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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Mikropumpe sowie deren Verwendung.
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Derzeit wird die Distribution von Fluiden entweder durch externe makroskopische Pumpen oder durch integrierte Mikropumpen gelöst. Integrierte Mikropumpen sind kompatibel zu mikrosystemtechnischen Herstellungsverfahren und lassen sich somit in mikrofluidische Systeme integrieren. Mikropumpen lassen sich anhand ihres Antriebsprinzips zunächst in zwei Gruppen einteilen: Mechanische und nichtmechanische Mikropumpen (Iverson et al: „Recent advances in microscale pumping technologies: a review and evaluation”, Microfluid Nanofluid (2008), 5, S. 145–174; Zhang et al: „Micropumps, microvalves, and micromixers within PCR, microfluidic chips: Advances and trends”, Biotechnology Advances 25 (2007), S. 483–514; Laser: „A review of micropumps”, J. Micromech. Microeng. 14 (2004), R35–R64). Bei mechanischen Mikropumpen wird eine Bewegung der zu pumpenden Flüssigkeit durch mechanisch erzeugte Volumenänderungen erreicht. Bei nichtmechanischen Mikropumpen wird die Flüssigkeit direkt angetrieben, z. B. durch elektrohydrodynamische, magneto-hydrodynamische Antriebe (Woias: „Micropumps-past, progress and future prospects”, Sensors and Actuators B 105 (2005), S. 28–38) oder mittels Electrowetting (Yun et al: „A Surface-Tension Driven Micropump for Low-Voltage and Low-Power Operations”, Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 11, Nr. 5, Oktober 2002).
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In der Literatur finden sich verschiedene Beispiele für piezoelektrische Membranpumpen, die aus einer Pumpenkammer und einer Membran mit piezoelektrischem Aktor bestehen (
US 2010/0158720 A1 ). Als aktives Material wird dabei zumeist die piezoelektrische Keramik Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) eingesetzt. Häufig werden die passiven Teile solch einer Pumpe, d. h. die Pumpenkammer und die Membran, mittels in der Silicium-Mikromechanik üblichen Prozessen aus Silicium (Doll et al: „A high Performance bidirectional micropump for a novel-artificial sphincter system”, Sensors and Actuators A 130–131 (2006), S. 445–453) oder kombiniert aus Silicium/Glas (Yoon et al: „A valveless micropump for bidirectional applications”, Sensors and Actuators A: Physical Volume 135, Issue 2, 15 April 2007, S. 833–838) gefertigt. Diese Pumpen nutzen zwar die Vorteile der massenfertigungskompatiblen Herstellung für die passiven Komponenten, die eigentlichen Aktoren werden allerdings separat gefertigt und durch Klebeverbindungen an die Pumpe gefügt. Dies führt zu einem erhöhten Montageaufwand für jede einzelne Pumpe. Nachteilig ist ebenfalls, dass PZT-Keramiken das Umweltgift Blei enthalten.
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Andere Pumpentypen verwenden Pumpenkammern auf Kunststoffbasis, als Aktor werden dabei ebenfalls aufgeklebte PZT-Elemente eingesetzt (Böhm: „A plastic micropump constructed with conventional techniques and Materials”, Sensors and Actuators A: Physical Volume 77, Issue 3, 2 November 1999, S. 223–228; Nguyen: „A fully polymeric micropump with piezoelectric actuator”, Sensors and Actuators B 97 (2004), S. 137–143).
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Anstelle von piezoelektrischen Keramiken weisen verschiedene Polymere ebenfalls piezoelektrische Eigenschaften auf, diese zählen zu den elektroaktiven Polymeren. Solche Polymere sind in Form von Folien verfügbar und können als Aktoren eingesetzt werden (
US 2003/0173872 A1 ). Vorteile elektroaktiver Polymere liegen darin, dass diese Materialien höhere Dehnungen erlauben als piezokeramische Elemente, somit sind große Volumenänderungen und eine hohe Pumpleistung möglich.
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In Xu, Su: „Development, characterization, and theoretical evaluation of electroactive polymer-based micropump diaphragm”, Sensors and Actuators, A 121, (2005), S. 267–274, wird eine Mikropumpe mit Silicium-Pumpenkammer und einer aktuierten Membran aus einem elektroaktiven Polymer vorgestellt. Nachteilig bei der Verarbeitung der Polymere in Form von Folien ist allerdings, dass das aktive Material vollflächig vorliegt und somit eine Variation der Aktorgeometrie nur bedingt möglich ist.
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Beliebige Aktorgeometrien lassen sich mittels Dickschicht-Technologien erzielen, dabei werden die aktiven Materialien mittels Siebdruck auf geeignete Substrate aufgebracht. Beispiele für Mikropumpen auf Silicium-Basis mit siebgedruckten PZT-Aktoren sind in Patent
US 7 104 768 B2 und und Koch et al: ”A novel micromachined pump based an thick-film piezoelectric actuation”, Sensors and Actuators, A 70, (1998), S. 98–103, zu finden. Nachteilig ist hier allerdings der Bleianteil in den aktiven Materialien, zudem müssen für jedes Aktordesign Drucksiebe hergestellt werden, eine Modifikation des Designs ist somit immer mit Kosten verbunden. Im Anschluss an den Siebdruckprozess müssen die piezokeramischen Schichten bei hohen Temperaturen (ca. 900°C), gesintert werden. Diese Temperaturen schränken die Kompatibilität zu kostengünstigen Materialien, wie z. B. Kunststoffsubstraten, stark ein.
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Um ein gerichtetes Pumpen der Flüssigkeit in einer Mikropumpe zu erreichen, sind Elemente mit einer Ventilwirkung notwendig. Dies kann zum einen durch klassische Ventile mit beweglichen Klappen erzielt werden (Böhm: „A plastic micropump constructed with conventional techniques and Materials”, Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 77, Issue 3, 2 November 1999, S. 223–228 und Fang: „A Novel Diaphragm Micropump Actuated by Conjugated Polymer Petals”: Fabrication, Modeling and Experimental Results, Sensors and Actuators A: Physical Volume 158, Issue 1, März 2010, S. 121–131), zum anderen liegen zahlreiche Veröffentlichungen zu ventillosen Mikropumpen vor, bei denen durch Düsen und sog. Diffusorelemente ein richtungsabhängiger Strömungswiderstand erzielt wird (
US 2010/0158720 A1 ,
US 6 910 869 B2 und Yoon et al: „A valveless micropump for bidirectional applications”, Sensors and Actuators A: Physical Volume 135, Issue 2, 15 April 2007, S. 833–838).
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Klassische Ventile sind aufgrund der bewegten Klappen aufwändig in der Fertigung sowie störanfällig in Bezug auf Undichtigkeiten und Verschleiß. Diffusorelemente werden im Stand der Technik durch angewinkelte oder konische Kanäle realisiert.
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In „Electroactive polymer based microfluidic pump” (Sensors and Actuators A 125 (2006) 346–352) beschreiben F. Xia, S. Tadigadapa und Q. M. Zhang eine Mikropumpe mit einem Fluidiksubstrat, einer in das Fluidiksubstrat eingelassenen Pumpenkammer, einer die Pumpenkammer abdeckenden Polymermembran, einer oberen und einer unteren Elektrode als Membranaktor für die Polymermembran sowie einem Mikrokanal als Zu- und Abfluss für die Pumpenkammer.
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Die Druckschrift
WO 2006/035228 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Mikrofluidstruktur, wobei ein thermoplastischer Anteil mittels Spritzgießen in einem Formwerkzeug hergestellt wird. Ferner werden mikroströmungstechnische Vertiefungen ebenfalls mittels eines Formwerkzeuges erzeugt.
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Die Druckschrift
DE 10 2006 005 517 B3 offenbart ein Ventil mit einem Ventilkörper, zumindest einem Ventildurchlass, der sich durch den Ventilkörper erstreckt, einer deformierbaren Membran, die zumindest eine Schicht eines elektroaktiven Polymermaterials aufweist, und einem Treiberelektrolyt in Kontakt mit der Membran. Abhängig von einer Spannung, die zwischen einer Membran und einer Gegenelektrode angelegt ist, ist die Membran in einer geschlossenen Position, die einen Flussweg durch den zumindest einen Durchlass schließt, oder in einer geöffneten Position, die den Flussweg zu dem zumindest einen Durchlass öffnet, positioniert. Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das eine einfache sowie günstige Herstellung einer Mikropumpe ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung einer Mikropumpe, sowie die Verwendung der so hergestellten Mikropumpe gemäß Anspruch 12 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten.
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Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Herstellung einer Mikropumpe, wobei ein Fluidiksubstrat mittels Prägen, Spritzgießen und/oder Heißprägen in einem Formwerkzeug hergestellt wird, mindestens ein Mikrokanal mittels eines Formwerkzeugs erzeugt wird, eine Polymermembran sowie zwei Elektroden als Sandwich-Anordnung auf die Polymermembran aufgebracht werden und ein elektroaktives Polymer aus der Flüssigphase appliziert wird.
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Das Fluidiksubstrat kann mittels Standardverfahren der Kunststofftechnologien hergestellt werden, z. B. durch Prägen oder Spritzgießen. Das dafür notwendige Formwerkzeug kann durch klassische mechanische Bearbeitungsverfahren hergestellt werden.
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Im erfindungsgemäßen Verfahren können die Elektroden und/oder das elektroaktive Polymer insbesondere mittels digitaler Drucktechnologien, z. B. Inkjet Drop-on-demand, Dünnschichtverfahren und/oder Dickschichtverfahren appliziert werden.
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Bevorzugt ist eine Sinterung und/oder Härtung, insbesondere des elektroaktiven Polymers und/oder der Elektroden, mittels Wärmezufuhr.
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Dafür können Temperaturen im Bereich von 100°C bis 400°C, bevorzugt 100°C bis 200°C, gewählt werden.
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Die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Mikropumpe enthält vorzugsweise ein Fluidiksubstrat mit mindestens einer darin eingelassenen Pumpenkammer, eine die Pumpenkammer abdeckende Polymermembran, mindestens einen Membranaktor für die Polymermembran sowie mindestens einen Mikrokanal als Zu- und Abfluss für die Pumpenkammer. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Mikrokanal zumindest bereichsweise eine nanoskalige Oberflächenstruktur aufweist, die einen richtungsabhängigen Strömungswiderstand bewirkt und so eine gerichtete Pumpwirkung ermöglicht.
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Der Membranaktor besteht aus einer Polymermembran als Substrat sowie einer Sandwich-Anordnung von zwei Elektroden und einem elektroaktiven Polymer. Das elektroaktive Polymer wird lokal mit beliebiger Geometrie aus der Flüssigphase auf das Polymersubstrat appliziert und anschließend mittels Zufuhr von Wärme gesintert bzw. gehärtet. Ein möglicher Prozess hierfür ist die Applikation der aktiven Schichten mittels digitalen Drucktechnologien, z. B. Inkjet Drop-on-demand.
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Die Elektroden können ebenfalls mittels Drucktechnologien appliziert und anschließend gesintert werden. Andere Metallisierungsprozesse, wie Dünnschicht-Verfahren, können auch eingesetzt werden.
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Die Nanostrukturierung der Kanäle kann direkt im Formwerkzeug vorgenommen werden.
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Das grundlegende technische Problem ist die Distribution eines Fluids auf einem mikrofluidischen Chip. Dies ist von zentraler Bedeutung in verschiedenen mikrofluidischen Lab-on-Chip-Systemen, auch μTAS genannt (Micro Total Analysis System). Der Themenbereich Mikrofluidik umfasst miniaturisierte Systeme zur Kontrolle, Analyse und Mischung von kleinen Flüssigkeitsvolumina. Solche Systeme beinhalten Fluidreservoire, Mikrokanäle, Filter und Detektoren. Typische Anwendungen solcher Systeme sind zum einen chemische und biologische Analyseverfahren, wie DNA-Analyse oder Umweltüberwachung, zum anderen die Dosierung von Medikamenten (Nisar et al: „MEMS-based micropumps in drug delivery and biomedical applications”, Sensors and Actuators B 130 (2008), S. 917–942). In allen diesen Systemen müssen Flüssigkeiten auf einem Testchip kontrolliert bewegt werden. Dafür ist eine Pumpwirkung notwendig.
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Die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Mikropumpe enthält vorzugsweise eine nach oben offene Pumpenkammer, die in einem Fluidiksubstrat aus Polymer eingebracht ist. Die offene Pumpenkammer wird durch eine Polymermembran mit darauf aufgebrachtem elektroaktivem Polymer als Aktor abgedeckt. Das Fluidiksubstrat weist weiterhin Mikrokanäle als Zu- und Abfluss auf. Die Mikrokanäle besitzen nanoskalige Oberflächenstrukturen, wodurch sich ein richtungsabhängiger Strömungswiderstand und damit eine gerichtete Pumpwirkung ergeben.
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Klassische Ventile mit bewegten Elementen sind dabei nicht notwendig. Die Polymermembran ist auf dem Fluidiksubstrat aufgebracht und bildet somit die obere Begrenzung der Pumpenkammer. Wird an den Aktor eine Steuerspannung angelegt, so wird durch das entstehende elektrische Feld im elektroaktiven Material eine Dehnung erzeugt. Da das Material fest mit der Membran verbunden ist, biegt sich diese durch und erzeugt so eine Volumenänderung in der Pumpenkammer. Durch diese Volumenänderung und die Ventilwirkung aufgrund der nanostrukturierten Kanäle wird ein Pumpen des Fluids vom Zufluss zum Abfluss erzielt.
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Die Polymermembran besteht dabei aus mindestens einem Polymer oder enthält mindestens ein Polymer. Der Vorteil von polymeren Materialien ist in niedrigen Materialkosten und einer leichten Verarbeitbarkeit zu sehen.
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Weiterhin liegt bevorzugt im Membranaktor ein elektroaktives Polymer, bevorzugt ein piezoelektrisch aktives Polymer, besonders bevorzugt P(VDF-TrFE) vor. P(VDF-TrFE) ist ein Copolymer aus Vinylidenfluorid (VDF) und Trifluoroethylen (TrFE) und weist piezoelektrische Eigenschaften auf. Materialien wie P(VDF-TrFE) benötigen keine mechanische Behandlung zur Herstellung der piezoelektrischen Eigenschaften, wodurch sich diese Materialien u. a. mit Druckprozessen verarbeiten lassen.
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Weiterhin kann der Membranaktor Elektroden aus Materialien ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Metalle, elektrisch leitfähige Polymere und Kohlenstoff-Nanoröhren, sowie deren Mischungen enthalten. Diese Elektroden sind besonders stabil und in den entsprechenden Temperaturbereichen gut geeignet.
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Das Fluidiksubstrat der Mikropumpe kann mindestens ein Polymer enthalten und/oder daraus bestehen.
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Bevorzugt ist die nanoskalige Strukturierung derart aufgebaut, dass sie als eine sägezahnförmige Struktur ausgestaltet ist. Die sägezahnförmige Struktur kann eine bestimmte Amplitude a und bestimmte Periode b aufweisen. Dabei beschreibt die Amplitude a die Höhe vom höchsten Teil der Spitze bis niedrigsten Teil der Spitze der Sägezähne und die Periode b die Breite der Sägezähne bzw. den Abstand der Sägezähne zueinander.
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Weiterhin kann der Membranaktor eine Sandwich-Anordnung aus zwei Elektroden mit dazwischenliegendem elektroaktivem Polymer aufweisen. Mindestens eine wie im Vorhergehenden beschriebene Mikropumpe kann in einem mikrofluidischen Chip enthalten sein.
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Die erfindungsgemäß hergestellte Mikropumpe kann direkt in Lab-on-Chip-Systeme integriert werden. Somit ist es nicht notwendig, eine externe Pumpe anzuschließen, wodurch das Gesamtsystem kompakt wird und miniaturisierte Gesamtsysteme ermöglicht werden.
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Der Vorteil der Ventilwirkung durch Nanostrukturen liegt einerseits darin, dass keine bewegten Ventilklappen benötigt werden, wodurch Verschleißprobleme vermieden werden. Andererseits können die Nanostrukturen direkt in ein Formwerkzeug eingebracht werden und anschließend beliebig oft durch Prägen oder Spritzgießen repliziert werden. Diese Verfahren stellen in der Mikrofluidik auf Kunststoffbasis Standardprozesse dar, somit ist die Erzeugung der Nanostrukturen kompatibel zu gängigen Prozessen.
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Die aktorischen Elemente werden direkt mit massenherstellungskompatiblen Prozessen auf die Pumpenmembran aufgebracht, eine Montage von piezokeramischen Platten auf der Membran für jede einzelne Pumpe entfällt.
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Wenn digitale Drucktechnologien eingesetzt werden, ist keine Maskierung notwendig, da die Applikation der Materialien additiv erfolgt, d. h. der Materialauftrag findet lokal an den benötigten Stellen statt. Dadurch ist ein Ressourcen sparendes Arbeiten möglich. Zudem sind Änderungen im Design rein softwareseitig möglich, da keine Maskierung wie beim Siebdruck notwendig ist.
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Im Vergleich zum Siebdruck von piezokeramischen Aktoren liegt der Vorteil in den niedrigen Sintertemperaturen. Während zum Sintern von piezokeramischen Materialien hohe Temperaturen (ca. 900°C) notwendig sind, kann die Prozessierung des hier beschriebenen Systems bei ca. 100°C bis 400°C, bevorzugt bei 100°C bis 200°C, erfolgen. Somit können kostengünstige Kunststoffe verwendet werden.
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Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass Druckprozesse grundsätzlich zur Erzeugung von Elektrodenstrukturen in Lab-on-Chip-Systemen geeignet sind. Somit lässt sich die Prozessierung der Aktoren gut in den Prozessablauf integrieren, der zur Herstellung der Mikrochips verwendet wird.
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Somit ist die gesamte Prozesskette zur Herstellung der Mikropumpe kompatibel zur Fertigung von Lab-on-Chip-Systemen und ermöglicht die Integration der Pumpe in solche Systeme. Dies ist der wichtigste Vorteil der Erfindung.
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Weiterhin kann der Chip in einem Lab-on-Chip-System sein.
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Weiterhin ist die Verwendung einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Mikropumpe in mikrofluidischen Lab-on-Chip-Systemen für chemische und biologische Analysen, als Medikamentenpumpe, in miniaturisierten Kühlsystemen, beispielsweise um eine CPU zu kühlen, erfindungsgemäß.
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Anhand der nachfolgenden 1 bis 4 soll der anmeldungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf diese Varianten einzuschränken.
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1 zeigt einen Querschnitt durch eine nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Mikropumpe.
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2 zeigt eine Aufsicht auf das Fluidiksubstrat.
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3 zeigt eine Aufsicht auf den Membranaktor.
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4 zeigt eine Ausgestaltung der sägezahnförmigen Nanostruktur.
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In 1 ist eine Mikropumpe dargestellt, wobei das Fluidiksubstrat 2 eine Pumpenkammer 1 enthält. Auf der die Pumpenkammer 1 enthaltenden Seite des Fluidiksubstrats 2 ist eine Polymermembran 3 angeordnet. Auf dieser liegt der Membranaktor 6, 7 aus den Elektroden 6 und dem elektroaktiven Polymer 7 vor. Dabei ist das elektroaktive Polymer zwischen den beiden Elektroden 6 in einer Sandwich-Anordnung aufgebracht.
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2 zeigt eine Aufsicht auf das Fluidiksubstrat 2, das Mikrokanäle 4 mit einer nanoskaligen Oberflächenstruktur 5 aufweist. Die Mikrokanäle weisen einen Zu- und Abfluss zur Pumpenkammer 1 auf.
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3 zeigt eine Aufsicht auf den Membranaktor 6, 7. Hier ist zu sehen, dass auf die Polymermembran 3 zuerst eine kreisförmige Elektrode 6, dann mit einem kleineren Durchmesser das elektroaktive Polymer 7 kreisförmig sowie darauf mit einem geringeren Durchmesser eine weitere Elektrode 6 kreisförmig aufgebracht ist.
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4 zeigt eine Ausgestaltung der sägezahnförmigen Nanostruktur zur Realisierung eines richtungsabhängigen Strömungswiderstands. Die Amplitude a beschreibt die Höhe der Sägezähne von der Basis bis zur Spitze während die Periode b die Breite eines Sägezahns bzw. den Abstand der Sägezähne zueinander angibt.
