Franz Karl Walter Schweizer
Die Miniaturisierung von technischen Geräten ermöglicht geringere Bauraumanforderungen, geringeren Energieverbrauch und reduzierte Herstellungskosten bei voller Erhaltung der Funktionsfähigkeit. Diese grundlegenden Vorteile der Miniaturisierung führten zu dem bereits heute gut entwickelten Markt mikrofluidischer Systeme. Grundlegende Komponenten wie Pumpen, Ventile und Sensoren werden häufig in fluidischen Geräten verbaut. Die Weiterentwicklung und Optimierung dieser Basiskomponenten für verschiedene Anwendungen ist daher notwendig, um die Entwicklung neuer mikrofluidischer Systeme zu ermöglichen. Dieses Projekt untersucht neuartige Ansätze für das Pumpen von Gasen im Mikrobereich. Klassische Förderprinzipien, die auf der Verdrängung von Gasen durch bewegliche Teile beruhen, stoßen bei einer simplen Verkleinerung des Systems schnell an Grenzen, die technisch schwer zu überwinden sind, wie beispielsweise erhöhter Rückstrom beim Pumpen von Gasen oder erhöhte Reibungsverluste Knudsen-Pumpen sind Mikrokompressoren, die auf Strömungen basieren, die ausschließ- lich durch einen Temperaturgradienten entlang der Achse der Pumpkapillare getrieben werden. Das Gas wird durch den Impulsaustausch zwischen Gasmolekülen und der Wand der Kapillare gefördert, es entsteht eine thermische Kriechströmung an der Oberfläche der Kapillare. Die Flussraten von thermischen Kriechströmungen sind nur für verdünnte Gasströmungen von Relevanz. Eine Gasströmung kann als verdünnt bezeichnet werden, wenn die mittlere freie Weglänge und die charakteristische Länge des Strömungsbereichs eine ähnliche Größenordnung aufweisen. Knudsen-Pumpen zeichnen sich durch eine besonders hohe Robustheit und Zeitstabilität aus, da sie keine beweglichen Teile enthalten. Da der physikalische Effekt der themischen Kriechströmung durch die Miniaturisierung des Systems verstärkt wird, sind Knudsen Pumpen ideale Anwärter für die integrierte Anwendung in mikrofluidischen Systemen. Da Knudsen Pumpen unter verdünnten Gasströmungsbedingungen betrieben werden müssen, sind Strömungskanäle im Mikrometerbereich notwendig. Bislang wurden diese Abmessungen entweder mit porösen Medien oder durch Ätzen in Siliziumsubstraten erreicht. Die Vorhersage der charackteristischen Kurve einer Knudsen-Pumpe, die auf einem porösen Medium basiert, ist herausfordernd aufgrund der statistischen Größenverteilung der Poren. Die Erzeugung eines Temperaturgradienten entlang eines in Silizium geätzten Pumpkanals ist aufgrund der vergleichsweise hohen Wärmeleitfähigkeit von Silizium ebenfalls herausfordernd. Diese Arbeit präsentiert die Konstruktion, Herstellung und experimentelle Charakterisierung eines neuartigen Knudsen Pumpenprototyps, der unter Verwendung der Zwei-Photonen Polymerisation hergestellt wurde. Die Zwei-Photonen Polymerisation wird für die additive Fertigung von Mikro- und Nanostrukturen eingesetzt. Daher ermöglichte die Zwei-Photonen Polymerisation die Entwicklung einer Prototypenpumpe, die auf einem Mikrochip integriert ist, und aus einem Material gefertigt ist, das eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Somit wurden die zentralen Herausforderungen der bisherigen Fertigungsprozesse adressiert und gelöst. Der entwickelte Prototyp besteht aus einem Pumpkörper, in dem eine Matrix paralleler Pumpkanäle eingebettet ist, was hohe Flussraten ermöglicht. Der erforderliche Temperaturgradient entlang der Kanalmatrix wird mit einem Mikroheizer erzeugt. Dieser Mikroheizer wurde direkt, mit Hilfe der Dünnschichttechnik, auf der komplexen Topologie des Pumpkörpers gefertigt und verbindet so mehrere Funktionsebenen des Systems. Aufgrund der direkten Abscheidung des Dünnschichtheizers auf dem Pumpkörper, wurde das Muster der Kanalmatrix auf den Dünnfilm übertragen. Diese maskenlose Strukturierung des Heizers ermöglicht eine präzise und lokale Beheizung des Systems. Der beschriebene Prototyp demonstriert das Potential der Zwei-Photonen Polymerisation komplexe und drei-dimensionale Mikrostrukturen zu erzeugen. Das Leistungvermögen des gefertigten Prototyps wurde durch die Messung der bereitgestellten Massenströme und Druckunterschiede charakterisiert. Die Leistungsdaten wurden für unterschiedliche Druckbereiche, Heizleistungen und Gase, einschließlich Wasserstoff, bestimmt. Der Vergleich der experimentellen Versuchsergebnisse und numerischen Simulation zeigt eine gute Übereinstimmung für alle getesteten Gase. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit neue Fertigungstechniken und Materialien in den Bereich der Knudsen-Pumpenentwicklung eingeführt hat und durch den Nachweis der Funktionsfähigkeit der Pumpe mit Wasserstoff das Spektrum der möglichen Anwendungen von Knudsen-Pumpen im Bereich der Mikrofluidik erweitert.