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Mikropumpe macht es möglich

Smartphone misst Umweltbelastung durch Feinstaub

| Autor / Redakteur: Pirjo Larima-Bellinghoven* / Marc Platthaus

Gerade einmal 25 Quadratmillimeter misst die derzeit weltweit kleinste Mikromembranpumpe.
Gerade einmal 25 Quadratmillimeter misst die derzeit weltweit kleinste Mikromembranpumpe. (Bild: Fraunhofer EMFT)

Feinstaub schädigt Herz und Lunge und stellt damit eine Gesundheitsgefahr für die Bevölkerung dar. Vor hoher Belastung könnte in Zukunft ein Smartphone mit eingebautem Gassensor warnen.

Damit der neuartige Sensor schnell anspricht und genaue Messwerte liefern kann, haben Fraunhofer-Forscher eine leistungsstarke Mikromembranpumpe entwickelt, die die Umgebungsluft zuführt. „Unsere Smartpump ist nur fünfundzwanzig Quadratmillimeter groß und 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 wird der piezoelektrische Effekt genutzt, der elektrische Spannung in mechanische umwandelt: Mithilfe von Wechselspannung wird die Silizium-Membran 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 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.“

Auch die Klappventile und die Pumpkammer werden aus einkristallinem Silizium gefertigt. Vorteil: 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.

Die Integration von Gassensoren in Smartphones wird unter anderem 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 zwei Sekunden verkürzen. Messen ließe sich nicht nur die Feinstaub-Belastung, sondern beispielsweise auch, ob die Raumluft verbraucht ist.

Die Mikropumpe könnte auch im medizinischen Bereich zum Einsatz kommen, zum Beispiel als Medikamenten-Pflaster, das kontinuierlich Kleinstmengen eines Hormons oder Schmerzmittels abgibt. Das Smartpump-Projekt wird gefördert durch die Fraunhofer-Zukunftsstiftung, die das Ziel verfolgt, Innovation und Beschäftigung am Standort Deutschland mittels der Lizenzierung von Forschungsergebnissen an Unternehmen zu stärken.

* Dr. P. Larima-Bellinghoven: Fraunhofer-Einrichtung für Mikrosysteme und Festkörper-Technologien, München

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