Ten artykuł przedstawia protokół wytwarzania mikropompy kondukcyjnej przy użyciu symetrycznych elektrod płaskich na ognioodpornym laminacie epoksydowym wzmocnionym włóknem szklanym (FR-4) pokrytym miedzią (CCL) w celu przetestowania wpływu wymiarów komory na wydajność mikropompy kondukcyjnej.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Platforma do testowania wydajności mikropompy kondukcyjnej z płytką elektrody pokrytą miedzią FR-4
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Tutaj wytwarzana jest mikropompa kondukcyjna z symetrycznymi płaskimi parami elektrod przygotowanymi na ognioodpornym laminacie miedzianym (CCL) z żywicy epoksydowej wzmocnionej włóknem szklanym (FR-4). Służy do badania wpływu wymiarów komory na wydajność mikropompy kondukcyjnej oraz do określania niezawodności pompy kondukcyjnej, gdy jako płyn roboczy stosowany jest aceton. Stworzono platformę testową do oceny wydajności mikropompy kondukcyjnej w różnych warunkach. Gdy wysokość studzienki wynosi 0,2 mm, ciśnienie pompy osiąga wartość szczytową.
Wprowadzenie
Mikropompy mogą wymuszać przepływ cieczy w znacznie mniejszej skali niż większość pomp. W ostatnich latach różne schematy napędowe zostały z powodzeniem zastosowane w systemach mikrofluidycznych1,2,3,4,5. Pompa elektrohydrodynamiczna (EHD) może wywierać siły bezpośrednio na ciecz, bez udziału ruchomych części, co czyni ją prostszą i łatwiejszą w wykonaniu6. W zależności od rodzaju ładunków, pompy EHD można sklasyfikować jako pompy wtryskowe, indukcyjne lub kondukcyjne. Pompy indukcyjne nie działają w cieczach izotermicznych, natomiast pompy wtryskowe zmieniają przewodność cieczy. Ponieważ pompy kondukcyjne są wolne od tych problemów, są one bardziej stabilne i mają szersze zastosowanie.
Pompa kondukcyjna opiera się na niezrównoważeniu szybkości dysocjacji i rekombinacji cząsteczek cieczy. Zazwyczaj proces dysocjacji i rekombinacji można wyrazić w następujący sposób7,8:
gdzie szybkość rekombinacji kr jest stała, natomiast szybkość dysocjacji kd jest funkcją natężenia pola elektrycznego. Gdy natężenie pola elektrycznego osiągnie określoną wartość, szybkość dysocjacji przekroczy szybkość rekombinacji. Wówczas coraz więcej swobodnych ładunków przemieszcza się do dwóch elektrod o przeciwnych polaryzacjach, tworząc warstwy ładunków przeciwnych. Warstwy te są kluczowym elementem pompy, ponieważ ruch ładunków pcha cząsteczki cieczy do przodu. W związku z tym, wykorzystując asymetryczne elektrody lub różnicę w ruchliwości jonów dodatnich i ujemnych, w cieczy wewnątrz komory można wygenerować wypadkową siłę objętościową9,10,11,12.
Niniejsza praca przedstawia nową metodę wytwarzania symetrycznej płaskiej płyty elektrodowej do pompy kondukcyjnej. Płyta elektrodowa jest przygotowywana na laminacie FR-4 CCL, a komora pompy jest opracowywana za pomocą mikrobrawienia. Procesy wytwarzania są stosunkowo prostsze i wygodniejsze niż w przypadku innych metod produkcji, takich jak nanolitografia. W celu zbadania wydajności mikropompy kondukcyjnej w różnych warunkach zbudowano platformę testową. Ponadto zbadano również niezawodność mikropompy kondukcyjnej w różnych okolicznościach.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
Uwaga: Proszę zapoznać się ze wszystkimi odpowiednimi kartami charakterystyki substancji niebezpiecznej (MSDS) przed użyciem. Aceton jest wysoce łatwopalny i może powodować podrażnienie oczu i dróg oddechowych. Napięcie, o które chodzi, wynosi nawet kilka tysięcy woltów; W związku z tym podczas przeprowadzania eksperymentu spodziewane są iskry elektryczne. Przeprowadzaj eksperymenty w pomieszczeniu z dobrą wentylacją, aby uniknąć eksplozji i pożaru od iskier.
1. Wykonanie płyt i uchwytu
UWAGA: W tej pracy płytki elektrody i uchwyt są wytwarzane przez linię produkcyjną w fabryce. Ze względu na skomplikowane procesy w tym artykule zostanie przedstawiony tylko materiał i parametry wszystkich części.
- Materiał i rozmiar płytki elektrody
- Płytki elektrod należy wykonać przy użyciu 1,4 mm FR-4 CCL z cienką warstwą miedzi o grubości 35 μm. Zobacz Rysunek 1, aby uzyskać szczegółowe parametry płytki elektrody.
- Parametry elektrod
- Zamów płytki elektrod w fabryce. Zobacz Rysunek 2, aby uzyskać więcej informacji.
- Kontrola płytki elektrody
- Po przygotowaniu płytki elektrody użyj mikroskopu elektronowego, aby sprawdzić elektrody pod kątem zauważalnych wad pod powiększeniem 100X i 300X. Należy pamiętać, że wszelkie drobne defekty na powierzchni elektrod mogą powodować zwarcia, jak pokazano na rysunku Rysunek 3.
- Sprawdź i zmierz szerokość i odstępy między elektrodami, aby określić, czy dokładność wymiarów spełnia wymagania.
- Przetestuj płytkę za pomocą amperomierza, aby sprawdzić, czy nie wystąpiło zwarcie elektryczne.
- Przygotowanie płyty komory
- Przytnij część membrany silikonowej do tego samego rozmiaru co płytka elektrody, jak pokazano na Rysunek 4. Wybierz membrany silikonowe o różnych grubościach, aby wykonać płyty komorowe o różnych wysokościach.
- Użyj specjalnego narzędzia do wykrawania, aby przebić otwór komory, jak pokazano na Rysunek 5.
- Przetwarzanie danych posiadacza
- Zamów uchwyt w fabryce. Szczegółowe parametry są pokazane w Rysunek 6.
- Wykonanie pokrywy
- Wywierć dwa otwory w górnej części pokrywy za pomocą wiertarki, aby zainstalować rurki wlotowe i wylotowe. Zobacz Rysunek 7, aby zapoznać się z ich pozycjami i rozmiarami.
2. Montaż mikropompy
- Użyj acetonu do umycia wszystkich płytek, uchwytu, rurek wlotowych i wylotowych oraz innych narzędzi używanych w eksperymentach. Umieść te narzędzia i płytki w zlewce, a następnie wlej tyle 99,5% acetonu, aby je zanurzyć. Umieść zlewkę w myjce ultradźwiękowej. Włącz myjkę ultradźwiękową i ustaw timer na 5 min.
- Włóż rurki wlotowe i wylotowe ze stali nierdzewnej do dwóch otworów w pokrywie.
- Na płytce elektrody należy umieścić płytkę komory wykonaną z membrany silikonowej, a następnie przykryć ją płytką pokrywową.
- Ułóż i wyrównaj pokrywę, płytkę komory i płytkę elektrody od góry do dołu, a następnie włóż wyrównane płytki do uchwytu.
- Użyj M5, aby zamocować płytki wewnątrz uchwytu. Zobacz widok eksplozji i widok normalny zmontowanej mikropompy, jak pokazano odpowiednio na Rysunek 8 i Rysunek 9.
- Dociśnij płyty do siebie, dokręcając.
UWAGA: Rurki i wnęka na płycie komory utworzą przejście dla cieczy roboczej. Elastyczna płyta komory może również uszczelnić szczelinę między płytami, aby zapobiec wypływaniu cieczy. Zobacz widok eksplozji i widok normalny zmontowanej mikropompy odpowiednio na Rysunek 8 i Rysunek 9.
- Do połączenia rur wlotowych i wylotowych ze stali nierdzewnej należy użyć dwóch węży poliuretanowych o średnicy zewnętrznej 4 mm i średnicy wewnętrznej 2 mm.
- Podłącz szeregowo amperomierz, źródło zasilania 500 V DC i mikropompę. Włóż bezpiecznik 1 mA między amperomierz a źródło zasilania, aby chronić amperomierz w przypadku zwarcia mikropompy.
- Włóż wąż dopływowy do zlewki o pojemności 50 ml z 20-30 ml acetonu w środku.
UWAGA: Rysunek 10 przedstawia ukończoną platformę.
3. Procedura eksperymentalna
- Prace przygotowawcze przed eksperymentem
- Użyj butli do wstrzyknięcia acetonu, aby napełnić mikropompę. Gdy poziom cieczy dotrze do węża wylotowego, kontynuuj wstrzykiwanie 10 ml acetonu do środka, aż wszystkie pęcherzyki zostaną wypchnięte z komory.
UWAGA: Nie można zobaczyć, czy wewnątrz komory pozostały jakieś pęcherzyki, ponieważ płyta pokrywy i płytka elektrody nie są przezroczyste. Ciągłe wstrzykiwanie acetonu pomaga usunąć pęcherzyki, ale nie gwarantuje, że wewnątrz mikropompy nie pozostaną żadne pęcherzyki. Pęcherzyki mogą blokować przepływ cieczy lub mogą powodować zwarcie obwodów i spowodować mikroeksplozję wewnątrz mikropompy, która spowoduje spalenie elektrod. Wpływ pęcherzyków na pracę pompy nie jest jeszcze do końca jasny, ale powodowane przez nie awarie zaobserwowano już kilkakrotnie. - Wlej 20-30 ml acetonu do zlewki i włóż wąż dopływowy do zlewki. Upewnij się, że poziom cieczy jest co najmniej 5 mm wyższy niż wlot, aby aceton mógł wpływać do pompy i nie można było zasysać powietrza do komory mikropompy.
- Użyj butli do wstrzyknięcia acetonu, aby napełnić mikropompę. Gdy poziom cieczy dotrze do węża wylotowego, kontynuuj wstrzykiwanie 10 ml acetonu do środka, aż wszystkie pęcherzyki zostaną wypchnięte z komory.
- Próba ciśnienia statycznego
- Przymocuj wąż wylotowy do małej ramy, aby wąż mógł pozostać prosty i pionowy. Umieść linijkę wzdłuż węża wylotowego, aby zmierzyć poziom cieczy.
- Podłącz mikropompę do źródła zasilania.
- Rozpocznij test, naciskając przełącznik, a następnie zaznacz początkowy poziom cieczy.
- Gdy poziom cieczy się ustabilizuje, zapisz czas, końcowy poziom cieczy i prąd elektryczny.
- Kontynuuj rejestrowanie poziomu cieczy i prądu co 10 s, aż mikropompa się zepsuje.
- Badanie natężenia przepływu
- Użyj dużego cylindra miarowego, aby zebrać płyn wypływający z węża wylotowego. Pamiętaj, aby zamocować wąż wylotowy tak, aby koniec pozostał na tej samej wysokości, co poziom cieczy w zlewce.
- Podłącz mikropompę do źródła zasilania.
- Rozpocznij test, naciskając przełącznik, a następnie zaznacz początkowy poziom cieczy.
- Gdy ciecz zacznie wypływać z węża odpływowego, co 10 s zapisuj objętość acetonu wewnątrz cylindra miarowego. W miarę trwania eksperymentu dodaj aceton do zlewki, aby utrzymać poziom płynu.
- Test niezawodności
- Użyj średniego czasu pracy, aby ocenić niezawodność pompy. Podczas próby natężenia przepływu i próby ciśnienia statycznego należy zarejestrować czas pracy przed awarią pompy. Rejestruj szczegółowe zjawiska każdej awarii podczas eksperymentu, a następnie sprawdź powierzchnię płytki elektrody w celu dalszej analizy.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Jak pokazano na Rysunku 11, ciśnienie pompy oraz tempo jego wzrostu rosną wraz ze wzrostem napięcia. Gdy napięcie osiąga 500 V, ciśnienie pompy osiąga 1 100 Pa.
Ciśnienie statyczne pompy rośnie wraz ze zwiększaniem wysokości komory pompy, gdy wysokość ta jest mniejsza niż 0.2 mm. Wydajność pompy osiąga najwyższy poziom przy wysokości komory wynoszącej 0.2 mm. Następnie ciśnienie statyczne spada w mi...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Jednym z krytycznych kroków w protokole jest dokładne sprawdzenie płytki elektrody. Małe zadziory na krawędzi elektrody mogą spowodować zwarcie, a integralność powierzchni może znacznie wpłynąć na wydajność pompy. Bardzo ważne jest również czyszczenie płytki i uchwytu elektrody. Wysokość komory elektrody jest mniejsza niż 1 mm, więc drobne cząsteczki pyłu mogą blokować przepływ cieczy roboczej i powodować zwarcie. Przed badaniem wstrzyknięcie acetonu do komory może usunąć pęcherzyki na zewnątrz komory.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Podziękowania
Ta praca była sponsorowana przez Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych Chin (51375176); Chińską Fundację Nauk Przyrodniczych Prowincji Guangdong (2014A030313264); oraz Projekt Planowania Nauki i Technologii Prowincji Guangdong, Chiny (2014B010126003).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Amperemeter-85C1-MA | |||
| Zasilacz wysokiego napięcia DC | Firma urządzeń elektrycznych NanTong Jianuo GY-WY500-1 | ||
| Bezpiecznik | - | ||
| Myjka ultradźwiękowa | Firma urządzeń ultradźwiękowych Derui | - | |
| Lutownica | - |
Bibliografia
- 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).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
