EP2433004A1 - Mikropumpe - Google Patents

Mikropumpe

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Publication number
EP2433004A1
EP2433004A1 EP10721322A EP10721322A EP2433004A1 EP 2433004 A1 EP2433004 A1 EP 2433004A1 EP 10721322 A EP10721322 A EP 10721322A EP 10721322 A EP10721322 A EP 10721322A EP 2433004 A1 EP2433004 A1 EP 2433004A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
channel
liquid
outlet
piston
pump
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Withdrawn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
EP10721322A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jörg MUELLER
Régulo Miguel RAMIREZ WONG
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.)
Bayer Intellectual Property GmbH
Original Assignee
Bayer Technology Services 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 Bayer Technology Services GmbH filed Critical Bayer Technology Services GmbH
Publication of EP2433004A1 publication Critical patent/EP2433004A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B19/00—Machines or pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B17/00
    • F04B19/006—Micropumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B17/00—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors
    • F04B17/03—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by electric motors
    • F04B17/04—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by electric motors using solenoids
    • F04B17/042—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by electric motors using solenoids the solenoid motor being separated from the fluid flow
    • F04B17/044—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by electric motors using solenoids the solenoid motor being separated from the fluid flow using solenoids directly actuating the piston
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F1/00—Pumps using positively or negatively pressurised fluid medium acting directly on the liquid to be pumped
    • F04F1/06—Pumps using positively or negatively pressurised fluid medium acting directly on the liquid to be pumped the fluid medium acting on the surface of the liquid to be pumped
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass

Definitions

  • the present invention relates generally to the field of micro-electro-mechanical systems (MEMS).
  • MEMS micro-electro-mechanical systems
  • the invention relates to a positive displacement pump, constructed in microsystem technology, which is preferably used as a vacuum pump.
  • Positive displacement pumps are widely used in conventional vacuum technology and are used in a variety of applications.
  • the positive displacement pump is defined as a vacuum pump, which sucks the fluid to be pumped by means of pistons, rotors or sliders, which are sealed against each other with or without liquid, optionally via valves, compressed and ejects.
  • a simple type of positive displacement pump is a so-called oscillating pump in which a piston or a diaphragm connected to a connecting rod sucks a fluid through an inlet valve in a half cycle of movement and expels the fluid through an outlet valve in the other half period.
  • An overview of conventional positive displacement pumps can be found e.g. in "Wutz Manual Vacuum Technology: Theory and Practice", edited by Karl Jousten, 9th Edition, published by Vieweg + Teubner Verlag, 2006.
  • Microsystem technology combines methods of microelectronics, micromechanics, microfluidics and micro-optics, but also developments in computer science, biotechnology and nanotechnology by combining developments and structures from these areas into new systems.
  • the dimensions of the function-determining structures are in the micrometer range, which can be used as a demarcation to nanotechnology.
  • Pumps in microsystems technology mainly use diaphragms for the compression mechanism, in some cases also turbine wheels with extremely high speeds or gas flows according to the radiant diffusion principle.
  • Most of these pump mechanisms have the characteristic that they compress only a more or less small part of the pumping volume and thus the compression ratios are relatively low, in particular for gases, or they only have a very short service life and high particle sensitivity.
  • problems generally arise when trapping gas bubbles.
  • these pumps are hardly suitable, in particular as vacuum pumps for achieving low pressures.
  • DE19719862A1 describes a micromembrane pump. It has a pumping membrane, which is movable by means of a drive unit in a first and a second position, a pump body, which is connected to the pumping membrane to a pumping chamber between the same, as well as an intake port provided with a passive intake valve and an exhaust port provided with a passive exhaust valve.
  • the pump diaphragm increases in the movement from the first to the second position, the volume of the pumping chamber by a stroke volume and reduced in the movement from the second to the first position, the volume of the pumping chamber to this displacement.
  • a disadvantage of the pump is, among other things, a large dead volume of the pump, since the volume displaced with each pump stroke is only a fraction of the volume of the pumping chamber.
  • a micromechanical pump which is based on the principle of a peristaltic actuator, which is formed by the sealing spanning a filled with a drive means annular cavity in a substrate with an electrically conductive membrane.
  • Disadvantages include the use of the conductive membrane, which is susceptible to mechanical stress and has only a limited life due to the high stress when using the pump.
  • the subject of the present invention is thus a micropump, comprising at least an inlet, an outlet, a channel between the inlet and the outlet and - a piston located in the channel, characterized in that the piston is a liquid which moves by means of an external field can be.
  • a fluid is sucked into the channel via the inlet of the micropump according to the invention, compressed in the channel and expelled again through the outlet.
  • the micropump according to the invention is based on the principle of a liquid displacement pump which is also used in the macroscopic. In contrast to these large systems, however, the pumping action of the micropump according to the invention does not take place by a mechanical drive of the liquid with only partial use of the liquid space as the pump chamber or Pump volume, but it is a liquid used as a piston, which is driven in an external field by electromagnetic and / or magnetic forces.
  • the medium consists of an electrically or magnetically conductive liquid with preferably low vapor pressure, which determines the achievable base pressure.
  • Suitable electrically conductive liquids are e.g. at the respective operating temperature liquid metals such as mercury or gallium. But also conductive organic or other inorganic liquids with sufficiently low resistivity, vapor pressure and preferably also chemical inertness can be used.
  • magnetic fluids u. a.
  • Commercially available liquids with ferromagnetic nanoparticles can be used.
  • the liquid preferably has a high surface tension and a high interfacial tension in relation to the channel walls in order to avoid their wetting.
  • the drive is carried out for electrically conductive media, preferably by means of the Lorentz force, which acts in a magnetic field on moving charge carriers.
  • the channel permanent or electromagnets, possibly provided for shielding and reducing the magnetic resistance with a yoke arranged.
  • permanent magnets are particularly rare-earth magnets (SE magnets). They are preferably used wherever high magnetic field strengths are required in conjunction with the smallest possible dimensions. SE magnets have a comparatively high coercive field strength and can therefore be used without problems even with high opposing fields.
  • SE magnets have a comparatively high coercive field strength and can therefore be used without problems even with high opposing fields.
  • contact layers which are mounted in or on the channel walls.
  • freestanding thin films can be used as contact layers.
  • the drive can be driven by a circulating magnetic field, e.g. induced by SE permanent magnets mounted on one or two discs above and / or below the channel. A contacting of the liquid is not required here.
  • the channel is preferably linear endlessly connected, particularly preferably designed annular.
  • the channel cross-section can be angular or continuous, that is to say without corners (eg elliptical or round).
  • the channel cross-section is round or elliptical.
  • the inlet is preferably arranged directly behind the outlet, so that the whole channel remains as the compressible volume minus the piston volume.
  • the channel can be constant in cross section. It may also narrow in the direction of the outlet (eg, by eccentricity in the case of a circular channel cross section) to achieve a faster pressure increase in the channel.
  • the liquid flask is preferably circulated in a sealed (micro) channel (e.g., ring, oval, arena). It completely seals the chamber volume to the channel walls.
  • a sealed (micro) channel e.g., ring, oval, arena.
  • Such systems can also be constructed with several pistons and several inlets and outlets.
  • self-contained channel structures e.g. linear duct structures can be used in shuttle mode with one or more inlets and outlets.
  • the compressed volume at the outlet is compressed to virtually zero.
  • a liquid is used for the seal, which preferably consists of the same medium as the piston in order to avoid mixing.
  • This liquid seal is displaced by the incoming liquid piston only when the two liquids have completely hit one another, i. the compressed medium has been pushed completely without residual volume in the pump channel through the outlet.
  • the contact layers may be locally interrupted in the region of the outlet, so that the driving force acts only when contact with the incoming piston occurs, ie the compressed volume through discharge through the outlet and "fusing" of piston and seal
  • a drive force reduced at the outlet can be achieved, for example, by a magnetic short circuit, for example by a ferromagnetic material such as Ni at this point.
  • This penetration force can also be achieved by contact with a local material having a higher surface tension than the material of the channel. This contact is then after passage e.g. interrupted by this narrowing in the channel and suitably shaped channel structures, so that a portion of the medium remains as a seal.
  • microporous or nanoporous structures Low surface energy (no or little wetting) integrated, in which the liquid medium (seal, piston) can not penetrate due to the repulsive capillary forces and the high interfacial tension.
  • these structures could be introduced both laterally and vertically.
  • the structures of the pump according to the invention are preferably, as well as many microsystems, produced in a silicon-glass technology. It is also conceivable to realize the structures of the pump according to the invention in a silicon-silicon or glass-glass technology.
  • the production of structures in microsystems is known to those skilled in microsystem technology. Microfabrication techniques are e.g. in the book “Fundamentals of Microfabrication” by Marc Madou, CRC Press Boca Raton FLA 1997 or in the book “Microsystem Technology for Engineers” by W. Menz. J. Mohr and O. Paul, Wiley-VCH, Weinheim 2005, described and illustrated. A more detailed description of the silicon-silicon technology can be found, for example, in Q. -Y.
  • the technologies of microsystems technology based on the structuring of silicon or glass substrates with high aspect ratio (eg narrow trenches ( ⁇ microns) with great depth ( ⁇ 100 microns)) with structural accuracies in the micrometer with wet chemical, preferably plasma etching combined with matched in the thermal expansion coefficient sodium-containing glass substrates (eg Pyrex ®), which are provided with simple etched structures and preferably the so-called anodic bonding directly, alternatively acting with one (solder alloy as AuSi) Au thin film are joined hermetically together.
  • high aspect ratio eg narrow trenches ( ⁇ microns) with great depth ( ⁇ 100 microns)
  • Metallic structures with a high aspect ratio can be realized by galvanic growth in thick photoresists (> 100 ⁇ m) with comparable accuracy (UV-LIGA).
  • thin-film technologies such as high-vacuum evaporation and sputtering, PVD processes or chemical vapor deposition (CVD) processes, preferably in plasma in combination with photolithography and etching techniques, functional layers such as metallizations, hydrophobic or hydrophilic surfaces and surfaces can be deposited on these substrates Integrate functional elements such as valve seals and diaphragms, heating elements, temperature, pressure and flow sensors in a fully process-compatible technology.
  • the structure of the pump is preferably carried out in a silicon-glass or silicon-glass-silicon substrate stack, the channel and valve structures should be realized because of its simpler and more precise structuring properties by means of chemical and physical processes, preferably in silicon.
  • the electrical traces may be e.g. be deposited by thin film process. Especially for larger numbers, the impression with methods of polymer molding techniques such as injection molding, hot stamping, etc. is advantageous. For possibly also locally different setting of defined surface energies, coatings can be produced by deposition, e.g.
  • plasma polymerization PECVD, sputtering
  • SAM self-assembling monolayers
  • high-vacuum evaporation in combination with photolithography and etching or lift-off techniques.
  • the micropump according to the invention is preferably suitable as a vacuum pump in a microsystem. Accordingly, the subject of the present pump is also the use of the micropump according to the invention as a vacuum pump in a microsystem, for example in a micromass spectrometer such as e.g. in the article "Complex MEMS: A fully integrated TOF micro mass spectrometer” published in Sensors and Actuators A: Physical, 138 (1) (2007), pages 22-27.
  • FIG. 1 shows by way of example a micropump 1 according to the invention schematically in cross section in plan view. It comprises an inlet 30 and an outlet 20, which are connected to each other via a channel 40.
  • the channel 40 is executed linearly continuous connected as a ring. It has a constriction 45 between inlet 30 and outlet 20.
  • an electrically or magnetically conductive liquid 50, 55 which is used as a piston 55 and as a seal 50.
  • the constriction 45 facilitates the division of the electrically or magnetically conductive liquid into a piston 55 and a seal 50 during operation of the pump.
  • FIG. 2 (a) to (f) shows a schematic representation of the micropump of Figure 1 according to the invention in operation.
  • the constriction 45 is not shown in FIG.
  • the channel 40 is divided by the piston 55 and the gasket 50 into two sections with an interior 41 and an interior 43.
  • the interior 41 is closed.
  • the fluid contained in the internal space 41 is compressed by a movement of the piston 55 in the clockwise direction (represented by the arrow).
  • the seal 55 seals the interior 41 from the outlet.
  • an expansion of the inner space 43 takes place at the same time.
  • fluid is sucked into the inner space 43 via the inlet 30.
  • the liquid plug is divided: the front portion 50, which previously held the role of the gasket, becomes the piston, the rear portion 55 becomes the gasket.
  • the interior 43 is compressed.
  • a new interior space 44 is formed, into which fluid is sucked in via the inlet 30.
  • Figure 3 shows a micropump according to the invention schematically in cross-section from the side.
  • the channel 40 has a round cross-sectional profile. It is incorporated in a substrate 60 and a lid 70. In the lid, an outlet 20 and an inlet (not shown here) are introduced.
  • a porous mesh 90 is intended to prevent the electrical fluid in the channel acting as a seal and piston from being forced through the outlet. Above and below the channel magnets 80 are arranged.
  • FIGS. 4 (a) to (f) show a micropump 1 according to the invention in pendulum operation.
  • This embodiment comprises three chambers, which are connected to each other via two bottlenecks.
  • the outer chambers each include an inlet 30a and 30b, respectively.
  • the middle chamber has an outlet 20 in the form of narrow channels through which the liquid seal 50 can not pass.
  • a liquid piston 55 moves in the direction of the outlet 20.
  • the interior 41 is increasingly reduced and the fluid therein, which has entered via the inlet 30b into the interior, increasingly compressed.
  • the pressure in the internal space 41 exceeds a limit and the gasket 55 is pushed into the left chamber.

Landscapes

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Verdrängerpumpe, aufgebaut in Mikrosystemtechnik, die vorzugsweise als Vakuumpumpe verwendet wird.

Description

Mikropumpe
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der mikro-elektromechanischen Systeme (MEMS). Gegenstand der Erfindung ist eine Verdrängerpumpe, aufgebaut in Mikrosystemtechnik, die vorzugsweise als Vakuumpumpe verwendet wird.
Verdrängerpumpen sind in der konventionellen Vakuumtechnik weit verbreitet und werden vielfältig eingesetzt. In der Deutschen Industrienorm DIN 28400, Teil 2 (1989) wird die Verdrängerpumpe definiert als eine Vakuumpumpe, die das zu fördernde Fluid mit Hilfe von Kolben, Rotoren oder Schiebern, die mit oder ohne Flüssigkeit gegeneinander abgedichtet sind, gegebenenfalls über Ventile ansaugt, verdichtet und ausstößt.
Ein einfacher Typ einer Verdrängerpumpe ist eine so genannte oszillierende Pumpe, bei der ein Kolben oder eine mit einem Pleuel verbundene Membran ein Fluid in einer Halbperiode der Bewegung durch ein Einlassventil ansaugt und das Fluid in der anderen Halbperiode wieder durch ein Auslassventil ausstößt. Eine Übersicht über konventionelle Verdrängerpumpen findet sich z.B. in „Wutz Handbuch Vakuumtechnik: Theorie und Praxis", herausgegeben von Karl Jousten, 9. Edition, veröffentlicht von Vieweg + Teubner Verlag, 2006.
Konventionelle Pumpensysteme sind in der Mikrosystemtechnik nicht ohne Weiteres einsetzbar. Die Mikrosystemtechnik kombiniert Methoden der Mikroelektronik, der Mikromechanik, der Mikrofluidik und der Mikrooptik, aber auch Entwicklungen der Informatik, Biotechnologie und Nanotechnologie, indem sie Entwicklungen und Strukturen aus diesen Bereichen zu neuen Systemen vereinigt. Die Abmessungen der funktionsbestimmenden Strukturen liegen im Mikrometerbereich, was als Abgrenzung zur Nanotechnologie herangezogen werden kann.
Pumpen in Mikrosystemtechnik nutzen vorwiegend Membranen für den Kompressionsmechanismus, in Einzelfällen auch Turbinenräder mit extrem hohen Drehzahlen oder Gasströme nach dem Strahloder Diffusionspumpenprinzip. Den meisten dieser Pumpenmechanismen ist eigen, dass sie nur einen mehr oder weniger geringen Teil des Pumpvolumens komprimieren und damit die Kompressionsverhältnisse insbesondere für Gase relativ niedrig sind oder sie nur eine sehr geringe Lebensdauer und hohe Partikelempfindlichkeit aufweisen. Beim Pumpen von Flüssigkeiten entstehen im Allgemeinen Probleme, wenn Gasblasen eingeschlossen werden. Damit eignen sich diese Pumpen insbesondere als Vakuumumpumpen zum Erreichen niedriger Drücke kaum.
In DE19719862A1 ist beispielsweise eine Mikromembranpumpe beschrieben. Sie weist eine Pumpmembran, die mittels einer Antriebseinheit in eine erste und eine zweite Stellung bewegbar ist, einen Pumpkörper, der mit der Pumpmembran verbunden ist, um eine Pumpkammer zwischen denselben festzulegen, sowie eine mit einem passiven Einlassventil versehene Einlassöffiiung und eine mit einem passiven Auslassventil versehene Auslassöfmung auf. Die Pumpmembran vergrößert bei der Bewegung aus der ersten in die zweite Stellung das Volumen der Pumpkammer um ein Hubvolumen und verringert bei der Bewegung aus der zweiten in die erste Stellung das Volumen der Pumpkammer um dieses Hubvolumen. Nachteilig an der Pumpe ist unter anderem ein großes Totvolumen der Pumpe, da das bei jedem Pumpschlag verdrängte Volumen nur einen Bruchteil des Volumens der Pumpkammer beträgt.
In DE 19922612Al ist eine mikromechanische Pumpe beschrieben, die auf dem Prinzip eines peristaltischen Aktuators beruht, der durch das dichtende Überspannen eines mit einem Antriebsmittel gefüllten ringförmigen Hohlraumes in einem Substrat mit einer elektrisch leitfähigen Membran gebildet wird. Nachteilig ist unter anderem die Verwendung der leitfähigen Membran, die anfällig gegenüber mechanischer Beanspruchung ist und aufgrund der hohen Beanspruchung bei der Verwendung der Pumpe nur eine begrenzte Lebensdauer aufweist.
Ausgehend vom bekannten Stand der Technik ergibt sich damit die Aufgabe, eine Pumpe für die Verwendung in einem Mikrosystem bereitzustellen, die ein geringes Totvolumen aufweist sowie eine hohe Lebensdauer besitzt. Die gesuchte Pumpe soll in der Lage sein, sowohl definierte Fluidvolumina im Mikroliterbereich als auch kontinuierlich zu fördern.
Erfϊndungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Mikropumpe gelöst, die nach dem Prinzip einer Verdrängerpumpe arbeitet und in der als Kolben eine Flüssigkeit eingesetzt wird, die durch magnetische oder elektromagnetische Kräfte angetrieben wird.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist damit eine Mikropumpe, mindestens umfassend einen Einlass, einen Auslass, einen Kanal zwischen dem Ein- und dem Auslass und - einen im Kanal befindlichen Kolben, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben eine Flüssigkeit ist, die mittels eines äußeren Feldes bewegt werden kann.
Über den Einlass der erfϊndungsgemäßen Mikropumpe wird ein Fluid in den Kanal gesaugt, im Kanal komprimiert und durch den Auslass wieder ausgestoßen. Die erfindungsgemäße Mikropumpe basiert auf dem auch im Makroskopischen genutzten Prinzip einer Flüssigkeitsverdrängerpumpe. Im Gegensatz zu diesen großen Systemen erfolgt die Pumpwirkung der erfindungsgemäßen Mikropumpe aber nicht durch einen mechanischen Antrieb der Flüssigkeit bei einer nur teilweisen Nutzung des Flüssigkeitsraumes als Schöpfraum bzw. Pumpvolumen, sondern es wird eine Flüssigkeit als Kolben eingesetzt, die in einem äußeren Feld durch elektromagnetische und/oder magnetische Kräfte angetrieben wird.
Um diesen Antrieb zu gewährleisten, besteht das Medium aus einer elektrisch bzw. magnetisch leitfahigen Flüssigkeit mit vorzugsweise niedrigem Dampfdruck, der den erreichbaren Basisdruck bestimmt. Als elektrisch leitfahige Flüssigkeiten eignen sich z.B. bei der jeweiligen Betriebstemperatur flüssige Metalle wie Quecksilber oder Gallium. Aber auch leitfähige organische oder andere anorganische Flüssigkeiten mit ausreichend niedrigem spezifischen Widerstand, Dampfdruck und vorzugsweise auch chemischer Inertheit sind nutzbar. Als magnetische Flüssigkeiten sind u. a. handelsübliche Flüssigkeiten mit ferromagnetischen Nanopartikeln einsetzbar. Vorzugsweise weist die Flüssigkeit eine hohe Oberflächenspannung und gegenüber den Kanalwänden eine hohe Grenzflächenspannung auf, um deren Benetzung zu vermeiden.
Der Antrieb erfolgt für elektrisch leitfahige Medien vorzugsweise mit Hilfe der Lorentzkraft, die in einem magnetischen Feld auf bewegte Ladungsträger wirkt. Dazu werden ein- oder beidseitig des Kanals Permanent- oder Elektromagnete, ggf. zur Abschirmung und Verringerung des magnetischen Widerstands mit einem Joch versehen, angeordnet. Als Permanentmagnete eignen sich besonders Selten-Erden-Magnete (SE-Magnete). Sie werden vorzugsweise überall dort eingesetzt, wo hohe magnetische Feldstärken in Verbindung mit kleinstmöglichen Abmessungen benötigt werden. SE- Magnete besitzen eine vergleichsweise hohe Koerzitivfeldstärke und sind deshalb auch bei hohen Gegenfeldern ohne Probleme einsetzbar. Wird durch den Kolben ein elektrischer Strom geleitet, so wird auf die bewegten Ladungsträger (Elektronen) in dem magnetischen Feld eine Kraft (die Lorentzkraft) ausgeübt. Der stromdurchflossene Kolben wird senkrecht zur Richtung der Magnetfeldlinien und senkrecht zur Bewegungsrichtung der geladenen Teilchen (Elektronen) bewegt.
Die Kontaktierung des elektrisch leitfähigen Kolbens erfolgt über Kontaktschichten, die in oder an den Kanalwänden angebracht sind. Ebenso sind freistehende Dünnschichten als Kontaktschichten einsetzbar.
Werden magnetisch leitfahige Flüssigkeiten eingesetzt, so kann der Antrieb durch ein zirkulierendes Magnetfeld z.B. induziert durch SE-Permanentmagneten, montiert auf einer oder zwei über und/oder unter dem Kanal rotierenden Scheiben erfolgen. Eine Kontaktierung der Flüssigkeit ist hierbei nicht erforderlich.
Der Kanal ist bevorzugt linear endlos zusammenhängend, besonders bevorzugt ringförmig ausgeführt. Der Kanalquerschnitt kann eckig oder kontinuierlich, das heißt ohne Ecken (z.B. elliptisch oder rund) ausgeführt sein. Bevorzugt ist der Kanalquerschnitt rund oder elliptisch ausgeführt. In einem linear endlos zusammenhängenden Kanal ist bevorzugt direkt hinter dem Auslass der Einlass angeordnet, so dass als komprimierbares Volumen der ganze Kanal abzüglich des Kolbenvolumens verbleibt. Der Kanal kann im Querschnitt konstant sein. Er kann sich auch in Richtung des Auslasses verengen, (z. B. durch Exzentrizität im Fall eines kreisförmigen Kanalquerschnitts) um einen schnelleren Druckanstieg im Kanal zu erreichen.
Der flüssige Kolben wird vorzugsweise in einem verschlossenen (Mikro-)Kanal in einem Kreislauf bewegt (z.B. Ring, Oval, Arena). Er dichtet das Kammervolumen zu den Kanalwänden vollständig ab. Anstelle je eines Kolbens und einem Ein- und Auslass lassen sich solche Systeme auch mit mehreren Kolben und mehreren Ein- und Auslässen aufbauen. Statt in sich geschlossene Kanalstrukturen können auch z.B. lineare Kanalstrukturen im Pendelbetrieb mit einem oder mehreren Ein- und Auslässen genutzt werden.
Um ein hohes Kompressionsverhältnis zu erzielen, wird das komprimierte Volumen am Auslass auf praktisch Null komprimiert. Dies wird dadurch erreicht, dass am Auslass ebenfalls eine Flüssigkeit zur Dichtung benutzt wird, die vorzugsweise, um eine Vermischung zu vermeiden, aus dem gleichen Medium wie der Kolben besteht. Diese flüssige Dichtung wird von dem eintreffenden flüssigen Kolben erst dann verdrängt, wenn die beiden Flüssigkeiten vollständig aufeinander getroffen sind, d.h. das komprimierte Medium vollständig ohne Restvolumen im Pumpkanal durch den Auslass gedrückt worden ist. Durch die Auslegung des Antriebs und die Form des Kanals im Auslassbereich ist es möglich, dass jeweils ein Teil der treibenden Flüssigkeit am Ende des Kolbens „abreißt" und als Dichtung vor dem Auslass zurückbleibt.
Im Fall einer elektrisch leitenden Flüssigkeit als Kolben können die Kontaktschichten im Bereich des Auslasses lokal unterbrochen sein, so dass die Antriebskraft nur wirkt, wenn Kontakt zum eintreffenden Kolben auftritt, das komprimierte Volumen also durch Ausstoß durch den Auslass und „Verschmelzen" von Kolben und Dichtung auf Null gebracht wird. Im Fall einer magnetisch leitenden Flüssigkeit kann eine am Auslass reduzierte Antriebskraft beispielsweise durch einen magnetischen Kurzschluss z.B. durch ein ferromagnetisches Material wie Ni an dieser Stelle erzielt werden.
Unterstützend wirkt eine Kanalverengung hinter dem Auslass, die für eine ausreichend hohe Durchtrittskraft des dichtenden Mediums sorgt, damit es dem Kompressionsdruck standhält. Diese Durchtrittskraft kann auch durch den Kontakt mit einem lokalen Material, das eine höhere Oberflächenspannung aufweist als das Material des Kanals, erreicht werden. Dieser Kontakt wird dann nach dem Durchtritt z.B. durch diese Verengung im Kanal und geeignet geformte Kanalstrukturen wieder unterbrochen, so dass ein Teil des Mediums als Dichtung zurückbleibt.
Um ein Durchdringen der Ein- und insbesondere der Auslassventile mit der Dichtungs- bzw. Antriebsflüssigkeit zu vermeiden, sind dort vorzugsweise mikro- oder nanoporöse Strukturen mit geringer Oberflächenenergie (keine oder geringe Benetzung) integriert, in die das flüssige Medium (Dichtung, Kolben) aufgrund der abstoßenden Kapillarkräfte und der hohen Grenzflächenspannung nicht durchdringen kann. Diese Strukturen könnten sowohl lateral wie vertikal eingebracht werden. Bei lateraler Anordnung ist es besonders vorteilhaft, die Einlassventile an der Innenseite einer Krümmung, die Auslassstrukturen an der Außenseite anzuordnen, da damit zusätzlich die Zentrifugalkräfte für den Ansaug- und Auspressvorgang wirksam werden können.
Die Strukturen der erfindungsgemäßen Pumpe werden vorzugsweise, so wie auch viele Mikrosysteme, in einer Silizium-Glas-Technologie hergestellt. Es ist auch denkbar, die Strukturen der erfindungsgemäßen Pumpe in einer Silizium-Silizium- oder Glas-Glas-Technologie zu realisieren. Die Herstellung von Strukturen in Mikrosystemen ist dem Fachmann der Mikrosystemtechnik bekannt. Mikrofertigungstechniken sind z.B. in dem Buch „Fundamentals of Microfabrication" von Marc Madou, CRC Press Boca Raton FLA 1997 oder in dem Buch „Mikrosystemtechnik für Ingenieure" von W. Menz. J. Mohr und O. Paul, Wiley-VCH, Weinheim 2005, beschrieben und illustriert. Eine nähere Beschreibung zur Silizium-Silizium-Technologie findet sich beispielsweise in Q. -Y. Tong, U. Gösele: Semiconductor Wafer Bonding: Science and Technology; The Electrochemical Society Series, Wiley- Verlag, New York (1999). Bezüglich der Glas-Glas-Technologie sei beispielhaft auf folgende Publikationen verwiesen: J. Wie et al., Low Temperature Glass-to-Glass Wafer Bonding, IEEE Transactions on advanced packaging, Vol. 26, No. 3, 2003, Seiten 289-294; Duck-Jung Lee et al., Glass-to-Glass Anodic Bonding for High Vacuum Packaging of Microelectronics and its Stability, MEMS 2000, The Thirteenth Annual International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, 23-27 January 2000, Seiten 253-258.
Maßgeblich beruhen die Technologien der Mikrosystemtechnik auf der Strukturierung von Siliziumoder Glassubstraten mit hohem Aspektverhältnis (z.B. schmale Gräben (~μm) mit großer Tiefe (~100μm)) mit Strukturgenauigkeiten im Mikrometerbereich mit nasschemischen, vorzugsweise Plasmaätzprozessen kombiniert mit im thermischen Ausdehnungskoeffizienten angepassten natriumhaltigen Glassubstraten (z.B. Pyrex®), die mit einfachen geätzten Strukturen versehen werden und vorzugsweise mit dem so genannten anodischen Bonden direkt, alternativ mit einer als Lotlegierung (AuSi) fungierenden Au-Dünnschicht hermetisch dicht miteinander verbunden werden.
Metallische Strukturen mit hohem Aspektverhältnis lassen sich durch galvanisches Aufwachsen in dicken Photolacken (> lOOμm) mit vergleichbarer Genauigkeit realisieren (UV-LIGA). Unter Einsatz von Dünnschichttechnologien wie Hochvakuumverdampfen und Kathodenzerstäubung (Sputtern), PVD-Prozessen oder der chemischen Abscheidung aus der Gasphase (CVD-Prozesse) vorzugsweise im Plasma in Kombination mit Photolithographie und Ätztechniken lassen sich auf diesen Substraten Funktionsschichten wie Metallisierungen, hydrophobe oder hydrophile Oberflächen und Funktionselemente wie Ventil-Dichtungen und Membranen, Heizelemente, Temperatur-, Druck- und Strömungssensoren in einer vollständig prozesskompatiblen Technologie integrieren.
Der Aufbau der Pumpe erfolgt vorzugsweise in einem Silizium-Glas- oder Silizium-Glas-Silizium- Substrat-Stapel, wobei die Kanal- und Ventilstrukturen wegen dessen einfacherer und präziserer Strukturierungseigenschaften mittels chemische und physikalische Verfahren vorzugsweise im Silizium realisiert werden sollten. Die elektrischen Leiterbahnen können z.B. mit Dünnschichtverfahren abgeschieden werden. Besonders für größere Stückzahlen ist die Abformung mit Verfahren der Polymerformtechniken wie Spritzguss, Heißprägen, etc. vorteilhaft. Zur ggf. auch lokal unterschiedlichen Einstellung definierter Oberflächenenergien lassen sich Beschichtungen durch Abscheidung z.B. im Plasma (Plasmapolymerisation, PECVD, Sputtern), aber auch durch Abscheiden aus der Dampfphase (selbstorganisierende Monolagen (SAM), Hochvakuumaufdampfen) in Kombination mit Photolithographie und Ätz- bzw. Abhebetechniken einsetzen.
Die erfindungsgemäße Mikropumpe eignet sich vorzugsweise als Vakuumpumpe in einem Mikrosystem. Gegenstand der vorliegenden Pumpe ist demnach auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Mikropumpe als Vakuumpumpe in einem Mikrosystem, beispielsweise in einem Mikromassenspektrometer, wie es z.B. in dem Artikel „Complex MEMS: Afully integrated TOF micro mass spectrometer" veröffentlicht in Sensors and Actuators A: Physical, 138 (1) (2007), Seiten 22-27 beschrieben ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Figuren näher erläutert, ohne sie jedoch hierauf zu beschränken.
Figur 1 zeigt beispielhaft eine erfindungsgemäße Mikropumpe 1 schematisch im Querschnitt in der Aufsicht. Sie umfasst einen Einlass 30 und einen Auslass 20, die über einen Kanal 40 miteinander verbunden sind. Der Kanal 40 ist linear endlos zusammenhängend als Ring ausgeführt. Er weist eine Engstelle 45 zwischen Einlass 30 und Auslass 20 auf. In dem Kanal befindet sich eine elektrisch oder magnetisch leitfähige Flüssigkeit 50, 55, die als Kolben 55 und als Dichtung 50 eingesetzt wird.
Die Engstelle 45 erleichtert während des Betriebs der Pumpe die Teilung der elektrisch oder magnetisch leitfähigen Flüssigkeit in einen Kolben 55 und eine Dichtung 50.
Figur 2 (a) bis (f) zeigt in einer schematischen Darstellung die erfindungsgemäße Mikropumpe aus Figur 1 im Betrieb. Zur zeichnerischen Vereinfachung ist die Engstelle 45 in Figur 2 nicht gezeigt. Im Ausgangszustand (a) wird der Kanal 40 durch den Kolben 55 und die Dichtung 50 in zwei Abschnitte mit einem Innenraum 41 und einem Innenraum 43 geteilt. Der Innenraum 41 ist geschlossen. Das in dem Innenraum 41 befindliche Fluid wird durch eine Bewegung des Kolbens 55 im Uhrzeigersinn (dargestellt durch den Pfeil) komprimiert. Die Dichtung 55 dichtet den Innenraum 41 gegenüber dem Auslass ab. Durch die Bewegung des Kolbens 55 im Uhrzeigersinn erfolgt gleichzeitig eine Expansion des Innenraumes 43. Hierdurch wird Fluid über den Einlass 30 in den Innenraum 43 gesaugt. In Fig. 2 (b) sind die Innenräume 41 und 43 in etwa gleich groß. In Fig. 2 (c) ist der Innenraum 41 zunehmend verkleinert und das in dem Innenraum 41 befindliche Fluid entsprechend komprimiert. In Fig. 2 (d) verschließt die Dichtung 50 den Weg zum Auslass nicht mehr. Das komprimierte Fluid wird aus dem Innenraum 41 über den Auslass 20 ausgestoßen. In Fig. 2 (e) haben sich die Flüssigkeitsteile, die in den Figuren 2 (a) bis (e) Kolben 55 und Dichtung 50 gebildet haben, zu einem Flüssigkeitsteil vereint. Der Innenraum 43 hat seine maximal Größe erreicht und ist mit Fluid über den Einlass gefüllt. Im folgenden Pumpzyklus (siehe Fig. 2 (f)) wird der Flüssigkeitspfropfen geteilt: der vordere Bereich 50, der zuvor die Rolle der Dichtung innehatte, wird zum Kolben, der hintere Bereich 55 wird zur Dichtung. Der Innenraum 43 wird komprimiert. Es bildet sich ein neuer Innenraum 44, in den Fluid über den Einlass 30 gesaugt wird.
Figur 3 zeigt eine erfindungsgemäße Mikropumpe schematisch im Querschnitt von der Seite. Der Kanal 40 weist ein rundes Querschnittsprofil auf. Er ist in ein Substrat 60 und einen Deckel 70 eingebracht. In dem Deckel ist ein Auslass 20 und ein Einlass (hier nicht gezeigt) eingebracht. Ein poröses Geflecht 90 soll verhindern, dass die elektrische Flüssigkeit in dem Kanal, die als Dichtung und Kolben wirkt, durch den Auslass gedrückt wird. Oberhalb und unterhalb des Kanals sind Magnete 80 angeordnet.
Die Figuren 4 (a) bis (f) zeigen eine erfindungsgemäße Mikropumpe 1 im Pendelbetrieb. Diese Ausführungsform umfasst drei Kammern, die über zwei Engstellen miteinander verbunden sind. Die äußeren Kammern umfassen jeweils einen Einlass 30a bzw. 30b. Die mittlere Kammer weist einen Auslass 20 in Form von engen Kanälen auf, durch die die flüssige Dichtung 50 nicht durchtreten kann. In einem ersten Schritt (Figur 4 (a)) bewegt sich ein flüssiger Kolben 55 in Richtung auf den Auslass 20 zu. Dabei wird der Innenraum 41 zunehmend verkleinert und das darin befindliche Fluid, das über den Einlass 30b in den Innenraum gelangt ist, zunehmend komprimiert. In Figur 4 (b) übersteigt der Druck in dem Innenraum 41 einen Grenzwert und die Dichtung 55 wird in die linke Kammer gedrückt. Dadurch wird der Auslass geöffnet und das komprimierte Fluid kann entweichen (Figur 4 (c)). In Figur 4 (d) haben der ehemalige Kolben und die ehemalige Dichtung ihre Funktionen getauscht. Nun wird durch eine Bewegung des Kolbens in der linken Kammer in Richtung des Auslasses 20 das in dem Innenraum 43 befindliche Fluid zunehmend komprimiert (Figur 4(e)). Die Dichtung 50 wird schließlich durch die Engstelle in die rechte Kammer gedrückt und das Fluid in dem Innenraum 43 kann über den freigegebenen Auslass entweichen (Figur 4(f)). Bezuεszeichen
1 Mikropumpe
20 Auslass
30 Einlass
40 Kanal
41 Innenraum
43 Innenraum
44 Innenraum
45 Engstelle
50 flüssige Dichtung
55 flüssiger Kolben
60 Substrat
70 Deckel
80 Magnete
90 poröses Geflecht

Claims

Patentansprüche
1. Mikropumpe, mindestens umfassend
- einen Einlass, - einen Auslass,
- einen Kanal zwischen dem Ein- und dem Auslass und
- einen im Kanal befindlichen Kolben, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben eine Flüssigkeit ist, die mittels eines äußeren Feldes bewegt werden kann.
2. Mikropumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit elektrisch leitfahig ist und infolge einer Lorenztkraft, die auf bewegte Ladungsträger in der Flüssigkeit wirkt, senkrecht zu einem äußeren Magnetfeld bewegt werden kann.
3. Mikropumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit magnetisch leitfähig ist und mit Hilfe eines äußeren zirkulierenden Magnetfeldes bewegt werden kann.
4. Mikropumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal linear endlos zusammenhängend ausgeführt ist.
5. Mikropumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorhanden sind, die bei Betrieb der Pumpe eine Trennung der Flüssigkeit in zwei Teile bewirken, wobei ein Teil als Kolben und der andere Teil als Dichtung fungiert.
6. Mikropumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel eine Engstelle zwischen Auslass und Einlass umfassen.
7. Mikropumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel mikro- oder nanoporöse Strukturen umfassen.
8. Verwendung einer Mikropumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 als Vakuumpumpe in einem Mikrosystem.
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