Platforma do testowania wydajności mikropompy kondukcyjnej z płytką elektrody pokrytą miedzią FR-4
9 października 2017
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.
Ogólnym celem tego eksperymentu jest wyprodukowanie mikropompy przewodzącej przy użyciu symetrycznych elektrod planarnych na ognioodpornym, wzmocnionym włóknem szklanym laminacie pokrytym miedzią epoksydową w celu zbadania wpływu wymiarów komory na wydajność mikropompy kondukcyjnej. Główną zaletą tej techniki jest to, że zaangażowane napięcie wynosi zaledwie kilkaset woltów. A koszt produkcji jest stosunkowo niski.
Chociaż metoda ta może zapewnić wgląd w mechanizm działania pompy kondukcyjnej, można ją również zastosować w wielu innych systemach, takich jak systemy dostarczania magistrali i systemy mikrochłodzenia. Na początek umieść płytkę w zlewce powierzchnią elektrody skierowaną w dół, aby usunąć małe cząsteczki, takie jak kurz, z powierzchni płytki. Umieść również uchwyt, rurki wlotowe i wylotowe oraz inne narzędzia używane w eksperymentach wewnątrz zlewki.
Następnie wlej tyle 99,5 procent acetonu, aby zanurzyć przedmioty. Umieść zlewkę w myjce ultradźwiękowej i włącz ją na pięć minut. Następnie 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 osłonową. Ułóż i wyrównaj pokrywę, płytkę komory i płytkę elektrody od góry do dołu, a następnie włóż wyrównane płytki do uchwytu. Użyj M2, aby zamocować płytki wewnątrz uchwytu.
Dociśnij płyty do siebie, dokręcając. Następnie użyj dwóch węży poliuretanowych o średnicach zewnętrznych czterech milimetrów i średnicach wewnętrznych dwóch milimetrów, aby połączyć rurki wlotowe i wylotowe ze stali nierdzewnej. Podłącz szeregowo amperomierz, źródło prądu stałego 500 V i mikropompę.
Następnie włóż bezpiecznik o wartości jednego miliampera między amperomierz a źródło zasilania, aby chronić amperomierz w przypadku zwarcia mikropompy. Na koniec włóż wąż dopływowy do 50-mililitrowej zlewki z 20 do 30 mililitrami acetonu w środku. Aby przygotować się do eksperymentu, użyj butli do ekstrakcji acetonu w celu napełnienia mikropompy.
Gdy poziom cieczy dotrze do węża wylotowego, kontynuuj wydobywanie dziesięciu mililitrów acetonu z wnętrza, aż wszystkie pęcherzyki zostaną wypchnięte z komory. Kilkakrotnie odessać aceton z pompy, a następnie wstrzyknąć go ponownie, nie wprowadzając powietrza do wnętrza pompy, aby usunąć pęcherzyki. Aby wykonać próbę ciśnienia statycznego, przymocuj wąż odpływowy do małej ramy, tak aby wąż mógł pozostać prosty i pionowy.
Umieść linijkę wzdłuż węża wylotowego, aby zmierzyć poziom cieczy. Podłącz mikropompę do źródła zasilania. Rozpocznij test od podniesienia napięcia do 500 woltów, a następnie zaznacz początkowy poziom cieczy.
Po ustabilizowaniu się poziomu cieczy zapisz czas, końcowy poziom cieczy i prąd elektryczny. Kontynuuj rejestrowanie poziomu cieczy i prądu co dziesięć sekund, aż mikropompa ulegnie awarii. Aby wykonać test natężenia przepływu, użyj dużego cylindra miarowego, aby zebrać ciecz wypływającą z węża wylotowego.
Pamiętaj, aby zamocować wąż wylotowy tak, aby koniec pozostał na tej samej wysokości, co poziom cieczy w zlewce. Włącz źródło zasilania. Rozpocznij test od podniesienia napięcia do 500 woltów, a następnie zaznacz początkowy poziom cieczy.
Gdy ciecz zacznie wypływać z węża wylotowego, co dziesięć sekund zapisuj objętość acetonu wewnątrz cylindra miarowego. W miarę trwania eksperymentu dodaj aceton do zlewki, aby utrzymać poziom płynu. Pokazano tutaj rosnące tempo ciśnienia pompy wraz ze wzrostem napięcia.
Gdy napięcie osiągnie 500 woltów, ciśnienie pompy osiąga 1,100 Pascal. Ciśnienie statyczne pompy wzrasta wraz z wysokością komory pompy. Wydajność pompy osiąga najwyższy punkt, gdy wysokość komory wynosi 0,2 milimetra.
Następnie ciśnienie statyczne spada, gdy wysokość komory nadal rośnie. Na podstawie tych wyników za najlepszą wartość wysokości komory uważa się 0,2 milimetra. Zwiększając długość komory, ciśnienie statyczne wzrasta, z dużym nachyleniem, aż do długości komory 23 milimetry.
Następnie kontynuuje wznoszenie się z mniejszym nachyleniem, co wskazuje na stopniowy wzrost. Następuje niewielki spadek krzywej ciśnienia statycznego w funkcji szerokości komory, gdy szerokość komory wzrasta z dwóch milimetrów do trzech milimetrów. Następnie ciśnienie statyczne utrzymuje się na pewnym poziomie wraz ze wzrostem szerokości komory.
Po opanowaniu tej techniki można ją wykonać w pół godziny, jeśli zostanie wykonana prawidłowo. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak skonfigurować platformę i przetestować wydajność mikropompy przewodzącej. Nie zapominaj, że praca z acetonem może być niebezpieczna i podczas wykonywania tej procedury należy zawsze zachować środki ostrożności, takie jak noszenie gumowych rękawiczek.
Pokazaliśmy, że demonstracja tej metody jest kluczowa. Podczas eksperymentu może dojść do zwarcia, jeśli etapy mycia i kontroli nie zostaną przeprowadzone ostrożnie.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie przedstawia protokół wykonania kondukcyjnej mikropompy z wykorzystaniem symetrycznych elektrod płaskich na niepalnym laminacie epoksydowym wzmocnionym włóknem szklanym i pokrytym miedzią. Celem badań jest sprawdzenie, w jaki sposób wymiary komory wpływają na wydajność mikropompy.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Mikrofluidyka
- Elektrohydrodynamika
- Wytwarzanie urządzeń
Wstęp
- Mikropompa kondukcyjna pracuje przy niskich poziomach napięcia.
- Koszty wykonania są stosunkowo niskie, co czyni ją dostępną dla różnorodnych zastosowań.
- Technika ta może dostarczyć informacji na temat mechanizmów działania pomp kondukcyjnych.
- Potencjalne zastosowania obejmują systemy dostarczania do pnia oraz systemy mikrochłodzenia.
Cel badania
- Wytworzenie kondukcyjnej mikropompy o określonych konfiguracjach elektrod.
- Ocena wpływu wymiarów komory na wydajność pompy.
- Zbadanie szerszej możliwości zastosowania techniki wytwarzania.
Zastosowane metody
- Umieszczenie płyty elektrody w zlewce w celu oczyszczenia.
- Wprowadzenie rurek doprowadzających i odprowadzających do układu eksperymentalnego.
- Testowanie różnych wymiarów komory w celu oceny wydajności.
- Analiza mechanizmu przewodzenia w różnych warunkach.
Główne wyniki
- Mikropompa wykazała skuteczne działanie przy niskich napięciach.
- Wymiary komory miały znaczący wpływ na wydajność pompy.
- Zdobyta wiedza może służyć do projektowania przyszłych urządzeń o podobnej konstrukcji.
- Potwierdzono potencjał zastosowania w różnorodnych systemach mikroprzepływowych.
Wnioski
- W ramach badania pomyślnie wykonano kondukcyjną mikropompę.
- Wymiary komory odgrywają krytyczną rolę w wynikach wydajności.
- Metodę tę można dostosować do różnych zastosowań mikrofluidycznych.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Niniejszy protokół umożliwia niskokosztową, niskonapięciową fabrykację przewodzących mikropomp do badania elektrohydrodynamicznego transportu płynów. Platforma ta pozwala na systematyczną ocenę wpływu geometrii komory na wydajność pompy, dostarczając danych ilościowych niezbędnych do optymalizacji urządzeń mikrofluidycznych. Taka charakterystyka pomaga zminimalizować ryzyko we wczesnych fazach projektowania systemów lab-on-a-chip oraz zastosowań w mikrochłodzeniu poprzez ustalenie progów wydajności w kontrolowanych warunkach.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biopharmaceutyków
Wczesne etapy odkrywania leków i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia mechanistyczną analizę zasad elektrohydrodynamicznych w manipulowaniu płynami w skali mikro.
- Wartość operacyjna: Wykorzystuje ogólnodostępne materiały i pracę pod niskim napięciem w celu zmniejszenia złożoności eksperymentalnej.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Zapewnia zestandaryzowaną platformę do oceny wpływu parametrów geometrycznych na szybkość przepływu i ciśnienie wyjściowe.
- Wartość operacyjna: Umożliwia powtarzalne testy dla różnych wymiarów komory z wykorzystaniem acetonu jako płynu modelowego.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Dostarcza informacji na temat kompromisów projektowych dla systemów mikroprzepływowych wymagających precyzyjnego zarządzania cieczami, takich jak formulacja leków czy odprowadzanie ciepła.
- Wartość operacyjna: Wyznacza optymalną wysokość komory (0.2 mm) dla maksymalnego ciśnienia, co stanowi wytyczną dla iteracji prototypu.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta wpisuje się w wczesne etapy procesów badawczych, w których ocenia się mechanizmy aktywacji płynowej pod kątem ich integracji z platformami diagnostycznymi lub systemami dostarczania terapeutyków.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących wpływu konfiguracji elektrod i geometrii komory na przepływ elektrohydrodynamiczny.
- Screening: Umożliwia ilościowe porównanie ciśnienia statycznego i natężenia przepływu dla różnych długości, szerokości i wysokości komory.
- Analityka: Generuje rozdzielcze w czasie pomiary poziomu cieczy i natężenia prądu w celu obliczenia wskaźników wydajności pompy.
- Badania translacyjne: Łączy empiryczne dane o wydajności z potencjalnym zastosowaniem w mikrosystemach chłodzenia lub lokalnych systemach dostarczania.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Podejście do produkcji oparte na materiale FR-4 oferuje wielorazową, niskokosztową platformę do iteracyjnego prototypowania mikrofluidycznego.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Redukuje niejednoznaczność mechanistyczną w pompowaniu elektrohydrodynamicznym poprzez izolację zmiennych wymiarów komory.
- Wartość operacyjna: Umożliwia szybkie ( <30 min) testy wydajności po montażu, co wspiera iteracyjne cykle projektowe.
- Wartość strategiczna: Pozwala zidentyfikować optymalne parametry geometryczne w celu zwiększenia wydajności pompy, skracając cykle iteracyjne w opracowywaniu urządzenia.
- Wpływ na portfolio: Wspiera decyzje typu go/no-go dla technologii mikrofluidycznego sterowania w oparciu o empiryczne zależności między ciśnieniem a przepływem.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymagana jest wiedza specjalistyczna w zakresie montażu mikroprzepływowego oraz zasad elektrohydrodynamiki.
- Wymagane jest zasilacz DC (do 500 V), amperomierz oraz układ do obsługi płynów z odpornością chemiczną na aceton.
- Wymagane jest stosowanie praktyk zbliżonych do standardów cleanroom, aby zapobiec zanieczyszczeniu cząsteczkowemu podczas przygotowywania płytek.
- Proces obejmuje protokoły bezpieczeństwa dotyczące obsługi rozpuszczalników łatwopalnych i komponentów wysokiego napięcia.
- Metoda jest ograniczona do płynów o odpowiedniej przewodności elektrycznej i lotności; wydajność może się różnić w zależności od zastosowanych alternatywnych płynów roboczych.
