Aktorik/Sensorik
Aktoren und Sensoren spielen bei der Entwicklung von mikrotechnischen Einzelkomponenten oder ganzer Systeme eine wichtige Rolle.
Der Mikrobereich ermöglicht die Anwendung von Funktionsprinzipien für Aktoren und Sensoren, die makroskopisch nicht möglich oder sinnvoll wären. Andererseits können vertraute Prinzipien aus dem Makrobereich nicht verwendet werden, da eine mikrotechnische Umsetzung - physikalisch oder wirtschaftlich - nicht sinnvoll ist. Ein fundiertes Verständnis der prinzipiellen Wirkungsweise und physikalischen Zusammenhänge sind für die Konzeption mikrotechnischer Komponenten ebenso wichtig wie fundierte Kenntnisse der Fertigungstechnik, die sicherstellen, dass interessante Konzepte auch praktisch umgesetzt werden können.
Weiterhin erfordert die Herstellung von mikrotechnischen Komponenten eine konsequente Anwendung des Batch-Gedankens also der Parallelisierung der Arbeitsschritte bei der Herstellung. Dies ist aus zwei Gründen notwendig. Zum einen ist in der Praxis das Handling einzelner, kleiner Mikroteile aufwendig bis unmöglich. Zum anderen ist der Schlüssel des Erfolges der Mikroelektronik, an den die Mikrotechnik anknüpfen möchte, die Parallelisierung der Arbeitsschritte bei denen auf kleiner Fläche viele Einheiten gleichzeitig bearbeitet werden.
Daher erfordert die Konzeption von Mikroaktoren und Mikrosensoren einen ganzheitlichen Ansatz, der schon in frühen Entwicklungsphasen ein schlüssiges Herstellungskonzept mit einschließt. Nur so können mikrotechnische Komponenten entwickelt werden, die später auch wirtschaftlich in größeren Stückzahlen hergestellt werden können.
Beispiel für Projekte aus dem Bereich Aktorik/Sensorik:
Piezogetriebenes Mikroventil
Im Rahmen einer Auftragsforschung für den Ventilsystemhersteller Fa. Bürkert wurde ein Mikroventil entwickelt. Die aktive Ventilsteuerung erfordert ein Aktorkonzept, das in der Lage ist einen Ventilhub von zumindest 50 Mikrometer (25% der Nennweite 0,2 mm) zu realisieren und dabei einen Druck von etwa 1 bar zu schalten. Als Antrieb wurde auf Grund des hohen Wirkungsgrads und des großen Arbeitsvermögens Aktoren auf Piezokeramik-Basis ausgewählt.
Nachteilig ist allerdings der geringe Weg, den Piezokeramiken und auch Piezobieger stellen können. Daher wurde ein Übersetzungsprinzip entwickelt, dass eine zulässt [Patent 6] und sich mit einer mikrotechnikgerechten Fertigung vereinbaren lässt. Diese Übersetzung ist im Prinzip hydraulisch, d.h. eine kleine Bewegung einer großen Fläche wird über ein Übersetzungsmedium in eine große Bewegung einer kleinen Fläche übersetzt. Da erfahrungsgemäß auch hochviskose Flüssigkeiten in endlicher Zeit aus Kammern im Mikromaßstab diffundieren wurde das Übersetzungsmedium ein Gel gewählt, dass nach dem Aushärten eine elastische Matrix bildet, die eine Diffusion nach außen verhindert. Fertigungstechnisch konnte dieses Gel durch ein Kanalsystem in die Übersetzungskammern verschiedener Ventile geleitete werden, wodurch eine Kopplung von Piezoaktor und Ventildichtung realisiert und ein wesentlicher Fertigungsschritt parallel für mehrere Ventile durchgeführt wird (Batch-Gedanke).
Um eine serientaugliches Fertigungskonzept sicherzustellen, wurde von der Konstruktion der Kunststoff-Mikrogehäuse und den verschiedenen Aufbau- und Verbindungsschritten auf eine weitgehende parallele Fertigung der Mikroventile geachtet. (Detailierte Beschreibung siehe [Veröffentlichungen 15+16])
Funktionsprinzip des Piezoventils:
Magnetischer Mikroreaktor
Magnetische Beads mit Durchmessern von wenigen Mikrometern sind heute Standardwerkzeuge im Bereich der Biotechnologie. Die funktionalisierte Oberfläche dieser Polymerkugeln erlaubt die hochspezifische Bindung etwa von Proteinen. Der superparamagnetische Kern der Beads ermöglicht eine Manipulation mit Hilfe von äußeren Magnetfeldern. Aktorsysteme, die eine Manipulation solcher magnetischen Beads erlauben, wurden im Rahmen einer Forschungskooperation mit einem Institut für Verfahrenstechnik entwickelt.
Eine gezielte Manipulation magnetischer Beads in Mikrodimensionen erfordert jedoch steuerbare, stark inhomogene Magnetfelder. Eine direkte Erzeugung etwa durch Spulen ist mikrotechnisch aufwendig und führt durch Spulenwiderstände zu einem hohen Wärmeeintrag, der biogene Stoffe und Prozesse stört. Durch geschickte Fluidführung und den Einsatz von mikrotechnisch hergestellten, superparamagnetischen Permalloy-Strukturen, können interessante Konzepte zum Beadhandling realisiert werden (siehe Patente 2+4, Veröffentlichung 10).
Magnetischer Mikroreaktor
Zelladhäsions-Sensor
Das Adhäsionsverhalten von Endothel-Zellen, die auf Oberflächen kultiviert werden, ermöglicht Untersuchungen zum Zellmetabolismus. In Kooperation mit der Hochschule Mannheim wurde ein Zellkultursystem mit integrierten, elektrischen Adhäsionssensor für die Untersuchung des Adhäsionsverhaltens von Stammzellen an proteinbeschichtete Oberflächen konzipiert. Dieses Sensorkonzept sieht vor durch Kapazitätsmessung an einem planaren Kondensator, der aus elektrochemisch isolierte Leiterbahnen mit nur wenigen Mikrometern Abstand besteht, oberflächennahe Änderungen an der proteinbeschichteten Sensoroberfläche zu detektieren (Veröffentlichungen 2+3).
Zelladhäsions-Sensor Konzept
Beteiligungen an weiteren Entwicklungen aus Bereich Aktorik/Sensorik
- Entwicklung einer piezogetriebenen Mikropumpe (Veröffentlichung 16)
- Integration von Mikroventilen und Pumpen in eine Handprothese („Fluidische Hand“)
- Optimierung eines anemometrischen Durchfluss-Sensors und dessen Integration in Hydraulikanlagen im Rahmen eines BMWA-Projekt für einen Firmenverbund aus der Hydraulikindustrie (Bosch Rexroth AG, Parker Hannifin GmbH, Voith AG u.a.)
Dr.-Ing. Tilmann Rogge