Pumpen aus Silizium

Kleinste Mengen von Flüssigkeiten und Gasen sollen Minipumpen vor allem im Labor und in der Biotechnologie fördern und dosieren. Eine kommerzielle, nur pfenniggroße Variante aus Silizium mit Ansteuerungsmodul wird mit steigender Stückzahl produziert und verkauft.

Die Mikrosystemtechnik erweitert die Mikroelektronik um mechanische und optische Komponenten. Die verschiedenen Techniken der Chipfertigung wie das Abscheiden von Material oder das Abtragen durch Ätzen werden dazu genutzt, um neuartige Mikromaschinen zu entwickeln. Halbleitermaterialien werden damit zu Werkstoffen. Fraunhofer-Forscher haben eine Pumpe entwickelt, die kleiner als ein Pfennig ist und vollständig aus Silizium besteht. Jetzt sind die Winzlinge kommerziell erhältlich. „Es sind nicht nur die etablierten und ausgefeilten Bearbeitungsmöglichkeiten, die dieses Halbmetall für die Mikromechanik attraktiv macht“, erklärt Dr. Martin Richter vom Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS in München. „Dank seiner ausgezeichneten elastomechanischen Eigenschaften haben wir sogar die Membran unserer Pumpe aus Silizium gefertigt.“ Die Folge: Ohne nennenswerte Verschleiß- und Ermüdungserscheinungen arbeiten die Geräte mit partikelfreien Medien sehr lange und höchst zuverlässig.

Auf der Membran sitzt eine kleine Scheibe aus Piezokeramik, die vom elektrischen Takt eines externen Ansteuermoduls von der Größe einer Streichholzschachtel in Schwingung versetzt wird. Bis zu einhundertmal pro Sekunde saugt die vibrierende Membran ein winziges Volumen Flüssigkeit oder Gas durch ein Ventil an und stößt es durch ein zweites wieder aus. In einer Minute pumpt sie so maximal zwei Milliliter und kommt selbst gegen ein halbes Bar Überdruck an.

Die Anwendungsbereiche der kleinen Pumpen sind ausgesprochen vielfältig. Zurzeit sind sie vor allem in der Biotechnologie und der Labortechnik gefragt, wie Richter weiß: „Die hier verwendeten Lösungen spezieller Enzyme sind extrem teuer und kleinste Mengen müssen zuverlässig dosiert werden können. Dasselbe gilt bei der Suche nach neuen Wirkstoffen, dem Pharmascreening: Um feststellen zu können, welche Stoffe gegen bestimmte Krankheiten wirken, werden winzige Volumina ihrer Lösungen gefördert und gemischt.“

Die Industrie hat die Vorteile der Mini-Pumpen schnell erkannt und setzt sie zunehmend ein. „Die Nachfrage ist enorm“, freut sich Simone Brand, die am IMS für den Bereich Marketing verantwortlich ist. „Solange die Stückzahlen nicht zu groß sind, fertigen wir die Pumpen noch selbst. Derzeit kostet eine Pumpe rund 200 Euro, das Ansteuerungsmodul 250 Euro. Bei größeren Stückzahlen dürfte sie künftig noch deutlich billiger werden.“

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