Die Smartpump ist nur 25 mm² groß. „Sie ist damit die kleinste Pumpe der Welt. Trotzdem hat sie ein hohes Kompressionsverhältnis“, sagt Dr. Martin Richter, der die Abteilung Mikrodosiersysteme an der Fraunhofer-Einrichtung für Mikrosysteme und Festkörper-Technologien EMFT in München leitet.
Um in der Pumpkammer Druck zu erzeugen nutzen Richter und sein Team den piezoelektrischen Effekt, der elektrische Spannung in mechanische umwandelt: Mithilfe von Wechselspannung wird die Siliziummembran nach oben oder unten bewegt, dadurch Umgebungsluft durch ein Ventil eingesaugt, in der Pumpkammer verdichtet und wieder herausgepresst.
Druck wird durch Trick erhöht
Herkömmliche piezoelektisch angetriebene Mikromembranpumpen können nur relativ niedrige Drücke mit Luft erzeugen. Denn die Unsymmetrie des Piezoeffektes erfordert viel Platz in der Pumpkammer, um die Membran bewegen zu können. Dadurch entsteht unvermeidbar ein hohes Totvolumen, also ein Restvolumen, dessen Gasinhalt nicht ausgestoßen wird. Durch einen Trick ist es Richter und seinem Team gelungen, das Totvolumen zu reduzieren und so den Druck und das Saugvermögen zu erhöhen: „Wir spannen die Membran bei der Montage der Piezokeramik mit dem Piezoeffekt definiert vor. Das hat den Vorteil, dass wir keine tiefe Pumpkammer mehr benötigen. Dieser Trick ermöglicht nicht nur Mikropumpen mit hohen Kompressionsverhältnissen, sondern auch insgesamt kleiner zu bauen.“
Nicht nur die Membran, auch die Klappventile und die Pumpkammer werden aus einkristallinem Silizium gefertigt, was gegenüber Metallen und Kunststoffen zahlreiche Vorteile hat: Das Halbmetall, aus dem auch Solarzellen oder Computerchips hergestellt werden, ist elastisch und ermüdungsfrei. Zudem lassen sich die einzelnen Pumpenkomponenten sehr exakt aus der Siliziumschicht herausätzen und anschließend aneinanderfügen. Der Nachteil: Silizium ist verhältnismäßig teuer. Auch deshalb ist es so wichtig, die Pumpe so klein wie möglich zu bauen. „Unser Ziel ist, die Pumpe auf eine Größe von 10 mm² zu verkleinern. Dann wäre die Massenfertigung rentabel. Wir sind hier auf einem guten Weg“, sagt Richter.
Die Integration von Gassensoren in Smartphones wird derzeit u. a. dadurch erschwert, dass die Reaktionszeiten für diese Sensoren viel zu lang sind. Die Smartpump könnte den Gassensoren gezielt Luft zuführen und so die Reaktionszeit von mehreren Minuten auf 2 s verkürzen. Messen ließe sich nicht nur die Feinstaubbelastung, sondern beispielsweise auch, ob die Raumluft verbraucht ist und die Fenster zum Lüften geöffnet werden sollten. Auch eine Atemluftanalyse wäre prinzipiell möglich, beispielsweise um den Alkoholgehalt zu kontrollieren. „Allerdings ist hier eine hohe Messgenauigkeit erforderlich, die zurzeit noch nicht erzielt wird. Sonst setzt sich jemand in dem Glauben, nur 0,3 Promille zu haben, hinter das Steuer, hat aber in Wirklichkeit 0,9“, warnt Richter.
Einsatzmöglichkeiten auch im medizinischen Bereich
Die Mikropumpe könnte auch im medizinischen Bereich zum Einsatz kommen, z. B. als Medikamentenpflaster, das kontinuierlich Kleinstmengen eines Hormons oder Schmerzmittels abgibt. Oder als Implantat, mit dessen Hilfe sich der Augeninnendruck bei einer Glaukomtherapie regulieren ließe.
Maschinen könnten durch die Pumpe mit exakt dosiertem Schmierstoff versorgt werden. „Diese Anwendung entwickeln wir bereits mit einem Partner aus der Industrie“, berichtet Richter. bec
Detaillierte Informationen zu Mikropumpen für Gassensorik im Smartphone:
