DE69500529T2

DE69500529T2 - Mikropumpe

Info

Publication number: DE69500529T2
Application number: DE69500529T
Authority: DE
Inventors: Lintel Harald Van
Original assignee: Westonbridge International Ltd
Current assignee: Debiotech SA
Priority date: 1994-01-14
Filing date: 1995-01-12
Publication date: 1998-03-12
Anticipated expiration: 2015-01-13
Also published as: EP0739451A1; ES2107908T3; CA2181084C; WO1995019502A1; JPH09512075A; CH689836A5; DE69500529D1; CA2181084A1; US5759014A; AU1326395A; AU679311B2; JP3948493B2; EP0739451B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mikropumpe mit zumindest einem Basisplättchen und einem zweiten, so auf das Basisplättchen aufgeklebten Plättchen, dass eine Pumpenkammer definiert wird; mit Regelorganen für den Eintritt und Austritt in direkter Verbindung mit der Pumpenkammer, wobei die benannten Regelorgane auf oder in zumindest einem der beiden Plättchen sitzen und zumindest eines dieser Plättchen durch photolithographische Mikrobearbeitungstechniken aus einem undurchlässigen Material herausgearbeitet wurde; und mit einem das Volumen der Pumpenkammer und die Volumina der Verbindungsräume zu den benannten Regel- Organen umfassenden inneren Volumen (Vi), wobei die Pumpenkammer eine in eines der Plättchen eingearbeitete bewegliche Wand hat und Betätigungsorgane vorgesehen sind, um die benannte bewegliche Wand zu verschieben und eine periodische Verkleinerung und Vergrösserung des inneren Volumens hervorzurufen.
Solche Pumpen können namentlich für die lokale Verabreichung von Medikamenten benutzt werden, wobei es einem Kranken durch die Miniaturisierung der Pumpe möglich wird, diese auf sich zu trägen oder eventuell eine Pumpe direkt in seinen Körper eingepflanzt zu erhalten. übrigens ermöglichen es solche Pumpen, kleine Mengen des einzuspritzenden Fluids zu dosieren.
In eineni unter dem Titel "A piezoelectric micropump based on micromachining of silicon" ("Eine durch Silizium-Mikrobearbeitung erhältliche piezoelektrische Mikropumpe") in "Sensors and Actuators", Nr. 15 (1988), Seiten 153 bis 167, erschienenen Aufsatz liefern H. Van Lintel u.a. eine Beschreibung zweier Ausgestaltungen einer Mikropumpe, deren jede einen Stapel von drei Plättchen umfasst, d.h. ein bearbeitetes Siliziumplättchen, das zwischen zwei Glasplättchen angeordnet ist.
Das Siliziumplättchen ist geätzt, um einen Hohlraum zu bilden, der mit einem der Glasplättchen die Pumpenkammer definiert, wobei eine Eintritts- oder Ansaugklappe und zumindest eine Austritts- bzw. druckseitige Klappe die Pumpenkammer mit einem Eintritts- und einem Au&trittskanal verbinden. Die eine Wand der Pumpenkammer bildende Partie des Plättchens kann durch ein Steuerelement deformiert werden, das beispielsweise aus einem piezoelektrischen Pressling oder Kristall besteht. Dieser ist mit zwei Elektroden ausgerüstet, die, wenn sie an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen sind, die Deformation des Presslings und folglich die Deformation des Plättchens hervorrufen, was eine Veränderung des Pumpenkammervolumens hervorruft. Diese bewegliche bzw. deformierbare Wand der Pumpenkammer kann somit zwischen zwei Stellungen verschoben werden.
Im Betrieb funktioniert die Mikropumpe wie folgt. Wenn keinerlei elektrische Spannung an den piezoelektrischen Pressling angelegt ist, sind die Eintritts- und die Austrittsklappe in ihrer geschlossenen Stellung. Wenn eine elektrische Spannung angelegt wird, ergibt sich eine Erhöhung des Druckes in der Pumpenkammer, was die Öffnung der Austrittsklappe hervorruft. Das in der Pumpenkammer befind]iche Fluid wird dann durch Verschiebung der deformierbaren Wand von einer ersten zu einer zweiten Stellung zum Austrittskanal hin gedrückt. In dieser Phase wird die Eintrittsklappe durch den in der Pumpenkammer herrschenden Druck geschlossen gehalten.
Wenn hingegen die elektrische Spannung vermindert wird, verringert sich der Druck in der Punipenkamnier. Dies verursacht die Schliessung der druckseitigen Klappe und die Öffnung der Eintrittsklappe. Im Gefolge der Verschiebung der deformierbaren Wand aus der zweiten in die erste Stellung erfolgt daher ein Ansaugen von Fluid durch den Eintrittskanal in die Pumpenkammer.
Im Dokument GB-A-2 248 891, das den am nächsten kommenden Stand der Technik repräsentiert, wird eine Mikropumpe des selben Typs wie in dem vorgenannten Artikel offenbart. Allerdings ist in dieser Mikropumpe die Eintrittsklappe durch einen Durchflussbegrenzer ersetzt, der einen beschränkten Durchflussquerschnitt aufweist.
Dei Betrieb dieses Mikropuinpentyps wird stark von der Komprimierbarkeit des im inneren Volumen befindlichen Fluids beeinflusst, so dass eine solche Mikropumpe tatsächlich nicht funktioniert, wenn sie zu viel Luft enthält; die Pumpenleistung vermindert sich somit sehr stark oder sinkt sogar auf null.
Desgleichen ist das Ansaugen solcher Pumpen kompliziert und erfordert erhebliche Hilfsmittel wie zum Beispiel eine Vakuumpumpe, eine Ansaugkammer oder eine Einspritzvorrichtung. Daher kann das Ansaugen nur in einer Spezialwerkstatt oder während der Fertigung in der Fabrik ausgeführt werden.
Bestimmte Mikropumpen sind ferner mit einer Schutzvorrichtung gegen Überdruck am Eingang versehen, was ein Ansaugen durch Anwendung eines Überdrucks verunmöglicht.
Aus dem Dokument DE-A-33 20 443 ist ferner eine Pumpe mit einem metallischen Basisplättchen bekannt, in das zwei Ventile eingebaut sind. Ein piezoelektrisches Element in der Gestalt einer Schale, die von einer inneren Schicht aus Nickel und einer äusseren Schicht aus Keramik gebildet wird, ist auf das Basisplättchen aufgeschweisst. Wetin eine Spannung an das piezoelektrische Element angelegt wird, zieht sich dieses so zusammen, dass die in der Pumpe befindliche Flüssigkeit ausgestossen wird. Diese Pumpe unterscheidet sich in ihrer Konstruktion stark von den durch photohthographische Mikrobearbeitung undurchlässiger Materialien erhaltenen.
Das Dokument EP-A-0 025 005 beschreibt eine Mikropumpe mit zumindest einer biegsamen, vorzugsweise metallischen Membran, die auf beiden Seiten je ein piezoelektrisches Element trägt. Diese Membran ist auf eine keramische Wand montiert. Durch Anlegen einer Spannung an die piezoelektrischen Elemente deformieren sich diese, uni der Membran eine Pumpbewegung zu erteilen. Diese Membranmikropumpe unterscheidet sich ebenfalls in ihrem Typ gänzlich von dem durch photolithographische Mikrobearbeitung undurchlässiger Materialien erhaltenen Mikropumpentyp.
Man kennt ebenfalls zahlreiche Typen kleiner Pumpen, die dehnbare elastische Pumpmembranen verwenden, insbesondere solche aus Elastomer, mit denen sich erhöhte Pumpvolumina erreichen lassen. Als ein Beispiel dieses Pumpentyps nennen wir die für Aquarien verwendeten. Nichtsdestoweniger sind diese Pumpen nicht von dem Typ, der aus Bearbeitungsverfahren wie dem oben beschriebenen hervorgeht. Ausserdem lassen die benutzten, leicht dehnbaren Materialien Gase bzw. Dämpfe hindurchtreten und begrenzen somit den Anwendungsbereich auf Fälle, in denen ein nicht hermetischer Verschluss vertretbar ist. Bei Anwendungen, in denen die Umgebung der Pumpe zum Beispiel elektronische Komponenten in einer abgeschlossenen Kammer umfasst, dürfen jedoch keinerlei Dämpfe aus der Puinpe entweichen.
Mit hermetisch dichten Materialien wie Silizium, das spröde und praktisch nicht dehnbai ist, müssen andere Lösungen für die oben angesprochenen Probleme gefunden werden.
Es ist der Zweck der vorliegenden Erfindung, eine völlig selbstansaugende Pumpe mit vollkommen dichtem Abschluss des Innenraums der Mikropumpe zu schaffen, die auch dann einwandfrei funktioniert, wenn Luft oder ein anderes komprimierbares Gas oder Fluid in den Innenraum der Mikropumpe gelangt.
Deshalb zeichnet sich die Mikropumpe dadurch aus, dass sich das Regelorgan für den Eintritt nach der Aussenseite des Plättchens hin öffnet, auf oder in dem es sitzt, während sich das Regelorgan für den Austritt nach der Innenseite des Plättchens hin öffnet, auf oder in dem es sitzt, so dass die Verkleinerung des inneren Volumens ein in dem benannten inneren Volumen enthaltenes Gas auf einen Druck komprimiert, der dafür ausreicht, die Öffnung des Austrittsregelorgans hervorzurufen und auf diese Weise eine selbstansaugende Mikropumpe zu schaffen.
Es ist somit möglich, die Mikropumpe schnell und automatisch ohne besondere Geräte zu st-arten, da die im Innenraum befindliche Luft durch die Pumpwirkung der Mikropumpe selbst entfernt wird, während man gleichzeitig den Vorteil einer vollkommenen Dichtheit dieses Innenraumes der inneren Mikropumpe hat.
Vortelhafterweise macht die benannte Volumenverkleinerung (ΔVp) der Pumpenkammer zwischen 30 und 100 % und bevorzugt mehr als 50 % des benannten inneren Volumens (Vi) aus, wobei die Volumina der benannten Verbindungsräume zwischen der Pumpenkammer und den Regelorganen für den Eintritt und Austritt weniger als 30 % und bevorzugt weniger als 15 % des inneren Volumens betragen.
Man erreicht somit ein besonders wirksames Ansaugen und Entlüften.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die bewegliche Wand eine starre zentrale Partie, die von einer elastischen Kante geringerer Wandstärke umgeben ist, die zusammen mit der starren zentralen Partie aus einem Stück herausgearbeitet wurde, wobei diese letztere über die Seite der beweghchen Wand hinausragt, die der Pumpenkammer gegenübersteht, und dazu bestimmt ist, mit den benannten Betätigungsorganen zusammenzuwirken.
Eine solche Konstruktion gestattet eine sehr günstige Entleerung der Pumpenkammer und daher ein zuverlässiges Ansaugen. Die starre zentrale Partie der beweglichen Wand gewährleistet eine genau definierte Verschiebung dieser Wand, die der Bewegung eines Kolbens vergleichbar ist. Druckunterschiede in der Pumpenkammer erzeugen dank der geringeren Oberfläche der die starre zentrale Partie umgebenden elastischen Kante nur eine schwache Volumenänderung
Günstigerweise weist die Mikropumpe zumindest ein drittes, auf das zweite Plättchen aufgeklebtes Plättchen auf, und die Betätigungsorgane umfassen ein beweglich auf das dritte Plättchen montiertes Antriebselement, wobei ein Zwischenstück zwischen der benannten starren zentralen Partie und dem Antriebselement angeordnet ist.
Diese Konstruktion bringt den Vorteil einer wirksamen Betätigung mit sich. Veränderungen in der Gestalt und Deformation des Antriebsorgans, das vorzugsweise ein piezoelektrisches Element ist, haben keinen Einfluss auf die Gestalt der deformierbaren Wand.
Vorteilhafterweise weist das Zwischenstück eine Unterseite auf, die dafur bestimmt ist, mit der benannten starren zentralen Partie in Beruhrung zu kommen, und bietet eine Oberfläche dar, die der der starren zentralen Partie ähnelt.
Die Betätigungsbewegung wirkt auf die gesamte Weite des starren zentralen Abschnitts, der daher keinerlei Deformation erleidet, was eine sehr genau definierte Entleerung der Pumpenkammer erlaubt.
In einer vorteilhaften Abwandlung bestehen die Regelorgane für den Fluideintritt und/oder -austritt aus zumindest einer Klappe mit zwei Membranen, die so aus dem zweiten Plättchen herausgearbeitet wurden, dass sie bei geschlossener Klappe eine V-Form bilden und sich zu trennen vermögen, um bei offener Klappe eine zentrale Öffnung zu bilden.
Diese Art von Klappe oder Ventil kann von sehr geringer Grösse sein, so dass der die Klappe mit der Pumpenkammer verbindende Raum ein äusserst vermindertes Volumen aufweist, wodurch sich der Selbstansaugeffekt der Mikropumpe sehr stark erhöhen lässt.
Die Erfindung betrifft gleichermassen eine Mikropumpe, die dafür eingerichtet ist, Medikamente zu verabreichen, und sich dafür eignet, in den Körper eines Patienten eingepflanzt zu werden.
Weitere Vorteile gehen aus den Merkmalen hervor, die in den Unteransprüchen und in der Beschreibung ausgedrückt sind, die nachstehend die Erfindung in grösseren Einzelheiten mit Hilfe von Zeichnungen darlegt, die schematisch und beispielhaft vier Ausführungsformen vorstellen.
Figur 1 veranschaulicht eine erste Ausführungsform der Erfindung im Schnitt entlang der Linie I-I der Figur 2.
Figur 2 ist eine waagerechte Schnittansicht entlang der Linie II-II der Figur 1.
Figur 3 stellt eine zweite Ausführungsform im Schnitt dar.
Figur 4 stellt eine dritte Ausführungsform im Schnitt dar.
Figuren 5a bis 5d veranschaulichen einen besonderen Typ der verwendeten Klappe, die in Querschnitten und in Ansichten von unten in geöffneter und geschlossener Stellung dargestellt ist.
Figur 6 stellt eine vierte Ausführungsform im Schnitt entlang der Linie VIII-VIII in Figur 7 dar.
Figur 7 ist eine waagerechte Schnittansicht entlang der Linie IX-IX der Figur 6.
Figuren 8a und 8b stellen einen weiteren besonderen Typ der verwendeten Klappe im Querschnitt und in Aufsicht dar.
Ein in den Figuren 1 bis 4, 6 und 7 mehrfach dargestelltes, gleiches Element wird in jeder der Figuren mit der gleichen Bezugszahl bezeichnet. In den im folgenden beschriebenen Ausführungsformen ist die Mikropumpe mit ein oder mehreren Eintrittsklappen oder einem Durchflussbegrenzer und mit einer Austrittsklappe ausgerüstet. Es sei jedoch bemerkt, dass die Erfindung gleichermassen auf Mikropumpen zutrifft, die mehrere zwischen der Pumpenkammer und dem Ausgang angeordnete Klappen umfassen. Die Mikropumpe kann auch mit einer Mehrzahl von Ausgängen versehen sein. Die Eintritts- und Austrittsklappen können durch jedes andere Regelorgan für den Fluidein- bzw. -austritt ersetzt werden, zum Beispiel durch Durchflussbegrenzer.
Es sei bemerkt, dass der Deutlichkeit halber die Dicken der verschiedenen, die Mikropumpe bildenden Plättchen in denzeichnungen stark übertrieben sind.
Unter Bezugnahme auf Figuren 1 und 2 umfasst die Mikropumpe gemäss der ersten Ausführungsform ein Basisplättchen 2, vorzugsweise aus Glas. Zwei Kanäle 4, 5, die die Zu- und Ableitung der Pumpe bilden, sind durch dieses Basisplättchen 2 gebohrt.
Die Zuleitung 4 kann an einen nicht veranschaulichten Vorratsbehälter angeschlossen werden, in dem sich die zu pumpende flüssige Substanz befindet, zum Beispiel ein in genauer Dosierung zu verabreicherides Medikament. In dieser Anwendung kann der Patient die Mikropumpe auf sich tragen oder auch eingepflanzt erhalten. Die Ableitung 5 kann zum Beispiel mit einer (nicht veranschaulichten) Injektionsnadel verbunden werden.
Auf dem Basisplättchen 2 sitzt ein Zwischenplättchen 6 aus Silizium oder einem anderen, durch photolithographisches Ätzen bearbeitbarem Material. Es ist mit bekannten Verbindungstechniken auf das Basisplättchen 2 aufgesetzt, zum Beispiel der unter dem englischen Begriff "anodic bonding" oder änodisches Schweissen bekannten Technik, die ein Aufheizen auf etwa 300 ºC und Anwendung einer Potentialdifferenz von etwa 500 V zwischen den Plättchen beinhaltet.
Ein Deckplättchen 8, vorzugsweise aus Glas, ist durch die selben Techniken auf das Zwischenplättchen 6 aufgesetzt.
Das Zwischenplättchen 6 aus Silizium kann zum Beispiel eine Kristallorientierung (100) haben, damit es mit Erfolg geätzt werden kann. Vorzugsweise sind die Plättchen 2, 6 und 8 sorgfältig poliert. Diese Plättchen 2, 6 und 8 werden danach vorteilhafterweise hydrophil gemacht, insbesondere wenn die in der Mikropumpe zu verwendende Substanz eine wässrige Lösung ist. Das Siliziumplättchen 6 kann zu diesem Zweck in siedende HNO&sub3; eingetaucht werden.
Um eine Vorstellung zu vermitteln, können die Plättchen 2, 6 und 8 Dicken von ungefähr 1 mm, 0,3 mm bzw. 0,8 mm aufweisen, wenn die Oberflächenabmessungen der Plättchen in der Grössenordnung von 15 x 20 mm liegen.
Die Leitungen für den Eintritt oder das Ansaugen 4 und für den (druckseitigen) Austritt 5 sind hauptsächlich durch drei Eintrittsklappen 12, eine Pumpenkammer 14 und eine Austrittsklappe 16 verbunden.
Die Eintrittsklappen 12 sind eingehender in Figuren 5a bis 5d veranschaulicht und umfassen je zwei so aus dem Siliziumplättchen 6 herausgearbeitete Membranen 18, dass diese bei geschlossener Klappe eine V-Form bilden (Figuren 5c und 5d). Die Membranen 18 vermögen sich an ihrer Verbindungslinie zu trennen, um bei offener Klappe eine zentrale Öffnung 20 zu bilden (Figuren 5a und 5b). Dieser durch Mikrobearbeitung erhaltene Ventil- oder Klappentyp ist eingehender von L. Smith und B. Hök in einem Aufsatz beschrieben worden, der den Titel "A silicon selfaligned non reverse valve" ("Ein seibsteingestelltes Silizium-Einwegventil") trägt und in "Transducers 91, Digest of Technical Papers", Seiten 1049-1051, IEEE Catalog number 91CH2817-5, IEEE, Piscataway NJ (1991), erschienen ist.
Diese Ventile gestatten eine sehr kleine Konstruktionsausführung und erfordern nur einen Verbindungsraum 22 von sehr geringem Volumen zum Anschluss an die Pumpenkammer. Die Mikrokavitation, die in Ventilen des gewohnten Typs auftritt, die eine mit einem Ventilsitz zusammenwirkende Klappe aufweisen, wird vermieden. In diesen Ventilen des gewohnten Typs wird nämlich sehr lokal am Ventilsitz im Augenblick der Treniiung von Klappe und Ventilsitz eine sehr starke Druckverminderung beobachtet. Diese Druckverminderung kann zur Bildung von Gasmikroblasen führen, wenn der Druck an dieser Stelle der Flüssigkeit unter deren Dampfdruck absinkt. Dieser Nachteil kann mit dem vorliegenden Typ der Membranklappe 12 in V-Form nicht auftreten, weil sich die beiden Membranen unter Fluidfluss entlang ihrer Oberflächen gleitend voneinander wegbewegen.
Wegen der sehr geringen Abmessungen der drei Klappen hat der unter den drei Eintrittsklappen 12 befindliche Verbindungsraum 22 ein sehr begrenztes Volumen und schliesst sich direkt an die Pumpenkammer 14 an.
Letztere ist mit der Austrittsklappe 16 über einen zweiten Verbindungsraum 24 verbunden, der die ringförmige Rippe 26 dieser Austrittsklappe 16 umgibt. Dieser zweite Verbindungsraum 24 hat bevorzugterweise gleichfalls ein möglichst begrenztes Volumen.
Die Austrittsklappe 16, vom herkömmlichen Typ, ist gleichfalls aus dem Siliziumplättchen 6 herausgearbeitet und umfasst eine Membran 28, die eine von einei Oxidschicht 27 bedeckte Ringrippe 26 trägt, die der Membran 28 eine Vorspannung erteilt, die den Scheitel der Rippe 26 gegen das als Klappensitz dienende untere Plättchen 2 drückt. Auf der anderen Seite der Membran 28 aufgebrachte Oxidschichten 30 verstärken diese Vorspannung. Die Pippe 26 grenzt ein sich ausserhalb von ihr erstreckendes Abteil 32 ab, das mit der Ableitung 5 in Verbindung steht.
Natürlich kann man auch andere Typen von Regelorganen für den Fluidaustritt vorsehen, zum Beispiel Klappen des Typs mit V-förmiger Membran oder Durchflussbegrenzer.
Die Pumpenkammer 14 ist von im wesentlichen kreisrunder Gestalt. Ihr Volumen wird durch eine Pumpmembran 36 moduliert, die eine bewegliche oder deformierbare Wand der Pumpenkammer 14 darstellt. Diese bewegliche Wand ist aus dem Siliziumplättchen 6 herausgearbeitet und hat eine starre zentrale Partie 38, die im Verhältnis zur Gesamtweite der Pumpmembran 36 relativ gross ist. Der Durchmesser dieser zentralen Partie 38 kann zwischen 20 und 90 %, vorzugsweise zwischen 50 und 80 % des Durchmessers der Pumpmembran 36 liegen. Diese starre zentrale Partie 38 hat eine deutlich grössere Dicke als der ringförmige Rand 40 der Pumpmembran. Um eine Vorstellung zu vermitteln, weist der Rand 40 eine Dicke zwischen 10 und 100 µm auf, während die starre zentrale Partie 38 eine Dicke aufweist, die 10 bis 50 µm geringer als die Gesamtdicke des Plättchens 6 ist, was beispielsweise eine Dicke von 300 µm ergibt.
Diese Pumpmembran 36 hat auf ihrer Unterseite gegenüber dem Plättchen 2 Zonen 42, die mit einer feinen Siliziumoxidschicht bewehrt sind, durch die ein Ankleben der Membran 36 am Plättchen 2 vermieden werden kann. Eine ähnliche, feine Siliziumoxidschicht 44 ist zum gleichen Zweck auf der Oberseite der starren zentralen Partie 38 vorgesehen. Auf beiden Seiten des ringförmigen Randes 40 aufgebrachte Siliziumoxidschichten 16, 48 sind dazu bestimmt, der Membran eine bestimmte (nicht sichtbare) Vorspannung zu erteilen, die in Figur 1 nach oben gerichtet wäre. Die starre zentrale Partie 38 und das Deckplättchen 8, mit dem sie zusammenwirkt, stellen Anschlagelemente dar, die die Ansaugbewegung der Pumpmembran 36 begrenzen.
Es muss bemerkt werden, dass die Klappen oder Ventile für den Eintntt 12 und Austritt 16 alle auf der selben Seite einer vorgestellten Mittelfläche 49 durch das Plättchen 6 angeordnet sind; die Pumpenkammer 14 befindet sich auf der selben Seite dieser Mitteifläche. Die Austrittsklappe 16, die eine andere Konstruktion als die Eintrittsklappe 12 aufweist, öffnet sich zu dieser Mittelfläche 49 hin, während sich die Eintrittsklappen 12 in der entgegengesetzten Richtung nach unten hin öffnen und dadurch von dieser Mittelfläche entfernen.
Eine Betätigungsvorrichtung 50 für die Pumpmembran 36 hat ein Antriebsorgan in Gestalt eines piezoelektrischen Elements 52, das mit Elektroden 54, 56 versehen ist, die an einen Generator 58 angeschlossen sind, der dazu bestimmt ist, eine Wechselspannung zu liefern. Dieses Element kann das von der Firma Philips unter der Bezeichnung PXE-52 in den Handel gebrachte Element sein. Es ist mit beliebigen, geeigneten Mitteln wie Kleben oder Schweissen auf einem elastischen Blatt 60 aus Metall, Silizium odei. Kunslstoff angebracht. Dieses Blatt 60 ist über einen Abstandshalter 62 auf das Deckplättchen 8 aufgesetzt. Dieser Abstandshalter 62 kann aus einem Stützring aus Kunststoff, Metall oder Silizium bestehen. Er kann gleichermassen durch eine vorbestimmte Schichtdicke aus Leim oder durch eine Glasschicht dargestellt werden, die aus einem Stück mit dem Plättchen 8 debildet wurde. Ein Zwischenstück 64 in Gestalt eines Reissnagels kann durch beliebige, geeignete Mittel wie Verkleben oder Verschweissen seines flachen Kopfes 66 mit dem elastischen Blatt 62 fest verbunden werden. Es wirkt über seinen senkrechten Stift 68, der das Deckplättchen in der Bohrung 69 durchstösst, auf die starre zentrale Partie 38 der Pumpmembran 38 ein. Im übrigen kann ein geringfügiges Spiel oder eine mechanische Spannung zwischen dem senkrechten Stift 68 und der Pumpmembran 36 vorliegen, wenn sich die Pumpe in der Ruhestellung befindet.
Die ein piezoelektrisches Elenient 52 und ein elastisches Blatt 60 umfassende Betätigungsvorrichtung 50 kann auch durch eine Vorrichtung ersetzt werden, die zwei oder mehrere aufeinandergeklebte piezoelektrische Plättchen oder miteinander verbundene piezokeramische und Metallscheiben umfasst.
Somit ist das piezoelektrische Element 52 unabhängig von der Pumpmembran 36. Hystereseeffekte des piezoelektrischen Elements 52 ("piezocreep", d.h. Piezokriechen) oder Veränderungen bzw. Verschlechterungen dieses Elements haben keinen Einfluss auf die Gestalt der Pumpmembran 36, da letztere vom piezoelektrischen Element 52 unabhängig ist und durch das Zwischenstück 64 in Bewegung versetzt wird. Durch diesen Aufbau kann man bei gegebenem Durchinesser der Pumpmembran ein grosses Fluidvolumen verschieben, weil die starre zentrale Partie 38 kolbenartig wirkt. Die bearbeiteten Teile der Mikropumpe lassen sich weiter miniaturisieren, wobei aber immer eine Betätigungsvorrichtung einer bestimmten, relativ bedeutenden Grösse erhalten bleibt. Diese Miniaturisierung der bearbeiteten Partien gestattet es, die Gestehungskosten zu senken.
Die beschriebene Mikropumpe hat ein inneres Volumen (Vi), das das Volumen (Vp) der Pumpenkammer 14, das Volumen (Ve) des Verbindungsraumes 22, der einerseits von den Eintrittsklappen 12 begrenzt wird und andererseits mit der Pumpenkammer 14 verbunden ist, sowie das Volumen (Vs) des Verbindungsraumes 24 zur Austrittsklappe mit seiner die Ringrippe 26 umgebenden ringförmigen Partie umfasst. Die Betätigungsorgane 50 verschieben die bewegliche Wand 26, um eine periodische Veränderung (ΔVp), erst Verkleinerung und sodann Erhöhung, des Volumens (Vp) der Pumpenkammer 14 hervorzurufen. Die Verkleinerung des inneren Volumens (Vi) der Mikropumpe, die durch die Verkleinerung des Volumens (Vp) der Pumpenkammer zustande kommt, ist derart, dass ein Gas, zum Beispiel Luft oder jedes beliebige andere, komprimierbare Fluid, das sich im Innenraum der Mikropumpe befindet, zumindest auf einen Druck zusammengedrückt wird, der genügt, um die Öffnung der Austrittsklappe 16 zu bewirken, so dass diese Luft aus der Mikropumpe hinausgedrängt wird und die Mikropumpe dadurch selbstansaugend ist.
Um diese Wirkung zu erhalten, darf die Veränderung bzw. Verkleinerung (ΔVp) des Volumens der Pumpenkammer 14, die durch die Bewegung der beweglichen Wand 36 hervorgerufen wird, nicht viel kleiner als das Volumen (Vp) der Pumpenkammer sein. Ausserdem müssen die Volumina (Ve und Vs) der Verbindungsräume 22 und 24 so klein wie möglich sein, was eben durch Mikrobearbeitung erreicht werden kann.
Vorteilhafterweise beträgt die Veränderung bzw. Verkleinerung (ΔVp) zwischen 30 und 50 %, vorzugsweise mehr als 50 % des inneren Volumens (Vi).
Die Volumina (Ve und Vs) der beiden Verbindungsräume 22 und 24 betragen vorteilhafterweise zusammen weniger als 30 % des inneren Volumens (Vi), vorzugsweise weniger als 15 % dieses inneren Volumens.
Um eine Vorstellung zu vermitteln, kann die Ausführungsform eine bewegliche Wand 36 mit einem Durchmesser von 7 mm und einer starren zentralen Partie mit einem Durchmesser von 5 mm sowie eine vertikale Verschiebung von 10 µm aufweisen.
Die Veränderung oder Verkleinerung (ΔVp) des Volumens der Pumpenkammer 14 beträgt dann etwa 0,28 min³. Da das Volumen (Vp) der Pumpenkammer 0,38 mm³, jenes (Ve) des Verbindungsraumes 22 zu den Eintrittsklappen 0,015 mm³ und jenes (Vs) des Verbindungsraumes 24 zur Austrittskkppe 0,03 mm³ beträgt, ist das innere Volumen (Vi) etwa 0,43 mm³.
Somit beträgt die Veränderung bzw. Verkleinerung (ΔVp) etwa 65 % des inneren Volumens (Vi), während die Volumina (Ve und Vs) der beiden Verbindungsräume 22, 24 zusammen nur etwa 10 % des inneren Volumens (Vi) der Mikropumpe betragen.
Unter der Annahme, dass die Mikropumpe in der Ruhestellung (nicht angesaugt) mit Luft bei einem Druck von 1 bar gefüllt ist und dass man dann diese Luft auf 35 % ihres ursprünglichen Volumens zusammendrückt, wird im inneren Volumen (Vi) der Mikropumpe ein Druck von über 2,5 bar erzeugt.
Da ein Innendruck von 1,5 bar erforderlich ist, um die Öffnung der Austrittsklappe 16 hervorzurufen, reicht der im Inneren der Mikropumpe eizeugte Druck bei weitem aus, um diese Pumpe voll selbstansaugend zu machen. Dank des starren Mittelstücks 33, das einen grossen Durchmesser hat und wie ein Kolben wirkt, und dank der sehr kleinen Verbindungsräume 22 und 24 ist es möglich, im Inneren der Mikropumpe Drücke zu erzeugen, die genügen, um ein Selbstansaugen zu ermöglichen.
Dies ist nicht der Fall bei bekannten Mikropumpen, die im allgemeinen auf der Innenseite der Eintrittsklappe einen Raum von ziemlich beträchtlichem Volumen haben. So beträgt im allgemeinen das innere Volumen etwa 3 mm³, während die durch die Pumpbewegung mit einer klassischen Pumpmembran von 7 mm Durchmesser verursachte Volumenveränderung ungefähr 0,1 mm³ beträgt. Eine solche Mikropumpe kann also dann nicht funktionieren, wenn ihr Inneres teilweise oder ganz mit Gas gefüllt ist. Dieser wichtige Nachteil beim Betrieb und beim Ansaugen wird durch die vorliegende Erfindung völlig vermieden. Desgleichen ist bei vollständigem Hub der Pumpmembran 36 die durch die Vergrösserung des Volumens (Vp) der Pumpenkammer 14 verursachte Erhöhung des inneren Volumens (Vi) der Mikropumpe so gross, dass das Gas, d.h. die Luft, die nach Schliessen der Austrittskklappe 16 im Innenraum der Mikropumpe verblieben ist, auf einen genügend niedrigen Druck entspannt wird, um die Öffnung der Eintrittsklappe oder -klappen hervorzurufen.
Das dickere, starre Mittelstück 36, das dafür bestimmt ist, mit dem Deckplättchen 8 in Berührung zu kommen, bildet ein Anschkigelement, das entgegengesetzt zu den Anschlagelementen ist, die von den Bereichen mit Siliziumoxid 42 gebildet werden, die mit dem Basisplättchen 2 in Berührung kommen.
Die Ansaug- und die Ausstossbewegung der Pumpmembran 36 sind somit mechanisch nach oben und nach unten hin kontrol]iert. Dadurch kann bei jeder Vor- und Rückwärtsbewegung der Membran eine sehr genaue Substanzmenge gepumpt werden. Die starre zentrale Partie 38 ist mit einem Kolben vergleichbar, dessen Bewegung gut definiert verläuft. Da der ringförmige Rand 40 der Pumpmembran 36 im Verhältnis zur Gesamtfläche der Pumpmembran 36 eine relativ kleine Fläche aufweist, bewirken Druckunterschiede in der Pumpenkammer 14 nur geringfügige Veränderungen des Volumetis unter der Pumpmembran 36.
Ausserdem wird durch die Oxidbereiche 42 ein Kleben der Pumpmembran 36 während des anodischen Schweissens oder ein Festsaugeffekt dieser Membran, wenn diese sich von ihrer tiefsten Stellung nach oben verschiebt, vermieden.
Nicht veranschaulichte elektrische Kontakte oder Elektroden können einander gegenuberstehend auf der starren zentralen Partie 38 und auf der Unterseite des Deckplättchens 8 angeordnet sein. Diese Kontakte setzen sich dann von der Pumpe nach aussen fort und sind mit einem nicht veranschaulichten elektrischen Stromkreis verbunden, der es gestattet, das Funktionieren der Pumpmembran 36 und das Ansaugen des Fluids zu regeln Geeignete Stromkreise sind zum Beispiel in der europäischen Patentanmeldung 0 498 863 beschrieben.
Die allgemeine Funktionsweise dieser Pumpe ist vergleichbar mit der in dem Aufsatz von H. Van Lintel u.a. beschriebenen, der unter dem Titel "A piezoelectric micropump based on mioromachining of silicon" ("Eine durch Silizium-Mikrobearbeitung erhältliche piezoelektrische Mikropumpe") in "Sensors and Actuators", Nr. 15 (1988), Seiten 153 bis 167, erschienen ist.
Verglichen mit diesem bekannten Mikropumpentyp gestattet es also die der vorliegenden Erfindung gemässe Mikropumpe, ein sicheres und verlässuches Selbstansaugen zu erhalten. Ausserdem liefert die Mikropumpe bei jeder Hin- und Herbewegung eine sehr genaue Dosierung, die zudem praktisch nicht von dem in den Zu- und Ableitungen herrschenden Druck, von der Leistung des piezoelektrischen Elements oder von Verschlechterungen und Hystereseeffekten abhängt, die man bei dieser Art von Betätigungsvorrichtung kennt. Ausserdem wird die Bewegung der Pumpmembran sowohl durch das starre Zwischenstück 38 wie auch durch die Oxidbereiche 42 genau geregelt. Die Durchflussmenge wird daher durch die Bearbeitungsmerkmale der Pumpmembran 36 und durch die Frequenz der Betätigungsvorrichtung definiert.
In diesem Pumpentyp können piezoelektrische Elemente verwendet werden, die ziemlich grosse Schwankungen in ihren Eigenschaften aufweisen. Ausserdem ist es nicht notwendig, die Pumpen für jedes verwendete Element gesondert zu kalibrieren.
Da das Element auf der Aussenseite angebracht ist, kann es bei Fehlerhaftigkeit; leicht ersetzt werden.
Selbstverständlich stellt die oben beschriebene Ausführungsform in ihren Merkmalen keinerlei Beschränkung dar und kann in dem durch Anspruch 1 definierten Rahmen alle wünschenswerten Abwandlungen erfahren. Insbesondere können die Ausführung und Anordnung der Klappen und der Zu- und Ableitungen wie auch die der Pumpenkammer ganz anders sein. Die Austrittsklappe kann ebenfalls vom Typ mit zwei Membranen in V-Form sein. Die Pumpenkaminer und diese Klappen oder Fluidiegelorgane können gleichermassen zum Teil oder ganz auf dem Basisplättchen angeordnet sein, falls dies vorrangig erscheint. Die Klappen oder Regelorgane sind dann auf der Seite des Plättchens, aus dem sie herausgearbeitet worden sind, angeordnet, die der Pumpenkammer am nächsten ist, wobei sich die Eintrittsklappen 12 von dem Plättchen, auf dem sie sich befinden, nach aussen öffnen, während sich die Austrittsklappen 16 in Richtung auf das Innere des Plättchens öffnen, auf dem sie sich befinden. Die Verteilung der Oxidbereiche kann an die für die Klappen und das Pumpen erwünschten Vorspannungen angepasst werden. Das Betätigungsorgan kann ein Antriebsorgan von einem anderen als dem piezoelektrischen Typ sein.
Das Zwischenstück 64 kann aus einem Stück mit dem elastischen Blatt 60 oder auch mit dem piezoelektrischen Element gearbeitet sein. Es kann aber auch frei zwischen dem elastischen Blatt und der Pumpmembran angeordnet sein.
Die Pumpe kann ausserdem ein oder mehrere Schrauben aufweisen, die durch das Deckplättchen 8 hindurchgehen und mit ihren Enden mit der starren zentralen Partie 33 zusammenwirken. Diese Schrauben stellen somit einstellbare Anschlagelemente dar, die es gestatten, die Amplitude der Ansaugbewegung einzustellen.
Stellschrauben können gleichfalls auf dem Blatt 60 angebracht werden. Ausserdem ist es möglich, Stellschrauben in den flachen Kopf 66 des Zwischenstücks einzusetzen.
Die in der Figur 3 veranschaulichte zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform lediglich im Aufbau der Betätigungsvorrichtung. Deshalb tragen die beiden Ausführungsformen entsprechenden Elemente dieselben Bezugszahlen und werden nicht mehr im einzelnen beschrieben.
Diese zweite Ausführungsform hat gleichfalls ein Basisplättchen 2, durch das die Zuleitung 4 und die Ableitung 5 gebohrt sind, sowie ein Deckplättchen 8. Zwischen diese beiden Plättchen 2 und 8 ist das Zwischenplättchen aus Silizium eingefügt, das durch photolithographische Techniken bearbeitet wurde, um ein oder mehrere Eintrittsklappen 12 und Austrittsklappen 16 sowie eine Pumpenkammer 14 zu erhalten.
Feine Oxidschichten 27, 30, 46, 48 gestatten es, vorbestimmte Vorspannungen in der bearbeiteten Siliziummembran zu erhalten.
Die Pumpenkammer 14 ist von im wesentlichen kreisrunder Gestalt und durch zwei Verbindungsräume 22, 24 mit den Eintritts- und Austrittsklappen verbunden. Aus dein Siliziumplättchen 6 in Gestalt einer beweglichen, deformierbaren Wand herausgearbeitet, hat die Pumpmembran 36 eine starre dickere, zentrale Partie 38.
Die Betätigungsvorrichtung 150 weist ein elastisches Metallbiatt 160 auf, das gebogene Ränder 162 hat, die Abstandshalter bilden, die an die Oberseite des Plättchens 8 angeklebt sind. Ein Antriebsorgan in Gestalt eines piezoelektrischen Elements 152 ist durch Schweissen oder Kleben auf das Blatt 160 aufgebracht. Über ein Zwischenstück 164 wirkt es auf die starre zentrale Partie 38 der Pumpmembran 36 ein. Dieses Zwischenstück 164 hat einen geraden Abschnitt und eine Unterseite, die der der starren zentralen Partie 38 ähnelt und an letzterer mit beliebigen, geeigneten Mitteln wie anodisches Schweissen oder Kleben befestigt ist. Dank dieses Zwischenstücks 164, das einen beträchtlichen Durchmesser hat, wird die Pumpmembran 36 senkrecht verschoben, ohne auf dem grössten Teil ihrer Oberfläche eine Deformation zu erleiden. Die Entleerung der Pumpenkammer 14 ist daher besonders wirkungsvoll, was den Effekt des Selbstansaugens des Mikroventils bei gegebener Geometrie des inneren Volumens (Vi) noch weiter verstärkt. Ausserdem sind der Aufbau und die Montage einfach, wodurch der Gestehungspreis der Mikropumpe herabgesetzt werden kanu.
Die in der Figur 4 dargestellte dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten und zweiten Ausfiihru ngsform hauptsächlich im Aufbau der Austrittsklappe 216 und der Beüätigungsvorrichtung 250. Daher tragen die allen drei Ausführungsformen entsprechenden Elemente die gleichen Bezugszahlen und werden nicht mehr im einzelnen beschrieben.
Diese dritte Ausführungsform hat ebenfalls ein mit einer Zuleitung 4 und einer Ableitung 5 versehenes Basisplättchen 2 sowie ein Deckplättchen 8. Zwischen diese beiden Plättchen 2 und 8 ist das Zwischenplättchen 6 aus Silizium eingefügt, das durch photolithographische Techniken bearbeitet wurde, um ein oder mehrere Eintrittsklappen 12 und Austrittsklappen 216 sowie eine Pumpenkammer 14 zu erhalten. Feine Oxidschichten 227, 230, 46 und 48 gestatten es, vorbestimmte Vorspannungen in der bearbeiteten Siliziummembran zu erhalten.
Die Pumpenkammer ist ebenfalls von kreisrunder Gestalt und über Verbindungsraume 22 und 24 mit den Eintritts- und Austrittsklappen verbunden.
Das Deckplättchen 208 aus Glas hat in dieser Ausführungsform eine geringe Dicke von etwa 0,2 mm, damit es durch das durch Kleben an seiner Oberseite angebrachte piezoelektrische Element 252 elastisch deformiert werden kann. Durch die elastische Deformation des Glasplättchens wirkt das piezoelektrische Element 252 auf die starre zentrale Partie 38 ein, um die Pumpbewegung zu erhalten.
Diese Konstruktion erfordert kein Durchbohren des Glasplättchens, daher ergibt sich eine schnellere und leichtere Montage.
Die Austrittsklappe 216 hat eine nicht durchbohrte Membran 228 mit einer Ringrippe 226, die um den Austrittskanal 5 herum angeordnet und von einer feinen Siliziumoxidschicht 227 bedeckt ist.
Diese Ausführungsform hat ausserdem eine zwischen der Membran 228 und dem Deckplättchen 208 angeordnete Kammer 229. Diese Kammer 229 kann mit der Zuleitung 4 verbunden sein und einen Schutz gegen Überdruck am Eingang des Mikroventils darstellen, indem sie die Ableilung 5 im Falle von Überdruck schliesst. Sie kann ebenfalls an Organe zur Überwachung des Funktionierens des Ventils angeschlossen werden. Schliesslich karin sie auch versiegelt oder mit der Aussenluft verbunden werden. Dieser Aufbau erfordert eine sehr gute gegenseitige Ausrichtung der Ringrippe 226 und der Ableitung 5, die einen geringen Durchmesser aufweisen muss.
Anstelle einer Eintrittsklappe können die beschriebenen Mikropumpen als Fluideintrittsregelorgan einen Durchflussbegrenzer aufweisen, der durch eine Leitung sehr geringen Querschnitts gebildet wird, die die Zuleitung direkt mit der pu mpenkainmer verbindet. Der Verbindungsraum zwischen diesen beiden Elementen hat hier also ein sehr kleines Volumen, was für das Selbstansaugen besonders günstig ist.
Die von einem piezoelektrischen Element gebildete Betätigungsvorrichtung kann auch direkt auf die Pumpmembran aufgeklebt und mit einem Generator verbunden werden, der dazu bestimmt ist, eine Wechselspannung zu liefern.
Die Betätigungsfrequenz des piezoelektrischen Elements ist in dieser Variante mit Durchflussbegrenzer höher, nämlich zwischen 10 und 100 Hz, anstelle der 1 bis 10 Hz für die Ausführungsformen mit Eintrittsklappe. In Anbetracht dieser höheren Frequenz und des geringen Durchflussquerschnitts des Durchflussbegrenzers ergibt sich ein Selbstansaugstrom, der geeignet ist, das in dem inneren Volumen (Vi) der Mikropumpe enthaltene Gas zur Ableitung hin zu drücken. Selbstverständlich darf auch in dieser Abwandlung die Veränderung (ΔVp) des Volumens der Pumpenkammer 14 nicht viel geringer sein als das Volumen (Vp) der Pumpenkammer und das innere Volumen (Vi) der Mikropumpe. Die Volumina (Ve und Vs) der Verbindungsräume zum Durchflussbegrenzer und zur Austrittsklappe müssen ebenfalls so gering wie möglich sein, um ein wirksames Selbstansaugen zu erhalten.
Die in Figuren 6 bis 8 dargestellte vierte Ausführungsform umfasst, wie die erste Ausführungsform, ein Basisplättchen 2 aus Glas mit Zuleitung und Ableitung 5, ein durch Ätzen bearbeitetes Zwischenplättchen 6 aus Silizium und ein Deckplättchen 8, vorzugsweise aus Glas. Diese Ausführungsform ist mit zwei Eintrittsventilen 412 versehen, die von dem im Aufsatz von Sh. Shoji u.a. in "Technical Digest of the 7th Sensor Symposium", Seiten 217 bis 220, 1988, beschriebenen Typ sind. Bezugnehmend auf Figur 8 werden diese Ventile durch Mikrooberflächenbearbeitung aus polykristallinem Silizium erhalten. Sie umfassen eine ringförmige Struktur 418, die auf das Plättchen 6 aufgeklebt und über vier Arme 419 an ein zentrales Verschlussstück 420 angeschlossen ist, das dazu bestimmt ist, mit einem Loch 421 im Plättchen 6 zusammenzuwirken.
Das Austrittsventil 16 ist vom selben Typ wie das unter Bezugnahme auf Figur 1 beschriebene. Jedoch hat die Pumpmembran 436 hier in der Ruhestellung eine nach oben bauchige Gestalt und eine zentrale Partie 438 kleineren Durchmessers. Ihre der Pumpenkammer 14 zugewandte Unterseite ist mit einer Mehrzahl kreisförmiger Siliziumoxidzonen 442 versehen, die dazu bestimmt sind, ein Ankleben oder Festsaugen der Membran 436 zu verhindern. Die gesürichelte Linie 437 deutet die Grenze der Berührung zwischen der Membran 436 und dem Basisplättchen 2 an. Diese Membran 436 hat ausserdem einen Graben 439, der den Verbindungsraum 422 mit dem Verbindungsraum 424 verbindet. Dieser Graben 439 ist gleichfalls dazu bestimmt, ein Festsaugen der Membran 436 zu vermeiden. Er könnte selbstverständlich ebenso im Basisplättchen 2 vorgesehen werden.
Die Betätigungsvorrichtung 450 umfasst ein ringförmiges piezoelektrisches Element 452, das um die zentrale Partie 438 der Membran 436 herum an diese angeklebt ist.
Zwei Elektroden 454 und 456 sind über Drähte 457 an einen Wechselspannungsgenerator angeschlossen. Die Öffnungen 459 im Plättchen 8 sind beispielsweise mit Epoxykleber oder Lot hermetisch verschlossen.
Wenn das piezoelektrische Element 452 angesteuert ist, verschiebt sich die Membran 436 in Figur 6 nach unten, so dass sie eine fast flache Gestalt annimmt, wodurch ein ausgezeichnetes Kompressionsverhältnis der Pumpenkammer 14, die dann ein sehr geringes Restvolumen aufweist, erreicht wird. Die Höhe der Ausbauchung der Pumpmembran 436 entspricht also im wesentlichen dem Pumpenhub dieser Membran.
Diese bauchige Gestalt der Membran 436 kann dadurch erhalten werden, dass die über der Membran befindliche Kammer 460 bei Unterdruck hermetisch verschlossen wird. Sie könnte aber auch dadurch erhalten werden, indem eine Oxidschicht, die eine angemessene deformierende Vorspannung induziert, auf ihre Oberseite aufgebracht wird.
Es sei bemerkt, dass eine so nach oben gewölbte Membran auch in den anderen, weiter oben beschriebenen Ausführungsformen sehr vorteilhaft sein könnte. Auch die Ventile 412 aus polykristallinem Silizium könnten als Austrittsventile für andere Ausführungsformen verwendet werden. Diese Ventile könnten auch durch Mikrobearbeitung anderer Materialien wie Siliziumnitrid oder die in der Galvanoplastik verwendeten Metalle erhalten werden. Das als Anschlag für das Öffnen dienende Mittelstück 438 könnte auch fehlen, aber im vorliegenden Falle ist es zweckdienlich, um die Pumpgenauigkeit zu erhöhen, und ist auch als ein Sicherheitselement nützlich, um ein Reissen der Pumpmembran 436 bei Überdruck im Eintrittskanal 4 zu vermeiden.
Somit gestatten es die beschriebenen Ausführungsformen, in die Pumpe gelangende Luft durch einen Selbstansaugeffekt hinauszudrücken, wobei lediglich eine zeitweise Verminderung der Pumpleistung beobachtet wird, bis die Luft allesamt in die Ableitung der Mikropumpe gefördert worden ist.
Die beschriebenen Ausführungsformen sind besonders für die Verabreichung von Medikamenten und für ein Einpflanzen in den Körper eines Patenten geeignet.

Claims

1. Mikropumpe mit zumindest einem Basisplättchen (2) und einem zweiten, so auf das Basisplättchen aufgeklebten Plättchen (6), dass eine Pumpenkammer (14) definiert wird; mit Regelorganen für den Eintritt (12) und Austritt (16) in direkter Verbindung mit der Pumpenkammer, wobei die benannten Regelorgane auf oder in zumindest einem der beiden Plättchen sitzen und zumindest eines dieser. Plättchen durch photolithographische Mikrobearbeitungstechniken aus einem tindurchlässigen Material herausgearbeitet wurde; und mit einem das Volumen der Pumpenkammer (14) und die Volumina der Verbindungsräume (22, 24) zu den benannten Regelorganen umfassenden inneren Volumen (Vi), wobei die Pumpenkammer (14) eine in eines der Plättchen eingearbeitete bewegliche Wand (36) hat und Betätigungsorgane (50) vorgesehen sind, um die benannte bewegliche Wand (36) zu verschieben und eine periodische Verkleinerung und Vergrösserung des inneren Volumens hervorzurufen; dadurch gekennzeichnet, dass sich das Regelorgan für den Eintritt (12) nach der Aussenseite des Plättchens hin öffnet, auf oder in dem es sitzt, während sich das Regelorgan für den Austritt (16) nach der Innenseite des Plättchens hin öffnet, auf oder in dem es sitzt, so dass die Verkleinerung des inneren Volumens ein in dem benannten inneren Volumen enthaltenes Gas auf einen Druck komprimiert, der dafür ausreicht, die Öffnung des Austrittsregelorgans hervorzurufen und auf diese Weise eine seibstansaugende Mikropumpe zu bewirken.

2. Mikropumpe gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpenkammer (14) und die Verl)indungsräume (22, 24) so gestaltet sind, dass die auf Grund der Vergrösserung des Pumpenkammervolumens erfolgende Vergrösserung des inneren Volumens der Mikropumpe derart ist, dass das nach dem Schliessen des Fluidaustrittsregelorgans (16) in der Mikropumpe verbleibende Gas auf einen Druck entspannt wird, der niedrig genug ist, um die Öffnung des Fluideintrittsregelorgans (12) hervorzurufen.

3. Mikropumpe gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenverkleinerung (ΔVp) der Pumpenkammer zwischen 30 und 100 % und bevorzugt mehr als 50 % des benannten inneren Volumens (Vi) ausmacht, wobei die Volumina (Ve und Vs) der benannten Verbindungsräume zwischen der Pumpenkammer (14) und den Regelorganen für den Eintritt (12) und Austritt (16) weniger als 30 % des inneren Volumens (Vi) und bevorzugt weniger als 15 % davon betragen.

4. Mikropumpe gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpenkammer (14) auf der einen Seite einer Mittelfläche des Plättchens angeordnet ist, in oder auf dem sie herausgearbeitet worden ist, wobei jedes der Regelorgane für den Eintritt (12) und Austritt (16) in oder auf der Seite des Plättchens, aus dem es herausgearbeitet wurde, angeordnet ist, die sich näher an der Pumpenkammer befindet.

5. Mikropumpe gemass einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Organe für den Eintritt (12) anders als das oder die Organe für den Austritt (16) gebaut sind.

6. Mikropumpe gemäss eineni der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Wand (36) eine starre zentrale Partie (38) umfasst, die von einer elastischen Kante (40) geringerer Wandstärke umgeben ist, die zusammen mit der starren zentralen Partie (38) aus einem Stück herausgearbeitet wurde, wobei diese letztere über die Seite der beweglichen Wand hinausragt, die der Pumpenkammer (14) gegenübersteht, und dazu bestimmt ist, mit den benannten Betätigungsorganen (50) zusammenzuwirken.

7. Mikropumpe gemäss Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Weite der benannten starren zentralen Partie (38) zwischen 20 und 90 %, vorzugsweise zwischen 50 und 80 % der Weite der beweglichen Wand (36) schwankt.

8. Mikropumpe gemass einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest ein drittes, auf das zweite Plättchen (6) aufgeklebtes Plättchen (8) aufweist und die Betätigungsorgane (50) ein beweglich auf das dritte Pkttchen montiertes Antriebselement (52) umfassen, wobei ein Zwischenstück (64) zwischen der benannten starren zentralen Partie (38) und dem Antriebselement (52) angeordnet ist.

9. Mikropumpe gemäss Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebseiement (52) beweglich auf die Aussenseite des benannten dritten Plättchens (8) montiert ist, wobei das benannte Zwischenstück (64) durch eine Öffnung (69) durch dieses dritte Plättchen (8) hindurchgeht.

10. Mikropumpe gemäss Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement ein piezoelektrisches Element (52) ist, das vermittels eines Abstandshalters (62) auf die Aussenseite des dritten Plättchens (8) montiert ist.

11. Mikropumpe gemäss einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenstück (64) einen mit dem Antriebselement (52) fest verbundenen flachen Kopf (66) und einen Schaft (68) aufweist, der durch das dritte Plättchen (8) hindurchgeht und mit seinem Ende auf die bewegliche Wand (36) wirkt.

12. Mikropumpe gemäss Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenstück (164) eine Unterseite aufweist, die dafür bestimmt ist, mit der benannten starren zentralen Partie (38) in Berührung zu kommen, und eine Oberfläche darbietet, die der der starren zentralen Partie (38) ähnelt.

13. Mikropumpe gemäss Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein drittes Plättchen (208) aufweist, dessen Dicke seine elastische Deformation durch die fleüitigungsvorrichtung (250) gestattet, die auf die Aussenseite des dritten Plättchens (208) montiert ist, wobei die Innenseite dieses dritten Plättchens dafür geeignet ist, mit der starren zentralen Partie (38) zusammenzuwirken, um die bewegliche Wand (36) zu verschieben.

14. Mikropumpe gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungsorgane (450) ein direkt auf die benannte bewegliche Wand (436) montiertes piezoelektrisches Element (452) umfassen.

15. Mikropumpe gemäss Anspruch 8 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Wand (36, 436) eine starre zentrale Partie (38, 438) umfasst, die so ausgeführt ist, dass sie mit dem benannten dritten Plättchen (8) in Berührung kommen kann, um ein Anschagelement zu bilden, dass die Fluidansaugbewegung der beweglichen Wand (36, 436) begrenzt.

16. Mikropumpe gemass einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Wand (436) in ihrer Ruhestellung eine in Richtung auf die Aussenseite der Pumpenkammer (14) hin bauchige Gestalt darbietet.

17. Mikropumpe gemäss Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Ausbauchung im wesentlichen der durch die bewegliche Wand (436) ausgeführten Pumpbewegung entspricht.

18. Mikropumpe gemäss Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die bauchige Form der beweglichen Wand (436) durch den in einer auf der Rückseite der beweglichen Wand (436) befindlichen Kammer (460) existierenden Unterdruck und/oder durch die Gegenwart von zumindest einer auf die Oberfläche der beweglichen Wand (436) aufgebrachten Materialschicht hervorgerufen wird, die eine verformende Vorspannung erzeugt.

19. Mikropumpe gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Inneren der Pumpenkammer (14) zugewandte Seite der beweglichen Wand (36, 436) dazu bestimmt ist, an dem gegenüber befindlichen Plältchen (2) anzustossen, um die Fluidausstossbewegung zu begrenzen.

20. Mikropumpe gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Seiten der beweglichen Wand (36) Zonen (42, 44) haben, die aus einem Material bestehen, das dazu dient, ein Zusammenkleben der benannten Seite mit dem gegenüberliegenden Plättchen (2, 8) zu vermeiden.

21. Mikropumpe gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelorgane für den Fluideintritt und/oder -austritt aus zumindest einer Klappe (12) mit zwei Membranen (18) bestehen, die so aus dem zweiten Plättchen (6) herausgearbeitet wurden, dass sie bei geschlossener Klappe eine V-Form bilden und sich zu trennen vermögen, um bei offener Klappe eine zentrale Öffnung (20) zu bilden.

22. Mikropumpe gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelorgane für den Fluideintritt und/oder -austritt aus zumindest einem Ventil (412) aus einem durch Oberflächenmikrobearbeitung verformten Material bestehen.

23. Mikropumpe gemäss Anspruch 8 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelorgan für den Fluidaustritt eine Klappenmembran (228) umfasst, die eine ringförmige Rippe (226) aufweist, die gegen ein gegenüber befindliches Plättchen (2) gedrückt wird und den Austritt (5) der Mikropumpe umgibt, wobei diese letztere zumindest eine Kammer (229) aufweist, die vom dritten Plättchen (208) oder vom Basisplättchen und von der Seite der Klappenmembran (228) begrenzt wird, die der Seite mit der Ringrippe (226) entgegengesetzt ist, wobei diese Kammer (229) dazu bestimmt ist, einen Aktivoder Steuerhohlraum der Mikropumpe zu bilden.

24. Mikropumpe gemäss einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass sie dafür eingerichtet ist, Medikamente zu verabreichen, und sich dafür eignet, in den Körper eines Patienten eingepflanzt zu werden.