EP1458977B1 - Peristaltic micropump - Google Patents

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EP1458977B1
EP1458977B1 EP03792417A EP03792417A EP1458977B1 EP 1458977 B1 EP1458977 B1 EP 1458977B1 EP 03792417 A EP03792417 A EP 03792417A EP 03792417 A EP03792417 A EP 03792417A EP 1458977 B1 EP1458977 B1 EP 1458977B1
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EP
European Patent Office
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membrane
valve
membrane region
pump body
pumping chamber
Prior art date
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EP03792417A
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EP1458977A1 (en
EP1458977B2 (en
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Martin Richter
Martin Wackerle
Yücel CONGAR
Julia Nissen
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP1458977A1 publication Critical patent/EP1458977A1/en
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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
    • F04B43/04—Pumps having electric drive
    • F04B43/043—Micropumps
    • F04B43/046—Micropumps with piezoelectric drive
    • 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
    • F04B43/12—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having peristaltic action
    • F04B43/14—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having peristaltic action having plate-like flexible members

Definitions

  • the present invention relates to a micropump and in particular a micropump following a peristaltic Pump principle works.
  • Micropumps that operate on a peristaltic pumping principle are known from the prior art. So busy the article “Design and simulation of an implantable medical drug delivery system using microelectromechanical systems technology ", by Li Cao et al., Sensors and Actuators, A94 (2001), pages 117 to 125, with a peristaltic Micropump, one inlet, three pumping chambers, three Silicon membranes, three normally-closed active valves, three piezo stack actuators made of PZT, microchannels between the pumping chambers and an outlet. The three pumping chambers are of equal size and are in one Etched silicon wafer.
  • WO 87/07218 is also a peristaltic micropump known, the three membrane areas in a continuous Substrate surface has.
  • a carrier layer the the substrate and an associated support layer carries is a pumping channel formed with a fluid reservoir in Connection stands.
  • In the pumping channel is in the range of Inlet valves and an outlet valve each have a transverse rib formed on the associated membrane portion in the unactuated state rests to in the unactuated state to close the inlet valve and the outlet valve.
  • the third membrane area which can also be operated separately is arranged. By actuating the third membrane area the chamber volume between the two valve areas elevated.
  • the object of the present invention is to provide a to create peristaltic micromembrane pump that easy can be built and the one bubble-tolerant, self-priming operation allows.
  • this object is achieved by a peristaltic Micropump solved according to claim 1.
  • the present invention thus provides a peristaltic Micropump, with the first and the second valve in the unactuated State are open, and at the first and the second valve by moving the membrane to the pump body can be closed while the volume the pumping chamber by moving the second membrane area can also be reduced to the pump body.
  • the peristaltic invention allows Micropump the realization bubble tolerant, self-priming pumps, even when placed on a diaphragm Piezo elements are used as a piezoelectric actuator.
  • piezo actuators also so-called Piezo Stacks (Piezo Stacks) can be used however disadvantageous to piezo membrane transducers are that they are big and expensive, problems concerning the connection technology between stack and membrane and Problems in adjusting the stack deliver and thus overall associated with a higher cost.
  • the peristaltic Micropump is bubble-tolerant and self-priming can, it is preferably dimensioned such that the ratio of stroke volume and dead volume is greater than one Ratio of delivery pressure and atmospheric pressure is, where the stroke volume the volume displaceable by the pump membrane is, the dead volume between the inlet port and outlet port the micropump remaining volume when the Pump diaphragm is actuated and one of the valves closed and one is open, the atmospheric pressure is maximum is about 1050 hPa (worst case consideration), and the Delivery pressure in the fluid chamber region of the micropump, d. H. in the pressure chamber, necessary pressure is to one Liquid / gas interface in one place, the one Flow restriction in the microperistaltic pump, i. between the pumping chamber and the passage opening of the first or second valve, including this passage opening, represents moving past.
  • the peristaltic Micropump is bubble-tolerant and self-priming. This applies both when using the peristaltic micropump for conveying liquids when a gas bubble, usually an air bubble, in the fluid area of the pump as well as when using the micropump according to the invention as a gas pump when inadvertently damp condensed from the gas to be pumped and thus a Gas / liquid interface in the fluid region of the pump can occur.
  • Compression ratios satisfying the above condition can be realized according to the invention, for example, by making the volume of the pumping chamber larger than that of between the respective valve membrane areas and opposite valve body sections formed valve chambers. In preferred embodiments, this can be realized by the distance between membrane and Surface and pump body surface in the area of the pumping chamber larger than in the area of the valve chambers.
  • a Peristaltic micropump Another increase in the compression ratio of a Peristaltic micropump according to the invention can be achieved be characterized by the contour of a structured in the pump body Pumping chamber to the bending line of the pumping membrane, d. H. the curved contour of the same in the actuated state, adapted is, so that the pumping diaphragm in the actuated state in essentially displace the entire volume of the pumping chamber can. Furthermore, the contours of in the pump body can also formed valve chambers according to the bending line adapted to the respective opposite membrane sections be, so that in the optimal case in the closed state of actuated membrane area substantially the entire valve chamber volume repressed.
  • FIG. 1 A first embodiment of a peristaltic according to the invention Micropump integrated into a fluid system is shown in Fig. 1.
  • the micromembrane pump includes a membrane element 10, the three membrane sections 12, 14th and 16.
  • Each of the membrane sections 12, 14 and 16 is provided with a piezoelectric element 22, 24 and 26 and forms together with the same a piezo-membrane transducer.
  • the Piezo elements 22, 24, 26 can be applied to the respective membrane sections be glued or can by screen printing or other thick film techniques may be formed on the membrane.
  • the membrane element is circumferential at outer regions thereof joined to a pump body 30, so that between the same is a fluid-tight connection.
  • two fluid passages 32 and 34 are formed, one of which, depending on the pumping direction, a fluid inlet and the other is a fluid outlet.
  • the fluid passages 32, 34 each surrounded by a sealing lip 36.
  • the underside of the membrane element 10 and the top of the Pump body 30 structured to a fluid chamber 40 between to define it.
  • both the membrane element 10 and the pump body 30 in a respective Silicon wafer implemented, so that the same example joined together by Silicon Fusion Bonding could be.
  • the membrane element 10 in the top of the same three recesses and in the bottom of the same a recess on to the three membrane areas 12, 14 and 16 to define.
  • the membrane sections 12, 14 and 16 are each in the direction on the pump body 30 to be actuated, so that the Membrane section 12 together with the fluid passage 32 a Inlet valve 62 is that by actuating the membrane portion 12 can be closed.
  • a Inlet valve 62 is that by actuating the membrane portion 12 can be closed.
  • an outlet valve 64 which by pressing the Diaphragm section 16 closed by means of the piezoelectric element 26 can be.
  • the pump Prior to the operation of the peristaltic shown in FIG Micropump is received, initially short the fluid system environment into which the micropump of FIG. 1 is installed described.
  • the pump is with the Pump body 30 glued to a support block 50, optionally, As shown in Fig. 1, grooves 52 in the support block 50 may be provided to excess adhesive take.
  • the grooves 52 may be in the support block 50 formed fluid channels 54 and 56 surrounding provided be to pick up excess glue and to prevent the same in the fluid channels 54, 56 and the Fluid passages 32, 34 passes.
  • the pump body 30 is glued or joined to the support block such that the fluid passage 32 in fluid communication with the fluid channel 54 and that the fluid passage in fluid communication with the fluid channel 56 is.
  • a cross leak protection be provided between the fluid channels 54 and 56 between the fluid channels 54 and 56 between the fluid channels 54 and 56 between the fluid channels 54 and 56.
  • another channel 58 as a cross leak protection be provided.
  • fittings 60 are provided, for example for attaching hose lines to that shown in Fig. 1 Serve fluid system.
  • a housing 61 for example, below Use of an adhesive bond to the carrier block 50 is added to provide protection for the micropump and complete the piezo elements moisture-proof.
  • the in Fig. 1 pump is initially of an initial state assumed that the inlet valve 62 is closed is the second diaphragm section 14 corresponding Pumping diaphragm is in the de-energized state and the exhaust valve 64 is open. Starting from this state is through Actuate the piezoelectric element 24, the pumping membrane 14 down moves, which corresponds to the pressure stroke, causing the stroke volume through the open exhaust valve into the outlet, d. H. the fluid channel 56 is conveyed. Compressing the Pumping chamber 42 during the pressure stroke to the displacement leads to an overpressure in the pumping chamber that gets through reduces the fluid movement through the outlet valve.
  • piezo actuators preferably piezo-membrane transducers or piezo bending transducer used.
  • An optimal Hub performs such a bending transducer when the lateral dimensions of the piezoceramic about 80% of the underlying Correspond membrane.
  • the membrane which typically has side lengths of 4 mm to 12 mm, can thus deflections of several 10 ⁇ m stroke and thus volume strokes in the range of 0.1 ⁇ l to 10 ⁇ l.
  • the present invention has volume strokes at least in such an area, as in such an area Volume stroke advantageous bubble tolerant peristaltic pumps can be realized.
  • Fig. 2a shows a piezoceramic 100 on both surfaces the same is provided with metallizations 102.
  • the piezoceramic preferably comprises a large d31 coefficient and is polarized in the direction of arrow 104 in FIG. 2a. According to Fig. 2a, no voltage is applied to the piezoceramic.
  • a piezo-membrane transducer is now in Fig. 2a shown piezoceramic 100 fixed on a membrane 106 mounted, for example glued, as shown in Fig. 2b is.
  • the illustrated membrane is around a silicon membrane, but with the membrane may be formed by any other materials, as long as they can be contacted electrically, for example as a metallized silicon membrane, as a metal foil or made conductive by a two-component injection molding Plastic membrane.
  • a bending transducer is a preferred embodiment of the present invention, since this form of transducer has numerous advantages.
  • they have a fast response, on the order of about 1 millisecond with low power consumption.
  • a scaling with dimensions of piezoceramic and membrane over large areas is possible, so that a large stroke (10 .... 200 microns) and a large force (switching pressures 10 4 Pa to 10 6 Pa) are possible, with a larger Hub decreases the achievable force and vice versa.
  • the medium to be switched is separated from the piezoceramic by the membrane.
  • the micro-peristaltic pumps of the invention are to be used in applications where bubble-tolerant, self-priming behavior is required, the micro-peristaltic pumps must be designed to comply with a compression ratio design rule that defines the ratio of stroke volume to dead volume.
  • a compression ratio design rule that defines the ratio of stroke volume to dead volume.
  • Fig. 3a shows schematically a pump body 200 with a the upper surface thereof, in which a pumping chamber 202 is structured.
  • a membrane 204 shown with an inlet valve piezoelectric actuator 206, a pumping chamber piezoelectric actuator 208 and a Exhaust valve piezoelectric actuator 210 is provided.
  • the Piezoactuators 206, 208 and 210 may be respective areas of the Membrane 204 down, d. H. towards the pump body 200 to be moved, as shown by arrows in Fig. 3a is shown.
  • Through the line 212 is in Fig. 3a also the the pumping chamber 200 opposite portion of the membrane 204, d. H. the pumping membrane, in its deflected, d.
  • FIG. 3a the under the intake valve piezoelectric actuator 206 and disposed below the exhaust valve piezoelectric actuator 210 Channel areas 214 and 216 by a respective actuation of the corresponding piezoelectric actuator are closed by the respective membrane areas on the underlying Resting areas of the pump body.
  • the figures 3a to 3c only rough schematic representations, wherein the respective elements are configured such that a Closing respective valve openings is possible. Consequently are in turn an inlet valve 62 and an exhaust valve 64th educated.
  • a situation is shown in which the volume of the pumping chamber 202 is reduced by operating the pumping chamber piezoelectric actuator 208 and in which the inlet valve 62 is closed.
  • the situation shown in Fig. 3b thus represents the state after the discharge of a fluid amount from the exhaust valve 64, wherein the volume of the remaining between the closed inlet valve 62 and the passage opening of the open exhaust valve 64 fluid area represents the dead volume V 0 with respect to the pressure stroke, such as is shown by the hatched area in Fig. 3b.
  • the dead volume with respect to a suction stroke in which the inlet valve 62 is opened and the outlet valve 64 is closed is defined by the volume of the fluid area remaining between the closed outlet valve 64 and the passage opening of the open inlet valve 62, as shown in Fig. 3c by the hatched area is.
  • the respective dead volume is defined by the respective closed valve up to the passage opening at which a significant pressure drop occurs at the moment of a respective change in volume of the pumping chamber.
  • the dead volumes V 0 for the pressure stroke and the suction stroke are identical. If different dead volumes occur due to an asymmetry for a pressure stroke and a suction stroke, then, in the sense of a worst-case analysis, it is assumed in the following that the larger of the two dead volumes is used to determine the respective compression ratio.
  • the overpressure p Ü during the pressure stroke, and the negative pressure p U during the suction stroke a minimum value must exceed or fall below during the pressure stroke during the intake stroke.
  • the pressure amount during the compression stroke and the suction stroke must exceed a minimum value, which may be referred to as delivery pressure p F.
  • This delivery pressure is the pressure in the pressure chamber which must at least prevail to move past a liquid / gas interface at a location which is a flow point between the pump chamber and the passage opening of the first or second valve, including this passage opening.
  • This delivery pressure can be determined as follows, depending on the size of this flow point.
  • Capillary forces must be overcome if free surfaces, for example in the form of gas bubbles (eg air bubbles), are moved in the fluid areas within the pump.
  • the pressure that must be applied to overcome such capillary forces depends on the surface tension of the liquid at the liquid / gas interface and the maximum radius of curvature r 1 and the minimum radius of curvature r 2 of the meniscus of that interface:
  • the delivery pressure to be provided is defined by Equation 2 at the location within the flow path of the microperistaltic pump where the sum of the inverse radii of curvature r 1 and r 2 of a liquid / gas interface having a given surface tension is at a maximum. This point corresponds to the Flu touchgstelle.
  • a channel 220 (Fig 5a) viewed with a width d, wherein the height of the Channels also d.
  • the channel 220 has at both Channel ends 222, for example, under the valve diaphragm or the pumping membrane, a change in cross section.
  • the channel is completely filled with a liquid 224, which flows in the direction of the arrow 226.
  • FIG. 5 b an air bubble 228 now encounters the change in cross section at the entrance of the channel 220.
  • a wetting angle ⁇ occurs.
  • FIG. 5 c illustrates the situation when the air bubble or meniscus 230 reaches the change in cross section 222 at the end of the channel 220.
  • This pressure barrier is not negligible in microperistaltic pumps of the type according to the invention due to the small dimensions of geometry, if such a channel represents the bottleneck of the pump.
  • the mentioned constriction is generally defined by the distance between the valve membrane and the opposite region of the pump body (for example a sealing lip) when the valve is open.
  • r d 2
  • the smallest occurring radius of curvature can therefore be independent from the tilt angle ⁇ , wetting angle ⁇ or abrupt cross-sectional changes half the smallest be alsetschreib wall distance.
  • the present invention are therefore connecting channels within the peristaltic pump designed so that the diameter of the channel at least twice the valve throat, i. the Distance between diaphragm and pump body in open Valve state, exceeds.
  • the Valve gap the Flu togstelle the Mikroperistaltikpumpe For example, at a valve lift of 20 ⁇ m Connecting channels with a smallest dimension, i. Bottleneck, be provided by 50 ⁇ m.
  • the upper limit of the Channel diameter is determined by the dead volume of the channel.
  • the capillary force to be overcome depends on the surface tension at the liquid / gas interface. These Surface tension in turn depends on the involved Partners. For a water / air interface is the Surface tension about 0.075 N / m and slightly varies with the temperature. Organic solvents usually possess a significantly lower surface tension while the Surface tension at a mercury / air interface for example, about 0.475 N / m.
  • a peristaltic pump, which is designed to withstand the capillary force at a surface tension of 0.1 N / m is thus suitable Bubble-tolerant to almost all known liquids and gases and self-priming to pump. Alternatively, you can the compression ratio of a Mikroperistaltikpumpe invention be made higher accordingly to one to allow such pumping, for example, for mercury.
  • Equation 11 The left side of Equation 11 represents the state before expansion, while the right side represents the state after expansion.
  • the negative pressure p U during the pressure stroke must be smaller than the necessary negative delivery pressure p F.
  • the discharge pressure p F in terms of absolute value in the consideration of the pressure stroke, in terms of absolute value in the consideration of the suction stroke. It follows: p U ⁇ p F
  • Preferred embodiments of microperistaltic pumps according to the invention are thus designed so that the compression ratio satisfies the above condition, wherein the minimum necessary delivery pressure as defined in Equation 8 Pressure equals when occurring in the peristaltic pump Kanalengstellen have minimal dimensions, the at least twice the size of the valve gap.
  • the minimum required delivery pressure in the Equation 3 or Equation 7 defined pressure correspond, if the Flu typegstelle the microperistaltic pump is not is defined by a gap but a channel.
  • a microperistaltic pump according to the invention is to be used when pressure boundary conditions of a negative pressure p 1 at the inlet or a counterpressure p 2 prevail at the outlet, the compression ratio of a microperistaltic pump must be correspondingly greater in order to allow pumping against these inlet pressures or outlet pressures.
  • the pressure boundary conditions are defined by the intended application of the microperistaltic pump and can range from a few hPa to several 1000 hPa. For such cases occurring in the pumping chamber pressure p T, or negative pressure must reach p U these back pressures at least, so that a pumping action occurs. For example, only the height difference of a possible inlet vessel or outlet vessel of 50 cm in water leads to counter pressures of 50 hPa.
  • the desired delivery rate is a constraint which makes additional demands.
  • Q ⁇ V ⁇ f.
  • Foamy substances can be pumped, so it may be necessary be that a plurality of capillary forces, like them described above, must be overcome, as several corresponding liquid / gas interfaces occur.
  • the micro-peristaltic pump must be designed be to have a compression ratio to accordingly To produce higher discharge pressures.
  • the compression ratio of a microperistaltic invention must be appropriately higher when necessary in the microperistaltic delivery pressure p F also depends in addition to the aforementioned capillary forces on the boundary conditions of the application.
  • the delivery pressure is considered relative to the atmospheric pressure, that is, a positive delivery pressure p F is assumed in the pressure stroke, while a negative delivery pressure p F is assumed in the intake stroke.
  • an amount of the delivery pressure of at least p F 100 hPa can be assumed for a suction stroke and a pressure stroke.
  • Fig. 6b shows a schematic cross-sectional view of a peristaltic micropump with membrane element 300 and pump body 302 along the line b-b of Fig. 6a and Fig. 6c
  • Fig. 6a is a schematic plan view of the Membrane element 300
  • Fig. 6c is a schematic plan view on the pump body 302 shows.
  • the membrane element 300 has again three membrane sections 12, 14 and 16, the are each provided with piezo actuators 22, 24 and 26.
  • an inlet port 32 and an outlet opening 34 is formed, such that the inlet opening 32 together with the membrane portion 12 an inlet valve defined while the outlet opening 34 with the membrane area 16 defines an exhaust valve.
  • a pumping chamber 304 in the pump body 302 is formed below the membrane section 14 . Further, fluid channels 306 are in the pump body 302 formed with the membrane areas 12 and 16 associated valve chamber 308 and 310 fluidly connected are.
  • the valve chambers 308 and 310 are shown in the FIG Embodiment by recesses in the membrane element 300, wherein in the membrane element 300 further a recess 312 contributing to the pumping chamber 304 is formed is.
  • the pumping chamber volume 304 is made larger than the volume the valve chambers 308 and 310. This is shown in the Embodiment achieved by a pumping chamber lowering in which a structuring in the form of a Pumping chamber lowering is formed in the pump body 302.
  • the stroke of the pumping membrane 14 is preferably designed to that they largely the volume of the pumping chamber 304 can displace.
  • FIG. 6a to 6c A further increase in the pumping chamber volume compared to Valve chamber volume is in that shown in Figs. 6a to 6c Embodiment achieved by the pumping chamber membrane 14 in terms of area (in the plane of the membrane element 300 and the pump body 302) is designed to be larger than the valve chamber membranes, as best seen in Fig. 6a is. Thus, there is an area compared with the valve chambers larger pumping chamber.
  • valve chambers 308th and 310 and the pumping chamber 304 To the flow resistance between the valve chambers 308th and 310 and the pumping chamber 304 are the supply passages 306 in the surface of the pump body 302 structured. These fluid channels 306 provide a reduced Flow resistance, without the compression ratio significantly degrade the peristaltic micropump.
  • FIGS. 6a to 6c could be the surface of the pump body 302 be realized with three-stage subsidence to the pumping chamber increased depth (compared to the valve chambers) implement while the top chip is essentially one unstructured membrane is. Such two-stage reductions are technologically more difficult to implement than that in the Fig. 6a to 6c embodiment shown.
  • FIG. 7 An enlarged view of the left part of FIG. 6b is shown in FIG. 7, wherein in Fig. 7, the height H of the Pümpsch 304 is displayed is.
  • the pumping chamber 304 forming structuring in the pump body 302 and in the membrane element 300 have the same depths, it is preferred that structuring in the pump body 302 with a greater depth than that in the membrane element to provide the flow channel 306 with sufficient River cross section to provide, but without the compression ratio overly impaired.
  • the structurings in the pump body 302 that belong to the fluid channel 306 and the pumping chamber 304 contribute a Depth of 22 microns
  • the structuring in the membrane element 300 defining the valve chambers 308 contribute to the pressure chamber 304
  • a depth of 8 may have .mu.m.
  • Fig. 8 shows a schematic cross-sectional view of a Enlargement of the section A of Fig. 7, but in one modified form.
  • the bridge of the Opening 32 spaced toward the channel 206 arranged.
  • This allows mounting tolerances in a double-sided Lithography to be considered.
  • the Valve openings with different cross-sectional sizes for Can have no adverse effects.
  • the compression ratio of the peristaltic pump is large be a self-filling behavior and a to ensure robust operation with respect to a bubble tolerance.
  • a first way to realize such an adaptation is to implement a round pumping chamber, i.e. a pumping chamber whose peripheral shape to the deflection the pumping membrane is adapted.
  • a schematic Top view of the pumping chamber and fluid channel section of a Pump body with such a pumping chamber is shown in Fig. 9a shown.
  • the fluid channels 306, which fluidly connects to valve chambers, for example again structured in a membrane element can be produced.
  • the pumping chamber under the pumping membrane can do so be designed that their pump diaphragm facing contour Precisely following the bending line of the pumping membrane.
  • a Such contour of the pumping chamber for example, by a correspondingly shaped injection molding tool or by a Embossing stamp can be achieved.
  • a schematic plan view on a pump body 340, in which such a bending line the actuator membrane, the following fluid chamber 342 structured is shown in Fig. 9b. Further, in Fig. 9b in the Pump body structured fluid channels 344 shown, the lead to the fluid chamber 342 toward and away from the same.
  • FIG. 9b is shown in Fig. 9c, wherein in Fig. 9c further a diaphragm 346 with the same associated piezoelectric actuator 348 shown.
  • a flow through the fluid channels 344 is in Fig. 9c indicated by arrows 350.
  • the membrane 346 facing the bending line of the membrane (in the actuated state) adapted contour 352 of the fluid chamber or pumping chamber 342 to recognize.
  • This form of fluid chamber 352 allows that upon actuation of the diaphragm 346th by the piezoelectric actuator 348 substantially the entire volume the fluid chamber 342 is displaced, whereby a high Compression ratio can be achieved.
  • FIG. 10a An embodiment of a peristaltic micropump, in which both the pumping chamber 342 and valve chambers 360 to the bending lines of the respective associated membrane sections 12, 14 and 16 is adapted in Figs. 10a and Fig. 10b, wherein Fig. 10b is a schematic plan view on the pump body 340, while Fig. 10a a schematic cross-sectional view along the line a-a of Fig. 10b shows.
  • FIGS. 10a and 10b are shape and contour of the valve chamber 360 and 362 as above Referring to pumping chamber 342, the bending line is explained of the respectively associated membrane section 12 or 16 adapted.
  • FIG. 10a and 10b are shape and contour of the valve chamber 360 and 362 as above Referring to pumping chamber 342, the bending line is explained of the respectively associated membrane section 12 or 16 adapted.
  • fluid channels 344a, 344b, 344c and 344d are in the Pump body 340 formed.
  • the fluid channel 344a provides a The input fluid channel
  • the fluid channel 344b connects the Valve chamber 360 with the pumping chamber 342
  • the fluid channel 344th connects the pumping chamber 342 to the valve chamber 362
  • the fluid channel 344d represents an output channel.
  • the membrane element is 380 in this embodiment, an unstructured Membrane element, which in a provided in the pump body 340 Recess is inserted to together with the in The fluid chambers formed the pump body 340, the valve chambers and define the pumping chamber.
  • connection channels 344b and 344c between the actuator chambers are switched so that they are compared to the displacement include low dead volume. Simultaneously reduce these fluid channels between the flow resistance the actuator chambers significantly, so that larger Pümpfrequenzen and thus larger flow rates, one such Current is again indicated by arrows 350 in Fig. 10a, be possible.
  • the valve chambers 360 and 362 be the fluid channels by operating the membrane sections 12 and 16 through the fully deflected membrane sections separated, so that a fluid separation between the Fluid channels 344a and 344b and between the fluid channels 344c and 344d occurs.
  • the contour of the valve chambers must exactly to the bending line of the respective membrane sections be adapted to achieve a dense fluid separation.
  • a Bridge 390 in the respective valve chamber in the area of largest stroke of the diaphragm portion 12 may be provided, the is shaped accordingly, so that it completely through the Bend the membrane portion 12 can be sealed. More specifically, the bridge bends to the edges of the valve chamber towards the top, corresponding to the bending line adapted shape of the valve chamber.
  • This jetty can in the projecting respective valve chamber, wherein alternatively, as it 11, the depth of the connection channels 344 may be greater than the stroke y of the membrane portion 12, in which the membrane section bears against the pump body, so that the bridge 390 is sunk, so to speak. Is the depth the connection channels is greater than the maximum stroke, goes this at the cost of the compression ratio enabled but low flow resistance between the actuator chambers.
  • FIG. 12 An alternative embodiment of a valve chamber 360 is shown in Fig. 12, where the depth of the connecting channels 344 is smaller than the maximum lift y of the Membrane section 12, and thus as the depth of the Bend line of the diaphragm portion 12 adapted valve chamber 360 in the region of the largest stroke of the membrane section 12. This allows a secure seal in the closed state of the valve can be achieved.
  • a web 390 a not the maximum possible bending line of the Actuator element, d. H. the membrane portion 12 together with the piezoelectric actuator 22, as shown in Fig. 13 is shown.
  • the maximum possible bending line of the membrane section 12 is shown by a dashed line 400 in FIG. 13, while line 410 is the maximum possible deflection of the Membrane portion 12 due to the provision of the web 390 a equivalent.
  • the membrane 12 sits in fully deflected Condition when the web 390 is sealed, with a Residual force on the web 390a, this residual force dimensioned can be used to print requests that the Seal must endure to suffice.
  • the bending line of the Membrane often not perfectly concentric to the membrane center be, for example due to mounting tolerances the piezoceramics and due to inhomogeneities of the Glue application, through which the piezoceramics on the membranes are attached. Therefore, the area of the web seal something, for example, around 5 to 20 microns, depending on the stroke of the actuator, be increased over the rest of the fluid chamber, for a secure contact of the membrane with the web and thus ensuring a secure seal. This matches with also the situation shown in Fig. 13. To note, however, that thereby increases the dead volume and the compression ratio is reduced.
  • fluid chamber material may be used at least in the area under the moving Membrane a plastically deformable material, for example Silicone, to be used.
  • a plastically deformable material for example Silicone
  • the thickness of the membrane sections 12, 14 and 16 and thus the thickness of the membrane element 380 can For example, 40 microns, while the thickness of the piezoelectric actuators may be for example 100 microns.
  • a piezoceramic can be a PZT ceramic with a large d31 coefficient be used.
  • the side length of the membranes can For example, be 10 mm, while the side length of Piezo actuators may be 8 mm, for example.
  • the voltage swing for actuating the actuators in the aforementioned actuator geometry can be for example 140 V, which is a maximum Stroke of approx. 100 to 200 ⁇ m with a stroke volume of Pumping membrane of about 2 to 4 ul result.
  • the membrane drops the dead volume of the three for the peristaltic pump needed fluid chambers away, so that only the connecting channels connecting the valve chambers with the pumping chamber connect, remain.
  • connecting channels with a depth of 100 microns, a width of 100 microns and a Length of 10 mm, so that a total length for gives the fluid channels 344b and 344c of 20 mm, gives the a pumping chamber dead volume of 0.2 ⁇ l.
  • Such fluid modules are bubble tolerant and self-priming and can deliver both liquids and gases.
  • Such fluid pumps can also be used for compressible and liquid media basically build up several bar pressure, depending on the design of the piezoelectric actuator. In such a micropump the maximum pressure that can be generated is no longer limits the compression ratio, but by the maximum Force of the drive element and the tightness the valves defined. Despite these properties can by a suitable channel dimensioning with a low Flow resistance can be promoted several ml / min.
  • Fig. 14 is an embodiment of an inventive Microperistaltic pump shown in which the inlet fluid channel 412 and the outlet fluid passage 414 in the pump body 340 vertically sunk.
  • the fluid channels 412 and 414 have a substantially vertical portion 412a and 414a, each substantially centrally located below the associated Diaphragm sections 12 and 16 in the valve chambers 360 and 362, respectively.
  • the advantage of the one shown in FIG Embodiment of the fluid channels is that the fluid channels can be sealed defined.
  • the disadvantage, however, is that such vertically submerged fluid channels Manufacturing technology are difficult to produce.
  • the peristaltic micropumps according to the invention are preferably driven by the membrane, for example the metal membrane or the semiconductor membrane, on one Ground potential, while the piezoceramics by a typical peristaltic cycle are moved by each corresponding voltages applied to the piezoceramics become.
  • peristaltic micropump further fluid chambers have, for example, a further fluid chamber 420, which via a fluid passage 422 with the pumping chamber 342 connected is.
  • a further fluid chamber 420 which via a fluid passage 422 with the pumping chamber 342 connected is.
  • a first reservoir 424 via the Fluid passage 344a is connected to the valve chamber 360
  • a second reservoir 426 via a fluid passage 428 with the Valve chamber 420 is connected
  • a third reservoir 430 is connected to the valve chamber 362 via the fluid passage 344d is.
  • a structure with four fluid chambers, as shown in FIG is, for example, a branching structure or form a mixer in which the mixed streams are active can be promoted.
  • a single Membrane element covers all fluid chambers and reservoir container, wherein for each fluid chamber a separate piezoelectric actuator is provided.
  • the entire fluidics can be very flat be designed, with the functional, fluidic Structures including fluid chambers, channels, membranes, piezoactuators and support structures an overall height of the order of magnitude 200 to 400 microns may have.
  • systems are conceivable that can be integrated into smart cards.
  • even flexible fluidic systems are conceivable.
  • fluid chambers be interconnected in any plane. So can for example, different reservoirs z. B. one each Microperistaltic be assigned, which then, for example Reagents to a chemical reaction (For example, in a fuel cell), or a calibration sequence for an analysis system, for example in a water analysis.
  • the piezoceramics for example, to the respective membrane sections to be glued.
  • PZT applied directly in thick film technology be, for example by screen printing with suitable intermediate layers.
  • FIG. 16 An alternative embodiment of an inventive microperistaltic pump with recessed inlet fluid channel 412 and recessed outlet fluid channel 414 is shown in FIG. 16 shown.
  • the inlet flow channel 412 again opens substantially centrally under the membrane section 12 in a Valve chamber 442, while the Auslwithfluidkanal 414 substantially centrally under the membrane portion 16 in a Valve chamber 444 opens.
  • the respective mouth openings the inlet channel 412 and the outlet channel 414 are provided with a Sealing lip 450 provided.
  • a pumping chamber 452 formed by fluid channels in Walls 454 with the valve chambers 442 and 444 fluidly connected is.
  • a membrane element 456 According to the embodiment shown in Fig. 16 form the three membrane sections 12, 14 and 16th in turn, a membrane element 456.
  • the membrane sections are by piezo stack actuators 460, 462 and 464 driven on the corresponding Membrane sections can be placed.
  • the piezo stack actuators are using appropriate Housing parts 470 and 472, in Fig. 16 away from the Pump body and the membrane element are shown used.
  • Piezostapelaktoren are advantageous in that the same not be firmly connected to the membrane element so that they allow a modular design.
  • the actuators do not actively retract a membrane section, when an operation of the same is terminated. Much more can a return movement of the membrane portion only by the Restoring force of the elastic membrane itself done.
  • the peristaltic micropumps according to the invention can using a variety of manufacturing materials and manufacturing techniques are manufactured.
  • the pump body can be made of silicon, for example, made of plastic by injection molding or precision engineering produced by machining.
  • the membrane element, the drive diaphragm for the two valves and forms the pumping chamber can be made of silicon, Can through a metal foil, such as stainless steel or titanium, may be formed by a two-component injection molding technique manufactured with conductive coatings provided plastic membrane may be formed, or may be realized by an elastomeric membrane.
  • a non-silicone Silicon Fusion Bonding can be used.
  • a silicon-glass combination may preferably Anodic bonding can be used. More options are a eutectic wafer bonding or a wafer life.
  • the basic structure is made of plastic and the Membrane element is a metal foil, can be a lamination be performed when a bonding agent between membrane element and basic structure is used.
  • alternative may be gluing with a high shear adhesive take place, in which case in the basic structure preferably Kapillarstopgräben be formed to prevent penetration To avoid adhesive in the fluid structure.
  • both membrane element and pump body off Plastic can be used to connect the same ultrasonic welding be used. If one of the two Structures is optically transparent, can alternatively laser welding respectively. In the case of an elastomeric membrane can the sealing properties of the membrane are also used be to ensure a seal by clamping.
  • the bonding layer material that is an adhesive or an adhesive may be e.g. by dispensing or by a correspondingly shaped stamp on the joining layer applied.
  • the membrane fitted to the base body After the order of the joining material is the membrane fitted to the base body. Possible burrs, the e.g. when singulating at the edge of the membrane, find a place for the ridge, so that a defined position of the membrane especially in the Direction perpendicular to the surface of the same ensured is what matters in terms of dead volume and tightness is.
  • a capillary stop trench may be used be provided, which in the pump body surrounds formed fluid areas.
  • excess Glue does not get into the fluid chambers.
  • the adhesive can be defined and cure thinly. The curing can be carried out at room temperature or accelerated in the oven or by UV irradiation when using UV-curing adhesives.
  • connection technique a solving of the main body or pump body by suitable solvents and a joining of a Plastic membrane to the main body done.

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Mikropumpe und insbesondere eine Mikropumpe, die nach einem peristaltischen Pumpprinzip arbeitet.The present invention relates to a micropump and in particular a micropump following a peristaltic Pump principle works.

Mikropumpen, die nach einem peristaltischen Pumpprinzip arbeiten, sind aus dem Stand der Technik bekannt. So befaßt sich der Artikel "Design and simulation of an implantable medical drug delivery system using microelectromechanical systems technology" , von Li Cao u.a., Sensors and Actuators, A94 (2001), Seiten 117 bis 125, mit einer peristaltischen Mikropumpe, die einen Einlaß, drei Pumpkammern, drei Siliziummembranen, drei normal-geschlossene aktive Ventile, drei Piezostapelbetätigungsglieder aus PZT, Mikrokanäle zwischen den Pumpkammern und einen Auslaß aufweist. Die drei Pumpkammern sind von gleicher Größe und sind in einen Siliziumwafer geätzt.Micropumps that operate on a peristaltic pumping principle are known from the prior art. So busy the article "Design and simulation of an implantable medical drug delivery system using microelectromechanical systems technology ", by Li Cao et al., Sensors and Actuators, A94 (2001), pages 117 to 125, with a peristaltic Micropump, one inlet, three pumping chambers, three Silicon membranes, three normally-closed active valves, three piezo stack actuators made of PZT, microchannels between the pumping chambers and an outlet. The three pumping chambers are of equal size and are in one Etched silicon wafer.

Aus der WO 87/07218 ist ebenfalls eine peristaltische Mikropumpe bekannt, die drei Membranbereiche in einer durchgehenden Substratfläche aufweist. In einer Trägerschicht, die das Substrat und eine zugeordnete Stützschicht trägt, ist ein Pumpkanal ausgebildet, der mit einem Fluidvorrat in Verbindung steht. In dem Pumpkanal ist im Bereich eines Einlaßventiles und eines Auslaßventiles jeweils eine Querrippe gebildet, auf der ein zugeordneter Membranabschnitt im unbetätigten Zustand aufliegt, um im unbetätigten Zustand das Einlaßventil und das Auslaßventil zu verschließen. Zwischen den dem Einlaßventil und dem Auslaßventil zugeordneten separat betätigbaren Membranbereichen ist der dritte Membranbereich, der ebenfalls separat betätigbar ist, angeordnet. Durch Betätigen des dritten Membranbereichs wird das Kammervolumen zwischen den beiden Ventilbereichen erhöht. Somit kann durch ein entsprechendes zeitlich gesteuertes Ansteuern der drei Membranbereiche eine peristaltische Pumpwirkung zwischen Einlaßventil und Auslaßventil erreicht werden. Gemäß der WO 87/07218 besteht das Aktorelement aus einem Dreierverbund aus Metallmembran, durchgehender keramischer Schicht und segmentierter Elektrodenanordnung. Die keramische Schicht muß dabei segmentiert polarisiert werden, was technisch schwierig ist. Ein derartiges segmentiertes Piezo-Biegeelement ist somit aufwendig und erlaubt nur geringe Hubvolumina, so daß eine derartige Pumpe nicht blasentolerant und selbstansaugend arbeiten kann.From WO 87/07218 is also a peristaltic micropump known, the three membrane areas in a continuous Substrate surface has. In a carrier layer, the the substrate and an associated support layer carries is a pumping channel formed with a fluid reservoir in Connection stands. In the pumping channel is in the range of Inlet valves and an outlet valve each have a transverse rib formed on the associated membrane portion in the unactuated state rests to in the unactuated state to close the inlet valve and the outlet valve. Between the intake valve and the exhaust valve assigned separately operable membrane areas is the third membrane area, which can also be operated separately is arranged. By actuating the third membrane area the chamber volume between the two valve areas elevated. Thus, by a corresponding time controlled activation of the three membrane areas one peristaltic pump action between inlet valve and outlet valve be achieved. According to WO 87/07218 the actuator element of a triple composite of metal membrane, continuous ceramic layer and segmented electrode arrangement. The ceramic layer must be segmented polarized, which is technically difficult. One Such segmented piezo-bending element is thus expensive and allows only small strokes, so that a Such pump not bladder tolerant and self-priming can work.

Aus der DE 19719862 A1 ist eine, nicht auf dem peristaltischen Prinzip arbeitende, Mikromembranpumpe bekannt, bei der eine an eine Pumpkammer angrenzende Pumpmembran durch eine Piezoaktor betätigbar ist. Ein Fluideinlaß und ein Fluidauslaß der Pumpkammer sind jeweils mit passiven Rückschlagventilen versehen. Gemäß dieser Schrift ist das Kompressionsverhältnis der Mikropumpe, d. h. das Verhältnis von Hubvolumen der Pumpmembran zu Gesamtpumpkammervolumen abhängig von dem maximalen von der Ventilgeometrie und der Ventilbenetzung abhängigen Druckwert, der notwendig ist, um die Ventile zu öffnen, eingestellt, um einen blasentoleranten, selbstansaugenden Betrieb der dortigen Mikromembranpumpe zu ermöglichen.From DE 19719862 A1 is one, not on the peristaltic Principle working, known micromembrane pump, at the one by a pumping chamber adjacent pumping membrane a piezoelectric actuator can be actuated. A fluid inlet and a Fluid outlet of the pumping chamber are each with passive check valves Mistake. According to this document, the compression ratio the micropump, d. H. The relationship from the stroke volume of the pumping membrane to the total pumping chamber volume depending on the maximum of the valve geometry and the Valve wetting dependent pressure value necessary to open the valves, set to a bubble-tolerant, self-priming operation of the local micromembrane pump to enable.

Neben den oben genannten Piezoaktoren wäre es ferner möglich, Mikropumpen unter Verwendung elektrostatischer Aktoren zu realisieren, wobei elektrostatische Aktoren jedoch nur sehr geringe Hübe ermöglichen. Alternativ wäre auch die Realisierung pneumatischer Antriebe möglich, was jedoch einen hohen Aufwand hinsichtlich einer externen Pneumatik sowie der dafür erforderlichen Schaltventile notwendig macht. Pneumatische Antriebe stellen somit aufwendige, teuere und platzintensive Verfahren dar, um eine Membranauslenkung zu implementieren. In addition to the above-mentioned piezoelectric actuators, it would also be possible Micropumps using electrostatic actuators to realize, however, electrostatic actuators allow only very small strokes. Alternatively, would be the Realization of pneumatic drives possible, but what a high effort in terms of external pneumatics as well the necessary switching valves necessary. Pneumatic drives thus make complex, expensive and space-consuming procedures to increase membrane deflection to implement.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine peristaltische Mikromembranpumpe zu schaffen, die einfach aufgebaut werden kann und die einen blasentoleranten, selbstansaugenden Betrieb ermöglicht.The object of the present invention is to provide a to create peristaltic micromembrane pump that easy can be built and the one bubble-tolerant, self-priming operation allows.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine peristaltische Mikropumpe gemäß Anspruch 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved by a peristaltic Micropump solved according to claim 1.

Die vorliegende Erfindung schafft eine peristaltische Mikropumpe mit folgenden Merkmalen:

  • einem ersten Membranbereich mit einem ersten Piezoaktor zum Betätigen des ersten Membranbereichs;
  • einem zweiten Membranbereich mit einem zweiten Piezoaktor zum Betätigen des zweiten Membranbereichs;
  • einem dritten Membranbereich mit einem dritten Piezoaktor zum Betätigen des dritten Membranbereichs; und
  • einem Pumpenkörper, der zusammen mit dem ersten Membranbereich ein erstes Ventil bildet, dessen Durchlaßöffnung im unbetätigten Zustand des ersten Membranbereichs offen ist und dessen Durchlaßöffnung durch Betätigen des ersten Membranbereichs verschließbar ist, der zusammen mit dem zweiten Membranbereich eine Pumpkammer bildet, deren Volumen durch Betätigen des zweiten Membranbereichs verringerbar ist, und der zusammen mit dem dritten Membranbereich ein zweites Ventil bildet, dessen Durchlaßöffnung im unbetätigten Zustand des dritten Membranbereichs offen ist und dessen Durchlaßöffnung durch Betätigen des dritten Membranbereichs verschließbar ist,
    • wobei das erste und das zweite Ventil mit der Pumpkammer fluidmäßig verbunden sind.The present invention provides a peristaltic micropump having the following features:
  • a first diaphragm region having a first piezoactuator for actuating the first diaphragm region;
  • a second diaphragm region having a second piezoactuator for actuating the second diaphragm region;
  • a third diaphragm region having a third piezoelectric actuator for actuating the third diaphragm region; and
  • a pump body which forms, together with the first membrane region, a first valve whose passage opening is open in the unactuated state of the first membrane region and whose passage opening can be closed by actuation of the first membrane region, which together with the second membrane region forms a pumping chamber whose volume is controlled by actuation of the first membrane region the second membrane region can be reduced, and forms, together with the third membrane region, a second valve whose passage opening is open in the unactuated state of the third membrane region and whose passage opening can be closed by actuating the third membrane region,
    • wherein the first and second valves are fluidly connected to the pumping chamber.

    Die vorliegende Erfindung schafft somit eine peristaltische Mikropumpe, bei der das erste und das zweite Ventil im unbetätigten Zustand offen sind, und bei der das erste und das zweite Ventil durch Bewegen der Membran zu dem Pumpenkörper hin verschlossen werden können, während das Volumen der Pumpkammer durch Bewegen des zweiten Membranbereichs ebenfalls zu dem Pumpenkörper hin verringerbar ist.The present invention thus provides a peristaltic Micropump, with the first and the second valve in the unactuated State are open, and at the first and the second valve by moving the membrane to the pump body can be closed while the volume the pumping chamber by moving the second membrane area can also be reduced to the pump body.

    Durch diesen Aufbau ermöglicht die erfindungsgemäße peristaltische Mikropumpe die Realisierung blasentoleranter, selbstansaugender Pumpen, selbst wenn auf einer Membran angeordnete Piezoelemente als Piezoaktor verwendet werden. Alternativ können erfindungsgemäß als Piezoaktoren auch sogenannte Piezo-Stapel (Piezo-Stacks) verwendet werden, die jedoch gegenüber Piezo-Membranwandlern nachteilig dahingehend sind, daß sie groß und teuer sind, Probleme bezüglich der Verbindungstechnik zwischen Stapel und Membran und Probleme bei der Justage der Stapel liefern und somit insgesamt mit einem höheren Aufwand verbunden sind.With this structure, the peristaltic invention allows Micropump the realization bubble tolerant, self-priming pumps, even when placed on a diaphragm Piezo elements are used as a piezoelectric actuator. Alternatively, according to the invention as piezo actuators also so-called Piezo Stacks (Piezo Stacks) can be used however disadvantageous to piezo membrane transducers are that they are big and expensive, problems concerning the connection technology between stack and membrane and Problems in adjusting the stack deliver and thus overall associated with a higher cost.

    Um sicherzustellen, daß die erfindungsgemäße peristaltische Mikropumpe blasentolerant und selbstansaugend arbeiten kann, wird dieselbe vorzugsweise derart dimensioniert, daß das Verhältnis aus Hubvolumen und Totvolumen größer als ein Verhältnis aus Förderdruck und Atmosphärendruck ist, wobei das Hubvolumen das durch die Pumpmembran verdrängbare Volumen ist, das Totvolumen das zwischen Einlaßöffnung und Auslaßöffnung der Mikropumpe verbleibende Volumen, wenn die Pumpmembran betätigt ist und eines der Ventile geschlossen und eines geöffnet ist, ist, der Atmosphärendruck maximal etwa 1050 hPa (Worst-Case-Betrachtung) beträgt, und der Förderdruck der in dem Fluidkammerbereich der Mikropumpe, d. h. in der Druckkammer, notwendige Druck ist, um eine Flüssigkeits/Gas-Grenzfläche an einer Stelle, die eine Flussengstelle in der Mikroperistaltikpumpe, d.h. zwischen der Pumpkammer und der Durchlaßöffnung des ersten oder zweiten Ventils, einschließlich dieser Durchlaßöffnung, darstellt, vorbei zu bewegen. To ensure that the peristaltic Micropump is bubble-tolerant and self-priming can, it is preferably dimensioned such that the ratio of stroke volume and dead volume is greater than one Ratio of delivery pressure and atmospheric pressure is, where the stroke volume the volume displaceable by the pump membrane is, the dead volume between the inlet port and outlet port the micropump remaining volume when the Pump diaphragm is actuated and one of the valves closed and one is open, the atmospheric pressure is maximum is about 1050 hPa (worst case consideration), and the Delivery pressure in the fluid chamber region of the micropump, d. H. in the pressure chamber, necessary pressure is to one Liquid / gas interface in one place, the one Flow restriction in the microperistaltic pump, i. between the pumping chamber and the passage opening of the first or second valve, including this passage opening, represents moving past.

    Genügt das Verhältnis aus Hubvolumen und Totvolumen, das als Kompressionsverhältnis bezeichnet werden kann, der obigen Bedingung, so ist sichergestellt, daß die peristaltische Mikropumpe blasentolerant und selbstansaugend arbeitet. Dies gilt sowohl bei Einsatz der peristaltischen Mikropumpe zum Fördern von Flüssigkeiten, wenn eine Gasblase, in der Regel eine Luftblase, in den Fluidbereich der Pumpe gelangt, als auch beim Einsatz der erfindungsgemäßen Mikropumpe als Gaspumpe, wenn unbeabsichtigterweise Feuchtigkeit aus dem zu fördernden Gas kondensiert und somit eine Gas/Flüssigkeits-Grenzfläche in dem Fluidbereich der Pumpe auftreten kann.Suffice the ratio of stroke volume and dead volume, the may be referred to as the compression ratio, the above Condition, it is ensured that the peristaltic Micropump is bubble-tolerant and self-priming. This applies both when using the peristaltic micropump for conveying liquids when a gas bubble, usually an air bubble, in the fluid area of the pump as well as when using the micropump according to the invention as a gas pump when inadvertently damp condensed from the gas to be pumped and thus a Gas / liquid interface in the fluid region of the pump can occur.

    Kompressionsverhältnisse, die der obigen Bedingung genügen, können erfindungsgemäß beispielsweise realisiert werden, indem das Volumen der Pumpkammer größer ausgeführt wird als das von zwischen den jeweiligen Ventilmembranbereichen und gegenüberliegenden Pumpenkörperabschnitten gebildeten Ventilkammern. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen kann dies realisiert werden, indem der Abstand zwischen Membran und Oberfläche und Pumpenkörperoberfläche im Bereich der Pumpkammer größer ist als im Bereich der Ventilkammern.Compression ratios satisfying the above condition can be realized according to the invention, for example, by making the volume of the pumping chamber larger than that of between the respective valve membrane areas and opposite valve body sections formed valve chambers. In preferred embodiments, this can be realized by the distance between membrane and Surface and pump body surface in the area of the pumping chamber larger than in the area of the valve chambers.

    Eine weitere Erhöhung des Kompressionsverhältnisses einer erfindungsgemäßen peristaltischen Mikropumpe kann erreicht werden, indem die Kontur einer in dem Pumpenkörper strukturierten Pumpkammer an die Biegelinie der Pumpmembran, d. h. die gebogene Kontur derselben im betätigten Zustand, angepaßt wird, so daß die Pumpmembran im betätigten Zustand im wesentlichen das gesamte Volumen der Pumpkammer verdrängen kann. Ferner können auch die Konturen von in dem Pumpenkörper gebildeten Ventilkammern entsprechend an die Biegelinie der jeweils gegenüberliegenden Membranabschnitte angepaßt sein, so daß im Optimalfall im geschlossenen Zustand der betätigte Membranbereich im wesentlichen das gesamte Ventilkammervolumen verdrängt. Another increase in the compression ratio of a Peristaltic micropump according to the invention can be achieved be characterized by the contour of a structured in the pump body Pumping chamber to the bending line of the pumping membrane, d. H. the curved contour of the same in the actuated state, adapted is, so that the pumping diaphragm in the actuated state in essentially displace the entire volume of the pumping chamber can. Furthermore, the contours of in the pump body can also formed valve chambers according to the bending line adapted to the respective opposite membrane sections be, so that in the optimal case in the closed state of actuated membrane area substantially the entire valve chamber volume repressed.

    Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

    Fig. 1
    eine schematische Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen peristaltischen Mikropumpe in einem Fluidsystem;
    Fig. 2a
    bis 2f schematische Darstellungen zur Erläuterung eines Piezo-Membranwandlers;
    Fig. 3a
    bis 3c schematische Querschnittdarstellungen zur Erläuterung der Begriffe Hubvolumen und Totvolumen;
    Fig. 4
    ein schematisches Diagramm, das die Volumen/Druck-Zugstände während eines Pumpzyklusses zeigt;
    Fig. 5a
    bis 5c schematische Darstellungen zur Erläuterung des Begriffs Förderdruck;
    Fig. 6a
    bis 6c schematische Ansichten eines alternativen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Mikropumpe;
    Fig. 7
    eine vergrößerte Darstellung eines Bereichs von Fig. 6b;
    Fig. 8
    eine vergrößerte schematische Querschnittdarstellung eines modifizierten Bereichs von Fig. 7;
    Fig. 9a,
    9b und 9c schematische Darstellungen möglicher Pumpkammergestaltungen;
    Fig. 10a
    und 10b schematische Darstellungen eines alternativen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Mikropumpe;
    Fig. 11
    bis 13 schematische Querschnittansichten vergrößerter Bereiche von Modifikationen des in den Fig. 10a und 10b gezeigten Beispiels;
    Fig. 14
    eine schematische Querschnittansicht eines weiteren alternativen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Mikropumpe;
    Fig. 15
    eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Mehrfach-Mikropumpe; und
    Fig. 16
    eine schematische Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Mikropumpe.
    Preferred embodiments of the present invention will be explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:
    Fig. 1
    a schematic cross-sectional view of an embodiment of a peristaltic micropump according to the invention in a fluid system;
    Fig. 2a
    to 2f are schematic representations for explaining a piezo-membrane converter;
    Fig. 3a
    to 3c are schematic cross-sectional views for explaining the terms of stroke volume and dead volume;
    Fig. 4
    a schematic diagram showing the volume / pressure Zugstände during a pumping cycle;
    Fig. 5a
    to 5c are schematic representations for explaining the term delivery pressure;
    Fig. 6a
    to 6c are schematic views of an alternative embodiment of a micropump according to the invention;
    Fig. 7
    an enlarged view of a portion of Fig. 6b;
    Fig. 8
    an enlarged schematic cross-sectional view of a modified portion of Fig. 7;
    9a,
    Figures 9b and 9c are schematic illustrations of possible pumping chamber designs;
    Fig. 10a
    and Fig. 10b are schematic representations of an alternative embodiment of a micropump according to the invention;
    Fig. 11
    13 to 13 are schematic cross-sectional views of enlarged portions of modifications of the example shown in Figs. 10a and 10b;
    Fig. 14
    a schematic cross-sectional view of another alternative embodiment of a micropump according to the invention;
    Fig. 15
    a schematic representation of a multi-micropump according to the invention; and
    Fig. 16
    a schematic representation of an alternative embodiment of a micropump according to the invention.

    Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen peristaltischen Mikropumpe, die in ein Fluidsystem integriert ist, ist in Fig. 1 gezeigt. Die Mikromembranpumpe umfaßt ein Membranelement 10, das drei Membranabschnitte 12, 14 und 16 aufweist. Jeder der Membranabschnitte 12, 14 und 16 ist mit einem Piezoelement 22, 24 bzw. 26 versehen und bildet zusammen mit demselben einen Piezo-Membranwandler. Die Piezoelemente 22, 24, 26 können auf die jeweiligen Membranabschnitte geklebt sein oder können durch Siebdruck oder andere Dickschichttechniken auf der Membran gebildet sein.A first embodiment of a peristaltic according to the invention Micropump integrated into a fluid system is shown in Fig. 1. The micromembrane pump includes a membrane element 10, the three membrane sections 12, 14th and 16. Each of the membrane sections 12, 14 and 16 is provided with a piezoelectric element 22, 24 and 26 and forms together with the same a piezo-membrane transducer. The Piezo elements 22, 24, 26 can be applied to the respective membrane sections be glued or can by screen printing or other thick film techniques may be formed on the membrane.

    Das Membranelement ist an äußeren Bereichen desselben umlaufend an einen Pumpenkörper 30 gefügt, so daß zwischen denselben eine fluiddichte Verbindung besteht. In dem Pumpenkörper 30 sind zwei Fluiddurchlässe 32 und 34 gebildet, von denen einer, je nach Pumprichtung, einen Fluideinlaß und der andere einen Fluidauslaß darstellt. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Fluiddurchlässe 32, 34 jeweils von einer Dichtlippe 36 umgeben.The membrane element is circumferential at outer regions thereof joined to a pump body 30, so that between the same is a fluid-tight connection. In the pump body 30, two fluid passages 32 and 34 are formed, one of which, depending on the pumping direction, a fluid inlet and the other is a fluid outlet. In the in Fig. 1 embodiment, the fluid passages 32, 34 each surrounded by a sealing lip 36.

    Ferner sind bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel die Unterseite des Membranelements 10 und die Oberseite des Pumpenkörpers 30 strukturiert, um eine Fluidkammer 40 zwischen denselben zu definieren.Furthermore, in the embodiment shown in Fig. 1 the underside of the membrane element 10 and the top of the Pump body 30 structured to a fluid chamber 40 between to define it.

    Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind sowohl das Membranelement 10 als auch der Pumpenkörper 30 in einer jeweiligen Siliziumscheibe implementiert, so daß dieselben beispielsweise durch Silicon Fusion Bonding aneinander gefügt sein können. Wie Fig. 1 zu entnehmen ist, weist das Membranelement 10 in der Oberseite desselben drei Ausnehmungen und in der Unterseite desselben eine Ausnehmung auf, um die drei Membranbereiche 12, 14 und 16 zu definieren.In the embodiment shown, both the membrane element 10 and the pump body 30 in a respective Silicon wafer implemented, so that the same example joined together by Silicon Fusion Bonding could be. As can be seen from Fig. 1, the membrane element 10 in the top of the same three recesses and in the bottom of the same a recess on to the three membrane areas 12, 14 and 16 to define.

    Durch die Piezoelemente bzw. Piezokeramiken 22, 24 und 26 sind die Membranabschnitte 12, 14 und 16 jeweils in Richtung auf den Pumpenkörper 30 zu betätigbar, so daß der Membranabschnitt 12 zusammen mit dem Fluiddurchlaß 32 ein Einlaßventil 62 darstellt, das durch Betätigen des Membranabschnitts 12 verschlossen werden kann. In gleicher Weise stellen der Membranabschnitt 16 und der Fluiddurchlaß 34 zusammen ein Auslaßventil 64 dar, das durch Betätigen des Membranabschnitts 16 mittels des Piezoelements 26 geschlossen werden kann. Schließlich ist durch Betätigen des Piezoelements 24 das Volumen des zwischen den Ventilen angeordneten Pumpkammerbereichs 42 reduzierbar.By the piezoelectric elements or piezoceramics 22, 24 and 26 the membrane sections 12, 14 and 16 are each in the direction on the pump body 30 to be actuated, so that the Membrane section 12 together with the fluid passage 32 a Inlet valve 62 is that by actuating the membrane portion 12 can be closed. In the same way represent the diaphragm section 16 and the fluid passage 34th together an outlet valve 64, which by pressing the Diaphragm section 16 closed by means of the piezoelectric element 26 can be. Finally, by pressing the piezoelectric element 24, the volume of the valve disposed between the valves Pump chamber area 42 reducible.

    Bevor auf die Funktionsweise der in Fig. 1 gezeigten peristaltischen Mikropumpe eingegangen wird, sei zunächst kurz die Fluidsystemumgebung, in die die Mikropumpe gemäß Fig. 1 eingebaut ist, beschrieben. Die Pumpe ist dabei mit dem Pumpenkörper 30 auf einen Trägerblock 50 geklebt, wobei optional, wie in Fig. 1 gezeigt ist, Nuten 52 in dem Trägerblock 50 vorgesehen sein können, um überschüssigen Kleber aufzunehmen. Die Nuten 52 können beispielsweise in dem Trägerblock 50 gebildete Fluidkanäle 54 und 56 umgebend vorgesehen sein, um überschüssigen Kleber aufzunehmen und zu verhindern, daß derselbe in die Fluidkanäle 54, 56 bzw. die Fluiddurchlässe 32, 34 gelangt. Der Pumpenkörper 30 ist derart an den Trägerblock geklebt bzw. gefügt, daß der Fluiddurchlaß 32 in Fluidverbindung mit dem Fluidkanal 54 und daß der Fluiddurchlaß in Fluidverbindung mit dem Fluidkanal 56 ist. Zwischen den Fluidkanälen 54 und 56 kann in dem Trägerblock 50 ein weiterer Kanal 58 als Querleckschutz vorgesehen sein. An den äußeren Enden der Fluidkanäle 54, 56 sind Anschlußstücke 60 vorgesehen, die beispielsweise zum Anbringen von Schlauchleitungen an das in Fig. 1 gezeigte Fluidsystem dienen können. Ferner ist in Fig. 1 schematisch ein Gehäuse 61 gezeigt, das beispielsweise unter Verwendung einer Klebeverbindung an den Trägerblock 50 gefügt ist, um einen Schutz für die Mikropumpe zu liefern und die Piezoelemente feuchtedicht abzuschließen.Prior to the operation of the peristaltic shown in FIG Micropump is received, initially short the fluid system environment into which the micropump of FIG. 1 is installed described. The pump is with the Pump body 30 glued to a support block 50, optionally, As shown in Fig. 1, grooves 52 in the support block 50 may be provided to excess adhesive take. For example, the grooves 52 may be in the support block 50 formed fluid channels 54 and 56 surrounding provided be to pick up excess glue and to prevent the same in the fluid channels 54, 56 and the Fluid passages 32, 34 passes. The pump body 30 is glued or joined to the support block such that the fluid passage 32 in fluid communication with the fluid channel 54 and that the fluid passage in fluid communication with the fluid channel 56 is. Between the fluid channels 54 and 56 may in the Carrier block 50 another channel 58 as a cross leak protection be provided. At the outer ends of the fluid channels 54, 56 fittings 60 are provided, for example for attaching hose lines to that shown in Fig. 1 Serve fluid system. Further, in Fig. 1 schematically shown a housing 61, for example, below Use of an adhesive bond to the carrier block 50 is added to provide protection for the micropump and complete the piezo elements moisture-proof.

    Zur Beschreibung eines Peristaltikpumpenzyklusses der in Fig. 1 gezeigten Pumpe sei zunächst von einem Ausgangszustand ausgegangen, bei dem das Einlaßventil 62 geschlossen ist, die dem zweiten Membranabschnitt 14 entsprechende Pumpmembran im unbetätigten Zustand ist und das Auslaßventil 64 offen ist. Ausgehend von diesem Zustand wird durch Betätigen des Piezoelements 24 die Pumpmembran 14 nach unten bewegt, was dem Druckhub entspricht, wodurch das Hubvolumen durch das offene Auslaßventil in den Auslaß, d. h. den Fluidkanal 56 gefördert wird. Das Komprimieren der Pumpkammer 42 während des Druckhubes um das Hubvolumen führt zu einem Überdruck in der Pumpkammer, der sich durch die Fluidbewegung durch das Auslaßventil abbaut.For the description of a peristaltic pump cycle the in Fig. 1 pump is initially of an initial state assumed that the inlet valve 62 is closed is the second diaphragm section 14 corresponding Pumping diaphragm is in the de-energized state and the exhaust valve 64 is open. Starting from this state is through Actuate the piezoelectric element 24, the pumping membrane 14 down moves, which corresponds to the pressure stroke, causing the stroke volume through the open exhaust valve into the outlet, d. H. the fluid channel 56 is conveyed. Compressing the Pumping chamber 42 during the pressure stroke to the displacement leads to an overpressure in the pumping chamber that gets through reduces the fluid movement through the outlet valve.

    Ausgehend von diesem Zustand wird das Auslaßventil 64 geschlossen und das Einlaßventil 62 geöffnet. Anschließend wird die Pumpmembran 14 nach oben bewegt, indem die Betätigung des Piezoelements 24 beendet wird. Die dadurch expandierende Pumpkammer führt zu einem Unterdruck in der Pumpkammer, der wiederum ein Einsaugen von Fluid durch das geöffnete Einlaßventil 62 zur Folge hat. Anschließend wird das Einlaßventil 62 geschlossen und das Auslaßventil 64 geöffnet, so daß wieder der oben genannte Ausgangszustand erreicht ist. Durch den beschriebenen Pumpzyklus würde somit ein Fluidvolumen, das im wesentlichen dem Hubvolumen des Membranabschnitts 14 entspricht, von dem Fluidkanal 54 zu dem Fluidkanal 56 gepumpt.From this state, the exhaust valve 64 is closed and the intake valve 62 is opened. Subsequently the pumping membrane 14 is moved upward by the actuation of the piezoelectric element 24 is terminated. The thereby expanding Pumping chamber leads to a negative pressure in the pumping chamber, in turn, a suction of fluid through the open Inlet valve 62 has the consequence. Subsequently, will the inlet valve 62 is closed and the outlet valve 64 is opened, so that again reaches the above-mentioned initial state is. By the described pumping cycle would thus a volume of fluid substantially equal to the stroke volume of the Diaphragm section 14 corresponds, from the fluid channel 54 to the fluid channel 56 is pumped.

    Erfindungsgemäß werden als Piezoaktoren vorzugsweise Piezo-Membranwandler bzw. Piezo-Biegewandler verwendet. Einen optimalen Hub verrichtet ein solcher Biegewandler, wenn die lateralen Abmessungen der Piezokeramik ca. 80% der darunterliegenden Membran entsprechen. Je nach lateralen Abmessungen der Membran, die typischerweise Seitenlängen von 4 mm bis 12 mm aufweisen kann, können somit Auslenkungen von mehreren 10 µm Hub und damit Volumenhübe im Bereich von 0,1 µl bis 10 µl erreicht werden. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung weisen Volumenhübe zumindest in einem solchen Bereich auf, da bei einem derartigen Volumenhub vorteilhaft blasentolerante Peristaltikpumpen realisiert werden können.According to the invention as piezo actuators preferably piezo-membrane transducers or piezo bending transducer used. An optimal Hub performs such a bending transducer when the lateral dimensions of the piezoceramic about 80% of the underlying Correspond membrane. Depending on the lateral dimensions the membrane, which typically has side lengths of 4 mm to 12 mm, can thus deflections of several 10 μm stroke and thus volume strokes in the range of 0.1 μl to 10 μl. Preferred embodiments The present invention has volume strokes at least in such an area, as in such an area Volume stroke advantageous bubble tolerant peristaltic pumps can be realized.

    Zu beachten ist bei Piezo-Membranwandlern dabei, daß diese einen effektiven Hub nur nach unten, d. h. zu dem Pumpenkörper hin ermöglichen. Diesbezüglich wird auf die schematischen Darstellungen der Fig. 2a bis 2f verwiesen. Fig. 2a zeigt eine Piezokeramik 100, die auf beiden Oberflächen derselben mit Metallisierungen 102 versehen ist. Die Piezokeramik umfaßt vorzugsweise einen großen d31-Koeffizienten und ist in Richtung des Pfeils 104 in Fig. 2a polarisiert. Gemäß Fig. 2a liegt keine Spannung an der Piezokeramik an.It should be noted in piezo membrane transducers that this an effective stroke only down, d. H. to the pump body towards. In this regard is on the schematic Representations of Fig. 2a to 2f referenced. Fig. 2a shows a piezoceramic 100 on both surfaces the same is provided with metallizations 102. The piezoceramic preferably comprises a large d31 coefficient and is polarized in the direction of arrow 104 in FIG. 2a. According to Fig. 2a, no voltage is applied to the piezoceramic.

    Zur Erzeugung eines Piezo-Membranwandlers ist nun die in Fig. 2a gezeigte Piezokeramik 100 fest auf einer Membran 106 montiert, beispielsweise geklebt, wie in Fig. 2b gezeigt ist. Bei der dargestellten Membran handelt es sich dabei um eine Siliziummembran, wobei die Membran jedoch durch beliebige andere Materialien gebildet sein kann, solange sie elektrisch kontaktiert werden kann, beispielsweise als metallisierte Siliziummembran, als Metallfolie oder als durch einen Zweikomponentenspritzguß leitfähig gemachte Kunststoffmembran. To produce a piezo-membrane transducer is now in Fig. 2a shown piezoceramic 100 fixed on a membrane 106 mounted, for example glued, as shown in Fig. 2b is. The illustrated membrane is around a silicon membrane, but with the membrane may be formed by any other materials, as long as they can be contacted electrically, for example as a metallized silicon membrane, as a metal foil or made conductive by a two-component injection molding Plastic membrane.

    Wird nun an die Piezokeramik eine positive Spannung, d. h. eine Spannung in Polarisationsrichtung, U > 0, angelegt, so kontrahiert die Piezokeramik, siehe Fig. 2c. Durch die feste Verbindung der Piezokeramik 100 zur Membran 106 wird durch diese Kontraktion die Membran 106 nach unten ausgelenkt, wie durch Pfeile in Fig. 2d verdeutlicht ist.If a positive voltage is applied to the piezoceramic, i. H. a voltage in polarization direction, U> 0, applied, so contracts the piezoceramic, see Fig. 2c. By the solid Connection of the piezoceramic 100 to the membrane 106 is by this contraction the membrane 106 deflected downwards, as illustrated by arrows in Fig. 2d.

    Um eine Bewegung der Membran nach oben zu bewirken, müßte eine negative Spannung, d. h. eine Spannung entgegen der Polarisationsrichtung, an die Piezokeramik angelegt werden, wie in Fig. 2e gezeigt ist. Dies führt jedoch zu einer Depolarisation der Piezokeramik schon bei geringen Feldstärken in Gegenrichtung, wie in Fig. 2e durch einen Pfeil 108 angedeutet ist. Typische Depolarisationsfeldstärken von Bleizirkonattitanat-Keramiken (PZT-Keramiken) liegen beispielsweise bei -4000 V/cm. Somit kann eine Bewegung der Membran nach oben, d. h. in Richtung der Piezokeramik, nicht realisiert werden, wie in Fig. 2f angedeutet ist.In order to effect a movement of the membrane upwards, would have a negative voltage, d. H. a tension against the Polarization direction, are applied to the piezoceramic, as shown in Fig. 2e. However, this leads to a depolarization the piezoceramic even at low field strengths in the opposite direction, as in Fig. 2e by an arrow 108th is indicated. Typical depolarization field strengths of Lead zirconate titanate ceramics (PZT ceramics) are, for example at -4000 V / cm. Thus, a movement of the Membrane upwards, d. H. in the direction of the piezoceramic, can not be realized, as indicated in Fig. 2f.

    Trotz dieses Nachteils dahingehend, daß aufgrund der unsymmetrischen Natur des Piezoeffektes mit dem Zweischicht-Silizium-Piezo-Biegewandler, d. h. dem Piezo-Membranwandler, nur eine aktive Bewegung nach unten, d. h. in Richtung zu dem Pumpenkörper hin, realisiert werden kann, stellt die Verwendung eines solchen Biegewandlers eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, da diese Form von Wandlern zahlreiche Vorteile aufweist. Zum einen besitzen sie ein schnelles Ansprechverhalten, in der Größenordnung von ca. 1 Millisekunde bei einem geringen Energieverbrauch. Ferner ist eine Skalierung mit Abmessungen von Piezokeramik und Membran über große Bereiche möglich, so daß ein großer Hub (10 .... 200 µm) und eine große Kraft (Schaltdrücke 104 Pa bis 106 Pa) möglich sind, wobei bei einem größeren Hub die erreichbare Kraft abnimmt und umgekehrt. Ferner ist durch die Membran das zu schaltende Medium von der Piezokeramik getrennt. Despite this drawback to the effect that due to the asymmetrical nature of the piezoelectric effect with the two-layer silicon piezoelectric bending transducer, ie the piezo diaphragm transducer, only an active downward movement, ie toward the pump body out, can be realized, is the use Such a bending transducer is a preferred embodiment of the present invention, since this form of transducer has numerous advantages. First, they have a fast response, on the order of about 1 millisecond with low power consumption. Furthermore, a scaling with dimensions of piezoceramic and membrane over large areas is possible, so that a large stroke (10 .... 200 microns) and a large force (switching pressures 10 4 Pa to 10 6 Pa) are possible, with a larger Hub decreases the achievable force and vice versa. Furthermore, the medium to be switched is separated from the piezoceramic by the membrane.

    Sollen die erfindungsgemäßen peristaltischen Mikropumpen bei Anwendungen zum Einsatz kommen, bei denen ein blasentolerantes, selbstansaugendes Verhalten erforderlich ist, müssen die Mikroperistaltikpumpen entworfen werden, um einer Designregel hinsichtlich des Kompressionsverhältnisses, das das Verhältnis von Hubvolumen zu Totvolumen definiert, zu genügen. Zur Definition der Begriffe Hubvolumen ΔV und Totvolumen V0 sei zunächst auf die Fig. 3a bis 3b verwiesen.If the peristaltic micropumps of the invention are to be used in applications where bubble-tolerant, self-priming behavior is required, the micro-peristaltic pumps must be designed to comply with a compression ratio design rule that defines the ratio of stroke volume to dead volume. For the definition of the terms displacement volume .DELTA.V and dead volume V 0 , reference is first made to FIGS. 3a to 3b.

    Fig. 3a zeigt schematisch einen Pumpenkörper 200 mit einer oberen Oberfläche desselben, in der eine Pumpkammer 202 strukturiert ist. Oberhalb des Pumpenkörpers 200 ist schematisch eine Membran 204 gezeigt, die mit einem Einlaßventil-Piezoaktor 206, einem Pumpkammer-Piezoaktor 208 und einem Auslaßventil-Piezoaktor 210 versehen ist. Durch die Piezoaktoren 206, 208 und 210 können jeweilige Bereiche der Membran 204 nach unten, d. h. in Richtung auf den Pumpenkörper 200 zu, bewegt werden, wie durch Pfeile in Fig. 3a gezeigt ist. Durch die Linie 212 ist in Fig. 3a ferner der der Pumpkammer 200 gegenüberliegende Abschnitt der Membran 204, d. h. die Pumpmembran, in ihrem ausgelenkten, d. h. durch den Pumpkammer-Piezoaktor 208 betätigten, Zustand gezeigt. Die Differenz des Pumpkammervolumens zwischen dem nicht ausgelenkten Zustand der Membran 204 und dem ausgelenkten Zustand 212 der Membran 204 stellt das Hubvolumen ΔV der Pumpmembran dar.Fig. 3a shows schematically a pump body 200 with a the upper surface thereof, in which a pumping chamber 202 is structured. Above the pump body 200 is schematic a membrane 204 shown with an inlet valve piezoelectric actuator 206, a pumping chamber piezoelectric actuator 208 and a Exhaust valve piezoelectric actuator 210 is provided. By the Piezoactuators 206, 208 and 210 may be respective areas of the Membrane 204 down, d. H. towards the pump body 200 to be moved, as shown by arrows in Fig. 3a is shown. Through the line 212 is in Fig. 3a also the the pumping chamber 200 opposite portion of the membrane 204, d. H. the pumping membrane, in its deflected, d. H. actuated by the pumping chamber piezoactuator 208, state shown. The difference of the pumping chamber volume between the undeflected state of the diaphragm 204 and the deflected State 212 of diaphragm 204 represents the stroke volume ΔV of the pumping membrane.

    Gemäß Fig. 3a können die unter dem Einlaßventil-Piezoaktor 206 und unter dem Auslaßventil-Piezoaktor 210 angeordneten Kanalbereiche 214 und 216 durch ein jeweiliges Betätigen des entsprechenden Piezoaktors geschlossen werden, indem die jeweiligen Membranbereiche auf den darunterliegenden Bereichen des Pumpenkörpers aufliegen. Dabei sind die Figuren 3a bis 3c lediglich grobe schematische Darstellungen, wobei die jeweiligen Elemente so ausgestaltet sind, daß ein Schließen jeweiliger Ventilöffnungen möglich ist. Somit sind wiederum ein Einlaßventil 62 und ein Auslaßventil 64 gebildet.According to Fig. 3a, the under the intake valve piezoelectric actuator 206 and disposed below the exhaust valve piezoelectric actuator 210 Channel areas 214 and 216 by a respective actuation of the corresponding piezoelectric actuator are closed by the respective membrane areas on the underlying Resting areas of the pump body. Here are the figures 3a to 3c only rough schematic representations, wherein the respective elements are configured such that a Closing respective valve openings is possible. Consequently are in turn an inlet valve 62 and an exhaust valve 64th educated.

    In Fig. 3b ist eine Situation gezeigt, bei der das Volumen der Pumpkammer 202 durch Betätigen des Pumpkammer-Piezoaktors 208 reduziert ist und bei der das Einlaßventil 62 geschlossen ist. Die in Fig. 3b gezeigte Situation stellt somit den Zustand nach dem Ausstoßen einer Fluidmenge aus dem Auslaßventil 64 dar, wobei das Volumen des zwischen dem geschlossenen Einlaßventil 62 und der Durchlaßöffnung des offenen Auslaßventils 64 verbleibenden Fluidbereichs das Totvolumen V0 bezüglich des Druckhubes darstellt, wie durch den schraffierten Bereich in Fig. 3b gezeigt ist. Das Totvolumen bezüglich eines Saughubes, bei dem das Einlaßventil 62 geöffnet und das Auslaßventil 64 geschlossen ist, ist durch das Volumen des zwischen dem geschlossenen Auslaßventil 64 und der Durchlaßöffnung des geöffneten Einlaßventils 62 verbleibenden Fluidbereichs definiert, wie in Fig. 3c durch den schraffierten Bereich gezeigt ist.In Fig. 3b, a situation is shown in which the volume of the pumping chamber 202 is reduced by operating the pumping chamber piezoelectric actuator 208 and in which the inlet valve 62 is closed. The situation shown in Fig. 3b thus represents the state after the discharge of a fluid amount from the exhaust valve 64, wherein the volume of the remaining between the closed inlet valve 62 and the passage opening of the open exhaust valve 64 fluid area represents the dead volume V 0 with respect to the pressure stroke, such as is shown by the hatched area in Fig. 3b. The dead volume with respect to a suction stroke in which the inlet valve 62 is opened and the outlet valve 64 is closed is defined by the volume of the fluid area remaining between the closed outlet valve 64 and the passage opening of the open inlet valve 62, as shown in Fig. 3c by the hatched area is.

    An dieser Stelle sei angemerkt, daß das jeweilige Totvolumen von dem jeweils geschlossenen Ventil bis zu der Durchlaßöffnung, an der im Moment einer jeweilige Volumenänderung der Pumpkammer ein wesentlicher Druckabfall stattfindet, definiert ist. Bei einem symmetrischen Aufbau von Einlaßventil und Auslaßventil, wie er für eine bidirektionale Pumpe bevorzugt ist, sind die Totvolumen V0 für den Druckhub und den Saughub identisch. Ergeben sich aufgrund einer Unsymmetrie für einen Druckhub und einen Saughub unterschiedliche Totvolumina, so sei im Sinne einer Worst-Case-Betrachtung im folgenden davon ausgegangen, daß zur Ermittlung des jeweiligen Kompressionsverhältnisses das größere der beiden Totvolumina verwendet wird.It should be noted at this point that the respective dead volume is defined by the respective closed valve up to the passage opening at which a significant pressure drop occurs at the moment of a respective change in volume of the pumping chamber. With a symmetrical construction of inlet valve and outlet valve, as is preferred for a bidirectional pump, the dead volumes V 0 for the pressure stroke and the suction stroke are identical. If different dead volumes occur due to an asymmetry for a pressure stroke and a suction stroke, then, in the sense of a worst-case analysis, it is assumed in the following that the larger of the two dead volumes is used to determine the respective compression ratio.

    Das Kompressionsverhältnis der Mikroperistaltikpumpe berechnet sich aus dem Hubvolumen ΔV und dem Totvolumen V0 wie folgt: ε = ΔV/V0. The compression ratio of the micro-peristaltic pump is calculated from the stroke volume ΔV and the dead volume V 0 as follows: ε = ΔV / V 0 ,

    Im folgenden wird von einer Worst-Case-Betrachtung ausgegangen, bei der der gesamte Pumpenbereich mit einem komprimierbaren Fluid (Gas) gefüllt ist. Die bei einem peristaltischen Pumpzyklus, wie er oben beschrieben wurde, in der Peristaltikpumpe auftretenden Volumen/Druck-Zustände sind in dem Diagramm von Fig. 4 gezeigt. Dabei sind in Fig. 4 jeweils sowohl die isothermen Volumen/Druck-Kennlinien als auch die adiabatischen Volumen/Druck-Kennlinien gezeigt, wobei im Sinne einer Worst-Case-Betrachtung im folgenden von isothermen Verhältnissen, wie sie bei langsamen Zustandsänderungen auftreten, ausgegangen wird.The following is based on a worst-case view, at the entire pump area with a compressible Fluid (gas) is filled. The case of a peristaltic Pump cycle, as described above, in the Peristaltic pump occurring volume / pressure conditions are shown in the diagram of Fig. 4. In this case, in Fig. 4 in each case both the isothermal volume / pressure curves as also shown the adiabatic volume / pressure characteristics, being in the sense of a worst-case consideration in the following of isothermal conditions, as in slow state changes occur, is assumed.

    Zu Beginn eines Druckhubes herrscht in dem zwischen Einlaßventil und Auslaßventil existierenden Fluidbereich ein Druck p0, während dieser Bereich ein Volumen V0 + ΔV aufweist. Ausgehend von diesem Zustand bewegt sich die Druckmembran während des Druckhubes um das Hubvolumen ΔV nach unten, wodurch sich ein Überdruck pÜ in dem Fluidbereich, d. h. der Pumpkammer, bildet, so daß bei einem Volumen von V0 ein Druck von p0 + pÜ herrscht. Der Überdruck in der Pumpkammer baut sich ab, indem das Luftvolumen ΔV durch den Auslaß gefördert wird, bis ein Druckausgleich stattgefunden hat. Dieses Ausströmen von Fluid aus dem Auslaß entspricht in Fig. 4 dem Sprung von der oberen Kurve zu der unteren Kurve. Am Ende des Druckausgleichs herrscht somit ein Zustand p0, V0, der dem Ausgangspunkt eines Saughubes entspricht. Ausgehend von diesem Zustand wird die Membran von dem Pumpenkörper wegbewegt, d. h. das Volumen der Druckkammer expandiert um das Hubvolumen ΔV. Somit wird zu dem in Fig. 4 als "Saughub nach Expansion" bezeichneten Zustand p0 - pu, V0 + ΔV gewechselt. Aufgrund des herrschenden Unterdrucks wird ein Fluidvolumen ΔV durch die Einlaßöffnung angesaugt, bis ein Druckausgleich stattgefunden hat. Das Einströmen von Fluid in die Pumpkammer entspricht in Fig. 4 dem Sprung von der unteren Kurve zu der oberen Kurve. Nach dem Druckausgleich herrscht somit der Zustand p0, V0 + ΔV, der wiederum dem Ausgangspunkt eines Druckhubes entspricht.At the beginning of a pressure stroke, there is a pressure p 0 in the fluid area existing between the inlet valve and the outlet valve, while this area has a volume V 0 + ΔV. Starting from this state, the pressure membrane moves during the pressure stroke to the stroke volume .DELTA.V down, creating an overpressure p Ü in the fluid region, ie the pumping chamber forms, so that at a volume of V 0, a pressure of p 0 + p Ü prevails. The overpressure in the pumping chamber degrades by the air volume .DELTA.V is conveyed through the outlet until a pressure equalization has taken place. This outflow of fluid from the outlet in Fig. 4 corresponds to the jump from the upper curve to the lower curve. At the end of the pressure equalization there is therefore a state p 0 , V 0 , which corresponds to the starting point of a suction stroke. Starting from this state, the membrane is moved away from the pump body, ie the volume of the pressure chamber expands by the displacement volume .DELTA.V. Thus, the state referred to in Fig. 4 as "suction stroke after expansion" p 0 - p u , V 0 + ΔV is changed. Due to the prevailing negative pressure, a fluid volume .DELTA.V is sucked through the inlet port until a pressure equalization has taken place. The inflow of fluid into the pumping chamber corresponds in Fig. 4 to the jump from the lower curve to the upper curve. After pressure equalization, the state p 0 , V 0 + ΔV prevails, which in turn corresponds to the starting point of a pressure stroke.

    Bei den obigen allgemeinen Zustandsbetrachtungen, die zur allgemeinen Erläuterung der Erfindung dienen, wurden jeweils die Volumenverdrängungen des Einlaßventiles und Auslaßventiles zwischen den jeweiligen Saughüben und Druckhüben vernachlässigt.In the above general state considerations, which refer to general explanation of the invention were, respectively the volume displacements of the intake valve and exhaust valve between the respective suction strokes and pressure strokes neglected.

    Um eine Blasentoleranz erreichen zu können, muß der Überdruck pÜ beim Druckhub, bzw. der Unterdruck pU beim Saughub, einen Mindestwert beim Druckhub überschreiten bzw. beim Saughub unterschreiten. Anders ausgedrückt muß der Druckbetrag beim Druckhub und beim Saughub einen Mindestwert, der als Förderdruck pF bezeichnet werden kann, überschreiten. Dieser Förderdruck ist der Druck in der Druckkammer, der mindestens herrschen muß, um eine Flüssigkeits/Gas-Grenzfläche an einer Stelle, die eine Flußengstelle zwischen der Pumpkammer und der Durchlaßöffnung des ersten oder zweiten Ventils, einschließlich dieser Durchlaßöffnung, darstellt, vorbei zu bewegen. Dieser Förderdruck kann abhängig von der Größe dieser Flußengstelle wie folgt ermittelt werden.In order to achieve a bubble tolerance, the overpressure p Ü during the pressure stroke, and the negative pressure p U during the suction stroke, a minimum value must exceed or fall below during the pressure stroke during the intake stroke. In other words, the pressure amount during the compression stroke and the suction stroke must exceed a minimum value, which may be referred to as delivery pressure p F. This delivery pressure is the pressure in the pressure chamber which must at least prevail to move past a liquid / gas interface at a location which is a flow point between the pump chamber and the passage opening of the first or second valve, including this passage opening. This delivery pressure can be determined as follows, depending on the size of this flow point.

    Es müssen Kapillarkräfte überwunden werden, wenn freie Oberflächen, beispielsweise in Form von Gasblasen (beispielsweise Luftblasen) in den Fluidbereichen innerhalb der Pumpe bewegt werden. Der Druck, der aufgebracht werden muß, um solche Kapillarkräfte zu überwinden, hängt von der Oberflächenspannung der Flüssigkeit an der Flüssigkeit/Gas-Grenzfläche und dem maximalen Krümmungsradius r1 und dem minimalen Krümmungsradius r2 des Meniskus dieser Grenzfläche ab:

    Figure 00150001
    Capillary forces must be overcome if free surfaces, for example in the form of gas bubbles (eg air bubbles), are moved in the fluid areas within the pump. The pressure that must be applied to overcome such capillary forces depends on the surface tension of the liquid at the liquid / gas interface and the maximum radius of curvature r 1 and the minimum radius of curvature r 2 of the meniscus of that interface:
    Figure 00150001

    Der zu erbringende Förderdruck ist durch Gleichung 2 definiert, und zwar an der Stelle innerhalb des Strömungspfades der Mikroperistaltikpumpe, an der die Summe der inversen Krümmungsradien r1 und r2 einer Flüssigkeits/Gas-Grenzfläche mit einer gegebenen Oberflächenspannung maximal ist. Diese Stelle entspricht der Flußengstelle.The delivery pressure to be provided is defined by Equation 2 at the location within the flow path of the microperistaltic pump where the sum of the inverse radii of curvature r 1 and r 2 of a liquid / gas interface having a given surface tension is at a maximum. This point corresponds to the Flußengstelle.

    Zur Veranschaulichung sei beispielsweise ein Kanal 220 (Fig. 5a) mit einer Breite d betrachtet, wobei die Höhe des Kanals ebenfalls d betrage. Der Kanal 220 besitzt an beiden Kanalenden 222, beispielsweise unter der Ventilmembran oder der Pumpmembran, eine Querschnittsänderung. In Fig. 5a ist der Kanal vollständig mit einer Flüssigkeit 224 gefüllt, die in Richtung des Pfeils 226 fließt.Illustratively, for example, a channel 220 (Fig 5a) viewed with a width d, wherein the height of the Channels also d. The channel 220 has at both Channel ends 222, for example, under the valve diaphragm or the pumping membrane, a change in cross section. In Fig. 5a the channel is completely filled with a liquid 224, which flows in the direction of the arrow 226.

    Gemäß Fig. 5b trifft nun eine Luftblase 228 auf die Querschnittsänderung am Eingang des Kanals 220. Dabei tritt ein Benetzungswinkel  auf. Der Benetzungswinkel  definiert einen maximalen Krümmungsradius r1 und einen minimalen Krümmungsradius r2 eines durch den Kanal 220 zu bewegenden Meniskus 230, wobei bei gleicher Höhe und Breite des Kanals r1 = r2 gilt. In Fig. 5c ist die Situation dargestellt, wenn die Luftblase, bzw. der Meniskus 230 die Querschnittsänderung 222 am Ende des Kanals 220 erreicht.According to FIG. 5 b, an air bubble 228 now encounters the change in cross section at the entrance of the channel 220. In this case, a wetting angle  occurs. The wetting angle  defines a maximum radius of curvature r 1 and a minimum radius of curvature r 2 of a meniscus 230 to be moved through the channel 220, with r 1 = r 2 for the same height and width of the channel. FIG. 5 c illustrates the situation when the air bubble or meniscus 230 reaches the change in cross section 222 at the end of the channel 220.

    Stellt ein solcher Kanal den Bereich eines Fluidsystems dar, an dem die größte Kapillarkraft überwunden werden muß, so beträgt der erforderliche Druck in diesem Spezialfall mit r1 = r2 = r = d/2: Δp = σ 2r = σ 4d If such a channel represents the area of a fluid system at which the greatest capillary force must be overcome, the required pressure in this special case is r 1 = r 2 = r = d / 2: Δp = σ 2 r = σ 4 d

    Diese Druckbarriere ist bei Mikroperistaltikpumpen der erfindungsgemäßen Art aufgrund der kleinen Geometriedimensionen nicht zu vernachlässigen, wenn ein solcher Kanal die Engstelle der Pumpe darstellt. Bei einem Leitungsdurchmesser von beispielsweise d = 50 µm und einer Oberflächenspannung Luft/Wasser von σwa = 0,075 N/m beträgt die Druckbarriere Δpb = 60 hPa, während bei einem Kanaldurchmesser d = 25 µm die Druckbarriere Δpb = 120 hPa beträgt.This pressure barrier is not negligible in microperistaltic pumps of the type according to the invention due to the small dimensions of geometry, if such a channel represents the bottleneck of the pump. With a line diameter of for example d = 50 μm and a surface tension air / water of σ wa = 0.075 N / m, the pressure barrier Δp b = 60 hPa, while with a channel diameter d = 25 μm the pressure barrier Δp b = 120 hPa.

    Bei Mikroperistaltikpumpen der erfindungsgemäßen Art wird die angesprochene Engstelle in der Regel jedoch durch den Abstand zwischen Ventilmembran und gegenüberliegendem Bereich des Pumpenkörpers (beispielsweise einer Dichtlippe) bei geöffnetem Ventil definiert sein. Diese Engstelle stellt einen Spalt dar, der eine gegenüber der Höhe unendlich große Breite aufweist, d.h. r1 = r und r2 = unendlich.In the case of microperistaltic pumps of the type according to the invention, however, the mentioned constriction is generally defined by the distance between the valve membrane and the opposite region of the pump body (for example a sealing lip) when the valve is open. This bottleneck represents a gap having an infinite width compared to the height, ie r 1 = r and r 2 = infinity.

    Für einen solchen Kanal ergibt sich aus obiger Gleichung 2: Δp = σ 1r For such a channel it follows from equation 2 above: Δp = σ 1 r

    Allgemein ist der Zusammenhang zwischen dem kleinsten Krümmungsradius und dem kleinsten Wandabstand d durch folgende Beziehung gegeben: r = d2 · sin(90° + Γ - Θ) wobei Θ den Benetzungswinkel darstellt und Γ die Verkippung zwischen den beiden Wänden.In general, the relationship between the smallest radius of curvature and the smallest wall distance d is given by the following relationship: r = d 2 · sin (90 ° + Γ - Θ) where Θ represents the wetting angle and Γ the tilt between the two walls.

    Der Worst-Case-Fall, d.h. der kleinste Krümmungsradius unabhängig vom Verkippungswinkel und Benetzungswinkel ist gegeben, wenn die Sinusfunktion maximal, d.h. sin(90°+Γ-Θ)=1 wird. Dies tritt beispielsweise bei abrupten Querschnittsänderungen, wie sie in den Fig. 5a bis 5c gezeigt sind, oder bei Kombinationen von Verkippungswinkel Γ und Benetzungswinkel Θ auf. Im Worst-Case-Fall gilt: r = d2 The worst-case case, ie the smallest radius of curvature independent of the tilt angle and wetting angle, is given if the sine function is maximal, ie sin (90 ° + Γ-Θ) = 1. This occurs, for example, in abrupt cross-sectional changes, as shown in FIGS. 5a to 5c, or in combinations of tilt angle Γ and wetting angle Θ. In the worst case case: r = d 2

    Als kleinster auftretender Krümmungsradius kann daher unabhängig vom Verkippungswinkel Γ, Benetzungswinkel Θ oder abrupten Querschnittsänderungen die Hälfte des kleinsten auftetenden Wandabstands betrachtet werden.The smallest occurring radius of curvature can therefore be independent from the tilt angle Γ, wetting angle Θ or abrupt cross-sectional changes half the smallest be aufetwenden wall distance.

    In einer Peristaltikpumpe existieren zum einen Fluidverbindungen zwischen den Kammern mit einer gegebenen Kanalgeometrie und einer Engstelle, die eine geringste Durchflußabmessung d definiert. Für einen solchen Kanal gilt: Δp = σ 4d In a peristaltic pump, fluid connections exist between the chambers with a given channel geometry and a constriction defining a minimum flow dimension d. For such a channel: Δp = σ 4 d

    Zum anderen besitzt die Peristaltikpumpe eine Engstelle am Einlaß- bzw. Auslassventil, die durch die von dem Ventilhub d abhängigen Spaltgeometrie definiert ist. Für diese gilt: Δp = σ 2d On the other hand, the peristaltic pump has a constriction at the inlet or outlet valve, which is defined by the gap geometry dependent on the valve lift d. For these applies: Δp = σ 2 d

    Die jeweilige Engstelle (Kanalengstelle oder Ventilengstelle im geöffneten Zustand), an der größere Kapillarkräfte überwunden werden müssen, kann als Flußengstelle der Mikroperistaltikpumpe betrachtet werden.The respective bottleneck (channel narrowing or valve throat in the opened state), at the larger capillary forces must be overcome, as Flußengstelle the Mikroperistaltikpumpe to be viewed as.

    Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden daher Verbindungskanäle innerhalb der Peristaltikpumpe derart ausgelegt, daß der Durchmesser des Kanals mindestens das doppelte der Ventilengstelle, d.h. dem Abstand zwischen Membran und Pumpenkörper im geöffneten Ventilzustand, übersteigt. In einem solchen Fall stellt der Ventilspalt die Flußengstelle der Mikroperistaltikpumpe dar. Beispielsweise können bei einem Ventilhub von 20µm Verbindungskanale mit einer geringsten Abmessung, d.h. Engstelle, von 50µm vorgesehen sein. Die obere Grenze des Kanaldurchmessers wird durch das Todvolumen des Kanals bestimmt. In preferred embodiments of the present invention are therefore connecting channels within the peristaltic pump designed so that the diameter of the channel at least twice the valve throat, i. the Distance between diaphragm and pump body in open Valve state, exceeds. In such a case, the Valve gap the Flußengstelle the Mikroperistaltikpumpe For example, at a valve lift of 20μm Connecting channels with a smallest dimension, i. Bottleneck, be provided by 50μm. The upper limit of the Channel diameter is determined by the dead volume of the channel.

    Die zu überwindende Kapillarkraft hängt von der Oberflächenspannung an der Flüssigkeit/Gas-Grenzfläche ab. Diese Oberflächenspannung hängt wiederum von den beteiligten Partnern ab. Für eine Wasser/Luft-Grenzfläche beträgt die Oberflächenspannung etwa 0,075 N/m und variiert leicht mit der Temperatur. Organische Lösemittel besitzen in der Regel eine deutlich geringere Oberflächenspannung, während die Oberflächenspannung an einer Quecksilber/Luft-Grenzfläche beispielsweise etwa 0,475 N/m beträgt. Eine Peristaltikpumpe, die ausgelegt ist, um die Kapillarkraft bei einer Oberflächenspannung von 0,1 N/m zu überwinden, eignet sich somit, um nahezu alle bekannten Flüssigkeiten und Gase blasentolerant und selbstansaugend zu pumpen. Alternativ kann das Kompressionsverhältnis einer erfindungsgemäßen Mikroperistaltikpumpe entsprechend höher gemacht werden, um ein solches Pumpen beispielsweise auch für Quecksilber zu ermöglichen.The capillary force to be overcome depends on the surface tension at the liquid / gas interface. These Surface tension in turn depends on the involved Partners. For a water / air interface is the Surface tension about 0.075 N / m and slightly varies with the temperature. Organic solvents usually possess a significantly lower surface tension while the Surface tension at a mercury / air interface for example, about 0.475 N / m. A peristaltic pump, which is designed to withstand the capillary force at a surface tension of 0.1 N / m is thus suitable Bubble-tolerant to almost all known liquids and gases and self-priming to pump. Alternatively, you can the compression ratio of a Mikroperistaltikpumpe invention be made higher accordingly to one to allow such pumping, for example, for mercury.

    Die im nachfolgenden erörterten Designregeln gelten für die Förderung von Gasen und inkompressiblen Flüssigkeiten, wobei bei der Förderung von Flüssigkeiten davon ausgegangen werden muß, daß im Worst-Case-Fall Luftblasen das gesamte Pumpkammervolumen ausfüllen. Bei der Förderung von Gasen muß damit gerechnet werden, daß aufgrund einer Auskondensierung Flüssigkeit in die Pumpe gelangen kann. Im folgenden wird davon ausgegangen, daß der Piezoaktor so ausgelegt ist, daß alle erforderlichen Unterdrücke und Überdrücke erreicht werden können.The design rules discussed below apply to the Promotion of gases and incompressible liquids, wherein assumed in the promotion of liquids must be that in the worst case, air bubbles the entire Fill pump chamber volume. In the extraction of gases must be expected that due to a condensation Liquid can get into the pump. Hereinafter It is assumed that the piezoelectric actuator designed this way is that all the required negative pressures and pressures reached can be.

    Zunächst sei ein Druckhub betrachtet. Während des Ausstoßvorgangs komprimiert die Aktormembran das Gasvolumen, bzw. Luftvolumen. Der maximale Überdruck in der Pumpkammer pÜ wird dann durch den Druck in der Luftblase bestimmt. Er berechnet sich aus der Zustandsgleichung der Luftblase. p0(V0 + ΔV)γA = (p0 + pÜ)(V0)γA Die Variablen p0, V0, ΔV und pü wurden oben bezugnehmend auf Fig. 4 erläutert. γA stellt den Adiabatenkoeffizient des Gases, d.h. der Luft, dar. Die linke Seite der obigen Gleichung stellt den Zustand vor der Kompression dar, während die rechte Seite den Zustand nach der Kompression darstellt. Weiterhin muß der Überdruck pÜ beim Druckhub größer als der positive Förderdruck pF sein: pÜ > pF First, consider a pressure stroke. During the ejection process, the actuator membrane compresses the gas volume or air volume. The maximum overpressure in the pump chamber p Ü is then determined by the pressure in the air bubble. It is calculated from the equation of state of the bubble. p 0 (V 0 + ΔV) γ A = (p 0 + p Ü ) (V 0 ) γ A The variables p 0 , V 0 , ΔV and p ü were explained above with reference to FIG. 4. γ A represents the adiabatic coefficient of the gas, ie the air. The left side of the above equation represents the state before compression, while the right side represents the state after compression. Furthermore, the overpressure p Ü must be greater than the positive delivery pressure p F during the pressure stroke: p Ü > p F

    Nun sei ein Saughub betrachtet. Der Saughub unterscheidet sich durch die Ausgangslage der Volumina. Nach der Expansion entsteht der Unterdruck pU in der Pumpkammer, d. h. pU ist negativ: p0V0 γA = (p0 + pU)(V0 + ΔV)γA Now consider a suction stroke. The suction stroke differs by the initial position of the volumes. After expansion, the negative pressure p U arises in the pumping chamber, ie p U is negative: p 0 V 0 γ A = (p 0 + p U ) (V 0 + ΔV) γ A

    Die linke Seite der Gleichung 11 gibt den Zustand vor der Expansion wieder, während die rechte Seite den Zustand nach der Expansion wiedergibt. Der Unterdruck pU beim Druckhub muß kleiner sein als der notwendige negative Förderdruck pF. Dabei ist zu beachten, daß der Förderdruck pF bei der Betrachtung des Druckhubes betragsmäßig positiv, bei der Betrachtung des Saughubes betragsmäßig negativ ist. Es folgt: pU < pF The left side of Equation 11 represents the state before expansion, while the right side represents the state after expansion. The negative pressure p U during the pressure stroke must be smaller than the necessary negative delivery pressure p F. It should be noted that the discharge pressure p F in terms of absolute value in the consideration of the pressure stroke, in terms of absolute value in the consideration of the suction stroke. It follows: p U <p F

    Aus den obigen Gleichungen ergibt sich für das mindestens notwendige Kompressionsverhältnis von blasentoleranten Mikroperistaltikpumpen für den Druckhub: ε > p0 p0 + pF 1γA - 1 From the above equations results for the minimum required compression ratio of bubble-tolerant microperistaltic pumps for the pressure stroke: ε> p 0 p 0 + p F 1 γ A - 1

    Für den Saughub ergibt sich folgendes Kompressionsverhältnis: ε > p0 p0 + pF 1γA - 1 For the suction stroke the following compression ratio results: ε> p 0 p 0 + p F 1 γ A - 1

    Ist der Förderdruck pF klein gegenüber dem Atmosphärendruck p0, können die vorhergehenden Gleichungen wie folgt vereinfacht werden, was einer Linearisierung um den Punkt p0, V0 entspricht:

  • Druckhub: ε > 1γA pF p0
  • Saughub: ε > - 1γA pF p0
    • If the delivery pressure p F is small compared to the atmospheric pressure p 0 , the preceding equations can be simplified as follows, which corresponds to a linearization around the point p 0 , V 0 :
  • compression stroke: ε> 1 γ A p F p 0
  • suction stroke: ε> - 1 γ A p F p 0

    • Als gültige Gleichung für den Saughub und den Druckhub ergibt sich: ε > 1γA pF p0 As a valid equation for the suction stroke and the pressure stroke results: ε> 1 γ A p F p 0

    Bei schnellen Zustandsänderungen sind die Verhältnisse adiabatisch, d. h. γA = 1,4 für Luft. Bei langsamen Zustandsänderungen sind die Verhältnisse isotherm, d. h. γA = 1. Mit einer konsequenten Anwendung der Worst-Case-Annahme wird im folgenden das Kriterium mit γA = 1 verwendet. Somit kann als Designregel für das notwendige Kompressionsverhältnis blasentoleranter Mikroperistaltikpumpen festgehalten werden, daß das Kompressionsverhältnis größer sein muß als das Verhältnis des Förderdrucks zum Atmosphärendruck, d. h.: ε > pF p0 For fast state changes, the ratios are adiabatic, ie γ A = 1.4 for air. For slow state changes, the ratios are isothermal, ie γ A = 1. With a consistent application of the worst-case assumption, the criterion with γ A = 1 is used below. Thus, as a design rule for the necessary compression ratio of bubble-tolerant micro-peristaltic pumps, it can be stated that the compression ratio must be greater than the ratio of the delivery pressure to the atmospheric pressure, ie: ε> p F p 0

    Oder mit den genannten Volumina: ΔVV0 > pF p0 Or with the mentioned volumes: .DELTA.V V 0 > p F p 0

    Die oben angegebene einfache lineare Designregel entspricht der Tangente an der isothermen Zustandsgleichung von Fig. 4 im Punkt p0, V0.The simple linear design rule given above corresponds to the tangent to the isothermal equation of state of FIG. 4 at point p 0 , V 0 .

    Bevorzugte Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Mikroperistaltikpumpen werden somit derart gestaltet, daß das Kompressionsverhältnis der obigen Bedingung genügt, wobei der minimal notwendige Förderdruck dem in Gleichung 8 definierten Druck entspricht, wenn in der Peristaltikpumpe auftretende Kanalengstellen minimale Abmessungen aufweisen, die zumindest doppelt so groß wie der Ventilspalt sind. Alternativ kann der minimal erforderliche Förderdruck dem in Gleichung 3 oder Gleichung 7 definierten Druck entsprechen, wenn die Flußengstelle der Mikroperistaltikpumpe nicht durch einen Spalt sondern einen Kanal definiert ist.Preferred embodiments of microperistaltic pumps according to the invention are thus designed so that the compression ratio satisfies the above condition, wherein the minimum necessary delivery pressure as defined in Equation 8 Pressure equals when occurring in the peristaltic pump Kanalengstellen have minimal dimensions, the at least twice the size of the valve gap. alternative can the minimum required delivery pressure in the Equation 3 or Equation 7 defined pressure correspond, if the Flußengstelle the microperistaltic pump is not is defined by a gap but a channel.

    Soll eine erfindungsgemäße Mikroperistaltikpumpe zum Einsatz kommen, wenn Druckrandbedingungen eines Unterdrucks p1 am Einlaß bzw. eines Gegendrucks p2 am Auslaß vorherrschen, so muß das Kompressionsverhältnis einer Mikroperistaltikpumpe entsprechend größer sein, um ein Pumpen gegen diese Einlaßdrücke bzw. Auslaßdrücke zu ermöglichen. Die Druckrandbedingungen werden von der vorgesehenen Anwendung der Mikroperistaltikpumpe definiert und können von wenigen hPa bis zu mehreren 1000 hPa reichen. Für solche Fälle muß der in der Pumpkammer auftretende Überdruck pÜ, bzw. Unterdruck pU diese Gegendrücke mindestens erreichen, damit eine Pumpwirkung auftritt. Beispielsweise führt allein die Höhendifferenz eines möglichen Einlaßgefäßes bzw. Auslaßgefäßes von 50 cm bei Wasser zu Gegendrücken von 50 hPa.If a microperistaltic pump according to the invention is to be used when pressure boundary conditions of a negative pressure p 1 at the inlet or a counterpressure p 2 prevail at the outlet, the compression ratio of a microperistaltic pump must be correspondingly greater in order to allow pumping against these inlet pressures or outlet pressures. The pressure boundary conditions are defined by the intended application of the microperistaltic pump and can range from a few hPa to several 1000 hPa. For such cases occurring in the pumping chamber pressure p T, or negative pressure must reach p U these back pressures at least, so that a pumping action occurs. For example, only the height difference of a possible inlet vessel or outlet vessel of 50 cm in water leads to counter pressures of 50 hPa.

    Weiter stellt die gewünschte Förderrate eine Randbedingung dar, die zusätzliche Anforderungen stellt. Bei einem gegebenen Hubvolumen ΔV wird die Förderrate Q durch die Betriebsfrequenz f des sich wiederholenden Peristaltikzyklusses definiert: Q = ΔV · f. Innerhalb der Periodendauer T = 1/f muß sowohl der Saughub als auch der Druckhub der Peristaltikpumpe verrichtet werden, insbesondere muß das Hubvolumen ΔV umgesetzt werden. Die verfügbare Zeit beträgt daher maximal T/2 für Saughub und Druckhub. Die benötigte Zeit, um das Hubvolumen durch die Pumpkammerzuleitung und die Ventilengstelle zu fördern, hängt nun einerseits von dem Strömungswiderstand ab, andererseits von der Druckamplitude in der Pumpkammer.Furthermore, the desired delivery rate is a constraint which makes additional demands. For a given Stroke volume .DELTA.V is the delivery rate Q by the operating frequency f of the repetitive peristaltic cycle defines: Q = ΔV · f. Within the period T = 1 / f must have both the suction stroke and the pressure stroke of the peristaltic pump be performed, in particular, the stroke volume ΔV be implemented. The available time is therefore maximum T / 2 for suction stroke and pressure stroke. The needed Time to the stroke volume through the pumping chamber inlet and to promote the Ventilengstelle now depends on the one hand the flow resistance, on the other hand from the pressure amplitude in the pumping chamber.

    Sollen mit einer erfindungsgemäßen Mikroperistaltikpumpe schaumartige Substanzen gepumpt werden, so kann es notwendig sein, daß eine Mehrzahl von Kapillarkräften, wie sie oben beschrieben sind, überwunden werden muß, da mehrere entsprechende Flüssigkeit/Gas-Grenzflächen auftreten. In einem solchen Fall muß die Mikroperistaltikpumpe ausgelegt sein, um ein Kompressionsverhältnis aufzuweisen, um entsprechend höhere Förderdrücke erzeugen zu können.Should with a Mikroperistaltikpumpe invention Foamy substances can be pumped, so it may be necessary be that a plurality of capillary forces, like them described above, must be overcome, as several corresponding liquid / gas interfaces occur. In In such a case, the micro-peristaltic pump must be designed be to have a compression ratio to accordingly To produce higher discharge pressures.

    Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß das Kompressionsverhältnis einer erfindungsgemäßen Mikroperistaltikpumpe entsprechend höher gewählt werden muß, wenn der in der Mikroperistaltikpumpe notwendige Förderdruck pF neben den angesprochenen Kapillarkräften ferner von den Randbedingungen der Anwendung abhängt. Beachtet werden sollte, daß hier der Förderdruck relativ zum Atmosphärendruck betrachtet wird, im Druckhub also ein positiver Förderdruck pF angenommen wird, während im Saughub ein negativer Förderdruck pF angenommen wird. Als ein technisch sinnvoller Wert für einen robusten Betrieb kann daher für einen Saughub und einen Druckhub ein Betrag des Förderdrucks von mindestens pF = 100 hPa angenommen werden.In summary, it can be determined that the compression ratio of a microperistaltic invention must be appropriately higher when necessary in the microperistaltic delivery pressure p F also depends in addition to the aforementioned capillary forces on the boundary conditions of the application. It should be noted that here the delivery pressure is considered relative to the atmospheric pressure, that is, a positive delivery pressure p F is assumed in the pressure stroke, while a negative delivery pressure p F is assumed in the intake stroke. As a technically meaningful value for a robust operation, therefore, an amount of the delivery pressure of at least p F = 100 hPa can be assumed for a suction stroke and a pressure stroke.

    Betrachtet man einen Gegendruck von beispielsweise 3000 hPa am Pumpenauslaß, gegen den gepumpt werden muß, so ergibt sich nach der obigen Gleichung 13 ein Kompressionsverhältnis von ε > 3, wobei ein Atmosphärendruck von 1013 hPa angenommen wird. Considering a back pressure of, for example, 3000 hPa at the pump outlet, against which must be pumped, so gives According to the above equation 13, a compression ratio of ε> 3, assuming an atmospheric pressure of 1013 hPa becomes.

    Muß die Mikroperistaltikpumpe gegen einen großen Unterdruck ansaugen, beispielsweise einen Unterdruck von -900 hPa, so ist nach der obigen Gleichung 14 ein Kompressionsverhältnis von ε > 9 einzuhalten, um ein Pumpen gegen einen solchen Unterdruck zu ermöglichen.Must the Mikroperistaltikpumpe against a large vacuum suck in, for example, a negative pressure of -900 hPa, so is a compression ratio according to the above equation 14 from ε> 9 to a pump against such To allow negative pressure.

    Beispiele von peristaltischen Mikropumpen, die die Realisierung derartiger Kompressionsverhältnisse ermöglichen, werden nachfolgend näher erläutert.Examples of peristaltic micropumps that the realization allow such compression ratios will be explained in more detail below.

    Fig. 6b zeigt eine schematische Querschnittansicht einer peristaltischen Mikropumpe mit Membranelement 300 und Pumpenkörper 302 entlang der Linie b-b von Fig. 6a und Fig. 6c, während Fig. 6a eine schematische Draufsicht auf das Membranelement 300 und Fig. 6c eine schematische Draufsicht auf den Pumpenkörper 302 zeigt. Das Membranelement 300 besitzt wiederum drei Membranabschnitte 12, 14 und 16, die jeweils mit Piezoaktoren 22, 24 und 26 versehen sind. In dem Pumpenkörper 302 ist wiederum eine Einlaßöffnung 32 und eine Auslaßöffnung 34 gebildet, derart, daß die Einlaßöffnung 32 zusammen mit dem Membranbereich 12 ein Einlaßventil definiert, während die Auslaßöffnung 34 mit dem Membranbereich 16 ein Auslaßventil definiert. Unterhalb des Membranabschnitts 14 ist eine Pumpkammer 304 in dem Pumpenkörper 302 gebildet. Ferner sind Fluidkanäle 306 in dem Pumpenkörper 302 gebildet, die mit den Membranbereichen 12 und 16 zugeordneten Ventilkammer 308 und 310 fluidmäßig verbunden sind. Die Ventilkammern 308 und 310 sind bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch Ausnehmungen in dem Membranelement 300 gebildet, wobei in dem Membranelement 300 ferner eine zu der Pumpkammer 304 beitragende Ausnehmung 312 gebildet ist.Fig. 6b shows a schematic cross-sectional view of a peristaltic micropump with membrane element 300 and pump body 302 along the line b-b of Fig. 6a and Fig. 6c, while Fig. 6a is a schematic plan view of the Membrane element 300 and Fig. 6c is a schematic plan view on the pump body 302 shows. The membrane element 300 has again three membrane sections 12, 14 and 16, the are each provided with piezo actuators 22, 24 and 26. In the pump body 302 is in turn an inlet port 32 and an outlet opening 34 is formed, such that the inlet opening 32 together with the membrane portion 12 an inlet valve defined while the outlet opening 34 with the membrane area 16 defines an exhaust valve. Below the membrane section 14 is a pumping chamber 304 in the pump body 302 formed. Further, fluid channels 306 are in the pump body 302 formed with the membrane areas 12 and 16 associated valve chamber 308 and 310 fluidly connected are. The valve chambers 308 and 310 are shown in the FIG Embodiment by recesses in the membrane element 300, wherein in the membrane element 300 further a recess 312 contributing to the pumping chamber 304 is formed is.

    Bei dem in den Fig. 6a bis 6c gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Pumpkammervolumen 304 größer ausgeführt als die Volumen der Ventilkammern 308 und 310. Dies wird bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel erreicht, indem eine Pumpkammerabsenkung in dem eine Strukturierung in der Form einer Pumpkammerabsenkung in dem Pumpenkörper 302 gebildet ist. Der Hub der Pumpenmembran 14 wird vorzugsweise so ausgelegt, daß sie das Volumen der Pumpkammer 304 weitgehend verdrängen kann.In the embodiment shown in Figs. 6a to 6c the pumping chamber volume 304 is made larger than the volume the valve chambers 308 and 310. This is shown in the Embodiment achieved by a pumping chamber lowering in which a structuring in the form of a Pumping chamber lowering is formed in the pump body 302. The stroke of the pumping membrane 14 is preferably designed to that they largely the volume of the pumping chamber 304 can displace.

    Eine weitere Erhöhung des Pumpkammervolumens gegenüber den Ventilkammervolumen ist bei dem in den Fig. 6a bis 6c gezeigten Ausführungsbeispiel erreicht, indem die Pumpkammermembran 14 flächenmäßig (in der Ebene des Membranelements 300 bzw. des Pumpenkörpers 302) größer gestaltet ist als die Ventilkammermembranen, wie am besten in Fig. 6a zu sehen ist. Somit ergibt sich eine flächenmäßig verglichen mit den Ventilkammern größere Pumpkammer.A further increase in the pumping chamber volume compared to Valve chamber volume is in that shown in Figs. 6a to 6c Embodiment achieved by the pumping chamber membrane 14 in terms of area (in the plane of the membrane element 300 and the pump body 302) is designed to be larger than the valve chamber membranes, as best seen in Fig. 6a is. Thus, there is an area compared with the valve chambers larger pumping chamber.

    Um den Strömungswiderstand zwischen den Ventilkammern 308 und 310 und der Pumpkammer 304 zu reduzieren, sind die Zuleitungskanäle 306 in der Oberfläche des Pumpenkörpers 302 strukturiert. Diese Fluidkanäle 306 liefern einen reduzierten Strömungswiderstand, ohne das Kompressionsverhältnis der peristaltischen Mikropumpe signifikant zu verschlechtern.To the flow resistance between the valve chambers 308th and 310 and the pumping chamber 304 are the supply passages 306 in the surface of the pump body 302 structured. These fluid channels 306 provide a reduced Flow resistance, without the compression ratio significantly degrade the peristaltic micropump.

    Alternativ zu dem in den Fig. 6a bis 6c gezeigten Ausführungsbeispiel könnte die Oberfläche des Pumpenkörpers 302 mit dreistufigen Absenkungen realisiert sein, um die Pumpkammer erhöhter Tiefe (verglichen mit den Ventilkammern) zu implementieren, während der obere Chip eine im wesentlichen unstrukturierte Membran ist. Solche zweistufige Absenkungen sind technologisch etwas schwieriger zu realisieren als das in den Fig. 6a bis 6c gezeigte Ausführungsbeispiel.As an alternative to the embodiment shown in FIGS. 6a to 6c could be the surface of the pump body 302 be realized with three-stage subsidence to the pumping chamber increased depth (compared to the valve chambers) implement while the top chip is essentially one unstructured membrane is. Such two-stage reductions are technologically more difficult to implement than that in the Fig. 6a to 6c embodiment shown.

    Beispielhafte Abmessungen des in den Fig. 6a bis 6c gezeigten Ausführungsbeispiels einer peristaltischen Mikropumpe lauten wie folgt:

  • Abmessung der Ventilmembrane 12, 16: 7,3 x 5,6 mm;
  • Abmessung der Pumpmembran 14: 7,3 x 7,3 mm;
  • Membrandicke: 40 µm;
  • Durchmesser der Einlaß- bzw. Auslaßdüse 32, 34: mindestens 50 pm;
  • Ventilkammerhöhe: 8 µm;
  • Höhe der Pumpkammer: 30 µm;
  • Breite der Ventil-Dichtlippen dDL: 10µm;
  • realisierbare Gesamtgröße: 8 x 21 mm;
  • Abmessungen der Piezoelemente: Fläche: 0,8 mal Membranabmessung, Dicke: 2,5 mal Membrandicke;
  • Dicke der Piezoelemente: 100µm; und
  • Öffnungsquerschnitt der Öffnungen 32, 34: 100µm x 100µm.
    • Exemplary dimensions of the embodiment of a peristaltic micropump shown in FIGS. 6a to 6c are as follows:
  • Valve diaphragm dimensions 12, 16: 7.3 x 5.6 mm;
  • Measurement of the pumping membrane 14: 7.3 x 7.3 mm;
  • Membrane thickness: 40 μm;
  • Diameter of the inlet or outlet nozzle 32, 34: at least 50 pm;
  • Valve chamber height: 8 μm;
  • Height of the pumping chamber: 30 μm;
  • Width of the valve sealing lips d DL : 10μm;
  • Total realized size: 8 x 21 mm;
  • Dimensions of the piezo elements: Area: 0.8 times membrane dimension, thickness: 2.5 times membrane thickness;
  • Thickness of the piezo elements: 100μm; and
  • Opening cross-section of the openings 32, 34: 100μm x 100μm.

    • Eine vergrößerte Darstellung des linken Teils der in Fig. 6b gezeigten Querschnittdarstellung ist in Fig. 7 gezeigt, wobei in Fig. 7 die Höhe H der Pümpkammer 304 angezeigt ist. Obwohl gemäß der Darstellung von Fig. 7 die die Pumpkammer 304 bildenden Strukturierungen in dem Pumpenkörper 302 und in dem Membranelement 300 gleiche Tiefen besitzen, ist es bevorzugt, die Strukturierungen in dem Pumpenkörper 302 mit einer größeren Tiefe als die in dem Membranelement auszugestalten, um den Flußkanal 306 mit einem ausreichenden Flußquerschnitt zu versehen, ohne jedoch das Kompressionsverhältnis übermäßig zu beeinträchtigen. Beispielsweise können die Strukturierungen in dem Pumpenkörper 302, die zu dem Fluidkanal 306 und der Pumpkammer 304 beitragen, eine Tiefe von 22 µm aufweisen, während die Strukturierungen in dem Membranelement 300, die die Ventilkammern 308 definieren bzw. zu der Druckkammer 304 beitragen, eine Tiefe von 8 µm aufweisen können.An enlarged view of the left part of FIG. 6b is shown in FIG. 7, wherein in Fig. 7, the height H of the Pümpkammer 304 is displayed is. Although, as shown in Fig. 7, the pumping chamber 304 forming structuring in the pump body 302 and in the membrane element 300 have the same depths, it is preferred that structuring in the pump body 302 with a greater depth than that in the membrane element to provide the flow channel 306 with sufficient River cross section to provide, but without the compression ratio overly impaired. For example For example, the structurings in the pump body 302 that belong to the fluid channel 306 and the pumping chamber 304 contribute a Depth of 22 microns, while the structuring in the membrane element 300 defining the valve chambers 308 contribute to the pressure chamber 304, a depth of 8 may have .mu.m.

    Fig. 8 stellt eine schematische Querschnittansicht einer Vergrößerung des Abschnitts A von Fig. 7 dar, jedoch in einer modifizierten Form. Gemäß Fig. 8 ist der Steg von der Öffnung 32 in Richtung zu dem Kanal 206 hin beabstandet angeordnet. Dadurch können Montagetoleranzen bei einer doppelseitigen Lithographie berücksichtigt werden. Ferner kann damit verhindert werden, daß Waferdickenschwankungen, die Ventilöffnungen mit unterschiedlichen Querschnittgrößen zur Folge haben können, keine negativen Auswirkungen haben. Wie in Fig. 8 zu erkennen ist, definiert der Abstand x zu der Membran 12 die Flußengstelle zwischen Pumpkammer und Ventildurchlaßöffnung bei geöffneter Ventilstellung.Fig. 8 shows a schematic cross-sectional view of a Enlargement of the section A of Fig. 7, but in one modified form. According to Fig. 8, the bridge of the Opening 32 spaced toward the channel 206 arranged. This allows mounting tolerances in a double-sided Lithography to be considered. Furthermore, can to prevent wafer thickness variations, the Valve openings with different cross-sectional sizes for Can have no adverse effects. As can be seen in Fig. 8, defines the distance x to the Membrane 12 the Flußengstelle between the pumping chamber and valve port with open valve position.

    Wie oben ausgeführt wurde, muß in den Bereichen des Fluidsystems, in denen eine Pumpwirkung erforderlich ist, indem ein Pumpkammervolumen einer Peristaltikpumpe gebildet wird, das Kompressionsverhältnis der Peristaltikpumpe groß gewählt werden, um ein selbstbefüllendes Verhalten und einen robusten Betrieb bezüglich einer Blasentoleranz zu gewährleisten. Um dies zu erreichen, ist es bevorzugt, die Totvoluminas klein zu halten, was unterstützt werden kann, indem die Kontur bzw. Form der Pumpkammer an die Biegelinie der Pumpmembran im ausgelenkten Zustand angepaßt wird.As stated above, in the areas of the fluid system, in which a pumping action is required by a pumping chamber volume of a peristaltic pump is formed, the compression ratio of the peristaltic pump is large be a self-filling behavior and a to ensure robust operation with respect to a bubble tolerance. To achieve this, it is preferable to have the dead volumes to keep small, which can be supported by the contour or shape of the pumping chamber to the bending line of the Pumping membrane is adapted in the deflected state.

    Eine erste Möglichkeit, eine solche Anpassung zu realisieren, besteht darin, eine runde Pumpkammer zu implementieren, d.h. eine Pumpkammer, deren Umfangsform an die Auslenkung der Pumpmembran angepasst ist. Eine schematische Draufsicht auf den Pumpkammer- und Fluidkanal-Abschnitt eines Pumpenkörpers mit einer solchen Pumpkammer ist in Fig. 9a gezeigt. In die runde Pumpkammer 330 münden wiederum vergleichbar mit der Darstellung von Fig. 6c die Fluidkanäle 306, die eine Fluidverbindung zu Ventilkammern, die beispielsweise wiederum in einem Membranelement strukturiert sein können, herstellen.A first way to realize such an adaptation is to implement a round pumping chamber, i.e. a pumping chamber whose peripheral shape to the deflection the pumping membrane is adapted. A schematic Top view of the pumping chamber and fluid channel section of a Pump body with such a pumping chamber is shown in Fig. 9a shown. In the round pumping chamber 330 open again comparable to the representation of Fig. 6c, the fluid channels 306, which fluidly connects to valve chambers, for example again structured in a membrane element can be produced.

    Um eine weitere Reduzierung des Totvolumens und damit eine weitere Erhöhung des Kompressionsverhältnisses erreichen zu können, kann die Pumpkammer unter der Pumpmembran so gestaltet werden, daß ihre der Pumpmembran zugewandte Kontur paßgenau der Biegelinie der Pumpmembran folgt. Eine solche Kontur der Pumpkammer kann beispielsweise durch ein entsprechend geformtes Spritzgußwerkzeug oder durch einen Prägestempel erreicht werden. Eine schematische Draufsicht auf einen Pumpenkörper 340, in dem eine solche der Biegelinie der Aktormembran folgende Fluidkammer 342 strukturiert ist, ist in Fig. 9b gezeigt. Ferner sind in Fig. 9b in dem Pumpenkörper strukturierte Fluidkanäle 344 dargestellt, die zu der Fluidkammer 342 hin und von derselben weg führen. Eine schematische Querschnittansicht entlang der Linie c-c von Fig. 9b ist in Fig. 9c gezeigt, wobei in Fig. 9c ferner eine Membran 346 mit dem derselben zugeordneten Piezoaktor 348 dargestellt. Ein Fluß durch die Fluidkanäle 344 ist in Fig. 9c durch Pfeile 350 angezeigt. Ferner ist in Fig. 9c die der Membran 346 zugewandte an die Biegelinie der Membran (im betätigten Zustand) angepaßte Kontur 352 der Fluidkammer bzw. Pumpkammer 342 zu erkennen. Diese Form der Fluidkammer 352 ermöglicht, daß bei Betätigen der Membran 346 durch den Piezoaktor 348 im wesentlichen das gesamte Volumen der Fluidkammer 342 verdrängt wird, wodurch ein hohes Kompressionsverhältnis erreicht werden kann.To further reduce the dead volume and thus a achieve further increase of the compression ratio To be able to, the pumping chamber under the pumping membrane can do so be designed that their pump diaphragm facing contour Precisely following the bending line of the pumping membrane. A Such contour of the pumping chamber, for example, by a correspondingly shaped injection molding tool or by a Embossing stamp can be achieved. A schematic plan view on a pump body 340, in which such a bending line the actuator membrane, the following fluid chamber 342 structured is shown in Fig. 9b. Further, in Fig. 9b in the Pump body structured fluid channels 344 shown, the lead to the fluid chamber 342 toward and away from the same. A schematic cross-sectional view along the line c-c of Fig. 9b is shown in Fig. 9c, wherein in Fig. 9c further a diaphragm 346 with the same associated piezoelectric actuator 348 shown. A flow through the fluid channels 344 is in Fig. 9c indicated by arrows 350. Further, in Fig. 9c the membrane 346 facing the bending line of the membrane (in the actuated state) adapted contour 352 of the fluid chamber or pumping chamber 342 to recognize. This form of fluid chamber 352 allows that upon actuation of the diaphragm 346th by the piezoelectric actuator 348 substantially the entire volume the fluid chamber 342 is displaced, whereby a high Compression ratio can be achieved.

    Ein Ausführungsbeispiel einer peristaltischen Mikropumpe, bei der sowohl die Pumpkammer 342 als auch Ventilkammern 360 an die Biegelinien der jeweils zugeordneten Membranabschnitte 12, 14 und 16 angepaßt sind, ist in den Fig. 10a und 10b gezeigt, wobei Fig. 10b eine schematische Draufsicht auf den Pumpenkörper 340 zeigt, während Fig. 10a eine schematische Querschnittansicht entlang der Linie a-a von Fig. 10b zeigt. Wie den Fig. 10a und 10b zu entnehmen ist, sind Form und Kontur der Ventilkammer 360 und 362 wie oben Bezug nehmend auf die Pumpkammer 342 erläutert, an die Biegelinie des jeweils zugeordneten Membranabschnitts 12 bzw. 16 angepaßt. Wie ferner am besten in Fig. 10b zu sehen ist, sind wiederum Fluidkanäle 344a, 344b, 344c und 344d in dem Pumpenkörper 340 gebildet. Der Fluidkanal 344a stellt einen Eingangsfluidkanal der, der Fluidkanal 344b verbindet die Ventilkammer 360 mit der Pumpkammer 342, der Fluidkanal 344 verbindet die Pumpkammer 342 mit der Ventilkammer 362, und der Fluidkanal 344d stellt einen Ausgangskanal dar.An embodiment of a peristaltic micropump, in which both the pumping chamber 342 and valve chambers 360 to the bending lines of the respective associated membrane sections 12, 14 and 16 is adapted in Figs. 10a and Fig. 10b, wherein Fig. 10b is a schematic plan view on the pump body 340, while Fig. 10a a schematic cross-sectional view along the line a-a of Fig. 10b shows. As can be seen from FIGS. 10a and 10b, are shape and contour of the valve chamber 360 and 362 as above Referring to pumping chamber 342, the bending line is explained of the respectively associated membrane section 12 or 16 adapted. As further best seen in FIG. 10b, again, fluid channels 344a, 344b, 344c and 344d are in the Pump body 340 formed. The fluid channel 344a provides a The input fluid channel, the fluid channel 344b connects the Valve chamber 360 with the pumping chamber 342, the fluid channel 344th connects the pumping chamber 342 to the valve chamber 362, and the fluid channel 344d represents an output channel.

    Wie ferner in Fig. 10a gezeigt ist, ist das Membranelement 380 bei diesem Ausführungsbeispiel ein unstrukturiertes Membranelement, das in eine in dem Pumpenkörper 340 vorgesehene Ausnehmung eingebracht ist, um zusammen mit den in dem Pumpenkörper 340 gebildeten Fluidbereichen die Ventilkammern und die Pumpkammer zu definieren.As further shown in Fig. 10a, the membrane element is 380 in this embodiment, an unstructured Membrane element, which in a provided in the pump body 340 Recess is inserted to together with the in The fluid chambers formed the pump body 340, the valve chambers and define the pumping chamber.

    Die Verbindungskanäle 344b und 344c zwischen den Aktorkammern sind so geschaltet, daß sie ein im Vergleich zum Hubvolumen geringes Totvolumen beinhalten. Gleichzeitig verringern diese Fluidkanäle den Strömungswiderstand zwischen den Aktorkammern signifikant, so daß auch größere Pümpfrequenzen und damit größere Förderströme, wobei ein solcher Strom wiederum durch Pfeile 350 in Fig. 10a angezeigt ist, möglich werden. Im Bereich der Ventilkammern 360 und 362 werden die Fluidkanäle durch Betätigen der Membranabschnitte 12 bzw. 16 durch die vollständig ausgelenkten Membranabschnitte getrennt, so daß eine Fluidtrennung zwischen den Fluidkanälen 344a und 344b bzw. zwischen den Fluidkanälen 344c und 344d auftritt. Die Kontur der Ventilkammern muß dabei exakt an die Biegelinie der jeweiligen Membranabschnitte angepaßt sein, um eine dichte Fluidtrennung zu erreichen. Alternativ kann, wie in Fig. 11 gezeigt ist, ein Steg 390 in der jeweiligen Ventilkammer im Bereich des größten Hubs des Membranabschnitts 12 vorgesehen sein, der entsprechend geformt ist, so daß er vollständig durch die Biegung des Membranabschnitts 12 abgedichtet werden kann. Spezieller biegt sich der Steg zu den Rändern der Ventilkammer hin nach oben, entsprechend der an die Biegelinie angepassten Form der Ventilkammer. Dieser Steg kann in die jeweilige Ventilkammer vorstehen, wobei alternativ, wie es in Fig. 11 gezeigt ist, die Tiefe der Verbindungskanäle 344 größer sein kann als der Hub y des Membranabschnitts 12, bei dem der Membranabschnitt an dem Pumpenkörper anliegt, so daß der Steg 390 sozusagen versenkt ist. Ist die Tiefe der Verbindungskanäle größer als der maximale Hub, geht dies zu Kosten des Kompressionsverhältnisses, ermöglicht jedoch geringe Strömungswiderstände zwischen den Aktorkammern. The connection channels 344b and 344c between the actuator chambers are switched so that they are compared to the displacement include low dead volume. Simultaneously reduce these fluid channels between the flow resistance the actuator chambers significantly, so that larger Pümpfrequenzen and thus larger flow rates, one such Current is again indicated by arrows 350 in Fig. 10a, be possible. In the area of the valve chambers 360 and 362 be the fluid channels by operating the membrane sections 12 and 16 through the fully deflected membrane sections separated, so that a fluid separation between the Fluid channels 344a and 344b and between the fluid channels 344c and 344d occurs. The contour of the valve chambers must exactly to the bending line of the respective membrane sections be adapted to achieve a dense fluid separation. Alternatively, as shown in Fig. 11, a Bridge 390 in the respective valve chamber in the area of largest stroke of the diaphragm portion 12 may be provided, the is shaped accordingly, so that it completely through the Bend the membrane portion 12 can be sealed. More specifically, the bridge bends to the edges of the valve chamber towards the top, corresponding to the bending line adapted shape of the valve chamber. This jetty can in the projecting respective valve chamber, wherein alternatively, as it 11, the depth of the connection channels 344 may be greater than the stroke y of the membrane portion 12, in which the membrane section bears against the pump body, so that the bridge 390 is sunk, so to speak. Is the depth the connection channels is greater than the maximum stroke, goes this at the cost of the compression ratio enabled but low flow resistance between the actuator chambers.

    Ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Ventilkammer 360 ist in Fig. 12 gezeigt, wobei dort die Tiefe der Verbindungskanäle 344 kleiner ist als der maximale Hub y des Membranabschnitts 12, und damit als die Tiefe der an die Biegelinie des Membranabschnitts 12 angepaßten Ventilkammer 360 im Bereich des größten Hubes des Membranabschnitts 12. Dadurch kann eine sichere Abdichtung im geschlossenen Zustand des Ventils erreicht werden.An alternative embodiment of a valve chamber 360 is shown in Fig. 12, where the depth of the connecting channels 344 is smaller than the maximum lift y of the Membrane section 12, and thus as the depth of the Bend line of the diaphragm portion 12 adapted valve chamber 360 in the region of the largest stroke of the membrane section 12. This allows a secure seal in the closed state of the valve can be achieved.

    Um eine Ventilabdichtung im geschlossenen Zustand zu erreichen, die vorgegebenen Druckanforderungen genügt, kann es bevorzugt sein, in der Ventilkammer 360 einen Steg 390a vorzusehen, der nicht die maximal mögliche Biegelinie des Aktorelements, d. h. des Membranabschnitts 12 zusammen mit dem Piezoaktor 22, nachbildet, wie in Fig. 13 gezeigt ist. Die maximal mögliche Biegelinie des Membranabschnitts 12 ist in Fig. 13 durch eine gestrichelte Linie 400 gezeigt, während die Linie 410 der maximal möglichen Auslenkung des Membranabschnitts 12 aufgrund des Vorsehens des Stegs 390a entspricht. Somit sitzt die Membran 12 im voll ausgelenkten Zustand, wenn der Steg 390 abgedichtet wird, mit einer Restkraft auf dem Steg 390a auf, wobei diese Restkraft dimensioniert werden kann, um Druckanforderungen, die die Dichtung aushalten muß, zu genügen.To achieve a valve seal when closed, the given pressure requirements are sufficient, it can be preferred, in the valve chamber 360, a web 390 a not the maximum possible bending line of the Actuator element, d. H. the membrane portion 12 together with the piezoelectric actuator 22, as shown in Fig. 13 is shown. The maximum possible bending line of the membrane section 12 is shown by a dashed line 400 in FIG. 13, while line 410 is the maximum possible deflection of the Membrane portion 12 due to the provision of the web 390 a equivalent. Thus, the membrane 12 sits in fully deflected Condition when the web 390 is sealed, with a Residual force on the web 390a, this residual force dimensioned can be used to print requests that the Seal must endure to suffice.

    Bei praktischen Realisierungen wird die Biegelinie der Membran oft nicht perfekt konzentrisch zum Membranmittelpunkt sein, beispielsweise aufgrund von Montagetoleranzen der Piezokeramiken und aufgrund von Inhomogenitäten des Kleberauftrags, durch den die Piezokeramiken an den Membranen angebracht sind. Daher kann der Bereich der Stegabdichtung etwas, beispielsweise um ca. 5 bis 20 µm, je nach Hub des Aktors, gegenüber dem Rest der Fluidkammer erhöht werden, um einen sicheren Kontakt der Membran mit dem Steg und damit eine sichere Abdichtung zu gewährleisten. Dies entspricht ebenfalls der in Fig. 13 gezeigten Situation. Zu beachten ist allerdings, daß dadurch das Totvolumen vergrößert und das Kompressionsverhältnis verringert wird. In practical realizations, the bending line of the Membrane often not perfectly concentric to the membrane center be, for example due to mounting tolerances the piezoceramics and due to inhomogeneities of the Glue application, through which the piezoceramics on the membranes are attached. Therefore, the area of the web seal something, for example, around 5 to 20 microns, depending on the stroke of the actuator, be increased over the rest of the fluid chamber, for a secure contact of the membrane with the web and thus ensuring a secure seal. This matches with also the situation shown in Fig. 13. To note, however, that thereby increases the dead volume and the compression ratio is reduced.

    Alternativ zu den genannten Möglichkeiten kann als Fluidkammermaterial zumindest im Bereich unter der beweglichen Membran ein plastisch verformbares Material, beispielsweise Silikon, verwendet werden. Durch entsprechend groß ausgelegte Aktorkräfte können dann Inhomogenitäten ausgeglichen werden. In einem solchen Fall liegt keine Hart-Hart-Dichtung mehr vor, so daß eine gewisse Toleranz gegen Partikel und Ablagerungen existiert.As an alternative to the mentioned possibilities, fluid chamber material may be used at least in the area under the moving Membrane a plastically deformable material, for example Silicone, to be used. By appropriately sized Actuator forces can then be compensated for inhomogeneities become. In such a case, there is no hard-hard seal more before, so that a certain tolerance against particles and deposits exists.

    Im folgenden sei kurz eine beispielhafte Dimensionierung einer Peristaltikpumpe, wie sie in den Fig. 10a und 10b gezeigt ist, angegeben. Die Dicke der Membranabschnitte 12, 14 und 16 und somit die Dicke des Membranelements 380 kann beispielsweise 40 µm betragen, während die Dicke der Piezoaktoren beispielsweise 100 µm betragen kann. Als Piezokeramik kann eine PZT-Keramik mit einem großen d31-Koeffizienten verwendet werden. Die Seitenlänge der Membranen kann beispielsweise 10 mm betragen, während die Seitenlänge der Piezoaktoren beispielsweise 8 mm betragen kann. Der Spannungshub zum Betätigen der Aktoren bei der genannten Aktorgeometrie kann beispielsweise 140 V betragen, was einen maximalen Hub von ca. 100 bis 200 µm mit einem Hubvolumen der Pumpmembran von ca. 2 bis 4 µl zur Folge hat.In the following, let's take an example of dimensioning a peristaltic pump as shown in Figs. 10a and 10b indicated. The thickness of the membrane sections 12, 14 and 16 and thus the thickness of the membrane element 380 can For example, 40 microns, while the thickness of the piezoelectric actuators may be for example 100 microns. As a piezoceramic can be a PZT ceramic with a large d31 coefficient be used. The side length of the membranes can For example, be 10 mm, while the side length of Piezo actuators may be 8 mm, for example. The voltage swing for actuating the actuators in the aforementioned actuator geometry can be for example 140 V, which is a maximum Stroke of approx. 100 to 200 μm with a stroke volume of Pumping membrane of about 2 to 4 ul result.

    Durch die Anpassung der Fluidkammerausführung an die Biegelinie der Membran fällt das Totvolumen der drei für die Peristaltikpumpe benötigten Fluidkammern weg, so daß nur noch die Verbindungskanäle, die die Ventilkammern mit der Pumpkammer verbinden, verbleiben. Werden Verbindungskanäle mit einer Tiefe von 100 µm, einer Breite von 100 µm und einer Länge von jeweils 10 mm, so daß sich eine Gesamtlänge für die Fluidkanäle 344b und 344c von 20 mm ergibt, ergibt das ein Pumpkammer-Totvolumen von 0,2 µl. Daraus kann ein Kompressionsverhältnis ε = ΔV/V = 4 µl/0,2 µl = 20 ermittelt werden. By adapting the fluid chamber design to the bend line the membrane drops the dead volume of the three for the peristaltic pump needed fluid chambers away, so that only the connecting channels connecting the valve chambers with the pumping chamber connect, remain. Become connecting channels with a depth of 100 microns, a width of 100 microns and a Length of 10 mm, so that a total length for gives the fluid channels 344b and 344c of 20 mm, gives the a pumping chamber dead volume of 0.2 μl. This can be a compression ratio ε = ΔV / V = 4 μl / 0.2 μl = 20 determined become.

    Mit einem derart großen Kompressionsverhältnis von bis zu 20 sind derartige Fluidmodule blasentolerant und selbstansaugend und können sowohl Flüssigkeiten als auch Gase fördern. Derartige Fluidpumpen können ferner für kompressible und flüssige Medien prinzipiell mehrere bar Druck aufbauen, je nach Auslegung des Piezoaktors. Bei einer solchen Mikropumpe wird der maximal erzeugbare Druck nicht mehr durch das Kompressionsverhältnis begrenzt, sondern durch die maximale Kraft des Antriebselements und durch die Dichtheit der Ventile definiert. Trotz dieser Eigenschaften können durch eine geeignete Kanaldimensionierung mit einem geringen Strömungswiderstand mehrere ml/min gefördert werden.With such a large compression ratio of up to 20, such fluid modules are bubble tolerant and self-priming and can deliver both liquids and gases. Such fluid pumps can also be used for compressible and liquid media basically build up several bar pressure, depending on the design of the piezoelectric actuator. In such a micropump the maximum pressure that can be generated is no longer limits the compression ratio, but by the maximum Force of the drive element and the tightness the valves defined. Despite these properties can by a suitable channel dimensioning with a low Flow resistance can be promoted several ml / min.

    Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel waren sämtliche Fluidkanäle, d. h. auch der Einlaßfluidkanal 344a und der Auslaßfluidkanal 344d lateral geführt, d. h. die Fluidkanäle verlaufen in der gleichen Ebene wie die Fluidkammern. Wie oben dargelegt wurde, kann bei einem derartigen Verlauf die Abdichtung der Kanäle schwierig sein. Vorteilhaft an dem lateralen Verlauf der Fluidkanäle ist jedoch, daß das gesamte Fluidsystem einschließlich mit dem Einlaßkanal 344a und/oder dem Auslaßkanal 344d verbundenen Reservoiren mit einem Herstellungsschritt geformt werden kann, beispielsweise mit Spritzguß oder Prägen.In the embodiment described above, all were Fluid channels, d. H. also the inlet fluid passage 344a and the outlet fluid channel 344d is guided laterally, d. H. the fluid channels run in the same plane as the fluid chambers. As stated above, in such a Course the sealing of the channels be difficult. Advantageous on the lateral course of the fluid channels, however, that the entire fluid system including with the inlet channel 344a and / or the outlet channel 344d connected reservoirs can be formed with a manufacturing step, for example by injection molding or embossing.

    In Fig. 14 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Mikroperistaltikpumpe gezeigt, bei dem der Einlaßfluidkanal 412 und der Auslaßfluidkanal 414 in dem Pumpenkörper 340 vertikal versenkt sind. Die Fluidkanäle 412 und 414 weisen einen im wesentlichen vertikalen Abschnitt 412a und 414a auf, die jeweils im wesentlichen zentral unter den zugeordneten Membranabschnitten 12 bzw. 16 in die Ventilkammern 360 bzw. 362 münden. Der Vorteil des in Fig. 14 gezeigten Ausführungsbeispiels der Fluidkanäle besteht darin, daß die Fluidkanäle definiert abgedichtet werden können. Nachteilig ist jedoch, daß solche vertikal versenkten Fluidkanäle fertigungstechnisch schwierig herzustellen sind. In Fig. 14 is an embodiment of an inventive Microperistaltic pump shown in which the inlet fluid channel 412 and the outlet fluid passage 414 in the pump body 340 vertically sunk. The fluid channels 412 and 414 have a substantially vertical portion 412a and 414a, each substantially centrally located below the associated Diaphragm sections 12 and 16 in the valve chambers 360 and 362, respectively. The advantage of the one shown in FIG Embodiment of the fluid channels is that the fluid channels can be sealed defined. The disadvantage, however, is that such vertically submerged fluid channels Manufacturing technology are difficult to produce.

    Die erfindungsgemäßen peristaltischen Mikropumpen werden vorzugsweise angesteuert, indem die Membran, beispielsweise die Metallmembran oder die Halbleitermembran, auf einem Massepotential liegt, während die Piezokeramiken durch einen typischen Peristaltikzyklus bewegt werden, indem jeweils entsprechende Spannungen an die Piezokeramiken angelegt werden.The peristaltic micropumps according to the invention are preferably driven by the membrane, for example the metal membrane or the semiconductor membrane, on one Ground potential, while the piezoceramics by a typical peristaltic cycle are moved by each corresponding voltages applied to the piezoceramics become.

    Neben der oben beschriebenen Mikroperistaltikpumpe unter Verwendung von drei Fluidkammern 342, 360 und 362 kann ein erfindungsgemäße peristaltische Mikropumpe weitere Fluidkammern aufweisen, beispielsweise eine weitere Fluidkammer 420, die über einen Fluidkanal 422 mit der Pumpkammer 342 verbunden ist. Eine derartige Struktur ist in Fig. 15 schematisch gezeigt, wobei ein erstes Reservoir 424 über den Fluidkanal 344a mit der Ventilkammer 360 verbunden ist, ein zweites Reservoir 426 über einen Fluidkanal 428 mit der Ventilkammer 420 verbunden ist und ein drittes Reservoir 430 über den Fluidkanal 344d mit der Ventilkammer 362 verbunden ist.In addition to the microperistaltic pump described above Use of three fluid chambers 342, 360 and 362 may be According to the invention peristaltic micropump further fluid chambers have, for example, a further fluid chamber 420, which via a fluid passage 422 with the pumping chamber 342 connected is. Such a structure is schematic in FIG shown, wherein a first reservoir 424 via the Fluid passage 344a is connected to the valve chamber 360, a second reservoir 426 via a fluid passage 428 with the Valve chamber 420 is connected and a third reservoir 430 is connected to the valve chamber 362 via the fluid passage 344d is.

    Eine Struktur mit vier Fluidkammern, wie sie in Fig. 15 gezeigt ist, kann beispielsweise eine Verzweigungsstruktur bzw. einen Mischer bilden, bei dem die Mischströme aktiv gefördert werden können. Die Erweiterung auf vier Fluidkammern mit vier zugeordneten Fluidaktoren ermöglicht, wie beispielsweise in Fig. 15 gezeigt ist, die Realisierung von drei Peristaltikpumpen, wobei jede Pumprichtung zwischen allen Reservoirs 424, 426 und 430 in beiden Richtungen realisiert werden kann. Dabei ist es möglich, daß ein einziges Membranelement alle Fluidkammern und Reservoirbehälter abdeckt, wobei für jede Fluidkammer ein separater Piezoaktor vorgesehen ist. Somit kann die gesamte Fluidik sehr flach gestaltet werden, wobei die funktionalen, fluidischen Strukturen inklusive Fluidkammern, Kanälen, Membranen, Piezoaktoren und Trägerstrukturen eine Gesamthöhe in der Größenordnung 200 bis 400 µm aufweisen können. Somit sind Systeme denkbar, die in Chipkarten integriert werden können. Ferner sind sogar flexible fluidische Systeme denkbar.A structure with four fluid chambers, as shown in FIG is, for example, a branching structure or form a mixer in which the mixed streams are active can be promoted. The extension to four fluid chambers with four associated fluid actuators, such as for example, shown in Fig. 15, the realization of three peristaltic pumps, each pumping direction between all reservoirs 424, 426 and 430 realized in both directions can be. It is possible that a single Membrane element covers all fluid chambers and reservoir container, wherein for each fluid chamber a separate piezoelectric actuator is provided. Thus, the entire fluidics can be very flat be designed, with the functional, fluidic Structures including fluid chambers, channels, membranes, piezoactuators and support structures an overall height of the order of magnitude 200 to 400 microns may have. Thus, systems are conceivable that can be integrated into smart cards. Furthermore, even flexible fluidic systems are conceivable.

    Neben den gezeigten Ausführungsbeispielen können Fluidkammern beliebig in einer Ebene verschaltet werden. So kann beispielsweise unterschiedlichen Reservoirs z. B. je eine Mikroperistaltikpumpe zugeordnet werden, die dann beispielsweise Reagenzien einer chemischen Reaktion zuführen (beispielsweise bei einer Brennstoffzelle), oder eine Kalibriersequenz für ein Analysesystem durchführen, beispielsweise bei einer Wasseranalyse.In addition to the embodiments shown, fluid chambers be interconnected in any plane. So can for example, different reservoirs z. B. one each Microperistaltic be assigned, which then, for example Reagents to a chemical reaction (For example, in a fuel cell), or a calibration sequence for an analysis system, for example in a water analysis.

    Zur Erzeugung eines Piezo-Membranwandlers können die Piezokeramiken beispielsweise auf die jeweiligen Membranabschnitte geklebt werden. Alternativ können die Piezokeramiken, beispielsweise PZT, direkt in Dickschichttechnik aufgebracht werden, beispielsweise durch Siebdruckverfahren mit geeigneten Zwischenschichten.To produce a piezo-membrane converter, the piezoceramics for example, to the respective membrane sections to be glued. Alternatively, the piezoceramics, For example, PZT, applied directly in thick film technology be, for example by screen printing with suitable intermediate layers.

    Ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen mikroperistaltischen Pumpe mit versenktem Einlaßfluidkanal 412 und versenktem Auslaßfluidkanal 414 ist in Fig. 16 gezeigt. Der Einlaßflußkanal 412 mündet wiederum im wesentlichen mittig unter dem Membranabschnitt 12 in eine Ventilkammer 442, während der Auslaßfluidkanal 414 im wesentlichen mittig unter dem Membranabschnitt 16 in eine Ventilkammer 444 mündet. Die jeweiligen Mündungsöffnungen des Einlaßkanals 412 und des Auslaßkanals 414 sind mit einer Dichtlippe 450 versehen. Ferner ist in dem Pumpenkörper 440 eine Pumpkammer 452 gebildet, die durch Fluidkanäle in Wänden 454 mit den Ventilkammern 442 und 444 fluidmäßig verbunden ist. Gemäß dem in Fig. 16 gezeigten Ausführungsbeispiel bilden die drei Membranabschnitte 12, 14 und 16 wiederum ein Membranelement 456. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Membranabschnitte jedoch durch Piezostapelaktoren 460, 462 und 464 angetrieben, die auf die entsprechenden Membranabschnitte aufsetzbar sind. Zu diesem Zweck werden die Piezostapelaktoren unter Verwendung geeigneter Gehäuseteile 470 bzw. 472, die in Fig. 16 entfernt von dem Pumpenkörper und dem Membranelement gezeigt sind, verwendet.An alternative embodiment of an inventive microperistaltic pump with recessed inlet fluid channel 412 and recessed outlet fluid channel 414 is shown in FIG. 16 shown. The inlet flow channel 412 again opens substantially centrally under the membrane section 12 in a Valve chamber 442, while the Auslaßfluidkanal 414 substantially centrally under the membrane portion 16 in a Valve chamber 444 opens. The respective mouth openings the inlet channel 412 and the outlet channel 414 are provided with a Sealing lip 450 provided. Further, in the pump body 440 a pumping chamber 452 formed by fluid channels in Walls 454 with the valve chambers 442 and 444 fluidly connected is. According to the embodiment shown in Fig. 16 form the three membrane sections 12, 14 and 16th in turn, a membrane element 456. In this embodiment However, the membrane sections are by piezo stack actuators 460, 462 and 464 driven on the corresponding Membrane sections can be placed. To this end the piezo stack actuators are using appropriate Housing parts 470 and 472, in Fig. 16 away from the Pump body and the membrane element are shown used.

    Piezostapelaktoren sind vorteilhaft dahingehend, daß dieselben nicht fest mit dem Membranelement verbunden sein müssen, so daß dieselben einen modularen Aufbau ermöglichen. Bei solchen nicht fest verbundenen Piezostapelaktoren ziehen die Aktoren einen Membranabschnitt nicht aktiv zurück, wenn eine Betätigung desselben beendet wird. Vielmehr kann eine Rückbewegung des Membranabschnitts nur durch die Rückstellkraft der elastischen Membran selbst erfolgen.Piezostapelaktoren are advantageous in that the same not be firmly connected to the membrane element so that they allow a modular design. In such not fixedly connected piezo stack actuators the actuators do not actively retract a membrane section, when an operation of the same is terminated. Much more can a return movement of the membrane portion only by the Restoring force of the elastic membrane itself done.

    Die erfindungsgemäßen peristaltischen Mikropumpen können unter Verwendung verschiedenster Herstellungsmaterialien und Herstellungstechniken gefertigt werden. Der Pumpenkörper kann beispielsweise aus Silizium hergestellt werden, aus Kunststoff durch Spritzguß gefertigt werden oder feinwerktechnisch spanend hergestellt werden. Das Membranelement, das die Antriebsmembrane für die beiden Ventile und die Pumpkammer bildet, kann aus Silizium hergestellt werden, kann durch eine Metallfolie, beispielsweise Edelstahl oder Titan, gebildet sein, kann durch eine in Zweikomponenten-Spritzgußtechnik gefertigte mit leitfähigen Beschichtugnen versehene Kunststoffmembran gebildet sein, oder kann durch eine Elastomermembran realisiert sein.The peristaltic micropumps according to the invention can using a variety of manufacturing materials and manufacturing techniques are manufactured. The pump body can be made of silicon, for example, made of plastic by injection molding or precision engineering produced by machining. The membrane element, the drive diaphragm for the two valves and forms the pumping chamber can be made of silicon, Can through a metal foil, such as stainless steel or titanium, may be formed by a two-component injection molding technique manufactured with conductive coatings provided plastic membrane may be formed, or may be realized by an elastomeric membrane.

    Die Verbindung von Membranelement und Pumpenkörper ist ein wichtiger Punkt da an dieser Verbindung im Betrieb der Peristaltikpumpe hohe Scherkräfte auftreten können. An diese Verbindung sind folgende Anforderungen zu stellen:

    • dicht;
    • dünne Fügeschicht (< 10 µm), da die Pumpkammerhöhe ein kritischer Designparameter ist, der das Totvolumen beeinflußt;
    • mechanische Beständigkeit; und
    • chemisch beständig gegen zu fördernde Medien.
    The connection between the membrane element and the pump body is an important point since high shear forces can occur at this connection during operation of the peristaltic pump. The following requirements apply to this connection:
    • thick;
    • thin bonding layer (<10 μm), since the pump chamber height is a critical design parameter that affects the dead volume;
    • mechanical resistance; and
    • chemically resistant to media to be conveyed.

    Im Falle von Silizium als Grundstruktur und Membranelement kann ein fügeschichtloses Silicon Fusion Bonding erfolgen. Im Falle einer Silizium-Glaskombination kann vorzugsweise ein anodisches Bonden verwendet werden. Weitere Möglichkeiten sind ein eutektisches Waferbonden oder ein Waferkleben.In the case of silicon as a basic structure and membrane element A non-silicone Silicon Fusion Bonding can be used. In the case of a silicon-glass combination may preferably Anodic bonding can be used. More options are a eutectic wafer bonding or a wafer life.

    Falls die Grundstruktur aus Kunststoff besteht und das Membranelement eine Metallfolie ist, kann ein Laminieren durchgeführt werden, wenn ein Haftvermittler zwischen Membranelement und Grundstruktur verwendet wird. Alternativ kann ein Kleben mit einem Klebstoff hoher Scherfestigkeit erfolgen, wobei dann in der Grundstruktur vorzugsweise Kapillarstopgräben gebildet werden, um ein Eindringen von Kleber in die Fluidstruktur zu vermeiden.If the basic structure is made of plastic and the Membrane element is a metal foil, can be a lamination be performed when a bonding agent between membrane element and basic structure is used. alternative may be gluing with a high shear adhesive take place, in which case in the basic structure preferably Kapillarstopgräben be formed to prevent penetration To avoid adhesive in the fluid structure.

    Falls sowohl Membranelement als auch Pumpenkörper aus Kunststoff bestehen, kann zur Verbindung derselben ein Ultraschallschweißen verwendet werden. Falls eine der beiden Strukturen optisch transparent ist, kann alternativ ein Laserschweißen erfolgen. Im Falle einer Elastomermembran können die Dichtungseigenschaften der Membran ferner dazu verwendet werden, eine Abdichtung durch Klemmung zu gewährleisten.If both membrane element and pump body off Plastic can be used to connect the same ultrasonic welding be used. If one of the two Structures is optically transparent, can alternatively laser welding respectively. In the case of an elastomeric membrane can the sealing properties of the membrane are also used be to ensure a seal by clamping.

    Im folgenden wird kurz erläutert, wie eine mögliche Befestigung der Membran an dem Pumpenkörper bei einer erfindungsgemäßen Mikroperistaltikpumpe erfolgen kann. Wird bei der erfindungsgemäßen Mikropumpe die Membran an den Pumpenkörper geklebt, so ist zu beachten, daß die Dosierung von Fügeschichtmaterialien (z.B. Klebstoff) kritisch ist, da einerseits die Membran rundum dicht sein muß (also ausreichend Klebstoff aufgebracht werden muß), und andererseits ein Eindringen von überschüssigem Klebstoff in die Fluidkammern vermieden werden muß.The following briefly explains how a possible attachment the membrane on the pump body in an inventive Microperistaltic pump can be done. Is at the micropump according to the invention, the membrane to the pump body glued, it should be noted that the dosage of Fügeschichtmaterialien (such as adhesive) is critical because on the one hand, the membrane must be completely tight (that is, sufficient Adhesive must be applied), and on the other hand penetration of excess adhesive into the fluid chambers must be avoided.

    Das Fügeschichtmaterial, das ein Klebstoff oder ein Haftmittel sein kann, wird z.B. durch Dispensieren oder durch einen entsprechend geformten Stempel auf die Fügeschicht aufgebracht. Nach dem Auftrag des Fügeschichtmaterials wird die Membran auf den Grundkörper bestückt. Mögliche Grate, die z.B. beim Vereinzeln am Rand der Membran sein können, finden in einer entsprechenden Aufnahme für den Grat Platz, so daß eine definierte Lage der Membran vor allem in der Richtung senkrecht zur Oberfläche derselben sichergestellt ist, was bezüglich des Totvolumens und der Dichtheit wichtig ist.The bonding layer material that is an adhesive or an adhesive may be e.g. by dispensing or by a correspondingly shaped stamp on the joining layer applied. After the order of the joining material is the membrane fitted to the base body. Possible burrs, the e.g. when singulating at the edge of the membrane, find a place for the ridge, so that a defined position of the membrane especially in the Direction perpendicular to the surface of the same ensured is what matters in terms of dead volume and tightness is.

    Danach wird mit einem Stempel auf den Pumpenkörper gedrückt, damit die Klebeschicht möglichst dünn und definiert bleibt. Um überschüssigen Kleber aufzunehmen, kann ein Kapillarstopgraben vorgesehen sein, der die in dem Pumpenkörper gebildeten Fluidbereiche umgibt. Somit kann solcher überschüssiger Kleber nicht in die Fluidkammern gelangen. Unter diesen Bedingungen kann der Klebstoff definiert und dünn aushärten. Das Aushärten kann bei Raumtemperatur erfolgen oder beschleunigt im Ofen oder durch UV-Bestrahlung bei Verwendung von UV-härtenden Klebstoffen.Then it is pressed with a stamp on the pump body, so that the adhesive layer is as thin and defined remains. To take up excess adhesive, a capillary stop trench may be used be provided, which in the pump body surrounds formed fluid areas. Thus, such excess Glue does not get into the fluid chambers. Under these conditions, the adhesive can be defined and cure thinly. The curing can be carried out at room temperature or accelerated in the oven or by UV irradiation when using UV-curing adhesives.

    Alternativ zu der beschriebenen Klebetechnik kann als Verbindungstechnik ein Anlösen des Grundkörpers bzw. Pumpenkörpers durch geeignete Lösemittel und ein Fügen einer Kunststoffmembran an den Grundkörper erfolgen.As an alternative to the adhesive technique described can be used as a connection technique a solving of the main body or pump body by suitable solvents and a joining of a Plastic membrane to the main body done.

    Claims (18)

    1. Peristaltic micropump comprising:
      a first membrane region (12) with a first piezo-actor (22; 460) for actuating the first membrane region;
      a second membrane region (14) with a second piezo-actor (24; 462) for actuating the second membrane region;
      a third membrane region (16) with a third piezo-actor (26; 464) for actuating the third membrane region; and
      a pump body (30; 302; 340; 440),
      wherein the pump body forms, together with the first membrane region (12), a first valve (62) whose passage opening (32) is open in the non-actuated state of the first membrane region and whose passage opening may be closed by actuating the first membrane region,
      wherein the pump body forms, together with the second membrane region (14), a pumping chamber (42; 304; 330; 342; 452) whose volume may be decreased by actuating the second membrane region, and
      wherein the pump body forms, together with the third membrane region (16), a second valve (64) whose passage opening (34) is open in the non-actuated state of the third membrane region and whose passage opening may be closed by actuating the third membrane region,
      wherein the first and second valves (62, 64) are fluidically connected to the pumping chamber.
    2. Peristaltic micropump of claim 1, wherein between a stroke volume ΔV a dead volume V0, a delivery pressure PF, and the atmospheric pressure P0 the following relationship applies: ΔV/V0 > PF/P0, wherein the stroke volume ΔV is a volume displaced by an actuation of the second membrane region (14),
      wherein the dead volume V0 is a volume present between the opened passage opening (32; 34) of one of the valves (62, 64) and the closed passage opening (32, 34) of the other of the valves (62, 64) in the actuated state of the second membrane region (14), and
      wherein the delivery pressure pF is the pressure necessary in the pumping chamber (42; 304; 330; 342; 452) to move a liquid/gas interface past a bottleneck in the peristaltic micropump.
    3. Peristaltic micropump of claim 1 or 2, wherein between the first membrane region (12) and the pump body (302; 340; 440) a first valve chamber (308; 360; 442) is formed, and wherein between the third membrane region (16) and the pump body (302; 340; 440) a second valve chamber (310; 362; 444) is formed, wherein the valve chambers are fluidically connected to the pumping chamber (42; 304; 330; 342; 452).
    4. Peristaltic micropump of claim 3, wherein the volume of the pumping chamber (304) is greater than the volume of the first or second valve chamber (308, 310).
    5. Peristaltic micropump of claim 4, wherein a distance between membrane surface and pump body surface in the region of the pumping chamber (304) is greater than in the region of the valve chamber (308, 310).
    6. Peristaltic micropump of claim 4 or 5, wherein the second membrane region (14) and the pumping chamber are greater in area than the first or third membrane region (12, 16) and the associated valve chambers.
    7. Peristaltic micropump of one of claims 3 to 6, wherein the membrane regions (12, 14, 16) are formed in a membrane element (10; 300; 380; 456), wherein the valve chamber (308, 310; 360, 362; 442, 444), the pumping chamber (42; 304; 330; 342; 452), and fluid channels (306; 344) are formed between the valve chambers and the pumping chamber by structures in the pump body and/or the membrane element.
    8. Peristaltic micropump of one of claims 1 to 7, wherein the pumping chamber (330; 342) has a structure in the pump body (340), wherein the contour of the structure is adapted to the arched contour of the second membrane section (14) in the actuated state.
    9. Peristaltic micropump of one of claims 3 to 7, wherein the pumping chamber (342) and the valve chambers (360, 362) have structures in the pump body (340), wherein the contours of the structures are adapted to the respective arched contour of the corresponding membrane section (12, 14, 16) in the actuated state.
    10. Peristaltic micropump of one of claims 1 to 9, wherein the first and the third membrane region (12, 16) and the piezo-actors (22, 26; 460, 464) thereof are designed such that they push on a counter-element (390; 390a) with a predetermined force in the actuated state to close the respective valve.
    11. Peristaltic micropump of claim 9, comprising lateral fluid feed lines (344a, 344b) to the valve chambers (360, 362) formed in the pump body (340), which are closed by actuating the corresponding membrane section.
    12. Peristaltic micropump of claim 11, wherein, in the region of a valve chamber (360, 362), a ridge (390; 390a) is provided against which the corresponding actuated membrane section abuts to close the corresponding lateral fluid line.
    13. Peristaltic micropump of claim 11, wherein the valve chambers comprise, opposite the corresponding membrane section, a plastically deformable material against which the corresponding membrane section abuts in the actuated state.
    14. Peristaltic micropump of one of claims 1 to 13, further comprising at least one further membrane region with a further piezo-actor for actuating the further membrane region, the further membrane region forming, together with the pump body, a further valve whose passage opening is open in the non-actuated state of the further membrane region and whose passage opening may be closed by actuating the further membrane region, the further valve being fluidically connected to the pumping chamber.
    15. Peristaltic micropump of one of claims 1 to 14, wherein the piezo-actors are piezo-membrane converters formed by respective piezo-elements applied onto a membrane region.
    16. Peristaltic micropump of claim 15, wherein the piezo-elements are glued onto the respective membrane region or formed on the respective membrane region in thick film technique.
    17. Peristaltic micropump of one of claims 1 to 14, wherein the piezo-actors are formed by respective piezo-stacks.
    18. Fluid system with a plurality of peristaltic micropumps of one of claims 1 to 17 and a plurality of reservoirs fluidically connected to the peristaltic micropumps.
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