Development of a Microfluidic Knudsen Pump Prototype for Hydrogen using Two-photon-polymerization = développement d'un prototype de pompe microfluidique knudsen pour l'hydrogène utilisant la polymérisation à deux photons

Die Miniaturisierung von technischen Geräten ermöglicht geringere Bauraumanforderungen, geringeren Energieverbrauch und reduzierte Herstellungskosten bei voller Erhaltung der Funktionsfähigkeit. Diese grundlegenden Vorteile der Miniaturisierung führten zu dem bereits heute gut entwickelten Markt mikrofluidischer Systeme. Grundlegende Komponenten wie Pumpen, Ventile und Sensoren werden häufig in fluidischen Geräten verbaut. Die Weiterentwicklung und Optimierung dieser Basiskomponenten für verschiedene Anwendungen ist daher notwendig, um die Entwicklung neuer mikrofluidischer Systeme zu ermöglichen. ... mehrDieses Projekt untersucht neuartige Ansätze für das Pumpen von Gasen im Mikrobereich.

Klassische Förderprinzipien, die auf der Verdrängung von Gasen durch bewegliche Teile
beruhen, stoßen bei einer simplen Verkleinerung des Systems schnell an Grenzen, die technisch schwer zu überwinden sind, wie beispielsweise erhöhter Rückstrom beim Pumpen
von Gasen oder erhöhte Reibungsverluste

Knudsen-Pumpen sind Mikrokompressoren, die auf Strömungen basieren, die ausschließ- lich durch einen Temperaturgradienten entlang der Achse der Pumpkapillare getrieben werden. Das Gas wird durch den Impulsaustausch zwischen Gasmolekülen und der Wand der Kapillare gefördert, es entsteht eine thermische Kriechströmung an der Oberfläche der Kapillare. Die Flussraten von thermischen Kriechströmungen sind nur für verdünnte Gasströmungen von Relevanz. Eine Gasströmung kann als verdünnt bezeichnet werden, wenn die mittlere freie Weglänge und die charakteristische Länge des Strömungsbereichs eine ähnliche Größenordnung aufweisen.

Knudsen-Pumpen zeichnen sich durch eine besonders hohe Robustheit und Zeitstabilität aus, da sie keine beweglichen Teile enthalten. Da der physikalische Effekt der themischen Kriechströmung durch die Miniaturisierung des Systems verstärkt wird, sind Knudsen Pumpen ideale Anwärter für die integrierte Anwendung in mikrofluidischen Systemen.

Da Knudsen Pumpen unter verdünnten Gasströmungsbedingungen betrieben werden
müssen, sind Strömungskanäle im Mikrometerbereich notwendig. Bislang wurden diese
Abmessungen entweder mit porösen Medien oder durch Ätzen in Siliziumsubstraten erreicht. Die Vorhersage der charackteristischen Kurve einer Knudsen-Pumpe, die auf einem porösen Medium basiert, ist herausfordernd aufgrund der statistischen Größenverteilung der Poren. Die Erzeugung eines Temperaturgradienten entlang eines in Silizium geätzten Pumpkanals ist aufgrund der vergleichsweise hohen Wärmeleitfähigkeit von Silizium ebenfalls herausfordernd.

Diese Arbeit präsentiert die Konstruktion, Herstellung und experimentelle Charakterisierung eines neuartigen Knudsen Pumpenprototyps, der unter Verwendung der Zwei-Photonen Polymerisation hergestellt wurde. Die Zwei-Photonen Polymerisation wird für die additive Fertigung von Mikro- und Nanostrukturen eingesetzt. Daher ermöglichte die Zwei-Photonen Polymerisation die Entwicklung einer Prototypenpumpe, die auf einem Mikrochip integriert ist, und aus einem Material gefertigt ist, das eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Somit wurden die zentralen Herausforderungen der bisherigen Fertigungsprozesse adressiert und gelöst.

Der entwickelte Prototyp besteht aus einem Pumpkörper, in dem eine Matrix paralleler Pumpkanäle eingebettet ist, was hohe Flussraten ermöglicht. Der erforderliche Temperaturgradient entlang der Kanalmatrix wird mit einem Mikroheizer erzeugt. Dieser Mikroheizer wurde direkt, mit Hilfe der Dünnschichttechnik, auf der komplexen Topologie des Pumpkörpers gefertigt und verbindet so mehrere Funktionsebenen des Systems. Aufgrund der direkten Abscheidung des Dünnschichtheizers auf dem Pumpkörper, wurde das Muster der Kanalmatrix auf den Dünnfilm übertragen. Diese maskenlose Strukturierung des Heizers ermöglicht eine präzise und lokale Beheizung des Systems. Der beschriebene Prototyp demonstriert das Potential der Zwei-Photonen Polymerisation komplexe und drei-dimensionale Mikrostrukturen zu erzeugen.

Das Leistungvermögen des gefertigten Prototyps wurde durch die Messung der bereitgestellten Massenströme und Druckunterschiede charakterisiert. Die Leistungsdaten wurden für unterschiedliche Druckbereiche, Heizleistungen und Gase, einschließlich Wasserstoff, bestimmt. Der Vergleich der experimentellen Versuchsergebnisse und numerischen Simulation zeigt eine gute Übereinstimmung für alle getesteten Gase.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit neue Fertigungstechniken und Materialien in den Bereich der Knudsen-Pumpenentwicklung eingeführt hat und durch den Nachweis der Funktionsfähigkeit der Pumpe mit Wasserstoff das Spektrum der möglichen Anwendungen von Knudsen-Pumpen im Bereich der Mikrofluidik erweitert.

The miniaturization of devices offers the potential of higher compactness, lower energy consumption and possibly reduced fabrication costs. These potential advantages have been utilized in the field of microfluidic devices.

Basic components such as pumps, valves and sensors are commonly used in a variety of fluidic devices. The further development and optimization of these basic components for different applications is therefore necessary to support new and improved high level devices. This project investigates novel approaches to the pumping of gases in the microscale.
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Classic pumping principles, that are based on the displacement of gases via moving parts face challenges when scaled down in size such as increased backstreaming when pumping gases and considerable losses due to friction.

Knudsen pumps are micro compressors based on flows that are solely induced by a temperature gradient applied to the bounding walls of the flow structures of the pump. The gas is displaced by the exchange of momentum between the bounding walls and the gas molecules during collisions, the so-called thermal transpiration effect. Thermal transpiration is only relevant in rarefied gas conditions. A gas can be considered rarefied, if the mean free path and the characteristic size of the flow domain are of similar order of magnitude.

Knudsen pumps are characterized by particularly high robustness and time stability due to the absence of any moving parts. Furthermore, their naturally beneficial performance scaling when miniaturized opens up the possibility to integrate the pumping subsystem on-chip, thereby achieving a truly miniaturized device.

As previously introduced, Knudsen pumps need to be operated under rarefied conditions, which results in the need for micrometer sized flow structures. This has been achieved so far with either porous media or standard etching in silicon substrates. The statistical nature of porous media makes the prediction of the device performance challenging. On the other hand, the generation of a temperature gradient along the pumping channels etched in silicon is challenging, due to the relatively high thermal conductivity of this material.

This work presents the design, fabrication and experimental characterization of a novel Knudsen pump prototype, which was fabricated using two-photon-polymerization (TPP). TPP is a micro additive manufacturing technique for polymeric materials. The utilization of TPP therefore enabled the development of an on-chip integrated prototype composed of a low thermal conductivity material combining the main advantages of previously reported fabrication approaches.

The developed prototype design includes a free-standing array of parallel channels supporting high flow rates. The necessary temperature gradient along the channel array was generated with a micro heater which was deposited on the high topology flow structure spanning over multiple device levels and materials. Local heat dissipation was ensured through a self-aligned patterning process of the heater structure. The proposed design harnesses and showcases the ability of TPP to create truly complex three-dimensional micro structures.

The flow performance of the proposed prototype was characterized through the measurement of the provided mass flow rates and pressure differences for a wide range of different rarefaction levels, heater powers and gas species including hydrogen. The obtained experimental results were compared to commonly used numerical modeling approaches showing good agreement for all tested gas species.
In conclusion, this work has introduced novel fabrication techniques and materials to the field of Knudsen pump development and by proving pumping capabilities with hydrogen extended the range of possible applications of Knudsen pumps in the field of microfluidics.