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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein MEMS-Technologie (MEMS: Micro-Electro-Mechanical
System), die zur Herstellung von Mikrofluid-Systemen geeignet ist.
Im Speziellen betrifft die vorliegende Erfindung ein Mikrofluid-Ventil
zur Steuerung der Fluidströmung
in einem Mikrofluid-System. Das Mikrofluid-Ventil schließt eine
Membran ein, die gesteuert wird, um sich zwischen einer ersten Position zum
Bereitstellen einer kleinen Öffnung
und einer zweiten Position zum Bereitstellen einer großen Öffnung zu
bewegen. Die kleine Öffnung
verhindert eine Fluidströmung
durch das Ventil aufgrund erhöhter Kapillar- und Eintritts-Widerstandskräfte zwischen dem
Fluid und dem Ventil in der kleinen Öffnung. Die große Öffnung ermöglicht eine
Fluidströmung
durch das Ventil aufgrund verringerter Kapillar-Kräfte
zwischen dem Fluid und dem Ventil in der großen Öffnung.
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Hintergrund der Erfindung
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MEMS-Technologie
integriert elektrische und mechanische Komponenten auf einem gemeinsamen
Siliziumsubstrat durch Anwendung von Mikrofabrikations-Technologie.
Verfahren zur Herstellung integrierter Schaltkreise (integrated
circuits, IC), wie z. B. Fotolithographie-Verfahren und andere mikroelektronische
Verfahren, formen die elektrischen Komponenten. Die IC-Herstellungsverfahren
nutzen typischerweise Materialien wie Silizium, Glas und Polymere.
Mikro-Materialbearbeitungsverfahren, die mit den IC-Verfahren kompatibel
sind, ätzen
selektiv Bereiche des ICs fort oder fügen ihm zur Bildung der mechanischen
Komponenten neue strukturelle Schichten hinzu. Die Integration von
Mikroelektronik auf Siliziumbasis in Mikro-Materialbearbeitungs-Technologie ermöglicht es,
komplette elektromechanische Systeme auf einem einzigen Chip herzustellen.
Solche Einzelchip-Systeme integrieren die Rechenfähigkeit
von Mikroelektronik in die mechanischen Mess- und Steuerungsfähigkeiten
von Mikro- Materialbearbeitung,
um intelligente Geräte
bereitzustellen.
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Eine
Art von MEMS ist ein Mikrofluid-System. Mikrofluid-Systeme schließen Komponenten wie
z. B. Kanäle,
Behälter,
Mischer, Pumpen, Ventile, Kammern, Hohlräume, Reaktionskammern, Heizvorrichtungen,
Fluid-Verbindungen, Diffusoren, Düsen und andere Mikrofluid-Komponenten
ein. Diese Mikrofluid-Komponenten haben typischerweise Maße zwischen
wenigen Mikrometern und wenigen hundert Mikrometern. Diese geringen
Maße minimieren
die physische Größe, den
Stromverbrauch, die Reaktionszeit und die Verluste des Mikrofluid-Systems.
Solche Mikrofluid-Systeme können
winzige tragbare Geräte
bereitstellen, die sich entweder außerhalb oder innerhalb des
menschlichen Körpers
befinden.
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Anwendungen
für Mikrofluid-Systeme
schließen
genetische, chemische, biochemische, pharmazeutische, biomedizinische,
Chromatographie-, IC-Kühlungs-,
Tintenstrahldrucker-Kopf-, medizinische, radiologische, Umwelt-
sowie jede Art von Vorrichtung ein, die zum Betrieb flüssigkeits-
oder gasgefüllte
Hohlräume
benötigt.
Eine solche Anwendung kann Verfahren beinhalten, die Analyse, Synthese und
Reinigung betreffen. Die medizinischen Anwendungen schließen Diagnose
und Patienten-Organisation, wie z. B. implantierte Arzneimittelverabreichungs-Systeme,
ein. Die Anwendungen im Umweltschutz schließen die Erkennung gefährlicher
Materialien oder Zustände,
wie z. B. Luft- oder Wasserschadstoffe, chemischer Wirkstoffe, biologischer
Organismen oder radiologischer Zustände, ein. Die genetischen Anwendungen
schließen
das Testen und/oder die Analyse von DNA ein.
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Beispiele
für Mikrofluid-Systeme,
die mit MEMS-Technologie hergestellt werden, sind offenbart in den
U.S.-Patenten Nr. 5,962,081 (Ohman
u. a.),
5,971,355 (Biegelsen
u. a.),
6,048,734 (Burns u.a.),
6,056,269 (Johnson u. a.),
6,073,482 (Moles),
6,106,245 (Cabuz),
6,109,889 (Zengerle u. a.),
6,227,809 (Forster u. a.),
6,227,824 (Stehr),
6,126,140 (Johnson u. a.),
6,136,212 (Mastrangelo u. a.),
6,143,248 (Kellogg u. a.)
und
6,265,758 (Takahashi)
und in einem Fachblatt mit dem Titel "Preliminary Investigation of Micropumping
Based On Electrical Control of Interfacial Tensions" von Hirofumi Matsumoto
und James E. Colgate des Department of Mechanical Engineering der Northwestern
University, Evanston, IL, IEEE, 1990, Seiten 105–110, CH2832-4/90/0000-0105.
Beispiele für
Systeme, die unter Anwendung von Elektrobenetzung und Oberflächenspannung
konstruiert werden, sind offenbart in einem Fachblatt mit dem Titel "Dynamics of Electrowetting
Displays" von G.
Beni und M.A. Tenan von Bell Laboratories, Holmdel, NJ, J. Appl.
Phys. 52(10), Oktober 1981, Seiten 6011–6015, 0021-8979/81/106011-05,
bzw.
U.S.-Patent Nr. 4,417,786 (Beni
u. a.).
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In
einem Mikrofluid-System steuern Mikrofluid-Ventile die Strömung des
Fluids durch die Kanäle oder
zwischen den anderen Mikrofluid-Komponenten, wie z. B. den Behältern, Mischern,
Pumpen und Kammern. Es sind Mikrofluid-Ventile konstruiert worden,
die Betätigungsverfahren
wie z. B. elektrostatische, magnetische, piezoelektrische, bimorphe,
thermopneumatische und druckempfindliche Kapillar-Kräfte nutzen.
Zum Beispiel offenbart das
U.S.-Patent
Nr. 6,143,248 (Kellog u. a.) ein Mikrofluid-Ventil, das durch
Drehung induzierten Fluiddruck nutzt, um Kapillar-Kräfte zwischen
dem Fluid und der Mikrofluid-Komponente zu überwinden. Fluide, die das
Material der Mikrofluid-Komponente, die sie enthält, ganz oder teilweise benetzen,
begegnen einem Strömungswiderstand,
wenn sie sich von einer Mikrofluid-Komponente mit einem kleinen Querschnitt zu
einer mit einem großen
Querschnitt bewegen, während
diejenigen Fluide, welche diese Materialien nicht benetzen, beim
Strömen
von Mikrofluid-Komponenten
mit einem großen
Querschnitt zu denjenigen mit einem kleinen Querschnitt einem Widerstand
begegnen. Dieser Kapillardruck variiert umgekehrt mit den Größen der
benachbarten Mikrofluid-Komponenten, der Oberflächenspannung des Fluids und
dem Kontaktwinkel des Fluids auf dem Material der Mikrofluid-Komponente. Durch
Variieren der Schnittpunkt-Formen, Materialien und Querschnittsflächen der
Mikrofluid-Komponenten wird das Ventil veranlasst, Fluidströmung bei
einem bestimmten Druck auf das Fluid für eine bestimmte Anwendung
zu induzieren. Die Betätigung
dieser Mikrofluid-Komponente ist jedoch abhängig von einer externen Rotationskraft, um
den induzierten Druck des Fluids auf die Mikrofluid-Komponente zu
verändern.
In manchen Mikrofluid-Anwendungen wäre es wünschenswert, ein Mikrofluid- Ventil zu haben,
das die Fluidströmung
in einem Mikrofluid-System
mit einem relativ konstanten Fluiddruck aktiv steuert.
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Daher
besteht die Notwendigkeit eines Mikrofluid-Ventils, das die Fluidströmung in
einem Mikrofluid-System mit einem relativ konstanten Fluiddruck
aktiv steuert, basierend auf einer Änderung der Kapillar- und Eintritts-Widerstandskräfte zwischen dem
Fluid und dem Ventil.
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US-A-2001/0033796 offenbart
eine mikrofabrizierte elastomere Struktur, die als Pumpe oder Ventil
verwendet werden kann, worin ein erster und ein zweiter Strömungskanal
vorzugsweise in einem Winkel zueinander angeordnet sind und eine
kleine Substrat-Membran die Oberseite des ersten Strömungskanals
von der Unterseite des zweiten Strömungskanals trennt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ein
Ventil gemäß Anspruch
1 ist ausgebildet, um die Strömung
des Fluids in einem Mikrofluid-System zu steuern. Das Ventil schließt einen
Eingangskanal ein, der ausgebildet ist, um ein Fluid aufzunehmen,
das ein vordefiniertes Niveau von Druck auf das Ventil ausübt, und
einen Ausgangskanal, der ausgebildet ist, um das Fluid bereitzustellen.
Das Ventil schließt
weiter einen rohrförmigen
Körper
ein, der eine Öffnung
mit variabler Größe darin
hat, ausgebildet, um zwischen einer ersten Öffnungsgröße und einer zweiten Öffnungsgröße, größer als
die erste Öffnungsgröße, zu variieren.
Die erste Öffnung
verhindert die Strömung
des Fluids durch das Ventil als Reaktion auf ein erstes Niveau von
Kapillar-Kräften
zwischen dem Fluid und dem Ventilkörper an der ersten Öffnung.
Die zweite Öffnung
ermöglicht
die Strömung des
Fluids durch das Ventil als Reaktion auf ein zweites Niveau von
Kapillar-Kräften,
niedriger als das erste Niveau von Kapillar-Kräften, zwischen dem Fluid und
dem Ventil in der zweiten Öffnung.
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Diese
und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung sind weiter mit Bezug
auf die folgende detaillierte Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, worin identische Bezugszeichen denselben Merkmalen
oder Elementen, dargestellt in verschiedenen Zeichnungen, zugeordnet sind.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Zeichnungen möglicherweise
nicht maßstabsgetreu
sind. Weiterhin können
in der Beschreibung andere Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung explizit oder implizit beschrieben sein,
die nicht spezifisch in den Zeichnungen dargestellt sind, und umgekehrt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
ein Mikrofluid-System gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt
den stromaufwärts
gelegenen Kanal, das Ventil und den stromabwärts gelegenen Kanal des Mikrofluid-Systems
in 1.
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3 zeigt
eine Querschnittsansicht des Ventils entlang der Linie 3-3 in 2 mit
einer Membran, die in einer neutralen Position angeordnet ist, um
eine kleine Öffnung
bereitzustellen.
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4 zeigt
eine Querschnittsansicht des Ventils entlang der Linie 4-4 wie in 2 dargestellt, wobei
die Membran sich in einer vorgespannten Position befindet, um eine
große Öffnung bereitzustellen.
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5 zeigt
eine vergrößerte Querschnittsansicht
des Ventils aus dem Bereich, der in 3 mit 5-5
bezeichnet ist, wobei sich die Membran in einer neutralen Position
befindet, um die kleine Öffnung bereitzustellen.
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6 zeigt
einen Graphen, der die Querschnittsfläche der Öffnung des Ventils im Verhältnis zur
Fluidströmung
durch das Ventil in 1–4 darstellt.
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7 stellt
ein Steuersignal zum Steuern des Ventils gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar.
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8 zeigt
eine Halbleiterkonstruktion für das
Ventil in 1.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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1 zeigt
ein Mikrofluid-System 100 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das Mikrofluid-System 100 wird mit
Hilfe der oben beschriebenen MEMS-Technologie konstruiert. Das Mikrofluid-System 100 schließt allgemein
eine Fluidquelle 101, einen stromaufwärts gelegenen Kanal 103,
ein Ventil 105, einen stromabwärts gelegenen Kanal 107,
eine Fluid-Abflussstelle 109, eine Steuerung 111 und
Fluid 119 ein. Die Fluidquelle 101 steht durch
den stromaufwärts
gelegenen Kanal 103 und den stromabwärts gelegenen Kanal 107 in
Fluidverbindung mit der Fluid-Abflussstelle 109. Die Richtung
der Fluidströmung 113 im
Mikrofluid-System 100 verläuft von der Fluidquelle 101 zur Fluid-Abflussstelle 109.
Das Ventil 105 reguliert die Strömung des Fluids 119 von
der Fluidquelle 101 zur Fluid-Abflussstelle 109 als
Reaktion auf ein Steuersignal 115 von der Steuerung 111.
Das Ventil 105 hat einen Eingangskanal (nicht nummeriert),
der in Fluidverbindung mit dem stromaufwärts gelegenen Kanal 103 steht,
und einen Ausgangskanal (nicht nummeriert), der in Fluidverbindung
mit dem stromabwärts gelegenen
Kanal 107 steht. Das Ventil 105 kann die Fluidströmung zwischen
zwei Mikrofluid-Komponenten steuern. Vorzugsweise steuert das Ventil 105 die Fluidströmung zwischen
dem stromaufwärts
gelegenen Kanal 103 und dem stromabwärts gelegenen Kanal 107.
Alternativ kann das Ventil 105 die Fluidströmung zwischen
der Fluidquelle 101 und einem Kanal 103 steuern.
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Die
Fluidquelle 101 enthält
das Fluid 119 und stellt allgemein eine beliebige der oben
beschriebenen Mikrofluid-Komponenten
dar, einschließlich, aber
nicht beschränkt
auf Behälter,
Mischer und Kammern. In ähnlicher
Weise nimmt die Fluid-Abflussstelle 109 das Fluid 119 auf
und stellt generisch eine beliebige der oben beschriebenen Mikrofluid-Komponenten
dar.
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Der
stromaufwärts
gelegene Kanal 103 und der stromabwärts gelegene Kanal 107 befördern das Fluid 119 zwischen
der Fluidquelle 101 und der Fluid-Abflussstelle 109.
Der stromaufwärts
gelegene Kanal 103 und der stromabwärts gelegene Kanal 107 können als
zwei separate Kanäle
ausgebildet sein, die durch das Ventil 105 verbunden sind,
oder als ein eine Einheit bildender Kanal, in dem das Ventil 105 angeordnet
ist. Das Fluid 119 strömt
von der Fluidquelle 101 zur Fluid-Abflussstelle 109 als
Reaktion auf Druck, der auf das Fluid 119 ausgeübt wird.
Der Druck, der auf das Fluid 119 ausgeübt wird, kann von einer externen
Quelle oder einer internen Quelle, bezogen auf das Mikrofluid-System 100,
bereitgestellt werden. Beispiele für die externe Druckquelle schließen, ohne
Beschränkung,
Schwerkraft und Drehmechanismen ein. Ein Beispiel für die interne
Druckquelle schließt,
ohne Beschränkung,
eine Pumpe ein. Vorzugsweise ist die Pumpe ein Bestandteil des Mikrofluid-Systems 100.
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Die
Steuerung 111 kann als ein integrierter Schaltkreis oder
als diskrete Schaltkreise konstruiert sein. Die Steuerung 111 kann
auf ein Softwareprogramm oder vordefinierte Schaltungsaufbau-Parameter
reagieren. Vorzugsweise ist die Steuerung 111 ein integrierter
Schaltkreis, der als Reaktion auf einen vordefinierten Satz von
Befehlen arbeitet, die in ein Softwareprogramm integriert sind.
Die Steuerung 111 kann einen internen oder externen Speicher,
wie z. B. RAM und/oder ROM, haben.
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Die
Steuerung 111 erzeugt das Steuersignal 115, um
das Ventil 105 zu steuern. Das Ventil 105 öffnet und
schließt
sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit, bei einem bestimmten
Abstand und/oder zu einem bestimmten Zeitpunkt, um die Strömung von Fluid
durch das Ventil 105 zu regulieren. Somit steuert die Steuerung 111,
in Kombination mit dem Steuersignal 115, aktiv die Betätigung des
Ventils 105.
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Ein
Rückkopplungssignal 117 wird
zwischen eine beliebige Mikrofluid-Komponente, wie z. B. das Ventil 105,
und die Steuerung 111 gekoppelt. Das Rückkopplungssignal 117 bietet
der Steuerung einen Mechanismus, um den Betrieb des Mikrofluid-Systems 100 zu überwachen,
um die Steuerung des Ventils 105 durch das Steuersignal 115 anzupassen.
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Das
Fluid 119 kann jeden geeigneten Zustand haben, der eine
Fluidströmung
ermöglicht,
z. B. einen flüssigen
Zustand oder einen gasförmigen
Zustand. Das Fluid 119 stellt jede Zusammensetzung von
Materie dar, die für
Anwendungen des Mikrofluid-Systems 100 wie
oben beschrieben geeignet ist. Beispiele für Fluide 119 schließen, ohne
Beschränkung,
chemische, Körper-,
gefährliche,
biologische und radiologische Fluide ein. Biologische Fluide können jede
biologisch gewonnene Analysen-Probe sein, einschließlich, aber
nicht beschränkt
auf Blut, Plasma, Serum, Lymphe, Speichel, Tränen, Hirn-Rückenmark-Flüssigkeit, Urin, Schweiß, Sperma
und Pflanzen- und Gemüseextrakte.
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Der
Klarheit halber stellt das Mikrofluid-System 100 in 1 ein
relativ einfaches System dar. In der Praxis kann das Mikrofluid-System 100 ein
sehr komplexes System mit vielen und/oder doppelten Mikrofluid-Komponenten,
wie z. B. mehreren Ventilen 105, sein. Das Mikrofluid-System 100,
das komplexe oder parallele Funktionen ausführt, benötigt typischerweise viele Ventile,
z. B. mehr als zehn, um den Transport von Fluiden durch verschiedene
Teile des Mikrofluid-Systems 100 gleichzeitig oder zu verschiedenen
Zeiten zu steuern. In einem solchen komplexen Mikrofluid-System 100 kann
jedes der Ventile 105 zur aktiven Steuerung der Ventile 105 zum
richtigen Zeitpunkt einen unabhängig
betätigten
Aktor benötigen.
Daher ist es wünschenswert,
dass die Ventile 105 und ihre Aktoren kompakt, zuverlässig, leicht
herzustellen und einfach in den Rest des Mikrofluid-Systems 100 zu
integrieren sind.
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2 zeigt
den stromaufwärts
gelegenen Kanal 103, das Ventil 105 und den stromabwärts gelegenen
Kanal 107, wie in 1 dargestellt,
gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Vorzugsweise hat das Ventil 105 eine
Parallelflächner-Form,
die ein sechsseitiges Polyeder bildet, dessen Flächen alle Parallelogramme sind, die
in Paaren von parallelen Ebenen liegen. Vorzugsweise hat das Ventil 105 einen
rechteckigen Querschnitt, der senkrecht zur Strömung des Fluids durch das Ventil
angeordnet ist. Vorzugsweise haben auch der stromaufwärts gelegene
Kanal 103 und der stromabwärts gelegene Kanal 107 dieselbe
Form, zumindest dort, wo die zwei Kanäle mit dem Ventil 105 verbunden
sind, um eine bequeme und passende mechanische Kopplung mit dem
Ventil 105 zu erleichtern. Alternativ können der stromaufwärts gelegene
Kanal 103, das Ventil 105 und der stromabwärts gelegene
Kanal 107 jede geeignete Form haben, z. B. rund, oval,
halbkreisförmig,
zylindrisch u. Ä.,
die mit MEMS-Konstruktionsverfahren kompatibel und für die jeweilige
Anwendung geeignet ist.
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3 zeigt
eine Querschnittsansicht des Ventils 105, wie in 2 dargestellt,
mit einer Membran 131, die sich in einer neutralen Position
befindet, um gemäß der bevorzugten
Ausfüh rungsform der
vorliegenden Erfindung eine kleine Öffnung 139 bereitzustellen.
Das Ventil 105 schließt
ein erstes, unteres Substrat 121, ein zweites, oberes Substrat 123,
einen ersten Kontakt 127, einen zweiten, alternativen Kontakt 129 und
ein Brücken-Element 130 ein.
Das Brücken-Element 130 schließt die Membran 131,
eine erste Seitenwand 133 und eine zweite Seitenwand 135 ein.
Das Brücken-Element 130 hat
in der Querschnittsansicht in 3 allgemein
eine H-förmige
Anordnung.
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Die
Querschnittsansicht des Ventils 105 hat allgemein eine
rechteckige Form. Das Brücken-Element 130 ist
in einer Sandwich-Anordnung
zwischen dem ersten, unteren Substrat 121 und dem zweiten, oberen
Substrat 123 angeordnet. Die erste Seitenwand 133 und
die zweite Seitenwand 135 befinden sich an gegenüberliegenden
Enden der Membran 131. Die Membran 131 befindet
sich auf halber Höhe sowohl
der ersten Seitenwand 133 als auch der zweiten Seitenwand 135.
In der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beträgt
die Höhe 147 der
ersten Seitenwand 133 und der zweiten Seitenwand 135 zwei
bis fünfzehn
Mikrometer, und stärker
bevorzugt 3,3 Mikrometer.
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Der
erste Kontakt 127 befindet sich auf einer unteren Oberfläche (nicht
nummeriert) des zweiten, oberen Substrats 123 und in der
Mitte zwischen der ersten Seitenwand 133 und der zweiten
Seitenwand 135. Ähnlich
befindet sich der zweite, alternative Kontakt 127 auf einer
oberen Oberfläche
(nicht nummeriert) des ersten, unteren Substrats 121 und
in der Mitte zwischen der ersten Seitenwand 133 und der zweiten
Seitenwand 135. Die Dicke (nicht nummeriert) des ersten
Kontakts 127 und des zweiten, alternativen Kontakts 129 ist
relativ dünn
im Vergleich zur Dicke 141 der Membran 131. In
der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung liegt die Dicke 141 der Membran 131 im
Bereich von zwei bis fünf
Mikrometern und beträgt
vorzugsweise zwei Mikrometer.
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Ein
erster, unterer Bereich 137 unterhalb der Membran 131 wird
von einem ersten, unteren Abstand 143 erzeugt, der sich
zwischen einer unteren Oberfläche
(nicht nummeriert) der Membran 131 und einer oberen Oberfläche (nicht
nummeriert) des ersten, unteren Substrats 121 erstreckt,
multipliziert mit einer Länge 149 der
Membran 131, die sich zwischen der ersten Seitenwand 133 und
der zweiten Seitenwand 135 erstreckt. In ähnlicher
Weise wird ein erster, oberer Bereich 139 oberhalb der
Membran 131 von einem ersten, oberen Abstand 145 erzeugt,
der sich zwischen einer oberen Oberfläche (nicht nummeriert) der
Membran 131 und einer unteren Oberfläche (nicht nummeriert) des
zweiten, oberen Substrats 123 erstreckt, multipliziert
mit der Länge 149 der Membran 131,
die sich zwischen der ersten Seitenwand 133 und der zweiten
Seitenwand 135 erstreckt. In der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung liegen der erste, untere Abstand 143 und
der zweite, obere Abstand 145 jeweils im Bereich von 0,5
bis 5 Mikrometern und betragen vorzugsweise jeweils 0,65 Mikrometer.
In der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung liegt die Länge 149 der Membran 131 im
Bereich von 5 bis 50 Mikrometern und beträgt vorzugsweise 40 Mikrometer.
Somit ist die Länge 149 der
Membran 131 relativ groß im Vergleich zur Höhe 147 der
Seitenwände 133 und 135,
der Dicke 141 der Membran 131 und der Höhe 143 und 145 der
Bereiche 137 bzw. 139. Es wird darauf hingewiesen,
dass die Berechnung des ersten unteren Bereichs 137 und
des ersten oberen Bereichs 139 die Verkleinerung jedes
Bereichs durch den ersten Kontakt 127 bzw. den zweiten,
alternativen Kontakt 129 außer Acht lässt, da die Reduzierung im
Vergleich zu jedem Bereich minimal ist.
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Die
Tiefe (nicht nummeriert) des Ventils 105 liegt im Bereich
von 5 bis zu Hunderten von Mikrometern und beträgt vorzugsweise 100 Mikrometer.
Je länger
die Tiefe des Ventils 105, desto größer ist der Oberflächenbereich
der Membran, der dem Fluid ausgesetzt wird, um erhöhte Oberflächenspannung zwischen
dem Fluid 119 und dem Ventil 105 zu verursachen.
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4 zeigt
eine Querschnittsansicht des Ventils 105 wie in 2 dargestellt,
wobei sich die Membran 131 in einer vorgespannten Position
befindet, um gemäß der bevorzugten
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung eine relativ große Öffnung 151 bereitzustellen.
Die Membran 131 hat eine geeignete Dicke 141,
ein geeignetes Material und eine geeignete Konstruktion, um es der
Membran 131 zu ermöglichen,
sich entweder zu dem und gegen den ersten Kontakt 127 oder
zu dem und gegen den zweiten, alternativen Kontakt 129 zu
bewegen. Die Bewegung der Membran 131 kann auch als Neigen,
Biegen, Dehnen, Vorspannen, Betätigen
u. Ä. bezeichnet
werden. Vorzugsweise steht die Membran 131 entweder mit
dem ersten Kontakt 127 oder mit dem zweiten, alternativen
Kontakt 129 in Berührung,
wenn die Membran 131 bewegt wird. Alternativ kann die Membran 131 entweder
den ersten Kontakt 127 oder den zweiten, alternativen,
Kontakt 129 nicht berühren,
wenn die Membran 131 bewegt wird.
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Vorzugsweise
bewegt sich die Membran 131 zwischen der neutralen, nicht
vorgespannten Position, wie in 3 dargestellt,
und der vorgespannten Position, zu dem und gegen den ersten Kontakt 127, wie
in 4 gezeigt. Wenn die Membran zu dem und gegen den
ersten Kontakt 127 vorgespannt wird, vergrößert sich
der erste, untere Bereich 137 unterhalb der Membran 131,
wie in 3 dargestellt, zu einem zweiten, unteren Bereich 151 mit
einem zweiten, unteren Abstand 153, der sich zwischen der
unteren Oberfläche
(nicht nummeriert) der Membran 131 und der oberen Oberfläche (nicht
nummeriert) des ersten, unteren Substrats 121 im mittleren
Abschnitt der Membran 131 erstreckt. In der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beträgt
der zweite, untere Abstand 153 1,30 Mikrometer. Somit ist
der zweite, untere Abstand 153 vorzugsweise doppelt so
groß wie
der erste, untere Abstand 143.
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Alternativ
bewegt sich die Membran 131 zwischen der neutralen, nicht
vorgespannten Position, wie in 3 dargestellt,
und der vorgespannten Position, zu dem und gegen den zweiten, alternativen Kontakt 129,
wie in 4 gezeigt. Wenn die Membran zu dem und gegen den
zweiten, alternativen Kontakt 129 vorgespannt wird, vergrößert sich
der zweite obere Bereich 139 oberhalb der Membran 131,
wie in 3 dargestellt, zu einem zweiten oberen Bereich 152 mit
einem zweiten oberen Abstand (nicht nummeriert, aber gleich dem
zweiten unteren Abstand 153), der sich zwischen der oberen
Oberfläche
(nicht nummeriert) der Membran 131 und der unteren Oberfläche (nicht
nummeriert) des zweiten, unteren Substrats 123 im mittleren
Abschnitt der Membran 131 erstreckt.
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Der
zweite, alternative Kontakt 129 kann anstelle des ersten
Kontakts 127 oder in Kombination mit ihm benutzt werden.
Wenn der zweite, alternative Kontakt 129 anstelle des ersten
Kontakts 127 verwendet wird, wird die Membran 131 in
eine Abwärtsrichtung
zu dem und gegen den zweiten, alternativen Kontakt 129 und
nicht in eine Aufwärtsrichtung
zu dem und gegen den ersten Kontakt 127 vorgespannt. Wenn
der zweite, alternative Kontakt 129 in Kombination mit
dem ersten Kontakt 127 verwendet wird, kann die Membran 131 abwechselnd
oder periodisch in eine Abwärtsrichtung
zu dem und gegen den zweiten, alternativen Kontakt 129 und
in eine Aufwärtsrichtung
zu dem und gegen den ersten Kontakt 127 vorgespannt werden.
Das Vorspannen der Membran 131 in eine oder zwei Richtungen
kann ihr eine längere
Lebensdauer und/oder schnellere Reaktionszeiten verleihen, abhängig von
Faktoren der Konstruktionsausführung
wie der Dicke 141, dem Material und der Konstruktion des
Ventils 105.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bewegt sich die Membran 131 zwischen
der neutralen, nicht vorgespannten Position, wie in 3 dargestellt,
und der vorgespannten Position als Reaktion auf elektrostatische
Kräfte
zu dem und gegen den ersten Kontakt 127, wie in 4 gezeigt.
Vorzugsweise haben der erste Kontakt 127 und/oder der zweite,
alternative Kontakt 129 jeweils ein erstes elektrisches
Potential, und die Membran 131 hat ein zweites elektrisches
Potential. Vorzugsweise ist das erste elektrische Potential ein
positives elektrisches Potential, und das zweite elektrische Potential
ist ein negatives elektrisches Potential. Das positive elektrische
Potential wird von der Steuerung 111 über das Steuersignal 115 an
den ersten Kontakt 127 und/oder den zweiten, alternativen
Kontakt 129 angelegt. Das negative elektrische Potential
wird über
die Steuerung 111 oder eine andere Quelle an die Membran 131 angelegt.
Vorzugsweise wird das negative elektrische Potential konstant an
die Membran 131 angelegt, und das positive elektrische
Potential wird bei Bedarf an den ersten Kontakt 127 und/oder
den zweiten, alternativen Kontakt 129 angelegt, um die
Membran 131 zu bewegen. Das positive elektrische Potential,
das an den ersten Kontakt 127 und/oder den zweiten, alternativen
Kontakt 129 angelegt wird, zieht das negative elektrische
Potential, das an die Membran 131 angelegt wird, an und veranlasst
die Membran 131, sich zu dem und gegen den ersten Kontakt 127 und/oder
den zweiten, alternativen Kontakt 129 zu bewegen. Alternativ
können das
positive und das negative elektrische Potential an den entsprechenden
Elementen des Ventils 105 umgekehrt werden, um dasselbe
Ergebnis zu erzielen. Alternativ können die elektrischen Potentiale
der entsprechenden Elemente des Ventils 105 gleich, d. h.
entweder positiv oder negativ, sein, um die Membran 131 vom
ersten Kontakt 127 und/oder vom zweiten, alternativen Kontakt 129 abzustoßen, so
dass sich die Membran 131 bewegt. Als weitere Alternative
kann die Membran 131 durch andere Mechanismen bewegt werden,
einschließlich,
aber nicht beschränkt
auf magnetische, piezoelektrische, bimorphe, Formgedächtnislegierungs-
und thermopneumatische Mechanismen.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verhindert der erste, untere Bereich 137,
der eine kleine Öffnung
bereitstellt, die Strömung
des Fluids 119 durch das Ventil 105 aufgrund erhöhter Kapillar-Kräfte zwischen
dem Fluid 119 und dem Ventil 105. Der zweite,
untere Bereich 151, der eine größere Öffnung bereitstellt, ermöglicht die
Strömung
des Fluids 119 durch das Ventil 105 aufgrund reduzierter
Kapillar-Kräfte
zwischen dem Fluid 119 und dem Ventil 105. Das
Ventil 105 kann aufgrund der Änderung der Kapillar-Kräfte zwischen dem
Fluid 119 und dem Ventil 105 bei der Änderung der Öffnungsgröße als Reaktion
auf die Bewegung der Membran 131 auch als Kapillar-Mikroventil
betrachtet werden. Das Ventil 105 sorgt für das Starten und
Anhalten der Fluidströmung,
genaue Dosierung der Fluidströmung
und Fluid-Partitionierung, worin Partikel vor der Freisetzung konzentriert
werden.
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5 zeigt
eine vergrößerte Querschnittsansicht
des Ventils 105 wie in 3 dargestellt,
wobei sich die Membran 131 in der neutralen Position befindet,
um den ersten, unteren Bereich 137 bereitzustellen, der
gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung die kleine Öffnung bildet. Das Fluid 119 wird
auf mikroskopischer Ebene vergrößert und
als zwei Blasen 119A, 119B dargestellt. Eine Blase 119A des
Fluids haftet an der Membran 131, und die andere Blase 119B haftet
am ersten, unteren Substrat 121. Der erste, untere Bereich 137,
der die kleine Öffnung
bildet, hat eine geeignete Größe, so dass
die Kapillar-Kräfte
zwischen dem Fluid 119 und dem Ventil 105 die
Strömung
des Fluids 119 durch das Ventil 105 verhindern,
wenn sich die Membran 131 in der neutralen Position befindet.
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Fluide
können
durch Interaktionen mit festen Substraten und Gasen charakterisiert
werden. Diese Interaktionen schließen Grenzflächenspannung, oder die Energie
pro Einheitsfläche
an der Grenzfläche
des Fluids 119 mit einer anderen Substanz, wie z.B. dem
Ventil 105, ein. Eine Wirkung der Grenzflächenspannung
ist Kapillarwirkung. Fluide widerstehen der Strömung durch einen kleinen Bereich
aufgrund erhöhter
Kapillarwirkung zwischen dem Fluid 119 und dem Ventil 105.
Eine Änderung
der Querschnittsfläche
im Strömungsweg
des Fluids 119 macht es möglich, die Strömung des
Fluids 119 zu regulieren. Konstruktions-Erwägungen
für diese
Art von Ventil 105 schließen Faktoren ein wie z. B.
die Größe und Form
der Querschnittsfläche
der Fluidströmung,
Material- und Oberflächeneigenschaften des
Ventils 105, die Eigenschaften des Fluids 119, den
Druck, der auf das Fluid 119 ausgeübt wird, usw. Diese Konstruktions-Erwägungen bestimmen
die Fluid-Oberflächenspannung
und Oberflächenenergie der
Grenzfläche
zwischen dem Fluid 119 und dem Ventil 105.
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Die
Kapillar-Kräfte
treten aufgrund der Wirkungen von Oberflächenenergie, d. h. der Energie von
Interaktionen zwischen Materialien, auf. In der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung liegt die Oberflächenenergie zwischen Fluiden,
insbesondere Flüssigkeiten,
und festen Materialien, wie z. B. dem Ventil 105. Wenn
ein Kontaktwinkel 155 mehr als 90 Grad beträgt, befeuchtet
die Flüssigkeit
den Feststoff nicht und bildet Perlen auf der festen Oberfläche. Wenn
ein Kontaktwinkel 155 weniger als 90 Grad beträgt, befeuchtet
die Flüssigkeit
den Feststoff und breitet sich auf der festen Oberfläche aus.
Für ein
bestimmtes Fluid 119 wird der Kontaktwinkel 155 bestimmt
durch die Größe und Form
der Querschnittsfläche
der Fluidströmung,
die Material- und Oberflächeneigenschaften
des Ventils 105, den Druck, der auf das Fluid 119 ausgeübt wird, um
die Fluidströmung
entweder zu ermöglichen
oder zu hemmen.
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Sowohl
MicroSensors: Principles and Applications, verfasst von Julian Gardner
und veröffentlicht
von Wiley and Sons im Jahre 1994, S. 167–169, als auch Fluid Mechanics,
verfasst von F.M. White und veröffentlicht
von McGraw Hill im Jahre 1986, S. 306, offenbaren die folgende Gleichung
im Hinblick auf Fluidströmung: Strömung
= Π R4 (p1-p2)/(8 μL),worin:
- R
- = Radius des Rohrs,
- p1-p2
- = Druckabfall,
- μ
- = Viskosität des Fluids
und
- L
- = Länge des
Fluidkanals.
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Die
Querschnittsfläche
A des Ventils 105 ist eher rechteckig als kreisförmig, aber
die obige Gleichung bietet gute relative Strömungs-Näherungswerte, wenn der Radius
R durch die Membran-Substrat-Abstände 143, 145 oder 153 ersetzt
wird. Wenn die Fluidquelle ein hängender
IV-Beutel und die Fluid-Abflussstelle
ein Patient ist, ist der Druckabfall p1-p2 im Wesentlichen konstant,
und die Konstruktion des Ventils zur Bereitstellung einer bestimmten Strömungsrate
wird für
den Fachmann leicht ersichtlich.
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6 zeigt
einen Graphen, der die Querschnittsfläche der Öffnung A des Ventils 105 im
Verhältnis
zur Fluidströmung
F durch das Ventil 105 gemäß der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt. Wenn die Membran 131 sich
in ihrer neutralen, nicht vorgespannten Position befindet, wie in 3 dargestellt,
verhindert der erste, untere Bereich 137, der die kleine Öffnung bereitstellt,
die Strömung
von Fluid 119 durch das Ventil 105 aufgrund hoher
Kapillar-Kräfte
zwischen dem Fluid 119 und dem Ventil 105. In
dieser Position ist die Querschnittsfläche des ersten, unteren Bereichs 137,
der die kleine Öffnung
bereitstellt, kleiner als ein vordefinierter Querschnittsflächen-Grenzwert, bei dem
die Fluidströmung
beginnt.
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Wenn
die Membran 131 zur einen oder anderen Seite vorgespannt
wird, wie in 4 dargestellt, ermöglicht der
zweite Bereich 151 oder 152, der die große Öffnung bereitstellt, die
Strömung
von Fluid 119 durch das Ventil 105 aufgrund reduzierter Kapillar-Kräfte zwischen
dem Fluid 119 und dem Ventil 105. In diesem Fall
ist die Querschnittsfläche des
zweiten Bereichs 151 oder 152, der die große Öffnung bereitstellt,
größer als
der Querschnittsflächen-Grenzwert,
bei dem die Fluidströmung
beginnt. Je weiter die Membran 131 zu einer Seite hin bewegt wird,
desto größer wird
der zweite Bereich 151 oder 152, der die große Öffnung bereitstellt,
bis er eine maximale Querschnittsfläche erreicht. Während der zweite
Bereich 151 oder 152, der die Öffnung bestimmt, größer wird,
lässt die
Wirkung der Kapillar-Kräfte nach
und ermöglicht
es so der Fluidströmung
zuzunehmen, wie durch die Linie 161 dargestellt. Obwohl
die Linie 161 als gerade Linie dargestellt ist, kann sie
auch andere Formen haben, z. B. parabolisch oder exponentiell, je
nach Konstruktion des Ventils 105. Wenn die Membran 131 sehr
schnell zu einer Seite hin bewegt wird, um einen zweiten Bereich 151 oder 152 mit
der maximalen Querschnittsfläche
zu bilden, nähert
sich die Fluidströmung
einer Sprungfunktion, wie durch die Linie 165 dargestellt. Bei
der maximalen Querschnittsfläche
erreicht die Fluidströmung
durch das Ventil 105 ein maximales Niveau, wie durch die
Linie 163 dargestellt.
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7 zeigt
das Steuersignal zum Steuern des Ventils 105 gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das Steuersignal 115 ist als
digitales Impulssignal mit einem Tastverhältnis 173, einer Impulsbreite 175,
einem hohen Spannungspegel V2 und einem niedrigen Spannungspegel
V1 dargestellt. Die Impulsbreite 175 entspricht der Dauer,
während
der das Steuersignal 115 den hohen Spannungspegel V2 erzeugt.
Vorzugsweise ist V1 gleich 0 Volt und V2 ist gleich 5 Volt. Wenn
das Steuersignal 115 den niedrigen Spannungspegel V1 erzeugt,
befindet sich die Membran 131 in ihrer neutralen, nicht
vorgespannten Position, wie in 3 dargestellt.
Der erste, untere Bereich 137, der eine kleine Öffnung bereitstellt,
verhindert die Strömung
des Fluids 119 durch das Ventil 105. Je länger der
niedrige Spannungspegel V1 anliegt, desto länger bleibt die Membran 131 in
ihrer neutralen Position, und desto länger strömt das Fluid 119 nicht durch
das Ventil 105. Wenn das Steuersignal 115 den hohen
Spannungspegel V2 erzeugt, wird die Membran 131 zu einer
Seite hin vorgespannt, wie in 4 dargestellt.
Der zweite Bereich 151, der eine große Öffnung bereitstellt, ermöglicht die
Strömung
des Fluids 119 durch das Ventil 105. Je länger der
hohe Spannungspegel V2 anliegt, desto länger bleibt die Membran 131 in
ihrer vorgespannten Position und desto länger strömt Fluid 119 durch
das Ventil 105. So bewegen die digitalen Impulse des Steuersignals 115 die
Membran 131 zwischen ihren neutralen und vorgespannten
Positionen, um die Strömung
des Fluids 119 durch das Ventil 105 zu verhindern
bzw. zu ermöglichen.
Die Steuerung 111 kann das Tastverhältnis 173 des Steuersignals 115 entweder
statisch oder dynamisch anpassen, um die Strömung des Fluids 119 durch
das Ventil 105 anzupassen. Die Geschwindigkeit und der
Regelbereich der Fluidströmung
hängen
von solchen Konstruktionsfaktoren ab wie der Reaktionszeit der Membran 131,
dem Druck, der auf das Fluid 119 ausgeübt wird, den Kapillar-Kräften usw.
Weiter können
mehrere Ventile, die verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten haben und
mit der Fluidquelle 101 verbunden sind, parallel angeordnet
und unabhängig
durch verschiedene von der Steuerung erzeugte Steuersignale gesteuert
werden, um den Regelbereich der Fluidströmung zu vergrößern.
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8 stellt
eine Halbleiterkonstruktion für das
Ventil 105 dar. Vorzugsweise wird das Ventil 105 unter
Anwendung von IC-Verfahren
konstruiert wie oben beschrieben. Das Brücken-Element 130 kann mit
typischem IC-Material hergestellt werden, einschließlich, aber
nicht beschränkt
auf Silizium, polykristallines Silizium, Dielektrika, wie Siliziumdioxid und
Siliziumnitrid, Polymere. Vorzugsweise besteht das erste, untere
Substrat 121 aus Silizium, das zweite, obere Substrat 123 besteht
aus Glas, der erste Kontakt 127 besteht aus Metall, der
zweite, alternative Kontakt 129 besteht aus Metall, wie
z. B. Gold oder Aluminium, die Membran 131 besteht aus
polykristallinem Silizium, die erste Seitenwand 133 besteht
aus Siliziumdioxid, und die zweite Seitenwand 135 besteht
aus Siliziumdioxid. Die Membran 131 besteht aus polykristallinem
Silizium, da dieses Material flexibel ist, eine kurze Reaktionszeit
hat und ermüdungsbeständig ist.
Ein drittes elektrisches Potential V3 kann an die Membran 131 angelegt
werden.
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Vorteile
des Ventils 105 schließen
aufgrund der Halbleiterkonstruktion geringe Größe ein. Aufgrund der geringen
Größe und der
kurzen Distanz, über
die sich die Membran 131 bewegen muss, um das Ventil 105 zu
betätigen,
verbraucht das Ventil nur minimalen Strom. Da sich die Membran 131 nur über eine
kurze Distanz bewegt, ist die Reaktionszeit des Ventils 105 kurz,
und die Dämpfungseffekte
werden minimiert. Der geringe Energiebedarf ermöglicht es, die Steuerung 111 aus
einer kleinen Batterie mit Strom zu versorgen. Die geringe Größe, der
geringe Energiebedarf und die kurze Reaktionszeit des Ventils ermöglichen
seine Integration in ein kleines tragbares Gerät. Ein solches kleines tragbares
Gerät kann
leicht von einer Person getragen oder sogar in eine Person implantiert
werden.
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Obwohl
also die vorliegende Erfindung mit Bezug auf verschiedene erläuternde
Ausführungsformen
davon beschrieben wurde, ist nicht beabsichtigt, die Erfindung auf
diese spezifischen Ausführungsformen
zu begrenzen.