Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte – FZKA 7125 

Entwicklung und Herstellung einer chemisch inerten Mikropumpe

Yue Cheng, R. Truckenmüller, R. Ahrens, T. Rogge

Zusammenfassung
In dieser Arbeit wird Entwicklung und Herstellung einer chemisch inerten Mikropumpe mit einem Piezobiegeaktor als Antrieb vorgestellt.

Das Ultraschallschweißen wird als ein fremdstofffreies Verbindungsverfahren erstmalig für mikrostrukturierte Bauteile aus Polymeren eingesetzt. Somit wird die Mikropumpe in einzel-nen Funktionskomponenten, nämlich einer Aktor- und einer Ventileinheit, entwickelt. Zwei Aufbauarten des Piezobiegeaktors, mit Metallscheibe oder Polymerscheibe als passivem Element, werden nach ihrer Auslenkung untersucht. Ein Dauertest zeigt, dass Polymere als Material des passiven Elements im Biegeaktor wegen ihres Kriechverhaltens nicht im Dauerbetrieb einsetzbar sind. Aus den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien (Piezokeramik, Stahl und Polymere) resultiert eine Verformung des Aktors bei einer Änderung der Temperatur. Die Versuche mit verschiedenen Aufbauarten des Ventils zeigten, dass das Ventil mit frei eingelegter Membran ohne Vorspannung am besten funktioniert. Um eine ergonomische Handhabung und eine kostengünstige Herstellung zu ermöglichen, werden zwei entgegen-gerichtet geschaltete Ventile zu einer Ventileinheit integriert.

Die Ventilkammerhöhe, der Abstand zwischen der Sperrfläche und den Distanzhaltern, wird experimentell als kritisch für die Pumpenleistung erkannt. Mit einer Ventilkammerhöhe von 30 μm erzielt die Mikropumpe eine maximale Förderrate von 3 ml/min und einen maximalen Arbeitsdruck von 750 hPa. In einem noch andauernden Dauertest der Mikropumpe zeigt diese bei mittlerweile über 1800 Stunden, was 320 Mio. Pumpenzyklen entspricht, eine nach wie vor stabile Förderung. Der Klimatest zeigte, dass die Pumpenleistung der Mikropumpe in der Form der Förderrate nicht von der relativen Feuchtigkeit (gemessen von 10 bis 90%) beeinträchtigt wird. Beim Temperaturtest zeigt eine Mikropumpe bei einer Temperatur bis 30 °C eine stabile Pumpenleistung. Mit zunehmender Temperatur vermindert sich die Pumpenleistung. Mit einem größeren Abstand zwischen Aktordeckel und Ventileinheit kann der Bereich, in dem die Pumpenleistung nicht von der Temperatur beeinträchtigt wird, vergrößert werden.

Development and fabrication of a chemically inert micro pump

Abstract
A chemical inert, polymeric and piezo-driven micro pump was developed and fabricated.

The ultrasonic welding, as a monolithic bonding method, was applied to the micro polymeric components of the pump. The main components of the pump, including an actuator unit and a valve unit with two valves, were separately developed and welded using ultrasonic welding.

The pump is driven by a disc-shaped, piezoelectric bending actuator, which consists of a piezo disc and a passive disc. Two types of the passive disc, a metal disc and a polymeric disc, were investigated with regard to the deflection of the bending actuator. Endurance tests revealed that, polymer was not suitable material for the passive disc of the bending actuator because of creepage phenomena. Different thermal-expansion coefficients of materials (piezo ceramic, steel and polymer) resulted a deformation of the actuator under different temperatures. Among various structures of valves, a valve with a free-moving membrane was chosen for the pump. To be handled more ergonomically as well as to reduce the amount of pieces, two valves required in the pump were integrated into one valve unit.

The valve stroke, which was determined by the height of the valve chamber, is regarded as critical parameter for the pump performance. With an optimal valve stroke of 30 μm, a pump performance, a maximal flow rate of 3 ml/min and a maximal back pressure of 750 hPa have been achieved. The pump was tested for over 1800 hours, with a continuous operation of over 320 million pump cycles, without fatigue appearance. A climatic test showed that, the performance of the pump was not influenced by the relative humidity (measured from 10 to 90%), and the performance remained stable up to 30°C, and deteriorated with higher temperature because of the deformation of the actuator. A higher glue temperature for the actuator or other material for passive element of the actuator with similar thermal expansion coefficient as piezo ceramic could enlarge the operational temperature range, in which the pump performance is stable.

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