Entwicklung eines hochintegrierten bistabilen thermisch aktuieren Aktorarrays zum Aufbau modularer mikrofluidischer Systeme
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt wurde das Konzept eines bistabilen thermisch aktivierten Aktors mit dem Namen Shift-Gate-Aktor weiterentwickelt und seine Eignung als mikrofluidisches Ventil erbracht. Im Gegensatz zu aus der Literatur bekannten Phasenübergangsaktoren ist in diesem Konzept der Aktorhub und somit auch die Reaktionszeit des Aktors unabhängig von der eingesetzten Menge des Phasenübergangsmaterials (PCM). Des Weiteren ermöglicht dieser Ansatz den Betrieb und die individuelle Ansteuerung einer großen Anzahl von Aktoren, aber im Gegensatz zu den allgemein bekannten Membranbasierten Mikroventilen, werden für den Betrieb einer beliebigen Anzahl von Shift-Gate-Aktoren lediglich zwei externe Druckquellen benötigt. Dies wird durch die Kombination von zwei Ansätzen von Mikroventilen möglich: Membranbasierte Aktoren, welche einen externen Druck benötigen um eine flexible Membran zu verformen, um einen mikrofluidischen Kanal zu verschließen und Phasenübergangsventile, welche mit Hilfe elektrischer Signale gesteuert werden und welche den Phasenübergang eines Materials verwenden um zwischen den beiden Zuständen eines Ventils (auf oder zu) umzuschalten. In diesem Konzept übernimmt das Phasenübergangsventil die Funktion eines Gates, dessen Funktionsweise von Transistoren bekannt ist. Dieses Gate erlaubt es einen angelegten Druck lediglich an ausgewählte Membranventile weiterzuleiten. Zusätzlich ermöglicht das Gate die Stabilisierung der beiden Ventilzustände, erzeugt so also ein bistabiles Ventil. Die Funktionstüchtigkeit des Konzeptes wurde exemplarisch an zwei Systemen mit vier und zwölf individuell steuerbaren Aktoren demonstriert und das Ansprechverhalten des Aktors in Abhängigkeit von der eingesetzten Menge an PCM, dem PCM-Typ sowie der Heizleistung zum Auslösen des Phasenübergangs charakterisiert. In der besten Konfiguration wurden Reaktionszeiten des Aktors von 10 s erzielt, was mit anderen Phasenübergangsventilen, die auf dem Schmelzen und Erstarren eines PCMs basieren vergleichbar ist. Im Gegensatz zu den in der Literatur beschrieben Systemen erlaubt dieser Aktor eine größere Auslenkung der Membran, selbst mikrofluidische Kanäle mit einer Höhe von 350 µm konnten ohne Leckage verschlossen werden. Der Berstdruck des Mikroventils liegt bei ~1 bar, was für die meisten mikrofluidischen Anwendungen ausreichend ist. Des Weiteren wurden Pt100-Elemente als Heizer verwendet, welche eine genaue Temperatursteuerung innerhalb des Systems ermöglichen. Außerdem können sie verwendet werden, um den Phasenübergang des Materials zu detektieren, was in zukünftigen Anwendungen eine noch genauere Temperatursteuerung ermöglicht um ein Überhitzen des Systems zu verhindern und die Reaktionszeit noch weiter zu reduzieren. Zusammenfassend lässt sich festhalten, die Anzahl von Aktoren in diesem Konzept ist leicht skalierbar und ermöglicht die Steuerung einer großen Anzahl von individuell adressierbaren Mikroventilen mit lediglich zwei externen Druckleitungen. Dies ermöglicht die Integration einer hohen Anzahl von Mikroventilen in einem Bauteil ohne die externe Peripherie zu vergrößern. Da der Aktor bistabil ist, ist eine Energiezufuhr lediglich zum Umschalten des Ventils notwendig. Obwohl die Reaktionszeit mit 10 s nicht schnell genug ist um z.B. Pumpen zu betreiben, kann das Aktorkonzept für Anwendungen eingesetzt werden, die eine sehr große Anzahl von individuell steuerbaren Aktoren benötigen, wie z.B. die Erzeugung generischer flexibler Kanalstrukturen oder großflächiger, aktualisierbarer Brailledisplays.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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"Bistabiler Aktor, Aktoranordnung, Verfahren zum Aktuieren und Verwendung”, DE 102012005992 B3, 2013
B. E. Rapp, C. Neumann, E. Wilhelm, A. Voigt
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“A bistable microfluidic phase change actuator and optimization of its response times”, 18th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (µTAS), San Antonio, USA, 2014
C. Neumann, E. Wilhelm, A. Voigt, B. E. Rapp
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“A latchable thermally activated phase change actuator and optimization of its response behaviour”, 18th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (Transducers), Anchorage, USA, 2015
Richter, C.; Wilhelm, E.; Voigt, A. & Rapp, B.E.
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“Polysiloxane layers created by sol-gel and photochemistry: Ideal surfaces for rapid, low-cost and high-strength bonding of epoxy components to polydimethylsiloxane”, Lab Chip, 15, 1772-1782, 2015
Wilhelm, Elisabeth; Deshpande, Kaustubh; Kotz, Frederik; Schild, Dieter; Keller, Nico; Heissler, Stefan; Sachsenheimer, Kai; Länge, Kerstin; Neumann, Christiane & Rapp, Bastian. E.
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“An individual addressable and latchable actuator array for microfluidic systems“, Microfluidics and Nanofluidics, 20, 130, 2016
Richter, Christiane; Sachsenheimer, Kai; Keller, Nico; Nargang, Tobias M.; Helmer, Dorothea; Kotz, Frederik & Rapp, Bastian E.
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„A latchable thermally activated phase change actuator for microfluidic systems“, SPIE Photonics West, San Francisco, USA, 2016
Richter, Christiane; Sachsenheimer, Kai & Rapp, Bastian E.
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“Bistable actuator, actuator arrangement, method for actuation and use, US 9689408 B2, 2017
B. E. Rapp, C. Neumann, E. Wilhelm, A. Voigt
