Wissenschaftliche Berichte - FZKA 5856

Zusammenfassung

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Mikropumpen zur F”rderung von Gasen (1) entwickelt und Mikropumpen (2), die sowohl Gase als auch Flüssigkeitenselbstansaugend fördern können.Die Mikropumpen (1) und (2) werden jeweils elektro-thermopneumatischdurch Erwärmung eines Gases mit Hilfe einer Heizwendelangetrieben und besitzen passive Membranventile zur Fluidgleichrichtung.Sie sind lediglich aus drei Einzelteilen aufgebaut: Eine einzigeMembranschicht aus 1,5 m dünnem, photostrokturierbaren Polyimid,welche alle beweglichen Funktionen ausführt, ist zwischen zweifesten Kunststoff-Gehäusehälften angebracht. Die Polyimidschicht bildetim Bereich der Pumpkammer eine hochelastische Pumpmembran und imBereich des Ein- und Auslaáventils die Ventilmembranen derFlatterventile.

Gasfördernde Mikropumpen (1) besitzen eine Dünnfilm -Goldheizwendel (Dicke: 130 nm) direkt auf derPumpmembran. Die Ansteuerung erfolgt durch kurze elektrische Pulse (2ms) mit einer Pulsleistung von typischerweise 2 W und Pulsfrequenzen bis30 Hz. Bei einer Frequenz von 20 Hz beträgt die maximale Förderrate400 l/min und eine Druckdifferenz von200 hPa kann aufgebaut werden.Die "uáeren Abmessungen der Mikropumpen (1) betragen 10 x 10 x 1,2 mm³. Die Polyimid-Membranewird auf einem Siliziumsubstrat hergestellt und mit denaus Polysulfon spritzgegossenen Gehäusehälften verklebt. Die hierzuentwickelte, dem Reaktionsguá verwandte Klebetechnik erlaubt einegroáe Anzahl von Mikrostrukturen parallel zu verbinden.Nach diesem Verfahren hergestelltegasf”rdernde Mikropumpen (1) werden bereits im Rahmeneiner Kleinserie gefertigt und sind kommerziell erhältlich.

Mikropumpen für Gase und Flüssigkeiten (2) werden durch eine Goldheizwendel betrieben, die sichauf der Geh"useinnenwand der Aktorkammer befindet.Die Mikropumpen f”rdern Gase und Flüssigkeiten selbstansaugend unter jeweilsidentischen Ansteuerbedingungen. Die geförderten Flüssigkeiten dürfenGasblasen enthalten. Kleinste hergestellte Mikropumpen (2) habenäußere Abmessungen von 2 x 2 x 0,26 mm³. DieMikropumpen werden in gleicher Weise wie die gasfördernden Mikropumpenhergestellt, jedoch bestehen die Gehäuse aus Polyimid, das durch optischeLithographie strukturiert wird.

Erste Erfahrungen zum Einsatz von Mikropumpen in Mikrosystemen wurden imRahmen der Mikrosystem-Demonstratoren "Elektrolytanalysator"und "Optochemischer Schadstoffanalysator" des Forschungszentrums Karlsruhegewonnen, indem mit Hilfe von gasf”rderndenMikropumpen und Gaspuffern das gesamte Fluidmanagement ausgeführt wurde.

Begleitend zur Konzept- und Prozeáentwicklung wurde einSimulationsmodell für gasfördernde Mikropumpenauf der Basis elektrischer Analogienaufgestellt. Das diskrete Modell beschreibt die Mikropumpe als nichtlineares,gekoppeltes, dynamisches System undwird als elektrisches Ersatzschaltbild dargestellt,welches eine hohe Anschaulichkeit besitzt und mitHilfe der Simulationssoftware PSPICE geschlossen simuliert werden kann.Vergleichende Messungen an einer Anzahl von Mikropumpen bestätigten dieGültigkeit des Modells innerhalb in der Praxis einstellbarerGeometrie- und Ansteuerparameter.

Development of Micromembrane Pumps from the Conception Suitable for Series Production to Application

Summary

In this thesis two types of micropumps have been developed: (1) Micropumps to pump gases and (2) micropumps which are able to pump gases as well as liquids self-filling. Both are actuated thermopneumatically by heating up gas with a resistive heater and they consists of two passive membrane valves for fluid direction. The micropumps are assembled out of three parts only. A single 1,5 m thick polyimide membrane, which carries out all movable functions is mounted between two pump cases, made out of plastic material. The polyimide layer serves as a highly elastic pump membrane and also serves as valve membranes at its free suspended areas.

Micropumps for gases (1) consist of a thinfilm heater wire (thickness: 130 nm), which is located directly on the pump membrane. The micropumps are driven by small electric pulses (2 ms) of 2 W typically at frequencies of up to 30 Hz. At a frequency of 20 Hz, flowrates of 400 l/min are achieved and a maximum counter pressure of 200 hPa is built up. The outer dimensions of these micropumps are 10 x 10 x 1,2 mm³.The polyimide membranes with the heater wires on top, are manufactured on a silicon substrate which are bonded to the injection-moulded pump cases by a new adhesive bonding technique. This technique has been developed as parallel process, to bond together a large number of microstructures. Micropumps for gases are manufactured in a small series production and are commerially available.

Micropumps for gases and liquids (2) are driven by a heater wire, which is located on the pumpcase in the actuator chamber. The micropumps are self-filling and are able to pump liquids and gases under identical electrical conditions. Liquids may contain air bubbles. The smallest micropumps (2) have outer dimensions of 2 x 2 x 0,26 mm³. They are produced in the same way as the gas micropumps (1).The pump cases of these micropumps are out of polyimide, which is patterned by optical lithography.

The micropumps for gases (1) have been developed to be used in the two microsystems "Elektrolytanalysator" and "Optochemischer Schadstoffanalysator" in the Research Centre Karlsruhe. A new fluid-handling concept has been set up especially to pump polluted liquids. Using micropumps for gases and an air cushion over the system liquids made it possible to manage all fluidic system functions.

In parallel a simulation model based on electrical analogies has been developed for a micropump for gases. The discrete circuit model describes the micropump as a nonlinear, coupled dynamic system and is represented as an electrical substitute with a high clarity. Closed simulations have been carried out using PSPICE. The validity of the model could be proved by measurements on a number of micropumps in the range of the parameters, that could be adjusted in practice.