Characterization of passive check valves in microsystems

Abstract

In vielen Branchen ist ein Trend zur Miniaturisierung zu beobachten. Unter anderem haben das Streben nach mehr Leistung und die Reduzierung von Masse und Energieverbrauch diesen Trend in den letzten Jahren begünstigt. Aber auch in der Medizintechnik ist dies der Fall. Für einige medizinische Anwendungen hat sich herausgestellt, dass Mikropumpen geeignet sein könnten. Mögliche Einsatzgebiete für die an der Fraunhofer EMFT hergestellte piezoelektrische Stahlmembran-Mikropumpe sind die Unterdrucktherapie von Wunden, die Dosierung von Medikamenten und hydraulische Prothesen. Hier kommt es auf eine exakte Dosierung an, weshalb das Verhalten aller Komponenten der Mikropumpe genau untersucht und die Zusammenhänge verstanden werden müssen. Eines dieser komplexen Bauteile ist das Mikroventil. Das Verhalten der passiven Ventile ist stark von den strömungstechnischen Eigenschaften des verwendeten Mediums abhängig. Die Literaturrecherche hat gezeigt, dass bei Untersuchungen von Mikroventilen mit Flüssigkeit als Medium Defizite bestehen. Ein Hindernis ist, dass die Ventile bei normalem Betrieb der Mikropumpe visuell nicht sichtbar sind, da sich die Antriebsmembran oberhalb der Ventile befindet. Daher sind keine experimentellen Messungen bekannt, die das Verhalten der Ventile unter dem Einfluss von Flüssigkeiten beschreiben. Messungen sind jedoch notwendig, um die abgeleiteten Modelle für Mikroventile zu validieren. Zu diesem Zweck wird eine neue Messmethode entwickelt, um das quasistatische und dynamische Verhalten von Ventilen unter dem Einfluss von Luft und Wasser zu untersuchen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten zur genaueren Betrachtung und leitet Optimierungsmöglichkeiten ab.

A trend towards miniaturisation can be observed in many industries. Among other things,the quest for more performance and the reduction of mass and energy consumption havefavoured this trend in recent years. This is also the case in medical and laboratory technology.For some applications, micropumps offer opportunities for integration into microdosingsystems and thus contribute to the miniaturisation of devices. Possible areas of applicationfor the piezoelectric steel diaphragm micropump manufactured at Fraunhofer EMFTinclude negative pressure therapy for wounds, the dosage of medicines and hydraulic prostheses.Precise dosing is essential here, which is why the behaviour of all the components ofthe micropump must be studied in detail and the interrelationships understood. One of thesecomplex components is the microvalve. The behaviour of passive valves is strongly dependenton the fluidic properties of the medium used. The literature research has shown that thereare deficits in the investigation of microvalves with liquid as the medium. One reason for this is that the valves are not visible during normal operation of the micropump, as the actuator diaphragm is located above the valves. Therefore, no experimental measurements are known describing the behaviour of the valves under the influence of liquids. However, measurements are necessary to validate the derived valve models. For this purpose, a new measurement method is being developed to investigate the quasi-static and dynamic behaviour of valves under the influence of air and water and to characterise the valve behaviour. This opens up new possibilities for more detailed observation and derives optimisation options.