Pumpen und Ventile für die Mikrofluidik

Pumpen und Ventile für die Mikrofluidik

© Fraunhofer IPMS
3D-Projektion der aktiven Einheiten der Mikropumpe mit den Aktoren (in rot) und den passiven Ventilen (in blau)
© Frauhofer IPMS
3D-Darstellung eines Shutter-Mikroventils.

Mikropumpen finden zunehmend Einzug in weite Bereiche der Medizintechnik. Beispielsweise zur Herstellung biopharmazeutischer Proteine, im Protein Engineering sowie für Wirkstoff-Screenings und in Lab-on-a-Chip-Systemen. Darüber hinaus sind Mikropumpen eine Schlüsselkomponente für die Bereiche Point-of-Care-Diagnostik und Medikamentendosierung. Gegenüber klassischen Pumpen weisen Mikropumpen einen deutlich geringeren Bauraum auf. Gleichzeitig sind neue Antriebslösungen notwendig, um bei kleinen Baugrößen und geringer Energieaufnahme die erforderlichen Pumpleistungen zu erzielen.

Die am IPMS entwickelte Nano-E-Drive (NED)-Technologie ist eine neue Antriebslösung, die auf die klassische membranbasierte Bauweise verzichtet. Das Funktionsprinzip der NED-basierten Mikropumpe ist wie folgt: Ein strukturierter Biegebalken wird beidseitig eingespannt. Dank seiner Biegefähigkeit bewegt er sich lateral in der Ebene und bewirkt dadurch eine Volumenänderung der seitlich definierten Hohlräume. Passive Ventile am Ein- und Ausgang dieser Hohlräume ermöglichen eine Durchflusskorrektur und dadurch das Pumpen von Flüssigkeiten oder Gasen.

Die mit dem NED-Prinzip elektrostatisch ausgelenkten Biegeaktoren als Basiselement von Mikropumpen können beidseitig geklemmt zu einem Pumpeneffekt genutzt werden und einseitig geklemmt als aktives Ventil für die Flussregulierung von Flüssigkeiten und Gase in Mikrokanälen. Darüber hinaus können NED-Strukturen einen Kolben vertikal oder horizontal bewegen, der eine Schließfunktion im Mikrokanal ausübt und somit eine weitere Konfiguration für ein aktives Mikroventil darstellt. Gerade die Kombination aus Mikropumpen und Mikroventilen zur Steuerung der Fluide ist hervorragend für die genannten Anwendungsgebiete geeignet.

Vorteile von Mikropumpen

  • Mikrovolumenaktuation: Hochpräzise Einstellung des Flüssigkeitsvolumens bei nahezu pulsfreiem Durchfluss
  • Monolithischer Herstellungsprozess: Herstellung aller fluidischen Komponenten, d.h. Kanäle und Pumpkammern (Stellglieder und Gleichrichterventile) in einer einzigen Silizium-Waferschicht sowie ein Prozess, der unabhängig von der Designkomplexität ist
  • Vielseitigkeit und Spezifikation: Kundenspezifische Durchflussmengen und Druckverhältnisse per Design möglich, Größentoleranz der zu pumpenden Partikel, hohe Langzeitstabilität und ein geringer Energieverbrauch
  • Integration - CMOS- und RoHS-Kompatibilität des Herstellungsprozesses ermöglicht die Integration einer komplexen Architektur innerhalb des Systems, einschließlich z.B. der Steuerung der Pumprichtung

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Vereinfachte Darstellung einer MEMS-basierten Mikropumpe basierend auf dem NED-Ansatz.

Anwendungen für Mikropumpen

  • Mikrokühlung
  • Gassensorik
  • Implantate
  • Point-of-Care Medikamentation
  • Medizinische und pharmazeutische Industrie
  • Mikrorobotik
  • Industrie-Inkjetdruck
  • Integrierte Dosierung von Schmiermitteln