Method Article

Platforma do testowania wydajności mikropompy kondukcyjnej z płytką elektrody pokrytą miedzią FR-4

DOI:

10.3791/55867

⸱

October 9th, 2017

 ,  ,  ,  , 
1School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Mikropompy mogą napędzać przepływ cieczy na znacznie mniejszą skalę niż większość pomp. W ostatnich latach różne schematy sterowania zostały z powodzeniem zastosowane w systemach mikroprzepływowych1,2,3,4,5. Pompa elektrohydrodynamiczna (EHD) może wywierać siły bezpośrednio na ciecz, bez żadnych ruchomych części, co ułatwia i upraszcza wytwarzanie6. W zależności od typów wsadu, pompy EHD można sklasyfikować jako pompy wtryskowe, pompy indukcyjne lub pompy przewodzące. Pompy indukcyjne nie pracują na cieczach izotermicznych, podczas gdy pompy wtryskowe zmieniają przewodność cieczy. Ponieważ nie mają takich problemów, pompy koncepcyjne są bardziej stabilne i mają szersze zastosowanie.

Pompa kondukcyjna opiera się na niedopasowaniu szybkości dysocjacji i rekombinacji cząsteczek cieczy. Normalnie proces dysocjacji i rekombinacji można wyrazić w następujący sposób7,8:
figure-introduction-1
gdzie szybkość rekombinacji kr jest stała, podczas gdy szybkość dysocjacji kd jest funkcją natężenia pola elektrycznego. Gdy natężenie pola elektrycznego osiągnie określoną wartość, szybkość dysocjacji przekroczy szybkość rekombinacji. Następnie coraz więcej wolnych ładunków przemieszcza się do dwóch elektrod o przeciwnej polaryzacji i tworzą się warstwy heteroładunków. Te warstwy heteroładunku są kluczem do pompy, ponieważ ruch ładunków popycha cząsteczki cieczy do przodu. W związku z tym siła ciała użytecznego może być generowana w cieczy w komorze za pomocą elektrod asymetrycznych lub niedopasowania ruchliwości jonów dodatnich i ujemnych9,10,11,12.

Ta praca wprowadza nowy sposób wytwarzania symetrycznej płytki elektrody płaskiej dla pompy przewodzącej. Płytka elektrody jest przygotowywana na FR-4 CCL, a komora pompy jest przygotowywana metodą mikroobróbki. Procesy wytwarzania są stosunkowo prostsze i wygodniejsze niż w przypadku innych metod wytwarzania, takich jak nanolitografia. Stworzono platformę testową w celu zbadania wydajności mikropompy kondukcyjnej w różnych warunkach. Ponadto bada się również niezawodność mikropompy kondukcyjnej w różnych okolicznościach.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

  1. Materiał i rozmiar płytki elektrody
    1. 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.
  2. Parametry elektrod
    1. Zamów płytki elektrod w fabryce. Zobacz Rysunek 2, aby uzyskać więcej informacji.
  3. Kontrola płytki elektrody
    1. 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.
    2. Sprawdź i zmierz szerokość i odstępy między elektrodami, aby określić, czy dokładność wymiarów spełnia wymagania.
    3. Przetestuj płytkę za pomocą amperomierza, aby sprawdzić, czy nie wystąpiło zwarcie elektryczne.
  4. Przygotowanie płyty komory
    1. 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.
    2. Użyj specjalnego narzędzia do wykrawania, aby przebić otwór komory, jak pokazano na Rysunek 5.
  5. Przetwarzanie danych posiadacza
    1. Zamów uchwyt w fabryce. Szczegółowe parametry są pokazane w Rysunek 6.
  6. Wykonanie pokrywy
    1. 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

  1. 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.
  2. Włóż rurki wlotowe i wylotowe ze stali nierdzewnej do dwóch otworów w pokrywie.
  3. Na płytce elektrody należy umieścić płytkę komory wykonaną z membrany silikonowej, a następnie przykryć ją płytką pokrywową.
  4. Ułóż i wyrównaj pokrywę, płytkę komory i płytkę elektrody od góry do dołu, a następnie włóż wyrównane płytki do uchwytu.
    1. Użyj M5, aby zamocować płytki wewnątrz uchwytu. Zobacz widok eksplozji i widok normalny zmontowanej mikropompy, jak pokazano odpowiednio na Rysunek 8 i Rysunek 9.
    2. 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.
  5. Do połączenia rur wlotowych i wylotowych ze stali nierdzewnej należy użyć dwóch węży poliuretanowych o średnicy zewnętrznej 4 mm i średnicy wewnętrznej 2 mm.
  6. 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.
  7. 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

  1. Prace przygotowawcze przed eksperymentem
    1. 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.
    2. 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.
  2. Próba ciśnienia statycznego
    1. Przymocuj wąż wylotowy do małej ramy, aby wąż mógł pozostać prosty i pionowy. Umieść linijkę wzdłuż węża wylotowego, aby zmierzyć poziom cieczy.
    2. Podłącz mikropompę do źródła zasilania.
    3. Rozpocznij test, naciskając przełącznik, a następnie zaznacz początkowy poziom cieczy.
    4. Gdy poziom cieczy się ustabilizuje, zapisz czas, końcowy poziom cieczy i prąd elektryczny.
    5. Kontynuuj rejestrowanie poziomu cieczy i prądu co 10 s, aż mikropompa się zepsuje.
  3. Badanie natężenia przepływu
    1. 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.
    2. Podłącz mikropompę do źródła zasilania.
    3. Rozpocznij test, naciskając przełącznik, a następnie zaznacz początkowy poziom cieczy.
    4. 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.
  4. Test niezawodności
    1. 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.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Jak pokazano na Rysunek 11, ciśnienie pompy i jej rosnąca szybkość rosną wraz ze wzrostem napięcia. Gdy napięcie osiągnie 500 V, ciśnienie pompy osiąga 1 100 Pa.

Ciśnienie statyczne pompy wzrasta wraz ze wzrostem wysokości komory pompy, gdy wysokość komory jest mniejsza niż 0,2 mm. Wydajność pompy osiąga najwyższy punkt, gdy wysokość studzienki wynosi 0,2 mm. Następnie ciśnienie statyczne spada, gdy...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Amperemeter-85C1-MA
Zasilacz wysokiego napięcia DCFirma urządzeń elektrycznych NanTong Jianuo GY-WY500-1
Bezpiecznik-
Myjka ultradźwiękowaFirma urządzeń ultradźwiękowych Derui-
Lutownica-

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. Kano, I., Nishina, T. Effect of electrode arrangements on EHD conduction pumping. IEEE Trans Ind Appl. 49 (2), 679-684 (2013).
  3. Laser, D. J., Santiago, J. G. A review of micropumps. J Micromech Microeng. 14 (6), R35(2004).
  4. 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).
  5. Yazdani, M., Seyed-Yagoobi, J. Effect of Charge Mobility on Electric Conduction Driven Dielectric Liquid Flow. Electrostatics Joint Conf. , (2009).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Jeong, S. -I., Seyed-Yagoobi, J. Experimental study of electrohydrodynamic pumping through conduction phenomenon. J Electrostat. 56 (2), 123-133 (2002).
  9. Seyed-Yagoobi, J. Electrohydrodynamic pumping of dielectric liquids. J Electrostat. 63 (6), 861-869 (2005).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Conduction MicropumpFR 4 Copper cladChamber DimensionsAcetone Working FluidPerformance Testing PlatformStatic Pressure TestFlow Rate TestChamber Height OptimizationElectrode Plate AssemblyUltrasonic Cleaning

Related Articles