Wissenschaftliche Berichte - FZKA 5902

Zusammenfassung

Für den Einsatz in chemischen und medizinischen Analysesystemen wurden aktive Mikroventile zum Schalten von Gasen entwickelt, die sich durch eine kleine Baugröße und einen geringen Energiebedarf auszeichnen. Diese Mikroventile verbrauchen weder im geöffneten noch im geschlossenen Zustand Leistung, nur zum Schalten wird Energie zugeführt. Das hat den großen Vorteil, daß weder das zu steuernde Medium noch das Mikroventil unnötig aufgeheizt werden. Dazu wurden geeignete Funktionsprinzipien und Herstellungsprozesse entwickelt. Die Herstellungsprozesse sind kostengünstig und für eine Massenfertigung geeignet. Die Maximal-Abmessungen dieser Ventile betragen 5x5x2 mm³. Die zwei entwickelten Mikroventiltypen sind:

1. das bistabile (elektro-thermo) pneumatische Mikroventil,

2. das elektrostatische Mikromembranventil.

Im ersten Fall wurde ein Verfahren zur Herstellung einer bistabil ausgewölbten Polyimid-Folie entwickelt. Die Folie bleibt auch ohne von außen anliegenden Druck in ihrer jeweiligen stabilen Position. Die zwei stabilen Zustände der Folie werden ausgenutzt, um das Mikroventil zu schließen bzw. zu öffnen. Das Umschalten erfolgt elektro-thermo-pneumatisch über einen kurzzeitig in der Aktorkammer anliegenden Über- bzw. Unterdruck. Es wurden Finite-Elemente-Simulationen durchgeführt, um für die Mikroventile die optimalen Designregeln bestimmen zu können. An den Mikroventilen wurden Messungen zur Bestimmung des Stellweges bzw. des Hubs, der Aktordrücke und des Volumenflusses durchgeführt. Es wurde ein sehr geringer Leckfluß von maximal 1 nl/s ermittelt. Im Dauertest wurde selbst nach 15.6 Mio. Lastzyklen keine Änderung der Funktionseigenschaften der bistabilen Folie festgestellt.

Der zweite Mikroventiltyp, das elektrostatische Mikromembranventil, besteht aus zwei Gehäusehälften, die eine bewegliche Membran umschließen. Alle drei Komponenten fungieren als Elektroden. Je nach angelegter Spannung bewegt sich die doppel-S-förmige Membran in der Ventilkammer und verschließt bzw. öffnet das Mikroventil. Um die Membranbewegungen zu simulieren, ist ein Finite-Elemente-Programm entwickelt worden, da keine geeignete kommerzielle Software zur Verfügung stand. Dieses Programm ermöglicht es, die Kopplung zwischen Membranauslenkung und elektrostatischem Feld zu berücksichtigen. Die Mikroventilgehäuse wurden auf zwei Arten hergestellt, einerseits mittels Abformung, andererseits mittels optischer Lithographie. Die Strukturhöhen betrugen 25 µm. Die bewegliche Membran besteht aus einer leitfähigen Schicht, die von zwei Isolationsschichten umschlossen ist. Zur Herstellung dieser 3-Schicht-Membran wurde ein Verfahren entwickelt, das es erlaubt, alle drei Schichten unterschiedlich zu strukturieren und anschließend die Membran auf das Gehäuse zu übertragen. Die Funktion des elektrostatischen Aktors wurde nachgewiesen, die zum Schalten notwendigen Spannungen und die Volumenflüsse durch das geöffnete Mikroventil wurden ermittelt.

Angeordnet zu einem Array, in Kombination mit Mikropumpen, Sensoren und einer entsprechenden Signalverarbeitung können mit diesen Mikroventilen intelligente Mikrofluidsysteme aufgebaut werden, die in chemischen Analysesystemen, in der Umwelt- und Medizintechnik neue Möglichkeiten eröffnen.

Development, Production, and Test of Active Microvalves for Pneumatic Applications

Abstract

Active microvalves have been developed for switching gases in chemical and medical analysis systems; they are characterized by their small dimensions and low energy requirement. Neither in the open nor in the closed condition do these microvalves consume power; energy is supplied only for switching. This design offers the major advantage of not heating unnecessarily the medium to be controlled or the microvalve. Suitable working principles and manufacturing processes have been developed. The manufacturing processes are low in cost and lend themselves to mass production. The maximum dimensions of the valves are 5x5x2 mm³. These two types of microvalves have been developed:

(1) the bistable (electro-thermo)-pneumatic microvalve,

(2) the electrostatically actuated microvalve.

For the first type of microvalve, a method has been developed to produce a polyimide film with bistable convexity. This film remains in either of its stable positions also in the absence of any external pressure. The two stable states of the film are used to open and close, respectively, the microvalve. Switching is electro-thermo-pneumatic by means of overpressure or negative pressure briefly applied to the actuator chamber. Finite-element simulations were conducted to determine the optimum design rules for the microvalves. The microvalves were subjected to measurements to determine the travel and lift, respectively, the actuator pressures, and the volume flow. A very low leakage flow not exceeding 1 nl/s was determined. In a long-term test, no change in the functioning characteristics of the bistable film was found even after 15.6 million load cycles.

The second type of microvalve, the electrostatically actuated microvalve, consists of two housing shells enclosing a movable membrane. The three components act as electrodes. Depending on the voltage supplied, the double-S-shaped membrane moves in the valve chamber, opening and closing the microvalve. A finite-element program has been developed to simulate the membrane movements, as no suitable commercial software was available. This program makes it possible to consider the coupling between the membrane deflection and the electrostatic field. The microvalve housing was produced in two ways: in one case, by means of molding; in the other case, by means of optical lithography. The structures are 25 µm high. The movable membrane consists of a conducting layer enclosed by two insulating layers. A technique of producing this three-layer membrane has been developed which allows the three layers to be patterned differently and the membrane then to be transferred to the housing. The function of the electrostatic actuator has been demonstrated; the voltages necessary for switching, and the volume flows through the open microvalve have been determined.

When arranged in an array, in a combination with micropumps, sensors, and the appropriate signal processing tools, these microvalves can be used to build up intelligent microfluidic systems opening up new possibilities for use in chemical analysis systems for environmental technology and medical technology.