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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