EP2730335A1 - Mikrofluidische peristaltische Pumpe, Verfahren sowie Pumpsystem - Google Patents

Mikrofluidische peristaltische Pumpe, Verfahren sowie Pumpsystem Download PDF

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EP2730335A1
EP2730335A1 EP13191012.7A EP13191012A EP2730335A1 EP 2730335 A1 EP2730335 A1 EP 2730335A1 EP 13191012 A EP13191012 A EP 13191012A EP 2730335 A1 EP2730335 A1 EP 2730335A1
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EP
European Patent Office
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channel
peristaltic pump
membrane
pumping
microfluidic
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13191012.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas BRETTSCHNEIDER
Christian Dorrer
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F04B43/02—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B43/06—Pumps having fluid drive
    • F04B43/073—Pumps having fluid drive the actuating fluid being controlled by at least one valve
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    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
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    • F04B43/14—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having peristaltic action having plate-like flexible members

Definitions

  • electroosmotic pumps diaphragm pumps combined with valves, micromechanical peristaltic pumps, electrically actuated peristaltic pumps and thermo-pneumatically actuated peristaltic pumps are generally known as representatives of different designs.
  • the US Pat. No. 7,217,367 B2 describes a system for microfluidic chromatography using a microfluidic peristaltic pump.
  • the individual pumping chambers of the pump are each controlled via an associated valve, so that the production cost increases accordingly.
  • microfluidic peristaltic pump defined in claim 1 and the pumping system defined in claim 11 has the advantage over conventional solutions that now only a single integrated valve or only by the action of the individual channels as throttles in the (pneumatic) path to the pumping chambers a single interface to the outside world is necessary for all pumping chambers, whereas in conventional pneumatic peristaltic pumps each pumping chamber must be individually actuated by means of an associated valve. Due to this simplification in the construction of the pump according to the invention results in both the LOCs and the external drive unit lower costs, as well as increased reliability. When using a layer structure with Polymer substrates and a polymer membrane is a particularly cost-effective realization of the smallest structures possible, which are necessary for the throttling of gases.
  • the number of pumping chambers can be arbitrarily increased, without additional interfaces to the outside or additional valves are necessary.
  • a (inflow) channel is meant a structure that realizes a tubular connection, and may be formed, for example, as a (microfluidic) flow channel in a layered construction or as a separate conduit, for example in the manner of a tube or a tube ,
  • the fluidic resistance of a channel at a constant cross section is determined essentially by its length.
  • the channel acts as a (pneumatic) throttle, which is integrated in the channel, whereby the deflection of the diaphragm of a pumping chamber into defined cavities can be controlled in time by the integrated throttles.
  • the first membrane and the second membrane are formed from a polymer membrane.
  • a polymer membrane may be made of, for example, an elastomer, a thermoplastic elastomer, thermoplastics or a hot melt adhesive film.
  • the thickness of the polymer membrane can be between 5 .mu.m and 300 .mu.m.
  • the first membrane and the second membrane can be deflected into a flow channel, which is formed in a first polymer substrate.
  • the polymer substrate may be formed from thermoplastics such as PC, PP, PE, PMMA, COP, COC.
  • the thickness of the polymer substrate may be between 0.5 mm to 5 mm.
  • the diameter of the channels for connection to the pumping chamber in a polymer substrate may be between 200 ⁇ m to 3 mm.
  • the pump chambers may be formed as widenings.
  • the widenings may extend, for example, into the polymer substrate.
  • the cross-section of the pump chambers may be variable due to an expansion along one direction.
  • the volume of a pumping chamber can be between 1 mm 3 to 1000 mm 3 .
  • the first pumping chamber may have substantially the same cross section as an inlet connected to the first pumping chamber
  • the second pumping chamber may have substantially the same cross section as a drain connected to the second pumping chamber.
  • the first channel and the second channel may be formed in the polymer membrane.
  • the channels are here by recesses in formed the polymer membrane, so that the height of the channels is determined by the thickness of the polymer membrane, which can be realized very shallow channels.
  • the diameter of the channels in a polymer membrane can be between 1 .mu.m and 100 .mu.m.
  • the first channel and the second channel may be formed in a second polymer membrane.
  • the two polymer membranes are formed separately and spaced from each other at different levels.
  • a different polymer membrane than the polymer membrane responsible for the deflection of the pumping chambers can be used for the channels.
  • the polymer membrane for the channels may be chosen to be particularly thin (high fluidic resistance for the throttle channels) and the polymer membrane for the pumping chambers thicker (improved pumping reliability).
  • the pumping unit can be made with the channels on a much smaller footprint, as the channels can also run over the pumping chambers.
  • the channels can be operatively connected to the pumping chambers via through-holes.
  • the channels in combination with the above-described separation of the polymer membranes for the channels and the pumping chambers, there are advantages in producing the structures for connecting channels and pumping chambers, since these can be realized by means of through-holes.
  • the feed channel can be formed in a third polymer substrate, which is arranged above the second polymer membrane.
  • a third polymer substrate which is arranged above the second polymer membrane.
  • a pumping system comprising a first microfluidic peristaltic pump and a second microfluidic pump, wherein the first and the second pump are connected to the inlet channel, and for the first and the second pump, the respective products of the fluidic resistance of a channel and the fluidic capacity of the associated pumping chamber from each other, wherein a pump has a low-pass characteristic and another pump has a high-pass characteristic.
  • the following relationship applies: R ij ⁇ C ij ⁇ R i + 1 j + 1 ⁇ C i + 1 j + 1 .
  • the index i describes the respective pump of the pumping system and the index j describes the respective pumping chamber within the associated pump i.
  • a first pump has a low pass characteristic and is activated at low actuation frequency (s)
  • a second pump has a high pass characteristic and is activated at high actuation frequency (s).
  • a method for operating a microfluidic peristaltic pump which has an inlet channel, a first pumping chamber, which is operatively connected to the inlet channel via a first channel, and a first membrane, a second pumping chamber, which operatively connected via a second channel with the inlet channel , and having a second membrane, wherein the fluidic resistance of the first channel is different from the fluidic resistance of the second channel, comprising the steps of realizing a throttling function of each channel, so that the respective membranes upon application of a pressure in the inlet channel in a time sequence for realizing a pumping function are deflected.
  • the claimed method has the advantage that due to the effect of the individual channels as throttles in the (pneumatic) path to the pumping chambers now only a single integrated valve or only a single interface to the outside world for all pumping chambers is necessary, while in conventional pneumatic peristaltic Pumps each pumping chamber must be individually actuated by means of an associated valve. Due to this simplification in the functioning of the associated pump according to the invention, both the LOCs and the external drive unit are subject to lower costs and increased reliability.
  • the required structures in the polymer substrates and membranes can be produced for example by milling, injection molding, hot stamping, stamping or laser structuring.
  • Fig. 1 shows a schematic view of a microfluidic peristaltic pump 100 according to the invention in connection with the course of a pumping operation of the pump 100 according to the invention.
  • the inventive microfluidic peristaltic pump 100 is supplied via two pneumatic inputs 5 and 8 with compressed air for actuating the n pumping chambers 20, 50, 51, 52 and atmospheric pressure or vacuum.
  • the pneumatic inputs 5 and 8 are each separated by a first valve 1 and a second valve 2 from an inlet channel 10, which is divided into n channels 30, 60, 61, 62.
  • the inlet channel 10 and the channels 30, 60, 61, 62 may be formed independently of one another as a microfluidic flow channel in a layer structure or as a separate line, for example in the manner of a tube or tube.
  • the channels 30, 60, 61, 62 are connected to the n pumping chambers 20, 50, 51, 52, which are separated from the feeding channels by a flexible membrane 40, for example a polymer membrane.
  • the pumping chambers 20, 50, 51, 52 are fluidly connected to each other.
  • To the first pumping chamber 20 is also a fluidic inlet 200 and to the n-th pumping chamber 52, a drain 300 is connected.
  • the pumping chambers 20, 50, 51, 52 are designed as widenings. Alternatively, the Pumping chambers 20, 50, 51, 52 have the same cross-section as the inlet 200 or as the drain 300.
  • valves 1 and 2 are switched so that either the pneumatic access 5 or 8 is connected to the underlying fluidic network (instead of two valves 1 and 2, a single switching valve can be used).
  • the channels 30, 60, 61, 62 with the fluidic resistors R i thus act as pneumatic throttles, wherein instead of air and another Aktuianssmedium can be used, for example a mineral oil.
  • valves 1 and 2 are subsequently switched over, then the restoring forces of the polymer membrane 40 in the respective pumping chambers 20, 50, 51, 52 in connection with the different fluidic resistances R i will cause the polymer membrane 40 to relax in the reverse order, so that the fluid displaced in the direction of the drain 300 can not run back and new fluid is drawn in from the direction of the inlet 200. Subsequently, by switching over the valves 1, 2, the next cycle can be started.
  • the port 8 is not at atmospheric pressure, but negative pressure in order to perform the retraction of the polymer membranes 40, 70 faster and more reliable.
  • Fig. 2 shows a top view of a microfluidic peristaltic pump 100 according to a first embodiment of the present invention.
  • Fig. 3 shows a sectional view of the microfluidic peristaltic pump of Fig. 2 along the line AA
  • Fig. 4 shows a sectional view of the microfluidic peristaltic pump of Fig. 2 along the line BB.
  • Figs. 2 to 4 The first embodiment of the microfluidic peristaltic pump according to the invention will now be described. These and the embodiment described below preferably have lateral dimensions of 10 ⁇ 10 mm 2 to 200 ⁇ 200 mm 2 of the pump.
  • the microfluidic peristaltic pump 100 consists of a three-layer structure of a first polymer substrate 80 and a second polymer substrate 90, which are separated from each other by a flexible polymer membrane 110.
  • the first polymer substrate 80 has a pneumatic access 5, which is connected via an inlet channel 10 with three channels 30, 60, 61.
  • the channels 30, 60, 61 are formed by recesses in the polymer membrane 110, so that the height of the channels 30, 60, 61 defined by the thickness of the polymer membrane 110, which can realize very shallow channels.
  • the fluidic resistance of the channels 30, 60, 61 is determined in this embodiment by their different lengths.
  • the channels 30, 60, 61 terminate in connection channels 31, 32, 33 in the second polymer substrate 90.
  • the pump chambers 20, 50, 51 each have a membrane 40, 70, 71 which contains the pumping chamber from a flow channel 150 in the first polymer substrate 80 separates, in which the deflected membrane 40, 70, 71 extends.
  • An overpressure leads through the mechanism to a time-delayed deflection of the diaphragm 40, 70, 71 below the connection channels 31, 32, 33.
  • the membranes 40, 70, 71 in the direct vicinity of the connection channels 31, 32, 33 not with connected to the second polymer substrate 90.
  • the polymer membrane is connected to the second polymer substrate 90 such that the displacement units of the pump 100 are pneumatically isolated.
  • the membranes 40, 70, 71 are integrally formed with each other to the polymer membrane 110 and form a single component.
  • the fluidic resistances R i are connected through the channels with fluidic resistances R i one behind the other.
  • Fig. 5 shows a plan view of a microfluidic peristaltic pump 100 according to a second embodiment of the present invention
  • Fig. 6 shows a sectional view of the microfluidic peristaltic pump 100 of Fig. 5 along the line CC.
  • the second embodiment has an additional polymer membrane 120 and an additional polymer substrate 130.
  • the additional polymer substrate 130 has a pneumatic access 5.
  • the channels 30, 60, 61 are not located in the polymer membrane 110, but are formed in the second polymer membrane 120 and thus in another plane.
  • This embodiment has the particular advantage that for the channels 30, 60, 61, a different polymer membrane 120 than that for the deflection of the pumping chambers 20th , 50 responsible polymer membrane 110 can be used.
  • the second polymer membrane 120 may be selected to be particularly thin (high fluidic resistance for the channels 30, 60, 61) and the polymer membrane 110 thicker (improved pumping reliability).
  • the pumping unit including the channels 30, 60, 61 can be produced on a significantly smaller base area, since the channels 30, 60, 61 can also run over the pumping chambers.
  • the pumping chambers 20, 50 can be treated as fluidic capacitances C i .
  • a first pump can be designed so that the product of the capacitances C i with the resistors R i is large.
  • a second pump is designed so that R i * C i is small. In this way, short reaction times result for the first pump and short reaction times for the second pump. This leads advantageously to the fact that only the second pump works for fast switching frequencies of valves, but at low switching frequencies, both pumps. Thus, it is possible with only a single pneumatic interface to selectively connect the pump and to expand the possibilities for the realization of microfluidic processes.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine mikrofluidische peristaltische Pumpe (100), welche einen Zulaufkanal (10), eine erste Pumpkammer (20), welche über einen ersten Kanal (30) mit dem Zulaufkanal (10) wirkverbunden ist, und eine erste Membran (40), eine zweite Pumpkammer (50), welche über einen zweiten Kanal (60) mit dem Zulaufkanal (10) wirkverbunden ist, und eine zweite Membran (70) aufweist, wobei der fluidische Widerstand des ersten Kanals (30) von dem fluidischen Widerstand des zweiten Kanals (60) verschieden ist, und dabei jeder Kanal (30, 60) eine Drosselfunktion realisiert, so dass die jeweiligen Membranen (40, 70) beim Anliegen eines Drucks in dem Zulaufkanal (10) in einer zeitlichen Abfolge zum Realisieren einer Pumpfunktion ausgelenkt werden.

Description

    Stand der Technik
  • Zur Prozessierung von mikrofluidischen Abläufen in miniaturisierten Diagnosesystemen (Labs-on-a-Chip, LOCs) werden u. a. auch Mikropumpen auf dem LOC integriert. Neben der Vermeidung einer Kontamination von externen Pumpen mit Probenflüssigkeiten ergibt sich hierdurch insbesondere der Vorteil, dass auch sehr kleine Probenmengen und kleine Pumpraten günstig realisierbar sind.
  • Aus dem Stand der Technik sind allgemein als Vertreter unterschiedlicher Bauweisen bereits elektroosmotische Pumpen, Membranpumpen kombiniert mit Ventilen, mikromechanische peristaltische Pumpen, elektrisch aktuierte peristaltische Pumpen und thermo-pneumatisch aktuierte peristaltische Pumpen bekannt.
  • Die US 7 217 367 B2 beschreibt ein System für die mikrofluidische Chromatographie, bei dem eine mikrofluidische peristaltische Pumpe verwendet wird. Die einzelnen Pumpkammern der Pumpe werden jeweils über ein zugehöriges Ventil angesteuert, so dass sich der Herstellungsaufwand entsprechend erhöht.
    • Vorteile der Erfindung
  • Die in dem Anspruch 1 definierte mikrofluidische peristaltische Pumpe sowie das in Anspruch 11 definierte Pumpsystem weist gegenüber herkömmlichen Lösungen den Vorteil auf, dass durch die Wirkung der einzelnen Kanäle als Drosseln im (pneumatischen) Pfad zu den Pumpkammern nunmehr nur ein einziges integriertes Ventil bzw. nur eine einzige Schnittstelle zur Außenwelt für sämtliche Pumpkammern notwendig ist, während bei herkömmlichen pneumatischen peristaltischen Pumpen jede Pumpkammer einzeln mit Hilfe eines zugehörigen Ventils aktuiert werden muss. Aufgrund dieser Vereinfachung in der Bauweise der erfindungsgemäßen Pumpe ergeben sich sowohl für die LOCs als auch die externe Ansteuerungseinheit niedrigere Kosten, sowie eine erhöhte Zuverlässigkeit. Bei der Verwendung eines Schichtaufbaus mit Polymersubstraten und einer Polymermembran wird eine besonders kostengünstige Realisierung von kleinsten Strukturen ermöglicht, welche zur Drosselung von Gasen notwendig sind.
  • Im Gegensatz zu bekannten Pumpen kann die Anzahl an Pumpkammern beliebig erhöht werden, ohne dass zusätzliche Schnittstellen nach außen oder zusätzliche Ventile notwendig werden.
  • Im Gegensatz zu bekannten Pumpen ist es durch eine geschickte Auslegung der Pumpkammern und der integrierten Drosseln möglich, gezielt mehr als nur eine einzige Pumpe über die Umschaltfrequenz des steuernden Ventils zu aktivieren bzw. zu deaktivieren. Beispielsweise weist dabei eine Pumpe eine Tiefpasscharakteristik auf und wird bei niedrigen Umschaltfrequenzen aktiviert, und eine weitere Pumpe weist eine Hochpasscharakteristik auf und wird bei hohen Umschaltfrequenzen aktiviert. In diesem Falle ist auch bei mehreren Pumpen nur ein einziges Ventil bzw. eine einzige Schnittstelle zur Außenwelt notwendig.
  • Unter einem (Zulauf)kanal soll eine Struktur verstanden werden, welche eine röhrenartige Verbindung realisiert, und kann zum Beispiel als ein (mikrofluidischer) Strömungskanal in einem Schichtaufbau oder als eine separate Leitung, zum Beispiel in der Art eines Schlauchs oder eines Röhrchens, ausgebildet sein.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen mikrofluidischen peristaltischen Pumpe wird der fluidische Widerstand eines Kanals bei konstantem Querschnitt im Wesentlichen durch dessen Länge bestimmt. Somit wirkt der Kanal wie eine (pneumatische) Drossel, welche in dem Kanal integriert ist, wodurch sich das Auslenken der Membran einer Pumpkammer in definierte Kavitäten durch die integrierten Drosseln zeitlich steuern lässt.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen mikrofluidischen peristaltischen Pumpe sind die erste Membran und die zweite Membran aus einer Polymermembran ausgebildet. Hierbei wird lediglich eine einzige Polymermembran verwendet, wobei die einzelnen Membranen der jeweiligen Pumpkammern durch eine lokale Auslenkung dieser Polymermembran realisiert sind. Somit können die beiden Membranen als ein integrales Bauteil ausgebildet werden. Die Polymermembran kann zum Beispiel aus einem Elastomer, einem thermoplastischen Elastomer, Thermoplasten oder einer Schmelzklebefolie gebildet sein. Die Dicke der Polymermembran kann zwischen 5 µm bis 300 µm betragen.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen mikrofluidischen peristaltischen Pumpe können die erste Membran und die zweite Membran in einen Strömungskanal ausgelenkt werden, welcher in einem ersten Polymersubstrat ausgebildet ist. Für die Realisierung der erfindungsgemäßen mikrofluidischen peristaltischen Pumpe bietet wie oben stehend beschrieben die Verwendung eines polymeren Schichtaufbaus in Verbindung mit einer Polymermembran für die einzelnen Membranen der Pumpkammern wesentliche Vorteile im Hinblick auf deren kostengünstige Herstellung. Das Polymersubstrat kann aus Thermoplasten, wie zum Beispiel PC, PP, PE, PMMA, COP, COC gebildet sein. Die Dicke des Polymersubstrats kann zwischen 0,5 mm bis 5 mm betragen. Der Durchmesser der Kanäle zur Verbindung mit der Pumpkammer in einem Polymersubstrat kann zwischen 200 µm bis 3 mm betragen.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen mikrofluidischen peristaltischen Pumpe können die Pumpkammern als Aufweitungen ausgebildet sein. Die Aufweitungen können sich dabei zum Beispiel in das Polymersubstrat erstrecken. Hierbei kann der Querschnitt der Pumpkammern aufgrund einer Aufweitung entlang einer Richtung veränderlich sein. Das Volumen einer Pumpkammer kann zwischen 1 mm3 bis 1000 mm3 betragen.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen mikrofluidischen peristaltischen Pumpe kann die erste Pumpkammer im Wesentlichen denselben Querschnitt wie ein an die erste Pumpkammer angeschlossener Zulauf aufweisen, und die zweite Pumpkammer im Wesentlichen denselben Querschnitt wie ein an die zweite Pumpkammer angeschlossener Ablauf aufweisen. Dadurch kann in vorteilhafter Weise die Herstellung der Pumpkammern und der zugehörigen Zu- und Abläufe vereinfacht werden. Die erfindungsgemäße mikrofluidische peristaltische Pumpe kann ein Fluid sowohl in Richtung von dem Zulauf zu dem Ablauf, als auch bei einer entsprechenden Ansteuerung der Pumpkammern in Richtung von dem Ablauf zu dem Zulauf fördern und bewegen.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen mikrofluidischen peristaltischen Pumpe können der erste Kanal und der zweite Kanal in der Polymermembran ausgebildet sein. Die Kanäle werden hierbei durch Ausnehmungen in der Polymermembran gebildet, so dass die Höhe der Kanäle durch die Dicke der Polymermembran festgelegt wird, wodurch sich sehr flache Kanäle realisieren lassen. Der Durchmesser der Kanäle in einer Polymermembran kann zwischen 1 µm bis 100 µm betragen.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen mikrofluidischen peristaltischen Pumpe können der erste Kanal und der zweite Kanal in einer zweiten Polymermembran ausgebildet sein. Vorzugsweise sind die beiden Polymermembrane separat ausgebildet und beabstandet zueinander auf unterschiedlichen Ebenen angeordnet. Die hat insbesondere den Vorteil, dass für die Kanäle eine andere Polymermembran als die für die Auslenkung der Pumpkammern zuständige Polymermembran verwendet werden kann. So kann die Polymermembran für die Kanäle beispielsweise besonders dünn (hoher fluidischer Widerstand für die Drosselkanäle) und die Polymermembran für die Pumpkammern dicker (verbesserte Zuverlässigkeit beim Pumpen) gewählt werden. Zusätzlich kann die Pumpeinheit mit den Kanälen auf einer deutlich kleineren Grundfläche hergestellt werden, da die Kanäle auch über den Pumpkammern verlaufen können.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen mikrofluidischen peristaltischen Pumpe können die Kanäle mit den Pumpkammern über Durchgangslöcher wirkverbunden sein. Bei dieser Gestaltung ergeben sich in Verbindung mit der vorstehend beschriebenen Trennung der Polymermembranen für die Kanäle und die Pumpkammern Vorteile bei der Herstellung der Strukturen zur Verbindung von Kanälen und Pumpkammern, da diese mit Hilfe von Durchgangslöchern realisiert werden können.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen mikrofluidischen peristaltischen Pumpe kann der Zulaufkanal in einem dritten Polymersubstrat ausgebildet sein, welches oberhalb der zweiten Polymermembran angeordnet ist. Hierbei wird insbesondere bei getrennten Polymermembranen der Kanäle und der Pumpkammern für eine stabile und zuverlässige Anbindung des Zulaufkanals gesorgt.
  • Des Weiteren wird ein Pumpsystem beansprucht, aufweisend eine erste mikrofluidische peristaltische Pumpe und eine zweite mikrofluidische Pumpe, wobei die erste und die zweite Pumpe mit dem Zulaufkanal verbunden sind, und sich für die erste und die zweite Pumpe die jeweiligen Produkte aus dem fluidischen Widerstand eines Kanals und der fluidischen Kapazität der zugehörigen Pumpkammer voneinander unterscheiden, wobei eine Pumpe eine Tiefpasscharakteristik aufweist und eine andere Pumpe eine Hochpasscharakteristik aufweist. Dabei gilt folgender Zusammenhang: Rij·Cij ≠ Ri+1j+1·Ci+1j+1. Der Index i beschreibt dabei die jeweilige Pumpe des Pumpsystems und der Index j beschreibt die jeweilige Pumpkammer innerhalb der zugehörigen Pumpe i. So weist beispielsweise eine erste Pumpe eine Tiefpasscharakteristik auf und wird bei niedriger/n Aktuierungsfrequenz(en) aktiviert, und eine zweite Pumpe weist eine Hochpasscharakteristik auf und wird bei hoher/n Aktuierungsfrequenz(en) aktiviert.
  • Des Weiteren wird ein Verfahren zum Betreiben einer mikrofluidischen peristaltischen Pumpe beansprucht, welche einen Zulaufkanal, eine erste Pumpkammer, welche über einen ersten Kanal mit dem Zulaufkanal wirkverbunden ist, und eine erste Membran, eine zweite Pumpkammer, welche über einen zweiten Kanal mit dem Zulaufkanal wirkverbunden ist, und eine zweite Membran aufweist, wobei der fluidische Widerstand des ersten Kanals von dem fluidischen Widerstand des zweiten Kanals verschieden ist, aufweisend die Schritte des Realisieren einer Drosselfunktion von jedem Kanal, so dass die jeweiligen Membranen beim Anliegen eines Drucks in dem Zulaufkanal in einer zeitlichen Abfolge zum Realisieren einer Pumpfunktion ausgelenkt werden.
  • Das beanspruchte Verfahren weist den Vorteil auf, dass durch die Wirkung der einzelnen Kanäle als Drosseln im (pneumatischen) Pfad zu den Pumpkammern nunmehr nur ein einziges integriertes Ventil bzw. nur eine einzige Schnittstelle zur Außenwelt für sämtliche Pumpkammern notwendig ist, während bei herkömmlichen pneumatischen peristaltischen Pumpen jede Pumpkammer einzeln mit Hilfe eines zugehörigen Ventils aktuiert werden muss. Aufgrund dieser Vereinfachung in der Funktionsweise der zugehörigen erfindungsgemäßen Pumpe ergeben sich sowohl für die LOCs als auch die externe Ansteuerungseinheit niedrigere Kosten, sowie eine erhöhte Zuverlässigkeit.
  • Die benötigten Strukturen in den Polymersubstraten und -membranen können beispielsweise durch Fräsen, Spritzguss, Heißprägen, Stanzen oder Laserstrukturierung hergestellt werden.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die vorliegende Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen erklärt. Es zeigt dabei
    • Fig. 1: eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen mikrofluidischen peristaltischen Pumpe,
    • Fig. 2: eine Draufsicht einer mikrofluidischen peristaltischen Pumpe gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
    • Fig. 3: eine Schnittansicht der mikrofluidischen peristaltischen Pumpe von Fig. 2 entlang der Linie A-A,
    • Fig. 4: eine Schnittansicht der mikrofluidischen peristaltischen Pumpe von Fig. 2 entlang der Linie B-B,
    • Fig. 5: eine Draufsicht einer mikrofluidischen peristaltischen Pumpe gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
    • Fig. 6: eine Schnittansicht der mikrofluidischen peristaltischen Pumpe von Fig. 5 entlang der Linie C-C.
    Ausführungsformen der Erfindung
  • Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen mikrofluidischen peristaltischen Pumpe 100 in Verbindung mit dem Ablauf eines Pumpvorgangs der erfindungsgemäßen Pumpe 100.
  • Die erfindungsgemäße mikrofluidische peristaltische Pumpe 100 wird über zwei pneumatische Eingänge 5 und 8 mit Druckluft zum Aktuieren der n Pumpkammern 20, 50, 51, 52 und Atmosphärendruck oder Vakuum versorgt. Die pneumatischen Eingänge 5 und 8 sind jeweils durch ein erstes Ventil 1 und ein zweites Ventil 2 von einem Zulaufkanal 10 getrennt, welcher sich in n Kanäle 30, 60, 61, 62 aufteilt. Der Zulaufkanal 10 und die Kanäle 30, 60, 61, 62 können unabhängig voneinander als ein mikrofluidischer Strömungskanal in einem Schichtaufbau oder als eine separate Leitung, zum Beispiel in der Art eines Schlauchs oder Röhrchens, ausgebildet sein. Jeder Kanal 30, 60, 61, 62 weist einen spezifischen fluidischen Widerstand R1 bis Rn auf, wobei R 1 < R 2 < … < R i < … R n für i = 1 … n .
    Figure imgb0001
  • Die Kanäle 30, 60, 61, 62 sind verbunden mit den n Pumpkammern 20, 50, 51, 52, welche durch eine flexible Membran 40, beispielsweise einer Polymermembran, von den zuführenden Kanälen getrennt sind. Die Pumpkammern 20, 50, 51, 52 sind untereinander fluidisch verbunden. An die erste Pumpkammer 20 ist außerdem ein fluidischer Zulauf 200 und an die n-te Pumpkammer 52 ist ein Ablauf 300 angeschlossen. Die Pumpkammern 20, 50, 51, 52 sind als Aufweitungen ausgeführt. Alternativ dazu können die Pumpkammern 20, 50, 51, 52 denselben Querschnitt wie der Zulauf 200 bzw. wie der Ablauf 300 haben.
  • Die Ventile 1 und 2 werden so geschaltet, dass entweder der pneumatische Zugang 5 oder 8 mit dem dahinterliegenden fluidischen Netzwerk verbunden ist (statt zwei Ventilen 1 und 2 kann auch ein einzelnes Umschaltventil benutzt werden). Wird an den Zugang 1 ein Überdruck und der Zugang 8 an Atmosphäre angeschlossen und der Überdruck an das fluidische Netzwerk übertragen, so führen die unterschiedlichen fluidischen Widerstände Ri in den Kanälen 30, 60, 61, 62 dazu, dass sich die flexible Polymermembran 40 in den Pumpkammern 20, 50, 51, 52 zeitlich verzögert auslenkt und das Fluid in Richtung des Ablaufs 300 gepumpt wird, bis die letzte Pumpkammer 52 voll ausgelenkt wurde. Die Kanäle 30, 60, 61, 62 mit den fluidischen Widerständen Ri wirken demnach als pneumatische Drosseln, wobei anstelle von Luft auch ein anderes Aktuierungsmedium verwendet werden kann, zum Beispiel ein Mineralöl.
  • Werden anschließend die Ventile 1 und 2 umgeschaltet, so führen die Rückstellkräfte der Polymermembrane 40 in den jeweiligen Pumpkammern 20, 50, 51, 52 im Zusammenhang mit den unterschiedlichen fluidischen Widerständen Ri dazu, dass sich die Polymermembrane 40 in umgekehrter Reihenfolge entspannt, so dass das in Richtung des Ablaufs 300 verdrängte Fluid nicht zurücklaufen kann und aus der Richtung des Zulaufs 200 neues Fluid angesaugt wird. Anschließend kann durch Umschalten der Ventile 1, 2 der nächste Zyklus gestartet werden.
  • In einer anderen nicht dargestellten Ausführungsform liegt der Anschluss 8 nicht auf Atmosphärendruck, sondern Unterdruck, um das Zurückziehen der Polymermembranen 40, 70 schneller und zuverlässiger durchführen zu können.
  • Fig. 2 zeigt eine Draufsicht einer mikrofluidischen peristaltischen Pumpe 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht der mikrofluidischen peristaltischen Pumpe von Fig. 2 entlang der Linie A-A, und Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht der mikrofluidischen peristaltischen Pumpe von Fig. 2 entlang der Linie B-B. Bezugnehmend auf Figs. 2 bis 4 wird nun die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen mikrofluidischen peristaltischen Pumpe beschrieben werden. Diese und die nachfolgend beschriebene Ausführungsform weisen vorzugsweise laterale Abmessungen von 10 × 10 mm2 bis 200 × 200 mm2 der Pumpe auf.
  • Die mikrofluidische peristaltische Pumpe 100 besteht aus einem Drei-Schicht-Aufbau aus einem ersten Polymersubstrat 80 und einem zweiten Polymersubstrat 90, welche durch eine flexible Polymermembran 110 voneinander getrennt sind. Das erste Polymersubstrat 80 weist einen pneumatischen Zugang 5 auf, welcher über einen Zulaufkanal 10 mit drei Kanälen 30, 60, 61 verbunden ist. Die Kanäle 30, 60, 61 werden durch Ausnehmungen in der Polymermembran 110 gebildet, so dass die Höhe der Kanäle 30, 60, 61 durch die Dicke der Polymermembran 110 definiert wird, wodurch sich sehr flache Kanäle realisieren lassen. Der fluidische Widerstand der Kanäle 30, 60, 61 wird in diesem Ausführungsbeispiel durch ihre unterschiedliche Länge festgelegt.
  • Die Kanäle 30, 60, 61 enden in Anschlusskanälen 31, 32, 33 im zweiten Polymersubstrat 90. Die Pumpkammern 20, 50, 51 weisen jeweils eine Membran 40, 70, 71 auf, welche die Pumpkammer von einem Strömungskanal 150 in dem ersten Polymersubstrat 80 trennt, in welchen sich die ausgelenkte Membran 40, 70, 71 erstreckt. Ein Überdruck führt durch den Mechanismus zu einer zeitlich verzögerten Auslenkung der Membrane 40, 70, 71 unterhalb der Anschlusskanäle 31, 32, 33. Hierzu sind die Membranen 40, 70, 71 in der direkten Umgebung zu den Anschlusskanälen 31, 32, 33 nicht mit dem zweiten Polymersubstrat 90 verbunden. Im Bereich zwischen den Anschlusskanälen 31, 32, 33 ist die Polymermembran jedoch derart mit dem zweiten Polymersubstrat 90 verbunden, dass die Verdrängungseinheiten der Pumpe 100 pneumatisch isoliert sind. Die Membranen 40, 70, 71 sind integral miteinander zu der Polymermembran 110 ausgebildet und bilden ein einziges Bauteil.
  • In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform sind die fluidischen Widerstände Ri, nicht als Parallel- sondern als Serienschaltung realisiert, d.h. die Pumpkammern werden durch die Kanäle mit fluidischen Widerständen Ri hintereinander verbunden.
  • Fig. 5 zeigt eine Draufsicht einer mikrofluidischen peristaltischen Pumpe 100 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht der mikrofluidischen peristaltischen Pumpe 100 von Fig. 5 entlang der Linie C-C. Bezugnehmend auf Fig. 5 und 6 wird nun die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen mikrofluidischen peristaltischen Pumpe beschrieben werden.
  • Im Gegensatz zu der ersten Ausführungsform weist die zweite Ausführungsform eine zusätzliche Polymermembran 120 und ein zusätzliches Polymersubstrat 130 auf. Das zusätzliche Polymersubstrat 130 weist einen pneumatischen Zugang 5 auf. Die Kanäle 30, 60, 61 befinden sich nicht in der Polymermembran 110, sondern werden in der zweiten Polymermembran 120 und damit in einer anderen Ebene ausgebildet. Die fluidische Verbindung zu den Pumpkammern 20, 50 erfolgt über Durchlöcher 140, 141, 142 im zweiten Polymersubstrat 90. Diese Ausführungsform hat insbesondere den Vorteil, dass für die Kanäle 30, 60, 61 eine andere Polymermembran 120 als die für die Auslenkung der Pumpkammern 20, 50 zuständige Polymermembran 110 verwendet werden kann. So kann die zweite Polymermembran 120 beispielsweise besonders dünn (hoher fluidischer Widerstand für die Kanäle 30, 60, 61) und die Polymermembran 110 dicker (verbesserte Zuverlässigkeit beim Pumpen) gewählt werden. Zusätzlich kann die Pumpeinheit inklusive der Kanäle 30, 60, 61 auf einer deutlich kleineren Grundfläche hergestellt werden, da die Kanäle 30, 60, 61 auch über den Pumpkammern verlaufen können.
  • Die Pumpkammern 20, 50 können als fluidische Kapazitäten Ci behandelt werden. In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform kann eine erste Pumpe so ausgelegt werden, dass das Produkt aus den Kapazitäten Ci mit den Widerständen Ri groß ist. Eine zweite Pumpe wird so ausgelegt, dass Ri*Ci klein ist. Auf diese Weise ergeben sich für die erste Pumpe lange und für die zweite Pumpe kurze Reaktionszeiten. Dies führt in vorteilhafter Weise dazu, dass für schnelle Umschaltfrequenzen von Ventilen nur die zweite Pumpe arbeitet, bei langsamen Umschaltfrequenzen jedoch beide Pumpen. Damit ist es mit nur einer einzelnen pneumatischen Schnittstelle möglich, die Pumpe selektiv zuzuschalten und die Möglichkeiten zur Realisierung mikrofluidischer Abläufe zu erweitern.

Claims (12)

  1. Mikrofluidische peristaltische Pumpe (100), aufweisend
    einen Zulaufkanal (10),
    eine erste Pumpkammer (20), welche über einen ersten Kanal (30) mit dem Zulaufkanal (10) wirkverbunden ist, und eine erste Membran (40),
    eine zweite Pumpkammer (50), welche über einen zweiten Kanal (60) mit dem Zulaufkanal (10) wirkverbunden ist, und eine zweite Membran (70),
    wobei der fluidische Widerstand des ersten Kanals (30) von dem fluidischen Widerstand des zweiten Kanals (60) verschieden ist, und dabei jeder Kanal (30, 60) eine Drosselfunktion realisiert, so dass die jeweiligen Membranen (40, 70) beim Anliegen eines Drucks in dem Zulaufkanal (10) in einer zeitlichen Abfolge zum Realisieren einer Pumpfunktion ausgelenkt werden.
  2. Mikrofluidische peristaltische Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der fluidische Widerstand eines Kanals (30, 60) bei konstantem Querschnitt im Wesentlichen durch dessen Länge bestimmt wird.
  3. Mikrofluidische peristaltische Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Membran (40) und die zweite Membran (70) aus einer Polymermembran (110) ausgebildet sind.
  4. Mikrofluidische peristaltische Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste Membran (40) und die zweite Membran (70) in einen Strömungskanal (150) ausgelenkt werden, welcher in einem ersten Polymersubstrat (80) ausgebildet ist.
  5. Mikrofluidische peristaltische Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpkammern (20, 50) als Aufweitungen ausgebildet sind.
  6. Mikrofluidische peristaltische Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Pumpkammer (20) im Wesentlichen denselben Querschnitt wie ein an die erste Pumpkammer (20) angeschlossener Zulauf (200) aufweist, und die zweite Pumpkammer (50) im Wesentlichen denselben Querschnitt wie ein an die zweite Pumpkammer (50) angeschlossener Ablauf (300) aufweist.
  7. Mikrofluidische peristaltische Pumpe nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kanal (30) und der zweite Kanal (60) in der Polymermembran (110) ausgebildet sind.
  8. Mikrofluidische peristaltische Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kanal (30) und der zweite Kanal (60) in einer zweiten Polymermembran (120) ausgebildet sind.
  9. Mikrofluidische peristaltische Pumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (30, 60, 61) mit den Pumpkammern (40, 70, 71) über Durchgangslöcher (140, 141, 142) wirkverbunden sind.
  10. Mikrofluidische peristaltische Pumpe nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Zulaufkanal (10) in einem dritten Polymersubstrat (130) ausgebildet ist, welches oberhalb der zweiten Polymermembran (120) angeordnet ist.
  11. Pumpsystem, aufweisend eine erste mikrofluidische peristaltische Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und eine zweite mikrofluidische Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Pumpe mit dem Zulaufkanal verbunden sind, und sich für die erste und die zweite Pumpe die jeweiligen Produkte aus dem fluidischen Widerstand eines Kanals (30, 60) und der fluidischen Kapazität der zugehörigen Pumpkammer (20, 50) voneinander unterscheiden, wobei eine Pumpe eine Tiefpasscharakteristik aufweist und eine andere Pumpe eine Hochpasscharakteristik aufweist.
  12. Verfahren zum Betreiben einer mikrofluidischen peristaltischen Pumpe, mit einen Zulaufkanal (10),
    einer ersten Pumpkammer (20), welche über einen ersten Kanal (30) mit dem Zulaufkanal (10) wirkverbunden ist, und einer ersten Membran (40),
    einer zweiten Pumpkammer (50), welche über einen zweiten Kanal (60) mit dem Zulaufkanal (10) wirkverbunden ist, und einer zweiten Membran (70),
    wobei der fluidische Widerstand des ersten Kanals (30) von dem fluidischen Widerstand des zweiten Kanals (60) verschieden ist, aufweisend die Schritte:
    Realisieren einer Drosselfunktion von jedem Kanal (30, 60), so dass die jeweiligen Membranen (40, 70) beim Anliegen eines Drucks in dem Zulaufkanal (10) in einer zeitlichen Abfolge zum Realisieren einer Pumpfunktion ausgelenkt werden.
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