NO173755B

NO173755B - Forbedret miniatyrpumpe

Info

Publication number: NO173755B
Application number: NO91910192A
Authority: NO
Inventors: Harald T G Van Lintel
Original assignee: Westonbridge Int Ltd
Priority date: 1989-06-14
Filing date: 1991-01-17
Publication date: 1993-10-18
Also published as: KR920701670A; NO910192D0; EP0429591A1; WO1990015929A1; ATE110142T1; NO173755C; CA2033181C; NO910192L; DE69011631T2; AU5720790A; DE69011631D1; AU633104B2; ES2061042T3; EP0429591B1; CA2033181A1; JPH04501449A; US5224843A

Description

Denne oppfinnelse angår miniatyrpumper av den type hvor i det minste en del av pumpemekanismen er utført ved ut-maskinering av en silisiumplate ved hjelp av fotolitografisk teknikk.

Slike pumper kan f.eks. være tiltenkt tilførsel av medikamenter in situ, idet miniatyriseringen av pumpen tillater at en pasient kan bære den på seg, eventuelt kan en slik pumpe, ofte også benevnt mikropumpe, direkte implanteres i pasienten. Forøvrig gir slike pumper anledning til en meget presis dosering av små kvanta fluid for injeksjon.

I en artikkel "A piezoelectric micropump based on micromachining of silicon" i tidsskriftet "Sensors and Actua-tors" nr. 15 (1988), s. 153-167 av H. van Lintel et al. er det beskrevet to utførelsesformer av en miniatyrpumpe hvor hver har en lagvis oppdeling med tre plater, dvs. en silisiumplate som er plassert mellom to glassplater.

Silisiumplaten avgrenser et pumpekammer sammen med en av glassplatene hvis parti som ligger inn mot pumpekammeret kan deformeres ved hjelp av et drivelement som f.eks. kan være et piezoelektrisk krystall. Dette har da elektroder som påtrykt en vekselspenning bevirker deformasjon av krystallet og med dette glassplaten som så på sin side endrer pumpekammerets volum.

Hver av pumpekammerets to motsatte sider står i forbindelse med en ti lb ake sl ags vent il som er maskinert ut i silisiumplaten og hvis ventilsete dannes av den tilstøtende glassplate.

En analyse av virkemåten for pumpen ifølge den første utførelsesform (fig. la) beskrevet i artikkelen nevnt ovenfor viser at pumpen gir en fluidstrøm som er sterkt avhengig av mottrykket ved utløpet over hele funksjonsomfanget. Faktisk har man konstatert at pumpekarakteristikken nærmer seg en strømnings-pumpes, nemlig ved at forholdet mellom leveringsmengde per tidsenhet og mottrykk er tilnærmet lineært avtakende og slik at kapasiteten blir mindre desto større trykk pumpen må arbeide mot.

Med andre ord vil en slik pumpe være uanvendbar for medisinske formål av den art som er omtalt ovenfor og hvor tvert imot pumpekapasiteten bør være uavhengig av trykket slik tilfellet er hos en ideell volumpumpe, i det minste innenfor det normale funksjonsomfang for pumpen.

Det er av denne grunn forfatterne av den nevnte artikkel (den andre utførelsesform, vist på fig. lb) foreslår at det i tillegg innføres en reguleringsventil som settes inn mellom den andre tilbakeslagsventil som fører inn til pumpekammeret, og pumpens utløp. Denne reguleringsventil isolerer da pumpen fra utløpet når den er lukket.

Siden reguleringsventilen førøvrig er noe forspent mot sin lukkestilling kan ikke utløpstrykket åpne ventilen før det overstiger en viss verdi. På denne måte oppnås innenfor det aktuelle funksjonsområde for pumpen en tilsynelatende uavhengighet mellom leveringsmengden og utløpsmottrykket, dvs. så lenge reguleringsventilen ikke holdes åpen av dette mottrykk.

Man kan altså på denne måte og ifølge den andre utførelsesform oppnå en gunstigere pumpekarakteristikk, men man må likevel være klar over at en pumpe som er utført på denne måte lider av flere ulemper: Reguleringsventilen øker omfanget av pumpen, siden den må ligge innesluttet i silisiumplaten og følgelig opptar et ytterligere overflateareal. Den øker også prisen på pumpen.

Videre økes pumpens kompleksitet og følgelig faren for feilfunksjonering eller feil under fremstillingen.

Et viktig prinsipp som ikke ivaretas av denne kjente pumpe er at et overtrykk på innsiden av pumpens utløpskanal bevirker at pumpens utløpsventiler åpnes.

En annen type pumpe er vist og beskrevet i FR 2 127 774, denne pumpe er en hånddrevet plastpumpe beregnet for å settes øverst på en flaske og suge ut en del av luften i denne. Ifølge patentskriftets fig. 10 - 13 har pumpen en elektrisk membran som er omsluttet tett av en injisert plastmasse, et pumpekammer, en innløpsventil og en utløpsventil. En utløpskanal kommer ut ved overflaten av membranen på forsiden av et sekundært kammer som står i forbindelse med pumpens egentlige pumpekammer. Følgelig vil utløpskanalen og det sekundære kammer ligge på samme side av pumpens membran. På motsatt side av membranen dannes et hulrom som står i forbindelse med romluften, og trykket i dette hulrom vil følgelig være tilnærmet det samme som trykket av romluften og i utløpskanalen. Hulrommet har en overflate som er mye større enn tverrsnittet av utløpskanalen, og følgelig vil en trykkøkning i dette område søke å holde utløpsventilen lukket. Heller ikke denne pumpekonstruksjon kan levere en konstant fluidstrøm, og prinsippet med at et overtrykk på innsiden av ut-løpskanalen søker å åpne en eller flere utløpsventiler, ivaretas ikke, i motsetning til det som søkes oppnådd med den foreliggende oppfinnelse som altså har som formål å skaffe tilveie en miniatyrpumpe av den type som fremgår av innledningen av det etterfølgende patentkrav 1.

Oppfinnelsens miniatyrpumpe er, slik det fremgår av karakteristikken i dette krav, kjennetegnet ved at pumpens utløp står i direkte forbindelse med et hulrom som er forbundet med pumpekammeret via den andre ventil og er anordnet på samme side av denne ventil som en kanal eller åpning som forbinder ventilen med pumpekammeret, slik at en trykkøkning i både pumpekammeret og utløpskanalen søker å. åpne ventilen, og at denne andre ventil står i åpen forbindelse med den første ventil via pumpekammeret, hvorved dette under pumpens utløpssyklus direkte forbindes med utløpet via den andre ventil i dennes åpne stilling.

Takket være disse trekk sørger den andre ventil ikke bare for en regulering av pumpens leverte fluidmengde slik at denne tilnærmet blir uavhengig av mottrykket ved pumpens utløp og over hele dennes funksjonsområde, men videre virker ventilen som et lukke for forsegling av pumpekammeret under pumpens sugefase.

Ytterligere karakteristiske trekk ved og fordeler med oppfinnelsen vil fremgå av den nå følgende beskrivelse av flere utførelsesformer av oppfinnelsens miniatyrpumpe, idet det skal vises til de ledsagende tegninger, hvor fig. 1 viser et skjema-tisk snitt gjennom en slik miniatyrpumpe ifølge oppfinnelsen, fig. 2 viser den første eller mellomliggende plate i den

pumpe som er vist på fig. 1, fig. 3 viser undersiden av den mellomliggende plate i en miniatyrpumpe ifølge oppfinnelsen

og utført litt annerledes, idet platen betraktes fra det snitt-plan som er vist med III-III på fig. 4, fig. 4 og 5 viser snitt

ifølge linjene IV-IV og V-V på fig. 3, fig. 6 viser et snitt gjennom en miniatyrpumpe ifølge en tredje utførelsesform av oppfinnelsen, fig. 7 viser undersiden av den mellomliggende plate i den pumpe som er vist på fig. 6, idet snittplanet er indikert med VII-VII på fig. 6, fig. 8 viser undersiden av den mellomliggende plate i den pumpe som er vist på fig. 6, idet snittplanet er angitt med VII-VII på fig. 6, fig. 8 viser undersiden av den mellomliggende plate i en miniatyrpumpe ifølge en fjerde utførelsesform av oppfinnelsen, fig. 9 og 10 viser snitt som henholdsvis er angitt med IX-IX og X-X på

fig. 8, fig. 11 viser et utsnitt av en femte utførelsesform av oppfinnelsens pumpe, fig. 12 viser et utsnitt fra oversiden

av den del av en miniatyrpumpe som er vist på fig. 11, og fig. 13 viser en grafisk fremstilling av sammenhengen mellom leveringsmengde per tidsenhet eller kapasitet og trykkforskjellen mellom utløp og innløp for en miniatyrpumpe konstruert ifølge oppfinnelsen, og i dette spesielle tilfelle er innløps-trykket det samme som atmosfæretrykket.

Det henvises først til fig. 1 og 2 som viser en første utførelsesform av oppfinnelsens miniatyrpumpe.

Det skal bemerkes at for oversiktens skyld er tykkelsen

av de plater som miniatyrpumpen er bygget opp av vist sterkt overdrevne. '

Mikropumpen som er vist på fig. 1 og 2 har en basisplate 1 som i denne sammenheng skal kalles pumpens andre plate og som f.eks. er utført av glass. Gjennom basisplaten er ført to kanaler 2, 3 som henholdsvis danner pumpens sugekanal eller innløp 2 og leveringskanal eller utløp 3. Kanalene 2 og 3 står i forbindelse med respektive tilkoblingsstykker 4 hhv. 5 for innløpet og utløpet.

Tilkoblingsstykket 4 for innløpet er forbundet med et

rør 6 som på motsatt side står i forbindelse med et reservoar 7 i hvilket det medium i væskeform som skal pumpes med pumpen befinner seg. Reservoaret er lukket av et gjennomboret lokk,

og et bevegelig stempel 9 avgrenser reservoarets 7 nytte-

volum mot omgivelsene. Reservoaret kan f.eks. inneholde et medikament i det tilfelle hvor pumpen skal anvendes for in-

jeksjon av et slikt medikament i et menneskelig legeme og med en nøyaktig tilmålt dosering. Ved en slik anvendelse kan miniatyrpumpen bæres på en pasients kropp eller implanteres.

Tilkoblingsstykket 5 for utløpet kan være forbundet med en injeksjonsnål (her ikke vist) via et rør 10.

Anvendelse på denne måte av miniatyrpumpen ifølge oppfinnelsen gjør den særlig egnet for behandling ved hjelp av pep-tider av visse kreftformer som vil kunne helbredes ved fortrinnsvis å forordne en meget nøyaktig dosert tilførsel av medikament, gjentatt regelmessig med små medikamentkvanta tilført hver gang. En annen anvendelse kan være behandling av diabetikere som periodisk bør ha små medikamentdoser mange ganger i løpet av døgnet, og selve doseringen av medikamentet kan da være bestemt f.eks. av i og for seg kjente diagnose-metoder eller analyser, f.eks. ved å måle blodsukkerinnholdet og automatisk styre pumpen i henhold til dette slik at en passende porsjon insulin injiseres ved bestemte tidspunkter.

En plate 11 som her skal kalles den første eller mellomliggende plate er f.eks. utført av silisium eller et annet materiale som kan "maskineres" eller etses ut ved hjelp av fotolitografisk teknikk, og ligger an mot basisplaten 1. Den første plate av silisium har på oversiden eller på den side som vender fra basisplaten en tredje plate 12 som kan kalles topplate og som er så tynn at den kan deformeres av et utenpåliggende styreelement 13. I den utførelsesform av oppfinnelsen som her skal beskrives er styreelementet en brikke eller plate av piezoelektrisk materiale og forsynt med elektroder 13a og 13b. Elektrodene er tilkoblet en vekselspen-ningsgenerator 14, og den piezoelektriske plate kan være av typen PXE-52 (fabr. Philips) og danner et svingeelement som kan være klebet fast på yttersiden av den tredje plate, topp-platen 12, ved hjelp av et eller annet passende klebemiddel eller på en eller annen tilsvarende måte.

F.eks. kan den første plate 11 av silisium ha en krystallorientering angitt som <100> for å ligge til rette for gravering og ha den nødvendige styrke. Platene 1 og 12 har fortrinnsvis en høyglanspolert overflate.

Platene 11 og 12 danner mellom seg først of fremst et pumpekammer 15 (se også fig. 2) med f.eks. sirkulær form, og pumpekammeret er da fortrinnsvis anordnet på undersiden av et område av topplaten 12 hvor denne er deformerbar av styreelementet 13. Mellom innløpet 2 og pumpekammeret 15 finnes en første tilbakeslagsventil 16 utmaskinert i den mellomliggende første plate 11 av silisium. Tilbakeslagsventilen ligger på undersiden av pumpekammeret og har en membran 16a med hovedsakelig sirkulær form og som er gjennomhullet i sentrum slik at det dannes en dyseåpning 16b. I den viste utførelsesf orm er dyseåpningen kvadratisk. På siden av innløpet 2 har tilbakeslagsventilen 16 en rygg 16c med ringform og med tilnærmet triangulært tverrsnitt. Ryggen 16c omslutter dyseåpningen 16b og er belagt med et tynt oksidsjikt 17 som gjerne også er pålagt ved hjelp av fotolitoteknikk. Oksidsjiktet gir en viss overtykkelse som gir den mellomliggende membran 16a en viss forspenning når toppen av ryggen 16c presses mot basisplaten 1 av glass, idet denne også danner ventilens 16 ventilsete.

Pumpens utløp 3 står i forbindelse med pumpekammeret

15 via en andre ventil 18 som også er en tilbakeslagsventil og er tilsvarende bygget opp som tilbakeslagsventilen 16 med unntak av oksidsjiktet 17, idet dettes tykkelse kan være noe forskjel-

lig på ventilen 18, hvorved forspenningen som gjelder for denne ventil også kan være noe forskjellig fra det som gjelder for ventilen 16. Videre fremgår det av fig. 1 at ventilen- 18 ikke har noen sentral dyseåpning slik som dyseåpnin-

gen 16b i ventilen 16.

Man skal merke seg at pumpekammeret står i forbindelse med den andre ventil 18 via en åpning 19 og en kanal 20, begge "maskinert" ut i silisiumplaten 11.

Den andre ventil 18 har sin membran 18a delvis og en ringvulst 18c helt belagt med et oksidsjikt 17 slik at det på oversiden av utløpet 3 avgrenses et volum 18d med utløpstryk-ket. Oksidsjiktet for membranen 18a gir skjærkraftvirkninger i denne slik at membranen får tendens til å bue utover konvekst, idet oksidsjiktet ligger på membranens konvekse side. Dette gir en ytterligere forspenning av tilbakeslagsventilen mot dennes lukke-retning (dvs. i samme retning som den bevegelsesretning som gir lukking av den), sett i forhold til den forspenning som dannes av oksidsjiktet på ringvulsten 18c. Når ventilen 18 er åpen står volumet•18d i direkte forbindelse med den første ventil 16 som da tjener som sugeventil, tvers over pumperom-kammeret 15, med det resultat at det fluid eller den væske som skal leveres av pumpen under dennes pumpeslag får minimal strømningsmotstand. Når derimot ventilen 18 er lukket virker ikke utløpstrykket på annet enn en liten flate av membranen 18a, sammenlignet med den betydelig større flate som pumpe-trykket virker på i pumpekammeret. Dette har en regulerings-virkningpå pumpekapasiteten, slik at denne blir praktisk talt uavhengig av utløpsmottrykket (se fig. 13), og denne virkning kommer hovedsakelig istand på grunn av den forspenning som oksidsjiktet 17 gir.

For å gi et konkret eksempel kan f.eks. platetykkel-sene for platene 1, 11 og 12 være hhv. ca. 1 mm, ca. 0,3 mm og ca. 0,2 mm, og dette gjelder da for plateoverflater i om-rådet 15 - 20 mm (diameter).

Forøvrig kan platene være festet til hverandre på forskjellig kjent måte, såsom ved klebing eller ved hjelp av den teknikk som er kjent under benevnelsen anodisk sveising.

Fig. 3-5 viser en andre utførelsesform av oppfinnelsens miniatyrpumpe, og pumpen er i dette tilfelle hovedsakelig av samme konstruksjon som den pumpe som er vist på fig. 1 og 2. Identiske elementer har derfor samme henvisnings-tall. Imidlertid skiller pumpen seg ved at det

ringformede kammer 16e (fig. 4) som omslutter den ringformede rygg 16c i suge- eller sperreventilen 16 ikke bare er forbundet med innløpskanalen 2, men også med et kompensasjonskammer 21 i den første plate 11 på oversiden av ventilen 18, og kammeret 16e lukkes av topplaten 12, idet denne i det viste ut-førelseseksempel dekker hele oversiden av pumpen. Forbindel-sene er utført som en forbindelseskanal 22 "maskinert" ut i silisiummaterialet i den første plate og danner tre grener 22a, 22b og 22c anordnet ved lengdeutstrekning normalt på platens 11 hovedplan. Det fremgår at grenen 22c i denne kanal ikke befinner seg i samme høyde som de to øvrige grener 22a og 22b. Grenene 22b og 22c står imidlertid i forbindelse med hverandre via en forbindelsesåpning 23 i den mellomliggende

første plate 11- Forøvrig står grenen 22c (fig. 5) i forbindelse med innløpet 2 via en forbindelsesåpning 24 som forbinder denne gren med et mindre hulrom 25 i den første plate 11 av silisium rett over innløpet 2.

Forbindelseskanalen 22 er innrettet for å gi en for-bindelsesvei mellom pumpens innløp 2 og det kompensasjonskammer 21 som er anordnet på oversiden av membranen 18e i til-førsels- eller sperreventilen 18 slik at denne lukkes hvis

det etableres et overtrykk ved pumpens innløp. En slik mekanisme virker altså som en sikkerhetsforanstaltning mot overtrykk på innløpssiden.

Fig. 6 og 7 som det nå skal refereres til viser en tredje utførelsesform av oppfinnelsens miniatyrpumpe. Beskrivelsen hittil gjelder fortsatt, men en forskjell er nå at pumpekammeret 15 er anordnet asymmetrisk i forhold til tilbakeslagsventilen ved innløp og utløp.

Denne pumpeutførelse er også følgelig bygget opp med tre plater, dvs. en basisplate 26 f.eks. av glass, en mellomliggende første plate 27 av f.eks. silisium eller et annet hensiktsmessig materiale, og en topplate 28 av f.eks. glass og som er deformerbar, anordnet i et område på oversiden (dvs. rett utenfor) pumpekammeret 15, slik at topplaten kan settes i svingninger av et piezoelektrisk krystall 29 eller et annet passende svinge- eller styreelement.

Pumpekammeret 15 avgrenses av den første plate 27 og topplaten 28, idet disse to plater sammen danner et mellomliggende innløpskammer 30 (bare synlig på fig. 6) som en inn-løpsåpning 30a gjennom topplaten 28 munner ut i.

Innløpskammeret 30 står i forbindelse med en kanal

31 (som bare er vist på fig. 7) i den øvre del av den første plate 27, og denne kanal 31 står i forbindelse med en andre kanal 32 gjennom platen 27 og på basisplatesiden. Kanalen 32 munner ut i et ringrom 33 i en innløpsventil 34 hvis konstruksjon er identisk med den for tilbakeslagsventilen 16 tidligere beskrevet. Innløpsventilen har forbindelse med pumpekammeret 15 via en sentral åpning 35.

Pumpekammeret 15 står på tilsvarende måte i forbindelse med en utløpsventil 36 via en åpning 37 og en kanal 38, idet åpningen og kanalen begge er ført gjennom/i platen 27. Forøvrig er ventilen 36, tiltenkt å lukke en utløpsåpning 36a (fig. 6) , konstruert på samme måte som utløps- eller tilbakeslagsventilen med tilsvarende funksjon i de tidligere gjennomgåtte utførelsesformer, med unntak av at ventilen 36 har et boss 39 ved membranen og motsatt den vulstformede del som sørger for lukkingen av ventilen. Bosset 39 befinner seg i sentrum av membranen og er innrettet for å begrense bevegelsesamplituden av denne ved at det tilveiebringes et anslag mot platen 28 dersom utløpstrykket overskrider en forhåndsbestemt grense-verdi ansett som den maksimalt tillatte.

I den utførelse som nå er beskrevet munner altså inn-løpsåpningen 30a ut i det tilhørende innløpskammer 30 som på sin side befinner seg rett utenfor eller ovenfor utløpsven-tilen 36 og gjør tjeneste som et kompensasjonskammer slik som kammeret 21 i den sist beskrevne utførelsesform. På samme måte som denne er altså også konstruksjonsvarianten sikret overfor overtrykk.

Det skal nå vises til fig. 8-10 som viser en fjerde utførelsesform av oppfinnelsens miniatyrpumpe.

I dette tilfelle omfatter miniatyrpumpen også tre plater 40, 41 og 42. Platen 40 er f.eks. utført av glass og har en utløpskanal 43. Platen 41 er utført i silisium eller et annet passende materiale som ligger til rette for fotolito-prosess ved utformingen, slik at det kan utarbeides et pumpekammer 44, en sugeventil 45 på innløpssiden og en utløpsventil 46, hvilke står i direkte forbindelse med pumpekammeret 44 via kanaler 47 hhv. 48.

I den nå beskrevne utførelsesform er et styreelement såsom et piezoelektrisk krystall 49 anordnet direkte på platen 41 av silisium og i det område som tilsvarer pumpekammeret 44 for å kunne gi pumpevirkning ved at platen 41 blir deformert som følge av virkningen av krystallet 49, slik at pumpekammerets volum endres i takt med energipåtrykket. Det er videre ønskelig å anordne et tynt oksidsjikt 4 9 av silisiumoksid mellom platen 41 og krystallet 49 for å isolere den nærmeste elektrode på krystallet i forhold til platen 41.

Platen 42 dekker ikke mer enn delvis platen~41 og

har en sugeåpning 50 som danner pumpens innløp og munner ut i et ringformet kompensasjonskammer 51 på utløpsventilens 46 innsugsside. Det fremgår av figurene at

denne ventil har et boss 52 som gjør det mulig å begrense ventilens membranutsving, ved at bosset kommer til å ligge an mot den nedre eller indre overflate på platen 42 i tilfeller hvor ventilens utløpstrykk blir eksessivt.

Man merker seg videre at plasseringen av sugeventilen 45 for innløpet og utløpsventilen 46 er anordnet motsatt i denne utførelsesform, idet den første ventil har sitt ventilsete ut-ført i platen 42, mens ventilsetet i ventilen 46 som i de tidligere beskrevne utførelsesformer er utført i basisplaten, dvs. platen 40. En slik variant-utførelse har imidlertid ingen spesiell innflytelse på den funksjonsmessige anvendelse av pumpen.

På fig. 11 er vist en alternativ utførelsesform av

en slik miniatyrpumpe, også ifølge oppfinnelsen, idet det på

oversiden eller yttersiden av utløpsventilen 53 er anordnet et kammer 54 lukket av et tilkoblingsstykke 55 av plastmateriale og f.eks. klebet fast til den mellomliggende plate 5 6 av silisium. På denne måte blir kammeret 54 som står i fluidforbindelse med pumpens innløp helt isolert fra dennes om-givelser. Konstruksjonen har fordelen av å unngå en særlig anordnet lukke- eller topplate.

Såvel som i pumpen vist på fig. 8-10 (kanal 57)

som i den vist på fig. 11 (kammer 54) er utløpsventilene forbundet med pumpeinnløpet på en slik måte at det i samtlige utførelsesformer er sørget for en sikkerhet overfor overtrykk.

Virkemåten for en slik miniatyrpumpe ifølge oppfinnelsen skal nå gjennomgås, og særlig skal det da vises til den skjematiske oversikt i diagramform som fig. 13 viser, idet oversikten viser pumpens kapasitet eller væskeleveringsdyk-tighet (i mikroliter pr. minutt), som funksjon av det diffe-rensielle trykk over pumpen eller pumpemottrykket i utløps-kanalen, siden innløpstrykket kan regnes å være det samme som det atmosfæriske trykk utenfor pumpen.

Det skal bemerkes at virkemåten er den samme f samtlige av de utførelsesformer som er beskrevet her. Av praktiske grunner skal det da vises til den utførelsesform som er vist på fig. 1 og 2.

Når det ikke påtrykkes noen elektrisk spenning på det piézoelektriske styreelement 13 er både innløpsventilen 16 og utløpsventilen 18 lukket. Når så en elektrisk vekselspenning påtrykkes styreelementet 13 i form av et krystall med piezoelektrisk virkning vil dette deformeres periodisk og overføre sin dimensjonsendring til den innenforliggende topp-plate 12. I den fase av en syklus hvor styreelementet 13 eks-panderer i tverretningen presses topplaten 12 innover slik at trykket i pumpekammeret 15 øker, hvilket bevirker åpning av utløpsventilen 18 når kraftpåvirkningen på dennes membran som følge av trykket i pumpekammeret 15 overskrider forskjellen mellom den kraft som foreligger ved forspenningen av ventilen 18 og som bevirkes som følge av oksidsjiktet 17 av silisiumoksid, og den kraft som skyldes trykket i utløpet 3. Det fluid som inneholdes i pumpekammeret føres under denne ut mot utløpet 3 som følge av denne innoverrettede bevegelse av den deformerbare del av topplaten 12. Under denne fase holdes sperreventilen 16 for innløpet lukket av det trykk som foreligger i pumpekammeret 15. Fluidet strømmer altså ut uten å møte nevneverdig motstand ved at pumpekammeret 15 står i direkte fluidforbindelse med utløpet 3.

Hvis så den elektriske spenning fjernes vil styreelementet 13 på ny innta sin utgangsdimensjon, og hvis deretter den elektriske spenning får motsatt polaritet vil dimensjons-endringen være motsatt rettet, dette innebærer at trykket i pumpekammeret 15 reduseres, hvilket bevirker lukking av ut-løpsventilen 18 såsnart kraften som skyldes trykket i pumpekammeret 15 underskrider forskjellen mellom den kraft som tilveiebringes av forspenningen av ventilen og den kraft som skyldes trykket i utløpet 3. Åpningen av innløpsventilen 16 finner sted såsnart summen av kraften som skyldes trykket i pumpekammeret og den kraft som skyldes forspenningen av ventilen 16 blir lavere enn kraften som skyldes trykket i inn-løpet 2. Det suges altså opp fluid i pumpekammeret 15 via innløpet 2 som følge av forskyvning av den deformerbare del av topplaten 12.

Ved å velge st stort forhold mellom membrandiameteren for utløpsventilen 18 og ventilsetediameteren vil trykket i utløpet 3 i relativt liten grad påvirke trykket i pumpekammeret, hvilket trykk trengs for å åpne utløpsventilen. Som en følge av dette og ved å velge dette forhold fornuftig på samme måte som at den påtrykte vekselspennings frekvens velges passende, kan man oppnå at utløpsmottrykket bare gir minimal påvirkning av pumpens kapasitet. Man kan altså oppnå et kurveforløp for forholdet mellom kapasitet og utløpsmottrykk slik som på fig. 13, og den nederste kurve, kurve A, er på denne måte oppnådd med en miniatyrpumpe ifølge fig. 3 - 5 og med omtrent de dimensjoner som er angitt i beskrivelsen. Kapasiteten som funksjon av mottrykket var for denne pumpe praktisk talt konstant, nemlig ca. 30 mikroliter per minutt (det mest gunstige valg) ved en påtrykt vekselspenning på 2 Hz. Hvis man imdlertid øker frekvensen av den påtrykte spenning over det piezoelektriske krystall til 5 Hz økes pumpekapasiteten til 64 pl/min., slik det er indikert med den øvre kurve, kurve B på fig. 13, og også da holdes kapasiteten noenlunde konstant innenfor hele trykkomfanget 0 - 70 cm H20, ved et passende valg av forspenning for utløpsventilen. Kurvene viser likeledes at kapasiteten holder seg noenlunde konstant selv for negative trykkdifferamser mellom utløpsmottrykket og innløps-eller omgivelses trykket (kurvedelene C og D). Disse deler av kurvene tilsvarer f.eks. det tilfelle hvor det foreligger et overtrykk ved pumpeinnløpet.

Ut fra det som er gjennomgått her innses at oppfinnelsens miniatyrpumpe, uansett hvilken utførelsesform man velger ut fra de som her er beskrevet, er kompakt, enkel, har liten strømningsmotstand og tillater svært nøyaktig bestemmelse av en bestemt kapasitet eller væskelevering per tidsenhet, idet denne vil være temmelig nær konstant over relativt store endringer i utløpsmottrykket eller trykkforskjellen over pumpen.

I alle de utførelsesformer som er vist og beskrevet her, med unntak av den som er illustrert på fig. 1 og 2, er pumpen konstruert for å ha innebygget sikkerhet overfor overtrykk på innløpet, ved at dette står i fluidforbindelse med et kammer som befinner seg på oversiden eller yttersiden av utløpsventilen. Som en følge av dette vil det foregå en tilbakekobling fra utløpet til innløpet dersom et overtrykk blir tilstrekkelig stort, ved at utløpskanalens forbindelse med pumpekammeret avstenges. Denne egenskap kan være viktig når det dreier seg om en pumpe som bæres av en pasient og som likeledes bærer et sammentrykkbart reservoar for fluid eller medikament. Hvis en sammenpressing skulle foregå utilsiktet (f.eks. ved at pasienten støter mot en gjenstand) vil overtrykket i pumpeinnløpet ikke gi årsak til noen som helst ekstra fluidlevering fra pumpeutløpet. Det er takket være forbindelsen mellom kompensasjonskammeret og pumpeinnløpet man oppnår at en trykkvariasjon på inngangen av pumpen innenfor dennes normale funksjonsområde ikke eller bare svært lite påvirker pumpeytelsen.

Det er å bemerke at fluidforbindelsen også kan utføres utvendig på pumpen, f.eks. kan pumpen vist på fig. 1 og 2 ha et rør som forbinder utløp med innløp.

Endelig viser fig. 1 at man i forbindelse med den mellomliggende plate av silisium kan tilkoble et funksjons-styreelement, f.eks. i form av en trykk/strekksensor (strekklapp) 11A hvis elektriske motstandsvariasjon da kan måles for å overvåke pumpens drift og eventuelt avsløre membranbrudd der hvor sensoren er montert. En eller flere slike styre- eller sensorelementer kan naturligvis plasseres på strategiske steder i samtlige av de utførelsesvarianter som her er vist og beskrevet.

Claims

1. Miniatyrpumpe med et pumpekammer (15, 44) og en første plate (11, 27, 41, 56) hvis materiale er egnet for maskinering ved hjelp av fotolitografisk teknikk og slik at det sammen med en andre plate (1, 26, 40) i form av en basisplate lagt flatt mot den første plate (11, 27, 41, 56) avgrenses ett eller flere hulrom (16e, 18d, 20, 22, 25, 33, 38, 47, 48) eller pumpekammeret (44), en første ventil (16, 34, 45) med sperre-virkning og som pumpekammeret (15, 44) selektivt kan stå i forbindelse via ved et innløp (2, 30, 50) for pumpen, og en andre ventil (18, 36, 46) av membrantypen gjennom hvilken pumpekammeret (15, 44) selektivt kan bringes i forbindelse med et utløp (3, 36a, 43) for pumpen, og hvor det er anordnet en mekanisme (13, 14, 29, 49) for å frembringe en periodisk variasjon av pumpekammerets (15, 44) volum, KARAKTERISERT VED at pumpens utløp (3, 36a. 43) står i direkte forbindelse med et hulrom (18d) som er forbundet med pumpekammeret (15, 44) via den andre ventil (18, 36, 46) og er anordnet på samme side av denne ventil som en kanal (19, 20; 48) eller. åpning(37) som forbinder ventilen med pumpekammeret (15, 44) > slik at en trykkøkning i både pumpekammeret (15, 44) og utløpskanalen (3, 36a, 43) søker å åpne ventilen, og at denne andre ventil (18, 36, 46) står i åpen forbindelse med den første ventil (16, 34, 45) via pumpekammeret (15, 44), hvorved dette under pumpens utløpssyklus direkte forbindes med utløpet (3, 36a, 43) via den andre ventil (18, 36, 46) i dennes åpne stilling.

2. Pumpe ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED en tredje plate (12, 28, 42, 55) som i det minste over en del av overflaten av den første plate (11, 27, 41, 56) tildekker denne og sammen med den avgrenser minst ett kammer (15, 21, 30, 51, 54) som omfatter pumpens aktive pumpekammer (15).

3. Pumpe ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at mekanismen for å frembringe periodisk variasjon av pumpekammerets volum omfatter et styreelement (13, 29) i form av et piezoelektrisk krystall, festet til den tredje plate (12, 28) i et område som tilsvarer pumpekammerets (15).

4. Pumpe ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at mekanismen omfatter et piezoelektrisk krystall (49), at pumpekammeret (44) er avgrenset av den første (41) og den andre plate (40), og at krystallet (49) er festet til den første plate (41) over et avdekket område av denne, tilsvarende pumpekammeret (44).

5. Pumpe ifølge ett av kravene 2-4, KARAKTERISERT VED at den tredje plate (55) er innrettet for å danne i det minste ett av de tilkoblingselementer som pumpen kan forbindes med en utvendig krets med (fig. 11).

6. Pumpe ifølge ett av kravene 1-5, KARAKTERISERT VED at et detektorelement såsom en trykk- eller strekksensor (lia) er festet på den første plate (11) for å tillate overvåking av pumpens funksjonering.

7. Pumpe ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at den første ventil (16, 34, 45). og/eller den andre ventil (18, 36, 46) har en respektive membran (16a, 18a) i planet for den tørste plate og i hvis sentrum det er anordnet en ringformet rygg (16d) eller ringvulst (18cs) hvis øvre kant er innrettet for å få anlegg mot en plate (1, 12, 26, 28, 40, 41) som danner et ventilsete i ventilen, og at i det minste denne rygg (16c) eller ringvulst (18c) er belagt med et oksidsjikt (17) som gir membranen en bestemt forspenning slik at ventilen normalt er lukket.

8. Pumpe ifølge krav 7, KARAKTERISERT VED at membranen (18a) i den andre ventil i det minste delvis er belagt med et sjikt av et materiale som i membranen bevirker skjærkrefter slik at det tilveiebringes en ytterligere forspenning av membranen.

9. Pumpe ifølge ett av kravene 7 eller 8, KARAKTERISERT VED at membranen (16al på den side som vender fra ryggen (16c) har et boss (39, fig. 6) som strekker seg mot en annen plate (28) i pumpen og er innrettet for å begrense utsvinget av membranen (16) i tilfeller hvor denne ut-settes for et overtrykk.

10. Pumpe ifølge ett av kravene 7-9, KARAKTERISERT VED at ryggen (16c) på membranen (16a) i ven-tilene er anordnet på motsatt liggende sider av membranen (ventil 45, 46, fig. 8, 9, 10).

11. Pumpe ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at innløpet (2, 30, 50) av pumpen står i forbindelse med et kompensasjonskammer (21, 30, 51, 54) anordnet på ytter- eller oversiden av den andre ventil (18, 36, 46) for å holde denne lukket under påvirkning av det trykk som foreligger ved' innløpet.