WO1993005295A1 - Mikrominiaturisierte, elektrostatisch betriebene mikromembranpumpe - Google Patents

Mikrominiaturisierte, elektrostatisch betriebene mikromembranpumpe Download PDF

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WO1993005295A1
WO1993005295A1 PCT/DE1992/000630 DE9200630W WO9305295A1 WO 1993005295 A1 WO1993005295 A1 WO 1993005295A1 DE 9200630 W DE9200630 W DE 9200630W WO 9305295 A1 WO9305295 A1 WO 9305295A1
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WO
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pump
pump body
fluid
pump according
micro diaphragm
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Application number
PCT/DE1992/000630
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English (en)
French (fr)
Inventor
Roland Zengerle
Axel Richter
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Priority to DE59204373T priority patent/DE59204373D1/de
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Priority to EP92916327A priority patent/EP0603201B1/de
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/02Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B43/04Pumps having electric drive
    • F04B43/043Micropumps
    • F04B43/046Micropumps with piezoelectric drive
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B53/00Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
    • F04B53/10Valves; Arrangement of valves
    • F04B53/1037Flap valves
    • F04B53/1047Flap valves the valve being formed by one or more flexible elements
    • F04B53/1055Flap valves the valve being formed by one or more flexible elements more than two flexible elements oscillating around a fixed point

Definitions

  • the present invention relates to a microminiaturized, electrostatically operated micromembrane pump according to the preamble of claims 1 and 2.
  • thermopneumatically driven micromembrane pump A number of microminiaturized diaphragm pumps are already known.
  • F.CM. van de Pol, H.T.G. van Lintel, M. Elwsenspoek and J.H.J. Fluitman "A Thermo-Pneumatic Micropump Based on Micro-Engineering Techniques", Sensors and Actuators, A21-A23 (1990) pp. 198-202 describes a thermopneumatically driven micromembrane pump. The implementation of such a drive is very complex.
  • Piezoelectrically driven diaphragm pumps are described in the specialist publications F.CM. van de Pol, HTG van Lintel, S. Bouwstra, "A Piezoelectric Micropump Based on Micromachining of Silicon", Sensors and Actuators, 19 (1988) pp. 153-167 and M.Esashi, S.Shoji and A.Nakano, " Normally close Microvalve and Micropump 11 , Sensors and Actuators, 20 (1989), 163-169.
  • the realization of these drives contains manufacturing steps that do not belong to the standard technological steps of semiconductor technology, such as the gluing on of a piezofile or a piezostack, so that the manufacturing costs are high.
  • a microminiaturizable membrane pump which has an outer membrane which is deformable by a piezo element.
  • An inner one The pump chamber of the micropump is divided by a partition, within which valve structures are arranged.
  • the valve structures are part of stops which limit the movement of the diaphragm with respect to the partition or with respect to the rest of the pump body in order to determine a constant pump quantity per pump cycle.
  • micropump is known from WO 90/15929, which largely corresponds to the structure of the micropump that has just been recognized.
  • DE 40 06 152 A1 discloses a micropump with a first pump body and a second pump body having a membrane area, each of which has electrically conductive electrode areas which can be connected to a voltage source and are electrically insulated from one another, the two pump bodies being connected to the membrane area Define adjacent pump room with each other, known.
  • the pumping capacity of this micropump is not always satisfactory.
  • the application of an electric field to the liquid to be pumped is undesirable in some cases.
  • the invention has for its object to provide a microminiaturized micromembrane pump of the type specified in the preamble of claim 1, in which the liquid to be pumped is not or only to a small extent subjected to an electrical field.
  • the invention is also based on the object of creating a microminiaturized micromembrane pump of the type specified in the preamble of claim 2, which is simple and inexpensive to manufacture and is high Has pump power.
  • a novel electrostatic drive principle for microminiaturized diaphragm pumps is specified, which is characterized by an extremely simple structure and can be implemented using the conventional methods of semiconductor technology.
  • the medium to be pumped is exposed to the action of the electrostatic field required for the drive, so that the micromembrane pump according to the invention can also be used for dosing medicaments which dissociate under the influence of electrostatic fields.
  • the micromembrane pump is able to transport liquids and / or gases as well as to generate a hydrostatic pressure when the flow rate disappears.
  • micromembrane pump according to the invention can be produced with the known methods of semiconductor technology, which is a great advantage. Another advantage of the micromembrane pump according to the invention is that it can be used to convey fluids of any conductivity.
  • the micromembrane pump comprises a cavity which is defined by the two pump bodies and adjoins the membrane area which is filled with a fluid medium which is spatially separated from the fluid to be pumped.
  • the cavity preferably has at least one opening through which this medium can exit.
  • the micro-diaphragm pump comprises a cavity which is defined by the two pump bodies and which adjoins the diaphragm area and which is filled with a fluid medium which is spatially separated from the fluid to be pumped and which has a relative dielectric tricity constant that is greater than 1.
  • the cavity preferably has at least one opening through which this medium can exit.
  • the medium which can also be referred to as a reinforcing liquid or gas, preferably has the highest possible relative dielectric constant in order to bring about as great a force as possible, which acts on the diaphragm area by applying a voltage to the two pump bodies.
  • the fluid can be enclosed in the housing of the micromembrane pump and thus does not necessarily come into contact with the surroundings.
  • enclosing the fluid in the housing it should be noted that when a liquid is used, due to its vanishing compressibility, it must not fill the entire cavity in the housing, since otherwise the liquid would escape from the space between the first and the second pump body (membrane area / counter electrode body) is no longer possible and the membrane would no longer move due to the back pressure built up by the liquid.
  • the micromembrane pump according to the invention is not completely filled with the reinforcing liquid
  • embodiments are also possible in which the cavity is completely filled with the reinforcing liquid, but in this case the opening of the Cavity with a extremely flexible further membrane, which can be formed, for example, by a rubber skin, is sealed off from the ambient atmosphere.
  • the pump can also be operated with a booster gas with a dielectric constant that is greater than 1.
  • One or more through openings in the counterelectrode body ensure that when a liquid is used for the reinforcement, it can flow into and out of the space between the first and the second pump body (membrane region / counterelectrode body) without great resistance.
  • An increased pumping frequency of the electrostatic micromembrane pump according to the invention can be brought about in that the drainage of the reinforcing liquid is facilitated by channel structures in the membrane or the pump body opposite the membrane in the direction of the passage opening.
  • dielectrics with a large relative dielectric constant in a capacitor displace the dielectrics with a smaller dielectric constant ensures that the liquid automatically separates the space between the first and the second pump body (membrane / counterelectrode). fills if only one of the passage openings mentioned above is in contact with the liquid filling.
  • This filling process can be additionally facilitated by a suitable surface coating of the first and the second pump body, at least in the parts of the membrane region coming into contact with the liquid, and of the third pump body as a counter electrode.
  • Figure 1 is a schematic sectional view for explaining the principle of operation of an electrostatic micro diaphragm pump according to the invention.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a cross section through a first embodiment of an electrostatically operated micromembrane pump according to the invention
  • 3a shows a sectional illustration of a third pump body composed of two partial pump bodies which are formed with valves
  • FIG. 3b shows a sectional illustration of an alternative embodiment to the pump body structure according to FIG. 3a;
  • FIG. 5 shows a schematic sectional illustration of another embodiment of an electrostatic micromembrane pump according to the invention.
  • FIG. 6 shows a schematic sectional illustration of a further embodiment of an electrostatic micromembrane pump according to the invention.
  • FIG. 7 shows a modification of the embodiment according to FIG. 1;
  • FIG. 8 shows a graphical representation of the relationship between the flow rate and the pressure difference for the valves used in the embodiment according to FIG. 3b.
  • 1 shows a partial unit, generally designated 1, of a microminiaturized diaphragm pump with an electrostatic drive according to the invention.
  • a first pump body 2, which serves as a counter electrode, is arranged above a second pump body 3 and is firmly connected to the latter.
  • Both pump bodies 2 and 3 preferably consist of semiconductor materials of different charge carrier types.
  • the first pump body 2 can consist of p-type silicon, the second pump body 3 then being made of n-type silicon.
  • the second pump body 3 is coated with a dielectric layer on the surface facing the first pump body 2.
  • the second pump body 3 On its side facing away from the first pump body 2, the second pump body 3 has a truncated pyramid-shaped recess 7, through which a thin, elastic membrane region 6 with a small thickness dimension is created.
  • the recess 7 can be produced by photolithographically fixing a rear etching opening and then anisotropically etching.
  • the first pump body 2 has two through openings 4 and 5 which extend in the direction of its thickness dimension and pass through it. These two passage openings 4 taper in the direction of the second pump body 3.
  • the first and the second pump bodies 2 and 3 are connected to one another in a sealing manner in their edge region via a connecting layer 9, forming a space 10.
  • the connection layer 9 can consist, for example, of Pyrex glass.
  • the connection can be made by anodic bonding or by gluing.
  • the distance dl between the two mutually facing surfaces of the first and the second pump body 2 and 3 should be approximately in the range of 1 to 20 microns.
  • the space 10 between the first and the second pump bodies 2 and 3 is filled with a liquid medium with a suitably high dielectric constant to such an extent that the liquid extends into the passage openings 4 and 5 or beyond them.
  • the first pump body 2 or both pump bodies 2 and 3 could also be coated with a passivating dielectric layer 8 with a total thickness d2 and the relative dielectric constant e 2 , for example in order to cause electrical breakdowns prevent.
  • the dielectric can also fulfill the function of making the surface tension of the two pump bodies 2 and 3 favorable on the surfaces facing one another for a specific liquid.
  • the first pump body 2 On its surface, the first pump body 2 is provided with an ohmic contact 11 and the third pump body 3 is provided with an ohmic contact 11 '. These two contacts 11 and 11 r are connected to the terminals of a voltage source U.
  • e t is the relative dielectric constant of the medium in the space between the membrane area 6 of the second pump body 3 and the first pump body 2 and e 2 is the dielectric constant of a possible passivation layer 8.
  • the generally liquid medium in the region between the membrane region 6 and the second pump body 3 is generally different from the medium to be pumped and, above all, must meet a further condition with regard to its conductivity. If the specific resistance of the medium is too low, the electrostatic field between the membrane region and the first pump body used as counter electrode is rapidly reduced within the characteristic time T, with
  • the passage openings 4 and 5 formed in the first pump body 2 ensure that the liquid can flow away freely from the space between the membrane area 6 of the second pump body 3 and the first pump body 2 and thus does not exert any counterpressure on the membrane area 6 would prevent movement of the membrane area 6 due to the electrostatically generated pressure. It can also be seen from equation (1) that the thickness d 2 of a possible passivation layer 8 should not exceed a certain size (e * ⁇ d 2 ⁇ e 2 d 1 ).
  • the pressure generated electrostatically on the membrane area is practically stored in the membrane due to its deformation and, after switching off the voltage U, causes the membrane to return to its original position.
  • a periodic electrical voltage (preferably in the form of rectangular pulses) to the first pump body 2 as the counter electrode and the second pump body 3 with its membrane region 6, the maximum frequency of which is determined by the passage characteristics of the valves on the membrane pump, which will be described later, a periodic displacement of a certain stroke volume is achieved, which is the main characteristic of a diaphragm pump.
  • a great advantage in the metering of small amounts of liquid is a stroke volume of the pump which, if possible, does not depend or only very little depends on the back pressure to be overcome for the liquid.
  • the properties of the electrostatic diaphragm pump according to the invention explained below bring about a constant stroke volume in a very elegant manner.
  • the capacitance C 1 can be regarded as a series connection of two or more capacitances C 1, C 2 . This can be seen if, in FIG. 1, the interface between the insulation layer 8 and the cavity 10 filled with the liquid is considered as a fictitious capacitor plate.
  • the capacitance C 2 is represented by the insulation layer 8, the capacitance C by the liquid medium in the cavity 10. The following equation applies:
  • Fig. 2 shows a schematic representation of a cross section through a first particularly simple embodiment of an electrostatically operating diaphragm pump according to the invention.
  • This diaphragm pump comprises the sub-unit 1 described in connection with FIG. 1 with its first and second pump bodies 2 and 3 and additionally a third pump body 12 which is connected to the second pump body 3 in an electrically conductive and sealing manner.
  • This connection can be made, for example, by soldering or eutectic bonding or gluing.
  • the third pump body 12 preferably also consists of a semiconductor material of the same type as that of the second pump body 3, for example of n-type silicon.
  • the first and the third pump bodies 2 and 12 each have an ohmic contact 13 and 14 on their outer surface, each of which is connected to a connection of a voltage source U.
  • the third pump body 12 has two through openings 15 and 16, of which the through opening 15 serves as a fluid inlet and the through opening 16 serves as a fluid outlet. Both through openings 15 and 16 taper in the direction of flow of the fluid.
  • check valve On the surface of the third pump body 12 facing the second pump body 3, a check valve is provided, which is formed by the passage opening 15 and the flap 17. On the free surface of the third A further check valve is provided in the pump body 12 and is formed by the passage opening 16 and the flap 18.
  • the term check valve generally refers to a device which is characterized by different flow behavior for different directions.
  • the third pump body 12 covers the recess 7 in the second pump body to form a cavity 19, the pump chamber.
  • a hose 20 is attached to the passage opening 15 for supplying a fluid, and a hose 21 for discharging a fluid is attached to the passage opening 16.
  • a suitable fluid line could also be attached in each case.
  • the periodic deflection of the membrane or the membrane area 6 described in connection with FIG. 1 leads to a periodic change in the pump chamber volume, which is compensated for by a liquid flow through the check valves 15, 16, 17, 18. Since the check valves 15, 16, 17, 18 each have a different flow characteristic in the flow or blocking direction, this leads to a pumping action in a defined direction.
  • the check valve 17 is opened and fluid flows into the pump chamber.
  • the check valve 18 remains closed.
  • the check valve 18 is opened and the check valve 17 is closed, so that a certain volume of fluid now flows out of the pump chamber.
  • the check valves in the third pump body 12 can be formed by passage openings which are formed by a membrane-like thin one Layer are spanned, which in turn has passage openings which are spaced from the passage opening by the pump body chip.
  • Such a structure can be produced, for example, by means of sacrificial layer technology.
  • These check valves can either be realized together on one pump body chip or on two separate pump body chips that are bonded to one another.
  • the membranes that span the passage openings can also be set back by surface recesses relative to the surface of the third pump body 12 and thus better protected.
  • FIG. 3a Another embodiment of the check valves in the context of the invention is shown in Fig. 3a.
  • the third pump body 12 of the diaphragm pump shown in FIG. 2 is formed by two identical sub-bodies 22a and 22b, which are connected head to head only in their edge area and middle area facing one another via a thin connecting layer 23.
  • the mutually facing surfaces of the two partial bodies 22a and 22b are spaced apart from one another.
  • connection layer 23 can be omitted.
  • the partial bodies 22a, 22b are glued to one another on their end faces.
  • Each of the two partial bodies 22a and 22b is provided with a passage opening 24a and 24b, which are designed similarly to the passage openings 15 and 16 of the third pump body 12. Furthermore, each of the two sub-bodies 22a and 22b is provided with a further passage opening 25a and 25b, which is particularly designed.
  • the further passage openings 25a and 25b are formed in the same way, so that only the description of one of the passage openings 25a is required.
  • the passage opening 25a comprises a truncated pyramid-shaped recess 26, preferably with a rectangular cross-section, which tapers in the direction of the free surface of the partial body 22a.
  • the partial body 22a On the side facing away from the partial body 22b, the partial body 22a has a total of four thin elastic connecting webs 27, only two of which are shown in section, which are formed in one piece with the partial body 22a and extend into the recess 26. These connecting webs 27 have a thickness dimension of approximately 0.5-30 ⁇ m.
  • a pressure difference across the two partial bodies 22a and 22b causes the lamella sections 28 to deflect in a direction essentially perpendicular to the main surface of the partial body 22a and 22b. If the lamella sections 28 of one of the passage openings 25a or 25a are pressed against the surface of the partial body 22a or 22b opposite their end faces 28, the flow resistance is increased or the flow is possibly interrupted, while in the other passage opening 25b or 25a a passage ⁇ flow takes place.
  • the electrical connection of the entire diaphragm pump can generally by bonding or the housing on the top of the first pump body and - because of the electrically conductive connection of the second and third pump body - on the underside of the third pump body.
  • the entire inside of the pump chamber 19 can be metallized and grounded via the contact on the third pump body. " This means that the medium to be pumped is not exposed to any electrostatic field during passage through the pump chamber 19. This can be important in medical applications.
  • valve flaps 28a, 28b are each integrally connected to the partial bodies 22a, 22b and arranged on the sides of these partial bodies 22a, 22b facing one another.
  • the partial bodies 22a, 22b can thus be etched together with the valve flaps 28a, 28b, wherein these valve structures can consist of identical semiconductor chips which are bonded head to head.
  • Each chip therefore has an area in which it is thinly etched to form the flap 28a, 28b with a typical flap thickness of 1 ⁇ m to 20 ⁇ m, and an area in which the opening 24a, 24b is etched through.
  • a flap of one chip is arranged above an opening of the other chip.
  • Typical lateral dimensions of the flaps 28a, 28b are 1 by 1 mm.
  • a typical opening size on the smaller side is 400 ⁇ m by 400 ⁇ m.
  • FIG. 8 shows a graphical representation of the flow rate of the pump body valve structure according to FIG. 3b as a function of the pressure difference. It can be seen that the valve structure according to FIG. 3b is characterized by a very high forward to backward ratio. This characteristic of the valve structure is particularly clear in the case of the flow-pressure difference dependency for small flow quantities shown on a different scale, which is inserted in FIG. 8.
  • FIG. 4 shows a further embodiment which is similar to the illustration shown in FIG. 1. Identical parts are identified by the same reference numerals.
  • the stroke volume of the membrane depends on the net pressure on the membrane area.
  • the electrostatically generated pressure and thus the operating voltage U are involved, on the other hand, the hydrostatic pressure difference ⁇ p that has to be overcome for the fluid to be pumped plays a role.
  • the stroke volume of the membrane or of the membrane area is therefore primarily dependent on ⁇ p at a fixed operating voltage, which is not desirable for many applications.
  • insulating elements 30 can be provided on the surface of the first pump body 2 acting as counterelectrode 2 which faces the membrane region 6 of the second pump body 3.
  • FIG Another embodiment of an electrostatic diaphragm pump according to the invention is shown in FIG in contrast to the diaphragm pump shown in FIG. 2, the fluid inlet opening and the fluid outlet opening are located on opposite sides of the diaphragm pump.
  • the diaphragm pump in FIG. 5 is generally designated 31 and has a first, a second and a third pump body 32, 33 and 34, respectively.
  • the first and second pump bodies 32 and 33 and the second and third pump bodies 33 and 34 are each connected to one another in their edge region via a connecting layer 35 and 36, respectively.
  • the distance between the respective pump bodies is determined by the thickness of the connecting layer 35 or 36.
  • the connection layer can consist, for example, of Pyrex glass or a solder.
  • the first pump body 32 is formed with an ohmic contact 37 and the third pump body with an ohmic contact 38 for connection to a voltage source.
  • the first pump body 32 has three through openings 39, 40 and 41, of which the first two correspond to the through openings 5 and 4 in the diaphragm pump in FIG. 2 and are designed in the same way.
  • the third passage opening 41 is also frustum-shaped and tapers in the direction of the second pump body 33.
  • a connecting layer area 42 which serves to delimit a chamber 43 for a dielectric fluid from the passage opening 41.
  • the second pump body 33 has a recess 44 on the side facing the third pump body 34, which corresponds to the recess 7 in the second pump body 3 in FIG. 2.
  • a thin, elastic membrane area 45 is defined by the recess 44.
  • the second pump body 33 is formed with a passage opening 46, which from of the recess 44 and is aligned with the passage opening 41 in the first pump body 32.
  • the passage opening 46 has the shape of a truncated pyramid and tapers in the direction of the first pump body 33.
  • the third pump body 34 has a passage opening 47 which is formed in the shape of a truncated pyramid and tapers in the direction of the second pump body 33.
  • the passage opening 47 is aligned with the passage opening 46 in the second pump body 33.
  • a rear recess 44 in the second pump body 33 and the surface of the third pump body 34 facing the second pump body 33 define a pump chamber 48.
  • a recess is formed in the third pump body 34 on the side of the pump chamber 48 adjacent to the passage opening 46, as a result of which a connecting channel 49 is defined between the pump chamber 48 and the region of the passage opening 46.
  • This connecting channel 49 serves to facilitate the passage of the fluid to be pumped from the pump chamber 48 to the region of the passage opening 46 during pumping.
  • a feed hose 50 is fastened to the passage opening 47 serving as the fluid inlet opening.
  • a discharge hose 51 is attached to the passage opening 41 serving as the fluid outlet opening.
  • the passage opening 47 in the third pump body 34 is provided with a check valve 52.
  • the passage opening 46 in the second pump body 33 is provided with a check valve 53.
  • the first pump body 32 which acts as a counter electrode, preferably consists of a semiconductor substrate of the p-type polished on one side
  • the second pump body 33 consists of a semiconductor substrate of the n-type and polished on both sides the third pump body 34 made of a single-sided polished n-type semiconductor substrate.
  • the diaphragm pump according to FIG. 6 is generally designated by reference numeral 60 and comprises a first and second pump body 61, 62 and a cover plate 63.
  • the first pump body 61 has two through openings 64, 65 for the fluid to be pumped and two Passage openings 66, 67 for the reinforcing fluid with the high dielectric constant, the latter connecting to the cavity 68.
  • Below the cavity 68 is a membrane area 69 of the second pump body 62.
  • the two pump bodies 61, 62 are connected to one another both at their peripheral areas and at edge areas of the cavity 68 by a connecting layer 70.
  • the second pump body 62 together with the cover plate 63, defines a pump chamber 71 which on the one hand extends to the membrane area 69 and on the other hand merges into passage openings 72, 73.
  • the first pump body 61 carries in the region of its second passage opening 65 a first valve flap which, together with the passage opening 65, forms a check valve.
  • the second pump body carries a second valve flap 75 which, together with its second passage opening 73, forms a further check valve.
  • the two fluid connections 76, 77 connect to the first and second passage openings 64, 65 of the first pump body 61.
  • FIG. 7 shows a modification of the embodiments according to FIG. 1.
  • Parts of the embodiment according to FIG. 7 which correspond to FIG. 1 are again identified by the same reference numerals.
  • the embodiment according to FIG. 7 differs essentially from that according to FIG. 1 in that the membrane region 6 of the second pump body 3 and the opposite counter-electrode region 11 of the first pump body 2 are structured in a rib-like or comb-like manner in cross section.
  • the membrane pump has a liquid in the cavity, which is acted upon as a fluid medium by the electric field, and pumps a liquid, a gas, such as e.g. Air, and / or a gas to be pumped instead of the liquid to be pumped.
  • a liquid such as e.g. Air
  • a gas such as e.g. Air
  • the cavity can be filled with a fluid medium whose relative dielectric constant is 1 or less than 1 . Air is considered as a fluid medium.

Abstract

Es ist eine elektrostatisch betriebene Mikromembranpumpe (1) mit einem ersten Pumpenkörper (2; 32) als Gegenelektrodenkörper, und einem zweiten Pumpenkörper (3; 33), der einen Membranbereich (6) aufweist, beschrieben. Die beiden Pumpenkörper (2, 32; 3, 33) legen einen an den Membranbereich (6) angrenzenden Hohlraum (10) miteinander fest und sind elektrisch voneinander isoliert. Der Hohlraum (10) ist mit einem von dem zu pumpenden Fluid verschiedenen Medium gefüllt. Die Pumpenkörper (2, 32; 3, 33) können aus einem Halbleitermaterial von unterschiedlichen Ladungstypen bestehen. Das sich in dem Hohlraum befindende Medium besitzt bevorzugt eine große Dielektrizitätskonstante.

Description

Mikrominiaturisierte, elektrostatisch betriebene
Mikromembranpumpe
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikrominiaturisier¬ te, elektrostatisch betriebene Mikromembranpumpe gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2.
Es sind bereits eine Reihe von mikrominiaturisierten Mem¬ branpumpen bekannt. In der Fachveröffentlichung F.CM. van de Pol, H.T.G. van Lintel, M. Elwsenspoek and J.H.J. Fluit- man "A Thermo-Pneumatic Micropump Based on Micro-Engineering Techniques", Sensors and Actuators, A21-A23 (1990) S. 198- 202 ist eine thermopneumatisch angetriebene Mikromembran¬ pumpe beschrieben. Die Realisierung eines solchen Antriebes ist sehr aufwendig.
Piezoelektrisch angetriebene Membranpumpen sind in den Fach¬ veröffentlichungen F.CM. van de Pol, H.T.G. van Lintel, S. Bouwstra, "A Piezoelektric Micropump Based on Micromachining of Silicon", Sensors and Actuators, 19 (1988) S.153-167 und M.Esashi, S.Shoji and A.Nakano,"Normally close Microvalve and Micropump11, Sensors and Actuators,20 (1989), 163-169 nä¬ her erläutert.
Die Realisierung dieser Antriebe enthält Herstellungsschrit¬ te, die nicht zu den Standardtechnologieschritten der Halb¬ leitertechnologie gehören, wie beispielsweise das Aufkleben eines Piezofil s oder eines Piezostacks, so daß die Herstel¬ lungskosten hoch sind.
Aus der EP-Al-03 92 978 ist bereits eine mikrominiaturisier- bare Membranpumpe bekannt, die eine äußere Membrane hat, welche durch ein Piezoelement deformierbar ist. Eine innere Pumpkammer der Mikropumpe ist durch eine Trennwand unter¬ teilt, innerhalb der Ventilstrukturen angeordnet sind. Die Ventilstrukturen sind Bestandteil von Anschlägen, die die Bewegung der Membran gegenüber der Trennwand bzw. gegenüber dem restlichen Pumpenkörper zur Festlegung einer pro Pump¬ zyklus konstanten Pumpmenge begrenzen.
Aus der WO 90/15929 ist eine weitere Mikropumpe bekannt, die der soeben gewürdigten Mikropumpe von ihrer Struktur her weitgehend entspricht.
Aus der DE 40 06 152 AI ist eine Mikropumpe mit einem ersten Pumpenkörper und einem einen Membranbereich aufweisenden zweiten Pumpenkörper, die jeweils elektrisch leitfähige Elektrodenbereiche aufweisen, welche mit einer Spannungs¬ quelle verbindbar und elektrisch voneinander isoliert sind, wobei die beiden Pumpenkörper einen an den Membranbereich angrenzenden Pumpenraum miteinander festlegen, bekannt. Die Pumpleistung dieser Mikropumpe vermag nicht in allen Fällen zu befriedigen. Die Beaufschlagung der zu pumpenden Flüssig¬ keit mit einem elektrischen Feld ist in manchen Fällen uner¬ wünscht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mikrominiatu¬ risierte Mikromembranpumpe der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegeben Gattung zu schaffen, bei der die zu pumpende Flüssigkeit nicht oder nur in geringem Maße mit einem elek¬ trischen Feld beaufschlagt wird.
Diese Aufgabe wird bei einer mikrominiaturisierten Mikromem¬ branpumpe der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art durch die im Kennzeichen dieses Anspruches genannten Merkmale gelöst.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine mikrominiaturisierte Mikromembranpumpe der im Oberbegriff des Anspruches 2 angegeben Gattung zu schaffen, die einfach und kostengünstig herzustellen ist und eine hohe Pumpleistung hat.
Diese Aufgabe wird bei einer mikrominiaturisierten Mikromem¬ branpumpe der im Oberbegriff des Anspruches 2 angegebenen Art durch die im Kennzeichen dieses Anspruches genannten Merkmale gelöst.
Im Rahmen der Erfindung wird ein neuartiges elektrostati¬ sches Antriebsprinzip für mikrominiaturisierte Membranpumpen angegeben, das sich durch einen äußerst einfachen Aufbau auszeichnet und sich mit den gängigen Methoden der Halblei¬ tertechnologie realisieren läßt.
Bei der erfindungsgemäßen Mikromembranpumpe wird vermieden, daß das zu pumpende Medium der Wirkung des zum Antrieb notwendigen elektrostatischen Feld ausgesetzt ist, so daß die erfindungsgemäße Mikromembranpumpe auch für den Einsatz zur Dosierung von Medikamenten verwendet werden kann, die unter Einwirkung von elektrostatischen Feldern dissoziieren.
Die Mikromembranpumpe ist dabei sowohl in der Lage, Flüs¬ sigkeiten und/oder Gase zu transportieren, als auch bei verschwindendem Durchfluß einen hydrostatischen Druck zu erzeugen.
Die Mikromembranpumpe nach der Erfindung läßt sich, was einen großen Vorteil darstellt, mit den bekannten Methoden der Halbleitertechnik herstellen. Ein weiterer Vorteil bei der Mikromembranpumpe nach der Erfindung besteht darin, daß sie zur Förderung von Fluiden beliebiger Leitfähigkeit eingesetzt werden kann.
Typische Einsatzgebiete der Mikromembranpumpe nach der Er¬ findung sind zum Beispiel das genaue Dosieren von Flüssig¬ keiten im Mikroliter- bzw. Sub- Mikroliter-Bereich in der Medizin oder auf technischen Gebieten, wie zum Beispiel im Maschinenbau. Nach einem ersten Erfindungsaspekt umfaßt die Mikromembran¬ pumpe einen Hohlraum, der durch die beiden Pumpenkörper definiert wird und an den Membranbereich angrenzt, welcher mit einem von dem zu pumpenden Fluid räumlich getrennten Fluidmedium gefüllt ist. Vorzugsweise weist der Hohlraum zu¬ mindest eine Öffnung auf, durch die dieses Medium austreten kann. Nach einem zweiten Erfindungsaspekt umfaßt die Mikro¬ membranpumpe einen Hohlraum, der durch die beiden Pumpenkör¬ per definiert wird und an den Membranbereich angrenzt, wel¬ cher mit einem von dem zu pumpenden Fluid räumlich getrenn¬ ten Fluidmedium gefüllt ist, welches eine relative Dielek¬ trizitätskonstante hat, die größer als 1 ist. Vorzugsweise weist der Hohlraum zumindest eine Öffnung auf, durch die dieses Medium austreten kann. Das Medium, welches auch als Verstärkungsflüssigkeit oder Verstärkungsgas bezeichnet werden kann, hat vorzugsweise eine möglichst hohe relative .Dielektrizitätskonstante, um hierdurch eine möglichst große Kraft herbeizuführen, die durch Anlegen einer Spannung an die beiden Pumpenkörper auf den Membranbereich wirkt.
Das Fluid kann bei der Gehäusung der Mikromembranpumpe ein¬ geschlossen werden und kommt somit nicht zwangsläufig in Kontakt mit der Umgebung. Bei dem Einschluß des Fluids in dem Gehäuse ist zu beachten, daß bei Verwendung einer Flüs¬ sigkeit diese aufgrund ihrer verschwindenden Kompressibili¬ tät nicht den ganzen Hohlraum in der Gehäusung ausfüllen darf, da sonst ein Entweichen der Flüssigkeit aus dem Zwi¬ schenraum zwischen dem ersten und dem zweiten Pumpenkörper (Membranbereich/Gegenelektrodenkörper) nicht mehr möglich ist und sich die Membran aufgrund des von der Flüssigkeit aufgebauten Gegendrucks nicht mehr bewegen würde. In Abwei¬ chung von der soeben beschriebenen Ausführungsform, bei der der erfindungsgemäßen Mikromembranpumpe nicht vollständig durch die Verstärkungsflüssigkeit gefüllt ist, kommen auch Ausführungsformen in Betracht, bei denen der Hohlraum voll¬ ständig mit der Verstärkungsflüssigkeit gefüllt ist, wobei jedoch in diesem Fall die Öffnung des Hohlraumes mit einer äußerst flexiblen weiteren Membran, die beispielsweise durch eine Gummihaut gebildet sein kann, gegenüber der Umgebungs- athmosphäre abgeschlossen ist. Ebenfalls kann die Pumpe mit einem Verstärkungsgas mit einer Dielektrizitätskonstante, die größer als 1 ist, betrieben werden.
Eine oder mehrere Durchtrittsöffnungen in dem Gegenelektro¬ denkörper sorgen dafür, daß bei Verwendung einer Flüssigkeit zur Verstärkung diese ohne großen Widerstand in den und aus dem Zwischenraum zwischen dem ersten und dem zweiten Pumpen¬ körper (Membranbereich/Gegenelektrodenkörper) strömen kann. Eine erhöhte Pumpfrequenz der erfindungsgemäßen elektro¬ statischen Mikromembranpumpe kann dadurch herbeigeführt werden, daß das Abfließen der Verstärkungsflüssigkeit durch KanalStrukturen in der Membran oder den der Membran gegen¬ überliegenden Pumpenkörper in Richtung der Durchtrittsöff¬ nung erleichtert wird.
Der physikalische Effekt, daß Dielektrika mit großer relati¬ ver Dielektrizitätskonstanten in einem Kondensator die Di¬ elektrika mit kleinerer Dielektrizitätskonstanten verdrän¬ gen, sorgt dafür, daß die Flüssigkeit von selbst den Zwi¬ schenraum zwischen dem ersten und dem zweiten Pumpenkörper (Membran/Gegenelektrode) auffüllt, sofern nur eine der oben erwähnten Durchtrittsöffnungen in Kontakt mit der Flüssig¬ keitsfüllung ist. Dieser Füllvorgang kann durch eine geeig¬ nete Oberflächenbeschichtung des ersten und des zweiten Pum¬ penkörpers zumindest in den mit der Flüssigkeit in Berührung kommenden Teilen des Membranbereiches und des dritten Pum¬ penkörpers als Gegenelektrode noch zusätzlich erleichtert werden.
Der zusätzliche Aufwand beim Einsatz zusätzlichen Fluids in dem Hohlraum im Zusammenhang mit der dazu erforderlichen Ge¬ häusetechnik ist also relativ gering.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes er¬ geben sich aus den Unteransprüchen. Der Erfindungsgegenstand wird im folgenden anhand von Aus¬ führungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen nä¬ her erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung zur Erläuterung des Arbeitsprinzips einer elektrostatischen Mikro¬ membranpumpe nach der Erfindung;
Fig. 2 in schematischer Darstellung einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform einer elektrostatisch be¬ triebenen Mikromembranpumpe nach der Erfindung;
Fig. 3a eine Schnittdarstellung eines aus zwei Teilpumpen¬ körpern, die mit Ventilen ausgebildet sind, zusam¬ mengesetzten dritten Pumpenkörpers;
Fig. 3b Eine Schnittdarstellung einer alternativen Ausfüh¬ rungsform zu der Pumpenkörperstruktur gemäß Fig. 3a;
Fig. 4 eine andere Ausgestaltung eines ersten Pumpenkör¬ pers;
Fig. 5 eine schematische Schnittdarstellung einer anderen Ausführungsform einer elektrostatischen Mikromem¬ branpumpe nach der Erfindung;
Fig. 6 eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer elektrostatischen Mikromem¬ branpumpe nach der Erfindung;
Fig. 7 eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß Fig 1; und
Fig. 8 eine graphische Darstellung des Zusammenhanges zwi¬ schen Durchflußmenge und Druckdifferenz für die vewendeten Ventile bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3b. Die Fig. 1 zeigt eine allgemein mit 1 bezeichnete Teilein¬ heit einer mikrominiaturisierten Membranpumpe mit elektro¬ statischem Antrieb nach der Erfindung. Ein erster, als Gegenelektrode dienender Pumpenkörper 2 ist oberhalb eines zweiten Pumpenkörpers 3 angeordnet und fest mit diesem ver¬ bunden. Beide Pumpenkörper 2 und 3 bestehen bevorzugt aus Halbleitermaterialien von unterschiedlichen Ladungsträger¬ typen. So kann der erste Pumpenkörper 2 zum Beispiel aus Silizium vom p-Typ bestehen, wobei der zweite Pumpenkörper 3 dann aus Silizium vom n-Typ hergestellt ist.
Der zweite Pumpenkörper 3 ist auf der zu dem ersten Pumpen¬ körper 2 weisenden Oberfläche mit einer Dielektrikumschicht überzogen.
Der zweite Pumpenkörper 3 weist an seiner von dem ersten Pumpenkörper 2 fortweisenden Seite eine pyramidenstumpfför- ige Ausnehmung 7 auf, durch die ein dünner, elastischer Membranbereich 6 mit geringer Dickenabmessung geschaffen wird. Die Ausnehmung 7 kann durch fotolithographisches Fest¬ legen einer rückseitigen Ätzöffnung und anschließendes an¬ isotropes Ätzen erzeugt werden.
Der erste Pumpenkörper 2 weist zwei sich in Richtung seiner Dickenabmessung erstreckende und hindurchgehende Durch¬ trittsöffnungen 4 und 5 auf. Diese beiden Durchtrittsöffnun¬ gen 4 verjüngen sich in Richtung zu dem zweiten Pumpenkörper 3.
Der erste und der zweite Pumpenkörper 2 und 3 sind in ihrem Randbereich über eine Verbindungsschicht 9 unter Bildung ei¬ nes Raumes 10 dichtend miteinander verbunden. Die Verbin¬ dungsschicht 9 kann zum Beispiel aus Pyrex-Glas bestehen. Die Verbindung kann durch Anodic-Bonding oder durch Kleben erfolgen. Der Abstand dl zwischen den beiden zueinander wei¬ senden Oberflächen des ersten und des zweiten Pumpenkörpers 2 und 3 sollte ungefähr im Bereich von 1 bis 20 Mikrometer liegen. Der Raum 10 zwischen dem ersten und dem zweiten Pumpenkörper 2 und 3 wird mit einem flüssigen Medium mit einer geeignet hohen Dielektrizitätskonstanten soweit ge¬ füllt, daß sich die Flüssigkeit bis in die Durchtrittsöff¬ nungen 4 und 5 oder über diese hinaus erstreckt.
Obgleich hier nur für den zweiten Pumpenkörper 3 angegeben, könnte auch der erste Pumpenkörper 2 oder es könnten auch beide Pumpenkörper 2 und 3 mit einer passivierenden Dielek¬ trikumsschicht 8 mit einer Gesamtdicke d2 und der relativen Dielektrizitätskonstante e2 überzogen sein, beispielsweise um elektrische Durchbrüche zu verhindern. Das Dielektrikum kann ferner auch die Funktion erfüllen, die Oberflächenspan¬ nung der beiden Pumpenkörper 2 und 3 an den einander zuge¬ wandten Oberflächen für eine bestimmte Flüssigkeit günstig zu gestalten.
An seiner Oberfläche ist der erste Pumpenkörper 2 mit einem Ohm'sehen Kontakt 11 und der dritte Pumpenkörper 3 mit einem Ohm/sehen Kontakt 11' versehen. Diese beiden Kontakte 11 und 11 r werden mit den Anschlußklemmen einer Spannungsquelle U verbunden.
Durch Anlegen einer elektrischen Spannung U zwischen dem Pumpenkörper 3, der den Membranbereich 6 aufweist, und dem ersten Pumpenkörper 2, der als Gegenelektrode dient, werden auf diesen Ladungen erzeugt, die sich gegenseitig anziehen. Die Polarität der Spannung ist dabei bevorzugt so, daß auf dem p-Typ-Halbleiter positive und auf dem n-Typ-Halbleiter negative Ladungen erzeugt werden. Die Größe der so erzeugten Flächenladungsdichte auf dem ersten Pumpenkörper 2 und auf dem zweiten Pumpenkörper 3 mit seinem Membranbereich 6 ist durch die Kapazität pro Fläche der gesamten Teileinheit 1 gegeben und führt über die Anziehungskraft zwischen den La¬ dungen zu einem elektrostatisch erzeugten Druck pel auf den Membranbereich 6 des zweiten Pumpenkörpers 3. Es gilt: eo_ ι U2 e2d. pel = • [ ] 2 ( i )
Figure imgf000011_0001
et ist dabei die relative Dielektrizitätskonstante des Me¬ diums im Zwischenraum zwischen dem Membranbereich 6 des zweiten Pumpenkörpers 3 und dem ersten Pumpenkörper 2 und e2 die Dielektrizitätskonstante einer möglichen Passivierungs- schicht 8.
Aus dieser Gleichung (1) läßt sich ableiten, daß sich der elektrostatisch erzeugte Druck auf den Membranbereich 6 durch die geeignete Wahl eines Mediums mit großer relativer Dielektrizitätskonstante e1 und hoher elektrischer Durch- bruchfeidstärke entscheidend verstärken läßt, (mit Methanol beispielsweise um den Faktor e, *-*=• 32) . Das im allgemeinen flüssige Medium im Bereich zwischen Membranbereich 6 und zweiten Pumpenkörper 3 ist im allgemeinen von dem zu pumpen¬ den Medium verschieden und muß vor allem noch eine weitere Bedingung hinsichtlich seiner Leitfähigkeit erfüllen. Ein zu geringer spezifischer Widerstand des Mediums führt zu einem raschen Abbau des zur Druckerzeugung benutzten elek¬ trostatischen Feldes zwischen Membranbereich und erstem Pumpenkörper als Gegenelektrode innerhalb der charakteri¬ stischen Zeit T, mit
T = e0 (e, + e2 ) ( 2 ) d2
Die in dem ersten Pumpenkörper 2 ausgebildeten Durchtritts¬ öffnungen 4 und 5 sorgen dafür, daß die Flüssigkeit aus dem Raum zwischen dem Membranbereich 6 des zweiten Pumpenkörpers 3 und dem ersten Pumpenkörper 2 ungehindert wegströmen kann und somit auf den Membranbereich 6 keinen Gegendruck ausübt, der eine Bewegung des Membranbereiches 6 aufgrund des elek¬ trostatisch erzeugten Druckes verhindern würde. Weiter erkennt man aus Gleichung ( l ) , daß die Dicke d2 einer möglichen Passivierungsschicht 8 eine bestimmte Größe nicht überschreiten sollte (e*ιd2 < e2d1 ) .
Typische Größen von auf den Membranbereich 6 erzeugbaren Drücken liegen im Fall von Methanol als verstärkendem Medium (e.,=32) bei einem Abstand von d.,=5 um und einer Betriebs¬ spannung U= 50 V für e.*d2 « e-d.* bei etwa 10000 Pa, was einem hydrostatischen Druck von etwa 1 m Wassersäule entspricht und damit größer ist als bei Membranen, die bisher piezo¬ elektrisch oder thermopneumatisch angetrieben wurden. Durch eine weitere Erhöhung der Betriebsspannung U und der Wahl eines anderen verstärkenden Mediums lassen sich auch noch höhere Drücke auf die Membran erzeugen. Ein derartiger Net¬ todruck auf eine etwa 25 μm dicke Siliciummembran mit den Seitenabmessungen von 3 mm x 3 mm führt zu einer maximalen Membranauslenkung von etwa 5 μm, was über den gesamten Mem¬ branbereich einer Volumenverdrängung von etwa 0.02 μl ent¬ spricht.
Der elektrostatisch auf den Membranbereich erzeugte Druck wird durch deren Verformung praktisch in der Membran gespei¬ chert und führt nach Abschalten der Spannung U dazu, daß sich die Membran wieder in ihre Ausgangslage zurückstellt.
Durch Änderung der Membrandicke und deren Seitenabmessungen lassen sich auch im Bezug auf eine bestimmte Betriebsspan¬ nung andere Schlagvolumina erzeugen.
Durch das Anlegen einer periodischen elektrischen Spannung (vorzugsweise in der Form von Rechteckpulsen) an den ersten Pumpenkörper 2 als Gegenelektrode und den zweiten Pumpenkör¬ per 3 mit seinem Membranbereich 6, deren maximale Frequenz durch die später beschriebene Durchlaßcharakteristik der Ventile an der Membranpumpe bestimmt ist, erreicht man also eine periodische Verdrängung eines bestimmten Schlagvolu- mens, was das Hauptmerkmal einer Membranpumpe darstellt. Von großem Vorteil bei der Dosierung von kleinen Flüssig¬ keitsmengen ist ein Schlagvolumen der Pumpe, das möglichst nicht oder nur sehr wenig von dem für die Flüssigkeit zu überwindenden Gegendruck abhängt. Die nachfolgend erläuter¬ ten Eigenschaften der erfindungsgemäßen elektrostatischen Membranpumpe bewirken auf eine sehr elegante Weise ein kon¬ stantes Schlagvolumen.
Der Membranantrieb der Pumpe gemäß Fig. 1 kann als Serien¬ schaltung von zwei oder mehreren Kapazitäten C,, C2 betrach¬ tet werden. Dies ist ersichtlich, wenn in man in Fig. 1 die Grenzfläche zwischen der Isolationsschicht 8 und dem mit der Flüssigkeit gefüllten Hohlraum 10 als fiktive Kondensator¬ platte betrachtet. Die Kapazität C2 wird dabei durch die Isolationsschicht 8, die Kapazität C- durch das flüssige Medium im Hohlraum 10 repräsentiert. Hierbei gilt folgende Gleichung:
C2 e2 • d,
Figure imgf000013_0001
C1+ C2 1*d2 + e2'd1
Für eine Bewegung der Membran zählt nur der Anteil U1 der von außen angelegten Spannung U0, der an der Kapazität C* abfällt, was nach Gleichung (3) zu der Bedingung e.,d2 « e2'd1 führt (an der kleineren der beiden Kapazitäten fällt der größte Teil der Spannung U0 ab) . Nähert sich die Membran aber nun der Gegenelektrode, so wird dl kleiner und es gibt einen kritischen Abstand d.*, bei dem e.,d2 = e2d1 gilt. Bei der weiteren Annäherung der Membran fällt nun der weitaus größte Teil der Spannung U0 an der Isolationsschicht 8 ab, und geht dabei als treibende Kraft für eine weitere Membranbewegung verloren.
Bei dieser Art von elektrostatischem Antrieb wird also die Membran nur bis zu einem bestimmten, kritischen Abstand dl ausgelenkt, was einem definerten Schlagvolumen entspricht. Durch eine Anpassung der Dicke der Isolationsschicht 8 kann also bei genügend hohen Betriebsspannungen U0 bis zu einem bestimmten maximalen zu überwindenden Gegendruck p ein druckunabhängiges Schlagvolumen erreicht werden, was für die genaue Dosierung von Flüssigkeiten einen großen Vorteil darstellt.
Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung einen Querschnitt durch eine erste besonders einfache Ausführungsform einer elektrostatisch arbeitenden Membranpumpe nach der Erfindung. Diese Membranpumpe umfaßt die im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschriebene Teileinheit 1 mit ihrem ersten und zweiten Pumpenkörper 2 bzw. 3 und zusätzlich einen dritten Pumpen¬ körper 12, der mit dem zweiten Pumpenkörper 3 elektrisch leitend und abdichtend verbunden ist. Diese Verbindung kann zum Beispiel durch Löten oder eutektisches Bonden oder Kle¬ ben hergestellt sein. Der dritte Pumpenkörper 12 besteht be¬ vorzugt ebenfalls aus einem Halbleitermaterial vom gleichen Typ wie dasjenige des zweiten Pumpenkörpers 3, so zum Bei¬ spiel aus Silizium vom n-Typ.
Der erste und der dritte Pumpenkörper 2 und 12 besitzen je¬ weils auf ihrer Außenfläche einen Ohm'sehen Kontakt 13 bzw. 14, der jeweils mit einem Anschluß einer Spannungsquelle U verbunden ist.
Der dritte Pumpenkörper 12 weist zwei Durchtrittsöffnungen 15 und 16 auf, von denen die Durchtrittsöffnung 15 als ein Fluideinlaß und die Durchtrittsöffnung 16 als ein Fluidaus- laß dient. Beide Durchtrittsöffnungen 15 und 16 verjüngen sich in Strömungsrichtung des Fluids.
Auf der zu dem zweiten Pumpenkörper 3 weisenden Oberfläche des dritten Pumpenkörpers 12 ist ein Rückschlagventil vorge¬ sehen, welches durch die Durchtrittsöffnung 15 und die Klap¬ pe 17 gebildet ist. Auf der freien Oberfläche des dritten Pumpenkörpers 12 ist ein weiteres Rückschlagventil vorgese¬ hen, das durch die Durchtrittsöffnung 16 und die Klappe 18 gebildet ist. Mit dem Ausdruck Rückschlagventil wird hier allgemein eine Einrichtung bezeichnet, die unterschiedliche Durchflußverhalten für unterschiedliche Richtungen ausge¬ zeichnet ist.
Der dritte Pumpenkörper 12 überdeckt die Ausnehmung 7 in dem zweiten Pumpenkörper unter Bildung eines Hohlraumes 19, der Pumpenkammer.
An der freien Oberfläche des dritten Pumpenkörpers 12 ist ein Schlauch 20 an der Durchtrittsöffnung 15 zum Zuführen eines Fluids und an der Durchtrittsöffnung 16 ein Schlauch 21 zum Abführen eines Fluids angebracht. Statt eines Schlau¬ ches könnte auch jeweils eine geeignete Fluidleitung ange¬ bracht sein.
Die im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschriebene periodische Auslenkung der Membran bzw. des Membranbereiches 6 führt zu einer periodischen Änderung des PumpkammerVolumens, das durch eine Flüssigkeitsströmung durch die Rückschlagventile 15, 16, 17, 18 jeweils ausgeglichen wird. Da die Rückschlag¬ ventile 15, 16, 17, 18 in Durchfluß- bzw. Sperrichtung je¬ weils eine unterschiedliche Durchflußcharakteristik be¬ sitzen, führt dies zu einer Pumpwirkung in eine definierte Richtung. So wird bei einem Fluidunterdruck in der Pumpkam¬ mer das Rückschlagventil 17 geöffnet und Fluid strömt in die Pumpkammer. Das Rückschlagventil 18 bleibt geschlossen. Bei einer anschließenden Verringerung des Pumpkammervolumens und einer dadurch bedingten Druckerhöhung wird das Rückschlag¬ ventil 18 geöffnet und das Rückschlagventil 17 geschlossen, so daß nun ein gewisses Fluidvolumen aus der Pumpkammer aus¬ strömt.
Gemäß einer einfachen Ausführungsform können die Rückschlag¬ ventile im dritten Pumpenkörper 12 durch Durchtrittsöffnun¬ gen gebildet werden, die durch eine membranartige dünne Schicht überspannt werden, die ihrerseits Durchtrittsöffnun¬ gen aufweist, die von der Durchtrittsöffnung durch den Pum¬ penkörper-Chip beabstandet sind.
Eine derartige Struktur kann beispielsweise durch Sacrifi- cial-layer-Technologie hergestellt werden. Diese Rückschlag¬ ventile können entweder beide zusammen auf einem Pumpenkör¬ per-Chip realisiert werden, oder auf zwei separaten Pumpen¬ körper-Chips, die aufeinandergebondet werden. Die Membranen, die die Durchtrittsöffnungen überspannen, können auch durch Flächenausnehmungen relativ zur Oberfläche des dritten Pumpenkörpers 12 zurückgesetzt sein und so besser geschützt werden.
Eine andere Ausgestaltung der Rückschlagsventile im Rahmen der Erfindung ist in Fig. 3a dargestellt. Der dritte Pumpen¬ körper 12 der in Fig. 2 gezeigten Membranpumpe wird bei die¬ ser Ausgestaltung durch zwei identische Teilkörper 22a und 22b gebildet, die über eine dünne Verbindungsschicht 23 nur in ihrem Randbereich und Mittenbereich Kopf auf Kopf einan¬ der zugewandt verbunden sind. In dem von der Schicht 23 um¬ gebenen inneren Bereich sind die zueinander weisenden Ober¬ flächen der beiden Teilkörper 22a und 22b von einander beab¬ standet.
Die Verbindungsschicht 23 kann entfallen. In diesem Fall werden die Teilkörper 22a, 22b an ihren Stirnflächen mitein¬ ander verklebt.
Jeder der beiden Teilkörper 22a und 22b ist mit einer Durch¬ trittsöffnung 24a bzw. 24b versehen, die ähnlich wie die Durchtrittsöffnungen 15 und 16 des dritten Pumpenkörpers 12 ausgebildet sind. Ferner ist jeder der beiden Teilkörper 22a und 22b mit einer weiteren Durchtrittsöffnung 25a bzw. 25b versehen, die besonders ausgestaltet ist. Die weiteren Durchtrittsöffnungen 25a bzw. 25b sind in der gleichen Weise ausgebildet, so daß nur die Beschreibung einer der Durch- trittsöffnungen 25a erforderlich ist. Die Durchtrittsöffnung 25a umfaßt eine pyramidenstumpfför- mige Ausnehmung 26 mit bevorzugt einem rechteckigen Quer¬ schnitt, die sich in Richtung zu der freien Oberfläche des Teilkörpers 22a verjüngt. Auf der von dem Teilkörper 22b fortweisenden Seite weist der Teilkörper 22a insgesamt vier dünne elastische Verbindungsstege 27 auf, von denen nur zwei im Schnitt dargestellt ist, welche einstückig mit dem Teil¬ körper 22a ausgebildet sind und sich in die Ausnehmung 26 erstrekken. Diese Verbindungsstege 27 haben eine Dicken¬ abmessung von etwa 0,5 - 30 μ . An den in die Ausnehmung 26 vorstehenden freien Randbereich eines jeden Verbindungsste¬ ges 27 schließt jeweils einstückig ein Lamellenabschnitt 28 an, der sich in Richtung zu dem Teilkörper 22b erstreckt. Mithin ergeben sich vier Lamellenabschnitte, die beiden im Schnitt dargestellten Lamellenabschnitte 28 und die beiden nicht gezeigten, die insgesamt so angeordnet sind, daß sie sich einander nähernd verlaufen, wobei ihre Stirnendflächen 29 in der Ebene der zu dem Teilkörper 22b weisenden Oberflä¬ che des Teilkörpers 22b zu liegen kommen.
Eine Druckdifferenz quer über die beiden Teilkörper 22a und 22b bewirkt wegen der dünnen Verbindungsstege 27 eine Aus¬ lenkung der Lamellenabschnitte 28 in einer zu der Hauptflä¬ che des Teilkörpers 22a bzw. 22b im wesentlichen senkrechten Richtung. Wenn die Lamellenabschnitte 28 einer der Durch¬ trittsöffnungen 25a oder 25a gegen die Oberfläche des ihren Stirnendflächen 28 gegenüberliegenden Teilkörpers 22a bzw. 22b gedrückt werden, so wird der Durchflußwiderstand erhöht oder der Durchfluß gegebenenfalls auch unterbrochen, während bei der anderen Durchtrittsöffnung 25b oder 25a ein Durch¬ fluß erfolgt.
Bei einer anderen Querschnittsform, zum Beispiel einer drei¬ eckigen ist eine entsprechende Anzahl von Verbindungsstegen und Lamellenbereichen vorgesehen.
Die elektrische Kontaktierung der gesamten Membranpumpe kann generell durch Bonden oder die Gehäusung an der Oberseite des ersten Pumpenkörpers und - wegen der elektrisch leiten¬ den Verbindung von zweitem und drittem Pumpenkörper - an der Unterseite des dritten Pumpenkörpers erfolgen.
Die gesamte Innenseite der Pumpkammer 19 kann metallisiert und über die Kontaktierung am dritten Pumpenkörper geerdet sein." Dies führt dazu, daß das zu pumpende Medium während des Durchganges durch die Pumpkammer 19 keinem elektrostati¬ schen Feld ausgesetzt ist. Dies kann bei medizinischen An¬ wendungen von Bedeutung sein.
Fig. 3b zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß Fig. 3a. In den beiden Figuren sind übereinstimmende Teile mit übereinstimmenden Bezugszeichen bezeichnet, so daß deren nochmalige Erläuterung unterbleiben kann. Bei der Ausfüh¬ rungsform gemäß Fig. 3b entfallen die Verbindungsstege 27 und Lamellenabschnitte 28 der Ausführungsform gemäß Fig. 3a. Stattdessen sind Ventilklappen 28a, 28b jeweils einstückig mit den Teilkörpern 22a, 22b verbunden und auf den einander zugewandten Seiten dieser Teilkörper 22a, 22b angeordnet. Somit können die Teilkörper 22a, 22b zusammen mit den Ven¬ tilklappen 28a, 28b geätzt werden, wobei diese Ventilstruk- turen aus identischen Halbleiterchips bestehen können, die Kopf auf Kopf gebondet werden. Jeder Chip besitzt daher einen Bereich, in dem er zu der Klappe 28a, 28b mit einer typischen Klappendicke von 1 μm bis 20 μm dünn geätzt wird, und einem Bereich, dem die Öffnung 24a, 24b durchgeätzt ist. Nach dem Bonden der beiden Chips ist jeweils eine Klappe des einen Chips über einer Öffnung des anderen Chips angeordnet. Typische laterale Abmessungen der Klappen 28a, 28b liegen bei l mal 1 mm. Eine typische Öffnungsgröße auf der kleine¬ ren Seite liegt bei 400 μm mal 400 μm.
Die beiden Klappen 28a, 28b sind sehr elastisch, so daß sie je nach der Richtung des auf sie wirkenden Drucks einmal auf die Öffnung 24a, 24b gedrückt werden und einmal von dieser weggedrückt werden. In der Fig. 8 ist eine graphische Darstellung der Durchflu߬ menge der Pumpenkörper-Ventilstruktur gemäß Fig. 3b in Ab¬ hängigkeit von der Druckdifferenz wiedergegeben. Man er¬ kennt, daß sich die Ventilstruktur gemäß Fig. 3b durch ein sehr hohes Vorwärts- zu Rückwärts-Verhältnis auszeichnet. Dieses Charakteristikum der Ventilstruktur ist besonders deutlich bei der mit einem anderen Maßstab gezeigten Durch¬ fluß-Druckdifferenz-Abhängigkeit für kleine Durchflußmengen, die in Fig. 8 eingeschoben ist.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform, die der in Fig. 1 gezeigten Darstellung ähnlich ist. Gleichbedeutende Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Das Schlagvolumen der Membran ist von dem Nettodruck auf den Membranbereich abhängig. Auf der einen Seite geht dabei vor allem der elektrostatisch erzeugte Druck und damit die Be¬ triebsspannung U ein, auf der anderen Seite spielt dabei die hydrostatische Druckdifferenz Δp, die für das zu pumpende Fluid zu überwinden ist, eine Rolle. Das Schlagvolumen der Membran bzw. des Membranbereiches ist also bei fester Be¬ triebsspannung vor allem noch von Δp abhängig, was für vie¬ le Anwendungen nicht wünschenswert ist. Um diesen Nachteil zu verringern oder gar ganz aufzuheben, können alternativ oder zusätzlich zu der beschriebenen elektrostatischen Begrenzung auf der zu dem Membranbereich 6 des zweiten Pumpenkörpers 3 weisenden Oberfläche des ersten als Gegen¬ elektrode wirkenden Pumpenkörpers 2 isolierende Elemente 30 vorgesehen, die netzartig angeordnet sind. Diese isolieren¬ den Elemente 30 begrenzen das Schlagvolumen des sich beim Pumpen auswölbenden Membranbereich 6 und führen dazu, daß in dem Bereich kleiner Druckunterschiede Δp das Schlagvolumen nahezu druckunabhängig ist, w e dies unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert wurde (vergleiche Gleichung 3) .
In Fig. 5 ist eine andere Ausführungsform einer elektro¬ statischen Membranpumpe nach der Erfindung dargestellt, bei der sich im Gegensatz zu der in Fig. 2 gezeigten Membranpum¬ pe die Fluideinlaßöffnung und die Fluidauslaßöffnung auf entgegengesetzten Seiten der Membranpumpe befinden.
Die Membranpumpe in Fig. 5 ist allgemein mit 31 bezeichnet und weist einen ersten, einen zweiten und einen dritten Pum¬ penkörper 32, 33 bzw. 34 auf. Der erste und der zweite Pum¬ penkörper 32 und 33 und der zweite und der dritte Pumpenkör¬ per 33 und 34 sind jeweils über eine Verbindungsschicht 35 bzw. 36 in ihrem Randbereich miteinander verbunden. Der Ab¬ stand zwischen den jeweiligen Pumpenkörpern wird durch die Dicke der Verbindungsschicht 35 bzw. 36 festgelegt. Die Ver¬ bindungsschicht kann beispielsweise aus Pyrex-Glas oder ei¬ nem Lot bestehen.
Der erste Pumpenkörper 32 ist mit einem Ohm'sehen Kontakt 37 und der dritte Pumpenkörper mit einem Ohm'sehen Kontakt 38 zur Verbindung mit einer Spannungsquelle ausgebildet.
Der erste Pumpenkörper 32 weist drei Durchtrittsöffnungen 39, 40 und 41 auf, von denen die beiden erstgenannten den Durchtrittsöffnungen 5 und 4 bei der Membranpumpe in Fig. 2 entsprechen und in gleicher Weise ausgebildet sind. Die dritte Durchtrittsöffnung 41 ist ebenfalls pyramidenstumpf- förmig und verjüngt sich in Richtung zu dem zweiten Pumpen¬ körper 33.
Zwischen dem ersten und dem zweiten Pumpenkörper 32 und 33 befindet sich ein Verbindungsschichtbereich 42, der dazu dient, eine Kammer 43 für ein dielektrisches Fluid gegenüber der Durchtrittsöffnung 41 abzugrenzen.
Der zweite -Pumpenkörper 33 weist auf der zu dem dritten Pum¬ penkörper 34 weisenden Seite eine Ausnehmung 44 auf, die der Ausnehmung 7 in dem zweiten Pumpenkörper 3 in Fig. 2 ent¬ spricht. Durch die Ausnehmung 44 wird ein dünner, elasti¬ scher Membranbereich 45 festgelegt. Der zweite Pumpenkörper 33 ist mit einer Durchtrittsöffnung 46 ausgebildet, die von der Ausnehmung 44 beabstandet und zu der Durchtrittsöffnung 41 im ersten Pumpenkörper 32 ausgerichtet ist. Die Durch¬ trittsöffnung 46 ist pyramidenstumpfförmig und verjüngt sich in Richtung zu dem ersten Pumpenkörper 33.
Der dritte Pumpenkörper 34 weist eine Durchtrittsöffnung 47 auf, die pyramidenstumpfförmig ausgebildet ist und sich in Richtung zu dem zweiten Pumpenkörper 33 verjüngt. Die Durch¬ trittsöffnung 47 ist zu der Durchtrittsöffnung 46 im zweiten Pumpenkörper 33 ausgerichtet.
Eine rückwärtige Ausnehmung 44 in dem zweiten Pumpenkörper 33 und die zu dem zweiten Pumpenkörper 33 weisende Oberflä¬ che des dritten Pumpenkörpers 34 legen eine Pumpkammer 48 fest. Auf der der Durchtrittsöffnung 46 benachbarten Seite der Pumpkammer 48 ist eine Vertiefung in dem dritten Pumpen¬ körper 34 ausgebildet, wodurch ein Verbindungskanal 49 zwi¬ schen der Pumpkammer 48 und dem Bereich der Durchtrittsöff¬ nung 46 festgelegt wird. Dieser Verbindungskanal 49 dient dazu, beim Pumpen den Durchtritt des zu pumpenden Fluids von der Pumpkammer 48 zu dem Bereich der Durchtrittsöffnung 46 zu erleichtern.
An der freien Seite des dritten Pumpenkörpers 34 ist an der als Fluideinlaßöffnung dienenden Durchtrittsöffnung 47 ein Zuführschlauch 50 befestigt. An der freien Seite des ersten Pumpenkörpers 32 ist an der als Fluidauslaßöffnung dienenden Durchtrittsöffnung 41 ein Abführschlauch 51 befestigt.
Auf der zu dem zweiten Pumpenkörper 33 weisenden Seite ist die Durchtrittsöffnung 47 im dritten Pumpenkörper 34 mit ei¬ nem Rückschlagventil 52. Auf der zu dem ersten Pumpenkörper 32 weisenden Seite ist die Durchtrittsöffnung 46 im zweiten Pumpenkörper 33 mit einem Rückschlagventil 53 versehen.
Bei einem durch die Bewegung des Membranbereiches 45 hervor¬ gerufenen Pumpvorgang wird abwechselnd zwischen den beiden Rückschlagventilen 52 und 53 im Bereich der Durchtrittsöff- nung 46 ein Überdruck und ein Unterdruck erzeugt. Bei einem Überdruck wird das Rückschlagventil 52 geschlossen und das Rückschlagventil 53 geöffnet, so daß zu pumpendes Fluid aus der Durchtrittsöffnung 41 ausströmt. Bei einem anschließend erzeugten Unterdruck wird das Rückschlagventil 53 geschlos¬ sen und das Rückschlagventil 52 geöffnet, so daß nun zu pum¬ pendes Fluid durch die Durchtrittsöffnung 47 und den Verbin¬ dungskanal 49 in die Pumpkammer 48 strömen kann.
Bei der vorstehend im Zusammenhang mit der Fig. 5 beschrie¬ benen elektrostatischen Membranpumpe besteht bevorzugt der erste als Gegenelektrode wirkende Pumpenkörper 32 aus einem einseitig poliertem Halbleitersubstrat vom p-Typ, der zweite Pumpenkörper 33 aus einem beidseitig polierten Halbleiter¬ substrat vom n-Typ und der dritte Pumpenkörper 34 aus einem einseitig polierten Halbleitersubstrat vom n-Typ.
Die Membranpumpe gemäß Figur 6 ist allgemein mit dem Be¬ zugszeichen 60 bezeichnet und umfaßt einen ersten und zwei¬ ten Pumpenkörper 61, 62 sowie eine Abdeckplatte 63. Der er¬ ste Pumpenkörper 61 hat zwei Durchtrittsöffnungen 64, 65 für das zu pumpende Fluid sowie zwei Durchtrittsöffnungen 66, 67 für das Verstärkungsfluid mit der hohen Dielektrizitätskon¬ stante, wobei sich die letztgenannten an den Hohlraum 68 an¬ schließen. Unterhalb des Hohlraumes 68 liegt ein Membranbe¬ reich 69 des zweiten Pumpenkörpers 62. Die beiden Pumpen¬ körper 61, 62 sind sowohl an ihren Peripheriebereichen als auch an Randbereichen des Hohlraumes 68 durch eine Verbin¬ dungsschicht 70 miteinander verbunden. Der zweite Pumpen¬ körper 62 definiert zusammen mit der Abdeckplatte 63 eine Pumpkammer 71, die sich einerseits bis an den Membranbereich 69 erstreckt und andererseits in Durchtrittsöffnungen 72, 73 übergeht. Der erste Pumpenkörper 61 trägt im Bereich seiner zweiten Durchtrittsöffnung 65 eine erste Ventilklappe, die zusammen mit der Durchtrittsöffnung 65 ein Rückschlagventil bildet. Der zweite Pumpenkörper trägt eine zweite Ventil¬ klappe 75, die zusammen mit dessen zweiter Durchtrittsöff¬ nung 73 ein weiteres Rückschlagventil bildet. An die erste und zweite Durchtrittsöffnung 64, 65 des ersten Pumpenkörpers 61 schließen sich die beiden Fluidanschlüsse 76, 77 an.
Fig. 7 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsformen gemäß Fig. .1. Mit Fig. 1 übereinstimmende Teile der Ausführungs¬ form gemäß Fig. 7 sind wiederum mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Ausführungsform gemäß Fig. 7 unterscheidet sich im wesentlichen dadurch von derjenigen gemäß Fig. 1, daß der Membranbereich 6 des zweiten Pumpenkörpers 3 und der gegenüberliegende Gegenelektrodenbereich 11 des ersten Pum¬ penkörpers 2 im Querschnitt rippenartig oder kammartig strukturiert sind. Hierdurch wird bei gegebener Dielektrizi¬ tätskonstante des dielektrischen Fluids in dem Hohlraum 10 und bei gegebener Spannung, die an die beiden Pumpenkörper 2, 3 angelegt wird, eine Erhöhung der auf die Membran 6 ein¬ wirkenden elektrostatischen Kraft erreicht.
Obwohl bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Membranpum¬ pe eine Flüssigkeit in dem Hohlraum aufweist, die als Fluid¬ medium mit dem elektrischen Feld beaufschlagt wird, und eine Flüssigkeit pumpt, kann anstelle der Flüssigkeit ein Gas, wie z.B. Luft, und/oder anstelle der zu pumpenden Flüssig¬ keit ein zu pumpendes Gas vorgesehen sein.
Falls es bei einem Anwendungsfall nicht auf eine hohe Pump¬ leistung, sondern es nur darauf ankommt, daß das zu pumpende Fluid nicht von dem elektrischen Feld beaufschlagt wird, so kann der Hohlraum mit einem Fluidmedium gefüllt sein, dessen relative Dielektrizitätskonstante 1 oder kleiner 1 ist. In Betracht kommt Luft als Fluidmedium.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrostatisch betriebene Mikromembranpumpe (1)
' mit einem ersten Pumpenkörper (2; 32) und einem einen Membranbereich (6) aufweisenden zweiten Pumpenkörper (3; 33), die jeweils elektrisch leitfähige Elektroden¬ bereiche aufweisen, welche mit einer Spannungsquelle verbindbar und elektrisch voneinander isoliert sind, und
mit einem eine FlußrichtungsSteuereinrichtung (17, 18; 28; 28a, 28b) aufweisenden Pumpenraum (19) , welche einen von der Flußrichtung des zu pumpenden Fluids abhängigen Durchflußwiderstand hat,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Pumpenkörper (2, 3; 32, 33) einen an den Membranbereich angrenzenden Hohlraum (10; 43; 68) miteinander festlegen, und
daß der Hohlraum (10; 43; 68) mit einem von dem zu pumpenden Fluid räumlich getrennten Fluidmedium ge¬ füllt ist, und
daß die elektrisch leitfähigen Elektrodenbereiche der Pumpenkörper (2, 3; 32, 33) derart angeordnet sind, daß das Fluidmedium, nicht jedoch oder nur in geringem Maß das zu pumpende Fluid von dem zwischen den elek¬ trisch leitfähigen Elektrodenbereichen der Pumpen¬ körper (2, 3; 32, 33) erzeugten elektrischen Feld beaufschlagt werden.
2. Elektrostatisch betriebene Mikromembranpumpe (1)
mit einem ersten Pumpenkörper (2; 32) und einem einen Membranbereich (6) aufweisenden zweiten Pumpenkorper (3; 33), die jeweils elektrisch leitfähige Elektroden¬ bereiche aufweisen, welche mit einer Spannungsquelle verbindbar und elektrisch voneinander isoliert sind, und
mit einem eine Flußrichtungssteuereinrichtung (17, 18; 28; 28a, 28b) aufweisenden Pumpenraum (19), welche einen von der Flußrichtung des zu pumpenden Fluids abhängigen Durchflußwiderstand hat,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Pumpenkörper (2, 3; 32, 33) einen an den Membranbereich angrenzenden Hohlraum (10; 43; 68) miteinander festlegen, und
daß der Hohlraum (10; 43; 68) mit einem von dem zu pumpenden Fluid räumlich getrennten Fluidmedium ge¬ füllt ist, das eine relative Dieelektrizitätskonstante hat, welche größer als l ist.
3. Mikromembranpumpe nach Anspruch l oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Mikromembranpumpe wenigstens eine an den Hohlraum (10; 43; 68) angrenzende Öffnung (4, 5; 39, 40; 66, 67) aufweist, durch die dieses Fluidmedium austreten kann.
4. Mikromembranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Pumpkammer (19; 48), die mit dem zu pumpenden Fluid gefüllt ist, an die dem Hohlraum (10; 43; 68) abgewandte Seite des Membranbereiches (6) anschließt.
5. Mikromembranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die mindestens eine Öffnung des Hohlraumes (10; 43; 68) zum Austritt eines flüssigen Mediums von min- " destens einer den ersten Pumpenkörper (2; 32; 61) durchquerenden Durchtrittsöffnung (4, 5; 39, 40; 66, 67) gebildet ist.
6. Mikromembranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß an den zweiten Pumpenkörper (3; 33) ein dritter Pumpenkörper (12; 34) anschließt, und
daß der zweite Pumpenkörper (3; 33) an der zu dem dritten Pumpenkörper (12; 34) weisenden Seite eine Ausnehmung (7; 44) aufweist, die zusammen mit dem dritten Pumpenkörper (3; 34) die Pumpkammer (19; 48) bildet.
7. Mikromembranpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekenn¬ zeichnet,
daß in dem dritten Pumpenkörper (12) mindestens zwei in die Pumpkammer (19) mündende Durchtrittsöffnungen (15, 16) ausgebildet sind und
daß der Durchfluß durch die mindestens zwei Durch¬ trittsöffnungen (15, 16) durch Rückschlagventile (17, 18) steuerbar ist.
8. Mikromembranpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekenn¬ zeichnet,
daß die Rückschlagventile (17, 18) an dem dritten Pumpenkörper (12) angeordnet sind.
9. Mikromembranpumpe nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Pumpkammer (48) mit einem Raumbereich (46) in Fluidverbindung steht, an den zwei Durchtrittsöffnun¬ gen (41, 47) anschließen, und
daß der Fluiddurchfluß durch die zwei Durchtrittsöff¬ nungen (41, 47) durch je ein Rückschlagventil (52, 53) steuerbar ist.
10. Mikromembranpumpe nach Anspruch 9, dadurch gekenn¬ zeichnet,
daß die Pumpkammer (48) über einen sich zwischen dem zweiten und dem dritten Pumpenkörper (33, 34) erstrek- kenden Verbindungskanal (49) mit dem Raumbereich (46) verbunden ist.
11. Mikromembranpumpe nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet,
daß der Raumbereich von einer in dem zweiten Pumpen¬ körper (33) ausgebildeten Durchtrittsöffnung (46) ge¬ bildet ist, die mit in dem ersten und dem zweiten Pum¬ penkörper (32, 34) ausgebildeten Durchtrittsöffnungen (41, 47) über Rückschlagventile (52, 53) in Fluidver¬ bindung steht.
12. Mikromembranpumpe nach Anspruch 6 oder 7 , dadurch gekennzeichnet,
daß der dritte Pumpenkörper (12) aus zwei miteinander verbundenen Teilkörpern (22a, 22b) besteht, von denen ein jeder eine erste Durchtrittsöffnung (24a bzw. 24b) und eine zweite Durchtrittsöffnung (25a bzw. 25b) auf- weist, wobei die erste Durchtrittsöffnung (24a bzw. 24b) in dem einen Teilkörper (22a bzw. 22b) mit der zweiten Durchtrittsöffnung (25a bzw. 25b) in dem an¬ deren Teilkörper (22b bzw. 22a) in Fluidverbindung steht, und
daß in der zweiten Durchtrittsöffnung (25a bzw. 25b) sich zu der Fluidströmungsrichtung unter einem spitzen Winkel erstreckende Lamellenabschnitte (28) angeordnet sind, die an einem ihrer Enden über dünne, elastische Verbindungsstege (27) mit dem Teilkörper (22a bzw. 22b) , in dessen Durchtrittsöffnung (25a bzw. 25b) sich die Lamellenabschnitte (28) erstrecken, im Bereich seiner von dem anderen Teilkörper (22b) fortweisenden Seite verbunden sind und in Richtung zu der Oberfläche des zweiten Teilkörpers (22b) einander nähernd verlau¬ fen.
13. Mikromembranpumpe nach Anspruch 12, dadurch gekenn¬ zeichnet,
daß die Lamellenabschnitte (28) und die dünnen, ela¬ stischen Verbindungsstege (27) einstückig mit dem je¬ weiligen Teilkörper (22a bzw. 22b) ausgebildet sind.
14. Mikromembranpumpe nach einem der Ansprüche 1. bis 13, dadurch gekennzeichnet,
daß der erste und der zweite Pumpenkörper (2, 3; 32, 33) aus Halbleitermaterialien von entgegengesetzten Ladungstypen bestehen.
15. Mikromembranpumpe nach Anspruch 14, dadurch gekenn¬ zeichnet,
daß der dritte Pumpenkörper (12; 22a, 22b; 34) aus einem Halbleitermaterial vom gleichen Ladungstyp wie dasjenige des zweiten Pumpenkörpers (3; 33) besteht.
16. Mikromembranpumpe nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest der erste (2; 32) und der zweite (3; 33) Pumpenkörper je einen Ohm'schen Kontakt (11',11; 13, 14) aufweisen.
17. Mikromembranpumpe nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet,
daß der erste und/oder der zweite Pumpenkörper (2, 3; 32, 33) auf den einander zugewandeten Oberfläche(n) eine Schicht aus einem passivierenden Dielektrikum aufweisen/aufweist.
18. Mikromembranpumpe nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite und der dritte Pumpenkörper (2, 3; 32, 34) miteinander elektrisch leitend verbunden sind.
19. Mikromembranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet,
daß auf der zu dem ersten Pumpenkörper (2; 33) weisen¬ den Oberfläche des Membranbereiches (6) elektrisch isolierende Bereiche (30) vorgesehen sind.
20. Mikromembranpumpe nach Anspruch 19, dadurch gekenn¬ zeichnet,
daß die elektrisch isolierenden Bereiche (30) in einem regelmäßigen Muster, insbesondere netzartig oder schachbrettartig, angeordnet sind.
21. Mikromembranpumpe nach Anspruch 20, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das Medium in dem Hohlraum (10; 43; 68) Methanol ist.
22. Mikromembranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet,
daß das zu pumpende Fluid eine Flüssigkeit ist.
23. Mikromembranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet,
daß das zu pumpende Fluid ein Gas ist.
24. Mikromembranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet,
daß das Fluidmedium eine Flüssigkeit ist.
25. Mikromembranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet,
daß das Fluidmedium ein Gas ist.
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