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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf mikrobearbeitete Elektrofluidik-Module, ihre Verbindung mit einem separaten
Teil oder einer separaten Montagevorrichtung sowie ihre Verwendung
in einem Multiplex-System.
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Bisher gab es verschiedene und zahlreiche Anordnungen
von elektronischen Komponenten und Fluidik-Komponenten. Derartige
Anordnungen haben mehr oder weniger versucht, ein Zusammenwirken zwischen
den Elektronik- und/oder den Fluidik-Komponenten zu erreichen, um
Elektrofluidik-Eigenschaften zu schaffen. Komponenten wurden in
einem Gehäuse
oder in modularer Form montiert.
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Derartige modulare Anordnungen weisen normalerweise
einen inneren Solenoid, eine elektrische Wicklung, ein elektrothermisches
Element oder einen elektrisch ansprechenden Sensor, wie er beispielsweise
in einem Wandler verwendet wird, auf und enthalten mindestens einen
Fluidkanal. Elektrofluidik-Ventile weisen normalerweise sowohl einen Fluidikeinlaß als auch
einen Fluidikauslaß auf,
die üblicherweise
durch Fluidikschläuche
oder Fluidikrohre verbunden sind, und besitzen daran angebrachte
elektrische Leitungen zur Verbindung mit einer Steuerschaltung.
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Solenoidgesteuerte Fluidikventile
sind normalerweise recht groß,
obwohl Miniatur-Solenoidventile zur Verfügung stehen, wie dies nachfolgend noch
beschrieben wird. Wie ebenfalls nachfolgend noch beschrieben wird,
gibt es eine begrenzte Verwendung von neueren mikrobearbeiteten
Ventilen, die eine viel geringere Größe aufweisen und ein bewegliches
Element in ihrem Inneren verwenden, um die Fluidikströmung durch
diese hindurch zu modulieren.
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Obwohl kleine mikrobearbeitete Ventile
verfügbar
sind, sind diese zur Ausnutzung ihrer Größe nicht effektiv untergebracht,
wenn eine große
Anzahl solcher Ventile erforderlich ist, wie zum Beispiel in einem
komplexen Fluidiksystem, wie einem Fluidik-Multiplexsystem.
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Solenoidventile haben eine Reihe
von Nachteilen, wenn sie bei Anwendungen zum Einsatz kommen, in
denen Größe, Wärme, Gewicht
und Betriebsgeräusch
wichtig sind, wie zum Beispiel in einem Dialysesystem, bei dem über zwanzig
Solenoidventile zum Einsatz kommen.
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Derartige Dialysesysteme sind offenbart
in dem US-Patent 5 324 422 mit dem Titel "Benutzerschnittstelle
für automatisierte
Peritonealdialysesysteme", erteilt für Colleran et al. und übertragen
auf Baxter International Inc., sowie in dem US-Patent 5 350 357 mit dem Titel "Peritonealdialysesysteme,
die eine Flüssigkeitsverteilungs-
und Pumpkassette verwenden, die Schwerkraftströmung emuliert", erteilt für Kamen
et al. und übertragen
an die Deka Products Limited Partnership. Das pneumatische Druckverteilungsmodul
in den Colleran/Kamen-Patenten (s. 9)
besitzt über
zwanzig Solenoidventile in zwei Leitungen, wobei sich Fluidikschläuche zwischen
den Einlässen/Auslässen der
Ventile und dem Kolbenkörper
erstrecken.
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Während
das bei Colleran/Kamen offenbarte pneumatische Druckverteilungsmodul
seinen beabsichtigten Zweck erfüllt,
pneumatische Betätigungssignale
für die
Flüssigkeitsventile
bereitzustellen, besitzt das Modul in der Praxis mehrere Nachteile.
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Das Modul ist relativ groß und schwer,
indem es eine ungefähre
Größe von 12
Inch mal 4 Inch mal 2 Inch aufweist und ein Gewicht von etwa fünf Pfund hat.
Das Modul beinhaltet über
20 solenoidbetätigte elektromechanische
Ventile, von denen viele Dreiwegventile sind, die in beträchtlichem
Umfang Elektrizität
benötigen
und Wärme
sowie auch beträchtliches
Geräusch
erzeugen. Die Geräuschprobleme sind
besonders hervortretend und machen eine Schallumschließung sowie
eine entfernte Montage der Ventile in einem separaten Gehäuse erforderlich.
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Die Größe des Colleran-Moduls führte auch zu
einer Montage entfernt von dem Kolbenelement. Die entfernte Montage
verursacht eine Verzögerung bei
den pneumatischen Betätigungssignalen
und der Flüssigventil-Ansprechzeit
und erhöht
ferner die Kosten, die Größe sowie
die Komplexität
des Systems insgesamt. An dem Modul und an dem Kolben muß eine große Anzahl
von Leitungen und Installationsverbindungen vorgenommen werden,
so daß sich
die Größe, das
Volumen und die Komplexität
des Dialysegeräts
erhöhen.
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Die Nachteile des Verteilungsmoduls
sind somit die Kosten, die Größe, das
Gewicht, das Rauschen, die Wärme
sowie die Energieerfordernisse. Die Nachteile werden durch die Tatsache
verschärft, daß die Colleran-/Kamen-Systeme
für die
Behandlung von Nieren-Dialysepatienten zu Hause gedacht sind, und
zwar im allgemeinen, während
der Patient schläft.
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Man hat erkannt, daß es unter
Aufrechterhaltung der Patientensicherheit weiter wünschenswert wäre, die
Größe und die
Kosten des pneumatischen Verteilungsmoduls zu reduzieren, das bei
der Peritoneal-Behandlungsvorrichtung verwendet wird. Leider hat
sich herausgestellt, daß bei
anderen Anwendungen verwendete Komponenten zum Erreichen dieser Zielsetzungen
häufig
ungeeignet waren, insbesondere wenn diese in Peritoneal- und Nieren-Behandlungsvorrichtungen
oder anderen medizinischen Behandlungsvorrichtungen des vorstehend
beschriebenen Typs verwendet werden.
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Weiterhin können die Peritoneal-Behandlungssysteme
des bei Colleran et al. dargestellten Typs aufgrund der Tatsache
relativ geräuschbehaftet sein,
daß die
pneumatischen Ventile während
der gesamten Nacht betätigt
werden, während
der Patient zu schlafen versucht, während er oder sie an das Peritoneal-Behandlungssystem
angeschlossen ist.
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Eine einfache Miniaturisierung der
Ventile unter weiterer Verwendung von Solenoidventilen würde die
bestehenden Nachteile nicht vollständig überwinden, da das relative
Volumen der Verteilereinrichtungen im Hinblick auf die damit verbundenen Ventile
relativ groß bleiben
würde und
sich somit die gewünschten
Größen- und
Kosteneinsparungen nicht erreichen lassen würden.
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Man hat erkannt, daß man einen
Verteilungsmodul herstellen könnte,
indem man versucht, die größeren Solenoidventile
durch kleinere, miniaturisierte Solenoidventile beispielsweise des
Typs zu ersetzen, der von SMC erhältlich ist und die Modellnummer
NVJ124A hat. Jedes dieser Dreiweg-Miniventile ist etwa einen Inch
lang, drei Achtel (3/8) Inch breit und drei Viertel (3/4) Inch hoch.
Sehr kleine rohrförmige,
solenoidbetätigte
Ventile sind von der Lee Company erhältlich und tragen die Seriennummer LHDX0500700AA.
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Vier bis zehn der Lee-Dreiwegventile
sind in Verteilersystemen an einem Kunststoffverteilerblock konfiguriert
worden, der ein Paar Primäreinlässe sowie
eine Anzahl von Auslässen
entsprechend der Anzahl von Ventilen aufweist. Leider konnten jedoch keine
sehr wesentlichen dimensionsmäßigen Einsparungen
mit Solenoidventilen erzielt werden, und zwar aufgrund der Tatsache,
daß Solenoidventile
bei ihrer Betätigung
häufig
eine beträchtliche
Menge an elektrischem Strom ziehen, so daß Abwärme erzeugt wird, die abgeführt werden
muß.
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Der Stand der Technik ist reich an
verschiedenartigen und zahlreichen Elektrofluidik-Schaltungen, die
elektrische Schaltungen, elektromechanische Ventile und Fluidikverteiler
aufweisen. Siehe zum Beispiel US-Patent 4 095 863 von Hardin mit dem
Titel "Verteilereinrichtung und System für elektrische und/oder pneumatische
Steuervorrichtungen und Verfahren dafür"; US-Patent 4 165 139 von
Asbill III, mit dem Titel "Verteilereinrichtung und System für elektrische
und/oder pneumatische Steuervorrichtungen und Verfahren dafür"; US-Patent
3 547 139 von Van Berkum, mit dem Titel "Fluidlogikbaustein"; US-Patent 3 646 963
von Klee, mit dem Titel "Kanalsystem für durch Fluiddruckmedium betätigte Regel-, Steuer-
und Meßvorrichtung";
und US-Patent 4 549 248 von Stoll, mit dem Titel "Elektrofluidik-Leiterplattenanordnung
mit Fluidkanälen
und elektrischen Verbindungen". Jede der vorstehend genannten Schriften
besitzt bestimmte Nachteile hinsichtlich ihrer großen Größe, ihres
hohen Gewichts sowie ihrer anwendungsspezifischen Ausbildungen.
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In den letzten Jahren ist es in der
Technik bekannt geworden, daß mikrobearbeitete
Ventile, beispielsweise des in dem US-Patent Nr. 5 069 419 von Jerman
offenbarten Typs, kommerziell verfügbar sind. Derartige Ventile
sind in einzelnen Gehäusen untergebracht
worden, die einen einzigen Einlaß und einen einzigen Auslaß zur Steuerung
von geringen Mengen an Fluidströmung
durch diese hindurch aufweisen.
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Die mikrobearbeiteten Siliziumventile
sind recht klein, indem sie auf quadratischen oder rechteckigen
Siliziumscheiben ausgebildet sind, die sich in Bruchteilen eines
Inch messen lassen und nur wenige Tausendstel dick sind. Die Gehäuse, in
die die mikrobearbeiteten Ventile eingeschlossen worden sind, sind jedoch
Größenordnungen
größer als
die eigentlichen Ventile und sind im Vergleich zu dem eigentlichen
mikrobearbeiteten Ventil relativ sperrig. Außerdem sind mikrobearbeitete
Ventile im Vergleich zu Solenoidventilen relativ fragil.
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Sie ziehen jedoch keine großen Mengen
an Strom, da sie normalerweise durch die Erwärmung aktiviert werden, die
durch den elektrischen Strom hervorgerufen wird, der durch einen
dotierten Bereich fließt,
so daß eine
unterschiedliche Expansion von Schichten in dem mikrobearbeiteten
Ventil hervorgerufen wird und dadurch eine Bewegung zwischen einer
Erhebung und einem Ventilsitz bewerkstelligt wird. Derartige Ventile
sind zum Beispiel von IC Sensors unter der Modellnummer ICS 4425
erhältlich. Ähnliche
Ventile sind erhältlich
von Redwood Systems und werden unter der Handelsbezeichnung "FLUISTOR®" vertrieben.
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Die Ventile sind jeweils einzeln
in einem Gehäuse
untergebracht, wobei die speziell in einem TO8-Behältnis untergebrachten
Ventile einen einzigen Gaseinlaß und
einen einzigen Gasauslaß aufweisen.
Das TO8-Behältnis
kann von einer gedruckten Leiterplatte nach oben wegragend angebracht sein,
auf der elektrische Leiterbahnen ausgebildet sein können, um
eine elektrische Verbindung zu dem Ventil herzustellen, so daß dem Ventil
elektrische Signale zum Steuern seines Zustands und somit zum Steuern
der Fluidströmung
durch das Ventil zugeführt
werden können.
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In ähnlicher Weise offenbart das
durch eine Schicht mit Formerinnerungsvermögen betätigte Mikroventil, das in dem
US-Patent 5 325 880 von Johnson offenbart ist, die Unterbringung
eines Mikroventils in einem TO8-Behältnis, siehe 2. Das US-Patent 5 329 965 von Gordon,
mit dem Titel "Hybridventilsystem zum Variieren der Fluidströmungsrate",
offenbart eine schematische Darstellung eines Fluidströmung-Ventilsystems,
das ein FLUISTOR®-Mikroventil
beinhaltet, wobei als Alternative ein Gas-Mikroventil Modell Nr.
4425 offenbart ist, das von IC Sensors vertrieben wird. Das '965-Patent
von Gordon erfordert offensichtlich die Verwendung eines separaten
Einlaßrohrs
und Auslaßrohrs
sowie einer Leiterplatte.
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Zusätzlich zu dem Jerman-Patent
5 969 419 sind weitere mikrobearbeitete Vorrichtungen offenbart
in dem US-Patent 5 325 880 von Johnson et al., mit dem Titel "Durch
Schicht mit Formerinnerungsvermögen
betätigtes
Mikroventil"; US-Patent 5 180 623 von Ohnstein, mit dem Titel "Elektronische
Mikroventilvorrichtung sowie Herstellung davon"; US-Patent 4 821
997 von Zdeblick, mit dem Titel "Integrierter Mikrominiatur-Elektrik/Fluidik-Ventil
und Druck/Strömungsregler";
sowie US-Patent 5 322 258 von Bosch et al., mit dem Titel "Mikromechanische Betätigungseinrichtung".
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Es versteht sich, daß der Begriff
mikrobearbeitete Einrichtungen, wie er hier verwendet wird, allgemein
verwendet wird und nicht nur mikrobearbeitete Elektrofluidik-Ventile
umfaßt,
sondern auch andere mikrobearbeitete Einrichtungen, wie zum Beispiel Elektrofluidik-Druckwandler.
Ein Beispiel für
einen im Handel erhältlichen
mikrobearbeiteten Druckwandler ist die Modellnummer FPM-15PG, der
von Fujikura, Japan, erhältlich
ist.
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Der Druckwandlerkörper weist eine einzige Fluidik-Eingangsleitung
für einen
einzelnen darin vorhandenen Wandler sowie elektrische Verbindungen für den einzelnen
Wandler zum Einstecken in geeignete elektrische Einrichtungen auf.
Der vorstehend genannten Fujikura-Druckwandler ist kommerziell bei dem
Druckverteilungsmodul verwendet worden, das in dem '422-Patent von
Colleran offenbart ist, siehe Bezugszeichen 178 in 18.
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Die beiden anderen Patente, das '258-Patent von
Bosch und das '997-Patent von Zdeblick, offenbaren Anordnungen von
Mikroventilen, siehe 6 bei
Bosch und 66 bei Zdeblick. Weder Bosch noch
Zdeblick offenbaren jedoch die elektrischen Schaltungseinrichtungen
und die Fluidikverbindungen, die für die Handhabung der Fluidikeingänge und -ausgänge für die Ventile
in den Anordnungen erforderlich sind.
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Die EP-A-518 524 beschreibt Gasventile,
die in der Lage sind, in eine Vakuumkammer einzuleitende Gase mit
hoher Geschwindigkeit zu schalten. Diese Gasventile können extern
mit Gaszuführrohren, Gasaustrittsrohren
und Leitungsdrähten,
die zum Anlegen einer Spannung zum Öffnen und Schließen der Ventile
ausgebildet sind, verbunden sein.
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Die US-A-5 350 357 beschreibt ein
System zum Ausführen
einer Peritonealdialyse, das ein Druckverteilungssystem beinhaltet.
Das Druckverteilungssystem beinhaltet eine Einrichtungsschicht,
die Druckwandler enthält,
eine Verbindungsplatte und eine Verteileranordnung. Die Verteileranordnung weist
eine obere Platte und eine untere Platte auf. Die untere Platte
trägt Ventile,
die eine Steuerung von Luftöffnungen
in der Bodenplatte bewirken. Die Ventile sind durch Flachkabel mit
einer Steuerung an der Einrichtungsschicht über Kontakte an der Verbindungsplatte
elektrisch verbunden.
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Die Verwendung von elektrostatisch
betätigten
Mikroventilen, die eine Schicht mit Formerinnerungsvermögen unter
Ausnutzung des martensitischen Umwandlungsphänomens verwenden können, in
einer matrixartigen Anordnung, ist in dem US-Patent 5 284 179 von Shikida et al.,
mit dem Titel "Ventil und Halbleiterherstellungseinrichtung unter Verwendung
eines solchen Ventils" offenbart.
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Das '179-Patent von Shikida offenbart
mehrere Einlässe
und mehrere Auslässe
zusammen mit mehreren Mikroventilen mit Formerinnerungsvermögen, die
in einer einzelnen Schicht in einem Fluidikverteiler angeordnet
sein können
oder auf mehreren Ebenen in einem komplexeren Fluidikverteiler angeordnet
sein können,
siehe 7b, 8 und 18.
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Das Shikida-Patent hat die Nachteile,
daß es ein
in der Herstellung kompliziertes und schwieriges System zu sein
scheint und daß ein
Zugang zu den Mikroventilen für
eine Reparatur oder ein Austauschen derselben schwierig oder unmöglich ist.
Ferner dient die Shikida-Offenbarung für eine anwendungsspezifische
Ausbildung, und es handelt sich nicht um ein Gehäuse oder ein Modul von elektrischen
Komponenten und Fluidikkomponenten mit allgemeiner Anwendbarkeit.
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Das heißt, im Gegensatz zu einzelnen
Ventilen, die angebracht oder ausgebaut werden können, wenn eines davon fehlerhaft
wird, muß die
gesamte Matrix weggeworfen werden, wenn ein einziges Ventil fehlerhaft
wird. Ferner weisen die Mikroventile keine standardmäßigen Fluidikverbinder
und elektrischen Verbinder auf, wie dies bei Solenoidventilen der
Fall ist, bei denen eine Neuanordnung der Ventile für verschiedene
Funktionen möglich
ist.
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Wie vorstehend erwähnt wurde,
ist das Mikroventil im Inneren des TO8-Behältnisses
des ICS 4425 oder des FLUISTORS®-Ventils
zwar sehr klein, jedoch ist das Gehäuse recht groß, und jedes
Gehäuse
benötigt
separate Fluidikverbindungen und elektrische Verbindungen. Es ist
zu erkennen, daß zur
Bereitstellung einer Vielzahl von Ventilen, wie bei dem '422-Patent
von Colleran, eine große
Anzahl von Fluidikleitungen und eine große Anzahl von elektrischen Verbindungen
erforderlich wären,
was zu einer sehr komplexen und verwirrenden Anordnung einzelner Elemente
führt,
die Ventile, Fluidikleitungen und -verbinder sowie elektrische Leitungen
und Verbinder beinhalten.
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Es besteht daher ein Bedarf für ein Elektrofluidik-Modul,
insbesondere ein in hohem Maßen
miniaturisiertes Elektrofluidik-Modul, das die Funktion eines Multiplex-Systems
ausführen
kann, das in der Lage ist, einen oder mehrere einer Vielzahl von
Fluidikeinlässen
mit einem oder mehreren einer Vielzahl von Fluidikauslässen selektiv
zu verbinden, das jedoch nur ein sehr kleines Volumen einnimmt,
sehr wenig elektrischen Strom für
die Steuerung verbraucht und somit wenig Abwärme erzeugt und das zuverlässig ist
und sich kostengünstig
herstellen läßt. Vorzugsweise
sollte ein solches Modul eine einfache Montage und ein einfaches
Austauschen ermöglichen,
und es sollte mit einer Standard-Fluidikschnittstelle
und einer Standard-Elektronikschnittstelle ausgestattet sein.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird ein in hohem Ausmaß miniaturisiertes
Elektrofluidik-Modul zur Aufnahme eines Fluids und Herstellung einer elektrischen
Verbindung angegeben.
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Das Modul besitzt eine im wesentlichen
flache Verteilerschicht, die mindestens einen Fluidikeinlaß und einen
inneren Fluidikkanal hat, der mit dem Einlaß zur Aufnahme von Fluid verbunden
ist; eine im wesentlichen flache elektrische Schicht, die eine elektrische
Schaltung trägt;
und eine im wesentlichen flache Einrichtungsschicht, die eine Vielzahl
von mikrobearbeiteten Einrichtungen darauf in Fluidverbindung mit
dem Fluidikkanal in der Verteilerschicht und in direkter elektrischer
Verbindung mit der elektrischen Schaltung auf der elektrischen Schicht
hat.
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Das Modul kann ferner eine zweite
flache Verteilerschicht aufweisen, die Fluidikkeingänge und innere
Fluidikkanäle
hat. Die zweite Schicht ist an einer Seite der mikrobearbeiteten
Einrichtungsschicht angeordnet, die der Seite gegenüberliegt,
an der die erste Verteilerschicht angeordnet ist, um die Fluidströmung zu
der ersten Verteilerschicht zurückzuleiten,
wobei die elektrische Schaltung Leiterbahnen darauf aufweist, wobei
die elektrische Schicht zwischen der Einrichtungsschicht und der
ersten Verteilerschicht angeordnet ist, wobei in der elektrischen Schicht
Fluidikkanäle
ausgebildet sind, um die Strömung
von Fluid von der ersten Verteilerschicht und durch die elektrische
Schicht zu ermöglichen.
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Bei der Einrichtungsschicht kann
es sich um eine mittlere Schicht handeln, wobei die genannte Verteilerschicht
an einer Seite der Einrichtungsschicht angeordnet ist. Das Modul
kann eine zweite Verteilerschicht aufweisen, die an einer der ersten Verteilerschicht
gegenüberliegenden
Seite der Einrichtungsschicht angeordnet ist, wobei die zweite Verteilerschicht
Fluidikkänäle zum Zurückleiten
der Fluidströmung
zu der ersten Verteilerschicht hat und wobei die mikrobearbeiteten
Einrichtungen auf der Einrichtungsschicht Elektrofluidikventile
aufweisen.
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Das Modul kann ferner einen modularen Flachgehäuse-Schichtkörper aufweisen,
der eine Fläche
hat, wobei die Verteilerschicht eine Einlaß-/Auslaßverteilerschicht ist, die
mindestens einen Einlaß für die Einlaßfluidströmung in
der einen Richtung und mindestens einen Auslaß für die Fluidrückströmung in
einer Rückflußrichtung
hat und an der Fläche
vorhanden ist.
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Bei der Einrichtungsschicht kann
es sich um eine mittlere Schicht des Körpers handeln, und die Fluidikkanäle der Einrichtungsschicht
können
die Fluidströmung
modulieren. Die elektrische Schicht kann in dem Körper den
mikrobearbeiteten Einrichtungen benachbart vorhanden sein und elektrische Schaltungen
zum Betätigen
der mikrobearbeiteten Einrichtungen aufweisen.
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Das Modul kann ferner einen Rückleitungsverteiler
an dem modularen Körper
an einer anderen Seite der Einrichtungsschicht aufweisen, um die
Fluidströmung
von einem Teil der Einlaß-/Auslaßverteilerschicht
aufzunehmen und die Fluidströmung
zu einem anderen Teil der Einlaß-/Auslaßverteilerschicht umzuleiten.
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Das Modul kann für eine Multiplex-Aufgabe verwendet
werden, die ein sehr geringes Volumen einnimmt und vorzugsweise
sehr kleine mikrobearbeitete Elektrofluidik-Einrichtungen, beispielsweise Elektrofluidik-Ventile,
verwendet. Dies wird zum Teil erreicht durch Bereitstellung einer
Vielzahl von mikrobearbeiteten Elektrofluidik-Einrichtungen in einem einzigen,
kleinen, flachen Modul, anstatt einer separaten Bereitstellung der
gleichen Anzahl von einzeln in Gehäuse untergebrachten Einrichtungen.
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Auch ist das Gewicht dieser mehreren
mikrobearbeiteten Einrichtungen aufgrund ihrer Kombination in einem
einzigen, kleinen, flachen Schichtgehäuse beträchtlich geringer. Ferner werden
die Kosten des Elektrofluidiksystems aufgrund der Tatsache beträchtlich
vermindert, daß mehrere
Ventilmodule aus standardmäßigem Leiterplattenmaterial
(FR-4) unter Verwendung herkömmlicher,
kostengünstiger Mehrschicht-Leiterplattenherstellungstechniken
hergestellt werden können.
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Die gehäusemäßige Unterbringung von mehreren
mikrobearbeiteten Einrichtungen in einem gemeinsamen, einzigen,
miniaturisierten Schichtkörper
bzw. Schichtgehäuse
ohne zahlreiche individuelle Luftleitungen und zugehörige Verbindungen
führt zu
beträchtlichen
Einsparungen bei der Größe, dem Gewicht
und den Kosten.
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Vorteile bei der Montage und der
Instandhaltung ergeben sich, da das standardmäßige Schichtmodul mit vorbestimmten
Standard-Fluidikeinlässen und
-auslässen
sowie mit einem elektrischen Standardverbinder zur Verbindung mit
einem Elektrofluidik-Montageelement, wie zum Beispiel einer Elektrofluidik-Platte,
versehen sein kann, die Fluidikkanäle sowie einen dazu passenden
elektrischen Verbinder aufweist.
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Der elektrische Verbinder an dem
standardmäßigen Schichtmodul
kann an einem dazu passenden elektrischen Verbinder unter Verwendung
einer beliebigen geeigneten Verbindungseinrichtung angebracht werden,
wie zum Beispiel einer standardmäßigen, dazu
passenden Zwischenverbindung-Stift- und -Fassungs-Anordnung, die minimale
Einführkraft
benötigt.
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Dies macht das Modul ideal für eine rasche Montage
oder für
ein Austauschen hinsichtlich des Elektrofluidik-Elements im Fall
eines Ventildefekts in dem Modul. Dadurch werden die Nachteile von
Mikroventilen des Standes der Technik überwunden, die häufig schwalbenschwanzartige
elektrische Drahtleitungen aufweisen, die einzeln verlötet werden
müssen,
was zeitaufwendig ist und das Silikonmaterial beschädigen kann,
wenn beim Löten
kein Kühlkörper verwendet
wird.
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Zusätzlich dazu wird das von dem
Standardmodul eingenommene Volumen reduziert, indem an dem Modul
eine Rückströmungseinrichtung
vorgesehen ist, um die ankommende Fluidströmung in einer umgekehrten Rückflußrichtung
umzuleiten, so daß sowohl
die Fluidikeinlässe
als auch die Fluidikauslässe
an einer gemeinsamen Fläche
des Standardmoduls für
eine bündige
Anbringung an einer Fläche
eines Elektrofluidik-Elements, beispielsweise einer Elektrofluidik-Leiterplatte, vorgesehen
sein können.
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Das heißt, anstatt große und separate
Einlaßrohre
oder Einlaßschläuche mit
gegenüberliegenden
Seiten von jedem der mehreren mikrobearbeiteten Ventile zu verbinden,
wird ein gemeinsamer Rückleitungsverteiler
zum Zurückleiten
der Fluidströmung
zu der Einlaß-/Auslaßfläche des
Moduls vorgesehen. Somit werden die Höhe und das Volumen des Standardmoduls
durch Eliminieren einer Reihe linearer anschließender Verbindungen reduziert.
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Vorzugsweise ist die bündig anbringbare
Fläche
des Standardmoduls bündig
an dem Elektrofluidik-Element oder der Elektrofluidik-Leiterplatte
angebracht, das bzw. die Fluidikkanäle in ihrer Fläche aufweist,
so daß keine
Fluidikrohre oder Fluidikschläuche
zwischen der Leiterplatte und dem Modul vorgesehen sind.
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Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt
der Erfindung ist es in entsprechender Weise bevorzugt, daß ein Elektrofluidik-Element
oder eine Elektrofluidik-Leiterplatte
bündig
an einer separaten Montagevorrichtung angebracht wird und daß die Montagevorrichtung
Fluidikkanäle
darin aufweist, so daß Fluid direkt
von der Montagevorrichtung durch Öffnungen und Fluidikkanäle in der
Leiterplatte ohne Verwendung von Rohren oder Schläuchen zwischen
der Leiterplatte und der Montagevorrichtung zu und von den Standardmodulen
strömen
kann.
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Beispielsweise wird der Kolbenkörper der
Dialysevorrichtung mit Fluidikkanälen versehen und wird das Elektrofluidik-Element
oder die Elektrofluidik-Leiterplatte an dem Kolbenkörper angebracht, wobei Öffnungen
in der Leiterplatte Fluid ohne die Verwendung von irgendwelchen
Fluidikrohren oder Fluidikschläuchen
in Bezug auf die Kolben-Fluidikkanäle aufnehmen und zurückleiten.
Das Standardmodul wird gleichermaßen bündig angebracht, wobei seine
Fluidikeinlässe
und Fluidikauslässe
an seiner Verteilerschichtfläche
mit den Fluidikkanäle
in der Leiterplatte verbunden werden.
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Da eine Rückleitungsverteilerschicht
an dem Modul auf der Seite einer Schicht von mikrobearbeiteten Einrichtungen
in dem Modul Fluid zu der Verteilerschicht zurückleitet, erfolgen sowohl die
Fluideintrittsströmung
als auch die Fluidaustrittsströmung durch
die gleiche Verteilerschicht sowie durch die gleiche Fläche.
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Die Qualität des Elektrofluidik-Standardmoduls
ist gegenüber
der einer herkömmlichen
Fluidikschaltung mit ähnlicher
Funktionalität
verbessert. Der Grund hierfür
liegt darin, daß sich
die Reduzierung der Anzahl von Teilen direkt in einer verbesserten Qualität niederschlägt. Vorteile
in der Qualitätskontrolle
sind ebenfalls durch die Erfindung bedingt, da die standardisierten
Elektronik- und
Fluidik-Zwischenverbindungen einfache Qualitätskontrolltests des Moduls
nach der Montage ermöglichen.
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Das erfindungsgemäße Modul schafft ferner einen
einheitlichen Verbindungsstandard, so daß standardisierte Elektronik-
und Fluidik-Zwischenverbindungen sowie eine geradlinige Anpassung
des Moduls bei einer großen
Anzahl verschiedener Anwendungen ermöglicht werden.
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Die Funktionalität des Elektrofluidik-Standardmoduls
und der kundenspezifischen Leiterplattenanordnung ist ganz anders
und in der Lage, Elektronik- und Fluidikkomponenten zur Ausführung einer großen Anzahl
verschiedener Funktionen Rechnung zu tragen. Diese Komponenten können jede
gewünschte
Kombination von Zweiwegventilen, Dreiwegventilen, Druck-/Strömungs/Temperatursensoren,
Druck-/Strömungsreglern,
programmierbaren Fluidikkomponenten, Kombinations-Fluidikschaltungen,
Transistoren, mikrobearbeiteten Pumpen, Verstärkern sowie anderen Elektronik-
und/oder Fluidikkomponenten beinhalten. Die vorstehend genannten Komponenten
und Funktionen sind als Beispiele genannt und sollen nicht die Auswahlmöglichkeiten
begrenzen, die in der Technik verfügbar sind oder verfügbar werden.
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Das bevorzugte Elektrofluidik-Modul
ist gebildet aus flachen Schichten, die eine Schicht mit mindestens
einer mikrobearbeiteten Einrichtung beinhalten, wie zum Beispiel
eine Vielzahl von mikrobearbeiteten Ventilen, die einander benachbart
angeordnet sind und mit Schaltungen auf einer benachbarten elektrischen
Schicht, die die Ventilelemente betätigt, elektrisch verbunden
sind.
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Das Modul weist ferner eine Verteilerschicht mit
Fluidikkanälen
sowie Fluidikeinlässen
und Fluidikauslässen
an einer Fläche
des Moduls auf, wobei die Fluidik kanäle in der Verteilerschicht
in Fluidverbindung mit den Fluidikkanälen in den mikrobearbeiteten
Ventilen sind.
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Vorzugsweise weist die elektrische
Schicht eine elektrische Leiterplatte mit darauf vorhandenen elektrischen
Leiterbahnen auf, die elektrische Schaltungen zum Betätigen jedes
der mikrobearbeiteten Ventile bilden. Diese elektrischen Schaltungen
sind mit einem elektrischen Verbinder zur Herstellung einer mechanischen
und elektrischen Verbindung mit einem dazu passenden elektrischen
Verbinder an dem Elektrofluidik-Leiterplattenelement ohne die Verwendung
von Löttechniken
elektrisch verbunden.
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Aus dem Vorstehenden ist zu erkennen,
daß ein
neues und verbessertes Verfahren zum Herstellen und/oder Unterbringen
einer Vielzahl von miniaturisierten oder mikrobearbeiteten Fluidik-
und Elektronikkomponenten in einem äußerst miniaturisierten, kostengünstigen
Flachgehäuse-Modul
geschaffen wird.
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Die in der vorliegenden Erfindung
offenbarte Verfahrensweise ermöglicht
die bündige
Anbringung eines solchen Flachgehäuse-Moduls für Fluidikverbindungen
in einem größeren Fluidiksystem
sowie eine Verbindung desselben durch dazu passende elektrische
Verbinder mit einer elektrischen Steuereinheit zum Betreiben der
Mikroeinrichtungen in dem Flachgehäuse-Modul.
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Auf diese Weise kann ein Flachgehäuse-Modul,
das eine Vielzahl von Mikroventilen aufweist, in ein größeres Elektrofluidik-System
mit zusätzlichen Fluidikkomponenten
als Teil einer separaten Montagevorrichtung integriert werden. Bei
den Fluiden kann es sich um Gase, wie zum Beispiel Luft unter Druck
oder Unterdruck, oder um Flüssigkeiten
handeln. Die Mikroventile sind proportional und können zum
Einstellen der Strömungsraten
sowie zum Öffnen
und Schließen
der Strömungswege
verwendet werden.
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Aus dem Vorstehenden ist zu erkennen,
daß das
Modul Fluidikleitungen und elektronische Schaltungen auf einer Basis
zum Abstützen
der Fluidik- und Elektronikkomponenten sowie Fluidik-Schnittstellenverbindungen
für Fluidverbindungen
zwischen der Basis und einer separaten Montagevorrichtung, elektronische
Schnittstellenverbindungen zur Herstellung einer Verbindung von
elektrischen Signalen und/oder Energie zwischen der Basis und der
separaten Montagevorrichtung sowie eine mechanische Schnittstellenverbindung
zum Befestigen der Basis an der separaten Montagevorrichtung aufweist.
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Das bevorzugte Modul kann auch eine
Rückleitungsverteiler-Abdeckschicht
zum Schützen
der Fluidik- und Elektronikkomponenten sowie zum Zurückführen der
Fluide zu der Basis und zu den mikrobearbeiteten elektrischen Einrichtungen
aufweisen.
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Ferner ist zu erkennen, daß die vorliegende Erfindung
eines Elektrofluidik-Moduls die Nachteile des Standes der Technik überwindet,
die die große Größe, das
hohe Gewicht, die Wärme,
das Geräusch,
die Ineffizienz sowie den Mangel der generellen Anwendbarkeit von
herkömmliche
Komponenten verwendenden Elektrofluidik-Systemen des Standes der
Technik beinhalten.
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In vielen Fällen kann das Elektrofluidik-Element
oder die Elektrofluidik-Leiterplatte mehrere daran angebrachte,
lösbare
Module aufweisen, und die Leiterplatte kann einen zusätzlichen
Verbinder zur Verbindung mit einem Flachkabel aufweisen, das zu einer
elektrischen Steuereinheit zum Betätigen der Sequenz der Mikrofluidik-Ventile
zur Ausführung
des erforderlichen Multiplex-Betriebs führt.
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Alternativ hierzu kann eine Steuereinheit
direkt an dem Elektrofluidik-Element angebracht sein, um eine Verbindung
durch Schaltungen herzustellen, die zu diesem Zweck vorgesehen sind.
In anderen Fällen
kann ein einziges Modul an einem bestimmten Elektrofluidik-Element
angebracht sein, um eine Anordnung zu bilden, die mit verschiedenen
Montagevorrichtungen verwendet werden kann.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der
Erfindung ist eine Montagevorrichtung mit Fluidikkanälen vorgesehen,
und ein Elektrofluidik-Element, wie zum Beispiel eine Elektrofluidik-Leiterplatte,
ist an der Montagevorrichtung derart angebracht, daß sich Fluidikeinlässe und
Fluidikauslässe
in der Leiterplatte in Fluidverbindung mit Fluid in der Montagevorrichtung
befinden.
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Mindestens eine mikrobearbeitete
Einrichtung ist an der Leiterplatte angebracht, und Fluidikkanäle in der
Einrichtung stehen in Fluidverbindung mit den Fluidikeinlässen und
-auslässen
in der Leiterplatte und somit mit den Fluidikkanälen in dem Kolben. Ein elektrischer
Verbinder in der Leiterplatte ist an einem elektrischen Verbinder
an der mikrobearbeiteten Einrichtung angebracht.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung
beinhaltet die Verwendung des Elektrofluidik-Moduls für die Steuerung
von mehreren Flüssigkeitsventilen,
indem das Standardmodul in ein Kolbenelement integriert sein kann,
so daß die
Ausgänge
des Standardmoduls durch ein kundenspezifisches Elektrofluidik-Element oder eine
kundenspezifische Elektrofluidik-Leiterplatte geführt werden
können
und in einer vorbestimmten Anzahl und Konfiguration von pneumatischen
Betätigungseinrichtungen für Flüssigkeitsventile
verteilt werden können.
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Eine spezielle Anwendung für die vorliegende
Erfindung besteht in der Verwendung in einem automatisierten Peritonealdialysesystem,
wie es in dem '422-Patent von Colleran offenbart ist, wobei der
große,
separate Fluidik-Steuerverteiler mit über zwanzig Solenoidventilen
und vierzehn Fluidikschläuchen
zu sowie von dem Kolbenkörper
weg zum größten Teil durch
eine kleine gedruckte Leiterplatte ersetzt worden ist, die an dem
Kolbenkörper
angebracht ist und einige wenige Standardmodule aufweist, die jeweils mehrere
mikrobearbeitete Elektrofluidik-Ventile enthalten.
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Die Nähe der Steuermodule zu den
pneumatischen Betätigungseinrichtungen
eliminiert längere Abschnitte
von Schlauchmaterial, so daß die
Verzögerungszeit
in dem System reduziert wird, die früher durch die notwendige Zeit
zum Erreichen des gewünschten
Drucks und der gewünschten
Strömungsrate
in den Schlauchabschnitten verursacht wurde.
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Die Erfindung bietet somit eine schnellere Ansprechzeit
sowie eine verbesserte Herstellbarkeit, Montage und Instandhaltbarkeit
unter gleichzeitiger Reduzierung der Größe, des Gewichts, des Geräusches,
der Wärme,
der Energieerfordernisse sowie der Kosten des Systems.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die 23 und 24 sind lediglich zum Zweck der
Erläuterung
beigefügt
und bilden keinen Bestandteil der vorliegenden Erfindung.
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Es zeigen:
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1 eine
Perspektivansicht eines Elektrofluidik-Moduls gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 eine
Perspektivansicht des in 1 gezeigten
Elektrofluidik-Moduls zur Erläuterung
von Details an dessen Boden;
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3 eine
auseinandergezogene Perspektivansicht von Komponenten des in 1 gezeigten Elektrofluidik-Moduls
zur weiteren Erläuterung
einer darunter befindlichen, separaten Montagevorrichtung, wobei
die Kombination aus dem Modul und der Montagevorrichtung eine Elektrofluidik-Anordnung bildet;
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4 eine
Draufsicht auf eine Basisschicht des in 1 gezeigten Elektrofluidik-Moduls;
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5 eine
Draufsicht auf eine erste zwischengeordnete Schicht des in 1 gezeigten Elekrofluidik-Moduls;
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6 eine
Draufsicht auf eine Schaltungsschicht mit einer darüber angeordneten
Einrichtungsschicht, die eine Vielzahl von auf der Schaltungsschicht
positionierten Mikroventilen beinhaltet, wobei diese Komponenten
in das in 1 gezeigte
Elektrofluidik-Modul integriert sind;
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7 eine
Draufsicht auf eine Fluidik-Rückleitungsabdeckung
zur Positionierung über
der Einrichtungsschicht und der Schaltungsschicht;
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8 eine
Draufsicht auf das in 1 gezeigte
Elektrofluidik-Modul;
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9 eine
Schnittdarstellung entlang der Linie 9-9 der 8, wobei Bereiche auseinandergezogen
dargestellt sind, um Details eines ersten Fluidströmungsweges
durch das Modul zu veranschaulichen;
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10 eine
Schnittdarstellung entlang der Linie 10-10 der 8, wobei Teile auseinandergezogen
dargestellt sind, um Details eines zweiten Fluidströmungsweges
durch das Modul zu veranschaulichen;
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11 eine
auseinandergezogene Perspektivansicht des in 1 gezeigten Elektrofluidik-Moduls, die
teilweise schematisch dargestellt ist, um zwei gleichzeitige Strömungswege
durch jeweilige Bereiche des Moduls zu veranschaulichen;
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12 eine
schematische Darstellung des in 1 gezeigten
Elektrofluidik-Moduls
zur Erläuterung
der Verbindungen mit einem Paar elektrischer Sockel und einem Paar
Fluidquellen;
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13 eine
von hinten gesehene Aufrißansicht
eines Kolbenkörpers
für ein
Peritonealdialysesystem, wobei der Kolbenkörper mit Kanälen zum Zuführen von
pneumatischen Signalen für
die Steuerung einer Kassette versehen ist, die Teil einer Patientenschaltung
bildet;
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14 eine
weitere von hinten gesehene Aufrißansicht des Kolbenkörpers der 13, die auch eine Basisplatte
und in unterbrochenen Linien die Positionierung von drei Elektrofluidik-Modulen
sowie ihren fluidischen, elektrischen und mechanischen Verbindungen
mit der Basisplatte und dem Kolbenkörper veranschaulicht;
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15 eine
weitere von hinten gesehene Aufrißansicht des Kolbenkörpers und
der Basisplatte der 14,
wobei drei Elektrofluidik-Module positioniert sind;
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16 eine
Seitenaufrißansicht
einer gedruckten Schaltungsplatte zur Verwendung in einer Montagevorrichtung
eines Elektrofluidik-Moduls;
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17 eine
Draufsicht auf die in 16 gezeigte
gedruckte Schaltung unter Darstellung von Details einer Vielzahl
darauf vorhandener Leiterbahnen;
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18 eine
Seitenaufrißansicht
einer Basisschicht zum Tragen der in 16 und 17 gezeigten Leiterplatte;
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19 eine
Draufsicht auf die in 18 dargestellte
Basisschicht zur Erläuterung
von Details einer Vielzahl von darin vorhandenen Fluidikkanälen;
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20 eine
Perspektivansicht des in 1 gezeigten
Elektrofluidik-Moduls, das auf der Montagevorrichtung angebracht
ist;
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21 eine
Perspektivansicht der in 20 gezeigten
Montagevorrichtung;
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22 eine
auseinandergezogene Perspektivansicht der in 21 gezeigten Montagevorrichtung;
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23 eine
Draufsicht auf ein mikrobearbeitetes Siliziumventil;
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24 eine
Schnittdarstellung im wesentlichen entlang der Linie 24-24 der 23 zur Erläuterung
von Details im Inneren des mikrobearbeiteten Siliziumventils; und
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25 eine
auseinandergezogene Perspektivansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels des
Elektrofluidik-Moduls, das vier Mikroventile enthält.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
und insbesondere die 1 bis 3 ist ein Elektrofluidik-Miniaturmodul
gemäß der vorliegenden
Erfindung darin allgemein dargestellt und mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet.
Wie in den 3 und 20 zu sehen ist, kann das
Elektrofluidik-Modul 10 auf einer separaten Elektrofluidik-Montagevorrichtung 250 angebracht sein,
um eine fluidische und elektronische Verbindung zwischen dem Modul
und der Montagevorrichtung herzustellen.
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Das Elektrofluidik-Miniaturmodul 10 kann
um eine Basiseinheit oder ein Elektrofluidik-Element 12 herum
aufgebaut sein, das drei Schichten 24, 64, 80 aufweisen
kann, wie dies nachfolgend noch ausführlicher erläutert wird.
Das Elektrofluidik-Element 12 trägt eine vorzugsweise im wesentlichen
flache oder planare Einrichtungsschicht 13, die eine Vielzahl
von mikrobearbeiteten Einrichtungen 14 beinhaltet.
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Eine Vielzahl elektrischer Schaltungen 16 ist an
dem Elektrofluidik-Element 12 ausgebildet, und die Schaltungen
sind mit den mikrobearbeiteten Einrichtungen 14 verbunden,
um diese zu betreiben und dadurch die Fluidströmung von einer Vielzahl von Einlässen oder
Auslässen 18 durch
die mikrobearbeiteten Einrichtungen 14 sowie durch eine
Vielzahl von bidirektionalen Öffnungen 20 zu
modulieren, deren jede so ausgewählt
sein kann, daß sie
entweder als Einlaß oder
als Auslaß dient,
wobei dies von den Fluidverteilungs-Verteilerwegen, dem Zustand
der jeweiligen Mikrobetätigungselementen 14 sowie
dem positiven oder negativen relativen Druck an jeder Öffnung 20 in
Bezug auf den Druck an dem zugehörigen Einlaß oder Auslaß 18 abhängig ist.
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Eine Rückleitungs-Fluidströmungs-Lenkeinrichtungs-
oder Verteilerabdeckung 22 vervollständigt einen Fluidströmungsweg
zwischen den Fluidikeinlässen
oder – auslässen 18 und
den Fluidikeinlässen/-auslässen 20.
Die Verteilerabdeckung 22 kann über der Einrichtungsschicht 13 angebracht sein
und von der oberen Schicht 80 des Elektrofluidik-Elements
und somit von dem eigentlichen Elektrofluidik-Element 12 abgestützt sein.
Ein Paar elektrischer Verbinder 23, die jeweils fünf Anschlußstifte aufweisen
können,
ermöglicht
eine elektrische Kopplung zwischen den elektrischen Schaltungen 16 und der
Umgebung, in der das Elektrodfluidik-Miniaturmodul 10 arbeitet.
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Das Modul 10 und die Montagevorrichtung 250 können aus
Leiterplattenmaterial, wie zum Beispiel FR-4, oder aus Keramiksubstraten,
wie zum Beispiel Aluminiumoxid oder anderen Keramikmaterialien,
oder aus anderen geeigneten Materialien hergestellt sein. Das Material
kann unter angemessener Berücksichtigung
seiner Eigenschaften ausgewählt werden,
wie zum Beispiel der bequemen Herstellbarkeit (im Fall von FR-4),
seiner inhärenten
Reinheit und chemischen Beständigkeit
(im Fall von Aluminiumoxid und anderen üblichen Keramikmaterialien) sowie
weiteren Eigenschaften, wie zum Beispiel den Isoliereigenschaften,
dem geringen Gewicht, der mechanischen Bearbeitbarkeit, der Festigkeit,
der Kostengünstigkeit
sowie weiteren derartigen Faktoren, wie diese für die speziellen Anwendungen
relevant sein können.
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Das Elektrofluidik-Element 12 weist
eine im wesentlichen quaderförmige
Basisschicht 24 auf, die ein Paar rechteckige Seitenwände 26 und 28 sowie vier
abgeschrägte
Ecken 30, 32, 34 und 36 hat.
Die Einlässe
oder Auslässe 18 können einen
Druckeinlaß 58 und
einen Subatmosphärendruck-Auslaß oder Unterdruckauslaß 60 aufweisen.
Ein Druckeinlaßkanal 58 kann
mit einer Druckeinlaß-Blindbohrung 40 versehen
sein, während
der Unterdruckauslasskanal 60 mit einer Unterdruckauslaß-Blindbohrung 42 versehen
sein kann.
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Diese Kanäle dienen für die Verbindung von druckbeaufschlagter
oder verdünnter
Luft bei einem Druck über
oder unter Atmosphärendruck,
jedoch normalerweise im Bereich von +1,5 bis 10 psig (Überdruck
in psi), vorzugsweise etwa +5 psig. Das Elektrofluidik-Modul 10 kann
zum Übertragen
von pneumatischen Signalen zum Betätigen von Flüssigkeitsventilen
verwendet werden, wie zum Beispiel in medizinischen Vorrichtungen,
wie automatisierten Peritonealdialyse-Behandlungssystemen.
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Ein Paar Einlaß- oder Auslaß-O-Ringe 48 und 50 sind
in den Bohrungen 40 bzw. 42 angeordnet. Die Einlaß- oder
Auslaß-O-Ringe 48 und 50 sorgen
für eine
Abdichtung zwischen jedweder pneumatischen Zufuhreinrichtung, die
in Fluidverbindung mit dem Einlaß 58 und dem Auslaß 60 angeschlossen ist.
Der Einlaßkanal 58 und
der Auslaßkanal 60 koppeln
jeweils entweder eine Quelle an druckbeaufschlagter Luft oder eine
Quelle an unter Atmosphärendruck
befindlicher Luft über
weitere Schichten mit den mikrobearbeiteten Ventilen 14.
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Eine zwischengeordnete Verteilerschicht 64 ist über der
Basisschicht 24 angeordnet, wobei sich Kanäle in Fluidverbindung
mit den Einlässen
oder Auslässen 18 sowie
den Einlässen/Auslässen 20 befinden.
Genauer gesagt schafft die zwischengeordnete Verteilerschicht 64 eine
verallgemeinerte Routenführung
zwischen den Mikroventilen 14 und den Einlässen oder
Auslässen 18 sowie
den Einlässen/Auslässen 20.
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Die zwischengeordnete Verteilerschicht 64 ist
im wesentlichen flach und planar und weist eine Vielzahl darin ausgebildeter
Schlitze auf. Diese Schlitze beinhalten einen länglichen Druckeinlaßschlitz 66,
einen im wesentlichen H-förmigen
Unterdruck-Auslaßschlitz 68 sowie
vier Einlaß-/Auslaßschlitze 70, 72, 74 und 76,
wie dies in den 3 und 5 zu sehen ist.
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Eine gedruckte Leiterplatte 80 ist über der zwischengeordneten
Verteilerschicht 64 angeordnet und weist eine Vielzahl
von elektrischen Bahnen oder Leiterbahnen 16 auf, die zwei
Bereiche 82 und 84 beinhalten können, die
darauf durch ein beliebiges herkömmliches
Verfahren zum Bilden von elektrischen Leiterbahnen auf einer Leiterplatte
gebildet sind, wie dies in den 6 und 11 zu sehen ist.
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Die Basisschicht 24 ist
ferner mit vier Einlässen
oder Auslässen 20 versehen,
die alle mit den Bezugszeichen 20a bis 20d bezeichnet
sind. Wie in den 2 und 3 zu sehen ist, sind die
Einlässe/Auslässe 20a bis 20d jeweils
mit Blindbohrungen 21a bis 21d zum Aufnehmen von
O-Ringen 51 versehen, die für eine Abdichtung für externe
Verbindungen oder Kanäle
sorgen, die zum Übertragen
von Fluiden verwendet werden, wie zum Beispiel für pneumatische Betätigungssignale.
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Die O-Ringe 51 sorgen für eine effektive Fortsetzung
der Strömungskanäle 20a bis 20d durch die
gesamte Dicke der Basisschicht 24 hindurch. Falls gewünscht, kann
der Innendurchmesser der O-Ringe im wesentlichen gleich dem Innendurchmesser
der Kanäle 20a bis 20d und
dem Innendurchmesser von dazu passenden Kanälen 252a bis 252d in
einer separaten Montagevorrichtung sein, an der das Modul 10 angebracht
werden kann, wie dies in 3 gezeigt
ist und auch in 14 zu
sehen ist.
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Auf diese Weise kann jeder Fluidströmungsweg
zwischen den Kanälen
des Moduls und den Kanälen
der Montagevorrichtung im wesentlichen gerade, glatt und ohne Hindernisse
ausgebildet sein und sich durch einen relativ gleichmäßigen Querschnitt oder
Durchmesser auszeichnen.
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Die Schichten 24, 64, 80 des
Elektrofluidik-Elements 12 können mittels eines geeigneten Haftmittels
oder Haftdichtungen (nicht gezeigt) haftend miteinander verbunden
sein, um wünschenswerte
fluiddichte, luftdichte und vakuumdichte Eigenschaften zu schaffen.
Die mikrobearbeiteten Einrichtungen 14 können an
einer Leiterplatte 80 durch Oberflächenmontage angebracht sein.
Die Rückleitungsverteiler-Abdeckung 22 kann
an der Leiterplatte 80 wiederum durch ein beliebiges geeignetes
Haftmittel oder beliebige geeignete Befestigungseinrichtungen angebracht
sein, und zwar vorzugsweise luftdicht und vakuumdicht um die Abdeckungs-/Leiterplatten-Grenzfläche.
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Das Element 12 und somit
das Modul 10 können
unter Verwendung von beliebigen geeigneten Befestigungseinrichtungen,
wie zum Beispiel Gewindebolzen 54 oder mittels einer Schnappsitz-Verbindung
oder dergleichen an einer separaten Montagevorrichtung 200, 250 (3, 14) befestigt sein. Die Bolzen 54 können durch
Bolzenöffnungen 81a bis 81d in
der Leiterplatte 80, Bolzenöffnungen 85a bis 85d in
der zwischengeordneten Verteilerschicht 64 sowie durch
Bolzenöffnungen 25a bis 25d in
der Basisschicht 24 hindurch eingeführt sein, wie dies in den 4–6 zu
sehen ist. Die Gewinde an den Bolzen 54 treten mit Gewindeeinsätzen 277 in
der Montagevorrichtung 250, 3,
oder in Gewindebolzenöffnungen BH in
der Montagevorrichtung 200, 14,
in Eingriff.
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Ventilkanäle 86 bis 100 kommunizieren
im allgemeinen zwischen den in der mittleren Verteilerschicht 64 ausgebildeten
Schlitzen sowie der Vielzahl von Ventilen 14, siehe 11. Die Ventile befinden sich
vorzugsweise in einer allgemein flachen, planaren Schicht 13.
Die Vielzahl der Ventile 14 beinhaltet Ventile 110, 112, 114, 116, 118, 120, 122 und 124. Die
Ventile bilden paarweise Kombinationen 116 und 118, 114 und 120, 112 und 122 sowie 110 und 124, wobei
jedes der Ventilpaare über
die jeweiligen Einlaß-/Auslaßschlitze 70, 72, 74 und 76 den
Einlaß-/Auslaßöffnungen 20a, 20b, 20c und 20d zugeordnet
ist.
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Die Abdeckung bzw. der Rückleitungsverteiler 22 ist über den
Ventilen positioniert und weist einen darin ausgebildeten, langgestreckten,
rechteckigen Druckverteilerbereich 130 sowie eine Vielzahl einzelner
Vakuumverteilerbereiche 132, 134, 136 und 138 auf.
Vorzugsweise ist die Abdeckung 22 aus klarem Polycarbonat
oder einem anderen geeigneten klaren Material hergestellt, um eine
visuelle Überprüfung der
Mikroventile und in manchen Fällen
auch der Fluide zu ermöglichen.
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Wie am besten in 11 zu sehen ist, sind Beispiele eines
typischen Druckluft-Strömungsweges 128 sowie
eines typischen Unterdruckluft-Strömungsweges 126 dargestellt.
Siehe auch 9 und 10.
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Unter Beschreibung zuerst der Unterdruckkommunikation
in dem Modul 10 ist eine Unterdruckquelle an einen Luftauslaß bzw. eine
Austrittsöffnung 60 angeschlossen,
um ein Vakuum bzw. Unterdruck zu bilden. Der Unterdruck befindet
sich stromaufwärts
von der Unterdruckquelle in Verbindung mit den Kanälen und
Komponenten, wie dies im Folgenden beschrieben wird. Beginnend mit
der Unterdruckquelle, die in die Austrittsöffnung 60 eingebracht
ist, befindet sich der Unterdruck in Verbindung mit dem Unterdruckschlitz 68 in
der zwischengeordneten Verteilerschicht 64 und sodann mit
den darüberliegenden
Unterdruckkanälen 97 bis 100 in
der Leiterplatte 80.
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Die Unterdruckkanäle 97, 98, 99, 100 verbinden
den Unterdruck mit den darüberliegenden
unterdruckseitigen Ventilen 116, 114, 112 bzw. 110,
so daß ein
Unterdruck auf die Unterseiten dieser Ventile aufgebracht wird (11).
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Wenn ein typisches unterdruckseitiges
Ventil 110 zum Öffnen
veranlaßt
wird, indem ein geeignetes elektrisches Signal auf den Leiterbahnen 84 zugeführt wird,
wird Unterdruck von dem Ventil 110 mit der Unterdruckverteilerkammer 138 und
von dort zu der Öffnung 96,
zu dem einen Kanal aufweisenden Einlaß-/Auslaßschlitz 76 und letztendlich
zu der Einlaß-/Auslaßöffnung 20d geführt.
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Es ist zu erkennen, daß bei dem
vorstehend beschriebenen Beispiel die Luftströmung von der relativ höheren Druck
aufweisenden Einlaß-/Auslassöffnung 20d fortschreitend
entlang des typischen unterdruckseitigen Luftweges 126 zu
der Unterdruck-Austrittsöffnung 60 erfolgt,
wo Luft mit einem Druck unter dem Atmosphärendruck an die Unterdruckquelle
ausgeleitet wird. Unter weiterer Bezugnahme auf 11 sowie auch auf 9 ist ein typischer unterdruckseitiger
Luftströmungsweg 126 dargestellt,
wobei die Pfeilspitzen die Richtung der Luftströmung bezeichnen.
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Beim Öffnen des typischen unterdruckseitigen
Ventils 110 wird Luft in den Einlaß-/Auslaßkanal 20d, nach oben
durch den Einlaß-/Auslaßschlitz 76, nach
oben durch die Öffnung 96,
nach oben durch den Unterdruckverteilerbereich 138 und
sodann nach unten durch das Ventil 110, die Öffnung 100,
den L-förmigen
Unterdruck-Auslaßschlitz 68 sowie schließlich durch
den Unterdruck-Austrittskanal 60 nach außen ausgeleitet,
wie dies in den 9 und 11 zu sehen ist.
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Es ist zu erkennen, daß die Installationsweise
des Moduls 10 dazu führt,
daß die
Unterdruckventile 110 bis 116 den niedrigeren
Druck an der Unterseite der Ventile anstatt an der Oberseite aufweisen, so
daß die
Ventile 110 bis 116 in ihren geschlossenen Zustand
vorgespannt werden. Dies ist dadurch bedingt, daß die Ventile 110, 112, 114, 116 über den
Unterdrucköffnungen 100, 99, 98 bzw.
97 angeordnet sind und die Öffnungen
mit dem Unterdruckschlitz 68 kommunizieren, auf dem ein
Unterdruck durch die Austrittsöffnung 60 gezogen wird.
In entsprechender Weise spannt der in dem Verteilerbereich 130 unterhaltene
Druck die Ventile 118 bis 124 in den geschlossenen
Zustand vor.
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Wie in den 10 und 11 gezeigt
ist, kann eine typische Druckluftströmung 128 durch den Druckeinlaß 58,
nach oben durch den Druckeinlaßschlitz 66 und
von dort nach oben durch Druckverteilungsöffnungen 86, 87 und 88 in
den Drucksockel 130 geleitet werden und von dort nach unten
auf die Oberseiten der überdruckseitigen
Ventile 118 bis 124 geleitet werden.
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Wenn dem Ventil 118 durch
die Leitungen 82 (6, 11) elektrische Energie zugeführt wird, öffnet sich
das Ventil 118, so daß ein Überdruck-Strömungsweg
nach unten durch die Öffnung 89 mit
dem Einlaß-/Auslaßschlitz
70 verbunden wird, so daß eine Austrittsdruckströmung 128 durch
den Auslaß 20a geschaffen
wird (10, 11).
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Im allgemeinen ist es für einen
aus den Einlässen/Auslässen 20
ausgewählten,
bestimmten Einlaß/Auslaß wünschenswert,
nur eines der beiden Mikroventile 14 zu aktivieren, die
diesem Einlaß/Auslaß zugeordnet
sind. Bei einem der vorstehenden Beispiele führt somit die Entscheidung
zum Öffnen
des unterdruckseitigen Mikroventils 110 dazu, daß die Strömung des
Unterdruck-Luftstroms 126 in
die Öffnung 20d hinein
erfolgt. In diesem Fall bleibt das überdruckseitige Mikroventil 124 (das
ein Paar mit dem Mikroventil 110 bildet) geschlossen, um
dadurch der Unterdruck-Luftströmung
nicht entgegenzuwirken.
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Es ist jedoch zu erkennen, daß bei Wunsch das
Elektrofluidik-Modul 10 gemäß der Erfindung auch zum Mischen
von zwei oder mehr Strömen
verwendet werden kann, wie zum Beispiel von zwei Gasen oder zwei
Flüssigkeiten
unterschiedlicher Zusammensetzung, oder zum Hinzufügen oder
Entfernen von Signalen, wie zum Beispiel Luftdrücken. Falls gewünscht, kann
das Mischen oder Hinzufügen durch Öffnen von
beiden der zwei paarweise vorgesehenen Mikroventile, zum Beispiel 110 und 124,
erfolgen.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bestünde der
Effekt des Öffnens
der beiden Mikroventile 110, 124 darin, daß der einen
positiven Druckwert aufweisende Druck an dem Einlaß 58 zu
dem einen negativen Druckwert aufweisenden Druck an dem Auslaß 60 addiert
wird, wobei die Summe daraus in etwa dem erwarteten Druck an dem
Einlaß-/Auslaß 20d entspricht,
der dem Ventilpaar zugeordnet ist.
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In dieser Hinsicht kann das Modul 10 dazu verwendet
werden, Fluidik-Logikfähigkeiten
zu schaffen. Andere Verwendungen der Erfindung für Fluidik-Logikzwecke werden
sich den Fachleuten erschließen.
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In 12 ist
eine schematische Darstellung der elektrischen Schaltungseinrichtungen
und der Fluidströmungswege
in dem Modul 10 gezeigt. Es ist zu erkennen, daß die acht
Zweiwegventile 14 des Moduls 10 derart konfiguriert
sind, daß sie
die äquivalente
Funktion von vier Dreiweg-Auswählventilen haben.
Für jeden
Einlaß-/Auslaß 20 ermöglicht ein Paar
zugeordneter Ventile eine Passage von einem von zwei Luftströmungen (zum
Beispiel druckbeaufschlagte Luft oder verdünnte Luft) durch den Einlaß/Auslaß 20.
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In ähnlicher Weise steht eine beliebige
Anzahl von Strömungskonfigurationen
für ein
Elektrofluidik-Modul gemäß der Erfindung
zur Verfügung.
Die Basisschicht 24 kann mit einer beliebigen gewünschten
Anzahl und Konfiguration von Einlässen oder Auslässen versehen
sein. Die zwischengeordnete Verteilerschicht 64 kann mit
einer beliebigen, gewünschten
Anzahl und Konfiguration von Kanälen oder
Schlitzen versehen sein. Die Leiterplatte 80, die Einrichtungsschicht 13 und
die Rückleitungsverteiler-Abdeckung 22 sorgen
für eine ähnliche
Flexibilität hinsichtlich
ihrer Ausbildung und Arbeitsweise.
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Es ist somit zu erkennen, daß die von
der Erfindung geschaffenen Elektrofluidik-Schnittstellen oder -verbindungen auf
eine beliebige Anzahl von vorbestimmten Standards standardisiert
werden können.
Bei einer dieser Standardschnittstellen handelt es sich um diejenige,
die für
das bevorzugte Ausführungsbeispiel 10 offenbart
ist. Eine Analogie kann zu standardmäßigen elektronischen Komponenten
gezogen werden, wie zum Beispiel Transistoren, insbesondere solchen,
die in einer standardmäßigen DIP-(Dual-in-Line)
Gehäusekonfiguration
untergebracht sind.
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Bei dem Ausführungsbeispiel, wie es in 2 dargestellt ist, sind
zwei zusätzliche
Blindbohrungen oder Leerbohrungen 44 gezeigt. Diese werden
dazu verwendet, die auf das Modul wirkende Belastung symmetrisch
im Gleichgewicht zu halten, wenn dieses an einer externen pneumatischen
Einrichtung angebracht ist.
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In Abhängigkeit von der gewünschten,
speziellen Strömungskonfiguration
und der gewünschten, spezifischen
Standardschnittstelle könnten
diese Bohrungen 44 mit sich durch diese hindurch auf die gegenüberliegende
Seite der Basisschicht 24 erstreckenden Kanälen versehen
sein, um eine Fluidverbindung zwischen einer externen pneumatischen Einrichtung
und den internen Komponenten zu schaffen, wie zum Beispiel dem Verteiler 64 in
dem Modul 10.
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In ähnlicher Weise ermöglicht die
Erfindung die Verwendung von nahezu einer beliebigen Anzahl von
Einlässen
und Auslässen 18 und 20 sowie
einer großen
Anzahl verschiedener innerer Strömungswege,
wie dies durch die Konfiguration von jeder der verschiedenen Schichten 13, 22, 24, 64, 80 in
dem Modul 10 bestimmt wird.
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Vorzugsweise werden jegliche gewünschten zusätzlichen
Kanäle
oder Variationen in der Strömungskonfiguration
zum Zeitpunkt der Herstellung, Konstruktion oder Montage des Moduls 10 gemäß einer
vorbestimmten Ausbildung vorgesehen, um Einsparungen bei den Maßstäben der
Herstellung von großen
Mengen des ausgewählten
Standardmoduls in vorteilhafter Weise zu nutzen.
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Das Elektrofluidik-Miniaturmodul 10 kann
in einem Dialysesystem oder in einem Elektrofluidik-Dialysathandhabungssystem
verwendet werden, das einen Kolbenkörper 200 aufweist,
wie dies am besten in den 13 bis 15 zu sehen ist. Der Kolbenkörper 200 ist
vorzugsweise aus DELRIN (einer Acetylverbindung) oder einem anderen
geeigneten Material hergestellt, das wiederholten Belastungen standhalten
kann.
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Das Dialysathandhabungssystem ist
in dem US-Patent 5 324 422 von Colleran et al. und dem US-Patent
5 350 357 von Kamen et al. ausführlicher offenbart,
wobei beide dieser Patente durch Bezugnahme zu einem Bestandteil
der vorliegenden Beschreibung gemacht werden, als ob sie vorliegend vollständig wiedergegeben
wären.
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Wie in den 13 bis 15 gezeigt
ist, ist eine Vielzahl von miniaturisierten Elektrofluidik-Modulen 10,
die jeweils mit den Bezugszeichen 190, 192 bzw. 194 bezeichnet
sind, auf einer Basisplatte 196 positioniert, und zwar
unter Bildung einer abdichtenden Verbindung über Fluidik führende Leitungen
oder Nuten 210g, 212g, 214g, 216g, 218g, 220g, 224g, 226g, 228g, 230g, 232g und 234g,
wobei alle dieser Nuten in dem Kolbenkörper 200 ausgebildet
sind. Die Kombination aus der Basisplatte oder Montagevorrichtung 196 und
den Elektrofluidik-Modulen 190, 192 und 194 bildet
eine Elektrofluidik-Anordnung 198.
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13 zeigt
den Kolbenkörper 200 nach
der spannenden Bearbeitung der Nuten. 14 zeigt
die Basisplatte 196, die auf der hinteren Oberfläche 201 des
Kolbenkörpers 200 angebracht
ist und die Nuten überdeckt
(die in unterbrochenen Linien dargestellt sind). Gewindebolzenöffnungen BH sind
in die Basisplatte und in den Kolbenkörper 200 geschnitten,
um Gewindebolzen 54 zum Anbringen der Module 190, 192, 194 aufzunehmen.
Die Positionen für
die Module und ihrer in der Bodenfläche vorgesehenen Bohrungen 21a bis 21d und
ihrer elektrischen Verbinder 23 sind in unterbrochenen
Linien dargestellt.
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Fluidkanäle, zum Beispiel für das Modul 194 die
mit den Bezugszeichen 230a, 228b, 224c, 226d, HP und LP bezeichneten
Kanäle,
sind durch die Basisplatte 196 gebohrt, um Fluiden eine
Verbindung zwischen dem Kolbenkörper 200 und
jedem Modul zu ermöglichen.
Schließlich
sind die Module in
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15 auf
der Basisplatte 196 und dem Kolbenkörper 200 angebracht
dargestellt.
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Der Kolbenkörper 200 wird zum
pneumatischen Betätigen
einer mehrere Komponenten aufweisenden Kassette (nicht gezeigt)
verwendet, die zwei Membranpumpen und zehn Flüssigkeitsventile beinhaltet.
Die Pumpenbetätigungselemente 202, 204 erhalten
pneumatische Betätigungssignale durch
eine Öffnung 206 bzw. 208.
Die zehn Flüssigkeitsventile
(nicht gezeigt) werden durch pneumatische Signale betätigt, die über zehn
Anschlüsse 210p, 212p, 214p, 216p, 218p, 220p, 224p, 226p, 228p, 230p übertragen
werden.
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Diese Anschlüsse bzw. Öffnungen erstrecken sich von
der Rückseite
des Kolbenkörpers 200 (13) zu der Kolbenvorderseite
(nicht gezeigt), wo sie pneumatische Signale zuführen, um jeweilige Bereiche
einer Membran in der Kassette zu veranlassen, sich auf die jeweiligen
Flüssigkeitsventile
aufzusetzen oder diese freizugeben und diese somit zu betätigen.
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Früher benötigte jede dieser zehn Öffnungen eine
separate Länge
flexiblen Kunststoffschlauchs, der sich von einem entfernt angeordneten
Gehäuse wegerstreckte,
wo positive oder negative Signale selektiv erzeugt und durch die
separaten Schläuche
zu den jeweiligen Öffnungen übertragen
wurden.
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Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung ist
es wünschenswert,
nur eine einzige Überdruckleitung
sowie eine einzige Unterdruckleitung in den Kolbenkörper hinein
zusammen mit elektrischen Signalen über ein Bandkabel oder dergleichen
vorzusehen, und die Einleitung der Überdruck- oder Unterdrucksignale
an dem eigentlichen Kolbenkörper
zu steuern. (Die Pumpenbetätigungs- und Strömungsmeßvorgänge können wie
bisher unter Verwendung der separaten Schläuche durchgeführt werden.)
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Zum Zuführen der gewünschten Überdruck- und
Unterdrucksignale an die zehn Ventilbetätigungsöffnungen sind ein Überdruck-Kanal
oder eine Überdruck-Nut 232 und
eine Unterdruck- oder Subatmosphärendruck-Nut 234 in
die hintere Oberfläche des
Kolbenkörpers 200 eingearbeitet
(13). Verbindungen oder
Dorne 236, 238 sind für die Verbindung mit einer
externen Überdruck-
bzw. Unterdruck-Versorgung vorgesehen.
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Der Kolbenkörper 200 ist ferner
mit standardmäßigen Schnittstellenverbindungen
in einer vorbestimmten Geometrie versehen, um mit einem ausgewählten Elektrofluidik-Standardmodul 10 in
Verbindung zu treten. Passende Aufnahmen a, b, c, d sind daher in
die hintere Oberfläche 201 des
Kolbenkörpers
eingebracht, um eine Verbindung mit den Modul-Einlässen/Auslässen 20a, 20b, 20c bzw. 20d aufzunehmen,
und zwar für
so viele Verbindungen, wie diese erwünscht sein können.
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Im vorliegenden Fall sind die Öffnungen 230p, 228p, 224p und 226p über die
Nuten 230g, 228g, 224g und 226g mit
standardmäßig angeordneten
Aufnahmen 230a, 228b, 224c bzw. 226d verbunden.
In ähnlicher
Weise sind eine Verbindung HP mit relativ hohem Druck und eine Verbindung
LP mit relativ niedrigem Druck jeweils zur Verbindung mit Standardmodul-Einlässen oder
-auslässen 58, 60 positioniert.
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In entsprechender Weise sind Öffnungen 220p, 218p, 214p und 216p über Nuten 220g, 218g, 214g und 216g jeweils
mit standardmäßig angeordneten Aufnahmen 220a, 218b, 214c, 216d verbunden.
Schließlich
sind die Öffnungen 210p und 212p über Nuten 210g und 212g mit
Aufnahmen 210b und 212b verbunden.
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Die Basisplatte 196 ist
ferner mit einem elektrischen Stift-Hauptverbinder 240 zum
Empfangen von elektrischen Signalen über ein Bandkabel (nicht gezeigt)
zum Aktivieren der Mikroeinrichtungen 14 versehen. Leiterbahnen
(nicht gezeigt) sind auf der Basisplatte 196 zur Verbindung
mit den elektrischen Stiftverbindern 23 der einzelnen Module
zum Betätigen
der insgesamt zwanzig (20) Ventile 14 vorgesehen, die bei
den drei Modulen 190, 192, 194 verwendet
werden.
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Die Versorgungsspannung kann etwa
3,5 bis 5,0 VDC betragen. Diese Versorgung erfolgt über das Bandkabel
und die Leiterbahnen. Die Schaltungseinrichtungen für die Basisplatte 196 können ähnlich zu denen
sein, die für
die Montagevorrichtung 250 vorgesehen sind, siehe 3 und 21, wobei jedoch zusätzliche Leiterbahnen vorhanden
sind, um den drei Modulen 190, 192, 194 Rechnung
zu tragen.
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Vorzugsweise werden die Ventile durch
eine Reihe von Transistoren oder verriegelten Treibern (nicht gezeigt)
gesteuert, um dadurch die Anzahl von Leitungen zu beschränken, die
für die
Verbindung mit einer externen Steuereinheit erforderlich sind.
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Zum Beispiel können verriegelte Treiber mit seriellem
Eingang des Typs BiMOS II 32-Bit bei einem 44 Leitungen aufweisenden
Kunststoffchipträger
gemäß Modell
Nr. UCN-5833EP, wie er von Allegro Microsystems erhältlich ist,
verwendet werden, wie sich dies dem Durchschnittsfachmann erschließt.
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Für
jedes Modul 10 mit den Bezugszeichen 190, 192, 194 ist
der Boden des Moduls mit vier Einlaß-/Auslaß-Blindbohrungen 21a bis 21d versehen, die
mit den inneren Teilen des Moduls jeweils über Einlässe/Auslässe 20a bis 20d kommunizieren (1 bis 3). Ferner ist jedes Modul mit einer
Druckeinlaß-Blindbohrung 40 und
einer Unterdruckauslaß-Blindbohrung 42 versehen,
die mit den inneren Teilen des Moduls über einen Druckeinlaßkanal 58 und
einen Unterdruckauslaßkanal 60 kommunizieren.
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Jedes Modul 190, 192, 194 ist
mit den Bohrungen 21a bis 21d, 40, 42 in
Ausfluchtung mit den darunter liegenden und entsprechenden Aufnahmen in
dem Kolbenkörper
angebracht. Somit ist für
das Modul 190 die Bohrung 21d mit der Aufnahme 210d ausgefluchtet
sowie in Verbindung, und die Bohrung 21b ist mit der Aufnahme 212b ausgefluchtet
sowie in Verbindung. In dem Modul 190 werden die Blindbohrungen 21a und 21c nicht
verwendet.
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Die Druckeinlaß-Blindbohrung 40 steht
in Verbindung mit dem Druckanschluß HP, um eine Verbindung
zwischen dem Modul 190 und der Druckzufuhrnut 232 zu
schaffen. Die Unterdruckauslaß-Blindbohrung 42 steht
in Verbindung mit dem Unterdruckanschluß LP, um eine Verbindung
zwischen dem Modul 190 und der niedrigen Druck führenden
Nut 234 herzustellen.
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In ähnlicher Weise sind für das Modul 192 die
Modulbohrungen 21a, 21b, 21c, 21d, 40 und 42 mit
Kolbenkörper-Aufnahmen 220a, 218b, 214c, 216d, HP bzw. LP in
Verbindung. Für
das Modul 194 stehen die Modulbohrungen 21a, 21b, 21c, 21d, 40 und 42 mit
Kolbenkörper-Aufnahmen 230a, 228b, 224c, 226d, HP bzw.
LP in Verbindung.
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Es versteht sich, daß die Basisplatte 196 mit Löchern oder Öffnungen
(nicht gezeigt) in Ausrichtung mit den Kolbenkörper-Aufnahmen versehen ist, um
eine Verbindung mit den Modulbohrungen zu ermöglichen.
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Es ist somit zu erkennen, daß durch
die Verwendung des Elektrofluidik-Moduls 10 und der Elektrofluidik-Anordnung 198 gemäß der Erfindung
die zehn Flüssigkeits-Ventilbetätigungselemente,
die in die Kolbenkörper-/Kassetten-Betätigungseinrichtung 200 integriert
sind, unter Verwendung von nur zwei externen pneumatischen Versorgungsleitungen (nicht
gezeigt) betätigt
werden können,
von denen die eine für Überdruck
und die andere für
Unterdruck dient und die an die Dorne 236 bzw. 238 angeschlossen
sind, und zwar anstatt von zehn externen Versorgungsleitungen, wie
dies bisher der Fall war.
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Während
der Stand der Technik ferner ein entfernt vorgesehenes Verteiler-
und Ventilsystem zum Auswählen
entweder von Drucksignalen oder von Unterdrucksignalen für jede Versorgungsleitung benötigte, gestatten
die kompakte Größe der Module 10 und
der Anordnung 198 die an Ort und Stelle erfolgende Auswahl
von Drucksignalen oder Unterdrucksignalen unter Verwendung der Verteiler
und Ventile in unmittelbarer Nähe
zu den Flüssigkeits-Ventilbetätigungselementen,
so daß sich
zahlreiche Vorteile ergeben, wie diese vorstehend in der Kurzbeschreibung
der Erfindung erläutert
worden sind.
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Ein weiteres Beispiel für die Verwendung
des Elektrofluidik-Miniaturmoduls 10 beinhaltet die Montage
an einer Montagevorrichtung 250, wie dies am besten in 20 und 21 zu sehen ist, die eine elektrische
Leiterplattenschicht 252 mit einem Paar Verbinder 254 und 256 aufweist,
die über
eine Vielzahl von Leiterbahnen 260 mit einem Satz von Anschlußflächen 262 verbunden
sind. Die elektrischen Verbinder 254 und 256 stehen
in Verbindung mit den elektrischen Modulverbindern 23.
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Ein dünner zwischengeordneter Flächenkörper 270 ist
mit einem Paar von Positionierstiften 274 und 276 in
Bezug auf eine Basisschicht 278 positioniert, in der eine
Vielzahl von Kanälen
oder Nuten 280g, 282g, 284, 286g, 288g, 290g ausgebildet
ist, siehe 19.
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Eine Fluidverbindung läßt sich
bewerkstelligen durch Kanäle 280p, 282p, 284p, 286p, 288p, 290p,
durch die den jeweiligen Kanälen
zugeordneten Nuten 280g, 282g, 284g, 286g, 288g, 290g sowie
durch Öffnungen,
die in dem Dichtungsmaterial 270 an der elektrischen Leiterplatte 252 vorgesehen sind,
und von dort durch entsprechende Kanäle 252a, 252b, 252c, 252d, 252HP und 252LP zu
den entsprechenden Bohrungen 21a, 21b, 21c, 21d, 40 bzw. 42 in
dem Modul 10.
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Die Bohrungen in der Basisschicht 278 (18), d.h. 280B, 284B, 290p,
können
zur Herstellung von Verbindungen mit externen Fluidik-Schläuchen oder
dergleichen ausgebildet sein. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
kommunizieren die Bohrungen 288p und 290p durch
die Oberseite der Basisschicht 278 mit externen Verbindungen,
während
die anderen Bohrungen, wie zum Beispiel die Bohrung 280B,
durch den Boden der Basisschicht 278 mit externen Verbindungen
kommuniziert. Die zueinander passenden Verbindungen lassen sich
unter Verwendung von Nuteinsätzen
oder Dornen, die aus Messing oder anderen geeigneten Materialien
hergestellt sind, dauerhafter oder robuster gestalten.
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Die Montagevorrichtung 250 kann
mit vier Bolzenöffnungen
278BH in der Basisschicht 278, dazu passenden Bolzenöffnungen
in der Dichtungsschicht 270 sowie mit ähnlich ausgefluchteten Bolzenöffnungen
252BH in der Leiterplatte 252 versehen sein. Gewindeeinsätze 277 können im
Preßsitz (Festsitz)
in den Bolzenöffnungen
befestigt sein, um eine sichere und robuste, jedoch lösbare Verbindung für die Gewindebolzen 54 zu
schaffen, die zum Ausfluchten und lösbaren Anbringen des Moduls 10 an der
Montagevorrichtung 250 verwendet werden.
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Auf diese Weise läßt sich eine Elektrofluidik-Anordnung 198 aus
einem oder mehreren Elektrofluidik-Modulen 10 bilden, die
an einer geeigneten Fluidik-Montagevorrichtung 250 oder
einer Basisplatte 196 an einem Fluidik-Kolbenkörper 200 angebracht
sind. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
zur Verwendung in einem automatisierten Peritonealdialysesystem
weist die Elektrofluidik-Anordnung 198 drei Elektrofluidik-Module 10 auf,
die auf einer an dem Fluidik-Kolbenkörper 200 befestigten
Basisplatte 196 angebracht sind.
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In der vorliegenden Anmeldung sind
verschiedene Elektrofluidik-Anordnungen offenbart, die ein oder
mehrere Elektrofluidik-Module beinhalten können, wobei die Vorteile einer
einfachen Montierbarkeit und Austauschbarkeit der Module vorhanden sind.
Im allgemeinen beinhaltet jedes Modul ein Elektrofluidik-Element
mit einem Fludikverteiler und einer elektrischen Schaltung.
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Als Alternative für die modulare Konstruktion kann
ein vereinfachtes Elektrofluidik-Element eine elektrische Leiterplatte
mit darin vorhandenen Fluidikkanälen
aufweisen, wie zum Beispiel die Leiterplatte 80 oder die
Leiterplatte 252. Das vereinfachte Elektrofluidik-Element
wird lediglich zum Zweck der Veranschaulichung erläutert und
bildet keinen Bestandteil der vorliegenden Erfindung.
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Es kann für eine direkte und möglicherweise dauerhafte
Montage an einer darunter liegenden Fluidik-Montagevorrichtung konfiguriert
sein, wie zum Beispiel der Montagevorrichtung 250 oder
dem Kolbenkörper 200.
Einrichtungen, wie zum Beispiel Mikroventile 14, können direkt
und dauerhaft an dem Elektrofluidik-Element angebracht sein, und ein Rückleitungsverteiler
kann über
derartigen Einrichtungen plaziert und ebenfalls direkt an dem Elektrofluidik-Element
angebracht sein.
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Bei dem nicht-modularen System ist
jede Komponente direkt und möglicherweise
dauerhaft über
den darunter liegenden Komponenten angebracht, so daß ein rasches
und einfaches Austauschen von fehlerhaften Komponenten oder Gruppen verhindert
wird. Im Speziellern können
Mikroventile Defekten unterliegen, so daß sie ausgetauscht werden müssen.
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Bei dieser alternativen Konstruktionsweise kann
die Anordnung weniger Schichten aufweisen, möglicherweise mit verbesserter
Zuverlässigkeit
aufgrund der weniger Komponenten, jedoch können die Vorteile einer einfachen
Modulmontage und eines einfachen Modulaustausches aufgrund des Nichtvorhandenseins
von standardmäßigen, dazu
passenden, fluidischen, elektrischen und mechanischen Schnittstellen
möglicherweise
fehlen können,
wie diese durch die bevorzugte modulare Anordnung vorgesehen sind.
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Es ist zu erkennen, daß jedes
der Mikrobetätigungselemente 14,
wie am besten in 23 und 24 zu sehen ist, ein Mikroventil
mit einer zentralen Erhebung 300 aufweist, wobei ein Paar
Energieleitungen 302 und 304 mit einem Brückenbereich 306 in
der Nähe
der Erhebung 300 verbunden ist, um eine Bewegung der Erhebung 300 auf
einen Ventilsitz 309 zu sowie von diesem weg zu bewerkstelligen,
um dadurch das Ventil zu öffnen
und zu schließen.
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Es ist zu erkennen, daß die Erhebung
bei geschlossenem Ventil 14 auf einer oberen Oberfläche 312 mit
einem höheren
Druck beaufschlagt wird als dem in dem Kanal 314 vorhandenen
Druck, der direkt mit dem Ventilsitz verbunden ist, wobei dies zu
einer durch Vorspannung geschlossenen Ausbildung für das vorzugsweise
normalerweise geschlossene Ventil beiträgt.
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Das Mikroventil kann sehr kleine
Abmessungen aufweisen, beispielsweise von ca. 0,16 × 0,16 × 0,024
Inch. Merkmale des Ventils bestehen in einem proportionalen Ansprechen,
niedrigen Energieerfordernissen, geringen Kosten, schnellem Ansprechen, Miniaturgröße sowie
einem großen
Bereich von Betriebsdrücken
von bis zu 25 bis 30 psig. Jedes Ventil kann auf einer Leiterplatte 80 (3) oder dergleichen angebracht
sein.
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Typische Anwendungen für das erfindungsgemäße Modul
und die erfindungsgemäße Anordnung
sind Eingangswandler, pneumatische Steuerungen, Beatmungseinrichtungen/Ventilatoren,
medizinische Instrumente, Druckregler, Strömungssteuerungen sowie analytische
Instrumente.
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Das in dem Modul 10 verwendete,
normalerweise geschlossene Mikroventil 14 bietet eine proportionale
Steuerung von Gasströmen
im Bereich von 0 bis 250 cm3/min. Große Strömungen von
bis zu 1,5 l/min oder mehr können
bei geeigneten Modifikationen, wie zum Beispiel durch Vergrößern der
Freiräume
in dem Ventil, ermöglicht
werden.
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In der Serienfertigung unter Verwendung
von Silizium-Mikrobearbeitungstechnologien bestehen die Mikroventile 14 aus
einer zentralen erhaben ausgebildeten Siliziummembran, die mit einem
geätzten Siliziumventilkörper in
Verbindung steht. Eine Aluminiumfolie ist auf die Membran aufgebracht,
um ein bimetallisches Betätigungselement
zu bilden.
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Durch Variieren der elektrischen
Energie, die in die Membran integrierten Widerständen abgeführt wird, und somit der Temperatur
des Betätigungselements
führt die
Differenz in der Wärmeausdehnung zwischen
dem Silikon und dem Metall zu der gesteuerten Verlagerung bzw. Verschiebung
der zentralen Erhebung von dem Ventilsitz weg.
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Filter sind empfohlen, um Partikel
an einem Eintritt in das Modul oder den Ventilchip zu verhindern,
und ferner ist eine gefilterte, Reingas-Vorratsquelle empfohlen.
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Die Leistungsspezifikationen für das Mikroventil 14 bei
25°C können wie
folgt sein, falls nicht anders angegeben: Der typische Energiebedarf
für jedes
Mikroventil beträgt
300 bis 500 mW, die Ansprechzeit beträgt ca. 100 bis 200 ms (bei
einer Strömung
von 10 bis 90%), das interne Volumen des Ventils beträgt ca. 0,12
cc, die Betriebsspannung beträgt ca.
3,5 bis 5,0 VDC, der Betriebsstrom beträgt ca. 85 bis 100 mA, der Betätigungselement-Widerstand
beträgt
ca. 40 Ohm, die Berstdruckgrenze beträgt ca. 50 psi, und die Gegendruckgrenze
beträgt
ca. 25 psi.
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Der Betriebstemperaturbereich beträgt -20°C bis +70°C, das Gewicht
beträgt
ca. 0,3 Gramm, und die empfohlene Zuführfiltration erfolgt bei 25 μm. Bei den
vorstehenden Spezifikationen handelt es sich um ungefähre Werte,
und zwar speziell für
das Mikroventil, wie es in dem IC-Sensor-Modell 4425 verwendet wird.
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Andere Mikro-Betätigungselemente können in
dem Modul 10 verwendet werden, ohne daß man den Umfang der Erfindung
verläßt. Typische
Strömungsraten
betragen 100 bis 300 Standardkubikzentimeter für jedes offene Mikroventil,
wobei jedoch viel höhere
Strömungsraten
möglich
sind.
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Aufgrund der Nähe des Moduls 10 zu
dem Kolbenkörper 200 und
somit zu jedem Flüssigkeitsventil
in der Kassette (nicht gezeigt), ist ferner die Ansprechzeit des
Flüssigkeitsventils
viel geringer als ca. 100 ms, und zwar gemessen ab dem Zeitpunkt, zu
dem ein elektrisches Betätigungssignal
zu einem Mikro-Betätigungselement 14 in
dem Modul 10 geschickt wird.
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Die Größe des Moduls 10 kann
etwa 1,0 × 1,0 × 7/16 Inch
betragen. Jeder Kanal in dem Modul kann einen Durchmesser von ca.
1/16 Inch aufweisen, die Bolzenöffnungen 25, 65, 81 können einen geringfügig größeren Durchmesser
als die Kanäle aufweisen,
und die Bohrungen 40, 42, 44 können einen
Durchmesser von ca. 3/32 Inch aufweisen.
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Bei einem Ausführungsbeispiel des Moduls 10,
das für
einen speziellen vorbestimmten Elektrofluidik-Standard ausgebildet
ist, sind die Öffnungen 20a bis 20d von
Mitte zu Mitte ca. 6 mm voneinander beabstandet in einer geraden
Linie angeordnet. Die Einlässe
oder Auslässe 18 sind
ca. 8 mm von den Öffnungen 20a und 20d angeordnet,
und zwar rechtwinklig zu (und beide auf der gleichen Seite) der
geraden Linie.
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Bei jedem elektrischen Stiftverbinder 23 können die
Stifte in einer Beabstandung von Mitte zu Mitte von 1 mm in einer
geraden Linie vorgesehen sein. Die durch die Stifte des einen Verbinders 23 gebildete
Linie kann parallel zu der durch die Stifte des anderen Verbinders 23 gebildeten
Linie angeordnet und von dieser etwa 21 mm beabstandet sein. Jede Öffnung 18, 20a bis 20d kann
einen Durchmesser von ca. 1/16 Inch aufweisen.
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Die elektrischen Leiterbahnen auf
jeder der vorliegend offenbarten Leiterplatten können aus einem beliebigen geeigneten
leitfähigen
Material gebildet sein, vorzugsweise sind sie jedoch aus Gold hergestellt,
und zwar aufgrund von dessen ausgezeichneter Leitfähigkeit
sowie nicht-korrosiven Eigenschaften.
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Das Modul 10 ist vorzugsweise
im wesentlichen flach und relativ planar, ohne längere Erhebungen vertikal über den
modularen Körper
hinaus. In seinem bevorzugten Ausführungsbeispiel läßt sich das
Modul 10 als Flachgehäuse
beschreiben.
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Ein Elektrofluidik-Modul 310 mit
vier Ventilen ist in 25 dargestellt.
Dieses beinhaltet eine Basisschicht 324, eine zwischengeordnete
Verteilerschicht 364, eine elektrische Schicht 380,
eine Einrichtungsschicht aus Mikroventilen 410, 412, 418, 420 sowie
eine Rückleitungsschicht 322.
Die Basis 324 kann eine eintretende druckbeaufschlagte
Gasströmung 426 durch
einen Einlaß 358 empfangen, der
zu einem Druckschlitz 366 geführt ist. Der Druckschlitz 366 kommuniziert über einen
Schlitz 392 mit einem Druckverteilerbereich 430 der
Rückleitungsschicht 322.
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Der Verteilerbereich 430 verbindet
Druck mit den Oberseiten von zwei druckseitigen Mikroventilen 410, 412.
Elektrische Signale können über elektrische
Leiterbahnen 316 übertragen
werden, um entweder eines oder beide Ventile 410, 412 zu öffnen sowie
Druck nach unten und letztendlich durch die Einlässe/Auslässe 320b, 320a jeweils
nach außen
zu leiten.
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Wenn zum Beispiel das Ventil 410 geöffnet ist,
wird Druck zu dem Einlaß-/Auslaßschlitzende 372a und
sodann zurück
zu dem Schlitzende 372b, nach unten zu dem Einlaß- oder
Auslaßkanal 320b übertragen
sowie aus der Basisschicht 324 über eine O-Ring-Dichtung 350 zur
Verbindung mit einer separaten Montagevorrichtung ausgeleitet.
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Die Basis 324 ist ebenfalls
mit einem Unterdruck- oder Unteratmosphärendruck-Austrittskanal 360 versehen,
um eine einen niedrigen Druck aufweisende Gasströmung 428 an ein externes
Niedrigdrucksystem (nicht gezeigt) auszuleiten. Niedrigen Druck
aufweisende Luft kann in einen von dem Einlaß/Auslaß 320a, 320b oder
in beide derselben durch Öffnen
der Ventile 418 bzw. 420 gezogen werden.
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Wenn zum Beispiel das Ventil 418 geöffnet wird,
wird niedrigen Druck aufweisende Luft in den Kanal 320a gezogen,
nach oben zu dem Schlitzende 372b, nach oben durch die Öffnung 388 in
den Unterdruckverteilerbereich 432 und sodann nach unten durch
das Ventil 418 in das Ende 368b des H-förmigen Schlitzes 368,
seitlich zu dem Ende 368a sowie nach unten sowie durch
den Unterdruckauslaß 360 nach
außen
geleitet.
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Das System 310 beinhaltet
ebenfalls einen Stiftverbinder 323 für die Kopplung mit elektrischen Leiterbahnen 316 auf
der elektrischen Schicht 380. Diese Leiterbahnen sind mit
den Mikroventilen 410, 412, 418, 420 verbunden,
um zu steuern, ob diese geöffnet
oder geschlossen werden. Eine Vielzahl von O-Ringen 350 ist
in Bohrungen in der Unterseite der Basis 324 angebracht,
um fluiddichte Verbindungen zwischen den Kanälen 320a, 320b, 358, 360 sowie dazu
passenden externen Verbindungen herzustellen. Die Arbeitsweise des
vier Ventile aufweisenden Ausführungsbeispiels 310 entspricht
im wesentlichen der des acht Ventile aufweisenden Elektrofluidik-Moduls 10.
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Es ist zu erkennen, daß ein vier
Ventile aufweisendes Modul 310 anstatt eines acht Ventile
aufweisenden Moduls 10 bei Anwendungen verwendet werden
könnte,
bei denen nur zwei Fluidikeingänge und
zwei Fluidik-Einlaß-/Auslaßöffnungen
erforderlich sind, um zum Beispiel das acht Ventile aufweisende
Modul 190 (von dem nur vier Ventile verwendet werden) gemäß 14 und 15 zu ersetzen, vorausgesetzt, daß die Montagevorrichtung 196, 200 mit fluidischen,
elektrischen und mechanischen Schnittstellen zur Verbindung mit
dem vier Ventile aufweisenden Modul 310 konfiguriert ist.
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Die Erfindung, wie sie beansprucht
ist, ist nicht auf die vorliegend speziell offenbarten Ausführungsbeispiele
beschränkt,
sondern durch die beigefügten
Ansprüche
definiert.