MIKROEJEKTIONSPUMPE

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Mikroejektionspumpe zur Generation von Mikrotropfen, bestehend aus mindestens einer in einem Siliziumchip ausgebildeten Pumpkammer, einer über der Pumpkammer angeordneten und piezoelektrisch betätigbaren Siliziummembran, wobei die Pumpkammer mit wenigstens einem Zulaufkanal und einem mit einer Ausstoßöffnung versehenen Auslaßkanal verbunden ist und bei der ein Glaschip gegenüber der Siliziummembran zumindest die Pumpkammer verschließt.

[0002] Mit Hilfe derartiger Mikroejektionspumpen wird die Handhabung kleinster Flüssigkeitsmengen ermöglicht, die sowohl reine Stoffe oder Stoffgemische sein können, oder auch in Flüssigkeiten suspensierte Mikropartikel enthalten, die in der chemischen Analytik, der Medizintechnik, der Biotechnologie usw., einer gezielten Weiterverarbeitung zugeführt werden sollen.

[0003] Diese Mikroejektionspumpen erlauben im Zusammenhang mit einer geeigneten Handhabungsvorrichtung, z.B. Manipulatoren, die zielgerichtete Abgabe dieser Stoffe an den Ort einer Probenweiterverarbeitung bzw. eines Probenabfalls. Mit Hilfe einer entsprechenden Positioniertechnik können Probennahme- und Probenablageort unterschiedlich sein.

[0004] Dieser Probenablageort kann eine Flüssigkeitsoberfläche, eine Festkörperoberfläche oder auch eine gasgefüllte Reaktionskammer sein.

[0005] Eine für obige Einsatzfälle vorgesehene Mikropumpe ist aus der US 50 94 594 A bekannt geworden. Diese Mikropumpe besteht aus einer Pumpeinheit mit einer zugehörigen Pumpkammer und einem deformierbaren Kammersegment, auf dem ein elektrisch ansteuerbares Piezoelement angeordnet ist. Die zu fördernde Flüssigkeit wird der Pumpkammer über eine Einlaßkapillare (Zulaufkanal) zugeführt. Die durch die Betätigung des Piezoelementes auf das deformierbare Kammersegment wechselweise ausgeübte Kraft bewirkt eine stetige Druckänderung in der Pumpkammer, so daß abwechselnd ein Beladen derselben über die Einlaßkapillare und ein Ausstoßen der Flüssigkeit über eine mit der Pumpkammer in Verbindung stehende Auslaßkapillare erfolgt.

[0006] Um eine ausreichende Pumpwirkung zu erreichen, sind in der Einlaß- und der Auslaßkapillare jeweils piezoelektrisch betätigbare Ventile vorgesehen.

[0007] Die Herstellung einer derartigen Mikropumpe im Siliziumsubstrat kann mit Hilfe der bekannten fotolithografischen Verfahren und des anisotropischen Strukturätzens erfolgen. Auf das so strukturierte Siliziumsubstrat wird anschließend durch anodisches Bonden eine Glasplatte aufgebracht und so ein fester Glas-Silizium-Verbund geschaffen.

[0008] Mit einer derartigen Mikropumpe ist es möglich, kleine Flüssigkeitsmengen zu applizieren, wobei jedoch ein relativ eingeschränkter Frequenzbereich und damit auch eine begrenzte Förderrate zur Verfügung steht. Mit der vorstehend beschriebenen Mikropumpe läßt sich beispielsweise eine Fördermenge von etwa 500 Pikoliter erreichen. Zur Gewährleistung der nötigen Funktionssicherheit dieser Mikropumpe ist es erforderlich, daß die Flüssigkeiten oder Suspensionen eine möglichst geringe Viskosität aufweisen.

[0009] Weiterhin ist aus der WO,A,9419609 eine Mikropumpe ersichtlich, die eine Pumpkammer mit veränderbarem Kammervolumen und einem Flüssigkeitseinlaß sowie einem Flüssigkeitsauslaß enthält. Um hier einen Flüssigkeitstransport durch die Pumpkammer in Richtung zum Flüssigkeitsauslaß zu erreichen und gleichzeitig auf die sonst erforderlichen verschleißbehafteten Ventile zu verzichten, ist hier eine Kombination eines Diffusors mit einer Düse vorgesehen. Der Diffusor ist hier dem Flüssigkeitseinlaß und die Düse dem Flüssigkeitsauslaß zugeordnet.

[0010] Die Erzeugung von einzelnen Mikrotropfen mit definiertem Tropfenvolumen ist mit dieser Mikropumpe jedoch nicht möglich.

[0011] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mikroejektionspumpe zu schaffen, die das Handling von Flüssigkeiten oder Suspensionen, oder auch von verflüssigbaren Stoffen, im Volumenbereich von einigen Pikolitern bis zu einigen hundert Mikrolitern, ermöglicht, die eine hohe Frequenzstabilität aufweist und mit der die Erzeugung von einzeln zählbaren, gerichteten, impulsbehaftet beschleunigten und hinsichtlich ihres Tropfenvolumens definiert und reproduzierbaren Mikrotropfen möglich ist.

[0012] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Mikroejektionspumpe der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der im Siliziumchip befindliche Zulaufkanal in Richtung zur Pumpkammer zumindest teilweise als Diffusorelement mit einem Öffnungswinkel bis 10° ausgebildet ist und daß der Auslaßkanal als Mikrokapillare ausgebildet ist, die mit einer Auslaßöffnung in einer Austrittsebene mündet.

[0013] Durch die erfindungsgemäße Einfügung des Diffusorelementes vor die Pumpkammer wird die Frequenzstabilität der Mikroejektionspumpe erheblich verbessert. Die Anisotropie des Diffusorströmungswiderstandes unterstützt im Pumpmodus die Tropfenbildung, d.h. es entsteht eine Düsenwirkung entlang des positiven Druckgefälles und im Belademodus wird der Flüssigkeitsnachfluß in die Pumpkammer unterstützt, d.h. es entsteht eine Diffusorwirkung entlang des positiven Druckgefälles. Darüberhinaus wird durch die Diffusorwirkung im Belademodus die Generation von Luftblasen in der Pumpkammer bei hohen Frequenzen wirkungsvoll unterdrückt. Auf diese Weise können extrem hohe Förderraten bis zu ca. 750 µl/min bei einer Anregungsfrequenz bis ca. 6500 Hz erreicht werden. Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Mikroejektionspumpe zum Drucken kann durch den Diffusor eine höhere Druckgeschwindigkeit erreicht werden.

[0014] Der Auslaßkanal ist weiterhin als Mikrokapillare ausgebildet, so daß die Probenabgabe in Form einzeln zählbarer, gerichteter, impulsbehaftet beschleunigter und hinsichtlich ihres Tropfenvolumens definierter Mikrotropfen reproduzierbar erfolgt. Das Volumen der Tropfen und die Förderrate sind durch die elektrischen Parameter (Frequenz, Amplitude, Impulsform) der Pumpensteuerung einstellbar.

[0015] Die beste Wirkung wird erreicht, wenn das Diffusorelement der Pumpkammer unmittelbar vorgeordnet wird, bzw. sich unmittelbar bis an die Pumpkammer erstreckt, wobei das Diffusorelement in einer ersten Variante der Erfindung einen konstanten Öffnungswinkel aufweist.

[0016] Der Öffnungswinkel des Diffusorelementes sollte bevorzugt bei 3 - 5° liegen.

[0017] In einer zweiten Variante der Erfindung weist das Diffusorelement eine sich stetig verändernden Öffnungswinkel auf. Der Öffnungswinkel kann sich beispielsweise stetig vergrößern.

[0018] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Pumpkammer einen Grundriß mit geraden oder gekrümmten Begrenzungslinien auf, wobei das Diffusorelement in einer Eingangszone der Pumpkammer mündet. Zusätzlich ist die Mikrokapillare zwischen der Pumpkammer und der Ausstoßöffnung mit weiteren Zulaufkanälen verbindbar. Damit ist es möglich, der durch die Pumpkammer geförderten Flüssigkeit weitere Substanzen gezielt zuzumischen.

[0019] Die Mikroejektionspumpe besteht bevorzugt aus einen Verbund aus einem mikromechanisch strukturierten Siliziumchip und einem Glaschip.

[0020] Zur Vermeidung einer unnötigen Kontamination ist die Mikroejektionspumpe, d.h. der Verbund aus dem Siliziumchip und dem Glaschip, in Richtung zur Ausstoßöffnung des Auslaßkanales in x- und/oder y-Richtung verjüngt. Damit wird gewährleistet, daß beim oberflächlichen Eintauchen der Mikroejektionspumpe in eine Flüssigkeit nur eine äußerst geringe Oberflächenkontamination stattfindet, die anschließend in einem Reinigungsschritt entsprechend leicht entfernt werden kann. Damit kann auf einfache Weise verhindert werden, daß Substanzen unbeabsichtigt und unbemerkt verschleppt werden können. Die erfindungsgemäße Mikroejektionspumpe ist deshalb auch zur Manipulation kleinster Flüssigkeitsmengen besonders geeignet.

[0021] Die Verjüngung in x-Richtung kann dabei vorteilhaft während des Trennsägens des Siliziumchips ausgebildet werden, wohingegen die Verjüngung in y-Richtung während des anisotropen Strukturätzens ausgebildet werden kann.

[0022] Selbstverständlich ist es auch möglich, die Verjüngungen nachträglich durch einen abschließenden Schleifprozeß auszubilden.

[0023] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Siliziumchip direkt und temperaturgeregelt beheizbar, d.h. es wird der ohmsche Widerstand des Siliziums ausgenutzt, indem der Heizeffekt infolge Joulscher Wärme im Siliziummaterial erzeugt wird.

[0024] Die Heizung ist bevorzugt in die Siliziummembran integriert, bzw. wirkt unmittelbar auf diese, wobei die elektrischen Kontakte sich seitlich gegenüberliegend am Siliziumchip angeordnet sind.

[0025] Durch die erfindungsgemäße Fortbildung der Erfindung mit der zumindest auf die Pumpkammer wirkenden Heizung werden die Anwendungsmöglichkeiten in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Anordnung des Diffusorelementes ganz erheblich erweitert, ohne daß zusätzliche konstruktive Änderungen an der Mikroejektionspumpe selbst, z.B. bezüglich der Dimensionierung, erforderlich wären. Darüberhinaus ist es durch die Heizung möglich, auf schnelle und einfache Weise eine äußerliche Trocknung der Mikroejektionspumpe vorzunehmen.

[0026] Außerdem ist es ist nunmehr möglich, auch hochviskose Flüssigkeiten, die unter Wärmeeinwirkung niedrigviskos, d.h. flüssig werden, zu handhaben. Solche Flüssigkeiten können z.B. glucosehaltige oder ölige Substanzen sein, die dann unter Ausnutzung der Vorteile des Diffusorelementes gefördert werden können.

[0027] Bei entsprechender Auslegung der Heizung können sogar aufgeschmolzene Metalle, z.B. Zinn oder Zinn-Blei-Legierungen, oder andere Substanzen, die ansonsten wegen deren Viskosität in der Mikroejektionspumpe nicht förderbar sind, problemlos gefördert werden. Damit können diese Substanzen thermisch aktiviert gefördert und auch gedruckt werden.

[0028] In einer weiteren Fortführung der Erfindung ist auf dem Siliziumchip ein Temperatursensor mit einer zugehörigen Steuerschaltung angeordnet. Damit ist es möglich, in Verbindung mit einem geeigneten Durchflußmesser sämtliche Parameter der Mikroejektionspumpe elektrisch zu regeln, so daß verlustlos genau definierte Flüssigkeitsmengen abgegeben werden können.

[0029] Die elektrischen Kontakte und der Temperatursensor sollten aus einem chemisch neutralen Material bestehen, wobei fotolithografisch strukturierte Platin- oder Tantalschichten hierfür besonders geeignet sind.

[0030] Eine besonders vorteilhafte Fortführung der Erfindung ist durch eine Parallelanordnung von mehreren Pumpkammern mit jeweils einem zugehörigen Einlaßdiffusor und Auslaßkanälen.

[0031] Damit wird eine äußerst leistungsfähige Mikroejektionspumpe geschaffen, mit der wahlweise ein hochparalleles Arbeiten möglich ist, oder bei der die Pumpkammern separat angesteuert werden. Letztere Variante erlaubt gleichzeitig oder zeitlich gestaffelt unterschiedliche Materialien oder Flüssigkeiten zu handhaben.

[0032] Bei der Parallelanordnung ist es zweckmäßig, zwischen den einzelnen Auslaßkanälen zusätzlich jeweils einen Absaugkanal vorzusehen, der ebenfalls in der Austrittsebene mündet. Damit wird zuverlässig verhindert, daß sich die aus einer Austrittsöffnung austretende Flüssigkeit über benachbarte Austrittsöffnungen ausbreiten kann.

[0033] Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die einzelnen Zeichnungsfiguren zeigen:

Fig. 1

eine schematisch im Schnitt dargestellte Draufsicht auf die Mikroejektionspumpe;

Fig. 2

eine im Schnitt dargestellte Seitenansicht der Mikroejektionspumpe nach Fig. 1;

Fig. 3

die Draufsicht auf die Mikroejektionspumpe nach Fig. 1 und 2;

Fig. 4

eine schematische Darstellung einer Variante der Mikroejektionspumpe mit runder Pumpkammer;

Fig. 5

eine Mikroejektionspumpe mit einem Mehrkanalsystem;

Fig. 6

eine Mikroejektionspumpe mit Verjüngungen in x-Richtung;

Fig. 7

eine Mikroejektionspumpe mit Verjüngungen in y-Richtung;

Fig. 8

die Rückansicht des Siliziumchips für eine Mikroejektionspumpe mit Temperatursensor und Steuerschaltung; und

Fig. 9

die Vorderansicht des Siliziumchips nach Fig. 8 mit ovaler Pumpkammer.

[0034] Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Mikroejektionspumpe 1 besteht aus einem Verbund aus einem Siliziumchip 2 und einem Glaschip 3, die durch anodisches Bonden miteinander verbunden sind. Das Siliziumchip 2 ist zweiseitig strukturiert, wobei auf der dem Glaschip 3 gegenüberliegenden Seite eine flache Pumpkammer 4 ausgebildet ist, die durch eine Siliziummembran 5 nach außen hin verschlossen ist (Fig. 2). Auf dieser Siliziummembran 5 ist ein piezoelektrischer Plattenaktuator 6 beispielsweise mittels der bekannten Chipbondtechnik befestigt. Mit Hilfe dieses Plattenaktuators erfolgt eine Auslenkung der Siliziummembran 5, so daß das Volumen der Pumpkammer 4 abwechselnd vergrößert bzw. verkleinert wird, wodurch die Pumpwirkung erreicht wird.

[0035] Die Ansteuerung des piezoelektrischen Plattenaktuators 6 kann durch eine nicht dargestellte elektronische Steuerung mit vorgegebener Frequenz und Amplitude erfolgen. Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, für den Einschaltimpuls eine hohe Flankensteilheit, d.h. einen stoßartigen Einschaltimpuls vorzugeben. Der nachfolgende Ausschaltimpuls kann einen gedämpften flachen Verlauf aufweisen, z.B. entsprechend einer e-Funktion. Damit wird das Pumpverhalten der erfindungsgemäßen Mikroejektionspumpe weiter verbessert.

[0036] Es ist weiterhin zweckmäßig, den piezoelektrischen Plattenaktuator 6 vor dem Einschaltimpuls mit einer Vorspannung zu beaufschlagen. Die Vorspannung sollte dabei der Polarität des Einschaltimpulses entgegengerichtet sein. Durch das dadurch im Belademodus zur Verfügung stehende größere Volumen der Pumpkammer 4 wird eine deutliche Verbesserung der Pumpleistung der Mikroejektionspumpe 1 erreicht.

[0037] Weiterhin ist die Pumpkammer 4 mit einem Zulaufkanal 7 und einem Auslaßkanal 8 versehen, wobei der Auslaßkanal 8 mit einer Ausstoßöffnung 9 zum Ausstoßen einzelner Mikrotropfen 10 versehen ist. Die Pumpkammer 4 weist einen im wesentlichen quadratischen oder rechteckigen Grundriß auf, wobei der mit einem Fluideinlaß 16 (Fig. 8, 9) verbundene Zulaufkanal 7 in eine Eingangszone der Pumpkammer 4 mündet. Der Auslaßkanal 8 ist auf der gegenüberliegenden Seite der Pumpkammer angeordnet. Prinzipiell kann die Pumpkammer 4 auch einen Grundriß mit gekrümmten Begrenzungslinien aufweisen und beispielsweise rund (Fig. 4), oder auch oval (Fig. 9) sein.

[0038] Der Zulaufkanal 7 ist als Diffusorelement 11 ausgebildet, d.h. der Zulaufkanal 7, oder ein Teil desselben erweitert sich in Richtung zur Pumpkammer 4. Das Diffusorelement 11 kann dabei derart ausgestaltet sein, daß der Öffnungswinkel über die gesamte Länge des Diffusorelementes 11 konstant ist. Selbstverständlich ist es auch möglich, das Diffusorelement 11 so auszugestalten, daß sich der Öffnungswinkel stetig verändert. So kann sich der öffnungswinkel innerhalb vorgegebener Grenzen auch stetig vergrößern (Fig. 9)

[0039] Prinzipiell ist es möglich, den als Mikrokapillare ausgebildeten Auslaßkanal 8 zwischen der Pumpkammer 4 und der Ausstoßöffnung 9 mit weiteren Zulaufkanälen zu verbinden. Damit können der aus der Pumpkammer 4 geförderten Flüssigkeit weitere Substanzen zugemischt werden, was die Einsatzmöglichkeiten der Mikroejektionspumpe erheblich erweitert.

[0040] Die erfindungsgemäße Ausstattung der Mikroejektionspumpe 1 mit dem Diffusorelement 11 ermöglicht einen stabilen Betrieb über einen großen Frequenzbereich, bzw. kann die Förderrate über die Anregungsfrequenz für den Plattenaktuator 6 geregelt werden, wobei ein besonders steiler Einschaltimpuls und ein flacher Abschaltimpuls besonders von Vorteil sind, da dadurch das Entstehen von Gasblasen in der Pumpkammer 4 ebenfalls verhindert wird.

[0041] Eine weitere Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten für die Mikroejektionspumpe ermöglicht die Integration einer Heizung zumindest in die Siliziummembran 5 des Siliziumchips 2.

[0042] Damit kann die Mikroejektionspumpe 1 nicht nur zum Handling von Flüssigkeiten oder Suspensionen mit niedriger Viskosität eingesetzt werden, sondern auch für solche Materialien, die bei einer Temperaturerhöhung niedrig- oder niedrigerviskos werden. Ein anderer Aspekt der integrierten Heizung ist darin zu sehen, daß dadurch auch eine einfache Trocknung der benetzten Bereiche der Mikroejektionspumpe 1 ermöglicht wird. Beispielsweise können dadurch äußere benetzte Bereiche der Mikroejektionspumpe 1 schnell getrocknet werden, wodurch ein Verschleppen von Flüssigkeiten sicher verhindert werden kann.

[0043] Die Integration der Heizung kann auf einfache Weise dadurch erfolgen, daß der elektrische Widerstand des Siliziumchips 2 unmittelbar zur Heizung ausgenutzt wird. Dazu sind zur elektrischen Kontaktierung elektrische Kontakte 17, 18 vorgesehen, die sich in Längsrichtung seitlich gegenüberliegend am Siliziumchip 2 erstrecken (Fig. 8). In Verbindung mit einem auf dem Siliziumchip 2 angeordneten Temperatursensor 19 mit zugehöriger Steuerschaltung 20 können somit auch an sich hochviskose Flüssigkeiten oder Suspensionen, wie Öle, Fette oder glucosehaltige Flüssigkeiten durch die Mikroejektionspumpe 1 gefördert werden. Bei entsprechender -Auslegung der Heizung lassen sich auf diese Weise sogar aufschmelzbare Metalle fördern, so daß die Mikroejektionspumpe 1 auch zum Drucken von Metallen wie Zinn oder Blei-Zinn-Legierungen oder anderen Stoffen geeignet ist.

[0044] Da das Einsatzgebiet der Mikroejektionspumpe 1 grundsätzlich nicht eingeschränkt ist, müssen alle Teile die mit Flüssigkeiten in Berührung kommen können, chemisch neutral sein. Aus diesem Grund ist es zweckmäßig, die elektrischen Kontakte 17, 18 und den Temperatursensor 19 aus einer fotolithografisch strukturierten Platin- oder Tantalschicht herzustellen.

[0045] Um weiterhin die benetzte bzw. kontaminierte Fläche der Mikroejektionspumpe 1 beim Absetzen von Flüssigkeiten auf oder in Flüssigkeitsoberflächen so gering wie möglich halten zu können, ist es von Vorteil, wenn der Verbund aus dem Siliziumchip 2 und dem Glaschip 3 in Richtung zur Ausstoßöffnung 9 des Auslaßkanales 8 in x- und/oder y-Richtung verjüngt ist, wie dies in den Fig. 6 bis 9 prinzipiell dargestellt ist. Das kann dadurch erfolgen, daß die Verjüngung 14 in x-Richtung während des Trennsägens des Siliziumchips 2 ausgebildet wird. Die Verjüngung 15 in y-Richtung läßt sich auf einfache Weise während des anisotropen Strukturätzens des Halbleiterchips 2 ausbilden.

[0046] Selbstverständlich können die Verjüngungen 14; 15 auch durch einen abschließenden Schleifprozeß ausgebildet werden, wobei in diesem Fall auch eine Verjüngung des Glaschips 3 in y-Richtung hergestellt werden kann.

[0047] Eine weitere Möglichkeit, diese Kontamination auf einem Minimum halten zu können, besteht darin, den Eintauchbereich der Mikroejektionspumpe 1 mit einer hydrophoben Oberflächenbehandlung zu versehen. Das kann durch Silanisierung oder durch Beschichtung z.B. mit einer Schicht, die einer Teflonbeschichtung ähnlich ist, erfolgen. Diese Schicht aus Kohlenstoff und Fluor kann mit Hilfe des Verfahrens der Plasmapolymerisation hergestellt werden. Generell muß hierbei jedoch beachtet werden, daß der innere das Fluid führende Kanal- und Kammerbereich der Mikroejektionspumpe 1 nicht mit beschichtet wird.

[0048] Die Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, daß durch das Diffusorelement 11 eine erhebliche Verbesserung der Frequenzstabilität der Mikroejektionspumpe 1 erreicht wird. Die Anisotropie des Strömungswiderstandes des Diffusorelementes 11 unterstützt im Pumpmodus die Bildung der Mikrotropfen 10, d.h. es entsteht eine Düsenwirkung entlang des positiven Druckgefälles. Im Belademodus der Pumpkammer 4 wird der Flüssigkeitsnachfluß unterstützt, d.h. es entsteht eine Diffusorwirkung entlang des positiven Druckgefälles. Darüberhinaus wird durch die Diffusorwirkung im Belademodus die Erzeugung von Luftblasen in der Pumpkammer 4 insbesondere bei hohen Anregungsfrequenzen des Plattenaktuators 6 wirkungsvoll unterdrückt. Damit ist die Mikroejektionspumpe 1 über ein großes Frequenzspektrum einsetzbar und es können auch extrem hohe Förderraten bis zu ca. 750 µl/min, bei einer Anregungsfrequenz bis ca. 6500 Hz, erreicht werden.

[0049] Mit Hilfe der in das Siliziumchip 2 integrierten Heizung sowie den Temperatursensor 19 mit der zugehörigen Steuerschaltung 20 kann die Mikroejektionspumpe 1 für beliebige Flüssigkeiten, Suspensionen auch höherer Viskosität und auch aufschmelzbare Metalle u.dgl. eingesetzt werden, wenn diese Materialien in einem vertretbaren Temperaturbereich genügend niedrigviskos gemacht werden können. Auch läßt sich, wie bereits dargelegt, eine schnelle Trocknung benetzter Bereiche der Mikroejektionspumpe 1 herbeiführen.

[0050] Die Zuführung der zu handhabenden Materialien von einem Vorratsbehälter zur Pumpkammer 4 kann über übliche Schlauchleitungen erfolgen.

[0051] Die Anwendung der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Mikroejektionspumpe 1 mit dem Diffusorelement 11 ist nicht darauf beschränkt, daß nur eine Pumpkammer 4 vorhanden ist. Es ist problemlos möglich, Mikroejektionspumpen zu schaffen, die eine Parallelanordnung von Pumpkammern 4 in Verbindung mit den erfindungsgemäßen Diffusorelementen 11 aufweisen (Fig. 5).

[0052] Wird diese Parallelanordnung parallgeschaltet, so wird eine äußerst leistungsfähige Mikroejektionspumpe geschaffen. Auch ist ein hochparalleles Arbeiten möglich, indem die einzelnen Pumpkammern 4 entsprechend separat angesteuert werden,

[0053] In letzterem Fall ist es jedoch zweckmäßig, zwischen den einzelnen Auslaßkanälen 9 zusätzlich jeweils einen Absaugkanal 21 vorzusehen, der ebenfalls in der Austrittsebene 22 mündet. Damit kann die Ausbreitung von Flüssigkeit in der Austritsebene 22 und damit eine Kontamination benachbarter Austrittsöffnungen 9 sicher verhindert werden.

[0054] Die technologische Realisierung der erfindungsgemäßen Mikroejektionspumpe 1 kann durch die Anwendung der bekannten mikrotechnischen Mikroformgebung erfolgen und die Verbindung des Siliziumchips 2 mit dem Glaschip 3 mit Hilfe des anodischen Bondens.

[0055] In einem ersten Präparationsprozeß, bestehend aus den Teilschritten thermische Oxidation, Fotolithografie und anisotropes Strukturätzen, wird zunächst das zweiseitig strukturierte Siliziumchip 2 hergestellt. Dieses Siliziumchip 2 erhält dabei die Strukturen einer Mikroejektionspumpe 1 mit dem Auslaßkanal 8, der Pumpkammer 4 mit zugehöriger Siliziummembran 5 sowie den Zulaufkanal 7 mit Diffusorelement 11. Das so strukturierte Siliziumchip 2 wird nach einer mehrstufigen Reinigung mit einem Glaschip 3, bestehend aus einer Pyrex 7740-Glasplatte, durch anodisches Bonden zu einem festen Silizium-Glas-Verbund zusammengefügt. Die Herstellung der parallelen Anordnung kann auf die gleiche Art und Weise erfolgen, wie vorstehend beschrieben.

[0056] Die Dicke der Glasplatte beträgt beispielsweise 1 mm und die der Siliziummembran zwischen 50 - 190 µm. Die Dicke der piezoelektrischen Plattenaktuatoren 6 sollte im Bereich von 100 - 260 µm liegen.

Bezugszeichenliste

[0057] 

1

Mikroejektionspumpe

2

Siliziumchip

3

Glaschip

4

Pumpkammer

5

Siliziummembran

6

Plattenaktuator

7

Zulaufkanal

8

Auslaßkanal

9

Ausstoßöffnung

10

Mikrotropfen

11

Diffusorelement

12

Zulaufkanal

13

Zulaufkanal

14

Verjüngung in x-Richtung

15

Verjüngung in y-Richtung

16

Fluideinlaß

17

Rontakt

18

Kontakt

19

Temperatursensor

20

Steuerschaltung

21

Absaugkanal

22

Austrittsebene

Ansprüche

1. Mikroejektionspumpe zur Generation von Mikrotropfen, bestehend aus mindestens einer in einem Siliziumchip ausgebildeten Pumpkammer, einer über der Pumpkammer angeordneten und piezoelektrisch betätigbaren Siliziummembran, wobei die Pumpkammer mit wenigstens einem Zulaufkanal und einem mit einer Ausstoßöffnung versehenen Auslaßkanal verbunden ist und bei der ein Glaschip gegenüber der Siliziummembran die Pumpkammer verschließt, wobei sich der Zulauf- und der Auslaßkanal (7, 8) auf gegenüberliegenden Seiten der Pumpkammer (4) befinden, dadurch gekennzeichnet, daß der im Siliziumchip (2) befindliche Zulaufkanal (7) in Richtung zur Pumpkammer (4) zumindest teilweise als Diffusorelement (11) mit einem Öffnungswinkel bis 10° ausgebildet ist und daß der Auslaßkanal (8) als Mikrokapillare ausgebildet ist, die mit einer Ausstoßöffnung (9) in einer Austrittsebene (22) mündet.

2. Mikroejektionspumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Diffusorelement (11) der Pumpkammer (4) unmittelbar vorgeordnet ist.

3. Mikroejektionspumpe nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Diffusorelement (11) einen konstanten Öffnungswinkel aufweist.

4. Mikroejektionspumpe nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungswinkel bevorzugt 3 - 5 ° beträgt.

5. Mikroejektionspumpe nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Diffusorelement (11) einen sich stetig verändernden Öffnungswinkel aufweist.

6. Mikroejektionspumpe nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpkammer (4) einen Grundriß mit geraden oder gekrümmten Begrenzungslinien aufweist.

7. Mikroejektionspumpe nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaßkanal (8) zwischen der Pumpkammer (4) und der Ausstoßöffnung (9) mit weiteren Zulaufkanälen verbindbar ist.

8. Mikroejektionspumpe nach den Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen Verbund aus einem mikromechanisch strukturierten Siliziumchip (2) und einem Glaschip (3).

9. Mikroejektionspumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbund aus dem Siliziumchip (2) und dem Glaschip (3) in Richtung zur Ausstoßöffnung (9) des Auslaßkanales (8) in x- und/oder y-Richtung verjüngt ist.

10. Mikroejektionspumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verjüngung (14) in x-Richtung während des Trennsägens des Siliziumchips (2) ausgebildet worden ist.

11. Mikroejektionspumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verjüngung (15) in y-Richtung während des anisotropen Strukturätzens ausgebildet worden ist.

12. Mikroejektionspumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verjüngung (14; 15) durch einen abschließenden Schleifprozeß ausgebildet worden ist.

13. Mikroejektionspumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliziumchip (2) direkt und temperaturgeregelt beheizbar ist.

14. Mikroejektionspumpe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizung in die Siliziummembran (5) des Siliziumchips (2) integriert ist und daß die elektrischen Kontakte (17, 18) einander seitlich gegenüberliegend am Siliziumchip (2) angeordnet sind.

15. Mikroejektionspumpe nach Anspruch 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Siliziumchip (2) ein Temperatursensor (19) mit zugehöriger Steuerschaltung (20) angeordnet ist.

16. Mikroejektionspumpe nach den Ansprüchen 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Kontakte (17, 18) und der Temperatursensor (19) aus einer fotolithografisch strukturierten Platin- oder Tantalschicht bestehen.

17. Mikroejektionspumpe nach den Ansprüchen 1 bis 16, gekennzeichnet durch eine Parallelanordnung von mehreren Pumpkammern (4) mit jeweils einem Einlaßdiffusor (11) und Auslaßkanälen (8).

18. Mikroejektionspumpe nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Auslaßkanälen (8) in der Austrittsebene (22) Absaugkanäle (21) münden.

Claims

1. Microejection pump for the generation of microdrops, consisting of at least one pumping chamber formed in a silicon chip, of a silicon diaphragm arranged above the pumping chamber and capable of being actuated piezoelectrically, the pumping chamber being connected to at least one inflow duct and to an outlet duct provided with an ejection orifice, and in which a glass chip closes the pumping chamber in relation to the silicon diaphragm, the inflow and outflow duct (7, 8) being located on opposite sides of the pumping chamber (4), characterized in that the inflow duct (7) located in the silicon chip (2) is formed in the direction of the pumping chamber (4), at least partially, as a diffuser element (11) with an opening angle of up to 10°, and in that the outlet duct (8) is formed as a microcapillary which issues with an ejection orifice (9) in an outflow plane (22).

2. Microejection pump according to Claim 1, characterized in that the diffuser element (11) directly precedes the pumping chamber (4).

3. Microejection pump according to Claims 1 and 2, characterized in that the diffuser element (11) has a constant opening angle.

4. Microejection pump according to Claims 1 to 3, characterized in that the opening angle is preferably 3 - 5°.

5. Microejection pump according to Claims 1 to 3, characterized in that the diffuser element (11) has a continuously varying opening angle.

6. Microejection pump according to Claims 1 to 5, characterized in that the pumping chamber (4) has a base contour with straight or curved boundary lines.

7. Microejection pump according to Claims 1 to 6, characterized in that the outlet duct (8) is capable of being connected to further inflow ducts between the pumping chamber (4) and the ejection orifice (9).

8. Microejection pump according to Claims 1 to 7, characterized by a composite structure consisting of a micromechanically structured silicon chip (2) and of a glass chip (3).

9. Microejection pump according to Claim 8, characterized in that the composite structure consisting of the silicon chip (2) and of the glass chip (3) is narrowed in the direction of the ejection orifice (9) of the outlet duct (8) in the x- and/or y-direction.

10. Microejection pump according to Claim 9, characterized in that the narrowing (14) in the x-direction was formed during the cutting-out sawing of the silicon chip (2).

11. Microejection pump according to Claim 9,
characterized in that the narrowing (15) in the y-direction was formed during the anisotropic structural etching.

12. Microejection pump according to Claim 9, characterized in that the narrowing (14; 15) was formed by means of a concluding grinding process.

13. Microejection pump according to one of Claims 1 to 12, characterized in that the silicon chip (2) is capable of being heated directly and in a temperature-regulated manner.

14. Microejection pump according to Claim 13, characterized in that the heating is integrated into the silicon diaphragm (5) of the silicon chip (2), and in that the electrical contacts (17, 18) are arranged laterally opposite one another on the silicon chip (2).

15. Microejection pump according to Claims 13 and 14, characterized in that a temperature sensor (19) with an associated control circuit (20) is arranged on the silicon chip (2).

16. Microejection pump according to Claims 13 to 15, characterized in that the electrical contacts (17, 18) and the temperature sensor (19) consist of a photolithographically structured platinum or tantalum layer.

17. Microejection pump according to Claims 1 to 16, characterized by a parallel arrangement of a plurality of pumping chambers (4), each with an inlet diffuser (11) and outlet ducts (8).

18. Microejection pump according to Claim 17, characterized in that suction extraction ducts (21) issue between the outlet ducts (8) in the outflow plane (22).

Revendications

1. Pompe à microéjection pour générer des microgouttes, dans laquelle au moins une chambre de pompe est réalisée dans une puce de silicium, avec une membrane de silicium montée sur la chambre de pompe et actionnable piézo-électriquement, dans laquelle la chambre de pompe est reliée à au moins un canal d'amenée et à un canal de sortie équipé d'une ouverture de sortie, une puce en verre obturant la chambre de pompe par rapport à la membrane de silicium, le canal d'amenée (7) et le canal de sortie (8) étant situés sur des côtés opposés de la chambre de pompe (4),
caractérisée en ce que

- le canal d'amenée (7) qui se trouve dans la puce de silicium (2) est, en direction de la chambre de pompe (4) constitué au moins en partie sous la forme d'un élément diffuseur (11) ayant un angle d'ouverture allant jusqu'à 10°, et

- le canal de sortie (8) est constitué sous la forme d'un microcapillaire qui débouche dans un plan de sortie (22) par une ouverture d'éjection (9).

2. Pompe à microéjection selon la revendication 1,
caractérisée en ce que
l'élément diffuseur (11) de la chambre de pompe (4) est placé directement devant celle-ci.

3. Pompe à microéjection selon la revendication 1,
caractérisée en ce que
l'élément diffuseur (11) a un angle d'ouverture constant.

4. Pompe à microéjection selon l'une quelconque des revendications 1 à 3,
caractérisée en ce que
l'angle d'ouverture est de préférence compris entre 3 et 5°.

5. Pompe à microéjection selon l'une quelconque des revendications 1,
caractérisée en ce que
l'élément diffuseur (11) présente un angle d'ouverture qui varie constamment.

6. Pompe à microéjection selon l'une quelconque des revendications 1 à 5,
caractérisée en ce que
la chambre de pompe (4), en plan, présente un contour constitué de lignes droites et de lignes courbes.

7. Pompe à microéjection selon l'une quelconque des revendications 1 à 6,
caractérisée en ce que
le canal de sortie (8), entre la chambre de pompe (4) et l'ouverture de sortie (9), peut être relié à d'autres canaux d'amenée.

8. Pompe à microéjection selon l'une quelconque des revendications 1 à 7,
caractérisée en ce qu'
elle est composée d'une puce de silicium (2) structurée micromécaniquement et d'une puce de verre (3).

9. Pompe à microéjection selon la revendication 8,
caractérisée en ce que
le composé constitué par la puce de silicium (2) et la puce de verre (3) va en se rétrécissant selon la direction x et/ou y, quand il se rapproche de l'ouverture d'éjection (9) du canal de sortie (8).

10. Pompe à microéjection selon la revendication 9,
caractérisée en ce que
le rétrécissement (14) selon la direction x a été réalisé lors du sciage de séparation de la puce de silicium (2).

11. Pompe à microéjection selon la revendication 9,
caractérisée en ce que
le rétrécissement (15) selon la direction y a été effectué pendant la réalisation par gravure de la structure anisotrope.

12. Pompe à microéjection selon la revendication 9,
caractérisée en ce que
le rétrécissement (14, 15) a été réalisé par un meulage de rectification de finition.

13. Pompe à microéjection selon l'une quelconque des revendications 1 à 12,
caractérisée en ce que
la puce de silicium (2) peut être chauffée directement, et sa température régulée.

14. Pompe à microéjection selon la revendication 13,
caractérisée en ce que
le chauffage est intégré à la membrane de silicium (5) de la puce de silicium (2) et les contacts électriques (17, 18) sont disposés sur des côtés opposés de la puce de silicium (2).

15. Pompe à microéjection selon l'une quelconque des revendications 13 et 14,
caractérisée en ce qu'
un détecteur de température (19) et un circuit de commande (20) correspondant sont montés sur la puce de silicium (2).

16. Pompe à microéjection selon l'une quelconque des revendications 13 à 15,
caractérisée en ce que
les contacts électriques (17, 18) et le détecteur de température (19) sont constitués d'une couche de tantale ou de platine.

17. Pompe à microéjection selon l'une quelconque des revendications 1 à 16,
caractérisée en ce que
plusieurs chambres de pompe (4) sont montées en parallèle, et chacune d'elles comporte un diffuseur d'entrée (11) et des canaux de sortie (8).

18. Pompe à microéjection selon la revendication 17,
caractérisée en ce que
des canaux d'aspiration (21) débouchent entre les canaux de sortie (8), dans le plan de sortie (22).

Zeichnung