Piezoelektrische Aktuatoren in der Mikrofluidik: Wie Mehrschichtkeramiken Mikroventile und Mikropumpen neu definieren

1. Warum die Präzisionsfluidik immer schwerer zu ignorieren ist
2. Was unterscheidet mehrschichtige Piezokeramiken?
3. Piezoelektrische Mikroventile: Flüssigkeitsschaltung richtig gestalten
4. Piezoelektrische Mikropumpen: Mechanisch geförderte Flüssigkeiten mit hoher Präzision
5. Arbeiten mit Bestarsensor
6. Die Zukunft der Piezofluidik

Warum Präzisionsfluidik immer schwerer zu ignorieren ist
Die Flüssigkeitshandhabung kleiner Geräte hat im letzten Jahrzehnt eine unglaubliche Transformation durchlaufen. Chip Lab-Geräte sind nicht mehr auf dem Stand der 1980er Jahre. Spielzeug in Universitätslaboren. Sie sind in der Lieferung innerhalb von POC-Geräten, tragbaren Blutzuckermessgeräten und handlichen Medikamentenabgabegeräten tätig. Die Nachfrage nach Flüssigkeitskontrolle im Nanoliterbereich ist heute keine Nischenanforderung mehr, sondern Standard. Standardanforderung für eine wachsende Zahl von Produktkategorien.
Dies stellt eine echte technische Herausforderung dar. Beim Fördern kleiner Flüssigkeits- oder Gasmengen werden volumengenaue Aktuatoren benötigt, die schnell reagieren, wenig Energie verbrauchen und klein sind. Enge Toleranzen bei hohen Geschwindigkeiten und kleinen Leckagen erfordern herkömmliche Magnetventile und Drehkolbenpumpen. Diese sind schwer, verbrauchen viel Strom und haben in geschlossenen/platzsparenden Umgebungen aufgrund von mechanischem Verschleiß eine kurze Lebensdauer.
Die Entwicklung der nächsten Generation von Mikrofluidiksystemen erfordert einen neuen Ansatz. Mehrschichtige piezoelektrische Keramiken schließen diese Lücke. In diesem Blogbeitrag erläutert der Autor, wie piezoelektrische Aktuatoren in Mikroventilen und Mikropumpen eingesetzt werden können und warum mehrschichtige Keramikstapel die Aktuatoren der Wahl für die Entwicklung – von der Konzeption bis zur Serienfertigung – darstellen.

Was macht Mehrschichtige Piezokeramik Anders
Ein piezoelektrisches Material erzeugt eine Bewegung, wenn es mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt wird. Die zugrundeliegende Physik ist theoretisch anerkannt. Der mehrschichtige Aufbau hat die Mikrofluidik revolutioniert.
Um eine nutzbare Auslenkung zu erzielen, müsste die Piezoscheibe dick sein und in einer einlagigen Ausführung mit einer hohen Spannung beaufschlagt werden. Dies ist bei tragbaren, batteriebetriebenen Geräten nicht praktikabel. Die Lösung bietet die Mehrschichttechnik: Viele dünne Keramikschichten sind physikalisch in Reihe, elektrisch jedoch parallel geschaltet. Der Beitrag jeder einzelnen Schicht zur Auslenkung ist gering. Die Summe dieser kleinen Hübe ergibt einen relativ großen Hub, und die gesamte Anordnung kann mit Standard-Mikrocontrollern angesteuert werden.
Das bedeutet Folgendes in der Praxis für einen Konstruktionsingenieur.
Reaktionsgeschwindigkeit. Piezo-AktorDie Ansprechzeit des Aktuators liegt im Millisekundenbereich. Es muss keine Spule geladen, kein Anker angezogen und keine Fluidkopplung überwunden werden. Bei Anlegen eines Spannungsimpulses bewegt sich die Keramik. Dies ist typisch für die hochfrequente Impuls-Durchflussregelung; in solchen Fällen wäre ein Magnetventil (das dem Durchflussregelungssignal zu weit hinterherhinken würde, um sinnvoll zu sein) ungeeignet.
Stromverbrauch. Ein Großteil des Stroms während des Übergangs (wenn sich das Ventil tatsächlich bewegt) wird zum Laden des Piezoelements benötigt. Es hält jedoch auch eine Zielposition mit vernachlässigbarem direktem Stromverbrauch. Die Keramik stellt eine kapazitive elektrische Last dar. Diese Eigenschaft führt in Kombination mit Geräten, die ein Ventil über längere Zeiträume in geöffneter oder geschlossener Position halten, direkt zu einer langen Akkulaufzeit. Magnetventile verbrauchen permanent Strom, solange sie mit Strom versorgt werden. Ein Piezoventil hingegen nicht.
Physikalische Größe. Beispielsweise ist eine geringe Stellfläche bei der Herstellung von mehrlagigen Stapelaktoren möglich. Dieser Aktor eignet sich für Mikroventilanwendungen und findet in wenigen Kubikmillimetern Platz. Dies eröffnet Integrationsmöglichkeiten, die bisher nur mit elektromagnetischen Alternativen realisierbar waren.
Bestar-SensorDie mehrlagigen Piezokeramiken von [Herstellername] sind so konzipiert, dass sie eine gleichmäßige Polarisation über den gesamten Schichtstapel und eine einheitliche Dicke der einzelnen Schichten aufweisen. Diese Fertigungsinformationen sind wichtig, da bei variierenden und letztendlich nicht konsistenten Eigenschaften der Schichten ein nichtlineares Verschiebungsverhalten im System auftritt.

Piezoelektrische Mikroventile: So gelingt das Schalten von Flüssigkeiten
Ein Mikroventil dient einem bestimmten Zweck: Es schaltet einen Durchflusskanal ein oder aus. Das klingt einfach. Doch im Maßstab eines Chiplabors oder eines Einweg-Medikamentenpflasters werden die Details sehr schnell sehr komplex.
1. Die Art und Weise, wie das Ventil durch den Stellantrieb betätigt wird.
Ein direkt angetriebenes Piezo-Mikroventil nutzt einen Aktor zur Betätigung einer dünnen Membran. Diese Membran dichtet entweder auf einem Ventilsitz ab oder hebt sich an und gibt so den Durchflusskanal frei. Die Kraft wird durch den Piezostapel erzeugt und über die Membran in den Fluidweg übertragen. Es werden weder Magnetspule noch bewegliche Teile oder geschmierte Dichtungen benötigt.
Letztendlich handelt es sich um ein Ventil, das Millionen von Schaltzyklen ohne mechanischen Verschleiß des Aktuators durchläuft. Die Membran ist das Verschleißteil, und die Auswahl der geeigneten Membran für das jeweilige zu pumpende Medium ist eine einfache Frage der Materialtechnik.
2. Design ohne Totraumvolumen
Die Flüssigkeit, die im normalen Betrieb eines Ventils ohne Verdrängung zirkuliert, wird als „Totvolumen“ bezeichnet. In den meisten Anwendungsfällen spielt dies keine Rolle. In der Mikrofluidik ist es jedoch von entscheidender Bedeutung. Die Kosten für Reagenzien in diagnostischen Kartuschen sind hoch. Implantate für die Medikamentenverabreichung geben eine exakte Dosis ab. Flüssigkeit in ruhenden Behältern im Totraum der Ventile trägt zu Reagenzienverschwendung und Dosierungsfehlern bei.
Da die Membran gegen den Oberflächenkanal gepresst werden kann, lässt sich bei piezoelektrischen Direktantriebsventilen ein sehr geringes Totvolumen erzielen. Der Abstand zwischen Membran und Ventilsitz ist minimal. Diese Geometrie ist mit vergleichbaren Aktuatortechnologien möglich, jedoch nicht ohne Einbußen bei der Kraftübertragung.
3. Kompatibilität mit verschiedenen Medien
Die realen Anwendungsbereiche von Ventilen umfassen weit mehr als nur Trinkwasser. Dazu gehören Vollblut, gepufferte Kochsalzlösungen und Reagenzcocktails für Diagnosesysteme. Biologische Flüssigkeiten werden von Arzneimittelverabreichungssystemen sowie pharmazeutischen Wirkstoffen transportiert. Trägergase, die in der Gasflussregelung analytischer Instrumente eingesetzt werden, kommen mit korrosiven Gasen in Kontakt.
Bei einem gut konstruierten Ventil kommt das eigentliche Piezoelement nicht mit dem Fluid in Berührung. Die Keramik und die Elektrodenstruktur sind durch die Membran und das Ventilgehäuse vom Strömungsweg isoliert. Dies liegt daran, dass für Membran und Gehäuse verschiedene Materialien zur Verfügung stehen – Silikone, PTFE, chemikalienbeständige Polymere, Edelstahl. Die Materialien können entsprechend der gewünschten Funktionalität ohne Einschränkungen der Aktorik ausgewählt werden.

Piezoelektrische Mikropumpen: Mechanisch geförderte Flüssigkeiten mit hoher Präzision
Eine Mikropumpe ist mehr als nur ein Schalter. Sie pumpt aktiv Flüssigkeit von einem Ort zum anderen, gegen einen gewissen Gegendruck. Das piezoelektrische Pumpverfahren basiert auf demselben einfachen Mechanismus: Jedes Mal, wenn die Membran periodisch mechanisch verschoben wird, fließt Flüssigkeit durch die Kammer.
1. Wie der Pumpzyklus funktioniert
Durch die Bewegung des Aktuators senkt sich die Membran nach unten, wodurch sich das Volumen der Pumpenkammer vergrößert. Flüssigkeit wird durch den Einlass angesaugt. Anschließend bewegt sich der Aktuator in die entgegengesetzte Richtung, biegt die Membran nach oben und komprimiert die Kammer. Die Flüssigkeit wird dann mit Druck durch den Auslass gepresst. Aufgrund von Rückschlagventilen an Ein- und Auslass handelt es sich um einen Einwegfluss. Dieser Zyklus wiederholt sich schnell, sodass ein kontinuierlicher und dosierter Flüssigkeitsstrom entsteht.
Die Durchflussrate ergibt sich aus der Zyklusfrequenz multipliziert mit dem Verdrängungsvolumen pro Zyklus. Beide Größen werden über die Antriebselektronik gesteuert. Dadurch lässt sich die Durchflussrate einfach ändern, ohne dass ein Hardwareaustausch erforderlich ist.
2. Pumpen mit Ventilen vs. Pumpen ohne Ventile
Nicht alle Mikropumpen verfügen über Rückschlagventile. Je nach Fördervorgang und dessen Anforderungen ist es manchmal notwendig, eine Pumpe mit Ventil zu verwenden, und manchmal reicht eine ventillose Pumpe aus.
Pumpen mit Ventilen verfügen über zwei mechanische Rückschlagventile am Ein- und Auslass, beispielsweise Klappen-, Kugel- oder Scheibenventile. Diese bieten einen hervorragenden Rückflussschutz und ermöglichen den Betrieb der Pumpe bei höheren Auslassdrücken. Bei hohem Widerstand im Förderstrom und wenn der Druck zwischen den Pumpenzyklen aufrechterhalten werden muss, sind sie die richtige Wahl. Allerdings steigt mit der Komplexität der Ventile auch die Gefahr des Verstopfens durch Partikel, die eine bestimmte Größe überschreiten.
Pumpen ohne bewegliche mechanische Teile nutzen die Geometrie des Strömungskanals, um den Durchfluss in die gewünschte Richtung zu lenken. Abgesehen von der Pumpenmembran gibt es keine beweglichen Teile. Dadurch sind sie unempfindlich gegenüber Partikeln und biologischem Material, die ein mechanisches Ventil behindern würden. Dieser Kompromiss führt zu einer geringeren Gegendruckleistung und einer gewissen bidirektionalen Leckage. Für manche Anwendungen, wie das Mischen oder Fördern von Flüssigkeiten ohne Widerstand oder die Verarbeitung komplexerer biologischer Flüssigkeiten, kann ein ventilloses Flüssigkeitsfördersystem in der Praxis vorteilhafter sein.
3. Dinge, die Sie vor der Auswahl einer Mikropumpe beachten sollten
Der wichtigste Parameter für die meisten mikrofluidischen Anwendungen ist die Strömungsstabilität. Jedes Hubkolbenpumpensystem weist eine Pulsation auf, deren Amplitude für nachgelagerte Prozesse von Bedeutung ist. Strömungspulsationen können die Gleichmäßigkeit, die Vollständigkeit der Reaktion und die Genauigkeit der Sensoren beeinträchtigen. Beachten Sie die Spezifikationen zur Pulsationsdämpfung der Pumpe und dimensionieren Sie den Strömungskreislauf gegebenenfalls mit einem zusätzlichen Dämpfungsvolumen nach der Pumpe.
Die Druckleistung beschreibt die Fähigkeit der Pumpe, die Flüssigkeit in der jeweiligen Kanalgeometrie zu fördern. Mikrofluidische Kanäle, insbesondere solche im Submillimeterbereich, weisen hohe Widerstände auf. Berechnen Sie den Kanalwiderstand, bevor Sie sich für eine Pumpenkonstruktion entscheiden, und vergleichen Sie ihn mit der Nennleistung der gewünschten Pumpe.

Arbeiten mit Bestarsensor
Bestar-Sensor ist ein Hersteller von mehrschichtigen piezoelektrischen Keramikaktoren für mikrofluidische und industrielle Präzisionsanwendungen. Wir bieten Ihnen weit mehr als nur ein Produktdatenblatt. Bereits in der Konzeptphase… Bestar-Sensor wird in das Designteam integriert, um die Leistung der Aktuatoren in der tatsächlichen Anwendung zu modellieren. Bestar-SensorDie Prozesssteuerung von [Name des Unternehmens] gewährleistet die Konsistenz zwischen den Aktuatoren; eine Anforderung, die für die Anforderungen in mikrofluidischen Dosieranwendungen von entscheidender Bedeutung ist als für fast jedes andere Programm.
Zögern Sie nicht länger, Ihre Optionen für Aktuatoren zu besprechen. Bitte kontaktieren Sie uns. Bestar-Sensor so schnell wie möglich den richtigen mehrschichtigen piezoelektrischen Keramikaktor zu erhalten.

Die Zukunft der Piezofluidik
Piezoaktoren sind keine neue Technologie. Ihr Hauptmerkmal ist die Fertigungspräzision, die es ermöglicht, mehrlagige Aktoren in der für tragbare medizinische und analytische Geräte erforderlichen Größe und zu den notwendigen Kosten zu realisieren. Der geringe Dauerstromverbrauch, die schnelle Reaktionszeit und die kompakte Bauweise in Kombination mit der langen Lebensdauer machen sie ideal für die Anforderungen tragbarer medizinischer Geräte und Chip-Laborplattformen.
Bestar-Sensor liefert die Komponenten für die Aktorsteuerung, unterstützt die Anwendungsentwicklung und -konstruktion und begleitet den gesamten Prozess von der ersten Konzeption bis zur validierten Serienproduktion.