Mikropumpen, die nach einem peristaltischen Pumpprinzip ar- beiten, sind aus dem Stand der Technik bekannt. So befaßt sich der Artikel"Design and simulation of an implantable medical drug delivery system using microelectromechanical systems technology", von Li Cao u. a., Sensors and Actua- tors, A94 (2001), Seiten 117 bis 125, mit einer peristalti- schen Mikropumpe, die einen Einlaß, drei Pumpkammern, drei Siliziummembranen, drei normal-geschlossene aktive Ventile, drei Piezostapelbetätigungsglieder aus PZT, Mikrokanäle zwischen den Pumpkammern und einen Auslaß aufweist. Die drei Pumpkammern sind von gleicher Größe und sind in einen Siliziumwafer geätzt.

Aus der WO 87/07218 ist ebenfalls eine peristaltische Mik- ropumpe bekannt, die drei Membranbereiche in einer durchge- henden Substratfläche aufweist. In einer Trägerschicht, die das Substrat und eine zugeordnete Stützschicht trägt, ist ein Pumpkanal ausgebildet, der mit einem Fluidvorrat in Verbindung steht. In dem Pumpkanal ist im Bereich eines Einlaßventiles und eines Auslaßventiles jeweils eine Quer- rippe gebildet, auf der ein zugeordneter Membranabschnitt im unbetätigten Zustand aufliegt, um im unbetätigten Zu- stand das Einlaßventil und das Auslaßventil zu verschlie- ßen. Zwischen den dem Einlaßventil und dem Auslaßventil zu- geordneten separat betätigbaren Membranbereichen ist der dritte Membranbereich, der ebenfalls separat betätigbar ist, angeordnet. Durch Betätigen des dritten Membranbe- reichs wird das Kammervolumen zwischen den beiden Ventilbe- reichen erhöht. Somit kann durch ein entsprechendes zeit-

lich gesteuertes Ansteuern der drei Membranbereiche eine peristaltische Pumpwirkung zwischen Einlaßventil und Aus- laßventil erreicht werden. Gemäß der WO 87/07218 besteht das Aktorelement aus einem Dreierverbund aus Metallmembran, durchgehender keramischer Schicht und segmentierter Elekt- rodenanordnung. Die keramische Schicht muß dabei segmen- tiert polarisiert werden, was technisch schwierig ist. Ein derartiges segmentiertes Piezo-Biegeelement ist somit auf- wendig und erlaubt nur geringe Hubvolumina, so daß eine derartige Pumpe nicht blasentolerant und selbstansaugend arbeiten kann.

Aus der DE 19719862 Al ist eine, nicht auf dem peristalti- schen Prinzip arbeitende, Mikromembranpumpe bekannt, bei der eine an eine Pumpkammer angrenzende Pumpmembran durch eine Piezoaktor betätigbar ist. Ein Fluideinlaß und ein Fluidauslaß der Pumpkammer sind jeweils mit passiven Rück- schlagventilen versehen. Gemäß dieser Schrift ist das Kom- pressionsverhältnis der Mikropumpe, d. h. das Verhältnis von Hubvolumen der Pumpmembran zu Gesamtpumpkammervolumen abhängig von dem maximalen von der Ventilgeometrie und der Ventilbenetzung abhängigen Druckwert, der notwendig ist, um die Ventile zu öffnen, eingestellt, um einen blasentoleran- ten, selbstansaugenden Betrieb der dortigen Mikromembran- pumpe zu ermöglichen.

Neben den oben genannten Piezoaktoren wäre es ferner mög- lich, Mikropumpen unter Verwendung elektrostatischer Akto- ren zu realisieren, wobei elektrostatische Aktoren jedoch nur sehr geringe Hübe ermöglichen. Alternativ wäre auch die Realisierung pneumatischer Antriebe möglich, was jedoch ei- nen hohen Aufwand hinsichtlich einer externen Pneumatik so- wie der dafür erforderlichen Schaltventile notwendig macht. Pneumatische Antriebe stellen somit aufwendige, teuere und platzintensive Verfahren dar, um eine Membranauslenkung zu implementieren.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine peristaltische Mikromembranpumpe zu schaffen, die einfach aufgebaut werden kann und die einen blasentoleranten, selbstansaugenden Betrieb ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine peristalti- sche Mikropumpe gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft eine peristaltische Mik- ropumpe mit folgenden Merkmalen : einem ersten Membranbereich mit einem ersten Piezoaktor zum Betätigen des ersten Membranbereichs ; einem zweiten Membranbereich mit einem zweiten Piezoaktor zum Betätigen des zweiten Membranbereichs ; einem dritten Membranbereich mit einem dritten Piezoaktor zum Betätigen des dritten Membranbereichs ; und einem Pumpenkörper, der zusammen mit dem ersten Membranbe- reich ein erstes Ventil bildet, dessen Durchlaßöffnung im unbetätigten Zustand des ersten Membranbereichs offen ist und dessen Durchlaßöffnung durch Betätigen des ersten Memb- ranbereichs verschließbar ist, der zusammen mit dem zweiten Membranbereich eine Pumpkammer bildet, deren Volumen durch Betätigen des zweiten Membranbereichs verringerbar ist, und der zusammen mit dem dritten Membranbereich ein zweites Ventil bildet, dessen Durchlaßöffnung im unbetätigten Zu- stand des dritten Membranbereichs offen ist und dessen Durchlaßöffnung durch Betätigen des dritten Membranbereichs verschließbar ist, wobei das erste und das zweite Ventil mit der Pumpkammer fluidmäßig verbunden sind.

Die vorliegende Erfindung schafft somit eine peristaltische Mikropumpe, bei der das erste und das zweite Ventil im un-

betätigten Zustand offen sind, und bei der das erste und das zweite Ventil durch Bewegen der Membran zu dem Pumpen- körper hin verschlossen werden können, während das Volumen der Pumpkammer durch Bewegen des zweiten Membranbereichs ebenfalls zu dem Pumpenkörper hin verringerbar ist.

Durch diesen Aufbau ermöglicht die erfindungsgemäße peris- taltische Mikropumpe die Realisierung blasentoleranter, selbstansaugender Pumpen, selbst wenn auf einer Membran an- geordnete Piezoelemente als Piezoaktor verwendet werden.

Alternativ können erfindungsgemäß als Piezoaktoren auch so- genannte Piezo-Stapel (Piezo-Stacks) verwendet werden, die jedoch gegenüber Piezo-Membranwandlern nachteilig dahinge- hend sind, daß sie groß und teuer sind, Probleme bezüglich der Verbindungstechnik zwischen Stapel und Membran und Probleme bei der Justage der Stapel liefern und somit ins- gesamt mit einem höheren Aufwand verbunden sind.

Um sicherzustellen, daß die erfindungsgemäße peristaltische Mikropumpe blasentolerant und selbstansaugend arbeiten kann, wird dieselbe vorzugsweise derart dimensioniert, daß das Verhältnis aus Hubvolumen und Totvolumen größer als ein Verhältnis aus Förderdruck und Atmosphärendruck ist, wobei das Hubvolumen das durch die Pumpmembran verdrängbare Volu- men ist, das Totvolumen das zwischen Einlaßöffnung und Aus- laßöffnung der Mikropumpe verbleibende Volumen, wenn die Pumpmembran betätigt ist und eines der Ventile geschlossen und eines geöffnet ist, ist, der Atmosphärendruck maximal etwa 1050 hPa (Worst-Case-Betrachtung) beträgt, und der Förderdruck der in dem Fluidkammerbereich der Mikropumpe, d. h. in der Druckkammer, notwendige Druck ist, um eine Flüssigkeits/Gas-Grenzfläche an einer Stelle, die eine Flussengstelle in der Mikroperistaltikpumpe, d. h. zwischen der Pumpkammer und der Durchlaßöffnung des ersten oder zweiten Ventils, einschließlich dieser Durchlaßöffnung, darstellt, vorbei zu bewegen.

Genügt das Verhältnis aus Hubvolumen und Totvolumen, das als Kompressionsverhältnis bezeichnet werden kann, der obi- gen Bedingung, so ist sichergestellt, daß die peristalti- sche Mikropumpe blasentolerant und selbstansaugend arbei- tet. Dies gilt sowohl bei Einsatz der peristaltischen Mik- ropumpe zum Fördern von Flüssigkeiten, wenn eine Gasblase, in der Regel eine Luftblase, in den Fluidbereich der Pumpe gelangt, als auch beim Einsatz der erfindungsgemäßen Mikro- pumpe als Gaspumpe, wenn unbeabsichtigterweise Feuchtigkeit aus dem zu fördernden Gas kondensiert und somit eine Gas/Flüssigkeits-Grenzfläche in dem Fluidbereich der Pumpe auftreten kann.

Kompressionsverhältnisse, die der obigen Bedingung genügen, können erfindungsgemäß beispielsweise realisiert werden, indem das Volumen der Pumpkammer größer ausgeführt wird als das von zwischen den jeweiligen Ventilmembranbereichen und gegenüberliegenden Pumpenkörperabschnitten gebildeten Ven- tilkammern. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen kann dies realisiert werden, indem der Abstand zwischen Membran und Oberfläche und Pumpenkörperoberfläche im Bereich der Pump- kammer größer ist als im Bereich der Ventilkammern.

Eine weitere Erhöhung des Kompressionsverhältnisses einer erfindungsgemäßen peristaltischen Mikropumpe kann erreicht werden, indem die Kontur einer in dem Pumpenkörper struktu- rierten Pumpkammer an die Biegelinie der Pumpmembran, d. h. die gebogene Kontur derselben im betätigten Zustand, ange- paßt wird, so daß die Pumpmembran im betätigten Zustand im wesentlichen das gesamte Volumen der Pumpkammer verdrängen kann. Ferner können auch die Konturen von in dem Pumpenkör- per gebildeten Ventilkammern entsprechend an die Biegelinie der jeweils gegenüberliegenden Membranabschnitte angepaßt sein, so daß im Optimalfall im geschlossenen Zustand der betätigte Membranbereich im wesentlichen das gesamte Ven- tilkammervolumen verdrängt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeich- nungen näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 eine schematische Querschnittansicht eines Aus- führungsbeispiels einer erfindungsgemäßen peris- taltischen Mikropumpe in einem Fluidsystem ; Fig. 2a bis 2f schematische Darstellungen zur Erläuterung eines Piezo-Membranwandlers ; Fig. 3a bis 3c schematische Querschnittdarstellungen zur Erläuterung der Begriffe Hubvolumen und Totvolu- men ; Fig. 4 ein schematisches Diagramm, das die Volu- men/Druck-Zugstände während eines Pumpzyklusses zeigt ; Fig. 5a bis 5c schematische Darstellungen zur Erläuterung des Begriffs Förderdruck ; Fig. 6a bis 6c schematische Ansichten eines alternativen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Mik- ropumpe ; Fig. 7 eine vergrößerte Darstellung eines Bereichs von Fig. 6b ; Fig. 8 eine vergrößerte schematische Querschnittdarstel- lung eines modifizierten Bereichs von Fig. 7 ; Fig. 9a, 9b und 9c schematische Darstellungen möglicher Pumpkammergestaltungen ; Fig. 10a und 10b schematische Darstellungen eines alterna- tiven Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemä- ßen Mikropumpe ;

Fig. 11 bis 13 schematische Querschnittansichten vergrö- ßerter Bereiche von Modifikationen des in den Fig. 10a und 10b gezeigten Beispiels ; Fig. 14 eine schematische Querschnittansicht eines weite- ren alternativen Ausführungsbeispiels einer er- findungsgemäßen Mikropumpe ; Fig. 15 eine schematische Darstellung einer erfindungsge- mäßen Mehrfach-Mikropumpe ; und Fig. 16 eine schematische Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Mik- ropumpe.

Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen pe- ristaltischen Mikropumpe, die in ein Fluidsystem integriert ist, ist in Fig. 1 gezeigt. Die Mikromembranpumpe umfaßt ein Membranelement 10, das drei Membranabschnitte 12,14 und 16 aufweist. Jeder der Membranabschnitte 12,14 und 16 ist mit einem Piezoelement 22, 24 bzw. 26 versehen und bil- det zusammen mit demselben einen Piezo-Membranwandler. Die Piezoelemente 22,24, 26 können auf die jeweiligen Membran- abschnitte geklebt sein oder können durch Siebdruck oder andere Dickschichttechniken auf der Membran gebildet sein.

Das Membranelement ist an äußeren Bereichen desselben um- laufend an einen Pumpenkörper 30 gefügt, so daß zwischen denselben eine fluiddichte Verbindung besteht. In dem Pum- penkörper 30 sind zwei Fluiddurchlässe 32 und 34 gebildet, von denen einer, je nach Pumprichtung, einen Fluideinlaß und der andere einen Fluidauslaß darstellt. Bei dem in Fig.

1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Fluiddurchlässe 32,34 jeweils von einer Dichtlippe 36 umgeben.

Ferner sind bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel die Unterseite des Membranelements 10 und die Oberseite des

Pumpenkörpers 30 strukturiert, um eine Fluidkammer 40 zwi- schen denselben zu definieren.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind sowohl das Memb- ranelement 10 als auch der Pumpenkörper 30 in einer jewei- ligen Siliziumscheibe implementiert, so daß dieselben bei- spielsweise durch Silicon Fusion Bonding aneinander gefügt sein können. Wie Fig. 1 zu entnehmen ist, weist das Memb- ranelement 10 in der Oberseite desselben drei Ausnehmungen und in der Unterseite desselben eine Ausnehmung auf, um die drei Membranbereiche 12,14 und 16 zu definieren.

Durch die Piezoelemente bzw. Piezokeramiken 22,24 und 26 sind die Membranabschnitte 12,14 und 16 jeweils in Rich- tung auf den Pumpenkörper 30 zu betätigbar, so daß der Membranabschnitt 12 zusammen mit dem Fluiddurchlaß 32 ein Einlaßventil 62 darstellt, das durch Betätigen des Membran- abschnitts 12 verschlossen werden kann. In gleicher Weise stellen der Membranabschnitt 16 und der Fluiddurchlaß 34 zusammen ein Auslaßventil 64 dar, das durch Betätigen des Membranabschnitts 16 mittels des Piezoelements 26 geschlos- sen werden kann. Schließlich ist durch Betätigen des Piezo- elements 24 das Volumen des zwischen den Ventilen angeord- neten Pumpkammerbereichs 42 reduzierbar.

Bevor auf die Funktionsweise der in Fig. 1 gezeigten peris- taltischen Mikropumpe eingegangen wird, sei zunächst kurz die Fluidsystemumgebung, in die die Mikropumpe gemäß Fig. 1 eingebaut ist, beschrieben. Die Pumpe ist dabei mit dem Pumpenkörper 30 auf einen Trägerblock 50 geklebt, wobei op- tional, wie in Fig. 1 gezeigt ist, Nuten 52 in dem Träger- block 50 vorgesehen sein können, um überschüssigen Kleber aufzunehmen. Die Nuten 52 können beispielsweise in dem Trä- gerblock 50 gebildete Fluidkanäle 54 und 56 umgebend vorge- sehen sein, um überschüssigen Kleber aufzunehmen und zu verhindern, daß derselbe in die Fluidkanäle 54,56 bzw. die Fluiddurchlässe 32,34 gelangt. Der Pumpenkörper 30 ist derart an den Trägerblock geklebt bzw. gefügt, daß der Flu-

iddurchlaß 32 in Fluidverbindung mit dem Fluidkanal 54 und daß der Fluiddurchlaß in Fluidverbindung mit dem Fluidkanal 56 ist. Zwischen den Fluidkanälen 54 und 56 kann in dem Trägerblock 50 ein weiterer Kanal 58 als Querleckschutz vorgesehen sein. An den äußeren Enden der Fluidkanäle 54, 56 sind Anschlußstücke 60 vorgesehen, die beispielsweise zum Anbringen von Schlauchleitungen an das in Fig. 1 ge- zeigte Fluidsystem dienen können. Ferner ist in Fig. 1 schematisch ein Gehäuse 61 gezeigt, das beispielsweise un- ter Verwendung einer Klebeverbindung an den Trägerblock 50 gefügt ist, um einen Schutz für die Mikropumpe zu liefern und die Piezoelemente feuchtedicht abzuschließen.

Zur Beschreibung eines Peristaltikpumpenzyklusses der in Fig. 1 gezeigten Pumpe sei zunächst von einem Ausgangszu- stand ausgegangen, bei dem das Einlaßventil 62 geschlossen ist, die dem zweiten Membranabschnitt 14 entsprechende Pumpmembran im unbetätigten Zustand ist und das Auslaßven- til 64 offen ist. Ausgehend von diesem Zustand wird durch Betätigen des Piezoelements 24 die Pumpmembran 14 nach un- ten bewegt, was dem Druckhub entspricht, wodurch das Hubvo- lumen durch das offene Auslaßventil in den Auslaß, d. h. den Fluidkanal 56 gefördert wird. Das Komprimieren der Pumpkammer 42 während des Druckhubes um das Hubvolumen führt zu einem Überdruck in der Pumpkammer, der sich durch die Fluidbewegung durch das Auslaßventil abbaut.

Ausgehend von diesem Zustand wird das Auslaßventil 64 ge- schlossen und das Einlaßventil 62 geöffnet. Anschließend wird die Pumpmembran 14 nach oben bewegt, indem die Betäti- gung des Piezoelements 24 beendet wird. Die dadurch expan- dierende Pumpkammer führt zu einem Unterdruck in der Pump- kammer, der wiederum ein Einsaugen von Fluid durch das ge- öffnete Einlaßventil 62 zur Folge hat. Anschließend wird das Einlaßventil 62 geschlossen und das Auslaßventil 64 ge- öffnet, so daß wieder der oben genannte Ausgangszustand er- reicht ist. Durch den beschriebenen Pumpzyklus würde somit ein Fluidvolumen, das im wesentlichen dem Hubvolumen des

Membranabschnitts 14 entspricht, von dem Fluidkanal 54 zu dem Fluidkanal 56 gepumpt.

Erfindungsgemäß werden als Piezoaktoren vorzugsweise Piezo- Membranwandler bzw. Piezo-Biegewandler verwendet. Einen op- timalen Hub verrichtet ein solcher Biegewandler, wenn die lateralen Abmessungen der Piezokeramik ca. 80% der darun- terliegenden Membran entsprechen. Je nach lateralen Abmes- sungen der Membran, die typischerweise Seitenlängen von 4 mm bis 12 mm aufweisen kann, können somit Auslenkungen von mehreren 10 um Hub und damit Volumenhübe im Bereich von 0,1 ul bis 10 ul erreicht werden. Bevorzugte Ausführungsbei- spiele der vorliegenden Erfindung weisen Volumenhübe zumin- dest in einem solchen Bereich auf, da bei einem derartigen Volumenhub vorteilhaft blasentolerante Peristaltikpumpen realisiert werden können.

Zu beachten ist bei Piezo-Membranwandlern dabei, daß diese einen effektiven Hub nur nach unten, d. h. zu dem Pumpen- körper hin ermöglichen. Diesbezüglich wird auf die schema- tischen Darstellungen der Fig. 2a bis 2f verwiesen. Fig. 2a zeigt eine Piezokeramik 100, die auf beiden Oberflächen derselben mit Metallisierungen 102 versehen ist. Die Piezo- keramik umfaßt vorzugsweise einen großen d31-Koeffizienten und ist in Richtung des Pfeils 104 in Fig. 2a polarisiert.

Gemäß Fig. 2a liegt keine Spannung an der Piezokeramik an.

Zur Erzeugung eines Piezo-Membranwandlers ist nun die in Fig. 2a gezeigte Piezokeramik 100 fest auf einer Membran 106 montiert, beispielsweise geklebt, wie in Fig. 2b ge- zeigt ist. Bei der dargestellten Membran handelt es sich dabei um eine Siliziummembran, wobei die Membran jedoch durch beliebige andere Materialien gebildet sein kann, so- lange sie elektrisch kontaktiert werden kann, beispielswei- se als metallisierte Siliziummembran, als Metallfolie oder als durch einen Zweikomponentenspritzguß leitfähig gemachte Kunststoffmembran.

Wird nun an die Piezokeramik eine positive Spannung, d. h. eine Spannung in Polarisationsrichtung, U > 0, angelegt, so kontrahiert die Piezokeramik, siehe Fig. 2c. Durch die fes- te Verbindung der Piezokeramik 100 zur Membran 106 wird durch diese Kontraktion die Membran 106 nach unten ausge- lenkt, wie durch Pfeile in Fig. 2d verdeutlicht ist.

Um eine Bewegung der Membran nach oben zu bewirken, müßte eine negative Spannung, d. h. eine Spannung entgegen der Polarisationsrichtung, an die Piezokeramik angelegt werden, wie in Fig. 2e gezeigt ist. Dies führt jedoch zu einer De- polarisation der Piezokeramik schon bei geringen Feldstär- ken in Gegenrichtung, wie in Fig. 2e durch einen Pfeil 108 angedeutet ist. Typische Depolarisationsfeldstärken von Bleizirkonattitanat-Keramiken (PZT-Keramiken) liegen bei- spielsweise bei-4000 V/cm. Somit kann eine Bewegung der Membran nach oben, d. h. in Richtung der Piezokeramik, nicht realisiert werden, wie in Fig. 2f angedeutet ist.

Trotz dieses Nachteils dahingehend, daß aufgrund der unsym- metrischen Natur des Piezoeffektes mit dem Zweischicht- Silizium-Piezo-Biegewandler, d. h. dem Piezo-Membranwand- ler, nur eine aktive Bewegung nach unten, d. h. in Richtung zu dem Pumpenkörper hin, realisiert werden kann, stellt die Verwendung eines solchen Biegewandlers eine bevorzugte Aus- führungsform der vorliegenden Erfindung dar, da diese Form von Wandlern zahlreiche Vorteile aufweist. Zum einen besit- zen sie ein schnelles Ansprechverhalten, in der Größenord- nung von ca. 1 Millisekunde bei einem geringen Energie- verbrauch. Ferner ist eine Skalierung mit Abmessungen von Piezokeramik und Membran über große Bereiche möglich, so daß ein großer Hub (10.... 200 um) und eine große Kraft (Schaltdrücke 104 Pa bis 106 Pa) möglich sind, wobei bei einem größeren Hub die erreichbare Kraft abnimmt und umge- kehrt. Ferner ist durch die Membran das zu schaltende Medi- um von der Piezokeramik getrennt.

Sollen die erfindungsgemäßen peristaltischen Mikropumpen bei Anwendungen zum Einsatz kommen, bei denen ein blasento- lerantes, selbstansaugendes Verhalten erforderlich ist, müssen die Mikroperistaltikpumpen entworfen werden, um ei- ner Designregel hinsichtlich des Kompressionsverhältnisses, das das Verhältnis von Hubvolumen zu Totvolumen definiert, zu genügen. Zur Definition der Begriffe Hubvolumen AV und Totvolumen Vo sei zunächst auf die Fig. 3a bis 3b verwie- sen.

Fig. 3a zeigt schematisch einen Pumpenkörper 200 mit einer oberen Oberfläche desselben, in der eine Pumpkammer 202 strukturiert ist. Oberhalb des Pumpenkörpers 200 ist sche- matisch eine Membran 204 gezeigt, die mit einem Einlaßven- til-Piezoaktor 206, einem Pumpkammer-Piezoaktor 208 und ei- nem Auslaßventil-Piezoaktor 210 versehen ist. Durch die Piezoaktoren 206,208 und 210 können jeweilige Bereiche der Membran 204 nach unten, d. h. in Richtung auf den Pumpen- körper 200 zu, bewegt werden, wie durch Pfeile in Fig. 3a gezeigt ist. Durch die Linie 212 ist in Fig. 3a ferner der der Pumpkammer 200 gegenüberliegende Abschnitt der Membran 204, d. h. die Pumpmembran, in ihrem ausgelenkten, d. h. durch den Pumpkammer-Piezoaktor 208 betätigten, Zustand gezeigt. Die Differenz des Pumpkammervolumens zwischen dem nicht ausgelenkten Zustand der Membran 204 und dem ausge- lenkten Zustand 212 der Membran 204 stellt das Hubvolumen AV der Pumpmembran dar.

Gemäß Fig. 3a können die unter dem Einlaßventil-Piezoaktor 206 und unter dem Auslaßventil-Piezoaktor 210 angeordneten Kanalbereiche 214 und 216 durch ein jeweiliges Betätigen des entsprechenden Piezoaktors geschlossen werden, indem die jeweiligen Membranbereiche auf den darunterliegenden Bereichen des Pumpenkörpers aufliegen. Dabei sind die Figu- ren 3a bis 3c lediglich grobe schematische Darstellungen, wobei die jeweiligen Elemente so ausgestaltet sind, daß ein Schließen jeweiliger Ventilöffnungen möglich ist. Somit

sind wiederum ein Einlaßventil 62 und ein Auslaßventil 64 gebildet.

In Fig. 3b ist eine Situation gezeigt, bei der das Volumen der Pumpkammer 202 durch Betätigen des Pumpkammer- Piezoaktors 208 reduziert ist und bei der das Einlaßventil 62 geschlossen ist. Die in Fig. 3b gezeigte Situation stellt somit den Zustand nach dem Ausstoßen einer Fluidmen- ge aus dem Auslaßventil 64 dar, wobei das Volumen des zwi- schen dem geschlossenen Einlaßventil 62 und der Durchla- ßöffnung des offenen Auslaßventils 64 verbleibenden Fluid- bereichs das Totvolumen Vo bezüglich des Druckhubes dar- stellt, wie durch den schraffierten Bereich in Fig. 3b ge- zeigt ist. Das Totvolumen bezüglich eines Saughubes, bei dem das Einlaßventil 62 geöffnet und das Auslaßventil 64 geschlossen ist, ist durch das Volumen des zwischen dem ge- schlossenen Auslaßventil 64 und der Durchlaßöffnung des ge- öffneten Einlaßventils 62 verbleibenden Fluidbereichs defi- niert, wie in Fig. 3c durch den schraffierten Bereich ge- zeigt ist.

An dieser Stelle sei angemerkt, daß das jeweilige Totvolu- men von dem jeweils geschlossenen Ventil bis zu der Durch- laßöffnung, an der im Moment einer jeweilige Volumenände- rung der Pumpkammer ein wesentlicher Druckabfall stattfin- det, definiert ist. Bei einem symmetrischen Aufbau von Ein- laßventil und Auslaßventil, wie er für eine bidirektionale Pumpe bevorzugt ist, sind die Totvolumen Vo für den Druck- hub und den Saughub identisch. Ergeben sich aufgrund einer Unsymmetrie für einen Druckhub und einen Saughub unter- schiedliche Totvolumina, so sei im Sinne einer Worst-Case- Betrachtung im folgenden davon ausgegangen, daß zur Ermitt- lung des jeweiligen Kompressionsverhältnisses das größere der beiden Totvolumina verwendet wird.

Das Kompressionsverhältnis der Mikroperistaltikpumpe be- rechnet sich aus dem Hubvolumen AV und dem Totvolumen Vo wie folgt :

s = AV/Vo. Gl. 1 Im folgenden wird von einer Worst-Case-Betrachtung ausge- gangen, bei der der gesamte Pumpenbereich mit einem kompri- mierbaren Fluid (Gas) gefüllt ist. Die bei einem peristal- tischen Pumpzyklus, wie er oben beschrieben wurde, in der Peristaltikpumpe auftretenden Volumen/Druck-Zustände sind in dem Diagramm von Fig. 4 gezeigt. Dabei sind in Fig. 4 jeweils sowohl die isothermen Volumen/Druck-Kennlinien als auch die adiabatischen Volumen/Druck-Kennlinien gezeigt, wobei im Sinne einer Worst-Case-Betrachtung im folgenden von isothermen Verhältnissen, wie sie bei langsamen Zu- standsänderungen auftreten, ausgegangen wird.

Zu Beginn eines Druckhubes herrscht in dem zwischen Einlaß- ventil und Auslaßventil existierenden Fluidbereich ein Druck po, während dieser Bereich ein Volumen Vo + AV auf- weist. Ausgehend von diesem Zustand bewegt sich die Druck- membran während des Druckhubes um das Hubvolumen AV nach unten, wodurch sich ein Überdruck pu in dem Fluidbereich, d. h. der Pumpkammer, bildet, so daß bei einem Volumen von Vo ein Druck von po + po herrscht. Der Überdruck in der Pumpkammer baut sich ab, indem das Luftvolumen AV durch den Auslaß gefördert wird, bis ein Druckausgleich stattgefunden hat. Dieses Ausströmen von Fluid aus dem Auslaß entspricht in Fig. 4 dem Sprung von der oberen Kurve zu der unteren Kurve. Am Ende des Druckausgleichs herrscht somit ein Zu- stand po, Vo, der dem Ausgangspunkt eines Saughubes ent- spricht. Ausgehend von diesem Zustand wird die Membran von dem Pumpenkörper wegbewegt, d. h. das Volumen der Druckkam- mer expandiert um das Hubvolumen AV. Somit wird zu dem in Fig. 4 als"Saughub nach Expansion"bezeichneten Zustand po - pu, Vo + AV gewechselt. Aufgrund des herrschenden Unter- drucks wird ein Fluidvolumen AV durch die Einlaßöffnung an- gesaugt, bis ein Druckausgleich stattgefunden hat. Das Ein- strömen von Fluid in die Pumpkammer entspricht in Fig. 4 dem Sprung von der unteren Kurve zu der oberen Kurve. Nach

dem Druckausgleich herrscht somit der Zustand po, Vo + AV, der wiederum dem Ausgangspunkt eines Druckhubes entspricht.

Bei den obigen allgemeinen Zustandsbetrachtungen, die zur allgemeinen Erläuterung der Erfindung dienen, wurden je- weils die Volumenverdrängungen des Einlaßventiles und Aus- laßventiles zwischen den jeweiligen Saughüben und Druckhü- ben vernachlässigt.

Um eine Blasentoleranz erreichen zu können, muß der Über- druck pu beim Druckhub, bzw. der Unterdruck pu beim Saug- hub, einen Mindestwert beim Druckhub überschreiten bzw. beim Saughub unterschreiten. Anders ausgedrückt muß der Druckbetrag beim Druckhub und beim Saughub einen Mindest- wert, der als Förderdruck pF bezeichnet werden kann, über- schreiten. Dieser Förderdruck ist der Druck in der Druck- kammer, der mindestens herrschen muß, um eine Flüssig- keits/Gas-Grenzfläche an einer Stelle, die eine Fluß- engstelle zwischen der Pumpkammer und der Durchlaßöffnung des ersten oder zweiten Ventils, einschließlich dieser Durchlaßöffnung, darstellt, vorbei zu bewegen. Dieser För- derdruck kann abhängig von der Größe dieser Flußengstelle wie folgt ermittelt werden.

Es müssen Kapillarkräfte überwunden werden, wenn freie O- berflächen, beispielsweise in Form von Gasblasen (bei- spielsweise Luftblasen) in den Fluidbereichen innerhalb der Pumpe bewegt werden. Der Druck, der aufgebracht werden muß, um solche Kapillarkräfte zu überwinden, hängt von der Ober- flächenspannung der Flüssigkeit an der Flüssigkeit/Gas- Grenzfläche und dem maximalen Krümmungsradius r1 und dem minimalen Krümmungsradius r2 des Meniskus dieser Grenzflä- che ab :

Der zu erbringende Förderdruck ist durch Gleichung 2 defi- niert, und zwar an der Stelle innerhalb des Strömungspfades der Mikroperistaltikpumpe, an der die Summe der inversen Krümmungsradien ri und r2 einer Flüssigkeits/Gas-Grenz- fläche mit einer gegebenen Oberflächenspannung maximal ist.

Diese Stelle entspricht der Flußengstelle.

Zur Veranschaulichung sei beispielsweise ein Kanal 220 (Fig. 5a) mit einer Breite d betrachtet, wobei die Höhe des Kanals ebenfalls d betrage. Der Kanal 220 besitzt an beiden Kanalenden 222, beispielsweise unter der Ventilmembran oder der Pumpmembran, eine Querschnittsänderung. In Fig. 5a ist der Kanal vollständig mit einer Flüssigkeit 224 gefüllt, die in Richtung des Pfeils 226 fließt.

Gemäß Fig. 5b trifft nun eine Luftblase 228 auf die Quer- schnittsänderung am Eingang des Kanals 220. Dabei tritt ein Benetzungswinkel 6 auf. Der Benetzungswinkel 9 definiert einen maximalen Krümmungsradius ri und einen minimalen Krümmungsradius r2 eines durch den Kanal 220 zu bewegenden Meniskus 230, wobei bei gleicher Höhe und Breite des Kanals ri = r2 gilt. In Fig. 5c ist die Situation dargestellt, wenn die Luftblase, bzw. der Meniskus 230 die Querschnitts- änderung 222 am Ende des Kanals 220 erreicht.

Stellt ein solcher Kanal den Bereich eines Fluidsystems dar, an dem die größte Kapillarkraft überwunden werden muß, so beträgt der erforderliche Druck in diesem Spezialfall mit r1 = r2 = r = d/2: #p = #2/r = #4/d Gl.3 Diese Druckbarriere ist bei Mikroperistaltikpumpen der er findungsgemäßen Art aufgrund der kleinen Geometriedimensio- nen nicht zu vernachlässigen, wenn ein solcher Kanal die Engstelle der Pumpe darstellt. Bei einem Leitungsdurchmes- ser von beispielsweise d = 50 um und einer Oberflächenspan-

nung Luft/Wasser von Gwa = 0, 075 N/m beträgt die Druckbar- riere APb = 60 hPa, während bei einem Kanaldurchmesser d = 25 um die Druckbarriere tpb = 120 hPa beträgt.

Bei Mikroperistaltikpumpen der erfindungsgemäßen Art wird die angesprochene Engstelle in der Regel jedoch durch den Abstand zwischen Ventilmembran und gegenüberliegendem Be- reich des Pumpenkörpers (beispielsweise einer Dichtlippe) bei geöffnetem Ventil definiert sein. Diese Engstelle stellt einen Spalt dar, der eine gegenüber der Höhe unend- lich große Breite aufweist, d. h. r1 = r und r2 = unendlich.

Für einen solchen Kanal ergibt sich aus obiger Gleichung 2 : A 1 G1. 4 r Allgemein ist der Zusammenhang zwischen dem kleinsten Krüm- mungsradius und dem kleinsten Wandabstand d durch folgende Beziehung gegeben : r = d G1. 5 2 # sin(90° + r-O wobei 0 den Benetzungswinkel darstellt und F die Verkip- pung zwischen den beiden Wänden.

Der Worst-Case-Fall, d. h. der kleinste Krümmungsradius un- abhängig vom Verkippungswinkel und Benetzungswinkel ist ge- geben, wenn die Sinusfunktion maximal, d. h. sin (90°+r-0) =l wird. Dies tritt beispielsweise bei abrupten Querschnitts- änderungen, wie sie in den Fig. 5a bis 5c gezeigt sind, o- der bei Kombinationen von Verkippungswinkel # und Benet- zungswinkel 0 auf. Im Worst-Case-Fall gilt : r = d Gl. 6 2

Als kleinster auftretender Krümmungsradius kann daher unab- hängig vom Verkippungswinkel r, Benetzungswinkel (R oder abrupten Querschnittsänderungen die Hälfte des kleinsten auftetenden Wandabstands betrachtet werden.

In einer Peristaltikpumpe existieren zum einen Fluidverbin- dungen zwischen den Kammern mit einer gegebenen Kanalgeo- metrie und einer Engstelle, die eine geringste Durchflußab- messung d definiert. Für einen solchen Kanal gilt : 4 #p = #@/d Gl.7.

Zum anderen besitzt die Peristaltikpumpe eine Engstelle am Einlaß-bzw. Auslassventil, die durch die von dem Ventilhub d abhängigen Spaltgeometrie definiert ist. Für diese gilt : <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> #p = # 2 G1.8.<BR> d Die jeweilige Engstelle (Kanalengstelle oder Ventilengstel- le im geöffneten Zustand), an der größere Kapillarkräfte überwunden werden müssen, kann als Flußengstelle der Mikro- peristaltikpumpe betrachtet werden.

Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Er- findung werden daher Verbindungskanäle innerhalb der Peris- taltikpumpe derart ausgelegt, daß der Durchmesser des Ka- nals mindestens das doppelte der Ventilengstelle, d. h. dem Abstand zwischen Membran und Pumpenkörper im geöffneten Ventilzustand, übersteigt. In einem solchen Fall stellt der Ventilspalt die Flußengstelle der Mikroperistaltikpumpe dar. Beispielsweise können bei einem Ventilhub von 20um Verbindungskanale mit einer geringsten Abmessung, d. h.

Engstelle, von 50Rm vorgesehen sein. Die obere Grenze des Kanaldurchmessers wird durch das Todvolumen des Kanals be- stimmt.

Die zu überwindende Kapillarkraft hängt von der Oberflä- chenspannung an der Flüssigkeit/Gas-Grenzfläche ab. Diese Oberflächenspannung hängt wiederum von den beteiligten Partnern ab. Für eine Wasser/Luft-Grenzfläche beträgt die Oberflächenspannung etwa 0,075 N/m und variiert leicht mit der Temperatur. Organische Lösemittel besitzen in der Regel eine deutlich geringere Oberflächenspannung, während die Oberflächenspannung an einer Quecksilber/Luft-Grenzfläche beispielsweise etwa 0,475 N/m beträgt. Eine Peristaltikpum- pe, die ausgelegt ist, um die Kapillarkraft bei einer Ober- flächenspannung von 0,1 N/m zu überwinden, eignet sich so- mit, um nahezu alle bekannten Flüssigkeiten und Gase bla- sentolerant und selbstansaugend zu pumpen. Alternativ kann das Kompressionsverhältnis einer erfindungsgemäßen Mikrope- ristaltikpumpe entsprechend höher gemacht werden, um ein solches Pumpen beispielsweise auch für Quecksilber zu er- möglichen.

Die im nachfolgenden erörterten Designregeln gelten für die Förderung von Gasen und inkompressiblen Flüssigkeiten, wo- bei bei der Förderung von Flüssigkeiten davon ausgegangen werden muß, daß im Worst-Case-Fall Luftblasen das gesamte Pumpkammervolumen ausfüllen. Bei der Förderung von Gasen muß damit gerechnet werden, daß aufgrund einer Auskonden- sierung Flüssigkeit in die Pumpe gelangen kann. Im folgen- den wird davon ausgegangen, daß der Piezoaktor so ausgelegt ist, daß alle erforderlichen Unterdrücke und Überdrücke er- reicht werden können.

Zunächst sei ein Druckhub betrachtet. Während des Ausstoß- vorgangs komprimiert die Aktormembran das Gasvolumen, bzw.

Luftvolumen. Der maximale Überdruck in der Pumpkammer po wird dann durch den Druck in der Luftblase bestimmt. Er be- rechnet sich aus der Zustandsgleichung der Luftblase.

(x 7 A = (po + P0xVo) YA Gl. 9

Die Variablen po, Vo, AV und pu wurden oben bezugnehmend auf Fig. 4 erläutert. yA stellt den Adiabatenkoeffizient des Gases, d. h. der Luft, dar. Die linke Seite der obigen Glei- chung stellt den Zustand vor der Kompression dar, während die rechte Seite den Zustand nach der Kompression dar- stellt. Weiterhin muß der Überdruck pu beim Druckhub größer als der positive Förderdruck pF sein : PI) > PF Gl. 10 Nun sei ein Saughub betrachtet. Der Saughub unterscheidet sich durch die Ausgangslage der Volumina. Nach der Expansi- on entsteht der Unterdruck pu in der Pumpkammer, d. h. pu ist negativ : p0V0γA = (p0 + pU)(V0 + #V)γA Gl.11 Die linke Seite der Gleichung 11 gibt den Zustand vor der Expansion wieder, während die rechte Seite den Zustand nach der Expansion wiedergibt. Der Unterdruck pu beim Druckhub muß kleiner sein als der notwendige negative Förderdruck pF. Dabei ist zu beachten, daß der Förderdruck pp bei der Betrachtung des Druckhubes betragsmäßig positiv, bei der Betrachtung des Saughubes betragsmäßig negativ ist. Es folgt : pu < PF G1. 12 Aus den obigen Gleichungen ergibt sich für das mindestens notwendige Kompressionsverhältnis von blasentoleranten Mik- roperistaltikpumpen für den Druckhub : Für den Saughub ergibt sich folgendes Kompressionsverhält- nis :

Ist der Förderdruck pF klein gegenüber dem Atmosphärendruck po, können die vorhergehenden Gleichungen wie folgt verein- facht werden, was einer Linearisierung um den Punkt po, Vo entspricht : Druckhub : # > 1 pF Gl. 15 γA Po Saughub : # > -1 PF Gl. 16 YA PO Als gültige Gleichung für den Saughub und den Druckhub er- gibt sich: <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> 1 | pF |<BR> # > Gl.17<BR> <BR> <BR> γA p0 Bei schellen Zustandsänderungen sind die Verhältnisse adi- abatisch, d. h. YA = 1,4 für Luft. Bei langsamen Zustands- änderungen sind die Verhältnisse isotherm, d. h. yA = 1.

Mit einer konsequenten Anwendung der Worst-Case-Annahme wird im folgenden das Kriterium mit yA = 1 verwendet. Somit kann als Designregel für das notwendige Kompressionsver- hältnis blasentoleranter Mikroperistaltikpumpen festgehal- ten werden, daß das Kompressionsverhältnis größer sein muß als das Verhältnis des Förderdrucks zum Atmosphärendruck, d. h. : 9> lp, 1 Gl. 18 Po Oder mit den genannten Volumina :

AV, IPFI Gl. 19 Vo Po Die oben angegebene einfache lineare Designregel entspricht der Tangente an der isothermen Zustandsgleichung von Fig. 4 im Punkt po, Vo.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Mikrope- ristaltikpumpen werden somit derart gestaltet, daß das Kom- pressionsverhältnis der obigen Bedingung genügt, wobei der minimal notwendige Förderdruck dem in Gleichung 8 definier- ten Druck entspricht, wenn in der Peristaltikpumpe auftre- tende Kanalengstellen minimale Abmessungen aufweisen, die zumindest doppelt so groß wie der Ventilspalt sind. Alter- nativ kann der minimal erforderliche Förderdruck dem in Gleichung 3 oder Gleichung 7 definierten Druck entsprechen, wenn die Flußengstelle der Mikroperistaltikpumpe nicht durch einen Spalt sondern einen Kanal definiert ist.

Soll eine erfindungsgemäße Mikroperistaltikpumpe zum Ein- satz kommen, wenn Druckrandbedingungen eines Unterdrucks pl am Einlaß bzw. eines Gegendrucks P2 am Auslaß vorherrschen, so muß das Kompressionsverhältnis einer Mikroperistaltik- pumpe entsprechend größer sein, um ein Pumpen gegen diese Einlaßdrücke bzw. Auslaßdrücke zu ermöglichen. Die Druck- randbedingungen werden von der vorgesehenen Anwendung der Mikroperistaltikpumpe definiert und können von wenigen hPa bis zu mehreren 1000 hPa reichen. Für solche Fälle muß der in der Pumpkammer auftretende Überdruck po, bzw. Unterdruck pu diese Gegendrücke mindestens erreichen, damit eine Pump- wirkung auftritt. Beispielsweise führt allein die Höhendif- ferenz eines möglichen Einlaßgefäßes bzw. Auslaßgefäßes von 50 cm bei Wasser zu Gegendrücken von 50 hPa.

Weiter stellt die gewünschte Förderrate eine Randbedingung dar, die zusätzliche Anforderungen stellt. Bei einem gege- benen Hubvolumen AV wird die Förderrate Q durch die Be- triebsfrequenz f des sich wiederholenden Peristaltikzyklus-

ses definiert : Q = AV f. Innerhalb der Periodendauer T = 1/f muß sowohl der Saughub als auch der Druckhub der Peris- taltikpumpe verrichtet werden, insbesondere muß das Hubvo- lumen AV umgesetzt werden. Die verfügbare Zeit beträgt da- her maximal T/2 für Saughub und Druckhub. Die benötigte Zeit, um das Hubvolumen durch die Pumpkammerzuleitung und die Ventilengstelle zu fördern, hängt nun einerseits von dem Strömungswiderstand ab, andererseits von der Druckamp- litude in der Pumpkammer.

Sollen mit einer erfindungsgemäßen Mikroperistaltikpumpe schaumartige Substanzen gepumpt werden, so kann es notwen- dig sein, daß eine Mehrzahl von Kapillarkräften, wie sie oben beschrieben sind, überwunden werden muß, da mehrere entsprechende Flüssigkeit/Gas-Grenzflächen auftreten. In einem solchen Fall muß die Mikroperistaltikpumpe ausgelegt sein, um ein Kompressionsverhältnis aufzuweisen, um ent- sprechend höhere Förderdrücke erzeugen zu können.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß das Kompres- sionsverhältnis einer erfindungsgemäßen Mikroperistaltik- pumpe entsprechend höher gewählt werden muß, wenn der in der Mikroperistaltikpumpe notwendige Förderdruck PF neben den angesprochenen Kapillarkräften ferner von den Randbe- dingungen der Anwendung abhängt. Beachtet werden sollte, daß hier der Förderdruck relativ zum Atmosphärendruck be- trachtet wird, im Druckhub also ein positiver Förderdruck pF angenommen wird, während im Saughub ein negativer För- derdruck PF angenommen wird. Als ein technisch sinnvoller Wert für einen robusten Betrieb kann daher für einen Saug- hub und einen Druckhub ein Betrag des Förderdrucks von min- destens pF = 100 hPa angenommen werden.

Betrachtet man einen Gegendruck von beispielsweise 3000 hPa am Pumpenauslaß, gegen den gepumpt werden muß, so ergibt sich nach der obigen Gleichung 13 ein Kompressionsverhält- nis von s > 3, wobei ein Atmosphärendruck von 1013 hPa an- genommen wird.

Muß die Mikroperistaltikpumpe gegen einen großen Unterdruck ansaugen, beispielsweise einen Unterdruck von-900 hPa, so ist nach der obigen Gleichung 14 ein Kompressionsverhältnis von s > 9 einzuhalten, um ein Pumpen gegen einen solchen Unterdruck zu ermöglichen.

Beispiele von peristaltischen Mikropumpen, die die Reali- sierung derartiger Kompressionsverhältnisse ermöglichen, werden nachfolgend näher erläutert.

Fig. 6b zeigt eine schematische Querschnittansicht einer peristaltischen Mikropumpe mit Membranelement 300 und Pum- penkörper 302 entlang der Linie b-b von Fig. 6a und Fig.

6c, während Fig. 6a eine schematische Draufsicht auf das Membranelement 300 und Fig. 6c eine schematische Draufsicht auf den Pumpenkörper 302 zeigt. Das Membranelement 300 be- sitzt wiederum drei Membranabschnitte 12, 14 und 16, die jeweils mit Piezoaktoren 22,24 und 26 versehen sind. In dem Pumpenkörper 302 ist wiederum eine Einlaßöffnung 32 und eine Auslaßöffnung 34 gebildet, derart, daß die Einlaßöff- nung 32 zusammen mit dem Membranbereich 12 ein Einlaßventil definiert, während die Auslaßöffnung 34 mit dem Membranbe- reich 16 ein Auslaßventil definiert. Unterhalb des Membran- abschnitts 14 ist eine Pumpkammer 304 in dem Pumpenkörper 302 gebildet. Ferner sind Fluidkanäle 306 in dem Pumpenkör- per 302 gebildet, die mit den Membranbereichen 12 und 16 zugeordneten Ventilkammer 308 und 310 fluidmäßig verbunden sind. Die Ventilkammern 308 und 310 sind bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch Ausnehmungen in dem Membranele- ment 300 gebildet, wobei in dem Membranelement 300 ferner eine zu der Pumpkammer 304 beitragende Ausnehmung 312 ge- bildet ist.

Bei dem in den Fig. 6a bis 6c gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Pumpkammervolumen 304 größer ausgeführt als die Vo- lumen der Ventilkammern 308 und 310. Dies wird bei dem ge- zeigten Ausführungsbeispiel erreicht, indem eine Pumpkam-

merabsenkung in dem eine Strukturierung in der Form einer Pumpkammerabsenkung in dem Pumpenkörper 302 gebildet ist.

Der Hub der Pumpenmembran 14 wird vorzugsweise so ausge- legt, daß sie das Volumen der Pumpkammer 304 weitgehend verdrängen kann.

Eine weitere Erhöhung des Pumpkammervolumens gegenüber den Ventilkammervolumen ist bei dem in den Fig. 6a bis 6c ge- zeigten Ausführungsbeispiel erreicht, indem die Pumpkammer- membran 14 flächenmäßig (in der Ebene des Membranelements 300 bzw. des Pumpenkörpers 302) größer gestaltet ist als die Ventilkammermembranen, wie am besten in Fig. 6a zu se- hen ist. Somit ergibt sich eine flächenmäßig verglichen mit den Ventilkammern größere Pumpkammer.

Um den Strömungswiderstand zwischen den Ventilkammern 308 und 310 und der Pumpkammer 304 zu reduzieren, sind die Zu- leitungskanäle 306 in der Oberfläche des Pumpenkörpers 302 strukturiert. Diese Fluidkanäle 306 liefern einen reduzier- ten Strömungswiderstand, ohne das Kompressionsverhältnis der peristaltischen Mikropumpe signifikant zu verschlech- tern.

Alternativ zu dem in den Fig. 6a bis 6c gezeigten Ausfüh- rungsbeispiel könnte die Oberfläche des Pumpenkörpers 302 mit dreistufigen Absenkungen realisiert sein, um die Pump- kammer erhöhter Tiefe (verglichen mit den Ventilkammern) zu implementieren, während der obere Chip eine im wesentlichen unstrukturierte Membran ist. Solche zweistufige Absenkungen sind technologisch etwas schwieriger zu realisieren als das in den Fig. 6a bis 6c gezeigte Ausführungsbeispiel.

Beispielhafte Abmessungen des in den Fig. 6a bis 6c gezeig- ten Ausführungsbeispiels einer peristaltischen Mikropumpe lauten wie folgt : Abmessung der Ventilmembrane 12,16 : 7,3 x 5,6 mm ; Abmessung der Pumpmembran 14 : 7,3 x 7,3 mm ;

Membrandicke : 40 um ; Durchmesser der Einlaß-bzw. Auslaßdüse 32,34 : mindestens 50 um ; Ventilkammerhöhe : 8 um ; Höhe der Pumpkammer : 30 um ; Breite der Ventil-Dichtlippen d : 10, um ; realisierbare Gesamtgröße : 8 x 21 mm ; Abmessungen der Piezoelemente : Fläche : 0,8 mal Membranab- messung, Dicke : 2, 5 mal Membrandicke ; Dicke der Piezoelemente : 100pm ; und Öffnungsquerschnitt der Öffnungen 32,34 : 100um x 100im.

Eine vergrößerte Darstellung des linken Teils der in Fig.

6b gezeigten Querschnittdarstellung ist in Fig. 7 gezeigt, wobei in Fig. 7 die Höhe H der Pümpkammer 304 angezeigt ist. Obwohl gemäß der Darstellung von Fig. 7 die die Pump- kammer 304 bildenden Strukturierungen in dem Pumpenkörper 302 und in dem Membranelement 300 gleiche Tiefen besitzen, ist es bevorzugt, die Strukturierungen in dem Pumpenkörper 302 mit einer größeren Tiefe als die in dem Membranelement auszugestalten, um den Flußkanal 306 mit einem ausreichen- den Flußquerschnitt zu versehen, ohne jedoch das Kompressi- onsverhältnis übermäßig zu beeinträchtigen. Beispielsweise können die Strukturierungen in dem Pumpenkörper 302, die zu dem Fluidkanal 306 und der Pumpkammer 304 beitragen, eine Tiefe von 22 um aufweisen, während die Strukturierungen in dem Membranelement 300, die die Ventilkammern 308 definie- ren bzw. zu der Druckkammer 304 beitragen, eine Tiefe von 8 um aufweisen können.

Fig. 8 stellt eine schematische Querschnittansicht einer Vergrößerung des Abschnitts A von Fig. 7 dar, jedoch in ei- ner modifizierten Form. Gemäß Fig. 8 ist der Steg von der Öffnung 32 in Richtung zu dem Kanal 206 hin beabstandet an- geordnet. Dadurch können Montagetoleranzen bei einer dop- pelseitigen Lithographie berücksichtigt werden. Ferner kann damit verhindert werden, daß Waferdickenschwankungen, die Ventilöffnungen mit unterschiedlichen Querschnittgrößen zur

Folge haben können, keine negativen Auswirkungen haben. Wie in Fig. 8 zu erkennen ist, definiert der Abstand x zu der Membran 12 die Flußengstelle zwischen Pumpkammer und Ven- tildurchlaßöffnung bei geöffneter Ventilstellung.

Wie oben ausgeführt wurde, muß in den Bereichen des Fluid- systems, in denen eine Pumpwirkung erforderlich ist, indem ein Pumpkammervolumen einer Peristaltikpumpe gebildet wird, das Kompressionsverhältnis der Peristaltikpumpe groß ge- wählt werden, um ein selbstbefüllendes Verhalten und einen robusten Betrieb bezüglich einer Blasentoleranz zu gewähr- leisten. Um dies zu erreichen, ist es bevorzugt, die Totvo- luminas klein zu halten, was unterstützt werden kann, indem die Kontur bzw. Form der Pumpkammer an die Biegelinie der Pumpmembran im ausgelenkten Zustand angepaßt wird.

Eine erste Möglichkeit, eine solche Anpassung zu realisie- ren, besteht darin, eine runde Pumpkammer zu implementie- ren, d. h. eine Pumpkammer, deren Umfangsform an die Auslen- kung der Pumpmembran angepasst ist. Eine schematische Draufsicht auf den Pumpkammer-und Fluidkanal-Abschnitt ei- nes Pumpenkörpers mit einer solchen Pumpkammer ist in Fig.

9a gezeigt. In die runde Pumpkammer 330 münden wiederum vergleichbar mit der Darstellung von Fig. 6c die Fluidkanä- le 306, die eine Fluidverbindung zu Ventilkammern, die bei- spielsweise wiederum in einem Membranelement strukturiert sein können, herstellen.

Um eine weitere Reduzierung des Totvolumens und damit eine weitere Erhöhung des Kompressionsverhältnisses erreichen zu können, kann die Pumpkammer unter der Pumpmembran so gestaltet werden, daß ihre der Pumpmembran zugewandte Kon- tur paßgenau der Biegelinie der Pumpmembran folgt. Eine solche Kontur der Pumpkammer kann beispielsweise durch ein entsprechend geformtes Spritzgußwerkzeug oder durch einen Prägestempel erreicht werden. Eine schematische Draufsicht auf einen Pumpenkörper 340, in dem eine solche der Biegeli- nie der Aktormembran folgende Fluidkammer 342 strukturiert

ist, ist in Fig. 9b gezeigt. Ferner sind in Fig. 9b in dem Pumpenkörper strukturierte Fluidkanäle 344 dargestellt, die zu der Fluidkammer 342 hin und von derselben weg führen.

Eine schematische Querschnittansicht entlang der Linie c-c von Fig. 9b ist in Fig. 9c gezeigt, wobei in Fig. 9c ferner eine Membran 346 mit dem derselben zugeordneten Piezoaktor 348 dargestellt. Ein Fluß durch die Fluidkanäle 344 ist in Fig. 9c durch Pfeile 350 angezeigt. Ferner ist in Fig. 9c die der Membran 346 zugewandte an die Biegelinie der Memb- ran (im betätigten Zustand) angepaßte Kontur 352 der Fluid- kammer bzw. Pumpkammer 342 zu erkennen. Diese Form der Flu- idkammer 352 ermöglicht, daß bei Betätigen der Membran 346 durch den Piezoaktor 348 im wesentlichen das gesamte Volu- men der Fluidkammer 342 verdrängt wird, wodurch ein hohes Kompressionsverhältnis erreicht werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel einer peristaltischen Mikropumpe, bei der sowohl die Pumpkammer 342 als auch Ventilkammern 360 an die Biegelinien der jeweils zugeordneten Membranab- schnitte 12,14 und 16 angepaßt sind, ist in den Fig. 10a und 10b gezeigt, wobei Fig. 10b eine schematische Drauf- sicht auf den Pumpenkörper 340 zeigt, während Fig. 10a eine schematische Querschnittansicht entlang der Linie a-a von Fig. 10b zeigt. Wie den Fig. 10a und 10b zu entnehmen ist, sind Form und Kontur der Ventilkammer 360 und 362 wie oben Bezug nehmend auf die Pumpkammer 342 erläutert, an die Bie- gelinie des jeweils zugeordneten Membranabschnitts 12 bzw.

16 angepaßt. Wie ferner am besten in Fig. 10b zu sehen ist, sind wiederum Fluidkanäle 344a, 344b, 344c und 344d in dem Pumpenkörper 340 gebildet. Der Fluidkanal 344a stellt einen Eingangsfluidkanal der, der Fluidkanal 344b verbindet die Ventilkammer 360 mit der Pumpkammer 342, der Fluidkanal 344 verbindet die Pumpkammer 342 mit der Ventilkammer 362, und der Fluidkanal 344d stellt einen Ausgangskanal dar.

Wie ferner in Fig. 10a gezeigt ist, ist das Membranelement 380 bei diesem Ausführungsbeispiel ein unstrukturiertes Membranelement, das in eine in dem Pumpenkörper 340 vorge-

sehene Ausnehmung eingebracht ist, um zusammen mit den in dem Pumpenkörper 340 gebildeten Fluidbereichen die Ventil- kammern und die Pumpkammer zu definieren.

Die Verbindungskanäle 344b und 344c zwischen den Aktorkam- mern sind so geschaltet, daß sie ein im Vergleich zum Hub- volumen geringes Totvolumen beinhalten. Gleichzeitig ver- ringern diese Fluidkanäle den Strömungswiderstand zwischen den Aktorkammern signifikant, so daß auch größere Pümpfre- quenzen und damit größere Förderströme, wobei ein solcher Strom wiederum durch Pfeile 350 in Fig. 10a angezeigt ist, möglich werden. Im Bereich der Ventilkammern 360 und 362 werden die Fluidkanäle durch Betätigen der Membranabschnit- te 12 bzw. 16 durch die vollständig ausgelenkten Membranab- schnitte getrennt, so daß eine Fluidtrennung zwischen den Fluidkanälen 344a und 344b bzw. zwischen den Fluidkanälen 344c und 344d auftritt. Die Kontur der Ventilkammern muß dabei exakt an die Biegelinie der jeweiligen Membranab- schnitte angepaßt sein, um eine dichte Fluidtrennung zu er- reichen. Alternativ kann, wie in Fig. 11 gezeigt ist, ein Steg 390 in der jeweiligen Ventilkammer im Bereich des größten Hubs des Membranabschnitts 12 vorgesehen sein, der entsprechend geformt ist, so daß er vollständig durch die Biegung des Membranabschnitts 12 abgedichtet werden kann.

Spezieller biegt sich der Steg zu den Rändern der Ventil- kammer hin nach oben, entsprechend der an die Biegelinie angepassten Form der Ventilkammer. Dieser Steg kann in die jeweilige Ventilkammer vorstehen, wobei alternativ, wie es in Fig. 11 gezeigt ist, die Tiefe der Verbindungskanäle 344 größer sein kann als der Hub y des Membranabschnitts 12, bei dem der Membranabschnitt an dem Pumpenkörper anliegt, so daß der Steg 390 sozusagen versenkt ist. Ist die Tiefe der Verbindungskanäle größer als der maximale Hub, geht dies zu Kosten des Kompressionsverhältnisses, ermöglicht jedoch geringe Strömungswiderstände zwischen den Aktorkam- mern.

Ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Ventilkammer 360 ist in Fig. 12 gezeigt, wobei dort die Tiefe der Verbin- dungskanäle 344 kleiner ist als der maximale Hub y des Membranabschnitts 12, und damit als die Tiefe der an die Biegelinie des Membranabschnitts 12 angepaßten Ventilkammer 360 im Bereich des größten Hubes des Membranabschnitts 12.

Dadurch kann eine sichere Abdichtung im geschlossenen Zu- stand des Ventils erreicht werden.

Um eine Ventilabdichtung im geschlossenen Zustand zu errei- chen, die vorgegebenen Druckanforderungen genügt, kann es bevorzugt sein, in der Ventilkammer 360 einen Steg 390a vorzusehen, der nicht die maximal mögliche Biegelinie des Aktorelements, d. h. des Membranabschnitts 12 zusammen mit dem Piezoaktor 22, nachbildet, wie in Fig. 13 gezeigt ist.

Die maximal mögliche Biegelinie des Membranabschnitts 12 ist in Fig. 13 durch eine gestrichelte Linie 400 gezeigt, während die Linie 410 der maximal möglichen Auslenkung des Membranabschnitts 12 aufgrund des Vorsehens des Stegs 390a entspricht. Somit sitzt die Membran 12 im voll ausgelenkten Zustand, wenn der Steg 390 abgedichtet wird, mit einer Restkraft auf dem Steg 390a auf, wobei diese Restkraft di- mensioniert werden kann, um Druckanforderungen, die die Dichtung aushalten muß, zu genügen.

Bei praktischen Realisierungen wird die Biegelinie der Membran oft nicht perfekt konzentrisch zum Membranmittel- punkt sein, beispielsweise aufgrund von Montagetoleranzen der Piezokeramiken und aufgrund von Inhomogenitäten des Kleberauftrags, durch den die Piezokeramiken an den Membra- nen angebracht sind. Daher kann der Bereich der Stegabdich- tung etwas, beispielsweise um ca. 5 bis 20 um, je nach Hub des Aktors, gegenüber dem Rest der Fluidkammer erhöht wer- den, um einen sicheren Kontakt der Membran mit dem Steg und damit eine sichere Abdichtung zu gewährleisten. Dies ent- spricht ebenfalls der in Fig. 13 gezeigten Situation. Zu beachten ist allerdings, daß dadurch das Totvolumen vergrö- ßert und das Kompressionsverhältnis verringert wird.

Alternativ zu den genannten Möglichkeiten kann als Fluid- kammermaterial zumindest im Bereich unter der beweglichen Membran ein plastisch verformbares Material, beispielsweise Silikon, verwendet werden. Durch entsprechend groß ausge- legte Aktorkräfte können dann Inhomogenitäten ausgeglichen werden. In einem solchen Fall liegt keine Hart-Hart- Dichtung mehr vor, so daß eine gewisse Toleranz gegen Par- tikel und Ablagerungen existiert.

Im folgenden sei kurz eine beispielhafte Dimensionierung einer Peristaltikpumpe, wie sie in den Fig. 10a und 10b ge- zeigt ist, angegeben. Die Dicke der Membranabschnitte 12, 14 und 16 und somit die Dicke des Membranelements 380 kann beispielsweise 40 um betragen, während die Dicke der Piezo- aktoren beispielsweise 100 um betragen kann. Als Piezokera- mik kann eine PZT-Keramik mit einem großen d31-Koeffizien- ten verwendet werden. Die Seitenlänge der Membranen kann beispielsweise 10 mm betragen, während die Seitenlänge der Piezoaktoren beispielsweise 8 mm betragen kann. Der Span- nungshub zum Betätigen der Aktoren bei der genannten Aktor- geometrie kann beispielsweise 140 V betragen, was einen ma- ximalen Hub von ca. 100 bis 200 um mit einem Hubvolumen der Pumpmembran von ca. 2 bis 4 ul zur Folge hat.

Durch die Anpassung der Fluidkammerausführung an die Biege- linie der Membran fällt das Totvolumen der drei für die Pe- ristaltikpumpe benötigten Fluidkammern weg, so daß nur noch die Verbindungskanäle, die die Ventilkammern mit der Pump- kammer verbinden, verbleiben. Werden Verbindungskanäle mit einer Tiefe von 100 um, einer Breite von 100 um und einer Länge von jeweils 10 mm, so daß sich eine Gesamtlänge für die Fluidkanäle 344b und 344c von 20 mm ergibt, ergibt das ein Pumpkammer-Totvolumen von 0,2 ul. Daraus kann ein Kom- pressionsverhältnis s = AV/V = 4 ul/0, 2 ul = 20 ermittelt werden.

Mit einem derart großen Kompressionsverhältnis von bis zu 20 sind derartige Fluidmodule blasentolerant und selbstan- saugend und können sowohl Flüssigkeiten als auch Gase för- dern. Derartige Fluidpumpen können ferner für kompressible und flüssige Medien prinzipiell mehrere bar Druck aufbauen, je nach Auslegung des Piezoaktors. Bei einer solchen Mikro- pumpe wird der maximal erzeugbare Druck nicht mehr durch das Kompressionsverhältnis begrenzt, sondern durch die ma- ximale Kraft des Antriebselements und durch die Dichtheit der Ventile definiert. Trotz dieser Eigenschaften können durch eine geeignete Kanaldimensionierung mit einem gerin- gen Strömungswiderstand mehrere ml/min gefördert werden.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel waren sämt- liche Fluidkanäle, d. h. auch der Einlaßfluidkanal 344a und der Auslaßfluidkanal 344d lateral geführt, d. h. die Fluid- kanäle verlaufen in der gleichen Ebene wie die Fluidkam- mern. Wie oben dargelegt wurde, kann bei einem derartigen Verlauf die Abdichtung der Kanäle schwierig sein. Vorteil- haft an dem lateralen Verlauf der Fluidkanäle ist jedoch, daß das gesamte Fluidsystem einschließlich mit dem Einlaß- kanal 344a und/oder dem Auslaßkanal 344d verbundenen Reser- voiren mit einem Herstellungsschritt geformt werden kann, beispielsweise mit Spritzguß oder Prägen.

In Fig. 14 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsge- mäßen Mikroperistaltikpumpe gezeigt, bei dem der Einlaßflu- idkanal 412 und der Auslaßfluidkanal 414 in dem Pumpenkör- per 340 vertikal versenkt sind. Die Fluidkanäle 412 und 414 weisen einen im wesentlichen vertikalen Abschnitt 412a und 414a auf, die jeweils im wesentlichen zentral unter den zu- geordneten Membranabschnitten 12 bzw. 16 in die Ventilkam- mern 360 bzw. 362 münden. Der Vorteil des in Fig. 14 ge- zeigten Ausführungsbeispiels der Fluidkanäle besteht darin, daß die Fluidkanäle definiert abgedichtet werden können.

Nachteilig ist jedoch, daß solche vertikal versenkten Flu- idkanäle fertigungstechnisch schwierig herzustellen sind.

Die erfindungsgemäßen peristaltischen Mikropumpen werden vorzugsweise angesteuert, indem die Membran, beispielsweise die Metallmembran oder die Halbleitermembran, auf einem Massepotential liegt, während die Piezokeramiken durch ei- nen typischen Peristaltikzyklus bewegt werden, indem je- weils entsprechende Spannungen an die Piezokeramiken ange- legt werden.

Neben der oben beschriebenen Mikroperistaltikpumpe unter Verwendung von drei Fluidkammern 342,360 und 362 kann ein erfindungsgemäße peristaltische Mikropumpe weitere Fluid- kammern aufweisen, beispielsweise eine weitere Fluidkammer 420, die über einen Fluidkanal 422 mit der Pumpkammer 342 verbunden ist. Eine derartige Struktur ist in Fig. 15 sche- matisch gezeigt, wobei ein erstes Reservoir 424 über den Fluidkanal 344a mit der Ventilkammer 360 verbunden ist, ein zweites Reservoir 426 über einen Fluidkanal 428 mit der Ventilkammer 420 verbunden ist und ein drittes Reservoir 430 über den Fluidkanal 344d mit der Ventilkammer 362 ver- bunden ist.

Eine Struktur mit vier Fluidkammerns wie sie in Fig. 15 ge- zeigt ist, kann beispielsweise eine Verzweigungsstruktur bzw. einen Mischer bilden, bei dem die Mischströme aktiv gefördert werden können. Die Erweiterung auf vier Fluidkam- mern mit vier zugeordneten Fluidaktoren ermöglicht, wie beispielsweise in Fig. 15 gezeigt ist, die Realisierung von drei Peristaltikpumpen, wobei jede Pumprichtung zwischen allen Reservoirs 424,426 und 430 in beiden Richtungen rea- lisiert werden kann. Dabei ist es möglich, daß ein einziges Membranelement alle Fluidkammern und Reservoirbehälter ab- deckt, wobei für jede Fluidkammer ein separater Piezoaktor vorgesehen ist. Somit kann die gesamte Fluidik sehr flach gestaltet werden, wobei die funktionalen, fluidischen Strukturen inklusive Fluidkammern, Kanälen, Membranen, Pie- zoaktoren und Trägerstrukturen eine Gesamthöhe in der Grö- ßenordnung 200 bis 400 um aufweisen können. Somit sind Sys-

teme denkbar, die in Chipkarten integriert werden können.

Ferner sind sogar flexible fluidische Systeme denkbar.

Neben den gezeigten Ausführungsbeispielen können Fluidkam- mern beliebig in einer Ebene verschaltet werden. So kann beispielsweise unterschiedlichen Reservoirs z. B. je eine Mikroperistaltikpumpe zugeordnet werden, die dann bei- spielsweise Reagenzien einer chemischen Reaktion zuführen (beispielsweise bei einer Brennstoffzelle), oder eine Ka- libriersequenz für ein Analysesystem durchführen, bei- spielsweise bei einer Wasseranalysei Zur Erzeugung eines Piezo-Membranwandlers können die Piezo- keramiken beispielsweise auf die jeweiligen Membranab- schnitte geklebt werden. Alternativ können die Piezokerami- ken, beispielsweise PZT, direkt in Dickschichttechnik auf- gebracht werden, beispielsweise durch Siebdruckverfahren mit geeigneten Zwischenschichten.

Ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemä- ßen mikroperistaltischen Pumpe mit versenktem Einlaßfluid- kanal 412 und versenktem Auslaßfluidkanal 414 ist in Fig.

16 gezeigt. Der Einlaßflußkanal 412 mündet wiederum im we- sentlichen mittig unter dem Membranabschnitt 12 in eine Ventilkammer 442, während der Auslaßfluidkanal 414 im we- sentlichen mittig unter dem Membranabschnitt 16 in eine Ventilkammer 444 mündet. Die jeweiligen Mündungsöffnungen des Einlaßkanals 412 und des Auslaßkanals 414 sind mit ei- ner Dichtlippe 450 versehen. Ferner ist in dem Pumpenkörper 440 eine Pumpkammer 452 gebildet, die durch Fluidkanäle in Wänden 454 mit den Ventilkammern 442 und 444 fluidmäßig verbunden ist. Gemäß dem in Fig. 16 gezeigten Ausführungs- beispiel bilden die drei Membranabschnitte 12,14 und 16 wiederum ein Membranelement 456. Bei diesem Ausführungsbei- spiel werden die Membranabschnitte jedoch durch Piezostape- laktoren 460,462 und 464 angetrieben, die auf die entspre- chenden Membranabschnitte aufsetzbar sind. Zu diesem Zweck werden die Piezostapelaktoren unter Verwendung geeigneter

Gehäuseteile 470 bzw. 472, die in Fig. 16 entfernt von dem Pumpenkörper und dem Membranelement gezeigt sind, verwen- det.

Piezostapelaktoren sind vorteilhaft dahingehend, daß die- selben nicht fest mit dem Membranelement verbunden sein müssen, so daß dieselben einen modularen Aufbau ermögli- chen. Bei solchen nicht fest verbundenen Piezostapelaktoren ziehen die Aktoren einen Membranabschnitt nicht aktiv zu- rück, wenn eine Betätigung desselben beendet wird. Vielmehr kann eine Rückbewegung des Membranabschnitts nur durch die Rückstellkraft der elastischen Membran selbst erfolgen.

Die erfindungsgemäßen peristaltischen Mikropumpen können unter Verwendung verschiedenster Herstellungsmaterialien und Herstellungstechniken gefertigt werden. Der Pumpenkör- per kann beispielsweise aus Silizium hergestellt werden, aus Kunststoff durch Spritzguß gefertigt werden oder fein- werktechnisch spanend hergestellt werden. Das Membranele- ment, das die Antriebsmembrane für die beiden Ventile und die Pumpkammer bildet, kann aus Silizium hergestellt wer- den, kann durch eine Metallfolie, beispielsweise Edelstahl oder Titan, gebildet sein, kann durch eine in Zweikomponen- ten-Spritzgußtechnik gefertigte mit leitfähigen Beschich- tugnen versehene Kunststoffmembran gebildet sein, oder kann durch eine Elastomermembran realisiert sein.

Die Verbindung von Membranelement und Pumpenkörper ist ein wichtiger Punkt da an dieser Verbindung im Betrieb der Pe- ristaltikpumpe hohe Scherkräfte auftreten können. An diese Verbindung sind folgende Anforderungen zu stellen : dicht ; dünne Fügeschicht (< 10 um), da die Pumpkammerhöhe ein kritischer Designparameter ist, der des Tovolumen beeinflußt ; mechanische Beständigkeit ; und chemisch beständig gegen zu fördernde Medien.

Im Falle von Silizium als Grundstruktur und Membranelement kann ein fügeschichtloses Silicon Fusion Bonding erfolgen.

Im Falle einer Silizium-Glaskombination kann vorzugsweise ein anodisches Bonden verwendet werden. Weitere Möglichkei- ten sind ein eutektisches Waferbonden oder ein Waferkleben.

Falls die Grundstruktur aus Kunststoff besteht und das Membranelement eine Metallfolie ist, kann ein Laminieren durchgeführt werden, wenn ein Haftvermittler zwischen Memb- ranelement und Grundstruktur verwendet wird. Alternativ kann ein Kleben mit einem Klebstoff hoher Scherfestigkeit erfolgen, wobei dann in der Grundstruktur vorzugsweise Ka- pillarstopgräben gebildet werden, um ein Eindringen von Kleber in die Fluidstruktur zu vermeiden.

Falls sowohl Membranelement als auch Pumpenkörper aus Kunststoff bestehen, kann zur Verbindung derselben ein Ult- raschallschweißen verwendet werden. Falls eine der beiden Strukturen optisch transparent ist, kann alternativ ein La- serschweißen erfolgen. Im Falle einer Elastomermembran kön- nen die Dichtungseigenschaften der Membran ferner dazu ver- wendet werden, eine Abdichtung durch Klemmung zu gewähr- leisten.

Im folgenden wird kurz erläutert, wie eine mögliche Befes- tigung der Membran an dem Pumpenkörper bei einer erfin- dungsgemäßen Mikroperistaltikpumpe erfolgen kann. Wird bei der erfindungsgemäßen Mikropumpe die Membran an den Pumpen- körper geklebt, so ist zu beachten, daß die Dosierung von Fügeschichtmaterialien (z. B. Klebstoff) kritisch ist, da einerseits die Membran rundum dicht sein muß (also ausrei- chend Klebstoff aufgebracht werden muß), und andererseits ein Eindringen von überschüssigem Klebstoff in die Fluid- kammern vermieden werden muß.

Das Fügeschichtmaterial, das ein Klebstoff oder ein Haft- mittel sein kann, wird z. B. durch Dispensieren oder durch

einen entsprechend geformten Stempel auf die Fügeschicht aufgebracht. Nach dem Auftrag des Fügeschichtmaterials wird die Membran auf den Grundkörper bestückt. Mögliche Grate, die z. B. beim Vereinzeln am Rand der Membran sein können, finden in einer entsprechenden Aufnahme für den Grat Platz, so daß eine definierte Lage der Membran vor allem in der Richtung senkrecht zur Oberfläche derselben sichergestellt ist, was bezüglich des Totvolumens und der Dichtheit wich- tig ist.

Danach wird mit einem Stempel auf den Pumpenkörper ge- drückt, damit die Klebeschicht möglichst dünn und definiert bleibt. Um überschüssigen Kleber aufzunehmen, kann ein Ka- pillarstopgraben vorgesehen sein, der die in dem Pumpenkör- per gebildeten Fluidbereiche umgibt. Somit kann solcher ü- berschüssiger Kleber nicht in die Fluidkammern gelangen. Unter diesen Bedingungen kann der Klebstoff definiert und dünn aushärten. Das Aushärten kann bei Raumtemperatur er- folgen oder beschleunigt im Ofen oder durch UV-Bestrahlung bei Verwendung von UV-härtenden Klebstoffen.

Alternativ zu der beschriebenen Klebetechnik kann als Ver- bindungstechnik ein Anlösen des Grundkörpers bzw. Pumpen- körpers durch geeignete Lösemittel und ein Fügen einer Kunststoffmembran an den Grundkörper erfolgen.