WO2003095837A1 - Free jet dosing module and method for the production thereof - Google Patents

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WO2003095837A1
WO2003095837A1 PCT/EP2003/004754 EP0304754W WO03095837A1 WO 2003095837 A1 WO2003095837 A1 WO 2003095837A1 EP 0304754 W EP0304754 W EP 0304754W WO 03095837 A1 WO03095837 A1 WO 03095837A1
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WO
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free jet
chamber
volume
metering
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PCT/EP2003/004754
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Martin Wackerle
Martin Richter
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • B01L2400/06Valves, specific forms thereof
    • B01L2400/0605Valves, specific forms thereof check valves

Definitions

  • Free jet metering module Free jet metering module and method for its production
  • the following invention relates to a free jet metering module and a method for its production, and in particular to such a free jet metering module which is based on the principle of volumetric displacement.
  • the first principle works analogously to the ink jet principle, whereby a piezo actuator or a bubble, which is generated by a heating device, generates a pressure wave in a metering chamber, which propagates to a nozzle which is in fluid communication with the metering chamber and triggers drops there.
  • Free jet metering modules of this type which operate according to the ink jet principle, eject drops in the picoliter range, a typical drop size being 50 picoliters.
  • the repetition frequency with which such a free jet metering module can be operated is a few kHz.
  • Such free jet metering modules working on the ink jet principle are disadvantageous in that the volume of the drop ejected depends on the rheological properties of the liquid, for example the viscosity, the density or the surface tension thereof.
  • metering devices are known from the prior art which operate on the physical principle of volumetric displacement.
  • the metering volume of a metering chamber is displaced volumetrically by a micro actuator via a membrane.
  • the typical volume of a jet ejected by such a displacement is 50 nanoliters.
  • Such a system which is based on volumetric displacement, is disadvantageous in that typical repetition frequencies may not exceed 10 to 20 Hz, since the capillary pressure at the nozzle must not be undercut when suctioning, since otherwise air would be sucked back into the metering chamber.
  • a general disadvantage of all known free jet metering modules is that they are not bubble-tolerant.
  • an air bubble entering the metering chamber of the respective metering module causes the metering module to fail.
  • the metering chamber with the liquid to be metered must therefore always be carried out completely, which is particularly difficult when the metering chamber has corners and the like.
  • air bubbles can get into the dosing chamber by transport, by diffusion through the plastic hose connector, with which the metering module is connected, for example, to a reservoir, or by the outgassing of supersaturated liquids, for example, by temperature changes.
  • a self-priming micromembrane pump that enables the delivery of compressible media is known from DE-A-19719862
  • the object of the present invention is to provide a bubble-tolerant free jet metering module and a method which is suitable for producing such a module.
  • the present invention provides a free jet metering module with the following features:
  • an actuating device adjoining the metering chamber which, when actuated, reduces the metering chamber volume by a displacement volume
  • a nozzle volume being defined by a fluid region existing between the dosing chamber and the ejection opening
  • the ratio of the displacement volume and the sum of the metering chamber volume and the nozzle volume being greater than the ratio of a free jet pressure to the atmospheric pressure in order to generate a free jet at the discharge opening, even if a compressible gaseous medium which essentially filled the metering chamber volume and the nozzle volume were present, the Free jet pressure is the pressure required in the metering chamber which is just sufficient for a given discharge opening area to generate the surface energy in order to cause a free jet at the discharge opening.
  • the present invention also provides a method for producing a free jet metering module, which has the following steps:
  • the present invention is based on the finding that a free jet metering module can work reliably in a bubble-tolerant manner if its compression ratio, ie the ratio of displacement volume and the sum of metering chamber volume and nozzle volume, is chosen to be greater than the ratio of free jet pressure to atmospheric pressure.
  • the free jet metering module according to the invention preferably consists of a metering chamber, a nozzle, a feed line and optionally a reservoir which is connected to the feed line, the module being designed in such a way that the ratio of the displaced volume of the actuating device and the dead volume, which results from the sum of the dead volume of the metering chamber and nozzle chamber is greater than the ratio of the pressure required to form a free jet to the atmospheric pressure.
  • Preferred exemplary embodiments of the free jet metering module according to the invention comprise a valve element between the feed line and metering chamber and / or between the discharge opening of the nozzle and metering chamber.
  • a valve element can be formed by a passive check valve, an active valve or a diffuser nozzle element. If a valve element is provided between the discharge opening of the nozzle and the metering chamber, this must be taken into account when determining the necessary compression ratio of the free jet metering module by making this compression ratio greater than the ratio of the sum of the free jet pressure and the pressure required to open the passive check valve to the atmospheric pressure ,
  • a filter element can be provided in the feed line to the nozzle chamber, a valve element preferably being arranged between the filter element and the nozzle chamber.
  • the method according to the invention is particularly suitable for producing a free jet metering module, the compression ratio of which satisfies the above condition.
  • the method according to the invention manages with a small number of mask steps, at least two, in order to produce the supply line, metering chamber and nozzle structure and passive check valves arranged between the supply line and nozzle chamber and the nozzle structure and metering chamber.
  • a further fourth layer is provided on the first layer, since the first layer must be selectively etched to expose the valve flap structures of the passive check valves.
  • the passive check valves are arranged laterally, ie in the plane of the layer, in the feed line, dosing chamber and nozzle structure be formed, mobile.
  • a fluid filter element can be produced in the feed line at the same time as the structures mentioned.
  • the first mask step serves to generate the respective structures in the second layer, while the second mask step serves to produce depressions in the third layer opposite the movable valve flap structures. No additional mask is required to etch the first layer to selectively etch the valve flaps.
  • La to lc are schematic cross-sectional representations to illustrate the functional principle of a metering module working on the basis of a volumetric displacement
  • FIG. 3 shows a diagram of a pressure applied to the discharge opening of such a metering module
  • Fig. 4 is a schematic cross-sectional view of an embodiment of an inventive
  • FIG. 6 shows a schematic top view of a substrate in which structural elements of an alternative exemplary embodiment of a free-jet metering element according to the invention are formed;
  • FIG. 7a to 7f are schematic cross-sectional representations to illustrate an exemplary embodiment of the method according to the invention.
  • a free jet metering module is shown, which works on the basis of a volumetric displacement.
  • the free jet metering module comprises a reservoir 10, a feed line 12, a metering chamber 14, on which an actuator membrane 16 adjoins on one side, and a nozzle 18 with an ejection opening 20.
  • the free jet metering module is with a liquid to be metered 22 filled.
  • the free jet metering module can be designed such that the feed line, metering chamber and nozzle are filled by capillary forces. Furthermore, filling can be supported by pressurizing the medium located in the reservoir 10, this pressurization, however, must be so small that no liquid can escape from the discharge opening 20, but a liquid meniscus 24 is retained there.
  • the volume of the metering chamber is as a result of a movement of the actuator membrane 16 indicated by dotted lines in Fig. la, changeable.
  • FIG. 1b shows a state of the metering module during an ejection process in which the actuator membrane is actuated by an actuating device (not shown), for example a piezo actuator, such that the volume of the metering chamber 14 is reduced, as indicated by an arrow 26.
  • an actuating device for example a piezo actuator
  • actuation of the actuator membrane 16 also causes a fluid return flow 32, which can be reduced or prevented by suitable measures, for example a higher flow resistance of the feed line 12 compared to the nozzle 18 or the provision of valve elements.
  • FIG. 1c shows a refilling process of the dosing chamber after ejection, as shown in FIG. 1b.
  • the actuator membrane 16 is actuated in a direction 34 opposite to the direction of movement shown in FIG. 1b, so that a media flow 36 takes place into the metering chamber 14.
  • a liquid meniscus 24 regulates itself again at the discharge opening 20 of the nozzle 18.
  • the capillary pressure in the nozzle 18 prevents air from being sucked into the nozzle chamber 14 during the refilling process.
  • this air bubble is compressed during a metering process, as indicated by arrow 26, as indicated in FIG. 2b by the compressed bubble volume 40a compared to the original bubble volume 40b.
  • the pressure at the discharge end 20 of the nozzle 18 drops below the free jet limit.
  • the nozzle is flooded with the medium to be metered, as indicated by the medium 42 in FIG. 2b.
  • the air bubble 40 remains in the metering chamber 14 and essentially assumes its original volume.
  • p d is the pressure prevailing at the discharge opening of the nozzle
  • a d is the discharge opening area
  • is the surface tension of the medium
  • U D is the necessary change in area of the surface of the medium to be discharged
  • m is the mass of the free jet ejected
  • v is the velocity is the same.
  • the pressure that is currently required to overcome the surface energy is:
  • the pressure p fre i . which is just sufficient for a given nozzle area to generate the surface energy is referred to below as the "free jet limit". If there is now a gas bubble in the metering chamber, this acts, as explained above, as a damping element for those caused by the actuator element in the metering chamber generated overpressures. This reduces the pressure at the nozzle and drops below the free jet limit.
  • the free jet dosing module according to the invention now enables, during a discharge operation at the ejection port almost re throughout the ejection cycle above the free jet boundary Pf even in the worst case (worst case condition), the pressure p d at the nozzle, that is the same - to maintain.
  • both pressure profiles lie above the free jet limit P fre i essentially during the entire ejection process.
  • it is advantageous to build up the pressure quickly typically on the order of 1 ms.
  • Microactuators in particular those based on piezoelectric or electrostatic, are particularly suitable for this.
  • a fundamental problem with the use of microactuator drive principles is that the stroke of the same is very small.
  • electrostatic diaphragm drive it is of the order of 5 ⁇ m, while piezoelectric diaphragm drives achieve strokes of 30 ⁇ m or more, depending on the diaphragm design. Piezo stack actuators achieve somewhat larger strokes, but are difficult to manufacture.
  • the compression on ratio ⁇ which is defined by the ratio between the metering volume ⁇ V, ie displacement volume of the drive diaphragm, and the dead volume V 0 , is small in the case of free jet metering modules.
  • the dead volume V 0 is composed of the metering chamber volume V k and the nozzle chamber volume V d .
  • the compression ratio ⁇ is defined as:
  • the free jet metering module can then generate a free jet if the pressure p d generated at the discharge opening of the nozzle is greater than the free jet limit Pf re i.
  • the condition for a free jet is therefore:
  • Vgas V n Vw + V ri
  • the damping effect described above is maximum.
  • the actuator membrane compresses this air volume.
  • the maximum pressure at the nozzle is then determined by the pressure in the air bubble.
  • the pressure at the nozzle p d is calculated from the equation of the air bubble:
  • ⁇ A is the adiabatic coefficient of the gas
  • ⁇ V is the change in volume due to the compression of the gas bubble.
  • the compression ratio of bubble-tolerant free jet dispensers must be greater than the ratio of the free jet limit P fre i to atmospheric pressure, ie ⁇ > ----- £ --__
  • the drive is advantageously designed in such a way that the volume can be compressed very quickly, ie microactuators, in particular those based on piezoelectric or electrostatic, are advantageously used.
  • Such actuators must also be suitable for abruptly stopping the volume change, so that the pressure flank drops steeply and the jet breaks off in a defined manner.
  • Such a rapid pressure drop can be achieved by the drive being designed to actively pull back the actuator membrane hen.
  • the metering chamber, actuator membrane and actuating device can be designed in such a way that the actuator membrane is braked abruptly from movement in the ejection phase by hitting a stop.
  • the free jet metering module can be designed such that the actuator membrane strikes the opposite chamber wall or protrusions formed on the same, thereby stopping its movement. If the force with which the membrane is acted upon were sufficient without a stop to deflect it further, the abrupt braking would result in an abrupt drop in pressure and thus a defined break at the discharge opening.
  • a valve element is preferably arranged between a supply line and the metering chamber, which valve element can be, for example, a diffuser nozzle element (diffuser nozzle), a passive check valve or an active valve. Diffuser nozzle element is understood to mean a tapering element which has a preferred direction of flow.
  • valve element between the feed line and the metering chamber ensures that the entire volume to be displaced is expelled by the valve action.
  • Another disadvantage of the feed line being that the flow resistance is too great is that the refilling takes place very slowly, which drastically reduces repetition frequencies.
  • the negative pressure during refilling must not exceed the capillary pressure of the meniscus at the ejection end of the nozzle even during normal operation, ie a complete filling of the pump chamber with a medium to be dosed.
  • Preferred exemplary embodiments of the present invention therefore also include a valve element between the discharge opening of the nozzle and the metering chamber, which in turn can be, for example, a diffuser nozzle element, a passive non-return element or an active valve.
  • Such a valve between the metering chamber and nozzle ejection opening has the advantage in normal operation, ie when the metering chamber is completely filled with liquid, that it is ensured that when the metering chamber is refilled, a significantly higher negative pressure may occur than without this valve.
  • the refilling process is not limited to a maximum repetition frequency of approx. 10 Hz.
  • the suction time is rather independent of the capillary pressure.
  • the valve ensures that the volume displaced by the actuator element only flows in from the reservoir line, whether air or liquid.
  • the dosing chamber would also be filled by capillary forces, but only if the dosing chamber had wetting properties in relation to the medium to be dosed. This is the filling process caused by capillary forces slowly and depending on the rheological properties of the medium to be filled.
  • a free-jet metering device has a structure corresponding to FIGS. 1 and 2 (supply line and reservoir optional), the metering chamber 14 and the nozzle 18 being designed in such a way that the defined ratio of their volumes to the displacement volume is fulfilled.
  • FIG. 4 A schematic cross-sectional view of an embodiment of a free-jet metering module according to the invention provided with check valves is shown in FIG. 4.
  • the free jet metering module is formed by a micromembrane pump 60 and a nozzle chip 62 connected to it.
  • the structure of the micromembrane pump 60 can essentially correspond to the structure of the micromembrane pump described in DE 19719862 A1, but the condition stated with regard to the compression ratio must be observed for use in the free-jet metering module according to the invention.
  • the compression ratio must be at least as large in order to additionally generate the pressure that is necessary to open the valve flap of the passive check valve between the pump and the nozzle.
  • the micro diaphragm pump 60 comprises an actuating device 64, preferably in the form of a piezo actuator.
  • the actuator 64 is attached to a membrane 68 formed in a membrane chip 66.
  • the micromembrane pump 60 further comprises a first valve chip 70 and a second valve chip 72.
  • respective structures are defined, which are at the inlet and provide respective passive check valves 74 and 76 at the outlet of the micro diaphragm pump.
  • the construction and manufacture of such passive check valves can be conventional and therefore requires no further discussion here.
  • a pump chamber 78 of the micromembrane pump which represents the metering chamber according to the invention, is defined by the valve chips 70 and 72 and the membrane chip 66.
  • the nozzle chip 62 is in this way on the micromembrane pump, i.e. attached to the second valve chip 72 thereof, that a nozzle 80 formed therein is connected via the valve element provided to the outlet of the micromembrane pump, which is provided with the check valve 76.
  • a passage opening 82 is provided in the nozzle chip 62, via which the inlet of the micromembrane pump 60, which is provided with the check valve 74, is connected to a feed channel 84, which in turn is fluidly connected to a reservoir 86.
  • the free jet metering module according to the invention is thus formed by a micromembrane pump with a separate nozzle chip, this free jet metering module having a reservoir 86 with a corresponding feed line 84.
  • the structure in which the reservoir and feed line are formed can be produced separately from the free jet metering module, which consists of micropump 60 and metering chip 62, and can then be connected to the same.
  • the free jet limit is determined by the pressure. which is necessary to open the valve 76 provided at the outlet end.
  • This pressure required to open the valve flap is made up of the restoring forces of the valve flap and the forces which have to be applied in order to overcome forces which occur due to a wetting state of the valve opening and which counteract an opening force of the valve flap.
  • the compression ratio is to be chosen larger than the ratio of the sum of the free jet pressure and the pressure required to open the passive check valve to the atmospheric pressure. In order then to provide the expelled free jet 90 with sufficient kinetic energy, the compression ratio can again be chosen to be correspondingly higher.
  • a preferred method for producing a free-jet metering module is described in more detail below with reference to FIGS. 5 to 7.
  • such a method can advantageously be used to generate a free jet metering module with the compression ratios described above.
  • a three-layer structure is used as the starting structure, which has a silicon wafer 92, an oxide layer 94 and a silicon layer 96.
  • SOI Silicon on Insulator
  • BESOI Bonded Etched Back Silicon On Insulator
  • other layer materials can be used, which enable processing through the subsequent steps.
  • Fluid channels, valve flaps, a pump chamber and a nozzle channel are produced in the silicon layer 96 of thickness D in a subsequent anisotropic dry etching, preferably in an etching step.
  • FIG. 5 A schematic view of an exemplary embodiment of the silicon layer 96 after the anisotropic dry etching thereof is shown in FIG. 5.
  • a dosing chamber 100 a Dosierka mereinlledge 102 and a dosing chamber outlet 104 are generated by the anisotropic dry etching.
  • both the inlet 102 and the outlet 104 are provided with a sealing lip in the illustrated embodiment.
  • an inlet valve flap 106 and an outlet valve flap 108 are produced in the silicon layer 96.
  • the valve flap 106 forms an inlet valve together with the inlet 102, while the valve flap 108 forms an outlet valve together with the outlet 104.
  • a nozzle chamber 110 and a feed line 112 are also produced in the silicon layer 96.
  • the feed line comprises a widened area 114, in which projections 116 remain, so that this area acts as a fluid filter.
  • predetermined breaking points 120, 122 are also provided in the silicon layer 96 during the anisotropic dry etching, along which breakage can later take place, on the one hand to expose the feed line 112 and on the other hand a discharge opening 124 of the nozzle, i.e. to realize the nozzle chamber 110.
  • FIG. 7b An alternative structuring of the silicon layer 96 during the anisotropic dry etching (FIG. 7b) is shown in FIG. 6. Structures in the exemplary embodiment shown there, which essentially correspond to those of FIG. 5, are identified by the same reference numerals. In the exemplary embodiment shown in FIG. 6, no fluid filter is provided in the feed line 112. In the example shown in FIG. 6, projections 126 are provided in the wall of the nozzle chamber 110 opposite the outlet valve flap 108, which serve to prevent the valve flap 108 from adhering to this wall in the open state.
  • valve flaps are selectively etched free, preferably HF etching, so that the oxide layer in the region below the valve flaps 106 and 108 (FIG. 5) is removed so that the latter is in the plane of the silicon layer 96 are laterally movable.
  • the width of the valve flaps 106 and 108 is designed to enable the etching of the oxide layer 94 by HF etching. Typical suitable widths of the valve flaps can be in a range from 5 to 30 ⁇ m.
  • a silicon layer 130 is shown, in which recesses or depressions 132 are formed opposite the valve flaps 106 and 108 by anisotropic dry etching, in order to prevent the valve flaps from being firmly bonded when the silicon layer 130 is subsequently connected to the silicon layer 96, so that the valve flaps remain movable.
  • the recesses can have a depth of 1 to 3 ⁇ m, for example.
  • the respective fluid passages 102 and 104 through the valve flaps 106 and 108 are not completely closed due to the undercut of the valve flaps and the creation of the recesses 132. can be sen. Due to the depth of the non-closable sections of the order of magnitude of 1 to 3 ⁇ m, however, they have such a high flow resistance that flow through them is negligible, so that the respective fluid passages can be regarded as essentially closable by the valve flaps.
  • the layers 96 and 130 are preferably connected by conventional wafer bonding using OH groups.
  • a thin oxide layer is produced to support at least one of the layers, but this is not a joining layer in the classic sense, so that wafer bonding can be described as having no joining layer.
  • FIG. 7d The resulting structure after this step of connecting is shown in FIG. 7d, wherein it can be seen that the metering chamber 100 is formed by the step of connecting.
  • Figures 7a to 7f are purely schematic, so that the valve structures produced are only shown as undercut sections 134 and 136 in them.
  • a passivation layer 138 is applied to the upper side of the wafer 92, whereupon the silicon layer 130 is thinned from the exposed rear side thereof in order to produce the silicon actuator membrane 140 for the free-jet metering module, as shown in FIG. 7e ,
  • the layer 130 can, for example, be subjected to a full-area KOH thinning or a whole-area thinning by grinding. Alternatively, a structured fertilizer only the areas of the layer 130 that are to serve as an actuator membrane. As an alternative to the process-related treatment of the layer 130 to produce the membrane after the application thereof, the layer 130 can already be applied with a thickness which, at least in the actuator membrane regions, corresponds to the desired membrane thickness.
  • a drive device is subsequently applied to the silicon actuator membrane 140.
  • a metallization layer 142 is first applied to the exposed surface of the layer 130 and subsequently a piezoceramic 144 is applied, preferably glued, to the metallization layer 142.
  • a piezostack can be brought into contact with the actuator membrane in such a way that the actuator membrane can be actuated by the same.
  • the use of a piezo stack enables greater forces and larger strokes, but is more complex than a glued-on piezo ceramic.
  • the use of a piezo stack is thus particularly suitable for a modular construction in which the actuating device is not permanently connected to the rest of the free jet metering module and is therefore reusable.
  • the discharge opening of the nozzle chamber 110 and an inlet opening of the feed line 112 are opened by breaking along the predetermined breaking points 120 and 122. Breaking is advantageous in that it is done dry. Alternatively, the above openings could be sawn the layer structure are generated, with the risk that the openings are contaminated by saw water and saw dust used. Another method for separating or creating the openings is to carry out laser cutting, which is also a dry method and also provides defined nozzle areas. Furthermore, it is not necessary to create the openings laterally. Rather, the inlet inlet opening and / or the discharge opening could be formed by layers 130 and 142 downwards and / or by layers 92 and 138 upwards.
  • the method described above is particularly suitable for producing a free jet metering module, the compression ratio of which fulfills the condition described above.
  • anisotropic dry etching is used instead of a KOH structuring for the etching steps mentioned.
  • the anisotropic dry etching enables a small dead volume in the dosing chamber using only a single process step. Any channel and chamber geometries can also be implemented.
  • only two masks are required in order to generate the free jet metering module when using an anisotropic dry etching by the described method.
  • the anisotropic dry etching further enables the integration of a fluid filter in the feed line. In addition, this enables a small dead volume in the valve area.
  • connectionless connection of the two wafers described above they can also be connected to one another using a connection layer.
  • the connecting layer has recesses in the region of the valve flap structures, so that these valve flaps in turn remain movable in the plane of the layer in which they are formed.
  • the present invention thus provides a method for producing a fluid module which has a layer in which a fluid chamber with an inlet and / or outlet is structured, and in which one or more valve flaps are also provided for the inlet and / or outlet which are movable in the plane of the layer to close the inlet and / or outlet.
  • the method according to the invention thus deviates from known methods in which valve flap structures were each movable perpendicular to the plane of the layer in which they are formed.
  • the production and arrangement of valve flaps according to the invention advantageously enables the production of free jet metering modules which have a high compression ratio with very few mask processes.
  • other technologies for example injection molding technology or precision machining processes, can also be used to produce the free jet metering module according to the invention.
  • the free jet metering module takes place on the basis of fast, time-dependent processes in the metering chamber and the nozzle chamber.
  • the real pressure available at the discharge opening of the nozzle depends on the friction and the inertia of the medium to be dosed in the nozzle chamber and dosing chamber. More specifically, there is a pressure drop between the point at which the actuator membrane generates the pressure and the discharge opening, where the pressure available at the discharge opening is lower by this pressure drop than the pressure generated by the actuator membrane. This pressure drop must be taken into account when setting the compression ratio.
  • the free jet metering module according to the invention is therefore advantageously designed so that this pressure drop is as low as possible and is therefore negligible.
  • the friction mentioned above depends on the third power of the dosing chamber height. In order to minimize friction losses, it would therefore be advantageous to provide the metering chamber with the greatest possible height.
  • the actuator membrane in order to be able to pay for the necessary compression ratio, it must be ensured that the actuator membrane can displace a large part of the metering chamber volume or the entire metering chamber volume.
  • the actuator consisting of the membrane and the actuating device must be designed accordingly.
  • the shape of the metering chamber can be such that it is adapted to the shape of the actuator membrane in the deflected state.
  • the metering chamber height of the free jet metering module described with reference to FIGS. 5 to 7 is therefore set, for example, to be greater than 10 ⁇ m, preferably greater than 20 ⁇ m or 30 ⁇ m.
  • the drive must be selected so that the necessary compression ratio can still be generated, so that the metering chamber height cannot be as large as desired.
  • the thicknesses of the layers 96 and 94 can thus preferably be chosen such that the metering chamber has a height corresponding to the above statements.
  • a silicon layer 96 with a thickness of more than 10 ⁇ m and more preferably a silicon layer 96 with a thickness of more than 10 ⁇ m and less than 50 ⁇ m can therefore be used in the described method.
  • a dosing chamber height as described above leads to an increased ejected dosing volume.
  • the pressure drop described above is kept low by arranging the nozzle with its ejection opening essentially in the center opposite the actuator membrane.
  • the nozzle could be arranged centrally below the actuator membrane.
  • such an arrangement is also possible without a valve between the metering chamber and nozzle, i.e. Ejection opening of the same possible.
  • the friction losses and inertia losses described above are essentially minimized, and the discharge of small metering volumes is possible.
  • the free jet metering module according to the invention is designed to remain operable even when it is completely filled with a compressible gaseous medium
  • the free jet metering module according to the invention is also suitable for conveying or metering gaseous media.
  • a free jet metering module with a single metering chamber and a single nozzle chamber was described above.
  • a free jet metering module according to the invention can moreover have a plurality of metering chambers and associated nozzles which are arranged in a one-dimensional or two-dimensional array, so that the nozzles have a predetermined positional relationship to one another.
  • Such a module with an array of individual ejection devices can easily be produced by producing a plurality of ejection devices at the wafer level at the same time.
  • the method described with reference to FIGS. 5 to 7 can be used to produce a plurality of ejection devices arranged in a row, the inlet openings and ejection openings of which are then opened together.
  • two-dimensional arrays can be produced, in which case inlet openings and discharge openings are preferably led out upwards and / or downwards.

Abstract

A free jet dosing module comprises: a dosing chamber (78) having a dosing chamber volume; an actuating device (64, 68), which is adjoined to the dosing chamber (78) and which, when actuated, reduces the dosing chamber volume by a displacement volume, and; a discharge opening (80) that is fluidically connected to the dosing chamber (78). A nozzle volume is defined by a fluid area existing between the dosing chamber (78) and the discharge opening (80). The ratio of the displacement volume to the sum of the dosing chamber volume and the nozzle volume is greater than the ratio of a free jet pressure to the atmospheric pressure in order to produce a free jet even in the presence of a compressible gaseous medium that essentially fills the dosing chamber volume and the nozzle volume. The free jet pressure is the pressure, which is required inside the dosing chamber and which, for a given discharge opening surface, just suffices in order to generate the surface energy for effecting a free jet at the discharge opening. .

Description

Freistrahldosiermodul und Verfahren zu seiner Herstellung Free jet metering module and method for its production
Beschreibungdescription
Die folgende Erfindung bezieht sich auf ein Freistrahldosiermodul und ein Verfahren zu seiner Herstellung und insbesondere ein solches Freistrahldosiermodul, das auf dem Prinzip einer volumetrischen Verdrängung beruht.The following invention relates to a free jet metering module and a method for its production, and in particular to such a free jet metering module which is based on the principle of volumetric displacement.
Aus dem Stand der Technik sind zwei Prinzipien für blasentolerante Freistrahldosiermodule bekannt. Das erste Prinzip arbeitet analog zum Tintenstrahlprinzip, wobei durch einen Piezoaktor oder eine Blase, die durch eine Heizeinrichtung erzeugt wird, eine Druckwelle in einer Dosierkammer erzeugt wird, die sich zu einer mit der Dosierkammer in Fluidver- bindung befindlichen Düse fortpflanzt und dort Tropfen auslöst. Derartige nach dem Tintenstrahlprinzip arbeitende Freistrahldosiermodule stoßen Tropfen im Pikoliter-Bereich aus, wobei eine typische Tropfengröße bei 50 Pikoliter liegt. Die Wiederholfrequenz, mit der ein solches Freistrahldosiermodul betrieben werden kann, liegt bei einigen kHz. Solche auf dem Tintenstrahlprinzip arbeitende Freistrahldosiermodule sind nachteilig dahingehend, daß das Volumen des ausgestoßenen Tropfens abhängig von den rheologi- sehen Eigenschaften der Flüssigkeit ist, beispielsweise der Viskosität, der Dichte oder der Oberflächenspannung derselben.Two principles for bubble-tolerant free jet metering modules are known from the prior art. The first principle works analogously to the ink jet principle, whereby a piezo actuator or a bubble, which is generated by a heating device, generates a pressure wave in a metering chamber, which propagates to a nozzle which is in fluid communication with the metering chamber and triggers drops there. Free jet metering modules of this type, which operate according to the ink jet principle, eject drops in the picoliter range, a typical drop size being 50 picoliters. The repetition frequency with which such a free jet metering module can be operated is a few kHz. Such free jet metering modules working on the ink jet principle are disadvantageous in that the volume of the drop ejected depends on the rheological properties of the liquid, for example the viscosity, the density or the surface tension thereof.
Ferner sind aus dem Stand der Technik Dosiervorrichtungen bekannt, die auf dem physikalischen Prinzip einer volumetrischen Verdrängung arbeiten. Bei derartigen Dosiervorrichtungen wird das Dosiervolumen einer Dosierkammer durch einen Mikroaktor über eine Membran volumetrisch verdrängt. Das typische Volumen eines durch eine solche Verdrängung ausgestoßenen Strahls beträgt 50 Nanoliter. Ein solches System, das auf einer volumetrischen Verdrängung basiert, ist nachteilig dahingehend, daß typische Wiederholfrequenzen maximal 10 bis 20 Hz betragen dürfen, da beim Ansaugen der Kapillardruck an der Düse nicht unterschritten werden darf, da sonst Luft in die Dosierkammer zurückgesaugt würde.In addition, metering devices are known from the prior art which operate on the physical principle of volumetric displacement. In metering devices of this type, the metering volume of a metering chamber is displaced volumetrically by a micro actuator via a membrane. The typical volume of a jet ejected by such a displacement is 50 nanoliters. Such a system, which is based on volumetric displacement, is disadvantageous in that typical repetition frequencies may not exceed 10 to 20 Hz, since the capillary pressure at the nozzle must not be undercut when suctioning, since otherwise air would be sucked back into the metering chamber.
Generell nachteilig bei allen bekannten Freistrahldosiermo- dulen ist, daß diese nicht blasentolerant sind. Anders ausgedrückt, bewirkt ein Eintritt einer Luftblase in die Dosierkammer des jeweiligen Dosiermoduls einen Ausfall des Dosiermoduls. Die Dosierkammer mit der zu dosierenden Flüssigkeit muß daher stets vollständig erfolgen, was insbeson- dere schwierig ist, wenn die Dosierkammer Ecken und dergleichen aufweist. Ferner können Luftblasen durch einen Transport, durch eine Diffusion durch die Kunststoff- Schlauchverbinder, mit denen das Dosiermodul beispielsweise mit einem Reservoir verbunden ist, oder durch das Ausgasen übersättigter Flüssigkeiten beispielsweise durch Temperaturänderungen in die Dosierkammer gelangen. Aus dem Stand der Technik ist es zwar teilweise bekannt, ein Ausfallen des Dosiermoduls beispielsweise durch stroboskopische Funktionstest bzw. eine optische Blasendetektion zwischen Re- servoir und Dosierkammer zu erkennen, jedoch hat dies stets eine Unterbrechung des Dosiervorgangs zur Folge und das Dosiermodul muß aufwendig neu befüllt werden.A general disadvantage of all known free jet metering modules is that they are not bubble-tolerant. In other words, an air bubble entering the metering chamber of the respective metering module causes the metering module to fail. The metering chamber with the liquid to be metered must therefore always be carried out completely, which is particularly difficult when the metering chamber has corners and the like. Furthermore, air bubbles can get into the dosing chamber by transport, by diffusion through the plastic hose connector, with which the metering module is connected, for example, to a reservoir, or by the outgassing of supersaturated liquids, for example, by temperature changes. Although it is known in part from the prior art to detect a failure of the metering module, for example by means of a stroboscopic function test or an optical bubble detection between the reservoir and the metering chamber, this always results in an interruption of the metering process and the metering module has to be refilled with great effort become.
Eine selbstansaugende Mikromembranpumpe, die die Förderung kompressibler Medien ermöglicht, ist aus der DE-A-19719862 bekannt Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein blasentolerantes Freistrahldosiermodul und ein Verfahren, das sich zur Herstellung eines solchen eignet, zu schaffen.A self-priming micromembrane pump that enables the delivery of compressible media is known from DE-A-19719862 The object of the present invention is to provide a bubble-tolerant free jet metering module and a method which is suitable for producing such a module.
Diese Aufgabe wird durch ein Freistrahldosiermodul nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 12 gelöst.This object is achieved by a free jet metering module according to claim 1 and a method according to claim 12.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Freistrahldosiermodul mit folgenden Merkmalen:The present invention provides a free jet metering module with the following features:
einer Dosierkammer mit einem Dosierkammervolumen;a dosing chamber with a dosing chamber volume;
einer an die Dosierkammer angrenzenden Betätigungseinrichtung, die bei Betätigung das Dosierkammervolumen um ein Verdrängungsvolumen reduziert; undan actuating device adjoining the metering chamber which, when actuated, reduces the metering chamber volume by a displacement volume; and
einer mit der Dosierkammer fluidmäßig verbundenen Ausstoßöffnung, wobei durch einen zwischen der Dosierkammer und der Ausstoßöffnung existierenden Fluidbereich ein Düsenvo- lumen definiert ist,an ejection opening fluidly connected to the dosing chamber, a nozzle volume being defined by a fluid region existing between the dosing chamber and the ejection opening,
wobei das Verhältnis aus Verdrängungsvolumen und der Summe aus Dosierkammervolumen und Düsenvolumen größer ist als das Verhältnis eines Freistrahldrucks zum Atmosphärendruck, um an der Ausstoßöffnung einen Freistrahl zu erzeugen, selbst wenn ein das Dosierkammervolumen und das Düsenvolumen im wesentlichen ausfüllendes kompressibles gasförmiges Medium vorliegen würde, wobei der Freistrahldruck der in der Dosierkammer notwendige Druck ist, der bei gegebener Ausstoß- Öffnungsfläche gerade genügt, um die Oberflachenenergie zu erzeugen, um an der Ausstoßöffnung einen Freistrahl zu bewirken. Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Freistrahldosiermoduls, das folgende Schritte aufweist:the ratio of the displacement volume and the sum of the metering chamber volume and the nozzle volume being greater than the ratio of a free jet pressure to the atmospheric pressure in order to generate a free jet at the discharge opening, even if a compressible gaseous medium which essentially filled the metering chamber volume and the nozzle volume were present, the Free jet pressure is the pressure required in the metering chamber which is just sufficient for a given discharge opening area to generate the surface energy in order to cause a free jet at the discharge opening. The present invention also provides a method for producing a free jet metering module, which has the following steps:
Bereitstellen eines Schichtverbundes aus einer ersten Schicht und einer zweiten Schicht;Providing a layer composite of a first layer and a second layer;
Ätzen zumindest einer Dosierkammerstruktur und einer mit derselben fluidmäßig verbundenen Düsenstruktur bis zur er- sten Schicht reichend in der zweiten Schicht;Etching at least one metering chamber structure and a nozzle structure fluidly connected to the same, reaching as far as the first layer in the second layer;
Verbinden einer dritten Schicht mit der zweiten Schicht zur Erzeugung einer Dosierkammer und einer Dusenkämmer; undConnecting a third layer to the second layer to create a dosing chamber and a nozzle chamber; and
Dünnen der vierten Schicht zur Erzeugung einer an die Do- sierka mer angrenzenden Aktormembran.Thin the fourth layer to produce an actuator membrane adjacent to the dosing chamber.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß ein Freistrahldosiermodul zuverlässig blasentolerant arbei- ten kann, wenn sein Kompressionsverhältnis, d.h. das Verhältnis aus Verdrängungsvolumen und der Summe aus Dosierkammervolumen und Düsenvolumen, größer gewählt wird als das Verhältnis des Freistrahldrucks zum Atmosphärendruck. Das erfindungsgemäße Freistrahldosiermodul besteht vorzugsweise aus einer Dosierkammer, einer Düse, einer Zuleitung und optional aus einem Reservoir, das mit der Zuleitung verbunden ist, wobei das Modul derart gestaltet ist, daß das Verhältnis aus verdrängtem Volumen der Betätigungseinrichtung und dem Totvolumen, das aus der Summe des Totvolumens von Do- sierkammer und Düsenkammer besteht, größer ist als das Verhältnis des Drucks, der zur Bildung eines Freistrahls nötig ist, zu dem Atmosphärendruck. Bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Frei- strahldosiermoduls umfassen ein Ventilelement zwischen Zuleitung und Dosierkammer und/oder zwischen Ausstoßöffnung der Düse und Dosierkammer. Ein solches Ventilelement kann durch ein passives Rückschlagventil, ein aktives Ventil oder ein Diffusor-Düsenelement gebildet sein. Ist ein Ventilelement zwischen Ausstoßöffnung der Düse und Dosierkammer vorgesehen, ist dies bei der Ermittlung des notwendigen Kompressionsverhältnisses des Freistrahldosiermoduls zu be- rücksichtigen, indem dieses Kompressionsverhältnis größer gemacht wird als das Verhältnis aus Summe des Freistrahldrucks und zum Öffnen des passiven Rückschlagventils notwendigen Drucks zu dem Atmosphärendruck. In der Zuleitung zu der Düsenkammer kann ein Filterelement vorgesehen sein, wobei zwischen Filterelement und Düsenkammer vorzugsweise ein Ventilelement angeordnet ist.The present invention is based on the finding that a free jet metering module can work reliably in a bubble-tolerant manner if its compression ratio, ie the ratio of displacement volume and the sum of metering chamber volume and nozzle volume, is chosen to be greater than the ratio of free jet pressure to atmospheric pressure. The free jet metering module according to the invention preferably consists of a metering chamber, a nozzle, a feed line and optionally a reservoir which is connected to the feed line, the module being designed in such a way that the ratio of the displaced volume of the actuating device and the dead volume, which results from the sum of the dead volume of the metering chamber and nozzle chamber is greater than the ratio of the pressure required to form a free jet to the atmospheric pressure. Preferred exemplary embodiments of the free jet metering module according to the invention comprise a valve element between the feed line and metering chamber and / or between the discharge opening of the nozzle and metering chamber. Such a valve element can be formed by a passive check valve, an active valve or a diffuser nozzle element. If a valve element is provided between the discharge opening of the nozzle and the metering chamber, this must be taken into account when determining the necessary compression ratio of the free jet metering module by making this compression ratio greater than the ratio of the sum of the free jet pressure and the pressure required to open the passive check valve to the atmospheric pressure , A filter element can be provided in the feed line to the nozzle chamber, a valve element preferably being arranged between the filter element and the nozzle chamber.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung eines Freistrahldosiermoduls, dessen Kompressi- onsverhältnis der obigen Bedingung genügt. Dabei kommt das erfindungsgemäße Verfahren mit einer geringen Anzahl von Maskenschritten, minimal zwei, aus, um Zuleitung, Dosierkammer und Düsenstruktur sowie zwischen Zuleitung und Düsenkammer sowie Düsenstruktur und Dosierkammer angeordnete passive Rückschlagventile zu erzeugen.The method according to the invention is particularly suitable for producing a free jet metering module, the compression ratio of which satisfies the above condition. The method according to the invention manages with a small number of mask steps, at least two, in order to produce the supply line, metering chamber and nozzle structure and passive check valves arranged between the supply line and nozzle chamber and the nozzle structure and metering chamber.
Sollen passive Rückschlagventile erzeugt werden, ist auf der ersten Schicht eine weitere vierte Schicht vorgesehen, da die erste Schicht zum Freilegen der Ventilklappenstruk- turen der passiven Rückschlagventile selektiv geätzt werden muss. Um dies zu ermöglichen, sind die passiven Rückschlagventile lateral angeordnet, d.h. sind in der Ebene der Schicht, in der Zuleitung, Dosierkammer und Düsenstruktur gebildet werden, beweglich. Gleichzeitig mit den genannten Strukturen kann in der Zuleitung ein Fluidfilterelement erzeugt werden. Der erste Maskenschritt dient dabei zum Erzeugen der jeweiligen Strukturen in der zweiten Schicht, während der zweite Maskenschritt zum Erzeugen von den beweglichen Ventilklappenstrukturen gegenüberliegenden Vertiefungen in der dritten Schicht dient. Zum Ätzen der ersten Schicht, um die Ventilklappen selektiv freizuätzen, wird keine zusätzliche Maske benötigt.If passive check valves are to be produced, a further fourth layer is provided on the first layer, since the first layer must be selectively etched to expose the valve flap structures of the passive check valves. To make this possible, the passive check valves are arranged laterally, ie in the plane of the layer, in the feed line, dosing chamber and nozzle structure be formed, mobile. A fluid filter element can be produced in the feed line at the same time as the structures mentioned. The first mask step serves to generate the respective structures in the second layer, while the second mask step serves to produce depressions in the third layer opposite the movable valve flap structures. No additional mask is required to etch the first layer to selectively etch the valve flaps.
Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.Further developments of the present invention are set out in the dependent claims.
Die vorliegende Erfindung und bevorzugte Ausführungsbei- spiele derselben werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The present invention and preferred exemplary embodiments thereof are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. la bis lc schematische Querschnittdarstellungen zur Veranschaulichung des Funktionsprinzips eines auf der Grundlage einer volumetrischen Verdrängung arbeitenden Dosiermoduls;La to lc are schematic cross-sectional representations to illustrate the functional principle of a metering module working on the basis of a volumetric displacement;
Fig. 2a bis 2c entsprechende Darstellungen eines Dosiermoduls bei Vorliegen einer Luftblase;2a to 2c corresponding representations of a dosing module in the presence of an air bubble;
Fig. 3 ein Diagramm eines an der Ausstoßöf nung eines solchen Dosiermoduls anliegenden Drucks;3 shows a diagram of a pressure applied to the discharge opening of such a metering module;
Fig. 4 eine schematische Querschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßenFig. 4 is a schematic cross-sectional view of an embodiment of an inventive
Freistrahldosiermoduls; Fig. 5 eine schematische Draufsicht auf ein Substrat, in dem Strukturelemente eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Freistrahldosiermoduls gebildet sind;Freistrahldosiermoduls; 5 shows a schematic plan view of a substrate in which structural elements of an exemplary embodiment of a free jet metering module according to the invention are formed;
Fig. 6 eine schematische Draufsicht eines Substrats, in dem Strukturelemente eines alternativen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Frei- strahldosierelements gebildet sind;6 shows a schematic top view of a substrate in which structural elements of an alternative exemplary embodiment of a free-jet metering element according to the invention are formed;
Fig. 7a bis 7f schematische Querschnittdarstellungen zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.7a to 7f are schematic cross-sectional representations to illustrate an exemplary embodiment of the method according to the invention.
In Fig. 1 ist ein Freistrahldosiermodul gezeigt, das auf der Grundlage einer volumetrischen Verdrängung arbeitet. Das Freistrahldosiermodul umfaßt ein Reservoir 10, eine Zuleitung 12, eine Dosierkammer 14, an die auf einer Seite eine Aktormembran 16 angrenzt, und eine Düse 18 mit einer Ausstoßöffnung 20. Wie in Fig. la gezeigt ist, ist das Freistrahldosiermodul mit einer zu dosierenden Flüssigkeit 22 befüllt. Das Freistrahldosiermodul kann dabei so ausgestaltet sein, daß eine Befüllung von Zuleitung, Dosierkammer und Düse durch Kapillarkräfte erfolgt. Ferner kann eine Befüllung durch eine Druckbeaufschlagung des in dem Reservoir 10 befindlichen Mediums unterstützt werden, wobei diese Druckbeaufschlagung jedoch so gering sein muß, daß keine Flüssigkeit aus der Ausstoßöffnung 20 austreten kann, sondern an derselben ein Flüssigkeitsmeniskus 24 erhalten bleibt.In Fig. 1 a free jet metering module is shown, which works on the basis of a volumetric displacement. The free jet metering module comprises a reservoir 10, a feed line 12, a metering chamber 14, on which an actuator membrane 16 adjoins on one side, and a nozzle 18 with an ejection opening 20. As shown in FIG. 1 a, the free jet metering module is with a liquid to be metered 22 filled. The free jet metering module can be designed such that the feed line, metering chamber and nozzle are filled by capillary forces. Furthermore, filling can be supported by pressurizing the medium located in the reservoir 10, this pressurization, however, must be so small that no liquid can escape from the discharge opening 20, but a liquid meniscus 24 is retained there.
Das Volumen der Dosierkammer ist bei einem solchen Dosiermodul durch eine Bewegung der Aktormembran 16, wie sie durch gepunktete Linien in Fig. la angezeigt ist, veränderbar.In such a metering module, the volume of the metering chamber is as a result of a movement of the actuator membrane 16 indicated by dotted lines in Fig. la, changeable.
Fig. 1b zeigt einen Zustand des Dosiermoduls während eines Ausstoßvorgangs, bei dem durch eine Betätigungseinrichtung (nicht gezeigt) , beispielsweise einen Piezoaktor, die Aktormembran derart betätigt wird, daß das Volumen der Dosierkammer 14 reduziert wird, wie durch einen Pfeil 26 angezeigt ist. Dadurch wird ein Fluidfluß 28 zu der Düse 18 hin erzeugt, wobei die Betätigung der Aktormembran 16 derart ist, daß der dadurch an der Ausstoßöffnung 20 bewirkte Druck ausreicht, um einen Freistrahl 30 zu erzeugen. Ferner wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch die Betätigung der Aktormembran 16 ferner ein Fluidrückfluß 32 bewirkt, der durch geeignete Maßnahmen, beispielsweise einen höheren Flußwiderstand der Zuleitung 12 verglichen mit der Düse 18 oder das Vorsehen von Ventilelementen, reduziert oder verhindert werden kann.1b shows a state of the metering module during an ejection process in which the actuator membrane is actuated by an actuating device (not shown), for example a piezo actuator, such that the volume of the metering chamber 14 is reduced, as indicated by an arrow 26. This creates a fluid flow 28 to the nozzle 18, the actuation of the actuator membrane 16 being such that the pressure thereby caused at the discharge opening 20 is sufficient to generate a free jet 30. Furthermore, in the illustrated embodiment, actuation of the actuator membrane 16 also causes a fluid return flow 32, which can be reduced or prevented by suitable measures, for example a higher flow resistance of the feed line 12 compared to the nozzle 18 or the provision of valve elements.
In Fig. 1c ist ein Wiederbefüllvorgang der Dosierkammer nach einem erfolgten Ausstoß, wie er in Fig. lb gezeigt ist, dargestellt. Zu diesem Zweck wird die Aktormembran 16 in eine zu der in Fig. lb gezeigten Bewegungsrichtung entgegengesetzte Richtung 34 betätigt, so daß ein Medienfluß 36 in die Dosierkammer 14 stattfindet. An der Ausstoßöffnung 20 der Düse 18 regelt sich dabei wieder ein Flüssigkeitsmeniskus 24 ein. Der Kapillardruck in der Düse 18 verhindert dabei ein Einsaugen von Luft in die Düsenkammer 14 während des Wiederbefüllvorgangs .1c shows a refilling process of the dosing chamber after ejection, as shown in FIG. 1b. For this purpose, the actuator membrane 16 is actuated in a direction 34 opposite to the direction of movement shown in FIG. 1b, so that a media flow 36 takes place into the metering chamber 14. A liquid meniscus 24 regulates itself again at the discharge opening 20 of the nozzle 18. The capillary pressure in the nozzle 18 prevents air from being sucked into the nozzle chamber 14 during the refilling process.
Problematisch ist, daß bekannte Freistrahldosiermodule, die nach dem obigen Prinzip arbeiten, nicht blasentolerant sind. In Fig. 2a ist das oben Bezug nehmend auf die Figuren la-lc beschriebene Freistrahldosiermodul gezeigt, wobei eine Luftblase 40 in der Dosierkammer vorliegt. Solche Luftblasen könne beispielsweise durch den Transport in die Dosierkämmer gelangen, durch eine Diffusion durch Kunststoff- Schlauchverbinder oder durch das Ausgasen übersättigter Flüssigkeiten, beispielsweise bei Temperaturänderungen.It is problematic that known free jet metering modules which operate according to the above principle are not bubble-tolerant. In Figure 2a, this is with reference to the figures above La-lc described free jet metering module, wherein an air bubble 40 is present in the metering chamber. Such air bubbles can get into the dosing chambers, for example, through transport, through diffusion through plastic hose connectors or through the outgassing of supersaturated liquids, for example when there are changes in temperature.
Wie in Fig. 2b gezeigt ist, wird diese Luftblase während eines Dosiervorgangs, wie er durch den Pfeil 26 angezeigt ist, komprimiert, wie in Fig. 2b durch das komprimierte Blasenvolumen 40a verglichen mit dem ursprünglichen Blasenvolumen 40b angedeutet ist. In Folge dieser Komprimierung der Luftblase 40 sinkt der Druck an dem Ausstoßende 20 der Düse 18 unter die Freistrahlgrenze. Somit findet beim Aus- Stoßvorgang 26 kein Freistrahl statt, sondern stattdessen wird die Düse mit dem zu dosierenden Medium überschwemmt, wie durch das Medium 42 in Fig. 2b angedeutet ist.As shown in FIG. 2b, this air bubble is compressed during a metering process, as indicated by arrow 26, as indicated in FIG. 2b by the compressed bubble volume 40a compared to the original bubble volume 40b. As a result of this compression of the air bubble 40, the pressure at the discharge end 20 of the nozzle 18 drops below the free jet limit. Thus, there is no free jet during the ejection process 26, but instead the nozzle is flooded with the medium to be metered, as indicated by the medium 42 in FIG. 2b.
Beim nachfolgenden Wiederbefüllvorgang, der durch den Pfeil 34 in Fig. 2c angezeigt ist, verbleibt die Luftblase 40 in der Dosierkammer 14 und nimmt im wesentlichen ihr ursprüngliches Volumen an.In the subsequent refilling process, which is indicated by the arrow 34 in FIG. 2c, the air bubble 40 remains in the metering chamber 14 and essentially assumes its original volume.
Die oben beschriebene mangelhafte Blasentoleranz ist ein entscheidendes Hindernis im praktischen Einsatz von mikrotechnisch strukturierten Freistrahldosiermodulen. Im folgenden wird die Ursache für die fehlende Blasentoleranz näher erläutert. Für die Bildung eines Freistrahls muß unmittelbar an der Düse, die eine präzise definierte Geometrie, d.h. eine präzise definierte Ausstoßöffnung besitzt, ein Überdruck aufgebaut werden. Die durch den Überdruck aufgebaute potentielle Energie dWpot liefert die Energie dWob für die freie Oberfläche des Freistrahls und die kinetische Energie dWkin des Strahls, der in der Regel noch zielgerichtet abgegeben werden muß. Es gilt:The insufficient bladder tolerance described above is a decisive obstacle in the practical use of microtechnically structured free jet metering modules. The reason for the lack of bladder tolerance is explained in more detail below. To form a free jet, an overpressure must be built up directly on the nozzle, which has a precisely defined geometry, ie a precisely defined discharge opening. The potential energy dW pot built up by the overpressure supplies the energy dW whether for the free surface of the free jet and the kinetic Energy dW kin of the beam, which usually still has to be delivered in a targeted manner. The following applies:
pot = dWob + dWkin .pot = dW ob + dW kin .
Daraus folgt :It follows :
pdAD = σUD + mv2,p d A D = σU D + mv 2 ,
wobei pd der an der Ausstoßöffnung der Düse herrschende Druck ist, Ad die Ausstoßöffnungsfläche ist, σ die Oberflächenspannung des Mediums ist, UD die notwendige Flächeränderung der Oberfläche des auszustoßenden Mediums ist, m die Masse des ausgestoßenen Freistrahls ist und v die Geschwin- digkeit desselben ist.where p d is the pressure prevailing at the discharge opening of the nozzle, A d is the discharge opening area, σ is the surface tension of the medium, U D is the necessary change in area of the surface of the medium to be discharged, m is the mass of the free jet ejected and v is the velocity is the same.
Der Druck, der gerade notwendig ist, um die Oberflachenenergie zu überwinden, beträgt:The pressure that is currently required to overcome the surface energy is:
Prei =
Figure imgf000012_0001
= σUD/AD.
P re i =
Figure imgf000012_0001
= σU D / A D.
Ein typischer Wert für die Freistrahlgrenze ergibt sich für σ = 0,075 N/m und eine runde Düse mit einem Durchmesser von 90 μm zu: Pfrei = 33 hPa.A typical value for the free jet limit results for σ = 0.075 N / m and a round nozzle with a diameter of 90 μm: Pfrei = 33 hPa.
Der Druck pfrei. der bei gegebener Düsenfläche gerade genügt, um die Oberflachenenergie zu erzeugen, wird im folgenden „Freistrahlgrenze" genannt. Befindet sich nun eine Gasblase in der Dosierkammer, wirkt diese, wie oben ausge- führt, als ein Dämpfungselement für die durch das Aktorelement in der Dosierkammer erzeugten Überdrücke. Dadurch wird der Druck an der Düse reduziert und sinkt unter die Freistrahlgrenze . Das erfindungsgemäße Freistrahldosiermodul ermöglicht nun, während eines Ausstoßvorgangs auch im schlechtesten Fall (Worst-Case-Fall) den Druck pd an der Düse, d.h. an der Ausstoßöffnung derselben, fast während des gesamten Ausstoßzyklus oberhalb der Freistrahlgrenze Pfre-- zu halten. Es wird dabei davon ausgegangen, daß der Aktor, der die erforderlichen Drücke aufbaut, so dimensioniert ist, daß er diese erforderlichen Drücke liefern kann, wie es für übliche Mikroaktoren der Fall ist. Idealerweise wird also ein rechteckförmiges Druckprofil angestrebt, wie es in Fig. 3 mit dem Bezugszeichen 50 bezeichnet ist. Ein praktisch realisierbarer anzustrebender Druckverlauf 52 ist ebenfalls in Fig. 3 dargestellt.The pressure p fre i . which is just sufficient for a given nozzle area to generate the surface energy is referred to below as the "free jet limit". If there is now a gas bubble in the metering chamber, this acts, as explained above, as a damping element for those caused by the actuator element in the metering chamber generated overpressures. This reduces the pressure at the nozzle and drops below the free jet limit. The free jet dosing module according to the invention now enables, during a discharge operation at the ejection port almost re throughout the ejection cycle above the free jet boundary Pf even in the worst case (worst case condition), the pressure p d at the nozzle, that is the same - to maintain. It is assumed that the actuator that builds up the required pressures is dimensioned such that it can deliver these required pressures, as is the case for conventional microactuators. Ideally, therefore, a rectangular pressure profile is sought, as is designated by the reference symbol 50 in FIG. 3. A practically feasible pressure curve 52 to be aimed for is also shown in FIG. 3.
Wie in Fig. 3 zu erkennen ist, liegen beide Druckverläufe im wesentlichen während des gesamten Ausstoßvorgangs über der Freistrahlgrenze Pfrei- Wie zu erkennen ist, ist es vorteilhaft, den Druck schnell aufzubauen, typischerweise in einer Größenordnung von 1 ms. Mikroaktoren, insbesondere solche auf piezoelektrischer oder elektrostatischer Basis, sind hierfür besonders geeignet. Dabei besteht jedoch ein grundsätzliches Problem bei der Verwendung von mikroaktori- schen Antriebsprinzipien darin, daß der Hub derselben sehr klein ist. Bei einem elektrostatischen Membranantrieb liegt er in der Größenordnung von 5 μm, während piezoelektrische Membranantriebe je nach Membranauslegung Hübe von 30 μm oder mehr erreichen. Piezostapelaktoren erreichen noch etwas größere Hübe, sind jedoch aufwendig herzustellen.As can be seen in FIG. 3, both pressure profiles lie above the free jet limit P fre i essentially during the entire ejection process. As can be seen, it is advantageous to build up the pressure quickly, typically on the order of 1 ms. Microactuators, in particular those based on piezoelectric or electrostatic, are particularly suitable for this. However, a fundamental problem with the use of microactuator drive principles is that the stroke of the same is very small. With an electrostatic diaphragm drive, it is of the order of 5 μm, while piezoelectric diaphragm drives achieve strokes of 30 μm or more, depending on the diaphragm design. Piezo stack actuators achieve somewhat larger strokes, but are difficult to manufacture.
Infolge der durch mikroaktorische Antriebe angetriebenen Antriebsmembran wird nur ein kleines Schlagvolumen von einigen 10 Nanolitern erreicht. Daher ist auch das Kompressi- onsverhältnis ε, das durch das Verhältnis zwischen Dosiervolumen ΔV, d.h. Verdrängungsvolumen der Antriebsmembran, und dem Totvolumen V0 definiert ist, bei Freistrahldosier- modulen klein. Das Totvolumen V0 setzt sich dabei aus Do- sierkammervolumen Vk und Düsenkammervolumen Vd zusammen. Das Kompressionsverhältnis ε ist definiert als:As a result of the drive membrane driven by micro-actuator drives, only a small stroke volume of a few 10 nanoliters is achieved. Therefore, the compression on ratio ε, which is defined by the ratio between the metering volume ΔV, ie displacement volume of the drive diaphragm, and the dead volume V 0 , is small in the case of free jet metering modules. The dead volume V 0 is composed of the metering chamber volume V k and the nozzle chamber volume V d . The compression ratio ε is defined as:
ε = ΔV/Voε = ΔV / Vo
Das Freistrahldosiermodul kann dann einen Freistrahl erzeugen, wenn der an der Ausstoßöffnung der Düse erzeugte Druck pd größer ist als die Freistrahlgrenze Pfrei- Die Bedingung für einen Freistrahl lautet somit:The free jet metering module can then generate a free jet if the pressure p d generated at the discharge opening of the nozzle is greater than the free jet limit Pf re i. The condition for a free jet is therefore:
I Pd l > I Pfrei l •I Pd l> I Pfrei l •
Es sei nun eine Worst-Case-Betrachtung für ein blasentolerantes Dosiermodul durchgeführt. Der Worst-Case würde dann auftreten, wenn die gesamte Dosierkammer mit dem Volumen Vk einschließlich des Volumens zwischen Dosierkammer und Ausstoßöffnung der Düse (Düsenkammervolumen Vd) mit Luft, die ein komprimierbares gasförmiges Medium darstellt, eines Volumens Vgas gefüllt ist, d.h.:A worst-case analysis for a bubble-tolerant dosing module is now carried out. The worst case would occur if the entire metering chamber was filled with the volume V k including the volume between the metering chamber and the discharge opening of the nozzle (nozzle chamber volume V d ) with air, which is a compressible gaseous medium, with a volume V gas , ie:
Vgas Vn = Vw + Vri Vgas V n = Vw + V ri
In diesem Worst-Case-Fall ist die oben beschriebene Dämpfungswirkung maximal. Während des Ausstoßvorgangs komprimiert die Aktormembran dieses Luftvolumen. Der maximale Druck an der Düse wird dann durch den Druck in der Luftblase bestimmt. Der Druck an der Düse pd berechnet sich aus der Zustandsgieichung der Luftblase:
Figure imgf000015_0001
In this worst-case scenario, the damping effect described above is maximum. During the ejection process, the actuator membrane compresses this air volume. The maximum pressure at the nozzle is then determined by the pressure in the air bubble. The pressure at the nozzle p d is calculated from the equation of the air bubble:
Figure imgf000015_0001
Wobei γA der Adiabatenkoeffizient des Gases ist, P0 der atmosphärische Druck ist, der als p0 = 1013 hPa angenommen werden kann, und ΔV die Volumenänderung durch die Komprimierung der Gasblase ist. Zusammen mit der oben angegebenen Bedingung für den Freistrahl ergibt sich für das mindestens notwendige Kompressionsverhältnis von blasentoleranten Freistrahlmodulen :Where γ A is the adiabatic coefficient of the gas, P 0 is the atmospheric pressure, which can be assumed to be p 0 = 1013 hPa, and ΔV is the change in volume due to the compression of the gas bubble. Together with the above-mentioned condition for the free jet, the minimum compression ratio of bubble-tolerant free jet modules is as follows:
YA ε > Po - 1YA ε> Po - 1
PoHP reilPoHP ripe
Ist die Freistrahlgrenze p3 klein gegenüber dem Atmosphärendruck po, was beispielsweise erfüllt ist bei p3 = 33 hPa gegenüber p0 = 1013 hPa, kann die obige Gleichung vereinfacht werden zu:If the free jet limit p 3 is small compared to the atmospheric pressure po, which is fulfilled, for example, when p 3 = 33 hPa compared to p 0 = 1013 hPa, the above equation can be simplified to:
ε > 1 Pfrei
Figure imgf000015_0002
ε> 1 P free
Figure imgf000015_0002
Bei schnellen Zustandsänderungen sind die Verhältnisse adiabatisch, γA = 1,4 für Luft, bei langsamen Zustandsänderungen isotherm, γA = 1. Mit einer konsequenten Anwendung der Worst-Case-Annahme wird erfindungsgemäß zur Bestimmung des mindestens notwendigen Kompressionsverhältnisses als Kriterium γA = 1 verwendet. Als Faustregel für das notwendige Kompressionsverhältnis von Freistrahldosiermodulen gilt also, daß das Kompressionsverhältnis blasentoleranter Freistrahldispenser größer sein muß als das Verhältnis der Freistrahlgrenze Pfrei zum Atmosphärendruck, d.h. ε > -----£--__In the case of rapid changes in state, the ratios are adiabatic, γ A = 1.4 for air, in the case of slow changes in state, isothermal, γ A = 1. With consistent use of the worst-case assumption, according to the invention, the criterion γ A = is used to determine the minimum necessary compression ratio 1 used. As a rule of thumb for the necessary compression ratio of free jet metering modules, the compression ratio of bubble-tolerant free jet dispensers must be greater than the ratio of the free jet limit P fre i to atmospheric pressure, ie ε > ----- £ --__
Popo
Mit den oben genannten Volumina gilt:With the above volumes:
Figure imgf000016_0001
Figure imgf000016_0001
Daraus ergibt sich die erfindungsgemaße Dimensionierung des Freistrahldispensers dahingehend, daß das Verhältnis aus verdrängtem Volumen der Betatigungsemrichtung und dem Tot- volumen, d.h. der Summe des Totvolumens von Dosierkammer und Dusenkammer, großer ist als das Verhältnis des Drucks, der für die Bildung eines Freistrahls notig ist, zu dem At- mospharendruck. Dadurch ist sichergestellt, daß der maximale, in der Luftblase auftretende Druck bei dem Ausstoßvor- gang größer ist als die Freistrahlgrenze. Durch die konsequente Anwendung der Worst-Case-Annahme ergibt sich eine überschussige potentielle Energie, die dem Strahl eine kinetische Energie und damit eine definierte Richtung gibt. Ferner kann durch eine entsprechende weitere Erhöhung des Kompressionsverhaltnisses die f r die kinetische Energie zur Verfügung stehende Energie erhöht werden.This results in the dimensioning of the free jet dispenser according to the invention in such a way that the ratio of the displaced volume of the actuating device and the dead volume, i.e. the sum of the dead volume of the metering chamber and the nozzle chamber is greater than the ratio of the pressure required for the formation of a free jet to the atmospheric pressure. This ensures that the maximum pressure occurring in the air bubble during the ejection process is greater than the free jet limit. The consequent application of the worst case assumption results in an excess potential energy, which gives the beam a kinetic energy and thus a defined direction. Furthermore, the energy available for the kinetic energy can be increased by a corresponding further increase in the compression ratio.
Wie oben ausgeführt wurde, wird der Antrieb vorteilhaft so ausgestaltet, daß das Volumen sehr rasch komprimiert werden kann, d.h., es werden vorteilhaft Mikroaktoren, insbesondere auf piezoelektrischer oder elektrostatischer Basis, verwendet. Derartige Aktoren musen überdies geeignet sein, die Volumenanderung abrupt zu stoppen, so daß die Druckflanke steil abfallt und der Strahl definiert abreißt. Ein solcher schneller Druckabfall kann realisiert werden, indem der Antrieb ausgelegt ist, um die Aktormembran aktiv zurückzuzie- hen. Alternativ können Dosierkammer, Aktormembran und Betätigungseinrichtung so ausgelegt sein, das die Aktormembran aus der Bewegung in der Ausstoßphase durch Auftreffen auf einen Anschlag abrupt abgebremst wird. Beispielsweise kann das Freistrahldosiermodul so ausgelegt sein, daß die Aktormembran auf die gegenüberliegende Kammerwand oder auf derselben gebildete Vorsprünge auftrifft und dadurch ihre Bewegung gestoppt wird. Würde die Kraft, mit der die Membran beaufschlagt wird, ohne Anschlag ausreichen, um dieselbe weiter auszulenken, erfolgt durch das abrupte Abbremsen ein abrupter Druckabfall und damit ein definierter Abriß an der Ausstoßöffnung .As has been explained above, the drive is advantageously designed in such a way that the volume can be compressed very quickly, ie microactuators, in particular those based on piezoelectric or electrostatic, are advantageously used. Such actuators must also be suitable for abruptly stopping the volume change, so that the pressure flank drops steeply and the jet breaks off in a defined manner. Such a rapid pressure drop can be achieved by the drive being designed to actively pull back the actuator membrane hen. Alternatively, the metering chamber, actuator membrane and actuating device can be designed in such a way that the actuator membrane is braked abruptly from movement in the ejection phase by hitting a stop. For example, the free jet metering module can be designed such that the actuator membrane strikes the opposite chamber wall or protrusions formed on the same, thereby stopping its movement. If the force with which the membrane is acted upon were sufficient without a stop to deflect it further, the abrupt braking would result in an abrupt drop in pressure and thus a defined break at the discharge opening.
Bei einer erfindungsgemäßen Freistrahldosiervorrichtung mit dem beschriebenen Kompressionsverhältnis kann der Strömungswiderstand der Zuleitung größer definiert werden als der Strömungswiderstand der Düsenkammer. Dadurch wird der überwiegende Teil des Volumens aus der Düse und nicht in das Reservoir zurückgedrückt. Allerdings hängt das Verhält- nis von den rheologischen Eigenschaften der Flüssigkeit ab. Vorzugsweise wird daher bei einem erfindungsgemäßen Freistrahldosiermodul zwischen einer Zuleitung und der Dosierkammer ein Ventilelement angeordnet, beim dem es sich beispielsweise um ein Diffusor-Düsen-Element (Diffusor- Nozzle) , ein passives Rückschlagventil oder ein aktives Ventil handeln kann. Unter Diffusor-Düsen-Element wird dabei ein sich verjüngendes Element verstanden, das eine bevorzugte Flußrichtung aufweist.In a free jet metering device according to the invention with the compression ratio described, the flow resistance of the feed line can be defined greater than the flow resistance of the nozzle chamber. This will force most of the volume out of the nozzle and not back into the reservoir. However, the ratio depends on the rheological properties of the liquid. In a free jet metering module according to the invention, therefore, a valve element is preferably arranged between a supply line and the metering chamber, which valve element can be, for example, a diffuser nozzle element (diffuser nozzle), a passive check valve or an active valve. Diffuser nozzle element is understood to mean a tapering element which has a preferred direction of flow.
Durch das Vorsehen eines Ventilelements zwischen Zuleitung und Dosierkammer ist sichergestellt, daß das gesamte zu verdrängende Volumen durch die Ventilwirkung ausgestoßen wird. Besitzt die Zuleitung einen zu großen Strömungswiderstand, besteht ein weiterer Nachteil darin, daß die Wiederbefül- lung sehr langsam abläuft, was Wiederholfrequenzen dra- stisch reduziert. Darüber hinaus darf der Unterdruck beim Wiederbefüllen bereits im Normalbetrieb, d.h. einer vollständigen Befüllung der Pumpkammer mit einem zu dosierenden Medium, den Kapillardruck des Meniskus am Ausstoßende der Düse nicht übersteigen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfassen daher auch zwischen Ausstoßöffnung der Düse und Dosierkammer ein Ventilelement, bei dem es sich wiederum beispielsweise um ein Diffusor- Düsenelement, ein passives Rückschlagelement oder ein aktives Ventil handeln kann.The provision of a valve element between the feed line and the metering chamber ensures that the entire volume to be displaced is expelled by the valve action. Another disadvantage of the feed line being that the flow resistance is too great is that the refilling takes place very slowly, which drastically reduces repetition frequencies. In addition, the negative pressure during refilling must not exceed the capillary pressure of the meniscus at the ejection end of the nozzle even during normal operation, ie a complete filling of the pump chamber with a medium to be dosed. Preferred exemplary embodiments of the present invention therefore also include a valve element between the discharge opening of the nozzle and the metering chamber, which in turn can be, for example, a diffuser nozzle element, a passive non-return element or an active valve.
Ein solches Ventil zwischen Dosierkammer und Düsenausstoß- Öffnung besitzt im Normalbetrieb, d.h. bei vollständiger Füllung der Dosierkammer mit Flüssigkeit, den Vorteil, daß sichergestellt ist, daß beim Wiederbefüllen der Dosierkam- mer ein wesentlich höherer Unterdruck auftreten darf als ohne dieses Ventil. Somit ist der Wiederbefüllvorgang nicht wie bisher auf eine maximale Wiederholfrequenz von ca. 10 Hz begrenzt. Die Ansaugzeit wird vielmehr unabhängig vom Kapillardruck. In einem Störfall, d.h. bei Anwesenheit ei- ner Gasblase in der Dosierkammer, stellt das Ventil sicher, daß das durch das Aktorelement verdrängte Volumen vollständig nur aus der Reservoirleitung zufließt, egal ob Luft oder Flüssigkeit. Falls dieses Ventil nicht vorgesehen wäre, würde sich die Dosierkammer zwar auch durch Kapillar- kräfte füllen, aber nur, falls die Dosierkammer gegenüber dem zu dosierenden Medium benetzende Eigenschaften hat. Dieser durch Kapillarkräfte verursachte Befüllvorgang ist langsam und von den rheologischen Eigenschaften des zu befüllenden Mediums abhängig.Such a valve between the metering chamber and nozzle ejection opening has the advantage in normal operation, ie when the metering chamber is completely filled with liquid, that it is ensured that when the metering chamber is refilled, a significantly higher negative pressure may occur than without this valve. As a result, the refilling process is not limited to a maximum repetition frequency of approx. 10 Hz. The suction time is rather independent of the capillary pressure. In the event of a malfunction, ie in the presence of a gas bubble in the metering chamber, the valve ensures that the volume displaced by the actuator element only flows in from the reservoir line, whether air or liquid. If this valve were not provided, the dosing chamber would also be filled by capillary forces, but only if the dosing chamber had wetting properties in relation to the medium to be dosed. This is the filling process caused by capillary forces slowly and depending on the rheological properties of the medium to be filled.
Im allgemeinsten Fall weist eine erfindungsgemäße Frei- strahldosiervorrichtung einen den Fig. 1 und 2 entsprechenden Aufbau auf (Zuleitung und Reservoir optional) , wobei die Dosierkammer 14 und die Düse 18 derart ausgebildet sind, daß das definierte Verhältnis ihrer Volumina zum Verdrängungsvolumen erfüllt ist.In the most general case, a free-jet metering device according to the invention has a structure corresponding to FIGS. 1 and 2 (supply line and reservoir optional), the metering chamber 14 and the nozzle 18 being designed in such a way that the defined ratio of their volumes to the displacement volume is fulfilled.
Eine schematische Querschnittansicht eines mit Rückschlagventilen versehenen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Freistrahldosiermoduls ist in Fig. 4 gezeigt. Das Freistrahldosiermodul ist dabei durch eine Mikromembranpum- pe 60 und einen damit verbundenen Düsenchip 62 gebildet. Der Aufbau der Mikromembranpumpe 60 kann dabei im wesentlichen dem Aufbau der in der DE 19719862 AI beschriebenen Mikromembranpumpe entsprechen, wobei jedoch zur Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Freistrahldosiermodul die darge- legte Bedingung bezüglich des Kompressionsverhaltnisses eingehalten werden muß. Darüberhinaus muß das Kompressionsverhältnis mindestens so groß sein, um zusätzlich den Druck zu erzeugen, der notwendig ist, um die Ventilklappe des passiven Rückschlagventils zwischen Pumpe und Düse zu öff- nen..A schematic cross-sectional view of an embodiment of a free-jet metering module according to the invention provided with check valves is shown in FIG. 4. The free jet metering module is formed by a micromembrane pump 60 and a nozzle chip 62 connected to it. The structure of the micromembrane pump 60 can essentially correspond to the structure of the micromembrane pump described in DE 19719862 A1, but the condition stated with regard to the compression ratio must be observed for use in the free-jet metering module according to the invention. In addition, the compression ratio must be at least as large in order to additionally generate the pressure that is necessary to open the valve flap of the passive check valve between the pump and the nozzle.
Wie in Fig. 4 gezeigt ist, umfaßt die Mikromembranpumpe 60 eine Betätigungseinrichtung 64, vorzugsweise in der Form eines Piezoaktors. Die Betätigungseinrichtung 64 ist an ei- ner in einem Membranchip 66 gebildeten Membran 68 angebracht. Die Mikromembranpumpe 60 umfaßt ferner einen ersten Ventilchip 70 und einen zweiten Ventilchip 72. In den Ventilchips sind jeweilige Strukturen definiert, die am Einlaß und am Auslaß der Mikromembranpumpe jeweilige passive Rückschlagventile 74 und 76 liefern. Der Aufbau und die Herstellung derartiger passiver Rückschlagventile kann herkömmlich sein und bedarf daher hierin keiner weiteren Erör- terung.As shown in FIG. 4, the micro diaphragm pump 60 comprises an actuating device 64, preferably in the form of a piezo actuator. The actuator 64 is attached to a membrane 68 formed in a membrane chip 66. The micromembrane pump 60 further comprises a first valve chip 70 and a second valve chip 72. In the valve chips, respective structures are defined, which are at the inlet and provide respective passive check valves 74 and 76 at the outlet of the micro diaphragm pump. The construction and manufacture of such passive check valves can be conventional and therefore requires no further discussion here.
Durch die Ventilchips 70 und 72 sowie den Membranchip 66 ist eine Pumpkammer 78 der Mikromembranpumpe definiert, die die erfindungsgemäße Dosierkammer darstellt. Der Düsenchip 62 ist derart an der Mikromembranpumpe, d.h. am zweiten Ventilchip 72 derselben angebracht, daß eine in demselben gebildete Düse 80 über das vorgesehene Ventilelement mit dem Auslaß der Mikromembranpumpe, der mit dem Rückschlagventil 76 versehen ist, verbunden ist. Ferner ist in dem Düsenchip 62 eine Durchlaßöffnung 82 vorgesehen, über die der mit dem Rückschlagventil 74 versehene Einlaß der Mikromembranpumpe 60 mit einem Zuleitungskanal 84 verbunden ist, der wiederum mit einem Reservoir 86 fluidmäßig verbunden ist .A pump chamber 78 of the micromembrane pump, which represents the metering chamber according to the invention, is defined by the valve chips 70 and 72 and the membrane chip 66. The nozzle chip 62 is in this way on the micromembrane pump, i.e. attached to the second valve chip 72 thereof, that a nozzle 80 formed therein is connected via the valve element provided to the outlet of the micromembrane pump, which is provided with the check valve 76. Furthermore, a passage opening 82 is provided in the nozzle chip 62, via which the inlet of the micromembrane pump 60, which is provided with the check valve 74, is connected to a feed channel 84, which in turn is fluidly connected to a reservoir 86.
Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das erfindungsgemäße Freistrahldosiermodul somit durch eine Mikromembranpumpe mit einem separaten Düsenchip gebildet, wobei dieses Freistrahldosiermodul ein Reservoir 86 mit einer entsprechenden Zuleitung 84 aufweist. Die Struktur, in der Reservoir and Zuleitung gebildet sind, kann getrennt von dem Freistrahldosiermodul, das aus Mikropumpe 60 und Dosierchip 62 besteht, erzeugt und dann mit demselben verbunden werden.In the exemplary embodiment shown in FIG. 4, the free jet metering module according to the invention is thus formed by a micromembrane pump with a separate nozzle chip, this free jet metering module having a reservoir 86 with a corresponding feed line 84. The structure in which the reservoir and feed line are formed can be produced separately from the free jet metering module, which consists of micropump 60 and metering chip 62, and can then be connected to the same.
Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel, das am Auslaßende der Mikropumpe ein Ventilelement aufweist, ist zu beachten, daß sich die Freistrahlgrenze um den Druck er- höht, der notwendig ist, um das am Auslaßende vorgesehene Ventil 76 zu öffnen. Dieser zum Öffnen der Ventilklappe notwendige Druck setzt sich zusammen aus den rücktreibenden Kräften der Ventilklappe und den Kräften, die aufgebracht werden müssen, um aufgrund eines Benetzungszustands der Ventilöffnung auftretende, einem Offenen der Ventilklappe entgegenwirkende Kräfte zu überwinden. Hier ist somit das Kompressionsverhältnis größer zu wählen als das Verhältnis aus Summe des Freistrahldrucks und des zum Öffnen des pas- siven Rückschlagventils notwendigen Drucks zu dem Atmosphärendruck. Um dann dem ausgestoßenen Freistrahl 90 ausreichend kinetische Energie zur Verfügung zu stellen, kann das Kompressionsverhältnis wieder entsprechend höher gewählt werden.In the embodiment shown in FIG. 4, which has a valve element at the outlet end of the micropump, it should be noted that the free jet limit is determined by the pressure. which is necessary to open the valve 76 provided at the outlet end. This pressure required to open the valve flap is made up of the restoring forces of the valve flap and the forces which have to be applied in order to overcome forces which occur due to a wetting state of the valve opening and which counteract an opening force of the valve flap. Here the compression ratio is to be chosen larger than the ratio of the sum of the free jet pressure and the pressure required to open the passive check valve to the atmospheric pressure. In order then to provide the expelled free jet 90 with sufficient kinetic energy, the compression ratio can again be chosen to be correspondingly higher.
Bezug nehmend auf die Figuren 5 bis 7 wird nachfolgend ein bevorzugtes Verfahren zum Herstellen eines Freistrahldosiermoduls näher beschrieben. Insbesondere kann ein solches Verfahren vorteilhaft verwendet werden, um ein Freistrahl- dosiermodul mit den oben beschriebenen Kompressionsverhältnissen zu erzeugen.A preferred method for producing a free-jet metering module is described in more detail below with reference to FIGS. 5 to 7. In particular, such a method can advantageously be used to generate a free jet metering module with the compression ratios described above.
Als Ausgangsstruktur wird, wie in Fig. 7a gezeigt ist, eine Dreischichtstruktur verwendet, die einen Siliziumwafer 92, eine Oxidschicht 94 und eine Siliziumschicht 96 aufweist. Vorteilhafterweise kann als solche Dreischichtstruktur ein sogenannter SOI-Wafer (SOI = Silicon on Insulator) oder BESOI-Wafer (BESOI = Bonded Etched Back Silicon On Insulator) verwendet werden. Alternativ können andere Schichtma- terialien verwendet werden, die eine Verarbeitung durch die nachfolgenden Schritte ermöglichen. In der Siliziumschicht 96 der Dicke D werden in einem nachfolgenden anisotropen Trockenätzen Fluidkanäle, Ventilklappen, eine Pumpkammer und ein Düsenkanal, vorzugsweise in einem Ätzschritt, erzeugt.As shown in FIG. 7 a, a three-layer structure is used as the starting structure, which has a silicon wafer 92, an oxide layer 94 and a silicon layer 96. A so-called SOI wafer (SOI = Silicon on Insulator) or BESOI wafer (BESOI = Bonded Etched Back Silicon On Insulator) can advantageously be used as such a three-layer structure. Alternatively, other layer materials can be used, which enable processing through the subsequent steps. Fluid channels, valve flaps, a pump chamber and a nozzle channel are produced in the silicon layer 96 of thickness D in a subsequent anisotropic dry etching, preferably in an etching step.
Eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Siliziumschicht 96 nach dem anisotropen Trockenätzen derselben ist in Fig. 5 gezeigt. Wie dort zu erkennen ist, werden durch das anisotrope Trockenätzen eine Dosierkammer 100, ein Dosierka mereinlaß 102 und ein Dosierkammerauslaß 104 erzeugt. Wie in Fig. 5 zu sehen ist, sind sowohl der Einlaß 102 als auch der Auslaß 104 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer Dichtlippe versehen. Ferner werden in der Siliziumschicht 96 eine Einlaßventilklappe 106 und eine Auslaßventilklappe 108 erzeugt. Die Ventilklappe 106 bildet zusammen mit dem Einlaß 102 ein Einlaßventil, während die Ventilklappe 108 zusammen mit dem Auslaß 104 ein Auslaßventil bildet. In der Siliziumschicht 96 wird ferner eine Düsenkammer 110 sowie eine Zuleitung 112 erzeugt. Die Zuleitung umfaßt einen verbreiterten Bereich 114, in dem Vorsprünge 116 stehenbleiben, so daß dieser Bereich als Fluidfilter wirkt. Neben den genannten Strukturen werden während des anisotropen Trockenätzens in der Siliziumschicht 96 ferner Sollbruchstellen 120, 122 vorgesehen, entlang derer später ein Brechen stattfinden kann, um zum einen die Zuleitung 112 freizulegen und zum anderen eine Ausstoßöffnung 124 der Düse, d.h. der Düsenkammer 110 zu realisieren.A schematic view of an exemplary embodiment of the silicon layer 96 after the anisotropic dry etching thereof is shown in FIG. 5. As can be seen there, a dosing chamber 100, a Dosierka mereinlaß 102 and a dosing chamber outlet 104 are generated by the anisotropic dry etching. As can be seen in Fig. 5, both the inlet 102 and the outlet 104 are provided with a sealing lip in the illustrated embodiment. Furthermore, an inlet valve flap 106 and an outlet valve flap 108 are produced in the silicon layer 96. The valve flap 106 forms an inlet valve together with the inlet 102, while the valve flap 108 forms an outlet valve together with the outlet 104. A nozzle chamber 110 and a feed line 112 are also produced in the silicon layer 96. The feed line comprises a widened area 114, in which projections 116 remain, so that this area acts as a fluid filter. In addition to the structures mentioned, predetermined breaking points 120, 122 are also provided in the silicon layer 96 during the anisotropic dry etching, along which breakage can later take place, on the one hand to expose the feed line 112 and on the other hand a discharge opening 124 of the nozzle, i.e. to realize the nozzle chamber 110.
Eine alternative Strukturierung der Siliziumschicht 96 während des anisotropen Trockenätzens (Fig. 7b) ist in Fig. 6 gezeigt. Strukturen bei dem dort gezeigten Ausführungsbeispiel, die im wesentlichen denen von Fig. 5 entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Bei dem in Fig. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel ist kein Fluidfilter in der Zuleitung 112 vorgesehen. Bei dem in Fig. 6 gezeigten Beispiel sind in der der Auslaßventilklappe 108 gegenü- berliegenden Wand der Düsenkammer 110 Vorsprünge 126 vorgesehen, die dazu dienen, ein Anhaften der Ventilklappe 108 im geöffneten Zustand an dieser Wand zu verhindern.An alternative structuring of the silicon layer 96 during the anisotropic dry etching (FIG. 7b) is shown in FIG. 6. Structures in the exemplary embodiment shown there, which essentially correspond to those of FIG. 5, are identified by the same reference numerals. In the exemplary embodiment shown in FIG. 6, no fluid filter is provided in the feed line 112. In the example shown in FIG. 6, projections 126 are provided in the wall of the nozzle chamber 110 opposite the outlet valve flap 108, which serve to prevent the valve flap 108 from adhering to this wall in the open state.
Nach dem Erzeugen der Strukturen in der Siliziumschicht 96 erfolgt ein selektives Freiätzen der Ventilklappen, vorzugsweise ein HF-Ätzen, so daß die Oxidschicht im Bereich unterhalb der Ventilklappen 106 und 108 (Fig. 5) entfernt wird, so daß diese in der Ebene der Siliziumschicht 96 lateral beweglich sind. Die Breite der Ventilklappen 106 und 108 ist ausgelegt, um ein Unterätzen derselben durch HF- Ätzen der Oxidschicht 94 zu ermöglichen. Typische geeignete Breiten der Ventilklappen können dabei in einem Bereich von 5 bis 30 μm liegen.After the structures in the silicon layer 96 have been produced, the valve flaps are selectively etched free, preferably HF etching, so that the oxide layer in the region below the valve flaps 106 and 108 (FIG. 5) is removed so that the latter is in the plane of the silicon layer 96 are laterally movable. The width of the valve flaps 106 and 108 is designed to enable the etching of the oxide layer 94 by HF etching. Typical suitable widths of the valve flaps can be in a range from 5 to 30 μm.
Die sich ergebende Struktur ist in Fig. 7c dargestellt. Ferner ist in Fig. 7c eine Siliziumschicht 130 gezeigt, in der gegenüberliegend den Ventilklappen 106 und 108 Ausnehmungen bzw. Vertiefungen 132 durch ein anisotropes Trockenätzen gebildet sind, um ein Festbonden der Ventilklappen beim nachfolgenden Verbinden der Siliziumschicht 130 mit der Siliziumschicht 96 zu verhindern, so daß die Ventilklappen beweglich bleiben. Die Ausnehmungen können beispielsweise eine Tiefe von 1 bis 3 μm aufweisen.The resulting structure is shown in Fig. 7c. 7c, a silicon layer 130 is shown, in which recesses or depressions 132 are formed opposite the valve flaps 106 and 108 by anisotropic dry etching, in order to prevent the valve flaps from being firmly bonded when the silicon layer 130 is subsequently connected to the silicon layer 96, so that the valve flaps remain movable. The recesses can have a depth of 1 to 3 μm, for example.
An dieser Stelle sein angemerkt, daß sich durch das Unterätzen der Ventilklappen und durch das Erzeugen der Vertiefungen 132 die jeweiligen Fluiddurchlässe 102 und 104 durch die Ventilklappen 106 und 108 nicht vollständig verschlos- sen werden können. Aufgrund der Tiefe der nicht verschließbaren Abschnitte in einer Größenordnung von 1 bis 3 μm weisen diese jedoch einen so hohen Flußwiderstand auf, daß ein Fluß durch dieselben vernachlässigbar ist, so daß die je- weiligen Fluiddurchlässe als durch die Ventilklappen im wesentlichen verschließbar angesehen werden können.At this point it should be noted that the respective fluid passages 102 and 104 through the valve flaps 106 and 108 are not completely closed due to the undercut of the valve flaps and the creation of the recesses 132. can be sen. Due to the depth of the non-closable sections of the order of magnitude of 1 to 3 μm, however, they have such a high flow resistance that flow through them is negligible, so that the respective fluid passages can be regarded as essentially closable by the valve flaps.
Das Verbinden der Schichten 96 und 130 erfolgt vorzugsweise durch ein übliches Waferbonden unter Ausnutzung von OHGruppen. Zu diesem Zweck wird unterstützend vor dem Verbinden auf zumindest einer der Schichten eine dünne Oxidschicht erzeugt, die jedoch keine Fügeschicht im klassischen Sinn darstellt, so daß das Waferbonden als füge- schichtlos bezeichnet werden kann.The layers 96 and 130 are preferably connected by conventional wafer bonding using OH groups. For this purpose, a thin oxide layer is produced to support at least one of the layers, but this is not a joining layer in the classic sense, so that wafer bonding can be described as having no joining layer.
Die sich ergebende Struktur nach diesem Schritt des Verbin- dens ist in Fig. 7d gezeigt, wobei zu erkennen ist, daß durch den Schritt des Verbindens die Dosierkammer 100 gebildet wird. An dieser Stelle sei ausgeführt, daß die Figu- ren 7a bis 7f rein schematisch sind, so daß die erzeugten Ventilstrukturen lediglich als unterätzte Abschnitte 134 und 136 in denselben dargestellt sind.The resulting structure after this step of connecting is shown in FIG. 7d, wherein it can be seen that the metering chamber 100 is formed by the step of connecting. At this point it should be stated that Figures 7a to 7f are purely schematic, so that the valve structures produced are only shown as undercut sections 134 and 136 in them.
Nach dem fügeschichtlosen Verbinden der beiden Wafer wird auf die Oberseite des Wafers 92 eine Passivierungsschicht 138 aufgebracht, woraufhin ein Dünnen der Siliziumschicht 130 von der freiliegenden Rückseite derselben her erfolgt, um die Siliziumaktormembran 140 für das Freistrahldosiermodul zu erzeugen, wie in Fig. 7e dargestellt ist.After the two wafers have been joined without a layer, a passivation layer 138 is applied to the upper side of the wafer 92, whereupon the silicon layer 130 is thinned from the exposed rear side thereof in order to produce the silicon actuator membrane 140 for the free-jet metering module, as shown in FIG. 7e ,
Die Schicht 130 kann beispielsweise einer ganzflächigen KOH-Dünnung oder einem ganzflächigen Dünnen durch Schleifen unterworfen werden. Alternativ kann ein strukturiertes Dün- nen lediglich der Bereiche der Schicht 130 erfolgen, die als Aktormembran dienen sollen. Alternativ zum prozeßtechnischen Behandeln der Schicht 130 zum Erzeugen der Membran nach dem Aufbringen derselben kann die Schicht 130 bereits mit einer Dicke aufgebracht werden, die, zumindest in den Aktormembranbereichen, der gewünschten Membrandicke entspricht .The layer 130 can, for example, be subjected to a full-area KOH thinning or a whole-area thinning by grinding. Alternatively, a structured fertilizer only the areas of the layer 130 that are to serve as an actuator membrane. As an alternative to the process-related treatment of the layer 130 to produce the membrane after the application thereof, the layer 130 can already be applied with a thickness which, at least in the actuator membrane regions, corresponds to the desired membrane thickness.
Nachfolgend wird eine Antriebseinrichtung auf die Siliziu- maktormembran 140 aufgebracht. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird dazu zunächst eine Metallisierungsschicht 142 auf die freiliegende Oberfläche der Schicht 130 aufgebracht und nachfolgend eine Piezokeramik 144 auf die Metallisierungsschicht 142 aufgebracht, vorzugsweise ge- klebt.A drive device is subsequently applied to the silicon actuator membrane 140. In the exemplary embodiment shown, a metallization layer 142 is first applied to the exposed surface of the layer 130 and subsequently a piezoceramic 144 is applied, preferably glued, to the metallization layer 142.
Alternativ zum Kleben der Piezokeramik kann ein Piezostapel (Piezostack) derart mit der Aktormembran in Berührung gebracht werden, daß durch denselben die Aktormembran betä- tigt werden kann. Die Verwendung eines Piezostapels ermöglicht größere Kräfte und größere Hübe, ist jedoch aufwendiger als eine aufgeklebte Piezokeramik. Somit eignet sich die Verwendung eines Piezostapels insbesondere für einen modularen Aufbau, bei dem die Betätigungseinrichtung nicht dauerhaft mit dem Rest des Freistrahldosiermoduls verbunden und somit wiederverwendbar ist.As an alternative to gluing the piezoceramic, a piezostack (piezostack) can be brought into contact with the actuator membrane in such a way that the actuator membrane can be actuated by the same. The use of a piezo stack enables greater forces and larger strokes, but is more complex than a glued-on piezo ceramic. The use of a piezo stack is thus particularly suitable for a modular construction in which the actuating device is not permanently connected to the rest of the free jet metering module and is therefore reusable.
Abschließend oder vor dem Anbringen der Betätigungseinrichtung werden durch Brechen entlang der Sollbruchstellen 120 und 122 die Ausstoßöffnung der Düsenkammer 110 und eine Einlaßöffnung der Zuleitung 112 geöffnet. Ein Brechen ist vorteilhaft dahingehend, daß dasselbe trocken durchgeführt wird. Alternativ könnten die obigen Öffnungen durch Sägen der Schichtstruktur erzeugt werden, wobei dabei die Gefahr besteht, daß die Öffnungen durch verwendetes Sägewasser und Sägestaub kontaminiert werden. Ein weiteres Verfahren zum Vereinzeln bzw. zum Erzeugen der Öffnungen besteht darin, ein Laserschneiden durchzuführen, was ebenfalls ein trockenes Verfahren ist und ferner definierte Düsenflächen liefert. Darüberhinaus ist es nicht notwendig, die Öffnungen lateral zu erzeugen. Vielmehr könnten die Zuleitungseinlaßöffnung und/oder die Ausstoßöffnung durch die Schichten 130 und 142 nach unten und/oder durch die Schichten 92 und 138 nach oben gebildet sein.Finally or before attaching the actuating device, the discharge opening of the nozzle chamber 110 and an inlet opening of the feed line 112 are opened by breaking along the predetermined breaking points 120 and 122. Breaking is advantageous in that it is done dry. Alternatively, the above openings could be sawn the layer structure are generated, with the risk that the openings are contaminated by saw water and saw dust used. Another method for separating or creating the openings is to carry out laser cutting, which is also a dry method and also provides defined nozzle areas. Furthermore, it is not necessary to create the openings laterally. Rather, the inlet inlet opening and / or the discharge opening could be formed by layers 130 and 142 downwards and / or by layers 92 and 138 upwards.
Das oben beschriebene Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung eines Freistrahldosiermoduls, dessen Kom- pressionsverhältnis die oben beschriebene Bedingung erfüllt. Dies ist insbesondere vorteilhaft möglich, wenn für die angesprochenen Ätzschritte ein anisotropes Trockenätzen statt einer KOH-Strukturierung verwendet wird. Das anisotrope Trockenätzen ermöglicht ein geringes Totvolumen in der Dosierkammer unter Verwendung lediglich eines einzigen Prozeßschrittes. Ferner sind beliebige Kanal- und Kammergeometrien realisierbar. Darüber hinaus sind lediglich zwei Masken erforderlich, um bei Verwendung eines anisotropen Trockenätzens durch das beschriebene Verfahren das Frei- strahldosiermodul zu erzeugen. Wie insbesondere Bezug nehmend auf Fig. 5 beschrieben wurde, ermöglicht das anisotrope Trockenätzen ferner die Integration eines Fluidfilters in der Zuleitung. Darüber hinaus ist dadurch ein geringes Totvolumen im Ventilbereich möglich.The method described above is particularly suitable for producing a free jet metering module, the compression ratio of which fulfills the condition described above. This is particularly advantageously possible if anisotropic dry etching is used instead of a KOH structuring for the etching steps mentioned. The anisotropic dry etching enables a small dead volume in the dosing chamber using only a single process step. Any channel and chamber geometries can also be implemented. In addition, only two masks are required in order to generate the free jet metering module when using an anisotropic dry etching by the described method. As was described in particular with reference to FIG. 5, the anisotropic dry etching further enables the integration of a fluid filter in the feed line. In addition, this enables a small dead volume in the valve area.
Neben dem oben beschriebenen fügeschichtlosen Verbinden der beiden Wafer können dieselben auch unter Verwendung einer Verbindungsschicht miteinander verbunden werden. In einem solchen Fall weist die Verbindungsschicht Ausnehmungen im Bereich der Ventilklappenstrukturen auf, so daß diese Ventilklappen wiederum in der Ebene der Schicht, in der dieselben gebildet sind, beweglich bleiben.In addition to the connectionless connection of the two wafers described above, they can also be connected to one another using a connection layer. In one In such a case, the connecting layer has recesses in the region of the valve flap structures, so that these valve flaps in turn remain movable in the plane of the layer in which they are formed.
Die vorliegende Erfindung schafft somit ein Verfahren zum Herstellen eines Fluid oduls, das eine Schicht aufweist, in der eine Fluidkammer mit Einlaß und/oder Auslaß strukturiert ist, und in der ferner eine bzw. mehrere Ventilklap- pen für Einlaß und/oder Auslaß vorgesehen sind, die in der Ebene der Schicht beweglich sind, um den Einlaß und/oder Auslaß zu verschließen. Das erfindungsgemäße Verfahren weicht somit von bekannten Verfahren ab, bei denen Ventilklappenstrukturen jeweils senkrecht zu der Ebene der Schicht, in der dieselben gebildet sind, beweglich waren. Die erfindungsgemäße Erzeugung und Anordnung von Ventilklappen ermöglicht vorteilhaft die Herstellung von Frei- strahldosiermodulen, die ein hohes Kompressionsverhältnis aufweisen, mit sehr wenigen Masken-Prozessen. Neben den be- schriebenen Verfahren können auch andere Technologien, beispielsweise die Spritzgusstechnik oder feinwerktechnische Spanverfahren, verwendet werden, um das erfindungsgemäße Freistrahldosiermodul zu erzeugen.The present invention thus provides a method for producing a fluid module which has a layer in which a fluid chamber with an inlet and / or outlet is structured, and in which one or more valve flaps are also provided for the inlet and / or outlet which are movable in the plane of the layer to close the inlet and / or outlet. The method according to the invention thus deviates from known methods in which valve flap structures were each movable perpendicular to the plane of the layer in which they are formed. The production and arrangement of valve flaps according to the invention advantageously enables the production of free jet metering modules which have a high compression ratio with very few mask processes. In addition to the methods described, other technologies, for example injection molding technology or precision machining processes, can also be used to produce the free jet metering module according to the invention.
Wie oben erläutert wurde, erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Freistrahldosiermodul das Dosieren auf der Grundlage schneller zeitabhängiger Vorgänge in der Dosierkammer und der Düsenkammer. Bei derartigen Vorgängen hängt der reale, an der Ausstoßöffnung der Düse zur Verfügung stehende Druck von der Reibung und der Trägheit des zu dosierenden Mediums in Düsenkammer und Dosierkammer ab. Genauer gesagt erfolgt ein Druckabfall durch zwischen dem Punkt, an dem die Aktormembran den Druck erzeugt, und der Ausstoßöffnung, wobei der an der Ausstoßöffnung zur Verfügung stehende Druck um diesen Druckabfall geringer ist als der durch die Aktormembran erzeugte Druck. Dieser Druckabfall ist bei der Einstellung des Kompressionsverhaltnisses zu berücksichtigen. Vorteilhaft wird daher das erfindungsgemäße Freistrahldosiermodul so ausgelegt, daß dieser Drucka fall möglichst gering und daher vernachlässigbar ist.As explained above, with the free jet metering module according to the invention, metering takes place on the basis of fast, time-dependent processes in the metering chamber and the nozzle chamber. In such processes, the real pressure available at the discharge opening of the nozzle depends on the friction and the inertia of the medium to be dosed in the nozzle chamber and dosing chamber. More specifically, there is a pressure drop between the point at which the actuator membrane generates the pressure and the discharge opening, where the pressure available at the discharge opening is lower by this pressure drop than the pressure generated by the actuator membrane. This pressure drop must be taken into account when setting the compression ratio. The free jet metering module according to the invention is therefore advantageously designed so that this pressure drop is as low as possible and is therefore negligible.
Die oben angesprochene Reibung hängt von der dritten Potenz der Dosierkammerhöhe ab. Um Reibungsverluste möglichst gering zu machen, wäre es daher vorteilhaft, die Dosierkammer mit einer möglichst großen Höhe zu versehen. Um dann jedoch das notwendige Kompressionsverhältnis beibezahlten zu können, muß sichergestellt werden, daß die Aktormembran einen großen Teil des Dosierkammervolumens oder das gesamte Dosierkammervolumen verdrängen kann. Zu diesem Zweck ist der Antrieb aus Membran und Betätigungseinrichtung entsprechend auszulegen. Ferner kann die Form der Dosierkammer derart sein, daß dieselbe an die Form der Aktormembran im ausge- lenkten Zustand angepaßt ist.The friction mentioned above depends on the third power of the dosing chamber height. In order to minimize friction losses, it would therefore be advantageous to provide the metering chamber with the greatest possible height. However, in order to be able to pay for the necessary compression ratio, it must be ensured that the actuator membrane can displace a large part of the metering chamber volume or the entire metering chamber volume. For this purpose, the actuator consisting of the membrane and the actuating device must be designed accordingly. Furthermore, the shape of the metering chamber can be such that it is adapted to the shape of the actuator membrane in the deflected state.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird daher beispielsweise die Dosierkammerhöhe des bezugnehmend auf die Figuren 5 bis 7 beschriebenen Frei- strahldosiermoduls eingestellt, um größer als 10 μm, vorzugsweise größer als 20 μm oder 30 μm, zu sein. Abhängig von der Höhe der Dosierkammer ist der Antrieb zu wählen, um das notwendige Kompressionsverhältnis noch erzeugen zu können, so daß die Dosierkammerhöhe nicht beliebig groß sein kann. Beispielsweise kann bevorzugt ist, die Höhe, d.h. den Abstand zwischen Aktormembran und gegenüberliegender Kammerwand im unbetätigten Zustand, der Dosierkammer unter 50 μm zu wählen. Bei dem bezugnehmend auf die Figuren 5 bis 7 beschriebenen Verfahren können somit vorzugsweise die Dicken der Schichten 96 und 94 derart gewählt werden, daß die Dosierkammer eine Höhe entsprechend den obigen Ausführungen aufweist. Abhängig von der Dicke der Oxidschicht 94 kann daher vorzugsweise eine Siliziumschicht 96 einer Dicke von mehr als 10 μm und noch vorzugsweiser eine Siliziumschicht 96 mit einer Dicke von mehr als 10 μm und weniger als 50 μm bei dem beschriebenen Verfahren verwendet werden.In preferred exemplary embodiments of the present invention, the metering chamber height of the free jet metering module described with reference to FIGS. 5 to 7 is therefore set, for example, to be greater than 10 μm, preferably greater than 20 μm or 30 μm. Depending on the height of the metering chamber, the drive must be selected so that the necessary compression ratio can still be generated, so that the metering chamber height cannot be as large as desired. For example, it may be preferred to choose the height, ie the distance between the actuator membrane and the opposite chamber wall in the unactuated state, of the metering chamber below 50 μm. In the method described with reference to FIGS. 5 to 7, the thicknesses of the layers 96 and 94 can thus preferably be chosen such that the metering chamber has a height corresponding to the above statements. Depending on the thickness of the oxide layer 94, a silicon layer 96 with a thickness of more than 10 μm and more preferably a silicon layer 96 with a thickness of more than 10 μm and less than 50 μm can therefore be used in the described method.
Eine Dosierkammerhöhe wie sie oben beschrieben ist, führt jedoch zu einem erhöhten ausgestossenen Dosiervolumen. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel wird der oben be- schriebenen Druckabfall gering gehalten, indem die Düse mit der Ausstoßöffnung derselben im wesentlichen mittig der Aktormembran gegenüberliegend angeordnet wird. Beispielsweise könnte bei dem in Fig. 4 gezeigten Aufbau die Düse mittig unterhalb der Aktormembran angeordnet sein. Eine solche An- Ordnung ist jedoch auch ohne Ventil zwischen Dosierkammer und Düse, d.h. Ausstoßöffnung derselben, möglich. Mit einem solchen Aufbau sind die oben beschriebenen Reibungsverluste und Trägheitsverluste im wesentlichen minimiert, wobei der Ausstoß kleiner Dosiervolumina möglich ist.A dosing chamber height as described above, however, leads to an increased ejected dosing volume. In an alternative exemplary embodiment, the pressure drop described above is kept low by arranging the nozzle with its ejection opening essentially in the center opposite the actuator membrane. For example, in the construction shown in FIG. 4, the nozzle could be arranged centrally below the actuator membrane. However, such an arrangement is also possible without a valve between the metering chamber and nozzle, i.e. Ejection opening of the same possible. With such a construction, the friction losses and inertia losses described above are essentially minimized, and the discharge of small metering volumes is possible.
Nachdem, wie die obige Erläuterung zeigt, das erfindungsgemäße Freistrahldosiermodul ausgelegt ist, um selbst bei vollständigem Befüllen desselben mit einem kompressiblen gasförmigen Medium betriebsfähig zu bleiben, ist das erfin- dungsgemäße Freistrahldosiermodul auch für die Förderung bzw. Dosierung von gasförmigen Medien geeignet. Oben wurde jeweils ein Freistrahldosiermodul mit einer einzelnen Dosierkammer und einer einzelnen Düsenkammer beschrieben. Ein erfindungsgemäßes Freistrahldosiermodul kann darüber hinaus eine Mehrzahl von Dosierkammern und zugeord- neten Düsen aufweisen, die in einem eindimensionalen oder zweidimensionalen Array angeordnet sind, so daß die Düsen eine vorbestimmte Positionsbeziehung zueinander aufweisen. Ein solches Modul mit einem Array einzelner Ausstoßvorrichtungen kann ohne weiteres erzeugt werden, indem eine Viel- zahl von Ausstoßvorrichtungen auf Waferebene gleichzeitig erzeugt werden. Beispielsweise können mit dem bezugnehmend auf die Fig. 5 bis 7 beschriebenen Verfahren ein Mehrzahl von in einer Reihe angeordneter Ausstoßvorrichtungen erzeugt werden, deren Einlaßöffnungen und Ausstoßöffnungen dann gemeinsam geöffnet werden. Alternativ können zweidi- mensionale Arrays erzeugt werden, wobei dann Einlaßöffnungen und Ausstoßöffnungen vorzugsweise nach oben und/oder unten herausgeführt sind. After, as the above explanation shows, the free jet metering module according to the invention is designed to remain operable even when it is completely filled with a compressible gaseous medium, the free jet metering module according to the invention is also suitable for conveying or metering gaseous media. A free jet metering module with a single metering chamber and a single nozzle chamber was described above. A free jet metering module according to the invention can moreover have a plurality of metering chambers and associated nozzles which are arranged in a one-dimensional or two-dimensional array, so that the nozzles have a predetermined positional relationship to one another. Such a module with an array of individual ejection devices can easily be produced by producing a plurality of ejection devices at the wafer level at the same time. For example, the method described with reference to FIGS. 5 to 7 can be used to produce a plurality of ejection devices arranged in a row, the inlet openings and ejection openings of which are then opened together. Alternatively, two-dimensional arrays can be produced, in which case inlet openings and discharge openings are preferably led out upwards and / or downwards.

Claims

Patentansprücheclaims
1. Freistrahldosiermodul mit folgenden Merkmalen:1. Free jet metering module with the following features:
einer Dosierkammer (78; 100) mit einem Dosierkammervolumen;a dosing chamber (78; 100) with a dosing chamber volume;
einer an die Dosierkammer (78; 100) angrenzenden Betätigungseinrichtung (64, 68; 130, 142, 144), die bei Betätigung das Dosierkammervolumen um ein Verdrängungsvolumen reduziert;an actuating device (64, 68; 130, 142, 144) adjoining the metering chamber (78; 100), which reduces the metering chamber volume by a displacement volume when actuated;
einer mit der Dosierkammer (78; 100) fluidmäßig verbundenen Ausstoßöffnung (80; 124), wobei durch einen zwischen der Dosierkammer und der Ausstoßöffnung existierenden Fluidbereich ein Düsenvolumen definiert ist;an ejection opening (80; 124) fluidly connected to the dosing chamber (78; 100), a nozzle volume being defined by a fluid region existing between the dosing chamber and the ejection opening;
wobei das Verhältnis aus Verdrängungsvolumen und der Summe aus Dosierkammervolumen und Düsenvolumen größer ist als das Verhältnis eines Freistrahldrucks zum Atmosphärendruck, um an der Ausstoßöffnung einen Freistrahl zu erzeugen, selbst wenn ein das Dosierkammervolumen und das Düsenvolumen im wesentlichen ausfül- lendes kompressibles gasförmiges Medium vorliegen würde, wobei der Freistrahldruck der in der Dosierkammer notwendige Druck ist, der bei gegebener Ausstoßöffnungsfläche gerade genügt, um die Oberflachenenergie zu erzeugen, um an der Ausstoßöffnung einen Freistrahl zu bewirken.the ratio of the displacement volume and the sum of the metering chamber volume and the nozzle volume being greater than the ratio of a free jet pressure to the atmospheric pressure in order to generate a free jet at the discharge opening, even if a compressible gaseous medium substantially filling the metering chamber volume and the nozzle volume were present, the free jet pressure being the pressure required in the metering chamber which is just sufficient for a given discharge opening area to generate the surface energy in order to cause a free jet at the discharge opening.
2. Freistrahldosiermodul nach Anspruch 1, das ferner eine Zuleitung (84; 112) zum Zuführen eines zu dosie- renden Mediums in die Dosierkammer (78; 100) aufweist .2. Free jet metering module according to claim 1, further comprising a feed line (84; 112) for supplying a metered renden medium in the metering chamber (78; 100).
3. Freistrahldosiermodul nach Anspruch 2, das ferner ein Ventilelement (74; 106) aufweist, um während einer3. Free jet metering module according to claim 2, further comprising a valve element (74; 106) to during a
Ausstoßphase einen Fluidfluß durch die Zuleitung (84; 112) zu reduzieren oder zu verhindern.Ejection phase to reduce or prevent fluid flow through the supply line (84; 112).
4. Freistrahldosiermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das ferner ein Ventilelement (76; 108) zwischen4. free jet metering module according to one of claims 1 to 3, further comprising a valve element (76; 108) between
Ausstoßöffnung (124) und Dosierkammer (78; 100) aufweist, um während einer Wiederbefüllungsphase einen Fluidfluß zwischen Ausstoßöffnung und Dosierkammer zu reduzieren oder zu verhindern.Ejection opening (124) and dosing chamber (78; 100) in order to reduce or prevent a fluid flow between the ejection opening and dosing chamber during a refilling phase.
Freistrahldosiermodul nach Anspruch 3 oder 4, bei dem das jeweilige Ventilelement (74, 76; 106, 108) ein passives Rückschlagventil, ein aktives Ventil oder ein Diffusor-Düsenelement ist.Free jet metering module according to claim 3 or 4, wherein the respective valve element (74, 76; 106, 108) is a passive check valve, an active valve or a diffuser nozzle element.
6. Freistrahldosiermodul nach Anspruch 4, bei dem das Ventilelement (76; 108) zwischen Ausstoßöffnung (124) und Dosierkammer (100) ein passives Rückschlagventil ist, und bei dem das Verhältnis aus Verdrängungsvolu- men und der Summe aus Dosierkammervolumen und Düsenvolumen größer ist als das Verhältnis aus Summe des Freistrahldrucks und zum Öffnen des passiven Rückschlagventils notwendigen Drucks zum Atmosphärendruck.6. Free jet metering module according to claim 4, wherein the valve element (76; 108) between the discharge opening (124) and the metering chamber (100) is a passive check valve, and in which the ratio of displacement volume and the sum of metering chamber volume and nozzle volume is greater than the ratio of the sum of the free jet pressure and the pressure required to open the passive check valve to the atmospheric pressure.
Freistrahldosiermodul nach Anspruch 2, das ferner ein Fluidreservoir (86) aufweist, das über die Zuleitung (84) mit der Dosierkammer (78) fluidmäßig verbunden ist.The free jet metering module of claim 2, further comprising a fluid reservoir (86) over the feed line (84) is fluidly connected to the metering chamber (78).
8. Freistrahldosiermodul nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem die Dosierkammer (78; 100) zumindest teilweise durch eine Ausnehmung in einem Substrat (96) definiert ist, und bei dem das oder die Ventilelemente in der Ebene des Substrats bewegliche, in das Substrat strukturierte Ventilklappen (106, 108) auf- weist.8. Free jet metering module according to one of claims 3 to 6, in which the metering chamber (78; 100) is at least partially defined by a recess in a substrate (96), and in which the valve element or elements movable in the plane of the substrate into which Has structured valve flaps (106, 108).
9. Freistrahldosiermodul nach einem der Ansprüche 1 bis9. free jet metering module according to one of claims 1 to
8, bei dem die Dosierkammer und die Betätigungseinrichtung durch eine Mikromembranpumpe (60) gebildet sind, die mit einem Düsenchip (62), in dem eine Düse (80) mit einer Ausstoßöffnung gebildet ist, derart verbunden ist, daß die Ausstoßöffnung mit einem Auslaß der Mikromembranpumpe fluidmäßig verbindbar ist.8, in which the metering chamber and the actuating device are formed by a micromembrane pump (60) which is connected to a nozzle chip (62) in which a nozzle (80) is formed with an ejection opening in such a way that the ejection opening is connected to an outlet of the Micro diaphragm pump is fluidly connectable.
10. Freistrahldosiermodul nach einem der Ansprüche 1 bis10. Free jet metering module according to one of claims 1 to
9, bei dem die Ausstoßöffnung im wesentlichen der Aktormembran mittig gegenüberliegend angeordnet ist.9, in which the discharge opening is arranged essentially opposite the actuator membrane.
11. Freistrahldosiermodularray mit einer Mehrzahl von Freistrahldosiermodulen nach einem der Ansprüche 1 bis 10, deren Ausstoßöffnungen in einem eindimensionalen oder zweidimensionalen Array angeordnet sind.11. Free jet metering modular array with a plurality of free jet metering modules according to one of claims 1 to 10, the discharge openings of which are arranged in a one-dimensional or two-dimensional array.
12. Verfahren zum Herstellen eines Freistrahldosiermo- duls, mit folgenden Schritten:12. A method for producing a free jet metering module, with the following steps:
Bereitstellen eines Schichtverbundes aus einer ersten Schicht(94) und einer zweiten Schicht (96); Ätzen zumindest einer Dosierkammerstruktur (100) und einer mit derselben fluidmäßig verbundenen Düsenstruktur (110) bis zur ersten Schicht (94) reichend in der zweiten Schicht (96) ;Providing a layer composite of a first layer (94) and a second layer (96); Etching at least one dosing chamber structure (100) and a nozzle structure (110) fluidly connected to the same, reaching as far as the first layer (94) in the second layer (96);
Verbinden einer dritten Schicht (130) mit der zweiten Schicht (96) zur Erzeugung einer Dosierkammer und einer Düsenkammer,Connecting a third layer (130) to the second layer (96) to produce a metering chamber and a nozzle chamber,
wobei die dritte Schicht eine Dicke aufweist, um eine an die Dosierkammer angrenzende Aktormembran (140) zu definieren, oder wobei die dritte Schicht (130) nach dem Aufbringen derselben prozeßtechnisch behandelt wird, um eine and die Dosierkammer angrenzende Aktormembran (140) zu erzeugen.wherein the third layer has a thickness to define an actuator membrane (140) adjacent to the dosing chamber, or wherein the third layer (130) is processed after application thereof to produce an actuator membrane (140) adjacent to the dosing chamber.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Schritt des Ätzens einen Schritt eines anisotropen Trockenätzens der zweiten Schicht umfaßt.13. The method of claim 12, wherein the step of etching comprises a step of dry anisotropic etching of the second layer.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem beim Schritt des Ätzens der zweiten Schicht (96) ferner eine Zuleitungsstruktur (112) für die Dosierkammer in der zweiten Schicht erzeugt wird.14. The method as claimed in claim 12 or 13, in which, in the step of etching the second layer (96), a supply structure (112) for the metering chamber is also produced in the second layer.
15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem beim Schritt des Ätzens der zweiten Schicht (96) ferner eine Filterstruktur (114, 116) in der Zuleitungsstruktur (112) erzeugt wird.15. The method as claimed in claim 14, in which, in the step of etching the second layer (96), a filter structure (114, 116) is also produced in the feed structure (112).
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, das ferner einen Schritt des Öffnens einer Ausstoßöff ung für die Du- senkammer und/oder einer Einlaßöffnung für die Zuleitung durch Brechen der Schichtstruktur an mindestens einer Sollbruchstelle (122) , durch Sägen der Schicht- struktrur oder durch Laserschneiden der Schichtstruktur aufweist.16. The method of claim 14 or 15, further comprising a step of opening an exhaust port for the du- lower chamber and / or an inlet opening for the supply line by breaking the layer structure at at least one predetermined breaking point (122), by sawing the layer structure or by laser cutting the layer structure.
17. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, das ferner einen Schritt des Öffnens einer Ausstoßöffnung für die Düsenkammer und/oder einer Einlaßöffnung für die Zulei- tung durch Erzeugen von Öffnungen durch die erste Schicht und/oder die dritte Schicht aufweist.17. The method of claim 14 or 15, further comprising a step of opening a discharge opening for the nozzle chamber and / or an inlet opening for the feed line by creating openings through the first layer and / or the third layer.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, bei dem das Verbinden von zweiter und dritter Schicht (96, 130) durch ein Waferbonden erfolgt.18. The method according to any one of claims 12 to 17, wherein the connection of the second and third layers (96, 130) is carried out by a wafer bonding.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, bei dem der bereitgestellte Schichtverbund ferner eine vierte Schicht (92) aufweist, die mit der ersten Schicht (94) verbunden ist.19. The method according to any one of claims 12 to 18, wherein the layer composite provided further comprises a fourth layer (92) which is connected to the first layer (94).
20. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem der Schichtverbund aus erster, zweiter und vierter Schicht (92, 94, 96) ein SOI-Wafer oder ein BESOI-Wafer ist.20. The method according to claim 19, wherein the layer composite of first, second and fourth layer (92, 94, 96) is an SOI wafer or a BESOI wafer.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, bei dem beim Schritt des Ätzens der zweiten Schicht (96) ferner zumindest eine Ventilklappenstruktur (106, 108) und ein durch dieselbe im wesentlichen verschließba- rer Fluiddurchlaß (102, 104) in der zweiten Schicht (96) erzeugt wird, und das ferner folgende Schritte aufweist : Ätzen der ersten Schicht (94) im Bereich der Ventilklappenstruktur (106, 108) zum Erzeugen einer in der Ebene der zweiten Schicht beweglichen Ventilklappenstruktur ; und21. The method according to any one of claims 12 to 20, wherein in the step of etching the second layer (96) furthermore at least one valve flap structure (106, 108) and a fluid passage (102, 104) essentially closable by the same in the second Layer (96) is generated, and further comprising the following steps: Etching the first layer (94) in the region of the valve flap structure (106, 108) to produce a valve flap structure movable in the plane of the second layer; and
Ätzen von Vertiefungen (132) in der dritten Schicht (130) , die nach dem Verbinden der zweiten und der dritten Schicht (96, 130) der Ventilklappenstruktur (106, 108) gegenüberliegen, so daß diese nach dem Verbinden von zweiter und dritter Schicht (96, 130) beweglich bleiben.Etching recesses (132) in the third layer (130) which, after the connection of the second and the third layer (96, 130), lie opposite the valve flap structure (106, 108), so that after the connection of the second and third layer ( 96, 130) remain mobile.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 21, bei dem beim Schritt des Ätzens der zweiten Schicht (96) fer- ner zumindest eine Ventilklappenstruktur (106, 108) und ein durch dieselbe verschließbarer Fluiddurchlaß (102, 104) in der zweiten Schicht (96) erzeugt wird, das ferner einen Schritt des Ätzens der ersten Schicht (94) im Bereich der Ventilklappenstruktur aufweist, um eine in der Ebene der zweiten Schicht bewegliche Ventilklappenstruktur zu erzeugen, wobei beim Schritt des Verbindens der dritten Schicht mit der zweiten Schicht eine Verbindungsschicht verwendet wird, die im Bereich der Ventilklappenstruktur eine Ausnehmung aufweist, so daß die Ventilklappenstruktur nach dem Verbinden beweglich bleibt.22. The method according to any one of claims 12 to 21, wherein in the step of etching the second layer (96) furthermore at least one valve flap structure (106, 108) and a fluid passage (102, 104) closable by the same in the second layer ( 96), which further comprises a step of etching the first layer (94) in the region of the valve flap structure in order to produce a valve flap structure which is movable in the plane of the second layer, wherein in the step of connecting the third layer to the second layer, a connecting layer is used, which has a recess in the area of the valve flap structure, so that the valve flap structure remains movable after the connection.
23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22 in Rückbezug auf Anspruch 13 oder 14, bei dem beim Schritt des Ätzens der zweiten Schicht (96) ferner eine Zuleitungsstruktur (112) in der zweiten Schicht erzeugt wird, wobei ein verschließbarer Fluiddurchlaß (102) zwischen Do- sierkammerstruktur (100) und Zuleitungsstruktur (112) angeordnet ist.23. The method of claim 21 or 22 with reference to claim 13 or 14, wherein in the step of etching the second layer (96) a lead structure (112) is further formed in the second layer, wherein a closable fluid passage (102) between Do - sierkammerstruktur (100) and supply structure (112) is arranged.
24. Verfahren nach einem der Schritte 21 bis 23, bei dem ein verschließbarer Fluiddurchlaß (104) mit zugeordneter Ventilklappenstruktur (108) zwischen Dosierkammerstruktur (100) und Düsenstruktur (110) erzeugt wird.24. The method according to one of the steps 21 to 23, in which a closable fluid passage (104) with an associated valve flap structure (108) is generated between the metering chamber structure (100) and the nozzle structure (110).
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 24, das ferner einen Schritt des Anbringens einer Betätigungseinrichtung (144) an der Aktormembran (140) , um bei Betätigung ein Volumen der Dosierkammer (100) um ein Verdrängungsvolumen zu reduzieren, aufweist, wo- bei die Dosierkammer, die Düsenkammer, die Aktormembran und die Betätigungseinrichtung derart dimensioniert sind, daß das Verhältnis aus Verdrängungsvolumen und der Summe eines Volumens der Dosierkammer und eines Volumens der Düsenkammer größer ist als das Verhältnis eines Freistrahldrucks zum Atmosphärendruck, um an der Ausstoßöffnung einen Freistrahl zu erzeugen, selbst wenn ein das Dosierkämmervolumen und das Düsenkammervolumen im wesentlichen ausfüllendes kompressibles gasförmiges Medium vorliegen würde, wo- bei der Freistrahldruck der in der Dosierkammer notwendige Druck ist, der bei einer gegebenen Ausstoßöffnungsfläche einer Ausstoßöffnung der Düsenkammer gerade genügt, um die Oberflachenenergie zu erzeugen, um an der Ausstoßöffnung einen Freistrahl zu bewir- ken.25. The method according to any one of claims 12 to 24, further comprising a step of attaching an actuating device (144) to the actuator membrane (140) in order to reduce a volume of the dosing chamber (100) by a displacement volume when actuated, wherein the metering chamber, the nozzle chamber, the actuator membrane and the actuating device are dimensioned such that the ratio of the displacement volume and the sum of a volume of the metering chamber and a volume of the nozzle chamber is greater than the ratio of a free jet pressure to the atmospheric pressure in order to generate a free jet at the discharge opening , even if there was a compressible gaseous medium essentially filling the dosing chamber volume and the nozzle chamber volume, whereby the free jet pressure is the pressure required in the dosing chamber that is just sufficient for a given discharge opening area of a discharge opening of the nozzle chamber to reduce the surface energy e to generate a free jet at the discharge opening.
26. Verfahren zum Herstellen eines Freistrahldosiermodul- arrays mit einer Mehrzahl von Freistrahldosiermodu- len, deren Ausstoßöffnungen in einem eindimensionalen oder zweidimensionalen Array angeordnet sind, wobei die jeweiligen Freistrahlmodule mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 25 erzeugt werden. 26. Method for producing a free jet metering module array with a plurality of free jet metering module len, the ejection openings of which are arranged in a one-dimensional or two-dimensional array, the respective free jet modules being produced using a method according to one of Claims 12 to 25.
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