Smartpump – Die kleinste Mikrodosierpumpe der Welt

Warum brauchen wir diese neue Technologie?

Die Smartpump ist ein Mini-Labor »to go«: Sie passt sowohl in ein Mobiltelefon, als auch in einen Jackensaum, kann mit einem Pflaster an der Haut fixiert und sogar in den menschlichen Körper implantiert werden. Sie misst in Kombination mit geeigneten Sensoren zum Beispiel Feinstaub, giftige Gase, Feuchtigkeit oder den Insulinspiegel. Außerdem kann sie als Mikropumpe kleinste Mengen an Gas oder Flüssigkeit genau dosieren. Überall dort, wo kleine mobile Analyse und Dosiermöglichkeiten einen Mehrwert bringen – etwa als Teil eines Frühwarnsystems oder für medizinische Anwendungen - eröffnet die Smartpump neue Lösungen.

Wem nutzt diese neue Technologie?

Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig. So ermöglicht sie beispielsweise Feinstaubmessungen per Mobiltelefon zum persönlichen Gesundheitsschutz oder individuelle Warnungen vor giftigen Gasen beim Einsatz von Feuerwehrleuten. Beispiele für medizinische Anwendungen sind die Insulinmessung bei Diabetikern oder die Glaukom-Therapie, bei der die Mikropumpe implantiert und der Augeninnendruck darüber reguliert würde. Feinmechanische Geräte könnten durch die Pumpe mit exakt dosiertem Schmierstoff versorgt werden.

Wie funktioniert die neue Technologie?

»Unsere Smartpump ist nur 25 Quadratmillimeter groß und damit die kleinste Pumpe der Welt. Trotzdem hat sie ein hohes Kompressionsverhältnis«, erläutert 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, nutzt das Forscherteam den piezoelektrischen Effekt, der elektrische Spannung in mechanische umwandelt: Mit Hilfe von Wechselspannung wird die Silizium-Membran nach oben oder unten bewegt, Umgebungsluft durch ein Ventil eingesaugt, in der Pumpkammer verdichtet und wieder herausgepresst.

Was macht das Projekt einzigartig?

Herkömmliche piezoelektrisch angetriebene Mikromembranpumpen können nur relativ niedrige Drücke mit Luft erzeugen. Denn die Asymmetrie des Piezoeffektes erfordert viel Platz in der Pumpkammer, um die Membran bewegen zu können. Dadurch entsteht unvermeidbar ein hohes Totvolumen. Dem Forscherteam ist es gelungen, das Totvolumen zu reduzieren und so den Druck und das Saugvermögen zu erhöhen: Die Membran wird bereits bei der Montage mit dem Piezoeffekt definiert vorgespannt. Somit wird die tiefe Pumpkammer überflüssig. Das ermöglicht höhere Kompressionsverhältnisse und insgesamt noch kleinere Mikropumpen.

Nicht nur die Membran, auch die Klappventile und die Pumpkammer werden aus einkristallinem Silizium gefertigt, was gegenüber Metallen und Kunststoffen zahlreiche Vorteile hat: Das Halbmetall ist elastisch und ermüdungsfrei. Zudem lassen sich die einzelnen Pumpenkomponenten sehr exakt aus der Siliziumschicht herausätzen und anschließend aneinanderfügen. Der Nachteil: Silizium ist verhältnismäßig teuer. Auch deshalb ist es so wichtig, die Pumpe so klein wie möglich zu bauen.

Die Integration von Gassensoren in Smartphones wird derzeit 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.

Warum fördert die Fraunhofer-Zukunftsstiftung das Projekt?

Die Förderung der Fraunhofer-Zukunftsstiftung schafft die technischen Voraussetzungen für die Anwendung der Smartpump – z. B. in Smartphones. Ziel ist es, dass die Technologie für zahlreiche Anwendungsbereiche vorbereitet und dann großflächig einsetzbar ist.