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Title:
MICRODOSING DEVICE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1999/037400
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a microdosing device which does not have a volume sensor. The inventive device comprises a pressure chamber (24) which is at least partially limited by a displacement element (10), and an actuating device (30; 60; 100) for actuating said displacement element (10) with which the volume of the pressure chamber (24) can be varied. The device also comprises a media reservoir connected to the pressure chamber, and a control device. The control device drives the microdosing device in such a way that a small change in volume of the pressure chamber is effected per clock unit by a movement of the displacement element (10) from a first position to a predetermined second position. During a first movement phase of the displacement element, a fluid volume is drawn into the pressure chamber and the same is ejected during a second phase.

Inventors:
Zengerle, Roland (Weiherstrasse 15 Villingen-Schwenningen, D-78050, DE)
Freygang, Michael (Rietheimer Strasse 4/2 VS-Villingen, D-78050, DE)
Hey, Nicolaus (Hardter-Strasse 22 Eschbronn, D-78664, DE)
Gruhler, Holger (Auf der Breite 30 Tuningen, D-78609, DE)
Application Number:
PCT/EP1999/000185
Publication Date:
July 29, 1999
Filing Date:
January 14, 1999
Export Citation:
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Assignee:
Hahn-schickard-gesellschaft V, Für Angewandte Forschung E. (Wilhelm-Schickard-Strasse 10 Villingen-Schwenningen, D-78052, DE)
Zengerle, Roland (Weiherstrasse 15 Villingen-Schwenningen, D-78050, DE)
Freygang, Michael (Rietheimer Strasse 4/2 VS-Villingen, D-78050, DE)
Hey, Nicolaus (Hardter-Strasse 22 Eschbronn, D-78664, DE)
Gruhler, Holger (Auf der Breite 30 Tuningen, D-78609, DE)
International Classes:
G01N31/20; B01J4/00; B01L3/02; B05B9/04; F04B19/00; F04B43/04; G01F11/08; G01N35/10; C40B60/14; G01N35/00; (IPC1-7): B01L3/02; G01N35/10
Domestic Patent References:
WO1997010435A2
Foreign References:
DE19706513A1
US5593290A
EP0703364A1
EP0725267A2
Attorney, Agent or Firm:
Schoppe, Fritz (Schoppe & Zimmermann Postfach 71 08 67 München, D-81458, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Volumensensorfreie Mikrodosiervorrichtung mit folgenden Merkmalen : einer Druckkammer (24), die zumindest teilweise von ei nem Verdränger (10) begrenzt ist ; einer Betätigungseinrichtung (30 ; 60 ; 100) zum Betäti gen des Verdrängers (10), wobei durch die Betätigung des Verdrängers (10) das Volumen der Druckkammer (24) veränderbar ist ; einem Medienreservoir, das fluidmäßig mit der Druckkam mer (24) verbunden ist ; einer Auslaßöffnung (26), die fluidmäßig mit der Druck kammer (24) verbunden ist ; und einer Steuereinrichtung zum Treiben der Mikrodosiervor richtung, derart, daß durch eine Bewegung des Verdrängers (10) aus einer ersten Stellung in eine vorbestimmte zweite Stellung eine kleine Volumenänderung des Druckkammervolumens pro Zeiteinheit bewirkt wird, wobei die zweite Stellung des Verdrängers (10) ein größeres Volumen der Druckkammer (24) definiert als die erste Stellung, zum Ansaugen eines Fluidvolumens in die Druckkammer (24), und daß in einer zweiten Phase durch eine Bewegung des Ver drängers (10) aus der zweiten Stellung in die erste Stellung eine große Volumenänderung des Druckkammervo lumens pro Zeiteinheit bewirkt wird, um dadurch ein de finiertes Fluidvolumen aus der Auslaßöffnung (26) aus zustoBen.
2. Volumensensorfreie Mikrodosiervorrichtung gemäß An spruch 1, bei der das Medienreservoir über eine erste Fluidleitung (20) fluidmäßig mit der Druckkammer (24) verbunden ist, und bei der die Auslaßöffnung (26) über eine zweite Fluidleitung (22) fluidmäßig mit der Druck kammer verbunden ist.
3. Volumensensorfreie Mikrodosiervorrichtung gemäß An spruch 1 oder 2, bei der die Steuereinrichtung die Be tätigungseinrichtung (30 ; 60 ; 100) in der ersten Phase mit einem ersten Signal einer geringen Flankensteilheit ansteuert und die Betätigungseinrichtung (30 ; 60 ; 100) in der zweiten Phase mit einem zweiten Signal einer ho hen Flankensteilheit ansteuert.
4. Volumensensorfreie Mikrodosiervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Betätigungseinrich tung (30 ; 60 ; 100) und der Verdränger (10) mit einer solchen Steifigkeit ausgebildet sind, daß der Verdrän ger (10) im wesentlichen zwangsgesteuert ist.
5. Volumensensorfreie Mikrodosiervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der das erste Signal in der ersten Phase derart ist, daß eine Fluidbewegung in der ersten und der zweiten Fluidleitung (20,22) im wesent lichen trägheitsunabhängig ist, während das zweite Si gnal in der zweiten Phase derart ist, daß eine Fluidbe wegung im wesentlichen durch die Relation der Trägheit des Fluids in der ersten und der zweiten Fluidleitung (20,22) bestimmt ist.
6. Volumensensorfreie Mikrodosiervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Druckkammer (24) und der Verdränger (10) als mikromechanisch gefertige Strukturen ausgebildet sind.
7. Volumensensorfreie Mikrodosiervorrichtung gemäß An spruch 6, bei der der Verdränger (10) als eine Membran realisiert ist.
8. Volumensensorfreie Mikrodosiervorrichtung gemäß An spruch 6, bei der zumindest Teile der ersten und der zweiten Fluidleitung (20,22), die Auslaßöffnung (26) und die Druckkammer (24) durch Strukturen in dem Sili ziumwafer und/oder einer Pyrexglasscheibe (18), die mit dem Siliziumwafer verbunden ist, definiert sind.
9. Volumensensorfreie Mikrodosiervorrichtung gemäß An spruch 1 oder 2, bei der der Verdränger (10) eine Mem bran ist, wobei die Membran durch die Betätigungsein richtung (60 ; 100) in die erste Stellung vorspannbar ist, und wobei die Betätigungseinrichtung mit der Mem bran nicht fest verbunden ist, derart, daß auf eine Be tätigung der Betätigungseinrichtung zu Beginn der er sten Phase hin die Bewegung der Membran aus der ersten Stellung in die zweite Stellung lediglich durch die Rückstellkraft der Membran erfolgt.
10. Volumensensorfreie Mikrodosiervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die Betätigungseinrich tung (30 ; 60 ; 100) ein Piezostapelaktor ist.
11. Volumensensorfreie Mikrodosiervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die äußere Umrandung der Auslaßöffnung (26) mit einem hydrophoben Material beschichtet ist.
12. Volumensensorfreie Mikrodosiervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Auslaßöffnung (26) durch ein Array einer Mehrzahl von Öffnungen gebildet ist.
13. Volumensensorfreie Mikrodosiervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, die ferner eine Einrichtung zum Erzeugen eines Unterdrucks in dem Medienreservoir auf weist.
14. Volumensensorfreie Mikrodosiervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der die Steuereinrichtung die Betätigungsvorrichtung (30 ; 60 ; 100) zwischen der ersten und der zweiten Phase in einer dritten Phase für eine vorbestimmte Zeitdauer derart ansteuert, daß der Verdränger (10) in der zweiten Stellung verbleibt.
15. Volumensensorfreie Mikrodosiervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, bei der die Steuereinrichtung die Betätigungseinrichtung (30 ; 60 ; 100) derart ansteu ert, daß der Verdränger (10) bei der Bewegung in die erste Position vor dem endgültigen Erreichen derselben durch die Betätigungseinrichtung (30 ; 60 ; 100) zunächst über die erste Position hinausbewegt wird.
16. Volumensensorfreie Mikrodosiervorrichtung gemäß An spruch 9, bei der die Betätigungseinrichtung (60 ; 100) und die Steuereinrichtung fest in ein Gehäuse (62 ; 120) eingebaut sind, während die Druckkammer (24), der Ver dränger (10) und/oder das Medienreservoir auswechselbar in das Gehäuse installierbar sind.
17. Volumensensorfreie Mikrodosiervorrichtung gemäß An spruch 9, bei der die Rückstellkraft der Membran derart dimensioniert ist, daß der durch die Rückstellkraft verursachte Unterdruck in der Druckkammer kleiner ist als ein in der zweiten Fluidleitung (22) vorliegender Kapillardruck.
18. Volumensensorfreie Mikrodosiervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 16 oder 17, die ferner eine Feinjustage vorrichtung (102) zur Positionierung der Betätigungs einrichtung (100,104) bezüglich des Verdrängers auf weist.
19. Volumensensorfreie Mikrodosiervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18, bei der eine von der Betäti gungseinrichtung (100) erzeugte Kraft über ein Kraft übertragungsglied (104) zu dem Verdränger übertragen wird.
20. Volumensensorfreie Mikrodosiervorrichtung gemäß An spruch 19, bei der das Kraftübertragungsglied (104) ein drehbar gelagerter Hebellenker zur Umsetzung einer von der Betätigungseinrichtung (100) erzeugten Kraft in eine im wesentlichen senkrecht zu dieser Kraft auf den Verdränger wirkende Kraft ist.
21. Dosiervorrichtungsarray, bestehend aus einer Mehrzahl von Mikrodosiervorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 20, die nebeneinander angeordnet und individuell adressierbar sind.
22. Dosiervorrichtungsarray, bestehend aus einer Mehrzahl von Mikrodosiervorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 20, die nebeneinander angeordnet und von einer Be tätigungseinrichtung angesteuert werden, deren Kraft über ein Kraftübertragungsglied auf mehrere Mikrodo siervorrichtungen gleichzeitig verteilbar ist.
23. Verfahren zum Kalibrieren einer Mikrodosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, bei dem vor dem Do sierbetrieb einmalig ein Verhältnis einer Fluidmenge, die während der zweiten Phase Richtung Medienreservoir verdrängt wird, und einer Fluidmenge, die während der zweiten Phase Richtung Auslaßöffnung verdrängt wird, ermittelt wird, wobei in nachfolgenden Dosiervorgängen der in Richtung Medienreservoir verdrängte Fluidanteil durch eine entsprechend modifizierte Ansteuerung der Betätigungseinrichtung durch die Steuereinrichtung, um eine größere Verdrängung durch den Verdränger zu bewir ken, kompensiert wird.
24. Verwendung einer Mikrodosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20 als Pipette, wobei die Auslaßöffnung der mit einer Inertflüssigkeit befüllten Druckkammer während der ersten Phase in ein zu pipettierendes Fluid getaucht wird.
Description:
Mikrodosiervorrichtung Beschreibung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Mikrodosier- vorrichtung.

Die präzise Dosierung kleinster Flüssigkeitsvolumina im Be- reich zwischen 0,01 ßl und 1 pl ist beispielsweise auf den Gebieten der Biotechnologie, der DNA-Analytik sowie der kom- binatorischen Chemie von großer und entscheidender Bedeu- tung. Gemäß 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 größer als 1 Zl 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, daß die Pipetten- bzw. Dispenser-Spitze in das zu dosierende Medium einge- taucht werden muB, 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 pl 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 & Meßtechnik ; 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 jum, das Volu- men beträgt also etwa 0,0001 pl. 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 Tropfengröße 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 Größe des Düsendurchmessers bestimmt. Nur in stark ein- geschränktem Maße kann es auch durch die elektrische An- steuerung des Aktors beeinflußt 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 Größe der Trop- fen stark medienabhängig. Die Dosierung eines gewünschten Volumens, das meist in einem Bereich von 0,1 1 liegt, beruht auf dem Abzählen von Einzeltropfen gleicher Größe.

Das typische Volumen eines Einzeltropfens ist kleiner 0,001/il. Da sich die Volumenfehler der Einzeltropfen bei diesem Verfahren jedoch aufsummieren, 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 Größe der Einzeltropfen bestimmen und die benötigte Tropfenanzahl berechnen läßt. 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, daß beide genannten Verfahren zur Steigerung der Dosierpräzision jeweils sehr aufwendig und teuer sind.

Aus der EP-A-0439327 ist ein Steuersystem für eine Mikro- pumpe bekannt, die beispielsweise in einer Dosiervorrichtung verwendbar ist. Das Steuersystem steuert selektiv die Erzeu- gung von Treiberpulsen, um das Ausgeben von Fluid durch die Pumpe zu steuern. Bei dieser bekannten Steuerung für eine Mikropumpe werden jeweils Rechtecksignale unterschiedlicher Amplitude verwendet, um ein piezoelektrisches Treiberele- ment, das zum Treiben einer Pumpmembran dient, anzusteuern.

Aus der EP-A-0725267 ist eine elektrisch steuerbare Mikro- Pipette zur Handhabung kleinster Fluidvolumina im Bereich von einigen Hundert pl bis zu einigen pl bekannt. Die Haupt- komponente dieser bekannten Mikro-Pipette ist eine als Mi- kroejektionspumpe betriebene Mikromembranpumpe, wobei ferner eine zweite Mikromembranpumpe vorgesehen sein kann, die als Mikrodruck-oder Mikrosaug-Pumpe ausgestaltet ist. Diese je- weiligen Pumpen werden jeweils mit Rechteckspannungen ange- steuert.

In der älteren, nicht vorveröffentlichten Deutschen Anmel- dung 19706513.9-52 der Anmelderin der vorliegenden Anmel- dung, eingereicht am 19. Februar 1997, ist eine Mikrodosie- rungsvorrichtung offenbart, die die Ausgabe exakt definier- ter Fluidvolumen ermöglicht. In dieser Anmeldung ist eine Mikrodosiervorrichtung offenbart, die eine Druckkammer auf- weist, welche zumindest teilweise von einem Verdränger be- grenzt ist. Eine Betätigungseinrichtung zum Betätigen des Verdrängers ist vorgesehen, wobei durch die Betätigung des Verdrängers das Volumen der Druckkammer veränderbar ist. Ein Medienreservoir ist über eine erste Fluidleitung fluidmäßig mit der Druckkammer verbunden, während eine Auslaßöffnung über eine zweite Fluidleitung fluidmäßig mit der Druckkammer verbunden ist. Um den Ausstoß eines definierten Fluidvolu- mens aus der Auslaßöffnung zu bewirken, ist gemäß der oben genannten Schrift eine Einrichtung zum Erfassen der jeweili- gen Stellung des Verdrängers sowie eine Steuereinrichtung, die mit der Betätigungseinrichtung und der Einrichtung zum Erfassen der Stellung des Verdrängers verbunden ist, vorge- sehen, wobei die Steuereinrichtung die Betätigungseinrich- tung auf der Grundlage der erfaßten Stellung des Verdrängers oder auf der Grundlage während zumindest eines vorherigen Dosierzyklusses erfaßter Stellungen des Verdrängers steuert.

Mittels der in der oben genannten Deutschen Anmeldung 19706513.9-52 offenbarten Mikrodosiervorrichtung ist es mög- lich, exakt definierte Fluidvolumen unabhängig von der Vis- kosität des zu dosierenden Fluids auszustoßen, indem das Be- tätigungsglied des Verdrängers basierend auf den Ausgangs- signalen des Volumensensors angesteuert wird. Somit ist das definierte Fluidvolumen nahezu unabhängig von der Viskosi- tät, von Oberflächenspannungen, usw. des zu dosierenden Me- diums. Folglich kann mittels der in der oben genannten Deut- schen Anmeldung eine Dosierung sich in Viskosität und Ober- flächenspannungen unterscheidender Medien, wie sie bei- spielsweise in der Biotechnologie eingesetzt werden, durch- geführt werden.

Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine wenig aufwendige Mikrodosiervorrichtung zu schaffen, die innerhalb eines Betriebsbereichs eine von der Viskosität eines zu do- sierenden Mediums unabhängige Dosierung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Mikrodosiervorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß es möglich ist, eine in einem ausreichenden interessierenden Betriebsbereich viskositätsunabhängige Dosierung zu schaf- fen, selbst wenn bei der Mikrodosiervorrichtung, die in der oben genannten Deutschen Anmeldung 19706513.9-52 offenbart ist, auf die Volumensensoreinrichtung, d. h. eine Einrichtung zum Erfassen der Stellung des Verdrängers, verzichtet wird. Diese, für viele Anwendungen ausreichende Viskositätsunab- hängigkeit der Dosierung, wie sie in der vorliegenden Anmel- dung beschrieben ist, ist in der oben genannten Deutschen Anmeldung 19706513.9-52 nicht offenbart, da dort der Ausstoß eines definierten Fluidvolumens, im wesentlichen viskosi- tätsunabhängig, gerade auf der Grundlage einer solchen Volu- mensensoreinrichtung durchgeführt wird.

Die vorliegende Erfindung schafft eine volumensensorfreie Mikrodosiervorrichtung mit einer Druckkammer, die zumindest teilweise von einem Verdränger begrenzt ist, einer Betäti- gungseinrichtung zum Betätigen des Verdrängers, wobei durch die Betätigung des Verdrängers das Volumen der Druckkammer veränderbar ist, einem Medienreservoir, das fluidmäßig mit der Druckkammer verbunden ist, einer Auslaßöffnung, die fluidmäßig mit der Druckkammer verbunden ist, und einer Steuereinrichtung. Mittels der Steuereinrichtung wird die Mikrodosiervorrichtung derart angetrieben, daß durch eine Bewegung des Verdrängers aus einer ersten Stellung in eine vorbestimmte zweite Stellung eine kleine Volumenänderung pro Zeiteinheit bewirkt wird, wobei die zweite Stellung des Ver- dangers ein größeres Volumen der Druckkammer definiert als die erste Stellung, zum Ansaugen eines Fluidvolumens in die Druckkammer. Während einer zweiten Phase treibt die Steuer- einrichtung die Mikrodosiervorrichtung derart, daß durch ei- ne Bewegung des Verdrängers aus der zweiten Stellung in die erste Stellung eine große Volumenänderung des Druckkammervo- lumens pro Zeiteinheit bewirkt wird, um dadurch ein defi- niertes Fluidvolumen aus der Auslaßöffnung auszustoßen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung geschieht das Ausschleudern von Flüssigkeit durch eine Direktverdrängung der Flüssigkeit im Gegensatz zu akustischen Prinzipien, wie sie beispiels- weise bei den meisten Tintendruckköpfen verwendet werden.

Bei derartigen Tintendruckköpfen, insbesondere bei solchen, die piezoelektrisch angetrieben werden, wird in der Dosier- kammer meist eine Druckwelle erzeugt, die sich in Richtung Düse ausbreitet und dort zu einem Tropfenabriß führt. Hier- bei entspricht der Tropfendurchmesser im wesentlichen dem doppelten Düsenquerschnitt. Im Gegensatz dazu wird bei be- kannten, sogenannten Bubble-Jet-Druckern eine Druckwelle durch eine Dampfblase erzeugt, wobei die Verdrängung, die durch die Dampfblase bewirkt wird, aufgrund der Größe der Dampfblase auf ein Volumen von ca. 50 bis 100 pl beschränkt ist und aufgrund physikalischer Prinzipien nicht wesentlich gesteigert werden kann. Dies führt typischerweise zum Abriß eines Einzeltropfens in der Größenordnung des doppelten Dü- senquerschnitts und nicht wie bei der vorliegenden Erfindung zu einem Flüssigkeitsstrahl, dessen Gesamtvolumen wesentlich größer als dieser Einzeltropfen ist. Der exakte Tropfenabriß und damit das dosierte Flüssigkeits- volumen hängt bei jedem Mechanismus, mit dem Einzeltropfen generiert werden, von vielen Details ab, wie z. B. der Vis- kosität, der Oberflächenspannung der Flüssigkeit, der Tempe- ratur, der Ansteuerspannung, usw. Dabei unterscheiden sich bei diesen Einzeltropfen-Mechanismen sowohl die Tropfengröße als auch die Ausbildung eines"Tropfenschweifs", der beim Abriß des Tropfens erzeugt wird. Somit hat auch eine unter- schiedliche Viskosität eine Variation des dosierten Volumens eines Einzeltropfens zur Folge, wobei bei der Erzeugung des gesamten zu dosierenden Volumens durch die Aufsummation von Einzeltropfen die absoluten Dosierfehler jedes einzelnen Tropfens summiert werden. Der relative Dosierfehler des Ge- samtvolumens entspricht somit dem relativen Dosierfehler je- des Einzeltropfens.

Das Konzept der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine wesentliche größere Flüssigkeitsmenge als einen einzel- nen Tropfen mit hoher kinetischer Energie abzustoßen. Die abgestoßene Flüssigkeitsmenge kann dabei das Volumen von et- wa 10 bis 1.000 Einzeltropfen aufweisen, wobei dies jedoch lediglich eine beispielhafte Angabe ist. Somit wirken sich bei der vorliegenden Erfindung beim Abriß des Flüssigkeits- strahls auftretende Effekte nur auf den Anfang und das Ende des Flüssigkeitsstrahls aus und besitzen bezogen auf das ge- samte Dosiervolumen nur eine untergeordnete Bedeutung. Der überwiegende Teil der Fluidmenge, die aus der Auslaßöffnung, oder Düse, austritt, wird durch die Trägheit und die Reibung bestimmt.

Somit tritt bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfin- dung, das auf einer Direktverdrängung der Flüssigkeit ba- siert, der durch den Tropfenabriß verursachte Fehler bei der gesamten Fluidmenge nur einmal auf. Während also beim Aufad- dieren von 10 bis 1.000 einzelnen Tropfen bei Einzeltrop- fen-Mechanismen die Fehler der einzelnen Tropfen aufzusum- mieren sind, läßt sich gemäß der vorliegenden Erfindung der Fehler grob gesprochen um die Anzahl der in der dosierten Fluidmenge enthaltenen Einzeltropfen reduzieren. Es sei hierbei angemerkt, daß auch gemäß der vorliegenden Erfindung der Flüssigkeitsstrahl, nachdem er die Düse verlassen hat, in einzelne Tropfen zerfallen kann. Dies hat jedoch keinen Einfluß mehr auf die gesamte Dosiermenge, da die Flüssigkeit die Düse bereits verlassen hat. Überdies kann eine noch exaktere Dosierung erreicht werden, wenn die Betätigungsein- richtung und der Verdränger mit einer solchen Steifigkeit ausgebildet sind, daß der Verdränger im wesentlichen zwangs- gesteuert ist.

Das Medienreservoir kann über eine erste Fluidleitung mit der Druckkammer verbunden sein, während die Auslaßöffnung über eine zweite Fluidleitung mit der Druckkammer verbunden sein kann.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung steuert die Steuereinrichtung die Betätigungsein- richtung derart, daß die beschriebenen Volumenänderungen be- wirkt werden. Dazu kann die Steuereinrichtung die Betäti- gungseinrichtung in der ersten Phase mit einem ersten Signal einer geringen Flankensteilheit ansteuern, während dieselbe die Betätigungseinrichtung in der zweiten Phase mit einem zweiten Signal einer hohen Flankensteilheit ansteuert. Somit ist eine Fluidbewegung in der ersten und der zweiten Fluid- leitung in der ersten Phase im wesentlichen trägheitsunab- hängig, während eine Fluidbewegung in der zweiten Phase im wesentlichen durch die Relation der Trägheit des Fluids in der ersten und der zweiten Fluidleitung bestimmt ist.

Alternativ kann erfindungsgemäß der Verdränger, wenn dersel- be als eine Membran ausgebildet ist, durch die Betätigungs- einrichtung in die erste Stellung vorspannbar sein, wobei die Membran mit der Betätigungseinrichtung nicht fest ver- bunden ist, so daß auf eine Betätigung der Betätigungsein- richtung zu Beginn der zweiten Phase hin die Bewegung der Membran aus der zweiten Stellung in die erste Stellung le- diglich durch die Rückstellkraft der Membran erfolgt. Auch dadurch kann eine geringe Volumenänderung des Druckkammervo- lumens pro Zeiteinheit bei der Bewegung des Verdrängers aus der ersten Stellung in die zweite Stellung bewirkt werden.

Hierbei ist die Rückstellkraft der Membran vorzugsweise so dimensioniert, daß der durch die Rückstellkraft verursachte Unterdruck in der Druckkammer kleiner ist als ein in der zweiten Fluidleitung vorliegender Kapillardruck.

Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Kalibrieren einer Mikrodosiervorrichtung der oben genannten Art, um nach einer einmaligen Kalibrierung während nachfol- gender Dosierphasen reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten.

Die Mikrodosiervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann ferner als Pipette verwendet werden, indem während der genannten ersten Phase die Auslaßöffnung in ein zu pipettie- rendes Fluid eingetaucht wird.

Bei anfänglicher Inbetriebnahme der Mikrodosiervorrichtung werden zunächst die Druckkammer und die Fluidleitungen mit einem Fluid befüllt, bevor die Betätigungsvorrichtung in der ersten Phase zum Ansaugen eines Fluids angesteuert wird. Die erfindungsgemäße Mikrodosiervorrichtung kann vorteilhaft un- ter Verwendung mikromechanischer Verfahren, insbesondere Verfahren der Halbleitertechnologie, hergestellt werden.

Ferner kann die erfindungsgemäße Mikrodosiervorrichtung mo- dular aufgebaut sein, derart, daß beispielsweise die Druck- kammer, der Verdränger und optional zumindest Teile der er- sten und der zweiten Fluidleitung als austauschbares Modul mittels mikromechanischer Verfahren aufgebaut sind. Ferner kann das Medienreservoir ein Teil des austauschbaren Moduls sein, wobei dasselbe ebenfalls mittels mikromechanischer Verfahren aufgebaut ist.

Wie bereits dargelegt, besteht ein wesentlicher Vorteil ei- nes erfindungsgemäßen Dosiervorgangs darin, daß ein Fluid- strahl als Ganzes abgegeben wird, und nicht eine Vielzahl von Einzeltropfen addiert werden miissen, um die gewünschten Dosiervolumina, beispielsweise auf dem Gebiet der Biotechno- logie, zu erhalten. Obwohl der genaue Abriß des Freistrahls an der Auslaßöffnung wie bei herkömmlichen Systemen von den Medieneigenschaften beeinflußt wird, wird gemäß der vorlie- genden Erfindung dennoch eine höhere Dosiergenauigkeit er- halten. Da durch den Medienverdränger der erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrichtung problemlos auch größere Volumina im gewünschten Bereich zwischen 0,011 bis 0,11 während eines Vorgangs abgegeben werden können, spielen Volumenfehler, die eine Folge eines Abrisses der Einzeltropfen sind und bei Tropfenvolumina von 0, 0001µl einen großen relativen Fehler darstellen würden, keine Rolle mehr. Eine Summation der sy- stematischen Fehler pro Tropfen tritt gemäß 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 Auslaßöffnung als freien Strahl auszustoßen, ist die Bewegung des Fluids in der ersten Fluidleitung, d. h. dem Reservoirkanal, und der zweiten Fluidleitung, d. h. dem Düsenkanal, nahezu ausschließlich 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 erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrichtung ausgestoßen 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.

Die erfindungsgemäße Mikrodosiervorrichtung kann ferner zur Pipettierung eines Fluids bzw. einer Flüssigkeit verwendet werden. Dazu wird ein Fluid über die Auslaßöffnung, 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 erfindungsgemäße Mikrodo- siervorrichtung eignet sich auch als solche Pipette, bei der die Auslaßöffnung der mit einer Inertflüssigkeit befüllten Druckkammer während der ersten Phase in ein zu pipettieren- des Fluid eingetaucht wird oder ein zuvor unbefülltes System beim. Eintauchen in das Fluid rein kapillar befüllt wird.

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 zur Ver- anschaulichung des Betriebs eines Ausführungsbei- spiels der erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrich- tung ; Fig. 2 ein Diagramm, das ein Ansteuersignal zur Ansteue- rung der Betätigungseinrichtung der erfindungsge- mäßen Mikrodosiervorrichtung darstellt ; Fig. 3A und 3B schematische Darstellungen von Ausführungs- beispielen zur Realisierung der erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrichtung ; Fig. 4 eine schematische perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrichtung ; Fig. 5 eine Darstellung des Dosiervolumens über der kine- matischen Viskosität ; Fig. 6 eine Darstellung des Dosiervolumens über der Piezo- spannung ; Fig. 7 ein Schema zur Beschreibung der Dynamik einer er- findungsgemäßen Mikrodosiervorrichtung ; Fig. 8 eine schematische auseinandergezogene Darstellung eines Mikrodosiervorrichtungsarrays, das mit erfin- dungsgemäßen Mikrodosiervorrichtungen aufgebaut ist ; und Fig. 9 eine schematische Ansicht des in Fig. 8 dargestell- ten Mikrodosiervorrichtungsarrays in einem zusam- mengesetzten Zustand.

In Fig. 1 ist eine mögliche Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Mikrodosiervorrichtung, die sich speziell für eine Herstellung des Dosierelements mittels der Verfahren der Halbleitertechnologie eignet, dargestellt. Der Medienver- dränger 10 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als eine in Silizium geätzte versteifte Membran realisiert. Die Verdrängerstruktur ist dabei mittels eines anisotropen KOH- Ätzens hergestellt, das zu den trapezförmigen Ausnehmungen, die die Membran 16 definieren, führt. Neben einer versteif- ten Membran kann jedoch auch eine nicht-versteifte Membran verwendet werden.

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 Auslaßöffnung 26, die in Fig. 1 in gestrichelten Linien angedeutet ist, fluidmäßig verbunden. Die Auslaßöffnung 26 kann in der Form einer Düse ausgestaltet sein. Der Reservoirkanal 20 ist fluidmäßig 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, daß durch eine Ansteuerung des Piezostapels 30 der Medien- verdränger 10 bewegt werden kann. Der Piezostapel 30 ist mit einer Steuereinrichtung (nicht dargestellt) elektrisch ver- bunden.

Die Druck-oder Dosier-Kammer 24, die Fluidleitungen 20,22 und die Auslaßöffnung 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, daß 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 Größe der bestimmenden Parame- ter, Flußwiderstand, fluidische Induktivität und Kapillar- druck wird durch die Länge und die Ätztiefe der Kanäle be- stimmt. Durch einen Mehrfachmaskenprozeß 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 Ansatzfläche 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 angepaßt werden.

Anhand Fig. 2 wird nachfolgend ein Dosiervorgang gemäß 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 Auslaßöffnung. Am Ort der Auslaßöffnung, 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 erfindungsgemäBen Dosier- vorrichtung durchgeführt werden muß, werden die im Folgenden beschriebenen Schritte durchgeführt.

Während eines in Fig. 2 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, daß der zu dosierenden Flüssigkeit eine geringe Beschleunigung vermittelt wird. Je nach Fließwider- 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, daß 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 angepaßt wird.

Nachfolgend erfolgt bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausfüh- rungsbeispiel des erfindungsgemäßen 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. Die Dauer dieses Vorgangs wird bestimmt durch den Strömungswiderstand der Kanäle und eventuell der Dosier- kammer, wobei jedoch der Strömungswiderstand der Dosierkam- mer im Vergleich zum Strömungswiderstand der Kanäle in den meisten Fällen vernachlässigbar ist, die physikalischen Ei- genschaften des Mediums, d. h. der Viskosität, und dem hydro- statischen Druck in dem Reservoir. Diese Phase des Einre- gelns des Fluidlevels ist optional, da dieselbe entfallen kann, wenn die Ansaugphase genügend langsam erfolgt, wobei sich in diesem Fall der Flüssigkeitsmeniskus stets am Ort der Düse befindet.

In einer dritten Phase, die in Fig. 2 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 großen Flankensteilheit, durch das der Flüssigkeit eine große Be- schleunigung vermittelt wird, realisiert. Dadurch wird Flüs- sigkeit über die Düse als freier Strahl ausgestoßen. Die Be- wegung der Flüssigkeit im Reservoir-und im Düsen-Kanal ist unter diesen Umständen nahezu ausschließlich 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 Or und Lr den Volumen- strom bzw. die Induktivität in Reservoirrichtung angeben.

In der Regel sind die hydrostatischen Drücke, die sich aus der Höhendifferenz zwischen dem Füllstand im Reservoir und der Lage der Düse ergeben können, ebensowenig wie die Druck- differenzen zwischen dem Luftdruck der Umgebung und dem Druck in der Reservoirkammer, beide vernachlässigbar gegen die in der Druckkammer bei einer schnellen Änderung des Ver- dangers anliegenden Drücke, die mehrere bar betragen kön- nen. Dadurch sind die Druckdifferenzen.. Pd und.. Pr nahezu identisch, weshalb die Anteile der Flüssigkeitsströmungen in Düsenrichtung bzw. in Rückwärtsrichtung in einer festen Re- lation stehen. Diese Relation ist unabhängig von der Visko- sität und der Dichte enthaltenen Flüssigkeit. Daher 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.

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

Durch die Bewegung des Verdrängers in der Ansaugphase, die eine definierte Volumenänderung pro Zeit, was einem Ansaug- volumenstrom entspricht, erzeugt, wird ein Unterdruck in der Druckkammer bewirkt, wobei dieser Unterdruck beim Dosieren, d. h. wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung als Dispenser verwendet wird, je nach Ansaugvolumenstrom und Viskosität bestimmte Werte nicht überschreiten darf. Bei einem geringen Ansaugvolumenstrom und einer geringen Viskosität ist der Un- terdruck kleiner als der Kapillardruck in der zweiten Fluid- leitung zwischen der Druckkammer und der Düse, so daß die zweite Fluidleitung während der gesamten Zeit vollständig von dem Fluid gefüllt bleibt und das Ansaugen vollständig aus dem Medienreservoir erfolgt. Somit kann die Gefahr eines Ansaugens von Luft durch den Düsenkanal ausgeschlossen wer- den.

Liegt jedoch ein hoher Ansaugvolumenstrom und eine große Viskosität vor, ist der Unterdruck größer als der Kapillar- druck der zweiten Fluidleitung. Somit erfolgt das Ansaugen des Fluidvolumens durch beide Fluidleitungen. Sofern dabei keine Luft in die Dosierkammer eintritt, füllt sich nach Beendigung der Verdrängerbewegung, wie oben erläutert, das Leitungssystem wieder vollständig bis zur Auslaßöffnung durch die Kapillarkraft. In diesem Fall ist die zwischen der Ansaugphase und Dosierphase stattfindende Einregelphase fur den Fluidpegel vorgesehen.

Im Folgenden werden weitere alternative Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen 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 läßt 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.

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. 3A und 3B 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 aufweist, auswechsel- bar ist. Durch den Pfeil 66 in Fig. 3A ist die Bewegungs- richtung des Piezo-Stapelaktors angegeben. Ferner ist in Fig. 3A eine Fluidleitung 68, die durch das Gehäuse ver- läuft, dargestellt. Der rechtsseitige Teil von Fig. 3A stellt eine Vergrößerung der mikromechanisch gefertigten Komponenten der Mikrodosiervorrichtung dar, wobei die Pyrex- platte und der Siliziumchip getrennt dargestellt sind.

Eine Vergrößerung dieser mikromechanisch gefertigten Kompo- nenten der Mikrodosiervorrichtung ist in auseinandergezoge- ner Form in Fig. 3B 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) fluidmäßig verbunden ist, verläuft durch die Pyrexglasplatte 70. Die Pyrexglasplatte 70 weist ferner eine Ausnehmung 76 auf, um eine elektrische Kontaktierung von Anschlußflächen 78 auf dem Siliziumchip zu ermöglichen.

Der Reservoirkanal ist bei 80 dargestellt, während die Do- sierkammer bei 82 gezeigt ist. Mittels einer weiteren Ver- größerung 86 ist in Fig. 3B das Auslaßende oder die Düse der Mikrodosiervorrichtung 86 schematisch 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.

Ferner ist eine Beschichtung der Düse mit einem hydrophoben Material vorteilhaft, da dadurch die Oberflächenspannung er- höht wird und ein Austreten von Flüssigkeit durch die Düse im Ruhezustand weiter unterdrückt wird. Diesbezüglich ist insbesondere eine Beschichtung außerhalb der Düse in der Um- gebung entlang des Umfangs derselben mit einem hydrophoben Material vorteilhaft. Jedoch kann auch die Innenseite des zweiten Fluidkanals hydrophob beschichtet sein.

Die Auslaßöffnung der erfindungsgemäBen 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 zur Dosierung in sogenannte Mikroti- terplatten verwendet werden. Ferner wirkt bei mehreren klei- nen Düsen im Vergleich zu einer großen Düse eine größere 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 Ausstoß des Fluids aus der Düse senkrecht zu dem Chip stattfindet. Eine vertikale Anordnung ist vorteilhaft dahingehend, daß 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.

Eine geeignete Anpassung der erfindungsgemäßen Mikrodosier- vorrichtung auf ein gewünschtes Dosiervolumen V mit einer maximal erlaubten Dosiergenauigkeit dV geschieht vorzugswei- se auf die nachfolgend beschriebene Weise.

Die Ungenauigkeit dV des dosierten Gesamtvolumens entspricht etwa der Grole eines hypothetisch an der Düse abreißenden Einzeltropfens, dessen Durchmesser sich wiederum in erster Näherung aus dem doppelten Düsendurchmesser ergibt. Bei Annahme eines kugelförmigen Tropfens (dV-1/3d37r) ergibt sich als Abschätzung für die obere Grenze des Düsendurchmes- sers d : d < (3dV/47r) 1/3 Bei einer gewünschten Dosiergenauigkeit von 1 nl bedeutet dies, daß ein Düsendurchmesser < 60m zu wählen ist.

Ferner wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Aktor mit einer ausreichenden Leistung verwendet, damit das gewünschte Volumen V mittels der Auslenkung einer flexible Wand der Dosierkammer innerhalb einer sehr kurzen Zeit durch die Düse verdrängt werden kann, wobei die Zeit so kurz sein muß, daß die Tropfen durch ihre Beschleunigung auch an der Düse ab- reißen. Zum Kalibrieren der erfindungsgemäßen Mikrodosie- rungsvorrichtung kann beispielsweise einmalig, sozusagen herstellerseitig, das Verhältnis der Fluidmenge, die in Richtung Düse verdrängt wird, und der Fluidmenge, die in Richtung Reservoir verdrängt wird, bestimmt werden. Der Flüssigkeitsverlust in Richtung Reservoir kann bei nachfol- genden Dosiervorgängen dann durch eine entsprechend größere Verdrängung, die durch den Verdränger bewirkt wird, kompen- siert werden.

Die erfindungsgemäße Mikrodosiervorrichtung kann auch als Pipette verwendet werden. Dabei wird die Düse, oder die Aus- laßöffnung, zum Aufnehmen von Flüssigkeit in das zu pipet- tierende Medium eingetaucht. Die Grenzschicht zwischen Flüs- sigkeit im Düsenkanal und Luft in der Umgebung wird durch eine Grenzschicht zwischen zwei Flüssigkeiten ersetzt. Dabei ist die Flüssigkeit in der Dosierkammer als ein Inertkolben zu betrachten, der nur ein inkompressibles Medium darstellt, welches mit der zu pipettierenden Flüssigkeit keine Wechsel- wirkung eingeht. Da die Grenzfläche zur Luft wegfällt, ist der Kapillardruck in der zweiten Fluidleitung, d. h. zwischen der Druckkammer und der Auslaßöffnung, wesentlich reduziert, da er durch den Kapillardruck der eintretenden Flüssigkeit teilweise oder ganz kompensiert bzw. eventuell sogar über- kompensiert wird. Im folgenden wird nun der Ablauf einer Pi- pettierung dargelegt.

Die Düse wird in die aufzunehmende Flüssigkeit gehalten, wo- raufhin der Verdränger aus der ersten in die zweite Stellung bewegt wird. Diese Bewegung entspricht der in der Fig. 2 dargestellten Ansaugphase. Der Vorgang wird nun im wesentli- chen vom Unterdruck in der Dosierkammer und dem Strömungswi- derstand in der Fluidleitung bestimmt. Die Strömungskanäle zur Düse sind so auszulegen, daß eine Durchmischung der bei- den Flüssigkeiten möglichst unterdrückt wird. Die Bewegung des Verdrängers während dieses Ansaugvorgangs wird nicht nur durch einen Flüssigkeitsstrom des zu pipettierenden Mediums durch die Düse kompensiert, sondern zum Teil auch durch ei- nen Volumenstrom aus dem Reservoir in die Dosierkammer. Da- her muß die Volumenveränderung des Verdrängers größer sein als das aufzunehmende, zu pipettierende Volumen. Dieses Pro- blem kann auf zwei Arten gelöst werden.

Zum einen kann der Verdränger so angesteuert werden, daß er eine deutlich größere Volumenbewegung ausführt, so daß der Anteil, der durch eine Aufnahme des zu pipettierenden Me- diums kompensiert wird, auf jeden Fall größer als die ge- wünschte nachfolgende Abgabemenge ist. Alternativ kann die Düse aus dem zu pipettierenden Medium herausgenommen werden, woraufhin der Verdränger durch ein Ansteuersignal geringer Flankensteilheit aus der zweiten Stellung in die erste Stel- lung zurückgebracht wird. Hierbei geht kein Medium verloren, wenn der Druck in der Dosierkammer während dem gesamten Vor- gang kleiner ist als der notwendige Druck, um Flüssigkeit auszustoßen bzw. ausfließen zu lassen. Jetzt kann wiederum der Schritt des Ansaugens wiederholt werden, so daß die dop- pelte bzw. ein Mehrfaches der Flüssigkeitsmenge aufgenommen werden kann. Nachfolgend kann eine Dosierphase durch ein Si- gnal mit hoher Flankensteilheit, wie oben bezugnehmend auf Fig. 2 beschrieben wurde, erfolgen. Eine überflüssige Menge des zu pipettierenden Mediums im Düsenkanal kann in einen Abfallbehälter ausgestoßen werden.

In Fig. 4 ist ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Mikrodosierungsvorrichtung darge- stellt. Ein Piezostapelaktor 100 ist über eine Schraubver- bindung 102 mit einem Kraftübertragungsglied 104 verbunden. Das Kraftübertragungsglied 104 besitzt die Form eines dreh- bar gelagerten Hebellenkers, der in der Richtung der in Fig.

4 dargestellten Pfeile schwenkbar ist. Mittels des Hebellen- kers 104 wird eine durch den Piezostapelaktor 100 erzeugte Kraft auf ein Dosiermodul 106 übertragen. Der Hebellenker 104 weist dabei einen Vorsprung 107 auf, der die vom Piezo- stapelaktor 100 erzeugte Kraft auf einen Druckpunkt 108 der Dosierkammer überträgt. Bei 110 ist in Fig. 4 die Düse oder Auslaßöffnung dargestellt. Alternativ zu dem dargestellten Hebellenker könnte als Kraftübertragungsglied auch eine Hy- draulik verwendet werden.

Die Schraubverbindung 102 stellt in Kombination mit einer darunterliegenden Feder in der Konstruktion sicher, daß der ebenfalls nicht starr mit dem Piezoaktor 100 verbundene He- bellenker 104 immer an den Piezoaktor 100 angepreßt wird.

Im linken Teil von Fig. 4 ist getrennt das Dosiermodul dar- gestellt, wobei die Düse 110 über eine Fluidleitung mit dem Medienreservoir 112 verbunden ist. Wiederum ist bei diesem Ausführungsbeispiel der Dosierchip 114, der zumindest die Druckkammer und die Verdrängermembran umfaßt, auswechselbar.

In Fig. 4 ist ferner schematisch durch gestrichelte Linien 120 schematisch eine Gehäusekontur der fertigen Mikrodosier- vorrichtung dargestellt. Wie in Fig. 4 ohne weiteres zu ent- nehmen ist, kann bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel auch das gesamte Fluidmodul auswechselbar sein.

Auch bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind der Aktor und der Verdränger nicht fest miteinander verbunden. Der Aktor wird lediglich in Kontakt mit dem Ver- dränger gebracht. Dadurch ergibt sich eine Vielzahl von Vor- teilen.

Zum einen muß keine Klebeverbindung oder sonstige Befesti- gung hergestellt werden, so daß, wie oben erläutert wurde, allein das Dosiermodul ausgetauscht und der Aktor wiederver- wendet werden kann. Dies stellt eine kostengünstige Lösung dar, wenn beispielsweise das Dosiermodul verstopft ist und der Dosierchip gewechselt werden muß.

Da der Kontakt zwischen dem Aktor und dem Verdränger rein berührend ist, also keine feste Verbindung zwischen densel- ben vorliegt, kann zusätzlich eine Schutzfunktion zur Ver- meidung einer Luftansaugung durch die Fluidleitung zwischen der Düse und der Druckkammer realisiert werden. Diese Schutzfunktion wird wie folgt erzielt. Der Aktor befindet sich zu Beginn einer Freistrahldosierung bereits in Kontakt mit dem Verdränger, wobei der Verdränger in dieser Ausgangs- stellung entweder kräftefrei am Aktor anliegt oder auch be- reits eine vorbestimmte Vorauslenkung aufweisen kann. Bei einer Bewegung des Verdrängers in der zweiten Phase, um ein Fluid aus der Düse auszustoßen, schiebt daher der Aktor den Verdränger vor sich her. Die zunehmende Auslenkung des Ver- drängers führt dabei zu einer ansteigenden Rückstellkraft auf den Aktor, aufgrund derer der Kontakt zwischen Aktor und Verdränger während der gesamten Bewegung erhalten bleibt.

Beim Zurückfahren des Verdrängers während der Ansaugphase kann der Aktor bei einer fehlenden festen Verbindung dessel- ben zu dem Verdränger keine Zugkräfte auf den Verdränger ausüben. Es sind nun zwei Fälle denkbar, je nach dem, ob die Bewegung des Aktors oder die Bewegung des Verdrängers lang- samer sind. Wenn der Aktor genügend langsam zurückbewegt wird, limitiert die zeitliche Bewegung des Aktors gleichzei- tig die zeitliche Bewegung des Verdrängers und damit auch den Ansaugvolumenstrom. Aktor und Verdränger bleiben ständig in Kontakt, da die Rückstellkraft des Verdrängers eine Bewe- gung in dieselbe Richtung bewirkt.

Wenn der Aktor hingegen schnell zurückbewegt wird, so geht der Kontakt zum Verdränger während dieses Vorgangs verloren. In diesem Fall ist die Rückstellkraft des Verdrängers nicht groß genug, um dem Aktor zu folgen. Die Ursache liegt darin, daß durch die Rückstellkraft des Verdrängers in der Dosier- kammer ein Unterdruck erzeugt wird. Abhängig von der Visko- sität des Mediums und der Geometrie der Kanäle führt dieser Unterdruck zu einem definierten Ansaugvolumenstrom durch die erste und die zweite Fluidleitung, wie oben erläutert wurde.

Hierbei stellt sich der Beitrag einer Fluidleitung zum Ge- samtvolumenstrom im wesentlichen entsprechend den wirksamen Strömungswiderständen beider Fluidleitungen und dem in der zweiten Fluidleitung zusätzlich wirksamen Kapillardruck ein.

Ist dieser Ansaugvolumenstrom geringer als der Volumenstrom, welcher der Aktorbewegung entsprechen wurde, so hindert er den Verdränger an einer entsprechend schnellen Relaxation und führt dazu, daß sich der Verdränger langsamer in die Ausgangslage zurückbewegt als der Aktor.

Der oben genannte Effekt kann nun ausgenutzt werden, um den maximal in der Dosierkammer wirkenden Unterdruck und damit den maximalen Ansaugvolumenstrom zu beschränken. Wird die Rückstellkraft des Verdrängers beispielsweise durch eine ge- nügend dünne Membran derart klein dimensioniert, daß der durch den Verdränger maximal erzielbare Unterdruck in der Dosierkammer kleiner ist als der Kapillardruck in der zwei- ten Fluidleitung, so bleibt diese Fluidleitung während der gesamten Zeit vom Fluid gefüllt und das Ansaugen erfolgt vollständig von dem Medienreservoir. Somit kann ein Ansaugen von Luft durch die zweite Fluidleitung nicht auftreten. Fer- ner führt dieser Effekt dazu, daß während der Ansaugphase stets eine kleine Volumenänderung des Druckkammervolumens pro Zeiteinheit bewirkt wird.

Wie oben dargelegt, kann somit die fehlende feste Verbindung des Verdrängers mit dem Aktor als eine eingebaute Schutzvor- richtung, um ein Ansaugen von Luft zu verhindern, betrachtet werden.

Bei den in den Fig. 3A, 3B und 4 dargestellten Ausführungs- beispielen muß, nach dem Einsetzen des Dosiermoduls, eine Feinjustage des Aktors im Bereich weniger um erfolgen. Für diese mechanische Feinjustage des Aktors ist eine Mikrome- terschraube vorgesehen. Diese Mikrometerschraube ist in den Figuren nicht dargestellt, da sich dieselbe vorzugsweise auf der abgewandten Seite des Piezostapelaktors im Gehäuse be- findet. Eine Feinjustage kann jedoch auch automatisch durch- geführt werden, indem der Kontakt zwischen Verdränger und Aktor durch einen Sensor, beispielsweise einen kapazitiven Abstandssensor, einen elektrischen Stromkreis, usw., detek- tiert wird. Für eine automatische Feinjustage mit einem ge- schlossenen Stromkreis als Kontaktsensor wird zwischen den Aktor, d. h. bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4 das Kraftübertragungsglied, und das Dosiermodul eine sehr gerin- ge Spannung angelegt, beispielsweise in der Größenordnung von 1 V. Wenn sich der Aktor bzw. das Kraftübertragungsglied und der Verdränger mechanisch berühren, wird ein Stromkreis geschlossen, woraufhin ein entsprechendes elektrisches Si- gnal vorliegt. Die Positionierung kann auch automatisch er- folgen, indem die Spannung an dem Aktor so lange verändert wird, bis der geschlossene Stromkreis entsprechend den Kon- takt zwischen dem Aktor bzw. dem Kraftübertragungsglied und dem Verdränger meldet. Die somit ermittelte Spannung kann dann allen anderen Signalen als Offset überlagert werden.

Somit ist eine Feinjustage vollautomatisch möglich.

Der Betrieb der erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrichtung ist zumindest in einem ausreichenden Betriebsbereich unabhängig von der Viskosität des zu dosierenden Mediums, wenn der An- trieb genügend stark ausgelegt wird, beispielsweise durch einen Piezostapelaktor, und wenn die Verdrängermembran genü- gend steif ist, beispielsweise durch eine mittenversteifte Siliziummembran. Alternativ zu einem Piezostapelaktor kann auch mechanische Federn, sowie elektrostatische oder hydrau- lische Betätigungselemtente als Antriebsglieder zum Einsatz kommen. Durch die erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrichtungen läßt sich der Dosierfehler somit grob gesprochen um die An- zahl der in der Fluidmenge enthaltenen Einzeltropfen redu- zieren. Der Betrieb der erfindungsgemäßen Mikrodosiervor- richtungen kann weiter verbessert werden, indem dafür ge- sorgt wird, daß der größte Anteil der Flüssigkeit durch die Düse ausgestoßen wird, während nur ein kleiner Anteil in Richtung Reservoir zurückflieBt. Jedoch ist, auch wenn eine solche Vorzugsrichtung nicht existiert, das Verhältnis der jeweiligen Flußanteile unabhängig von der Viskosität und der Temperatur konstant und somit korrigierbar.

Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der vor- liegenden Erfindung wird ein zwangsgesteuerter Verdränger d. h. ein rückwirkungsfreier Aktor und ein möglichst steifer Verdränger, verwendet, um die Dynamik zu verbessern und so- mit die Möglichkeiten zu schaffen, auch hochviskose Medien noch genügend zu beschleunigen.

In Fig. 5 ist das Dosiervolumen in nl über der dynamischen Viskosität in mPas aufgetragen. Wie der in Fig. 5 darge- stellten Kennlinie deutlich zu entnehmen ist, ergibt sich eine erkennbare Abhängigkeit des Dosiervolumens von der Vis- kosität erst ab einem Viskositätsbereich von ca. 20 mPas.

Zur Ermittlung der in Fig. 5 dargestellten Kennlinie wurden als Medien Glycerin-Wasser-Lösungen in unterschiedlichen Mi- schungsverhältnissen verwendet.

Fig. 6 zeigt die Abhängigkeit des Dosiervolumens von der an die Betätigungseinrichtung angelegten Piezospannung. Wie in Fig. 6 zu sehen ist, ergibt sich ein im wesentlichen linea- rer Verlauf, wobei als Testmedium Wasser verwendet wurde.

Die erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrichtungen eignen sich ferner zum Aufbau eines Mikrodosiervorrichtungsarrays. Dabei kann eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrich- tungen beliebig nebeneinander, also parallel, angeordnet und individuell angesteuert werden. Es ist dabei möglich, bei- spielsweise vier Düsen innerhalb einer Fläche von weniger als einem Quadratmillimeter anzuordnen und individuell zu adressieren. Mittels eines solchen Mikrodosiervorrichtungs- arrays können unterschiedliche Medien ausgegeben werden, die sich erst nach dem Abschuß in der Luft vermengen. Daneben können auch mehrere Dosiervorrichtungen des Arrays von einer Betätigungseinrichtung angesteuert werden, deren Kraft über ein Kraftübertragungsglied auf mehrere Dosiervorrichtungen gleichzeitig verteilt wird.

Ein Ausführungsbeispiel eines Mikrodosiervorrichtungsarrays, das aus erfindungsgemäßen Mikrodosiervorrichtungen aufgebaut ist, ist in den Fig. 8 und 9 dargestellt.

Wie in Fig. 8 dargestellt ist, kann ein solches Mikrodosier- vorrichtungsarray aus einer Struktur, die eine erste Sili- ziumschicht 200, eine Pyrex-Glasplatte 202 und eine zweite Siliziumschicht 204 umfaßt ; gebildet sein. In der ersten Si- liziumschicht 200 sind bei dem dargestellten Ausführungsbei- spiel die Strukturen für zwei Mikrodosiervorrichtungen ge- bildet. Dazu sind zwei Verdrängermembranen 206, die jeweils eine Versteifung 208 aufweisen, in der Siliziumschicht 200 gebildet. Die Verdrängermembranen 206 sind über die Verstei- fungen 208 betätigbar. Ferner sind Fluidkanäle 210, die die Druckkammer mit einem Medienreservoir (nicht dargestellt) verbinden, in der ersten Siliziumschicht angeordnet.

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 Medienreservoir 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 Auslaßöffnung 216 verbin- den.

Die Pyrexglasplatte 202 wird zwischen den beiden Silizium- schichten 200 und 204 angeordnet, derart, daß 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- laßöffnungen 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 daß 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, daß die Fluidkanäle der jeweiligen Druckkammern entweder mit dem gleichen oder mit unterschiedlichen Medienreservoiren ver- bunden sein können. Bei der Herstellung der oben beschriebe- nen Mikrodosiervorrichtungen und Mikrodosiervorrichtungsar- rays können ferner Mikrospritzguß-Verfahren und Heißpräge- verfahren vorteilhaft eingesetzt werden.

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 #Plaminar, der dazu dient den Strömungswiderstand zu über- winden, und einen Druckabfall #Pträge, der die Flüssigkeit im Kanal beschleunigt, zusammen. Somit gilt für die Druck- differenz aPLeitung über die gesamte Fluidleitung : #Pleitung = #Plaminar + #pträge #pträge = # L mit L = (G1.2) #R##plaminar= Der Strömungswiderstand R und die fluidische Induktivität L rechnen sich beispielsweise für einen runden Schlauch mit dem Radius r und der Leitungslänge 1 zu : <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> z--L/p-/<BR> <BR> L = ; R = (Gl.3)<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> r2# ##r4 In Fig. 7 ist ein Schema zur Beschreibung der Dynamik einer erfindungsgemäßen 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 Vo der Änderung des Kammervolumens entspricht, die sich durch Verspannungen des Gehäuses und andere Störeinflüsse ergibt. Or ist der Vo- lumenfluß im Reservoirkanal und OD ist der Fluß 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> d#R<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> pR - p = # RR #R + # LR (Gl.4)<BR> dt<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> Für die Fluidleitung zwischen der Dosierkammer und der Düse gilt : <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> d#R<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> p + pK - pAtmosphare = # RD #D + # LD (Gl.5)<BR> dt<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> Für die Dosierkammer gilt :<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> --<BR> <BR> <BR> dut und damit Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß die Dynamik des Dosierelements näherungsweise durch drei Differential- gleichungen für die drei unabhängigen Variablen OR, OD und p wie folgt beschrieben wird : ---p dt p LR <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> d#D pK-#RD#D+ <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> =<BR> <BR> LD(G1.7)dt# 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 16sen : p (t=O) 0 ; OR (t=0) = 0 ; und 0.#D(t=0)=