Ein integriertes Mikrodosierrsystem aus Kunststoff [online]

Kurzfassung

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein integriertes Mikrodosiersystem
für Flüssigkeiten und Gase aus Kunststoff entworfen, hergestellt
und charakterisiert. In ihm wurden ein Ventil und ein
Durchflusssensor kombiniert.
Das Ventil ist ein normal geschlossenes 2/2-Wege Ventil, das die
kugelsphärenförmige Wölbung eines kreisförmigen
piezoelektrisch-keramischen und metallischen Unimorphs beim
Anlegen einer elektrischen Spannung als Aktorprinzip nutzt.
Diese wenige Mikrometer messende Wölbung wird mit Hilfe eines
hydraulischen Weg- und Kraftübertragungssystems in eine deutlich
größere Wölbung der Ventilmembran übersetzt. Der
Hydraulikmechanismus wurde bezüglich seiner Beeinflussung des
thermischen Verhaltens des Ventils analytisch und experimentell
untersucht, und die Ergebnisse flossen in den Entwurf der
Gehäuse des Mikrodosiersystems ein, die aus dem Kunststoff
Polymethylmethacrylat, PMMA, sind. Weiterhin wurde ein Verfahren
entwickelt, die metallische Schicht des Unimorphs galvanisch auf
der piezoelektrischen Keramik aufzubringen.
Es konnte eine Funktionsfähigkeit des Ventils in einem
Temperaturbereich von 10°C bis 68°C erreicht werden.
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Der Durchflusssensor nutzt zur Messung der Geschwindigkeit des
Fluids das thermisch anemometrische Prinzip. Die
Wärmeanemometrie macht sich zwei grundlegende physikalische
Prinzipien zunutze. Erstens erwärmt sich ein stromdurchflossener
Leiter. Zweitens ändert ein Fluid die Temperatur eines Körpers,
den es umfließt. Der Fluidkanal in dem Flusssensor hat eine
Breite von 300µm und eine Höhe von ebenfalls 300µm. Der für das
angewendete Messprinzip notwendige Heizleiter wurde als Mäander
mit einer Breite von 3µm aus Gold mit Hilfe des
Lift-Off-Verfahrens auf einer Zunge in der Polyimidmembran
strukturiert, die sich in der Mitte dieses Kanals befindet.
Zur messtechnischen Umsetzung dieses Prinzips wurde in
Zusammenarbeit mit dem Institut für Prozessdatenverarbeitung und
Elektronik, IPE, im Forschungszentrum Karlsruhe im Rahmen einer
Diplomarbeit eine Elektronik entwickelt.
Zur Montage des Mikrodosiersystems wurde ein Verfahren zur
Herstellung von membranbasierten Mikrokomponenten für die
Fluidik aus Kunststoff herangezogen, das am Institut für
Mikrostrukturtechnik, IMT, im Forschungszentrum Karlsruhe
entwickelt wird. Hierfür wurden zwei Verbindungsverfahren,
an denen momentan am IMT gearbeitet wird, kombiniert. Durch die
Degradation einer nur wenige Mikrometer dünnen Schicht des
Kunststoffgehäuses mit Hilfe von UV-Licht konnte ein neues
Verbindungsverfahren entwickelt werden, bei dem die Festigkeit
der Verbindung durch ein Epoxydharz gegeben ist, das Fluid in
dem Mikrodosiersystem aber keinen Kontakt zu dem Epoxy hat.
Außerdem ist eine blasenfreie Verklebung garantiert, es kann bei
Raumtemperatur verklebt werden, und bei dem Design der
fluidischen Strukturen ist man nicht auf die bisherigen
Designregeln beschränkt.
Das Regelverhalten des Mikrodosiersystems, dessen Abmessungen
circa 13mm x 13mm x 1,5mm betragen, wurde in einem Bereich von
10sccm bis 30sccm anhand von Stickstoff, der unter einem
Druck von 1bar stand, beschrieben.

Abstract

An integrated micromechanical dosing system for liquids and
gases made of polymers has been designed, manufactured, and
characterized.
It is a combination of a valve and a flow rate sensor.
The valve is a normally closed 2/2-way valve, which uses the
curvature of a circular piezoelectricceramic/metallic Unimorph
resembling a spherical segment when a control voltage is applied
as actuator principle. This deflection, measuring only a few
micrometers, is transmitted to a larger deflection of the valve
membrane by a hydraulic load and force transmission system. This
hydraulic mechanism was investigated analytically and
experimentally with respect to its influence on the thermal
behaviour of the valve, and the results were included in the
design of the housings of the micro dosing system, which were
made of Polymethylmethacrylate, PMMA. Moreover a process was
developed to electro-plate the metallic layer of the Unimorph on
the piezoelectric ceramic.
An operativeness in the temperature range between 10°C and 68°C
was achieved for the valve.
The flow rate sensor makes use of the principle of thermo
anemometry to measure the velocity of the fluid. Thermo
anemometry takes advantage of two elementary physical theorems.
First an electric current heats an electric conductor. Second a
fluid changes the temperature of a body positioned in its
flow. The fluid channel of the flow rate sensor has a width of
300µm and a height of also 300µm.
The electric heating element which is essential for the used
principle of measurement resembling a meander with a width of
3µm was structured in gold by a lift-off-process on a Polyimide
membrane, which is positioned in the middle of this channel. In
cooperation with the "Institut für Prozessdatenverarbeitung
und Elektronik", IPE, at "Forschungszentrum Karlsruhe" an
electronics assembly was developed within a diploma thesis to
implement the metrological realisation of the measuring
principle.
The micro dosing system was assembled by using a process to
manufacture micro components out of polymers based on membranes
for fluidics, which is under development at the "Institut für
Mikrostrukturtechnik", IMT, at "Forschungszentrum Karlsruhe".
Two techniques for joining parts, which are under development at
IMT, were combined. A new joining technique was developed which
guaranties no contact of the fluid with the epoxy resin which
produces the stability by degradation of the polymer housing
under UV-light. Furthermore a bonding free of blow holes is
guarantied, and there is no restriction any more on present
design rules.
The characteristic flux-control of the micro dosing system, with
approximate dimensions 13mm x 13mm x 1,5mm, was described for
nitrogen under a pressure of 2bar in a range from 5sccm until
30sccm.