Mikrodosierung

© Fraunhofer EMFT

Si-Strömungssensoren

Die nanolitergenaue Dosierung von Gasen und Flüssigkeiten ist ein zentrales und langjähriges Kompetenzfeld der Fraunhofer EMFT und deckt ein breites Anwendungsspektrum ab – von der Medizintechnik über Industrieanwendungen bis hin zur Consumerelektronik.

Piezoelektrisch angetriebene Mikropumpen sind das Herzstück von Mikrodosiersystemen. Das Team der Fraunhofer EMFT besitzt umfangreiche Kenntnisse und praktische Erfahrungswerte beim Design von Mikropumpen. Auf dieser Grundlage können die technologischen Anforderungen in Hinblick auf Dosiergenauigkeit, Gegendrucksteifigkeit, Baugröße, Energieverbrauch, Partikelresistenz, Blasentoleranz und „free flow“-Schutz anwendungsspezifisch angepasst werden. 

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Die Fraunhofer EMFT verfügt über ein Portfolio an Silizium- und Edelstahlmikropumpen, die für unterschiedliche Einsatzgebiete konzipiert sind. Ein Hauptfokus der F&E-Aktivitäten im Bereich der Silizium-Mikropumpen liegt in deren weiterer Miniaturisierung. Ziel ist es, dadurch die Herstellungskosten erheblich zu senken und damit den Zugang zu Massenmärkten zu erleichtern. Die derzeit mit Abmessungen von 5 x 5 x 0,6 mm3 kleinste Silizium-Mikromembranpumpe der Welt wurde an der Fraunhofer EMFT entwickelt. Im Bereich der Edelstahlmikropumpen liegt ein Schwerpunkt derzeit auf dem Design der Mikro-dosierkomponenten. Dabei kooperiert die Fraunhofer EMFT eng mit industriellen Partnerinnen und Partnern, die nach einem Technologietransfer die Komponenten selbst in hohen Stückzahlen herstellen sollen. 

Neben Mikropumpen werden an der Fraunhofer EMFT auch weitere Mikrodosierkomponenten entwickelt, die für eine genaue und zuverlässige Dosierung unerlässlich sind. 

  • Ansteuerelektroniken für Mikropumpen: Ansteuerelektroniken für Mikropumpen werden anwendungsspezifisch konzipiert und entwickelt, unter Berücksichtigung der jeweiligen Anforderungen. Eine Rolle spielen beispielsweise Faktoren wie Geräusch des Piezoaktors, Piezoermüdung, Piezobruch oder der Energieverbrauch.
  • Blasenabscheider: Vor allem für Anwendungen in der Medizintechnik, z.B. Medikamentendosiersysteme, wird dieses Abscheideelement benötigt, um Blasen zuverlässig aus dem Fluidpfad zu entfernen. 
  • Sicherheitsventil: Das Sicherheitsventil ist eine passive Komponente, die normal geschlossen und selbstsperrend ist. Es verhindert einen so genannten „free flow“, wie er bei Membranpumpen mit passiven Rückschlagventilen auftreten kann.
  • Normal geschlossenes Mikroventil: Selbstsperrendes, aktives normal geschlossenes Mikroventil.
  • Integrierte Mikropumpentreiber: Vollintegrierte Schaltungskonzepte erlauben eine leistungseffiziente Ansteuerung der Mikropumpe bei gleichzeitig minimaler Baugröße. Die Ansteuersignale können für die gewählte Mikropumpe und den kundenspezifischen Anwendungsfall hinsichtlich Spannungshub, der Polarität und Flankensteilheit optimiert werden.

Ergänzend zu seinem Entwicklungs-Know-how von Mikro-dosierkomponenten verfügt das Team der Fraunhofer EMFT über eine umfassende Systemkompetenz. Mikrodosiertechnik als Querschnittstechnologie erfordert vielseitige Kenntnisse, beispielsweise zu Strömungsmechanik, Elastomechanik, Elektrotechnik, Oberflächenphysik, Chemie und Phasenumwandlung. Das Verständnis der Wirkungszusammenhänge zwischen diesen Faktoren ist essentiell, um ein reibungsloses Zusammenspiel aller Komponenten in einem Mikrodosiersystem zu ermöglichen. 

Um die Performance und Zuverlässigkeit ihrer Mikrodosiersysteme noch weiter zu optimieren, arbeiten die Forschenden kontinuierlich an neuen Lösungen – etwa beim Management von Blasen, Partikeln und Gegendrücken, der Dosierüberwachung kleinster Mengen oder auch der chemischen Beständigkeit. 

Mikrofluidik auf Foliensubstraten
In einigen Anwendungsbereichen, etwa in der Medizintechnik oder der Consumerelektronik, werden mikrofluidische Einweg-systeme attraktive neue Marktchancen eröffnen. Hier bietet Folienelektronik interessante Möglichkeiten für eine kostengünstige Herstellung von mikrofluidischen Einwegsystemen in großen Stückzahlen. An der Fraunhofer EMFT werden etwa Einweg-Dosierspender für Aerosol oder Mikrojetting im Rolle-zu-Rolle-Verfahren auf Folie gedruckt (Printed Dispensers). Sie eignen sich für Anwendungen wie Duft- und Rauminsektiziddosierung.

 

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