Summary
Dette paper præsenterer en protokol for fabrikation af en overledning micropump ved hjælp af symmetriske planar elektroder på brandhæmmende glas-forstærket epoxy (FR-4) kobberbeklædte laminat (CCL) til at teste kammer dimensioner indflydelse på udførelsen af en varmeledning micropump.
Abstract
Her, er en overledning micropump med symmetrisk planar elektrode par forberedt på brandhæmmende glas-forstærket epoxy (FR-4) kobberbeklædte laminat (CCL) opdigtet. Det bruges til at undersøge kammer dimensioner indflydelse på udførelsen af en overledning micropump og bestemme pålideligheden af varmeledning pumpen når acetone bruges som arbejdsfluidet. En test platform er sat op til at evaluere overledning micropump ydeevne under forskellige betingelser. Når det kammer er 0,2 mm, når pumpetryk sit højdepunkt værdi.
Introduction
Micropumps kan køre flydende flow på et meget mindre omfang end de fleste pumper. I de seneste år har er forskellige drivende ordninger blevet anvendt med succes til mikrofluid systemer1,2,3,4,5. Electrohydrodynamic (EHD) pumpe kan udøve styrker direkte på væsken, uden nogen bevægelige dele, hvilket gør det enklere og lettere at fabrikere6. Ifølge typerne afgift kan EHD pumper klassificeres som injektion pumper, induktion pumper eller overledning pumper. Induktion pumper arbejde ikke på isotermisk væsker, mens indsprøjtning pumper ændrer den flydende ledningsevne. Fordi de ikke har sådanne problemer, overledning pumper er mere stabilt og har et bredere program.
Varmeledning pumpen er baseret på misforhold af dissociation og rekombination satserne for flydende molekyler. Normalt, kan dissociation og rekombination processen udtrykkes som følger7,8:
hvor rekombination sats kr er konstant, mens dissociation sats kd er en funktion af elektrisk feltstyrke. Når elektrisk feltstyrken når en vis værdi, vil dissociation overstige rekombination sats. Derefter rejse mere og mere frie afgifter til de to elektroder af modsatte polaritet og heterocharge lag form. Disse heterocharge lag er nøglen til pumpen, som bevægelsen af afgifterne, der skubber de flydende molekyler frem. Derfor, netto kroppen kraft kan genereres i væsken i kammeret ved hjælp af asymmetriske elektroder eller uoverensstemmelse med positive og negative ioner9,10,11,12 mobilitet .
Dette arbejde introducerer en ny måde at opdigte en symmetrisk planar elektrode plade for en overledning pumpe. Elektrode plade er forberedt på FR-4 CCL, og pumpe kammer er udarbejdet af mikro. Fabrication processerne er forholdsvis enklere og mere bekvem end andre fremstillingsformer, såsom nanolithography. En test platform er sat op til at undersøge effektiviteten af varmeledning micropump under forskellige betingelser. Derudover er pålideligheden af varmeledning micropump også undersøgt under forskellige omstændigheder.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
forsigtighed: Rådfør dig med alle relevante materiale sikkerhedsdatablade (MSDS) før brug. Acetone er meget brandfarligt og kan forårsage irritation af øjne og luftveje. Den spænding, der er involveret er så højt som adskillige tusinde volt; derfor forventes elektriske gnister, når gennemføre forsøget. Udføre eksperimenter i et rum med god ventilation til at undgå eksplosion og brand fra gnisterne.
1. fabrikation af plader og indehaveren
NOTE: I dette arbejde, elektrode plader og indehaveren er fremstillet af en produktionslinje i en fabrik. Kun materiale og parametrene for alle dele i dette dokument vil blive indført på grund af de komplicerede processer.
- Materiale og størrelse af elektrode plade
- Fremstil elektroden plader ved hjælp af 1,4 mm FR-4 CCL med en tynd kobber lag af 35 µm. Se figur 1 for detaljerede parametre for elektrode plade.
- Parametre af elektroderne
- Bestil elektrode plader fra fabrikken. Se figur 2 for flere oplysninger.
- Inspektion af elektrode plade
- efter forberedelse af elektrode plade, bruge en elektron mikroskop til at inspicere elektroder til nogen mærkbar fejl under 100 X og 300 X forstørrelse. Bemærk, at enhver lille fejl på overfladen af elektroderne kan forårsage kortslutning, som vist i figur 3.
- Inspicere og måle elektrode bredde og afstand til at afgøre, om dimension nøjagtigheden opfylder kravet.
- Test pladen med et amperemeter at se, hvis en elektrisk kortslutning opstår.
- Forberedelse af kammeret plade
- skære nogle silikone membran til samme størrelse som den elektrode plade, som vist i figur 4. Vælg silikone membraner med forskellige tykkelser til lave kammer plader med forskellige højder.
- Bruge en speciel stansning værktøj til punch kammer hul, som vist i figur 5.
- Behandling af indehaveren
- Bestil indehaveren fra en fabrik. De detaljerede parametre er vist i figur 6.
- Fabrikation af dækpladen
- boret to huller på toppen dækpladen ved hjælp af en bore maskine for at installere indsugnings- og udstødningsporte rør. Se figur 7 for deres holdninger og størrelser.
2. Montering af Micropump
- Brug acetone at vaske alle pladerne, indehaveren, indsugnings- og udstødningsporte rør og andre værktøjer, der anvendes i eksperimenter. Sætte disse værktøjer og plader inde i et bægerglas og derefter hælde nok 99,5% acetone for at fordybe dem. Sætte bægerglas inde den ultrasonic vaskemaskine. Tænd den ultrasonic vaskemaskine og Indstil timeren til 5 min.
- Indsætte indsugnings- og udstødningsporte rustfrit stål rør i de to huller på dækpladen.
- Placer et kammer plade lavet af silikone membran på elektrode plade og derefter dække det med dækpladen.
- Stak og justere dækpladen, kammer plade og elektrode plade fra top til bund og indsæt de justeret plader i holderen.
- Brug en M5 bolt til at løse plader inde indehaveren. Se eksplosion visning og normal visning af den samlede micropump, som vist i figur 8 og figur 9, hhv.
- Tryk på pladerne sammen ved at stramme boltene.
NOTE: Rør og hulrum på kammer plade vil danne en passage for den arbejdende væske. Elastisk kammer pladen kan også lukke kløften mellem pladerne til at forhindre, at væsken flyder ud. Se visningen eksplosion og normal visning af den samlede micropump i figur 8 og figur 9, hhv.
- Med to polyurethan slanger med ydre diameter på 4 mm og indre diameter på 2 mm tilsluttes indsugnings- og udstødningsporte rustfrit stål rør.
- Tilslut et amperemeter, en 500 V DC power source og micropump i serien. Indsætte en 1 mA fuse mellem amperemeter og strømkilde til at beskytte amperemeter i tilfælde af micropump er kortsluttet.
- Indsætte inlet-slangen i en 50 mL bægerglas med acetone inde i 20-30 mL.
Bemærk: Figur 10 viser den udfyldte platform.
3. Eksperimentel Procedure
- forberedende arbejde før forsøget
- bruge en cylinder til at injicere acetone at fylde op i micropump. Når det flydende niveau når outlet slange, fortsat at tilføre 10 mL acetone inde, indtil alle bobler er skubbet væk fra salen.
Bemærk: Det er umuligt at se, om der er nogen bobler venstre inde i salen, fordi dækpladen og elektrode plade ikke er gennemsigtig. Løbende tilføre acetone hjælper med at fjerne bobler, men det kan ikke garantere, at ingen bobler er efterladt inde i micropump. Bobler kan blokere passage af væske, eller de kan korte kredsløb og forårsage en mikro-eksplosion inde i micropump, som vil brænde elektroderne. Effekten af bobler på handlingen pumpe er ikke helt klar endnu, men de opdelinger, de forårsager har været observeret flere gange. - Hældes i bægerglasset 20-30 mL acetone og sætte inlet-slangen inde i bægerglasset. Sikre at den flydende niveau er mindst 5 mm højere end i indløbet, så acetone kan flyde ind i pumpen og ingen luft kan blive suget ind i micropump afdeling.
- bruge en cylinder til at injicere acetone at fylde op i micropump. Når det flydende niveau når outlet slange, fortsat at tilføre 10 mL acetone inde, indtil alle bobler er skubbet væk fra salen.
- Statisk tryk test
- knytte outlet slangen til en lille ramme, så slangen kan forblive lige og lodrette. Sætte en lineal sammen med outlet slange til måling af væskeniveau.
- Tilslutte micropump til strømkilden.
- Start testen ved at trykke på kontakten og derefter markere den oprindelige flydende niveau ned.
- Efter den flydende niveau bliver stabil, registrere tid, den endelige væskeniveau og den elektriske strøm.
- Fortsætte med at optage den flydende niveau og aktuelt hver 10 s indtil micropump nedbryder.
- Flow hastighed test
- bruge en stor måleglas til at indsamle flydende kommer ud af stikkontakten slange. Sørg for at lave outlet slange således, at ende på samme højde som væskeniveau i bægerglasset.
- Tilslutte micropump til strømkilden.
- Start testen ved at trykke på kontakten og derefter markere den oprindelige flydende niveau ned.
- Som væsken begynder at strømme ud af stikkontakten slange, registrere omfanget af acetone inde i måleglasset hver 10 s. Da forsøget går, tilføje acetone over i bægerglasset til at opretholde den flydende.
- Pålidelighed test
- Brug den gennemsnitlige arbejdstid til at evaluere pålideligheden af pumpen. Under flow hastighed test og statisk tryk test, optage operationstid før pumpen bryder ned. Registrere detaljerede fænomener som hver opdeling under eksperimentet og inspicere elektrode plade overflade bagefter for yderligere analyse.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Som vist i Figur 11, stiger pumpetryk og dens stigende rente når spændingen stiger. Når spændingen når 500 V, pumpetryk når 1.100 Pa.
Pumpe statisk tryk stiger med pumpe kammer højde stigende når kammer højde er under 0,2 mm. Pumpen ydeevne når sit højeste punkt, når det kammer er 0,2 mm. Derefter, det statiske tryk falder når kammer højde fortsætter med at stige. Det menes, at 0,2 mm er den bedste værdi for sal højden. Resultaterne er vist i figur 12.
Ved at øge kammer længde, stiger det statiske tryk med en stor hældning indtil kammer længde 23 mm og en mindre hældning, der angiver en gradvis stigning, bagefter. Variation tendens af pumpetryk er vist i Figur 13.
Som vist i Figur 14, der er en mindre nedgang i det statiske tryk versus kammer bredde kurve, når salen bredde øges fra 2 mm til 3 mm. bagefter, det statiske tryk fortsat på et bestemt niveau som kammer bredde stigninger.
Under testen nedbryder micropump ofte efter at have arbejdet for 10-90 min. Efter at have arbejdet for en vis mængde tid fortsætter pumpetryk med at falde indtil fordelingen sker. Udførelsen af pumpetryk kan blive genoprettet når nye acetone føjes til bægerglasset.
Når der er bobler inde i pumpen, vil pumpen pres ikke stige så højt som det normalt gør fordi passage af arbejdende væske er blokeret af boblerne. Hvis pladerne ikke tilstraekkeligt rengøres, vil hvilket betyder, at der stadig støv eller anden kontaminering, pumpen nemt få kortsluttet når disse partikler rejser til afstanden mellem elektroderne. Når pumpen får kortsluttet, vil elektrisk strøm stige meget hurtigt og brænde elektroderne.
Figur 1: størrelse af elektrode plade. Elektrode plade, kammer plade og dækpladen er af samme størrelse. Deres bredder er 9 mm og deres længder er 40 mm. Hullerne til lodning wiren har en diameter på 1,6 mm. Bestil elektrode plader fra fabrikken med disse parametre og kontrollere plade størrelse bagefter for at sikre, at de kan passe inde i holderen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: dimensioner af elektroderne. Elektrode plader har 23 par af elektroder, med en elektrode bredde 300 µm, en elektrode afstanden mellem 200 µm, en bredde kløften mellem de to elektrode par af 400 µm, og en elektrode ende afstand på 600 µm. Elektrode afstanden er den vigtigste parameter, som bestemmer elektrisk feltstyrken. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: små defekter på overfladen af elektroder og skaden fra kortslutninger. Klude og overflade pitten er de typiske fejl af elektroderne. Gruber i (et) har forårsaget en alvorlig fordeling. Nogle af elektroder i (b) brænde under høj elektrisk feltstyrke. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: kammer plade dimensioner. Bredde og længde af pladen er 9 mm og 40 mm, henholdsvis. Tykkelsen af pladen er 0,3 mm i disse tests. Dimension nøjagtighed er 0,1 mm. venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5: billedet af den særlige hulning. Stansning specialværktøj er tilpasset til at skære i hulrummet på kammer plade. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6: den tekniske tegning af indehaveren. De 3 mm åbning på toppen er for de indsugnings- og udstødningsporte rustfrit stål rør. Tykkelsen af alle vægge er 2 mm, og den samlede størrelse af indehaveren er 14 x 37,5 x 9 mm3. 2,4 mm væg til venstre er til at holde positionen af elektrode plade, dækplade og kammer plade. På bunden af indehaveren er der en M5 gevind hul til en fastgørelse bolt. Dimension nøjagtigheden af indehaveren er 0,1 mm, hvilket ikke er meget høj. Sørg for, at den elektrode plade kan passe indeni. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 7: parametrene i dækpladen. Materiale af dækpladen er også FR4. To rustfrit stål rør er sat ind i hullet for at give indsugnings- og udstødningsporte passage for den arbejdende væske. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 8: eksplosion visning af micropump. Fra top til bund er indsugnings- og udstødningsporte rør, dækpladen, kammer plade, elektrode plade og fastgørelse bolt. Rør og hulrum på cHamba plade form en flydende passage for den arbejdende væske. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 9: afsmeltet billede af den samlede micropump. Efter at fastgøre bolten, alle pladerne presses sammen, og hul på kammer plade er den eneste plads til væske til at flyde gennem. Elastisk kammer pladen kan også lukke kløften mellem pladerne til at forhindre, at væsken flyder ud. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 10: billedet af micropump eksperimentere platform. Den flaske, der indeholder acetone kan blive erstattet af et bægerglas, men det er sikrere at dække bægerglasset med tynde film til at forhindre acetone fra volatilizing for meget. Strømkilden, amperemeter og pumpen er forbundet i serie. Outlet slange kan også erstattes af et glasrør. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 11: forhold mellem spændingen og pumpetryk. Pumpetryk og dens stigende rente stiger når spændingen stiger. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 12: forholdet mellem kammer højde og pumpens ydeevne. Pumpen ydeevne først forøgelserne derefter dråber når kammer højde øges fra 0,1 mm til 0,5 mm. venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 13: forholdet mellem kammer længde og pumpens ydeevne. Pumpens ydelse stiger, når længden øges.
Figur 14: forholdet mellem kammer bredde og pumpens ydeevne. Pumpetryk forbliver den samme, når salen bredde øger.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Et af de afgørende trin i protokollen er at inspicere elektrode plade omhyggeligt. Lille grater på kanten af en elektrode kan resultere i en kortslutning, og overflade integritet kan stærkt påvirke pumpen ydeevne. Rengøring af elektrode plade og indehaveren er også meget vigtigt. Elektrode kammer højde er mindre end 1 mm, så små støvpartikler kan blokere arbejder flydende flow og forårsage en kortslutning. Før prøven, kan indsprøjtning acetone i salen fjerne boblerne uden for mødesalen.
Udførelsen af micropump kan påvirkes alvorligt af højden af salen. For at fjerne sådanne indflydelse, kan elastisk kammer plade erstattes af sværere materiale.
Der er et par begrænsninger til teknik. Først, den elektrode højde bestemmes af metallag på FR-4 CCL. Det er relativt høje, hvilket påvirker strømmen af væske til en vis grad. For det andet ved hjælp af silikone membran som kammer plade, er sealability af kammeret forbedret. Dog kan elasticiteten i silikone forårsage nogle afvigelse i kammer højde. Endelig, elektrode bredde og elektrode afstanden er begrænset af den teknik, som gør at opnå højere elektrisk feltstyrke, der er meget vanskeligere end med andre teknik.
I modsætning til fotolitografi og andre high-precision fabrication teknikker er ved hjælp af FR-4 CCL med denne elektrode opdigte oparbejde forholdsvis enklere og billigere. På den anden side er den nødvendige elektriske spænding i dette arbejde meget lavere. Pearson og Seyed-Yagoobi13 har foreslået en ring elektrode og perforeret elektrode design, der kræver 5 kV DC spænding for pumpen til at arbejde, mens i dette arbejde, strømkilden er kun 500 V.
Denne micropump kan bruges til at sløjfe en varmerør, især en lang varmerør, der kræver en drivende kraft end kapillær kraft. Indsætte en eller flere elektrode plader inde varmerør kan give nok drivkraft for dielektrisk kølevæske til at rejse fra den kolde ende til den varme ende. En lignende funktion kan også opnås ved en ringformet elektrode fremstillet på bløde, isoleret materiale med en metal substrat.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ikke noget at oplyse.
Acknowledgments
Dette arbejde blev sponsoreret af National Natural Science Foundation of China (51375176); Guangdong provinsens Natural Science Foundation i Kina (2014A030313264); og videnskab og teknologi planlægger projektet af 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).
