Summary
Dette dokumentet presenterer en protokoll for fabrikasjon av et ledende micropump bruker symmetrisk planar elektrodene på flammesikkert glassfiber-armert epoxy (FR-4) kobber-kledd laminat (CCL) for å teste påvirkning av kammeret dimensjoner på ytelsen til en ledning micropump.
Abstract
Her, er en ledning micropump med symmetrisk planar elektrode par forberedt på flammesikkert glassfiber-armert epoxy (FR-4) kobber-kledd laminat (CCL) fabrikkert. Den brukes til å undersøke påvirkning av kammeret dimensjoner på ytelsen til en ledning micropump og bestemme påliteligheten av varmeledning pumpen når aceton som arbeider væsken. En testing plattform konfigureres til å evaluere ledning micropump ytelse under ulike forhold. Når kammeret er 0.2 mm, når pumpetrykk peak verdien.
Introduction
Micropumps kan kjøre flytende flyt i mye mindre skala enn de fleste pumper. De siste årene, har ulike kjøring ordninger blitt aktivert til microfluidic systemer1,2,3,4,5. Electrohydrodynamic (EHD) pumpen kan utøve styrker på væsken, uten noen bevegelige deler, noe som gjør det enklere og enklere å dikte6. Etter hvilke kostnader kan EHD pumper klassifiseres som Innsprøytingspumper, induksjon pumper eller gjennomføring pumper. Induksjon pumper fungerer ikke på isotermiske væsker, mens Innsprøytingspumper endre flytende ledningsevne. Fordi de mangler slike problemer, ledning pumper er mer stabil og har et omfattende program.
Ledning pumpen er basert på misforholdet av dissosiasjon og rekombinasjon utbredelsen av flytende molekyler. Dissosiasjon og rekombinasjon prosessen kan vanligvis uttrykkes som følger7,8:
der rekombinasjon rate kr er konstant mens dissosiasjon rate kd er en funksjon av den elektriske feltstyrken. Når den elektriske feltstyrken når en viss verdi, vil dissosiasjon prisen overstige rekombinasjon hastigheten. Deretter reiser mer gratis kostnader til de to elektrodene motsatt polaritet, og heterocharge lag form. Disse heterocharge lagene er nøkkelen til pumpen, som bevegelsen av presser flytende molekylene fram. Derfor kan net kroppen styrke genereres i væsken innenfor kammeret asymmetrisk elektrodene eller mellom mobilitet av positive og negative ioner9,10,11,12 .
Dette arbeidet introduserer en ny måte å fabrikere en symmetrisk planar elektrode plate for en ledning pumpe. Elektroden platen er forberedt på FR-4 CCL og pumpe kammer er utarbeidet av micromachining. Fabrikasjon prosessene er relativt enklere og mer praktisk enn andre produksjonsmetoder, som nanolithography. En testing plattform er satt opp til å undersøke resultatene av de ledende micropump under ulike forhold. Videre er påliteligheten av gjennomføring-micropump også undersøkt under ulike omstendigheter.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
forsiktig: ta kontakt med alle relevante sikkerhetsdatablader (MSDS) før bruk. Aceton er svært brennbart og kan forårsake irritasjon i øyne og luftveier. Spenningen involvert er så høyt som flere tusen volt; Derfor forventes det elektriske gnister når gjennomføre eksperimentet. Utføre eksperimenter i et rom med god ventilasjon å unngå eksplosjoner og skudd fra gnister.
1. fabrikasjon av platene og Holder
Merk: I dette arbeidet elektrode platene og holderen fremstille en produksjonslinjen i en fabrikk. Bare materialet og parameterne for alle deler i denne utredningen vil bli innført på grunn av det kompliserte prosessen.
- Materiale og størrelsen på elektroden platen
- Fabricate elektroden plater med 1,4 mm FR-4 CCL kobber løsmasse på 35 µm. Se figur 1 for detaljerte parametere av elektroden plate.
- Parametere av elektrodene
- bestille elektrode plater fra fabrikken. Se figur 2 for mer informasjon.
- Inspeksjon av elektroden plate
- etter utarbeidelse av elektroden plate, kan du bruke et elektronmikroskop for å inspisere elektrodene for noen merkbar feil under 100 X og 300 X forstørrelse. Merk at små feil på overflaten av elektrodene kan føre til kortslutning, som vist i Figur 3.
- Kontrollere og måle elektroden bredden og avstanden til å fastslå om at dimensjonen oppfyller kravet.
- Teste platen med en instrumenthuset å se hvis det oppstår en elektrisk kortslutning.
- Utarbeidelse av kammeret platen
- kuttet noen silikon membran til samme størrelse som elektrode platen, som vist i Figur 4. Velg silikon membraner med ulike tykkelser gjøre kammer plater med ulike høyder.
- Bruker en spesiell boksesekk verktøyet for å slå kammer hullet, som vist i figur 5.
- Behandling av abonnenten
- bestille abonnenten en fabrikk. De detaljerte parameterne er vist i figur 6.
- Fabrikasjon av lokket
- bore to hull på dekselplaten bruker en boring maskin for å installere rørene innløp og utløp. Se figur 7 for sine posisjoner og størrelser.
2. Montering av Micropump
- bruk aceton å vaske alle platene, innehaveren, innløp og utløp rør og andre verktøy som brukes i forsøkene. Sette disse verktøyene og plater i et beaker og så helle nok 99,5% aceton å nedsenke dem. Sette begeret inne ultralyd vaskemaskinen. Slå på ultralyd vaskemaskinen og sette stopuret å 5 min.
- Innløp og utløp rustfritt stål rør inn to hullene på lokket.
- Plasserer en kammer plate laget av silikon membran på elektroden plate og deretter dekker det med lokket.
- Stable og justere lokket, kammer platen og elektroden plate fra topp til bunn og justert platene inn innehaveren.
- Bruk en M5 bolt å fikse platene i abonnenten. Se den eksplosjon og normal visning av den sammensatte micropump, som vist i Figur 8 og figur 9, henholdsvis.
- Trykk plater sammen ved å stramme skruene som.
Merk: Rør og hulrom på kammeret plate vil danne en passasje for arbeider flytende. Elastisk kammer platen kan også forsegle av gapet mellom plater å hindre væske renner ut. Se visningen eksplosjon og normalvisning av den sammensatte micropump i Figur 8 og figur 9, henholdsvis.
- Bruker to polyuretan slanger med ytre diameter på 4 mm og interne diameter på 2 mm å koble innløp og utløp rustfritt stål rør.
- Koble en instrumenthuset, en 500 V DC-strømkilde og micropump i serien. Sette inn en 1 mA sikring mellom instrumenthuset og strømkilden å beskytte instrumenthuset i tilfelle av micropump er kortsluttet.
- Inn på inntaksslangen for en 50 mL kanne med 20-30 mL aceton inni.
Merk: Figur 10 viser fullførte plattformen.
3. Eksperimentelle prosedyren
- forberedende arbeid før eksperimentet
- bruker en sylinder for å injisere aceton å fylle opp micropump. Etter at væskenivået når slangen uttaket, fortsette å injisere 10 mL aceton innenfor til alle bobler blir skjøvet vekk fra kammeret.
Merk: Det er umulig å se om det er bobler igjen inne i kammeret fordi dekselplaten og elektroden platen ikke er gjennomsiktig. Kontinuerlig sprøytebruk aceton hjelper fjerne bobler, men det kan ikke garantere at ingen bobler er igjen inne micropump. Bobler kan blokkere passasjen av væske, eller de kan kort kretser og forårsake en mikro-eksplosjon inne micropump, som vil brenne elektrodene. Effekten av bobler på drift pumpe er ikke helt klart ennå, men de forårsaker sammenbrudd er observert flere ganger. - Hell 20-30 mL aceton i begeret og sette inntaksslangen inni begeret. Kontroller at væskenivået er minst 5 mm høyere enn mengden slik at aceton kan flyte inn i pumpen og ingen luft kan bli sugd inn i micropump kammeret.
- bruker en sylinder for å injisere aceton å fylle opp micropump. Etter at væskenivået når slangen uttaket, fortsette å injisere 10 mL aceton innenfor til alle bobler blir skjøvet vekk fra kammeret.
- Statisk trykk teste
- Fest utløp slangen til en liten ramme slik at slangen kan være rett og loddrett. Sette en linjal sammen med stikkontakt slangen for å måle væskenivået.
- Koble til micropump til strømkilden.
- Start testen ved å trykke på bryteren og deretter merke ned første væskenivået.
- Etter væskenivået blir stabil, registrere tiden, siste væskenivået og den elektriske strømmen.
- Fortsette å registrere væskenivået og gjeldende hver 10 s til micropump bryter ned.
- Flow rate test
- bruker en stor måling sylinder for å samle væske kommer ut av stikkontakten slangen. Pass på å fikse stikkontakt slangen slik at slutten på den samme høyden som væskenivået i begeret.
- Koble til micropump til strømkilden.
- Start testen ved å trykke på bryteren og deretter merke ned første væskenivået.
- Som væsken begynner å strømme ut av stikkontakten slangen, registrere volumet av aceton inne i måling sylinderen hver 10 s. Eksperimentet går, legge til aceton begeret å opprettholde væskenivået.
- Pålitelighet teste
- Bruk gjennomsnittlig arbeidstid evaluere påliteligheten av pumpen. Testen for overføringshastigheten av flyt og statisk trykktest, registrere funksjonen tid før pumpen bryter ned. Registrere detaljert fenomenet av nedbrytingen under eksperimentet og inspisere elektrode tallerken overflaten etterpå for videre analyse.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Som vist i Figur 11, stige pumpetrykk og dens økende rate når spenningen øker. Når spenningen når 500 V, pumpetrykk når 1100 Pa.
Statisk pumpetrykk stiger med pumpe kammer høyde øker når kammeret er under 0.2 mm. Pumpen ytelse når det høyeste punktet når kammeret er 0.2 mm. Deretter synker statiske trykket når kammeret høyden fortsetter å øke. Det antas at 0.2 mm er den beste verdien for kammer høyden. Resultatene vises i Figur 12.
Ved å øke kammer lengden, stiger statisk trykk, med en stor skråning til et kammer lengden på 23 mm og en mindre skråning, som indikerer en gradvis økning, etterpå. Variasjon tendensen pumpetrykk er vist i figur 13.
Som vist i figur 14, det er en liten nedgang i statisk trykk versus kammer bredde kurven når bredden øker fra 2 til 3 mm. etterpå, statiske trykket er fortsatt på et bestemt nivå som kammer bredde øker.
Under testing bryter av micropump ned ofte etter å ha jobbet 10-90 min. Etter å ha jobbet for en viss tid fortsetter pumpetrykk å slippe til sammenbrudd oppstår. Men kan resultatene av pumpetrykk gjenopprettes når nye aceton legges til begeret.
Når det er bobler i pumpen, stige ikke pumpetrykk så høyt som vanlig fordi passering av arbeider væske er blokkert av bobler. Hvis platene ikke er tilstrekkelig rengjort, vil betyr at det fortsatt er støv eller andre forurensninger, pumpen lett bli kortsluttet når disse partiklene reiser til gapet mellom elektrodene. Når pumpen blir kortsluttet, vil den elektriske strømmen stige svært raskt og brenne elektrodene.
Figur 1: størrelsen på elektroden platen. Elektroden plate, kammer plate og dekselet er av samme størrelse. Bredden er 9 mm og deres lengder 40 mm. Hullene for lodding wire har en diameter på 1,6 mm. Bestill elektrode platene fra fabrikken med disse parameterne og sjekk platen størrelsen etterpå for å sikre at de får plass i holderen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: størrelsen på elektrodene. Elektroden platene har 23 par elektroder, med en elektrode bredde på 300 µm, en elektrode avstanden mellom 200 μm, en bredde gapet mellom to elektrode parene av 400 µm, og en elektrode ende avstanden på 600 µm. Elektroden avstanden er den viktigste parameteren, fordi den avgjør den elektriske feltstyrken. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: små defekter på overflaten av elektroder og skade fra kortslutninger. Filler og overflate groper er typiske feil av elektrodene. Gropene i (en) har forårsaket et nervøst sammenbrudd. Noen av elektrodene i (b) brenne under høy elektriske feltstyrken. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4: kammer plate dimensjoner. Bredden og lengden av platen er 9 mm og 40 mm, henholdsvis. Tykkelsen på platen er 0,3 mm i disse testene. Dimensjon nøyaktigheten er 0,1 mm. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5: bilde av spesielle hull. Det spesielle boksesekk verktøyet er tilpasset kutte hulrommet på kammeret tallerkenen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 6: prosjektering tegning av abonnenten. De 3 mm åpning på toppen er for innløp og utløp rustfritt stål rør. Tykkelsen av alle vegger er 2 mm, og størrelsen på holderen er 14 x 37,5 x 9 mm3. 2,4 mm veggen på venstre er for å holde plasseringen av elektroden plate, dekselplaten og kammer plate. På bunnen av innehaver er det en M5 gjenget hull for en feste bolt. Dimensjon nøyaktigheten av holderen er 0,1 mm, som er ikke veldig høy. Kontroller at elektrode platen kan passe inn. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 7: parameterne for dekselplaten. Materialet av lokket er også FR4. To rustfritt stål rør settes inn i hullet for å gi innløp og utløp passasje for arbeider flytende. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 8: eksplosjon visning av micropump. Fra topp til bunn er innløp og utløp rør, lokket, kammer platen, elektrode platen og festing bolten. Rør og hulrom på cHamber plate danner en flytende passasje for arbeider flytende. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 9: gjengitt bilde av den sammensatte micropump. Etter festing bolten, alle plater er presset sammen, og hull i kammeret platen er det bare plassen for væske til å flyte gjennom. Elastisk kammer platen kan også forsegle av gapet mellom plater å hindre væske renner ut. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 10: bildet av micropump eksperimentere plattformen. Flasken som inneholder aceton kan erstatte av et beger, men det er sikrere å dekke kanne med tynn film å hindre aceton volatilizing for mye. Strømkilden, instrumenthuset og pumpen er koblet i serie. Stikkontakt slangen kan også erstattes av røret. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 11: forholdet mellom spenningen og pumpetrykk. Pumpetrykk og dens økende rente stiger når spenningen øker. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 12: forholdet mellom kammer høyden og pumpe ytelse. Pumpen ytelse først øker deretter drops når kammeret høyde øker fra 0,1 mm til 0,5 mm. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 13: forholdet mellom hvor kammer og pumpe ytelse. Pumpen ytelse stiger når lengden øker.
Figur 14: forholdet mellom bredden og pumpe ytelse. Pumpetrykk forblir den samme når bredden øker.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
En av de viktige trinnene i protokollen er å inspisere elektrode platen nøye. Liten grader på kanten av en elektrode kan føre til en kortslutning, og overflaten integritet kan sterkt påvirke pumpen ytelse. Rengjøring av elektroden plate og holderen er også svært viktig. Elektroden er kammeret mindre enn 1 mm, slik at små støvpartikler kan blokkere arbeider flytende flyt og føre til en kortslutning. Før testen, kan injisere aceton i kammeret fjerne bobler utenfor kammeret.
Ytelsen til micropump kan være sterkt påvirket av høyden på kammeret. For å eliminere slike innflytelse, kan elastisk kammer platen bli erstattet av vanskeligere materiale.
Det er noen begrensninger med teknikken. Først bestemmes elektrode høyden av metall laget på FR-4 CCL. Det er relativt høy, noe som påvirker flyten av væske i noen grad. Andre ved hjelp av silikon membran som kammer platen, er sealability av kammeret forbedret. Elastisitet av silikon kan imidlertid forårsake noen avvik i kammeret høyde. Endelig er elektrode bredden og elektroden avstanden begrenset av teknikken, som gjør å oppnå høyere elektriske feltstyrken mye vanskeligere enn med andre teknikk.
I motsetning til klima og jordsmonn og andre høy presisjon fabrikasjon teknikker er bruke FR-4 CCL med denne elektrode fabrikasjon prosessen relativt enklere og billigere. På den annen side, er nødvendige strømstyrken i dette arbeidet mye lavere. Pearson og Alf-Yagoobi13 har foreslått en ring elektrode og perforert elektrode design som krever 5 kV DC spenning for pumpen å arbeide, mens i dette arbeidet strømmen kilden er bare 500 V.
Denne micropump kan brukes å gjenta et rør, spesielt en lang rør som krever en drivende kraft enn kapillær kraft. Setter inn én eller flere elektrode plater i varmerøret kan gi nok drivkraften for dielektrisk kjølevæsken å reise fra kalde slutten på varme slutten. En lignende funksjon kan også oppnås ved en ringformede elektrode laget på myke, isolerte materiale med en metall substrat.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne ikke avsløre.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble sponset av National Natural Science Foundation of China (51375176); Guangdong Provincial naturvitenskap grunnlaget for Kina (2014A030313264); og vitenskap og teknologi planlegger Guangdong provinsen, Kina (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
- Kazemi, P. Z., Selvaganapathy, P. R., Ching, C. Effect of micropillar electrode spacing on the performance of electrohydrodynamic micropumps. J Electrostat. 68 (4), 376-383 (2010).
- Kano, I., Nishina, T. Effect of electrode arrangements on EHD conduction pumping. IEEE Trans Ind Appl. 49 (2), 679-684 (2013).
- Laser, D. J., Santiago, J. G. A review of micropumps. J Micromech Microeng. 14 (6), R35 (2004).
- Fylladitakis, E. D., Theodoridis, M. P., Moronis, A. X. Review on the history, research, and applications of electrohydrodynamics. IEEE Trans Plasma Sci. 42 (2), 358-375 (2014).
- Yazdani, M., Seyed-Yagoobi, J. Effect of Charge Mobility on Electric Conduction Driven Dielectric Liquid Flow. Electrostatics Joint Conf. , (2009).
- Gharraei, R., Esmaeilzadeh, E., Hemayatkhah, M., Danaeefar, J. Experimental investigation of electrohydrodynamic conduction pumping of various liquids film using flush electrodes. J Electrostat. 69 (1), 43-53 (2011).
- Gharraei, R., Esmaeilzadeh, E., Nobari, M. R. H. Numerical investigation of conduction pumping of dielectric liquid film using flush-mounted electrodes. Theor Comp Fluid Dyn. 28 (1), 89 (2014).
- Jeong, S. -I., Seyed-Yagoobi, J. Experimental study of electrohydrodynamic pumping through conduction phenomenon. J Electrostat. 56 (2), 123-133 (2002).
- Seyed-Yagoobi, J. Electrohydrodynamic pumping of dielectric liquids. J Electrostat. 63 (6), 861-869 (2005).
- Hojjati, M., Esmaeilzadeh, E., Sadri, B., Gharraei, R. Electrohydrodynamic conduction pumps with cylindrical electrodes for pumping of dielectric liquid film in an open channel. Colloid Surface A. 392 (1), 294-299 (2011).
- Yazdani, M., Seyed-Yagoobi, J. Numerical investigation of electrohydrodynamic-conduction pumping of liquid film in the presence of evaporation. J Heat Trans-T ASME. 131 (1), 011602 (2009).
- Vafaie, R. H., Ghavifekr, H. B., Lintel, H., Brugger, J., Renaud, P. Bi-directional AC electrothermal micropump for on-chip biological applications. Electrophoresis. 37 (5-6), 719-726 (2016).
- Pearson, M. R., Seyed-Yagoobi, J. Experimental Study of Linear and Radial Two-Phase Heat Transport Devices Driven by Electrohydrodynamic Conduction Pumping. J Heat Trans-T ASME. 137 (2), 022901 (2015).
