Leistungsfähige Antriebselemente aus piezoelektrischen Materialien

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Piezoelektrische Antriebe in der Mikrofluidik

Geringste Mengen und Volumina von wenigen Mikro- oder sogar Nanolitern gezielt zu dosieren, ist nicht trivial. Mikropumpen oder –ventile, auch Mikrodispenser genannt, bieten hier die Lösung. Piezoelemente oder Piezoaktoren sind als Pumpenantrieb ideal geeignet; sie erzeugen die benötigten Linearbewegungen sehr präzise und lassen sich obendrein perfekt an die jeweilige Applikationsumgebung anpassen.

Für den Transport von Flüssigkeiten oder Gasen werden beispielsweise Mikro-Membranpumpen verwendet, bei denen das zu fördernde Medium durch eine Membran vom Antrieb getrennt ist. Beeinträchtigungen der gepumpten Medien durch den Antrieb sind dadurch ausgeschlossen. Als Antriebssystem bieten sich bei den miniaturisierten Varianten dieses Pumpentyps hochdynamische Piezoelemente in Scheibenform an, die direkt auf einer Metallmembran appliziert werden.

Typische Spezifikationen für solche Mikro-Membranpumpen sind beim Dosieren von Flüssigkeiten z.B. eine Flussrate bis ca. 80 ml/min bei Schaltfrequenzen zwischen 25 und 120 Hz und einem potentiellen Gegendruck von 200 bis 500 mbar. Bei der Dosierung von Gasen liegen die Werte bei 0,1 bis 250 ml/min, 100 bis 500 Hz und 100 mbar. Damit sind die Anwendungsmöglichkeiten breit gestreut. Sie reichen von Labor- und Medizintechnik, wo sie in der Analytik zum Transport der Reagenzien oder auch zum Abtransport von Reaktionsgasen eingesetzt werden können, über Chemie und Pharmazie bis hin zum Maschinenbau, wo Schmier- oder Kühlmittel sehr genau und dezentral eingebracht werden können.

Wegen ihrer kompakten Abmessungen sind diese Dosiervorrichtungen auch für sogenannte Lab-on-a-chip Anwendungen geeignet. Zuverlässige Analysen mit kleinsten Mengen z.B. im Forschungsbereich oder Routineuntersuchungen vor Ort können damit schnell und sicher ausgeführt werden.

Ultraschall-Mikroantrieb für Dosierventile

Dosieraufgaben können nicht nur mit gängigen Membranpumpen ausgeführt werden; wo zähere Flüssigkeiten, die höhere Kräfte erfordern, zu dosieren sind, werden gerne Mikroventile verwendet. Je nach Tropfengröße und damit erforderlichem Membranhub kann der Antrieb hier direkt mit Piezoaktoren oder mit Hilfe hebelübersetzter Systeme erfolgen.

Alternativ übernehmen Piezomotoren diese Aufgabe: Sie bieten alle Vorteile der Piezotechnologie wie geringen Platz- und Energiebedarf, und verbinden diese mit dem längeren Stellbereich eines Linearmotors. Zudem muss der Antrieb nicht mit Energie versorgt werden, um die Position zu halten, er erwärmt sich daher nicht und zeigt auch kein Positionsrauschen. Speziell für die Mikrodosierung sind Ultraschall-Kleinstmotoren mit Abmessungen von wenigen Milli- bis Zentimetern geeignet. Trotz der geringen Abmessungen handelt es sich um ausgereifte Stellsysteme, deren bewegter Träger direkt von einer schwingenden Keramik angetrieben wird. Der Motor passt damit in nahezu jeden Bauraum.

Neben Dosieraufgaben ist dieser robuste Kleinstmotor für mechanische Manipulationen aller Art, das Positionieren kleiner Objekte oder auch das Betätigen von Schaltern hervorragend geeignet.

Hannover Messe 2011

Halle 6, Stand K 18

Dipl.-Phys. Birgit Schulze, Markt & Produkte, Physik Instrumente (PI)

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