Summary
Cet article présente un protocole de fabrication d’une conduction micropump utilisant des électrodes planes symétriques sur stratifié cuivré d’ignifuge renforcé de verre époxy (FR-4) (CCL) pour tester l’influence des dimensions de chambre sur la performance d’un conduction micropump.
Abstract
Ici, une micropompe conduction avec paires d’électrodes planaires symétrique préparé sur stratifié cuivré d’ignifuge renforcé de verre époxy (FR-4) (CCL) est fabriqué. Il est utilisé pour étudier l’influence des dimensions de la chambre sur la performance d’une conduction micropump et pour déterminer la fiabilité de la pompe de conduction lorsque l’acétone est utilisé comme fluide de travail. Une plate-forme de test est mises en place pour évaluer la performance de micropump conduction dans des conditions différentes. Lorsque la hauteur de la chambre est de 0,2 mm, la pression de la pompe atteint sa valeur maximale.
Introduction
Micropumps peut piloter le flux de liquide sur une échelle beaucoup plus petite que la plupart des pompes. Ces dernières années, divers systèmes de conduite ont été appliquées avec succès à microfluidique systèmes1,2,3,4,5. La pompe électrohydrodynamique (EHD) peut exercer des forces directement sur le liquide, sans aucune pièce mobile, qui le rend plus simple et plus facile à fabriquer6. Selon les types de frais, pompes DHM peuvent être qualifiées de pompes d’injection, pompes à induction ou pompes de conduction. Pompes à induction ne fonctionnent pas sur les liquides isothermes, tandis que les pompes d’injection changent la conductivité du liquide. Parce qu’ils n’ont pas ces problèmes, les pompes de conduction sont plus stables et ont une application plus large.
La pompe de conduction est fondée sur la disparité des taux de dissociation et de recombinaison des molécules liquides. Normalement, le processus de dissociation et de recombinaison peut être exprimé comme suit7,8:
où le taux de recombinaison kr est constante, tandis que le taux de dissociation kd est une fonction de l’intensité du champ électrique. Lorsque l’intensité du champ électrique atteint une certaine valeur, le taux de dissociation dépasse le taux de recombinaison. Des charges plus libres déplacement ensuite, vers les deux électrodes de polarité opposée et forme des couches heterocharge. Ces couches de heterocharge sont la clé de la pompe, comme le mouvement des charges pousse les molécules du liquides vers l’avant. Par conséquent, force net corps peut être généré dans le liquide dans la chambre à l’aide d’électrodes asymétriques ou l’inadéquation de la mobilité des ions positifs et négatifs9,10,11,12 .
Ce travail présente une nouvelle façon de fabriquer une plaque électrode plane symétrique pour une pompe de conduction. L’électrode est préparée sur CCL FR-4, et la chambre de pompage est préparée en micro-usinage. Les procédés de fabrication sont relativement plus simple et plus pratique que ceux des autres méthodes de fabrication, tels que nanolithographie. Une plate-forme de test est mises en place pour enquêter sur l’exécution de la micropompe conduction dans des conditions différentes. En outre, la fiabilité de la micropompe conduction est aussi étudiée dans différentes circonstances.
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Protocol
attention : veuillez consulter toutes les fiches signalétiques (FS) avant utilisation. L’acétone est inflammable et peut causer une irritation des yeux et des voies respiratoires. La tension qui est plus élevée que plusieurs milliers de volts ; par conséquent, étincelles électriques sont attendus dans le cadre de l’expérience. Réaliser des expériences dans une pièce avec une bonne ventilation pour éviter les explosions et le feu des étincelles.
1. fabrication des plaques et titulaire
Remarque : dans cet ouvrage, les plaques d’électrode et le titulaire sont fabriqués par une ligne de production dans une usine. Uniquement le matériel et les paramètres de toutes les parties dans le présent document seront introduits en raison du processus compliqués.
Plaques- matériel et la taille de la plaque électrode
- fabriquer l’électrode à l’aide de 1,4 mm CCL FR-4 avec une fine couche de cuivre de 35 µm. Voir la Figure 1 pour les paramètres détaillés de la plaque électrode.
- Paramètres des électrodes
- commander les plaques de l’électrode de l’usine. Voir la Figure 2 pour plus de détails.
- Inspection de la plaque électrode
- après la préparation de la plaque électrode, utiliser un microscope électronique pour inspecter les électrodes pour les défauts visibles, moins de 100 X et 300 X grossissement. Notez que les minuscules défauts sur la surface des électrodes peuvent causer un court-circuit, comme illustré à la Figure 3.
- Inspecter et mesurer la largeur de l’électrode et l’espacement pour déterminer si l’exactitude de la dimension répond à l’exigence.
- La plaque avec un ampèremètre pour voir si un court-circuit électrique se produit d’essai.
- Préparation de la plaque de chambre
- couper une membrane de silicone à la même taille que la plaque de l’électrode, comme illustré à la Figure 4. Choisissez des membranes silicone de différentes épaisseurs pour faire des plaques de chambre avec différentes hauteurs.
- Utiliser un outil spécial de poinçonnage pour perforer le trou de la chambre, comme illustré à la Figure 5.
- Traitement du porte-
- commander le titulaire d’une usine. Les paramètres détaillés sont présentés dans la Figure 6.
- Fabrication de la plaque-couvercle
- percer deux trous sur le dessus de la plaque de couverture en utilisant un forage de la machine pour installer les tubes d’entrée et de sortie. Voir la Figure 7 pour leur taille et de position.
2. L’Assemblée de la micropompe
- utiliser l’acétone pour laver toutes les plaques, le titulaire, les tubes d’entrée et de sortie et d’autres outils utilisés dans les expériences. Mettez ces outils et ces plaques dans un bécher, puis versez suffisamment acétone de 99,5 % pour plonger. Placer le bécher dans le nettoyeur à ultrasons. Mettre en marche le nettoyeur à ultrasons et réglez le minuteur sur 5 min.
- Insérer les tubes en acier inoxydable d’entrée et de sortie dans les deux trous sur la plaque de recouvrement.
- Placer une plaque de chambre en membrane de silicone sur la plaque électrode et puis couvrez-la avec la plaque-couvercle.
- Empiler et aligner la plaque de recouvrement, la plaque de chambre et l’électrode plaque de haut en bas et insérer les plaques alignées dans le porte-.
- Utiliser une M5 boulons pour fixer les plaques à l’intérieur de la porte. Voir la vue explosée et le mode d’affichage normal de la micropompe Assemblée, comme le montre la Figure 8 et Figure 9, respectivement.
- Appuyez simultanément sur les plaques en serrant les boulons.
NOTE : Les tubes et la cavité sur la plaque de chambre formeront un passage pour le liquide de travail. La plaque de chambre élastique peut aussi assurer l’étanchéité de l’écart entre les plaques pour empêcher l’écoulement liquide. Voir la vue explosée et l’affichage normal de la micropompe Assemblée dans la Figure 8 et Figure 9, respectivement.
- Utiliser deux flexibles polyuréthane avec un diamètre extérieur de 4 mm et un diamètre interne de 2 mm pour raccorder les tubes en acier inoxydable d’entrée et de sortie.
- Connecter un ampèremètre, une source d’alimentation VCC 500 et la micropompe en série. Insérer un 1 fusible de mA entre l’ampèremètre et la source d’énergie pour protéger l’ampèremètre dans le cas où la micropompe est court-circuitée.
- Insérer le tuyau d’arrivée dans un bécher de 50 mL avec 20-30 mL d’acétone à l’intérieur de.
Remarque : La Figure 10 illustre la plateforme remplie.
3. Procédure expérimentale
- travaux préparatoires avant l’expérience
- utiliser un cylindre pour injecter l’acétone pour remplir la micropompe. Après le niveau du liquide atteigne le tuyau de sortie, continuer à injecter 10 mL d’acétone à l’intérieur jusqu'à ce que toutes les bulles sont poussés hors de la chambre de.
Remarque : Il est impossible de voir si il n’y a aucune bulles laissés à l’intérieur de la chambre parce que la plaque et la plaque électrode ne sont pas transparentes. Injection en continu de l’acétone est utile pour enlever les bulles, mais il ne peut pas garantir qu’aucune bulle n’est laissés à l’intérieur de la micropompe. Bulles peuvent bloquer le passage du liquide, ou ils risquent le court-circuit et provoquer une micro-explosion à l’intérieur de la micropompe, qui brûlera les électrodes. L’effet des bulles sur le fonctionnement de la pompe n’est pas encore tout à fait clair, mais les pannes qu’elles provoquent ont été observés à plusieurs reprises. - Verser 20 à 30 mL d’acétone dans le bécher et mettre le tuyau d’aspiration à l’intérieur du bécher. S’assurer que le niveau de liquide est supérieur à l’entrée au moins 5 mm afin que l’acétone peut circuler dans la pompe et aucun flux d’air ne peut être aspiré dans la chambre micropump.
- utiliser un cylindre pour injecter l’acétone pour remplir la micropompe. Après le niveau du liquide atteigne le tuyau de sortie, continuer à injecter 10 mL d’acétone à l’intérieur jusqu'à ce que toutes les bulles sont poussés hors de la chambre de.
- Test de pression statique
- fixer le tuyau à un petit cadre pour que le tuyau peut rester droite et verticale. Pose une règle avec le tuyau d’évacuation afin de mesurer le niveau de liquide.
- Connecter la micropompe à la source d’alimentation.
- Démarrer le test en appuyant sur l’interrupteur, puis marquez le niveau liquide initial.
- Après le niveau du liquide devienne stable, enregistrer le temps, le niveau final du liquide et le courant électrique.
- Continuer à enregistrer le niveau du liquide et le courant toutes les 10 s jusqu'à ce que la micropompe décompose.
- Flow test taux
- une grande éprouvette graduée permet de recueillir le liquide qui sort du tuyau d’évacuation. N’oubliez pas de fixer le tuyau d’évacuation afin que la fin reste à la même altitude que le niveau du liquide dans le bécher.
- Connecter la micropompe à la source d’alimentation.
- Démarrer le test en appuyant sur l’interrupteur, puis marquez le niveau liquide initial.
- Que le liquide commence à s’écouler du tuyau de sortie, le volume record d’acétone à l’intérieur de l’éprouvette graduée tous les 10 s. Comme l’expérience passe, ajoute l’acétone dans le bécher pour maintenir le niveau liquid.
- Test de fiabilité
- Utilisation du temps de travail moyen pour évaluer la fiabilité de la pompe. Au cours de l’épreuve de vitesse d’écoulement et le test de pression statique, enregistrer le temps de fonctionnement avant que la pompe tombe en panne. Enregistrer les phénomènes détaillées de chaque répartition au cours de l’expérience et inspecter la surface de la plaque électrode par la suite pour une analyse ultérieure.
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Representative Results
Comme illustré à la Figure 11, la pression de la pompe et son taux de plus en plus augmentent lorsque la tension augmente. Lorsque la tension atteint 500 V, la pression de la pompe atteint 1 100 PA.
La pression statique de la pompe augmente avec la hauteur de chambre de pompe augmenter lorsque la hauteur de la chambre est inférieur à 0,2 mm. Le rendement de la pompe a atteint son point culminant lorsque la hauteur de la chambre est de 0,2 mm. Ensuite, la pression statique diminue lorsque la hauteur de la chambre ne cesse d’augmenter. On croit que 0,2 mm est la meilleure valeur pour la hauteur de la chambre. Les résultats sont présentés dans la Figure 12.
En augmentant la longueur de la chambre, la pression statique augmente, avec une grande pente jusqu'à une longueur de chambre de 23 mm et une pente plus petite, ce qui indique une augmentation progressive, par la suite. La tendance de variation de la pression de la pompe est illustrée à la Figure 13.
Comme illustré à la Figure 14, il y a une légère diminution de la pression statique par rapport à la courbe de largeur chambre lorsque la largeur de la chambre augmente de 2 mm à 3 mm. par la suite, la pression statique reste un certain niveau que la chambre largeur augmente.
Au cours des essais, la micropompe tombe en panne souvent après avoir travaillé pendant 10-90 min. Après avoir travaillé pendant un certain laps de temps, la pression de la pompe continue de baisser jusqu'à ce que la panne se produit. Cependant, les performances de la pression de la pompe peuvent être rétabli lorsque l’acétone nouveau est ajouté dans le bécher.
Lorsqu’il y a des bulles à l’intérieur de la pompe, la pression de la pompe ne montera pas plus haut qu’il le fait normalement parce que le passage du liquide de travail est bloqué par les bulles. Si les plaques ne sont pas suffisamment nettoyés, ce qui signifie qu’il y a toujours des poussières ou autres contaminations, la pompe sera facilement obtenir court-circuité quand ces particules voyagent vers le fossé entre les électrodes. Lorsque la pompe est en court-circuit, le courant électrique augmente très vite et brûler les électrodes.
Figure 1 : Dimensions de la plaque électrode. La plaque électrode, plaque de chambre et plaque de recouvrement sont de la même taille. Leurs largeurs sont de 9 mm et leur longueur est de 40 mm. Les trous pour souder le fil ont un diamètre de 1,6 mm. ordre des plaques d’électrodes de l’usine avec ces paramètres et vérifiez la taille de la plaque par la suite pour s’assurer qu’ils peuvent tenir à l’intérieur de la porte. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Dimensions des électrodes. Les plaques électrodes ont 23 paires d’électrodes, d’une largeur d’électrode de 300 µm, un espacement d’électrode de 200 µm, un espace de largeur entre les paires de deux électrodes de 400 µm et une électrode fin espacement de 600 µm. L’écartement de l’électrode est le paramètre le plus important, puisqu’elle détermine l’intensité du champ électrique. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : petits défauts sur la surface des électrodes et les dégâts contre les courts-circuits. Chiffons et les puits de surface sont les défauts typiques des électrodes. Les stands en (un) ont causé une rupture grave. Certains des électrodes en (b) brûlent sous la force du champ électrique élevé. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : dimensions de la plaque chambre. La largeur et la longueur de la plaque sont de 9 mm et 40 mm, respectivement. L’épaisseur de la plaque est de 0,3 mm pour ces essais. La précision de la dimension est de 0,1 mm. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 5 : image de la perforatrice spéciale. L’outil de perforation spécial est adapté pour la découpe de la cavité sur la plaque de la chambre. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 6 : le génie de dessin du titulaire. Le 3 mm d’ouverture sur le dessus est pour les tubes en acier inoxydable d’entrée et de sortie. L’épaisseur de tous les murs est de 2 mm, et la taille globale du titulaire est 14 x 37,5 x 9 mm3. Le mur de 2,4 mm à gauche est pour la tenue de la position de l’électrode plat, plaque de recouvrement et plaque de chambre. Sur le fond du support, il y a un trou de M5 fileté pour un boulon de fixation. L’exactitude de la dimension du titulaire est de 0,1 mm, qui n’est pas très élevé. Assurez-vous que la plaque électrode peut s’adapter à l’intérieur. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 7 : les paramètres de la plaque-couvercle. Le matériau de la plaque de recouvrement est également FR4. Deux tubes en acier inoxydable sont insérées dans le trou de prévoir passage entrée et sortie du liquide de travail. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 8 : vue explosée de la micropompe. De haut en bas sont les tubes d’entrée et de sortie, la plaque de recouvrement, la plaque de la chambre, la plaque de l’électrode et le boulon de fixation. Les tubes et la cavité à la cplaque de Hamber forment un passage de liquid pour le liquide de travail. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 9 : image de la micropompe Assemblée rendue. Après le boulon de fixation, toutes les plaques sont comprimées et le trou de la plaque de la chambre est le seul espace pour liquide de couler. La plaque de chambre élastique peut aussi assurer l’étanchéité de l’écart entre les plaques pour empêcher l’écoulement liquide. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 10 : l’image de la micropompe expérimenter plate-forme. La bouteille qui contient de l’acétone peut être remplacer par un bécher, mais il est préférable de couvrir le bécher avec minces pour empêcher l’acétone de volatiliser trop. La source d’alimentation, l’ampèremètre et la pompe sont connectées en série. Le tuyau peut être également remplacé par un tube en verre. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 11 : la relation entre la tension et la pression de la pompe. La pression de la pompe et son rythme augmente lorsque la tension augmente. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 12 : la relation entre la hauteur de la chambre et le rendement de la pompe. Le rendement de la pompe tout d’abord augmente puis gouttes lorsque la hauteur de la chambre augmente de 0,1 mm à 0,5 mm. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 13 : la relation entre la longueur de la chambre et le rendement de la pompe. Le rendement de la pompe augmente quand la longueur augmente.
Figure 14 : la relation entre la largeur de la chambre et le rendement de la pompe. La pression de la pompe reste la même lorsque la largeur de la chambre augmente.
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Discussion
Une des étapes essentielles au sein du protocole est d’inspecter la plaque électrode soigneusement. Petites bavures sur le bord d’une électrode peuvent entraîner un court-circuit et intégrité surface peut grandement affecter la performance de la pompe. Le nettoyage de la plaque de l’électrode et le titulaire est également très important. La hauteur de chambre électrode est inférieure à 1 mm, donc les petites particules de poussière peuvent bloquer l’écoulement du liquide travail et provoquer un court-circuit. Avant l’essai, l’injection d’acétone dans la chambre peut enlever les bulles à l’extérieur de la chambre.
La performance de la micropompe peut être fortement influencée par la hauteur de la chambre. Pour éliminer cette influence, la plaque de chambre élastique peut être remplacée par matériau plus dur.
Il y a quelques limitations à la technique. Tout d’abord, la hauteur de l’électrode est déterminée par la couche métallique sur la CCL FR-4. Il est relativement élevée, ce qui influe sur l’écoulement du liquide dans une certaine mesure. Deuxièmement, grâce à la membrane de silicone sous la plaque de la chambre, l’obturabilité de la chambre est améliorée. Toutefois, l’élasticité de silicone peut causer une déviation à hauteur de la chambre. Enfin, la largeur de l’électrode et l’espacement de l’électrode sont limitées par la technique elle-même, qui fait parvenir à une plus haute résistance de champ électrique beaucoup plus difficile qu’avec l’autre technique.
Contrairement à la photolithographie et autres techniques de fabrication de haute précision, à l’aide de CCL FR-4 avec ce procédé de fabrication d’électrode est relativement plus simple et moins cher. En revanche, la tension électrique requise dans ce travail est beaucoup plus faible. Pearson et Seyed-Yagoobi13 ont proposé une électrode anneau et conception d’électrode perforé qui nécessite 5 kV de tension CC pour la pompe fonctionne, alors que dans ce travail, la source d’alimentation est seulement 500 V.
Cette micropump peut servir à un caloduc, surtout un caloduc long qui nécessite un moteur autre que force capillaire en boucle. Insertion d’une ou plusieurs plaques d’électrodes dans le conduit de chaleur peut fournir suffisamment de force motrice pour le liquide diélectrique de voyager de l’extrémité froide à l’extrémité chaude. Une fonction similaire peut également être atteint par une électrode annulaire fabriquée sur sa matière douce et isolé avec un substrat métallique.
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Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Ce travail a été parrainé par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (51375176) ; la Fondation provinciale des sciences naturelles de Guangdong de la Chine (2014A030313264) ; et Science et technologie, planification de projet de la Province de Guangdong, Chine (2014B010126003).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Amperemeter | - | 85C1-MA | |
| DC high voltage power supply | NanTong Jianuo electric device company | GY-WY500-1 | |
| Fuse | - | - | |
| Ultrasonic cleaner | Derui ultrasonic device company | - | |
| Soldering iron | - | - |
References
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