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Fraunhofer-Pressemitteilung 64/1997
Selbstansaugende Mikropumpe Ob in der Medizintechnik, der chemischen Analytik, der Verfahrenstechnik oder der Biotechnologie - ueberall geht der Trend zu immer winzigeren Geraeten und Systemen. Damit Fluessigkeiten und Gase fuer diese miniaturisierten Apparate exakt dosiert werden koennen, muessen auch entsprechende Mikropumpen zur Verfuegung stehen. Doch daran hapert es bislang noch. Zwar werden schon seit Jahren verschiedene Kleinstpumpen gebaut, aber diese Geraete haben haeufig zwei entscheidende Nachteile: Sie koennen weder Fluessigkeiten selbsttaetig ansaugen, noch sind sie blasentolerant. Schon kleinste Luftblasen im Medium verursachen einen drastischen Abfall der Foerderrate, und die Pumpen arbeiten fehlerhaft. Einen entscheidenden Fortschritt fuer die Dosiertechnik koennte jetzt allerdings eine neuartige Mikropumpe bringen: Dieses Geraet arbeitet selbstansaugend und ist blasentolerant.
Wissenschaftlern des Fraunhofer-Instituts fuer Festkoerpertechnologie IFT ist es gelungen, eine Silizium-Mikromembranpumpe zu fertigen, die sowohl Fluessigkeiten als auch Gase exakt dosieren kann. Die neuartige Pumpe wird von einer piezoelektrischen Aktoreinheit angetrieben. Dadurch und durch eine verbesserte Baugeometrie konnte die Kompressionsfaehigkeit so weit erhoeht werden, dass die Pumpe Gase und Fluessigkeiten selbsttaetig ansaugt. "Sogar Gasblasen in einem Fluessigkeitsstrom werden vollstaendig durch die Mikropumpe transportiert", betont Dr.-Ing. Peter Woias vom Fraunhofer IFT.
Trotz ihrer geringen Groesse von 7 x 7 x 1 Millimetern - derzeit Weltrekord bei selbstansaugenden Mikropumpen - ist die Minipumpe extrem leistungsstark: Sie kann Fluessigkeiten gegen einen Druck von einem Bar foerdern. Bei waessrigen Loesungen betraegt ihre maximale Pumprate 900 Mikroliter pro Minute, bei Gasen 2,5 Milliliter pro Minute. Zudem kann sie sogar kleinste Mengen exakt foerdern. "Durch Variation von Ansteuerfrequenz und Aktorspannung ist eine Feindosierung bis in den Bereich einiger 10 Nanoliter pro Pumphub denkbar", fuehrt Dr. Woias aus. Dabei verbraucht die Membranpumpe nur etwa 30 Milliwatt elektrische Leistung und kann - dank einer speziellen Ansteuerschaltung - sogar mit einer konventionellen 9-Volt-Batterie betrieben werden.
Die neuartige Mikropumpe wird aus Silizium hergestellt. Die Forscher haben sich bewusst fuer dieses Material entschieden, da Silizium nicht nur hervorragende elastomechanische Eigenschaften besitzt, sondern auch aeusserst langlebig ist. Es zeigt keine Verschleiss- oder Ermuedungserscheinungen.
Die Eigenschaften der Pumpe - ihre geringe Groesse, die hohe Pumpgenauigkeit, der geringe Energieverbrauch sowie die Blasentoleranz - machen das neuartige Geraet besonders fuer die Medizintechnik interessant. Die Mikropumpe koennte in einem Medikamentendosiersystem, etwa als "Insulinpumpe", eingesetzt werden. Weitere moegliche Einsatzfelder sind Mikroanalysesysteme, in denen kleinste Proben eines Mediums gezogen werden. So koennten Gewaesser oder die Luft regelmaessig auf moegliche Verunreinigungen untersucht werden.
Im Labor wurde die miniaturisierte Pumpe bereits mit waessrigen Loesungen getestet. "Darueber hinaus besteht jedoch prinzipiell die Moeglichkeit, auch aggressive organische Loesungen wie Aceton zu foerdern", meint Dr. Woias. Denn zur Montage der Mikropumpe werden chemisch resistente Verfahren wie das Silicon-Fusion-Bond-Verfahren eingesetzt. Bei dieser Technologie werden atomare Bindungen zwischen den einzelnen Chips aufgebaut, die nahezu unloesbar sind. "So ist es moeglich, eine dauerhafte, chemisch bestaendige Verbindung der Funktionselemente herzustellen", erlaeutert der Wissenschaftler.
Derzeit greifen die Forscher bei der Fertigung der Mikropumpen bereits weitgehend auf bekannte und kostenguenstige Standardverfahren aus der Halbleitertechnologie und Silizium-Mikrostrukturtechnik zurueck. Um die Produktionskosten jedoch noch weiter zu senken, werden fuer den Bau der Pumpen zusaetzlich geeignete Full-Wafer-Montageverfahren etabliert. Mit dieser Technologie werden nicht mehr wie heute ueblich einzelne Silizium-Chips, sondern komplette Wafer montiert. So koennten in einem Montageprozess bis zu mehreren hundert Mikropumpen gleichzeitig gefertigt werden.
Die Fraunhofer-Forscher planen aber bereits weiter: Sie wollen eine "intelligente" Mikropumpe bauen, die sogar Viskositaetsunterschiede der Fluessigkeiten erkennt und entsprechende Dosierungsschwankungen ausgleicht. Dazu soll die Pumpe mit einem Mikrosensor zur Durchflussmessung ausgestattet werden.
Ihre Ansprechpartner fuer weitere Informationen: Dr.-Ing. Peter Woias, Dr. Reinhard Linnemann Telefon 0 89/5 47 59 -2 33 bzw. -2 29, Telefax 0 89/5 47 59 -1 00 Fraunhofer-Institut fuer Festkoerpertechnologie IFT Hansastrasse 27d, D-80686 Muenchen email: woias@ift.fhg.de, linne@ift.fhg.de
Criteria of this press release:
Electrical engineering, Energy
transregional, national
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