DE102017200308B4

DE102017200308B4 - Mikromechanische Bauelemente mit mechanischen Aktuatoren

Info

Publication number: DE102017200308B4
Application number: DE102017200308.1A
Authority: DE
Inventors: Holger Conrad; Matthieu Gaudet; Harald Schenk; Sebastian Uhlig
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2017-01-10
Filing date: 2017-01-10
Publication date: 2021-07-08
Anticipated expiration: 2037-01-11
Also published as: US11639718B2; US20190337798A1; EP3568595A1; EP3568595B1; CN110475971A; DE102017200308A1; WO2018130527A1

Abstract

Ein planarer mikromechanischer Aktuator (10), der an gegenüberliegenden Aufhängungszonen (10a, 10b) aufgehängt ist, der folgende Merkmale aufweist:eine neutrale Achse (15) zwischen den gegenüberliegenden Aufhängungszonen (10a, 10b),ein erstes bis viertes Segment (11, 12, 13, 14), in die der planare mikromechanische Aktuator (10) zwischen den gegenüberliegenden Aufhängungszonen (10a, 10b) segmentiert ist, wobei jedes eine erste Elektrode (11a, 12a, 13a, 14a) und eine zweite Elektrode (11b, 12b, 13b, 14b) aufweist, die einen Kondensator bilden und an gegenüberliegenden Enden des jeweiligen Segments entlang einer Richtung zwischen den gegenüberliegenden Aufhängungszonen (10a, 10b) isoliert aneinander befestigt sind, um so eine Lücke (11c, 12c, 13c, 14c) zwischen der ersten (11a, 12a, 13a, 14a) und zweiten (11b, 12b, 13b, 14b) Elektrode entlang einer Dickenrichtung (16) zu bilden, wobei die Lücke (11c, 12c, 13c, 14c) entlang der Dickenrichtung (16) von der neutralen Achse (15) versetzt ist, undwobei das erste bis vierte Segment (11, 12, 13, 14) derart konfiguriert sind, dass der planare mikromechanische Aktuator (10) daraufhin, dass eine Spannung an die erste (11a, 12a, 13a, 14a) und zweite (11b, 12b, 13b, 14b) Elektrode des ersten bis vierten Segments (11, 12, 13, 14) angelegt wird, dadurch, dass sich das erste und vierte Segment (11, 14) in die Dickenrichtung (16) biegen und das zweite und dritte Segment (12, 13) entgegengesetzt zu der Dickenrichtung (16) biegen, in die Dickenrichtung (16) ausgelenkt wird;wobei der planare mikromechanische Aktuator genau vier Segmente (11, 12, 13, 14) aufweist; oderbei dem jedes Segment eine dritte Elektrode aufweist, die entlang der zweiten Elektrode an einer gegenüberliegenden Seite der neutralen Achse zu der ersten Elektrode angeordnet ist, und bei dem für jedes Segment die dritte Elektrode an gegenüberliegenden Enden des jeweiligen Segments entlang einer Richtung zwischen den gegenüberliegenden Aufhängungszonen isoliert an der zweiten Elektrode befestigt ist, um so eine zweite Lücke in einer Richtung entgegengesetzt zu der Dickenrichtung zu bilden, so dass durch die dritte Elektrode Lücken an jeder Seite der zweiten Elektrode (11b, 12b, 13b, 14b) gebildet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf mikromechanische Bauelemente mit mechanischen Aktuatoren zur Verwendung für beispielsweise fluidische Aufgaben.
Hintergrund der Erfindung
Mikromechanische fluidische Bauelemente, die beispielsweise in Tintenstrahldruckköpfen verwendet werden, ermöglichen eine Miniaturisierung fluidischer Komponenten. Die Miniaturisierung ist in der heutigen industriellen Produktion ein großer treibender Faktor, da die Verwendung kleinerer Strukturen Einsparungen von Rohmaterialien ermöglicht. Mikromechanische fluidische Komponenten jedoch könnten verglichen mit nicht miniaturisierten Gegenstücken unter geringen Flussraten oder geringem Druck leiden. Außerdem ist die Herstellung mikromechanischer Bauelemente auf der Basis von Piezotechnologie mühsam und problematisch. Nanoelektrische Antriebe (NEDs; NED = nano electric drive) sind bekannt, Verbesserungen jedoch wünschenswert.
Unabhängig von einem Betätigungsmechanismus besteht ein Wunsch nach effizienten Pump- oder Ventillösungen. Alternativ besteht ein Wunsch nach Konzepten, die effiziente mikromechanische Komponenten für beispielsweise fluidische Aufgaben bereitstellen.
In DE 10 2015 210 919 A1 ist ein MEMS-Wandler zum Interagieren mit einem Volumenstrom eines Fluids beschrieben.
In WO 2012/095185 A1 ist eine mikromechanische Komponente beschrieben, bei der Kraft auf die Elektroden eines elektrostatischen Feldes genutzt werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein planarer mikromechanischer Aktuator bereitgestellt, der an gegenüberliegenden Aufhängungszonen aufgehängt ist. Der planare mikromechanische Aktuator weist eine neutrale Achse zwischen den gegenüberliegenden Aufhängungszonen auf. Außerdem weist der planare mikromechanische Aktuator ein erstes bis viertes Segment auf, in die der planare mikromechanische Aktuator zwischen den gegenüberliegenden Aufhängungszonen segmentiert ist. Jedes des ersten bis vierten Segments weist eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode auf, die einen Kondensator bilden und an jedem Ende des jeweiligen Segments entlang einer Richtung zwischen den gegenüberliegenden Aufhängungszonen isoliert aneinander befestigt sind, um so eine Lücke zwischen der ersten und der zweiten Elektrode entlang einer Dickenrichtung zu bilden. Die Lücke ist von der neutralen Achse entlang einer Dickenrichtung versetzt. Ferner sind das erste bis vierte Segment derart ausgebildet, dass der planare mikromechanische Aktuator daraufhin, dass eine Spannung an die erste und die zweite Elektrode des ersten bis vierten Segments angelegt wird, dadurch, dass sich das erste und das vierte Segment in der Dickenrichtung biegen und das zweite und das dritte Segment entgegengesetzt zu der Dickenrichtung biegen, in die Dickenrichtung ausgelenkt wird. Der planare mikromechanische Aktuator weist genau vier Segmente auf. Alternativ oder zusätzlich weist jedes Segment eine dritte Elektrode auf, die entlang der zweiten Elektrode an einer gegenüberliegenden Seite der neutralen Achse zu der ersten Elektrode angeordnet ist, und für jedes Segment ist die dritte Elektrode an gegenüberliegenden Enden des jeweiligen Segments entlang einer Richtung zwischen den gegenüberliegenden Aufhängungszonen isoliert an der zweiten Elektrode befestigt, um so eine zweite Lücke in einer Richtung entgegengesetzt zu der Dickenrichtung zu bilden, so dass durch die dritte Elektrode Lücken an jeder Seite der Elektrode gebildet sind. Ein Zusammensetzen des mikromechanischen Aktuators auf eine derartige Weise auf der Basis einer Folge von vier Segmenten mit veränderlichen Biegerichtungen zwischen dem ersten und zweiten bzw. dritten und vierten Segment führt zu einem verbesserten Druck pro Oberfläche.
Das Anlegen der Spannung an die erste und zweite Elektrode induziert Ladungen auf der ersten und der zweiten Elektrode. Gemäß dem Coulombschen Gesetz erzeugen Ladungen mit entgegengesetzten Vorzeichen eine Anziehungskraft zwischen den geladenen Elektroden und Ladungen mit gleichem Vorzeichen erzeugen eine abstoßende Kraft auf die Elektroden. Die beschriebenen Kräfte können verwendet werden, um eine Auslenkung des planaren mikromechanischen Aktuators in der oder entgegengesetzt zu der Dickenrichtung basierend auf der angelegten Spannung zu ermöglichen. Ferner sind die Segmente gemäß ihrer Nummerierung zwischen den gegenüberliegenden Aufhängungszonen geordnet und ermöglichen durch ihre Biegeausbildung eine Wiederherstellung der Krümmung nach Betätigung. Die Wiederherstellung der Krümmung ermöglicht es, dass die gegenüberliegenden Aufhängungszonen auf gleicher Ebene liegen, d. h. die aufgehängten Enden des ersten und vierten Segments können in einem nichtbetätigten Zustand und in einem betätigten Zustand an unveränderten Positionen verbleiben, wobei ein betätigter Zustand durch Anlegen einer Spannung an die erste und zweite Elektrode des ersten bis vierten Segments bewirkt wird. Der beschriebene planare mikromechanische Aktuator könnte beispielsweise zum Pumpen von Fluiden verwendet werden. Insbesondere ermöglicht der planare mikromechanische Aktuator eine Hochfrequenzbetätigung und stellt einen hohen Druck bereit.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein planarer mikromechanischer Aktuator, der an gegenüberliegenden Aufhängungszonen aufgehängt ist, mit einer ersten, zweiten und dritten Elektrode implementiert, wobei die zweite Elektrode sandwichartig zwischen der ersten und der dritten Elektrode angeordnet ist. Außerdem ist der planare mikromechanische Aktuator zwischen den gegenüberliegenden Aufhängungszonen in einer Folge von Segmenten segmentiert, wobei für jedes Segment die erste Elektrode und die dritte Elektrode an gegenüberliegenden Enden des jeweiligen Segments entlang einer Richtung zwischen den gegenüberliegenden Aufhängungszonen isoliert an der zweiten Elektrode befestigt sind. Die Folge von Segmenten ist in eine erste bis vierte Teilfolge von Segmenten unterteilt, wobei jede Teilfolge ein oder mehrere Segmente aufweist. In jedem Segment der ersten und vierten Teilfolge sind die erste, zweite und dritte Elektrode so geformt, dass sie in Richtung einer ersten Richtung ausgewölbt sind und sich auf Anlegen einer Spannung zwischen der ersten und der dritten Elektrode einerseits und der zweiten Elektrode andererseits hin in eine zweite Richtung biegen, die entgegengesetzt zu der ersten Richtung ist. In jedem Segment der zweiten und dritten Teilfolge sind die erste, zweite und dritte Elektrode so geformt, dass sie in Richtung der zweiten Richtung ausgewölbt sind und sich auf das Anlegen einer Spannung zwischen der ersten und der dritten Elektrode einerseits und der zweiten Elektrode andererseits hin in die erste Richtung biegen. Ferner bedecken die erste Teilfolge von Segmenten, die zweite Teilfolge von Segmenten, die dritte Teilfolge von Segmenten und die vierte Teilfolge von Segmenten jeweils ein Viertel einer Entfernung zwischen den gegenüberliegenden Aufhängungszonen.
Der beschriebene planare mikromechanische Aktuator ist insbesondere vorteilhaft, weil die ausgewölbte Form der Segmente es ermöglicht, dass eine Biegewirkung, die durch das Paar aus erster und zweiter Elektrode bereitgestellt wird, und eine Biegewirkung, die durch das Paar aus zweiter und dritter Elektrode bereitgestellt wird, sich aufaddieren können und so zu einer besonders effektiven Betätigung (oder Aktuation) der Segmente führen können. Ferner kann die Verwendung eines Entwurfs auf der Basis von drei Elektroden eine homogenere Verteilung einer Kraft, die in dem Aktuator wirkt, ermöglichen. Außerdem kann die Verwendung von Teilfolgen von Segmenten einen flexiblen Entwurf im Hinblick auf einen maximalen Hub ermöglichen, der durch den planaren mikromechanischen Aktuator erzeugt werden kann. Mit anderen Worten, das Verwenden längerer Teilfolgen kann zu planaren mikromechanischen Aktuatoren mit einem größeren Hub und so einem größeren Volumen, das während einer Betätigung bewegt werden kann, führen.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Anmeldung ist eine mikromechanische Pumpe implementiert. Die mikromechanische Pumpe weist einen ersten planaren Aktuator, der an gegenüberliegenden Enden aufgehängt ist und aus einem oder mehreren ersten auslenkbaren Abschnitten zusammengesetzt ist, einen zweiten planaren Aktuator, der an gegenüberliegenden Enden aufgehängt ist und aus einem oder mehreren zweiten auslenkbaren Abschnitten zusammengesetzt ist, und einen dritten planaren Aktuator auf, der an gegenüberliegenden Enden aufgehängt ist und aus einem oder mehreren dritten auslenkbaren Abschnitten zusammengesetzt ist. Ferner ist der zweite planare Aktuator zwischen dem ersten und dem dritten planaren Aktuator angeordnet und der erste und der zweite planare Aktuator sind so aneinander entlang angeordnet, dass sie einen ersten Fluiddurchgang zwischen sich bilden. Ferner sind der dritte und der zweite planare Aktuator so aneinander entlang angeordnet, dass sie einen zweiten Fluiddurchgang zwischen sich bilden. Der eine oder die mehreren zweiten auslenkbaren Abschnitte sind relativ zu dem einen oder den mehreren dritten auslenkbaren Abschnitten entlang einer Richtung zwischen den gegenüberliegenden Enden des ersten bis dritten planaren Aktuators derart verschoben, dass eine Mitte des einen oder der mehreren zweiten auslenkbaren Abschnitte mit einer Aufhängungszone des einen oder der mehreren ersten und dritten auslenkbaren Abschnitte ausgerichtet ist. Ferner sind der erste, zweite und dritte planare Aktuator ausgebildet, um die Volumina des ersten und zweiten Fluiddurchgangs durch Auslenkung der ersten und dritten auslenkbaren Abschnitte entgegengesetzt zu verändern.
Die beschriebene mikromechanische Pumpe kann beispielsweise effektiv in miniaturisierte Fluidvorrichtungen integriert sein. Beispielsweise könnten die planaren Aktuatoren Wandabschnitte der Fluiddurchgänge sein. Nach Betätigung wird das Volumen der Fluiddurchgänge verändert und dadurch kann ein Fluidfluss bewirkt werden. Ferner kann die beschriebene mikromechanische Pumpe durch die verschobene Anordnung der auslenkbaren Abschnitte eine kleine Standfläche im Hinblick auf die verbrauchte Fläche ermöglichen. Alternativ erzielt die verschobene Anordnung eine effiziente Nutzung der Fläche, so dass die Pumpleistung für eine bestimmte Fläche erhöht wird.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Anmeldung ist eine mikromechanische Aktuatoranordnung implementiert, die einen Stapel planarer mikromechanischer Aktuatoren aufweist. Die mikromechanische Aktuatoranordnung weist einen ersten planaren mikromechanischen Aktuator mit einem ersten planaren mikromechanischen Aktuatorsegment mit einer Oberfläche mit einer ersten Krümmung und einen zweiten planaren mikromechanischen Aktuator mit einem zweiten planaren mikromechanischen Aktuatorsegment mit einer Oberfläche mit einer zweiten Krümmung auf. Die erste Krümmung bildet eine Ausnehmung in dem ersten planaren mikromechanischen Aktuatorsegment und die zweite Krümmung bildet einen Vorsprung des zweiten planaren mikromechanischen Aktuatorsegments. Ferner ist die Oberfläche des ersten mikromechanischen planaren Aktuatorsegments mit der ersten Krümmung der Oberfläche des zweiten mikromechanischen planaren Aktuatorsegments mit der zweiten Krümmung zugewandt. Außerdem weist die erste Krümmung einen größeren Radius auf als die zweite Krümmung, so dass eine Entfernung zwischen der Oberfläche des ersten mikromechanischen planaren Aktuatorsegments und der Oberfläche eines zweiten mikromechanischen planaren Aktuatorsegments im Wesentlichen lateral konstant ist und beibehalten wird, wenn das erste planare mikromechanische Aktuatorsegment und das zweite planare mikromechanische Aktuatorsegment ausgelenkt werden.
Die beschriebene mikromechanische Aktuatoranordnung kann eine hochdichte Integration ermöglichen, d. h. Miniaturisierung durch effiziente Raumnutzung, da der erste planare mikromechanische Aktuator und der zweite planare mikromechanische Aktuator mit minimaler Entfernung gestapelt werden können. Die minimale Entfernung kann durch das Entsprechen von Krümmungen der Ausnehmung und des Vorsprungs der jeweiligen Segmente erzielt werden, die auf eine Betätigung der Aktuatoren hin ausgebildet sind, um eine minimale Entfernung beizubehalten. Ein derartiger Stapel kann als Parallelanordnung betrachtet werden, was beispielsweise auf eine Betätigung hin ein Verdoppeln eines erzeugten Drucks verglichen mit der Verwendung nur eines einzelnen planaren mikromechanischen Aktuators erzielen kann.
Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Anmeldung ist ein mikromechanisches Ventil implementiert. Das mikromechanische Ventil weist eine erste Fluidöffnung, eine zweite Fluidöffnung, einen mikromechanischen Aktuator und einen Fluiddurchgang auf, der zwischen der ersten Fluidöffnung und der zweiten Fluidöffnung gebildet ist, wobei der Fluiddurchgang zwei gegenüberliegende und parallele Wandabschnitte aufweist. Außerdem ist der mikromechanische Aktuator in dem Fluiddurchgang angeordnet und ausgebildet, um in einer Ebene parallel zu den beiden parallelen Wandabschnitten auf der Basis eines Aktivierungssignals, das für denselben bereitgestellt wird, derart ausgelenkt zu werden, dass der Fluiddurchgang zwischen der ersten Fluidöffnung und der zweiten Fluidöffnung zumindest teilweise durch den mikromechanischen Aktuator blockiert wird.
Das beschriebene Ventil ist vorteilhaft, weil es eine platzsparende Implementierung eines Ventils erlauben kann. Das Ventil kann verglichen mit der Implementierung eines einfachen Fluiddurchgangs ohne den Bedarf nach zusätzlichem Raum implementiert werden. Ferner kann ein Ventil als ein aktives Absperrventil (Rückschlagventil) verwendet werden, das verglichen mit einem passiven Absperrventil einen Druckabfall reduziert, der für ein Fluid, das durch das Ventil läuft, bewirkt wird. Deshalb ermöglicht das beschriebene mikromechanische Ventil eine Implementierung miniaturisierter aktiver Absperrventile.
Gemäß einem sechsten Aspekt der vorliegenden Anmeldung ist eine mikromechanische Pumpe implementiert. Die mikromechanische Pumpe weist einen ersten planaren Aktuator, der an gegenüberliegenden Enden aufgehängt ist und aus einem oder mehreren ersten auslenkbaren Abschnitten zusammengesetzt ist, und einen zweiten planaren Aktuator auf, der an gegenüberliegenden Enden aufgehängt ist und aus einem oder mehreren zweiten auslenkbaren Abschnitten zusammengesetzt ist. Ferner sind der erste planare Aktuator und der zweite planare Aktuator aneinander entlang angeordnet, wobei ein Fluiddurchgang zwischen denselben gebildet wird, wobei der erste planare Aktuator und der zweite planare Aktuator so ausgebildet sind, dass der eine oder die mehreren ersten auslenkbaren Abschnitte und zweiten auslenkbaren Abschnitte auf Betätigung des ersten planaren Aktuators und des zweiten planaren Aktuators hin voneinander weg ausgelenkt werden. Eine Mitte der ersten auslenkbaren Abschnitte ist nicht mit einer Mitte der zweiten auslenkbaren Abschnitte entlang einer Richtung zwischen den gegenüberliegenden Enden ausgerichtet, und/oder wobei der Fluiddurchgang zwischen dem ersten planaren Aktuator und dem zweiten planaren Aktuator fluidmäßig über Ventile mit Fluidvolumina benachbart zu Seiten des ersten planaren Aktuators und des zweiten planaren Aktuators verbunden sind, die von dem Fluiddurchgang weg zeigen.
Die beschriebene mikromechanische Pumpe ist im Hinblick auf einen reduzierten hydraulischen Widerstand von Vorteil. Da zwei planare mikromechanische Aktuatoren ausgelenkt werden, um ein Volumen des Fluiddurchgangs zu erhöhen, wird der hydraulische Widerstand verglichen mit einem Fall reduziert, in dem nur ein mikromechanischer Aktuator ausgelenkt wird. Der Fall von nur einem mikromechanischen Aktuator leidet unter einer inaktiven Wand des Fluiddurchgangs. Ferner kann die Pumpe mit zwei planaren mikromechanischen Aktuatoren so viel Volumen pumpen wie zwei Pumpen mit jeweils einem planaren mikromechanischen Aktuator. Aufgrund einer erhöhten Fluiddurchgangsbreite der beschriebenen mikromechanischen Pumpe jedoch kann ein hydraulischer Widerstand gerade ein Viertel desjenigen zweier Pumpen sein.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem ersten Aspekt weist der planare mikromechanische Aktuator exakt die vier Segmente auf. Ein Implementieren des planaren mikromechanischen Aktuators mit nur vier Segmenten führt zu einer kürzesten möglichen Aktuatorausbildung. In Bezug mit der geringen Länge steht eine hohe Betätigungsfrequenz, d. h. der Aktuator kann sich schnell von einem betätigten zu einem nicht betätigten Zustand bewegen. Jede Zustandsveränderung kann implizieren, dass ein gewisser Hub auf ein Volumen, d. h. ein Fluid, angewendet wird, und dadurch einen Volumentransport bewirken. Durch die beschriebene schnelle Betätigung kann eine hohe Flussrate erzielt werden, die vergleichbar mit oder sogar noch größer als Aktuatoren mit größerem Hub, jedoch geringerer Betätigungsfrequenz ist.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem ersten Aspekt sind die Lücken des ersten und vierten Segments auf einer ersten Seite der neutralen Achse angeordnet und die Lücken des zweiten und dritten Segments auf einer zweiten Seite der neutralen Achse angeordnet. Ferner liegt die zweite Seite der ersten Seite gegenüber, d. h. die neutrale Achse unterteilt die erste und die zweite Seite. Ein Anordnen der Lücken in der beschriebenen Weise ermöglicht eine Wiederherstellung einer Krümmung des planaren mikromechanischen Aktuators. Mit anderen Worten, die gegenüberliegenden Aufhängungszonen können in einem betätigten und in einem nicht betätigten Zustand unverändert bleiben.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem ersten Aspekt sind die erste und die zweite Elektrode der jeweiligen Segmente durch Abstandshalter isoliert aneinander befestigt. Die Verwendung der Befestigung durch Abstandshalter ermöglicht einen flexibleren Entwurf der Elektroden, z. B. könnte eine vollständig planare Form für die Elektroden verwendet werden, weil die Befestigung zwischen den Elektroden nicht als Teil der Elektroden realisiert werden kann.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem ersten Aspekt sind die Abstandshalter zumindest teilweise aus einem isolierenden Material gebildet. Das Verwenden von Abstandshaltern mit einem isolierenden Material ermöglicht eine elektrische Isolierung der ersten und zweiten Elektrode durch die Abstandshalter, wodurch beispielsweise eine Isolierung eingespart wird, die direkt an den Elektroden verwendet wird.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem ersten Aspekt besitzen die Lücken der jeweiligen Segmente, die Befestigung nicht berücksichtigend, eine planare Form. Die planare Form der Lücken kann durch eine im Wesentlichen konstante Entfernung zwischen den gegenüberliegenden Elektroden derart definiert sein, dass die Elektroden parallel angeordnet sind. Ferner könnten die Lücken konform gebildet sein. Die planare Form der Lücken bietet einen Platzeinsparungsentwurf, der für eine integrierte Implementierung des planaren mikromechanischen Aktuators von Vorteil ist.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem ersten Aspekt weist jedes Segment eine dritte Elektrode auf, die entlang der zweiten Elektrode an einer gegenüberliegenden Seite der neutralen Achse zu der ersten Elektrode angeordnet ist. Ferner ist für jedes Segment die dritte Elektrode an gegenüberliegenden Enden des jeweiligen Segments entlang einer Richtung zwischen den gegenüberliegenden Aufhängungszonen isoliert an der zweiten Elektrode befestigt, um so eine zweite Lücke in einer Richtung entgegengesetzt zu der Dickenrichtung zu bilden. Ein Implementieren der Segmente mit einer dritten Elektrode ermöglicht eine homogenere Kraftverteilung auf eine Betätigung des planaren mikromechanischen Aktuators hin im Inneren des planaren mikromechanischen Aktuators.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem zweiten Aspekt weist jede Teilfolge von Segmenten eine identische Anzahl von Segmenten auf. Das Verwenden von Teilfolgen mit einer identischen Anzahl von Segmenten ermöglicht eine bessere Wiederherstellung der Krümmung und eine homogene Verteilung eines Hubs, der durch den planaren mikromechanischen Aktuator zwischen den gegenüberliegenden Aufhängungszonen erzeugt wird.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem zweiten Aspekt weist der planare mikromechanische Aktuator eine neutrale Achse auf, die in der zweiten Elektrode zwischen den gegenüberliegenden Aufhängungszonen gebildet ist. Wenn eine neutrale Achse innerhalb der zweiten Elektrode vorliegt, liefert dies einen Teil des planaren mikromechanischen Aktuators, der längenmäßig nicht verändert ist und dadurch keiner Kraft unterworfen ist, die auf denselben wirkt.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem zweiten Aspekt weist jede Teilfolge, die die Folgen von Segmenten bildet, exakt ein Segment auf. Ein Implementieren des planaren mikromechanischen Aktuators mit den Teilfolgen schafft einen planaren mikromechanischen Aktuator mit minimaler Länge. Aus der minimalen Länge wird eine maximale Betätigungsfrequenz erhalten und dadurch kann mit dem beschriebenen Ausführungsbeispiel eine hohe Flussrate erzielt werden.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem zweiten Aspekt sind die erste und die zweite Elektrode durch erste Abstandshalter aneinander befestigt und die zweite und die dritte Elektrode sind durch zweite Abstandshalter aneinander befestigt. Die Verwendung einer Befestigung durch Abstandshalter ermöglicht ein Einsparen einer Implementierung der Befestigung direkt an den Elektroden, was eine flexiblere Form der Elektroden erlaubt.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem zweiten Aspekt weist die erste Elektrode in der ersten und vierten Teilfolge der Folge von Segmenten eine größere Dicke auf als die dritte Elektrode. Ferner weist die erste Elektrode in der zweiten und dritten Teilfolge der Folge von Segmenten eine geringere Dicke auf als die dritte Elektrode. Die beschriebene Dickenvariation der Elektroden beispielsweise ermöglicht eine Einsparung von Raum, der für den gesamten planaren mikromechanischen Aktuator verwendet wird, in den Teilfolgen, wo die Elektroden dünn sind. Ferner könnte ein Strukturvorteil ermöglicht werden, d. h. eine robuste Aktuatorstruktur resultieren, während dennoch Material an Teilen eingespart wird, an denen eine geringere strukturelle Robustheit erforderlich ist.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem zweiten Aspekt sind die erste und die zweite Elektrode durch erste Abstandshalter aneinander befestigt und die zweite und die dritte Elektrode sind durch zweite Abstandshalter aneinander befestigt. Ferner sind die ersten und zweiten Abstandshalter und die zweite Elektrode an den ersten und zweiten Abstandshaltern derart gebildet, dass eine Gesamtdicke des planaren mikromechanischen Aktuators an Grenzen zwischen den Teilfolgen von Segmenten konstant bleibt. Beispielsweise gleichen die ersten Abstandshalter einen Übergang einer Dicke der ersten Elektrode von der ersten Teilsequenz zu der zweiten Teilsequenz aus. Deshalb können die ersten Abstandshalter derart geformt sein, dass sie von der ersten Teilfolge zu der zweiten Teilfolge eine ansteigende Neigung aufweisen, um eine abnehmende Dicke der ersten Elektrode von der ersten Teilfolge zu der zweiten Teilfolge zu berücksichtigen. Ferner könnten beispielsweise die zweiten Abstandshalter von der ersten Teilfolge zu der zweiten Teilfolge eine abnehmende Dicke aufweisen, um eine zunehmende Dicke der dritten Elektrode von der ersten Teilfolge zu der zweiten Teilfolge zu berücksichtigen.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem zweiten Aspekt sind Lücken, die zwischen der ersten und der zweiten Elektrode und den ersten Abstandshaltern gebildet sind, bogenförmig und Lücken, die zwischen der zweiten und dritten Elektrode und den zweiten Abstandshaltern gebildet sind, sind bogenförmig. Bogenförmige Lücken liegen aufgrund eines vorteilhaften Segmententwurfs vor, bei dem die Segmente Vorsprünge und Ausnehmungen aufweisen, die einander zugewandt sind.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem zweiten Aspekt sind die Abstandshalter zumindest teilweise aus einem isolierenden Material gebildet. Ein Verwenden von Abstandshaltern, die zumindest teilweise aus einem isolierenden Material gebildet sind, spart beispielsweise ein Implementieren einer Isolierung an oder in den einzelnen Elektroden an den Befestigungen.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem zweiten Aspekt weist in jedem Segment der ersten und vierten Teilfolge eine Außenoberfläche der ersten Elektrode eine erste Krümmung auf, die einen Vorsprung des planaren mikromechanischen Aktuators in dem jeweiligen Segment bildet. Ferner weist eine Außenoberfläche der dritten Elektrode, die entgegengesetzt zu der Außenoberfläche der ersten Elektrode gerichtet ist, eine zweite Krümmung auf, die eine Ausnehmung des planaren mikromechanischen Aktuators bildet. Ferner weist die erste Krümmung einen kleineren Radius auf als die zweite Krümmung. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele ermöglichen eine Implementierung der ersten und vierten Teilfolge mit Segmenten, bei der die Elektroden nahe beieinander angeordnet sind, d. h. mit minimaler Entfernung, was eine Raum- und Materialeinsparung ermöglicht. Dabei ist die minimale Entfernung gekennzeichnet durch eine Verhinderung eines Kontakts der einzelnen Elektroden auf eine Betätigung hin.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem zweiten Aspekt weist in jedem Segment der zweiten und der dritten Teilfolge eine Außenoberfläche der ersten Elektrode eine erste Krümmung auf, die eine Ausnehmung des planaren mikromechanischen Aktuators in dem jeweiligen Segment bildet. Außerdem weist eine Außenoberfläche der dritten Elektrode, die entgegengesetzt zu der Außenoberfläche der ersten Elektrode gerichtet ist, eine zweite Krümmung auf, die einen Vorsprung des planaren mikromechanischen Aktuators bildet. Ferner weist die erste Krümmung einen größeren Radius auf als die zweite Krümmung. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele ermöglichen eine Implementierung der zweiten und der dritten Teilfolge mit Segmenten, bei der die Elektroden nahe beieinander angeordnet sind, d. h. mit minimaler Entfernung, was eine Raum- und Materialeinsparung ermöglicht. Dabei ist die minimale Entfernung gekennzeichnet durch eine Verhinderung eines Kontakts der einzelnen Elektroden auf eine Betätigung hin.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem dritten Aspekt weist die mikromechanische Pumpe ein erstes Absperrventil auf, das an einer ersten Öffnung des ersten Fluiddurchgangs angeordnet ist, um einen Fluidfluss in den oder aus dem ersten Fluiddurchgang zu führen. Das beschriebene Ausführungsbeispiel ist dahin gehend von Vorteil, dass es einen Rückfluss des Fluids von dem oder in den ersten Fluiddurchgang durch das erste Absperrventil vermeidet. Dies wird ermöglicht durch das erste Absperrventil, das nur einen unidirektionalen Fluidfluss erlaubt. Ferner könnte das erste Absperrventil neu konfigurierbar sein, um eine Veränderung der Fluidflussrichtung zu ermöglichen.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem dritten Aspekt weist die mikromechanische Pumpe ein zweites Absperrventil auf, das den ersten und den zweiten Fluiddurchgang verbindet, und ist zwischen einer zweiten Öffnung des ersten Fluiddurchgangs und einer ersten Öffnung des zweiten Fluiddurchgangs angeordnet. Ferner ist das zweite Absperrventil ausgebildet, um einen Fluidfluss von dem ersten Fluiddurchgang in den zweiten Fluiddurchgang zu führen. Das beschriebene Ausführungsbeispiel verweigert oder reduziert vorzugsweise einen Rückfluss eines Fluids aus dem zweiten Fluiddurchgang in den ersten Fluiddurchgang, da das zweite Absperrventil einen undirektionalen Fluss des Fluids erzwingt. Ferner könnte das zweite Absperrventil neu konfigurierbar sein, um eine Veränderung der Fluidflussrichtung zu ermöglichen.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem dritten Aspekt weist die mikromechanische Pumpe ein drittes Absperrventil auf, das an einer zweiten Öffnung des zweiten Fluiddurchgangs angeordnet ist, um einen Fluidfluss in den oder aus dem zweiten Fluiddurchgang zu führen. Das beschriebene Ausführungsbeispiel verweigert oder reduziert vorzugsweise einen Rückfluss eines Fluids aus dem oder in den zweiten Fluiddurchgang, da das dritte Absperrventil einen unidirektionalen Fluss des Fluids erzwingt. Ferner könnte das dritte Absperrventil neu konfigurierbar sein, um eine Veränderung der Fluidflussrichtung zu ermöglichen.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem dritten Aspekt ist der erste planare Aktuator an einem Ende entlang des ersten Fluiddurchgangs an einer ersten Aufhängung aufgehängt. Ferner ist die erste Aufhängung ausgebildet, um auf eine Auslenkung des auslenkbaren Abschnitts des einen oder der mehreren zweiten auslenkbaren Abschnitte hin konform zu einem auslenkbaren Abschnitt des einen oder der mehreren zweiten ablenkbaren Abschnitte des zweiten planaren Aktuators zu sein. Ein Verwenden der ersten Aufhängung reduziert ein Totvolumen auf eine Betätigung hin, d. h. wenn die Aktuatoren ausreichend nahe beieinander angeordnet sind, kann ein größeres Volumen in dem ersten Fluiddurchgang aus dem Fluiddurchgang heraus transportiert werden und ein kleineres oder gar keines kann innerhalb des ersten Fluiddurchgangs verbleiben.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem dritten Aspekt ist der zweite planare Aktuator an einem Ende entlang des ersten Fluiddurchgangs an einer zweiten Aufhängung aufgehängt. Ferner ist die zweite Aufhängung ausgebildet, um auf eine Betätigung des auslenkbaren Abschnitts des einen oder der mehreren ersten auslenkbaren Abschnitte des ersten planaren Aktuators hin konform zu einem auslenkbaren Abschnitt des einen oder der mehreren ersten auslenkbaren Abschnitte des ersten planaren Aktuators zu sein. Ein Verwenden der zweiten Aufhängung reduziert ein Totvolumen auf eine Betätigung hin, d. h. wenn die Aktuatoren ausreichend nahe beieinander angeordnet sind, kann ein größeres Volumen in dem ersten Fluiddurchgang aus dem Fluiddurchgang heraus transportiert werden oder ein kleineres oder gar keines kann innerhalb des ersten Fluiddurchgangs verbleiben.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem dritten Aspekt ist der dritte planare Aktuator an einem Ende entlang des zweiten Fluiddurchgangs an einer dritten Aufhängung aufgehängt. Ferner besitzt die dritte Aufhängung die gleiche Form wie die erste Aufhängung. Ein Verwenden der dritten Aufhängung macht einen Fluidtransport durch einen optionalen dritten Fluiddurchgang (entlang des dritten planaren Aktuators, an einer gegenüberliegenden Seite des zweiten Fluiddurchgangs) effektiver, da auf eine Betätigung eines optionalen vierten planaren Aktuators hin (angeordnet entlang des dritten planaren Aktuators) ein kleineres Volumen in dem optionalen dritten Fluiddurchgang verbleiben kann.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem dritten Aspekt ist die mikromechanische Pumpe ausgebildet, um die auslenkbaren Abschnitte der planaren Aktuatoren sequentiell (der Reihe nach) auszulenken. Die sequenzielle Auslenkung ist ausgebildet, um eine peristaltische Bewegung zu erzeugen. Mit anderen Worten, die auslenkbaren Abschnitte gegenüberliegender planarer Aktuatoren werden der Reihe nach entlang einer Pumprichtung betätigt, so dass ein Fluid aus einem Fluiddurchgang zwischen den gegenüberliegenden planaren Aktuatoren heraus gedrückt wird. Die beschriebene peristaltische Bewegung reduziert einen Rückfluss innerhalb eines Fluiddurchgangs und ermöglicht deshalb einen effizienten Fluidtransport.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem vierten Aspekt weist jedes planare mikromechanische Aktuatorsegment einen Schichtstapel auf, der aus einer ersten, zweiten und dritten Elektrode zusammengesetzt ist, wobei die zweite Elektrode sandwichartig zwischen der ersten und der dritten Elektrode angeordnet ist. Ferner ist die Oberfläche mit der ersten Krümmung des ersten planaren mikromechanischen Aktuatorsegments durch die dritte Elektrode des ersten planaren mikromechanischen Aktuatorsegments gebildet und die Oberfläche mit der zweiten Krümmung des zweiten planaren mikromechanischen Aktuatorsegments ist durch die erste Elektrode des zweiten planaren mikromechanischen Aktuatorsegments gebildet. Ein Verwenden des beschriebenen Entwurfs für das mikromechanische Aktuatorsegment ermöglicht die Implementierung einer robusteren mikromechanischen Aktuatoranordnung.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem vierten Aspekt weisen der erste und der zweite planare mikromechanische Aktuator Folgen planarer mikromechanischer Aktuatorsegmente auf. Durch eine laterale Verkettung von Segmenten senkrecht zu einer Auslenkrichtung können die Folgen erhalten werden. Eine Folge von Segmenten kann vorteilhafterweise verwendet werden, um einen größeren Hub zu erzeugen als ein einzelnes Segment.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem vierten Aspekt sind der erste und der zweite planare mikromechanische Aktuator zwischen gegenüberliegenden Aufhängungszonen aufgehängt. Das Aufhängen der mikromechanischen Aktuatoranordnung an gegenüberliegenden Aufhängungszonen kann verwendet werden, um die mikromechanische Aktuatoranordnung beispielsweise in einen Wafer zu integrieren.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem fünften Aspekt weist der mikromechanische Aktuator eine geschlossene Kontur auf und die geschlossene Kontur des mikromechanischen Aktuators ist ausgebildet, um seine Form auf eine Betätigung des mikromechanischen Aktuators hin zu modulieren. Die geschlossene Kontur kann basierend auf mikromechanischen Aktuatoren gebildet sein, wie sie in Bezug auf einen der vorstehend erwähnten Aspekte der vorliegenden Anmeldung beschrieben sind. Der beschriebene mikromechanische Aktuator mit der Kontur kann vorzugsweise verwendet werden, um einen Fluidfluss durch allmähliches Verändern der Form der geschlossenen Kontur basierend auf einem Aktivierungssignal flexibel allmählich zu regulieren.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem fünften Aspekt besitzt die geschlossene Kontur des mikromechanischen Aktuators eine Kreisform, wenn dieser gerade nicht betätigt wird. Ferner ist die geschlossene Kontur des mikromechanischen Aktuators ausgebildet, um auf eine Betätigung hin eine elliptische Form zu besitzen. Ein Verwenden des mikromechanischen Aktuators ermöglicht eine besonders vorteilhafte allmähliche Flusssteuerung. Eine elliptische Form kann Fokusse aufweisen, die weit auseinanderliegen, die verwendet werden könnten, um eine große Flussreduktion zu erzeugen, wenn die Fokusse der Ellipsen in einer Linie senkrecht zu einer Flussrichtung liegen.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem fünften Aspekt ist die geschlossene Kontur des mikromechanischen Aktuators an einem Punkt der geschlossenen Kontur an zumindest einem der beiden parallelen Wandabschnitte befestigt. Ein Verwenden der Befestigung ermöglicht eine einfache Anbringung des mikromechanischen Aktuators in einem Weg eines Fluidflusses.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem fünften Aspekt ist die geschlossene Kontur des mikromechanischen Aktuators durch zumindest zwei Federn an zumindest einem der beiden parallelen Wandabschnitte befestigt. Ferner sind die Federn an einem Ende an im Wesentlichen gegenüberliegenden Punkten der geschlossenen Kontur des mikromechanischen Aktuators befestigt und mit einem anderen Ende an Punkten oder einem Punkt an zumindest einem der beiden parallelen Wandabschnitte befestigt, die sich innerhalb der geschlossenen Kontur befinden. Die beschriebene Befestigung durch Federn ermöglicht eine flexible Anbringung, derart, dass der mikromechanische Aktuator ohne Weiteres auf eine Betätigung hin seine Kontur verändern kann.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem fünften Aspekt ist der mikromechanische Aktuator planar und ausgebildet, um auf eine Betätigung hin entlang einer lateralen Richtung zwischen einer Aufhängungszone, an der der mikromechanische Aktuator aufgehängt ist, und einem nicht aufgehängten Ende des mikromechanischen Aktuators ausgelenkt zu werden. Ferner ist der mikromechanische Aktuator, wenn er nicht betätigt ist, an einer Wand der Fluiddurchgangsverbindung der beiden parallelen Wandabschnitte angeordnet und der mikromechanische Aktuator bewegt das nicht aufgehängte Ende auf eine Betätigung hin in den Fluiddurchgang hinein. Das beschriebene Ausführungsbeispiel ermöglicht eine Implementierung eines günstigen und kosteneffektiven Ventils, da der mikromechanische Aktuator unter Verwendung einer kleinen Menge von Segmenten, anders ausgedrückt einer kleinen Mengen an Material, gebildet werden kann.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem fünften Aspekt ist der mikromechanische Aktuator ausgebildet, um auf eine Auslenkung des mikromechanischen Aktuators hin einen Fluidfluss in einer Richtung entlang des aufgehängten Endes des mikromechanischen Aktuators zu dem nicht aufgehängten Ende des mikromechanischen Aktuators hin zu ermöglichen und einen Fluidfluss in einer Richtung entlang des nicht aufgehängten Endes zu dem aufgehängten Ende des mikromechanischen Aktuators hin zu vermeiden. Das beschriebene Ausführungsbeispiel implementiert ein Absperrventil, das vorzugsweise verwendet werden kann, um einen Fluidfluss nur in einer Richtung zu führen.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem fünften Aspekt weist das mikromechanische Ventil einen weiteren mikromechanischen Aktuator auf, der planar und ausgebildet ist, um auf eine Betätigung hin entlang einer lateralen Richtung zwischen einer weiteren Aufhängungszone, an der der weitere mikromechanische Aktuator aufgehängt ist, und einem weiteren nicht aufgehängten Ende des weiteren mikromechanischen Aktuators ausgelenkt zu werden. Ferner ist der mikromechanische Aktuator, wenn derselbe nicht betätigt ist, an der Wand des Fluiddurchgangs angeordnet, der die gegenüberliegenden parallelen Wandabschnitte verbindet und der weitere mikromechanische Aktuator bewegt das weitere nicht aufgehängte Ende auf eine Betätigung hin in den Fluiddurchgang hinein. Ferner geht bei Betrachtung entlang einer vorbestimmten Richtung innerhalb des Fluiddurchgangs das nicht aufgehängte Ende der Aufhängungszone voran und die weitere Aufhängungszone geht dem weiteren nicht aufgehängten Ende voran. Der mikromechanische Aktuator kann ihre Aufhängungszonen gemeinschaftlich verwenden, so dass beide an einer gemeinsamen Aufhängungszone aufgehängt sind. Das beschriebene Ausführungsbeispiel ermöglicht eine effiziente und flexible Implementierung eines Absperrventils und einer Flussratensteuerung.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem fünften Aspekt ist das mikromechanische Ventil ausgebildet, um auf eine Auslenkung des nicht aufgehängten Endes des mikromechanischen Aktuators hin einen Fluidfluss in einer Richtung von dem weiteren nicht aufgehängten Ende zu dem nicht aufgehängten Ende hin zu ermöglichen und einen Fluidfluss in einer Richtung von dem nicht aufgehängten Ende zu dem weiteren nicht aufgehängten Ende hin zu vermeiden. Das beschriebene Ausführungsbeispiel ermöglicht effizient eine Implementierung eines Absperrventils, und zwar derart, dass das Ventil seine Verwendung von einer Flussratensteuerung zu einer Flussrichtungssteuerung hin ändern kann.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem fünften Aspekt ist das mikromechanische Ventil ausgebildet, um auf eine Auslenkung des Weiteren nicht aufgehängten Endes des weiteren mikromechanischen Aktuators hin einen Fluidfluss in einer Richtung entlang des nicht aufgehängten Endes zu dem weiteren nicht aufgehängten Ende hin zu ermöglichen und einen Fluidfluss in einer Richtung entlang des Weiteren nicht aufgehängten Endes zu dem nicht aufgehängten Ende hin zu vermeiden. Das beschriebene Ausführungsbeispiel ermöglicht effizient eine Implementierung eines bidirektionalen Absperrventils und einer Flusssteuerung, so dass das Ventil die Flussrichtung während der Verwendung ändern kann. Ferner kann es vorzugsweise eine Einrichtung für eine Flussratensteuerung bereitstellen.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem fünften Aspekt weist das mikromechanische Ventil eine dritte und eine vierte Fluidöffnung auf, die eine Kreuzung mit der ersten und der zweiten Fluidöffnung bilden. Ferner ist der mikromechanische Aktuator planar und weist zwei auslenkbare Abschnitte auf. Der mikromechanische Aktuator ist zwischen den beiden auslenkbaren Abschnitten an zumindest einem der beiden parallelen Wandabschnitte in der Kreuzung befestigt. Ferner ist der mikromechanische Aktuator ausgebildet, um einen Fluidfluss zwischen der ersten Fluidöffnung einerseits und der zweiten, dritten und vierten Fluidöffnung andererseits in einem nicht betätigten Zustand zu ermöglichen. Ferner ist der mikromechanische Aktuator ausgebildet, um auf eine Betätigung des mikromechanischen Aktuators hin, d. h. in einem betätigten Zustand, einen Fluidfluss nur zwischen der ersten Fluidöffnung und der dritten Fluidöffnung und nur zwischen der zweiten Fluidöffnung und der vierten Fluidöffnung zu ermöglichen. Das beschriebene Ausführungsbeispiel schafft eine flexible Struktur, die ein Umschalten von einer Kreuzungsstruktur zu einer Aufteilungsstruktur ermöglicht. Mit anderen Worten, eine Flussrichtung kann auf eine flexible Weise verteilt oder geführt werden.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem fünften Aspekt weist das mikromechanische Ventil eine dritte und eine vierte Fluidöffnung auf, die eine Kreuzung mit der ersten und der zweiten Fluidöffnung bilden. Ferner ist der mikromechanische Aktuator gebogen und weist zwei auslenkbare Abschnitte auf, wobei der mikromechanische Aktuator zwischen den beiden auslenkbaren Abschnitten an zumindest einem der beiden parallelen Wandabschnitte in der Kreuzung befestigt ist. Ferner ist der mikromechanische Aktuator ausgebildet, um in einem nicht betätigten Zustand oder einer nicht betätigten Position einen Fluidfluss nur zwischen der ersten Fluidöffnung und der dritten Fluidöffnung und nur zwischen der zweiten Fluidöffnung und der vierten Fluidöffnung zu ermöglichen. Ferner ist der mikromechanische Aktuator ausgebildet, um einen Fluidfluss zwischen der ersten Fluidöffnung einerseits und der zweiten, dritten und vierten Fluidöffnung andererseits in einem ersten Betätigungszustand oder einem ersten betätigten Zustand zu ermöglichen. Ferner ist der mikromechanische Aktuator ausgebildet, um in einem zweiten betätigten Zustand oder in einem zweiten Betätigungszustand einen Fluidfluss nur zwischen der ersten Fluidöffnung und der vierten Fluidöffnung und nur zwischen der zweiten Fluidöffnung und der dritten Fluidöffnung zu ermöglichen. Das beschriebene Ausführungsbeispiel ermöglicht ein flexibles ausbildbares Aufteilungs-/Kreuzungsventil. Mit anderen Worten, Fluidflüsse können besonders flexibel zu erwünschten Öffnungen geleitet werden.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem fünften Aspekt weist das mikromechanische Ventil eine dritte und eine vierte Fluidöffnung auf, die eine Kreuzung mit der ersten und der zweiten Fluidöffnung bilden, wobei der mikromechanische Aktuator eine geschlossene Kontur aufweist und in der Kreuzung angeordnet ist. Ferner ist der mikromechanische Aktuator ausgebildet, um in einem nicht betätigten oder einer nicht betätigten Position einen Fluidfluss zwischen der ersten Fluidöffnung einerseits und der zweiten, dritten und vierten Fluidöffnung andererseits zu ermöglichen. Ferner ist der mikromechanische Aktuator ausgebildet, um in einem ersten Betätigungszustand oder einem ersten betätigten Zustand einen Fluidfluss nur zwischen der ersten Fluidöffnung und der dritten Fluidöffnung und nur zwischen der zweiten Fluidöffnung und der vierten Fluidöffnung zu ermöglichen. Ferner ist der mikromechanische Aktuator ausgebildet, um in einem zweiten Betätigungszustand oder einem zweiten betätigten Zustand einen Fluidfluss nur zwischen der ersten Fluidöffnung und der vierten Fluidöffnung und nur zwischen der zweiten Fluidöffnung und der dritten Fluidöffnung zu ermöglichen. Die geschlossene Kontur könnte basierend auf mikromechanischen Aktuatoren gebildet sein, wie in Bezug auf einen der vorstehend erwähnten Aspekte der vorliegenden Anmeldung beschrieben wurde. Das beschriebene Ausführungsbeispiel ermöglicht ein flexibles konfigurierbares Aufteilungs-/Kreuzungsventil. Mit anderen Worten, Fluidflüsse können besonders flexibel zu erwünschten Öffnungen geleitet werden. Ferner kann eine Flussratensteuerung mit dem erwünschten Ausführungsbeispiel erzielt werden, da in Abhängigkeit von der Form der geschlossenen Kontur einzelne Fluidwege vergrößert oder verkleinert werden können.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem fünften Aspekt ist die mikromechanische Betätigung durch zumindest zwei Federn befestigt, wobei die Federn an einem Ende an im Wesentlichen gegenüberliegenden Enden der geschlossenen Kontur des mikromechanischen Aktuators angebracht sind und an dem anderen Ende an zumindest einem der beiden parallelen Wandabschnitte angebracht sind. Eine Befestigung der geschlossenen Kontur in dem Aufteilungs-/Kreuzungsventil ermöglicht eine einfache Anbringung des mikromechanischen Aktuators, während dennoch Flexibilität für die veränderliche geschlossene Kontur bereitgestellt wird.
Bei Ausführungsbeispielen gemäß dem fünften Aspekt ist der mikromechanische Aktuator an zumindest einem der beiden parallelen Wandabschnitte an der Kreuzung an einem Punkt an der geschlossenen Kontur befestigt. Eine Verwendung der Befestigung ermöglicht eine einfache und kosteneffektive Anbringung des mikromechanischen Aktuators in dem Aufteilungs-/Kreuzungsventil.
Natürlich ist es möglich, die oben erwähnten Aspekte zu kombinieren, d. h. mikromechanische Bauelemente zu implementieren, die einen Vorteil aus mehr als einem der oben dargelegten Aspekte ziehen.
Figurenliste
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung sind unten Bezug nehmend auf die Figuren beschrieben. Es zeigen:

1a-b eine Seitenansicht eines planaren mikromechanischen Aktuators in einem nicht betätigten Zustand, 1a, und in einem betätigten Zustand, 1b, gemäß einem Ausführungsbeispiel des ersten Aspekts der vorliegenden Anmeldung;
2a-b eine Seitenansicht eines planaren mikromechanischen Aktuators gemäß einem Ausführungsbeispiel des zweiten Aspekts der vorliegenden Anmeldung, wobei 2b eine vergrößerte Ansicht eines Teilabschnitts des planaren mikromechanischen Aktuators zeigt;
3a-b schematische Darstellungen planarer mikromechanischer Aktuatoren gemäß Aspekten der vorliegenden Anmeldung;
4 einen Graphen, der Aspekte der Erfindungen darstellt;
5a-b Seitenansichten einer mikromechanischen Pumpe gemäß einem Ausführungsbeispiel des dritten Aspekts der vorliegenden Anmeldung;
6a-b ein Konzept zum Reduzieren des Totvolumens, das für die mikromechanische Pumpe gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Anmeldung verwendet wird;
7a-b Teilabschnitte mikromechanischer Pumpen gemäß Ausführungsbeispielen des dritten Aspekts;
8 eine mikromechanische Pumpe 80 gemäß Ausführungsbeispielen des dritten Aspekts der vorliegenden Anmeldung;
9 eine Seitenansicht einer mikromechanischen Pumpe gemäß Ausführungsbeispielen des dritten Aspekts der vorliegenden Anmeldung;
10 eine mikromechanische Aktuatoranordnung gemäß Ausführungsbeispielen des vierten Aspekts der vorliegenden Anmeldung;
11a-c Seitenansichten eines mikromechanischen Ventils gemäß Ausführungsbeispielen des fünften Aspekts der vorliegenden Anmeldung;
12a-d ein mikromechanisches Ventil gemäß Ausführungsbeispielen des fünften Aspekts der vorliegenden Anmeldung;
13a-d ein mikromechanisches Ventil gemäß Ausführungsbeispielen des fünften Aspekts der vorliegenden Anmeldung;
14a eine schematische Darstellung eines Prinzips, das Ausführungsbeispielen des fünften Aspekts der vorliegenden Anmeldung zugrunde liegt;
14b-d ein mikromechanisches Ventil gemäß Ausführungsbeispielen des fünften Aspekts der vorliegenden Anmeldung;
15a-b eine Kombination von Konzepten in Bezug auf Aspekt eins und Aspekt zwei einerseits und Aspekt fünf andererseits;
16a-b eine Membranpumpe, die Konzepte aus Aspekt eins, zwei und fünf der vorliegenden Anmeldung kombiniert;
17a-b eine Membranpumpe, ähnlich der Membranpumpe in den 16a-b, die Aspekte der vorliegenden Anmeldung beinhaltet;
18a-d Pumpen gemäß Aspekten der vorliegenden Anmeldung und eine Ausbildung von Pumpen;
19 einen Graphen, der die Abhängigkeit von Flussrate und Druck in Bezug auf Pumpenausbildungen darstellt;
20 Graphen gemäß Konzepten der vorliegenden Anmeldung;
21 eine mikromechanische Pumpe gemäß Ausführungsbeispielen des sechsten Aspekts der vorliegenden Anmeldung;
22 eine herkömmliche mikromechanische Pumpe.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine Seitenansicht eines planaren mikromechanischen Aktuators 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel eines ersten Aspekts der vorliegenden Anmeldung. Der planare mikromechanische Aktuator 10 weist ein erstes Segment 11, ein zweites Segment 12, ein drittes Segment 13 und ein viertes Segment 14 auf. Das erste bis vierte Segment 11-14 weist jeweils eine erste Elektrode 11a-14a und eine zweite Elektrode 11b-14b auf. Ferner weist jedes Segment eine Lücke 11 c-14c auf, die durch die jeweilige erste Elektrode 11a-14a und die jeweilige zweite Elektrode 11b-14b gebildet ist. Außerdem weist der planare mikromechanische Aktuator 10 eine neutrale Achse 15 auf, die in der jeweiligen zweiten Elektrode 11 b-14b jedes Segments gebildet ist, versetzt zu der neutralen Achse 15 sind die Lücken 11c-14c entlang einer Dickenrichtung 16 angeordnet. Außerdem ist das erste Segment 11 an einem Ende an einer ersten Aufhängungszone 10a aufgehängt und ein viertes Segment 14 ist an einem Ende an einer zweiten Aufhängungszone 10b gegenüber von der ersten Aufhängungszone 10a aufgehängt. Die erste und die zweite Elektrode sind an jedem Segment an den jeweiligen gegenüberliegenden Enden der Segmente entlang der Richtung zwischen den gegenüberliegenden Aufhängungszonen 10a und 10b aneinander befestigt, wobei sie über eine Lücke 11c-14c zwischen den Enden des jeweiligen Segments voneinander getrennt sind. Dabei können bei weiteren Ausführungsbeispielen die Elektroden aneinander befestigt sein und dabei mehr als eine Lücke in jedem Segment bilden.
Auf das Anlegen einer Spannung an die jeweilige erste 11a-14a und zweite 11b-15b Elektrode hin führt eine Anziehungskraft zu einer Auslenkung der einzelnen Segmente. Insbesondere führt eine Anziehungskraft zwischen der ersten Elektrode 11a und einer zweiten Elektrode 11b zu einer Auslenkung des ersten Segments 11 in einer Richtung entgegengesetzt zu der Dickenrichtung 16. Ferner führt eine Anziehungskraft zwischen der ersten Elektrode 12a und der zweiten Elektrode 12b zu einer Auslenkung des zweiten Segments 12 in der Dickenrichtung 16. Es wird hier darauf hingewiesen, dass der Ausdruck „Dickenrichtung“ verwendet wird, um eine erste Richtung entlang einer Dicke, oder senkrecht zu lateralen Abmessungen des planaren mikromechanischen Aktuators 10 zu bezeichnen, wobei die entgegengesetzte Richtung eine zweite Richtung bezeichnet, die relativ zu der ersten Richtung entgegengesetzt zeigt. Das Segment 13 wird wie das Segment 12 auf das Anlegen der Spannung hin in der Dickenrichtung 16 ausgelenkt. Das vierte Segment 14 wird auf eine Betätigung hin, d. h. auf das Anlegen der Spannung hin, in die Richtung entgegengesetzt zu der Dickenrichtung 16 ausgelenkt, wie für das erste Segment 11 beschrieben ist. Die gleichzeitige Aktivierung der einzelnen Segmente 11-14 durch Anlegen einer Spannung zwischen der ersten 11a-14a und zweiten 11b-14b Elektrode führt dazu, dass der planare mikromechanische Aktuator 10 in Richtung einer Richtung entgegengesetzt zu der Richtung 16 ausgelenkt wird, während er an Zonen 10a und 10b fixiert ist, d. h. der planare mikromechanische Aktuator 10 wölbt sich auf eine gleichzeitige Aktivierung hin entgegengesetzt zu der Richtung 16 aus. Die Auslenkung des mikromechanischen Aktuators, d. h. das Auswölben auf eine gleichzeitige Aktivierung hin in die Richtung entgegengesetzt zu der Dickenrichtung 16, ist in 1b gezeigt. Die Biegekrümmung, die durch die Segmente 11 und 14 bewirkt wird, wird durch die Biegekrümmung von Segmenten 12 und 13 kompensiert, so dass das Auswölben zum Bewirken eines Fluidflusses verwendet werden kann. Ein Beispiel ist im Folgenden gezeigt, wie es für den mikromechanischen Aktuator 10 beschrieben ist, nur für die Segmente 11-14 ist ein kurzer Aktuator 10 erhältlich. Ein kurzer Aktuator ermöglicht eine hohe Betätigungsfrequenz und dadurch eine schnelle Betätigung. Ein Fluid kann deshalb mit dem beschriebenen Aktuator 10 schnell, d. h. mit einer hohen Flussrate, gepumpt werden. Das zugrundeliegende Betätigungsprinzip des planaren mikromechanischen Aktuators 10 ist in der W02012095185 detaillierter beschrieben. Bei alternativen Ausführungsbeispielen mit unterschiedlich geformten Lücken könnten die Aktuatoren ausgebildet sein, um verglichen mit dem planaren mikromechanischen Aktuator 10 in die entgegengesetzten Richtungen ausgelenkt zu werden. Ferner könnten Lücken an jeder Seite der Elektrode 11b-14b gebildet sein, gebildet durch eine zusätzliche dritte Elektrode, wie in Bezug auf 2 gezeigt ist.
2a zeigt eine Seitenansicht eines planaren mikromechanischen Aktuators 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel eines zweiten Aspekts der vorliegenden Anmeldung. Der planare mikromechanische Aktuator 20 weist eine erste Teilfolge von Segmenten 21, eine zweite Teilfolge von Segmenten 22, eine dritte Teilfolge von Segmenten 23 und eine vierte Teilfolge von Segmenten 24 auf. Jede der ersten bis vierten Teilsequenz 21-24 weist eine erste 21a-24a, eine zweite 21b-24b und eine dritte 21c-24c Elektrode auf. Für jedes Segment ist die jeweilige zweite Elektrode 21b-24b sandwichartig zwischen der jeweiligen ersten 21a-24a und dritten 21c-24c Elektrode angeordnet. Der planare mikromechanische Aktuator 20 ist an einer ersten Aufhängungszone 20a und einer zweiten Aufhängungszone 20 aufgehängt, die gegenüberliegend, z. B. an gegenüberliegenden Wandabschnitten, angeordnet sind. Ferner weist der planare mikromechanische Aktuator 20 eine neutrale Achse 25 auf, die in der jeweiligen zweiten Elektrode 21b-24b jedes Segments 21-24 gebildet ist.
Obwohl in 2 jede Teilfolge von Segmenten 21-24 des planaren mikromechanischen Aktuators 20 nur ein Segment aufweist, könnte bei weiteren bevorzugten Ausführungsbeispielen gemäß dem zweiten Aspekt jede Teilfolge mehr als ein Segment aufweisen. Die Segmente der ersten 21 und vierten 24 Teilfolge sind so gebildet, dass sie sich in Richtung einer ersten Richtung 26 auswölben, und die Segmente der zweiten 22 und dritten 23 Teilfolge sind so gebildet, dass sie sich in einer zweiten Richtung 27 auswölben. Die ausgewölbte Form führt zu bogenförmigen Lücken zwischen den Elektroden, basierend auf denen verglichen mit einem planaren Aktuator auf Lückenbasis eine effizientere Auslenkung erzielt werden kann. Ferner ist der planare mikromechanische Aktuator 20 ausgebildet, um auf das Anlegen einer Spannung an die erste 21a-24a und dritte 21c-24c Elektrode einerseits und die zweite 21b-24b Elektrode andererseits in die zweite Richtung 27 ausgelenkt zu werden.
Die jeweilige erste 21a-24a und dritte 21c-24c Elektrode jedes Segments 21-24 sind durch Abstandshalter von der jeweiligen zweiten Elektrode 21b-24b beabstandet angeordnet, obwohl weitere Ausführungsbeispiele gemäß dem zweiten Aspekt die Elektroden direkt aneinander befestigt könnten, ohne den Bedarf nach Abstandshaltern. Ferner weisen die dritten Elektroden 21c und 24c in der ersten 21 und vierten 24 Teilfolge von Segmenten eine kleinere Dicke auf als die ersten Elektroden 21a und 24a. Ferner weisen die ersten Elektroden 22a und 23a in der zweiten 22 und dritten 23 Teilfolge von Segmenten eine kleinere Dicke auf als die dritten 22c und 23c Elektroden. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsbeispielen könnten die ersten und dritten Elektroden mit gleicher Dicke gebildet sein. Ferner weist zum Kompensieren der variierenden Dicke der ersten 21a-24a und dritten 21c-24c Elektrode der planare mikromechanische Aktuator 20 Abstandshalter 21d, 22d, 23d und 24d auf, die derart ausgebildet sind, dass eine Gesamtdicke des planaren mikromechanischen Aktuators entlang der neutralen Achse 25 im Wesentlichen konstant bleibt.
2b zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Segments eines planaren mikromechanischen Aktuators gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Anmeldung. Die vergrößerte Ansicht kann Teil der vierten Teilfolge 24 des Aktuators 20 sein. Insbesondere kann ein Teil der vierten Teilfolge 24, der an die zweite Aufhängungszone 20b angrenzt, dargestellt sein. In diesem angrenzenden Teil weist die zweite Elektrode 24b in Richtung der zweiten Aufhängungszone 20b eine allmählich abnehmende Dicke auf. Die reduzierte Dicke erzeugt eine Ausnehmung 24d' in der zweiten Elektrode 24b, die durch den Abstandshalter 24d gefüllt ist. Ferner weist zum Kompensieren der reduzierten Dicke der zweiten Elektrode 24b die dritte Elektrode 24d in Richtung der zweiten Aufhängungszone 20b eine allmählich zunehmende Dicke auf. Die erhöhte Dicke der zweiten Elektrode 24c erzeugt einen Vorsprung 24d'', zu dem der Abstandshalter 24d eine konforme Ausnehmung aufweist. Die erhöhte Dicke der dritten Elektrode 24c ist nützlich zum Verbinden einer dritten Elektrode mit einer größeren Dicke als die Elektrode 24c, z. B. Elektroden 22c und 23c, während eine Gesamtdicke des Aktuators, z. B. des Aktuators 20, beibehalten wird, und die reduzierte Dicke der zweiten Elektrode 24b kann in einem benachbarten Segment durch eine zweite Elektrode mit einer allmählich zunehmenden Dicke kompensiert werden, die wiederum durch konforme Abstandshalter kompensiert werden kann.
3a und 3b zeigen schematische Darstellungen planarer mikromechanischen Aktuatoren 30 und 30', die jeweils eine Folge von Segmenten zwischen gegenüberliegenden Aufhängungszonen 30a und 30b aufweisen. Der planare mikromechanische Aktuator 30 in 3a ist zwischen den gegenüberliegenden Aufhängungszonen 30a und 20b in Teilfolgen von Segmenten 31-34 segmentiert, wobei jede Teilfolge von Segmenten 31-34 nur ein Segment gleicher Länge aufweist. Die Teilfolgen 31'-34' des planaren mikromechanischen Aktuators 30' weisen jeweils zwei Segmente gleicher Länge auf. Dadurch ist der planare mikromechanische Aktuator 30 ein Aktuator mit vier Segmenten (Elementen) und der planare mikromechanische Aktuator 30' ist ein Aktuator mit acht Segmenten (Elementen). Der planare mikromechanische Aktuator 30 kann unter Verwendung der Segmente gebildet sein, die in dem Zusammenhang des planaren mikromechanischen Aktuators 10 oder 20 beschrieben sind. Die Segmente, die für den planaren mikromechanischen Aktuator 10 oder 20 verwendet werden, könnten auch für die Segmente des planaren mikromechanischen Aktuators 30' verwendet werden. 3a und 3b stellen ferner Hubvolumina S₁ und S₂ dar, was ein Fluidvolumen ist, das durch die planaren mikromechanischen Aktuatoren 30 bzw. 30' bewegt werden kann. Das Hubvolumen S₂ ist aufgrund der erhöhten Länge des planaren mikromechanischen Aktuators 30' verglichen mit dem mikromechanischen Aktuator 30 größer als das Hubvolumen S₁. Der mikromechanische Aktuator 30 könnte jedoch verglichen mit dem planaren mikromechanischen Aktuator 30' aufgrund seiner verminderten Länge eine höhere Betätigungsfrequenz aufweisen, wodurch es auch möglich sein kann, einen größeren Fluidfluss zu erzeugen als der planare mikromechanische Aktuator 30'.
Die planaren mikromechanischen Aktuatoren 10, 20, 30 und 30' könnten auch Betätigungsentitäten (BEs) genannt werden. Um eine „eingeklemmt/eingeklemmt“ Betätigungsentität zu erzeugen, könnten 4N Basisaktuatoren (laterale Nano-e-Antrieb-Aktuatoren: L-NED) nötig sein, wobei N Aktuatoren nach oben gebogen sind, gefolgt durch zwei N Aktuatoren, die nach unten gebogen sind, und N Aktuatoren, die nach oben gebogen sind. Basisaktuatoren könnten Segmente, zum Beispiel Segmente 11-14 des planaren mikromechanischen Aktuators 10, Segmente der Teilfolgen von Segmenten 21-24 des planaren mikromechanischen Aktuators 20, Segmente 31-34 des planaren mikromechanischen Aktuators 30 oder Segmente von Teilfolgen 31'-34' des planaren mikromechanischen Aktuators 30', sein. Eine BE betrachtend, die aus einem definierten Basisaktuator hergestellt ist, jedoch mit unterschiedlichen N-Werten, wird eine indirekte Wirkung einer Variation eines Hubs auf eine Flussrate einer Mikropumpe unter Verwendung der beschriebenen BEs in 4 untersucht. Ein folgender Ansatz kann eine erste Lösung für eine Problematik der Untersuchung ergeben. Einerseits erzeugt ein längerer Hub einen größeren Hub. Ein Multiplizieren einer Länge eines Aktuators, beispielsweise Betätigungsentität, mit zwei erhöht das Hubvolumen um vier. Dies erhöht jedoch auch die Standfläche (erforderlichen Raum/erforderliche Größe) bei einem System, das das System aufweist (in der Länge und auch in der Höhe um 2, aufgrund einer Erhöhung dieser Platzierung, d. h. mehr Raum könnte benötigt werden), und reduziert folglich eine Aktuatordichte (Aktuator pro Einheitsoberfläche beispielsweise eines Wafers, auf dem die Aktuatoren implementiert sind). Andererseits ist eine Resonanzfrequenz eines Balkens (BE, planarer mikromechanischer Aktuator) mit einer spezifischen Biegesteifigkeit, die für einen beliebigen Wert von N kontant ist, umgekehrt proportional zu dem Quadrat der Länge des Balkens. Ein Reduzieren der Länge des Aktuators (Balkens, BE, planaren mikromechanischen Aktuators) um zwei multipliziert die Resonanzfrequenz mit 4 und so indirekt eine maximale Betätigungsfrequenz. 4 stellt eine Flussrate pro Oberflächenfläche dar, die durch eine BE (Balken, planaren mikromechanischen Aktuator) für verschiedene Werte von N erzeugt wird, die alle das gleiche Basiselement (Segment) verwenden. In der gleichen Weise ist für ein definiertes Moment, das entlang des Balkens angewendet wird, der durchschnittliche Druck der BE proportional zu In(L)/L. Ein Erhöhen der Größe der BE kann den erzeugten Druck senken, was direkt die Fähigkeit eines Übertragens einer Menge an Fluid von einem Ort zu einem anderen pro Zeiteinheit und folglich die maximale Betätigungsfrequenz ist.
4 zeigt einen Graphen, bei dem auf der Abszisse 41 Anzahlen von Zellen pro Viertelbalken gegeben sind, wobei eine Zelle ein Segment sein kann, wie es für planare mikromechanische Aktuatoren 10, 20, 30 oder 30' beschrieben ist, und ein Viertelbalken kann eine Teilfolge von Segmenten sein, wie in dem Zusammenhang planarer mikromechanischer Aktuatoren 20, 30 und 30' beschrieben wurde. Auf der Ordinate 42 ist eine Flussrate in ml pro Sekunde × mm² gezeigt. Es ist sichtbar, dass für eine erhöhte Anzahl von Zellen (Segmenten) die Flussrate, die auf der Ordinate 42 angezeigt ist, kleiner wird. Dies ist aufgrund der Tatsache so, dass ein planarer mikromechanischer Aktuator mit einer kleineren Anzahl von Zellen mit einer kurzen Länge realisiert werden kann, woraus eine hohe Resonanzfrequenz erhalten werden kann, was zu einer schnelleren Betätigung des planaren mikromechanischen Aktuators und so einem schnelleren Fluidtransport führt.
Die 5a und 5b zeigen eine Seitenansicht einer mikromechanischen Pumpe 50 gemäß einem Ausführungsbeispiel des dritten Aspekts der vorliegenden Anmeldung. Die mikromechanische Pumpe 50 weist einen ersten planaren Aktuator 51, der aus ersten auslenkbaren Abschnitten 51a und 51b aufgebaut ist, einen zweiten planaren Aktuator 52, der aus zweiten auslenkbaren Abschnitten 52a und 52b aufgebaut ist, einen dritten planaren Aktuator 53, der aus dritten auslenkbaren Abschnitten 53a und 53b aufgebaut ist, und einen optionalen vierten planaren Aktuator 54 auf, der aus vierten auslenkbaren Abschnitten 54a und 54b aufgebaut ist. Die planaren Aktuatoren 51-54 sind aneinander entlang, beispielsweise parallel, angeordnet. Die ersten bis vierten auslenkbaren Abschnitte 51a-54a und 51b-54b können basierend auf planaren mikromechanischen Aktuatoren 10, 20, 30 oder 30' gebildet sein. Ferner ist zwischen dem ersten planaren Aktuator 51 und dem zweiten planaren Aktuator 52 ein erster Fluiddurchgang 55a gebildet, zwischen dem zweiten planaren Aktuator 52 und dem dritten planaren Aktuator 53 ist ein zweiter Fluiddurchgang 55b gebildet und wahlweise kann zwischen dem dritten planaren Aktuator 53 und dem vierten planaren Aktuator 54 ein dritter Fluiddurchgang 55c gebildet sein. Ferner sind der erste bis vierte planare Aktuator 51-54 an gegenüberliegenden Enden des ersten bis dritten Fluiddurchgangs 55a-55c aufgehängt. Eine Mitte des ersten auslenkbaren Abschnitts 51a ist mit einer Aufhängungszone 52d des zweiten planaren Aktuators 52 ausgerichtet, eine Mitte des zweiten auslenkbaren Abschnitts 52a ist mit einer Aufhängungszone 51c des ersten planaren Aktuators 51 ausgerichtet, eine Mitte des dritten auslenkbaren Abschnitts 53a ist mit einer Aufhängungszone 52d des zweiten planaren Aktuators 52 ausgerichtet und eine Mitte des vierten auslenkbaren Abschnitts 54a ist mit einer Aufhängungszone 53c des dritten planaren Aktuators 53 ausgerichtet. Mit anderen Worten, die auslenkbaren Abschnitte 51a-54a sind aneinander entlang in einer verschobenen Weise angeordnet, d. h. dass der auslenkbare Abschnitt 51a des ersten planaren Aktuators 51 mit dem dritten auslenkbaren Abschnitt 53a des dritten planaren Aktuators 53 ausgerichtet sein kann und der zweite auslenkbare Abschnitt 52a des zweiten auslenkbaren Abschnitts 52 mit dem vierten auslenkbaren Abschnitt 54a des vierten planaren Aktuators ausgerichtet sein kann. Wahlweise könnten die Aufhängungszonen der planaren mikromechanischen Aktuatoren 51-54 in Aufhängungen 51c-54c implementiert sein. Die erste Aufhängung 51c ist derart gebildet, dass auf eine Auslenkung des zweiten auslenkbaren Abschnitts 52a des zweiten planaren Aktuators 52 hin ein Raum dazwischen kleiner wird und eine Flüssigkeit effizienter nach außen gepumpt werden kann. Die zweite Aufhängung 52c ist derart gebildet, dass auf eine Auslenkung des ersten auslenkbaren Abschnitts 51b des ersten planaren Aktuators 51 hin ein Raum dazwischen kleiner wird und eine Flüssigkeit effizienter nach außen gepumpt werden kann. Die dritte Aufhängung 53c ist derart gebildet, dass auf eine Auslenkung des vierten auslenkbaren Abschnitts 54a des vierten planaren Aktuators 54 hin ein Raum dazwischen kleiner wird und eine Flüssigkeit effizienter nach außen gepumpt werden kann. Die vierte Aufhängung 54c ist derart gebildet, dass auf eine Auslenkung des dritten auslenkbaren Abschnitts 53b des dritten planaren Aktuators 53 hin ein Raum dazwischen kleiner wird und eine Flüssigkeit effizienter nach außen gepumpt werden kann.
5a zeigt die mikromechanische Pumpe in einem nicht betätigten Zustand, der erste 55a und der dritte 55c Fluiddurchgang sind nicht zusammengezogen bzw. kontrahiert. Im Gegensatz dazu zeigt 5b die mikromechanische Pumpe 50 in einem betätigten Zustand, d. h. der erste 55a und der dritte 55c Fluiddurchgang sind zusammengezogen, d. h. haben ein reduziertes Volumen. Ferner ist in dem nicht betätigten Zustand, der in 5a gezeigt ist, der zweite Fluiddurchgang 55b zusammengezogen und weist ein kleineres Volumen als in dem betätigten Zustand, der in 5b gezeigt ist, auf, wodurch ein Fluid auf eine Betätigung hin in den Fluiddurchgang 55b gesaugt werden kann, das beispielsweise aus dem ersten oder dritten Fluiddurchgang 55a oder 55c heraus gepresst werden kann. Da die auslenkbaren Abschnitte 51a-54a und 51b-54b verschoben zueinander angeordnet sind, nehmen der erste bis vierte planare Aktuator 51-54 einander auf eine Betätigung hin in Eingriff, genauer gesagt nimmt der erste planare Aktuator 51 den zweiten planaren Aktuator 52 in Eingriff und der dritte planare Aktuator 53 nimmt den vierten planaren Aktuator 54 in Eingriff. Durch Volumenveränderungen an dem ersten bis dritten Fluiddurchgang 55a-55c kann ein Fluidtransport in die oder aus den Fluiddurchgängen erreicht werden. Die beschriebene mikromechanische Pumpe 50 ist aufgrund ihrer effizienten Nutzung von Raum besonders vorteilhaft, da beide Seiten des ersten bis vierten planaren Aktuators 51-54 zum Pumpen verwendet werden. Aufgrund der engen Anordnung des ersten und zweiten planaren Aktuators 51 und 52 einerseits und des dritten und vierten planaren Aktuators 53 und 54 andererseits jedoch wird das Volumen dazwischen, das nicht zum Pumpen verwendet wird, kleiner, mit anderen Worten, das Totvolumen, d. h. das verbleibende Volumen auf eine Kontraktion eines Fluiddurchgangs hin, wird reduziert. Diese Reduzierung des Totvolumens profitiert besonders von der verschobenen Anordnung der planaren Aktuatoren.
Die 6a und 6b zeigen ein Konzept zum Reduzieren des Totvolumens, das für die mikromechanische Pumpe 50 verwendet wird. Insbesondere zeigt 6a einen ersten 61 und einen zweiten planaren Aktuator 62, die im Hinblick auf ihre auslenkbaren Abschnitte konzentrisch angeordnet sind. Der erste 61 und der zweite 62 planare Aktuator sind in einem betätigten Zustand, derart, dass das Volumen dazwischen reduziert ist. Aufgrund ihrer konzentrischen Anordnung jedoch kann ein Teil des Totvolumens 63 und 64 in einem Fluiddurchgang dazwischen verbleiben, mit anderen Worten, das Totvolumen 63 und 64 trägt nicht zu einem Fluidfluss bei. 6b im Gegensatz dazu zeigt den ersten 51 und zweiten 52 planaren Aktuator, die nahe beieinander angeordnet sind, derart, dass ein minimales Volumen dazwischen erreicht wird. Die verschobene Anordnung des planaren Aktuators 51 und des planaren Aktuators 52 führt zu einer Reduzierung des Totvolumens, d. h. das gesamte Volumen des ersten Fluiddurchgangs 55a kann zu dem Pumpeffekt beitragen.
7a zeigt einen Unterabschnitt einer mikromechanischen Pumpe gemäß Ausführungsbeispielen des dritten Aspekts, wobei der Unterabschnitt 70a einen ersten planaren Aktuator 71 und einen zweiten planaren Aktuator 72 aufweist. Die Aktuatoren 71 und 72 sind in einem betätigten Zustand gezeigt. Der erste planare Aktuator 71 ist aus zwei ersten auslenkbaren Abschnitten 71a und 71b aufgebaut und der zweite planare Aktuator 72 ist aus zwei zweiten auslenkbaren Abschnitten 72a und 72b aufgebaut. Die Mitte eines der ersten auslenkbaren Abschnitt, d. h. des auslenkbaren Abschnitts 71a, ist mit einer Aufhängungszone des ersten planaren Aktuators 72 ausgerichtet und eine Mitte eines der zweiten auslenkbaren Abschnitte, d. h. des auslenkbaren Abschnitts 72b, ist mit einer Aufhängungszone des ersten planaren Aktuators 71 ausgerichtet. Ferner ist zwischen dem ersten 71 und dem zweiten 72 planaren Aktuator ein Fluiddurchgang 73 gebildet, der auf eine Betätigung des ersten planaren Aktuators 71 und des zweiten planaren Aktuators 72 hin ein kleines Volumen aufweist.
7b zeigt einen Unterabschnitt 70b einer mikromechanischen Pumpe gemäß Ausführungsbeispielen des dritten Aspekts. Der Unterabschnitt 70b weist den gleichen ersten 71 und zweiten 72 planaren Aktuator auf, die für den Unterabschnitt 70a beschrieben wurden. Der erste 71 und zweite 72 planare Aktuator jedoch sind in einer Entfernung aneinander entlang angeordnet, so dass ein Fluiddurchgang 76 zwischen dem ersten 71 und zweiten 72 planaren Aktuator gebildet ist, der auf eine Kontraktion des ersten 71 und zweiten 72 planaren Aktuators hin ein wesentliches Totvolumen beibehält. Die beschriebene Ausbildung für den Unterabschnitt 70b liefert aufgrund des erhöhten Volumens des Fluiddurchgangs 76 verglichen mit dem Fluiddurchgang 73 eine mechanische Pumpe mit niedrigerem hydraulischem Widerstand. Ferner stellen Pumpenunterabschnitte 70a und 70b durch Serienverkettung auslenkbarer Abschnitte eine Fähigkeit der Erhöhung einer Flussrate einer Pumpe verglichen mit Pumpen bereit, die nur einen einzelnen auslenkbaren Abschnitt pro Aktuator aufweisen, wie für die mikromechanische Pumpe 50 beschrieben ist.
8 zeigt eine mikromechanische Pumpe 80 gemäß Ausführungsbeispielen des dritten Aspekts der vorliegenden Anmeldung. Die mikromechanische Pumpe 80 bildet eine Kombination der Konzepte der mikromechanischen Pumpe 50 und des Unterabschnitts 70b mit zusätzlichen Fluiddurchgängen. Genauer gesagt weist die mikromechanische Pumpe 80 einen ersten bis fünften Fluiddurchgang 85a-e mit einem wesentlichen Totvolumen auf eine Betätigung hin auf. Die mikromechanische Pumpe 80 basierend auf dem Unterabschnitt 70b jedoch weist verglichen mit mikromechanischen Pumpen, die aus dem Unterabschnitt 70a gebildet sind, aufgrund eines erhöhten Totvolumens in den Fluiddurchgängen 85a-e einen geringeren hydraulischen Widerstand auf. Ein geringerer hydraulischer Widerstand kann nützlich sein, da er einen Fluidtransport mit hoher Flussrate ermöglicht.
9 zeigt eine Seitenansicht einer mikromechanischen Pumpe 90 gemäß Ausführungsbeispielen des dritten Aspekts der vorliegenden Anmeldung. Die mikromechanische Pumpe weist einen ersten bis achten planaren Aktuator 91-98 auf, die aneinander entlang so angeordnet sind, dass sie Fluiddurchgänge zwischen den planaren Aktuatoren 91-98 bilden. Die planaren Aktuatoren 91-98 oder genauer gesagt die Fluiddurchgänge sind mit ersten Absperrventilen 90a an einem Ende der Fluiddurchgänge und mit zweiten Absperrventilen 90b an einem gegenüberliegenden Ende der Fluiddurchgänge versehen. Ferner weist die mikromechanische Pumpe 90 einen gemeinsamen Fluideinlass 90c und einen gemeinsamen Fluidauslass 90d auf.
Während einer Betätigung des ersten bis achten planaren Aktuators 91-98 wird das Fluid von dem gemeinsamen Einlass 90c eingesaugt und läuft durch die ersten Absperrventile 90a in die Fluiddurchgänge. Durch Volumenänderungen in den Fluiddurchgängen, die durch eine Betätigung der planaren Aktuatoren 91-98 bewirkt werden, wird das Fluid durch die zweiten Absperrventile 90b aus den Fluiddurchgängen heraus transportiert, wobei die ersten Absperrventile 90a einen Rückfluss von Fluid vermeiden können. Nach einem Durchlaufen der zweiten Absperrventile 90b wird das Fluid durch den Auslass 90d aus der mikromechanischen Pumpe 90 heraus transportiert. Eine vorteilhafte Weise des Kontrahierens der planaren Aktuatoren 91-98 geschieht durch eine peristaltische Bewegung. Eine peristaltische Bewegung könnte durch eine sequenzielle Betätigung der auslenkbaren Abschnitte der planaren Aktuatoren 91-98 derart gebildet werden, dass die auslenkbaren Abschnitte, die sich am nächsten bei den ersten Absperrventilen 90a befinden, zuerst betätigt werden können und danach die auslenkbaren Abschnitte in Richtung der zweiten Absperrventile 90b der Reihe nach betätigt werden, so dass die auslenkbaren Abschnitte, die näher an den zweiten Absperrventilen 90b angeordnet sind, nach den auslenkbaren Abschnitten betätigt werden, die weiter weg von den zweiten Absperrventilen 90b angeordnet sind.
Ein Erhöhen der Flussrate ist mit der Anzahl von BEs verbunden, die parallel arbeiten, um eine Flüssigkeit von einem gemeinsamen Einlass zu einem gemeinsamen Auslass zu übertragen. Der maximale erzeugte Gegendruck kann in der gleichen Weise durch In-Serie-Schalten von BEs erhöht werden. Ein Ansprechen, das beiden Stapelvorgängen zugeordnet ist, ist nicht linear. Die Nichtlinearität wurde bisher noch nicht ausgewertet und hier wird als ein erster Ansatz angenommen, dass ein System ein lineares Ansprechen für beide Stapelausbildungen aufweist. In diesem Fall können für eine bestimmte Anzahl von BEs die BEs für eine spezifische Flussrate und einen maximalen Gegendruck in Serie und parallel geschaltet sein. Ein Multiplizieren der Flussrate mit 2 kann dann zu einem maximalen Gegendruck geteilt durch 2 führen. Eine Pumpleistung ist eine Hälfte des Produkts der Flussrate mit dem maximalen Gegendruck, was eine physische Menge ist, die eine Zuordnung dieser zwei Parameter erlaubt, um eine Kapazität einer Pumpe, Flüssigkeit zu übertragen, auszudrücken. Diese Menge berücksichtigt jedoch nicht eine Standfläche der Pumpe. Bei einer Logik zur Integration (d. h. Kostenreduzierung) muss die Pumpleistungsdichte berücksichtigt werden, um eine Kapazität einer Mikropumpe korrekt zu bewerten. Diese Menge entspricht der Leistung der Pumpe geteilt durch ihre aktive Oberfläche. Diese Menge ist direkt proportional zu der „Leistungsdichte“ der BE.
Diese Menge kann durch ordnungsgemäßes Überdenken der Position der unterschiedlichen Aktuatoren, die aneinander entlang arbeiten, erhöht werden. Drei unterschiedliche Ansätze wurden untersucht, um diese Stapelbarkeitsverbesserung zu erlauben:

Bei Betätigung bildet eine BE eine symmetrische Pumpe, die an ihren beiden Seiten eingeklemmt ist. Wie in 6a vorgestellt wurde, erlaubt eine Verschiebung zweier zugewandter BEs, wie in 6b gezeigt ist, ein perfektes Passen und eine große Reduzierung eines Totvolumens. Um eine verschobene BE in einer komplexeren Struktur zu integrieren, könnten zwei feste Dummys, die eine Form eines „Halb-Aktuators“ nachahmen, hinzugefügt werden. Wie in den 5a-b präsentiert wurde, erlaubt eine serielle Integration verschobener BEs ein Vermeiden einer wiederholten Integration dieser Dummy-Strukturen. Interessanterweise stellen die 5a-b auch eine Auswertung einer maximalen Verschiebungsfähigkeit einer BE dar, um eine Position einer zugewandten Struktur ordnungsgemäß anzupassen. Es ist wichtig darauf zu achten, dass eine minimale Entfernung zwischen zwei zugewandten Strukturen ordnungsgemäß ausgewertet werden kann.
Tatsächlich ist eine Beziehung von Flussrate/Druck mit einem Parameter namens hydraulischen Widerstands verbunden, der mit einer Form eines Fluidweg-Querschnitts, d. h. eines Fluiddurchgangs, verbunden ist. In dem Fall eines Schlitzes, wie für einen vorgelegten Aktuator, z. B. in 6b, betrachtet wird, bewirkt eine starke Reduzierung einer Breite eines Fluidwegs einen starken Anstieg eines hydraulischen Widerstands und reduziert eine Flussrate und folglich eine Effizienz einer Pumpe für einen bestimmten BE-Druck.

10 zeigt eine mikromechanische Aktuatoranordnung 110 gemäß Ausführungsbeispielen des vierten Aspekts der vorliegenden Anmeldung. Die mikromechanische Aktuatoranordnung 100 weist einen ersten planaren mikromechanischen Aktuator mit einem ersten planaren mikromechanischen Aktuatorsegment 110 auf. Das mikromechanische Aktuatorsegment 110 weist eine Oberfläche 112 mit einer ersten Krümmung auf, die eine Ausnehmung 114 in dem ersten planaren mikromechanischen Aktuatorsegment bildet. Die mikromechanische Aktuatoranordnung 100 weist ferner einen zweiten planaren mikromechanischen Aktuator mit einem zweiten planaren mikromechanischen Aktuatorsegment 120 auf. Das zweite planare mikromechanische Aktuatorsegment 120 weist eine Oberfläche 122 mit einer zweiten Krümmung auf, die einen Vorsprung 124 des zweiten planaren mikromechanischen Aktuatorsegments bildet. Die Oberfläche 112 des ersten planaren mikromechanischen Aktuatorsegments weist eine erste Krümmung auf, die einen größeren Radius aufweist als eine Krümmung der Oberfläche 122 des zweiten planaren mikromechanischen Aktuatorsegments. Das erste planare mikromechanische Aktuatorsegment 110 und das zweite planare mikromechanische Aktuatorsegment 120 sind derart angeordnet, dass die Oberfläche 112 des ersten planaren mikromechanischen Aktuatorsegments 110 der Oberfläche 122 des zweiten planaren mikromechanischen Aktuatorsegments 120 zugewandt ist. Ferner sind das erste planare mikromechanische Aktuatorsegment 110 und das zweite planare mikromechanische Aktuatorsegment 120 zueinander beabstandet angeordnet, so dass eine Entfernung zwischen der Oberfläche 112 des ersten mikromechanischen planaren Aktuatorsegments 110 und einer Oberfläche 122 des zweiten planaren mikromechanischen Aktuatorsegments 120 im Wesentlichen lateral konstant ist und beibehalten wird, wenn das erste planare mikromechanische Aktuatorsegment 110 und das zweite planare mikromechanische Aktuatorsegment 120 ausgelenkt werden. Die Krümmung der Oberfläche 112 ist beispielsweise konzentrisch zu der Krümmung der Oberfläche 122, derart, dass auf eine Betätigung des zweiten mikromechanischen planaren Aktuatorsegments 120 hin der Vorsprung 124 sich in Richtung des ersten mikromechanischen planaren Aktuatorsegments 110 auswölbt, jedoch in einer minimalen Entfernung zu dem ersten mikromechanischen planaren Aktuatorsegment 110 verbleibt.
Die beschriebene mikromechanische Aktuatoranordnung 100 ist besonders vorteilhaft, da ein Stapeln planarer mikromechanischer Aktuatoren mikromechanische Aktuatoranordnungen schafft, die in der Lage sein können, einen größeren Druck zu erzeugen als ein einzelner planarer mikromechanischer Aktuator. Insbesondere kann die mikromechanische Aktuatoranordnung 100 zweimal den Druck bereitstellen, den ein einzelner planarer mikromechanischer Aktuator bereitstellen kann. Außerdem ist aufgrund der Form, d. h. Ausnehmung 114 und Vorsprung 124, ein engeres Stapeln der mikromechanischen Aktuatorsegmente möglich. Durch ein enges Stapeln kann eine hohe Leistung oder ein hoher Druck aus einer mikromechanischen Aktuatoranordnung mit kleiner Größe erhalten werden. Deshalb ermöglicht die beschriebene Anordnung 100 ein enges Packen von Aktuatoren und führt dadurch zu einer hohen Leistungsdichte, d. h. die Anordnung 100 kann beispielsweise auf einem Wafer oder in einer integrierten Schaltung nicht viel Platz brauchen, was zu einer Material- und deshalb Kostenreduzierung eines Produkts unter Verwendung dieser Anordnung 100 führen kann.
Um die schematischen Darstellungen zu vereinfachen, kann ein Basiselement, das die Darstellung eines Basisaktuators (L-NED) erlaubt, als ein Rechteck geformt sein. Unterschiedlichen Studien folgend, die von einem Standpunkt des Entwurfs aus betrieben wurden, weiß man jedoch, dass ein NED-Effekt, d. h. die Betätigung der vorstehend erwähnten planaren mikromechanischen Aktuatoren, für spezifische Formen/Topographien geschieht (z. B. am effizientesten). Die effizienteste Topographie, die bisher untersucht wurde, besitzt die Form einer Kuppel (oder bogenförmig, d. h. Aktuatoren mit einer definierten Krümmung), die durch zwei Kreise definiert ist, die unabhängige Radien aufweisen können. Für spezifische Bedürfnisse können L-NED-Systeme vom Standpunkt einer Kraft aus betrachtet eng beieinander gestapelt werden, um ihren Aktuatorhorizont zu erhöhen, d. h. N Aktuatoren, die parallel aufgebaut sind, ermöglichen eine Erzeugung von N mal mehr Kraft als einer. In diesem Fall kann ein Aktuator ausreichend getrennt sein, um das Erzielen von Kontakt und Reibung untereinander zu vermeiden, und kann ausreichend nahe zusammengebracht werden, um eine erzeugte Kraft pro Oberflächenfläche zu verbessern. 10 ist eine Unterstützung der Darstellung dieser Entwicklung. Wenn ein Basisaktuator betrachtet wird, der zwischen den Kurven 22' und 33' definiert ist, um perfekt zu dem vorherigen und dem nächsten Aktuator zu passen, die sich in einer Entfernung von einem mittleren Aktuator befinden, könnte es nötig sein, dass die Kurve 11', bzw. 44', ein Versatz der Kurve 22', bzw. 33', in einer Entfernung a ist. Alle gestapelten Aktuatoren sind jedoch einander ähnlich, d. h. ein unterer bzw. oberer Aktuator können ähnlich sein. Durch das Definieren einer Form von 11' als ein Versatz der Kurve 22' in einer Entfernung a kann die Form der Kurve 33' bestimmt werden. Eine Form einer unteren Oberfläche eines Aktuators könnte folglich auf einer Form einer oberen Oberfläche und einer Entfernung zu einem nächsten Aktuator basieren. Eine Entfernung zu einem nächsten Aktuator ist direkt mit einer Kapazität eines Aktuators, sich zu biegen, und mit seiner Länge verbunden.
Die 11a-c zeigen Seitenansichten eines mikromechanischen Ventils 1100 gemäß Ausführungsbeispielen des fünften Aspekts der vorliegenden Anmeldung. Das mikromechanische Ventil 1100 weist eine erste Fluidöffnung 1110, eine zweite Fluidöffnung 1120, einen mikromechanischen Aktuator 1130 und einen Fluiddurchgang 1140 auf, der zwischen der ersten Fluidöffnung 1110 und der zweiten Fluidöffnung 1120 gebildet ist. Der mikromechanische Aktuator 1130 ist in dem Fluiddurchgang 1140 angeordnet und weist eine geschlossene Kontur auf und ist zumindest an einem parallelen Wandabschnitt befestigt, der eine Basis oder eine Decke des Fluiddurchgangs 1140 bildet. Ferner ist die geschlossene Kontur des mikromechanischen Aktuators 1130 in 11a in einem nicht betätigten Zustand elliptisch. Fokusse der elliptischen Form des mikromechanischen Aktuators 1130 sind in einem nicht betätigten Zustand in einer Richtung parallel zu den Fluiddurchgängen angeordnet. 11b zeigt das mikromechanische Ventil 1100 in einem ersten betätigten Zustand, d. h. der mikromechanische Aktuator 1130 weist eine Form auf, die mehr einem Kreis ähnelt, d. h. Fokusse der vorstehend erwähnten Ellipsen sind weniger weit beabstandet. Der Fluiddurchgang 1140 wiederum ist verglichen mit dem Zustand, der in 11a beschrieben ist, weniger durchlässig für Fluide, wodurch eine Fluidflussregulierung erzielt werden kann. 11c beschreibt einen zweiten betätigten Zustand des mikromechanischen Ventils 1100, bei dem der mikromechanische Aktuator 1130 eine geschlossene Kontur in der Form einer Ellipse aufweist, wobei die Fokusse der Ellipsen in einer Richtung senkrecht zu dem Fluiddurchgang 1140 angeordnet sind. Folglich ist der Fluiddurchgang 1140 in 11c nahezu vollständig blockiert oder nahezu undurchlässig für ein Fluid, da spitz zulaufende Enden der elliptischen Form in Verbindung mit Wänden des Fluiddurchgangs 1140 stehen. Ferner könnte der mikromechanische Aktuator 1130 auch an einer Wand des Fluiddurchgangs 1140 angeordnet sein und sich auf eine Betätigung hin durch eine Verlängerung in Richtung einer anderen Wand des Fluiddurchgangs 1140 in den Fluiddurchgang 1140 erstrecken. Dadurch kann ein Fluidfluss reguliert werden und durch eine Verlängerung sogar vermieden werden, derart, dass eine Verbindung einer elliptischen Form des mikromechanischen Aktuators 1130 mit zwei Wänden des Fluiddurchgangs 1140 erzielt wird. Eine Verlängerung könnte durch Verändern der geschlossenen Kontur von einer Kreisform in Richtung einer elliptischen Form erhalten werden. Außerdem kann der mikromechanische Aktuator 1130 an den vorstehend erwähnten parallelen Wandabschnitten an einem Punkt an der Kontur angebracht sein oder durch zumindest zwei Federn an im Wesentlichen gegenüberliegenden Enden der geschlossenen Kontur angebracht sein.
Die 12a-d zeigen ein mikromechanisches Ventil 1200 gemäß Ausführungsbeispielen des fünften Aspekts der vorliegenden Anmeldung. Das mikromechanische Ventil 1200 weist eine erste Fluidöffnung 1210, eine zweite Fluidöffnung 1220, einen planaren mikromechanischen Aktuator 1230 und einen Fluiddurchgang 1240 auf, der zwischen der ersten Fluidöffnung 1210 und der zweiten Fluidöffnung 1220 gebildet ist. Der mikromechanische Aktuator 1230 ist an einer Wand des Fluiddurchgangs 1240 zwischen der ersten Fluidöffnung 1210 und der zweiten Fluidöffnung 1220 angeordnet und weist ein aufgehängtes Ende 1232 und ein nicht aufgehängtes Ende 1234 auf. In 12a ist der mikromechanische Aktuator 1230 in einem nicht betätigten Zustand und deshalb parallel zu einer Wand des Fluiddurchgangs 1240 angeordnet. Deshalb kann ein Fluid ungehindert durch den Fluiddurchgang 1240 fließen. In 12b ist der planare mikromechanische Aktuator 1230 in einem ersten betätigten Zustand, auf den hin das nicht aufgehängte Ende 1234 derart in den Fluiddurchgang 1240 ausgelenkt wird, dass ein Fluid nicht frei durch den Fluiddurchgang 1240 fließen kann, d. h. der Fluiddurchgang 1240 ist blockiert. Die 12c und 12d zeigen die Verwendung des mikromechanischen Ventils 1200 als sogenanntes Absperrventil, bei dem ein Fluss aus einer Richtung erlaubt ist und ein Fluss aus einer entgegengesetzten Richtung verhindert wird. Dies ist in 12c zu sehen, bei der das nicht aufgehängte Ende 1234 des mikromechanischen Aktuators 1230 nur teilweise in den Fluiddurchgang 1240 ausgelenkt ist, derart, dass ein Fluidfluss, der entlang einer Richtung von dem aufgehängten Ende 1232 zu dem nicht aufgehängten Ende 1234 fließt, erlaubt ist. In 12d ist der Aktuator 1230 in dem gleichen Betätigungszustand wie in 12c, aufgrund eines Fluidflusses jedoch, der entlang einer Richtung von dem nicht aufgehängten Ende 1234 zu dem aufgehängten Ende 1232 fließt, wird der mikromechanische Aktuator 1230 ausgelenkt und versperrt dabei den Fluiddurchgang 1240 vollständig. Die vollständige Auslenkung wird dadurch erzielt, dass basierend auf dem nicht erlaubten Fluidfluss ein Druck auf den mikromechanischen Aktuator 1230 wirkt. Das beschriebene mikromechanische Ventil 1200 kann vorzugsweise als ein Ventil zum Reduzieren eines Fluidflusses oder als ein Absperrventil verwendet werden, das einen Fluss aus einer Richtung flexibel erlaubt, während ein Fluss aus einer entgegensetzten Richtung verhindert wird. Ferner kann das mikromechanische Ventil 1200 verglichen mit einem einfachen Fluiddurchgang mit wenig zusätzlichem Raum und Material implementiert werden, da nur ein planarer mikromechanischer Aktuator 1230 an einer Wand eines Fluiddurchgangs angeordnet werden muss.
Die 13a-d zeigen ein mikromechanisches Ventil 1300 gemäß Ausführungsbeispielen des fünften Aspekts der vorliegenden Anmeldung. Das mikromechanische Ventil 1300 weist eine erste Fluidöffnung 1310, eine zweite Fluidöffnung 1320, einen ersten planaren mikromechanischen Aktuator 1330, einen zweiten planaren mikromechanischen Aktuator 1350 und einen Fluiddurchgang 1340 auf, der zwischen der ersten Fluidöffnung 1310 und einer zweiten Fluidöffnung 1320 gebildet ist. Der erste planare mikromechanische Aktuator 1330 und der zweite planare mikromechanische Aktuator 1350 sind an einer Wand des Fluiddurchgangs 1340 zwischen der ersten Fluidöffnung 1310 und der zweiten Fluidöffnung 1320 angeordnet. Der planare mikromechanische Aktuator 1330 weist ein nicht aufgehängtes Ende 1334 und ein aufgehängtes Ende 1332 auf und der zweite planare mikromechanische Aktuator 1350 weist ein nicht aufgehängtes Ende 1354 auf und teilt sein aufgehängtes Ende 1332 mit dem ersten planaren mikromechanischen Aktuator 1330. 13a zeigt das mikromechanische Ventil 1300 in einem nicht betätigten Zustand, d. h. das aufgehängte 1332 und die nicht aufgehängten Enden 1334 und 1354 sind parallel zu einer Wand des Fluiddurchgangs 1340 angeordnet, so dass ein Fluidfluss nicht durch das Ventil 1300 behindert wird und ein Fluid frei durch den Fluiddurchgang 1340 fließen kann. In 13b ist der erste mikromechanische Aktuator 1330 in einem betätigten Zustand, d. h. das nicht aufgehängte Ende 1334 wird derart in den Fluiddurchgang 1340 bewegt, dass kein Fluidfluss in dem Fluiddurchgang 1340 stattfinden kann, ähnlich, wie für das mikromechanische Ventil 1200 beschrieben ist, das in 12b beschrieben ist. In 13c ist das nicht aufgehängte Ende 1334 des ersten planaren mikromechanischen Aktuators 1330 in einem weiteren Betätigungszustand, d. h. das nicht aufgehängte Ende 1334 wird nur teilweise in den Fluiddurchgang 1340 hinein bewegt. Der beschriebene Betätigungszustand ermöglicht einen Fluidfluss von dem aufgehängten Ende 1332 zu dem nicht aufgehängten Ende 1334, verhindert jedoch einen Fluidfluss in der entgegengesetzten Richtung, wie in 13d dargestellt ist, ähnlich, wie für das mikromechanische Ventil 1200 in 12c beschrieben wurde. In 13d führt ein Fluidfluss von einer Richtung entlang des nicht aufgehängten Endes 1334 zu dem aufgehängten Ende 1332 zu einer Blockierung des Fluiddurchgangs 1340, so dass ein Fluidfluss in der beschriebenen Richtung verhindert wird. Das beschriebene mikromechanische Ventil 1300 erlaubt flexibel ein bidirektionales Absperrventil verglichen mit einem unidirektionalen Absperrventil, das durch das Ventil 1200 implementiert werden kann, das verwendet werden kann, um erwünscht Fluidflussrichtungen effizient und flexibel zu realisieren.
14a zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzips, das Ausführungsbeispielen des fünften Aspekts der vorliegenden Anmeldung zugrunde liegt. Bei Ausführungsbeispielen können mikromechanische Ventile eine dritte und eine vierte Fluidöffnung aufweisen, derart, dass ein sogenanntes Aufteilungs-/Kreuzungsventil erhalten werden kann. 14a zeigt ein Konzept, das denjenigen Ausführungsbeispielen zugrunde liegt, bei denen eine Ausbildung derart verändert werden kann, dass die Ventile in einem ersten Zustand als eine Kreuzungs- und in einem zweiten Zustand als ein Aufteilungsventil wirken können. Bei einer Kreuzungsausbildung kann ein Fluid von einer Öffnung eintreten und durch eine beliebige der anderen verfügbaren Öffnungen austreten. Bei einer Aufteilungskonfiguration kann ein erster Fluidfluss von einer Öffnung eintreten und aus einer vordefinierten anderen Öffnung austreten und ein zweiter Fluidfluss kann von einer anderen Öffnung eintreten und aus einer anderen vordefinierten anderen Öffnung austreten.
14b zeigt ein mikromechanisches Ventil 1400 gemäß Ausführungsbeispielen des fünften Aspekts der vorliegenden Anmeldung. Das mikromechanische Ventil 1400 weist eine erste Fluidöffnung 1410, eine zweite Fluidöffnung 1420, eine dritte Fluidöffnung 1430 und eine vierte Fluidöffnung 1440 auf. Die erste bis vierte Fluidöffnung 1410, 1420, 1430 und 1440 bilden eine Fluidkreuzung, innerhalb derer ein mikromechanischer Aktuator angeordnet ist. Im Inneren des mikromechanischen Ventils 1400 ist ein planarer mikromechanischer Aktuator angeordnet, der zwei auslenkbare Abschnitte aufweist, und ist in einem nicht betätigten Zustand 1450a und einem betätigten Zustand 1450b gezeigt. 1450a zeigt den mikromechanischen Aktuator in dem nicht betätigten Zustand 1450a, wodurch das mikromechanische Ventil 1400 eine Kreuzung ermöglicht. In dem betätigten Zustand 1450b bildet der mikromechanische Aktuator das mikromechanische Ventil 1400 so aus, dass eine Verbindung nur zwischen der ersten Fluidöffnung 1410 und der vierten Fluidöffnung 1440 und nur zwischen der dritten Fluidöffnung 1430 und der zweiten Fluidöffnung 1420 verfügbar ist. Zwischen den beiden auslenkbaren Abschnitten ist der mikromechanische Aktuator 1450a und 1450b an einem Punkt der beiden parallelen Wandabschnitte des Ventils 1400 befestigt. Auf eine Betätigung 1450b hin lenkt der mikromechanische Aktuator alle auslenkbaren Abschnitte in entgegengesetzten Richtungen aus, so dass zwei separierte Fluiddurchgänge gebildet werden.
14c zeigt ein mikromechanisches Ventil 1460 gemäß Ausführungsbeispielen des fünften Aspekts der vorliegenden Anmeldung. Das mikromechanische Ventil 1460 ähnelt dem mikromechanischen Ventil 1400 und weist die gleichen Öffnungen 1410, 1420, 1430 und 1440 auf. Zwischen den Fluidöffnungen 1410, 1420, 1430 und 1440 ist ein mikromechanischer Aktuator angeordnet, der eine geschlossene Kontur aufweist und in einem nicht betätigten Zustand 1470a gezeigt ist, wodurch ein Fluid frei von einer Öffnung laufen und durch die verbleibenden Öffnungen austreten kann. Der mikromechanische Aktuator ist in einem ersten Betätigungszustand 1470b gezeigt, woraufhin nur ein Fluidfluss zwischen der ersten Fluidöffnung 1410 und der dritten Fluidöffnung 1430 und nur zwischen der vierten Fluidöffnung 1440 und der zweiten Fluidöffnung 1420 ermöglicht wird. In dem ersten Betätigungszustand 1470b verändert der mikromechanische Aktuator seine Kontur von einer kreisförmigen Kontur in einem nicht betätigten Zustand 1470a zu einer elliptischen Form. In einem zweiten Betätigungszustand 1470c des mikromechanischen Aktuators wird nur ein Fluidfluss zwischen der ersten Fluidöffnung 1410 und der vierten Fluidöffnung 1440 und nur ein Fluidfluss zwischen der dritten Fluidöffnung 1430 und der zweiten Fluidöffnung 1420 ermöglicht. In dem zweiten Zustand 1470c hat die geschlossene Kontur eine elliptische Form, ist jedoch verglichen mit dem ersten Betätigungszustand 1470b um 45° geneigt. Das beschriebene Ventil 1460 ermöglicht eine doppelte Abweichung, d. h. eine flexible Aufteilung der Fluiddurchgänge ist möglich.
In 14d ist ein mikromechanisches Ventil 1400 gemäß Ausführungsbeispielen des fünften Aspekts der vorliegenden Anmeldung gezeigt. Das mikromechanische Ventil 1480 weist ähnlich wie die mikromechanischen Ventile 1400 und 1460 eine erste bis vierte Fluidöffnung 1410, 1420, 1430 und 1440 auf. Ferner weist das mikromechanische Ventil 1480 einen mikromechanischen Aktuator auf, der zwischen den Fluidöffnungen angeordnet ist, der in einem nicht betätigten Zustand 1490a gezeigt ist, der zwei auslenkbare Abschnitte aufweist, die entgegengesetzt gebogen sind, und der mikromechanische Aktuator ist an einem Punkt zwischen den auslenkbaren Abschnitten an einem der parallelen Wandabschnitte befestigt. In dem nicht betätigten Zustand 1490a ermöglicht das mikromechanische Ventil 1480 ausschließlich einen Fluidfluss zwischen der ersten Fluidöffnung 1410 und der dritten Fluidöffnung 1430 und ausschließlich zwischen der vierten Fluidöffnung 1440 und der zweiten Fluidöffnung 1420. Der mikromechanische Aktuator ist derart vorgebogen, dass das Aufteilen ermöglicht wird, um die beschriebene Aufteilungsausbildung zu erzielen. In einem ersten betätigten Zustand 1490b verändert der mikromechanische Aktuator das mikromechanische Ventil 1480 zu einer Kreuzungsausbildung. Dadurch kann ein Fluid frei zwischen beliebigen der Öffnungen, d. h. von einer Öffnung zu allen verbleibenden Öffnungen, fließen. Dies wird dadurch erzielt, dass der mikromechanische Aktuator derart betätigt wird, dass die vorgebogene Form neutralisiert wird, deshalb besitzt der mikromechanische Aktuator in dem ersten Betätigungszustand 1490b eine planare Form. In einem zweiten Betätigungszustand 1490c ermöglicht der mikromechanische Aktuator einen Fluidfluss nur zwischen der ersten Fluidöffnung 1410 und der vierten Fluidöffnung 1440 und nur zwischen der dritten Fluidöffnung 1430 und der zweiten Fluidöffnung 1420. In dem zweiten Betätigungszustand 1490c ist der mikromechanische Aktuator an einem Aufhängungspunkt gespiegelt und weist verglichen mit der nicht betätigten Form 1490a eine gespiegelte Form auf. Der mikromechanische Aktuator kann in dem mikromechanischen Ventil 1480 in der gleichen Weise aufgehängt sein, in der der mikromechanische Aktuator in dem mikromechanischen Ventil 1400 aufgehängt oder befestigt ist.
In den 15a und 15b ist eine Kombination von Konzepten in Bezug auf Aspekt 1 und Aspekt 2 einerseits und Aspekt 5 andererseits dargestellt. 15a zeigt einen Fluiddurchgang, der durch gegenüberliegende Wände 1510a, 1510b gebildet ist, die durch einen der planaren mikromechanischen Aktuatoren gebildet sein können, die in Bezug auf Aspekt 1 und 2 beschrieben sind. Außerdem weist der Fluiddurchgang ein erstes Ventil 1520a, das ein beliebiges der Ventile sein kann, die in Bezug auf Aspekt 5 beschrieben sind, und ein zweites Ventil 1520b auf, das ein beliebiges der Ventile sein kann, die in Bezug auf Aspekt 5 beschrieben sind. Auf eine Betätigung der gegenüberliegenden Wände 1510a und 1510b hin werden die Wände 1510a und 1510b derart ausgelenkt, dass das Volumen des Fluiddurchgangs erhöht wird, was einen Fluidfluss in den Durchgang bewirkt, was außerdem dadurch ermöglicht wird, dass in 15a das erste Ventil 1520a offen ist und das zweite Ventil 1520b geschlossen ist. Durch das beschriebene Öffnen und Schließen der Ventile 1520a und 1520b kann eine Flussrichtung definiert werden. In 15b ist die Auslenkung der Wände 1510a und 1510b umgekehrt, d. h. das Volumen in dem Fluiddurchgang nimmt ab und das Fluid in 15b kann durch das offene zweite Ventil 1520b fließen und kann nicht durch das geschlossene erste Ventil 1520a zurückfließen. Ein Verwenden der Ventile, wie bei Aspekt 5 beschrieben, für die Ventile 1520a-b ist für einen Fluidfluss von Vorteil, da ein Druckverlust verglichen mit der Verwendung passiver Absperrventile vermieden werden kann. Die Vermeidung eines Druckverlustes ist der Tatsache geschuldet, dass die Ventile 1520a und 1520b aktiv sein können und deshalb kein Druck von einem Fluidfluss in ein Öffnen und Schließen von Ventilen umgeleitet werden muss.
Eine Lösung zur Erzielung einer neu konfigurierbaren Mikropumpe wird vorgeschlagen, die für eine konstante Pumpleistung die Abstimmung einer Flussrate oder eines maximalen Gegendrucks erlaubt. Wenige Basiselemente können zu der bereits vorgelegten Ideensammlung in Bezug auf die einzelnen Aspekte zugefügt werden.

1. Ein „Regulier“-Ventil (11a-c) erlaubt eine Modifizierung einer Flussrate für einen vordefinierten Druck von einem vernachlässigbaren Leckfluss zu einem maximalen Fluss, direkt definiert durch den Fluidweg des Ventils, wenn dieses offen ist. Die Kombination zweier „Regulier“-Ventile (15a-b), die in entgegengesetzte Zustände gesetzt sind und alternativ synchron von der Position von „an“ zu „aus“ übergehen, mit einer Verschiebung der NED-erzeugenden Seitenwände einer Kammer, ermöglicht eine Reduzierung eines Druckabfalls, der durch ein passives Ventil auferlegt wird.
2. Ein aktives Ventil kann ein Prinzip des NED zur Veränderung seiner allgemeinen Topographie verwenden und eine Form eines Fluidwegs sich entwickelnd machen. Ein Ventil kann einen undirektionalen Fluss erlauben oder den Kanal vollständig blockieren (12a-d).
3. Ein Richtungsventil, das in den 13a-d vorgestellt wird, ist eine Kombination aktiver Ventile, die ein Umschalten einer „Durchlauf”-Richtung eines Systems erlauben.
4. Ein „Aufteilungs-Kreuzungs“-Ventil, wie es in 14c vorgestellt wird, erlaubt ein Wandeln einer Kreuzung von zwei Kanälen in zwei getrennte Kanäle unabhängig voneinander.

16a und 16b zeigen eine Membranpumpe 1600, die Konzepte von Aspekt 1, 2 und 5 der vorliegenden Anmeldung kombiniert. Die Membranpumpe 1600 weist eine auslenkbare Membran auf, die unter Verwendung der mikromechanischen Aktuatoren 10, 20, 30 oder 30' gebildet sein kann. Ferner weist die Membranpumpe 1600 ein erstes Absperrventil 1620a und ein zweites Absperrventil 1620b auf. Die Membran ist in einem nicht betätigten Zustand 1610a gezeigt und bei 1610b ist die Membran in einem betätigten Zustand gezeigt. Auf eine Betätigung 1610b der Membran in 16b hin wird ein Fluid durch das erste Absperrventil 1620a in ein Volumen unterhalb der Membran eingesaugt und auf ein Lösen der Betätigung 1610b hin wird die Auslenkung umgekehrt, um die Membran in dem nicht betätigten Zustand 1610a zu erhalten, und das Fluid wird durch das Absperrventil 1620b heraus gepumpt. Das Absperrventil 1620a vermeidet einen Rückfluss, da es ein unidirektionales Absperrventil ist. Das Gleiche trifft auf eine Betätigung 1610b der Membran hin auf das Absperrventil 1620b zu.
Die 17a und 17b zeigen eine Membranpumpe 1700, die der Membranpumpe 1600 ähnelt. Zusätzlich zu der Membranpumpe 1600 wird ein zweites Reservoir auf der Membran verwendet, so dass ein größerer Abschnitt der Oberfläche der Membran für das Pumpen verwendet wird.
In einem Standardfall (16a-b) ist ein Fluid örtlich unter der Membran lokalisiert. An der anderen Seite der Membran befindet sich Luft. Dies hat verschiedene Folgen, die nun aufgezählt werden:

1. Die Membran kann perfekt wasserdicht sein; sie kann jedoch an ihrem gesamten Umfang eingeklemmt sein, was ihren Hub für ein definiertes ausgeübtes Moment reduziert.
2. Bei Ausübung eines Moments biegt sich die Membran und erzeugt einen Hub, der ein Fluid ansaugt. Bei Lösen des Moments ist ein Druck des Hohlraums, in Bezug auf die andere Seite der Membran, mit dem Druck verbunden, der durch die verformte Membran erzeugt wird: $P_{Hohlraum} {=P}_{Membran}$

In dem Fall einer Membran, die ihre beiden Seiten bei dem Pumpvorgang verwendet ( 17a-b), könnte folgende Verbesserung beobachtet werden:

1. Die Membran muss an ihrer Außenseite nicht unbedingt perfekt abgedichtet sein, nur eingeklemmt oder doppelt eingeklemmt sein. Dies ermöglicht die Erhöhung eines Freiheitsgrades der Struktur und folglich ihres Hubs für ein definiertes ausgeübtes Moment.
2. Beim Lösen der Struktur aus einer gebogenen Position erzeugen beide Seiten der Membran einen entgegengesetzten Druck, was das Drücken einer Flüssigkeit von/aus einem ursprünglichen Ort und gleichzeitig ein Ansaugen derselben zu einem letztendlichen Ort erlaubt.

18a zeigt eine parallele Pumpe 1800 und eine lineare Pumpe 1810, die Aspekte der vorliegenden Anmeldung kombinieren. Die parallele Pumpe 1800 weist drei Pumpentitäten 1804a-c, ein erstes Kreuzungsventil 1802a und ein zweites Kreuzungsventil 1802b auf. Eine Öffnung des ersten Kreuzungsventils 1802a wird als ein Eingangsventil verwendet und die verbleibenden drei Ausgangsöffnungen sind jeweils mit einer der Pumpentitäten 1804a-c verbunden. Drei Öffnungen des zweiten Aufteilungsventils 1802b sind jeweils mit einer der Pumpentitäten 1804a-c verbunden und eine vierte Öffnung des zweiten Kreuzungsventils 1802b dient als ein Ausgang der Pumpe 1800. Das parallele Verwenden dreier Pumpentitäten 1804a-c ermöglicht eine Flussrate, die dreimal höher ist als dann, wenn nur eine Pumpentität, beispielsweise 1804a, verwendet wird. Die Pumpe 1810 weist ähnlich wie die Pumpe 1800 drei Pumpentitäten 1804a-c, ein erstes Aufteilungsventil 1812a und ein zweites Aufteilungsventil 1812b auf. Ein erstes Ventil des ersten Aufteilungsventils 1812a dient als eine Eingangsöffnung, von der das Fluid zu der Pumpentität 1804a geführt wird, die das Fluid in ein zweites Aufteilungsventil 1812b pumpt, von dem aus das Fluid in die Pumpentität 1804b und zurück in das erste Aufteilungsventil 1812a geführt wird, von wo aus dasselbe in die Pumpentität 1804c und in das zweite Aufteilungsventil 1812b zu dem Ausgang geführt wird. Die beschriebene Ausbildung der Pumpe 1810 ermöglicht eine serielle oder lineare Ausbildung der Pumpe, obwohl die Pumpentitäten 1804a-c aneinander entlang angeordnet sein könnten, um so eine Pumpe mit einem Druck zu erhalten, der dreimal so hoch ist wie bei einer Pumpe, die aus nur einer Pumpentität besteht. 18b stellt eine Pumpe 1830 dar, die drei parallele Pumpen 1800 aufweist, die derart parallel angeordnet sind, dass eine Gesamtpumpe 1830 erhalten wird, die neun Pumpentitäten aufweist, die parallel geschaltet sind. Eine Pumpe mit neun Pumpentitäten parallel kann eine Flussrate erzeugen, die neunmal höher ist als bei einer Pumpentität. Zusätzlich zu den drei parallelen Pumpen 1800 erfordert die Pumpe 1830 ein erstes Kreuzungsventil 1832a und ein zweites Kreuzungsventil 1832b, die eine Verbindung zu den drei parallelen Pumpen 1800 herstellen. 18c stellt eine Pumpe 1840 dar, die drei serielle oder linear geschaltete Pumpen 1810 aufweist, die durch die Verwendung eines ersten Kreuzungsventils 1832a und eines zweiten Kreuzungsventils 1852b parallel angeordnet sind. Die Pumpe 1840 kann eine Flussrate erzeugen, die dreimal höher ist als bei einer einzelnen Entität, sowie einen Druck, der dreimal größer ist als eine einzelne Entität, die mit 3x3 bezeichnet ist. 18d zeigt eine Pumpe 1850 mit drei linearen Pumpen 1810, die durch Aufteilungsventile 1852a und 1852b linear untereinander verbunden sind. Die Pumpe 1850 kann einen neunmal so großen Druck erzeugen wie eine einzelne Pumpentität. Ferner können die Pumpen 1830, 1840 und 1850 als eine einzelne Pumpe realisiert sein, die auf eine Veränderung der Ventilausbildungen hin zu einer seriellen oder parallelen Ausbildung wird.
Eine Wechselwirkung der Ventile (in Bezug auf die 11a-c, 12a-d, 13a-d 14a-d beschrieben) mit Pumpkammern (z. B. 1800 oder 1810) erlaubt eine Neukonfiguration einer Pumpe, wie erwünscht, wie in den 18a-d vorgestellt wird. Bei einem ersten Beispiel (Pumpe 1800) basiert eine Pumpe auf 3 Kammern, die als separate Entitäten betrachtet werden können. In einem „parallelen“ Fall (1800) sind deren Einlasskanäle sowie ein Einlasskanal eines Gesamtsystems in der gleichen Weise wie bei Entitäten und einem Gesamtsystem-Auslasskanal, alle auf einer Seite und mit einem „Aufteilungs-Kreuzungs“-Ventil in der „Kreuzung“-Position verbunden. In einem „linearen“ Fall (1810) ist ein Einlasskanal einer zweiten Entität, sowie ein Auslasskanal, umgekehrt. Kanäle in einer linken Seite sowie in einer rechten Seite eines Systems sind unter Verwendung eines „Auftei-Iungs-Kreuzungs“-Ventils in der „Aufteilungs“-Position miteinander verbunden. Es ist wichtig anzumerken, dass für dieses System ein sorgfältiges Positionieren von 6 passiven Ventilen es erlaubt, ein Pumpen in der „parallelen“ und „seriellen“ Ausbildung zu erzielen. Bei einem zweiten Beispiel basiert die Pumpe auf 9 Elementen. In diesem Fall können 3 Hauptausbildungen betrachtet werden: alle 9 Entitäten arbeiten parallel (9x1), alle 9 Entitäten arbeiten seriell (1x9) und ein kombinierter Modus, der aus 3 parallelen Blöcken mit 3 seriellen Entitäten aufgebaut ist (3x3). Bei jeder Ausbildung sind Ventile, die die Flussrichtung festlegen, alle in Blöcken aufgebaut, die aus 3 Entitäten bestehen. Für jeden Block erlauben 2 „Aufteilungs-Kreuzungs“-Ventile einen Verlauf von einer Parallel- zu einer Seriell-Entitäten-Logik. Für ein vollständiges System erlauben 2 „Aufteilungs-Kreuzungs“-Ventile einen Verlauf von einer Parallel- zu einer Seriell-Block-Logik. In dem mittleren Block und im Gegensatz zu den 2 anderen Blöcken verändert sich die Flussrichtung, wenn die Blöcke sich in einer seriellen Ausbildung befinden, was die Verwendung von Richtungsventilen erforderlich macht.
In dem Fall des zweiten Beispiels besteht ein hier behandelter Fall in einem Verwenden jeder Entität in ihrer Vollpumplogik, zusammen mit einer Gesamtflussrate/Gegendruck-Logik einer Pumpe (18a-d). Eine Ausbildung basierend auf Blöcken jedoch, die jeweils eine unterschiedliche Anzahl von Entitäten beinhalten, kann auch erzielt werden, z. B. 3 Entitäten seriell, parallel zu 6 Entitäten in Serie. In diesem Fall ist eine Beziehung von Druck/Flussrate nicht mehr linear.
Eine neu konfigurierbare Pumpe könnte basierend auf einer beliebigen Anzahl von Entitäten, die größer oder gleich 2 ist, implementiert werden. In jedem Fall muss man sich eine Position und ein Typ von Ventilen, die für eine Entwicklung einer Pumpe verwendet werden, als Funktion einer Spezifität der Pumpe vorstellen.
Eine derartige neu konfigurierbare Pumpe kann abhängig von einer Anzahl von Kammern, die in einem System verwendet werden, mehrere Druck- und Flussratensensoren integrieren, um dessen Fluidverhalten intern auszuwerten. Erzeugte Daten können dann interpretiert und verwendet werden, um ihre Ausbildung in Echtzeit neu zu konfigurieren, um geeignet zu einer Anforderung externer Komponenten zu passen. Wenn beispielsweise bei einer spezifischen Ausbildung ein erzeugter Gegendruck höher ist als ein maximaler Gegendruck, der durch das System erzielbar ist, tritt ein starker Flussratenverlust auf, was zu einer automatischen Übertragung von Pumpkammern von einer parallelen zu einer seriellen Logik führt.
19 zeigt einen Graphen, der die Abhängigkeit von Flussrate und Druck darstellt. Auf der Abszisse ist die Flussrate gezeigt und auf der Ordinate ist der Druck gezeigt. Eine Pumpenausbildung mit neun Entitäten parallel, angezeigt durch 9x1, beispielsweise die Pumpe 1830, kann eine große Flussrate erzeugen, während nur ein geringer Gegendruck erzeugt wird. Eine Pumpe mit einer 1x9-Ausbildung andererseits, d. h. neun Pumpentitäten in Serie, zum Beispiel die Pumpe 1850, kann einen großen Gegendruck erzeugen, während nur eine geringe Flussrate erzeugt wird. Ein Zwischenaufbau mit drei parallelen Entitäten, bei dem die Entitäten selbst ausgebildet sind, um in Serie zu arbeiten, ermöglicht eine mittlere Flussrate und einen mittleren Gegendruck, angezeigt durch 3x3. Die in den 18a-d beschriebenen Pumpen ermöglichen deshalb eine flexible Auswahl von Gegendruck zu Flussrate.
20 zeigt einen ersten Graphen 2010, der Flussraten 2010a-e über die Zeit zeigt, die auf der Abszisse angezeigt ist, wobei die Flussrate auf der Ordinate gezeigt ist. Die einzelnen Flussraten 2010a-e werden derart verschoben, dass ihre Maxima nicht zusammenfallen. Die Flussraten können durch Pumpen erzeugt werden, wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, und die Pumpen können ausgebildet sein, um parallel zu arbeiten, so dass die Flussrate, wie sie im Graphen 2020 beschrieben ist, erhalten wird. Bei Graph 2020 ist eine Flussrate 2020a gezeigt, die im Wesentlichen konstant über die Zeit ist. Deshalb können gemäß Aspekten der Erfindung unter Verwendung der vorstehend erwähnten Ausführungsbeispiele Pumpen erzeugt werden, die in der Lage sind, eine im Wesentlichen konstante Flussrate zu erzeugen.
Die Flussrate einer parietalen bzw. Wand-Mikropumpe ist aufgrund einer Logik des Pumpens eines Systems einer großen Variation über einen Pumpzeitraum hin unterworfen. Dieses Phänomen wird Pulsieren genannt. 20 stellt auf seiner ersten Linie eine Variation einer Flussrate über wenige Pumpperioden dar. Eine Implementierung einer kleinen Verzögerung, beim Pumpen von Logiken mehrerer Pumpentitäten, die parallel arbeiten, erlaubt ein Angleichen der Flussrate über die Betätigungsperiode, siehe Graph 2020.
In 21 ist eine mikromechanische Pumpe 2100 gemäß Ausführungsbeispielen des sechsten Aspekts der vorliegenden Anmeldung gezeigt. Die mikromechanische Pumpe 2100 weist einen ersten planaren mikromechanischen Aktuator 2110 und einen zweiten planaren mikromechanischen Aktuator 2120 auf, die aneinander entlang angeordnet sind und zwischen sich einen Fluiddurchgang 2130 bilden. Der erste planare mikromechanische Aktuator 2110 und der zweite planare mikromechanische Aktuator 2120 können in einem Wafer gebildet sein und sind zwischen parallelen Wandabschnitten angeordnet. Einer der Wandabschnitte dient als eine Grundlage für den Fluiddurchgang 2130. Ferner ist neben dem ersten planaren mikromechanischen Aktuator 2110 ein Einlassventil 2140 angeordnet, das ausgebildet ist, um einen Fluidfluss in den Fluiddurchgang 2130 hinein zu ermöglichen. Als Nächstes ist neben dem zweiten planaren mikromechanischen Aktuator 2120 ein Auslassventil 2150 angeordnet, das ausgebildet ist, um einen Fluidfluss aus dem Fluiddurchgang 2130 hinaus zu ermöglichen. Benachbart zu dem ersten planaren mikromechanischen Aktuator 2110 an einer Seite gegenüber von dem Fluiddurchgang 2130 befindet sich ein erstes Fluidvolumen 2132, von dem Fluid auf eine Betätigung des ersten planaren mikromechanischen Aktuators 2110 und des zweiten planaren mikromechanischen Aktuators 2120 hin in den Fluiddurchgang 2130 hinein gesaugt wird. Ferner befindet sich benachbart zu dem zweiten planaren mikromechanischen Aktuator 2130 an einer Seite gegenüber von dem Fluiddurchgang 2130 ein zweites Fluidvolumen 2134, in das Fluid auf eine Betätigung des ersten planaren mikromechanischen Aktuators 2110 und des zweiten planaren mikromechanischen Aktuators 2120 hin gepumpt wird, d. h. bei Rückkehr in einen nicht betätigten Zustand. Ein Fluid fließt auf eine Betätigung der mikromechanischen Pumpe 2100 hin in der Richtung 2136 entlang des ersten planaren mikromechanischen Aktuators 2110 und des zweiten planaren mikromechanischen Aktuators 2120. Die beschriebene mikromechanische Pumpe 2100 ist aufgrund ihrer erhöhten Fluiddurchgangsbreite verglichen mit einem System mit einem einzelnen planaren mikromechanischen Aktuator, wie es in 22 dargestellt ist, besonders vorteilhaft. Der vergrößerte Fluiddurchgang bewirkt einen verminderten hydraulischen Widerstand der Pumpe 2100. Die mikromechanischen Aktuatoren 2110 und 2120 könnten basierend auf Aktuatoren gebildet sein, die in Bezug auf die vorstehend erwähnten Aspekte beschrieben sind. Die Ventile 2140 und 2150 könnten basierend auf Ventilen gebildet sein, die in Bezug auf die vorstehend erwähnten Aspekte beschrieben wurden.
In 22 ist eine mikromechanische Pumpe 2200 dargestellt, die einen einzelnen planaren mikromechanischen Aktuator verwendet, wobei ein Fluiddurchgang 2230 verglichen mit dem Fluiddurchgang 2130 eine reduzierte Breite aufweist. Ferner weist die Pumpe 2200 ein Absperrventil 2240 auf, das ausgebildet ist, um nur einen Fluidfluss in eine Richtung bereitzustellen.
Beim Vergleichen der Pumpe 2100 und der Pumpe 2200 ist die Pumpe 2100 in Bezug auf hydraulischen Widerstand und Flussrate von Vorteil. Die parallele Verwendung zweier Pumpen gemäß der Pumpe 2200 kann verglichen mit der Pumpe 2100 eine vergleichbare Flussrate ergeben. Die Pumpe 2100 besitzt jedoch aufgrund ihrer vergrößerten Fluiddurchgangsbreite einen kleineren hydraulischen Widerstand.
Weitere Ausführungsbeispiele beschreiben ein mikrofluidisches Mikrosystem auf der Basis einer Volumeneinschränkung unter Verwendung von parietalen Aktuatoren, einer neu konfigurierbaren Pumpe und einer Synchronisation von Entitäten (z. B. Pumpentitäten oder Aktuatoren). Ausführungsbeispiele verwenden beide Seiten eines Aktuators an zwei gestapelten Fluidkammern. Weitere Ausführungsbeispiele betrachten die Anzahl von Zellen, die einen Aktuator bilden, betrachten eine relative Position gestapelter Entitäten, um eine Leistungsdichte einer Pumpe zu erhöhen, oder betrachten eine Größe einer potenziellen Dichte einer Betätigung (Druck und Flussrate). Alternativ beschreiben Ausführungsbeispiele eine Neukonfigurierbarkeit durch Ventile, was einen im Hinblick auf Flussrate oder Druck optimierten Betrieb ermöglicht. Ausführungsbeispiele beschreiben Drucksensoren (durch Umkehren eines Betriebsmechanismus oder durch weitere Mechanismen (Plattenkondensator, Piezowiderstände usw.)), kombiniert mit 5+ Sensoren orthogonal zu einem Fluideinlass/-auslass. Ausführungsbeispiele beschreiben weiterhin eine Phasenverschiebung während einer Betätigung von Entitäten, die parallel pumpen, um die erzeugte Flussrate/den erzeugten Druck anzugleichen, oder von Entitäten, die seriell pumpen, um einen maximalen Gegendruck eines Systems zu erhöhen.

Claims

Ein planarer mikromechanischer Aktuator (10), der an gegenüberliegenden Aufhängungszonen (10a, 10b) aufgehängt ist, der folgende Merkmale aufweist: eine neutrale Achse (15) zwischen den gegenüberliegenden Aufhängungszonen (10a, 10b), ein erstes bis viertes Segment (11, 12, 13, 14), in die der planare mikromechanische Aktuator (10) zwischen den gegenüberliegenden Aufhängungszonen (10a, 10b) segmentiert ist, wobei jedes eine erste Elektrode (11a, 12a, 13a, 14a) und eine zweite Elektrode (11b, 12b, 13b, 14b) aufweist, die einen Kondensator bilden und an gegenüberliegenden Enden des jeweiligen Segments entlang einer Richtung zwischen den gegenüberliegenden Aufhängungszonen (10a, 10b) isoliert aneinander befestigt sind, um so eine Lücke (11c, 12c, 13c, 14c) zwischen der ersten (11a, 12a, 13a, 14a) und zweiten (11b, 12b, 13b, 14b) Elektrode entlang einer Dickenrichtung (16) zu bilden, wobei die Lücke (11c, 12c, 13c, 14c) entlang der Dickenrichtung (16) von der neutralen Achse (15) versetzt ist, und wobei das erste bis vierte Segment (11, 12, 13, 14) derart konfiguriert sind, dass der planare mikromechanische Aktuator (10) daraufhin, dass eine Spannung an die erste (11a, 12a, 13a, 14a) und zweite (11b, 12b, 13b, 14b) Elektrode des ersten bis vierten Segments (11, 12, 13, 14) angelegt wird, dadurch, dass sich das erste und vierte Segment (11, 14) in die Dickenrichtung (16) biegen und das zweite und dritte Segment (12, 13) entgegengesetzt zu der Dickenrichtung (16) biegen, in die Dickenrichtung (16) ausgelenkt wird; wobei der planare mikromechanische Aktuator genau vier Segmente (11, 12, 13, 14) aufweist; oder bei dem jedes Segment eine dritte Elektrode aufweist, die entlang der zweiten Elektrode an einer gegenüberliegenden Seite der neutralen Achse zu der ersten Elektrode angeordnet ist, und bei dem für jedes Segment die dritte Elektrode an gegenüberliegenden Enden des jeweiligen Segments entlang einer Richtung zwischen den gegenüberliegenden Aufhängungszonen isoliert an der zweiten Elektrode befestigt ist, um so eine zweite Lücke in einer Richtung entgegengesetzt zu der Dickenrichtung zu bilden, so dass durch die dritte Elektrode Lücken an jeder Seite der zweiten Elektrode (11b, 12b, 13b, 14b) gebildet sind.
Ein planarer mikromechanischer Aktuator (10) gemäß Anspruch 1, bei dem die Lücken (11c, 14c) des ersten und vierten Segments (11, 14) an einer ersten Seite der neutralen Achse (15) angeordnet sind, und bei dem die Lücken (12c, 13c) des zweiten und dritten Segments (12, 13) an einer zweiten Seite der neutralen Achse (15) angeordnet sind, wobei die zweite Seite der ersten Seite gegenüberliegt.
Ein planarer mikromechanischer Aktuator (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem die erste (11a, 12a, 13a, 14a) und zweite (11b, 12b, 13b, 14b) Elektrode des jeweiligen Segments durch Abstandshalter isoliert aneinander befestigt sind.
Ein planarer mikromechanischer Aktuator (10) gemäß Anspruch 3, bei dem die Abstandshalter zumindest teilweise aus einem isolierenden Material gebildet sind.
Ein planarer mikromechanischer Aktuator (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Lücken (11c, 12c, 13c, 14c) der jeweiligen Segmente, unter Vernachlässigung der Befestigung, eine planare Form besitzen.
Ein planarer mikromechanischer Aktuator (20), der an gegenüberliegenden Aufhängungszonen (20a, 20b) aufgehängt ist, der folgende Merkmale aufweist: eine erste (21a, 22a, 23a, 24a), zweite (21b, 22b, 23b, 24b) und dritte (21c, 22c, 23c, 24c) Elektrode, wobei die zweite Elektrode (21b, 22b, 23b, 24b) sandwichartig zwischen der ersten (21a, 22a, 23a, 24a) und dritten Elektrode (21c, 22c, 23c, 24c) angeordnet ist, wobei der planare mikromechanische Aktuator (20) zwischen den gegenüberliegenden Aufhängungszonen (20a, 20b) in eine Folge von Segmenten segmentiert ist, wobei für jedes Segment die erste Elektrode (21a, 22a, 23a, 24a) und die dritte Elektrode (21c, 22c, 23c, 24c) an gegenüberliegenden Enden des jeweiligen Segments entlang einer Richtung zwischen den gegenüberliegenden Aufhängungszonen (20a, 20b) isoliert an der zweiten Elektrode (21b, 22b, 23b, 24b) befestigt sind, wobei die Folge von Segmenten in eine erste bis vierte Teilfolge von Segmenten (21, 22, 23, 24) unterteilt ist, wobei jede Teilfolge ein oder mehrere Segmente aufweist, wobei in jedem Segment der ersten und vierten Teilfolge (21, 24) die erste (21a, 24a), zweite (21b, 24b) und dritte (21c, 24c) Elektrode so geformt sind, dass sie sich in Richtung einer ersten Richtung (26) auswölben und sich auf ein Anlegen einer Spannung zwischen der ersten (21a, 24a) und dritten (21c, 24c) Elektrode einerseits und der zweiten (21b, 24b) Elektrode andererseits hin, in eine zweite Richtung (27), die entgegengesetzt zu der ersten Richtung (26) ist, biegen und wobei in jedem Segment der zweiten und dritten Teilfolge (22, 23) die erste (22a, 23a), zweite (22b, 23b) und dritte (22c, 23c) Elektrode so geformt sind, dass sie in Richtung der zweiten Richtung (27) ausgewölbt sind und sich auf ein Anlegen der Spannung zwischen der ersten (22a, 23a) und dritten (22c, 23c) Elektrode einerseits und der zweiten (22b, 23b) Elektrode andererseits hin in die erste Richtung (26) biegen, wobei die erste Teilfolge von Segmenten (21), die zweite Teilfolge von Segmenten (22), die dritte Teilfolge von Segmenten (23) und die vierte Teilfolge von Segmenten (24) jeweils ein Viertel einer Entfernung zwischen den gegenüberliegenden Aufhängungszonen (20a, 20b) bedecken.
Ein planarer mikromechanischer Aktuator (20) gemäß Anspruch 6, bei dem jede Teilfolge von Segmenten eine identische Anzahl von Segmenten aufweist.
Ein planarer mikromechanischer Aktuator (20) gemäß Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei der planare mikromechanische Aktuator (20) eine neutrale Achse (25) aufweist, die in der zweiten Elektrode (21b, 22b, 23b, 24b) zwischen den gegenüberliegenden Aufhängungszonen (20a, 20b) gebildet ist.
Ein planarer mikromechanischer Aktuator (20) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem jede Teilfolge, die die Folge von Segmenten aufweist, genau ein Segment aufweist.
Ein planarer mikromechanischer Aktuator (20) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem die erste (21a, 22a, 23a, 24a) und zweite (21b, 22b, 23b, 24b) Elektrode durch erste Abstandshalter (22d, 23d) aneinander befestigt sind und die zweite (21b, 22b, 23b, 24b) und dritte (21c, 22c, 23c, 24c) Elektrode durch zweite Abstandshalter (21d, 24d) aneinander befestigt sind.
Ein planarer mikromechanischer Aktuator (20) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10, bei dem die erste Elektrode (21a, 24a) in der ersten (21) und vierten (24) Teilfolge der Folge von Segmenten eine größere Dicke aufweist als die dritte Elektrode (21c, 24c), und bei dem die erste Elektrode (22a, 23a) in der zweiten (22) und dritten (23) Teilfolge der Folge von Segmenten eine kleinere Dicke aufweist als die dritte Elektrode (22c, 23c).
Ein planarer mikromechanischer Aktuator (20) gemäß Anspruch 11, bei dem die erste (21a, 22a, 23a, 24a) Elektrode und zweite (21b, 22b, 23b, 24b) Elektrode durch erste Abstandshalter (22d, 23d) aneinander befestigt sind und die zweite und die dritte Elektrode durch zweite Abstandshalter (21d, 24d) aneinander befestigt sind, wobei die ersten (22d, 23d) und zweiten (21d, 24d) Abstandshalter und die zweite Elektrode (21b, 22b, 23b, 24b) an den ersten (22d, 23d) und zweiten (21d, 24d) Abstandshaltern derart gebildet sind, dass eine Gesamtdicke des planaren mikromechanischen Aktuators (20) an Grenzen zwischen den Teilfolgen von Segmenten (21, 22, 23, 24) konstant bleibt.
Ein planarer mikromechanischer Aktuator (20) gemäß Anspruch 12, bei dem Lücken, die zwischen der ersten (21a, 22a, 23a, 24a) und zweiten (21b, 22b, 23b, 24b) Elektrode und den ersten Abstandshaltern (22d, 23d) gebildet sind, bogenförmig sind, und wobei Lücken, die zwischen der zweiten (21b, 22b, 23b, 24b) und dritten (21c, 22c, 23c, 24c) Elektrode und den zweiten Abstandshaltern (21d, 24d) gebildet sind, bogenförmig sind.
Ein planarer mikromechanischer Aktuator (20) gemäß Anspruch 10, 12 oder 13, bei dem die Abstandshalter (21d, 22d, 23d, 24d) zumindest teilweise aus einem isolierenden Material gebildet sind.
Ein planarer mikromechanischer Aktuator (20) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 14, bei dem in jedem Segment der ersten und vierten Teilfolge (21, 24) eine Außenoberfläche der ersten Elektrode eine erste Krümmung aufweist, die einen Vorsprung des planaren mikromechanischen Aktuators (20) in dem jeweiligen Segment bildet, und bei dem eine Außenoberfläche der dritten Elektrode (21c, 24c), die gegenüber von der Außenoberfläche der ersten Elektrode (21a, 24a) gerichtet ist, eine zweite Krümmung aufweist, die eine Ausnehmung des planaren mikromechanischen Aktuators (20) bildet, wobei die erste Krümmung einen kleineren Radius aufweist als die zweite Krümmung.
Ein planarer mikromechanischer Aktuator (20) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 15, bei dem in jedem Segment der zweiten und dritten Teilfolge (22, 23) eine Außenoberfläche der ersten Elektrode (22a, 23a) eine erste Krümmung aufweist, die eine Ausnehmung des planaren mikromechanischen Aktuators in dem jeweiligen Segment bildet, und bei dem eine Außenüberfläche der dritten Elektrode (22b, 23b), die gegenüber von der Außenoberfläche der ersten Elektrode (22a, 23a) gerichtet ist, eine zweite Krümmung aufweist, die einen Vorsprung des mikromechanischen Aktuators (20) bildet, wobei die erste Krümmung einen größeren Radius aufweist als die zweite Krümmung.