Modellierung gekoppelter Effekte in Mikrosystemen auf ...

30 3 FUNKTIONSWEISE UND CHARAKTERISIERUNG DER DEMONSTRATOREN
Antriebseinheit
Ventileinheit
Gegenelektrode
Pumpmembran
Isolationsschicht
(Oxid)
Ventilsitz
Ventilklappe
Einlaß Auslaß
dL
Abmessungen
Pumpmembran:
Fläche: 5 X 5mm2
Dicke: 30-50 μm
d L= 3 μm bzw. 5 μm
Klappenventile:
Fläche: 1,7 X1,0mm
2
Dicke: 10-20 μm
Ventilöffnung:
Fläche: 0,4 X0,4mm
2
Auflagequerschnitt f.
die Klappen: 5 μm
Abbildung 3.10: Elektrostatisch angetriebene Mikromembranpumpe nach [160, 162].
Die Pumpe läßt sich unterteilen in den elektrostatischen Membranantrieb und die Ventileinheit,
realisiert als Klappenventile.
sich die Membran aufgrund der elektrostatischen Anziehungskräfte zwischen Membran
und Gegenelektrode auf die Gegenelektrode zu. Der dadurch in der Pumpkammer entstehenden
Unterdruck öffnet das Einlaßventil, und Flüssigkeit wird in die Pumpkammer
gesaugt. Das Ende der Saugphase ist erreicht, wenn die elastischen Rückstellkräfte in der
Membran die treibenden, elektrostatischen Kräfte kompensieren; der Flüssigkeitszustrom
in die Pumpkammer kommt zum Erliegen. Nach Abschalten der Betriebsspannung wird
die elektrostatische Antriebseinheit über einen äußeren Stromkreis entladen, d.h. es wirken
dann nur noch die Rückstellkräfte der Membran. Diese erzeugen einen Überdruck
in der Pumpkammer, der das Auslaßventil öffnet; Flüssigkeit wird aus der Pumpkammer
gedrückt, bis der Druck zwischen Pumpkammer und Auslaßschlauch ausgeglichen ist.
Mit den in Abb. 3.10 angegebenen Abmessungen für die Pumpmembran lassen sich so
ca. 30–50 nl Flüssigkeit pro Pumpzyklus transportieren.
Aus der Beschreibung des Pumpzyklus wird deutlich, daß das dynamische Verhalten des
Systems maßgeblich durch das Zusammenspiel zwischen den Kräften auf die Membran
und dem Flüssigkeitsstrom durch die Ventile bestimmt wird. Dies kommt insbesondere
in der frequenzabhängigen Pumprate zum Ausdruck, die in Abb. 3.11 dargestellt ist. Liegen
die Frequenzen der Antriebsspannung deutlich unterhalb der Resonanzfrequenz der
Ventilklappen, ist die Phasenverschiebung zwischen der Bewegung
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der Ventilklappe und
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§
dem sie treibenden Druck kleiner als , und es fließt ein Nettoflüssigkeitsstrom in
Vorwärtsrichtung. Bei Frequenzen oberhalb der Klappenresonanz wird die Phasenver-
schiebung größer als
richteten Strom, und die Pumpe pumpt rückwärts. Diese Möglichkeit zum bidirektionalen
Betrieb kann in vielen integrierten Analysesystemen vorteilhaft genutzt werden, um
zwei unidirektionale Pumpen durch eine bidirektionale zu ersetzen
£
[162].
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Als
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maximale
Pumprate werden mit einer Pumpe in � der obigen Geometrie ( m) bei einer
� § , der Strom in Rückwärtsrichtung überwiegt den vorwärts ge