WO2012084707A1 - Micropump for generating a fluid flow, pump system, and microchannel system - Google Patents

Micropump for generating a fluid flow, pump system, and microchannel system Download PDF

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WO2012084707A1
WO2012084707A1 PCT/EP2011/073029 EP2011073029W WO2012084707A1 WO 2012084707 A1 WO2012084707 A1 WO 2012084707A1 EP 2011073029 W EP2011073029 W EP 2011073029W WO 2012084707 A1 WO2012084707 A1 WO 2012084707A1
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fluid
micropump
wetting
electrode
micropump according
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PCT/EP2011/073029
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Martin Hoffmann
Lars DITTRICH
Michael BERTKO
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Technische Universität Ilmenau
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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
    • F04B19/00—Machines or pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B17/00
    • F04B19/006—Micropumps
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a micropump, in particular a membrane-less micropump, for generating a (quasi) continuous flow of a fluid located in a micro- or nano-channel system.
  • the invention further relates to a pump system and a microchannel system with such micropumps.
  • the invention aims at applications of microbiology and microreaction technology, in which the analysis systems used are preferably cost- effective disposable products from mass production.
  • Fluids are to be understood throughout the specification, liquids or mixtures of gases and liquids and Mehrphasensys ⁇ systems of more than one liquid.
  • the mixtures are those whose molecular weight is so small that the interface of the liquid to the surrounding gas is completely intact.
  • Microsystem pumps are still a challenge for microfluidics.
  • Rotary pumps that dominate macroscopic solutions are largely unsuitable for use in microsystems engineering due to a variety of difficulties (abrasion, sealing, drive, surface tension of liquids).
  • Micropumps are therefore usually realized as a complex structure with moving solid ⁇ body membranes, which must be moved over comparatively high-performance drives.
  • Some of the solutions proposed in the prior art for microfluidic applications are systems which can be used without additional effort (eg assembly steps or special assembly and connection methods). techniques) can not be integrated into the process flow for manufacturing microfluidic systems using standard technology steps.
  • the complex structures required for the most commonly used actuator principles are a disadvantage of existing solutions, which hitherto prevented the use in disposable solutions due to the associated costs.
  • micropumps has been intensively studied for a long time. Numerous works have already been carried out in the 1990s due to the importance of pumps. From DE 42 23 019 Cl z. B. a "valveless" micropump, which follows the "classical” structure, known in which in the gap ⁇ like region, which impresses the pump actuator an oscillatory motion, fluidically anisotropic structures are introduced, which give the fluid movement in a preferred direction.
  • FIG. 1 shows the schematic diagram of a "classic" micropump assembly according to the prior art: the deflection of a membrane 1, the volume of a pumping chamber 2 is cyclically increased or decreased, wherein the pumping chamber 2 connected to an inlet 3 and an outlet 4 In combination with passive or active valve structures in inflow and outflow 3, 4, a preferred direction is impressed on the fluid 6 to be delivered, resulting in a pumping action.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a "Classical" micropump according to the prior art, a structure with a piezoelectric element 7 as an actuator, which deflects the membrane 1 on the pumping chamber 2.
  • Such a "classical" micropump is described, for example, in WO 2009/059664 A1, which is based on a pump chamber with a diaphragm which is deflected by a piezoelectric element Row of connected pumping chambers, which are operated by means of a phase shift in the drive signal.
  • a micropump best ⁇ starting from pumping chamber and the actuator are known.
  • the valve action or the fluid movement of a preferred direction impressing structures are designed as channels with non-linear flow resistance. Depending on the driving regime, a laminar or turbulent flow is generated in these channels, which is associated with different flow resistances in the individual channels.
  • micromembrane pumps are described in DE 197 19 862 AI and US 2004/0033146 AI
  • US 2006/0292013 A1 describes a pump for ferrofluids (ie, fluids containing nanoparticles that are ferromagnetic and that can therefore be attracted by magnetic poles).
  • Electrostatic actuators for membranes which have hitherto been known especially in microsystem technology, are rather unsuitable for pumping applications, since the force effect on the membranes is too low here. Occasionally, methods using vapor bubbles (thermal actuators) or ultrasound are also investigated.
  • micropumps use moving solid-state elements (usually membranes), whose deflection through various actuators periodically increases or decreases the volume of a pumping chamber. In combination with valves which impress a preferred direction on the generated periodic flow, this results in a directed transport of the fluid.
  • moving solid-state elements usually membranes
  • moving solid-state elements is always associated with phenomena such as wear or material fatigue. The use of moving solid elements leads to an additional parasitic energy consumption, which deteriorates the efficiency of a pump or its energy efficiency.
  • No. 6,551,849 B1 describes a method for producing a field of microneedles.
  • WO 2008/124046 A1 discloses a microfluidic valve in which the behavior of the fluid flow can be controlled by means of the electrowetting effect.
  • the wetting behavior of the liquid on a hydrophobic surface in the channel is changed with a first pair of electrodes in order to open the valve, and a second pair of electrodes is used to electrolytically generate a bubble in order to stop the flow of fluid.
  • US 2008/135411 A1 describes the movement of fluids across a surface due to electrostatic forces generated by electrodes placed in the surface.
  • CN 101256132 A design a method is described that allows, based on the theories by Wenzel, Cassie and BAXTER, advance zube feed the apparent contact angle of a liquid ⁇ keitstropfens on a microstructured surface ⁇ .
  • the object of the present invention is to provide a micropump and a microchannel system which overcome the above-described disadvantages of the prior art and with which a further miniaturization of microfluidic systems for various applications, such as microbiology and microreaction technology, can be realized.
  • this object is achieved by a micropump having the features of the first claim, by a pump system having the features of claim 12 and by a microchannel system having the features of claim 13.
  • the invention first makes use of the fact that for the pumping effect only the change in the deficiency Neten fluid volume is necessary, which was regularly generated in the prior Tech ⁇ nik by an actuator movement.
  • a membraneless micro-pump according to the invention is used for the generation ⁇ supply a flow of a fluid in a microchannel system. It comprises a pumping chamber delimited by an inlet and an outlet. Preferably, inlet and / or outlet are formed by a valve structure. According to the invention, the inner wall of the pump chamber a lyophobic (in the sense of a liquid repellent) volume change ⁇ portion.
  • the micropump further comprises electrical means for cyclically changing the wetting behavior of the fluid in the volume changing section.
  • the wetting behavior of the fluid between a first entenden state and a second wetting state is cyclically changed by the electrical means, whereby the interface of the fluid to the volume change section forms a kind of virtual membrane, which causes the desired Volumenände ⁇ tion.
  • Suitable materials for the production of the pumping chamber, the volume change section and possibly the valve structures are, for example, silicon, glass, plastics and ceramics.
  • the preparation is preferably carried out using standard microelectronic processes known to the person skilled in the art.
  • a pump system In a pump system according to the invention several micro-pumps are arranged in series or in parallel. Through a series ⁇ circuit, an increase in pressure, by a parallel Lele circuit an increase in the delivery rate can be achieved.
  • the valve structures of the micropump are not required or can be simplified form, when the means for cyclically changing the wetting behavior of the individual micropumps phasenverscho ⁇ ben be controlled in a series circuit of the micro pump. In this case a kind of "Peris ⁇ taltik" of the pump system is created.
  • a micro channel system according to the invention comprises a plurality of channel sections, wherein at least one micropump according to the invention is arranged between each two of the channel sections.
  • a channel cross-sectional area of the channel sections of such a microchannel system is usually less than 1 mm 2 and usually greater than 1 ⁇ second In one embodiment, the channel cross-sectional area is different in size from a pump chamber cross-sectional area.
  • the electrical means become reversible
  • electrode materials all metals and semiconductors come into consideration as platinum, titanium, chromium, indium tin oxide and gold are particularly suitable angese ⁇ hen.
  • the volume change section forms the first electrode, while the second electrode is provided inside or outside the pumping chamber in order to contact the fluid.
  • a dielectric is then formed between the electrodes or on one of the electrodes.
  • insulating materials As a dielectric all electrically good insulating materials come into question. Particularly suitable are silicon nitride, silicon dioxide, glass, diamond-like carbon, titanium nitride,
  • Titanium oxide and hydrophobing materials such as e.g. Teflon® AF or Cytop.
  • the hydrophobizing materials can be used particularly advantageously as a dielectric on the lyophobic volume change section.
  • the electrodes can also be arranged completely outside the pumping chamber, as a result of which the pumping chamber itself forms the dielectric due to its material properties or the fluid to be delivered through the pumping chamber.
  • the lyophobic volume change section is preferably formed by microstructures or nanostructures which are in the form of needle-shaped, columnar or line-like elevations or depressions and are distributed randomly or regularly.
  • Microstructures and nanostructures may be electrically conductive or insulating and designed to be lyophobic (i.e., repellant to the fluid), i. H. that, for example, aqueous media flow in a microfluidic channel "above" the structuring, without entering the fluid
  • Microstructures can be prepared, for example by means of UV lithography and sizes can ⁇ orders ⁇ between about 0.7 and have ⁇ 500th nano-
  • the microstructures or nanostructures and, if appropriate, their dielectric coating must have regard to the dimensions, material and wetting properties of the fluid to be conveyed and of the latter Surface tensions are tuned to achieve the desired volume change effect.
  • Necessary for the "dewetting" means the switching off ⁇ th of the electrical means, and a low contact angle ⁇ hysteresis.
  • the drive voltages DC voltage and AC voltage are equally suitable.
  • the frequency of the Aktu istsschreib is to be separated from the frequency of the pumping stroke, wherein usefully the Frequency of the actuation voltage is significantly greater than the frequency of the pump stroke, depending on the dimensions of the system and the inertia of the moving volume to select the control frequencies and voltages of the electrical means.
  • a valve is understood to be a “component” "which controls or regulates the direction, the pressure or the volume flow of a fluid".
  • the valve can also consist of reduced, recurring valve structures in a cascaded arrangement. The preferential movement direction is impressed in the present invention by the course of the channel or of the valve structures contained in the channel.
  • the present invention is distinguished from the known art by a number of advantages.
  • the micropump invention comes completely without moving (moving) parts, such. B. membranes.
  • a dead volume can be completely or largely avoided, since the pump uses only the channel itself as the pumping chamber.
  • the fluid to be pumped itself is used as a working or Aktormedium. With the need for additional moving masses a more energy- ⁇ ciency of the system special is associated.
  • an increase in the dynamics of the system is to be expected.
  • failure causes such as wear and fatigue are excluded from the outset. Since the pump described in significantly small ⁇ ren structures based than allow current pump technology, lower volumes of fluid can still be reproducibly dosed.
  • the Aktu istskin described bears no heat into the medium to be conveyed, which is a more ⁇ term criterion for use, for example.
  • the manufacturing process of the The system described simplified enormously compared to conventional ⁇ len solutions, which is accompanied by a reduction in manufacturing costs.
  • the preparation of the micropump according to the invention is possible by resorting to a single chain of standard processes of micromechanics or electronics, which makes it possible to produce low-cost disposable solutions in the first place.
  • the microstructure or nanostructure the silicon grass produced in plasma etching process (standard process of electronic or microsystem technology) can be used, which is easy to produce. But other nanostructures (eg.
  • nanowires or litho- graphically made structures are flat ⁇ rate conceivable as an alternative.
  • Another aspect of the invention is that, in addition to the pumping action, not only the wetting behavior of the fluid but also its viscosity can be locally influenced in the region of the microstructured or nanostructured channel inner wall.
  • the microstructures or nanostructures according to the invention can additionally or alternatively function as heating elements and introduce heat into the fluid flowing past.
  • the flow rate of the fluid in the channel can be varied. Due to the large effective surface of the micro- and nanostructures, a particularly high energy efficiency compared to planar or smooth structures can be achieved, while the thermal time constant is greatly reduced.
  • Viscosity of the liquid can be influenced so that forms a plug in the channel by the increase in viscosity at heat input, which slows down or blocks the flow. On This way can - also without moving mechanical parts - a valve action can be generated.
  • the advantage of this method over arrangements such as nozzle diffuser micro valves lies in the ability to slow down the volume flow not only by fluidization or fluid flow dependent fluidic resistances or impart a preferred direction of the fluid, but to bring the flow completely to a halt.
  • Fig. 1 - a schematic diagram of a micropump after the
  • Fig. 2 - a schematic diagram of a micropump after
  • FIG. 6 Schematic representation of electrowetting (on dielectrics) - EW (OD);
  • FIG. 7 shows a schematic illustration of a "virtual membrane" on a nanostructured surface
  • FIG. 8 Perspective view of the embodiment of the micropump according to the invention according to FIG. 8.
  • YOUNG equation describes the direct relationship between the contact angle ⁇ ⁇ and the interfacial tensions that form between the three phases involved:
  • the YOUNG equation is based on the finding that the sum of all interfacial tensions in the three-phase contact line must be zero when the system is in thermodynamic equilibrium. For this, o ⁇ i v must be projected into the plane of the solid surface 8.
  • the YOUNG equation is:
  • the self-adjusting contact angle can be determined using this equation.
  • the microstructures or nanostructures 10 on the solid surface 8 increase the surface area of the fluid 6 and thus enhance the wetting properties in the respective direction.
  • the fluid 6 rests on the raised solid state or nanostructures 10.
  • an (imaginary) contact angle of 180 ° arises.
  • the effective (macroscopically observable) contact angle 9 mak is dependent on the ratio of the contact surfaces in each case to the solid or to the gas / vapor 12.
  • the phenomena are superimposed by the so-called contact angle hysteresis, which is the difference between Advancing and receding contact angle (Fortschreite- contact angle adjusts itself during a dynamic increase in volume at the three phase contact line, the withdrawal ⁇ contact angle arises during a dynamic volume would decrease a) describes and at the same time is an indicator of which of the two states said one fluid 6 on the solid surface 9 just occupies. It is the cause of the adhesion of even de-icing drops on solid surfaces.
  • the contact angle hysteresis is particularly large.
  • CASS IE-Baxter state the contact ⁇ angular hysteresis assumes particularly low values, since the fluid 6 has only a comparatively small contact area to the solid state.
  • electrowetting An example of the effect of electric fields on the wetting behavior of fluids on solid surfaces 8 used in the invention is the electrowetting effect.
  • electrowetting was introduced in the 1980s and, as shown in FIG. 6, designates a capacitor-like structure in which the solid-state surface 8 forms a first electrode 13 on which the
  • Fluid 6 (usually in the form of a drop) is located.
  • the first electrode 13 may be coated with a dielectric 14 (ElectroWetting On Dielectrics - EWOD) or not (electrowetting).
  • the fluid 6 is electrically contacted by a second electrode 15 (eg in the form of a wire). If an electrical voltage Ui is now applied between the two electrodes 13, 15, then the contact angle ⁇ ⁇ of the fluid 6 on the solid surface 8 changes in the direction of lower contact angles 9 E w ( Figure 6, Figure b).
  • E w is the contact angle during the Electrowetting- actuation
  • ⁇ ⁇ is the Young's contact angle
  • EQ the electric field constant (permittivity of vacuum)
  • ⁇ ⁇ d is the relative permittivity or dielectric constant of the dielectric
  • the dielectric thickness o ⁇ i v the interfacial tension liquid-gaseous
  • U the electrical voltage
  • thermowetting effect and the influence of electric fields on wettability are used herein according to the invention to determine the behavior of liquids on lyophobic and super-lyophobic, d. H. to set naturally non-wettable surfaces dynamically.
  • the microstructure or nanostructuring can be effected, for example, by additive (eg growth of nanowires) or by subtractive (eg etching of silicon grass) techniques.
  • the following approach can be used: By etching nanoscale columns on a substrate, a hydrophobic surface is produced; the column diameter is 350 nm, its height 7 ⁇ . The grid spacing of the columns is varied between 1 and 4 ⁇ .
  • the structures can be thermally oxidized and in this way with an electrically insulating layer be provided. The entangling properties of the structures can be enhanced by a deposited polymer layer.
  • the fluid 6 is now z. B. contacted via a platinum wire as a second electrode (not shown in Fig. 8), the substrate forms the first electrode.
  • Applying a elekt ⁇ step voltage U now leads according to the Electrowetting- the effect described, fundamental YOUNG Lippmann's equation to a change in contact angle, which is proportional to the square of the electric voltage.
  • the system response time In order to achieve a switchable wetting, the system response time must be designed very small - the change in the wetting behavior should be adjusted immediately. It is not necessary that the fluid 6 entering the microstructure or nanostructure 10 reaches its bottom.
  • the effect that the fluid can be reversibly transferred from the CASSIE Baxter in the Wenzel state, or that the entste ⁇ immediate change in contact angle (within the Contact angle hysteresis) is reversible is reversible.
  • the transition between the two states is realized for example by electrowetting or by the action of an electrostatic field. It can be complete or partial.
  • the described change in the penetration depth is used as an actuation movement - ie as a source element - which serves to generate the flow.
  • This presupposes that the actuation movement takes place reversibly and repeatably. This can be achieved by suitable design of the structuring. These are chemical and Consider physical aspects of the materials, structures, surfaces and the fluid to be delivered.
  • the complete transition from the CASSIE-BAXTER to the WENZEL state and vice versa although suitable as Aktuleitersphi, but not absolutely necessary: it is sufficient if the fluid is cyclically, but only partially drawn into the micro- or nanostructures 10. In this way, the volume of the virtual pumping chamber is periodically increased or decreased, so that in conjunction with valve structures
  • FIG. 8 is a longitudinal sectional view of a preferred imple mentation of the invention is shown.
  • Figure a) shows the CASS IE-BAXTER state
  • Figure b) the at least partially achieved WENZEL state.
  • the pumping chamber 2 is delimited by valve ⁇ structures 16, forming an inlet 3 and a drain 4.
  • a lyophobic volume change section is in the form of microstructures or nanostructures 10.
  • microstructures or nanostructures 10 on the solid-body surface 8 of the inner wall 17 of the pumping chamber 2 can be produced by lithography processes, in particular UV lithography, nanoimprint lithography (NIL) or electron beam lithography, self-masking etching processes (eg silicon grass or black
  • Silicone or by self-organizing growth processes (eg carbon nanotubes).
  • Fig. 9 shows the invention shown in Fig. 8
  • Micropump (without electrode arrangement) in a spatial representation.
  • virtual membrane 18 on the solid surface 8 with micro and nanostructures 10 as an actuator on the basis of electrowetting without moving elements as a device for transporting fluids.
  • valve structures 18, which are here designed as two passive nozzle diffuser microvalves, which impart a preferential direction to the periodically actuated fluid, thereby achieving a pumping action.
  • the fluid 6 at the same time (deformable and movable) electrode and dielectric is (English, leaky dielectric).
  • both the channel (bottom and side walls of the micropump, as well as the valve structures 16 and the microstructure or nanostructuring 10 are dry-etching (eg reactive ion etching (RIE) or deep reactive ion etching (DRIE - deep reactive ion etching, ASE - advanced Silicon etch) made.
  • dry-etching eg reactive ion etching (RIE) or deep reactive ion etching (DRIE - deep reactive ion etching, ASE - advanced Silicon etch
  • Metallic coating is carried out by PVD techniques (e.g., sputtering, vapor deposition), dielectric coating by CVD (PECVD, LPCVD).
  • PECVD vapor deposition
  • CVD CVD
  • the structuring is carried out in each case by lithography in combination with etching or with lift-off process.
  • the channel is capped, e.g. by anodic bonding with glass.
  • the person skilled in the art is familiar with such microelectronic or microsystem technology production methods. It is still within the scope of the invention, instead of the
  • Pump chamber 2 in combination with valve structures 16 and several pump chambers 2 are serially flowed through by the fluid 6, wherein the preferred direction is impressed by peristaltic (i.e., phase-shifted) actuation in the fluid 6.
  • the micropump according to the invention can also be used as a flow sensor according to the principle of a hot wire anemometer or a capacitive sensor.
  • the micropump can be used as a switchable valve. LIST OF REFERENCE NUMBERS

Abstract

The invention relates to a micropump for generating a flow of a fluid (6) and having a pump chamber (2) bounded by an inlet (3) and an outlet (4). According to the invention, a lyophobic volume changing segment is disposed in the pump chamber (2), hollow spaces being formed between structures (10). The micropump comprises electrical means for cyclically changing the wetting behavior of the fluid (6) in the area of the volume changing segment, wherein the wetting behavior changes between a first dewetting state and a second wetting state, by means of which the boundary of the fluid (6) to the volume changing segment changes and the fluid (6) penetrates the hollow spaces in the wetting states and exits the hollow spaces in the dewetting state. The invention further relates to a microchannel system having such a micropump, and to a pump system.

Description

Mikropumpe zur Erzeugung einer Fluidströmung,  Micropump for generating a fluid flow,
Pumpensystem und Mikrokanalsystem  Pump system and microchannel system
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mikropumpe, insbeson- dere eine membranlose Mikropumpe, zur Erzeugung einer (quasi-) kontinuierlichen Strömung eines in einem Mikro- oder Nano- kanalsystem befindlichen Fluids. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Pumpensystem und ein Mikrokanalsystem mit solchen Mikropumpen. Insbesondere zielt die Erfindung auf Anwendungen der Mikrobiologie und Mikroreaktionstechnik, in welchen die verwendeten Analysesysteme vorzugsweise kosten¬ günstige Einwegprodukte aus der Massenfertigung sind. The present invention relates to a micropump, in particular a membrane-less micropump, for generating a (quasi) continuous flow of a fluid located in a micro- or nano-channel system. The invention further relates to a pump system and a microchannel system with such micropumps. In particular, the invention aims at applications of microbiology and microreaction technology, in which the analysis systems used are preferably cost- effective disposable products from mass production.
Unter Fluiden sind in der gesamten Beschreibung Flüssigkeiten oder Gemische aus Gasen und Flüssigkeiten und Mehrphasensys¬ teme aus mehr als einer Flüssigkeit zu verstehen. Bei den Gemischen handelt es sich um solche, deren Gasbestandteile molekular so klein sind, dass die Grenzfläche der Flüssigkeit zum umgebenden Gas vollständig intakt ist. Fluids are to be understood throughout the specification, liquids or mixtures of gases and liquids and Mehrphasensys ¬ systems of more than one liquid. The mixtures are those whose molecular weight is so small that the interface of the liquid to the surrounding gas is completely intact.
Pumpen gehören zu den wichtigsten Komponenten in fluidischen Systemen. Mikrosystemtechnische Pumpen stellen nach wie vor eine Herausforderung für die Mikrofluidik dar. Rotatorische Pumpen, die makroskopische Lösungen dominieren, sind aufgrund einer Vielzahl von Schwierigkeiten (Abrieb, Abdichtung, Antrieb, Oberflächenspannung von Flüssigkeiten) für den Einsatz in der Mikrosystemtechnik weitgehend ungeeignet. Mikropumpen werden deshalb zumeist als komplexer Aufbau mit bewegten Fest¬ körpermembranen realisiert, die über vergleichsweise leis- tungsstarke Antriebe bewegt werden müssen. Einige der im Stand der Technik vorgeschlagenen Lösungen für mikrofluidische Anwendungen sind Systeme, die sich ohne zusätzlichen Aufwand (z.B. Montageschritte oder spezielle Aufbau- und Verbindungs- techniken) nicht in den Prozessablauf zur Herstellung mikrofluidischer Systeme unter Verwendung von Standard-Technologieschritten integrieren lassen. Die für die meistverwendeten Aktorprinzipien notwendigen komplexen Aufbauten sind ein Nachteil existierender Lösungen, der bislang aufgrund der damit einhergehenden Kosten den Einsatz in Einweglösungen verhindert . Pumps are among the most important components in fluidic systems. Microsystem pumps are still a challenge for microfluidics. Rotary pumps that dominate macroscopic solutions are largely unsuitable for use in microsystems engineering due to a variety of difficulties (abrasion, sealing, drive, surface tension of liquids). Micropumps are therefore usually realized as a complex structure with moving solid ¬ body membranes, which must be moved over comparatively high-performance drives. Some of the solutions proposed in the prior art for microfluidic applications are systems which can be used without additional effort (eg assembly steps or special assembly and connection methods). techniques) can not be integrated into the process flow for manufacturing microfluidic systems using standard technology steps. The complex structures required for the most commonly used actuator principles are a disadvantage of existing solutions, which hitherto prevented the use in disposable solutions due to the associated costs.
Die Entwicklung von Mikropumpen wird seit langem intensiv bearbeitet. Zahlreiche Arbeiten wurden aufgrund der Bedeutung von Pumpen bereits in den 90er Jahren durchgeführt. Aus der DE 42 23 019 Cl ist z. B. eine „ventillose" Mikropumpe, die dem „klassischen" Aufbau folgt, bekannt, bei der in den spalt¬ artigen Bereich, welchem der Pumpenaktor eine Oszillationsbewegung einprägt, strömungstechnisch anisotrope Strukturen eingebracht sind, die der Fluidbewegung eine Vorzugsrichtung geben . The development of micropumps has been intensively studied for a long time. Numerous works have already been carried out in the 1990s due to the importance of pumps. From DE 42 23 019 Cl z. B. a "valveless" micropump, which follows the "classical" structure, known in which in the gap ¬ like region, which impresses the pump actuator an oscillatory motion, fluidically anisotropic structures are introduced, which give the fluid movement in a preferred direction.
Der größte Anteil an Arbeiten zu diesem Thema setzt auf Membran-basierte Pumpen, entweder mit aktiver oder passiver Ventilsteuerung. Die beigefügte Fig. 1 zeigt die Prinzipdarstellung eines „klassischen" Mikropumpenaufbaus nach dem Stand der Technik: Über die Auslenkung einer Membran 1 wird das Volumen einer Pumpkammer 2 zyklisch vergrößert bzw. verkleinert, wobei die Pumpkammer 2 mit einem Zufluss 3 und einem Abfluss 4 verbunden ist. In Kombination mit passiven oder aktiven Ventilstrukturen in Zu- und Abfluss 3, 4 wird dem zu fördernden Fluid 6 eine Vorzugsrichtung eingeprägt, woraus eine Pumpwirkung resultiert. The bulk of work on this topic relies on diaphragm-based pumps, with either active or passive valve control. The attached Fig. 1 shows the schematic diagram of a "classic" micropump assembly according to the prior art: the deflection of a membrane 1, the volume of a pumping chamber 2 is cyclically increased or decreased, wherein the pumping chamber 2 connected to an inlet 3 and an outlet 4 In combination with passive or active valve structures in inflow and outflow 3, 4, a preferred direction is impressed on the fluid 6 to be delivered, resulting in a pumping action.
Als Antriebssysteme wurden bislang in überwiegender Mehrzahl Piezoantriebe, teilweise auch magnetische Antriebe eingesetzt. Die beigefügte Fig. 2 zeigt als Ausführungsbeispiel für eine „klassische" Mikropumpe nach dem Stand der Technik einen Aufbau mit einem piezoelektrischen Element 7 als Aktor, der die Membran 1 über der Pumpkammer 2 auslenkt. As drive systems so far in the majority of piezo drives, sometimes magnetic drives have been used. The attached Fig. 2 shows an exemplary embodiment of a "Classical" micropump according to the prior art, a structure with a piezoelectric element 7 as an actuator, which deflects the membrane 1 on the pumping chamber 2.
Eine derartige „klassische" Mikropumpe wird z.B. in der WO 2009/059664 AI beschrieben, die auf einer Pumpenkammer mit einer Membran basiert, die durch ein Piezoelement ausgelenkt wird. Durch die Kombination mit Ventilstrukturen wird eine Pumpwirkung generiert. Die beschriebene Pumpe besteht dabei aus einer Reihe verbundener Pumpkammern, die mittels einer Phasenverschiebung im Ansteuersignal betrieben werden. Such a "classical" micropump is described, for example, in WO 2009/059664 A1, which is based on a pump chamber with a diaphragm which is deflected by a piezoelectric element Row of connected pumping chambers, which are operated by means of a phase shift in the drive signal.
Weiterhin ist aus der EP 0 844 395 Bl eine Mikropumpe, beste¬ hend aus Pumpkammer und Aktor, bekannt. Die Ventilwirkung bzw. die der Fluidbewegung eine Vorzugsrichtung einprägenden Strukturen sind als Kanäle mit nichtlinearem Strömungswiderstand ausgeführt. Je nach Ansteuerregime wird in diesen Kanälen eine laminare oder eine turbulente Strömung generiert, was mit unterschiedlich großen Strömungswiderständen in den einzelnen Kanälen einhergeht. Furthermore, from EP 0844395 Bl a micropump best ¬ starting from pumping chamber and the actuator, are known. The valve action or the fluid movement of a preferred direction impressing structures are designed as channels with non-linear flow resistance. Depending on the driving regime, a laminar or turbulent flow is generated in these channels, which is associated with different flow resistances in the individual channels.
Weitere Ausführungsbeispiele für Mikromembranpumpen sind in der DE 197 19 862 AI und US 2004/0033146 AI beschrieben Further embodiments of micromembrane pumps are described in DE 197 19 862 AI and US 2004/0033146 AI
In allen diesen bekannten Mikropumpen sind jedoch bewegliche mechanische Elemente (hier: Membranen) vorgesehen, über deren Auslenkung der Pumpenhub realisiert wird. Derartige Pumpen wurden in zahlreichen Ausführungsvarianten realisiert. In all these known micropumps, however, movable mechanical elements (here: membranes) are provided, via whose deflection the pump stroke is realized. Such pumps have been realized in numerous variants.
In der US 2006/0292013 AI wird eine Pumpe für Ferrofluide (d. h. Flüssigkeiten, in denen sich Nanopartikel befinden, die ferromagnetisch sind und auf die demzufolge Anziehungskräfte von magnetischen Polen ausgeübt werden können) beschrieben. Bisher speziell in der Mikrosystemtechnik bekannte elektrostatische Antriebe für Membranen sind für Pumpanwendungen eher ungeeignet, da hier die Kraftwirkung auf die Membranen zu gering ist. Gelegentlich werden auch Verfahren mittels Dampfblasen (thermische Aktoren) oder Ultraschall untersucht. US 2006/0292013 A1 describes a pump for ferrofluids (ie, fluids containing nanoparticles that are ferromagnetic and that can therefore be attracted by magnetic poles). Electrostatic actuators for membranes, which have hitherto been known especially in microsystem technology, are rather unsuitable for pumping applications, since the force effect on the membranes is too low here. Occasionally, methods using vapor bubbles (thermal actuators) or ultrasound are also investigated.
Alle bekannten Mikropumpen nutzen bewegte Festkörperelemente (i.d.R. Membranen), über deren Auslenkung durch verschiedene Aktoren das Volumen einer Pumpkammer periodisch vergrößert bzw. verkleinert wird. In Kombination mit Ventilen, die der erzeugten periodischen Strömung eine Vorzugsrichtung einprägen, entsteht so ein gerichteter Transport des Fluids. Mit der Nutzung bewegter Festkörperelemente ist eine Reihe von Nachteilen verbunden. Aufgrund der Notwendigkeit, träge Massen zu bewegen, kommt es zu einer Erhöhung der Trägheit und damit auch der Systemzeitkonstante. Außerdem ist der Einsatz beweg¬ ter Festkörperelemente immer mit Phänomenen wie Verschleiß oder Materialermüdung verbunden. Die Nutzung bewegter Festkörperelemente führt zu einem zusätzlichen parasitären Energieverbrauch, der den Wirkungsgrad einer Pumpe bzw. deren Energieeffizienz verschlechtert. Daneben erfordert die Notwendig¬ keit bewegter Festkörperelemente in einer Pumpe zusätzliche Schritte im Herstellungsprozess , welche den Stückpreis erhöhen und damit prinzipiell der Fertigung von häufig benötigten Einweglösungen entgegensteht. Gleichzeitig gehört die Montage von Aktor und Membran zu den kostenintensivsten Schritten bei der Herstellung von Pumpen nach dem o. g. Prinzip. All known micropumps use moving solid-state elements (usually membranes), whose deflection through various actuators periodically increases or decreases the volume of a pumping chamber. In combination with valves which impress a preferred direction on the generated periodic flow, this results in a directed transport of the fluid. There are a number of disadvantages associated with the use of moving solid elements. Due to the need to move inertial masses, there is an increase in the inertia and thus the system time constant. In addition, the use of moving solid-state elements is always associated with phenomena such as wear or material fatigue. The use of moving solid elements leads to an additional parasitic energy consumption, which deteriorates the efficiency of a pump or its energy efficiency. In addition, the necessity of ¬ moving solid state elements in a pump requires additional steps in the manufacturing process, which increase the unit price and thus in principle precludes the production of frequently required disposable solutions. At the same time, the assembly of actuator and diaphragm is one of the most costly steps in the manufacture of pumps according to the above-mentioned principle.
Der Nutzung von bewegten Festkörperelementen sind bei fortschreitender Miniaturisierung bereits aus Sicht der Herstellungsprozesse fertigungstechnische Grenzen gesetzt. Damit gehen Grenzen einher, was die reproduzierbare Dosierbarkeit kleinster Fluidvolumina anbelangt. Zahlreiche Aktoren, die nach dem oben beschriebenen Prinzip arbeiten, tragen prinzipbedingt Wärme in das zu fördernde Fluid ein. Dies muss aber insbesondere im Zusammenhang mit biologischen Anwendungen häufig vermieden werden. Externe Pumpen bzw. Pumpen mit deutlich ausgebildeten Pumpenkammern führen darüber hinaus zu zusätzlichem Totvolumen im mikrofluidischen System. The use of moving solid state elements are already set from the point of view of manufacturing processes manufacturing limitations with advancing miniaturization. This is accompanied by limits, what the reproducible dosing As far as the smallest volumes of fluid are concerned. Numerous actuators that work according to the principle described above, inherently contribute heat in the fluid to be pumped. However, this must often be avoided, in particular in connection with biological applications. External pumps or pumps with well-designed pump chambers also lead to additional dead volume in the microfluidic system.
In der US 6, 551, 849 Bl ist eine Methode zur Herstellung eines Feldes aus Mikronadeln beschrieben. No. 6,551,849 B1 describes a method for producing a field of microneedles.
Aus der WO 2008/124046 AI ist ein mikrofluidisches Ventil bekannt, bei dem sich das Verhalten der Fluidströmung mithilfe des Electrowetting-Effektes steuern lässt. Dabei wird mit einem ersten Elektrodenpaar das Benetzungsverhalten der Flüssigkeit auf einer hydrophoben Oberfläche im Kanal geändert, um das Ventil zu öffnen, und mit einem zweiten Elektrodenpaar wird elektrolytisch eine Blase erzeugt, um den Fluidfluss zu stoppen . WO 2008/124046 A1 discloses a microfluidic valve in which the behavior of the fluid flow can be controlled by means of the electrowetting effect. In this case, the wetting behavior of the liquid on a hydrophobic surface in the channel is changed with a first pair of electrodes in order to open the valve, and a second pair of electrodes is used to electrolytically generate a bubble in order to stop the flow of fluid.
Die US 2008/135411 AI beschreibt die Bewegung von Fluiden über eine Oberfläche aufgrund elektrostatischer Kräfte, die durch in die Oberfläche eingebrachte Elektroden erzeugt werden. In der CN 101256132 A wird eine Entwurfsmethode beschrieben, die es basierend auf den Theorien nach WENZEL, CASSIE und BAXTER erlaubt, den scheinbaren Kontaktwinkel eines Flüssig¬ keitstropfens auf einer mikrostrukturierten Oberfläche voraus¬ zuberechnen . US 2008/135411 A1 describes the movement of fluids across a surface due to electrostatic forces generated by electrodes placed in the surface. In the CN 101256132 A design a method is described that allows, based on the theories by Wenzel, Cassie and BAXTER, advance zuberechnen the apparent contact angle of a liquid ¬ keitstropfens on a microstructured surface ¬.
In Callies , Mathilde; Quere,. David: On water repellency, Review in: Journal of Soft Matter, 2005, No . 1, pp. 55-61 wird beschrieben, dass sich eine Flüssigkeit u. a. durch Temperaturfelder, Licht oder elektrische Felder vom CASSIE- BAXTER- in den WENZEL-Zustand überführen lässt. In Callies, Mathilde; Cross ,. David: On water repellency, Review in: Journal of Soft Matter, 2005, No. 1, pp. 55-61 it is described that a liquid inter alia Temperature fields, light or electric fields can be transferred from the CASSIE BAXTER to the WENZEL state.
In Vrancken, Robert J.; Kusumaatma a, Halim; Hermans, Ko; Prenen, An M.; Pierre-Louis, Olivier; Bastiaansen, Cees W. M.;In Vrancken, Robert J .; Kusumaatma a, Halim; Hermans, Ko; Prenen, to M .; Pierre-Louis, Olivier; Bastiaansen, Cees W. M .;
Broer, Dirk J. : Fully reversible transition from Wenzel to Cassie-Baxter states on corrugated superhydrophobic surfaces, In: Langmuir, 2010, Vol. 26, No . 5, pp . 3335-3341 ist der Ubergang vom CASSIE-BAXTER- in den WENZEL-Zustand beschrieben. Broer, Dirk J.: Fully reversible transition from Wenzel to Cassie-Baxter states on corrugated superhydrophobic surfaces, In: Langmuir, 2010, Vol. 26, No. 5, pp. 3335-3341, the transition from the CASSIE BAXTER to the WENZEL state is described.
Die Realisierung des Electrowetting-Effekts auf nanostruktu- rierten, superhydrophoben Oberflächen wird in Krupenkin, Tom N. ; Taylor,. J. Ashley; Schneider, Tobias M. ; Yang, Shu : From Rolling Ball to Complete Wetting: The Dynamic Tuning of Liquids on Nanostructured Surfaces, In: Langmuir, 2004: Vol.The realization of the electrowetting effect on nanostructured, superhydrophobic surfaces is described in Krupenkin, Tom N.; Taylor ,. J. Ashley; Schneider, Tobias M.; Yang, Shu: From Rolling Ball to Complete Wetting: The Dynamic Tuning of Liquids on Nanostructured Surfaces, In: Langmuir, 2004: Vol.
20, pp. 3824-3827 beschrieben. Der durch Electrowetting induzierte Ubergang vom CASS IE-BAXTER-Zustand in den WENZEL- Zustand wurde dort als „abrupter" Wechsel beschrieben. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Mikropumpe und ein Mikrokanalsystem bereitzustellen, die die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik überwinden und mit denen eine weitere Miniaturisierung mikrofluidischer Systeme für verschiedene Anwendungen, beispielsweise der Mikrobiologie und Mikroreaktionstechnik, realisiert werden kann. 20, pp. 3824-3827. The electrowetting-induced transition from the CASS IE-BAXTER state to the WENZEL state has been described therein as an "abrupt" change.The object of the present invention is to provide a micropump and a microchannel system which overcome the above-described disadvantages of the prior art and with which a further miniaturization of microfluidic systems for various applications, such as microbiology and microreaction technology, can be realized.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Mikropumpe mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches, durch ein Pumpensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und durch ein Mikro- kanalsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. DieAccording to the invention, this object is achieved by a micropump having the features of the first claim, by a pump system having the features of claim 12 and by a microchannel system having the features of claim 13. The
Erfindung macht sich dabei zunächst die Erkenntnis zunutze, dass für die Pumpwirkung de facto nur die Änderung des defi- nierten Fluidvolumens notwendig ist, welche im Stand der Tech¬ nik regelmäßig durch eine Aktorbewegung erzeugt wurde. The invention first makes use of the fact that for the pumping effect only the change in the deficiency Neten fluid volume is necessary, which was regularly generated in the prior Tech ¬ nik by an actuator movement.
Bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Mikropumpe, des Pumpensystems und des Mikrokanalsystems sind in den Unter¬ ansprüchen angegeben. Preferred embodiments of the micropump according to the invention, the pump system and the micro channel structure are indicated in the sub ¬ claims.
Eine erfindungsgemäße membranlose Mikropumpe wird zur Erzeu¬ gung einer Strömung eines Fluids in einem Mikrokanalsystem verwendet. Sie umfasst eine Pumpkammer, die durch einen Ein- lass und einen Auslass begrenzt ist. Vorzugsweise sind Einlass und/oder Auslass durch eine Ventilstruktur ausgebildet. Erfindungsgemäß weist die Innenwand der Pumpkammer einen lyophoben (im Sinne von: eine Flüssigkeit abstoßend) Volumenänderungs¬ abschnitt auf. Die Mikropumpe umfasst weiterhin elektrische Mittel zum zyklischen Verändern des BenetZungsverhaltens des Fluids in dem Volumenänderungsabschnitt. Dabei wird durch die elektrischen Mittel das Benetzungsverhalten des Fluids zwischen einem ersten entnetzenden Zustand und einem zweiten benetzenden Zustand zyklisch verändert, wodurch die Grenzfläche des Fluids zum Volumenänderungsabschnitt eine Art virtuelle Membran bildet, welche die gewünschte Volumenände¬ rung hervorruft. A membraneless micro-pump according to the invention is used for the generation ¬ supply a flow of a fluid in a microchannel system. It comprises a pumping chamber delimited by an inlet and an outlet. Preferably, inlet and / or outlet are formed by a valve structure. According to the invention, the inner wall of the pump chamber a lyophobic (in the sense of a liquid repellent) volume change ¬ portion. The micropump further comprises electrical means for cyclically changing the wetting behavior of the fluid in the volume changing section. In this case, the wetting behavior of the fluid between a first entenden state and a second wetting state is cyclically changed by the electrical means, whereby the interface of the fluid to the volume change section forms a kind of virtual membrane, which causes the desired Volumenände ¬ tion.
Geeignete Werkstoffe für die Herstellung der Pumpkammer, des Volumenänderungsabschnitts und ggf. der Ventilstrukturen sind beispielsweise Silizium, Glas, Kunststoffe und Keramiken. Vorzugsweise erfolgt die Herstellung mit mikroelektronischen Standardverfahren, die dem Fachmann bekannt sind. Suitable materials for the production of the pumping chamber, the volume change section and possibly the valve structures are, for example, silicon, glass, plastics and ceramics. The preparation is preferably carried out using standard microelectronic processes known to the person skilled in the art.
In einem erfindungsgemäßen Pumpensystem sind mehrere Mikro- pumpen in Reihe oder parallel angeordnet. Durch eine Reihen¬ schaltung kann eine Steigerung des Drucks, durch eine paral- lele Schaltung eine Steigerung der Förderrate erreicht werden. Die Ventilstrukturen der Mikropumpe werden nicht benötigt oder lassen sich vereinfacht ausbilden, wenn in einer Reihenschaltung der Mikropumpen die Mittel zum zyklischen Verändern des Benetzungsverhaltens der einzelnen Mikropumpen phasenverscho¬ ben angesteuert werden. In diesem Fall wird eine Art „Peris¬ taltik" des Pumpensystems erzeugt. In a pump system according to the invention several micro-pumps are arranged in series or in parallel. Through a series ¬ circuit, an increase in pressure, by a parallel Lele circuit an increase in the delivery rate can be achieved. The valve structures of the micropump are not required or can be simplified form, when the means for cyclically changing the wetting behavior of the individual micropumps phasenverscho ¬ ben be controlled in a series circuit of the micro pump. In this case a kind of "Peris ¬ taltik" of the pump system is created.
Ein erfindungsgemäßes Mikrokanalsystem umfasst mehrere Kanal- abschnitte, wobei zwischen jeweils zwei der Kanalabschnitte mindestens eine erfindungsgemäße Mikropumpe angeordnet ist. Eine Kanalquerschnittsfläche der Kanalabschnitte eines solchen Mikrokanalsystems ist gewöhnlich kleiner als 1 mm2 und zumeist größer als 1 μπι2. In einer Aus führungs form ist die Kanalquer- schnittsfläche unterschiedlich groß zu einer Pumpkammerquerschnitts fläche . A micro channel system according to the invention comprises a plurality of channel sections, wherein at least one micropump according to the invention is arranged between each two of the channel sections. A channel cross-sectional area of the channel sections of such a microchannel system is usually less than 1 mm 2 and usually greater than 1 μπι second In one embodiment, the channel cross-sectional area is different in size from a pump chamber cross-sectional area.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird nicht auf die geometrische Miniaturisierung bekannter Prinzipien und Aufbauten gesetzt, sondern ein völlig anderer und bisher in Pumpen nicht als nutzbar erkannter Effekt ausgenutzt, der durch die Inte¬ gration von Mikro- bzw. Nanostrukturen innerhalb von technischen Systemen bzw. Mikrosystemen realisierbar wird. Vorzugsweise werden die elektrischen Mittel zum reversiblenWith the solution according to the invention is not set to the geometric miniaturization of known principles and structures, but a completely different and previously exploited in pumps not recognized as useful effect exploited by the inte ¬ gration of micro- or nanostructures within technical systems or microsystems becomes feasible. Preferably, the electrical means become reversible
Verändern der Oberflächenspannung des Fluids durch eine erste und eine zweite Elektrode gebildet, zwischen denen ein Dielektrikum vorgesehen ist. Als Elektrodenmaterialien kommen alle Metalle und Halbleiter in Frage, als besonders geeignet werden Platin, Titan, Chrom, Indium-Zinn-Oxid und Gold angese¬ hen . Dabei bildet in einer bevorzugten Aus führungs form der Volumenänderungsabschnitt die erste Elektrode, während die zweite Elektrode innerhalb oder außerhalb der Pumpkammer vorgesehen ist, um das Fluid zu kontaktieren. Zwischen den Elektroden oder auf einer der Elektroden ist dann ein Dielektrikum ausgebildet . Changing the surface tension of the fluid formed by a first and a second electrode, between which a dielectric is provided. As electrode materials all metals and semiconductors come into consideration as platinum, titanium, chromium, indium tin oxide and gold are particularly suitable angese ¬ hen. In this case, in a preferred embodiment, the volume change section forms the first electrode, while the second electrode is provided inside or outside the pumping chamber in order to contact the fluid. A dielectric is then formed between the electrodes or on one of the electrodes.
Als Dielektrikum kommen alle elektrisch gut isolierenden Stoffe in Frage. Besonders geeignet sind Siliziumnitrid, Sili- ziumdioxid, Glas, diamantartiger Kohlenstoff, Titannitrid,As a dielectric all electrically good insulating materials come into question. Particularly suitable are silicon nitride, silicon dioxide, glass, diamond-like carbon, titanium nitride,
Titanoxid sowie Hydrophobierungswerkstoffe wie z.B. Teflon ® AF oder Cytop. Die Hydrophobierungswerkstoffe lassen sich besonders vorteilhaft als Dielektrikum auf dem lyophoben Volumenänderungsabschnitt verwenden . Titanium oxide and hydrophobing materials such as e.g. Teflon® AF or Cytop. The hydrophobizing materials can be used particularly advantageously as a dielectric on the lyophobic volume change section.
In einer anderen Aus führungs form können die Elektroden auch komplett außerhalb der Pumpkammer angeordnet sein, wodurch die Pumpkammer selbst durch ihre Materialeigenschaften oder das durch die Pumpkammer zu fördernde Fluid das Dielektrikum bildet. In another embodiment, the electrodes can also be arranged completely outside the pumping chamber, as a result of which the pumping chamber itself forms the dielectric due to its material properties or the fluid to be delivered through the pumping chamber.
Der lyophobe Volumenänderungsabschnitt ist vorzugsweise durch Mikro- oder Nanostrukturen gebildet, die als nadel-, säulen- oder linienartige Erhebungen bzw. Vertiefungen ausgebildet und zufällig oder regelmäßig verteilt angeordnet sind. DieseThe lyophobic volume change section is preferably formed by microstructures or nanostructures which are in the form of needle-shaped, columnar or line-like elevations or depressions and are distributed randomly or regularly. These
Mikro- und Nanostrukturen können elektrisch leitfähig oder isolierend und so gestaltet werden, dass sie lyophob (d. h. das Fluid abstoßend bzw. entnetzend) sind, d. h. dass beispielsweise wässrige Medien in einem mikrofluidischen Kanal „oberhalb" der Strukturierung entlang strömen, ohne in dieMicrostructures and nanostructures may be electrically conductive or insulating and designed to be lyophobic (i.e., repellant to the fluid), i. H. that, for example, aqueous media flow in a microfluidic channel "above" the structuring, without entering the
Struktur einzudringen. Mikrostrukturen können beispielsweise mittels UV-Lithographie hergestellt werden und können Größen¬ ordnungen etwa zwischen 0,7 μπι und 500 μπι haben. Nanostruk- turen (Nadeln oder dgl . wie zum Beispiel bei „black Silicon") lassen sich beispielsweise durch selbstmaskierende Ätzprozesse herstellen. Die Mikro- oder Nanostrukturen sowie ggf. deren dielektrische Beschichtung müssen hinsichtlich der Abmessungen, Material- und BenetZungseigenschaften auf das zu fördernde Fluid und dessen Oberflächenspannungen abgestimmt sein, um den gewünschten Volumenwechseleffekt zu erzielen. Structure to penetrate. Microstructures can be prepared, for example by means of UV lithography and sizes can ¬ orders μπι between about 0.7 and have μπι 500th nano- The microstructures or nanostructures and, if appropriate, their dielectric coating must have regard to the dimensions, material and wetting properties of the fluid to be conveyed and of the latter Surface tensions are tuned to achieve the desired volume change effect.
Durch Aktivierung der elektrischen Mittel zum zyklischen Verändern des Benetzungsverhaltens des Fluids im bzw. auf dem Volumenänderungsabschnitt, bzw. durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden kann eine erzwungene Benetzung auf/in dem lyophoben Volumenänderungsabschnitt erreicht werden, bei der das Fluid durch elektrostatische Kräfte auch in die Zwischenräume der Mikro- oder Nanostrukturen hineingezogen wird bzw. sein Benetzungsverhalten zum Stadium „benetzend" hin verändert und damit den Anteil seiner Oberfläche, die eine Grenzfläche zum Volumenänderungsabschnitt definiert, vergrößert. Dieser als Electrowetting (On Dielectrics) bezeichnete Effekt wird erfindungsgemäß genutzt, um durch zyklisches Anlegen einer elektrischen Spannung das Flüssigkeitsvolumen in der Pumpkammer zu modulieren, ähnlich einer „virtuellen Membran". Die durch die Oberflächenspannung definierte Grenzfläche des Fluids wirkt in diesem Falle sozusagen als Membran. Notwendig für die „Entnetzung" sind das Abschal¬ ten der elektrischen Mittel und eine geringe Kontaktwinkel¬ hysterese. Als Ansteuerspannungen sind Gleichspannung und Wechselspannung gleichermaßen geeignet. Im Falle von Wechselspannung ist die Frequenz der Aktuierungsspannung von der Frequenz des Pumpenhubes zu trennen, wobei sinnvollerweise die Frequenz der Aktuierungsspannung deutlich größer ist, als die Frequenz des Pumpenhubes. In Abhängigkeit von den Dimensionen des Systems und der Massenträgheit des bewegten Volumens sind die Steuerfrequenzen und Spannungen der elektrischen Mittel zu wählen . By activating the electrical means to cyclically change the wetting behavior of the fluid in the volume change section, or by applying an electrical voltage to the electrodes, forced wetting on / in the lyophobic volume change section can be achieved, where the fluid is also affected by electrostatic forces or wets its wetting behavior towards the "wetting" stage and thus increases the proportion of its surface which defines an interface to the volume change section, this effect being referred to as electrowetting (on dielectrics). to modulate the volume of fluid in the pumping chamber by cyclically applying an electrical voltage, similar to a "virtual membrane". The defined by the surface tension interface of the fluid acts in this case, so to speak, as a membrane. Necessary for the "dewetting" means the switching off ¬ th of the electrical means, and a low contact angle ¬ hysteresis. As the drive voltages DC voltage and AC voltage are equally suitable. In the case of alternating voltage, the frequency of the Aktuierungsspannung is to be separated from the frequency of the pumping stroke, wherein usefully the Frequency of the actuation voltage is significantly greater than the frequency of the pump stroke, depending on the dimensions of the system and the inertia of the moving volume to select the control frequencies and voltages of the electrical means.
Durch geeignete, dem Fachmann bekannte, vorzugsweise passive Ventilstrukturen wird dann ein gerichteter Fluss und damit ein Pumpeffekt erzeugt. Unter einem Ventil wird dabei nach DIN ISO 5598 ein „Bauteil" verstanden, „das die Richtung, den Druck oder den Volumenstrom eines Fluids steuert oder regelt" . Dabei kann das Ventil auch aus verkleinerten, wiederkehrenden Ventilstrukturen in kaskadierter Anordnung bestehen. Die Vorzugsbewegungsrichtung wird bei der vorliegenden Erfindung vom Verlauf des Kanals bzw. von den im Kanal enthaltenen Ventilstrukturen eingeprägt. By suitable, known in the art, preferably passive valve structures then a directed flow and thus a pumping effect is generated. According to DIN ISO 5598, a valve is understood to be a "component" "which controls or regulates the direction, the pressure or the volume flow of a fluid". The valve can also consist of reduced, recurring valve structures in a cascaded arrangement. The preferential movement direction is impressed in the present invention by the course of the channel or of the valve structures contained in the channel.
Die vorliegende Erfindung zeichnet sich gegenüber dem bekannten Stand der Technik durch eine Reihe von Vorteilen aus. Die erfindungsgemäße Mikropumpe kommt vollkommen ohne bewegte (bewegliche) Teile, wie z. B. Membranen aus. Darüber hinaus kann ein Totvolumen vollständig oder weitgehend vermieden werden, da die Pumpe ausschließlich den Kanal selbst als Pumpkammer benutzt. Das zu fördernde Fluid selbst wird als Arbeits- bzw. Aktormedium benutzt. Mit dem Verzicht auf zusätzliche bewegte Massen geht eine besondere Energieeffi¬ zienz des Systems einher. Zusätzlich ist eine Steigerung der Dynamik des Systems zu erwarten. Außerdem werden Versagensursachen wie Verschleiß und Materialermüdung von vorneherein ausgeschlossen. Da die beschriebene Pumpe auf deutlich kleine¬ ren Strukturen basiert, als es derzeitige Pumpen technologisch erlauben, können noch geringere Fluidvolumina reproduzierbar dosiert werden. Das beschriebene Aktuierungsprinzip trägt keinerlei Wärme in das zu fördernde Medium ein, was ein wich¬ tiges Kriterium für den Einsatz bspw. in der Mikrobiologie und Mikroreaktionstechnik darstellt. Der Herstellungsprozess des beschriebenen Systems vereinfacht sich gegenüber konventionel¬ len Lösungen enorm, womit eine Reduzierung der Herstellungskosten einhergeht. Die Herstellung der erfindungsgemäßen Mikropumpe ist unter Rückgriff auf eine einzige Kette aus Standardprozessen der Mikromechanik bzw. -elektronik möglich, was die Herstellung preisgünstiger Einweglösungen überhaupt erst ermöglicht. Beispielsweise kann als Mikro- oder Nanostruktur das in Plasmaätzverfahren (Standard-Verfahren der Elektronik- bzw. Mikrosystemtechnik) hergestellte Siliciumgras verwendet werden, welches einfach herstellbar ist. Aber auch andere Nanostrukturen (z. B. sogenannte Nanodrähte oder litho- grafisch hergestellte Strukturen) sind als Alternative eben¬ falls denkbar. Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, dass ergänzend zur Pumpwirkung nicht nur das Benetzungsverhalten des Fluids, sondern auch dessen Viskosität lokal im Bereich der mikro- oder nanostrukturierten Kanalinnenwand beeinflusst werden kann. Dazu können die erfindungsgemäßen Mikro- bzw. Nanostrukturen zusätzlich bzw. alternativ als Heizelemente fungieren und Wärme in das vorbeiströmende Fluid eintragen. Resultierend aus der gezielten Temperierung des Fluids kann die Flussrate des Fluids im Kanal variiert werden. Dabei kann durch die große effektive Oberfläche der Mikro- und Nanostruk- turen eine besonders hohe Energieeffizienz im Vergleich zu planaren bzw. glatten Strukturen erreicht werden, während die thermische Zeitkonstante stark verringert wird. The present invention is distinguished from the known art by a number of advantages. The micropump invention comes completely without moving (moving) parts, such. B. membranes. In addition, a dead volume can be completely or largely avoided, since the pump uses only the channel itself as the pumping chamber. The fluid to be pumped itself is used as a working or Aktormedium. With the need for additional moving masses a more energy-¬ ciency of the system special is associated. In addition, an increase in the dynamics of the system is to be expected. In addition, failure causes such as wear and fatigue are excluded from the outset. Since the pump described in significantly small ¬ ren structures based than allow current pump technology, lower volumes of fluid can still be reproducibly dosed. The Aktuierungsprinzip described bears no heat into the medium to be conveyed, which is a more ¬ term criterion for use, for example. In Microbiology and microreaction technology. The manufacturing process of the The system described simplified enormously compared to conventional ¬ len solutions, which is accompanied by a reduction in manufacturing costs. The preparation of the micropump according to the invention is possible by resorting to a single chain of standard processes of micromechanics or electronics, which makes it possible to produce low-cost disposable solutions in the first place. For example, as the microstructure or nanostructure, the silicon grass produced in plasma etching process (standard process of electronic or microsystem technology) can be used, which is easy to produce. But other nanostructures (eg. As so-called nanowires or litho- graphically made structures) are flat ¬ rate conceivable as an alternative. Another aspect of the invention is that, in addition to the pumping action, not only the wetting behavior of the fluid but also its viscosity can be locally influenced in the region of the microstructured or nanostructured channel inner wall. For this purpose, the microstructures or nanostructures according to the invention can additionally or alternatively function as heating elements and introduce heat into the fluid flowing past. As a result of the targeted temperature control of the fluid, the flow rate of the fluid in the channel can be varied. Due to the large effective surface of the micro- and nanostructures, a particularly high energy efficiency compared to planar or smooth structures can be achieved, while the thermal time constant is greatly reduced.
Neben der gezielten Temperierung des Fluids kann in Verbindung mit speziellen Flüssigkeiten (z. B. Pluronic® Solution) dieIn addition to the controlled temperature control of the fluid, in conjunction with special fluids (eg Pluronic® Solution) the
Viskosität der Flüssigkeit so beeinflusst werden, dass sich durch die Viskositätserhöhung bei Wärmeeintrag ein Pfropfen im Kanal bildet, der den Volumenstrom bremst bzw. blockiert. Auf diese Weise kann - ebenfalls ohne bewegte mechanische Teile - eine Ventilwirkung generiert werden. Der Vorteil dieses Verfahrens gegenüber Anordnungen wie beispielsweise Düsen- Diffusor-Mikroventilen liegt in der Möglichkeit, den Volumenstrom nicht nur durch Verwirbelungen bzw. Strömungsgeschwindigkeit abhängige fluidische Widerstände zu verlangsamen bzw. dem Fluid eine Vorzugsrichtung einzuprägen, sondern den Volumenstrom vollständig zum Erliegen bringen zu können. Viscosity of the liquid can be influenced so that forms a plug in the channel by the increase in viscosity at heat input, which slows down or blocks the flow. On This way can - also without moving mechanical parts - a valve action can be generated. The advantage of this method over arrangements such as nozzle diffuser micro valves lies in the ability to slow down the volume flow not only by fluidization or fluid flow dependent fluidic resistances or impart a preferred direction of the fluid, but to bring the flow completely to a halt.
Die Wirkungsweise sowie weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind dem nachfolgenden Beschreibungsteil zu entnehmen, in dem die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen dieselben Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Teile in den gesamten Figuren bezeichnen, näher erläutert. Es zeigen: The operation as well as further details and advantages of the invention will become apparent from the following description part, in which the invention with reference to the accompanying drawings, in which the same reference numerals designate like or similar parts throughout the figures, explained in more detail. Show it:
Fig. 1 - eine Prinzipdarstellung einer Mikropumpe nach dem Fig. 1 - a schematic diagram of a micropump after the
Stand der Technik;  State of the art;
Fig. 2 - eine Prinzipdarstellung einer Mikropumpe nach dem  Fig. 2 - a schematic diagram of a micropump after
Stand der Technik mit einem Piezoaktor;  Prior art with a piezoelectric actuator;
Fig. 3 - Physikalische Gegebenheiten bei der Benetzung einer  Fig. 3 - physical conditions in the wetting of a
Oberfläche mit einem Fluid;  Surface with a fluid;
Fig. 4 - CASS IE-BAXTER- und WENZEL-Zustand eines Fluids auf einer periodisch und definiert strukturierten Oberfläche ;  Fig. 4 - CASS IE BAXTER and WENZEL condition of a fluid on a periodically and well-defined structured surface;
Fig. 5 - CASS IE-BAXTER- und WENZEL-Zustand einer Flüssigkeit auf einer zufällig strukturierten Oberfläche wie z. B. Siliciumgras („black Silicon");  Fig. 5 - CASS IE BAXTER and WENZEL state of a liquid on a randomly structured surface such. Silicon grass ("black silicon");
Fig. 6 - Prinzipdarstellung des Electrowetting (on dielectrics) - EW(OD);  Fig. 6 - Schematic representation of electrowetting (on dielectrics) - EW (OD);
Fig. 7 - Prinzipdarstellung einer „virtuellen Membran" auf einer nanostrukturierten Oberfläche; Längsschnittdarstellung eines bevorzugten Ausfüh rungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Mikropumpe;FIG. 7 shows a schematic illustration of a "virtual membrane" on a nanostructured surface; FIG. Longitudinal view of a preferred Ausfüh approximately example of a micropump according to the invention;
Perspektivdarstellung des Ausführungsbeispiels de erfindungsgemäßen Mikropumpe gemäß Fig. 8. Perspective view of the embodiment of the micropump according to the invention according to FIG. 8.
Die Figuren 1 und 2 wurden bereits oben im Zusammenhang mit dem Stand der Technik näher erläutert. Zum besseren Verständnis der erfindungsgemäßen Lösung werden nachfolgend zunächst anhand der Figuren 3 bis 7 die physikali¬ schen Grundlagen erläutert, wie sie sich zum Zeitpunkt der Erfindung darstellten. Das Benetzungsverhalten eines Fluids 6 auf einer Festkörperoberfläche 8 ist grundlegend chemischen Ursprungs und stellt sich über das materialspezifische Verhältnis der Grenzflächen¬ spannungen der drei beteiligten, nicht mischbaren Phasen (fest, flüssig, gas- bzw. dampfförmig) ein. Makroskopisch äußert sich das Benetzungsverhalten im YOUNG' sehen Kontaktwinkel θγ, der ein Maß für die Benetzbarkeit von Oberflächen ist. Er ist derjenige Winkel, den die Ebene der Festkörper¬ oberfläche 8 und eine Tangente 9 an das Volumen des Fluids 6 in einem beliebigen Punkt der Dreiphasenkontaktlinie (engl. triple phase contact line, TPCL) einschließen (Fig. 3) . Als benetzend oder lyophil werden Oberflächen bezeichnet, deren Kontaktwinkel θγ in Verbindung mit einer bestimmten Flüssigkeit kleiner als 90° ist. In diesem Fall sind die Adhäsisonskräfte zwischen Festkörperoberfläche 8 und Fluid 6 größer als die Kohäsionskräfte des Fluids 6. Als entnetzend oder lyophob werden Oberflächen bezeichnet, deren Kontaktwinkel θγ in Verbindung mit einem bestimmten Fluid größer als 90° ist. Bei vollständiger Benetzung beträgt der Kontaktwinkel θγ theore- tisch 0°, bei vollständiger Entnetzung 180°. Im letzteren Falle schrumpft die Dreiphasenkontaktlinie zu einem Punkt zusammen. Generell kann man sich die Oberflächenspannung eines abgegrenzten Volumens dabei als infinitesimal dicke „Membran" an der Grenzfläche des Volumens vorstellen, die das Volumen umspannt . Figures 1 and 2 have already been explained in more detail above in connection with the prior art. For a better understanding of the inventive solution are subsequently first reference to the figures 3 to 7, the physi ¬ rule Basics explains how they presented themselves at the time of the invention. The wetting behavior of a fluid 6 on a solid surface 8 is fundamentally of chemical origin and adjusts itself via the material-specific ratio of the interfacial tensions of the three involved, immiscible phases (solid, liquid, gaseous or vaporous). Macroscopically, the wetting behavior is expressed in the YOUNG contact angle θγ, which is a measure of the wettability of surfaces. It is the angle subtended by the plane of the solid surface 8 and a tangent 9 to the volume of the fluid 6 at any point in the triple phase contact line (TPCL) (Figure 3). Wetting or lyophilic are surfaces whose contact angle θ γ in combination with a specific liquid is less than 90 °. In this case, the adhesive forces between the solid surface 8 and the fluid 6 are greater than the cohesive forces of the fluid 6. As entendenend or lyophobic surfaces are designated whose contact angle θ γ in conjunction with a particular fluid is greater than 90 °. When fully wetted, the contact angle θ γ is theoretic table 0 °, with complete dewetting 180 °. In the latter case, the three-phase contact line shrinks to a point. In general, one can imagine the surface tension of a defined volume as an infinitesimally thick "membrane" at the interface of the volume that spans the volume.
Die sogenannte YOUNG-Gleichung beschreibt den direkten Zusammenhang zwischen dem Kontaktwinkel θγ und den Grenzflächenspan- nungen, die sich zwischen den drei beteiligten Phasen ausbilden : The so-called YOUNG equation describes the direct relationship between the contact angle θ γ and the interfacial tensions that form between the three phases involved:
• Flüssig-gasförmig o~iv (engl, liquid-vapour ) Liquid-gaseous o ~ i v (liquid-vapor)
• Fest-flüssig σ5ι (engl, solid-liquid) • solid-liquid σ 5 ι (English, solid-liquid)
• Fest-gasförmig o~ sv (engl, solid-vapour ) • solid-gas o ~ sv (engl. Solid-vapor)
Die YOUNG-Gleichung basiert auf der Erkenntnis, dass die Summe aller Grenzflächenspannungen in der Dreiphasenkontaktlinie null sein muss, wenn sich das System im thermodynamischen Gleichgewicht befindet. Dazu muss o~iv in die Ebene der Festkör- peroberfläche 8 projiziert werden. Die YOUNG-Gleichung lautet: The YOUNG equation is based on the finding that the sum of all interfacial tensions in the three-phase contact line must be zero when the system is in thermodynamic equilibrium. For this, o ~ i v must be projected into the plane of the solid surface 8. The YOUNG equation is:
<X,j ' COS θγ = osv— Osi <X, j 'COS θγ = o sv - O s i
Sind alle Grenzflächenspannungen bekannt, kann über diese Gleichung der sich einstellende Kontaktwinkel ermittelt werden. If all interfacial tensions are known, the self-adjusting contact angle can be determined using this equation.
Zusätzlich zu den bisherigen Betrachtungen weichen reale Oberflächen in ihrer Topografie vom theoretisch angenommenen, ideal ebenen und glatten Profil ab. Neben der Oberflächen- rauheit auf atomarer Ebene spielen dabei auch Verunreinigungen oder sonstige Strukturierungen der Oberfläche eine Rolle. Wie in den Figuren 4 und 5 dargestellt, lassen sich auf Oberflächen mit Mikro- oder Nanos trukturen 10 nach Callies , Mathilde; Quere,. David: On water repellency, Review in: Journal of Soft Matter, 2005, No . 1, pp. 55-6 zwei grundlegende Zustände der Flüssigkeitsgrenzfläche ausmachen: · Szenario a - sogenannter WENZEL-Zustand [Wenzel , RobertIn addition to the previous considerations, real surfaces deviate in their topography from the theoretically assumed, ideally level and smooth profile. In addition to surface roughness at the atomic level, impurities or other structurings of the surface also play a role. As shown in Figures 4 and 5, on surfaces with micro or nanos structures 10 according to Callies, Mathilde; Cross ,. David: On water repellency, Review in: Journal of Soft Matter, 2005, No. 1, pp. 55-6 represent two basic states of the liquid interface: · Scenario a - the so-called WENZEL state [Wenzel, Robert
N. : Resistance of Solid Surfaces to Wetting by Water, In: Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 1936, Vol. 28, No. 8, pp. 988-994) : Das Fluid 6 füllt die Unebenheiten vollständig aus bzw. „folgt" der Oberflächen- topografie; N.: Resistance of Solid Surfaces to Water Wetting, In: Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 1936, Vol. 8, pp. 988-994): The fluid 6 completely fills out the "bumps" or "follows" the surface topography;
• Szenario b - sogenannter CASS IE-BAXTER-Zustand {Cassie, A. B. D.; Baxter, S.: Wettability of Porous Surfaces, In: Trans. Faraday Soc, 1944, Vol. 40, pp. 546-551) : Das Fluid 6 benetzt nur einen Teil der erhabenen Strukturen• Scenario b - CASS IE-BAXTER state (Cassie, A. B. D .; Baxter, S .: Wettability of Porous Surfaces, In: Trans. Faraday Soc, 1944, Vol. 40, pp. 546-551): The fluid 6 wets only part of the raised structures
10, während darunter Hohlräume 11 verbleiben, die mit dem umgebenden Gas 12 bzw. Dampf gefüllt sind. 10, while remaining cavities 11, which are filled with the surrounding gas 12 or steam.
Im WENZEL-Zustand verursachen die Mikro- oder Nanostrukturen 10 auf der Festkörperoberfläche 8 eine Vergrößerung der Oberfläche des Fluids 6 und verstärken so die Benetzungseigen- schaften in die jeweilige Richtung. Im CASSIE-BAXTER-Zustand liegt das Fluid 6 auf den erhabenen Festkörper- bzw. Nanostrukturen 10 auf. In denjenigen Bereichen oder Hohlräumen 11, in denen sich Gas 12 bzw. Dampf in den Vertiefungen befindet, stellt sich ein (gedachter) Kontaktwinkel von 180° ein. In diesem Zusammenhang wird oftmals von superlyophoben Oberflächen gesprochen. Der effektive (makroskopisch beobachtbare) Kontaktwinkel 9mak ist dabei abhängig vom Verhältnis der Kontaktflächen jeweils zum Festkörper bzw. zum Gas/Dampf 12. In the WENZEL state, the microstructures or nanostructures 10 on the solid surface 8 increase the surface area of the fluid 6 and thus enhance the wetting properties in the respective direction. In the CASSIE-BAXTER state, the fluid 6 rests on the raised solid state or nanostructures 10. In those regions or cavities 11 in which gas 12 or vapor is present in the depressions, an (imaginary) contact angle of 180 ° arises. In this context, one often speaks of superlyophobic surfaces. The effective (macroscopically observable) contact angle 9 mak is dependent on the ratio of the contact surfaces in each case to the solid or to the gas / vapor 12.
In beiden Szenarien werden die Phänomene überlagert von der sogenannten Kontaktwinkelhysterese, die die Differenz zwischen Fortschreite- und Rückzugskontaktwinkel (der Fortschreite- kontaktwinkel stellt sich während einer dynamischen Volumenzunahme an der Dreiphasenkontaktlinie ein, der Rückzugs¬ kontaktwinkel stellt sich während einer dynamischen Volumen- abnähme ein) beschreibt und gleichzeitig ein Indikator dafür ist, welchen der beiden genannten Zustände ein Fluid 6 auf der Festkörperoberfläche 9 gerade einnimmt. Sie ist die Ursache für das Anhaften selbst entnetzender Tropfen auf Festkörperoberflächen. Im WENZEL-Zustand ist die Kontaktwinkelhysterese besonders groß. Im CASS IE-BAXTER-Zustand nimmt die Kontakt¬ winkelhysterese besonders geringe Werte an, da das Fluid 6 nur eine vergleichsweise kleine Kontaktfläche zum Festkörper hat. In both scenarios, the phenomena are superimposed by the so-called contact angle hysteresis, which is the difference between Advancing and receding contact angle (Fortschreite- contact angle adjusts itself during a dynamic increase in volume at the three phase contact line, the withdrawal ¬ contact angle arises during a dynamic volume would decrease a) describes and at the same time is an indicator of which of the two states said one fluid 6 on the solid surface 9 just occupies. It is the cause of the adhesion of even de-icing drops on solid surfaces. In the IF state, the contact angle hysteresis is particularly large. In CASS IE-Baxter state, the contact ¬ angular hysteresis assumes particularly low values, since the fluid 6 has only a comparatively small contact area to the solid state.
Ein Beispiel für die Wirkung von elektrischen Feldern auf das Benetzungsverhalten von Fluiden auf Festkörperoberflächen 8, die in der Erfindung Anwendung findet, ist der Electrowetting- Effekt. Der Begriff Electrowetting wurde in den 1980er Jahren eingeführt und bezeichnet, wie in Fig. 6 dargestellt, einen kondensatorähnlichen Aufbau, bei welchem die Festkörperober- fläche 8 eine erste Elektrode 13 bildet, auf welcher sich dasAn example of the effect of electric fields on the wetting behavior of fluids on solid surfaces 8 used in the invention is the electrowetting effect. The term electrowetting was introduced in the 1980s and, as shown in FIG. 6, designates a capacitor-like structure in which the solid-state surface 8 forms a first electrode 13 on which the
Fluid 6 (i. d. R. in Form eines Tropfens) befindet. Die erste Elektrode 13 kann dabei mit einem Dielektrikum 14 (Electro- Wetting On Dielectrics - EWOD) beschichtet sein oder nicht (Electrowetting) . Das Fluid 6 wird von einer zweiten Elektrode 15 (z.B. in Form eines Drahtes) elektrisch kontaktiert. Legt man nun zwischen den beiden Elektroden 13, 15 eine elektrische Spannung Ui an, so verändert sich der Kontaktwinkel θγ des Fluids 6 auf der Festkörperoberfläche 8 in Richtung geringerer Kontaktwinkel 9Ew (Fi. 6, Abb. b) . Fluid 6 (usually in the form of a drop) is located. The first electrode 13 may be coated with a dielectric 14 (ElectroWetting On Dielectrics - EWOD) or not (electrowetting). The fluid 6 is electrically contacted by a second electrode 15 (eg in the form of a wire). If an electrical voltage Ui is now applied between the two electrodes 13, 15, then the contact angle θ γ of the fluid 6 on the solid surface 8 changes in the direction of lower contact angles 9 E w (Figure 6, Figure b).
Die These, dass die Grenzflächenspannung zwischen zwei Stoffen (z. B. flüssig-gasförmig oder flüssig-flüssig) durch das Anlegen einer elektrischen Spannung (sowohl Gleich- als auch Wech- selspannung) herabgesetzt werden kann, spiegelt sich in der den Effekt beschreibenden YOUNG-LIPPMANN-Gleichung wieder:
Figure imgf000020_0001
The thesis that the interfacial tension between two substances (eg, liquid-gaseous or liquid-liquid) by the application of an electrical voltage (both DC and AC selspannung) is reflected in the effect describing YOUNG-LIPPMANN equation:
Figure imgf000020_0001
Hierbei ist 9Ew der Kontaktwinkel während der Electrowetting- Aktuierung, θγ der YOUNGsche Kontaktwinkel, EQ die elektrische Feldkonstante ( Permittivität von Vakuum) , εΓ die relative Permittivität bzw. Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums, d die Dicke des Dielektrikums, o~iv die Grenzflächenspannung flüssig-gasförmig und U die elektrische Spannung. Here, 9 E w is the contact angle during the Electrowetting- actuation, θ γ is the Young's contact angle, EQ the electric field constant (permittivity of vacuum), ε Γ d is the relative permittivity or dielectric constant of the dielectric, the dielectric thickness, o ~ i v the interfacial tension liquid-gaseous and U the electrical voltage.
Um den Ubergang vom CASS IE-BAXTER- in den WENZEL-Zustand herbeizuführen, können u. a. Temperaturfelder, Licht und elektrische Felder angewendet werden. Insbesondere der Electrowetting-Effekt und der Einfluss elektrischer Felder auf die Benetzbarkeit werden hier erfindungsgemäß benutzt, um das Verhalten von Flüssigkeiten auf lyophoben und superlyophoben, d. h. natürlicherweise unbenetzbaren Oberflächen dynamisch einstellen zu können. Die Mikro- bzw. Nanostrukturierung kann beispielsweise durch additive (z. B. Wachstum von Nanodrähten) oder durch subtrak- tive (z. B. Ätzen von Siliciumgras ) Techniken erfolgen. In order to bring about the transition from the CASS IE-BAXTER to the WENZEL state, u. a. Temperature fields, light and electric fields are applied. In particular, the electrowetting effect and the influence of electric fields on wettability are used herein according to the invention to determine the behavior of liquids on lyophobic and super-lyophobic, d. H. to set naturally non-wettable surfaces dynamically. The microstructure or nanostructuring can be effected, for example, by additive (eg growth of nanowires) or by subtractive (eg etching of silicon grass) techniques.
Für die Realisierung einer erfindungsgemäßen Pumpe kann folgende Herangehensweise verwendet werden: Durch das Ätzen nanoskaliger Säulen auf einem Substrat wird eine hydrophobe Oberfläche erzeugt; der Säulendurchmesser beträgt 350 nm, ihre Höhe 7 μπι. Der Rasterabstand der Säulen wird zwischen 1 und 4 μπι variiert. Zur Erzeugung des typischen Electrowetting- Schichtaufbaus können die Strukturen thermisch oxidiert und auf diese Weise mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen werden. Die entnetzenden Eigenschaften der Strukturen können durch eine abgeschiedene Polymerschicht verstärkt werden. Das Fluid 6 wird nun z. B. über einen Platindraht als zweite Elektrode (in Fig. 8 nicht abgebildet) kontaktiert, das Substrat bildet die erste Elektrode. Das Anlegen einer elekt¬ rischen Spannung U führt nun gemäß der den Electrowetting- Effekt beschreibenden, fundamentalen YOUNG-LIPPMANN-Gleichung zu einer Kontaktwinkeländerung, die proportional zum Quadrat der elektrischen Spannung ist. For the realization of a pump according to the invention, the following approach can be used: By etching nanoscale columns on a substrate, a hydrophobic surface is produced; the column diameter is 350 nm, its height 7 μπι. The grid spacing of the columns is varied between 1 and 4 μπι. To produce the typical electrowetting layer structure, the structures can be thermally oxidized and in this way with an electrically insulating layer be provided. The entangling properties of the structures can be enhanced by a deposited polymer layer. The fluid 6 is now z. B. contacted via a platinum wire as a second electrode (not shown in Fig. 8), the substrate forms the first electrode. Applying a elekt ¬ step voltage U now leads according to the Electrowetting- the effect described, fundamental YOUNG Lippmann's equation to a change in contact angle, which is proportional to the square of the electric voltage.
Um eine schaltbaren Benetzung zu erreichen, muss die Systemantwortzeit sehr gering ausgelegt werden - die Änderung des Benetzungsverhaltens soll sich umgehend einstellen. Es ist dabei nicht erforderlich, dass das sich in die Mikro- oder Nanostruktur 10 hineinziehende Fluid 6 deren Grund erreicht. In order to achieve a switchable wetting, the system response time must be designed very small - the change in the wetting behavior should be adjusted immediately. It is not necessary that the fluid 6 entering the microstructure or nanostructure 10 reaches its bottom.
Um die beschriebenen Effekte für eine fluidische Systemkompo¬ nente nutzbar zu machen, wird erfindungsgemäß der Effekt genutzt, dass das Fluid reversibel vom CASSIE-BAXTER- in den WENZEL-Zustand überführt werden kann, bzw. dass die entste¬ hende Kontaktwinkeländerung (im Rahmen der Kontaktwinkelhysterese) reversibel ist. Der Übergang zwischen beiden Zuständen wird beispielsweise durch Electrowetting oder durch die Wirkung eines elektrostatischen Feldes realisiert. Er kann vollständig oder teilweise vollzogen sein. In order to make the effects described for a fluid Systemkompo ¬ component usable, is used according to the invention, the effect that the fluid can be reversibly transferred from the CASSIE Baxter in the Wenzel state, or that the entste ¬ immediate change in contact angle (within the Contact angle hysteresis) is reversible. The transition between the two states is realized for example by electrowetting or by the action of an electrostatic field. It can be complete or partial.
Erfindungsgemäß wird die beschriebene Veränderung der Eindringtiefe als Aktuierungsbewegung - d. h. als Quellenelement - genutzt, welches zur Erzeugung der Strömung dient. Das setzt voraus, dass die Aktuierungsbewegung reversibel und wiederholbar stattfindet. Dies kann durch geeignete Auslegung der Strukturierung erreicht werden. Dabei sind chemische und physikalische Gesichtspunkte der Materialen, Strukturen, Oberflächen und des zu fördernden Fluids zu beachten. According to the invention, the described change in the penetration depth is used as an actuation movement - ie as a source element - which serves to generate the flow. This presupposes that the actuation movement takes place reversibly and repeatably. This can be achieved by suitable design of the structuring. These are chemical and Consider physical aspects of the materials, structures, surfaces and the fluid to be delivered.
Erfindungsgemäß ist der vollständige Übergang vom CASSIE-BAXTER- in den WENZEL-Zustand und umgekehrt zwar als Aktuierungsbewegung geeignet, jedoch nicht zwingend notwendig: es genügt, wenn das Fluid zyklisch, aber nur teilweise in die Mikro- bzw. Nanostrukturen 10 hineingezogen wird. Auf diese Weise wird das Volumen der virtuellen Pumpkammer periodisch vergrößert bzw. verkleinert, sodass in Verbindung mit Ventilstrukturen eineAccording to the invention, the complete transition from the CASSIE-BAXTER to the WENZEL state and vice versa, although suitable as Aktuierungsbewegung, but not absolutely necessary: it is sufficient if the fluid is cyclically, but only partially drawn into the micro- or nanostructures 10. In this way, the volume of the virtual pumping chamber is periodically increased or decreased, so that in conjunction with valve structures
Pumpwirkung erzielt wird (siehe auch Fig. 8) . Pumping effect is achieved (see also Fig. 8).
In Fig. 8 ist eine Längsschnittdarstellung einer bevorzugten Aus führungs form der Erfindung gezeigt. Abbildung a) zeigt den CASS IE-BAXTER-Zustand, Abbildung b) den zumindest teilweise erreichten WENZEL-Zustand. Die Pumpkammer 2 ist durch Ventil¬ strukturen 16, die einen Zufluss 3 und einem Abfluss 4 bilden, begrenzt. Auf der Innenwand 17 der Pumpkammer 2 ist ein lyophober Volumenänderungsabschnitt, in der dargestellten Aus führungs form ausgeführt als Mikro- oder Nanostrukturen 10, vorgesehen. Die Mikro- bzw. Nanostrukturen 10 auf der Festkörperoberfläche 8 der Innenwand 17 der Pumpkammer 2 können dabei durch Lithografieverfahren, insbesondere UV-Lithografie, Nano- Imprint-Lithografie (NIL) oder Elektronenstrahllithografie, selbstmaskierende Ätzprozesse (z. B. Siliciumgras bzw. blackIn Fig. 8 is a longitudinal sectional view of a preferred imple mentation of the invention is shown. Figure a) shows the CASS IE-BAXTER state, Figure b) the at least partially achieved WENZEL state. The pumping chamber 2 is delimited by valve ¬ structures 16, forming an inlet 3 and a drain 4. On the inner wall 17 of the pumping chamber 2, a lyophobic volume change section, in the illustrated embodiment, is in the form of microstructures or nanostructures 10. The microstructures or nanostructures 10 on the solid-body surface 8 of the inner wall 17 of the pumping chamber 2 can be produced by lithography processes, in particular UV lithography, nanoimprint lithography (NIL) or electron beam lithography, self-masking etching processes (eg silicon grass or black
Silicon) oder durch selbstorganisierende Wachstumsprozesse (z. B. carbon nanotubes) erzeugt werden. Silicone) or by self-organizing growth processes (eg carbon nanotubes).
Durch den schnellen und wiederholten Wechsel zwischen CASSIE- BAXTER (Abbildung a) - und WENZEL-Zustand (Abbildung b) - je nachdem, ob eine elektrische Spannung Ui anliegt oder nicht - wird der effektive Kanalquerschnitt AK im betreffenden mikro- oder nanostrukturierten Kanalabschnitt - der Pumpkammer 2 zyklisch vergrößert bzw. verkleinert. Die durch die Oberflä¬ chenspannung gebildete Grenzfläche des Fluids 6 bildet dabei eine virtuelle Membran 18. Damit geht summiert über die Grund¬ fläche der Elektroden der Elektrodenanordnung (hier nicht dargestellt) eine Volumenänderung durch Vergrößerung undDue to the rapid and repeated change between CASSIE-BAXTER (Figure a) and WENZEL condition (Figure b) - depending on whether or not there is an electrical voltage Ui - the effective channel cross-section A K in the relevant micro- or nanostructured channel section - the pumping chamber 2 cyclically increased or decreased. The boundary surface of the fluid 6 formed by the Oberflä ¬ chenspannung forms a virtual membrane 18. This is summed over the basic ¬ surface of the electrodes of the electrode arrangement (not shown here), a volume change by expansion and
Verkleinerung der virtuellen Membran 18 einher, ohne dass sich dabei die physische Geometrie der Innenwand verändert. Durch die Kombination dieses veränderlichen, schaltbaren Volumens, welches dem Pumpenhub entspricht, mit der Ventilstruktur 16, welche eine Vorzugsrichtung für die periodische Strömung in das System einprägt (z. B. passive Mikroventile wie Düsen- Diffusor- oder Klappenmikroventile) , wird eine Pumpwirkung erzielt . Fig. 9 zeigt die in Fig. 8 dargestellte erfindungsgemäßeReduction of the virtual membrane 18 is accompanied, without changing the physical geometry of the inner wall. By combining this variable, switchable volume, which corresponds to the pump stroke, with the valve structure 16, which imprints a preferential direction for the periodic flow into the system (eg, passive microvalves such as nozzle diffuser or flapper microvalves), a pumping action is achieved , Fig. 9 shows the invention shown in Fig. 8
Mikropumpe (ohne Elektrodenanordnung) in einer räumlichen Darstellung. Mit der virtuellen Membran 18 auf der Festkörperoberfläche 8 mit Mikro- und Nanostrukturen 10 als Aktor auf der Basis von Electrowetting ohne bewegte Elemente als Vorrichtung zum Transport von Fluiden. Der oben beschriebeneMicropump (without electrode arrangement) in a spatial representation. With the virtual membrane 18 on the solid surface 8 with micro and nanostructures 10 as an actuator on the basis of electrowetting without moving elements as a device for transporting fluids. The one described above
Ansatz des Electrowettings auf ( super ) lyophoben Oberflächen wird mit den Ventilstrukturen 18, die hier als zwei passive Düsen-Diffusor-Mikroventile ausgeführt sind, kombiniert, die dem periodisch aktuierten Fluid eine Vorzugsrichtung einprä- gen, wodurch eine Pumpwirkung erzielt wird. The electrowetting approach to (super) lyophobic surfaces is combined with the valve structures 18, which are here designed as two passive nozzle diffuser microvalves, which impart a preferential direction to the periodically actuated fluid, thereby achieving a pumping action.
Voraussetzung für die Erzeugung der Pumpwirkung ist in der dargestellten Aus führungs form die elektrische Kontaktierung oder anderweitige elektrische oder elektrostatische Beeinflus- sung des Fluids 6 selbst, während die Mikro- bzw. Nanostruktu¬ ren 10 in ihrer Gesamtheit als isolierte erste Elektrode dienen. Auf diese Weise liegt erfindungsgemäß ein elektro¬ statischer Aktor vor, in welchem das Fluid 6 gleichzeitig (verformbare und bewegliche) Elektrode und Dielektrikum ist (engl, leaky dielectric) . A prerequisite for the generation of the pumping action in the illustrated disclosed embodiment, the electrical contact or other electric or electrostatic influencing the fluid 6 itself, while the micro- and Nanostruktu ¬ ren 10 as a whole serve as an isolated first electrode. In this way, according to the invention is an electro ¬ static actuator, in which the fluid 6 at the same time (deformable and movable) electrode and dielectric is (English, leaky dielectric).
Die dargestellte beispielhafte Aus führungs form kann folgender- maßen hergestellt werden: Sowohl der Kanal (Boden und Seitenwände der Mikropumpe, als auch die Ventilstrukturen 16 und die Mikro- oder Nanostrukturierung 10 werden mittels Trockenätzverfahren (z.B. reaktives Ionenätzen (RIE - reactive ion etching) oder tiefes reaktives Ionenätzen (DRIE - deep reactive ion etching, ASE - advanced Silicon etch) gefertigt.The illustrated exemplary embodiment can be manufactured as follows: both the channel (bottom and side walls of the micropump, as well as the valve structures 16 and the microstructure or nanostructuring 10 are dry-etching (eg reactive ion etching (RIE) or deep reactive ion etching (DRIE - deep reactive ion etching, ASE - advanced Silicon etch) made.
Die metallische Beschichtung erfolgt durch PVD-Verfahren (z.B. Sputtern, Bedampfen) , die dielektrische Beschichtung durch CVD-Verfahren (PECVD, LPCVD) . Die Strukturierung erfolgt jeweils durch Lithografie in Kombination mit Ätzverfahren oder mit Lift-Off-Verfahren. Abschließend wird der Kanal gedeckelt, z.B. durch anodisches Bonden mit Glas. Dem Fachmann sind solche mikroelektronischen bzw. mikrosystemtechnischen Herstellungsverfahren bekannt. Es liegt weiterhin im Bereich der Erfindung, das anstelle derMetallic coating is carried out by PVD techniques (e.g., sputtering, vapor deposition), dielectric coating by CVD (PECVD, LPCVD). The structuring is carried out in each case by lithography in combination with etching or with lift-off process. Finally, the channel is capped, e.g. by anodic bonding with glass. The person skilled in the art is familiar with such microelectronic or microsystem technology production methods. It is still within the scope of the invention, instead of the
Pumpkammer 2 in Kombination mit Ventilstrukturen 16 auch mehrere Pumpkammern 2 seriell vom Fluid 6 durchströmt werden, wobei die Vorzugsrichtung durch peristaltische (d. h. phasenverschobene) Aktuierung in das Fluid 6 eingeprägt wird. Pump chamber 2 in combination with valve structures 16 and several pump chambers 2 are serially flowed through by the fluid 6, wherein the preferred direction is impressed by peristaltic (i.e., phase-shifted) actuation in the fluid 6.
Die erfindungsgemäße Mikropumpe kann im Zusammenhang mit dem heizbaren Membranabschnitt auch als Durchflusssensor nach dem Prinzip eines Hitzedrahtanemometers oder eines kapazitiven Sensors verwendet werden. In Verbindung mit speziellen Flui- den, die bei Temperaturänderung ihre Viskosität verändern, ist die Mikropumpe als schaltbares Ventil verwendbar. Bezugszeichenliste In connection with the heatable membrane section, the micropump according to the invention can also be used as a flow sensor according to the principle of a hot wire anemometer or a capacitive sensor. In conjunction with special fluids that change their viscosity when the temperature changes, the micropump can be used as a switchable valve. LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Membran 1 membrane
2 Pumpkämmer  2 Pumpkämmer
3 Zufluss  3 inflow
4 Abfluss  4 outflow
5 - 5 -
6 Fluid 6 fluid
7 Piezoelektrisches Element  7 Piezoelectric element
8 Festkörperoberfläche  8 solid surface
9 Tangente  9 tangent
10 Mikro- und/oder Nanostrukturen  10 micro and / or nanostructures
11 Hohlraum  11 cavity
12 Gas  12 gas
13 Erste Elektrode  13 First electrode
14 Dielektrikum  14 dielectric
15 Zweite Elektrode  15 Second electrode
16 Ventilstrukturen  16 valve structures
17 Innenwand  17 inner wall
18 Virtuelle Membran  18 Virtual Membrane
Verwendete Formelzeichen Used formula symbols
ÖEW Kontaktwinkel während der Electrowetting- ■Aktuierung θγ YOUNGscher Kontaktwinkel ÖEW contact angle during electrowetting ■ actuation θγ YOUNG contact angle
0mak makroskopischer Kontaktwinkel 0 ma k macroscopic contact angle
£o elektrische Feldkonstante (Permittivität von Vakuum) relative Permittivität des Dielektrikums, d Dicke des Dielektrikums,  £ o electrical field constant (permittivity of vacuum) relative permittivity of the dielectric, d thickness of the dielectric,
Grenzflächenspannung flüssig-gas förmig Surface tension liquid-gas-shaped
sl Grenzflächenspannung fest-flüssig  sl interfacial tension solid-liquid
ösv Grenzflächenspannung fest-gasförmig  ösv interfacial tension solid-gaseous
Ui elektrische Spannung  Ui electrical voltage
AK effektiver Kanalquerschnitt A K effective channel cross section

Claims

Patentansprüche claims
1. Mikropumpe zur Erzeugung einer Strömung eines Fluids (6) mit einer Pumpkammer (2), die durch einen Einlass (3) und einen Auslass (4) begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Pumpkammer (2) ein lyophober Volumenänderungsabschnitt mit zwischen Strukturen (10) ausgebildeten Hohlräumen angeordnet ist, und dass die Mikropumpe elektrische Mittel zum zyklischen Verändern des BenetZungsverhaltens des Fluids (6) im Bereich des Volumenänderungsabschnitt umfasst, wobei das Benetzungsverhalten zwischen einem ersten entnetzenden Zustand und einem zweiten benetzenden Zustand wechselt, wodurch sich die Grenzfläche des Fluids (6) zum Volumenänderungsabschnitt ändert und das Fluid (6) im benetzenden Zustand in die Hohlräume eindringt und im entnetzenden Zustand aus den Hohlräumen austritt. A micropump for producing a flow of a fluid (6) with a pumping chamber (2) delimited by an inlet (3) and an outlet (4), characterized in that in the pumping chamber (2) a lyophobic volume changing section is interposed Structures (10) formed cavities is arranged, and that the micropump comprises electrical means for cyclically changing the wetting behavior of the fluid (6) in the region of the volume change section, wherein the wetting behavior between a first de-wetting state and a second wetting state changes, whereby the interface of the fluid (6) to the volume change section changes and the fluid (6) penetrates in the wetting state in the cavities and exits in the de-wetting state of the cavities.
Mikropumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Mittel zum zyklischen Verändern des Benet- zungsverhaltens des Fluids (6) durch eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode gebildet ist, zwischen denen ein Dielektrikum vorgesehen ist, wobei die Elektroden innerhalb oder außerhalb der Pumpkammer angeordnet sind. Micropump according to claim 1, characterized in that the electrical means for cyclically changing the wetting behavior of the fluid (6) is formed by a first electrode and a second electrode, between which a dielectric is provided, the electrodes inside or outside the pumping chamber are arranged.
Mikropumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenänderungsabschnitt die erste Elektrode bildet und die zweite Elektrode innerhalb oder außerhalb der Pump¬ kammer vorgesehen ist, um das Fluid (6) zu kontaktieren, wobei zwischen den Elektroden oder auf einer der Elektroden ein Dielektrikum ausgebildet ist. Mikropumpe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum als Beschichtung auf der ersten Micropump according to claim 2, characterized in that the volume change section forms the first electrode and the second electrode is provided inside or outside the pump chamber ¬ to contact the fluid (6), wherein formed between the electrodes or on one of the electrodes, a dielectric is. Micropump according to claim 2 or 3, characterized in that the dielectric as a coating on the first
Elektrode oder auf der zweiten Elektrode ausgebildet ist. Electrode or formed on the second electrode.
Mikropumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenänderungsabschnitt Mikro- oder Nanostrukturen (10) aufweist, die als nadel-, säulen- oder linienartige Erhebungen bzw. Vertiefungen ausgebildet und zufällig oder regelmäßig verteilt angeordnet sind. Micropump according to one of claims 1 to 4, characterized in that the volume change section micro or nanostructures (10), which are formed as needle, column or line-like elevations or depressions and arranged distributed randomly or regularly.
Mikropumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikro- oder Nanostrukturen (10) durch „black Silicon" oder „Silicongras" gebildet sind. Micropump according to claim 5, characterized in that the microstructures or nanostructures (10) are formed by "black silicon" or "silicon grass".
Mikropumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (3) und/oder der Auslass (4) durch eine passive Ventilstruktur (16) ausgebildet sind/ist . Micropump according to one of claims 1 to 6, characterized in that the inlet (3) and / or the outlet (4) by a passive valve structure (16) is / is formed.
Mikropumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilstruktur (16) ein Düsen-Diffusor-Mikroventil ist. Micropump according to claim 7, characterized in that the valve structure (16) is a nozzle diffuser microvalve.
Mikropumpe nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilstruktur (16) kaskadiert ausgeführt ist. Micropump according to claim 7 or 8, characterized in that the valve structure (16) is designed cascaded.
Mikropumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpkammer (2) mindestens einen weiteren lyophoben Volumenänderungsabschnitt und mindestens ein weiteres elektrisches Mittel zum zyklischen Verändern des Benetzungsverhaltens des Fluids (6) umfasst. Micropump according to one of claims 1 to 9, characterized in that the pumping chamber (2) comprises at least one further lyophobic volume change section and at least one further electrical means for cyclically changing the wetting behavior of the fluid (6).
11. Mikropumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpkammer (2), die Ventilstruktur und (16) der Volumenänderungsabschnitt aus demselben Mate¬ rial, vorzugsweise einteilig gefertigt sind. 11. Micropump according to one of claims 1 to 10, characterized in that the pumping chamber (2), the valve structure and (16) of the volume change section of the same Mate ¬ rial, preferably are made in one piece.
12. Pumpensystem umfassend mehrere in Reihe oder parallel ange¬ ordnete Mikropumpen nach einem der Ansprüche 1 bis 11. 12. Pump system comprising a plurality of series or parallel ¬ arranged micropumps according to one of claims 1 to 11.
13. Mikrokanalsystem zum Fördern eines Fluids (6) mit mehreren Kanalabschnitten, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Kanalabschnitten mindestens eine Mikropumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 angeordnet ist. 13. microchannel system for conveying a fluid (6) having a plurality of channel sections, characterized in that between the channel sections at least one micropump according to one of claims 1 to 11 is arranged.
14. Mikrokanalsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalabschnitte jeweils eine Kanalquerschnitts¬ fläche aufweisen, die unterschiedlich zu einer Pumpkammer- querschnittsfläche ist. 14. microchannel system according to claim 13, characterized in that each of the channel sections have a channel cross-section ¬ surface that is different cross-sectional area to a Pumpkammer-.
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