der Unterseite des Halbleiterchips im Bereich des Bodens der hierin geätzten Kavität platziert. Ein Peltierelement pumpt im Sinne eines thermoelektrischen Generators Wärme ab, so dass beim Zuführen von Strom eine vorher warme Kontaktstelle gekühlt wird und eine andere - vorher kalte - Kontaktstelle erwärmt wird. Zur Erzielung des gewünschten Kühleffekts ist die dabei entstehende Wärme nach außen hin abzuführen.
Sowohl der Lufteinlass als auch der Luftauslass wird vorzugsweise durch in den Halbleiterchip geätzte Mikrokanalabschnitte hergestellt, welche auf einem höheren
Niveau als der Boden der Kavität liegen, um die Ansammlung von Wasser hierin zu ermöglichen. Die in den Halbleiterchip geätzte Kavität sowie die hieran angrenzenden Mikrokanalabschnitte können mittels eines Deckelelements, welches auf den Halbleiterchip gebondet wird, verschlossen werden. Das Deckelelement kann beispielsweise aus demselben Halbleitermaterial wie der Halbleiterchip oder aus Glas bestehen.
Vorzugsweise mündet der mindestens eine Wasserauslass am Boden der Kavität in ein in einem darunter liegenden Halbleiterchip geätztes Kanalsystem ein. Durch diese schichtartige Anordnung von Halbleiterchips kann die bei der erfindungsgemäßen
Kondensatoreinheit gewünschte dreidimensionale Struktur auf einfache Weise hergestellt werden. Der untere, das Kanalsystem enthaltene Halbleiterchip ist - genauso wie das Deckelelement - durch Bonden an dem die Kavität enthaltenen Halbleiterchip befestigt.
Die in dieser Schichtstruktur integrierte Luftpumpe und/oder Wasserpumpe wird vorzugsweise nach Art einer mechanischen Mikropumpe ausgebildet. Eine solche Mikropumpe bedient sich gewöhnlich einer Membran als Pumpelement, welche mittels eines Piezoelements als Antrieb in eine Schwingbewegung versetzt wird, um die Pumpwirkung zu erzeugen.
Zur Vermeidung eines Überlaufs der Kondensatoreinheit durch Wasseraustritt aus dem Lufteinlass oder dem Luftauslass wird vorgeschlagen, dass zwischen-dem bodennahen
Bereich der Kavität, in dem sich das kondensierte Wasser ansammelt, und dem Bereich des Lufteinlasses sowie des Luftauslasses eine feuchtigkeitsdurchlässige Membran angeordnet ist. Die Membran trennt so den Bereich des angesammelten Wassers vom Durchströmungsbereich der Umgebungsluft ab. Hierdurch wird die Widerstandsfähigkeit der Kondensatoreinheit gegen Erschütterungen und
Lageänderungen in einfacher Weise erhöht. Vorzugsweise kann die feuchtigkeitsdurchlässige Membran zwischen dem die Kavität enthaltenden Halbleiterchip und dessen korrespondierenden Deckelelement angeordnet sein.
Zur Erhöhung der Ausbeute an kondensiertem Wasser wird vorgeschlagen, dass der
Boden der Kavität, in dessen Bereich sich das Kühlelement befindet, mit einer MikroStruktur versehen ist, um die effektive gekühlte Oberfläche der Kavität zu vergrößern. Hierdurch vergrößert sich die Fläche, an der die Feuchtigkeit kondensieren kann. Die MikroStruktur kann beispielsweise als kegelförmige oder pyramidenförmige Erhebungen oder dergleichen ausgebildet sein.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Kondensatoreinheit der
Einrichtung zur Analyse von Proben oder Reagenzien in Mikrosystemtechnik,
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung der Arbeitsweise der Kondensatoreinheit nach Fig. 1 ,
Fig. 3 eine Prinzipdarstellung der um regelungstechnische Mittel erweiterten Arbeitsweise der Kondensatoreinheit nach Fig. 1 , Fig. 4a eine Seitenansicht der Kondensatoreinheit nach Fig. 1 im zusammengebauten Zustand gemäß einer ersten Ausführungsform,
Fig. 4b eine Seitenansicht der Kondensatoreinheit nach Fig. 1 im zusammengebauten Zustand gemäß einer weiteren Ausführungsform,
Fig. 5 eine perspektivische Außenansicht der Kondensatoreinheit mit einer mikrostrukturierten Kavität, und
Fig. 6 eine Prinzipdarstellung einer integrierten Füllstandsmessung bei der Kondensatoreinheit nach Fig. 1.
Die in Mikrosystemtechnik ausgeführte Kondensatoreinheit 1 nach Fig. 1 besteht im
Wesentlichen aus einem Halbleiterchip 2 aus Silizium, in dem eine Kavität 3 als Reservoir für Wasser geätzt ist. Benachbart zur Kavität 3 ist ein Lufteinlass 4 sowie ein Luftauslass 5 in Form von ebenfalls in den Halbleiterchip 2 geätzten Mikrokanalabschnitten vorgesehen. An den Boden der Kavität 3 ist von unten her ein nach Art eines Peltierelements ausgebildetes Kühlelement 6 angebracht. Zur
Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Kühlelement 6 und der Kavität 3 erfolgt die Anbringung unter Vermittlung einer Wärmeleitpaste 7. Ebenfalls von unten her steht ein Kanalsystem 8 mit in den Boden der Kavität 3 eingebrachten Wasserauslässen 9a, 9b in Verbindung. Das Kanalsystem 8 ist in einen weiteren Halbleiterchip 10 geätzt und mündet in eine - nicht weiter gezeigte - Wasserpumpe
11 , welche das sich innerhalb der Kavität 3 befindliche Wasser dosiert entnimmt. Der Halbleiterchip 10 ist am Halbleiterchip 2 durch Bonden angebracht. Zum Verschließen der Kavität 3 sowie des benachbarten Lufteinlasses 4 und Luftauslasses 5 dient ein auf den Halbleiterchip 2 gebondetes Deckelelement 12.
Gemäß Fig. 2 funktioniert die vorstehend im Aufbau beschriebene Kondensatoreinheit 1 im Rahmen einer Einrichtung zur Analyse von Proben oder Reagenzien, welche zu diesem Zwecke weiterhin eine der Kondensatoreinheit 1 nachgeschaltete Analyseeinheit 13 aufweist. Aus der Luftfeuchtigkeit von über den Lufteinlass 4 die Kondensatoreinheit 1 einströmender Umgebungsluft wird innerhalb der Kondensatoreinheit 1 durch Kondensation Wasser 14 gewonnen. Die Gewinnung des benötigten Wassers 14 erfolgt mittels eines Kühlelements 15, welches die Wandung" der Kondensatoreinheit 1 im Bodenbereich kühlt, um eine Kondensation der durch die Kondensatoreinheit 1 hindurchströmenden Umgebungsluft auszulösen. Die Beförderung der Umgebungsluft durch die Kondensatoreinheit 1 hindurch erfolgt mittels einer am Luftauslass 5 der Kondensatoreinheit 1 angeordneten Luftpumpe 16. Das sich in der Kondensatoreinheit 1 aufgrund der Kondensation der Umgebungsluft in Folge Kühlung mit dem Kühlelement 15 ansammelnde Wasser 14 ist mittels einer am Wasserauslass 9 der Kondensatoreinheit 1 angeordneten Wasserpumpe 17 bedarfsgerecht entnehmbar.
Nach Fig. 3 ist die Kondensatoreinheit 1 mit weiteren elektronischen Mitteln ausrüstbar, um eine geregelte Wasserentnahme aus der Kondensatoreinheit 1 zu ermöglichen. Die Menge des kondensierten Wassers 14, welche der nachfolgenden Analyse zur Verfügung steht ist über eine Steuereinheit 18 bestimmbar, die entsprechend der benötigten Menge an Wasser 14 die Kühlleistung des Kühlelements 15 und/oder die Förderrate der Luftpumpe 16 reguliert. Zu diesem Zwecke empfängt die Steuereinheit 18 eingangsseitig Messwerte eines ersten Temperatursensors 19 zur Ermittlung der Temperatur T1 der einströmenden Umgebungsluft. Ein benachbarter Luftfeuchtigkeitssensor 20 ermittelt die relative Luftfeuchtigkeit der durch den Lufteinlass 4 einströmenden Umgebungsluft. Zur Ermittlung der gekühlten Temperatur T2 innerhalb der Kondensatoreinheit 1 ist ein zweiter Temperatursensor 21 vorgesehen. Weiterhin ist hier ein Volumenstromsensor 22 vorgesehen, welcher der Steuereinheit 18 Messwerte über die Strömungsgeschwindigkeit der durch die Kondensatoreinheit 1 hindurch beförderten Umgebungsluft vermittelt. Ausgehend von allen ermittelten Messwerten erfolgt über die Steuereinheit 18 eine geregelte Wassergewinnung sowie Wasserentnahme.
Aus der in der Fig. 4a im zusammengebauten Zustand dargestellten Kondensatoreinheit 1 ist die relative Lage der äußeren Anschlüsse zueinander entnehmbar. So liegen sowohl der Lufteinlass 4 als auch der Luftauslass 5, welche durch in den Halbleiterchip 2 geätzte Mikrokanalabschnitte hergestellt sind, auf einem höheren Niveau als der Boden der Kavität 3, in welcher sich das Wasser 14 in Folge des Kondensierens ansammelt. Der bodenseitige Wasserauslass 9 ermöglicht einen Abzug des angesammelten Wassers 14, welches zur nachgeschalteten - hier nicht ~ weiter gezeigten - Analyseeinheit transportiert wird.
Bezugnehmend auf Fig. 4b ist zur Vermeidung eines Überlaufs der Kondensatoreinheit 1 durch Wasseraustritt aus dem Lufteinlass 4 oder dem Luftauslass 5 zwischen dem bodennahen Bereich der Kavität 3 einerseits - in welchem sich das kondensierte Wasser 14 ansammelt - und dem Bereich der Luftströmung zwischen dem Lufteinlass
4 und dem Luftauslass 5 andererseits eine feuchtigkeitsdurchlässige Membran 23 vorgesehen. Die feuchtigkeitsdurchlässige Membran 23 ist vorteilhafterweise zwischen dem die Kavität 3 enthaltenen Halbleiterchip 2 und dem korrespondierenden Deckelelement 12 eingespannt.
Gemäß der Ausführungsform nach Fig. 5 ist der Boden der Kavität 3 im Halbleiterchip 2 mit einer MikroStruktur versehen, welche aus einzelnen pyramidenartigen Erhebungen 24 besteht. Hierdurch wird die effektive gekühlte Oberfläche der Kavität 3 vergrößert, so dass sich die Ausbeute an kondensiertem Wasser erhöht.
Gemäß der Ausführungsform nach Fig. 6 ist die Kondensatoreinheit 1 innerhalb ihrer Kavität 3 mit Mitteln zur Messung des Füllstandes des hierin angesammelten kondensierten Wassers 14 ausgestattet. Diese Mittel zur Messung des Füllstandes bestehen aus mehreren Elektroden 25, die an einer Seitenwandung 26 der Kondensatoreinheit 1 voneinander äquidistant beabstandet angebracht sind, um hiermit kapazitiv über die Steuereinheit 18 die Lage des Wasserspiegels 27 zu bestimmen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorstehend lediglich als Beispiele aufgezeigten Ausführungsformen. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der Ansprüche umfasst sind. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere nicht beschränkt auf eine Ausführung in Mikrosystemtechnik, sondern kann auch durch andere apparatetechnische Ausführungsformen realisiert werden. Allerdings tritt das der Erfindung zugrundeliegende Problem insbesondere im Zusammenhang mit einer mikrosystemtechnisch ausgebildeten Einrichtung zur chemischen oder biochemischen Analyse von Proben oder Reagenzien unter Verwendung von Wasser als Lösungsmittel auf, da gerade in diesem Anwendungsbereich eine kleiήbaue de aber wirkungsvolle Wasserbereitstellung benötigt wird. Insoweit kommen die in der vorstehenden Beschreibung angeführten Vorteile insbesondere bei einer mikrosystemtechnischen Ausführungsform wegen des hier bestehenden notorischen Platzmangels zum Tragen.
Bezugszeichenliste
1 Kondensatoreinheit
2 Halbleiterchip
3 Kavität
4 Lufteinlass
5 Luftauslass
6 Kühlelement
7 Wärmeleitpaste
8 Kanalsystem
9 Wasserauslass
10 Halbleiterchip
11 Wasserpumpe
12 Deckelelement
13 Analyseeinheit
14 Wasser
15 Kühlelement
16 Luftpumpe
17 Wasserpumpe
18 Steuereinheit
19 Temperatursensor
20 Luftfeuchtigkeitssensor
21 Temperatursensor
22 Volumenstromsensor
23 Membran
24 Erhebungen
25 Seitenwandung
26 Elektroden
27 Wasserspiegel

Claims

Patentansprüche
1. Einrichtung zur chemischen oder biochemischen Analyse von Proben oder Reagenzien unter Verwendung von Wasser (14) als Lösungsmittel, welches in einem Reservoir einer nachgeschalteten Analyseeinheit (13) für die Durchführung der Analyse zur Verfügung steht, dadurch gekennzeichnet, dass das Reservoir durch eine Kondensatoreinheit (1) mit Mitteln zur Gewinnung des benötigten Wassers (14) direkt aus der Luftfeuchtigkeit von durch die Kondensatoreinheit (1) hindurchströmender Umgebungsluft gebildet ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Gewinnung des benötigten Wassers (14) mindestens ein Kühlelement (15) umfassen, welches die Wandung der Kondensatoreinheit (1 ) zumindest teilweise kühlt, um eine Kondensation der durch die Kondensatoreinheit (1) hindurchströmenden Umgebungsluft auszulösen.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Befördern der Umgebungsluft durch die Kondensatoreinheit (1 ) hindurch mittels einer an einem Lufteinlass (4) oder an einem Luftauslass (5) der Kondensatoreinheit (1) angeordneten Luftpumpe (16) erfolgt.
4. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das sich in der Kondensatoreinheit (1 ) aufgrund der Kondensation der Umgebungsluft ansammelnde Wasser (14) mittels einer mindestens einem Wasserauslass (9) der Kondensatoreinheit (1 ) zugeordneten Wasserpumpe (17) bedarfsgerecht entnehmbar ist.
5. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Temperatur (T1)und der relativen Luftfeuchtigkeit (rel.%)der einströmenden Umgebungsluft ein erster Temperatursensor (19) bzw. ein Luftfeuchtigkeitssensor (20) vorgesehen ist, und dass zur Ermittlung der Temperatur (T2) innerhalb der Kondensatoreinheit (1) und der Strömungsgeschwindigkeit (V)der Umgebungsluft durch die Kondensatoreinheit (1) hindurch ein zweiter Temperatursensor (21) bzw. ein Volumenstromsensor (22) vorgesehen ist, woraus innerhalb einer nachgeschalteten Steuereinheit (18) die Menge des kondensierten Wassers (14) bestimmbar ist (Fig. 3).
6. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoreinheit (1) zur Bestimmung der Menge des sich hierin angesammelten kondensierten Wassers (14) mit Mitteln zur Messung des Füllstandes ausgerüstet ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Messung des Füllstandes mehrere Elektroden (26) umfassen, die an einer Seitenwandung (25) der Kondensatoreinheit (1 ) voneinander beabstandet angebracht sind, um hiermit kapazitiv die Lage des Wasserspiegels (27) zu bestimmen (Fig. 6).
8. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Mikrosystemtechnik hergestellte Kondensatoreinheit (1 ) eine in einem Halbleiterchip (2) geätzte Kavität (3) als Reservoir umfasst, in der das Wasser (14) mittels eines nach Art eines Peltierelements ausgebildeten Kühlelements (6) kondensiert, welches in den Halbleiterchip (2) integriert oder hieran angebracht ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Lufteinlass (4) als auch der Luftauslass (5) durch in den Halbleiterchip (2) geätzte Mikrokanalabschnitte hergestellt sind, die auf einem höheren Niveau als der Boden der Kavität (3) liegen, um die Ansammlung von Wasser (14) zu ermöglichen (Fig. 4a).
10. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftpumpe (16) und/oder die Wasserpumpe (11) nach Art einer mechanischen Mikropumpe ausgebildet sind.
11. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Wasserauslass (9a, 9b) am Boden der Kavität (3) angeordnet ist und in ein in einem darunterliegenden Halbleiterchip (10) geätzten Kanalsystem (8) mündet.
12. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung eines Überlaufs der Kondensatoreinheit (1 ) durch Wasseraustritt aus den Lufteinlass (4) oder den Luftauslass (5) zwischen dem bodennahen Bereich der Kavität (3), in dem sich das kondensierte Wassers (14) ansammelt, und dem Bereich des Lufteinlasses (4) sowie des Luftauslasses (5), durch den die Umgebungsluft hindurchströmt, eine feuchtigkeitsdurchlässige Membran (23) vorgesehen ist.
13. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die feuchtigkeitsdurchlässige Membran (23) zwischen dem Halbleiterchip (2) und einem mit dessen Kavität (3) korrespondierenden Deckelelement (12) angeordnet ist (Fig. 4b).
14. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Ausbeute an kondensiertem Wasser (14) der Boden der Kavität (3), in dessen Bereich sich das Kühlelement (6) befindet, mit einer MikroStruktur versehen ist, um die effektive gekühlte Oberfläche zu vergrößern (Fig. 5).
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