Wissenschaftliche Berichte - FZKA 5895

Zusammenfassung

In dieser Arbeit wird die Entwicklung eines flüssigkeitsbetriebenen Mikro-Oszillators, der als Antriebs- und Ansteuereinheit eines miniaturisierten doppeltwirkenden Zylinders mit Kolben (Mikro-Linearaktor) verwendet werden kann, dargestellt. Die Motivation für diese Entwicklung ergab sich aus einem Konzept des von der Europäischen Gemeinschaft geförderten ESPRIT-Projektes IMICS, das ein aus Oszillator und Linearaktor mit Werkzeug aufgebautes Mikrosystem als therapeutische Komponente eines Herzkatheters vorsieht.

Zusätzlich zur Entwicklung des Mikro-Oszillators wird ein Mikro-Linearaktor vorgestellt sowie ein aus Oszillator und Linearaktor modular aufgebautes Mikrosystem beschrieben.

Es wird zunächst die experimentelle Untersuchung eines wasserbetriebenen, miniaturisierten bistabilen Wandstrahlelementes beschrieben. Ziel dieser Untersuchung war die Überprüfung der Realisierbarkeit eines flüssigkeitsbetriebenen, miniaturisierten fluidischen Oszillators.

Mit Hilfe einer Finite Elemente Methoden (FEM) Simulation eines Oszillatormodells, dessen Abmessungen sich an denen des Wandstrahlelementes orientieren, wird dieses Ergebnis dann bestätigt. Durch eine Variation des Volumenstroms und die Skalierung der Oszillatorgeometrie werden der Betriebsbereich des fluidischen Mikro-Oszillators und die Beeinflussungsmöglichkeiten der Frequenz numerisch bestimmt.

Es wird dann die experimentelle Oszillator-Designentwicklung dargestellt. Diese unterteilt sich in die Untersuchung von verschiedenen Strahlablenkelementen mit einfachem Rückführungskanal und die Untersuchung von fluidischen Oszillatoren mit verschiedenen Steuerräumen. Diese feinmechanisch aus PMMA gefertigten Strukturen besitzen Versorgungsdüsenweiten von 500 µm und Strukturhöhen von 2500 µm. Es werden zunächst Funktionstests mit Stickstoff als Arbeitsfluid beschrieben. Im Anschluß daran werden die Strukturen unter Verwendung von deionisiertem Wasser als Arbeitsfluid charakterisiert.

Das so ermittelte Oszillatordesign wird dann verkleinert. Es wird das Betriebsverhalten eines weiteren feinmechanisch hergestellten Oszillators mit einer Versorgungsdüsenweite von 300 µm und einer Strukturhöhe von 1500 µm untersucht, wodurch die Funktionsfähigkeit eines miniaturisierten Oszillators nachgewiesen wird. Außerdem wird erstmals ein als Primärstruktur aus PMMA in LIGA-Technik gefertigter Oszillator mit einer Versorgungsdüsenweite von 100 µm und einer Strukturhöhe von 500 µm präsentiert. Bei der Verwendung von Wasser als Arbeitsfluid werden für diesen Mikro-Oszillator Frequenzen zwischen 250 und 400 Hz für Volumenströme von 2 bis 5 l/h ermittelt. Der numerisch bestimmte lineare Zusammenhang zwischen der Frequenz und dem Volumenstrom wird experimentell verifiziert. Das Betriebsverhalten des in LIGA-Technik gefertigten Mikro-Oszillators ist durch eine geringe Oberflächenrauhigkeit sowie eine sehr symmetrische Geometrie der Struktur stabil und reproduzierbar.

Mit diesem Mikro-Oszillator und dem Mikro-Linearaktor wird dann ein Mikrosystem aufgebaut, mit dem fluidische Strömungsenergie in mechanische Energie, in Form einer oszillierenden translatorischen Kolbenbewegung umgewandelt werden kann. Die prinzipielle Betriebsfähigkeit dieses Mikrosystems bei der Verwendung von Wasser wird experimentell nachgewiesen. Es wird somit die Verwendbarkeit des entwickelten fluidischen Mikro-Oszillators als Antriebs- und Ansteuereinheit eines Linearaktors bestätigt. Mit einer Kolbenbewegung ab einem Versorgungsdruck von 700 hPa und einem Volumenstrom von 1.6 l/h, entspricht der ermittelte Betriebsbereich weiteren Vorgaben des IMICS-Projektes.

Development of a Miniaturized Fluidic Oscillator to Control Fluidic Actuators for Minimally Invasive Therapy

Abstract

This thesis describes the development of a liquid-driven micro-oscillator that can be used as a driving and controlling unit for a miniaturized double-acting piston unit (micro-linear actuator). This research was motivated and supported by the European Community sponsored ESPRIT Project IMICS, which outlines a microsystem consisting of an oscillator and a linear actuator equipped with a tool as a therapeutical component of a cardiac catheter.

The development of the micro-oscillator as well as a micro-linear actuator are presented and a modularly build microsystem consisting of these two components is described.

The thesis first describes experiments with a previously developed water-driven, miniaturized, bistable wall attachment amplifier. The aim of the experiments was to verify the feasibility of a liquid-driven, miniaturized fluidic oscillator.

Confirmation was obtained by means of an FEM-simulation of an oscillator model with dimensions derived from those of the wall attachment amplifier. The operating range of the fluidic micro-oscillator and the possibilities to influence its frequency were determined numerically by varying the volume flow and scaling the oscillator geometry.

Following is the desciption of the experimental development of the oscillator design, which comprised the examination of various beam deflection elements with simple feedback channels and of fluidic oscillators with different control chambers. These structures were precision made of PMMA. Their supply nozzle is 500 µm in width and their structural height is 2500 µm. A description of functional tests using nitrogen as a working fluid is followed by a characterization of the structures when deionized water is used.

The oscillator design thus obtained was then miniaturized. By examining another precision made oscillator with a supply nozzle of 300 µm in width and a structural height of 1500 µm, the functionality of a miniaturized oscillator was proven. Furthermore, an oscillator made of PMMA is presented which for the first time was fabricated using the LIGA-technique. This oscillator has a supply nozzle of 100 µm in width and a structural height of 500 µm. Frequencies between 250 and 400 Hz and volume flows between 2 and 5 l/h were determined for this micro-oscillator when using water as a working fluid. The linear correlation of frequency and volume flow determined numerically was verified experimentally. The functional behavior of the micro-oscillator made using the LIGA-technique is stable and reproducible owing to low surface roughness and the very symmetrical geometry of the structure.

By combining this micro-oscillator and the micro-linear actuator a microsystem was then realized in which fluidic energy was converted into mechanical energy in the form of an oscillating translatory piston movement. Experiments show that this microsystem, when operated with water, can be employed as a driving and controlling unit of a linear actuator. With a piston movement from 700 hPa upwards and a volume flow of 1.6 l/h, the determined operational range corresponds to further stipulations of the IMICS project.