Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung und Anwendung eines funktionsintegrierten Mikroaktors auf Basis ionischer Polymer-Metall Komposite

Der Markt für Mikrofluidik-Anwendungen wird bis zum Jahr 2020 auf 7,5 Mrd. US-$ wachsen, insbesondere in der Medizintechnik, der Bioanalyse sowie bei Drucker- und Dispenseranwendungen. Innerhalb dieser Anwendungen werden Mikroaktoren benötigt, welche die Pumpbewegung der Fluide realisieren. Elektroaktive Polymere stellen dabei eine interessante Möglichkeit dar, Mikroaktoren mit hohen Dehnungen bei geringem Gewicht zu wirtschaftlichen Bedingungen herzustellen. Eine Untergruppe stellen so genannte ionische Polymer-Metall-Komposite (ionic polymer metal composite, IPMC) dar, bei denen die Dehnung im Material durch die Diffusion beweglicher Ionen in einem elektrischen Feld erzielt wird. Diese Materialien benötigen sehr geringe Schaltspannungen von 1-3 V, können jedoch relativ geringe Stellkräfte erreichen.

Daher soll im Projekt ein Mikroaktor auf Basis von IPMC entwickelt werden, der eine mikrostrukturierte Trägerschicht enthält. Die Trägerschicht soll aus einer dünnen porösen Siliziummembran bestehen, die über durchgehende Mikrokanäle verfügt. Solche Membranen sind ein innovatives Produkt, das seit einigen Jahren kommerziell verfügbar ist und beispielsweise in der Filtertechnik eingesetzt wird. Die Trägermembran verbessert durch ihren deutlich höheren E-Modul im Vergleich zum Polymer die mechanischen Eigenschaften des Aktors, gleichzeitig ist die Nutzung gängiger Aufbau- und Verbindungstechnik der Halbleiterindustrie möglich. Damit wird eine Massenfertigung von Aktoren mit niedrigen Schaltspannungen möglich.

Um die Praktikabilität des Ansatzes nachzuweisen, sollen auf Basis des Mikroaktors erste Demonstrationsanwendungen entwickelt werden, insbesondere in den Bereichen der Mikroelektrolyse, der Medizintechnik und der Sensorik. Das Projekt erarbeitet wissenschaftliche Ergebnisse in der Mikrofluidik, sowohl in der Komponentenherstellung (Mikroaktor) als auch im Aufbau mikrofluidischer Systeme (Mikropumpen) und deren Anwendungen (Mikroenergietechnik, Lab-on-a-Chip).

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Forschungsvorhabens MEMS-IPMC war die Entwicklung eines funktionsintegrierten Mikroaktors auf Basis ionischer Polymer-Metall Komposite.

Es konnte gezeigt werden, dass Mikro-Aktoren für die Anwendung als Mikro-Flüssigkeitspumpe geeignet sind und auch IPMC-Aktoren für diesen Zweck basierend auf den durchgeführten Simulationen eingesetzt werden können. Es wurden Si-Membranen für diesen Zweck entsprechend von Simulationen ausgewählt und mittels Nafion erfolgreich durch eine Ultraschall-Sprühbeschichtung mit einer Polymerelektrolytschicht überzogen und Poren gefüllt. Somit bilden diese Ergebnisse aus MEMS-IPMC eine wertvolle Ausgangsbasis für zukünftige Forschung und Produktentwicklungen im Bereich der Brennstoffzelle sowie Analytik.