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Silizium-basierte Mikropumpen mit dem lateralen nanoskopischen elektrostatischen Antrieb

Silicon-based micropumps with the lateral nanoscopic electrostatic drive

  • In dieser Arbeit werden neuartige Mikropumpen auf Siliziumbasis vom Typ oszillierende-Verdrängerpumpe mit einem in der Chipebene operierenden elektrostatischen Antrieb entwickelt, gefertigt und messtechnisch charakterisiert. Der Antriebsmechanismus ist aus einer am Fraunhofer IPMS entwickelten Klasse von Mikroaktoren, bekannt als nanoskopisch elektrostatischer Antrieb (NED) aufgebaut. Zum Einsatz kommen erstmals beidseitig eingespannte laterale NED-Balkenaktoren, primär entwickelt und optimiert für den quasi-statischen Betrieb. Eingebettet in einem Verbund aus drei Siliziumwafern und in Verbindung mit in der Ebene operierenden passiven Klappenventilen, konnte ein regelbarer Fluss in Luft als gasförmiges sowie in Novec7100 als flüssiges Fördermedium nachgewiesen werden. Die Entwicklung der Mikropumpen bildet einen Schwerpunkt dieser Arbeit und ist in zwei Abschnitte unterteilt. Eingangs werden Effekte, welche den Betrieb der NED-Balkenaktoren limitieren untersucht sowie Schlüsselparameter und deren Auswirkung identifziert. BasierendIn dieser Arbeit werden neuartige Mikropumpen auf Siliziumbasis vom Typ oszillierende-Verdrängerpumpe mit einem in der Chipebene operierenden elektrostatischen Antrieb entwickelt, gefertigt und messtechnisch charakterisiert. Der Antriebsmechanismus ist aus einer am Fraunhofer IPMS entwickelten Klasse von Mikroaktoren, bekannt als nanoskopisch elektrostatischer Antrieb (NED) aufgebaut. Zum Einsatz kommen erstmals beidseitig eingespannte laterale NED-Balkenaktoren, primär entwickelt und optimiert für den quasi-statischen Betrieb. Eingebettet in einem Verbund aus drei Siliziumwafern und in Verbindung mit in der Ebene operierenden passiven Klappenventilen, konnte ein regelbarer Fluss in Luft als gasförmiges sowie in Novec7100 als flüssiges Fördermedium nachgewiesen werden. Die Entwicklung der Mikropumpen bildet einen Schwerpunkt dieser Arbeit und ist in zwei Abschnitte unterteilt. Eingangs werden Effekte, welche den Betrieb der NED-Balkenaktoren limitieren untersucht sowie Schlüsselparameter und deren Auswirkung identifziert. Basierend auf der Wahl der Fördermedien und den sich daraus ableitenden elektrotechnischen Randbedingungen wurde die Steuerspannung in Luft auf 400 V festgelegt und per Optimierungsverfahren ein Aktordesignpunkt bestimmt. Der zweite Entwicklungsschwerpunkt beinhaltet den Entwurf und die Modellbildung der Mikropumpen mit dem bestimmten Aktordesignpunkt. Hier wurde ein modularer Ansatz zum Aufbau der Pumpe eruiert. Mit sogenannten "Basis-Pumpeinheiten" werden verschiedene Konfigurationen realisiert, was zu unterschiedlichen Pumpeigenschaften führt. Diese beinhalten unter anderem serielle Anordnungen von NED-Aktoren und Basiseinheiten sowie die parallele Stapelung der Balkenaktoren. Damit unterscheidet sich der laterale Pumpenansatz in seiner Konfigurierbarkeit grundlegend zu klassischen Mikromembranpumpen. Die Etablierung einer Herstellungstechnologie mit stabilem Fertigungsprozess führte zur erfolgreichen monolithischen Herstellung von Pumpenchips im Scheibenverbund. Der Prozess ist CMOS-kompatibel und beinhaltet verschiedene Technologiemodule. In der fluidischen Bauteilcharakterisierung wurden je nach Anzahl der gestapelten NEDAktoren maximale Flussraten von 6.63 µL/min, 22.85 µL/min, 63.75 µL/min, 72.92 µL/min in Novec7100 gemessen, für jeweils 2, 4, 8, 16 parallele NED-Aktoren entsprechend. Die erreichten Gegendrücke sind dabei 2.79 kPa, 6.88 kPa, 20.55 kPa, 29.61 kPa. Typische Antriebsfrequenzen der Mikropumpen liegen im Kilohertz-Bereich, was sich auf den hohen Miniaturisierungsgrad und die damit verbundenen mechanischen Steiffigkeit der NED-Aktoren zurückführen lässt. Die Gegenüberstellung der experimentell bestimmten Kennlinien mit Simulationsdaten aus dem entwickelten Modell der Pumpe, bestätigen das auf dem NED-Effekt beruhende Pumpprinzip.show moreshow less
  • In this work, novel silicon-based micropumps of the reciprocating-displacement pump type with an electrostatic drive operating in the chip plane are designed, fabricated, and characterized. The drive mechanism is constructed from a class of microactuators developed at Fraunhofer Institute for Photonic Microsystem, known as nanoscopic electrostatic drive (NED). For the first time, lateral NED beam actuators are used, which are primarily developed and optimized for quasi-static operation. Embedded in a composite of three silicon wafers and in conjunction with passive flap valves, which also operate in-plane, it was possible to demonstrate controllable flow in air as a gaseous and in Novec7100 as a liquid pumping medium. The development of the micropumps is divided into two main areas. First, effects limiting the operation of the NED beam actuators are investigated and key parameters and their impact are identified. Based on the choice of pumping media and the resulting electrical boundary conditions, the control voltage in air was setIn this work, novel silicon-based micropumps of the reciprocating-displacement pump type with an electrostatic drive operating in the chip plane are designed, fabricated, and characterized. The drive mechanism is constructed from a class of microactuators developed at Fraunhofer Institute for Photonic Microsystem, known as nanoscopic electrostatic drive (NED). For the first time, lateral NED beam actuators are used, which are primarily developed and optimized for quasi-static operation. Embedded in a composite of three silicon wafers and in conjunction with passive flap valves, which also operate in-plane, it was possible to demonstrate controllable flow in air as a gaseous and in Novec7100 as a liquid pumping medium. The development of the micropumps is divided into two main areas. First, effects limiting the operation of the NED beam actuators are investigated and key parameters and their impact are identified. Based on the choice of pumping media and the resulting electrical boundary conditions, the control voltage in air was set to 400 V and an actuator design point was determined using an optimization procedure. The second development focus involves the design and modeling of the micropumps with the specific actuator design point. Here, a modular approach to the pump design was investigated. So-called "basic pumping units" are used to realize various configurations, resulting in different pump characteristics. These include serial arrangements of NED actuators and base units as well as parallel stacking of beam actuators. Thus, the lateral pump approach differs fundamentally from classical micromembrane pumps in its configurability. The establishment of a fabrication technology with a stable manufacturing process led to the successful monolithic fabrication of pump chips in a waferbatch. The process is CMOScompatible and incorporates several technology modules. In the fluidic device characterization, maximum flow rates of 6.63 µL/min, 22.85 µL/min, 63.75 µL/min, 72.92 µL/min in Novec7100 were measured depending on the number of stacked NED actuators, for 2, 4, 8, 16 parallel NED actuators respectively. The obtained back pressures are 2.79 kPa, 6.88 kPa, 20.55 kPa, 29.61 kPa. Typical drive frequencies of the micropumps are in the kilohertz range, which can be attributed to the high degree of miniaturization and the associated mechanical stiffness of the NED actuators. The comparison of the experimentally determined characteristic curves with simulation data from the developed model of the pump, confirm the electromechanical pumping principle based on the NED-effect.show moreshow less

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Metadaten
Author: Sebastian UhligORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-59523
DOI:https://doi.org/10.26127/BTUOpen-5952
Referee / Advisor:Prof. Dr. Dr. Harald Schenk, Prof. Dr. Mario Kupnik
Document Type:Doctoral thesis
Language:German
Year of Completion:2022
Date of final exam:2022/04/29
Release Date:2022/07/20
Tag:Halbleiter; Mikrofluidik; Mikrosystemtechnik; Physik; Silicium
Micropump; Semiconductor; Silicone
GND Keyword:Siliciumhalbleiter; Mikropumpe; Mikrofluidik; Mikrosystemtechnik
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Mikro- und Nanosysteme
Licence (German):Creative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
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