Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf mikrobearbeitete Elektrofluidik-Module, ihre Verbindung mit einem separaten Teil oder einer separaten Montagevorrichtung sowie ihre Verwendung in einem Multiplex-System.

Bisher gab es verschiedene und zahlreiche Anordnungen von elektronischen Komponenten und Fluidik-Komponenten. Derartige Anordnungen haben mehr oder weniger versucht, ein Zusammenwirken zwischen den Elektronik- und/oder den Fluidik-Komponenten zu erreichen, um Elektrofluidik-Eigenschaften zu schaffen. Komponenten wurden in einem Gehäuse oder in modularer Form montiert.

Derartige modulare Anordnungen weisen normalerweise einen inneren Solenoid, eine elektrische Wicklung, ein elektrothermisches Element oder einen elektrisch ansprechenden Sensor, wie er beispielsweise in einem Wandler verwendet wird, auf und enthalten mindestens einen Fluidkanal. Elektrofluidik-Ventile weisen normalerweise sowohl einen Fluidikeinlaß als auch einen Fluidikauslaß auf, die üblicherweise durch Fluidikschläuche oder Fluidikrohre verbunden sind, und besitzen daran angebrachte elektrische Leitungen zur Verbindung mit einer Steuerschaltung.

Solenoidgesteuerte Fluidikventile sind normalerweise recht groß, obwohl Miniatur-Solenoidventile zur Verfügung stehen, wie dies nachfolgend noch beschrieben wird. Wie ebenfalls nachfolgend noch beschrieben wird, gibt es eine begrenzte Verwendung von neueren mikrobearbeiteten Ventilen, die eine viel geringere Größe aufweisen und ein bewegliches Element in ihrem Inneren verwenden, um die Fluidikströmung durch diese hindurch zu modulieren.

Obwohl kleine mikrobearbeitete Ventile verfügbar sind, sind diese zur Ausnutzung ihrer Größe nicht effektiv untergebracht, wenn eine große Anzahl solcher Ventile erforderlich ist, wie zum Beispiel in einem komplexen Fluidiksystem, wie einem Fluidik-Multiplexsystem.

Solenoidventile haben eine Reihe von Nachteilen, wenn sie bei Anwendungen zum Einsatz kommen, in denen Größe, Wärme, Gewicht und Betriebsgeräusch wichtig sind, wie zum Beispiel in einem Dialysesystem, bei dem über zwanzig Solenoidventile zum Einsatz kommen.

Derartige Dialysesysteme sind offenbart in dem US-Patent 5 324 422 mit dem Titel "Benutzerschnittstelle für automatisierte Peritonealdialysesysteme", erteilt für Colleran et al. und übertragen auf Baxter International Inc., sowie in dem US-Patent 5 350 357 mit dem Titel "Peritonealdialysesysteme, die eine Flüssigkeitsverteilungs- und Pumpkassette verwenden, die Schwerkraftströmung emuliert", erteilt für Kamen et al. und übertragen an die Deka Products Limited Partnership. Das pneumatische Druckverteilungsmodul in den Colleran/Kamen-Patenten (s. 9) besitzt über zwanzig Solenoidventile in zwei Leitungen, wobei sich Fluidikschläuche zwischen den Einlässen/Auslässen der Ventile und dem Kolbenkörper erstrecken.

Während das bei Colleran/Kamen offenbarte pneumatische Druckverteilungsmodul seinen beabsichtigten Zweck erfüllt, pneumatische Betätigungssignale für die Flüssigkeitsventile bereitzustellen, besitzt das Modul in der Praxis mehrere Nachteile.

Das Modul ist relativ groß und schwer, indem es eine ungefähre Größe von 12 Inch mal 4 Inch mal 2 Inch aufweist und ein Gewicht von etwa fünf Pfund hat. Das Modul beinhaltet über 20 solenoidbetätigte elektromechanische Ventile, von denen viele Dreiwegventile sind, die in beträchtlichem Umfang Elektrizität benötigen und Wärme sowie auch beträchtliches Geräusch erzeugen. Die Geräuschprobleme sind besonders hervortretend und machen eine Schallumschließung sowie eine entfernte Montage der Ventile in einem separaten Gehäuse erforderlich.

Die Größe des Colleran-Moduls führte auch zu einer Montage entfernt von dem Kolbenelement. Die entfernte Montage verursacht eine Verzögerung bei den pneumatischen Betätigungssignalen und der Flüssigventil-Ansprechzeit und erhöht ferner die Kosten, die Größe sowie die Komplexität des Systems insgesamt. An dem Modul und an dem Kolben muß eine große Anzahl von Leitungen und Installationsverbindungen vorgenommen werden, so daß sich die Größe, das Volumen und die Komplexität des Dialysegeräts erhöhen.

Die Nachteile des Verteilungsmoduls sind somit die Kosten, die Größe, das Gewicht, das Rauschen, die Wärme sowie die Energieerfordernisse. Die Nachteile werden durch die Tatsache verschärft, daß die Colleran-/Kamen-Systeme für die Behandlung von Nieren-Dialysepatienten zu Hause gedacht sind, und zwar im allgemeinen, während der Patient schläft.

Man hat erkannt, daß es unter Aufrechterhaltung der Patientensicherheit weiter wünschenswert wäre, die Größe und die Kosten des pneumatischen Verteilungsmoduls zu reduzieren, das bei der Peritoneal-Behandlungsvorrichtung verwendet wird. Leider hat sich herausgestellt, daß bei anderen Anwendungen verwendete Komponenten zum Erreichen dieser Zielsetzungen häufig ungeeignet waren, insbesondere wenn diese in Peritoneal- und Nieren-Behandlungsvorrichtungen oder anderen medizinischen Behandlungsvorrichtungen des vorstehend beschriebenen Typs verwendet werden.

Weiterhin können die Peritoneal-Behandlungssysteme des bei Colleran et al. dargestellten Typs aufgrund der Tatsache relativ geräuschbehaftet sein, daß die pneumatischen Ventile während der gesamten Nacht betätigt werden, während der Patient zu schlafen versucht, während er oder sie an das Peritoneal-Behandlungssystem angeschlossen ist.

Eine einfache Miniaturisierung der Ventile unter weiterer Verwendung von Solenoidventilen würde die bestehenden Nachteile nicht vollständig überwinden, da das relative Volumen der Verteilereinrichtungen im Hinblick auf die damit verbundenen Ventile relativ groß bleiben würde und sich somit die gewünschten Größen- und Kosteneinsparungen nicht erreichen lassen würden.

Man hat erkannt, daß man einen Verteilungsmodul herstellen könnte, indem man versucht, die größeren Solenoidventile durch kleinere, miniaturisierte Solenoidventile beispielsweise des Typs zu ersetzen, der von SMC erhältlich ist und die Modellnummer NVJ124A hat. Jedes dieser Dreiweg-Miniventile ist etwa einen Inch lang, drei Achtel (3/8) Inch breit und drei Viertel (3/4) Inch hoch. Sehr kleine rohrförmige, solenoidbetätigte Ventile sind von der Lee Company erhältlich und tragen die Seriennummer LHDX0500700AA.

Vier bis zehn der Lee-Dreiwegventile sind in Verteilersystemen an einem Kunststoffverteilerblock konfiguriert worden, der ein Paar Primäreinlässe sowie eine Anzahl von Auslässen entsprechend der Anzahl von Ventilen aufweist. Leider konnten jedoch keine sehr wesentlichen dimensionsmäßigen Einsparungen mit Solenoidventilen erzielt werden, und zwar aufgrund der Tatsache, daß Solenoidventile bei ihrer Betätigung häufig eine beträchtliche Menge an elektrischem Strom ziehen, so daß Abwärme erzeugt wird, die abgeführt werden muß.

Der Stand der Technik ist reich an verschiedenartigen und zahlreichen Elektrofluidik-Schaltungen, die elektrische Schaltungen, elektromechanische Ventile und Fluidikverteiler aufweisen. Siehe zum Beispiel US-Patent 4 095 863 von Hardin mit dem Titel "Verteilereinrichtung und System für elektrische und/oder pneumatische Steuervorrichtungen und Verfahren dafür"; US-Patent 4 165 139 von Asbill III, mit dem Titel "Verteilereinrichtung und System für elektrische und/oder pneumatische Steuervorrichtungen und Verfahren dafür"; US-Patent 3 547 139 von Van Berkum, mit dem Titel "Fluidlogikbaustein"; US-Patent 3 646 963 von Klee, mit dem Titel "Kanalsystem für durch Fluiddruckmedium betätigte Regel-, Steuer- und Meßvorrichtung"; und US-Patent 4 549 248 von Stoll, mit dem Titel "Elektrofluidik-Leiterplattenanordnung mit Fluidkanälen und elektrischen Verbindungen". Jede der vorstehend genannten Schriften besitzt bestimmte Nachteile hinsichtlich ihrer großen Größe, ihres hohen Gewichts sowie ihrer anwendungsspezifischen Ausbildungen.

In den letzten Jahren ist es in der Technik bekannt geworden, daß mikrobearbeitete Ventile, beispielsweise des in dem US-Patent Nr. 5 069 419 von Jerman offenbarten Typs, kommerziell verfügbar sind. Derartige Ventile sind in einzelnen Gehäusen untergebracht worden, die einen einzigen Einlaß und einen einzigen Auslaß zur Steuerung von geringen Mengen an Fluidströmung durch diese hindurch aufweisen.

Die mikrobearbeiteten Siliziumventile sind recht klein, indem sie auf quadratischen oder rechteckigen Siliziumscheiben ausgebildet sind, die sich in Bruchteilen eines Inch messen lassen und nur wenige Tausendstel dick sind. Die Gehäuse, in die die mikrobearbeiteten Ventile eingeschlossen worden sind, sind jedoch Größenordnungen größer als die eigentlichen Ventile und sind im Vergleich zu dem eigentlichen mikrobearbeiteten Ventil relativ sperrig. Außerdem sind mikrobearbeitete Ventile im Vergleich zu Solenoidventilen relativ fragil.

Sie ziehen jedoch keine großen Mengen an Strom, da sie normalerweise durch die Erwärmung aktiviert werden, die durch den elektrischen Strom hervorgerufen wird, der durch einen dotierten Bereich fließt, so daß eine unterschiedliche Expansion von Schichten in dem mikrobearbeiteten Ventil hervorgerufen wird und dadurch eine Bewegung zwischen einer Erhebung und einem Ventilsitz bewerkstelligt wird. Derartige Ventile sind zum Beispiel von IC Sensors unter der Modellnummer ICS 4425 erhältlich. Ähnliche Ventile sind erhältlich von Redwood Systems und werden unter der Handelsbezeichnung "FLUISTOR®" vertrieben.

Die Ventile sind jeweils einzeln in einem Gehäuse untergebracht, wobei die speziell in einem TO8-Behältnis untergebrachten Ventile einen einzigen Gaseinlaß und einen einzigen Gasauslaß aufweisen. Das TO8-Behältnis kann von einer gedruckten Leiterplatte nach oben wegragend angebracht sein, auf der elektrische Leiterbahnen ausgebildet sein können, um eine elektrische Verbindung zu dem Ventil herzustellen, so daß dem Ventil elektrische Signale zum Steuern seines Zustands und somit zum Steuern der Fluidströmung durch das Ventil zugeführt werden können.

In ähnlicher Weise offenbart das durch eine Schicht mit Formerinnerungsvermögen betätigte Mikroventil, das in dem US-Patent 5 325 880 von Johnson offenbart ist, die Unterbringung eines Mikroventils in einem TO8-Behältnis, siehe 2. Das US-Patent 5 329 965 von Gordon, mit dem Titel "Hybridventilsystem zum Variieren der Fluidströmungsrate", offenbart eine schematische Darstellung eines Fluidströmung-Ventilsystems, das ein FLUISTOR®-Mikroventil beinhaltet, wobei als Alternative ein Gas-Mikroventil Modell Nr. 4425 offenbart ist, das von IC Sensors vertrieben wird. Das '965-Patent von Gordon erfordert offensichtlich die Verwendung eines separaten Einlaßrohrs und Auslaßrohrs sowie einer Leiterplatte.

Zusätzlich zu dem Jerman-Patent 5 969 419 sind weitere mikrobearbeitete Vorrichtungen offenbart in dem US-Patent 5 325 880 von Johnson et al., mit dem Titel "Durch Schicht mit Formerinnerungsvermögen betätigtes Mikroventil"; US-Patent 5 180 623 von Ohnstein, mit dem Titel "Elektronische Mikroventilvorrichtung sowie Herstellung davon"; US-Patent 4 821 997 von Zdeblick, mit dem Titel "Integrierter Mikrominiatur-Elektrik/Fluidik-Ventil und Druck/Strömungsregler"; sowie US-Patent 5 322 258 von Bosch et al., mit dem Titel "Mikromechanische Betätigungseinrichtung".

Es versteht sich, daß der Begriff mikrobearbeitete Einrichtungen, wie er hier verwendet wird, allgemein verwendet wird und nicht nur mikrobearbeitete Elektrofluidik-Ventile umfaßt, sondern auch andere mikrobearbeitete Einrichtungen, wie zum Beispiel Elektrofluidik-Druckwandler. Ein Beispiel für einen im Handel erhältlichen mikrobearbeiteten Druckwandler ist die Modellnummer FPM-15PG, der von Fujikura, Japan, erhältlich ist.

Der Druckwandlerkörper weist eine einzige Fluidik-Eingangsleitung für einen einzelnen darin vorhandenen Wandler sowie elektrische Verbindungen für den einzelnen Wandler zum Einstecken in geeignete elektrische Einrichtungen auf. Der vorstehend genannten Fujikura-Druckwandler ist kommerziell bei dem Druckverteilungsmodul verwendet worden, das in dem '422-Patent von Colleran offenbart ist, siehe Bezugszeichen 178 in 18.

Die beiden anderen Patente, das '258-Patent von Bosch und das '997-Patent von Zdeblick, offenbaren Anordnungen von Mikroventilen, siehe 6 bei Bosch und 66 bei Zdeblick. Weder Bosch noch Zdeblick offenbaren jedoch die elektrischen Schaltungseinrichtungen und die Fluidikverbindungen, die für die Handhabung der Fluidikeingänge und -ausgänge für die Ventile in den Anordnungen erforderlich sind.

Die EP-A-518 524 beschreibt Gasventile, die in der Lage sind, in eine Vakuumkammer einzuleitende Gase mit hoher Geschwindigkeit zu schalten. Diese Gasventile können extern mit Gaszuführrohren, Gasaustrittsrohren und Leitungsdrähten, die zum Anlegen einer Spannung zum Öffnen und Schließen der Ventile ausgebildet sind, verbunden sein.

Die US-A-5 350 357 beschreibt ein System zum Ausführen einer Peritonealdialyse, das ein Druckverteilungssystem beinhaltet. Das Druckverteilungssystem beinhaltet eine Einrichtungsschicht, die Druckwandler enthält, eine Verbindungsplatte und eine Verteileranordnung. Die Verteileranordnung weist eine obere Platte und eine untere Platte auf. Die untere Platte trägt Ventile, die eine Steuerung von Luftöffnungen in der Bodenplatte bewirken. Die Ventile sind durch Flachkabel mit einer Steuerung an der Einrichtungsschicht über Kontakte an der Verbindungsplatte elektrisch verbunden.

Die Verwendung von elektrostatisch betätigten Mikroventilen, die eine Schicht mit Formerinnerungsvermögen unter Ausnutzung des martensitischen Umwandlungsphänomens verwenden können, in einer matrixartigen Anordnung, ist in dem US-Patent 5 284 179 von Shikida et al., mit dem Titel "Ventil und Halbleiterherstellungseinrichtung unter Verwendung eines solchen Ventils" offenbart.

Das '179-Patent von Shikida offenbart mehrere Einlässe und mehrere Auslässe zusammen mit mehreren Mikroventilen mit Formerinnerungsvermögen, die in einer einzelnen Schicht in einem Fluidikverteiler angeordnet sein können oder auf mehreren Ebenen in einem komplexeren Fluidikverteiler angeordnet sein können, siehe 7b, 8 und 18.

Das Shikida-Patent hat die Nachteile, daß es ein in der Herstellung kompliziertes und schwieriges System zu sein scheint und daß ein Zugang zu den Mikroventilen für eine Reparatur oder ein Austauschen derselben schwierig oder unmöglich ist. Ferner dient die Shikida-Offenbarung für eine anwendungsspezifische Ausbildung, und es handelt sich nicht um ein Gehäuse oder ein Modul von elektrischen Komponenten und Fluidikkomponenten mit allgemeiner Anwendbarkeit.

Das heißt, im Gegensatz zu einzelnen Ventilen, die angebracht oder ausgebaut werden können, wenn eines davon fehlerhaft wird, muß die gesamte Matrix weggeworfen werden, wenn ein einziges Ventil fehlerhaft wird. Ferner weisen die Mikroventile keine standardmäßigen Fluidikverbinder und elektrischen Verbinder auf, wie dies bei Solenoidventilen der Fall ist, bei denen eine Neuanordnung der Ventile für verschiedene Funktionen möglich ist.

Wie vorstehend erwähnt wurde, ist das Mikroventil im Inneren des TO8-Behältnisses des ICS 4425 oder des FLUISTORS®-Ventils zwar sehr klein, jedoch ist das Gehäuse recht groß, und jedes Gehäuse benötigt separate Fluidikverbindungen und elektrische Verbindungen. Es ist zu erkennen, daß zur Bereitstellung einer Vielzahl von Ventilen, wie bei dem '422-Patent von Colleran, eine große Anzahl von Fluidikleitungen und eine große Anzahl von elektrischen Verbindungen erforderlich wären, was zu einer sehr komplexen und verwirrenden Anordnung einzelner Elemente führt, die Ventile, Fluidikleitungen und -verbinder sowie elektrische Leitungen und Verbinder beinhalten.

Es besteht daher ein Bedarf für ein Elektrofluidik-Modul, insbesondere ein in hohem Maßen miniaturisiertes Elektrofluidik-Modul, das die Funktion eines Multiplex-Systems ausführen kann, das in der Lage ist, einen oder mehrere einer Vielzahl von Fluidikeinlässen mit einem oder mehreren einer Vielzahl von Fluidikauslässen selektiv zu verbinden, das jedoch nur ein sehr kleines Volumen einnimmt, sehr wenig elektrischen Strom für die Steuerung verbraucht und somit wenig Abwärme erzeugt und das zuverlässig ist und sich kostengünstig herstellen läßt. Vorzugsweise sollte ein solches Modul eine einfache Montage und ein einfaches Austauschen ermöglichen, und es sollte mit einer Standard-Fluidikschnittstelle und einer Standard-Elektronikschnittstelle ausgestattet sein.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein in hohem Ausmaß miniaturisiertes Elektrofluidik-Modul zur Aufnahme eines Fluids und Herstellung einer elektrischen Verbindung angegeben.

Das Modul besitzt eine im wesentlichen flache Verteilerschicht, die mindestens einen Fluidikeinlaß und einen inneren Fluidikkanal hat, der mit dem Einlaß zur Aufnahme von Fluid verbunden ist; eine im wesentlichen flache elektrische Schicht, die eine elektrische Schaltung trägt; und eine im wesentlichen flache Einrichtungsschicht, die eine Vielzahl von mikrobearbeiteten Einrichtungen darauf in Fluidverbindung mit dem Fluidikkanal in der Verteilerschicht und in direkter elektrischer Verbindung mit der elektrischen Schaltung auf der elektrischen Schicht hat.

Das Modul kann ferner eine zweite flache Verteilerschicht aufweisen, die Fluidikkeingänge und innere Fluidikkanäle hat. Die zweite Schicht ist an einer Seite der mikrobearbeiteten Einrichtungsschicht angeordnet, die der Seite gegenüberliegt, an der die erste Verteilerschicht angeordnet ist, um die Fluidströmung zu der ersten Verteilerschicht zurückzuleiten, wobei die elektrische Schaltung Leiterbahnen darauf aufweist, wobei die elektrische Schicht zwischen der Einrichtungsschicht und der ersten Verteilerschicht angeordnet ist, wobei in der elektrischen Schicht Fluidikkanäle ausgebildet sind, um die Strömung von Fluid von der ersten Verteilerschicht und durch die elektrische Schicht zu ermöglichen.

Bei der Einrichtungsschicht kann es sich um eine mittlere Schicht handeln, wobei die genannte Verteilerschicht an einer Seite der Einrichtungsschicht angeordnet ist. Das Modul kann eine zweite Verteilerschicht aufweisen, die an einer der ersten Verteilerschicht gegenüberliegenden Seite der Einrichtungsschicht angeordnet ist, wobei die zweite Verteilerschicht Fluidikkänäle zum Zurückleiten der Fluidströmung zu der ersten Verteilerschicht hat und wobei die mikrobearbeiteten Einrichtungen auf der Einrichtungsschicht Elektrofluidikventile aufweisen.

Das Modul kann ferner einen modularen Flachgehäuse-Schichtkörper aufweisen, der eine Fläche hat, wobei die Verteilerschicht eine Einlaß-/Auslaßverteilerschicht ist, die mindestens einen Einlaß für die Einlaßfluidströmung in der einen Richtung und mindestens einen Auslaß für die Fluidrückströmung in einer Rückflußrichtung hat und an der Fläche vorhanden ist.

Bei der Einrichtungsschicht kann es sich um eine mittlere Schicht des Körpers handeln, und die Fluidikkanäle der Einrichtungsschicht können die Fluidströmung modulieren. Die elektrische Schicht kann in dem Körper den mikrobearbeiteten Einrichtungen benachbart vorhanden sein und elektrische Schaltungen zum Betätigen der mikrobearbeiteten Einrichtungen aufweisen.

Das Modul kann ferner einen Rückleitungsverteiler an dem modularen Körper an einer anderen Seite der Einrichtungsschicht aufweisen, um die Fluidströmung von einem Teil der Einlaß-/Auslaßverteilerschicht aufzunehmen und die Fluidströmung zu einem anderen Teil der Einlaß-/Auslaßverteilerschicht umzuleiten.

Das Modul kann für eine Multiplex-Aufgabe verwendet werden, die ein sehr geringes Volumen einnimmt und vorzugsweise sehr kleine mikrobearbeitete Elektrofluidik-Einrichtungen, beispielsweise Elektrofluidik-Ventile, verwendet. Dies wird zum Teil erreicht durch Bereitstellung einer Vielzahl von mikrobearbeiteten Elektrofluidik-Einrichtungen in einem einzigen, kleinen, flachen Modul, anstatt einer separaten Bereitstellung der gleichen Anzahl von einzeln in Gehäuse untergebrachten Einrichtungen.

Auch ist das Gewicht dieser mehreren mikrobearbeiteten Einrichtungen aufgrund ihrer Kombination in einem einzigen, kleinen, flachen Schichtgehäuse beträchtlich geringer. Ferner werden die Kosten des Elektrofluidiksystems aufgrund der Tatsache beträchtlich vermindert, daß mehrere Ventilmodule aus standardmäßigem Leiterplattenmaterial (FR-4) unter Verwendung herkömmlicher, kostengünstiger Mehrschicht-Leiterplattenherstellungstechniken hergestellt werden können.

Die gehäusemäßige Unterbringung von mehreren mikrobearbeiteten Einrichtungen in einem gemeinsamen, einzigen, miniaturisierten Schichtkörper bzw. Schichtgehäuse ohne zahlreiche individuelle Luftleitungen und zugehörige Verbindungen führt zu beträchtlichen Einsparungen bei der Größe, dem Gewicht und den Kosten.

Vorteile bei der Montage und der Instandhaltung ergeben sich, da das standardmäßige Schichtmodul mit vorbestimmten Standard-Fluidikeinlässen und -auslässen sowie mit einem elektrischen Standardverbinder zur Verbindung mit einem Elektrofluidik-Montageelement, wie zum Beispiel einer Elektrofluidik-Platte, versehen sein kann, die Fluidikkanäle sowie einen dazu passenden elektrischen Verbinder aufweist.

Der elektrische Verbinder an dem standardmäßigen Schichtmodul kann an einem dazu passenden elektrischen Verbinder unter Verwendung einer beliebigen geeigneten Verbindungseinrichtung angebracht werden, wie zum Beispiel einer standardmäßigen, dazu passenden Zwischenverbindung-Stift- und -Fassungs-Anordnung, die minimale Einführkraft benötigt.

Dies macht das Modul ideal für eine rasche Montage oder für ein Austauschen hinsichtlich des Elektrofluidik-Elements im Fall eines Ventildefekts in dem Modul. Dadurch werden die Nachteile von Mikroventilen des Standes der Technik überwunden, die häufig schwalbenschwanzartige elektrische Drahtleitungen aufweisen, die einzeln verlötet werden müssen, was zeitaufwendig ist und das Silikonmaterial beschädigen kann, wenn beim Löten kein Kühlkörper verwendet wird.

Zusätzlich dazu wird das von dem Standardmodul eingenommene Volumen reduziert, indem an dem Modul eine Rückströmungseinrichtung vorgesehen ist, um die ankommende Fluidströmung in einer umgekehrten Rückflußrichtung umzuleiten, so daß sowohl die Fluidikeinlässe als auch die Fluidikauslässe an einer gemeinsamen Fläche des Standardmoduls für eine bündige Anbringung an einer Fläche eines Elektrofluidik-Elements, beispielsweise einer Elektrofluidik-Leiterplatte, vorgesehen sein können.

Das heißt, anstatt große und separate Einlaßrohre oder Einlaßschläuche mit gegenüberliegenden Seiten von jedem der mehreren mikrobearbeiteten Ventile zu verbinden, wird ein gemeinsamer Rückleitungsverteiler zum Zurückleiten der Fluidströmung zu der Einlaß-/Auslaßfläche des Moduls vorgesehen. Somit werden die Höhe und das Volumen des Standardmoduls durch Eliminieren einer Reihe linearer anschließender Verbindungen reduziert.

Vorzugsweise ist die bündig anbringbare Fläche des Standardmoduls bündig an dem Elektrofluidik-Element oder der Elektrofluidik-Leiterplatte angebracht, das bzw. die Fluidikkanäle in ihrer Fläche aufweist, so daß keine Fluidikrohre oder Fluidikschläuche zwischen der Leiterplatte und dem Modul vorgesehen sind.

Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung ist es in entsprechender Weise bevorzugt, daß ein Elektrofluidik-Element oder eine Elektrofluidik-Leiterplatte bündig an einer separaten Montagevorrichtung angebracht wird und daß die Montagevorrichtung Fluidikkanäle darin aufweist, so daß Fluid direkt von der Montagevorrichtung durch Öffnungen und Fluidikkanäle in der Leiterplatte ohne Verwendung von Rohren oder Schläuchen zwischen der Leiterplatte und der Montagevorrichtung zu und von den Standardmodulen strömen kann.

Beispielsweise wird der Kolbenkörper der Dialysevorrichtung mit Fluidikkanälen versehen und wird das Elektrofluidik-Element oder die Elektrofluidik-Leiterplatte an dem Kolbenkörper angebracht, wobei Öffnungen in der Leiterplatte Fluid ohne die Verwendung von irgendwelchen Fluidikrohren oder Fluidikschläuchen in Bezug auf die Kolben-Fluidikkanäle aufnehmen und zurückleiten. Das Standardmodul wird gleichermaßen bündig angebracht, wobei seine Fluidikeinlässe und Fluidikauslässe an seiner Verteilerschichtfläche mit den Fluidikkanäle in der Leiterplatte verbunden werden.

Da eine Rückleitungsverteilerschicht an dem Modul auf der Seite einer Schicht von mikrobearbeiteten Einrichtungen in dem Modul Fluid zu der Verteilerschicht zurückleitet, erfolgen sowohl die Fluideintrittsströmung als auch die Fluidaustrittsströmung durch die gleiche Verteilerschicht sowie durch die gleiche Fläche.

Die Qualität des Elektrofluidik-Standardmoduls ist gegenüber der einer herkömmlichen Fluidikschaltung mit ähnlicher Funktionalität verbessert. Der Grund hierfür liegt darin, daß sich die Reduzierung der Anzahl von Teilen direkt in einer verbesserten Qualität niederschlägt. Vorteile in der Qualitätskontrolle sind ebenfalls durch die Erfindung bedingt, da die standardisierten Elektronik- und Fluidik-Zwischenverbindungen einfache Qualitätskontrolltests des Moduls nach der Montage ermöglichen.

Das erfindungsgemäße Modul schafft ferner einen einheitlichen Verbindungsstandard, so daß standardisierte Elektronik- und Fluidik-Zwischenverbindungen sowie eine geradlinige Anpassung des Moduls bei einer großen Anzahl verschiedener Anwendungen ermöglicht werden.

Die Funktionalität des Elektrofluidik-Standardmoduls und der kundenspezifischen Leiterplattenanordnung ist ganz anders und in der Lage, Elektronik- und Fluidikkomponenten zur Ausführung einer großen Anzahl verschiedener Funktionen Rechnung zu tragen. Diese Komponenten können jede gewünschte Kombination von Zweiwegventilen, Dreiwegventilen, Druck-/Strömungs/Temperatursensoren, Druck-/Strömungsreglern, programmierbaren Fluidikkomponenten, Kombinations-Fluidikschaltungen, Transistoren, mikrobearbeiteten Pumpen, Verstärkern sowie anderen Elektronik- und/oder Fluidikkomponenten beinhalten. Die vorstehend genannten Komponenten und Funktionen sind als Beispiele genannt und sollen nicht die Auswahlmöglichkeiten begrenzen, die in der Technik verfügbar sind oder verfügbar werden.

Das bevorzugte Elektrofluidik-Modul ist gebildet aus flachen Schichten, die eine Schicht mit mindestens einer mikrobearbeiteten Einrichtung beinhalten, wie zum Beispiel eine Vielzahl von mikrobearbeiteten Ventilen, die einander benachbart angeordnet sind und mit Schaltungen auf einer benachbarten elektrischen Schicht, die die Ventilelemente betätigt, elektrisch verbunden sind.

Das Modul weist ferner eine Verteilerschicht mit Fluidikkanälen sowie Fluidikeinlässen und Fluidikauslässen an einer Fläche des Moduls auf, wobei die Fluidikkanäle in der Verteilerschicht in Fluidverbindung mit den Fluidikkanälen in den mikrobearbeiteten Ventilen sind.

Vorzugsweise weist die elektrische Schicht eine elektrische Leiterplatte mit darauf vorhandenen elektrischen Leiterbahnen auf, die elektrische Schaltungen zum Betätigen jedes der mikrobearbeiteten Ventile bilden. Diese elektrischen Schaltungen sind mit einem elektrischen Verbinder zur Herstellung einer mechanischen und elektrischen Verbindung mit einem dazu passenden elektrischen Verbinder an dem Elektrofluidik-Leiterplattenelement ohne die Verwendung von Löttechniken elektrisch verbunden.

Aus dem Vorstehenden ist zu erkennen, daß ein neues und verbessertes Verfahren zum Herstellen und/oder Unterbringen einer Vielzahl von miniaturisierten oder mikrobearbeiteten Fluidik- und Elektronikkomponenten in einem äußerst miniaturisierten, kostengünstigen Flachgehäuse-Modul geschaffen wird.

Die in der vorliegenden Erfindung offenbarte Verfahrensweise ermöglicht die bündige Anbringung eines solchen Flachgehäuse-Moduls für Fluidikverbindungen in einem größeren Fluidiksystem sowie eine Verbindung desselben durch dazu passende elektrische Verbinder mit einer elektrischen Steuereinheit zum Betreiben der Mikroeinrichtungen in dem Flachgehäuse-Modul.

Auf diese Weise kann ein Flachgehäuse-Modul, das eine Vielzahl von Mikroventilen aufweist, in ein größeres Elektrofluidik-System mit zusätzlichen Fluidikkomponenten als Teil einer separaten Montagevorrichtung integriert werden. Bei den Fluiden kann es sich um Gase, wie zum Beispiel Luft unter Druck oder Unterdruck, oder um Flüssigkeiten handeln. Die Mikroventile sind proportional und können zum Einstellen der Strömungsraten sowie zum Öffnen und Schließen der Strömungswege verwendet werden.

Aus dem Vorstehenden ist zu erkennen, daß das Modul Fluidikleitungen und elektronische Schaltungen auf einer Basis zum Abstützen der Fluidik- und Elektronikkomponenten sowie Fluidik-Schnittstellenverbindungen für Fluidverbindungen zwischen der Basis und einer separaten Montagevorrichtung, elektronische Schnittstellenverbindungen zur Herstellung einer Verbindung von elektrischen Signalen und/oder Energie zwischen der Basis und der separaten Montagevorrichtung sowie eine mechanische Schnittstellenverbindung zum Befestigen der Basis an der separaten Montagevorrichtung aufweist.

Das bevorzugte Modul kann auch eine Rückleitungsverteiler-Abdeckschicht zum Schützen der Fluidik- und Elektronikkomponenten sowie zum Zurückführen der Fluide zu der Basis und zu den mikrobearbeiteten elektrischen Einrichtungen aufweisen.

Ferner ist zu erkennen, daß die vorliegende Erfindung eines Elektrofluidik-Moduls die Nachteile des Standes der Technik überwindet, die die große Größe, das hohe Gewicht, die Wärme, das Geräusch, die Ineffizienz sowie den Mangel der generellen Anwendbarkeit von herkömmliche Komponenten verwendenden Elektrofluidik-Systemen des Standes der Technik beinhalten.

In vielen Fällen kann das Elektrofluidik-Element oder die Elektrofluidik-Leiterplatte mehrere daran angebrachte, lösbare Module aufweisen, und die Leiterplatte kann einen zusätzlichen Verbinder zur Verbindung mit einem Flachkabel aufweisen, das zu einer elektrischen Steuereinheit zum Betätigen der Sequenz der Mikrofluidik-Ventile zur Ausführung des erforderlichen Multiplex-Betriebs führt.

Alternativ hierzu kann eine Steuereinheit direkt an dem Elektrofluidik-Element angebracht sein, um eine Verbindung durch Schaltungen herzustellen, die zu diesem Zweck vorgesehen sind. In anderen Fällen kann ein einziges Modul an einem bestimmten Elektrofluidik-Element angebracht sein, um eine Anordnung zu bilden, die mit verschiedenen Montagevorrichtungen verwendet werden kann.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Montagevorrichtung mit Fluidikkanälen vorgesehen, und ein Elektrofluidik-Element, wie zum Beispiel eine Elektrofluidik-Leiterplatte, ist an der Montagevorrichtung derart angebracht, daß sich Fluidikeinlässe und Fluidikauslässe in der Leiterplatte in Fluidverbindung mit Fluid in der Montagevorrichtung befinden.

Mindestens eine mikrobearbeitete Einrichtung ist an der Leiterplatte angebracht, und Fluidikkanäle in der Einrichtung stehen in Fluidverbindung mit den Fluidikeinlässen und -auslässen in der Leiterplatte und somit mit den Fluidikkanälen in dem Kolben. Ein elektrischer Verbinder in der Leiterplatte ist an einem elektrischen Verbinder an der mikrobearbeiteten Einrichtung angebracht.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung beinhaltet die Verwendung des Elektrofluidik-Moduls für die Steuerung von mehreren Flüssigkeitsventilen, indem das Standardmodul in ein Kolbenelement integriert sein kann, so daß die Ausgänge des Standardmoduls durch ein kundenspezifisches Elektrofluidik-Element oder eine kundenspezifische Elektrofluidik-Leiterplatte geführt werden können und in einer vorbestimmten Anzahl und Konfiguration von pneumatischen Betätigungseinrichtungen für Flüssigkeitsventile verteilt werden können.

Eine spezielle Anwendung für die vorliegende Erfindung besteht in der Verwendung in einem automatisierten Peritonealdialysesystem, wie es in dem '422-Patent von Colleran offenbart ist, wobei der große, separate Fluidik-Steuerverteiler mit über zwanzig Solenoidventilen und vierzehn Fluidikschläuchen zu sowie von dem Kolbenkörper weg zum größten Teil durch eine kleine gedruckte Leiterplatte ersetzt worden ist, die an dem Kolbenkörper angebracht ist und einige wenige Standardmodule aufweist, die jeweils mehrere mikrobearbeitete Elektrofluidik-Ventile enthalten.

Die Nähe der Steuermodule zu den pneumatischen Betätigungseinrichtungen eliminiert längere Abschnitte von Schlauchmaterial, so daß die Verzögerungszeit in dem System reduziert wird, die früher durch die notwendige Zeit zum Erreichen des gewünschten Drucks und der gewünschten Strömungsrate in den Schlauchabschnitten verursacht wurde.

Die Erfindung bietet somit eine schnellere Ansprechzeit sowie eine verbesserte Herstellbarkeit, Montage und Instandhaltbarkeit unter gleichzeitiger Reduzierung der Größe, des Gewichts, des Geräusches, der Wärme, der Energieerfordernisse sowie der Kosten des Systems.

Die 23 und 24 sind lediglich zum Zweck der Erläuterung beigefügt und bilden keinen Bestandteil der vorliegenden Erfindung.

Es zeigen:

1 eine Perspektivansicht eines Elektrofluidik-Moduls gemäß der vorliegenden Erfindung;

2 eine Perspektivansicht des in 1 gezeigten Elektrofluidik-Moduls zur Erläuterung von Details an dessen Boden;

3 eine auseinandergezogene Perspektivansicht von Komponenten des in 1 gezeigten Elektrofluidik-Moduls zur weiteren Erläuterung einer darunter befindlichen, separaten Montagevorrichtung, wobei die Kombination aus dem Modul und der Montagevorrichtung eine Elektrofluidik-Anordnung bildet;

4 eine Draufsicht auf eine Basisschicht des in 1 gezeigten Elektrofluidik-Moduls;

5 eine Draufsicht auf eine erste zwischengeordnete Schicht des in 1 gezeigten Elekrofluidik-Moduls;

6 eine Draufsicht auf eine Schaltungsschicht mit einer darüber angeordneten Einrichtungsschicht, die eine Vielzahl von auf der Schaltungsschicht positionierten Mikroventilen beinhaltet, wobei diese Komponenten in das in 1 gezeigte Elektrofluidik-Modul integriert sind;

7 eine Draufsicht auf eine Fluidik-Rückleitungsabdeckung zur Positionierung über der Einrichtungsschicht und der Schaltungsschicht;

8 eine Draufsicht auf das in 1 gezeigte Elektrofluidik-Modul;

9 eine Schnittdarstellung entlang der Linie 9-9 der 8, wobei Bereiche auseinandergezogen dargestellt sind, um Details eines ersten Fluidströmungsweges durch das Modul zu veranschaulichen;

10 eine Schnittdarstellung entlang der Linie 10-10 der 8, wobei Teile auseinandergezogen dargestellt sind, um Details eines zweiten Fluidströmungsweges durch das Modul zu veranschaulichen;

11 eine auseinandergezogene Perspektivansicht des in 1 gezeigten Elektrofluidik-Moduls, die teilweise schematisch dargestellt ist, um zwei gleichzeitige Strömungswege durch jeweilige Bereiche des Moduls zu veranschaulichen;

12 eine schematische Darstellung des in 1 gezeigten Elektrofluidik-Moduls zur Erläuterung der Verbindungen mit einem Paar elektrischer Sockel und einem Paar Fluidquellen;

13 eine von hinten gesehene Aufrißansicht eines Kolbenkörpers für ein Peritonealdialysesystem, wobei der Kolbenkörper mit Kanälen zum Zuführen von pneumatischen Signalen für die Steuerung einer Kassette versehen ist, die Teil einer Patientenschaltung bildet;

14 eine weitere von hinten gesehene Aufrißansicht des Kolbenkörpers der 13, die auch eine Basisplatte und in unterbrochenen Linien die Positionierung von drei Elektrofluidik-Modulen sowie ihren fluidischen, elektrischen und mechanischen Verbindungen mit der Basisplatte und dem Kolbenkörper veranschaulicht;

15 eine weitere von hinten gesehene Aufrißansicht des Kolbenkörpers und der Basisplatte der 14, wobei drei Elektrofluidik-Module positioniert sind;

16 eine Seitenaufrißansicht einer gedruckten Schaltungsplatte zur Verwendung in einer Montagevorrichtung eines Elektrofluidik-Moduls;

17 eine Draufsicht auf die in 16 gezeigte gedruckte Schaltung unter Darstellung von Details einer Vielzahl darauf vorhandener Leiterbahnen;

18 eine Seitenaufrißansicht einer Basisschicht zum Tragen der in 16 und 17 gezeigten Leiterplatte;

19 eine Draufsicht auf die in 18 dargestellte Basisschicht zur Erläuterung von Details einer Vielzahl von darin vorhandenen Fluidikkanälen;

20 eine Perspektivansicht des in 1 gezeigten Elektrofluidik-Moduls, das auf der Montagevorrichtung angebracht ist;

21 eine Perspektivansicht der in 20 gezeigten Montagevorrichtung;

22 eine auseinandergezogene Perspektivansicht der in 21 gezeigten Montagevorrichtung;

23 eine Draufsicht auf ein mikrobearbeitetes Siliziumventil;

24 eine Schnittdarstellung im wesentlichen entlang der Linie 24-24 der 23 zur Erläuterung von Details im Inneren des mikrobearbeiteten Siliziumventils; und

25 eine auseinandergezogene Perspektivansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels des Elektrofluidik-Moduls, das vier Mikroventile enthält.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und insbesondere die 1 bis 3 ist ein Elektrofluidik-Miniaturmodul gemäß der vorliegenden Erfindung darin allgemein dargestellt und mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Wie in den 3 und 20 zu sehen ist, kann das Elektrofluidik-Modul 10 auf einer separaten Elektrofluidik-Montagevorrichtung 250 angebracht sein, um eine fluidische und elektronische Verbindung zwischen dem Modul und der Montagevorrichtung herzustellen.

Das Elektrofluidik-Miniaturmodul 10 kann um eine Basiseinheit oder ein Elektrofluidik-Element 12 herum aufgebaut sein, das drei Schichten 24, 64, 80 aufweisen kann, wie dies nachfolgend noch ausführlicher erläutert wird. Das Elektrofluidik-Element 12 trägt eine vorzugsweise im wesentlichen flache oder planare Einrichtungsschicht 13, die eine Vielzahl von mikrobearbeiteten Einrichtungen 14 beinhaltet.

Eine Vielzahl elektrischer Schaltungen 16 ist an dem Elektrofluidik-Element 12 ausgebildet, und die Schaltungen sind mit den mikrobearbeiteten Einrichtungen 14 verbunden, um diese zu betreiben und dadurch die Fluidströmung von einer Vielzahl von Einlässen oder Auslässen 18 durch die mikrobearbeiteten Einrichtungen 14 sowie durch eine Vielzahl von bidirektionalen Öffnungen 20 zu modulieren, deren jede so ausgewählt sein kann, daß sie entweder als Einlaß oder als Auslaß dient, wobei dies von den Fluidverteilungs-Verteilerwegen, dem Zustand der jeweiligen Mikrobetätigungselementen 14 sowie dem positiven oder negativen relativen Druck an jeder Öffnung 20 in Bezug auf den Druck an dem zugehörigen Einlaß oder Auslaß 18 abhängig ist.

Eine Rückleitungs-Fluidströmungs-Lenkeinrichtungs- oder Verteilerabdeckung 22 vervollständigt einen Fluidströmungsweg zwischen den Fluidikeinlässen oder – auslässen 18 und den Fluidikeinlässen/-auslässen 20. Die Verteilerabdeckung 22 kann über der Einrichtungsschicht 13 angebracht sein und von der oberen Schicht 80 des Elektrofluidik-Elements und somit von dem eigentlichen Elektrofluidik-Element 12 abgestützt sein. Ein Paar elektrischer Verbinder 23, die jeweils fünf Anschlußstifte aufweisen können, ermöglicht eine elektrische Kopplung zwischen den elektrischen Schaltungen 16 und der Umgebung, in der das Elektrodfluidik-Miniaturmodul 10 arbeitet.

Das Modul 10 und die Montagevorrichtung 250 können aus Leiterplattenmaterial, wie zum Beispiel FR-4, oder aus Keramiksubstraten, wie zum Beispiel Aluminiumoxid oder anderen Keramikmaterialien, oder aus anderen geeigneten Materialien hergestellt sein. Das Material kann unter angemessener Berücksichtigung seiner Eigenschaften ausgewählt werden, wie zum Beispiel der bequemen Herstellbarkeit (im Fall von FR-4), seiner inhärenten Reinheit und chemischen Beständigkeit (im Fall von Aluminiumoxid und anderen üblichen Keramikmaterialien) sowie weiteren Eigenschaften, wie zum Beispiel den Isoliereigenschaften, dem geringen Gewicht, der mechanischen Bearbeitbarkeit, der Festigkeit, der Kostengünstigkeit sowie weiteren derartigen Faktoren, wie diese für die speziellen Anwendungen relevant sein können.

Das Elektrofluidik-Element 12 weist eine im wesentlichen quaderförmige Basisschicht 24 auf, die ein Paar rechteckige Seitenwände 26 und 28 sowie vier abgeschrägte Ecken 30, 32, 34 und 36 hat. Die Einlässe oder Auslässe 18 können einen Druckeinlaß 58 und einen Subatmosphärendruck-Auslaß oder Unterdruckauslaß 60 aufweisen. Ein Druckeinlaßkanal 58 kann mit einer Druckeinlaß-Blindbohrung 40 versehen sein, während der Unterdruckauslasskanal 60 mit einer Unterdruckauslaß-Blindbohrung 42 versehen sein kann.

Diese Kanäle dienen für die Verbindung von druckbeaufschlagter oder verdünnter Luft bei einem Druck über oder unter Atmosphärendruck, jedoch normalerweise im Bereich von +1,5 bis 10 psig (Überdruck in psi), vorzugsweise etwa +5 psig. Das Elektrofluidik-Modul 10 kann zum Übertragen von pneumatischen Signalen zum Betätigen von Flüssigkeitsventilen verwendet werden, wie zum Beispiel in medizinischen Vorrichtungen, wie automatisierten Peritonealdialyse-Behandlungssystemen.

Ein Paar Einlaß- oder Auslaß-O-Ringe 48 und 50 sind in den Bohrungen 40 bzw. 42 angeordnet. Die Einlaß- oder Auslaß-O-Ringe 48 und 50 sorgen für eine Abdichtung zwischen jedweder pneumatischen Zufuhreinrichtung, die in Fluidverbindung mit dem Einlaß 58 und dem Auslaß 60 angeschlossen ist. Der Einlaßkanal 58 und der Auslaßkanal 60 koppeln jeweils entweder eine Quelle an druckbeaufschlagter Luft oder eine Quelle an unter Atmosphärendruck befindlicher Luft über weitere Schichten mit den mikrobearbeiteten Ventilen 14.

Eine zwischengeordnete Verteilerschicht 64 ist über der Basisschicht 24 angeordnet, wobei sich Kanäle in Fluidverbindung mit den Einlässen oder Auslässen 18 sowie den Einlässen/Auslässen 20 befinden. Genauer gesagt schafft die zwischengeordnete Verteilerschicht 64 eine verallgemeinerte Routenführung zwischen den Mikroventilen 14 und den Einlässen oder Auslässen 18 sowie den Einlässen/Auslässen 20.

Die zwischengeordnete Verteilerschicht 64 ist im wesentlichen flach und planar und weist eine Vielzahl darin ausgebildeter Schlitze auf. Diese Schlitze beinhalten einen länglichen Druckeinlaßschlitz 66, einen im wesentlichen H-förmigen Unterdruck-Auslaßschlitz 68 sowie vier Einlaß-/Auslaßschlitze 70, 72, 74 und 76, wie dies in den 3 und 5 zu sehen ist.

Eine gedruckte Leiterplatte 80 ist über der zwischengeordneten Verteilerschicht 64 angeordnet und weist eine Vielzahl von elektrischen Bahnen oder Leiterbahnen 16 auf, die zwei Bereiche 82 und 84 beinhalten können, die darauf durch ein beliebiges herkömmliches Verfahren zum Bilden von elektrischen Leiterbahnen auf einer Leiterplatte gebildet sind, wie dies in den 6 und 11 zu sehen ist.

Die Basisschicht 24 ist ferner mit vier Einlässen oder Auslässen 20 versehen, die alle mit den Bezugszeichen 20a bis 20d bezeichnet sind. Wie in den 2 und 3 zu sehen ist, sind die Einlässe/Auslässe 20a bis 20d jeweils mit Blindbohrungen 21a bis 21d zum Aufnehmen von O-Ringen 51 versehen, die für eine Abdichtung für externe Verbindungen oder Kanäle sorgen, die zum Übertragen von Fluiden verwendet werden, wie zum Beispiel für pneumatische Betätigungssignale.

Die O-Ringe 51 sorgen für eine effektive Fortsetzung der Strömungskanäle 20a bis 20d durch die gesamte Dicke der Basisschicht 24 hindurch. Falls gewünscht, kann der Innendurchmesser der O-Ringe im wesentlichen gleich dem Innendurchmesser der Kanäle 20a bis 20d und dem Innendurchmesser von dazu passenden Kanälen 252a bis 252d in einer separaten Montagevorrichtung sein, an der das Modul 10 angebracht werden kann, wie dies in 3 gezeigt ist und auch in 14 zu sehen ist.

Auf diese Weise kann jeder Fluidströmungsweg zwischen den Kanälen des Moduls und den Kanälen der Montagevorrichtung im wesentlichen gerade, glatt und ohne Hindernisse ausgebildet sein und sich durch einen relativ gleichmäßigen Querschnitt oder Durchmesser auszeichnen.

Die Schichten 24, 64, 80 des Elektrofluidik-Elements 12 können mittels eines geeigneten Haftmittels oder Haftdichtungen (nicht gezeigt) haftend miteinander verbunden sein, um wünschenswerte fluiddichte, luftdichte und vakuumdichte Eigenschaften zu schaffen. Die mikrobearbeiteten Einrichtungen 14 können an einer Leiterplatte 80 durch Oberflächenmontage angebracht sein. Die Rückleitungsverteiler-Abdeckung 22 kann an der Leiterplatte 80 wiederum durch ein beliebiges geeignetes Haftmittel oder beliebige geeignete Befestigungseinrichtungen angebracht sein, und zwar vorzugsweise luftdicht und vakuumdicht um die Abdeckungs-/Leiterplatten-Grenzfläche.

Das Element 12 und somit das Modul 10 können unter Verwendung von beliebigen geeigneten Befestigungseinrichtungen, wie zum Beispiel Gewindebolzen 54 oder mittels einer Schnappsitz-Verbindung oder dergleichen an einer separaten Montagevorrichtung 200, 250 (3, 14) befestigt sein. Die Bolzen 54 können durch Bolzenöffnungen 81a bis 81d in der Leiterplatte 80, Bolzenöffnungen 85a bis 85d in der zwischengeordneten Verteilerschicht 64 sowie durch Bolzenöffnungen 25a bis 25d in der Basisschicht 24 hindurch eingeführt sein, wie dies in den 4–6 zu sehen ist. Die Gewinde an den Bolzen 54 treten mit Gewindeeinsätzen 277 in der Montagevorrichtung 250, 3, oder in Gewindebolzenöffnungen BH in der Montagevorrichtung 200, 14, in Eingriff.

Ventilkanäle 86 bis 100 kommunizieren im allgemeinen zwischen den in der mittleren Verteilerschicht 64 ausgebildeten Schlitzen sowie der Vielzahl von Ventilen 14, siehe 11. Die Ventile befinden sich vorzugsweise in einer allgemein flachen, planaren Schicht 13. Die Vielzahl der Ventile 14 beinhaltet Ventile 110, 112, 114, 116, 118, 120, 122 und 124. Die Ventile bilden paarweise Kombinationen 116 und 118, 114 und 120, 112 und 122 sowie 110 und 124, wobei jedes der Ventilpaare über die jeweiligen Einlaß-/Auslaßschlitze 70, 72, 74 und 76 den Einlaß-/Auslaßöffnungen 20a, 20b, 20c und 20d zugeordnet ist.

Die Abdeckung bzw. der Rückleitungsverteiler 22 ist über den Ventilen positioniert und weist einen darin ausgebildeten, langgestreckten, rechteckigen Druckverteilerbereich 130 sowie eine Vielzahl einzelner Vakuumverteilerbereiche 132, 134, 136 und 138 auf. Vorzugsweise ist die Abdeckung 22 aus klarem Polycarbonat oder einem anderen geeigneten klaren Material hergestellt, um eine visuelle Überprüfung der Mikroventile und in manchen Fällen auch der Fluide zu ermöglichen.

Wie am besten in 11 zu sehen ist, sind Beispiele eines typischen Druckluft-Strömungsweges 128 sowie eines typischen Unterdruckluft-Strömungsweges 126 dargestellt. Siehe auch 9 und 10.

Unter Beschreibung zuerst der Unterdruckkommunikation in dem Modul 10 ist eine Unterdruckquelle an einen Luftauslaß bzw. eine Austrittsöffnung 60 angeschlossen, um ein Vakuum bzw. Unterdruck zu bilden. Der Unterdruck befindet sich stromaufwärts von der Unterdruckquelle in Verbindung mit den Kanälen und Komponenten, wie dies im Folgenden beschrieben wird. Beginnend mit der Unterdruckquelle, die in die Austrittsöffnung 60 eingebracht ist, befindet sich der Unterdruck in Verbindung mit dem Unterdruckschlitz 68 in der zwischengeordneten Verteilerschicht 64 und sodann mit den darüberliegenden Unterdruckkanälen 97 bis 100 in der Leiterplatte 80.

Die Unterdruckkanäle 97, 98, 99, 100 verbinden den Unterdruck mit den darüberliegenden unterdruckseitigen Ventilen 116, 114, 112 bzw. 110, so daß ein Unterdruck auf die Unterseiten dieser Ventile aufgebracht wird (11).

Wenn ein typisches unterdruckseitiges Ventil 110 zum Öffnen veranlaßt wird, indem ein geeignetes elektrisches Signal auf den Leiterbahnen 84 zugeführt wird, wird Unterdruck von dem Ventil 110 mit der Unterdruckverteilerkammer 138 und von dort zu der Öffnung 96, zu dem einen Kanal aufweisenden Einlaß-/Auslaßschlitz 76 und letztendlich zu der Einlaß-/Auslaßöffnung 20d geführt.

Es ist zu erkennen, daß bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel die Luftströmung von der relativ höheren Druck aufweisenden Einlaß-/Auslassöffnung 20d fortschreitend entlang des typischen unterdruckseitigen Luftweges 126 zu der Unterdruck-Austrittsöffnung 60 erfolgt, wo Luft mit einem Druck unter dem Atmosphärendruck an die Unterdruckquelle ausgeleitet wird. Unter weiterer Bezugnahme auf 11 sowie auch auf 9 ist ein typischer unterdruckseitiger Luftströmungsweg 126 dargestellt, wobei die Pfeilspitzen die Richtung der Luftströmung bezeichnen.

Beim Öffnen des typischen unterdruckseitigen Ventils 110 wird Luft in den Einlaß-/Auslaßkanal 20d, nach oben durch den Einlaß-/Auslaßschlitz 76, nach oben durch die Öffnung 96, nach oben durch den Unterdruckverteilerbereich 138 und sodann nach unten durch das Ventil 110, die Öffnung 100, den L-förmigen Unterdruck-Auslaßschlitz 68 sowie schließlich durch den Unterdruck-Austrittskanal 60 nach außen ausgeleitet, wie dies in den 9 und 11 zu sehen ist.

Es ist zu erkennen, daß die Installationsweise des Moduls 10 dazu führt, daß die Unterdruckventile 110 bis 116 den niedrigeren Druck an der Unterseite der Ventile anstatt an der Oberseite aufweisen, so daß die Ventile 110 bis 116 in ihren geschlossenen Zustand vorgespannt werden. Dies ist dadurch bedingt, daß die Ventile 110, 112, 114, 116 über den Unterdrucköffnungen 100, 99, 98 bzw. 97 angeordnet sind und die Öffnungen mit dem Unterdruckschlitz 68 kommunizieren, auf dem ein Unterdruck durch die Austrittsöffnung 60 gezogen wird. In entsprechender Weise spannt der in dem Verteilerbereich 130 unterhaltene Druck die Ventile 118 bis 124 in den geschlossenen Zustand vor.

Wie in den 10 und 11 gezeigt ist, kann eine typische Druckluftströmung 128 durch den Druckeinlaß 58, nach oben durch den Druckeinlaßschlitz 66 und von dort nach oben durch Druckverteilungsöffnungen 86, 87 und 88 in den Drucksockel 130 geleitet werden und von dort nach unten auf die Oberseiten der überdruckseitigen Ventile 118 bis 124 geleitet werden.

Wenn dem Ventil 118 durch die Leitungen 82 (6, 11) elektrische Energie zugeführt wird, öffnet sich das Ventil 118, so daß ein Überdruck-Strömungsweg nach unten durch die Öffnung 89 mit dem Einlaß-/Auslaßschlitz 70 verbunden wird, so daß eine Austrittsdruckströmung 128 durch den Auslaß 20a geschaffen wird (10, 11).

Im allgemeinen ist es für einen aus den Einlässen/Auslässen 20 ausgewählten, bestimmten Einlaß/Auslaß wünschenswert, nur eines der beiden Mikroventile 14 zu aktivieren, die diesem Einlaß/Auslaß zugeordnet sind. Bei einem der vorstehenden Beispiele führt somit die Entscheidung zum Öffnen des unterdruckseitigen Mikroventils 110 dazu, daß die Strömung des Unterdruck-Luftstroms 126 in die Öffnung 20d hinein erfolgt. In diesem Fall bleibt das überdruckseitige Mikroventil 124 (das ein Paar mit dem Mikroventil 110 bildet) geschlossen, um dadurch der Unterdruck-Luftströmung nicht entgegenzuwirken.

Es ist jedoch zu erkennen, daß bei Wunsch das Elektrofluidik-Modul 10 gemäß der Erfindung auch zum Mischen von zwei oder mehr Strömen verwendet werden kann, wie zum Beispiel von zwei Gasen oder zwei Flüssigkeiten unterschiedlicher Zusammensetzung, oder zum Hinzufügen oder Entfernen von Signalen, wie zum Beispiel Luftdrücken. Falls gewünscht, kann das Mischen oder Hinzufügen durch Öffnen von beiden der zwei paarweise vorgesehenen Mikroventile, zum Beispiel 110 und 124, erfolgen.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bestünde der Effekt des Öffnens der beiden Mikroventile 110, 124 darin, daß der einen positiven Druckwert aufweisende Druck an dem Einlaß 58 zu dem einen negativen Druckwert aufweisenden Druck an dem Auslaß 60 addiert wird, wobei die Summe daraus in etwa dem erwarteten Druck an dem Einlaß-/Auslaß 20d entspricht, der dem Ventilpaar zugeordnet ist.

In dieser Hinsicht kann das Modul 10 dazu verwendet werden, Fluidik-Logikfähigkeiten zu schaffen. Andere Verwendungen der Erfindung für Fluidik-Logikzwecke werden sich den Fachleuten erschließen.

In 12 ist eine schematische Darstellung der elektrischen Schaltungseinrichtungen und der Fluidströmungswege in dem Modul 10 gezeigt. Es ist zu erkennen, daß die acht Zweiwegventile 14 des Moduls 10 derart konfiguriert sind, daß sie die äquivalente Funktion von vier Dreiweg-Auswählventilen haben. Für jeden Einlaß-/Auslaß 20 ermöglicht ein Paar zugeordneter Ventile eine Passage von einem von zwei Luftströmungen (zum Beispiel druckbeaufschlagte Luft oder verdünnte Luft) durch den Einlaß/Auslaß 20.

In ähnlicher Weise steht eine beliebige Anzahl von Strömungskonfigurationen für ein Elektrofluidik-Modul gemäß der Erfindung zur Verfügung. Die Basisschicht 24 kann mit einer beliebigen gewünschten Anzahl und Konfiguration von Einlässen oder Auslässen versehen sein. Die zwischengeordnete Verteilerschicht 64 kann mit einer beliebigen, gewünschten Anzahl und Konfiguration von Kanälen oder Schlitzen versehen sein. Die Leiterplatte 80, die Einrichtungsschicht 13 und die Rückleitungsverteiler-Abdeckung 22 sorgen für eine ähnliche Flexibilität hinsichtlich ihrer Ausbildung und Arbeitsweise.

Es ist somit zu erkennen, daß die von der Erfindung geschaffenen Elektrofluidik-Schnittstellen oder -verbindungen auf eine beliebige Anzahl von vorbestimmten Standards standardisiert werden können. Bei einer dieser Standardschnittstellen handelt es sich um diejenige, die für das bevorzugte Ausführungsbeispiel 10 offenbart ist. Eine Analogie kann zu standardmäßigen elektronischen Komponenten gezogen werden, wie zum Beispiel Transistoren, insbesondere solchen, die in einer standardmäßigen DIP-(Dual-in-Line) Gehäusekonfiguration untergebracht sind.

Bei dem Ausführungsbeispiel, wie es in 2 dargestellt ist, sind zwei zusätzliche Blindbohrungen oder Leerbohrungen 44 gezeigt. Diese werden dazu verwendet, die auf das Modul wirkende Belastung symmetrisch im Gleichgewicht zu halten, wenn dieses an einer externen pneumatischen Einrichtung angebracht ist.

In Abhängigkeit von der gewünschten, speziellen Strömungskonfiguration und der gewünschten, spezifischen Standardschnittstelle könnten diese Bohrungen 44 mit sich durch diese hindurch auf die gegenüberliegende Seite der Basisschicht 24 erstreckenden Kanälen versehen sein, um eine Fluidverbindung zwischen einer externen pneumatischen Einrichtung und den internen Komponenten zu schaffen, wie zum Beispiel dem Verteiler 64 in dem Modul 10.

In ähnlicher Weise ermöglicht die Erfindung die Verwendung von nahezu einer beliebigen Anzahl von Einlässen und Auslässen 18 und 20 sowie einer großen Anzahl verschiedener innerer Strömungswege, wie dies durch die Konfiguration von jeder der verschiedenen Schichten 13, 22, 24, 64, 80 in dem Modul 10 bestimmt wird.

Vorzugsweise werden jegliche gewünschten zusätzlichen Kanäle oder Variationen in der Strömungskonfiguration zum Zeitpunkt der Herstellung, Konstruktion oder Montage des Moduls 10 gemäß einer vorbestimmten Ausbildung vorgesehen, um Einsparungen bei den Maßstäben der Herstellung von großen Mengen des ausgewählten Standardmoduls in vorteilhafter Weise zu nutzen.

Das Elektrofluidik-Miniaturmodul 10 kann in einem Dialysesystem oder in einem Elektrofluidik-Dialysathandhabungssystem verwendet werden, das einen Kolbenkörper 200 aufweist, wie dies am besten in den 13 bis 15 zu sehen ist. Der Kolbenkörper 200 ist vorzugsweise aus DELRIN (einer Acetylverbindung) oder einem anderen geeigneten Material hergestellt, das wiederholten Belastungen standhalten kann.

Das Dialysathandhabungssystem ist in dem US-Patent 5 324 422 von Colleran et al. und dem US-Patent 5 350 357 von Kamen et al. ausführlicher offenbart, wobei beide dieser Patente durch Bezugnahme zu einem Bestandteil der vorliegenden Beschreibung gemacht werden, als ob sie vorliegend vollständig wiedergegeben wären.

Wie in den 13 bis 15 gezeigt ist, ist eine Vielzahl von miniaturisierten Elektrofluidik-Modulen 10, die jeweils mit den Bezugszeichen 190, 192 bzw. 194 bezeichnet sind, auf einer Basisplatte 196 positioniert, und zwar unter Bildung einer abdichtenden Verbindung über Fluidik führende Leitungen oder Nuten 210g, 212g, 214g, 216g, 218g, 220g, 224g, 226g, 228g, 230g, 232g und 234g, wobei alle dieser Nuten in dem Kolbenkörper 200 ausgebildet sind. Die Kombination aus der Basisplatte oder Montagevorrichtung 196 und den Elektrofluidik-Modulen 190, 192 und 194 bildet eine Elektrofluidik-Anordnung 198.

13 zeigt den Kolbenkörper 200 nach der spannenden Bearbeitung der Nuten. 14 zeigt die Basisplatte 196, die auf der hinteren Oberfläche 201 des Kolbenkörpers 200 angebracht ist und die Nuten überdeckt (die in unterbrochenen Linien dargestellt sind). Gewindebolzenöffnungen BH sind in die Basisplatte und in den Kolbenkörper 200 geschnitten, um Gewindebolzen 54 zum Anbringen der Module 190, 192, 194 aufzunehmen. Die Positionen für die Module und ihrer in der Bodenfläche vorgesehenen Bohrungen 21a bis 21d und ihrer elektrischen Verbinder 23 sind in unterbrochenen Linien dargestellt.

Fluidkanäle, zum Beispiel für das Modul 194 die mit den Bezugszeichen 230a, 228b, 224c, 226d, HP und LP bezeichneten Kanäle, sind durch die Basisplatte 196 gebohrt, um Fluiden eine Verbindung zwischen dem Kolbenkörper 200 und jedem Modul zu ermöglichen. Schließlich sind die Module in

15 auf der Basisplatte 196 und dem Kolbenkörper 200 angebracht dargestellt.

Der Kolbenkörper 200 wird zum pneumatischen Betätigen einer mehrere Komponenten aufweisenden Kassette (nicht gezeigt) verwendet, die zwei Membranpumpen und zehn Flüssigkeitsventile beinhaltet. Die Pumpenbetätigungselemente 202, 204 erhalten pneumatische Betätigungssignale durch eine Öffnung 206 bzw. 208. Die zehn Flüssigkeitsventile (nicht gezeigt) werden durch pneumatische Signale betätigt, die über zehn Anschlüsse 210p, 212p, 214p, 216p, 218p, 220p, 224p, 226p, 228p, 230p übertragen werden.

Diese Anschlüsse bzw. Öffnungen erstrecken sich von der Rückseite des Kolbenkörpers 200 (13) zu der Kolbenvorderseite (nicht gezeigt), wo sie pneumatische Signale zuführen, um jeweilige Bereiche einer Membran in der Kassette zu veranlassen, sich auf die jeweiligen Flüssigkeitsventile aufzusetzen oder diese freizugeben und diese somit zu betätigen.

Früher benötigte jede dieser zehn Öffnungen eine separate Länge flexiblen Kunststoffschlauchs, der sich von einem entfernt angeordneten Gehäuse wegerstreckte, wo positive oder negative Signale selektiv erzeugt und durch die separaten Schläuche zu den jeweiligen Öffnungen übertragen wurden.

Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung ist es wünschenswert, nur eine einzige Überdruckleitung sowie eine einzige Unterdruckleitung in den Kolbenkörper hinein zusammen mit elektrischen Signalen über ein Bandkabel oder dergleichen vorzusehen, und die Einleitung der Überdruck- oder Unterdrucksignale an dem eigentlichen Kolbenkörper zu steuern. (Die Pumpenbetätigungs- und Strömungsmeßvorgänge können wie bisher unter Verwendung der separaten Schläuche durchgeführt werden.)

Zum Zuführen der gewünschten Überdruck- und Unterdrucksignale an die zehn Ventilbetätigungsöffnungen sind ein Überdruck-Kanal oder eine Überdruck-Nut 232 und eine Unterdruck- oder Subatmosphärendruck-Nut 234 in die hintere Oberfläche des Kolbenkörpers 200 eingearbeitet (13). Verbindungen oder Dorne 236, 238 sind für die Verbindung mit einer externen Überdruck- bzw. Unterdruck-Versorgung vorgesehen.

Der Kolbenkörper 200 ist ferner mit standardmäßigen Schnittstellenverbindungen in einer vorbestimmten Geometrie versehen, um mit einem ausgewählten Elektrofluidik-Standardmodul 10 in Verbindung zu treten. Passende Aufnahmen a, b, c, d sind daher in die hintere Oberfläche 201 des Kolbenkörpers eingebracht, um eine Verbindung mit den Modul-Einlässen/Auslässen 20a, 20b, 20c bzw. 20d aufzunehmen, und zwar für so viele Verbindungen, wie diese erwünscht sein können.

Im vorliegenden Fall sind die Öffnungen 230p, 228p, 224p und 226p über die Nuten 230g, 228g, 224g und 226g mit standardmäßig angeordneten Aufnahmen 230a, 228b, 224c bzw. 226d verbunden. In ähnlicher Weise sind eine Verbindung HP mit relativ hohem Druck und eine Verbindung LP mit relativ niedrigem Druck jeweils zur Verbindung mit Standardmodul-Einlässen oder -auslässen 58, 60 positioniert.

In entsprechender Weise sind Öffnungen 220p, 218p, 214p und 216p über Nuten 220g, 218g, 214g und 216g jeweils mit standardmäßig angeordneten Aufnahmen 220a, 218b, 214c, 216d verbunden. Schließlich sind die Öffnungen 210p und 212p über Nuten 210g und 212g mit Aufnahmen 210b und 212b verbunden.

Die Basisplatte 196 ist ferner mit einem elektrischen Stift-Hauptverbinder 240 zum Empfangen von elektrischen Signalen über ein Bandkabel (nicht gezeigt) zum Aktivieren der Mikroeinrichtungen 14 versehen. Leiterbahnen (nicht gezeigt) sind auf der Basisplatte 196 zur Verbindung mit den elektrischen Stiftverbindern 23 der einzelnen Module zum Betätigen der insgesamt zwanzig (20) Ventile 14 vorgesehen, die bei den drei Modulen 190, 192, 194 verwendet werden.

Die Versorgungsspannung kann etwa 3,5 bis 5,0 VDC betragen. Diese Versorgung erfolgt über das Bandkabel und die Leiterbahnen. Die Schaltungseinrichtungen für die Basisplatte 196 können ähnlich zu denen sein, die für die Montagevorrichtung 250 vorgesehen sind, siehe 3 und 21, wobei jedoch zusätzliche Leiterbahnen vorhanden sind, um den drei Modulen 190, 192, 194 Rechnung zu tragen.

Vorzugsweise werden die Ventile durch eine Reihe von Transistoren oder verriegelten Treibern (nicht gezeigt) gesteuert, um dadurch die Anzahl von Leitungen zu beschränken, die für die Verbindung mit einer externen Steuereinheit erforderlich sind.

Zum Beispiel können verriegelte Treiber mit seriellem Eingang des Typs BiMOS II 32-Bit bei einem 44 Leitungen aufweisenden Kunststoffchipträger gemäß Modell Nr. UCN-5833EP, wie er von Allegro Microsystems erhältlich ist, verwendet werden, wie sich dies dem Durchschnittsfachmann erschließt.

Für jedes Modul 10 mit den Bezugszeichen 190, 192, 194 ist der Boden des Moduls mit vier Einlaß-/Auslaß-Blindbohrungen 21a bis 21d versehen, die mit den inneren Teilen des Moduls jeweils über Einlässe/Auslässe 20a bis 20d kommunizieren (1 bis 3). Ferner ist jedes Modul mit einer Druckeinlaß-Blindbohrung 40 und einer Unterdruckauslaß-Blindbohrung 42 versehen, die mit den inneren Teilen des Moduls über einen Druckeinlaßkanal 58 und einen Unterdruckauslaßkanal 60 kommunizieren.

Jedes Modul 190, 192, 194 ist mit den Bohrungen 21a bis 21d, 40, 42 in Ausfluchtung mit den darunter liegenden und entsprechenden Aufnahmen in dem Kolbenkörper angebracht. Somit ist für das Modul 190 die Bohrung 21d mit der Aufnahme 210d ausgefluchtet sowie in Verbindung, und die Bohrung 21b ist mit der Aufnahme 212b ausgefluchtet sowie in Verbindung. In dem Modul 190 werden die Blindbohrungen 21a und 21c nicht verwendet.

Die Druckeinlaß-Blindbohrung 40 steht in Verbindung mit dem Druckanschluß HP, um eine Verbindung zwischen dem Modul 190 und der Druckzufuhrnut 232 zu schaffen. Die Unterdruckauslaß-Blindbohrung 42 steht in Verbindung mit dem Unterdruckanschluß LP, um eine Verbindung zwischen dem Modul 190 und der niedrigen Druck führenden Nut 234 herzustellen.

In ähnlicher Weise sind für das Modul 192 die Modulbohrungen 21a, 21b, 21c, 21d, 40 und 42 mit Kolbenkörper-Aufnahmen 220a, 218b, 214c, 216d, HP bzw. LP in Verbindung. Für das Modul 194 stehen die Modulbohrungen 21a, 21b, 21c, 21d, 40 und 42 mit Kolbenkörper-Aufnahmen 230a, 228b, 224c, 226d, HP bzw. LP in Verbindung.

Es versteht sich, daß die Basisplatte 196 mit Löchern oder Öffnungen (nicht gezeigt) in Ausrichtung mit den Kolbenkörper-Aufnahmen versehen ist, um eine Verbindung mit den Modulbohrungen zu ermöglichen.

Es ist somit zu erkennen, daß durch die Verwendung des Elektrofluidik-Moduls 10 und der Elektrofluidik-Anordnung 198 gemäß der Erfindung die zehn Flüssigkeits-Ventilbetätigungselemente, die in die Kolbenkörper-/Kassetten-Betätigungseinrichtung 200 integriert sind, unter Verwendung von nur zwei externen pneumatischen Versorgungsleitungen (nicht gezeigt) betätigt werden können, von denen die eine für Überdruck und die andere für Unterdruck dient und die an die Dorne 236 bzw. 238 angeschlossen sind, und zwar anstatt von zehn externen Versorgungsleitungen, wie dies bisher der Fall war.

Während der Stand der Technik ferner ein entfernt vorgesehenes Verteiler- und Ventilsystem zum Auswählen entweder von Drucksignalen oder von Unterdrucksignalen für jede Versorgungsleitung benötigte, gestatten die kompakte Größe der Module 10 und der Anordnung 198 die an Ort und Stelle erfolgende Auswahl von Drucksignalen oder Unterdrucksignalen unter Verwendung der Verteiler und Ventile in unmittelbarer Nähe zu den Flüssigkeits-Ventilbetätigungselementen, so daß sich zahlreiche Vorteile ergeben, wie diese vorstehend in der Kurzbeschreibung der Erfindung erläutert worden sind.

Ein weiteres Beispiel für die Verwendung des Elektrofluidik-Miniaturmoduls 10 beinhaltet die Montage an einer Montagevorrichtung 250, wie dies am besten in 20 und 21 zu sehen ist, die eine elektrische Leiterplattenschicht 252 mit einem Paar Verbinder 254 und 256 aufweist, die über eine Vielzahl von Leiterbahnen 260 mit einem Satz von Anschlußflächen 262 verbunden sind. Die elektrischen Verbinder 254 und 256 stehen in Verbindung mit den elektrischen Modulverbindern 23.

Ein dünner zwischengeordneter Flächenkörper 270 ist mit einem Paar von Positionierstiften 274 und 276 in Bezug auf eine Basisschicht 278 positioniert, in der eine Vielzahl von Kanälen oder Nuten 280g, 282g, 284, 286g, 288g, 290g ausgebildet ist, siehe 19.

Eine Fluidverbindung läßt sich bewerkstelligen durch Kanäle 280p, 282p, 284p, 286p, 288p, 290p, durch die den jeweiligen Kanälen zugeordneten Nuten 280g, 282g, 284g, 286g, 288g, 290g sowie durch Öffnungen, die in dem Dichtungsmaterial 270 an der elektrischen Leiterplatte 252 vorgesehen sind, und von dort durch entsprechende Kanäle 252a, 252b, 252c, 252d, 252HP und 252LP zu den entsprechenden Bohrungen 21a, 21b, 21c, 21d, 40 bzw. 42 in dem Modul 10.

Die Bohrungen in der Basisschicht 278 (18), d.h. 280B, 284B, 290p, können zur Herstellung von Verbindungen mit externen Fluidik-Schläuchen oder dergleichen ausgebildet sein. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel kommunizieren die Bohrungen 288p und 290p durch die Oberseite der Basisschicht 278 mit externen Verbindungen, während die anderen Bohrungen, wie zum Beispiel die Bohrung 280B, durch den Boden der Basisschicht 278 mit externen Verbindungen kommuniziert. Die zueinander passenden Verbindungen lassen sich unter Verwendung von Nuteinsätzen oder Dornen, die aus Messing oder anderen geeigneten Materialien hergestellt sind, dauerhafter oder robuster gestalten.

Die Montagevorrichtung 250 kann mit vier Bolzenöffnungen 278BH in der Basisschicht 278, dazu passenden Bolzenöffnungen in der Dichtungsschicht 270 sowie mit ähnlich ausgefluchteten Bolzenöffnungen 252BH in der Leiterplatte 252 versehen sein. Gewindeeinsätze 277 können im Preßsitz (Festsitz) in den Bolzenöffnungen befestigt sein, um eine sichere und robuste, jedoch lösbare Verbindung für die Gewindebolzen 54 zu schaffen, die zum Ausfluchten und lösbaren Anbringen des Moduls 10 an der Montagevorrichtung 250 verwendet werden.

Auf diese Weise läßt sich eine Elektrofluidik-Anordnung 198 aus einem oder mehreren Elektrofluidik-Modulen 10 bilden, die an einer geeigneten Fluidik-Montagevorrichtung 250 oder einer Basisplatte 196 an einem Fluidik-Kolbenkörper 200 angebracht sind. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel zur Verwendung in einem automatisierten Peritonealdialysesystem weist die Elektrofluidik-Anordnung 198 drei Elektrofluidik-Module 10 auf, die auf einer an dem Fluidik-Kolbenkörper 200 befestigten Basisplatte 196 angebracht sind.

In der vorliegenden Anmeldung sind verschiedene Elektrofluidik-Anordnungen offenbart, die ein oder mehrere Elektrofluidik-Module beinhalten können, wobei die Vorteile einer einfachen Montierbarkeit und Austauschbarkeit der Module vorhanden sind. Im allgemeinen beinhaltet jedes Modul ein Elektrofluidik-Element mit einem Fludikverteiler und einer elektrischen Schaltung.

Als Alternative für die modulare Konstruktion kann ein vereinfachtes Elektrofluidik-Element eine elektrische Leiterplatte mit darin vorhandenen Fluidikkanälen aufweisen, wie zum Beispiel die Leiterplatte 80 oder die Leiterplatte 252. Das vereinfachte Elektrofluidik-Element wird lediglich zum Zweck der Veranschaulichung erläutert und bildet keinen Bestandteil der vorliegenden Erfindung.

Es kann für eine direkte und möglicherweise dauerhafte Montage an einer darunter liegenden Fluidik-Montagevorrichtung konfiguriert sein, wie zum Beispiel der Montagevorrichtung 250 oder dem Kolbenkörper 200. Einrichtungen, wie zum Beispiel Mikroventile 14, können direkt und dauerhaft an dem Elektrofluidik-Element angebracht sein, und ein Rückleitungsverteiler kann über derartigen Einrichtungen plaziert und ebenfalls direkt an dem Elektrofluidik-Element angebracht sein.

Bei dem nicht-modularen System ist jede Komponente direkt und möglicherweise dauerhaft über den darunter liegenden Komponenten angebracht, so daß ein rasches und einfaches Austauschen von fehlerhaften Komponenten oder Gruppen verhindert wird. Im Speziellern können Mikroventile Defekten unterliegen, so daß sie ausgetauscht werden müssen.

Bei dieser alternativen Konstruktionsweise kann die Anordnung weniger Schichten aufweisen, möglicherweise mit verbesserter Zuverlässigkeit aufgrund der weniger Komponenten, jedoch können die Vorteile einer einfachen Modulmontage und eines einfachen Modulaustausches aufgrund des Nichtvorhandenseins von standardmäßigen, dazu passenden, fluidischen, elektrischen und mechanischen Schnittstellen möglicherweise fehlen können, wie diese durch die bevorzugte modulare Anordnung vorgesehen sind.

Es ist zu erkennen, daß jedes der Mikrobetätigungselemente 14, wie am besten in 23 und 24 zu sehen ist, ein Mikroventil mit einer zentralen Erhebung 300 aufweist, wobei ein Paar Energieleitungen 302 und 304 mit einem Brückenbereich 306 in der Nähe der Erhebung 300 verbunden ist, um eine Bewegung der Erhebung 300 auf einen Ventilsitz 309 zu sowie von diesem weg zu bewerkstelligen, um dadurch das Ventil zu öffnen und zu schließen.

Es ist zu erkennen, daß die Erhebung bei geschlossenem Ventil 14 auf einer oberen Oberfläche 312 mit einem höheren Druck beaufschlagt wird als dem in dem Kanal 314 vorhandenen Druck, der direkt mit dem Ventilsitz verbunden ist, wobei dies zu einer durch Vorspannung geschlossenen Ausbildung für das vorzugsweise normalerweise geschlossene Ventil beiträgt.

Das Mikroventil kann sehr kleine Abmessungen aufweisen, beispielsweise von ca. 0,16 × 0,16 × 0,024 Inch. Merkmale des Ventils bestehen in einem proportionalen Ansprechen, niedrigen Energieerfordernissen, geringen Kosten, schnellem Ansprechen, Miniaturgröße sowie einem großen Bereich von Betriebsdrücken von bis zu 25 bis 30 psig. Jedes Ventil kann auf einer Leiterplatte 80 (3) oder dergleichen angebracht sein.

Typische Anwendungen für das erfindungsgemäße Modul und die erfindungsgemäße Anordnung sind Eingangswandler, pneumatische Steuerungen, Beatmungseinrichtungen/Ventilatoren, medizinische Instrumente, Druckregler, Strömungssteuerungen sowie analytische Instrumente.

Das in dem Modul 10 verwendete, normalerweise geschlossene Mikroventil 14 bietet eine proportionale Steuerung von Gasströmen im Bereich von 0 bis 250 cm³/min. Große Strömungen von bis zu 1,5 l/min oder mehr können bei geeigneten Modifikationen, wie zum Beispiel durch Vergrößern der Freiräume in dem Ventil, ermöglicht werden.

In der Serienfertigung unter Verwendung von Silizium-Mikrobearbeitungstechnologien bestehen die Mikroventile 14 aus einer zentralen erhaben ausgebildeten Siliziummembran, die mit einem geätzten Siliziumventilkörper in Verbindung steht. Eine Aluminiumfolie ist auf die Membran aufgebracht, um ein bimetallisches Betätigungselement zu bilden.

Durch Variieren der elektrischen Energie, die in die Membran integrierten Widerständen abgeführt wird, und somit der Temperatur des Betätigungselements führt die Differenz in der Wärmeausdehnung zwischen dem Silikon und dem Metall zu der gesteuerten Verlagerung bzw. Verschiebung der zentralen Erhebung von dem Ventilsitz weg.

Filter sind empfohlen, um Partikel an einem Eintritt in das Modul oder den Ventilchip zu verhindern, und ferner ist eine gefilterte, Reingas-Vorratsquelle empfohlen.

Die Leistungsspezifikationen für das Mikroventil 14 bei 25°C können wie folgt sein, falls nicht anders angegeben: Der typische Energiebedarf für jedes Mikroventil beträgt 300 bis 500 mW, die Ansprechzeit beträgt ca. 100 bis 200 ms (bei einer Strömung von 10 bis 90%), das interne Volumen des Ventils beträgt ca. 0,12 cc, die Betriebsspannung beträgt ca. 3,5 bis 5,0 VDC, der Betriebsstrom beträgt ca. 85 bis 100 mA, der Betätigungselement-Widerstand beträgt ca. 40 Ohm, die Berstdruckgrenze beträgt ca. 50 psi, und die Gegendruckgrenze beträgt ca. 25 psi.

Der Betriebstemperaturbereich beträgt -20°C bis +70°C, das Gewicht beträgt ca. 0,3 Gramm, und die empfohlene Zuführfiltration erfolgt bei 25 &mgr;m. Bei den vorstehenden Spezifikationen handelt es sich um ungefähre Werte, und zwar speziell für das Mikroventil, wie es in dem IC-Sensor-Modell 4425 verwendet wird.

Andere Mikro-Betätigungselemente können in dem Modul 10 verwendet werden, ohne daß man den Umfang der Erfindung verläßt. Typische Strömungsraten betragen 100 bis 300 Standardkubikzentimeter für jedes offene Mikroventil, wobei jedoch viel höhere Strömungsraten möglich sind.

Aufgrund der Nähe des Moduls 10 zu dem Kolbenkörper 200 und somit zu jedem Flüssigkeitsventil in der Kassette (nicht gezeigt), ist ferner die Ansprechzeit des Flüssigkeitsventils viel geringer als ca. 100 ms, und zwar gemessen ab dem Zeitpunkt, zu dem ein elektrisches Betätigungssignal zu einem Mikro-Betätigungselement 14 in dem Modul 10 geschickt wird.

Die Größe des Moduls 10 kann etwa 1,0 × 1,0 × 7/16 Inch betragen. Jeder Kanal in dem Modul kann einen Durchmesser von ca. 1/16 Inch aufweisen, die Bolzenöffnungen 25, 65, 81 können einen geringfügig größeren Durchmesser als die Kanäle aufweisen, und die Bohrungen 40, 42, 44 können einen Durchmesser von ca. 3/32 Inch aufweisen.

Bei einem Ausführungsbeispiel des Moduls 10, das für einen speziellen vorbestimmten Elektrofluidik-Standard ausgebildet ist, sind die Öffnungen 20a bis 20d von Mitte zu Mitte ca. 6 mm voneinander beabstandet in einer geraden Linie angeordnet. Die Einlässe oder Auslässe 18 sind ca. 8 mm von den Öffnungen 20a und 20d angeordnet, und zwar rechtwinklig zu (und beide auf der gleichen Seite) der geraden Linie.

Bei jedem elektrischen Stiftverbinder 23 können die Stifte in einer Beabstandung von Mitte zu Mitte von 1 mm in einer geraden Linie vorgesehen sein. Die durch die Stifte des einen Verbinders 23 gebildete Linie kann parallel zu der durch die Stifte des anderen Verbinders 23 gebildeten Linie angeordnet und von dieser etwa 21 mm beabstandet sein. Jede Öffnung 18, 20a bis 20d kann einen Durchmesser von ca. 1/16 Inch aufweisen.

Die elektrischen Leiterbahnen auf jeder der vorliegend offenbarten Leiterplatten können aus einem beliebigen geeigneten leitfähigen Material gebildet sein, vorzugsweise sind sie jedoch aus Gold hergestellt, und zwar aufgrund von dessen ausgezeichneter Leitfähigkeit sowie nicht-korrosiven Eigenschaften.

Das Modul 10 ist vorzugsweise im wesentlichen flach und relativ planar, ohne längere Erhebungen vertikal über den modularen Körper hinaus. In seinem bevorzugten Ausführungsbeispiel läßt sich das Modul 10 als Flachgehäuse beschreiben.

Ein Elektrofluidik-Modul 310 mit vier Ventilen ist in 25 dargestellt. Dieses beinhaltet eine Basisschicht 324, eine zwischengeordnete Verteilerschicht 364, eine elektrische Schicht 380, eine Einrichtungsschicht aus Mikroventilen 410, 412, 418, 420 sowie eine Rückleitungsschicht 322. Die Basis 324 kann eine eintretende druckbeaufschlagte Gasströmung 426 durch einen Einlaß 358 empfangen, der zu einem Druckschlitz 366 geführt ist. Der Druckschlitz 366 kommuniziert über einen Schlitz 392 mit einem Druckverteilerbereich 430 der Rückleitungsschicht 322.

Der Verteilerbereich 430 verbindet Druck mit den Oberseiten von zwei druckseitigen Mikroventilen 410, 412. Elektrische Signale können über elektrische Leiterbahnen 316 übertragen werden, um entweder eines oder beide Ventile 410, 412 zu öffnen sowie Druck nach unten und letztendlich durch die Einlässe/Auslässe 320b, 320a jeweils nach außen zu leiten.

Wenn zum Beispiel das Ventil 410 geöffnet ist, wird Druck zu dem Einlaß-/Auslaßschlitzende 372a und sodann zurück zu dem Schlitzende 372b, nach unten zu dem Einlaß- oder Auslaßkanal 320b übertragen sowie aus der Basisschicht 324 über eine O-Ring-Dichtung 350 zur Verbindung mit einer separaten Montagevorrichtung ausgeleitet.

Die Basis 324 ist ebenfalls mit einem Unterdruck- oder Unteratmosphärendruck-Austrittskanal 360 versehen, um eine einen niedrigen Druck aufweisende Gasströmung 428 an ein externes Niedrigdrucksystem (nicht gezeigt) auszuleiten. Niedrigen Druck aufweisende Luft kann in einen von dem Einlaß/Auslaß 320a, 320b oder in beide derselben durch Öffnen der Ventile 418 bzw. 420 gezogen werden.

Wenn zum Beispiel das Ventil 418 geöffnet wird, wird niedrigen Druck aufweisende Luft in den Kanal 320a gezogen, nach oben zu dem Schlitzende 372b, nach oben durch die Öffnung 388 in den Unterdruckverteilerbereich 432 und sodann nach unten durch das Ventil 418 in das Ende 368b des H-förmigen Schlitzes 368, seitlich zu dem Ende 368a sowie nach unten sowie durch den Unterdruckauslaß 360 nach außen geleitet.

Das System 310 beinhaltet ebenfalls einen Stiftverbinder 323 für die Kopplung mit elektrischen Leiterbahnen 316 auf der elektrischen Schicht 380. Diese Leiterbahnen sind mit den Mikroventilen 410, 412, 418, 420 verbunden, um zu steuern, ob diese geöffnet oder geschlossen werden. Eine Vielzahl von O-Ringen 350 ist in Bohrungen in der Unterseite der Basis 324 angebracht, um fluiddichte Verbindungen zwischen den Kanälen 320a, 320b, 358, 360 sowie dazu passenden externen Verbindungen herzustellen. Die Arbeitsweise des vier Ventile aufweisenden Ausführungsbeispiels 310 entspricht im wesentlichen der des acht Ventile aufweisenden Elektrofluidik-Moduls 10.

Es ist zu erkennen, daß ein vier Ventile aufweisendes Modul 310 anstatt eines acht Ventile aufweisenden Moduls 10 bei Anwendungen verwendet werden könnte, bei denen nur zwei Fluidikeingänge und zwei Fluidik-Einlaß-/Auslaßöffnungen erforderlich sind, um zum Beispiel das acht Ventile aufweisende Modul 190 (von dem nur vier Ventile verwendet werden) gemäß 14 und 15 zu ersetzen, vorausgesetzt, daß die Montagevorrichtung 196, 200 mit fluidischen, elektrischen und mechanischen Schnittstellen zur Verbindung mit dem vier Ventile aufweisenden Modul 310 konfiguriert ist.

Die Erfindung, wie sie beansprucht ist, ist nicht auf die vorliegend speziell offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern durch die beigefügten Ansprüche definiert.