DE69011631T2

DE69011631T2 - Mikropumpe.

Info

Publication number: DE69011631T2
Application number: DE69011631T
Authority: DE
Inventors: Lintel Harald Van
Original assignee: Westonbridge International Ltd
Current assignee: Debiotech SA
Priority date: 1989-06-14
Filing date: 1990-06-12
Publication date: 1995-03-23
Anticipated expiration: 2010-06-13
Also published as: US5224843A; NO910192L; AU633104B2; CA2033181A1; ATE110142T1; NO173755C; AU5720790A; NO910192D0; EP0429591A1; KR920701670A; ES2061042T3; CA2033181C; EP0429591B1; NO173755B; DE69011631D1; WO1990015929A1; JPH04501449A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mikropumpe mit einem ersten Plättchen aus einem Werkstoff, der mit photolithographischen Methoden so bearbeitet werden kann, dass das Plättchen zusammen mit zumindest einem zweiten, als Auflage dienenden Plättchen, das flächig mit dem ersten Plättchen verbunden ist, eine Pumpenkammer bildet, einem ersten Ventil des Rückschlagtyps, durch das die benannte Pumpenkammer wahlweise mit einem Pumpeneinlass verbunden werden kann, und einem zweiten Ventil des Membrantyps, durch das die benannte Pumpenkammer wahlweise mit einem Pumpenaustritt verbunden werden kann, wobei Organe vorgesehen sind, um eine periodische Veränderung des Volumens der benannten Pumpenkammer hervorzurufen, und das zweite Ventil durch den Druck des aus der Pumpe zu fördernden Fluidums gesteuert wird.
Solche Pumpen können namentlich für eine lokalisierte Arzneimittelabgabe verwendet werden, wobei es die Miniaturisierung der Pumpe einem Patienten gestattet, diese auf dem Körper zu tragen oder eventuell direkt in den Körper implantiert zu erhalten. Ausserdem gestatten es solche Pumpen, geringe Mengen der zu injizierenden Flüssigkeit genau zu dosieren.
Mikropumpen dieses Typs sind durch einen Aufsatz mit dem Titel "A piezoelectric micropump based on micromachining of silicon" ("Eine piezoelektrische Mikropumpe durch Mikrobearbeitung von Silizium") bekannt, der in "Sensors and Actuators", Nr. 15 (1988), Seiten 153 bis 167, erschienen ist und in dem H. Van Lintel und Mitautoren zwei Ausführungsformen einer Mikropumpe beschreiben, deren jede einen Stapel von drei Plättchen umfasst, d.h. ein Plättchen des bearbeiteten Siliziums zwischen zwei Glasplättchen angeordnet.
Das Siliziumplättchen begrenzt zusammen mit einem der Glasplättchen eine Pumpenkammer, wobei der mit dieser Kammer zusammenfallende Teil des Glasplättchens durch ein Antriebsorgan, im vorliegenden Falle einen piezoelektrischen Kristall, verformt werden kann. Dieser Kristall umfasst Elektroden, die nach Anschluss an eine Wechselspannungsquelle die Verformung des Kristalls und daher des Glasplättchens hervorrufen, wobei die Verformung des Glasplättchens wiederum eine Veränderung des Pumpenkammervolumens hervorruft.
Die Pumpenkammer ist beidseitig mit Sperrventilen verbunden, die aus dem Silizium herausgearbeitet sind und deren Sitz durch das andere Glasplättchen gebildet wird.
Eine Funktionsanalyse der Pumpe in ihrer ersten Ausführungsform (Figur 1a), wie sie im oben angeführten Aufsatz beschrieben wurde, zeigt, dass diese Pumpe einen Flüssigkeitsausstoss liefert, der über den gesamten Arbeitsbereich hinweg stark vom Austrittsdruck abhängt. Es wurde nämlich gefunden, dass diese Beziehung zwischen Druck und Förderleistung praktisch linear ist, wobei die Fördermenge umso geringer wird, je höher der Druck ist.
In anderen Worten ist eine solche Pumpe für die vorerwähnten medizinischen Anwendungen unbrauchbar, in denen die Förderleistung der Pumpe vielmehr vom Druck unabhängig sein muss, jedenfalls in ihrem normalen Arbeitsbereich.
Daher schlagen die Autoren im selben Aufsatz (zweite Ausführungsform, in Figur 1a gezeigt) vor, der soeben beschriebenen Baugruppe zwischen dem zweiten, auf die Pumpenkammer folgenden Ventil und dem Pumpenausgang ein Regelventil hinzuzufügen. Dieses Ventil trennt die Pumpe vom Ausgang, wenn es geschlossen ist.
Der Austrittsdruck kann das Regelventil, das über eine bestimmte Verschlussvorspannung verfügt, ausserdem erst von einem bestimmten Wert an öffnen. Daraus ergibt sich, dass im nützlichen Arbeitsbereich der Pumpe die Förderleistung praktisch unabhängig vom Austrittsdruck ist, nämlich solange das Regelventil nicht vom Ausgangsdruck in offener Stellung gehalten wird.
Wenn man also dank dieser zweiten Bauweise ein günstiges Druckdiagramm der Förderleistung erhält, so muss doch bemerkt werden, dass eine in dieser Art konstruierte Pumpe noch Nachteile aufweist. Das Regelventil erhöht den Platzbedarf der pumpe, da es in den Dickenabmessungen des Siliziumplättchens konstruiert werden muss und daher zusätzliche Fläche einnimmt. Daraus ergibt sich folglich ein höherer Gestehungspreis der Pumpe.
Es sei ebenfalls bemerkt, dass die Pumpe durch das Regelventil komplizierter wird und damit für mangelhaftes Betriebsverhalten und Fabrikationsausschuss ein höheres Risiko entsteht.
Es sei noch die Patentschrift FR 2 127 774 angeführt, die eine Membranpumpe des klassischen Typs beschreibt, ohne auf Methoden der photolithographischen Mikrobearbeitung von Siliziumplättchen zurückzugreifen, wobei eine Pumpenkammer zwischen einem Eintrittsventil und einem Austrittsventil angeordnet ist. Der Austrittskanal dieser Pumpe ist zusätzlich mit einer Kammer verbunden, die bezüglich der Pumpenkammer auf der entgegengesetzten Membranseite angeordnet ist. Die Förderleistung dieser Pumpe ist daher stark vom Austrittsdruck abhängig.
Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, eine Mikropumpe des oben angegebenen Typs zu schaffen, die es gestattet, die angeführten Nachteile zu vermeiden, dabei aber eine günstige Kennlinie der Förderleistung als Funktion des Austrittsdrucks im nützlichen Arbeitsbereich der Pumpe aufweist.
Die Erfindung ist deshalb dadurch gekennzeichnet, dass der benannte Austritt unmittelbar mit einem Raum in Verbindung steht, der von der benannten Pumpenkammer durch das benannte zweite Ventil getrennt und auf der gleichen Seite dieses Ventils angeordnet ist wie der Kanal, über den dieses Ventil mit der Pumpenkammer in Verbindung steht, so dass die Drücke, die jeweils in dieser Pumpenkammer und in diesem Raum herrschen, öffnend auf das benannte zweite Ventil wirken, und dass das benannte zweite Ventil über die benannte Pumpenkammer in offener Verbindung mit dem benannten ersten Ventil steht, so dass in der Förderphase der Pumpe diese Kammer über das benannte, in geöffneter Stellung befindliche zweite Ventil in direkter Verbindung mit dem benannten Austritt steht.
Dank dieser Merkmale garantiert das benannte zweite Ventil nicht nur eine Regelung der Förderleistung, durch die diese über den gesamten normalen Arbeitsbereich praktisch unabhängig vom Druck am Pumpenaustritt wird, sondern funktioniert zusätzlich als das Organ, das die Pumpenkammer in der Ansaugphase der Pumpe verschliesst.
Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der erfindungsgemässen Mikropumpe ersichtlich werden, die auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt, in denen
Figur 1 ein schematischer Querschnitt einer erfindungsgemässen Mikropumpe ist,
Figur 2 eine Unteransicht des mittleren Plättchens der in Figur 1 dargestellten Pumpe zeigt,
Figur 3 eine Ansicht ist, die die Unterseite des mittleren Plättchens einer Mikropumpe zeigt, die gemäss einer zweiten Ausaführungsform der Erfindung konstruiert wurde, wobei diese Ansicht entlang der Linie III-III der Figur 4 erhalten wurde,
Figuren 4 und 5 Querschnitte sind, die entlang der Linien IV-IV und V-V der Figur 3 erhalten wurden,
Figur 6 ein Querschnitt einer Mikropumpe ist, die gemäss einer dritten Ausführungsform der Erfindung konstruiert wurde,
Figur 7 eine Ansicht der Unterseite des mittleren Plättchens der in Figur 6 dargestellten Pumpe ist, wobei diese Ansicht entlang der Linie VII-VII der Figur 6 erhalten wurde,
Figur 8 eine Ansicht der Unterseite des mittleren Plättchens ist, das einer Mikropumpe angehört, die gemäss einer vierten Ausführungsform der Erfindung konstruiert wurde,
Figuren 9 und 10 Querschnitte sind, die entlang der Linien IX-IX bzw. X-X der Figur 8 erhalten wurden,
Figur 11 eine teilweise Schnittzeichnung einer fünften Ausführungsform der Erfindung zeigt,
Figur 12 eine teilweise Aufsicht der in Figur 11 dargestellten Mikropumpe ist und
Figur 13 eine graphische Darstellung ist, die die Förderkennlinie in Abhängigkeit vom Druck zeigt, wie sie an einer erfindungsgemäss konstruierten Mikropumpe gemessen wurde, wobei der Eingangsdruck Null war.
Es wird nun zunächst auf die Figuren 1 und 2 Bezug genommen, die eine erste Ausführungsform der erfindungsgemässen Mikropumpe darstellen.
Es muss bemerkt werden, dass aus Rücksicht auf die Deutlichkeit die Dicken der die Mikropumpe ergebenden verschiedenen Plättchen in den Zeichnungen stark übertrieben wurden.
Die Mikropumpe der Figuren 1 und 2 umfasst ein zum Beispiel aus Glas bestehendes Basisplättchen 1, durch das zwei Kanäle 2 und 3 gebohrt sind, die die Ansaug- bzw. Förderleitung der Pumpe bilden. Diese Kanäle 2 und 3 stehen mit den Anschlussstutzen 4 bzw. 5 in Verbindung.
Stutzen 4 ist an ein Rohr 6 angesetzt, das seinerseits mit einem Vorratsbehälter 7 verbunden ist, in dem sich die zu pumpende flüssige Substanz befindet. Der Vorratsbehälter wird von einer durchbohrten Kappe abgeschlossen, und ein beweglicher Kolben schliesst das Füllvolumen des Vorratsbehälters 7 nach aussen hin ab. Dieser Vorratsbehälter kann zum Beispiel ein Medikament enthalten, wenn die Pumpe dazu benutzt wird, dieses Medikament genau dosiert in den menschlichen Körper zu injizieren. In dieser Anwendung kann die Mikropumpe auf dem Körper des Patienten getragen oder implantiert werden.
Der Förderstutzen 5 kann mit einer (nicht dargestellten) Injektionsnadel verbunden sein, die mit einem Schlauch 10 angeschlossen ist.
Diese Einsatzweise der erfindungsgemässen Mikropumpe eignet sich besonders zur Behandlung bestimmter Krebsformen mit Peptiden, die vorzugsweise wiederholt in kleinen, genau dosierten Mengen und regelmässigen Abständen verabreicht werden. Eine andere Anwendung kann in der Behandlung von Zuckerkranken gesehen werden, die während des Tages periodisch kleine Mengen des Medikaments erhalten müssen, wobei die Dosierung zum Beispiel durch an sich bekannte Massnahmen festgelegt werden kann, indem der Blutzuckerspiegel gemessen und die Pumpe automatisch so eingeregelt wird, dass eine geeignete Insulindosis eingespritzt werden kann.
Ein Plättchen 11 aus Silizium oder einem anderen, durch photolithographisches Ätzen bearbeitbaren Material ist auf das Glasplättchen 1 gefügt. Über diesem Siliziumplättchen wiederum ist ein abschliessendes Glasplättchen 12 angeordnet, dessen Dicke es gestattet, dass es durch ein Steuerelement 13 verformt wird, das in der hier beschriebenen Anwendung der Erfindung eine piezoelektrische Scheibe ist, die mit an einen Wechselspannungsgenerator 14 angeschlossenen Elektroden 13a und 13b versehen ist. Diese Scheibe kann die von Firma Philips unter der Bezeichnung PXE-52 hergestellte Scheibe sein und mit einem geeigneten Kleber auf das Plättchen 12 aufgeklebt werden.
Das mittlere Siliziumplättchen 11 kann beispielsweise eine Kristallorientierung < 100 > aufweisen, so dass es gut ätzbar ist und die erforderliche Festigkeit hat. Plättchen 1 und 12 sind vorzugsweise sorgfältig poliert.
Plättchen 11 und 12 begrenzen zusammen vor allem eine Pumpenkammer 15 (siehe auch Figur 2), die zum Beispiel kreisrund und unter einem Abschnitt des Plättchens 12 angeordnet ist, der durch das Steuerelement 13 verformt werden kann.
Ein erstes Sperrventil 16, das aus dem Siliziumplättchen 11 herausgearbeitet ist, befindet sich zwischen der Ansaugleitung 2 und der Pumpenkammer 15. Dieses Ventil ist unterhalb der Pumpenkammer angeordnet und umfasst eine Membran 16a von allgemein kreisrunder Form, die in ihrer Mitte eine Durchlassöffnung 16b hat, die in der vorliegenden Ausführungsform quadratisch ist. Auf der Seite der Leitung 2 hat Ventil 16 eine ringförmige Rippe 16c mit annähernd dreieckigem Querschnitt. Diese Rippe 16c umgibt Öffnung 16b und ist von einer ebenfalls photolithographisch erzeugten dünnen Oxidschicht 17 bedeckt. Diese Oxidschicht bewirkt eine zusätzliche Dicke, die der Membran 16a eine gewisse Vorspannung erteilt, wenn der obere Rand der Rippe 16c gegen das Glasplättchen 1 gedrückt wird, so dass letzteres als Sitz des Ventils 16 dient.
Die Förderleitung 3 der Pumpe steht über ein Ventil 18 mit der Pumpenkammer 15 in Verbindung. Dieses Ventil gleicht in seiner Ausführungsform dem Ventil 16, mit Ausnahme der Tatsache, dass die durch die Oxidschicht 17 hervorgerufene Vorspannung, da diese Schicht in ihren Abmessungen von denen des Ventils 16 abweicht, sich von der für das Ventil 16 benutzten unterscheiden kann. Ausserdem sieht man in Figur 1, dass diesem Ventil eine zentrale Öffnung wie die Öffnung 16b des Ventils 16 fehlt.
Es ist zu sehen, dass die Pumpenkammer mit dem Ventil 18 über eine Öffnung 19 und einen Durchlass 20, die beide aus dem Siliziumplättchen 11 herausgearbeitet sind, in Verbindung steht.
Das Ventil 18 umfasst also eine Membran 18a und eine ringförmige Rippe 18c, wobei die Membran teilweise und die Rippe ganz von einer Oxidschicht 17 bedeckt sind, und begrenzt oberhalb der Leitung 3 einen Raum 18d, in dem der Austrittsdruck herrscht. Die Oxidschicht der Membran 18a führt zu Scherkräften in dieser Membran, die eine Wölbung der Membran hervorrufen (die Oxidschicht ist auf der nach aussen gewölbten Seite der Membran). Dadurch wird eine Vorspannung des Ventils hervorgerufen, die zusätzlich zu der Vorspannung wirkt, die durch die die Rippe 18c bedeckende Oxidschicht hervorgerufen wird, und im Sinne eines Schliessens des Ventils wirkt. Wenn Ventil 18 offen ist, steht dieser Raum über die Pumpenkammer 15 in direkter Verbindung mit dem Ansaugventil 16, so dass ein minimaler Fliesswiderstand auf die Flüssigkeit wirkt, die in der Förderphase von der Pumpe gefördert wird. Wenn Ventil 18 geschlossen ist, wirkt darüber hinaus der Austrittsdruck nur auf eine Fläche der Membran 18a, die klein ist im Vergleich zu der wesentlich bedeutenderen Fläche, auf die der in der Pumpenkammer herrschende Druck wirken kann. Dadurch ergibt sich eine Regelung der Förderleistung am Austritt, die praktisch unabhängig vom Austrittsdruck wird (siehe Figur 13), wobei dieser Effekt durch die von der Oxidschicht 17 hervorgebrachte Vorspannung hervorgerufen wird.
Um eine Vorstellung zu geben, können die Dicken der Plättchen 1, 11 und 12 etwa 1 mm, 0,3 mm und 0,2 mm betragen, wenn die Flächen der Plättchen Abmessungen in der Grössenordnung von 15 x 20 mm haben.
Übrigens können die Plättchen aufeinander mit verschiedenen Verbindungstechniken befestigt werden, zum Beispiel Verkleben oder die unter der Bezeichnung "anodisches Schweissen" bekannte Technik.
Figuren 3 bis 5 zeigen eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemässen Mikropumpe, die in ihrer Konstruktion im wesentlichen der in Figuren 1 und 2 dargestellten Mikropumpe gleicht. Die gleichen Elemente sind daher auch mit den gleichen Bezugszahlen wie vorher markiert. Sie unterscheidet sich jedoch darin, dass die ringförmige Kammer l6e (Figur 4), die die ringförmige Rippe 16c des Ansaugventils 16 umgibt, nicht nur mit der Ansaugleitung 2, sondern gleichermassen mit einer Ausgleichskammer 21 verbunden ist, die in dem Plättchen 11 oberhalb des Ventils 18 eingelassen und durch das abschliessende Plättchen 12 verschlossen ist, wobei dieses letztere Plättchen hier die gesamte Pumpenfläche bedeckt. Diese Verbindung wird durch einen Verbindungskanal 22 hergestellt, der aus dem Silizium herausgearbeitet ist und aus den drei Zweigen 22a, 22b und 22c besteht, die rechtwinklig im Plättchen 11 angeordnet sind. Es ist zu beachten, dass sich Zweig 22c dieser Leitung nicht auf demselben Niveau wie die anderen beiden Zweige (22a und 22b) befindet, wobei Zweige 22b und 22c miteiner über eine in Plättchen 11 eingelassene Verbindungsöffnung 23 in Verbindung stehen. Darüber hinaus steht Zweig 22c (Figur 5) mit der Ansaugleitung 2 über eine Verbindungsöftnung 24 in Verbindung, die diesen Zweig an einen kleinen Hohlraum 25 anschliesst, der gerade oberhalb der Ansaugleitung 2 in das Siliziumplättchen 11 eingelassen ist.
Leitung 22 ist dazu bestimmt, Kanal 2 der Pumpe mit der oberhalb der Membran 18a des Förderventils 18 angeordneten Kammer 21 zu verbinden, damit dieses Ventil geschlossen bleibt, wenn am Pumpeneingang ein Überdruck auftritt. Diese Anordnung wirkt also als ein Schutz gegen Überdrücke.
Figuren 6 und 7, auf die jetzt Bezug genommen wird, stellen eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemässen Mikropumpe dar. Hier bleibt das vorbeschriebene Konstruktionsprinzip erhalten, jedoch ist die Pumpenkammer bezüglich der beiden Ventile (Ansaug- und Förderventil) asymmetrisch angeordnet.
Diese Pumpe ist gleichfalls aus drei Plättchen zusammengesetzt, nämlich einem Auflageplättchen 26, zum Beispiel aus Glas, einem Plättchen 27, zum Beispiel aus Silizium oder einem geeigneten anderen Material, und einem Verschlussplättchen 28, zum Beispiel aus Glas, das in einem über der Pumpenkammer 15 befindlichen Abschnitt mit Hilfe einer piezoelektrischen Scheibe 29 oder einem geeigneten anderen Steuerelement verformt werden kann.
Die Pumpenkammer 15 wird von Plättchen 27 und 28 begrenzt, die beide ebenfalls eine Eintritts kammer 30 (die nur in Figur 6 zu sehen ist) definieren, in das eine aus Plättchen 28 herausgearbeitete Eintrittsöffnung 30a einmündet.
Kammer 30 steht mit einem Kanal 31 in Verbindung (der nur in Figur 7 zu sehen ist), der im oberen Teil des Plättchens 27 angeordnet ist, und diese Leitung 31 steht mit einer zweiten Leitung 32 in Verbindung, die auf der Seite des Plättchens 26 aus dem Plättchen 27 herausgearbeitet ist. Die Leitung 32 mündet in die ringförmige Kammer 33 eines Ansaugventils 34, das in seiner Konstruktion mit dem vorher beschriebenen Ventil 16 identisch ist. Dieses Ansaugventil steht über eine zentrale Öffnung 35 mit der Kammer 15 in Verbindung.
Kammer 15 steht ebenfalls über eine Öffnung 37 und eine Leitung 38, beide in Plättchen 27 eingelassen, mit einem Förderventil 36 in Verbindung. Übrigens ist Förderventil 36, das dazu bestimmt ist, eine Austrittsöffnung 36a (Figur 6) abzuschliessen, genauso konstruiert wie das Förderventil der vorangehenden Ausführungsformen, ausser dass es auf seiner Membran auf der der Verschlussrippe des Ventils gegenüberliegenden Seite einen Vorsprung 39 aufweist. Dieser Vorsprung 39, der sich in der Mitte der Membran befindet, ist dazu bestimmt, die Ausbiegung dieser Membran dadurch zu begrenzen, dass er auf Plättchen 28 stösst, wenn der Austrittsdruck einen vorbestimmten, annehmbaren Wert überschreitet.
In der soeben beschriebenen Anordnung mündet die Eintrittsöffnung 30a in die Kammer 30, die oberhalb des Förderventils 36 angeordnet ist und daher wie Kammer 21 der vorangehenden Ausführungsform als Ausgleichskammer wirkt. Daher schafft diese Konstruktion ebenfalls einen Schutz gegen Überdrücke.
Es wird nunmehr auf die Figuren 8 bis 10 Bezug genommen, die eine vierte Ausführungsform der Erfindung darstellen.
In diesem Falle umfasst die Mikropumpe ebenfalls drei Plättchen 40, 41 und 42. Plättchen 40 ist zum Beispiel in Glas ausgeführt und enthält eine Förderleitung 43. Plättchen 41 ist in Silizium oder einem geeigneten anderen Material ausgeführt und durch photolithographische Verfahren so bearbeitet, dass eine Pumpenkammer 44, ein Ansaugventil 45 und ein Förderventil 46 definiert werden, wobei die Ventile über entsprechende Leitungen 47 und 48 mit der Pumpenkammer 44 in Verbindung stehen.
In der gegenwärtigen Ausführungsform ist ein Steuerelement, zum Beispiel eine piezoelektrische Scheibe 49, direkt über dem Siliziumplättchen 41 angeordnet, und zwar in dem Abschnitt, der mit der pumpenkammer 44 zusammenfällt, so dass das Pumpen dadurch zustande kommt, dass dieses Plättchen 41 selbst verformt wird, um das Volumen der Pumpenkammer zu ändern. Es ist darüber hinaus wünschenswert, zwischen dem Plättchen 41 und dem Kristall 49 eine dünne Siliziumoxidschicht 49a vorzusehen, um die entsprechende Elektrode der Scheibe gegen dieses Plättchen zu isolieren.
Plättchen 42 bedeckt Plättchen 41 nur teilweise und enthält eine Ansaugöffnung 50, die in eine ringförmige Ausgleichskammer 51 mündet, die oberhalb des Förderventils 46 angeordnet ist. Man sieht, dass dieses Ventil mit einem Vorsprung 52 versehen ist, der es gestattet, die Äusbiegung der Membran dieses Ventils zu begrenzen, indem der Vorsprung an die Unterseite des Plättchens 42 anstossen kann, wenn der Austrittsdruck unterhalb des Ventils zu hoch wird.
Es ist ebenfalls zu bemerken, dass Ansaugventil 45 und Förderventil 46 in ihrer Lage vertauscht sind, indem der Sitz des Ansaugventils durch Plättchen 42 gegeben ist, während der Sitz des Ventils 46 wie in den anderen Ausführungsformen durch Plättchen 40 gegeben ist. Diese Anordnung hat keinen besonderen Einfluss auf das Funktionieren der Pumpe.
In Figur 11 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, in der oberhalb des Förderventils 53 eine Kammer 54 vorgesehen ist, die von einem Verbindungsorgan 55 abgeschlossen wird, das zum Beispiel aus Kunststoff gefertigt und auf Siliziumplättchen 56 aufgeklebt ist. Auf diese Weise ist Kammer 54, die mit der Ansaugseite der Pumpe in Verbindung steht, vollständig von der Umgebung abgeschlossen. Diese Konstruktion hat den Vorteil, dass kein spezielles Verschlussplättchen verwendet werden muss.
Sowohl in der Pumpe gemäss Figuren 8 bis 10 (Leitung 57) wie in der Pumpe gemäss Figur 11 (Kammer 54) sind die Förderventile mit dem Pumpeneingang so verbunden, dass hier ebenfalls ein Schutz gegen Überdrücke gewährleistet ist.
Die Arbeitsweise der erfindungsgemässen Mikropumpe wird jetzt eingehender mit Bezug auf das Diagramm der Figur 13 untersucht, die die Förderleistung in Abhängigkeit vom Druck in der Förderleitung darstellt.
Es erweist sich, dass die Funktion bei allen oben beschriebenen Ausführungsformen gleich bleibt. Mit dem Ziel einer grösseren Bequemlichkeit bezieht sich jedoch die folgende Beschreibung lediglich auf die Ausführungsform der Figuren 1 und 2.
Solange keine elektrische Spannung an der piezoelektrischen Scheibe 13 anliegt, sind das Ansaugventil 16 und das Förderventil 18 in geschlossener Stellung. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung verformt sich die piezoelektrische Scheibe 13 und bewirkt eine Verbiegung des Plättchens 12 nach innen hin. Dadurch ergibt sich eine Druckerhöhung in der Pumpenkammer 15, die die Öffnung des Förderventils 18 hervorruft, sobald die entsprechend dem Druck in Kammer 15 auf die Membran wirkende Kraft grösser ist als der Unterschied zwischen der Kraft, die durch die von der Siliziumoxidschicht 17 verursachten Vorspannung des Ventils hervorgerufen wird, und der Kraft, die vom Druck im Austrittskanal 3 hervorgerufen wird. Die in der Pumpenkammer enthaltene Flüssigkeit wird dann durch Verdrängung aus dem verformbaren Abschnitt des Plättchens 12 gegen den Austrittskanal 3 gedrückt. In dieser Phase wird das Ansaugventil 16 durch den in der Pumpenkammer 15 herrschenden Druck geschlossen gehalten. Die Flüssigkeit tritt aus, ohne einem nennenswerten Widerstand zu begegnen, weil die Pumpenkammer 15 jetzt in direkter Verbindung mit dem Austrittskanal 3 steht.
Wenn im Gegenteil die elektrische Spannung aufgehoben wird, so nimmt die piezoelektrische Scheibe 13 wieder ihre ursprüngliche Form an oder verformt sich in der anderen Richtung, so dass der Druck in der Pumpenkammer 15 abnimmt. Das führt zum Schliessen des Förderventils 18, sobald die Kraft, die vom Druck in der Pumpenkammer verursacht wird, geringer wird als der Unterschied zwischen der von der Ventilvorspannung erzeugten Kraft und der Kraft, die vom Druck im Austrittskanal 3 verursacht wird. Die Öffnung des Ansaugventils 16 erfolgt, sobald die Summe der Kraft, die vom Druck in der Pumpenkammer verursacht wird, und der Kraft, die von der Vorspannung des Ventils 16 erzeugt wird, geringer wird als die Kraft, die vom Druck im Eintrittskanal 2 verursacht wird. Dann erfolgt ein Ansaugen der Flüssigkeit durch den Eintrittskanal 2 in die Pumpenkammer 15 zufolge Verschiebung des verformbaren Abschnitts des Plättchens 12.
Wenn ein grosses Verhältnis zwischen dem Membrandurchmesser des Förderventils 18 und dem Durchmesser seines Sitzes gewählt wird, hat der Druck im Förderkanal 3 wenig Einfluss auf den Druck in der Pumpenkammer, der zur Öffnung des Förderventils nötig ist. Durch geschickte Wahl dieses Verhältnisses sowie der Steuerfrequenz der piezoelektrischen Scheibe kann daher erreicht werden, dass der Austrittsdruck nur sehr geringen Einfluss auf die Förderleistung hat. Auf diese Weise können Kurven der Förderleistung als Funktion des Austrittsdrucks erhalten werden, wie sie in Figur 13 dargestellt sind. Kurve A in dieser Figur wurde erhalten, indem mit 2 Hz eine Spannung an die piezoelektrische Scheibe einer Mikropumpe gemäss Figuren 3 bis 5 angelegt wurde, die etwa die oben angegebenen Abmessungen hatte, wobei die Förderleistung praktisch konstant bei einem Wert von 30 ul/min blieb (günstigste Wahl). Wenn die piezoelektrische Scheibe mit einer Spannung mit 5 Hz angesteuert wird, steigt diese Förderleistung auf etwa 64 ul/min. Wie in den Kurven der Figur 13 zu sehen ist, wird also durch die Wahl einer gegebenen Vorspannung auf der Membran des Förderventils die Förderleistung konstant auf den angegebenen Werten gehalten, während der Austrittsdruck zwischen 0 und 70 cm H&sub2;O variieren kann. Die Kurven zeigen übrigens ebenfalls, dass
die Förderleistung sogar bei einer negativen Differenz zwischen dem Austrittsdruck und dem Eintrittsdruck noch konstant bleibt (Teile C und D der entsprechenden Kurven). Dieser Fall kann beispielsweise bei Vorliegen eines Überdrucks an der Eingangsseite der Pumpe eintreten.
Man beachte, dass die Mikropumpe, gleich in welcher der oben beschriebenen Ausführungsformen, kompakt und einfach ist, einen geringen Durchflusswiderstand aufweist und es gestattet, mit sehr guter Näherung eine in Abhängigkeit vom Austrittsdruck konstante Förderleistung zu definieren.
In allen Ausführungsformen ausser der der Figuren 1 und 2 wurde die Pumpe so konzipiert, dass ein Schutz gegen Überdrücke gewährleistet wird, indem der Pumpeneinlass mit einer oberhalb des Förderventils angeordneten Kammer verbunden wird. Wenn ein solcher Überdruck vorhanden ist, so wirkt er daher auf das Förderventil in dem Sinne, dass es geschlossen wird und daher den Förderkanal von der Pumpenkammer trennt. Diese Eigenschaft der Pumpe kann wichtig werden, wenn es sich um eine vom Patienten getragene Pumpe handelt und der Patient gleichzeitig einen unstarren Vorratsbehälter trägt. Wenn der Patient also den Vorratsbehälter zusammendrückt (zum Beispiel, weil er auf ein Hindernis stösst), so bewirkt der Überdruck auf der Ansaugseite der Pumpe keinen Ausfluss auf der Förderseite der Pumpe.
Dank der Verbindung zwischen Ausgleichskammer und Pumpeneingang hat ausserdem eine Schwankung des Eintrittsdrucks im normalen Arbeitsbereich der Pumpe nur sehr wenig Einfluss auf die Förderleistung auf der Austrittsseite.
Es muss bemerkt werden, dass diese Verbindung auch durch eine äussere Verbindungsleitung an der Pumpe hergestellt werden kann. Zum Beispiel könnte die Pumpe der Figuren 1 und 2 mit einem Schlauch versehen werden, der Eingang und Ausgang miteinander verbindet.
Schliesslich zeigt Figur 1, dass an das Siliziumplättchen ein Organ der Funktionskontrolle angeschlossen werden kann, zum Beispiel in der Form eines Dehnungsmessstreifens 11A, dessen Widerstandsänderung gemessen werden könnte, um das einwandfreie Funktionieren der Pumpe zu überwachen oder einen Bruch der Meinbran anzuzeigen, auf die er aufgeklebt ist. Selbstverständlich können ein oder mehrere dieser Kontrollorgane in allen beschriebenen Ausführungsformen vorgesehen werden.

Claims

1. Mikropumpe mit einem ersten Plättchen (11; 27; 41; 56) aus einem Werkstoff, der mit photolithographischen Methoden so bearbeitet werden kann, dass das Plättchen zusammen mit einem zweiten Plättchen (1; 26; 40), mit deu es flächig verbunden ist und das als Auflageplättchen dient, eine Pumpenkammer (15; 44) bildet, einem ersten Ventil des Rückschlagtyps (16; 33; 45), durch das die benannte Pumpenkammer (15; 44) wahlweise mit einem Pumpeneinlass (2; 30; 50) verbunden werden kann, und einem zweiten Ventil des Membrantyps (18; 36; 46), durch das die benannte Pumpenkammer wahlweise mit einem Pumpenaustritt (3; 36a; 43) verbunden werden kann, wobei Organe (13; 14; 29; 49) vorgesehen sind, um eine periodische Veränderung des Volumens der benannten Pumpenkammer (15; 44) hervorzurufen, und das zweite Ventil durch den Druck des aus der Pumpe zu fördernden Fluidums gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der benannte Austritt (3; 36a; 43) unmittelbar mit einem Raum (18d) in Verbindung steht, der von der benannten Pumpenkammer (15; 44) durch das benannte zweite Ventil (18; 36; 46) getrennt und auf der gleichen Seite dieses Ventils angeordnet ist wie der Kanal (19; 20), über den dieses Ventil mit der Pumpenkammer in Verbindung steht, so dass die Drücke, die jeweils in dieser Pumpenkammer und im Austrittskanal herrschen, öffnend auf das benannte zweite Ventil wirken, und dass das benannte zweite Ventil (18; 36; 46) über die benannte Pumpenkammer (15; 44) in offener Verbindung mit dem benannten ersten Ventil (16; 33; 45) steht, so dass in der Förderphase der Pumpe diese Kammer über das benannte, in geöffneter Stellung befindliche zweite Ventil in direkter Verbindung mit dem benannten Austritt (3; 36a; 43) steht.

2. Mikropumpe gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein drittes Plättchen (12; 28; 42; 55) umfasst, das das benannte erste Plättchen (11; 27; 4l) zumindest auf einem Teil seiner Oberfläche überdeckt und mit ihm zusammen zumindest eine Kammer (15; 21; 51; 54) begrenzt, die dazu bestimmt ist, einen aktiven Pumpraum zu bilden.

3. Mikropumpe gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die benannten Organe, die dafür vorgesehen sind, eine periodische Veränderung des Pumpenkammervolumens zu bewirken, ein piezoelektrisches Plättchen (13; 29) umfassen, das auf dem benannten dritten Plättchen (12; 28) in einer Zone befestigt ist, die mit der benannten Pumpkammer (15) zusammenfällt.

4. Mikropumpe gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die benannten Organe, die dafür vorgesehen sind, eine periodische Veränderung des Pumpenkammervolumens zu bewirken, ein piezoelektrisches Plättchen (49) umfassen, dass die benannte Pumpenkammer (44) vom benannten ersten (41) und zweiten (40) Plättchen begrenzt wird und dass das benannte piezoelektrische Plättchen auf dem benannten ersten Plättchen in einer unbedeckten Zone befestigt ist, die mit der benannten Pumpenkammer (44) zusammenfällt.

5. Mikropumpe gemäss einem beliebigen der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das benannte dritte Plättchen (55) dafür eingerichtet ist, gleichzeitig zumindest eine der Verbindungen zu bilden, vermittels derer die Pumpe an einen äusseren Kreis angeschlossen werden kann (Figur 11).

6. Mikropumpe gemäss einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensorelement, zum Beispiel ein Dehnungsmesser (11A), auf dem benannten ersten Plättchen (11) befestigt ist, um die Pumpenfunktion zu überwachen.

7. Mikropumpe gemäss einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das benannte erste Ventil (16; 33; 45) und/oder das benannte zweite Ventil (18; 36; 46) in der Ebene des benannten ersten Plättchens ein Membrane (16a; 18a) aufweisen, die in der Mitte eine ringförmige Rippe (16c; 18c) trägt, deren Scheitel dazu bestimmt ist, gegen ein anderes Plättchen (1; 12; 26; 28; 40; 41) angedrückt zu werden, das als Ventilsitz dient, und dass zumindest die benannte Rippe (16c; 18c) von einer Oxidschicht (17) bedeckt ist, die der Membran eine vorgegebene Vorspannung aufgibt, so dass das Ventil normalerweise geschlossen ist.

8. Mikropumpe zufolge des Anspruchs 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (18a) des zweiten Ventils zumindest teilweise von einer Materialschicht bedeckt ist, die in der Membran Scherkräfte hervorruft, die eine zusätzliche Vorspannung induzieren.

9. Mikropumpe zufolge eines beliebigen der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der benannten Rippe (16c) entgegengesetzten Seite die benannte Membran (16a) mit einem Vorsprung (39; Figur 6) versehen ist, der sich in Richtung auf ein anderes Plättchen (28) erstreckt und dazu bestimmt ist, die Ausbiegung der Membran (16) in solchen Fällen zu begrenzen, in denen sie einem übermässigen Druck ausgesetzt ist.

10. Mikropumpe zufolge eines beliebigen der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (16c), die jeweils auf den Membranen (16a) der benannten Ventile vorgesehen sind, auf entgegengesetzten Seiten dieser Membranen aufgebracht sind (Ventile 45 und 46, Figuren 8, 9 und 10).

11. Mikropumpe zufolge eines beliebigen der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der pumpeneinlass (2; 30; 50) mit einer Ausgleichskammer (21; 30; 51; 54) in Verbindung steht, die oberhalb des benannten zweiten Ventils (18; 36; 46) angebracht ist, um unter dem Einfluss des im benannten Einlass herrschenden Drucks dieses Ventil zur Schliessung zu veranlassen.