Summary
Bu kağıt odası boyutları etkisi performansını test etmek için ateşe dayanıklı cam takviyeli epoksi (FR-4) bakır kaplı laminat (CCL) üzerinde simetrik düzlemsel elektrot kullanarak bir iletim micropump imalatı için bir protokol sunar bir iletim micropump.
Abstract
Burada, bir iletim micropump ateşe dayanıklı cam takviyeli epoksi (FR-4) bakır kaplı laminat (CCL) üzerinde hazırlanan simetrik düzlemsel elektrot çiftleri ile imal edilmiştir. Odası boyutları etkisi ve tel micropump performansını araştırmak ve aseton çalışma sıvı kullanıldığında iletim pompa güvenilirliğini belirlemek için kullanılır. Test platformu farklı koşullar altında ve tel micropump performansını değerlendirmek için ayarlanır. Oda yüksekliği 0.2 mm olduğunda, pompa basıncı en yüksek değerine ulaşır.
Introduction
Micropumps sıvı akışı çok daha küçük bir ölçekte en pompaları daha sürebilir. Son yıllarda, çeşitli sürüş programları mikrosıvısal sistemleri1,2,3,4,5' e başarıyla uygulandı. Electrohydrodynamic (EHD) pompa Kuvvetleri hangi geçici o basit ve kolay6imal etmek doğrudan sıvı üzerinde herhangi bir hareketli parçalar olmadan uygulamayın. Şarj türlerine göre EHD pompa enjeksiyon pompaları, indüksiyon pompaları veya iletim pompalar sınıflandırılabilir. Enjeksiyon pompaları Sıvı iletkenlik değiştirmek ise indüksiyon Pompalar, izotermal sıvılar üzerinde çalışmaz. Onlar böyle bir sorun eksikliği nedeniyle iletim pompalar daha istikrarlı ve daha geniş bir uygulama var.
İletim pompanın sıvı molekülleri ayrılma ve rekombinasyon oranları uyuşmazlığı üzerinde temel alır. Normalde, ayrışma ve rekombinasyon işleminin7,8aşağıdaki gibi ifade edilebilir:
ayrılma oranı kd elektrik alan şiddeti bir fonksiyonu ise sürekli rekombinasyon oranı kr nerede. Elektrik alan şiddeti belirli bir değere ulaştığında, ayrılma oranı rekombinasyon hızı aşıyor. O zaman, daha fazla ücretsiz ücretleri Ters polarite ve heterocharge Katmanlar formu iki elektrot için seyahat. Masraf hareketinin sıvı molekülleri ileri iter gibi bu heterocharge Katmanlar pompa, anahtarıdır. Bu nedenle, net vücut kuvvet kullanarak asimetrik elektrotlar veya pozitif ve negatif iyonlar9,10,11,12 hareketliliğini uyuşmazlığı odası içinde sıvı oluşturulabilir .
Bu eser bir simetrik düzlemsel elektrot tabak ve tel pompa imalatı, yeni bir yol sunar. Elektrot plaka üzerinde FR-4 CCL hazırlanır ve Pompa Odası mikro işleme tarafından hazırlanmıştır. İmalat işlemleri nispeten daha basit ve daha nanolithography gibi diğer üretim yöntemlerini daha uygun. Test platformu farklı koşullar altında ve tel micropump performansını araştırmak için ayarlanır. Ayrıca, ve tel micropump güvenilirliğini de farklı koşullarda araştırıldı.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
dikkat: ilgili tüm malzeme güvenlik bilgi formları (MSDS) kullanmadan önce lütfen danışın. Aseton son derece yanıcı ve gözleri ve solunum yolu tahrişe neden olabilir. Gerilim ilgili birkaç bin volt olarak yüksektir; Bu nedenle, elektrik sparks deney zaman bekleniyor. Kıvılcım yangın ve patlamalar önlemek için iyi bir havalandırma ile bir odada deneyler yürütmek.
1. tabakalar ve tutucu imalatı
Not: Bu çalışmada, bir fabrikada bir üretim hattiyla genisletildi cihazlarında elektrot tabakalar ve tutucu. Sadece malzeme ve bu kağıt her yerinde parametreler nedeniyle karmaşık süreçler tanıtılacaktır.
- Malzeme ve elektrot plaka boyutunu
- Fabricate elektrot plakaları 1.4 mm kullanarak FR-4 CCL 35 µm ince bakır tabakası ile. Elektrot plaka detaylı parametreleri için bkz: şekil 1.
- Parametreleri elektrot
- elektrot plakaları fabrikadan sipariş. Daha fazla bilgi için bkz: Şekil 2.
- Elektrot plaka incelenmesi
- elektrot plaka hazırlanması sonra bir elektron mikroskobu altında 100 X ve 300 X büyütme göze çarpan herhangi bir kusurları için elektrotlar incelemek için kullanın. şekil 3 ' te gösterilen elektrot yüzeyinde herhangi bir küçük kusurları kısa devre, neden olabileceğini unutmayın.
- Kontrol ve elektrot genişlik ve Aralık boyut doğruluk gereksinimi uygun olup olmadığını belirlemek için ölçmek.
- Bir elektrik short-circuit oluşup oluşmayacağını görmek üzere bir amperemeter ile plaka testi.
- Hazırlık odası plaka
- bazı silikon membran elektrot plaka ile aynı boyutta için şekil 4 ' te gösterildiği gibi kesti. Silikon membranlar ile farklı yükseklikte pilakalar odası yapmak için farklı kalınlıklarda seçin.
- Özel bir Delme araç odası delik için şekil 5 ' te gösterildiği gibi kullanın.
- Sahibi işleme
- bir fabrika sahibinden sipariş. Detaylı parametreleri şekil 6 ' da gösterilen.
- Kapak plakasını imalatı
- üst kısmında bir sondaj kullanarak kapak plakasını matkap iki delik makine giriş ve çıkış boruları yüklemek için. Kendi pozisyonları ve boyutları için Şekil 7 bkz.
2. Micropump Meclisi
- yıkama için tüm plakaları, sahibi, giriş ve çıkış boruları ve deneylerde kullanılan diğer araçları kullanım aseton. Bu araçlar ve plakaları bir ölçek içinde koymak ve sonra onları sokmak için yeterli % 99.5 aseton dökün. İçinde ultrasonik yıkama kabı koymak. Ultrasonik yıkama açmak ve 5 dk. fırının saatini kurdu
- İki delik kapak plaka üzerinde giriş ve çıkış paslanmaz çelik tüpler takın.
- Silikon membran elektrot plaka üzerinde yapılmış bir odası tabak yerleştirin ve sonra kapak plakasını ile kapağı.
- Yığını ve kapak plakasını hizalamak, Oda plaka ve elektrot plaka yukarıdan aşağıya doğru ve hizalanmış plakaları tutucusuna takın.
- Kullanımı bir M5 cıvata plaka sahibi içinde düzeltmek için. Patlama görünümü ve monte micropump, normal görünüm şekil 8 ve 9 şekil, sırasıyla gösterildiği bkz.
- Basın plakaları birlikte civata sıkma.
Not: Tüpler ve Oda plaka den bir geçiş için çalışma sıvı oluşturacak. Elastik odası plaka da dışarı akan sıvı önlemek için plakalar arasındaki boşluğu kapatın. Patlama ve monte micropump şekil 8 ve 9 şekil, normal görünümünde sırasıyla bkz.
- İki poliüretan hortumlar 4 mm dış çap ve 2 mm iç çapı ile giriş ve çıkış paslanmaz çelik tüpler bağlamak için kullanın.
- Bir amperemeter, bir 500 V DC güç kaynağı ve micropump dizi bağlayın. 1 eklemek mA sigorta amperemeter ve micropump kısa devre durumunda amperemeter korumak için güç kaynağı arasında.
- 50 mL kabı ile 20-30 mL aseton içinde içine giriş hortumu takın.
Not: Şekil 10 tamamlanan platform gösterir.
3. Deneysel bir işlem
- hazırlık deneme önce işe
- 'ni bir silindir micropump kadar doldurmak için aseton enjekte etmek. Sıvı düzey çıkış hortumu ulaştıktan sonra tüm kabarcıklar uzak odası itilir kadar aseton içinde 10 mL enjekte etmek devam.
Not: Bu kapak plakasını ve elektrot plaka şeffaf olmadığı için oda içinde yaptı herhangi bir kabarcık olup olmadığını görmek mümkün değildir. Sürekli aseton enjekte kabarcıklar giderilmesine yardımcı olur, ancak hava kabarcığı yok micropump içinde bırakılır garanti edemeyiz. Kabarcıklar sıvı geçişini engelleyebilir veya kısa devreler ve elektrotlar yanacak micropump içinde bir mikro-patlamaya neden olabilir. Kabarcıklar etkisi pompa işlemi tamamen açık henüz değil, ama onlar neden arıza birkaç kez gözlenmiştir. - 20-30 mL aseton kabı dökün ve giriş hortum kabı koymak. Böylece aseton pompa akışı ve hava micropump odanın içine sucked sıvı düzeyi en az 5 mm giriş yüksek olduğundan emin olun.
- 'ni bir silindir micropump kadar doldurmak için aseton enjekte etmek. Sıvı düzey çıkış hortumu ulaştıktan sonra tüm kabarcıklar uzak odası itilir kadar aseton içinde 10 mL enjekte etmek devam.
- Statik basınç test
- hortumu düz ve dikey kalabileceği çıkış hortumu küçük bir kareye ekleyin. Sıvı düzeyini ölçmek için cetvel çıkış hortumu yanında koydu.
- Micropump güç kaynağına bağlayın.
- Test düğmeye basarak başlatın ve ardından başlangıç sıvı düzeyi işaretleyecektir.
- Sıvı seviyesi kararlı olduktan sonra zaman, son sıvı seviyesi ve elektrik akımı kaydetmek.
- Sıvı düzeyi ve geçerli her 10 kaydetmek devam micropump tatili kadar s.
- Akış hızı test
- büyük bir ölçüm silindir çıkış hortumdan gelen sıvı toplamak için kullanın. Böylece sonunda ölçek sıvı düzeyi olarak aynı yükseklikte kalır çıkış hortumu düzeltmek emin olun.
- Micropump güç kaynağına bağlayın.
- Test düğmeye basarak başlatın ve ardından başlangıç sıvı düzeyi işaretleyecektir.
- Sıvı çıkış hortumdan akmaya başladığında kayıt aseton içinde ölçüm silindir hacmi her 10 s. Deneme ilerledikçe, Sıvı düzey korumak için kabı aseton ekleyin.
- Güvenilirlik test
- Pompa güvenilirliğini değerlendirmek için
- kullanımı ortalama çalışma zamanı. Akış oranı test ve statik basınç testi sırasında pompa çalışmaz hale önce operasyon süresi kaydedin. Deneme sırasında her arıza ayrıntılı olayları kaydetmek ve daha sonra daha ayrıntılı bir çözümleme için elektrot plaka yüzey incelemek.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Gerilim arttıkça Şekil 11' de gösterildiği gibi pompa basıncı ve artan hızları ayağa kalkın. 500 V gerilim ulaştığı zaman pompa basınç 1.100 ulaşır baba.
Pompa statik basınç odası Yükseklik 0.2 mm altında olduğunda artan Pompa Odası yüksekliği ile yükselir. Oda yüksekliği 0.2 mm olduğunda pompa performansı en yüksek noktası ulaşır. Oda yüksekliği artmaya devam ediyor ne zaman sonra statik Basınç düşüyor. Bu o 0.2 mm odası yükseklik için en iyi değeri olduğunu inanılıyor. Sonuçlar şekil 12' de gösterilen.
Odası uzunluğu artırarak, statik basınç, 23 mm odası uzunluğu kadar büyük bir yamaç ve daha sonra kademeli bir artış gösteren küçük bir eğim ile yükselir. Pompa basınç değişim eğilimi şekil 13' te gösterilmektedir.
Şekil 14' te gösterildiği gibi statik basınç odası genişliği eğri karşı hafif bir düşüş odası genişliği 2 mm 3 mm. için daha sonra arttığında, statik basınç odası genişliği arttıkça belirli bir düzeyde kalır.
Test sırasında micropump 10-90 dk çalıştıktan sonra sık sık bozulur. Belirli bir süre çalıştıktan sonra pompa basıncı arıza oluşana kadar düşmeye devam ediyor. Ancak, yeni aseton kabı için eklendiğinde pompa basınç performansını geri yüklenebilir.
Baloncuklar içinde pompa olduğunda, pompa basıncı çalışma sıvı geçişini kabarcıklar tarafından engellendiği için normalde olduğu gibi yüksek artacak değil. Eğer yeterince plakaları temizlenir değil, bu parçacıklar elektrotlar boşluk için gittiğinizde orada hala toz veya diğer kirlenme anlamına gelir pompa kolayca kısa devre. Pompa kısa devre zaman, elektrik akımı çok hızlı yükselişi ve elektrotlar yakmak.
Şekil 1: elektrot plaka boyutunu. Elektrot plaka, Oda plaka ve kapak plakasını aynı boyutu vardır. Onların genişlikleri 9 mm ve 40 mm onların uzunlukları vardır. Tel lehim için delik çapı, 1.6 mm. sipariş elektrot plakaları bu parametreler ile fabrikadan ve daha sonra onlar içindeki kutusunda sığdığından emin olmak için plaka boyutu kontrol. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 2: Boyutlar elektrot. Elektrot plakaları elektrotlar, 23 çift 300 µm, 200 µm bir elektrot aralıkları, 400 µm, iki elektrot çiftleri arasında bir genişlik boşluk bir elektrot uzunluğuna sahip olması ve bir elektrot 600 µm aralığını sona. Elektrot aralığı en önemli parametre olduğu elektrik alan şiddeti belirler. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 3: kısa devrelere zarar ve elektrotlar yüzeyinde küçük kusurları. Paçavra ve yüzey çukurlar elektrotlar tipik kusurları vardır. (Bir) çukurda ciddi bir arıza neden olmuş. (B) elektrodları bazıları yüksek elektrik alan şiddeti altında yanmak. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 4: Oda plakası boyutları. 9 mm ve 40 mm, genişlik ve uzunluk plaka sırasıyla vardır. Plaka kalınlığı bu testlerde 0.3 mm olduğunu. Boyut hassasiyeti 0.1 mm. olan Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 5: özel bir delik fotoğrafı. Özel Delme araç odası plaka den kesim için özelleştirilmiştir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 6: sahibinin çizim mühendislik. 3 üst açmak için giriş ve çıkış paslanmaz çelik tüpler mm'dir. Tüm duvar kalınlığı 2 mm ve sahibi toplam boyutunu 14 37,5 x 9 mm3x. Soldaki 2.4 mm duvar için elektrot plaka, kapak plakasını ve Oda plaka konumunu düzenliyor. Sahibi dibinde bir sıkılaştırma cıvata için bir M5 dişli delik var. Boyut hassasiyeti sahibinin 0.1 mm, hangi çok yüksek değil. Elektrot plaka içine sığabilecek emin olun. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 7: kapak plakasını parametrelerinin. Kapak plakasını malzemesinin de FR4 olduğunu. İki paslanmaz çelik tüp deliğe çalışma sıvı için giriş ve çıkış geçişi sağlamak için eklenir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 8: micropump görünümünü patlama. Yukarıdan aşağıya doğru giriş ve çıkış boruları, kapak plakasını, Oda plaka, elektrot plaka ve Tespitleme cıvata vardır. Tüpler ve c denhamber plaka formu için çalışma sıvı sıvı bir geçit. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 9: Monte micropump görüntü işlenen. Şimşeği tespit etmek sonra tüm plakaları birlikte bastı ve Oda plaka üzerinde delik sıvı akışı için tek yer. Elastik odası plaka da dışarı akan sıvı önlemek için plakalar arasındaki boşluğu kapatın. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 10: micropump resmi deneme platformu. Aseton içeren şişe-ebilmek var olmak eski yerine koymak ile bir ölçek kabı aseton çok fazla volatilizing önlemek için ince film ile karşılamak daha güvenli değildir Güç kaynağı, amperemeter ve pompa seri bağlı. Çıkış hortumu da bir cam tüp tarafından değiştirilebilir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 11: gerilim ve pompa basıncı arasındaki ilişki. Pompa basınç ve artan hızları gerilim arttıkça yükselir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 12: Oda yüksekliği ve pompa performans ilişkisi. Oda yüksekliği 0,1 mm 0.5 mm. için artar pompa performans ilk o zaman damla artar Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 13: odası uzunluğu ve pompa performans ilişkisi. Uzunluğu arttıkça pompa performans yükselir.
Şekil 14: Oda genişliği ve pompa performans ilişkisi. Pompa basınç odası genişliği artırır aynı kalır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Protokol içindeki kritik adımlar elektrot plaka dikkatle incelemek için biridir. Bir elektrot kenarına küçük kenar pürüzleri içinde bir short-circuit neden olabilir ve yüzey bütünlük pompa performansını büyük oranda etkileyebilir. Elektrot plaka ve tutucu temizliği de çok önemlidir. Bu yüzden küçük toz parçacıklarının çalışma sıvı akışını bloke edebilir ve bir short-circuit neden elektrot Odası 1 mm'den az yüksekliğidir. Önce test, aseton odanın içine enjekte kabarcıklar odası dışında kaldırabilirsiniz.
Micropump performansını ciddi odası yükseklik tarafından etkilenebilir. Böyle etkisi ortadan kaldırmak için elastik odası plaka daha sert malzeme tarafından değiştirilebilir.
Teknik bazı sınırlamalar vardır. İlk olarak, elektrot yüksekliği FR-4 CCL metal katmanda tarafından belirlenir. Nispeten yüksek bir dereceye kadar sıvı akışı miktarını etkiler. İkinci olarak, silikon membran odası plaka kullanarak, sealability odasının artırıldı. Ancak, silikon esnekliğini odası yüksekliği bazı sapma neden olabilir. Son olarak, elektrot genişlik ve elektrot Aralık yüksek elektrik alan şiddeti diğer tekniği ile çok daha zor elde yapar tekniği kendisi ile sınırlıdır.
Fotolitografi ve diğer yüksek-tamlık imalat teknikleri aksine, FR-4 CCL bu elektrot üretim süreci ile nispeten daha ucuz ve basit kullanmaktır. Öte yandan, bu çalışmalarında gerekli elektrik voltaj çok daha düşüktür. Pearson ve Seyed Yagoobi13 önerdi bir yüzük elektrot ve 5 gerektirir delikli elektrot tasarım kV DC gerilim pompa için bir çözüm için bu çalışmada ise, sadece 500 V güç kaynağı olduğunu.
Bu micropump bir ısı borusu, özellikle kapiller Kuvvetleri dışındaki bir itici güç gerektirir bir uzun ısı borusu döngü için kullanılabilir. Bir veya daha fazla elektrot tabak içinde ısı borusu ekleme Dielektrik soğutucu sıcak sonuna kadar soğuk ucundan seyahat için yeterli itici güç sağlar. Benzer bir işlev de bir metal yüzey ile yumuşak, yalıtılmış malzeme üzerinde fabrikasyon bir annüler elektrot elde edilebilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar ifşa gerek yok.
Acknowledgments
Bu eser Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı Çin tarafından (51375176); sponsor oldu Guangdong İl doğal Bilim Vakfı Çin (2014A030313264); ve bilim ve teknoloji proje Guangdong Eyaleti, Çin (2014B010126003) planlama.
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).
