WO2009040165A1 - Mikrodosiervorrichtung zum dosieren von kleinstmengen eines mediums - Google Patents

Mikrodosiervorrichtung zum dosieren von kleinstmengen eines mediums Download PDF

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WO2009040165A1
WO2009040165A1 PCT/EP2008/059796 EP2008059796W WO2009040165A1 WO 2009040165 A1 WO2009040165 A1 WO 2009040165A1 EP 2008059796 W EP2008059796 W EP 2008059796W WO 2009040165 A1 WO2009040165 A1 WO 2009040165A1
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outlet
inlet
layer
cover layer
piston
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PCT/EP2008/059796
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English (en)
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Inventor
Ralf Reichenbach
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • 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
    • F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/02—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B43/028—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms with in- or outlet valve arranged in the plate-like flexible member
    • 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
    • F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/02—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B43/04—Pumps having electric drive
    • F04B43/043—Micropumps
    • F04B43/046—Micropumps with piezoelectric drive

Definitions

  • Microdosing device for dosing small amounts of a medium
  • the invention relates to a microdosing device for dosing small quantities of a medium, comprising an emptying device, an outlet device and a pump device, wherein the inlet device comprises an inlet opening and an inlet valve with an inlet valve piston, the outlet device an outlet opening and an outlet valve with an outlet valve piston and the pumping device Pump piston has.
  • Microdosing have in various applications, such as in the medical technology field, a great importance and serve z.
  • the smallest amounts of a medium must be precisely dosed and administered.
  • microdosing devices Various implementations of microdosing devices are known from the prior art. Most of these microdosage devices use silicon bulk micromechanics for structuring silicon or glass wafers, which are then usually joined together by bonding.
  • a microdosing device is known from DE 197 37 173 A1, which has a micro-diaphragm pump and a free-jet dosing device connected thereto.
  • the micro-membrane pump and the free-jet dispenser are formed according to this construction in a common component, wherein these components are composed of a plurality of semiconductor layers.
  • the micromembran pump has a pumping membrane which, by means of an actuator, is perpendicular to its initial position. level is deflectable. In this way, can be sucked by a separately trained Emiassventil medium from a reservoir and then passed through a likewise separately trained exhaust valve to the free jet dispenser.
  • the microdosing device according to the invention has the advantage over that it can be produced easily and inexpensively.
  • a microdosing device for dosing small amounts of a medium, having an inlet device, an outlet device, a pumping device and a media channel leading from the inlet device to the outlet device, the inlet device having an inlet opening and an inlet valve with an inlet valve piston, the outlet device an outlet opening and an outlet valve having an outlet valve piston and the pumping means comprises a pumping piston, characterized in that the inlet valve piston, the outlet valve piston and the pump piston are provided on a common membrane layer.
  • the membrane layer acts as a membrane for both the inlet valve, the outlet valve and the pumping device.
  • the inlet valve piston, the outlet valve piston and the pump piston are each arranged on mutually different regions of the membrane layer.
  • This membrane layer with the devices arranged thereon represents the most stressed part of the microdosing device.
  • This part is preferably produced by means of classical micromechanics from a composite of a substrate with a sacrificial layer and a functional layer.
  • This composite preferably has an SOI wafer, a silicon substrate with SiCV sacrificial layer and an epitaxially grown polycrystalline (epipoly) Si functional layer or a silicon substrate with SiGe sacrificial layer and an epipoly-Si functional layer.
  • a preferred embodiment of the invention is that above the membrane layer, an upper cover layer and / or below the membrane layer, a lower cover layer
  • Cover layer is provided, wherein the upper cover layer and the lower cover layer are preferably made of a polymer substrate.
  • the most heavily loaded part of the microdosing device according to the invention namely the membrane with its devices, is realized from a mechanically high-quality material, while the upper cover layer, which preferably has the inlet opening and the outlet opening, and the lower cover layer, which are preferably together with the membrane forms the media channel, through which the medium from the inlet to the outlet device is conveyed, are made of substantially cheaper producible materials.
  • structured glass, pyrex, quartz or silicon wafers are also possible for the upper cover layer and the lower cover layer.
  • the individual layers are preferably joined by gluing or optionally by suitable wafer bonding processes.
  • the inlet opening and the outlet opening are preferably provided on the upper cover layer.
  • the inlet valve piston and the outlet valve piston are arranged between the upper cover layer and the membrane layer, so that the inlet opening and the outlet opening can be sealed by means of a movement of the membrane layer.
  • a pumping device associated pump actuator may be provided so that on the
  • Pump piston acts, which allows movement of the membrane in the pumping device perpendicular to its plane of extension upwards or downwards. This is associated with a pumping action, due to which medium can be sucked in through the inlet valve or ejected through the outlet valve, as described in detail below.
  • a media channel is provided between the membrane layer and the lower cover layer, through which the medium can be requested from the inlet device to the outlet device.
  • the membrane layer in the region of the inlet valve and in the region of the outlet valve in each case has at least one passage opening for the passage of the medium from the region between the upper cover layer and the membrane layer into the media channel.
  • FIG. 1 Facilities be designed as a common entity.
  • the inlet valve piston, the outlet valve piston and the pump piston are provided on the common membrane layer together with the upper cover layer as a removable unit in a housing, which in turn provides the lower cover layer.
  • the combination unit comprising the inlet valve piston, the outlet valve piston, the pump piston and the common membrane layer can thus be provided as one-way device, which is arranged in a reusable housing which closes the disposable unit downwards by means of the lower cover layer, around the media channel to build.
  • this housing can be made in different ways.
  • the housing has a preferably removable media reservoir.
  • the housing provides the pump actuator required for the pumping device.
  • the housing is provided with a preferably removable power supply, such as a battery.
  • the media reservoir and the pumping unit are designed as a removable total unit which is replaced as soon as the medium in the reservoir has been used up or expired / expired.
  • a sterile packaged disposable unit may be provided, e.g. stored in the refrigerator with which the following changes can be made: open the housing, remove the old unit, sterilize and unpack and insert the new unit.
  • the housing has an electronic circuit with a programmable interface for programming at least one presetting of the microdosing device.
  • z. B individually adjustable for each application, which quantities of the medium to be dosed and administered at what times.
  • the housing has a sensor connection for connection to a sensor, according to the measured value of which the metering of the medium is controlled. This sensor connection can be configured wired or wireless.
  • the outlet valve is self-locking in the media channel at a suppression.
  • the inlet valve is self-locking at an overpressure in the media channel.
  • microdosing device described above is preferably used in medical technology, for.
  • insulin administration as well as the continuous local administration of analgesics.
  • Further areas of application are in automation technology as pre- and control valves for larger valves.
  • automation technology as pre- and control valves for larger valves.
  • Fig. 1 is a schematic cross-sectional view with the three essential
  • FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of the microdosing device according to the preferred embodiment of the invention during the suction process
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the micro-dosing device according to the preferred embodiment of the invention in the ejection process
  • Fig. 4 is a schematic representation of the micro-dosing device according to the preferred embodiment of the invention as a combination of a disposable part in a reusable housing in the closed state and 5 is a schematic representation of the microdosing device according to the preferred embodiment of the invention as a combination of a disposable part in a reusable housing in the open state.
  • FIGS. 1 to 3 each show a schematic cross-sectional representation of a microdosing device according to a preferred exemplary embodiment of the invention.
  • This microdosing device is used for dosing small quantities of a medium and has an inlet device 1, an outlet device 2 and a pumping device 3, which in FIG. 1, for the sake of clarity, are separated from one another by three
  • the inlet device 1 has an inlet opening 4 and an inlet valve 5 with an inlet valve piston 6.
  • the outlet device 2 has an outlet opening 7, an outlet valve 8 and an outlet valve piston 9.
  • the pumping device 3 is provided, which has a pump piston 10, which is associated with a pump actuator 11. As a pump actuator
  • a piezo stack is provided according to the presently described preferred embodiment of the invention, a piezo stack.
  • other principles for the pump actuator 11 are usable, such as magnetic or hydrodynamic.
  • a bending piezo can also be used. If the achievable forces and strokes are sufficient, a piezoelectric thin layer may also be provided for actuating the pump piston 10.
  • the inlet valve piston 6, the outlet valve piston 9 and the pump piston 10 are provided on a common membrane layer 12, which is formed as Epipoly-Si functional layer. Above this membrane layer 12, an upper cover layer 13 is formed, and below the membrane layer 12, a lower cover layer 14 is formed. According to the presently described preferred embodiment of the invention, the top cover layer 13 and the bottom cover layer 14 are both made of a polymer substrate.
  • the upper cover layer 13 has the inlet opening 4 and the outlet opening 7, while by means of the lower cover layer 14 between the membrane Layer 12 and the lower cover layer 14, a media channel 15 is defined. Through this media channel 15 through the medium to be metered from the inlet device 1 to the outlet 2 is fordable.
  • the membrane layer 12 has passage openings 16 in the region of the inlet device 1 and a passage opening 17 in the region of the outlet device 2.
  • a passage opening 31 is furthermore provided in the outlet valve piston 9 provided above the passage opening 17 in the region of the outlet device 2.
  • the supply of the medium takes place via a feed line 18 which leads to the inlet opening 4 of the inlet device 1.
  • a discharge line 19 is provided to forward the ejected medium.
  • the pump actuator 11 is moved downwards, so that the pump piston 10 presses the membrane layer 12 downwards on the upper side of the lower cover layer 14 in the area of the pumping device 3 ,
  • the inlet valve 5 closes automatically and the outlet valve 8 is opened, so that the medium through the in the region of the outlet 2 in the Membrane layer 12 provided fürgangsöffhung 17 and subsequently discharged through the outlet opening 7 above the outlet valve 8 in the discharge line 19.
  • the upper cover layer 13 are provided together with the Emiassventilkolben 6, the Auslassventilkolben 9 and the pump piston 10 on the common membrane layer 12 as a removable unit 20 in an external housing 21.
  • the housing 21 can be folded open, so that the removable unit 20 described above can be placed on the lower part 22 of the housing, which in turn thus forms the lower cover layer 14 of the micro-metering device.
  • the removable unit 20 may thus be provided as a disposable part, which can be removed after its use from the reusable housing 21 and replaced with a new one.
  • the sealing of the upper part 23 of the housing 21 relative to the removable unit 20 by means of O-ring seals 32. To open the housing 21, the upper part 23 and the lower part
  • the upper part 23 of the housing 21 has, according to the presently described preferred first embodiment of the invention, a media reservoir 24 which is connected to the inlet device, so that from the media reservoir 24 medium to Emiass worn 1 out is feasible. If the medium provided in the media reservoir 24 is used up, the media reservoir 24 can be removed and exchanged for a new one.
  • a removable power supply 25 is provided in the form of a battery.
  • the thus made available electrical energy is z. B. required for the pump actuator 11, which is also provided in the upper part 23 of the housing 21 and, as described above, acts on the pump piston 11 of the pumping device 3.
  • an electronic circuit 26 is provided with a programmable interface for programming at least one presetting of the micro-metering device, in the form of a micro-processor.
  • Expensive silicon is only used for the mechanically most important layers. As a result, the expensive processing of silicon is limited: There are only three micromechanical processing steps due, namely twice Trenchen and once the etching of a sacrificial layer.
  • the size of the structures in conjunction with the planar technology also brings with it the possibility of using the thick-film technology, namely for applying z.

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Abstract

Mikrodosiervorrichtung zum Dosieren von Kleinstmengen eines Mediums, mit einer Einlasseinrichtung (1), einer Auslasseinrichtung (2), einer Pumpeinrichtung (3) und einem von der Einlasseinrichtung (1) zur Auslasseinrichtung (2) führenden Medienkanal (15), wobei die Einlasseinrichtung (1) eine Einlassöffnung (4) und ein Einlassventil (5) mit einem Einlassventilkolben (6), die Auslasseinrichtung (2) eine Auslassöffnung (7) und ein Auslassventil (8) mit einem Auslassventilkolben (9) und die, Pumpeinrichtung (3) einen Pumpkolben (10) aufweist. Der Einlassventilkolben (6), der Auslassventilkolben (9) und der Pumpkolben (10) sind auf einer gemeinsamen Membranschicht (12) angeordnet. Die Mikrodosiervorrichtung hat den Vorteil, dass sie einfach und kostengünstig hergestellt werden kann.

Description

Mikrodosiervorrichtung zum Dosieren von Kleinstmengen eines Mediums
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Mikrodosiervorrichtung zum Dosieren von Kleinstmengen eines Mediums, mit einer Emlasseinrichtung, einer Auslasseinrichtung und einer Pumpein- richtung, wobei die Einlasseinrichtung eine Einlassöffnung und ein Einlassventil mit einem Einlassventilkolben, die Auslasseinrichtung eine Auslassöffnung und ein Auslassventil mit einem Auslassventilkolben und die Pumpeinrichtung einen Pumpkolben aufweist.
Mikrodosiervorrichtungen haben in verschiedenen Anwendungsgebieten, wie im medi- zintechnischen Bereich, eine große Bedeutung und dienen z. B. zur kontinuierlichen Insulinverabreichung bei einem Diabetes-Patienten. Dabei müssen kleinste Mengen eines Mediums genau dosiert und verabreicht werden.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Realisierungen von Mikrodosiervorrichtungen bekannt. Die meisten dieser Mikrodosiervorrichtungen verwenden Silizium-Bulk- Mikromechanik zur Strukturierung von Silizium- oder Glas-Wafern, die anschließend meist durch Bonden aufeinander gefügt werden.
Aus der DE 197 37 173 Al ist eine Mikrodosiervorrichtung bekannt, die eine Mikro- membranpumpe und einen mit dieser verbundenen Freistrahldosierer aufweist. Die Mik- romembranpumpe und der Freistrahldosierer sind gemäß dieser Konstruktion in einem gemeinsamen Bauteil ausgebildet, wobei diese Komponenten aus mehreren Halbleiterschichten aufgebaut sind. Als eigentliche pumpaktive Einrichtung weist die Mikromemb- ranpumpe eine Pumpmembran auf, die mittels eines Aktors senkrecht zu ihrer Erstre- ckungsebene auslenkbar ist. Auf diese Weise kann durch ein separat ausgebildetes Emiassventil Medium aus einem Reservoir angesaugt und dann über ein ebenfalls separat ausgebildetes Auslassventil an den Freistrahldosierer weitergegeben werden.
Diese Konstruktion sowie andere aus dem Stand der Technik bekannte Konstruktionen sind damit sehr aufwändig, weisen nämlich häufig eine große Anzahl von Schichten auf, so dass die Herstellung kompliziert und teuer ist. Ferner ist es schwierig, die Dichtigkeit solcher Mikrodosiervorrichtungen zu gewährleisten, und zwar sowohl einlassseitig als auch auslassseitig.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Mikrodosiervorrichtung weist dem gegenüber den Vorteil auf, dass sie einfach und kostengünstig hergestellt werden kann.
Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch eine Mikrodosiervorrichtung zum Dosieren von Kleinstmengen eines Mediums, mit einer Einlasseinrichtung, einer Auslasseinrichtung, einer Pumpeinrichtung und einem von der Einlasseinrichtung zur Auslasseinrichtung führenden Medienkanal, wobei die Einlasseinrichtung eine Einlassöffnung und ein Einlassventil mit einem Einlassventilkolben, die Auslasseinrichtung eine Auslassöffnung und ein Auslassventil mit einem Auslassventilkolben und die Pumpeinrichtung einen Pumpkolben aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlassventilkolben, der Auslassventilkolben und der Pumpkolben auf einer gemeinsamen Membranschicht vorgesehen sind.
Erfindungsgemäß ist damit nur eine einzige Membranschicht erforderlich, die als Membran sowohl für das Einlassventil, das Auslassventil als auch für die Pumpeinrichtung wirkt. Dadurch, dass nur eine Membranschicht erforderlich ist, ist die Herstellung der Mikrodosiervorrichtung wesentlich erleichtert und es lässt sich eine kompakte Bauform der Gesamteinheit erzielen.
Bei der erfindungsgemäß vorgesehenen Verwendung einer gemeinsamen Membranschicht für das Einlassventil, das Auslassventil und die Pumpeinrichtung ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Einlassventilkolben, der Auslassventilkolben und der Pumpkolben jeweils auf voneinander verschiedenen Bereichen der Membranschicht angeordnet sind. Diese Membranschicht mit den darauf angeordneten Einrichtungen stellt den am stärksten beanspruchten Teil der Mikrodosiervorrichtung dar. Dieser Teil wird vorzugsweise mittels klassischer Mikromechanik aus einem Verbund von einem Substrat mit einer Opferschicht und einer Funktionsschicht hergestellt. Dieser Verbund weist vorzugsweise einen SOI-Wafer, ein Silizium-Substrat mit SiCVOpferschicht und einer epitaktisch gewachsenen polykristallinen (Epipoly-) Si-Funktionsschicht oder ein Silizium-Substrat mit SiGe- Opferschicht und einer Epipoly-Si-Funktionsschicht auf.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass oberhalb der Membran- schicht eine obere Deckschicht oder/und unterhalb der Membranschicht eine untere
Deckschicht vorgesehen ist, wobei die obere Deckschicht bzw. die untere Deckschicht vorzugsweise aus einem Polymersubstrat hergestellt sind. Auf diese Weise wird der am stärksten belastete Teil der erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrichtung, nämlich die Membran mit ihren Einrichtungen, aus einem mechanisch hochwertigen Material reali- siert, während die obere Deckschicht, die vorzugsweise die Einlassöffnung und die Auslassöffnung aufweist, und die untere Deckschicht, die vorzugsweise zusammen mit der Membran den Medienkanal bildet, durch den hindurch das Medium von der Einlassein- richtung zu der Auslasseinrichtung förderbar ist, aus wesentlichen günstiger herstellbaren Materialien hergestellt sind. Alternativ sind für die obere Deckschicht und die untere Deckschicht auch strukturierte Glas-, Pyrex-, Quartz- oder Silizium- Wafer möglich. Das
Fügen der einzelnen Schichten erfolgt vorzugsweise durch Kleben oder gegebenenfalls durch geeignete Wafer-Bond-Prozesse.
Zuvor ist gesagt worden, dass die Einlassöffhung und die Auslassöffnung vorzugsweise an der oberen Deckschicht vorgesehen sind. Bei einer entsprechenden Konstruktion ist vorzugsweise ferner vorgesehen, dass der Einlassventilkolben sowie der Auslassventilkolben zwischen der oberen Deckschicht und der Membranschicht angeordnet sind, so dass die Einlassöffhung und die Auslassöffnung mittels einer Bewegung der Membranschicht abdichtbar sind. Um die Membranschicht entsprechend zu bewegen, kann z. B. ein der Pumpeinrichtung zugeordneter Pumpaktor vorgesehen sein, der damit auf den
Pumpkolben wirkt, was eine Bewegung der Membran im Bereich der Pumpeinrichtung senkrecht zu ihrer Erstreckungsebene nach oben oder nach unten ermöglicht. Damit ist eine Pumpwirkung verbunden, aufgrund derer Medium durch das Einlassventil angesaugt bzw. durch das Auslassventil ausgestoßen werden kann, wie weiter unten im Detail be- schrieben. - A -
Zuvor ist auch gesagt worden, dass gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung zwischen der Membranschicht und der unteren Deckschicht ein Medienkanal vorgesehen ist, durch den hindurch das Medium von der Einlasseinrichtung zu der Auslassein- richtung forderbar ist. Bei einer derartigen Konstruktion ist vorzugsweise ferner vorgesehen, dass die Membranschicht im Bereich des Einlassventils und im Bereich des Auslassventils jeweils wenigstens eine Durchgangsöffnung zum Durchtritt des Mediums von dem Bereich zwischen der oberen Deckschicht und der Membranschicht in den Medienkanal aufweist. Dies ermöglicht eine derartige Funktionsweise der Mikrodosiervorrich- tung, bei der durch eine entsprechende Bewegung des Pumpkolbens der Pumpeinrichtung die Membranschicht im Bereich der Pumpeinrichtung angehoben bzw. heruntergedrückt wird, was einem Vergrößern bzw. Verringern des Volumens des Medienkanals entspricht, wodurch bei entsprechend geöffnetem Einlassventil bzw. Auslassventil Medium über die Einlasseinrichtung angesaugt wird, durch die entsprechende Durchgangsöffnung in den Medienkanal hindurch tritt und bei einem Ausstoßvorgang durch die Durchgangsöffnung im Bereich der Austrittsvorrichtung aus dem Medienkanal austritt, so dass es bei entsprechend geöffnetem Auslassventil über die Auslassöffnung aus der Mikrodosiervor- richtung ausgestoßen werden kann.
Grundsätzlich kann die Mikrodosiervorrichtung mit allen ihren zuvor angesprochenen
Einrichtungen als eine gemeinsame Einheit ausgestaltet sein. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass der Einlassventilkolben, der Auslassventilkolben und der Pumpkolben auf der gemeinsamen Membranschicht zusammen mit der oberen Deckschicht als entnehmbare Einheit in einem Gehäuse vorgesehen sind, das seinerseits die untere Deckschicht bereitstellt. Mit anderen Worten kann damit die Kombinationseinheit aus dem Einlassventilkolben, dem Auslassventilkolben, dem Pumpkolben und der gemeinsamen Membranschicht als Einwegeinrichtung vorgesehen werden, die in einem mehrfach verwendbaren Gehäuse angeordnet wird, das die Einweg- einheit nach unten mittels der unteren Deckschicht abschließt, um den Medienkanal zu bilden. Dabei kann dieses Gehäuse auf unterschiedliche Weisen hergestellt sein. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass es mittels eines kostengünstigen Spritzgussverfahrens hergestellt ist.
Bevorzugte Weiterbildungen dieses Gehäuses liegen ferner darin, dass das Gehäuse ein vorzugsweise entnehmbares Medienreservoir aufweist. Auf diese Weise wird ein modula- res System realisiert, bei dem immer nur die Komponenten ausgetauscht bzw. erneuert werden müssen, die erschöpft oder verbraucht sind. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass das Gehäuse den für die Pumpeinrichtung erforderlichen Pumpaktor zur Verfügung stellt. Ferner ist gemäß einer bevorzugten Wei- terbildung der Erfindung das Gehäuse mit einer vorzugsweise entnehmbaren Energieversorgung, wie einer Batterie, versehen.
Ganz besonders ist es bevorzugt, dass das Medienreservoir und die Pumpeinheit als eine entnehmbare Gesamt-Einheit ausgebildet sind, die ausgewechselt wird, sobald das Medi- um im Reservoir verbraucht oder abgelaufen/verfallen ist. Es kann also eine steril verpackte Wegwerfeinheit vorgesehen werden, die z.B. im Kühlschrank gelagert wird, mit der folgender Wechsel durchgeführt werden kann: Gehäuse öffnen, alte Einheit entfernen, sterilisieren und neue Einheit auspacken und einlegen.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Gehäuse eine elektronische Schaltung mit einer programmierbaren Schnittstelle zur Programmierung wenigstens einer Voreinstellung der Mikrodosiervorrichtung aufweist. Auf diese Weise kann z. B. individuell für jede Anwendung einstellbar sein, welche Mengen des Mediums zu welchen Zeiten dosiert und verabreicht werden sollen. Schließlich ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Er- findung auch vorgesehen, dass das Gehäuse eine Sensorverbindung zur Verbindung mit einem Sensor aufweist, nach dessen Messwert die Dosierung des Mediums gesteuert wird. Diese Sensorverbindung kann kabelgebunden aber auch drahtlos ausgestaltet sein.
Zum Ansaugen des Mediums aus einem Medienreservoir wird im Allgemeinen so vorge- gangen, dass mittels der Pumpeinrichtung im Medienkanal ein Unterdruckt erzeugt wird, was dadurch bewirkt wird, dass das Volumen des Medienkanals durch ein Heraufbewegen des Pumpenkolbens zusammen mit der im Bereich der Pumpeinrichtung angeordneten Membranschicht nach oben vergrößert wird. Um eine klare Trennung des Emiassvorgangs von dem Auslassvorgang zu erreichen, was wesentlich ist für eine genaue Dosie- rang des Mediums ist, ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass das Auslassventil bei einem Unterdrück in dem Medienkanal selbstsperrend ist. Außerdem kann gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass das Einlassventil bei einem Überdruck im Medienkanal selbstsperrend ist. Bei einer derartigen Ausgestaltung des Einlassventils bzw. des Auslassventils ergibt sich der Vorteil, dass weder das Einlassventil noch das Auslassventil aktiv, z. B. mittels eines Ak- tors geöffnet bzw. geschlossen werden müssen, da das Auslassventil beim Ansaugvorgang, der mit einem Unterdruck im Medienkanal verbunden ist, automatisch geschlossen ist und das Einlassventil bei einem Überdruck, der bei einem Ausstoßvorgang vorherrscht, ebenfalls automatisch geschlossen ist.
Wenn zuvor davon gesprochen worden ist, dass im Medienkanal ein Unterdruck bzw. ein Überdruck herrscht, so wird damit auf die Druckdifferenz gegenüber dem Bereich auf der anderen Seite des Einlassventils bzw. des Auslassventils abgestellt, also z. B. im Medienreservoir bzw. im Ausstoßbereich der Mikrodosiervorrichtung.
Die zuvor beschriebene Mikrodosiervorrichtung findet vorzugsweise Anwendung in der Medizintechnik, z. B. bei der schon angesprochenen Insulinverabreichung, wie auch beider kontinuierlichen lokalen Verabreichung von Schmerzmitteln. Weitere Anwendungsgebiete liegen in der Automatisierungstechnik als Vor- bzw. Ansteuerventile für größere Ventile. Ferner seien die Anwendungsmöglichkeiten im Bereich Bio/Life-Science, insbesondere bei Mikro- Analysesystemen, genannt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsdarstellung mit den drei wesentlichen
Funktionsblöcken einer Mikrodosiervorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 2 eine schematische Querschnittsdarstellung der Mikrodosiervorrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung beim Ansaugvorgang,
Fig. 3 eine schematische Querschnittsdarstellung der Mikrodosiervorrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung beim Ausstoßvorgang,
Fig. 4 eine schematisch Darstellung der Mikrodosiervorrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung als Kombination eines Einwegteils in einem Mehrweggehäuse im geschlossenen Zustand und Fig. 5 eine schematisch Darstellung der Mikrodosiervorrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung als Kombination eines Einwegteils in einem Mehrweggehäuse im geöffneten Zustand.
Aus den Figuren 1 bis 3 ist jeweils eine schematische Querschnittsdarstellung einer Mikrodosiervorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ersichtlich. Diese Mikrodosiervorrichtung dient zum Dosieren von Kleinstmengen eines Mediums und weist eine Einlassemrichtung 1 , eine Auslasseinrichtung 2 und eine Pump- einrichtung 3 auf, die in Fig. 1 der Übersichtlichkeit halber als drei voneinander getrennte
Funktionsblöcke dargestellt sind. Tatsächlich werden diese drei Bestandteile der Mikrodosiervorrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung direkt als ein zusammenhängendes System auf einem gemeinsamen Substrat hergestellt, wie im Folgenden noch ausgeführt wird.
Die Einlasseinrichtung 1 weist eine Einlassöffhung 4 und ein Einlassventil 5 mit einem Einlassventilkolben 6 auf. In Analogie dazu weist die Auslasseinrichtung 2 eine Auslassöffnung 7, ein Auslassventil 8 und einen Auslassventilkolben 9 auf. Zwischen der Einlasseinrichtung 1 und der Auslasseinrichtung 2 ist die Pump einrichtung 3 vorgesehen, die einen Pumpkolben 10 aufweist, dem ein Pumpaktor 11 zugeordnet ist. Als Pumpaktor
11 ist gemäß dem vorliegend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Piezo-Stack vorgesehen. Es sind jedoch auch andere Prinzipien für den Pumpaktor 11 verwendbar, wie magnetische oder hydrodynamische. Im Übrigen kann auch ein Biege-Piezo verwendet werden. Sofern die erreichbaren Kräfte und Hübe ausreichen, kann auch eine piezoelektrische Dünnschicht zur Aktuierung des Pumpkolbens 10 vorgesehen sein.
Der Einlassventilkolben 6, der Auslassventilkolben 9 und der Pumpkolben 10 sind auf einer gemeinsamen Membranschicht 12 vorgesehen, die als Epipoly-Si-Funktionsschicht ausgebildet ist. Oberhalb dieser Membranschicht 12 ist eine obere Deckschicht 13 ausgebildet, und unterhalb der Membranschicht 12 ist eine untere Deckschicht 14 ausgebildet. Gemäß dem vorliegend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die obere Deckschicht 13 und die untere Deckschicht 14 beide aus einem Polymersubstrat hergestellt. Die obere Deckschicht 13 weist die Einlassöffnung 4 sowie die Aus- lassöffhung 7 auf, während mittels der unteren Deckschicht 14 zwischen der Membran- Schicht 12 und der unteren Deckschicht 14 ein Medienkanal 15 definiert wird. Durch diesen Medienkanal 15 hindurch ist das zu dosierende Medium von der Einlasseinrichtung 1 zur Auslasseinrichtung 2 forderbar. Dazu weist die Membranschicht 12 im Bereich der Einlassvorrichtung 1 Durchgangsöffhungen 16 und im Bereich der Auslasseinrichtung 2 eine Durchgangsöffnung 17 auf. In dem oberhalb der Durchgangsöffnung 17 im Bereich der Auslasseinrichtung 2 vorgesehenen Auslassventilkolben 9 ist ferner eine Durchgangsöffnung 31 vorgesehen.
Die Zuführung des Mediums erfolgt über eine Zuleitung 18, die auf die Einlassöffnung 4 der Einlassvorrichtung 1 führt. Im Anschluss an die Auslassöffnung 7 in der Auslasseinrichtung 2 ist eine Abführleitung 19 vorgesehen, um das ausgestoßene Medium weiterzuleiten. Im Ergebnis ist damit folgender Betrieb der Mikrodosiervorrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung möglich:
Wie aus Figur 2 ersichtlich, wird durch eine Aufwärtsbewegung des Pumpaktors 11 der
Pumpkolben 10 zusammen mit dem ihm zugeordneten Bereich der Membranschicht 12 nach oben bewegt, so dass sich das Volumen des Medienkanals 15 vergrößert. Auf diese Weise verringert sich der Druck im Medienkanal 15: Gegenüber dem Druck in der Zuleitung 18 entsteht ein Unterdruck. Daher öffnet sich das Einlassventil 5, indem der Einlass- ventilkolben 6 nach unten bewegt wird, so dass Medium aus der Zuleitung 18, wie in Figur 2 mit einem Pfeil angedeutet, über die Durchgangsöffnungen 16 und den sich öffnenden Ringspalt in der Membranschicht 12 in den Medienkanal einströmen kann. Aufgrund des im Medienkanal 15 beim Ansaugvorgang erzeugten Unterdrucks sperrt das Auslassventil 8: Im Bereich der Auslasseinrichtung 2 wird die Membranschicht 12 an den unter- halb des Auslassventilkolbens 9 auf der unteren Deckschicht 14 vorgesehenen Auslassventilsitz 30 angedrückt, so dass kein Medium aus dem Medienkanal 15 entweichen kann.
Zur Einleitung des aus Fig. 3 ersichtlichen Ausstoßvorgangs wird nach Füllung des Me- dienkanals 15 mit dem Medium der Pumpaktor 11 nach unten bewegt, so dass der Pumpkolben 10 die Membranschicht 12 im Bereich der Pumpeinrichtung 3 nach unten auf die Oberseite der unteren Deckschicht 14 drückt. Durch den dabei im Medienkanal 15 erzeugten Überdruck sperrt das Einlassventil 5 automatisch und das Auslassventil 8 wird geöffnet, so dass das Medium durch die im Bereich der Auslasseinrichtung 2 in der Membranschicht 12 vorgesehene Durchgangsöffhung 17 und nachfolgend durch die Auslassöffnung 7 oberhalb des Auslassventils 8 in die Abführleitung 19 ausgestoßen wird.
Gemäß dem vorliegend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nun auch vorgesehen, dass die obere Deckschicht 13 zusammen mit dem Emiassventilkolben 6, dem Auslassventilkolben 9 und dem Pumpkolben 10 auf der gemeinsamen Membranschicht 12 als entnehmbare Einheit 20 in einem externen Gehäuse 21 vorgesehen sind. Dies ist aus den Fig. 4 und 5 ersichtlich. Dabei ist das Gehäuse 21 aufklappbar, so dass die zuvor beschriebene entnehmbare Einheit 20 auf den unteren Teil 22 des Ge- häuses aufgesetzt werden kann, das seinerseits somit die untere Deckschicht 14 der Mik- rodosiervorrichtung bildet. Die entnehmbare Einheit 20 kann damit als ein Einwegteil vorgesehen sein, das nach seinem Einsatz aus dem mehrfach verwendbaren Gehäuse 21 entnommen und gegen ein neues ausgetauscht werden kann. Die Abdichtung des oberen Teils 23 des Gehäuses 21 gegenüber der entnehmbaren Einheit 20 erfolgt mittels O-Ring- Dichtungen 32. Zum Öffnen des Gehäuses 21 sind der obere Teil 23 und der untere Teil
22 zueinander verschwenkbar aneinander befestigt, z. B. mittels eines Filmscharniers 35. In geschlossenem Zustand sind das obere Teil 23 und das untere Teil 22 an ihrer jeweiligen dem Filmscharnier abgewandten Ende mittels Verriegelungseinrichtungen 33, 34 aneinander befestigt.
Der obere Teil 23 des Gehäuses 21 weist gemäß dem vorliegend beschriebenen bevorzugten ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Medienreservoir 24 auf, das mit der Einlasseinrichtung verbunden ist, so dass aus dem Medienreservoir 24 Medium zur Emiasseinrichtung 1 hin führbar ist. Ist das in dem Medienreservoir 24 bereitgestellte Medi- um verbraucht, so kann das Medienreservoir 24 entnommen und gegen ein neues getauscht werden.
Ferner ist im oberen Teil 23 des Gehäuses 21 eine entnehmbare Energieversorgung 25 in Form einer Batterie vorgesehen. Die damit zur Verfügung gestellte elektrische Energie ist z. B. für den Pumpaktor 11 erforderlich, der ebenfalls im oberen Teil 23 des Gehäuses 21 vorgesehen ist und, wie zuvor beschrieben, auf den Pumpkolben 11 der Pumpeinrichtung 3 wirkt. Außerdem ist im oberen Teil 23 des Gehäuses 21 eine elektronische Schaltung 26 mit einer programmierbaren Schnittstelle zur Programmierung wenigstens einer Voreinstellung der Mikrodosiereinrichtung vorgesehen, und zwar in Form eines Mikropro- zessors. Im Ergebnis wird damit eine Mikrodosiervorrichtung bereitgestellt, die folgende Vorteile aufweist:
Teures Silizium wird nur für die mechanisch wichtigsten Schichten verwendet. Dadurch ist auch die teure Bearbeitung des Siliziums begrenzt: Es werden lediglich drei mikromechanische Bearbeitungsschritte fällig, nämlich zweimal Trenchen und einmal das Ätzen einer Opferschicht.
Durch den kostenreduzierenden Einsatz von günstigen und einfach zu bearbeitenden Po- lysubstraten, nämlich insbesondere für die obere Deckschicht 13 und die unter Deckschicht 14, wird die gesamte Vorrichtung sehr preiswert und damit sehr konkurrenzfähig.
Die Größe der Strukturen bringt in Verbindung mit der Planartechnologie auch die Mög- lichkeit des Einsatzes der Dickschichttechnik mit sich, nämlich zum Auftragen von z. B. speziellen Antihaft- oder Abdichtungs-Schichten mittels Siebdruck im Pumpen- und Ventilsitzbereich.

Claims

Ansprüche
1. Mikrodosiervorrichtung zum Dosieren von Kleinstmengen eines Mediums, mit einer Emiasseinrichtung (1), einer Auslasseinrichtung (2), einer Pumpeinrichtung (3) und einem von der Einlasseinrichtung (1) zur Auslasseinrichtung (2) führenden Medienkanal (15), wobei die Einlasseinrichtung (1) eine Einlassöffhung (4) und ein Einlassventil (5) mit einem Einlassventilkolben (6), die Auslasseinrichtung (2) eine Auslassöffhung (7) und ein Auslassventil (8) mit einem Auslassventilkolben (9) und die Pumpeinrichtung (3) einen Pumpkolben (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlassventilkolben (6), der Auslassventilkolben (9) und der Pumpkolben (10) auf einer gemeinsamen Memb- ranschicht (12) vorgesehen sind.
2. Mikrodosiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranschicht (12) als Silizium-Funktionsschicht ausgebildet ist.
3. Mikrodosiervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der Membranschicht (12) eine obere Deckschicht (13) oder/und unterhalb der Membranschicht (12) eine untere Deckschicht (14) vorgesehen ist, wobei die obere Deckschicht (13) bzw. die untere Deckschicht (14) vorzugsweise aus einem Polymersubstrat hergestellt ist.
4. Mikrodosiervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der unteren Deckschicht (14) und der Membranschicht (12) der Medienkanal (15) ausgebildet ist.
5. Mikrodosiervorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassöffhung (4) und die Auslassöffhung (7) in der oberen Deckschicht (13) vorgesehen sind und der Einlassventilkolben (6) sowie der Auslassventilkolben (9) zwischen oberen Deckschicht (13) und der Membranschicht (12) angeordnet sind, so dass die Einlassöffhung (4) und die Auslassöffhung (7) mittels einer Bewegung der Membranschicht (12) abdichtbar sind.
6. Mikrodosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranschicht (12) im Bereich des Einlassventils (5) und im Bereich des Auslassventils (8) jeweils wenigstens eine Durchgangsöffhung (16, 17) zum Durch- tritt des Mediums von dem Bereich zwischen der oberen Deckschicht (13) und der
Membranschicht (12) in den Medienkanal (15) aufweist.
7. Mikrodosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlassventilkolben (6), der Auslassventilkolben (9) und der Pumpkol- ben (10) auf der gemeinsamen Membranschicht (12) zusammen mit der oberen Deckschicht (13) als entnehmbare Einheit (20) in einem vorzugsweise mittels eines Spritzgussverfahrens hergestellten Gehäuses (21) vorgesehen sind, das die untere Deckschicht (14) bereitstellt.
8. Mikrodosiervorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das
Gehäuse (21) ein vorzugsweise entnehmbares Medienreservoir (24) und/oder einen Pumpaktor (11) und/oder eine vorzugsweise entnehmbare Energieversorgung (25) und/oder eine elektronische Schaltung (26) mit einer programmierbare Schnittstelle zur Programmierung wenigstens einer Voreinstellung oder/und eine Sensorverbindung zur Verbin- düng mit einem Sensor aufweist, nach dessen Messwert die Dosierung steuerbar ist.
9. Mikrodosiervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Medienreservoir (24) und die Pumpeinheit (20) als eine entnehmbare Gesamt-Einheit ausgebildet sind.
10. Mikrodosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (5) und/oder das Auslassventil (8) jeweils eine Dichtschicht zur Verbesserung der Abdichtung aufweisen, wobei die Dichtschicht vorzugsweise ein weiches und flexibles Material, wie ein Parylen oder ein Silikon, aufweist.
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