Entwicklung
eines piezogetriebenen Mikroventils - von der Idee bis zur Vorserienfertigung
Kurzzusammenfassung
In
dieser Arbeit wird die Entwicklung eines normal geschlossenen, piezogetriebenen
2/2-Wege Mikroventils mit sehr geringer Leckrate vorgestellt, das auf einem
neuartigen Funktions- und Herstellungskonzept basiert.
Als
Ventilantrieb werden scheibenförmige, piezoelektrische Biegeaktoren
verwendet, die zwar in der Lage sind, große Kräfte aufzubringen,
jedoch nur kleine Stellwege erreichen. Nach dem Prinzip einer Hydraulik
werden diese Stellwege mit Hilfe eines viskoelastischen, inkompressiblen
Übersetzungsmediums, einem Silikon-Gel, vergrößert. Dabei
dient das Übersetzungsmedium in Verbindung mit einer Polyimid-Membran
zugleich als Ventildichtung. Für diese neuartige Kombination aus Übersetzungs-
und Schließmechanismus wurde ein Herstellungsverfahren entwickelt
und im Rahmen einer Vorserienfertigung mit einer Ausbeute von 80% umgesetzt.
Basierend auf dem AMANDAVerfahren werden für die parallele Herstellung
von acht Ventilen zwei aus Polysulfon abgeformte Gehäusenutzen verwendet.
Neben
theoretischen und experimentellen Untersuchungen zu der Funktionsweise
von Biegeaktoren und Übersetzungsmedium wird eine geschlossene, mathematische
Lösung der Übersetzungsmechanik des viskoelastischen Übersetzungsmediums
entwickelt. Damit lassen sich die Ventileigenschaften quantitativ erklären
und gezielte Aussagen über künftige Entwicklungsmöglichkeiten
treffen.
Die
13 mm x 13 mm x 3 mm großen Piezoventile mit einem Totvolumen von
0,33 µl schalten Flüssigkeiten und Gase bis zu 1,5 bar mit einer
Ansprechzeit von deutlich weniger als 1,8 ms und öffnen bei Schaltpulsen
ab 250 µs Dauer. Der Durchfluss von Wasser bzw. Stickstoff bei 1
bar Druckdifferenz beträgt 16 ml/min bzw. 480 sccm (Standard-Kubikzentimeter
pro Minute) bei einer Leckrate von weniger als 1 zu 150.000. Abhängig
vom zu schaltenden Druckbereich ist eine Schaltspannung von 200 V bis 300
V erforderlich.
Development
of a piezo-driven microvalve — from the idea to preliminary series
Abstract
Here,
development of a normally closed, piezo-driven 2/2-way microvalve of extremely
low leak rate is described. It is based on a novel functioning and production
concept.
The
valve is driven by disk-shaped, piezoelectric bending actuators that are
capable of applying large forces, but reach small regulating distances
only. According to the hydraulics principle, these distances are increased
by a viscoelastic and incompressible transmission medium, namely a silicone
gel. Together with a polyimide membrane, this transmission medium also
serves as the valve sealing. For this novel combination of a transmission
and sealing mechanism, a production process was developed. Preliminary
series were produced with a yield of 80%. Based on the AMANDA process,
two housing batches molded from polysulfone are used for the parallel manufacture
of eight valves.
Apart
from theoretical and experimental studies regarding the functioning of
both the bending actuators and the transmission medium, a consistent mathematical
solution of the mechanics of the viscoelastic transmission medium has been
developed. This allows the valve properties to be explained quantitatively
and precise statements can be made with regard to future development possibilities.
The
piezovalves of 13 mm x 13 mm x 3 mm in size and a dead volume of 0.33 µl
control fluids and gases up to 1.5 bar with a response time of far less
than 1.8 ms. They open at switch pulses of down to 250 µs duration.
At a pressure difference of 1 bar, the flow rate of water or nitrogen amounts
to 16 ml/min or 480 sccm (standard cubic centimeters per minute) at a leak
rate of less than 1 to 150,000. Depending on the pressure range to be controlled,
a voltage of 200 V to 300 V is required.