Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikrominiaturisierte elektrostatische Pumpe mit wenigstens zwei in einer zu pum¬ penden, im wesentlichen nicht-leitenden Flusigkeit oder in einem zu pumpenden, im wesentlichen nicht-leitenden Gas an¬ geordneten, voneinander im wesentlichen in Pumpströmungs¬ richtung beabstandeten Elektroden, die mit einem Potential zum Injizieren oder Beschleunigen eines zwischen den Elek¬ troden durch die Flüssigkeit oder das Gas fließenden Ionen¬ stromes beaufschlagbar sind und mit wenigstens einem Elek¬ trodenträgerkörper, gemäß dem Oberbegriff des Patentan¬ spruchs l.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases oder einer Flüssigkeit mit zwei voneinander in dem Gas oder in der Flüssigkeit im wesentlichen in Strömungsrichtung beabstande¬ ten Elektroden, die mit einer Spannung derart beaufschlagbar sind, daß eine Elektrode Ionen in das Gas oder in die Flüs¬ sigkeit injiziert, deren Ladung zumindest teilweise auf die andere Elektrode übertragen wird, von der ein Meßstrom abge¬ geben wird, mit einem Generator zum Erzeugen eines sich zeitlich ändernden Spannungssignales, das an die Elektroden anlegbar ist, einem Stromdetektor zum Erfassen einer durch die Änderung der Spannung verursachten Änderung des Me߬ stromes, und einer Auswerteeinrichtung zum Messen der Zeit¬ dauer zwischen der Änderung der Spannung und der Änderung des Meßstromes und zum Bestimmen der Strömungsgeschwindig¬ keit des Gases und des Fluides aufgrund der gemessenen Zeit¬ dauer, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2.

Insbesondere befaßt sich die vorliegende Erfindung mit einer Vorrichtung zur Durchflußmessung in kleinvolumigen Rohren bei niedrigen Durchflußraten.

Aus dem deutschen Patent DE 39 25 749 Cl der Anmelderin ist bereits eine gattungsgemäße mikrominiaturisierte elektrosta¬ tische Pumpe bekannt. Diese bekannte Pumpe umfaßt zwei in Pumpströmungsrichtung übereinander angeordnete Halbleiter¬ körper, die beispielsweise gitterfδrmig oder stegförmig zur einstückigen Ausbildung von Elektroden als Bestandteil der Halbleiterkörper ausgestaltet sind. Die beiden Elektroden¬ trägerkörper müssen, um eine gute Funktion der elektrosta¬ tischen Pumpe zu gewährleisten, mit hoher Genauigkeit anein¬ ander gefügt werden, so daß sich die jeweiligen Elektroden- stegstrukturen bzw. Elektrodengitterstrukturen mit geringem Abstand in Pumpströmungsrichtung gegenüberliegen. Bei dem Aneinanderfügen der beiden Halbleiterkörper kann nicht immer ausgeschlossen werden, daß Toleranzen bei der gegenseitigen Ausrichtung der Halbleiterkörper entstehen, die verglichen mit den Toleranzen der Elektrodenstrukturen, die mittels lithographischer Verfahren innerhalb der Elektrodenträger¬ körper ausgebildet sind, vergleichsweise groß sind. Durch das Erfordernis der gegenseitigen Ausrichtung der beiden Elektrodenträgerkörper sind der weiteren Miniaturisierung der Pumpe Grenzen gesetzt, so daß diese bekannte Pumpe trotz ihrer herausragenden Eigenschaften in Hinblick auf den er¬ forderlichen Aufwand bei ihrer Herstellung noch nicht voll¬ ständig zu befriedigen vermag.

Weitere Beispiele von seit längerer Zeit an sich bekannten elektrostatischen Pumpen sind beispielsweise aus der US 46 34 057 A, aus der US 33 98 685 A sowie aus der US 44 63 798 A seit geraumer Zeit bekannt. Diese bekannten elektrostati¬ schen Pumpen haben gleichfalls zwei im wesentlichen im Pump¬ strömungsrichtung voneinander beabstandete Elektroden, die von der zu pumpenden Flüssigkeit oder von dem zu pumpenden Gas umströmt werden. Zwischen den Elektroden wird eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung angelegt, um' eine

Ioneninjektion in die Flüssigkeit oder das Gas zu bewirken. Die aus den genannten Schriften bekannten elektrostatischen Pumpen bestehen typischerweise aus einem rohrförmigen Ge¬ häusekörper, der von dem Fluid oder dem Gas in Axialrichtung durchströmbar ist und eine erste, zentrisch angeordnete ke- gelspitzför ige Elektrode aufweist, die in einem üblicher¬ weise über ein Gewinde einstellbaren Axialabstand von der Gegenelektrode angeordnet ist, die im wesentlichen als Düse mit einer kegelstumpfförmigen Ausnehmung ausgeführt ist. Ty¬ pischerweise bestehen die Gehäusekörper derartiger Pumpen aus Kunststoff. Die Elektroden sind üblicherweise aus Metall gefertigt und in das Kunststoffgehäuse eingeschraubt. Be¬ kannte elektrostatische Pumpen des beschriebenen Types er¬ fordern nicht nur eine vergleichsweise hohe Betriebsspannung in der Größenordnung von 15 kV bis 40 kV, sondern auch eine aufwendige Justage zur Einstellung des geeigneten Elektro¬ denabstandes. Aufgrund ihrer vergleichsweise aufwendigen Struktur können die aus den genannten Schriften bekannten Pumpen nicht miniaturisiert werden.

Es sind bereits eine Vielzahl von Vorrichtungen zur Durch¬ flußmessung bekannt, bei denen die unterschiedlichsten physikalischen Prinzipien Anwendung finden. Bei einer der bekannten Vorrichtungen wird ein Laser-Doppler-Anemometer eingesetzt. Dies ermöglicht zwar Messungen bis in den Be¬ reich der Geschwindigkeit von 1mm/sec, erfordert aber einen sehr hohen Aufwand. Bei allen anderen bekannten Vorrichtun¬ gen ist es jedoch nur mit großen prozentualen Meßungenauig- keiten möglich, kleine Volumenströme mit Durchflußraten von weniger als 100 ml/h zu ermitteln. Die meisten der bekannten Meßverfahren versagen sogar vollständig bei der Messung von Volumenströmen im Bereich von Mikroliter pro Minute.

Aus der Fachveröffentlichung Theory of electrohydrodynamic flowmeter; Yantovskii, E.I.; Apfelbaum, M.S.; Petrichenko, N.A.; Magnetohydrodynamics (USA) (July-Sept. 1984) vol. 20, no. 3; p. 328-31; Translation of: Magn. Gidrodin. (USSR)

sind bereits eine Vorrichtung zur elektrohydrodynamischen Durchflußmessung bekannt. Bei der bekannten Vorrichtung lie¬ gen in einer von dem bezüglich seiner Strömungsgeschwindig¬ keit zu messenden Gas oder der betreffenden Flüssigkeit durchströmten Röhre drei Elektroden, die gleichmäßig beab¬ standet voneinander in Strömungsrichtung angeordnet sind. Die mittlere der drei Elektroden wird einem solchen Poten¬ tial beaufschlagt, daß sie Ionen in das Gas oder die Flüs¬ sigkeit injiziert. Die von den beiden äußeren Elektroden ab¬ gegebenen Meßströme umfassen einen Strom von bipolarer Leit¬ fähigkeit, der die gegenseitige, entgegengesetzte Bewegung gleicher Mengen von Ladungsträgern entgegengesetzten Vorzei¬ chens umfaßt, und einen Konvektionsström. Während der Strom der bipolaren Leitfähigkeit unabhängig von der Strömungsge¬ schwindigkeit ist, ist der letztgenannte Konvektionsstrom abhängig von der zu messenden Strömungsgeschwindigkeit. Die von den Elektroden abgegebenen Ströme werden zum Trennen dieser Anteile einer Brückenschaltung zugeführt, deren Span¬ nungsausgang die Asymmetrie der zu der Brücke zugeführten Ströme und somit den von dem Anteil bipolar leitfähigen Stromes befreiten Konvektionsstrom wiedergibt. Aufgrund der Höhe der gemessenen Spannung wird auf die Strömungsgeschwin¬ digkeit und somit auf die Durchflußmenge rückgeschlossen. Bereits geringe Störungen führen zu einer erheblichen Ver¬ fälschung der gemessenen Strömungsgeschwindigkeit, so daß das soeben geschilderte gattungsgemäße Verfahren sowie die gattungsgemäße Vorrichtung nach dem Stand der Technik nicht dazu geeignet sind, kleine Volumenströme mit hoher Genauig¬ keit zu erfassen.

Bei der Vorrichtung zum Bestimmen der Strömungsgeschwindig¬ keit eines Gases oder einer Flüssigkeit gemäß der Patentan¬ meldung P 40 27 704.6-52 ist es erforderlich, die beiden Elektroden sehr genau gegeneinander zu positionieren. Dies bereitet herstellungstechnische Schwierigkeiten.

Aus dem deutschen Patent DE 39 25 749 Cl der Anmelderin ist bereits eine mikrominiaturisierte elektrostatische Pumpe

bekannt. Diese bekannte Pumpe umfaßt zwei in Pumpströmungs- richtung übereinander angeordnete Halbleiterkörper, die beispielsweise gitterformig oder stegförmig zur einstückigen Ausbildung von Elektroden als Bestandteil der Halbleiter¬ körper ausgestaltet sind. Die beiden Elektrodenträgerkörper müssen, um eine gute Funktion der elektrostatischen Pumpe zu gewährleisten, mit hoher Genauigkeit aneinander gefügt werden, so daß sich die jeweiligen Elektrodenstegstrukturen bzw. Elektrodengitterstrukturen mit geringem Abstand in Pumpströmungsrichtung gegenüberliegen. Bei dem Aneinander¬ fügen der beiden Halbleiterkörper kann nicht immer ausge¬ schlossen werden, daß Toleranzen bei der gegenseitigen Aus¬ richtung der Halbleiterkörper entstehen, die verglichen mit den Toleranzen der Elektrodenstrukturen, die mittels litho¬ graphischer Verfahren innerhalb der Elektrodenträgerkörper ausgebildet sind, vergleichsweise groß sind. Durch das Er¬ fordernis der gegenseitigen Ausrichtung der beiden Elektro¬ denträgerkörper sind der weiteren Miniaturisierung der Pumpe Grenzen gesetzt, so daß diese bekannte Pumpe trotz ihrer herausragenden Eigenschaften in Hinblick auf den erforder¬ lichen Aufwand bei ihrer Herstellung noch nicht vollständig zu befriedigen vermag.

Ausgehend von dem oben geschilderten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine mikrominiaturisierte elektrostatische Pumpe der eingangs ge¬ nannten Art so weiterzubilden, daß diese einfacher herge¬ stellt werden kann und weiter miniaturisierbar ist.

Diese Aufgabe wird durch eine mikrominiaturisierte elektro¬ statische Pumpe mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung ferner die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases oder einer Flüssigkeit der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß deren Herstellbarkeit erleichtert wird.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Patentan¬ spruch 2 gelöst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß das im Stand der Technik bei mikrominiaturisierten elektrostati¬ schen Pumpen oder Strömungsgeschwindigkeitsmeßvorrichtungen auftretende Justageproblem für die Elektroden dadurch au¬ sgeräumt werden kann, daß die Elektroden nicht länger je¬ weils einem Elektrodenträgerkörper zugeordnet sind, der so¬ dann gegenüber dem anderen Elektrodenträgerkörper auszurich¬ ten ist, sondern daß beide Elektroden an den beiden Haupt¬ flächen eines einzigen Elektrodenträgerkörpers angeordnet sind, wobei der Elektrodenträgerkörper zumindest gegenüber einer der beiden Elektroden isoliert ist und wenigstens eine sich im wesentlichen vertikal zu seinen Hauptflächen er¬ streckende Durchströmungsöffnung aufweist.

Bei der erfindungsgemäßen mikrominiaturisierten elektrosta¬ tischen Pumpe oder Strömungsgeschwindigkeitsmeßvorrichtung wird der Elektrodenabstand durch die Vertikalerstreckung des Elektrodenträgerkörpers festgelegt, wodurch die Genauigkeit der gegenseitigen Anordnung der beiden Elektroden der hohen Genauigkeit entspricht, die bei Einsatz von lithographischen Methoden erzielbar ist.

Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Pumpe sowie der Strömungsgeschwindigkeitsmeßvorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung hängt die Laufzeit einer in eine Flüssigkeit oder in ein Gas injizierten Ionen¬ front, die zwischen zwei im wesentlichen in Strömungsrich¬ tung voneinander beabstandeten Elektroden in einem elektri¬ schen Feld sich von der injizierenden Elektrode zu einer aufnehmenden Elektrode bewegt, von der Geschwindigkeit des sich zwischen den Elektroden bewegenden Gases oder der sich zwischen den Elektroden bewegenden Flüssigkeit ab, so daß

durch Erfassung der Zeitverschiebung der Änderung des Me߬ stromes nach Änderung der an die Elektroden angelegten Span¬ nung die Strömungsgeschwindigkeit des Gases oder der Flüs¬ sigkeit bestimmt werden kann.

Eine besonders genaue Messung von Durchflußraten oder Strö¬ mungsgeschwindigkeiten wird dann erzielt, wenn Laufzeitdif- ferenzen zwischen zwei in dem Gas oder in der Flüssigkeit erzeugten Ionenfronten, die in entgegengesetzter Richtung einmal mit der Strömung und einmal entgegen der Strömung durch das Gas bzw. die Flüssigkeit laufen, als Grundlage für die Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit des Gases oder der Flüssigkeit verwendet werden.

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausgestaltung einer MeßVorrichtung;

Fig. 2 eine zweite Ausgestaltung der MeßVorrichtung;

Fig. 3 ein Blockdiagramm für die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit aufgrund von der in Fig. 1 gezeigten Meßvorrichtung abgegebenen Signale;

Fig. 4 ein anderes Blockdiagramm für die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit aufgrund der von der in Fig. 2 gezeigten Meßvorrichtung abgegebenen Signale;

Fig. 5 ein Diagramm der Stromdichte in Abhängigkeit von der Zeit;

Fig. 6 ein Diagramm der Raumladungsdichte in Abhängigkeit von der Entfernung;

Fig. 7 ein Diagramm der elektrischen Feldstärke in Abhängigkeit von der Entfernung;

Fig. 8 ein Diagramm des Stromes in Abhängigkeit von der Zeit;

Fig. 9 ein Diagramm des berechneten Zeitpunktes des maximalen Stromes in Abhängigkeit von der Strö¬ mungsgeschwindigkeit;

Fig. 10 ein Diagramm des gemessenen Zeitpunktes des maximalen Stromes in Abhängigkeit von der Strö¬ mungsgeschwindigkeit;

Fig. 11 ein Diagramm der Zeitdifferenz des maximalen Stromes aufgrund zweier entgegengesetzt lau¬ fender Ionenfronten in einem Gas oder in einer Flüssigkeit in Abhängigkeit von der absoluten Strömungsgeschwindigkeit.

Fig. 12 bis Querschnittsdarstellungen einer ersten bis

16 fünften Ausführungsform eines wesentlichen Bestandteils der erfindungsgemäßen Strömungsge¬ schwindigkeitsmeßvorrichtung oder Pumpe;

Fig. 17 bis Draufsichten auf eine sechste bis neunte Aus-

20 führungsform eines wesentlichen Bestandteils der erfindungsgemäßen Strömungsgeschwindig¬ keitsmeßvorrichtung oder Pumpe;

Fig. 21, 22 perspektivische Schnittdarstellungen einer zehnten und elften Ausführungsform eines wesentlichen Bestandteils der erfindungsgemäßen Strömungsgeschwindigkeitsmeßvorrichtung oder Pumpe; und

Fig. 23 bis Draufsichten einer zwölften bis fünfzehnten

26 Ausführungsform der erfindungsgemäßen

Strömungsgeschwindigkeitsmeßvorrichtung oder Pumpe;

Die in Fig. l gezeigte Durchflußmeßvorrichtung, die in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, umfaßt eine von einem Fluid durchströmte Röhre, in der senkrecht zur Strömungsrichtung eine Mehrzahl von miteinander leitfä¬ hig verbundenen Injektorelektroden 3 und hiervon in Strö¬ mungsrichtung beabstandet und gleichfalls senkrecht zur Strömungsrichtung angeordnet eine Mehrzahl von ebenfalls leitfähig miteinander verbundenen Kollektorelektroden 4 vor¬ gesehen sind. An zwei Anschlüssen 5, 6 kann ein Spannungs¬ impuls U(t) zwischen den beiden Elektroden 3, 4 angelegt werden, so daß eine Ionenfront in das Fluid injiziert wird. Der entstehende transiente Strom j (t) erzeugt an einem Me߬ widerstand R eine zu dem Strom j (t) proportionale Meßspan¬ nung Um(t) , die als Meßsignal für die LaufZeitmessung, die später erläutert wird, weiterverarbeitet werden kann.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausgestaltung einer Durchflußme߬ vorrichtung gezeigt, die in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugs¬ zeichen 10 bezeichnet ist. Diese umfaßt gleichfalls eine Röhre 12, eine Mehrzahl von senkrecht zur Strömungsrichtung angeordneten und miteinander leitfähig verbundenen Injektor¬ elektroden 13, eine erste Mehrzahl von entgegen der Strö¬ mungsrichtung zu den Injektorelektroden 13 beabstandeten Kollektroelektroden 14a, sowie eine zweite Mehrzahl von in Strömungsrichtung zu den Injektorelektroden 13 angeordneten Kollektorelektroden 14b. Beide Sätze von Kollektorelektroden erstrecken sich jeweils senkrecht zur Strömungsrichtung und sind miteinander leitfähig verbunden.

Ein Spannungsimpuls U(t) kann an Anschlüsse 15, 16 angelegt werden und führt zu einer in Strömungsrichtung sich ausbrei¬ tenden und zu einer entgegen der Strömungsrichtung des Fluids sich ausbreitenden Ionenfront. Die jeweils entstehen¬ den transienten Ströme j, und j ₂ (t) erzeugen an Wider¬ ständen Rl und R2, die jeweils zwischen den Kollektorelek-

troden 14a, 14b und einem der Anschlüsse 15 geschaltet sind, zu den Strömen proportionale Spannungen U,(t) bzw. U ₂ (t) , die als Meßsignale für die LaufZeitmessungen weiter verar¬ beitet werden können. Die Durchflußmenge bzw. Strömungsge¬ schwindigkeit kann, wie später dargelegt wird, aus der Lauf- zeitdifferenz abgeleitet werden.

Fig. 3 ist ein Blockdiagramm einer Schaltung zum Bestimmen der Durchflußmenge bzw. Strömungsgeschwindigkeit für die in Fig. 1 gezeigte Durchflußmeßvorrichtung. Wie in Fig. 3 ge¬ zeigt ist, umfaßt die Schaltung einen Taktgenerator 20, der ein Taktsignal zu einem Zähler 21 zuführt. Ein Impulsgenera¬ tor 22, der zum Erzeugen des bereits erwähnten Spannungsim¬ pulses U(t) dient, ist ausgangsseitig an die Durchflußme߬ vorrichtung 1 angeschlossen, wie dies unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert wurde. Mit Erzeugen des Spannungspulses führt der Pulsgenerator 22 dem Zähler 21 ein Startsignal zu, woraufhin der Zähler mit dem ihm vom Taktgenerator 20 zuge¬ führten Taktsignal zu zählen beginnt. Das Ausgangssignal Um(t) der Durchflußmeßvorrichtung 1 wird einem Spitzenwert- detektor 23 zugeführt, der bei Erfassen des Maximums des Spannungssignales Um(t) ein Stop-Signal erzeugt, mit dem der Zähler 21 angehalten wird. Aus dem Zählwert kann, wie spä¬ ter dargelegt wird, aufgrund einer für die jeweilige Meßan¬ ordnung vorab bestimmten Zuordnung, die Durchflußmenge bzw. die Strömungsgeschwindigkeit durch tabellenartige Zuordnung ermittelt werden. Dieser Zyklus kann nach Rücksetzen des Zählers und des Detektors kontinuierlich wiederholt ablau¬ fen.

Fig. 4 ist ein Blockdiagramm einer Schaltung zum Bestimmen der Durchflußmenge bzw. Strömungsgeschwindigkeit für eine Durchflußmeßvorrichtung 10, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist. Diese Schaltung umfaßt einen Taktgenerator 24 und einen dem Taktgenerator 24 nachgeschalteten Zähler 25. Ferner umfaßt die Schaltung einen Impulsgenerator 26 zum Erzeugen des Spannungsimpulses U(t) , welcher der Durchflußmeßvorrichtung 10 (vergl. Fig. 2) zugeführt wird. Die beiden Meßspannungen

U, (t) und U ₂ (t) von der Durchflußmeßvorrichtung 10, die über die Widerstände Rl und R2 abfallen, werden einem ersten und einem zweiten Spitzenwertdetektor 27, 28 zugeführt, deren Ausgangssignale über ein Exklusiv-Oder-Gatter 29 zu einem Start-Stop-Signal für den Zähler 25 verknüpft werden. Für den Fachmann ist es offensichtlich, daß der Zähler 25 dieser Schaltung die Zeitdifferenz zwischen der Erfassung der Spit¬ zenwerte durch die Spitzenwertdetektoren 27, 28 erfaßt. Die-- ser Zyklus kann nach Rücksetzen des Zählers und des Detek¬ tors kontinuierlich wiederholt ablaufen.

Nachfolgend wird das von der Strömungsgeschwindigkeit abhän¬ gige Zeitverhalten des Meßstromes für die in Fig. 1 gezeigte Struktur der Durchflußmeßvorrichtung l abgeleitet. Bei der Ableitung wird davon ausgegangen, daß die Flüssigkeit senk¬ recht zu den Elektroden 3, 4 strömt. Beispielsweise sei an¬ genommen, daß die Flüssigkeit durch die von den Elektroden 3, 4 gebildeten Gitter mittels einer externen Pumpe (nicht dargestellt) hindurchgedrückt wird. Ferner sei angenommen, daß die Flüssigkeit eine zeitlich und örtlich konstante Strömung aufweist, daß also der durch die (nicht dargestell¬ te) externe Pumpe erzeugte Druck viel größer ist als der durch die injizierenden Elektroden 3 selbst erzeugte Druck, und daß keine Turbulenzen innerhalb der Flüssigkeit auftre¬ ten. Ausgehend von dieser Annahme erhält man folgende Glei¬ chungen:

j _c (x,t) = μ ^• g(x,t) ^• E(x,t) + v ^• g(x,t) (l)

δ j _c (x,t) δ q(x,t)

(2)

S x δ t

δ E(X,t) q(x,t) = e ₀ e _r (3) δ x

E (X,t) j (t) = j _c (x,t) + e ₀ e _r (4 ) ό ^* t

Hierin beschreiben t die Zeit, x den Ort zwischen den beiden Gittern, j _c den Leitungsstrom, μ die Ionenbeweglichkeit, q die Ladung, E die elektrische Feldstärke, v die Strömungsge¬ schwindigkeit des Fluids und e ₀ bzw. e _r die absolute bzw. relative Dielektrizitätskonstante.

Als Anfangsbedingungen sind zu berücksichtigen:

E(x,0) = U/d für 0 < x < d zur Zeit t = 0 (5) q(x,0) = 0

Zugleich sind folgende Randbedingungen zu beachten:

r

J E(x,t) dx = U (6)

q(0,t) ^• = g-, (7)

Die zweite Gleichung beschreibt die Stärke der injizierten Ladung an der injizierenden Elektrode q ₀ . Dieser Wert ist sowohl von der Beschaffenheit der Elektrode (z.B. Metalli¬ sierung, Geometrie, Oberflächenrauhigkeit) als auch von der verwendeten Flüssigkeit abhängig.

Durch Einführen von normalisierten Größen

lassen sich dimensionslose, gestrichene Variablen erhalten.

Für die dimensionslose Stromdichte erhält man einen nur durch numerische Integration lösbaren Ausdruck

r j'(t)= % + v'' J q'(x',t')dx'

(8)

Wird eine Spannung von 100 V an Gittern mit einem Abstand von 0,01 cm angelegt und nimmt man eine Ionenbeweglichkeit von 10 - 4 cm ² /Vs an, dann entspricht v ⁷ = 1 einer Geschwin¬ digkeit von 1 cm/s. Bei einer Gitterfläche von 1 mm x 1 mm entspricht dies einem Durchfluß von 0,01 cm ³ /s bzw. 0,6 ml/min.

Sind nun die Parameter Ionenbeweglichkeit und Raumladungs¬ dichte an der injizierenden Elektrode für eine bestimmte Meßanordnung einmal ermittelt, so läßt sich mit Hilfe o.a. Gleichung die Strömungsgeschwindigkeit und damit auch der Volumenstrom eines Fluids ermitteln. Alternativ läßt sich

natürlich der Volumenstrom auch ermitteln, wenn die Lauf- zeitmessungen bei bekanntem Durchfluß vermessen und als Re¬ ferenz verwendet werden.

Zur weiteren Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 5 - 8 Dia¬ gramme erläutert, die das Verhalten der injizierten Ionen¬ fronten in einem unbewegten Fluid (Geschwindigkeit v=0) ver¬ deutlichen, bevor unter Bezugnahme auf die Fig. 9 und 10 die Einflüsse der Fluidgeschwindigkeit auf den gemessenen Zeit¬ punkt des Maximalstromes bzw. auf die gemessene Zeitdiffe¬ renz zwischen den Zeitpunkten der Erfassung maximaler Strom¬ werte erläutert wird.

Fig. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf der Stromdichte j' in¬ nerhalb des Fluids beispielsweise im Falle der Durchflu߬ meßvorrichtung 1 gemäß Fig. 1 nach Anlegen eines Spannungs¬ sprunges an die Elektroden 3, 4 im Falle verschwindender Strömungsgeschwindigkeit v=0. Die Achsen der Diagrammdar¬ stellung nach Fig. 5 sind gemäß der obigen Ableitung nor¬ miert. Der Spannungssprung führt zur Injektion von Ionen in das Fluid. Die senkrechte Achse bezeichnet die Stromdichte j' an der injizierenden Elektrode 3 in Abhängigkeit von der Zeit, wobei als Parameter verschiedene Raumladungsdichten an der Kollektorelektrode 4 bei Raumladungsdichten zwischen 0,1 und 20,0. Der Spannungssprung führt nach der Injektion von Ionen in das Fluid am Ort der injizierenden Elektrode 3 zu einer Beschleunigung der Ionen in dem elektrischen Feld in Richtung auf die Kollektorelektrode 4. Die gemessene Strom¬ dichte erreicht ein Maximum zum Zeitpunkt t ₀ , das von der Ankunft der ersten Ladungsträger auf der Kollektorelektrode 4 hervorgerufen wird.

Fig. 6 zeigt für den unter Bezugname auf Fig. 5 erläuterten Fall den örtlichen Verlauf der Raumladungsdichte ausgehend von der Injektorelektrode 3 am Ort x'=0 bis zum Ort der Kol¬ lektorelektrode oder Gegenelektrode 4 am Ort x ^/ =l bei unter¬ schiedlichen Zeiten, 0,15, 0,30, 0,45, 0,60, 0,75, 0,85 nach

dem Einschalten der Spannung. Deutlich ist hier das Fort¬ schreiten der Ionenfront zu erkennen. Das Maximum des Stromes entsteht nach dem Auftreffen dieser Ionenfront zum Zeitpunkt t=0,86 auf die Kollektorelektrode 4.

Fig. 7 zeigt den dazu gehörigen Verlauf der elektrischen Feldstärke E' in Abhängigkeit von der normierten Entfernung ' ebenfalls zu den oben genannten Zeitpunkten.

Fig. 8 zeigt eine bei einem praktisch realisierten Ausfüh¬ rungsbeispiel gemäß Fig. 1 durchgeführte Messung des Strom¬ verlaufes in Abhängigkeit von der Zeit, wobei das bei diesem Meßaufbau verwendete Fluid deionisiertes Wasser ist. In Fig. 8 erkennt man, daß der gemessene Strom ein ausgeprägtes Ma¬ ximum zeigt, das die Driftzeit der Ionenfront im Falle des bei diesem Diagramm gleichfalls unbewegten Fluids (Geschwin¬ digkeit v=0) bezeichnet.

Fig. 9 zeigt nun entsprechend der oben ermittelten Gleichung (8) die Driftzeit t ₀ , d.h. die Zeit zwischen dem Anlegen des Spannungssprunges U(t) und dem Erfassen des Strommaximums als Funktion der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids, wobei in dieser diagrammartigen Darstellung die injizierende Raum¬ ladungsdichte So ^a l ^s Parameter der Kurvenschar aufgezeigt ist.

Fig. 10 zeigt den tatsächlich gemessenen Zeitpunkt des maximalen Stromes als Funktion des Durchflusses. Als Fluid wurde eine 10~ ⁴ molare NaCl-Wasserlösung verwendet.

Bei dem beschriebenen Verfahren kann nun die Abhängigkeit zwischen der Driftzeit und der Strömungsgeschwindigkeit für eine gegebene Durchflußmeßvorrichtung 1 ermittelt werden, so daß jeder gemessenen Driftzeit eine entsprechende Strömungs¬ geschwindigkeit bzw. Durchflußmenge mittels einer Tabelle zugeordnet werden kann. Hierbei ist hervorzuheben, daß mit¬ tels eines einzigen Meßaufbaus die Strömungsgeschwindigkeit in beiden Strömungsrichtungen ermittelt werden kann, so daß

aus der Bestimmung der Driftzeit t ₀ nicht nur die absolute Strömungsgeschwindigkeit, sondern auch deren Richtung abge¬ leitet werden kann. Veränderungen der elektrochemischen Eigenschaften des Fluids während der Messung führen jedoch bei diesem Meßaufbau zu geringfügigen Meßungenauigkeiten, da die Driftzeit t ₀ von den elektrochemischen Eigenschaften des Fluids abhängig ist.

Derartige Meßungenauigkeiten werden durch einen Meßaufbau der in Fig. 2 gezeigten Art verhindert, bei dem mit Hilfe zweier, die Ionenfronten in entgegengesetzter Richtung in das Fluid injizierenden Elektrodenpaare die Driftzeit t ₀ so¬ wohl entgegen als auch mit der Strömungsrichtung bestimmt wird.

Fig. 11 zeigt die theoretisch bestimmte Differenzdriftzeit δ t ₀ als Funktion der Strömungsgeschwindigkeit. Durch diese Differenzbildung wird der Einfluß von elektrochemischen Ver¬ änderungen des Fluids nahezu eleminiert, wodurch insbeson¬ dere bei sehr geringen Strömungsgeschwindigkeiten eine außerordentlich hohe Meßgenauigkeit erreichbar ist.

Bei einer Anordnung der aus der DE 39 25 749 AI bekannten Art entspricht der normierte Wert v=0,5 einer Strömungsge¬ schwindigkeit von 2 cm/s. Bei diesem Differenzmeßverfahren können sowohl zwei entgegengesetzt angeordnete Injektorelek¬ troden-Kollektorelektroden-Paare verwendet werden, wie auch eine einzige Meßzelle, die lediglich aus drei Elektroden be¬ steht, welche einen zentralen Injektor 13 und zwei äußere Kollektoren 14a, 14b umfaßt.

Ebenfalls ist es denkbar, eine derartige Differenzmessung mit einem einzigen Elektrodenpaar durchzuführen, das zu¬ nächst in einer ersten Richtung und dann in einer entgegen¬ gesetzten Richtung mit einem Spannungspuls beaufschlagt wird, so daß zunächst eine Ionenfrontdrift in einer ersten Richtung und dann eine Ionenfrontdrift in einer entgegenge¬ setzten Richtung durch das strömende Fluid in ihrer Drift-

zeit vermessen wird.

Wie in Fig. 12 gezeigt ist, umfaßt eine erste Ausführungs¬ form einer erfindungsgemäßen Strömungsgeschwindigkeits¬ meßvorrichtung oder Pumpe im wesentlichen einen Elektro¬ denträgerkörper 2', der von einem Gehäuse 3 umschlossen ist. Bei dem Gehäuse 3 ' kann es sich beispielsweise um ein aus einem Kunststoff gegossenes Gehäuse handeln, welches einen Peripheriebereich 4' des Elektrodenträgerkörpers 2 ' fest umschließt. Die Art der Ausgestaltung des Gehäuses 3' als Gußgehäuse oder als ein aus zwei Hälften mit einer dazwischenliegenden Dichtung verschraubtes Gehäuse liegt im Ermessen des Fachmannes und bedarf für Zwecke der vorlie¬ genden Erfindung keiner weiteren Erläuterung.

Der Elektrodenträgerkörper 2 ' wird aus einem einkristallinen Siliziumhalbleiterkörper gefertigt, der eine (110)-Kristall¬ orientierung hat. Hierfür wird zunächst auf der Vorder- und Rückseite 5', 6' des Siliziumhalbleiterkörpers 2 ' mittels eines in der Halbleitertechnologie üblichen Verfahrens eine gegen Ätzlösungen beständige Schicht, wie beispielsweise Siliziumnitrid aufgebracht. Diese dient als Ätzstoppmaske und wird zunächst auf der Vorderseite mittels an sich bekannter photolithographischer Techniken strukturiert. Mit einem anisotropen Ätzprozeß werden Durchströmungsöffnungen 7a-', 7b', 7c', 7d' , 7e' erzeugt, die bei einer geeigneten Orientierung der Maske aus zwei parallelen senkrechten und aus vier zu der Vorderseite 5' schrägen (111)-Ebenen bestehen. Vorzugsweise wird eine 8-molare KOH-Lösung als Ätzlösung verwendet, um die Entstehung konkurrierender Ebenen zu unterdrücken. Ist die gewünschte Tiefe der Durchströmungsöffnungen 7a' bis 7e' erreicht, welche zwischen 1 Mikrometer und einigen 100 Mikrometer variieren kann, wird auf der Vorderseite 5' eine Ätzstoppschicht aufgebracht und die rückseitige Ätzstoppschicht geöffnet.

In einem zweiten Ätzschritt wird der Siliziumkörper 2 ' zum Erzeugen einer rückseitigen Flächenausnehmung 8' zurückge-

ätzt, bis die Durchströmungsöffnungen 7' vollständig durch den Siliziumkörper 2' reichen.

Nach Entfernung der verbliebenen Reste der Ätzstoppschicht wird der gesamte Elektrodenträgerkörper 2' zum Erzeugen einer Isolationsschicht 9' im Bereich der Durchstromungs¬ offnungen 7a' bis 7e' sowie auf der Vorderseite 5' und der Rückseite 6' des Elektrodenträgerkörpers 2' thermisch oxidiert.

Anschließend wird sowohl auf der Vorderseite 5' wie auch auf der Rückseite 6' eine Metallisierung aufgebracht, welche Elektroden 10', 11' bildet. Diese Elektroden 10', 11' werden mit Anschlüssen 12', 13' versehen, die sich bis zur Außen¬ seite des Gehäuses 3' erstrecken.

Bei der skizzenhaften Darstellung gemäß Fig. 12 sind nur einige wenige Durchströmungsöffnungen 7a' bis 7e' gezeigt. Die Anzahl der Durchströmungsöffnungen 7a' bis 7e' kann je nach Anwendungsfall zwischen eins und einigen tausend liegen, wobei die Größe einer einzelnen Durchströmungs- öffnung zwischen 0,1 Mikrometer und 1 Millimeter variieren kann, wobei die Breite und die Länge einer Durchströmungs- δffnung 7a' bis 7e' unabhängig voneinander gewählt werden können.

Für den Fachmann ist es offensichtlich, daß zum Betrieb der erfindungsgemäßen mikrominiaturisierten elektrostatischen Pumpe 1 eine Gleichspannung oder Wechselspannung an die An¬ schlüsse 12, 13 angelegt wird, die so hoch gewählt wird, daß es zu einer Ladungsträgerinjektion im Bereich der Durch- trittsδffnungen 7a bis 7e kommt, wobei die Ladungsträger die Durchströmungsöffnungen 7a bis 7e in der in Fig. 1 gezeigten Lage in Vertikalrichtung durchlaufen und hierbei das zu pum¬ pende Medium mitreissen.

Falls der Elektrodenträgerkörper 2 aus einem leitfähigen Material oder Halbleitermaterial besteht, so kann dieser

über einen Anschluß kontaktiert und mit einem Potential beaufschlagt werden. Hierdurch lassen sich die Feldverläufe in den Durchströmungsbereichen verändern.

Bei den nachfolgend erläuterten abgewandelten Ausführungs¬ formen der erfindungsgemäßen Strömungsgeschwindigkeits¬ meßvorrichtung oder Pumpe ist jeweils nur die für die Zwecke der Erfindung maßgebliche Struktur des Elektrodenträgerkör¬ pers beschrieben. Gleiche oder entsprechende Elemente der Strömungsgeschwindigkeitsmeßvorrichtung sind mit Bezugs¬ zeichen bezeichnet, die mit den in Fig. 12 verwendeten Be¬ zugszeichen übereinstimmen, so daß eine erneute Beschreibung ähnlicher oder gleicher Elemente der Strömungsgeschwindig¬ keitsmeßvorrichtung oder Pumpe unterbleiben kann.

Die in Fig. 13 gezeigte zweite Ausführungsform der erfin¬ dungsgemäßen Strömungsgeschwindigkeitsmeßvorrichtung oder Pumpe 1' unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 12 im wesentlichen dadurch, daß bei dieser der Elektro¬ denträgerkörper 2' nicht nur eine rückseitige Flächenaus- nehmung 8' aufweist, sondern ferner eine vorderseitige Flächenausnehmung 14' hat. Vorzugsweise wird diese bei dem zweiten Ätzschritt gleichzeitig mit der Erzeugung der rück¬ seitigen Flächenausnehmung 8' erzeugt. Durch die vorder¬ seitige und rückseitige Flächenausnehmung 8' , 14' werden bei der Ausführungsform gemäß Fig. 13 jeweils geneigt zu den Hauptflächen verlaufende Schrägflächen 15', 16' gebildet.

Wie es bei den Ausführungsformen nach den Fig. 14 bis 16 angedeutet ist, kann in Abweichung zu den Ausführungsformen gemäß den Fig. 12 und 13 je nach Verwendung isotroper oder anisotroper Ätzprozesse entweder ein paralleler oder ein ge¬ neigt zur Vertikalrichtung liegender Verlauf der Wände 17' der Durchströmungsöffnungen 7a' bis 7e' erzielt werden. Für den Fachmann ist es offensichtlich, daß der bei den Fig. 14 bzw. 15 von der Rückseite 6' zu der Vorderseite 5' konver¬ gierende Verlauf der Wände 17' bzw. divergierende Verlauf der Wände 17' dadurch erzielt wird, daß die Durchströ-

mungsöffnungen 7a', 7b' von der Vorderseite 5' bzw. von der Rückseite 6' ausgehend geätzt werden. Entsprechend sind auch Wandverlaufe, die sowohl ausgehend von der Vorderseite 5' als auch ausgehend von der Rückseite 6' divergieren, durch geeignete Wahl des Ätzverfahrens erzielbar, wobei sich die in Fig. 16 gezeigte Querschnittsform der Durchströmungs- öffnungen 7' ergibt.

Wie in den Fig. 17 bis 20 in Draufsichtdarstellung verdeut¬ licht ist, können praktisch beliebige Formen der Durchströ¬ mungsöffnung 7' gewählt werden, wie beispielsweise rechteck- förmige, kreisförmige, rautenförmige, ellipsenförmige, qua¬ dratische, sternförmige oder bienenwabenförmige Durch¬ strömungsöffnungen 7a' bis 7e' .

Wie in Fig. 21 gezeigt ist, können bei der dort gezeigten Ausführungsform eine oder beide der Elektroden 10', 11' so ausgestaltet sein, daß sie sich in Form von Elektroden¬ brücken 18' über die Durchströmungsöffnungen 7' erstrecken. Hierdurch wird eine verstärkte Ladungsträgerinjektion in das Fluid erzielt. Zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit können die Elektrodenbrücken 18' durch darunterliegende Stützkörper 19' der Isolationsschicht 9' verstärkt sein.

Wie in der Draufsichtdarstellung des zwölften und dreizehn¬ ten Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 23 und 24 gezeigt ist, können die Elektrodenbrücken 18' eine beliebige Orientierung bezüglich der Durchströmungsöffnung 7' haben.

In Abwandlung zu dem soeben beschriebenen Ausführungsbei- spiel können sich die Elektroden 10' anstelle in Form von Elektrodenbrücken auch in Form von Elektrodenspitzen 20', 21' in die Durchströmungsöffnung 7' hinein erstrecken.

Wie es bei dem fünfzehnten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 26 gezeigt ist, ist es keineswegs erforderlich, daß die Elek¬ troden 10' die gesamte Fläche des Elektrodenträgerkörpers 2' abdecken. Zur Lokalisierung der Ladungsträgerinjektion ist

es zuträglich, lediglich die Spitzen 20', 21' untereinander sowie mit einem Anschlußbereich 24' zu verbinden. Wie ferner bei dem fünfzehnten Ausführungsbeispiel dargestellt ist, können die Elektrodenspitzen 20', 21' durch entsprechende, gleichfalls in die Durchströmungsöffnungen 7' hineinreichen¬ de Stützkörper 22', 23' mechanisch verstärkt werden.

Die Strömungsgeschwindigkeitsmeßvorrichtung oder Pumpe kann nicht nur mit Methoden der Mikromechanik, wie beispielsweise der Ätztechnik, in reproduzierbarer Weise hergestellt wer¬ den, sondern gleichfalls mittels der sogenannten LIGA-Tech- nik implementiert werden und in mikromechanische Bauteile integriert werden. In diesem Fall kann der Elektrodenträger¬ körper 2 aus Kunststoff (wie z.B. PMMA) oder Glas bestehen. Bei Anwendung des LIGA- Verfahrens können die Strukturen mit einem großen Aspektverhältnis, welches die Länge der Durch¬ strömungsöffnungen geteilt durch ihre Breite bezeichnet, er¬ zeugt werden. Hierbei wird zuerst eine vergleichsweise dicke Resistschicht mittels Synchrotron-Strahlung belichtet und nach der Entwicklung derselben galvanisch mit Metall aufge¬ füllt und über die Struktur der Resistschicht fortgeführt, so daß ein zusammenhängender Formeinsatz entsteht. Aus die¬ sem werden mittels der Abformtechnik durch Spritzgieß- und Reaktionsgießtechniken Kunststoffnegative in Massenfertigung erzeugt, die nach anschließender Metallisierung als Elektro¬ denträgerkörper 2' der Mikrompumpe verwendet werden können. Der Vorteil dieses LIGA-Verfahrens besteht darin, daß man einerseits senkrechte Durchbrüche mit beliebigen Formen her¬ stellen kann und daß andererseits, wie bereits erwähnt, das Aspektverhältnis, das die Tiefe der Durchströmungsöffnung geteilt durch dessen Breite betrifft, sehr groß gewählt wer¬ den kann.

Bei dem eingangs beschriebenen Ausführungsbeispiel besteht der Elektrodenträgerkörper aus Silizium, d.h. einem leit¬ fähigen Material. Nur bei Verwendung derartig leitender Elektrodenträgerkörper 2' ist es erforderlich, entweder durch Abscheiden auf diesem oder durch chemische Reaktion

des Elektrodenträgerkörpers 2' selbst eine Isolationsschicht zu erzeugen. Man kann für die Isolation der Vorderseite 5' bzw. der Rückseite 6' und der Durchströmungsöffnungen 7' entweder ein einheitliches Isoliermaterial verwenden oder unterschiedliche Materialien für diese Bereiche einsetzen. So ist es beispielsweise möglich, innerhalb der Durch¬ strömungsöffnungen 7' ein gering leitfähiges Material aufzubringen, so daß wegen des linearen Potentialabfalles ein homogeneres Feld innerhalb der Durchströmungsöffnungen 7' zwischen den beiden Elektroden 10', 11' erzeugt wird. Die Homogenisierung des elektrischen Feldes innerhalb der Durchströmungsöffnung 7' kann auch dadurch erzielt werden, daß die Metallisierung an der Vorder- und Rückseite 5', 6' durch schmale isolierte Zonen von den Bereichen der Durchströmungsöffnung 7' getrennt wird.

Für den Fachmann ist es offenkundig, daß zur Verstärkung der Pumpwirkung mehrere gleichförmige Elektrodenträgerkörper 2' in Strömungsrichtung gestaffelt hintereinander angeordnet werden können. Zur Erhöhung des durchströmten Querschnittes ist es auch möglich, mehrere gleichförmige oder ähnliche Elektrodenträgerkörper 2' strömungsmäßig parallel zu schalten.

Letztlich kann die erfindungsgemäße mikrominiaturisierte elektrostatische Pumpe auch zum Erzeugen eines statischen Druckes eingesetzt werden, so daß der in der vorliegenden Anmeldung verwendete Begriff "Pumpe" auch Anwendungsfälle umfaßt, bei denen ein Fluid ohne Fluidströmung lediglich mit einem Druck beaufschlagt werden soll. Ferner soll unter dem Begriff "Pumpe" im Sinne der vorliegenden Anmeldung auch jegliche Einrichtung zur Beschleunigung oder Abbremsung einer Fluidströmung verstanden werden.