Microfluidic systems based on electroactive polymers technology

Dielectric elastomer actuators (DEAs) have been widely investigated for more than 30 years. Lately, several fabrication methods have successfully allowed the creation of very thin elastomer and electrode layers. The development of attractive applications, in which DEAs offer advantages over conventional technologies, is thus necessary for the advance of the technology. In this work, new biocompatible microfluidic devices based on DEAs are developed. In the first part of this thesis, several prototypes of peristaltic pumps of single layer dielectric elastomer actuators are designed, manufactured and characterized. Although these prototypes were not able to produce fluid flow, novel insights into the capabilities of Electroactive Polymer technology were gained. In the second part of this work, a pumping micromixer as a novel application of dielectric elastomer stacked actuators is manufactured. The pumping micromixer is based on peristaltic movements, which gently act as a mixer and a pump for microfluidics. Experimental data show a maximal flow rate of 21.5 µL/min at 10 Hz. Image analysis at the outlet proves a 50/50 mixing when all actuators are functioning at the same pace and voltage. The performance of the pumping micromixer is further studied with the Finite Element Method, using the COMSOL Multiphysics® software. Simulations demonstrate the versatility of the pumping characteristics of such a microdevice, from very few µL/min to mL/min, and from a very low pressure in the range of Pa to hundreds of kPa, by only changing the duty cycle, phase shift and actuation frequency.

Dielektrische Elastomeraktoren (DEAs) werden seit mehr als 30 Jahren intensiv untersucht. In letzter Zeit ist es durch neue Herstellungsverfahren gelungen, sehr dünne Elastomer- und Elektrodenschichten zu erzeugen. Die Entwicklung attraktiver Anwendungen, in denen DEAs Vorteile gegenüber konventionellen Technologien bieten, ist daher für die Weiterentwicklung der Technologie notwendig. In dieser Arbeit werden neue biokompatible mikrofluidische Syteme auf der Basis von DEA entwickelt. Im ersten Teil dieser Arbeit werden mehrere Prototypen von peristaltischen Pumpen aus einlagigen dielektrischen Elastomeraktoren entworfen, hergestellt und charakterisiert. Obwohl die hergestellten Prototypen keine Pumpleistung erzielten konnten hiermit neue Erkenntnisse über die Möglichkeiten der EAP-Technologie gewonnen wurden. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit der Herstellung und Charakterisierung einer Mikropumpe mit Mischer als neuartige Anwendung von dielektrischen Elastomer-Stapelaktoren. Dieses neue System basiert auf peristaltischen Bewegungen, die für das schonende Pumpen und Mischen in der Mikofluidik geeignet sind. Experimentell ermittelte Daten zeigen eine maximale Flussrate von 21,5 µl/min bei 10 Hz. Die Bildanalyse am Auslass des Mischers beweist eine 50/50 Mischung, wenn alle Aktoren mit der gleichen Geschwindigkeit und Spannung arbeiten. Die Leistung des pumpenden Mikromischers wurde mit der Finite-Elemente-Methode unter Verwendung der COMSOL Multiphysics® Software weiter untersucht. Die Simulationen zeigen die Vielseitigkeit der Pumpeigenschaften eines solchen Mikrogeräts mit einem Durchfluss im Bereich von sehr wenigen µl/min bis zu einigen ml/min und einem Druck im Bereich von wenigen Pa bis zu Hunderten von kPa, indem nur das Tastverhältnis, die Phasenverschiebung und/oder die Betätigungsfrequenz der einzelnen Aktoren geändert werden.