NL8302860A

NL8302860A - Piezo-elektrische micropomp.

Info

Publication number: NL8302860A
Application number: NL8302860A
Authority: NL
Original assignee: Stichting Ct Voor Micro Elektr
Priority date: 1983-08-15
Filing date: 1983-08-15
Publication date: 1985-03-01
Also published as: EP0134614A1

Description

-1- & * «s#

X Sch/gn/1, CME

*

Korte aanduiding: Piëzo-elektrische microporap

De uitvinding betreft een micropomp met tenminste twee kleppen en tenminste één verdringer welke kleppen en welke verdringer piëzo-elektrisch bestuurbaar zijn.

Een dergelijke micropomp is bekend uit het artikel "An 5 Electronically Controlled Piezoelectric Insulin Pump and Valves" van W.J. Spencer e.a. uit de "IEEE Transactions On Sonics and Ultrasonics", vol. SU-25, No. 3, Mei 1978, pagina’s 153 t/m 156. Deze bekende pomp is uitgevoerd op basis van een bekend principe, namelijk het gebruik van een 10 selectief te openen en te sluiten inlaatklep en uitlaatklep, alsmede een verdringer. Zowel de kleppen als de verdringer zijn uitgevoerd als zogenaamde bimorfs of als op een bijvoorbeeld metalen membraan aangebrachte monomorfs, d.w.z. piëzo-elektrisch bestuurbare elementen van een bepaald soort.

15 Dergelijke elementen hebben de eigenschap, bij het aanleggen van een elektrisch veld vanuit een stabiele rustpositie, bijvoorbeeld een vlakke positie, een ten opzichte daarvan uitgeweken positie, bijvoorbeeld een holle dan wel bolle positie in te nemen.

20 De genoemde pomp volgens Spencer vertoont het nadeel dat hij een drukafhankelijke dosering levert. Bovendien moeten speciale voorzorgen worden genomen om te zorgen, dat de in de vloeistof aanwezige kleppen elektrisch geïsoleerd zijn.

In het algemeen stelt de uitvinding zich ten doel, de 25 nadelen van de bekende techniek weg te nemen.

De uitvinding beoogt, een micropomp zodanig uit te voeren, dat hij kan worden vervaardigd door gebruikmaking van technieken die zich lenen voor massaproduktie.

Verder stelt de uitvinding zich ten doel een micropomp 30 zodanig uit te voeren dat hij langs eenvoudige weg vervaardigd kan worden, zodat hij goedkoop is.

83 Q 2 3 3 0 H ' __ _____ _____ <% ** 1 -2-

Een verder doel van de uitvinding is, een micropomp zodanig uit te voeren dat hij een nauwkeurige en drukonafhan-kelijke dosering biedt.

Een ander doel van de uitvinding is, een micropomp 5 zodanig uit te voeren, dat hij zich leent voor miniaturisatie. Dit kan in het bijzonder van belang zijn voor te implanteren pompen voor bijvoorbeeld het gedoseerd toedienen aan diabetici van insuline.

Tenslotte stelt de uitvinding zich ten doel, mogelijk-10 heden te bieden om een micropomp in volledig geïntegreerde vorm uit te voeren. In dit verband kan ook worden gedacht aan het met de pomp geïntegreerd uitvoeren van een besturingsschakeling met gebruikmaking van bijvoorbeeld een bekende silicium-technologie.

15 Ter bereiking van bovengenoemde doelstellingen verschaft de uitvinding allereerst een micropomp van het in de aanhef vermelde type, die volgens de uitvinding het kenmerk vertoont dat de kleppen en de verdringer functioneel identiek zijn, in serie in een kanaal zijn opgenomen en bestuurbaar zijn voor 20 het verkrijgen van een peristaltische verdringing van het door dat kanaal te verpompen medium.

In het bijzonder kan een dergelijke pomp zodanig zijn uitgevoerd, dat hij in hoofdzaak bestaat uit een blok met een kanaal dat ter onderbreking ter plaatse van elke verdringer/-25 klep met gescheiden openingen aan een oppervlak uitmondt.

In het bijzonder kan een variant worden toegepast, waarvan het kanaal uit gescheiden delen bestaat, die elk met hun einde in het oppervlak van het blok uitmonden en door een verdringerAlep met een voorgaand respectievelijk volgend 30 kanaaldeel verbindbaar zijn.

Bij voorkeur wordt gebruik gemaakt van een uitvoering, waarin de pomp een van het kanaal voorziene schijf van bijvoorbeeld glas of silicium omvat. Een dergelijke variant maakt het gebruik van een of meer op zichzelf bekende IC-35 technologieën mogelijk. Dit zijn zeer bekende technologieën, die op brede schaal op halfgeleiderterrein toepassing vinden, hetgeen hen in die zin aantrekkelijk maken, dat alle 830 2 3 3 0

A

m

V

-3- mogelijkheden en beperkingen ervan bekend zijn.

In dit verband kan met voordeel gebruik worden gemaakt van een uitvoering, waarbij de silicium-schijf tenminste één met de kleppen/verdringers verbonden geïntegreerde bestu-5 ringsschakeling draagt. Bij het vervaardigen van een pomp van dit laatste type kan de constructie van de pomp in één bewerking plaatsvinden met de vervaardiging van het besturings-schakeling, aangezien voor beide dezelfde techniek wordt toegepast.

10 Met voordeel kan gebruik worden gemaakt van een uitvoe- ringsvoorbeeld, waarvan elke inlaatopening is uitgevoerd als een aan het kanaal aangesloten ringvormige verdieping en elke uitlaatopening daarmee althans in hoofdzaak concentrisch is geplaatst.

15 Gebruik kan worden gemaakt van bimorfs, zoals boven reeds is vermeld in verband met het artikel in de IEEE Transactions On Sonics and Ultrasonics. Ook kan een uitvoering worden toegepast, waarin elke klep/verdringer is uitgevoerd als ronde schijf, waarop concentrisch een ronde piëzo-2Q elektrische draagschijf is aangebracht. De draagschijf kan bijvoorbeeld uit glas of kwarts bestaan.

Teneinde een grote mechanische effectiviteit te combineren met een geringe hoeveelheid materiaal strekt bij voorkeur elke piëzoelektrische schijf zich ten hoogste uit 25 tot de contourlijn, die de buigpunten van de met de piëzoelektrische schijf gekoppelde draagschijf verbindt. In het geval, waarin de rand van de ronde draagschijf zodanig met het corresponderende oppervlak van het pomplichaam is verbonden, dat hij ter plaatse niet kan buigen, geldt in dit 30 verband voor een vrije draagschijf een radius van deze contourlijn van omstreeks 0,6 van de totale vrije straal van de draagschijf. Het zal duidelijk zijn dat deze factor voor de combinatie draagschijf/piëzo-elektrische schijf in het algemeen een andere waarde zal hebben.

35 Teneinde een lange levensduur van de pomp te garanderen en te verzekeren dat te verpompen medium niet wordt verontreinigd met van de pomp afkomstig materiaal, verdient die variant de voorkeur waarin alle met te verpompen medium in 83 0 ?0 60 W ______^ % k -4- aanraking komende oppervlakken chemisch inert zijn. Met te verpompen vloeistof in aanraking komende, spanningvoerende delen zijn bij voorkeur ten opzichte van die vloeistof elektrisch geïsoleerd. Bij gebruik van silicium als basis-5 materiaal kunnen de betreffende oppervlakken van een nitride-of oxydelaag zijn voorzien.

De uitvinding zal nu worden toegelicht aan de hand van de tekening van enkele uitvoeringsvoorbeelden. In de tekening tonen: 10 Fig. 1 een eerste uitvoeringsvoorbeeld van een pomp volgens de uitvinding in perspectivisch, gedeeltelijk weggebroken aanzicht;

Fig. 2 een perspectivisch aanzicht van een variant van de pomp volgens fig. 1; 15 Fig. 3 ten dele een dwarsdoorsnede en ten dele een perspectivisch aanzicht van een gedeelte van een pomp volgens de uitvinding;

Fig. 4 een dwarsdoorsnede door een klep/verdringer ter toelichting van de werking daarvan; 20 Fig. 5 een gedeeltelijk weggebroken perspectivisch aanzicht van een verder uitvoeringsvoorbeeld;

Fig. 6 gedeeltelijk een dwarsdoorsnede en gedeeltelijk een perspectivisch aanzicht van een deel van een volgend uitvoeringsvoorbeeld; en 25 Fig. 7 een schematisch bovenaanzicht van een volledig geïntegreerd uitgevoerde pomp volgens de uitvinding.

Fig. 1 toont een pomp 1. Deze omvat een blok 2 waarin zich een kanaal 3 bevindt dat op drie posities 4, 5, 6 aan het bovenoppervlak 7 uitmondt. Het kanaal is aangesloten aan 3Q een toevoerleiding 8 en een afvoerleiding 9.

Ter plaatse van de posities 4, 5, 6 bevinden zich piëzo-elektrische elementen 10, 11, 12. Deze elementen zijn schijfvormig uitgevoerd, zijn afdichtend met het bovenoppervlak 7 gekoppeld en kunnen door niet-getekende middelen 35 worden bewogen vanuit een stabiele rustpositie, waarin ze vlak aanliggen op een bovenvlak 7 en een uitgeweken positie, waarin ze een bolle vorm vertonen.

83 02 030 -5-

Het uitvoeringsvoorbeeld volgens fig. 1 werkt als volgt. Allereerst wordt het piëzo-elektrische element 10 elektrisch aangestuurd waardoor het een bolvorm aanneemt en te verpompen medium aanzuigt vanuit de toevoerleiding 8 en deze leiding 8 5 in open verbinding brengt met het kanaal 3. Vervolgens wordt het piëzo-elektrische element 11 op een soortgelijke wijze bestuurd, waardoor het medium zich verder kan verplaatsen vanaf het element 10 naar het element 11. Vervolgens wordt het element 10 teruggebracht in zijn ruststand. Tegelijker-1Q tijd of daarna wordt het element 12 naar zijn uitgeweken toestand gebracht, een en ander zodanig, dat het te verpompen medium zich in de richting van dat element 12 gaat verplaatsen. Wordt vervolgens het element 11 van zijn bekrachtiging ontdaan, dan wordt het medium verder in de richting van de 15 afvoerleiding 9 gepompt. Tenslotte wordt het element 12 in zijn ruststand teruggebracht, waardoor het medium naar de afvoerleiding 9 wordt verplaatst, waarna de cyclus herhaald kan worden.

Deze zeer summiere uiteenzetting zal volstaan om het 2Q principe van de peristaltische pomp volgens de uitvinding aan te duiden. Met nadruk wordt erop gewezen, dat de piëzo-elektrische elementen 10, 11 en 12 volledig identiek zijn.

Fig. 2 toont een pomp 13 van hetzelfde type als de pomp 1 volgens fig. 1. De pomp 13 verschilt evenwel in die zin van 25 de pomp 1, dat hij niet langwerpig is uitgevoerd' maar gross© modo driehoekig. De piëzo-elektrische elementen 10, 11, 12 werken samen met een kanaal 14 van aan de configuratie volgens fig. 2 aangepaste vorm.

Fig. 3 toont een opbouw van een deel van een pomp, 30 waarvan er in elke pomp immers tenminste drie aanwezig dienen te zijn, bestaande uit een glazen drager 15 met plaatselijk verhogingen 16 en een door die drager 15 gedragen silicium-schijf 17, die een glazen membraan 18 draagt, waarop een piëzo-elektrische schijf 19 is aangebracht, welke schijf 19 35 een bovenste elektrode 20 en een onderste elektrode 21 vertoont, die via aansluitingen 22, 23 met een elektrische besturingsschakeling kunnen worden verbonden. Over een ring- 83 0 2 8 6 0 \ _ ·' fc *

V

-6- vormig oppervlak 24 is het glazen membraan 18 door anodisch bonden gehecht aan het bovenoppervlak 25 van de silicium-schijf 17. Tussen de glazen drager 15 en de siliciumschijf 17 strekt zich een inlaatkanaaldeel 26 en een uitlaatkanaaldeel 5 27 uit. Het inlaatkanaaldeel 26 sluit aan aan een ringvormige verdieping 28 in de siliciumschijf 17. Concentrisch daarmee is een uitlaatopening 29 aangebracht, die aansluit op het uitlaatkanaaldeel 27. Opgemerkt wordt, dat de pomp door keuze van een andere besturing ook in omgekeerde richting kan 10 werken. Het inlaatkanaaldeel en het uitlaatkanaaldeel wisselen dan van functie. Het zal na de uiteenzetting aan de hand van fig. 1 duidelijk zijn, dat het inlaatkanaaldeel 26 kan aansluiten aan hetzij een toevoerleiding of een uitlaatkanaaldeel van een voorgaand, identiek element. Evenzo kan 15 uitlaatkanaaldeel uitmonden aan een afvoerleiding of een inlaatkanaaldeel van een volgend, identiek element.

Fig. 4 toont een dwarsdoorsnede door het glazen membraan 18, dat over het ringvormige oppervlak 24 star is gehecht aan de siliciumschijf 17.

20 Zoals in deze fig. duidelijk te zien is, kan door het aanleggen van een spanning tussen de aansluitingen 22 en 23, en daarmee het aanleggen van een elektrisch veld tussen de elektroden 20 en 21 worden bereikt, dat de piëzo-elektrische schijf samen met het glazen membraan 18 een gewelfde vorm 25 gaat innemen. Deze gewelfde vorm is het gevolg van de omstandigheid, dat door het aangelegde elektrische veld de piëzo-elektrische schijf 19 een diametervergroting (bij aanleggen van een tegengesteld elektrisch veld een diameter-verkleining) wil ondergaan, die evenwel wordt tegengewerkt 30 door de hechting aan het glazen membraan 18. Door deze wafel-structuur kan de neiging tot diametervergroting slechts uitwerken in het aannemen van een gewelfde vorm.

In fig. 4 is verder duidelijk te zien, dat, gaande van het ringvormige oppervlak 24 in de richting van het midden 35 van het membraan 18 aanvankelijk de kromming naar buiten is gericht, en vervolgens naar binnen is gericht. De overgang van de naar buiten gerichte kromming naar de naar binnen 83 0 2 3 3 0

_ A

* -7- gerichte kromming is een buigpunt, althans in de twee-dimen-sionale doorsnedevorm volgens fig. 4. Het gehele membraan 18 vertoont, zoals duidelijk zal zijn, een cirkelvormige buiglijn.

5 Ter verkrijging van een zo groot mogelijke mechanische effectiviteit strekt de piëzo-elektrische schijf 19 zich bij voorkeur ten hoogste uit tot de contourlijn, die de buigpunten van de combinatie membraan/piëzo-elektrische schijf verbindt.

10 Ten overvloede wordt gewezen op het verschil tussen de vlakke rustpositie van het membraan 18 volgens fig. 3 en de gekromde, bekrachtigde positie volgens fig. 4. Na de voorgaande uiteenzetting zal duidelijk zijn dat door gebruikmaking van een configuratie met tenminste drie 15 elementen overeenkomstig fig. 3 een pompwerking kan worden verkregen overeenkomstig de figuren 1 en 2, een pompwerking die in fig. 3 met pijlen 30 is aangeduid. Zoals reeds eerder aangeduid kan de pompwerking ook in omgekeerde richting plaatsvinden door een daaraan aangepaste besturing.

2Q Fig. 5 toont een pomp 31 die bestaat uit een seriescha- keling of cascadering van elementen volgens fig. 3.

Fig. 6 toont een geïntegreerde variant, die ten dele overeenstemt met de uitvoering volgens fig. 3. Corresponderende elementen zijn in fig. 6 dan ook met dezelfde verwij-25 zingsgetallen aangeduid als in fig. 3.

De siliciumschijf 17 draagt op zijn bovenoppervlak 25 een plaat 32 van silicium. Plaatselijk vertoont deze plaat een uitsparing of verdieping 33, zodanig dat de bodem daarvan een silicium-membraan 34 vormt, geheel overeenkomstig het 30 membraan 18 volgens fig. 3. De piëzo-elektrische schijf 19 bestaat uit opgesputterd zinkoxyde, en vertoont aan zijn beide vlakken respectievelijk de bovenelektrode 20 en de onderelektrode 21, die op zijn beurt is gehecht aan het bovenvlak van het membraan 34.

35 De elektroden 20, 21 zijn via geleidende sporen 35, 36 verbonden met een geïntegreerde schakeling 37, die dienst doet als besturingseenheid.

83 G 2 2 5 0 ς_ __^__al -8- m <

Pig. 7 toont een bovenaanzicht van een volledig geïntegreerde pomp 38, die is uitgevoerd als een gelamineerde schijf 39, overeenkomstig fig. 6, waarin een kanaal 40 is aangebracht met een toevoeraansluiting 41 een afvoeraan-5 sluiting 42. De pomp 38 vertoont tien pompelementen 43 van het in fig. 6 getoonde type. De geïntegreerde schakelingen 37 zijn via bundels geleidende stroken 44 verbonden met een gemeenschappelijke centrale besturingsschakeling 45 van het geïntegreerde type.

10 Opgemerkt wordt, dat alle met te verpompen medium in aanraking komende oppervlakken chemisch inert en elektrisch geïsoleerd zijn. Onder verwijzing naar fig. 6 zijn dit in het bijzonder de wanden van het inlaatkanaaldeel 26 en het uitlaatkanaaldeel 27, de ringvormige verdieping 28, de uit-15 laatopening 29 en het ondervlak van het membraan 34. Voor zover de betreffende oppervlakken van glas zijn, zijn ze al chemisch inert. Voor zover de betreffende oppervlakken deel uitmaken van een element van silicium worden ze tijdens de vervaardiging van de pomp geoxideerd, zodat een harde sili-20 ciumdioxyde- of kwartslaag bestaat, die chemisch volledig inert en elektrisch isolerend is.

Door geschikte, speciaal aangepaste besturing kan worden bereikt, dat groepen van verdringersAleppen worden aangestuurd, zodanig dat "proppen" medium worden verpompt.

25 Het zal duidelijk zijn, dat hiervoor een groter aantal kleppen/verdringers noodzakelijk is, dan het basisaantal van drie. Er wordt verder op gewezen, dat in dat geval een storing in de vorm van een lekkende klep, en zelfs enkele lekkende kleppen de goede pompwerking niet of nauwelijks zal 30 beïnvloeden.

Verder wordt erop gewezen, dat door een configuratie, waarbij een aantal pompeenheden parallel zijn geschakeld, maar met hun uitgang op één punt uitmonden, een menging van de te verpompen media kan worden verkregen. Door geschikte 35 besturing kan zelfs de mengverhouding worden ingesteld.

In dit verband wordt er tenslotte de aandacht op gevestigd, dat het pompdebiet kan worden gekozen door het

A

83 02 3 3 0 -9- geschikt manipuleren met de volgende parameters, die de besturing bepalen: de herhalingsfrekwentie, de faserelatie van de de verschillende verdringers/kleppen besturende spanningen, de besturingsspanning voor de kleppen/verdringers 5 en tenslotte het aantal parallel bestuurde kleppen.

8302330

Claims

1. Micropomp met tenminste twee kleppen en tenminste één t verdringer welke kleppen en welke verdringer piëzo-elektrisch bestuurbaar zijn, met het kenmerk, dat de kleppen en de verdringer identiek zijn, in serie in een kanaal zijn 5 opgenomen en functioneel bestuurbaar zijn voor het verkrijgen van een peristaltische verdringing van het door dat kanaal te verpompen medium.

2. Micropomp volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de micropomp in hoofdzaak bestaat uit een blok met een kanaal 10 dat ter onderbreking ter plaatse van elke verdringer/klep met gescheiden openingen aan een oppervlak uitmondt.

3. Micropomp volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het kanaal uit gescheiden delen bestaat, die elk met hun einde in het oppervlak van het blok uitmonden en 15 door een verdringerAlep roet een voorgaand respectievelijk volgend kanaaldeel verbindbaar zijn.

4. Micropomp volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de pomp een van het kanaal voorziene schijf van bijvoorbeeld glas of silicium omvat. 20

5, Micropomp volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de silicium-schijf tenminste één met de kleppen/verdringers verbonden geïntegreerde besturingsschakeling omvat.

6. Micropomp volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat elke inlaatopening is uitgevoerd als een aan het kanaal 25 aangesloten ringvormige verdieping en elke uitlaatopening daarmee althans in hoofd2aak concentrisch is geplaatst.

7. Micropomp volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat elke klep/verdringer is uitgevoerd als ronde schijf, waarop concentrisch een ronde piëzo-elektrische schijf is 30 aangebracht.

8. Micropomp volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat elke piëzo-elektrische schijf zich ten hoogste uitstrekt tot de contourlijn, die de buigpunten van de met de piëzo-elektrische schijf gekoppelde draagschijf verbindt. 83 0 2 8 5 0 ___ ^ -11-

9. Micropomp volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat alle met te verpompen medium in aanraking komende oppervlakken chemisch inert zijn.

10. Micropomp volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat 5 de betreffende oppervlakken van onder elektrische spanning brengbare elementen elektrisch geïsoleerd zijn.

11. Micropomp volgens conclusie 9 of 10, met het kenmerk, dat de betreffende oppervlakken van uit silicium bestaande elementen zijn voorzien van een deklaag, bestaande uit 10 silicium-dioxide of silicium-nitride. 83 02 3 00