Wissenschaftliche Berichte FZKA  6671

Entwicklung eines piezogetriebenen Mikroventils - von der Idee bis zur Vorserienfertigung

Kurzzusammenfassung

In dieser Arbeit wird die Entwicklung eines normal geschlossenen, piezogetriebenen 2/2-Wege Mikroventils mit sehr geringer Leckrate vorgestellt, das auf einem neuartigen Funktions- und Herstellungskonzept basiert.

Als Ventilantrieb werden scheibenförmige, piezoelektrische Biegeaktoren verwendet, die zwar in der Lage sind, große Kräfte aufzubringen, jedoch nur kleine Stellwege erreichen. Nach dem Prinzip einer Hydraulik werden diese Stellwege mit Hilfe eines viskoelastischen, inkompressiblen Übersetzungsmediums, einem Silikon-Gel, vergrößert. Dabei dient das Übersetzungsmedium in Verbindung mit einer Polyimid-Membran zugleich als Ventildichtung. Für diese neuartige Kombination aus Übersetzungs- und Schließmechanismus wurde ein Herstellungsverfahren entwickelt und im Rahmen einer Vorserienfertigung mit einer Ausbeute von 80% umgesetzt. Basierend auf dem AMANDAVerfahren werden für die parallele Herstellung von acht Ventilen zwei aus Polysulfon abgeformte Gehäusenutzen verwendet.

Neben theoretischen und experimentellen Untersuchungen zu der Funktionsweise von Biegeaktoren und Übersetzungsmedium wird eine geschlossene, mathematische Lösung der Übersetzungsmechanik des viskoelastischen Übersetzungsmediums entwickelt. Damit lassen sich die Ventileigenschaften quantitativ erklären und gezielte Aussagen über künftige Entwicklungsmöglichkeiten treffen.

Die 13 mm x 13 mm x 3 mm großen Piezoventile mit einem Totvolumen von 0,33 µl schalten Flüssigkeiten und Gase bis zu 1,5 bar mit einer Ansprechzeit von deutlich weniger als 1,8 ms und öffnen bei Schaltpulsen ab 250 µs Dauer. Der Durchfluss von Wasser bzw. Stickstoff bei 1 bar Druckdifferenz beträgt 16 ml/min bzw. 480 sccm (Standard-Kubikzentimeter pro Minute) bei einer Leckrate von weniger als 1 zu 150.000. Abhängig vom zu schaltenden Druckbereich ist eine Schaltspannung von 200 V bis 300 V erforderlich.

Development of a piezo-driven microvalve from the idea to preliminary series

Abstract

Here, development of a normally closed, piezo-driven 2/2-way microvalve of extremely low leak rate is described. It is based on a novel functioning and production concept.

The valve is driven by disk-shaped, piezoelectric bending actuators that are capable of applying large forces, but reach small regulating distances only. According to the hydraulics principle, these distances are increased by a viscoelastic and incompressible transmission medium, namely a silicone gel. Together with a polyimide membrane, this transmission medium also serves as the valve sealing. For this novel combination of a transmission and sealing mechanism, a production process was developed. Preliminary series were produced with a yield of 80%. Based on the AMANDA process, two housing batches molded from polysulfone are used for the parallel manufacture of eight valves.

Apart from theoretical and experimental studies regarding the functioning of both the bending actuators and the transmission medium, a consistent mathematical solution of the mechanics of the viscoelastic transmission medium has been developed. This allows the valve properties to be explained quantitatively and precise statements can be made with regard to future development possibilities.

The piezovalves of 13 mm x 13 mm x 3 mm in size and a dead volume of 0.33 µl control fluids and gases up to 1.5 bar with a response time of far less than 1.8 ms. They open at switch pulses of down to 250 µs duration. At a pressure difference of 1 bar, the flow rate of water or nitrogen amounts to 16 ml/min or 480 sccm (standard cubic centimeters per minute) at a leak rate of less than 1 to 150,000. Depending on the pressure range to be controlled, a voltage of 200 V to 300 V is required.