O+P Fluidtechnik 6/2025

MIKROVENTILEMIKRODOSIERTECHNOLOGIEGEKAPSELTE PIEZO-VENTILEIn der Mikrodosiertechnologie, in der höchste Präzision und Prozesssicherheitgefordert sind, spielen Piezo-Aktoren eine zentrale Rolle. Ihre Fähigkeit, Flüssigkeitenim Subnanoliterbereich mit hoher Reproduzierbarkeit und Geschwindigkeit zudosieren, macht sie zu einer Schlüsselkomponente in Bereichen wie derElektronikfertigung, Medizintechnik und Halbleiterproduktion.Insbesondere bei der Verarbeitung hochviskoser oder partikelbeladenerMedien stoßen etablierte Dosierverfahren wieNadelventile oder Druckzeit-Dosierung an ihre Grenzen – hierkommen Piezo-basierte Jet-Dosiersysteme zum Einsatz.Trotz ihrer technischen Vorteile haben Piezo-Aktoren eine zentraleSchwachstelle: ihre Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit.Dies ist auf die Bauweise der Piezo-Stacks zurückzuführen,die aus gestapelten piezoelektrischen Keramikschichten bestehen.Die Mikrostruktur dieser Keramiken enthält Kapillaren undPoren, die dazu neigen Feuchtigkeit aufzunehmen.FEUCHTEEMPFINDLICHKEIT ALS ZENTRALESCHWACHSTELLEBesonders kritisch ist diese Eigenschaft bei „normally open“-Ventilen,die im Ruhezustand offen sind und daher im Betrieb permanentunter Spannung stehen. Diese Daueransteuerungerzeugt elektrostatische Felder im Piezo-Aktor, die polare Wassermoleküleaus der Umgebungsluft anziehen. Als Resultat könnensich die Isolationseigenschaften allmählich verschlechtern,was schließlich in einem elektrischen Kurzschluss endet.DIE KAPSELUNG VON PIEZO-AKTOREN IST NICHT TRIVIALFrühere Versuche, dieses Problem durch das Einbetten der Aktorenin organische Dichtungsmaterialien zu lösen, erwiesen sichals unzureichend. Denn Dichtungsmaterialien sind allesamt organischenUrsprungs und enthalten somit selbst frei im Stoffbewegliche Wassermoleküle, die sich bei einem Feuchtigkeitsgefällein Richtung trockene Seite bewegen, um langfristig einFeuchtegleichgewicht herzustellen. Damit lässt sich die grundlegendeProblematik nicht beheben.Ein vielversprechender Lösungsansatz besteht in der vollständigenhermetischen Verkapselung der Piezo-Stacks in anorganischeMaterialien. Diese Barriere verhindert das Eindringen von Feuchtigkeitaus der Umgebung und unterbindet die elektrostatisch bedingteWasseranlagerung. Das hermetische Verkapseln eliminiertdamit eine der Hauptausfallursachen von Piezo-Aktoren.Um seinen Kunden hochdynamische Dosierprozesse mitmaximaler Prozesssicherheit und Präzision zu ermöglichen,kombinierte das Unternehmen Vermes Microdispensing einehermetische Verkapselung mit wärmetechnischer Optimierungzum Piezo Xtreme 2 (PX2)-Aktor.FORSCHUNG UND ENTWICKLUNGVentilbeim präzisenMikrodosieren aufBlutzucker-TeststreifenTECHNOLOGISCHE HERAUSFORDERUNGENDER VERKAPSELUNGDas Umsetzen dieser Verkapselung stellte die Entwicklungsteamsjedoch vor mehrere Herausforderungen. Bevor die Verkapselungerfolgt, muss der Stack vollständig von eingelagertem Wasser befreitwerden. Wasser, das sich in den Kapillaren des keramischenStacks befindet, weist jedoch unter den typischen Bedingungeneine Siedetemperatur von über 450 °C auf – eine Temperatur, dieden Piezo-Stack selbst irreversibel schädigen würde.Eine hermetische Verkapselung reduziert die Wärmeabfuhrwährend des Betriebs erheblich. Da Piezo-Aktoren im Hochfrequenzbetriebsignifikante Eigenwärme erzeugen, ist eine effizienteWärmeableitung essenziell für die langfristige Funktionsfähigkeit.INNOVATIVE LÖSUNGSANSÄTZEZur Lösung dieser Probleme wurde von Vermes Microdispensingein mehrstufiger Prozess entwickelt, der auf einer Kombinationaus physikalisch-chemischer Trocknung und optimierterWärmeableitung basiert: Die Trocknung geschieht in einer vollständiginertisierten Prozesskammer, in der sowohl die Kapselmaterialienals auch der Piezo-Stack vor dem Versiegeln zuverlässigvon Feuchtigkeit befreit werden. Dies gewährleistet eineabsolut trockene Verkapselung.

MIKROVENTILELeckstromverläufe: Vermes PX2 ist nach kurzer Ladezeit nahe null mA, ein normaler Piezo steigt01Hermetisch gekapselterbeständig im Ladestrom – oft bis zum KurzschlussVermes Aktor PX2„Piezo Xtreme 2“02Zur Wärmeableitung wird die Kapsel mit einem speziellen, hochwärmeleitenden,elektrisch isolierenden und chemisch inertenselbst entwickelten Füllmaterial versehen. Da sich das Füllmaterialnur in pulverisierter Form eingebringen lässt, ist seine Wärmeleitfähigkeitgegenüber dem festen Ausgangszustand zunächststark reduziert. Ein spezielles wiederum von dem Unternehmengeneriertes Verfahren stellt sicher, dass die Wärmeleitfähigkeitdes Füllmaterials auf über 60 % des ursprünglichen Feststoffeszurückgeführt wird – ein im Vergleich zu konventionellen Pulvernaußerordentlich hoher Wert.Um die Langzeitstabilität jedes verkapselten Piezo-Stacks sicherzustellen,entwickelte das Unternehmen ein spezielles Prüfregime.In einem 48-stündigen Testzyklus wird die elektrischeIsolationseigenschaft des Stacks unter einem definierten Temperaturprofilkontinuierlich überwacht. Diese Prüfung ermöglichtdas frühzeitige Identifizieren von potenziellen Material- oderProzessschwächen, bevor die Komponenten in den produktivenEinsatz gelangen.ERGEBNISSE UND TECHNOLOGISCHE RELEVANZ03Zwei der speziell entwickelten Prüfregimes für 48-stündigeQualitätskontrolleDie Kombination aus hermetischer Verkapselung, optimierterWärmeableitung und umfassender Qualitätskontrolle führt hierzu Piezo-Aktoren mit außergewöhnlicher Langlebigkeit und Stabilität.Diese erreichen eine Dauerhaltbarkeit von über 10⁹ Zyklen,auch bei anspruchsvollen Betriebsbedingungen und eine20-fache Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu konventionellen, organischverkapselten Aktoren. Dazu bis zu fünffache Dauerfrequenzen,ohne dass sich die Temperatursensibilität negativ aufdie Lebensdauer auswirkt.Diese technologische Weiterentwicklung der Piezo-Aktorendurch die Kombination aus hermetischer Verkapselung undwärmetechnischer Optimierung stellt einen bedeutenden Fortschrittin der Mikrodosiertechnologie dar. Der in diesem Prozessvon Vermes eigens entwickelte Piezo Xtreme 2 (PX2)-Aktorstrotzt allen vorgenannten Widrigkeiten. Der Ansatz bietet nichtnur eine Lösung für die bisher ungelösten Feuchtigkeitsprobleme,sondern schafft gleichzeitig die Voraussetzung für hochdynamischeDosierprozesse mit maximaler Präzision und Prozesssicherheit.Bilder: Aufmacher: ModernFiles – stock adobe.com; Vermeswww.vermes.comwww.oup-fluidtechnik.de O+P Fluidtechnik 2025/06 31