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Patent Searching and Data


Title:
MICRODOSING DEVICE AND METHOD FOR OPERATING SAME
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1998/036832
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a microdosing device comprising a pressure chamber (24) which is at least partly delimited by a displacer (10), an actuating device (30) for actuating the displacer (10), whereby actuation of said displacer (10) is able to alter the volume (28) of the pressure chamber (24), a storage reservoir for a medium, which is connected to the pressure chamber (24) via a first fluid line (20) in such a way that fluid is able to circulate, and an outlet opening (26) which is connected to the pressure chamber (24) via a second fluid line (22) also in such a way that fluid is able to circulate. The microdosing device further comprises a device (12, 14) for determining the position of the displacer (10) at any given time and a control device which is connected to the actuating device (30) and the device (12, 14) for detecting the position of the displacer (10). The control device controls the actuating device (30) on the basis of the detected displacer (10) position or on the basis of displacer (10) positions determined during at least one previous dosing cycle, so as to trigger the discharge of a defined volume of fluid from the outlet opening (26).

Inventors:
Zengerle, Roland (Thalkirchner Strasse 47 B, M�nchen, D-80337, DE)
Freygang, Michael (Rietheimer Strasse 4/2, Villingen-Schwenningen, D-78050, DE)
Stehr, Manfred (Virchowweg 9, Villingen-Schwenningen, D-78054, DE)
Messner, Stephan (Hans-Sachs-Strasse 38, Villingen-Schwenningen, D-78054, DE)
Ashauer, Matthias (Im Marbental 19, Unterkirnach, D-78089, DE)
Rossberg, Rainer (Lindenstrasse 19, Villingen-Schwenningen, D-78050, DE)
Application Number:
PCT/EP1998/000617
Publication Date:
August 27, 1998
Filing Date:
February 05, 1998
Export Citation:
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Assignee:
Institut, F�r Mikro- Und Informationstechnik Hahn-schickard-gesellschaft (Wilhelm-Shickard-Strasse 10, Villingen-Schwenningen, D-78052, DE)
Zengerle, Roland (Thalkirchner Strasse 47 B, M�nchen, D-80337, DE)
Freygang, Michael (Rietheimer Strasse 4/2, Villingen-Schwenningen, D-78050, DE)
Stehr, Manfred (Virchowweg 9, Villingen-Schwenningen, D-78054, DE)
Messner, Stephan (Hans-Sachs-Strasse 38, Villingen-Schwenningen, D-78054, DE)
Ashauer, Matthias (Im Marbental 19, Unterkirnach, D-78089, DE)
Rossberg, Rainer (Lindenstrasse 19, Villingen-Schwenningen, D-78050, DE)
International Classes:
G01N1/00; B01L3/00; B01L3/02; B05B9/04; B05B12/00; F04B19/00; F04B43/02; F04B43/04; G01F11/08; G01N35/00; G01N35/10; H01L41/00; C40B60/14; (IPC1-7): B01L3/02; G01N35/00
Foreign References:
US5205819A
FR2650634A1
US5593290A
EP0439327A1
Other References:
SCHWESINGER N: "PLANARER TINTENSTRAHLDRUCKKOPF MIT PIEZOKERAMISCHEM ANTRIEB" F & M. FEINWERKTECHNIK MIKROTECHNIK MESSTECHNIK, Bd. 101, Nr. 11/12, 1.November 1993, Seiten 456-460, XP000411575 in der Anmeldung erwähnt
Attorney, Agent or Firm:
Schoppe, Fritz (Schoppe & Zimmermann, Postfach 71 08 67, M�nchen, D-81458, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Mikrodosiervorrichtung mit folgenden Merkmalen: einer Druckkammer (24), die zumindest teilweise von ei nem Verdränger (10) begrenzt ist; einer Betätigungseinrichtung (30) zum Betätigen des Verdrängers (10), wobei durch die Betätigung des Ver drängers (10) das Volumen (28) der Druckkammer (24) veränderbar ist; einem Medienreservoir, das über eine erste Fluidleitung (20) fluidmä ig mit der Druckkammer (24) verbunden ist; einer Ausla öffnung (26), die über eine zweite Fluid leitung (22) fluidmä ig mit der Druckkammer (24) ver bunden ist; gekennzeichnet durch eine Einrichtung (12, 14) zum Erfassen der Stellung des Verdrängers (10); und eine Steuereinrichtung, die mit der Betätigungseinrich tung (30) und der Einrichtung (12, 14) zum Erfassen des Stellung des Verdrängers (10) verbunden ist und die Be tätigungseinrichtung (30) auf der Grundlage der erfa ten Stellung des Verdrängers (10) oder auf der Grundla ge während zumindest eines vorherigen Dosierzyklusses erfa ter Stellungen des Verdrängers (10) steuert, um den Aussto eines definierten Fluidvolumens aus der Ausla öffnung (26) zu bewirken.
2. Mikrodosiervorrichtung gemä Anspruch 1, bei der in der Fluidleitung (20) zwischen dem Medienreservoir und der Druckkammer (24) ein aktives oder passives Ventil (42) zur Verhinderung einer Fluidrückströmung von der Druck kammer (24) zu dem Medienreservoir angeordnet ist.
3. Mikrodosiervorrichtung gemä Anspruch 1 oder 2, bei der die Druckkammer (24), der Verdränger (10) und die Ein richtung (12, 14) zum Erfassen der Stellung des Ver drängers (10) als mikromechanisch gefertigte Strukturen ausgebildet sind.
4. Mikrodosiervorrichtung gemä Anspruch 3, bei der der Verdränger (10) als eine in einen Siliziumwafer geätzte versteifte Membran realisiert ist, und bei der die Ein richtung zum Erfassen der Stellung des Verdrängers (10) durch in oder an der Membran befindliche piezoresistive Elemente (12, 14) realisiert ist.
5. Mikrodosiervorrichtung gemä Anspruch 4, bei der zumin dest Teile der ersten und der zweiten Fluidleitung (20, 22), die Ausla öffnung (26) und die Druckkammer (24) durch Strukturen in dem Siliziumwafer und/oder einer Pyrexglasscheibe (18), die mit dem Siliziumwafer ver bunden ist, definiert sind.
6. Mikrodosiervorrichtung gemä einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der in der Druckkammer (24) ferner Einrichtungen zum Erfassen des Drucks in der Druckkammer (24) ange ordnet sind.
7. Mikrodosiervorrichtung gemä Anspruch 3, bei der die Betätigungseinrichtung (30) ein Piezostapelaktor ist, wobei die Einrichtung zur Erfassung der Stellung des Verdrängers (10) durch einen auf dem Piezostapelaktor (30) angebrachten Dehnungsme streifen realisiert ist.
8. Mikrodosiervorrichtung gemä einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die äu ere Umrandung der Ausla öffnung (26) mit einem hydrophoben Material beschichtet ist.
9. Mikrodosiervorrichtung gemä einem der Ansprüche 3 bis 8, bei der die Betätigungseinrichtung (60) und die Steuereinrichtung fest in ein Gehäuse (62) eingebaut sind, während die Druckkammer (24), der Verdränger (10) und die Einrichtung zum Erfassen der Stellung des Ver drängers auswechselbar in das Gehäuse installierbar sind.
10. Mikrodosiervorrichgung gemä einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die Ausla öffnung (26) durch ein Array einer Mehrzahl von Öffnungen gebildet ist.
11. Mikrodosiervorrichtung gemä einem der Ansprüche 1 bis 10, die ferner eine Einrichtung zum Erzeugen eines Un terdrucks in dem Medienreservoir aufweist.
12. Mikrodosiervorrichtungsarray aus einer Mehrzahl von Mi krodosiervorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die Mikrodosiervorrichtungen nebeneinander angeordnet und individuell adressierbar sind.
13. Mikrodosiervorrichtungsarray gemä Anspruch 12, bei dem die Druckkammern (212), die Verdränger (206) und die Fluidleitungen (214) einer ersten Anzahl von Mikrodo siervorrichtungen durch eine erste Siliziumschicht (200), die an einer Hauptoberfläche derselben mit einer ersten Hauptoberfläche einer Glasplatte (202) verbunden ist, gebildet sind, während die Druckkammern (212), die Verdränger (206) und die Fluidleitungen (214) einer zweiten Anzahl von Mikrodosiervorrichtungen durch eine zweite Siliziumschicht (204), die an einer Hauptober fläche derselben mit der zweiten Hauptoberfläche der Glasplatte (202) verbunden ist, gebildet sind.
14. Pipettiervorrichtung mit folgenden Merkmalen: einer Druckkammer (24), die zumindest teilweise von ei nem Verdränger (10) begrenzt ist; einer Betätigungseinrichtung (30) zum Betätigen des Verdrängers (10), wobei durch die Betätigung des Ver drängers (10) das Volumen (28) der Druckkammer (24) veränderbar ist; einer Ausla öffnung (26), die über eine Fluidleitung (22) fluidmä ig mit der Druckkammer (24) verbunden ist; gekennzeichnet durch eine Einrichtung (12, 14) zum Erfassen der Stellung des Verdrängers (10); und eine Steuereinrichtung, die mit der Betätigungseinrich tung (30) und der Einrichtung (12, 14) zum Erfassen des Stellung des Verdrängers (10) verbunden ist und die Be tätigungseinrichtung (30) auf der Grundlage der erfa ten Stellung des Verdrängers (10) oder auf der Grundla ge während zumindest eines vorherigen Pipettierzyklus ses erfa ter Stellungen des Verdrängers (10) steuert, um das Ansaugen und/oder den Aussto eines definierten Fluidvolumens durch die Ausla öffnung (26) zu bewirken.
15. Pipettiervorrichtung gemä Anspruch 14, die ferner ein Medienreservoir aufweist, das über eine weitere Fluid leitung (20) fluidmä ig mit der Druckkammer (24) ver bunden ist.
16. Pipettiervorrichtungsarray aus einer Mehrzahl von Pi pettiervorrichtungen nach Anspruch 15 oder 16, bei dem die Pipettiervorrichtungen nebeneinander angeordnet und individuell adressierbar sind.
17. Verfahren zum Betreiben der Mikrodosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit folgenden Schritten: a) Ansteuern der Betätigungsvorrichtung (30) mit einem Signal geringer Flankensteilheit, um eine Bewegung des Verdrängers (10) aus einer ersten Stellung in eine vorbestimmte zweite Stellung zu bewirken, wo bei die zweite Stellung des Verdrängers (10) ein grö eres Volumen der Druckkammer (24) definiert als die erste Stellung; und b) Ansteuern der Betätigungsvorrichtung (30) mit einem Signal gro er Flankensteilheit, um eine Bewegung des Verdrängers (10) aus der zweiten Stellung in die erste Stellung zu bewirken, um dadurch ein de finiertes Fluidvolumen aus der Ausla öffnung (26) auszusto en.
18. Verfahren gemä Anspruch 17, bei dem vor dem Schritt a) ein Schritt des Befüllens der Fluidleitungen (20, 22) und der Druckkammer (24) mit einem Fluid aus dem Me dienreservoir durchgeführt wird.
19. Verfahren gemä Anspruch 17 oder 18, bei dem das An steuersignal für die Betätigungseinrichtung (30) nach dem Schritt a) für eine vorbestimmte Zeitdauer auf ei nem Pegel gehalten wird, durch den bewirkt wird, da der Verdränger (10) in der zweiten Stellung verbleibt.
20. Verfahren gemä einem der Ansprüche 17 bis 19, bei dem im Schritt b) die Betätigungseinrichtung (30) derart angesteuert wird, da der Verdränger (10) bei der Bewe gung in die erste Position vor dem endgültigen Errei chen derselben durch die Betätigungseinrichtung (30) zunächst über die erste Position hinausbewegt wird.
21. Verfahren gemä einem der Ansprüche 17 bis 20 in Rück bezug auf Anspruch 1, bei dem durch die Steuereinrich tung eine Rückströmung durch die erste Fluidleitung (20) während des Schritts b) bei der Ansteuerung der Betätigungseinrichtung im Schritt a) kompensiert wird, um im Schritt b) ein definiertes Fluidvolumen auszu sto en.
22. Verfahren gemä einem der Ansprüche 17 bis 21, bei dem der Verdränger (10) in der ersten Stellung in einer vorgespannten Stellung ist, derart, da durch die An steuerung der Betätigungsvorrichtung (30) im Schritt a) der Verdränger (10) durch eine Rückstellkraft in die zweite Stellung bewegt wird.
23. Verfahren zum Betreiben einer Mikrodosiervorrichtung gemä Anspruch 11, mit folgenden Schritten: Eintauchen der Ausla öffnung in ein zu dosierendes Fluid; Ansaugen des zu dosierenden Fluids durch Betätigen der Unterdruckerzeugungseinrichtung in das Medienreservoir; und Durchführen des Verfahrens gemä Anspruch 16.
Description:
Mikrodosiervorrichtung und Verfahren zum Betreiben derselben Beschreibung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Mikrodosier- vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben derselben.

Die präzise Dosierung kleinster Flüssigkeitsvolumina im Be- reich zwischen 0,01 pl und 1 pl ist beispielsweise auf den Gebieten der Biotechnologie, der DNA-Analytik sowie der kom- binatorischen Chemie von gro er und entscheidender Bedeu- tung. Gemä dem Stand der Technik werden zur Dosierung klei- ner Volumina überwiegend Dispenser oder Pipetten verwendet.

Dabei wird das zu dosierende Volumen entweder direkt, durch eine sogenannte Kolbendirektverdrängung, oder über ein zwi- schengeschaltetes Luftpolster verdrängt. Diesbezüglich sei beispielsweise auf den Artikel "Pipettieren und Dispensie- ren", A. Jahns, Fachzeitschrift der Technischen Assistenten in der Medizin, Jahrgang 8 (1993), Heft 12, Seiten 1166 - 1172, Umschau Zeitschriftenverlag, verwiesen.

Luftpolsterpipetten eignen sich für die Dosierung von Vo- lumina zwischen 0,1 l und 5 ml, wobei bei Volumina grö er als 1 pl Genauigkeiten von +2-3% erreicht werden. Bei klei- neren Volumina werden jedoch aufgrund von Oberflächeneffek- ten an der Pipettenspitze nur Genauigkeiten von ca. +10% er- reicht. Die Beschränkung bei der Dosiergenauigkeit bei klei- nen Volumina beruht hauptsächlich darauf, da die Pipetten- bzw. Dispenser-Spitze in das zu dosierende Medium einge- taucht werden mu , wobei Effekte wie Oberflächenspannung, Benetzung und hydrostatischer Druck die Dosiermenge beein- flussen. Um diese Probleme sowie die Gefahr der Medienver- schleppung durch das Eintauchen zu umgehen, sollte ein Do- siersystem auf der Abgabe des Dosiervolumens im freien Strahl beruhen. Direktverdränger-Dispensiervorrichtungen bieten diesen zusätzlichen Vorteil, allerdings nur bei Volu- mina von ca. 10 l und darüber.

Bekannte Systeme, die geringste Flüssigkeitsvolumen im Frei- strahl abgeben, sind Tintenstrahl-Druckköpfe. Es sind Tin- tenstrahl-Druckköpfe bekannt, die auf zwei grundsätzlich un- terschiedlichen Prinzipien basieren, solche, die unter Ver- wendung thermischer Wandler wirksam sind, und solche, die unter Verwendung piezoelektrischer Wandler wirksam sind.

Diesbezüglich sei auf die Druckschriften N. Schwesinger: "Planarer Tintenstrahldruckkopf". F&M, 11-12; S. 456-460; 1993; H. Bentin, M. Doering, W. Radtke, U. Rothgordt: "Phy- sical Properties of Micro-Planar Ink-Drop Generators". J.

Imaging Technology, 3; S. 152-155; 1986; und Wolfgang Wehl; Tintendrucktechnologie: Paradigma und Motor der Mikrosystem- technik; Feinwerktechnik & Me technik; Teil 1 in Ausgabe 6/95; Teil 2 in Ausgabe 9/95, verwiesen.

Bei Druckköpfen nach dem "Drop-on-Demand"-Verfahren wird nach Anlegen eines Spannungspulses jeweils ein kleiner Tin- tentropfen im Freistrahl auf ein Papier geschleudert. Ein typischer Tropfendurchmesser liegt bei etwa 60 Mm, das Volu- men beträgt also etwa 0,0001 tell. Diese Druckköpfe sind in der Regel jedoch nur für die Verwendung von speziellen Tin- ten ausgelegt. Medien, die beispielsweise in der Biotechno- logie eingesetzt werden, unterscheiden sich in Viskosität und Oberflächenspannung von den Tinten meist sehr stark. Die Viskosität und die Oberflächenspannung beeinflussen jedoch die Tropfengrö e und somit das dosierte Volumen beträcht- lich. Ferner ist eine Tropfengenerierung überhaupt nur in einem sehr engen Viskositätsbereich möglich. Eine Modifizie- rung des Volumens der Einzeltropfen kann überdies durch eine Modifikation der Ansteuerpulse nur in einem sehr einge- schränkten Bereich erfolgen.

Es sind ferner Dosiersysteme bekannt, die auch in der Lage sind, bei Medien stark unterschiedlicher Viskosität Tropfen zu generieren. Ein solches System ist beispielsweise in der Schrift "Mikrodosierung", Firmenschrift der Fa. microdrop GmbH, Norderstedt, 1995, beschrieben. Wie bei Tintenstrahl- druckköpfen wird das Tropfenvolumen dabei hauptsächlich von der Grö e des Düsendurchmessers bestimmt. Nur in stark ein- geschränktem Ma e kann es auch durch die elektrische An- steuerung des Aktors beeinflu t werden. Der Vorgang des Tropfenabrisses an der Düse hängt jedoch wie bei den Tinten- druckköpfen von den physikalischen Eigenschaften, d.h. der Viskosität, der Oberflächenspannung, usw., der zu dosieren- den Medien ab. Wiederum ist somit die exakte Grö e der Trop- fen stark medienabhängig. Die Dosierung eines gewünschten Volumens, das meist in einem Bereich von 0,1 - ll liegt, beruht auf dem Abzählen von Einzeltropfen gleicher Grö e.

Das typische Volumen eines Einzeltropfens ist kleiner 0,001kl1. Da sich die Volumenfehler der Einzeltropfen bei diesem Verfahren jedoch auf summieren, ist die Dosierpräzi- sion stark eingeschränkt.

Um eine Erhöhung dieser Dosierpräzision zu ermöglichen, sind aufwendige Systeme notwendig. Beispielsweise kann ein Bild- verarbeitungssystem verwendet werden, mit dem sich während eines Dosiervorgangs die Grö e der Einzeltropfen bestimmen und die benötigte Tropfenanzahl berechnen lä t. Ferner kann bei einem alternativen Verfahren zur Steigerung der Dosier- präzision dem zu dosierenden Medium ein fluoreszierender Stoff beigemischt werden. Bei diesem alternativen Verfahren wird der Dosiervorgang beendet, wenn die Intensität des Fluoreszenzsignals den Sollwert erreicht. Es ist jedoch of- fensichtlich, da beide genannten Verfahren zur Steigerung der Dosierpräzision jeweils sehr aufwendig und teuer sind.

Die EP-A-0439327 beschreibt ein Steuersystem für eine Mikro- pumpe, die beispielsweise in einer Dosiervorrichtung ver- wendbar ist. Das Steuersystem steuert selektiv die Erzeugung von Treiberpulsen, um das Ausgeben von Fluid durch die Pumpe zu steuern. Gemä dem bekannten Steuersystem werden Poten- tialschwankungen des piezoelektrischen Treiberelements der Mikropumpe erfa t, um festzustellen, ob die Pumpe ordnungs- gemä arbeitet oder nicht, um gegebenenfalls den Pumpbetrieb einzustellen und die Mikropumpe zu ersetzen.

Ausgehend von dem genannten Stand der Technik liegt der vor- liegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine wenig aufwen- dige Mikrodosiervorrichtung zu schaffen, die die Ausgabe ex- akt definierter Fluidvolumen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Mikrodosiervorrichtung gemä Anspruch 1 gelöst.

Der vorliegenden Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrun- de, eine wenig aufwendige Pipettiervorrichtung zu schaffen, die die Aufnahme und Ausgabe exakt definierter Fluidvolumen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Pipettiervorrichtung gemä An- spruch 14 gelöst.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht dar- in, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Mikrodosier- vorrichtung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemä Anspruch 17 ge- löst.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Mikrodosiervorrich- tung mit einer Druckkammer, die zumindest teilweise von ei- nem Verdränger begrenzt ist, einer Betätigungseinrichtung zum Betätigen des Verdrängers, wobei durch die Betätigung des Verdrängers das Volumen der Druckkammer veränderbar ist, einem Medienreservoir, das über eine erste Fluidleitung fluidmä ig mit der Druckkammer verbunden ist, und einer Aus- la öffnung, die über eine zweite Fluidleitung fluidmä ig mit der Druckkammer verbunden ist. Die erfindungsgemä e Mikrodo- siervorrichtung weist ferner eine Einrichtung zum Erfassen der jeweiligen Stellung des Verdrängers sowie eine Steuer- einrichtung, die mit der Betätigungseinrichtung und der Ein- richtung zum Erfassen der Stellung des Verdrängers verbunden ist, auf, wobei die Steuereinrichtung die Betätigungsein- richtung auf der Grundlage der erfa ten Stellung des Ver- drängers oder auf der Grundlage während zumindest eines vor- herigen Dosierzyklusses erfa ter Stellungen des Verdrängers steuert, um den Aussto eines definierten Fluidvolumens aus der Ausla öffnung zu bewirken.

Das erfindungsgemä e Verfahren zum Betreiben einer derarti- gen Mikrodosiervorrichtung umfa t die Schritte des Ansteu- erns der Betätigungsvorrichtung mit einem Signal geringer Flankensteilheit, um eine Bewegung des Verdrängers aus einer ersten Stellung in eine vorbestimmte zweite Stellung zu be- wirken, wobei die zweite Stellung des Verdrängers ein grö e- res Volumen der Druckkammer definiert als die erste Stel- lung, und des nachfolgenden Ansteuerns der Betätigungsvor- richtung mit einem Signal gro er Flankensteilheit, um eine Bewegung des Verdrängers aus der zweiten Stellung in die er- ste Stellung zu bewirken, um dadurch ein definiertes Fluid- volumen aus der Ausla öffnung auszusto en.

Bei anfänglicher Inbetriebnahme der Mikrodosiervorrichtung werden zunächst die Druckkammer und die Fluidleitungen mit einem Fluid befüllt, bevor die Betätigungsvorrichtung mit dem Signal geringer Flankensteilheit angesteuert wird.

Die erfindungsgemä e Mikrodosiervorrichtung kann vorteilhaft unter Verwendung mikromechanischer Verfahren, insbesondere Verfahren der Halbleitertechnologie, hergestellt werden.

Ferner kann die erfindungsgemä e Mikrodosiervorrichtung mo- dular aufgebaut sein, derart, da beispielsweise die Druck- kammer, der Verdränger, die Einrichtung zum Erfassen der Stellung des Verdrängers und optional zumindest Teile der ersten und der zweiten Fluidleitung als austauschbares Modul mittels mikromechanischer Verfahren aufgebaut sind.

Bei der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise durch inte- grierte Sensoren die Stellung des Verdrängers erfa t. Eine jeweilige Stellung des Verdrängers entspricht einem defi- nierten Volumen der Druckkammer. Die Steuereinrichtung ist somit in der Lage, auf der Grundlage der Kenntnis des Volu- mens der Druckkammer die Betätigungseinrichtung zur Bewegung des Verdrängers derart anzusteuern, da der Aussto eines definierten Fluidvolumens aus der Ausla öffnung bewirkt wird. Der wesentliche Vorteil eines derartigen Dosiervor- gangs unter Verwendung einer integrierten Volumenmessung liegt darin, da ein Fluidstrahl als Ganzes abgegeben wird, und nicht eine Vielzahl von Einzeltropfen addiert werden müssen, um die gewünschten Dosiervolumina, beispielsweise auf dem Gebiet der Biotechnologie, zu erhalten. Obwohl der genaue Abri des Freistrahls an der Ausla öffnung wie bei herkömmlichen Systemen von den Medieneigenschaften beein- flu t wird, wird gemä der vorliegenden Erfindung dennoch eine höhere Dosiergenauigkeit erhalten. Da durch den Medien- verdränger der erfindungsgemä en Mikrodosiervorrichtung pro- blemlos auch grö ere Volumina im gewünschten Bereich zwi- schen 0,01Z1 bis 0,141 während eines Vorgangs abgegeben wer- den können, spielen Volumenfehler, die eine Folge eines Ab- risses der Einzeltropfen sind und bei Tropfenvolumina von 0,0001 1 einen gro en relativen Fehler darstellen würden, keine Rolle mehr. Eine Summation der systematischen Fehler pro Tropfen tritt gemä der vorliegenden Erfindung nicht mehr auf.

Bei der Rückstellung des Verdrängers in die zweite Stellung, wobei das Volumen der Druckkammer verringert wird, um das Fluid über die Ausla öffnung als freien Strahl auszusto en, ist die Bewegung des Fluids in der ersten Fluidleitung, d.h.

dem Reservoirkanal, und der zweiten Fluidleitung, d.h. dem Düsenkanal, nahezu ausschlie lich von der Relation der Flüs- sigkeitsträgheit in den betreffenden Fluidleitungen be- stimmt, wobei die Relation der Strömungswiderstände der Fluidleitungen dagegen vernachlässigbar ist. Dadurch ist das definierte Fluidvolumen, das mittels der erfindungsgemä en Mikrodosiervorrichtung ausgesto en wird, nahezu unabhängig von der Viskosität, Oberflächenspannungen, usw. des zu do- sierenden Mediums. Folglich kann mittels der vorliegenden Erfindung eine Dosierung sich in Viskosität und Oberflächen- spannung unterscheidender Medien, wie sie beispielsweise in der Biotechnologie eingesetzt werden, durchgeführt werden.

Bei dem erfindungsgemä en Dosierverfahren wird ein Fluid- strahl, oder bei der Anwendung für Flüssigkeiten ein Flüs- sigkeitsstrahl, mit variablem, einstellbarem Volumen von einem Medienverdränger erzeugt, wobei das Volumen des Flüs- sigkeitsstrahls über einen bei einem bevorzugten Ausfüh- rungsbeispiel in den Medienverdränger integrierten Volumen- sensor geregelt wird. Der Volumensensor detektiert jeweils den aktuellen Verdrängungszustand des Medienverdrängers und gibt ein denselben anzeigendes elektrisches Signal aus. Die Steuerung wertet den Ablauf des von dem Volumensensor detek- tierten zeitabhängigen Verdrängungsvorgangs aus und regelt den Aktor des Verdrängers.

Optional kann die erfindungsgemä e Mikrodosiervorrichtung weitere Elemente beinhalten, beispielsweise weitere Sensoren zur Messung des Druckverlaufs in der Druckkammer, die auch als Dosierkammer bezeichnet werden kann, der Medientempera- tur, usw., um weitere physikalische Einflüsse bei der Rege- lung des Dosiervorgangs berücksichtigen zu können. Ferner kann ein aktives oder passives Ventil in den Reservoirkanal eingebaut sein, welches eine Rückströmung des Mediums von der Druckkammer zu dem Reservoir unterbindet.

Die erfindungsgemä e Mikrodosiervorrichtung kann ferner zur Pipettierung eines Fluids bzw. einer Flüssigkeit verwendet werden. Dazu wird ein Fluid über die Ausla öffnung, die auch als Düse bezeichnet werden kann, aufgenommen, indem die Düse beispielsweise in ein zu pipettierendes Fluid eingetaucht wird. Nachfolgend wird das aufgenommene Fluid wie beschrie- ben wieder im Freistrahl abgegeben. Das Aufnehmen kann bei- spielsweise durch einen Unterdruck in dem Medienreservoir, der ein Einsaugen bewirkt, oder durch eine entsprechende Be- wegung des Aktors erfolgen.

Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Pipettiervor- richtung, bei der durch eine entsprechende Bewegung des Ak- tors eine Aufnahme eines Fluids durch die Ausla öffnung in die Dosierkammer bewirkt werden kann. Der Aufbau der Pipet- tiervorrichtung entspricht im wesentlichen dem Aufbau der erfindungsgemä en Mikrodosiervorrichtung, wobei dieselbe je- doch das Medienreservoir und die dasselbe mit der Dosierkam- mer verbindende Fluidleitung nicht aufweist.

Die erfindungsgemä e Mikrodosiervorrichtung kann vorteilhaft verwendet werden, um ein Mikrovorrichtungsarray zu bilden, bei dem eine Mehrzahl der Mikrodosiervorrichtungen neben- einander angeordnet und individuell adressierbar sind. In gleicher Weise kann die erfindungsgemä e Pipettiervorrich- tung verwendet werden, um aus derselben ein Mikropipettier- vorrichtungsarray zu schaffen.

Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den ab- hängigen Ansprüchen dargelegt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich- nungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Querschnittdarstellung von Kompo- nenten eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemä en Mikrodosiervorrichtung; Fig. 2 eine schematische Querschnittdarstellung des bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel verwen- deten Verdrängers; Fig. 3 ein Diagramm, das ein Ansteuersignal zur Ansteue- rung der Betätigungseinrichtung gemä einem bevor- zugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin- dung zeigt; Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel von Komponenten einer erfindungsgemä en Mikrodosiervorrichtung, bei der im Reservoirkanal ein Ventil angeordnet ist; Fig. 5A und 5B schematische Querschnittdarstellungen eines Verdrängers zur zusätzlichen Druckerfassung; Fig. 6A und 6B schematische Darstellungen von Ausführungs- beispielen zur Realisierung der erfindungsgemä en Mikrodosiervorrichtung; und Fig. 7 ein Schema, das wesentliche Parameter des erfin- dungsgemä en Verfahrens darstellt; Fig. 8 eine auseinandergezogene schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines aus einer Mehrzahl von erfindungsgemä en Mikrodosiervorrichtungen auf- gebauten Mikrodosiervorrichtungsarrays; und Fig. 9 eine schematische Darstellung des in Fig. 8 darge- stellten Mikrodosiervorrichtungsarrays im zusammen- gesetzten Zustand.

In Fig. 1 ist eine mögliche Ausführungsform der erfindungs- gemä en Mikrodosiervorrichtung, die sich speziell für eine Herstellung des Dosierelementes mittels der Verfahren der Halbleitertechnologie eignet, dargestellt. Der Medienver- dränger 10 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als eine in Silizium geätzte versteifte Membran realisiert. Der Volumensensor besteht bei diesem Ausführungsbeispiel aus in den Medienverdränger integrierten piezoresistiven Widerstän- den 12 und 14. Die aus einer bestimmten Verdrängerposition resultierende mechanische Spannung am Ort der Widerstände 12 und 14 in dem Medienverdränger 10 wird dabei über den piezo- resistiven Effekt in ein elektrisches Signal umgewandelt.

In Fig. 2 ist eine vergrö erte Querschnittansicht der Ver- drängerstruktur 10 dargestellt. Die in Fig. 2 dargestellte Verdrängerstruktur ist mittels eines anisotropen KOH-Ätzens hergestellt, das zu den trapezförmigen Ausnehmungen, die die Membran 16 definieren, führt.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der vor- liegenden Erfindung ist die Verdrängerstruktur 10 mittels eines anodischen Bondens mit einer Pyrexglas-Platte 18 ver- bunden. In der Siliziumscheibe, in der die Verdrängerstruk- tur 10 definiert ist, sind bei dem bevorzugten Ausführungs- beispiel Ausnehmungen vorgesehen, die einen Reservoirkanal 20, einen Düsenkanal 22 sowie eine Druckkammer 24 definie- ren. Der Düsenkanal 22 ist mit einer Ausla öffnung 26, die in Fig. 1 in gestrichelten Linien angedeutet ist, fluidmä ig verbunden. Die Ausla öffnung 26 kann in der Form einer Düse ausgestaltet sein. Der Reservoirkanal 20 ist fluidmä ig mit einem Medienreservoir (nicht dargestellt) verbunden. Die Druckkammer 24 definiert ein durch eine Bewegung des Ver- drängers regelbares Dosiervolumen 28. Eine piezoelektrische Betätigungseinrichtung, bei dem dargestellten Ausführungs- beispiel ein Piezostapel-Aktor 30, ist bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel über ein Gegenlager 32 derart an der Mittenversteifung des Verdrängers angebracht, da durch eine Ansteuerung des Piezostapels 30 der Medienverdränger 10 bewegt werden kann.

Die piezoresistiven Widerstände 12 und 14 sowie der Piezo- stapel 30 sind mit einer Steuereinrichtung (nicht darge- stellt) elektrisch verbunden.

Die Druck- oder Dosier-Kammer 24, die Fluidleitungen 20, 22 und die Ausla öffnung 26 können beispielsweise durch Stan- dard-Ätztechniken in der Siliziumscheibe hergestellt sein.

Durch ein anodisches Bonden der Siliziumscheibe auf eine Py- rexplatte (Glas) können die Dosierkammer und die Fluidlei- tungen hermetisch abgeschlossen werden. Alternativ könnte neben dem dargestellten Piezostapel-Aktor ein Piezo-Biege- wandler oder eine Piezoplatte als Antrieb verwendet werden.

Es ist jedoch offensichtlich, da die vorliegende Erfindung nicht auf piezoelektrische Antriebe begrenzt ist, sondern auch andere Antriebe, beispielsweise elektromagnetische oder elektrostatische, verwendet werden können.

Vorzugsweise werden der Reservoirkanal, die Druckkammer, der Düsenkanal sowie die Verdrängermembran durch anisotrope KOH-Ätzungen, die zu trapezförmigen bzw. dreieckigen Kanal- querschnitten führen, hergestellt. Überdies sind jedoch an- dere beliebige Querschnittsformen möglich, beispielsweise Gräben mit senkrechten Wänden, die durch Trockenätztechniken erzeugt werden.

Neben dem oben beschriebenen Aufbau können die Kanäle und Ausnehmungen der mikromechanisch gefertigten Mikrodosiervor- richtung der vorliegenden Erfindung statt in Silizium auch in Pyrexglas strukturiert sein, wobei ferner eine Kombina- tion einer Strukturierung in Silizium und Pyrexglas zur Rea- lisierung verwendbar ist. Die Grö e der bestimmenden Parame- ter, Flu widerstand, fluidische Induktivität und Kapillar- druck wird durch die Länge und die Ätztiefe der Kanäle be- stimmt. Durch einen Mehrfachmaskenproze können die Ätztiefe der beiden Kanäle und der Druckkammer unabhängig voneinander variiert werden.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, wird als Medienverdränger 10 vorzugsweise eine mittenversteifte Membran 16 verwendet. Da- bei kann die Mittenversteifung vorzugsweise als Ansatz fläche für den Aktor 30 verwendet werden. Bei der Verwendung einer versteiften Membran als Medienverdränger 10 kann bei gegebe- nem Stellweg des Aktors über die Membranweite der Dosierbe- reich angepa t werden.

Anhand Fig. 3 wird nachfolgend ein Dosiervorgang gemä einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert.

Zunächst erfolgt eine erstmalige Befüllung der Anordnung, d.h. der Fluidleitungen 20 und 22 sowie der Druckkammer 24 entweder selbständig durch Kapillarkräfte oder mittels einer externen Unterstützung durch Druckbeaufschlagung des Medien- reservoirs, Einpumpen des Mediums oder Einsaugen der Flüs- sigkeit, beispielsweise durch eine Erzeugung eines Vakuums an der Ausla öffnung. Am Ort der Ausla öffnung, oder Düse, wird das Austreten des Mediums durch die Oberflächenspannung verhindert, während eine Rückströmung des Mediums in Rich- tung der Dosierkammer durch Kapillarkräfte verhindert wird.

Der Flüssigkeitsmeniskus regelt sich also selbst auf die Po- sition der Düse ein. Nach der erstmaligen Befüllung, die beispielsweise nur bei einem ersten Dosiervorgang nach einer länger anhaltenden Ruhephase der erfindungsgemä en Dosier- vorrichtung durchgeführt werden mu , werden die im Folgenden beschriebenen Schritte durchgeführt.

Während eines in Fig. 3 als Ansaugphase bezeichneten Inter- valls wird zunächst ein Ansteuersignal, U(t), mit einer ge- ringen Flankensteilheit an die Betätigungsvorrichtung ange- legt. Dies bewirkt eine langsame Bewegung der Membran aus der Ausgangslage, durch die Dosierflüssigkeit von beiden Ka- nälen her, Düsenseite und Reservoirseite, in die Dosierkam- mer angesaugt wird. Die geringe Flankensteilheit des Ansteu- ersignals bewirkt, da der zu dosierenden Flüssigkeit eine geringe Beschleunigung vermittelt wird. Je nach Flie wider- stand und Kapillardruck der einzelnen Kanäle saugt die Mem- bran unterschiedliche Teilvolumina aus den beiden Kanälen.

Die Flüssigkeitsträgheit ist wegen des langsamen Vorgangs zu vernachlässigen. Bei dem Vorgang ist jedoch darauf zu ach- ten, da der Düsenkanal nicht vollständig entleert wird, und somit Luft in die Dosierkammer gerät. Dies kann sicherge- stellt werden, indem die Ansteuerung des Aktors, d.h. die Flankensteilheit des Ansteuersignals, der Relation der Strö- mungswiderstände der mit dem Medienreservoir verbundenen Fluidleitung und der mit der Düse verbundenen Fluidleitung angepa t wird. Dieser Vorgang der langsamen Bewegung der Membran aus der Ausgangslage ist abgeschlossen, wenn durch den integrierten Volumensensor der Steuereinrichtung das Er- reichen der gewünschten Volumenstellung gemeldet wird.

Nachfolgend erfolgt bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausfüh- rungsbeispiel des erfindungsgemä en Verfahrens eine Phase die mit "Einregeln des Fluidlevels" bezeichnet ist. Diese Einregelung des Flüssigkeitsmeniskus auf das Düsenende er- folgt infolge von Kapillarkräften und Oberflächenspannungen selbsttätig, nachdem der Verdränger die gewünschte Volumen- stellung erreicht hat. Die Dauer dieses Vorgangs wird be- stimmt durch den Strömungswiderstand der Kanäle und even- tuell der Dosierkammer, wobei jedoch der Strömungswiderstand der Dosierkammer im Vergleich zum Strömungswiderstand der Kanäle in den meisten Fällen vernachlässigbar ist, die phy- sikalischen Eigenschaften des Mediums, d.h. der Viskosität, und dem hydrostatischen Druck in dem Reservoir. Diese Phase des Einregelns des Fluidlevels ist optional, da dieselbe entfallen kann, wenn die Ansaugphase genügend langsam er- folgt, wobei sich in diesem Fall der Flüssigkeitsmeniskus stets am Ort der Düse befindet.

In einer dritten Phase, die in Fig. 3 mit "Dosierphase" be- zeichnet ist, wird der Verdränger durch eine geeignete An- steuerung der Betätigungseinrichtung durch die Steuerein- richtung nun sehr rasch in dessen Ausgangslage zurückge- stellt. Dies wird durch ein Ansteuersignal mit einer gro en Flankensteilheit, durch das der Flüssigkeit eine gro e Be- schleunigung vermittelt wird, realisiert. Dadurch wird Flüs- sigkeit über die Düse als freier Strahl ausgesto en. Die Be- wegung der Flüssigkeit im Reservoir- und im Düsen-Kanal ist unter diesen Umständen nahezu ausschlie lich von der Rela- tion der Flüssigkeitsträgheit in den betreffenden Fluidlei- tungen bestimmt, wohingegen die Relation der Strömungswider- stände vernachlässigbar ist. Wenn die Trägheit der Flüssig- keit in der Fluidleitung zwischen der Dosierkammer und der Düse klein gegenüber der Trägheit der Flüssigkeit in der Fluidleitung zwischen der Dosierkammer und dem Reservoir ist, so ist die Rückströmung von Flüssigkeit in das Reser- voir vernachlässigbar. Ist die Trägheit der Flüssigkeit in dem Reservoirkanal hingegen nicht vernachlässigbar, so kann die damit verbundene Rückströmung durch eine Kalibrierung bestimmt und bei einer nachfolgenden Dosierung kompensiert werden. Dies ist möglich, da die Induktivität L, d.h. die Trägheit, einer Fluidleitung lediglich von deren Geometrie- daten, L = Leitungslänge/Leitungsquerschnitt, nicht aber von den physikalischen Eigenschaften der in derselben enthalte- nen Flüssigkeit abhängt.

Der Anteil der beschleunigten Flüssigkeitsmenge in Düsen- richtung und Reservoirrichtung bei schnellen Änderungen des Verdrängers, d.h. bei einer Vernachlässigung von Strömungs- widerständen, ist gegeben durch: wobei fd und Ld den Volumenstrom beziehungsweise die Induk- tivität in Düsenrichtung angeben, und fr und Lr den Volumen- strom bzw. die Induktivität in Reservoirrichtung angeben.

In der Regel sind der Umgebungsdruck und der Druck im Reser- voir, der einige mbar betragen kann, beide vernachlässigbar gegen die in der Dosierkammer bei einer schnellen Änderung des Verdrängers anliegenden Drücke, die mehrere bar betragen können. Dadurch sind die Druckdifferenzen APd und diPr na- hezu identisch, weshalb die Anteile der Flüssigkeitsströmun- gen in Düsenrichtung bzw. in Rückwärtsrichtung in einer fe- sten Relation stehen. Diese Relation ist unabhängig von der Viskosität und der Dichte Q der enthaltenen Flüssigkeit. Da- her kann das durch die Rückströmung durch den Reservoirkanal verlorengehende Volumen in der ersten Phase des Dosiervor- gangs, d.h. das langsame Bewegen des Verdrängers zur Erhö- hung des Druckkammervolumens, einfach berücksichtigt werden.

Ein potentielles Überschwingen des Verdrängers über die Ru- helage hinaus kann beispielsweise unterbunden werden, indem während des Aussto es des Flüssigkeitsstrahls das erfa te zeitabhängige Signal des Volumensensors durch die Steuerein- richtung detektiert und analysiert wird. Dadurch ist ein re- gelnder Eingriff in den laufenden Dosiervorgang möglich, was jedoch eine aufwendige Elektronik erfordert. Alternativ kann das durch den Volumensensor erfa te Signal auch nach dem Aussto vorgang analysiert werden und kann für eine Optimie- rung der Ansteuerparameter der Betätigungseinrichtung in nachfolgenden Dosierzyklen dienen.

Die Steuereinrichtung der erfindungsgemä en Mikrodosiervor- richtung steuert die Betätigungsvorrichtung somit auf der Grundlage der jeweils während eines aktuellen Zyklusses von dem Volumensensor, d.h. dem Sensor zur Erfassung der Stel- lung der Membran, empfangenen Signale oder auf der Grundlage der während zumindest einem vorhergehenden Zyklus erfa ten Sensorsignale.

In Fig. 4 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel einer er- findungsgemä en Mikrodosiervorrichtung dargestellt, bei der in dem Kanal zwischen der Druckkammer und dem Medienreser- voir ein Ventil angeordnet ist. Elemente, die denen in Fig.

1 entsprechen, sind in Fig. 4 mit identischen Bezugszeichen bezeichnet. Der Pfeil 40 in Fig. 4 zeigt die Bewegung des Medienverdrängers 10 aus der dargestellten Ruhelage an. Wie in Fig. 4 dargestellt ist, ist ein Ventil, das allgemein mit dem Bezugszeichen 42 bezeichnet ist, angeordnet, um einen Verschlu der mit dem Medienreservoir (nicht dargestellt) fluidmä ig verbundenen Fluidleitung 20 zu ermöglichen. Das in Fig. 4 dargestellte Ventil 42 ist ein in der Technik üb- liches mittels eines piezoelektrischen Antriebs 44 betreib- bares Ventil, bei dem die Fluidleitung 20 durch eine mittels des Antriebs 44 bewegbare Membran 46 verschlossen werden kann.

Alternativ zu dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbei- spiel kann jedes geeignete bekannte aktive oder passive Ven- til zur Unterbindung einer Rückströmung durch den Reservoir- kanal 20 beim Aussto en des Flüssigkeitstrahls durch die Dü- se verwendet sein. Ein derartiges Ventil ist nicht notwen- dig, wenn das Volumen der rückströmenden Flüssigkeit infolge der höheren Flüssigkeitsträgheit in die Richtung des Reser- voirs zu vernachlässigen ist, wie es bei Tintendruckköpfen der Fall ist. Ferner kann auf ein derartiges Ventil verzich- tet werden, wenn die Menge des Flüssigkeitsvolumens eine fe- ste Relation mit dem zu dosierenden Volumen darstellt und somit über die Volumenauslenkung des Verdrängers korrigiert werden kann, siehe oben.

Die Bewegung des Verdrängers beim Aussto en der Flüssigkeit kann direkt in die Ruhelage erfolgen. Alternativ kann, wie wiederum in Fig. 3 dargestellt ist, die Bewegung des Ver- drängers beim Aussto en der Flüssigkeit mit einer geringen Gegenbewegung abgeschlossen werden, siehe Ende der Dosier- phase. Durch diese Gegenbewegung tritt eine Gegenbeschleu- nigung auf, die den Abri des Flüssigkeitsstrahls begünsti- gen kann.

Bezugnehmend auf die Fig. 5A und 5B wird nachfolgend ein al- ternatives Ausführungsbeispiel eines Medienverdrängers näher beschrieben. Die Volumenverdrängung des Medienverdrängers und der Druck in der Dosierkammer sind zwei unabhängige phy- sikalische Parameter. Durch eine geeignete Plazierung und Verschaltung von mehreren verschiedenen Widerständen in der Membranaufhängung des Verdrängers kann somit entweder druck- unabhängig die Volumenstellung des Verdrängers oder volumen- unabhängig der Druck in der Dosierkammer gemessen werden.

Eine derartige Anordnung von piezoresistiven Widerständen ist in den Fig. 5A und 5B dargestellt. In der Membranaufhän- gung 50 sind vier piezoresistive Widerstände 52, 54, 56 und 58 implementiert. Fig. 5A zeigt die mechanische Verformung der Membran im Falle eines Überdrucks in der Dosierkammer bei vernachlässigbarem Verdrängervolumen. Fig. 5B zeigt die mechanische Verformung der Membran im Falle einer Verdrän- gung bei verschwindendem Druck, beispielsweise am Ende der oben beschriebenen Phase Einregelt des Fluidlevels".

Obwohl die Signale der jeweils äu eren Widerstände nahezu gleich sind, unterscheiden sich die beiden Fälle in dem Vor- zeichen der mechanischen Spannungen nahe der Mittenverstei- fung der Membran. Bei dem in Fig. 5A dargestellten Fall wir- ken auf alle vier piezoresistiven Widerstände Zugspannungen.

Bei dem in Fig. 5B dargestellten Fall, wirken auf die piezo- resistiven Widerstände 52 und 54 Zugspannungen, während auf die piezoresistiven Widerstände 56 und 58 Druckspannungen wirken. Zugspannungen werden durch den Druck in der Dosier- kammer erzeugt, während reine Volumenverformungen Druckspan- nungen erzeugen. Bei einer Verwendung des piezoresistiven Effekts äu ert sich dies in einem unterschiedlichen Vorzei- chen bei der Widerstandsänderung. Daher können durch die ge- eignete Plazierung und Auswertung der Widerstände beide phy- sikalischen Grö en, d.h. Druck und Volumen, unabhängig von- einander bestimmt werden.

Im Folgenden werden weitere alternative Ausführungsbeispiele der erfindungsgemä en Mikrodosiervorrichtung dargelegt. Im Ausgangszustand des Dosierzyklusses kann der Verdränger vor- gespannt sein und durch den Aktor in dieser Lage gehalten werden, beispielsweise in die Dosierkammer hineingedrückt.

Der Verdränger lä t sich dabei in Richtung einer weiteren Vorspannung durch eine weitere Auslenkung des Aktors bewe- gen. Entgegen der Vorspannungsrichtung bewegt sich der Ver- dränger bei nachlassender Aktorauslenkung allein durch seine Rückstellkraft. Durch diese Variante ist keine feste Verbin- dung zwischen Aktor und Verdränger notwendig. Eine poten- tielle Klebeverbindung zwischen Aktor und Verdränger ent- fällt und der Montageaufwand reduziert sich erheblich. Be- züglich des in den Verdränger integrierten Volumensensors ist dabei lediglich der durch die Vorspannung verursachte Volumenoffset zu korrigieren.

Die oben beschriebene Alternative, Aktor und Verdränger ohne feste Verbindung zu verwenden, ermöglicht einen modularen Aufbau des Dosierelements. Ein solcher Aufbau ist zur Veran- schaulichung in den Fig. 6A und 6B dargestellt. Dabei sind die Elektronik und der Antrieb, beispielsweise ein Piezo- Stapelaktor 60 fest in einem Gehäuse 62 eingebaut, während ein Chip 64, der den Medienverdränger und die Sensoren auf- weist, auswechselbar ist. Durch den Pfeil 66 in Fig. 6A ist die Bewegungsrichtung des Piezo-Stapelaktors angegeben. Fer- ner ist in Fig. 6A eine Fluidleitung 68, die durch das Ge- häuse verläuft, dargestellt. Der rechtsseitige Teil von Fig.

6A stellt eine Vergrö erung der mikromechanisch gefertigten Komponenten der Mikrodosiervorrichtung dar, wobei die Pyrex- platte und der Siliziumchip getrennt dargestellt sind.

Eine Vergrö erung dieser mikromechanisch gefertigten Kompo- nenten der Mikrodosiervorrichtung ist in auseinandergezoge- ner Form in Fig. 6B dargestellt. Diese Komponenten sind durch eine Pyrexplatte 70, die beispielsweise mittels anodi- schem Bonden mit einem Siliziumchip 72 verbunden ist, gebil- det. Eine Fluidleitung 74, die mit einem Medienreservoir (nicht dargestellt) fluidmä ig verbunden ist, verläuft durch die Pyrexglasplatte 70. Die Pyrexglasplatte 70 weist ferner eine Ausnehmung 76 auf, um eine elektrische Kontaktierung von Anschlu flächen 78 auf dem Siliziumchip zu ermöglichen.

Der Reservoirkanal ist bei 80 dargestellt, während die Do- sierkammer bei 82 gezeigt ist. Auf dem Siliziumchip 72 sind ferner Leitungsbahnen 84 zu den Volumensensoren vorgesehen.

Mittels einer weiteren Vergrö erung 86 ist in Fig. 6B das Ausla ende oder die Düse der Mikrodosiervorrichtung 86 sche- matisch dargestellt.

Bei der beschriebenen modularen Konfiguration ist es vor- teilhaft, wenn zwischen dem Aktor und dem Verdränger keine Klebeverbindung, sondern lediglich ein mechanischer Kontakt zur Erzeugung einer Vorspannung, wie oben beschrieben wurde, notwendig ist. Über das Signal der integrierten Volumensen- soren lä t sich die Vorspannung gleichzeitig reproduzierbar und mit hoher Genauigkeit einstellen.

Bei allen beschriebenen Ausführungsbeispielen können durch den integrierten Volumensensor Nichtlinearitäten und bei- spielsweise Hystereseeffekte beim Antrieb des Verdrängers kompensiert werden. Ferner ist eine Beschichtung der Düse mit einem hydrophoben Material vorteilhaft, da dadurch die Oberflächenspannung erhöht wird und ein Austreten von Flüs- sigkeit durch die Düse im Ruhezustand weiter unterdrückt wird. Diesbezüglich ist insbesondere eine Beschichtung au erhalb der Düse in der Umgebung entlang des Umfangs der- selben mit einem hydrophoben Material vorteilhaft.

Alternativ zu den beschriebenen Volumensensoren in dem Me- dienverdränger kann der Volumensensor auch in der Betäti- gungsvorrichtung für den Verdränger integriert sein. Bei- spielsweise kann der Volumensensor als Dehnungsme streifen auf dem Piezostapelaktor realisiert sein, der die Auslenkung desselben detektiert.

Wie erwähnt kann die erfindungsgemä e Mikrodosiervorrichtung auch als Pipettiereinrichtung verwendet werden. Zu diesem Zweck weist die dieselbe vorzugsweise eine Einrichtung zum Erzeugen eines Unterdrucks in dem Medienreservoir auf, um dadurch durch das Eintauchen der Ausla öffnung, d.h. der Dü- se, in eine zu pipettierende Flüssigkeit ein Ansaugen einer Flüssigkeit durch die Ausla öffnung in die Dosierkammer und/oder in das Medienreservoir zu ermöglichen. Jedoch kann die zu pipettierende Flüssigkeit auch durch eine entspre- chende Bewegung des Aktors und damit des Verdrängers in die Dosierkammer angesaugt werden, wobei dann das Vorsehen des Medienreservoirs und der Fluidleitung zwischen dem Medienre- servoir und der Dosierkammer nicht notwendig kein notwendi- ges Merkmal ist. Bezüglich der übrigen Merkmale und der Aus- gestaltung derselben entspricht die Pipettiereinrichtung der Mikrodosiereinrichtung gemä der vorliegenden Erfindung, wo- bei die Steuereinrichtung die Betätigungseinrichtung, d.h.

den Aktor, auf der Grundlage der Signale von dem Sensor zu Erfassung der Stellung des Verdrängers während des gegenwär- tigen Pipettierzyklusses oder auf der Grundlage der Sensor- signale während zumindest eines vorherigen Zyklusses steu- ert, um das Ansaugen und/oder das Ausstossen eines definier- ten Fluidvolumens durch die Ausla öffnung zu bewirken.

Die Ausla öffnung der erfindungsgemä en Vorrichtungen kann alternativ als ein Düsenarray ausgebildet sein, das aus bei- spielsweise 10 Düsen besteht. Dadurch ist es möglich, ein Array von Flüssigkeitsstrahlen zu erzeugen, wobei jeder ein- zelne Strahl nur ein Zehntel des gesamten Dosiervolumens enthält. Dadurch ergibt sich die Funktionalität sogenannter Mehrkanal-Pipetten, die zu Dosierung in sogenannte Mikroti- terplatten verwendet werden. Ferner wirkt bei mehreren klei- nen Düsen im Vergleich zu einer gro en Düse eine grö ere Ka- pillarkraft auf die Austrittsseite, wodurch eine Rückströ- mung beim Ansteuern mit einem Signal geringer Flankensteil- heit reduziert wird.

Bei alternativen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Er- findung kann neben der beschriebenen planaren Anordnung von Düse und Chip auch eine vertikale Anordnung der Düse zu dem Chip implementiert sein, bei der der Aussto des Fluids aus der Düse senkrecht zu dem Chip stattfindet. Eine vertikale Anordnung ist vorteilhaft dahingehend, da die Dosiervor- richtung, d.h. der Aktor, der Chip und die Düse, axial auf- gebaut sein kann, wie dies der Gewohnheit von Anwendern bei- spielsweise üblicher Pipetten entspricht.

Im Folgenden wird vereinfacht die Dynamik des Dosiervorgangs dargestellt. Dabei sei ein Strömungswiderstand als R und ei- ne fluidische Induktivität als L definiert. Der Druckabfall über einen Strömungskanal setzt sich aus einem Druckabfall aPlaminart der dazu dient den Strömungswiderstand zu über- winden, und einen Druckabfall APträget der die Flüssigkeit im Kanal beschleunigt, zusammen. Somit gilt für die Druck- differenz aPLeitung über die gesamte Fluidleitung: APIeitung APiaminar + Pnbge APtr ge = P L dt mit L = A (Gl.2) dt - Ap = p R zip lamlnar Der Strömungswiderstand R und die fluidische Induktivität L rechnen sich beispielsweise für einen runden Schlauch mit dem Radius r zu: L= R = ~~~~~ r2s ^ pTtr4 (Gl.3) In Fig. 7 ist ein Schema zur Beschreibung der Dynamik einer erfindungsgemä en Mikrodosiervorrichtung dargestellt. PR stellt den Druck im Medienreservoir dar, PK den Kapillar- druck und p den Druck in der Druckkammer. Vm entspricht dem von der Membran verdrängten Volumen, während V0 der Änderung des Kammervolumens entspricht, die sich durch Verspannungen des Gehäuses und andere Störeinflüsse ergibt. #r ist der Vo- lumenflu im Reservoirkanal und #D ist der Flu im Düsenka- nal. In den nachfolgenden Gleichungen entspricht U der Steu- erspannung an dem Aktor.

Für die Fluidleitung zwischen der Dosierkammer und dem Re- servoir gilt: <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> PR - P = pRR#R + PLR d #R (Gl.4)<BR> dt<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> Für die Fluidleitung zwischen der Dosierkammer und der Düse gilt: doD P + PK - PAtmosphare = P RD #D + P LD dt (Gl.5) Für die Dosierkammer gilt: und damit Zusammenfassend kann festgestellt werden, da die Dynamik des Dosierelements näherungsweise durch drei Differential- gleichungen für die drei unabhängigen Variablen fRt fD und p wie folgt beschrieben wird: Als Designvorgaben sind bekannt: RR, RD, LR, LD. Betriebspa- rameter sind die Spannung U(t) und der Medienreservoirdruck PR. Zu Messen ist der Druck PK und zu messen oder zu berech- nen sind dVm/dp, dVo/dp und dVm/dU.

Das Differentialgleichungssystem ist für ein vorgegebenes U(t) für die folgenden Randbedingungen zu lösen: p(t=0) = 0; #R(t=0) = 0; und #D(t=0) = 0.

Ein Mikrodosiervorrichtungsarray kann aus einer Mehrzahl der erfindungsgemä en Mikrodosiervorrichtungen, die arrayartig angeordnet sind, aufgebaut sein. Die Mikrodosiervorrichtun- gen können dabei beipielsweise parallel nebeneinander ange- ordnet sein. Dabei ist es möglich, beispielsweise vier Düsen innerhalb einer Fläche von weniger als einem Quadratmillime- ter anzuordnen und individuell zu adressieren. Jede Mikrodo- sierungsvorrichtung gibt dabei getrennt von den anderen ein Medium im Freistrahl aus, so da unterschiedliche Medien ausgegeben werden können. Durch die Anordnung der Mehrzahl von Mikrodosiervorrichtungen ist es dann möglich, da sich die getrennt ausgegebenen Medien nach Verlassen des Mikrodo- siervorrichtungsarrays in der Luft vermengen. Das Mikrodo- siervorrichtungsarray schafft somit eine sehr vielseitige Möglichkeit sowohl reine Medien als auch ein Gemisch von Me- dien zu dosieren. Bei der Dosierung eines Gemischs können jeweils die einzelnen Medienbestandteile durch die einzelnen Mikrodosiervorrichtungen exakt dosiert werden.

Ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemä es Mikrodo- siervorrichtungsarray ist in den Fig. 8 und 9 dargestellt.

Wie in Fig. 8 dargestellt ist, kann ein erfindungsgemä es Mikrodosiervorrichtungsarray aus einer Struktur, die eine erste Siliziumschicht 200, eine Pyrex-Glasplatte 202 und ei- ne zweite Siliziumschicht 204 umfa t, gebildet sein. In der ersten Siliziumschicht 200 sind bei dem dargestellten Aus- führungsbeispiel die Strukturen für zwei Mikrodosiervorrich- tungen gebildet. Dazu sind zwei Verdrängermembranen 206, die jeweils eine Versteifung 208 aufweisen, in der Silizium- schicht 200 gebildet. Die Verdrängermembranen 206 sind über die Versteifungen 208 betätigbar. Ferner sind Fluidkanäle 210, die die Druckkammer mit einem Medienreservoir (nicht dargestellt) verbinden, in der ersten Siliziumschicht ange- ordnet.

Der Aufbau der zweiten Siliziumschicht 204 ist im wesentli- chen identisch zu dem der ersten Siliziumschicht 200. In Fig. 8 ist die zu der bezüglich der ersten Schicht 200 dar- gestellten Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche der zwei- ten Siliziumschicht 204 zu sehen. Somit sind hinsichtlich der zweiten Siliziumschicht 204 die in derselben gebildeten Druckkammern 212 und die die Druckkammern 212 mit einem Me- dienreservoir verbindenden Fluidleitungen 214 zu erkennen.

Dei Fluidleitungen 214 einer jeweiligen Siliziumschicht mün- den dabei in die Fluidkanäle 210 der jeweiligen Schicht. In Fig. 8 sind ferner die Fluidleitungen dargestellt, die die Druckkammern mit einer jeweiligen Ausla öffnung 216 verbin- den.

Die Pyrexglasplatte 202 wird zwischen den beiden Silizium- schichten 200 und 204 angeordnet, derart, da jeweilige Hauptoberflächen derselben jeweils mit der Oberfläche der ersten und der zweiten Siliziumschicht, in der die Druckkam- mern 212 gebildet sind, verbunden werden. Die Druckkammern und die Fluidleitungen sind somit jeweils durch die Struk- turen in den Siliziumschichten und die Oberflächen der Py- rex-Glasplatte gebildet.

Die dadurch gebildete Struktur, die in Fig. 9 dargestellt ist, weist ein Düsenarray 220 auf, das durch die vier Aus- la öffnungen 216 in der ersten und der zweiten Silizium- scheibe gebildet ist. Jeder Düse des 2x2-Arrays 220 ist eine Verdrängermembran 206 mit zugehöriger Betätigungseinrichtung (in Fig. 8 und 9 nicht dargestellt) zugeordnet, so da die Düsen einzeln adressierbar sind.

Es ist offensichtlich, da unter Verwendung des oben be- schriebenen Aufbaus Mikrodosiervorrichtungsarrays mit einer nahezu beliebigen Anzahl von Mikrodosiervorrichtungen aufge- baut werden können. Überdies ist es offensichtlich, da die Fluidkanäle der jeweiligen Druckkammern entweder mit dem gleichen oder mit unterschiedlichen Medienreservoiren ver- bunden sein können. Daneben ist es in entsprechender Weise möglich, unter Verwendung einer Mehrzahl von erfindungsge- mä en Pipettiervorrichtungen ein Pipettiervorrichtungsarray aufzubauen.