DE102012220403A1 - Microfluidic peristaltic pump, method and pumping system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine mikrofluidische peristaltische Pumpe (100), welche einen Zulaufkanal (10), eine erste Pumpkammer (20), welche über einen ersten Kanal (30) mit dem Zulaufkanal (10) wirkverbunden ist, und eine erste Membran (40), eine zweite Pumpkammer (50), welche über einen zweiten Kanal (60) mit dem Zulaufkanal (10) wirkverbunden ist, und eine zweite Membran (70) aufweist, wobei der fluidische Widerstand des ersten Kanals (30) von dem fluidischen Widerstand des zweiten Kanals (60) verschieden ist, und dabei jeder Kanal (30, 60) eine Drosselfunktion realisiert, so dass die jeweiligen Membranen (40, 70) beim Anliegen eines Drucks in dem Zulaufkanal (10) in einer zeitlichen Abfolge zum Realisieren einer Pumpfunktion ausgelenkt werden.The invention relates to a microfluidic peristaltic pump (100) which has an inlet channel (10), a first pump chamber (20) which is operatively connected to the inlet channel (10) via a first channel (30), and a first membrane (40), a second pumping chamber (50) which is operatively connected to the inlet channel (10) via a second channel (60) and has a second membrane (70), the fluidic resistance of the first channel (30) being different from the fluidic resistance of the second channel (60) is different, and each channel (30, 60) realizes a throttle function so that the respective membranes (40, 70) are deflected in a time sequence to realize a pumping function when pressure is applied in the inlet channel (10).
Description
Stand der TechnikState of the art
Zur Prozessierung von mikrofluidischen Abläufen in miniaturisierten Diagnosesystemen (Labs-on-a-Chip, LOCs) werden u. a. auch Mikropumpen auf dem LOC integriert. Neben der Vermeidung einer Kontamination von externen Pumpen mit Probenflüssigkeiten ergibt sich hierdurch insbesondere der Vorteil, dass auch sehr kleine Probenmengen und kleine Pumpraten günstig realisierbar sind.For the processing of microfluidic processes in miniaturized diagnostic systems (Labs-on-a-Chip, LOCs) u. a. also integrated micropumps on the LOC. In addition to the avoidance of contamination of external pumps with sample liquids, this results in particular the advantage that even very small amounts of sample and small pumping rates are low feasible.
Aus dem Stand der Technik sind allgemein als Vertreter unterschiedlicher Bauweisen bereits elektroosmotische Pumpen, Membranpumpen kombiniert mit Ventilen, mikromechanische peristaltische Pumpen, elektrisch aktuierte peristaltische Pumpen und thermo-pneumatisch aktuierte peristaltische Pumpen bekannt.From the state of the art, electroosmotic pumps, diaphragm pumps combined with valves, micromechanical peristaltic pumps, electrically actuated peristaltic pumps and thermo-pneumatically actuated peristaltic pumps are generally known as representatives of different designs.
Die
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die in dem Anspruch 1 definierte mikrofluidische peristaltische Pumpe sowie das in Anspruch 11 definierte Pumpsystem weist gegenüber herkömmlichen Lösungen den Vorteil auf, dass durch die Wirkung der einzelnen Kanäle als Drosseln im (pneumatischen) Pfad zu den Pumpkammern nunmehr nur ein einziges integriertes Ventil bzw. nur eine einzige Schnittstelle zur Außenwelt für sämtliche Pumpkammern notwendig ist, während bei herkömmlichen pneumatischen peristaltischen Pumpen jede Pumpkammer einzeln mit Hilfe eines zugehörigen Ventils aktuiert werden muss. Aufgrund dieser Vereinfachung in der Bauweise der erfindungsgemäßen Pumpe ergeben sich sowohl für die LOCs als auch die externe Ansteuerungseinheit niedrigere Kosten, sowie eine erhöhte Zuverlässigkeit. Bei der Verwendung eines Schichtaufbaus mit Polymersubstraten und einer Polymermembran wird eine besonders kostengünstige Realisierung von kleinsten Strukturen ermöglicht, welche zur Drosselung von Gasen notwendig sind.The microfluidic peristaltic pump defined in claim 1 and the pumping system defined in claim 11 has the advantage over conventional solutions that now only a single integrated valve or only by the action of the individual channels as throttles in the (pneumatic) path to the pumping chambers a single interface to the outside world is necessary for all pumping chambers, whereas in conventional pneumatic peristaltic pumps each pumping chamber must be individually actuated by means of an associated valve. Due to this simplification in the construction of the pump according to the invention results in both the LOCs and the external drive unit lower costs, as well as increased reliability. When using a layer structure with polymer substrates and a polymer membrane, a particularly cost-effective realization of the smallest structures is possible, which are necessary for the throttling of gases.
Im Gegensatz zu bekannten Pumpen kann die Anzahl an Pumpkammern beliebig erhöht werden, ohne dass zusätzliche Schnittstellen nach außen oder zusätzliche Ventile notwendig werden.In contrast to known pumps, the number of pumping chambers can be arbitrarily increased, without additional interfaces to the outside or additional valves are necessary.
Im Gegensatz zu bekannten Pumpen ist es durch eine geschickte Auslegung der Pumpkammern und der integrierten Drosseln möglich, gezielt mehr als nur eine einzige Pumpe über die Umschaltfrequenz des steuernden Ventils zu aktivieren bzw. zu deaktivieren. Beispielsweise weist dabei eine Pumpe eine Tiefpasscharakteristik auf und wird bei niedrigen Umschaltfrequenzen aktiviert, und eine weitere Pumpe weist eine Hochpasscharakteristik auf und wird bei hohen Umschaltfrequenzen aktiviert. In diesem Falle ist auch bei mehreren Pumpen nur ein einziges Ventil bzw. eine einzige Schnittstelle zur Außenwelt notwendig.In contrast to known pumps, it is possible by a clever design of the pumping chambers and the integrated throttles to specifically activate or deactivate more than just a single pump via the switching frequency of the controlling valve. For example, one pump has a low-pass characteristic and is activated at low switching frequencies, and another pump has a high-pass characteristic and is activated at high switching frequencies. In this case, even with multiple pumps only a single valve or a single interface to the outside world is necessary.
Unter einem (Zulauf)kanal soll eine Struktur verstanden werden, welche eine röhrenartige Verbindung realisiert, und kann zum Beispiel als ein (mikrofluidischer) Strömungskanal in einem Schichtaufbau oder als eine separate Leitung, zum Beispiel in der Art eines Schlauchs oder eines Röhrchens, ausgebildet sein.By a (inflow) channel is meant a structure that realizes a tubular connection, and may be formed, for example, as a (microfluidic) flow channel in a layered construction or as a separate conduit, for example in the manner of a tube or a tube ,
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen mikrofluidischen peristaltischen Pumpe wird der fluidische Widerstand eines Kanals bei konstantem Querschnitt im Wesentlichen durch dessen Länge bestimmt. Somit wirkt der Kanal wie eine (pneumatische) Drossel, welche in dem Kanal integriert ist, wodurch sich das Auslenken der Membran einer Pumpkammer in definierte Kavitäten durch die integrierten Drosseln zeitlich steuern lässt.According to a further embodiment of the microfluidic peristaltic pump according to the invention, the fluidic resistance of a channel at a constant cross section is determined essentially by its length. Thus, the channel acts as a (pneumatic) throttle, which is integrated in the channel, whereby the deflection of the diaphragm of a pumping chamber into defined cavities can be controlled in time by the integrated throttles.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen mikrofluidischen peristaltischen Pumpe sind die erste Membran und die zweite Membran aus einer Polymermembran ausgebildet. Hierbei wird lediglich eine einzige Polymermembran verwendet, wobei die einzelnen Membranen der jeweiligen Pumpkammern durch eine lokale Auslenkung dieser Polymermembran realisiert sind. Somit können die beiden Membranen als ein integrales Bauteil ausgebildet werden. Die Polymermembran kann zum Beispiel aus einem Elastomer, einem thermoplastischen Elastomer, Thermoplasten oder einer Schmelzklebefolie gebildet sein. Die Dicke der Polymermembran kann zwischen 5 µm bis 300 µm betragen.According to a further embodiment of the microfluidic peristaltic pump according to the invention, the first membrane and the second membrane are formed from a polymer membrane. Here, only a single polymer membrane is used, wherein the individual membranes of the respective pumping chambers are realized by a local deflection of this polymer membrane. Thus, the two membranes can be formed as an integral component. The polymer membrane can be formed, for example, from an elastomer, a thermoplastic elastomer, thermoplastics or a hot melt adhesive film. The thickness of the polymer membrane can be between 5 .mu.m and 300 .mu.m.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen mikrofluidischen peristaltischen Pumpe können die erste Membran und die zweite Membran in einen Strömungskanal ausgelenkt werden, welcher in einem ersten Polymersubstrat ausgebildet ist. Für die Realisierung der erfindungsgemäßen mikrofluidischen peristaltischen Pumpe bietet wie oben stehend beschrieben die Verwendung eines polymeren Schichtaufbaus in Verbindung mit einer Polymermembran für die einzelnen Membranen der Pumpkammern wesentliche Vorteile im Hinblick auf deren kostengünstige Herstellung. Das Polymersubstrat kann aus Thermoplasten, wie zum Beispiel PC, PP, PE, PMMA, COP, COC gebildet sein. Die Dicke des Polymersubstrats kann zwischen 0,5 mm bis 5 mm betragen. Der Durchmesser der Kanäle zur Verbindung mit der Pumpkammer in einem Polymersubstrat kann zwischen 200 µm bis 3 mm betragen.According to a further embodiment of the microfluidic peristaltic pump according to the invention, the first membrane and the second membrane can be deflected into a flow channel, which is formed in a first polymer substrate. For the realization of the microfluidic peristaltic pump according to the invention, as described above, the use of a polymeric layer structure in conjunction with a polymer membrane for the individual membranes of the pumping chambers offers significant advantages with regard to their cost-effective production. The polymer substrate may be formed from thermoplastics such as PC, PP, PE, PMMA, COP, COC. The thickness of the polymer substrate can be between 0.5 mm to 5 mm. The diameter of the channels for connection to the pumping chamber in a polymer substrate may be between 200 μm to 3 mm.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen mikrofluidischen peristaltischen Pumpe können die Pumpkammern als Aufweitungen ausgebildet sein. Die Aufweitungen können sich dabei zum Beispiel in das Polymersubstrat erstrecken. Hierbei kann der Querschnitt der Pumpkammern aufgrund einer Aufweitung entlang einer Richtung veränderlich sein. Das Volumen einer Pumpkammer kann zwischen 1 mm3 bis 1000 mm3 betragen.According to a further embodiment of the microfluidic peristaltic pump according to the invention, the pump chambers may be formed as widenings. The widenings may extend, for example, into the polymer substrate. In this case, the cross-section of the pump chambers may be variable due to an expansion along one direction. The volume of a pumping chamber can be between 1 mm 3 to 1000 mm 3 .
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen mikrofluidischen peristaltischen Pumpe kann die erste Pumpkammer im Wesentlichen denselben Querschnitt wie ein an die erste Pumpkammer angeschlossener Zulauf aufweisen, und die zweite Pumpkammer im Wesentlichen denselben Querschnitt wie ein an die zweite Pumpkammer angeschlossener Ablauf aufweisen. Dadurch kann in vorteilhafter Weise die Herstellung der Pumpkammern und der zugehörigen Zu- und Abläufe vereinfacht werden. Die erfindungsgemäße mikrofluidische peristaltische Pumpe kann ein Fluid sowohl in Richtung von dem Zulauf zu dem Ablauf, als auch bei einer entsprechenden Ansteuerung der Pumpkammern in Richtung von dem Ablauf zu dem Zulauf fördern und bewegen.According to a further embodiment of the microfluidic peristaltic pump according to the invention, the first pumping chamber may have substantially the same cross section as an inlet connected to the first pumping chamber, and the second pumping chamber may have substantially the same cross section as a drain connected to the second pumping chamber. As a result, the production of the pump chambers and the associated inlets and outlets can be simplified in an advantageous manner. The microfluidic peristaltic pump according to the invention can convey and move a fluid both in the direction from the inlet to the outlet and in a corresponding activation of the pumping chambers in the direction from the outlet to the inlet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen mikrofluidischen peristaltischen Pumpe können der erste Kanal und der zweite Kanal in der Polymermembran ausgebildet sein. Die Kanäle werden hierbei durch Ausnehmungen in der Polymermembran gebildet, so dass die Höhe der Kanäle durch die Dicke der Polymermembran festgelegt wird, wodurch sich sehr flache Kanäle realisieren lassen. Der Durchmesser der Kanäle in einer Polymermembran kann zwischen 1 µm bis 100 µm betragen.According to a further embodiment of the microfluidic peristaltic pump according to the invention, the first channel and the second channel may be formed in the polymer membrane. The channels are in this case formed by recesses in the polymer membrane, so that the height of the channels is determined by the thickness of the polymer membrane, which can be realized very shallow channels. The diameter of the channels in a polymer membrane can be between 1 .mu.m and 100 .mu.m.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen mikrofluidischen peristaltischen Pumpe können der erste Kanal und der zweite Kanal in einer zweiten Polymermembran ausgebildet sein. Vorzugsweise sind die beiden Polymermembrane separat ausgebildet und beabstandet zueinander auf unterschiedlichen Ebenen angeordnet. Die hat insbesondere den Vorteil, dass für die Kanäle eine andere Polymermembran als die für die Auslenkung der Pumpkammern zuständige Polymermembran verwendet werden kann. So kann die Polymermembran für die Kanäle beispielsweise besonders dünn (hoher fluidischer Widerstand für die Drosselkanäle) und die Polymermembran für die Pumpkammern dicker (verbesserte Zuverlässigkeit beim Pumpen) gewählt werden. Zusätzlich kann die Pumpeinheit mit den Kanälen auf einer deutlich kleineren Grundfläche hergestellt werden, da die Kanäle auch über den Pumpkammern verlaufen können.According to a further embodiment of the microfluidic peristaltic pump according to the invention, the first channel and the second channel may be formed in a second polymer membrane. Preferably, the two polymer membranes are formed separately and spaced from each other at different levels. This has the particular advantage that a different polymer membrane than the polymer membrane responsible for the deflection of the pumping chambers can be used for the channels. For example, the polymer membrane for the channels may be chosen to be particularly thin (high fluidic resistance for the throttle channels) and the polymer membrane for the pumping chambers thicker (improved pumping reliability). In addition, the pumping unit can be made with the channels on a much smaller footprint, as the channels can also run over the pumping chambers.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen mikrofluidischen peristaltischen Pumpe können die Kanäle mit den Pumpkammern über Durchgangslöcher wirkverbunden sein. Bei dieser Gestaltung ergeben sich in Verbindung mit der vorstehend beschriebenen Trennung der Polymermembranen für die Kanäle und die Pumpkammern Vorteile bei der Herstellung der Strukturen zur Verbindung von Kanälen und Pumpkammern, da diese mit Hilfe von Durchgangslöchern realisiert werden können.According to a further embodiment of the microfluidic peristaltic pump according to the invention, the channels can be operatively connected to the pumping chambers via through-holes. In this design, in combination with the above-described separation of the polymer membranes for the channels and the pumping chambers, there are advantages in producing the structures for connecting channels and pumping chambers, since these can be realized by means of through-holes.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen mikrofluidischen peristaltischen Pumpe kann der Zulaufkanal in einem dritten Polymersubstrat ausgebildet sein, welches oberhalb der zweiten Polymermembran angeordnet ist. Hierbei wird insbesondere bei getrennten Polymermembranen der Kanäle und der Pumpkammern für eine stabile und zuverlässige Anbindung des Zulaufkanals gesorgt.According to a further embodiment of the microfluidic peristaltic pump according to the invention, the feed channel can be formed in a third polymer substrate, which is arranged above the second polymer membrane. In this case, in particular in the case of separate polymer membranes of the channels and of the pump chambers, a stable and reliable connection of the inlet channel is ensured.
Des Weiteren wird ein Pumpsystem beansprucht, aufweisend eine erste mikrofluidische peristaltische Pumpe und eine zweite mikrofluidische Pumpe, wobei die erste und die zweite Pumpe mit dem Zulaufkanal verbunden sind, und sich für die erste und die zweite Pumpe die jeweiligen Produkte aus dem fluidischen Widerstand eines Kanals und der fluidischen Kapazität der zugehörigen Pumpkammer voneinander unterscheiden, wobei eine Pumpe eine Tiefpasscharakteristik aufweist und eine andere Pumpe eine Hochpasscharakteristik aufweist. Dabei gilt folgender Zusammenhang: Rij·Cij ≠ Ri+1j+1·Ci+1j+1. Der Index i beschreibt dabei die jeweilige Pumpe des Pumpsystems und der Index j beschreibt die jeweilige Pumpkammer innerhalb der zugehörigen Pumpe i. So weist beispielsweise eine erste Pumpe eine Tiefpasscharakteristik auf und wird bei niedriger/n Aktuierungsfrequenz(en) aktiviert, und eine zweite Pumpe weist eine Hochpasscharakteristik auf und wird bei hoher/n Aktuierungsfrequenz(en) aktiviert.Furthermore, a pump system is claimed, comprising a first microfluidic peristaltic pump and a second microfluidic pump, wherein the first and the second pump are connected to the inlet channel, and for the first and the second pump, the respective products of the fluidic resistance of a channel and the fluidic capacity of the associated pumping chamber differ from each other, wherein one pump has a low-pass characteristic and another pump has a high-pass characteristic. The following relationship applies: R ij · C ij ≠ R i + 1 j + 1 · C i + 1 j + 1 . The index i describes the respective pump of the pumping system and the index j describes the respective pumping chamber within the associated pump i. For example, a first pump has a low pass characteristic and is activated at low actuation frequency (s), and a second pump has a high pass characteristic and is activated at high actuation frequency (s).
Des Weiteren wird ein Verfahren zum Betreiben einer mikrofluidischen peristaltischen Pumpe beansprucht, welche einen Zulaufkanal, eine erste Pumpkammer, welche über einen ersten Kanal mit dem Zulaufkanal wirkverbunden ist, und eine erste Membran, eine zweite Pumpkammer, welche über einen zweiten Kanal mit dem Zulaufkanal wirkverbunden ist, und eine zweite Membran aufweist, wobei der fluidische Widerstand des ersten Kanals von dem fluidischen Widerstand des zweiten Kanals verschieden ist, aufweisend die Schritte des Realisieren einer Drosselfunktion von jedem Kanal, so dass die jeweiligen Membranen beim Anliegen eines Drucks in dem Zulaufkanal in einer zeitlichen Abfolge zum Realisieren einer Pumpfunktion ausgelenkt werden.Furthermore, a method for operating a microfluidic peristaltic pump is claimed, which has an inlet channel, a first pumping chamber, which is operatively connected to the inlet channel via a first channel, and a first membrane, a second pumping chamber, which operatively connected via a second channel with the inlet channel , and having a second membrane, wherein the fluidic resistance of the first channel is different from the fluidic resistance of the second channel, comprising the steps of realizing a throttling function of each channel, so that the respective membranes upon application of a pressure in the Inlet channel are deflected in a time sequence for realizing a pumping function.
Das beanspruchte Verfahren weist den Vorteil auf, dass durch die Wirkung der einzelnen Kanäle als Drosseln im (pneumatischen) Pfad zu den Pumpkammern nunmehr nur ein einziges integriertes Ventil bzw. nur eine einzige Schnittstelle zur Außenwelt für sämtliche Pumpkammern notwendig ist, während bei herkömmlichen pneumatischen peristaltischen Pumpen jede Pumpkammer einzeln mit Hilfe eines zugehörigen Ventils aktuiert werden muss. Aufgrund dieser Vereinfachung in der Funktionsweise der zugehörigen erfindungsgemäßen Pumpe ergeben sich sowohl für die LOCs als auch die externe Ansteuerungseinheit niedrigere Kosten, sowie eine erhöhte Zuverlässigkeit.The claimed method has the advantage that due to the effect of the individual channels as throttles in the (pneumatic) path to the pumping chambers now only a single integrated valve or only a single interface to the outside world for all pumping chambers is necessary, while in conventional pneumatic peristaltic Pumps each pumping chamber must be individually actuated by means of an associated valve. Due to this simplification in the functioning of the associated pump according to the invention, both the LOCs and the external drive unit are subject to lower costs and increased reliability.
Die benötigten Strukturen in den Polymersubstraten und -membranen können beispielsweise durch Fräsen, Spritzguss, Heißprägen, Stanzen oder Laserstrukturierung hergestellt werden.The required structures in the polymer substrates and membranes can be produced for example by milling, injection molding, hot stamping, stamping or laser structuring.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die vorliegende Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen erklärt. Es zeigt dabeiThe present invention will be explained with reference to the accompanying drawings. It shows
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Die erfindungsgemäße mikrofluidische peristaltische Pumpe
Die Kanäle
Die Ventile
Werden anschließend die Ventile
In einer anderen nicht dargestellten Ausführungsform liegt der Anschluss
Die mikrofluidische peristaltische Pumpe
Die Kanäle
In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform sind die fluidischen Widerstände Ri, nicht als Parallel- sondern als Serienschaltung realisiert, d.h. die Pumpkammern werden durch die Kanäle mit fluidischen Widerständen Ri hintereinander verbunden.In another embodiment, not shown, the fluidic resistances R i , not as a parallel but as a series circuit realized, ie, the pumping chambers are connected through the channels with fluidic resistances R i one behind the other.
Im Gegensatz zu der ersten Ausführungsform weist die zweite Ausführungsform eine zusätzliche Polymermembran
Die Pumpkammern
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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