Development of an Integrated Electromagnetic Micropump for Biomedical Applications
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Miniaturisierte Pumpen sind Schlüsselkomponenten in mikrofluidischen Systemen und spielen eine wichtige Rolle bei der Handhabung biologischer Fluide. Biomedizinische Anwendungen betreffen häufig Partikel-behaftete Flüssigkeiten, wobei die Partikel empfindlich gegenüber Scherkräften sind. Daher müssen schonende Pumpmethoden angewendet werden. Im Rahmen dieses Projektes wurde das Konzept für eine neuartige elektromagnetische Mikropumpe vorgestellt, das auf der Rotation von zwei Permanentmagneten in einem ringförmigen Kanal beruht. Die Steuerung der Bewegung der Magnete erfolgt mit Hilfe von Magnetfeldern, die durch eine Reihe von miniaturisierten Spulen erzeugt werden. Dabei rotiert ein Magnet und bewirkt den Pumpvorgang, der andere Magnet wird zwischen Eintritts- und Austrittsöffnung gehalten und wirkt so als Ventil, das Eingangs- und Ausgangsströmung voneinander trennt. Am Ende jedes Pumpzyklus tauschen die Magnete ihre Funktion, der Ventilmagnet wird beschleunigt und wirkt nun als Pumpmagnet, während der andere Magnet die Ventilfunktion übernimmt. Das Projekt wurde in drei Aufgabenfelder gegliedert: (1) Herstellung eines mesoskaligen Prototypen und Experimente zur Verifizierung des Pumpenkonzepts; (2) Untersuchung des Einflusses geometrischer und physikalischer Parameter auf den Pumpvorgang an Hand von numerischen Simulationen; (3) Durchführung einer Machbarkeitsstudie zur weiteren Miniaturisierung des Konzeptes mit Hilfe neuer Mikrotechnologien zur Herstellung von Polymermagneten und Mikrospulen. Der mesoskalige Protoptyp besteht aus einem Fließsystem, zwei kommerziellen Permanentmagneten, zwölf um den Fließkanal gewickelten Spulen und einer Deckplatte, die die Eintritts- und Austrittsöffnungen enthält. Fließsystem und Deckel wurden mit konventionellen feinmechanischen Techniken hergestellt. Die elektronische Steuerung der Spulenströme erfolgte mit einer digitalen Schaltung auf Basis eines Mikroprozessors. Das Pumpenkonzept konnte experimentell verifiziert werden. Beim Pumpen von Wasser wurde eine Pumprate von 13.7 ml/min bei einer Magnetgeschwindigkeit von 200 UpM erreicht und ein Druck von 785 Pa bei 136 UpM. Weitere Experimente bestätigten auch, dass das Konzept gut zum Mischen zweier Flüssigkeiten geeignet ist. Umfangreiche analytische und numerische Simulationen des Effektes geometrischer Parameter auf Scherkräfte zeigten, dass lediglich in der Nähe der Kanalwände signifikante Scherkräfte auftreten. Das bedeutet, dass beim Pumpen Partikel-beladener Flüssigkeiten die Partikel nur für kurze Zeiten größeren Scherkräften ausgesetzt sind. Um die Möglichkeiten zu einer weiteren Miniaturisierung des Konzeptes zu untersuchen, wurde das Pumpendesign zunächst an die Randbedingungen mikrotechnologischer Fertigungsprozesse angepasst. Dies betraf insbesondere die planaren Mikrospulen an Stelle der gewickelten Spulen und die bogenförmigen, axial magnetisierten Polymermagnete. Zur Herstellung wurden neue mikrotechnologische Prozesse genutzt, insbesondere die UV-Tiefenlithographie, Mikrogalvanik und die Abformung von mit hartmagnetischen Partikeln gefüllten Polymeren. Die Mikropumpe besteht aus dem Pumpenkammer-Chip, einem Glasdeckel und zwei Polymermagneten. Der Pumpenkammer-Chip aus SU-8 enthält den ringförmigen Fließkanal mit einem Querschnitt von 1500 x 700 µm2, einem inneren Durchmesser von 5.55 mm und einem äußeren Durchmesser von 8.55 mm, sowie zunächst acht planare Spulen mit 34-42 Windungen. Erste Tests zeigten, dass das Ansteuerungsschema für die Mikrospulen optimiert werden musste, um einen zufriedenstellenden Pumpeffekt zu erzielen. Daher wurden im endgültigen Pumpendesign zwölf Spulen unter dem Fließkanal galvanisch abgeschieden. Außerdem zeigte sich, dass der Umschaltvorgang der Funktion der beiden Magnete sehr kritisch ist. Beste Ergebnisse wurden mit drei Spulen zwischen Eintritts- und Austrittsöffnung erzielt. Eine maximale Pumprate von 158.7 ml/min konnte bei einer Rotationsgeschwindigkeit von 83.3 UpM gemessen werden. Ein wichtiges Ziel bei der Fortführung der Arbeiten ist die Kombination von Pump- und Mischzyklen zur Entwicklung einer Mehrfunktionspumpe. Darüber hinaus eröffnet die Technik, die Bewegung von Magneten in Mikrofließkanälen zu steuern, die Möglichkeit, komplexe mikrofluidische Systeme herzustellen, die Pumpen, Ventile, Rührer u.v.m. enthalten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2009). Electromagnetic Field Analysis on a Novel Electromagnetic Actuator for Fluid Handling Applications. Proc. PowerMEMS 2009, Washington, pp. 308-311
Al-Halhouli A.T.
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(2010). Development of a Novel Electromagnetic Pump for Biomedical Applications. Sensors and Actuators A, 162, pp. 172-176
Al-Halhouli, A.T., Kilani, M. I., Büttgenbach, S.
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(2010). Gentle Micropump Based on Microelectromagnetic Actuator. Proc. NSTI-Nanotech 2010, Anaheim, Vol. 2, pp. 340-343
Al-Halhouli, A.T., Waldschik, A., Kilani, M.I., Büttgenbach, S.
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(2010). Liquid Flow in Curved Microchannels. International Journal of Theoretical and Applied Multiscale Mechanics, 1, pp. 253-265
Al-Halhouli, A.T., Büttgenbach, S.
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(2010). Numerical Analysis of Mixing in a Multifunction Electromagnetic Micropump. Proc. 8th Int. Conf. on Nanochannels, Microchannels, and Minichannels, Montreal, FEDSM-ICNMM2010-30971
Al-Halhouli, A.T., Büttgenbach, S.
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(2011). Shear stress analysis in a ferrofluidic magnetic micropump. Nanoscale and Microscale Thermophysical Engineering, 15, pp. 1-15
Kilani, M.I., Al Halhouli, A. T., Büttgenbach, S.
