Titel

Druckregulierungseinrichtung zum Regulieren eines an einer Ausgangsöffnung der Druckregulierungseinrichtung auszugebenden Drucks, Verfahren und

Steuergerät zum Herstellen einer Druckregulierungseinrichtung und Verfahren und Steuergerät zum Betreiben einer Druckregulierungseinrichtung

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einer Druckregulierungseinrichtung zum Regulieren eines an einer Ausgangsöffnung der Druckregulierungseinrichtung auszugebenden Drucks, einem Verfahren und einem Steuergerät zum Herstellen einer Druckregulierungseinrichtung sowie einem Verfahren und einem Steuergerät zum Betreiben einer Druckregulierungseinrichtung nach Gattung der unabhängigen Ansprüche aus. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.

Mikrofluidische Systeme, wie beispielsweise „Lab-on-a-Chip“-Systeme (LoC), bringen die gesamte Funktionalität eines makroskopischen Labors auf einem nur plastikkartengroßen Kunststoffsubstrat unter. Eine Funktionalität der LoC- Systeme wird durch aktive Komponenten, wie beispielsweise Pumpen, erhöht.

Elektronische Druckregler, die durch Druck- und/oder Flusssensoren sowie einem Stellelement, wie beispielsweise einem Nadelventil, in einem elektronischen Regelkreis die gewünschte Funktion leisten, sind oftmals verfügbar. Solche elektronischen Druckregler sind allerdings relativ teuer. Außerdem lassen sie sich nicht ohne größere Änderungen als „Plug-and-Play- Devices“ in einem vorgegebenen Analyzer oder Diagnostikgerät verbauen, da auch ein elektrisches Interface bedient werden sollten, was den Rahmen eines „Plug-and-Play“ sprengen würde. Offenbarung der Erfindung

Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine verbesserte Druckregulierungseinrichtung zum Regulieren eines an einer Ausgangsöffnung der Druckregulierungseinrichtung auszugebenden Drucks, ein verbessertes Verfahren und ein verbessertes Steuergerät zum Herstellen einer Druckregulierungseinrichtung sowie ein verbessertes Verfahren und ein verbessertes Steuergerät zum Betreiben einer Druckregulierungseinrichtung sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Steuergeräts möglich.

Durch den hier vorgestellten Ansatz wird eine Möglichkeit geschaffen, um eine Druckänderung eines Fluids kontrolliert durchzuführen.

Es wird eine Druckregulierungseinrichtung zum Regulieren eines an einer Ausgangsöffnung der Druckregulierungseinrichtung auszugebenden Drucks vorgestellt. Die Druckregulierungseinrichtung weist dabei eine Fluidführungseinrichtung, ein Referenzdruckelement und eine Drosseleinheit auf. Die Fluidführungseinrichtung ist ausgebildet, um ein Fluid von einer mit einer Eingangsöffnung der Fluidführungseinrichtung versehenen Eingangskammer zu einer mit der Ausgangsöffnung der Fluidführungseinrichtung versehenen Ausgangskammer zu führen. Dabei sind die Eingangskammer und die Ausgangskammer durch einen Kanal miteinander verbunden. Das Referenzdruckelement weist eine von der Ausgangskammer mittels einer Membran getrennte Referenzkammer auf. Dabei weist das Referenzdruckelement ferner ein mit der Membran gekoppeltes Verschlusselement zum gesteuerten Freigeben eines Fluiddurchlasses durch den Kanal auf. Die Drosseleinheit ist fluidisch zwischen die Ausgangsöffnung und die Referenzkammer geschaltet und ausgebildet, um den auszugebenden Druck zu regulieren.

Die Druckregulierungseinrichtung kann beispielsweise als ein Druckminderer realisiert sein, der beispielsweise in oder an eine Pumpeinrichtung einsetzbar oder ankoppelbar ist. Die Ausgangsöffnung kann beispielsweise eine Öffnung sein, an der ein Fluid, das beispielsweise gasförmig ist, aus der Druckregulierungseinrichtung ausgelassen wird. Hierbei ist die Ausgangsöffnung als ein Teil der Fluidführungseinrichtung realisiert, die weiterhin die Eingangsöffnung, die Eingangskammer sowie die Ausgangskammer aufweist. Die Eingangskammer und die Ausgangskammer sind dabei beispielsweise als Hohlräume realisiert, in die das Fluid einströmen und aus denen das Fluid ausströmen kann. Der Kanal kann quer zu den Kammern realisiert sein, sodass er beispielsweise eine Verbindung beider Kammern bilden kann. Das Verschlusselement kann beispielsweise T-förmig realisiert sein, sodass es den Kanal verschließen kann. Hierbei kann das Verschlusselement sich durch den Kanal hindurch erstrecken. Da das Verschlusselement an der Membran angeordnet ist, kann der Fluiddurchlass in Form eines Öffnens oder eines Schließens des Kanals mittels Verschlusselement gesteuert werden, beispielsweise kann durch das Verschlusselement eine Öffnungsweite des Kanals graduell freigegeben bzw. vergrößert oder verringert werden. Vorteilhafterweise kann dadurch der durch das durchströmende Fluid entstehende Druck reguliert werden.

Gemäß einer Ausführungsform kann die Drosseleinheit ausgebildet sein, um einen Drosselwiderstand variabel einzustellen. Das bedeutet, dass durch Einstellen der Drosseleinheit beispielsweise eine maximale Druckanstiegsgeschwindigkeit kontrollierbar ist. Auf diese Weise kann sehr effizient eine Linearisierung des Druckverlaufs über der Zeit zwischen der Eingangsöffnung und der Ausgangsöffnung realisiert werden.

Die Drosseleinheit kann gemäß einer besonders günstigen Ausführungsform dabei ein Rückschlagventil aufweisen, das ausgebildet sein kann, um einen Fluidstrom aus der Referenzkammer durch das Rückschlagventil hindurch zu ermöglichen und einen Fluidstrom durch das Rückschlagventil hindurch in die Referenzkammer hinein zu verhindern. Vorteilhafterweise kann dadurch beispielsweise eine Zeitdauer und zusätzlich oder alternativ eine Wechselgeschwindigkeit zwischen Druckwerten in der Ausgangskammer gesteuert, beispielsweise erhöht oder verringert werden. Gemäß einer Ausführungsform kann das Rückschlagventil parallel zum Drosselwiderstand angeordnet sein. Vorteilhafterweise ist das Rückschlagventil dadurch als Bypass verwendbar, um beispielsweise schlagartig einen Druck auszugleichen.

Alternativ kann gemäß einer weiteren Ausführungsform ein erster Anschluss des Rückschlagventils mit der Referenzkammer und ein zweiter Anschluss des Rückschlagventils mit einem Steuerdruckanschluss verbunden sein. Der Steuerdruckanschluss kann beispielsweise als ein Schalter zwischen einem ersten (beispielsweise einem niedrigen) und einem zweiten (beispielsweise einem hohen) Druckpegel realisiert sein, durch den vorteilhafterweise eine Strömungsrichtung des Fluids änderbar ist oder die Ausgangskammer schnell mit einem gewünschten Druckpegel beaufschlagt werden kann. In dieser Ausführungsform liegt vorteilhaft am Eingang der Druckregulierungseinheit permanent ein konstanter Eingangsdruck von z.B. 1,6 bar an, wobei die Steuerung des Ausgangsdrucks der Druckregulierungseinheit durch den Steuerdruckanschluss realisiert wird.

Ferner kann das Referenzdruckelement eine Feder aufweisen, die ausgebildet sein kann, um eine vordefinierte Kraft von Seiten der Referenzkammer auf die Membran auszuüben. Das bedeutet, dass die Feder zwischen einer Wand der Referenzkammer und der Membran angeordnet sein kann. Ein Grad einer Elastizität der Feder bzw. einer Vorspannung der Feder ist dabei vordefiniert. Vorteilhafterweise kann die Feder hierdurch einen vorbestimmten Gegendruck auf die Membran ausüben, wenn beispielsweise die Membran durch einen durch das Fluid verursachten Druckanstieg oder Druckabfall aus einer Ruheposition heraus bewegt wird.

Gemäß einer Ausführungsform kann die Feder ausgebildet sein, um die Kraft variabel einzustellen. Das bedeutet, dass beispielsweise eine Vorspannung der Feder verstellbar sein kann. Vorteilhafterweise kann dadurch der auf die Membran wirkende Druck reguliert werden, sodass beispielsweise die Druckanstiegsgeschwindigkeit des Fluids in Verbindung mit dem Drosselwiderstand genau dosierbar wird. Das Referenzdruckelement kann gemäß einer Ausführungsform ein Druckeinstellelement aufweisen, das ausgebildet sein kann, um eine Vorspannung einer Membran einzustellen und zusätzlich oder alternativ zu verändern. Dabei kann das Druckeinstellelement insbesondere als Einstellschraube in Verbindung mit einer Feder ausgebildet sein. Vorteilhafterweise kann dadurch eine weitere Verbesserung der Einstellungsmöglichkeit für den Referenz- Druckpegel in der Referenzkammer gegeben sein

Weiterhin wird ein Verfahren zum Herstellen einer Druckregulierungseinrichtung zum Regulieren eines an einer Ausgangsöffnung der Druckregulierungseinrichtung auszugebenden Drucks in einer der zuvor genannten Varianten vorgestellt, wobei das Verfahren einen Schritt des Zusammenfügens umfasst. Im Schritt des Zusammenfügens wird die Fluidführungseinrichtung, das Referenzdruckelement und die Drosseleinheit zusammengefügt, um die Druckregulierungseinrichtung in einer der zuvor vorgestellten Varianten herzustellen.

Durch das Verfahren kann beispielsweise die vorteilhafte Druckregulierungseinrichtung als Ganzes hergestellt werden, sodass sie mit weiteren Einrichtungen, beispielsweise einer Pumpe, koppelbar ist.

Ferner wird ein Verfahren zum Betreiben einer Druckregulierungseinrichtung zum Regulieren eines an einer Ausgangsöffnung der Druckregulierungseinrichtung auszugebenden Drucks in einer der vorgestellten Varianten vorgestellt. Das Verfahren umfasst dabei einen Schritt des Beaufschlagens und einen Schritt des Veränderns. Im Schritt des Beaufschlagens wird die Eingangsöffnung mit einem ersten Druckpegel beaufschlagt. Im Schritt des Veränderns wird der an der ersten Eingangsöffnung anliegende erste Druckpegel auf einen zweiten Druckpegel verändert, um die Druckregulierungseinrichtung zu betreiben.

Durch das Verfahren kann vorteilhafterweise ein Druckverlauf reguliert werden.

Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Veränderns der erste Druckpegel von einem positiven Druckpegelwert auf einen negativen Druckpegelwert verändert werden oder der erste Druckpegel von einem negativen Druckpegelwert auf einen positiven Druckpegelwert verändert werden. Dabei kann das Verändern zyklisch wiederholt werden. Das bedeutet, dass der Druckpegelwert gesteigert oder verringert werden kann. Vorteilhafterweise kann der Druckpegel auf diese Weise situationsabhängig angepasst werden, sodass beispielsweise kritische Situationen vermieden werden können.

Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.

Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.

Hierzu kann das Steuergerät zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EEPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einiesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einiesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann. Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt durch das Steuergerät eine Steuerung eines Verfahrens zum Betreiben einer Druckregulierungseinrichtung zum Regulieren eines an einer Ausgangsöffnung der Druckregulierungseinrichtung auszugebenden Drucks. Hierzu kann das Steuergerät beispielsweise auf Sensorsignale wie ein Beaufschlagungssignal, das ein Beaufschlagen der Eingangsöffnung mit einem ersten Druckpegel repräsentiert, und ein Änderungssignal, das ein Verändern des ersten Druckpegels auf einen zweiten Druckpegel repräsentiert, zugreifen. Die Ansteuerung erfolgt über Aktoren wie eine Beaufschlagungseinheit, die ausgebildet ist, um das Beaufschlagungssignal bereitzustellen, und eine Veränderungseinheit, die ausgebildet ist, um das Änderungssignal auszugeben.

Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.

Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Druckregulierungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 2A eine schematische Querschnittsdarstellung einer Druckregulierungseinrichtung mit einem Rückschlagventil gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 2B eine schematische Querschnittsdarstellung einer Druckregulierungseinrichtung mit einem Rückschlagventil gemäß einem Ausführungsbeispiel

Fig. 3 ein Kurvendiagramm eines Druckpegelverlaufs für eine Druckregulierungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Druckregulierungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 5 ein Blockschaltbild eines Steuergeräts zum Durchführen eines Verfahrens zum Herstellen einer Druckregulierungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer Druckregulierungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und

Fig. 7 ein Blockschaltbild eines Steuergeräts zum Durchführen eines Verfahrens zum Betreiben einer Druckregulierungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.

In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird. Fig. 1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Druckregulierungseinrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Druckregulierungseinrichtung 100 ist in Verbindung mit einer Pumpe einsetzbar. Die Druckregulierungseinrichtung 100 ist dabei ausgebildet, um einen Druck zu regulieren, der an einer Ausgangsöffnung 105 der Druckregulierungseinrichtung 100 ausgegeben wird. Die Druckregulierungseinrichtung 100 weist eine Fluidführungseinrichtung 110 auf, die ausgebildet ist, um das beispielsweise gasförmige Fluid von einer mit einer Eingangsöffnung 115 der Fluidführungseinrichtung 110 versehenen Eingangskammer 120 zu einer mit der Ausgangsöffnung 105 der Fluidführungseinrichtung 110 versehenen Ausgangskammer 125 zu führen. Die Ausgangsöffnung 105 ist ausgeformt, um das Fluid aus der Druckregulierungseinrichtung 100 auszulassen. Die Eingangsöffnung 115 ist analog dazu ausgeformt, um das Fluid in die Eingangskammer 120 zu lassen. Die Eingangskammer 120 und die Ausgangskammer 125 sind durch einen Kanal 130 voneinander getrennt bzw. über diesen miteinander verbunden. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Eingangskammer 120 länglich ausgeformt und optional parallel zu der Ausgangskammer 125 angeordnet, sodass der Kanal 130 als Querverbindung zwischen beiden Kammern 120, 125 ausgeformt ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der Kanal 130 rechtwinklig zu den beiden Kammern 120, 125 angeordnet.

Die Druckregulierungseinrichtung 100 weist weiterhin ein Referenzdruckelement 135 mit einer von der Ausgangskammer 125 mittels einer Membran 140 getrennten Referenzkammer 145 auf. Das Referenzdruckelement 135 ist dabei ausgebildet, um den Druck und einen Referenzdruck zumindest annähernd einander anzugleichen. Die Referenzkammer 145 ist dem entsprechend als ein Raum realisiert, in dem der Referenzdruck angeordnet ist. Der Referenzdruck entspricht dabei gemäß diesem Ausführungsbeispiel zum Beispiel einem Atmosphärendruck. Das Referenzdruckelement 135 weist außerdem ein Verschlusselement 150 zum gesteuerten Freigeben eines Fluiddurchlasses durch den Kanal 130 auf, das mit der Membran 140 gekoppelt ist. Das an der Membran 140 angeordnete Verschlusselement 150 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel T-förmig realisiert. An einem freien Ende des Verschlusselements 150 ist ein Kopf angeordnet. Dieser Kopf ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel in der Eingangskammer 120 so angeordnet, dass er den Kanal 130 verschließt oder verschließen kann, wenn in der Referenzkammer 145 ein relativer Unterdrück bezüglich dem Druck in der Ausgangskammer herrscht, da sich die Membran 140 in diesem Fall in Richtung der Referenzkammer 145 wölbt. Zudem weist das Referenzdruckelement 135 gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Feder 155 auf, die ausgebildet ist, um eine vordefinierte Kraft von Seiten der Referenzkammer 145 auf die Membran 140 auszuüben. Alternativ ist eine Vorspannung der Feder 155 variabel einstellbar. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel liegen die Feder 155 und das Verschlusselement 150 auf einer durch die Druckregulierungseinrichtung 100 verlaufenden ersten Achse 160. Die Membran 140 liegt, sofern sich die Druckregulierungseinrichtung 100 in einem Ruhezustand befindet, auf einer quer zu der ersten Achse 160 angeordneten zweiten Achse 165. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel weist das Referenzdruckelement 135 ein in der Fig. 1 nicht dargestelltes Druckeinstellelement auf, das ausgebildet ist, um den Druck in der Referenzkammer 145 einzustellen und/oder zu verändern. Dabei ist das Druckeinstellelement beispielsweise als Einstellschraube in Verbindung mit einer Feder ausgebildet.

Die Druckregulierungseinrichtung 100 weist weiterhin eine fluidisch zwischen die Ausgangsöffnung 105 und die Referenzkammer 145 geschaltete Drosseleinheit 170 auf, die ausgebildet ist, um den auszugebenden Druck zu regulieren. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist ein Drosselwiderstand der Drosseleinheit 170 variabel einstellbar.

In anderen Worten wird eine Druckregelung in der Form eines Druck- Rampengenerators für eine Pumpe, beispielsweise eine Lab-on-Chip (LoC)- Pumpe, vorgestellt. Bisher wurde eine elastische TPU-Membran durch einen Unterdrück von beispielsweise -600 mbar angesaugt, wodurch eine zu pumpende Flüssigkeit in eine Pumpkammer angesaugt wurde. Wurde der Unterdrück durch einen Überdruck von beispielsweise 1,6 bar ersetzt, so wurde die TPU-Membran schlagartig ausgelenkt und die zu pumpende Flüssigkeit aus der Pumpkammer verdrängt. Da die Druckwechsel durch Betätigen von Steuerventilen schlagartig erfolgen, wird die zu pumpende Flüssigkeit schlagartig aus der Pumpkammer ausgedrückt, was hohe unkontrollierte Strömungsverhältnisse im LoC zur Folge hat.

Eine bisher eingesetzte Lösung, um den Druckanstieg bzw. Druckabfall an der elastischen Pumpmembran zu verlangsamen stellt die Drosseleinheit 170 dar. Solche Drosseleinheiten 170 sind im LoC integrierbar. Da jeweils ein voller Arbeitsdruck (p _vac = -600 mbar bzw. po = 1,6 bar) an der Drosseleinheit 170 anliegt, ist es ratsam, den Drosselwiderstand R sehr hoch zu wählen, um eine Verlangsamung des Druckanstiegs an der elastischen Membran 140 zu erreichen. Sehr hohe Drosselwiderstände R reproduzierbar herzustellen bzw. unter wechselnden Arbeitsbedingungen über längere Zeitspannen konstant zu halten, ist gemäß dem Stand der Technik außerordentlich schwierig, sodass man hier einen hohen Unsicherheitsfaktor in Kauf nehmen muss. Darüber hinaus hängt ein über einen hohen Drosselwiderstand R erreichte Enddruck stark von externen Störfaktoren ab. So können beispielsweise kleinste Leckraten oder Leckströme einen großen Einfluss auf den erreichbaren Sättigungsdruck ausüben. Des Weiteren ist ein Zeitverlauf der Druckänderung grundsätzlich exponentiell, das bedeutet, dass zu Beginn eine schnelle Druckänderung an der Membran 170 vorliegt, die sich in Richtung Sättigungsdruck immer mehr verlangsamt. Infolgedessen ist es außerordentlich schwierig, durch Beendigung der Druckbeaufschlagung nach einer gewissen Zeitspanne die Fördermenge der gepumpten Flüssigkeit zu kontrollieren, insbesondere im Bereich des exponentiellen Sättigungsverhaltens. Wünschenswert für eine kontrollierte Entleerung der Pumpkammer ist stattdessen eine annähernd linearere Druckänderung über der Zeit gemäß diesem Ausführungsbeispiel.

Durch den vorgestellten Ansatz wird demnach eine Möglichkeit vorgestellt, um die zuvor beschriebenen Probleme zu umgehen und um einen langsamen Druckanstieg an der beispielsweise elastischen Membran 140 zu ermöglichen, um das zu pumpende Fluid, beispielsweise eine Flüssigkeit, langsam aus der Pumpkammer auszudrücken und so kontrolliertere Flussbedingungen und niedrigere Strömungsgeschwindigkeiten zu erreichen. Dadurch können gemäß einem Ausführungsbeispiel beispielsweise sogenannte Silizium-Mikroarrays im Lab-on-Chip sehr langsam und kontrolliert mit Flüssigkeit überschichtet werden, um folglich ein zuverlässiges Befüllen der Arrayzellen zu erreichen. Dazu sollte der Flüssigkeitsfilm sehr langsam und gleichmäßig über eine Oberfläche der Silizium-Mikroarrays vorwärtsgeschoben werden. Dadurch wird vorteilhafterweise eine Zuverlässigkeit des Array-Befüllprozesses signifikant gesteigert und eine Produktqualität insgesamt verbessert.

Als ein weiterer Vorzug eines kontrollierten Druckwechsels bzw. langsamen Druckaufbaus an der elastischen Membran 140 ist zu nennen, dass damit auch Teilmengen eines Pumpkammervolumens, also beispielsweise Bruchteile von 25mI sehr kontrolliert im LoC gefördert werden können, was große Vorteile hinsichtlich eines Fluidmanagements hätte, wie beispielsweise im Zusammenhang mit einem gezielten Mischen von verschiedenen Flüssigkeiten zum Zwecke einer kontrollierten Verdünnung. Der hier vorgestellte Ansatz stellt ein so genanntes „Plug-and-Play“-Device bereit, das als passive Komponente in die zu einer Pumpkammer im LoC führenden Pneumatiksteuerleitung einfach einsetzbar ist und keine weiteren Änderungen notwendig sind. Durch den hier vorgestellten Ansatz wird eine sehr kostengünstige Problemlösung bzw. Verbesserung dargestellt, die jederzeit eingesetzt und jederzeit bei Bedarf auch wieder ausgebaut werden kann.

Die Druckregulierungseinrichtung 100 ist beispielsweise als ein Federdruck- Gasdruckminderer realisierbar, dessen Referenzgasvolumen über eine einstellbare Drosseleinheit 170, die auch als Drossel bezeichnet wird, mit einem Drosselwiderstand R mit dem Ausgang der Druckregulierungseinrichtung 100 verbunden ist. Hierzu wurde beispielsweise in eine Bohrung des Referenzvolumens der Druckregulierungseinrichtung 100, das hier als Referenzkammer 145 bezeichnet wird und eine Verbindung zur umgebenden Atmosphäre darstellt sowie den Referenzdruck an die Membran 140 liefert, gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein 3mm- Kunststoffschlauch gasdicht eingesetzt. Die Referenzkammer 145 ist also nicht mehr länger mit Atmosphärendruck, sondern durch die einstellbare Drosseleinheit 170 mit der Ausgangsöffnung 105, die auch als Druckmindererausgang bezeichnet wird, bzw. dem dort herrschenden Druck p _out verbunden.

Als Druckregulierungseinrichtung 100 wurde experimentell eine Variante für einen Gasgrill mit einem Ausgangsdruck von 50 mbar ausgewählt. Solche Druckregulierungseinrichtung 100 gibt es bezogen auf den Referenzdruck p _ref mit Ausgangsdrücken von 20 mbar, 25 mbar, 30 mbar und 50 mbar. Vorteilhafterweise wird eine Druckregulierungseinrichtung 100 mit niedrigem Ausgangsdruck in der Größenordnung 10 mbar oder unter lOmbar für den Zweck geeignet ist.

Ein an der Drosseleinheit 170 anliegender Differenzdruck ist bei Beaufschlagung mit po an der Eingangsöffnung 115 der Druckregulierungseinrichtung 100 zu jeder Zeit konstant mit beispielsweise 50 mbar. Unter Verwendung anderer Druckregulierungseinrichtungen 100 sind entsprechend auch 20 mbar oder 25 mbar oder 30 mbar denkbar. Infolgedessen ist auch beispielsweise ein Gasfluss über die Drosseleinheit 170 von der Ausgangsöffnung 105 in die Referenzkammer 145 hinein zu jedem Zeitpunkt konstant, was zu einem annährend linearen Druckanstieg an der Ausgangsöffnung 105 führt. Aufgrund des kleinen Differenzdrucks an der Drosseleinheit 170 von nur wenigen 10 mbar können auch mit gut beherrschbaren Drosselwiderständen sehr langsame Druckanstiege realisiert werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wurden mühelos Druckanstiegszeiten bis zum Erreichen von po von mehreren Minuten erreicht. Bei einem Umschalten des Eingangsdrucks, der auch als erster Druckpegelwert bezeichnet wird, auf p _va c, ein zweiter Druckpegelwert, erfolgt aufgrund des Rückschlagventils z.B. als Bypass zum Drosselwiderstand geschaltet ein sofortiger Druckwechsel an der Ausgangsöffnung 105 nach p _va c.

Da der Differenzdruck an der Drosseleinheit 170 jetzt schlagartig auf den vollen Druckhub springt, beispielsweise 2,2 bar zwischen Referenzkammer 145 und Ausgangsöffnung 105, wird das Referenzdruckvolumen sehr schnell über die Drosseleinheit 170 entleert, sodass die Druckregulierungseinrichtung 100 schnell wieder für den nächsten Druckwechsel bereit steht. Es gibt also eine starke Asymmetrie zwischen der Druckaufbauzeit und der Druckabbauzeit in der Referenzkammer 145, was für die Funktion einer LoC-Pumpkammer ausdrücklich gewünscht wird.

Anders formuliert wird ein „Plug-and-Play“-Device vorgestellt, das als passive Komponente in die zu einer Pumpkammer im LoC führenden Pneumatiksteuerleitung einfach eingefügt werden kann und das in dieser Leitung einen einstellbar langsamen Druckanstieg über die Zeit bewirkt, um beispielsweise Pumpvorgänge langsamer und kontrollierter ablaufen zu lassen. Der vorliegende Ansatz lässt sich beispielsweise als eine besonders klein ausgeformte Lösung realisieren, die nur sehr wenig Platz beansprucht. Darüber hinaus verwendet man in idealer Weise Anschlüsse, die zur Pneumatik eines entsprechenden Labor-Analysegeräts kompatibel sind, sodass dieses besonders einfach per „plug-and-play“ mit dem vorgestellten Ansatz ergänzt werden kann. Um einen Platzbedarf und einen Bauteilaufwand der 100 weiter zu reduzieren, wurde gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel auf eine Druckregulierungseinrichtung 100, die auch als Minidruckregler bezeichnet wird, zurückgegriffen, deren Ausgangsdruck vermöge beispielsweise einer Druckeinstellschraube auf Werte von 0....2000 mbar und insbesondere auf sehr kleine Druckwerte um die 0 mbar+, das bedeutet von 0 mbar an aufwärts, frei einstellbar ist. Diese Druckregulierungseinrichtung 100 weist Dimensionen von jeweils 45 mm maximal in zwei Raumrichtungen, die Höhe nur ca. 10 mm inklusive der Anschlüsse und der erwähnten Druckeinstellschraube auf. Es gibt eine Reihe von Anbietern solcher Mini-Druckminderer, jedoch nur wenige Fabrikate, die ab Ombar Ausgangsdruck funktionieren.

Durch Anpassung des Drosselwiderstands R wird die Anstiegszeit des Ausgangsdrucks p frei wählbar festgelegt. Da die Druckregulierungseinrichtung 100 gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel über eine flexible Druckeinstellmöglichkeit, wie beispielsweise über die erwähnte Druckeinstellschraube verfügt, kann vorteilhaft auf einen variabel einstellbaren Drosselwiderstand R verzichtet werden. Die Gasströmung wird bei einem festen Drosselwiderstand vorteilhaft über den Druckabfall Dr mittels Drosselwiderstand folgendermaßen eingestellt: f = Dr/R, wobei Dr variabel und R fix ist. Auch durch Einstellung des Drucks über den Drosselwiderstand wird die Anstiegszeit des Ausgangsdrucks p frei wählbar festgelegt.

Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel wird Kosten- und Platzsparend auf einen als eigenständige Komponente ausgeführten Drosselwiderstand verzichtet. Letzterer kann vielmehr durch „integrierte

Widerstandskonstruktionen“, wie beispielsweise in Form eines Füllmaterials in einem Verbindungsschlauch zwischen Referenzkammer 145 und Ausgangsöffnung 105 realisiert werden. Beispielsweise wird in einen Verbindungsschlauch oder einen Verbindungsschlauchabschnitt ein Silikamaterial, eine Glasfritte, Watte, ein kleinporiges Sterilfilter oder ein ähnliches einen Strömungswiderstand lieferndes Material eingebracht oder eingepresst. Es ist optional weiterhin möglich, eine schlanke Glas- oder Kunststofffritte in Form einer „Widerstandspille“ zwischen zwei Schlauchabschnitte einzufügen. Des Weiteren kann eine Blende mit einer oder mehreren sehr kleinen Durchtrittsöffnungen in den Schlauch bzw. Schlauchabschnitt eingefügt werden, beispielsweise in Form von einem über den Rand abdichtenden Stopfen aus elastischem Gummimaterial, Teflon oder Kunststoffen, die eine oder mehrere sehr kleine Bohrungen enthalten. Dabei kommt es nicht auf eine exakte Definition des Strömungswiderstands R an, sondern nur auf eine grobe Dimensionierung eines gewissen Strömungswiderstandsbereichs bzw. eine Festlegung einer Größenordnung eines Strömungswiderstandsbereichs. Da die Freiheit besteht, den Druckabfall Dr am Drosselwiderstand über einen weiten Bereich jedoch innerhalb gewisser Grenzen, die beispielsweise zwischen 0 mbar und 200 mbar liegen, nahezu beliebig einzustellen, kann die gewünschte Anstiegszeit des Ausgangsdrucks p damit jederzeit realisiert und die Druckregulierungseinrichtung 100 somit kalibriert werden, selbst wenn die Strömungswiderstände eine große Exemplarstreuung aufweisen.

Die Druckregulierungseinrichtung 100 kann gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel zusammengefasst dank ihrer geringen Größe und Platzbedarf besonders einfach als smartes „Plug-and-Play-Device“ ohne weitere Eingriffe zum Upgrade in ein Pneumatiksystem nach Belieben eingestöpselt werden.

Fig. 2A zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Druckregulierungseinrichtung 100 mit einem Rückschlagventil 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die hier dargestellte Druckregulierungseinrichtung 100 kann der in Fig. 1 beschriebenen Druckregulierungseinrichtung 100 entsprechen, wobei sie gemäß diesem Ausführungsbeispiel um das Rückschlagventil 200 erweitert ist, das gemäß diesem Ausführungsbeispiel als Teil der Drosseleinheit 170 realisiert ist und/oder parallel dazu angeordnet ist. Das Rückschlagventil 200 ermöglicht gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Strömungsrichtung und sperrt, sobald das Fluid aus einer der Strömungsrichtung entgegengesetzten Richtung strömen möchte. Das bedeutet, dass das Rückschlagventil 200 ausgebildet ist, um einen Fluidstrom durch das Rückschlagventil 200 aus der Referenzkammer 145 zu ermöglichen und einen Fluidstrom durch das Rückschlagventil 200 in die Referenzkammer 145 hinein zu verhindern. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel strömt das Fluid durch die Eingangsöffnung 115 in die Eingangskammer 120. Von dort aus strömt es durch den Kanal 130 in die Ausgangskammer 125 und in Richtung der Ausgangsöffnung 105. Das Fluid gelangt gemäß diesem Ausführungsbeispiel zur Drosseleinheit 170, wo gemäß diesem Ausführungsbeispiel beispielsweise eine Fließgeschwindigkeit des Fluids in Richtung der Referenzkammer 145 gedrosselt wird. In einem solchen Fall steigt der Druck in der Ausgangskammer über eine Zeitspanne hinweg stetig zeitlinear an. Befindet sich umgekehrt ein Überdruck in der Referenzkammer 145, so ist die Referenzkammer 145 gemäß diesem Ausführungsbeispiel schlagartig mittels Rückschlagventil 200 entleerbar. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist ein erster Anschluss 205 des Rückschlagventils 200 mit der Referenzkammer 145 und ein zweiter Anschluss 210 des Rückschlagventils 200 mit der Ausgangsöffnung des Druckregulierventils verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel liegt also die Drossel und das Rückschlagventil zwischen Ausgang der Druckregeleinheit und dem Referenzvolumen, sie sind also "parallel geschaltet". Die Steuerung der Druckregeleinheit erfolgt durch Schalten des Eingangsdrucks r, _h zwischen den Druckwerten p _vac und po. In diesem Fall kann also der Eingangsdruck r, _h zwischen po und p _vac variiert werden.

Fig. 2B zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Druckregulierungseinrichtung 100 mit einem Rückschlagventil 200 gemäß einem zu Fig. 2A alternativen Ausführungsbeispiel. Gemäß diesem alternativen Ausführungsbeispiel ist ein erster Anschluss 205 des Rückschlagventils 200 mit der Referenzkammer 145 und ein zweiter Anschluss 210 des Rückschlagventils 200 mit einem Steuerdruckanschluss verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel liegt dagegen die Drossel zwischen dem Ausgang der Druckregeleinheit und dem Referenzvolumen. Das Rückschlagventil 200 liegt jetzt neu zwischen Referenzvolumen und dem Steuerdruckanschluss. Am Eingang der Druckregeleinheit liegt jetzt vorzugsweise ein konstanter Eingangsdruck p, _n = po. Die Steuerung der Druckregeleinheit erfolgt durch Schalten des Drucks am Steuerdruckanschluss zwischen den Druckwerten p _vac und po. Das hat den Vorteil, dass am Ausgang der Druckregeleinheit beim Umschalten des Steuerdrucks keine Drucksprünge mehr auftreten. Der Druck am Steuerdruckanschluss kann dann somit einfach zwischen po und p _vac variiert werden, wogegen beispielsweise der Eingangsdruck r, _h konstant auf po gehalten werden kann.

In anderen Worten stellt der Ansatz eine einfache passive Komponente vor, die einen langsamen kontrollierten zeitlinearen Druckanstieg und sprunghaften Druckabfall für die Pumpensteuerung in einem LoC liefert. Damit können sehr langsame Flüssigkeitsströme in einem LoC exakt gesteuert werden, um beispielsweise Silizium-Mikroarrays zuverlässig befüllen zu können. Darüber hinaus wird ein exaktes Dosieren und Pumpen von Teilvolumina einer Pumpkammer, also beispielsweise exakt vorbestimmte Bruchteile von 25 pl Pumpkammervolumen, ermöglicht. Damit werden auch Mischprozesse mit exakten Vermischungsverhältnissen von Flüssigkeiten ermöglicht. Der Ansatz, das bedeutet die Druckregulierungseinrichtung 100, ist als „Plug-and-Play- Device“ ohne weitere Eingriffe einstöpselbar.

Soll eine „Reset-Geschwindigkeit“ weiter erhöht bzw. die für den „Reset“ benötigte Zeitspanne weiter verkürzt werden, kann die Drosseleinheit 170 mit Rückschlagcharakteristik verwendet werden. In solchen speziellen Drosseleinheiten 170 ist parallel zum Drosselwiderstand ein Rückschlagventil 200 geschaltet, das analog zu einer Diode einen Gasfluss in der Umkehrrichtung am Drosselwiderstand vorbeiführt. In Summe stellt die hier vorgestellte Druckregulierungseinrichtung 100 in einem elektronischen Ersatzschaltbild bzw. „Netzwerkmodell“ als Analogon zu den fluidischen Vorgängen also eine Kombination aus einem Verstärkerbauelement mit einem RC-Glied als Gegenkopplung dar. Das RC-Glied bezeichnet gemäß diesem Ausführungsbeispiel elektronische Schaltungen in dem erwähnten elektronischen Netzwerkmodell-Analogon, die aus einem ohmschen Widerstand und einem Kondensator aufgebaut sind. Da am Widerstand R bei „Druckaufwärtsregelung“ stets ein konstanter Differenzdruck anliegt, erfolgt ein „Umladevorgang“ des Referenzvolumens zeitlinear. Da dieser Differenzdruck sehr klein ist, kann mit praktikablen Drosselwiderständen eine sehr langsame Anstiegszeit des Ausgangsdrucks im „Aufwärtsfall“ erreicht werden.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm eines Druckpegelverlaufs 300 für eine Druckregulierungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der hier dargestellte Druckpegelverlauf 300 kann in einer Druckregulierungseinrichtung, wie sie in den Fig. 1 oder 2 zuvor beschrieben wurde. Die x-Achse 305 des Kurvendiagramms repräsentiert eine fortlaufende Zeit. Die y-Achse 310 des Kurvendiagramms repräsentiert gemäß diesem Ausführungsbeispiel einen Druckpegelwert. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist eine erste Kurve 315 und eine zweite Kurve 320 dargestellt. Die erste Kurve 315 repräsentiert dabei einen Eingangsdruckpegel Pin, das bedeutet einen Druckpegel an der Eingangsöffnung der Druckregulierungseinrichtung. Die zweite Kurve 320 repräsentiert einen Ausgangsdruckpegel p _out , also einen Druckpegel an der Ausgangsöffnung der Druckregulierungseinrichtung. Die erste Kurve 315 verdeutlicht, dass gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Eingangsdruckpegel schlagartig auf einen positiven Druckpegelwert 325, wie beispielsweise 1,6 bar, ansteigt und nach einer gewissen Zeit ebenfalls schlagartig auf einen negativen Druckpegelwert 330, beispielsweise -600 mbar, abfällt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel erfolgen solche Perioden gemäß diesem Ausführungsbeispiel in sich verkürzenden Zeitabständen, sodass auch eine Periodendauer variiert. Das bedeutet, dass eine Zeitdauer des positiven Druckpegelwerts 325, bzw. des negativen Druckpegelwerts 330 variiert. Tendenziell verlängert sich gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Zeitdauer des positiven Druckpegelwerts 325 und umgekehrt verkürzt sich die Zeitdauer des negativen Druckpegelwerts 330.

Die zweite Kurve 320 verdeutlicht den Druckverlauf am Ausgang der Druckregeleinheit mit einem zeitlinearen Druckanstieg, bis er den positiven Druckpegelwert 325 erreicht. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist ersichtlich, dass der Ausgangsdruckpegel bei kürzeren Perioden Druckendwerte erreicht, die kleiner als der positive Druckpegelwert 325 sind, was zu einer nur teilweisen Entleerung einer Pumpkammer im LoC führen würde, was in manchen Anwendungsfällen ausdrücklich gewünscht sein kann. Am Ende einer jeden Periode fällt der Druck schlagartig auf den negativen Druckpegelwert 330 ab. In anderen Worten ausgedrückt wird durch die zweite Kurve 320 ein Verhalten des Ausgangsdruckpegels p _out , bzw. bei Druckänderungen oder Umschaltvorgängen an der Eingangsöffnung und somit am Eingangsdruckpegel Pi _n zwischen p _vac und po dargestellt. Man erkennt den zeitlinearen Anstieg des Ausgangsdruckpegels p _out während der Druckerhöhung und den instantanen Rücksprung bei Druckminderung am Eingang r, _h . Durch eine zeitliche Steuerung der Phasen mit p, _n = po kann ein am Ausgang erreichter Enddruck und damit das geförderte Fluid-Teil-Volumen im LoC exakt kontrolliert werden, was sehr vorteilhaft ist, wie beispielsweise im Zusammenhang mit einem gezielten Vermischen von Flüssigkeitsvolumina mit einem exakt vorgegebenen Mischungsverhältnis.

Fig. 4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zum Herstellen einer Druckregulierungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die herzustellende Druckregulierungseinrichtung kann der in einer der Fig. 1 oder 2 beschriebenen Druckregulierungseinrichtung entsprechen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren 400 einen Schritt 405 des Zusammenfügens der Fluidführungseinrichtung, des Referenzdruckelements und der Drosseleinheit, um die Druckregulierungseinrichtung herzustellen.

Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild eines Steuergeräts 500 zum Durchführen eines Verfahrens zum Herstellen einer Druckregulierungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Steuergerät 500 weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Bereitstelleinheit 505 auf, die ausgebildet ist, um ein Zusammenführungssignal 510 bereitzustellen.

Fig. 6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 600 zum Betreiben einer Druckregulierungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 600 umfasst gemäß diesem Ausführungsbeispiel einen Schritt 605 des Beaufschlagens und einen Schritt 610 des Veränderns. Im Schritt 605 des Beaufschlagens wird die Eingangsöffnung der Druckregulierungseinrichtung mit einem ersten Druckpegel beaufschlagt. Im Schritt 610 des Veränderns wird der an der Eingangsöffnung liegende erste Druckpegel auf einen zweiten Druckpegel verändert, um die Druckregulierungseinrichtung zu betreiben. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird optional im Schritt 610 des Veränderns der erste Druckpegel von einem positiven Druckpegelwert auf einen negativen Druckpegelwert verändert oder der erste Druckpegel von einem negativen Druckpegelwert auf einen positiven Druckpegelwert verändert. Das Ändern wird dabei zyklisch wiederholt.

Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild eines Steuergeräts 700 zum Durchführen eines Verfahrens zum Betreiben einer Druckregulierungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Steuergerät 700 kann beispielsweise ein Verfahren steuern, wie es in Fig. 6 beschrieben wurde. Das Steuergerät 700 weist dazu eine Beaufschlagungseinheit 705, die ausgebildet ist, um ein Beaufschlagungssignal 710 bereitzustellen, und eine Veränderungseinheit 715 auf, die ausgebildet ist, um das Änderungssignal 720 auszugeben.

Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.