Summary
Этот документ представляет собой протокол для изготовления проводимости микронасосом с использованием симметричных плоские электроды на ламинат омедненные огнезащитным Стеклопластик эпоксидные (FR-4) (CCL) для проверки влияния размеры камеры на производительность микронасосом проводимости.
Abstract
Здесь изготавливается микронасосом проводимости с симметричной плоскости электрода парами по огнезащитным Стеклопластик эпоксидные (FR-4) омедненные ламинат (CCL). Он используется для изучения влияния размеры камеры на производительность проводимости микронасосом и определить надежность насоса проводимости, когда ацетон используется в качестве рабочей жидкости. Измерительная платформа настроена для оценки производительности микронасосом проводимости в различных условиях. Когда высота камеры 0,2 мм, давление насоса достигает своего пикового значения.
Introduction
Микронасосы может управлять потока жидкости в гораздо меньших масштабах, чем большинство насосов. В последние годы различные вождения схемы были успешно применены к microfluidic систем1,2,3,4,5. Насос Электрогидродинамическое (ЭГД) может приложить силы непосредственно на жидкость, без каких-либо движущихся частей, что делает его проще и легче изготовить6. Типы заряда, по ЭГД насосы могут быть классифицированы как ТНВД, индукционные насосы или насосы проводимости. Индукционные насосы не работают на изотермические жидкости, в то время как ТНВД изменить жидкости проводимости. Потому что они не имеют таких проблем, проведение насосы являются более стабильными и имеют более широкое применение.
Проводимость насоса основана на рассогласование темпов диссоциации и рекомбинации жидкого молекул. Как правило процесс диссоциации и рекомбинации может быть выражена следующим7,8:
где kскорость рекомбинацииr постоянна, хотя диссоциация показатель kd является функцией прочность электрического поля. Когда сила электрического поля достигает определенного значения, диссоциации будет превышать скорость рекомбинации. Затем более свободные заряды поездки в двух электродов противоположной полярности, и heterocharge слои формы. Эти слои heterocharge являются ключом к насос, как движение обвинения толкает жидкость молекулы вперед. Таким образом чистое тело силы могут быть созданы в жидкости в камере с помощью асимметричного электродов или несоответствие мобильности положительные и отрицательные ионы9,10,11,12 .
Эта работа вводит новый способ изготовления симметричный плоский Электрод пластина для насоса проводимости. Электрод пластина готовится на FR-4 "ККЛ", и камеры насоса готова микрообработки. Процесс изготовления относительно проще и удобнее, чем у других методов изготовления, например нанолитографию. Измерительная платформа настроена для изучения производительности микронасосом проводимости в различных условиях. Кроме того надежность микронасосом проводимости также расследование при различных обстоятельствах.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
внимание: пожалуйста, проконсультируйтесь с все соответствующие листы данных безопасности материалов (MSDS) перед использованием. Ацетон легковоспламеняющимся и может вызвать раздражение глаз и дыхательных путей. Участие напряжение выше, чем несколько тысяч вольт; Следовательно электрические искры, как ожидается, при проведении эксперимента. Проводить эксперименты в помещении с хорошей вентиляцией, чтобы избежать взрывов и пожаров от искры.
1. изготовление пластин и держатель
Примечание: В этой работе, электродные пластины и держатель изготавливаются с производственной линии на заводе. Только материала и параметров всех частей в этом документе будут введены из-за сложных процессов.
- Материал и Размер пластины электродов
- Fabricate электрод плиты с помощью 1,4 мм FR-4 "ККЛ" с тонким слоем меди 35 мкм. Смотрите Рисунок 1 для подробных параметров электродные пластины.
- Параметры электродов
- заказать электродные пластины с завода. Подробности смотрите Рисунок 2.
- Инспекции электродные пластины
- после подготовки электродные пластины, использовать электронный микроскоп для проверки электродов для любого заметные недостатки под 100 X и 300 X увеличение. Обратите внимание, что любые крошечные дефекты на поверхности электродов может вызвать короткое замыкание, как показано на рисунке 3.
- Проверить и измерить ширину электрода и интервал, чтобы определить, отвечает ли измерение точности требование.
- Тест пластины с амперметр, чтобы увидеть, если электрического замыкания происходит.
- Подготовка камеры плиты
- вырезать некоторые силиконовая мембрана для такого же размера как Электрод пластина, как показано на рисунке 4. Выберите силиконовые мембраны с различной толщины, чтобы Палата пластины с различных высот.
- Использовать специальный перфорационный инструмент пробить отверстие камеры, как показано на рис. 5.
- Обработка держателя
- заказать держателя от завода. Подробные параметры показаны на рисунке 6.
- Изготовление крышку
- два отверстия на вершине крышку с помощью буровой машины для установки впускных и выпускных труб. Смотрите Рисунок 7 для их позиции и размерах.
2. Ассамблея микронасосом
- используйте ацетон мыть все пластины, держатель, впускных и выпускных труб и других инструментов, используемых в экспериментах. Положите эти инструменты и пластин внутри стакан, а затем налить достаточно 99,5% ацетона погружать их. Поставьте стакан внутри ультразвуковой стиральной машины. Включите ультразвуковую моечную машину и установите таймер на 5 минут
- Вставить впускных и выпускных труб из нержавеющей стали в два отверстия на накладку.
- Место камеры пластину из силиконовой мембраны на тарелку электродом и затем накрыть крышку.
- Стек и выровнять крышку, пластину камеры и электрод пластина сверху донизу и унифицированных пластин Вставьте держатель.
Болт
- Использование M5 исправить пластин внутри держателя. Смотреть взрыва представление и представление о собранном микронасосом, как показано на рисунке 8 и Рисунок 9, соответственно.
- Сожмите пластины, затянув болты.
Примечание: Трубы и полости на пластину палаты образуют проход для рабочей жидкости. Пластину упругие камеры может также перекрыть разрыв между пластинами, чтобы предотвратить жидкость выливается. Увидеть представление взрыва и нормальный вид собранном микронасосом в рисунке 8 и Рисунок 9, соответственно.
- Используют два Полиуретановые шланги с внешним диаметром 4 мм и внутренним диаметром 2 мм для соединения труб из нержавеющей стали впускных и выпускных.
- Подключить амперметр, источник питания 500 В постоянного тока и микронасосом в серии. Вставьте 1 мА предохранитель между амперметр и источник питания для защиты амперметр, в случае, если замкнуты микронасосом.
- Вставить впускной шланг в 50 мл стакан с 20-30 мл ацетона внутрь.
Примечание: На рисунке 10 показан завершенный платформы.
3. Экспериментальная процедура
- подготовительная работа до эксперимента
- использовать цилиндр для вставки ацетон заполнить вверх микронасосом. После того, как уровень жидкости достигнет сливной шланг, продолжают вводить 10 мл ацетона внутрь до тех пор, пока все пузырьки передаются от камеры.
Примечание: Невозможно увидеть, если есть любые пузыри оставили в камере, потому что крышку и электродные пластины не являются прозрачными. Непрерывно инъекционных ацетон помогает удалить пузырьки, но он не может гарантировать, что внутри микронасосом остались без пузырей. Пузыри могут блокировать прохождение жидкости, или они могут короткие цепи и микро-взрыва внутри микронасосом, который будет гореть электродов. Эффект пузырьков на работу насоса пока не полностью ясно, но они вызывают сбои наблюдаются несколько раз. - Налейте в стакан 20-30 мл ацетона и поставил впускной шланг внутри стакан. Убедитесь, что уровень жидкости по крайней мере 5 мм выше, чем входе так что ацетон может течь в насос и воздух не может всасывается в зале микронасосом.
- использовать цилиндр для вставки ацетон заполнить вверх микронасосом. После того, как уровень жидкости достигнет сливной шланг, продолжают вводить 10 мл ацетона внутрь до тех пор, пока все пузырьки передаются от камеры.
- Статическое давление испытания
- Присоединить сливной шланг к небольшую рамку так, чтобы шланг может оставаться прямой и вертикальные. Положите правителя наряду с сливной шланг для измерения уровня жидкости.
- Подключение к источнику питания микронасосом.
- Начать тест, нажав переключатель и затем Марк вниз начального уровня жидкости.
- После того, как уровень жидкости становится стабильным, запишите время, окончательного уровня жидкости и электрического тока.
- Продолжать записывать уровня жидкости и текущий каждые 10 s до тех пор, пока микронасосом ломает.
- Потока скорость тест
- использовать большой Измерительный цилиндр для сбора жидкости, выйдя из сливной шланг. Будьте уверены, чтобы исправить сливной шланг так, чтобы конец остается на том же высоте как уровень жидкости в стакане.
- Подключение к источнику питания микронасосом.
- Начать тест, нажав переключатель и затем Марк вниз начального уровня жидкости.
- Как жидкость начинает течь из сливной шланг, фиксируют объем ацетона внутрь измерительного цилиндра каждые 10 s. Как эксперимент продолжается, добавить стакан для поддержания уровня жидкости ацетон.
- Тест надежности
- Использования среднее рабочее время для оценки надежности насоса. Во время потока скорость и испытания на статическое давление запишите время прежде, чем насос выходит из строя. Записать подробные явления каждого пробоя во время эксперимента и проверить поверхность плиты электрода впоследствии для дальнейшего анализа.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Как показано на рисунке 11, давление насоса и его рост расти, когда напряжение возрастает. Когда напряжение достигает 500 V, давление насоса достигает 1100 ПА.
Статическое давление насоса поднимается с высоты камеры насоса, увеличивая когда высота камеры до 0,2 мм. Производительность насоса достигает своей высшей точки, когда высота камеры составляет 0,2 мм. Затем статическое давление падает, когда высота камеры продолжает увеличиваться. Он считал, что 0,2 мм является лучшим значением для определения высоты камеры. Результаты показаны на рисунке 12.
Увеличивая длина камеры, статическое давление поднимается, с большой наклон до длина камеры 23 мм и меньше склон, указывающее постепенный подъем, потом. Тенденция изменения давления насоса показана на рисунке 13.
Как показано на рисунке 14, существует небольшое уменьшение в статическое давление против палаты ширина кривой, когда Палата ширина увеличивается от 2 мм до 3 мм. Впоследствии, статическое давление остается на определенном уровне как увеличивается ширина камеры.
Во время тестирования, микронасосом ломает часто после работы 10-90 мин. После работы на определенное время, давление насоса продолжает снижаться до тех пор, пока происходит разбивка. Однако производительность насоса давление может быть восстановлена при добавлении новых ацетона в стакан.
Когда есть пузырьков внутри насос, давление насоса так высоко, как это обычно бывает, потому что проход рабочей жидкости блокируется пузыри не встанет. Если плиты достаточно не убираются, означает, что есть еще пыли и других загрязнений, насос будет легко получить замкнуты когда эти частицы путешествуют на разрыв между электродами. Когда получает проводам насоса, электрического тока будет расти очень быстро и записать электродами.
Рисунок 1: Размер пластины электродов. Электродные пластины, пластины камеры и накладки имеют одинакового размера. Их ширина 9 мм и их длины 40 мм. Отверстия для пайки провода имеют диаметр 1,6 мм порядок электродные пластины с завода с этими параметрами и проверьте размер плиты впоследствии, чтобы убедиться, что они могут поместиться внутри держателя. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2: размеры электродов. Электродные пластины имеют 23 пары электродов, с электрода ширина 300 мкм, электрод расстояние 200 мкм, ширина разрыв между двумя электродами парами 400 мкм и электрода конец интервала 600 мкм. Расстояние между электродами является наиболее важным параметром, как он определяет прочность электрического поля. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 3: крошечные дефекты на поверхности электродов и ущерб от коротких замыканий. Типичные дефекты электродов тряпки и поверхности ямы. Ямы в () вызвали серьезные поломки. Некоторые из электродов в (b) записать под высоким электрическим полем силы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 4: плита размеры камеры. Ширина и длина плиты являются 9 мм, 40 мм, соответственно. Толщина пластины составляет 0,3 мм в этих тестах. Точность измерения составляет 0.1 мм. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 5: представление о специальных дырокол. Специальный перфорационный инструмент настраивается для резки полости на табличке камеры. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 6: техника рисования владельца. 3 мм, открытие на вершине предназначен для впускных и выпускных труб из нержавеющей стали. Толщина стен составляет 2 мм, и общий размер держателя 14 x 37,5 x 9 мм3. 2.4 мм стены слева — для проведения положение электрода, накладка и крышку камеры. На нижней части держателя есть M5 резьбовое отверстие для болта крепления. Точность измерения держателя 0,1 мм, который не является очень высоким. Убедитесь, что плита электрода может поместиться внутри. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 7: параметры крышку. Материал крышки также является FR4. Две из нержавеющей стали трубы вставляются в отверстия, чтобы обеспечить проход на входе и выходе для рабочей жидкости. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 8: взрыв вид микронасосом. Сверху вниз являются впускных и выпускных труб, крышку, пластину камеры, электродные пластины и болт крепления. Трубы и полости на cHamber плита форма жидкого проход для рабочей жидкости. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 9: Рендеринг изображения собраны микронасосом. После крепления затвора, все пластины нажимаются вместе и только пространство для жидкости через отверстие на пластину камеры. Пластину упругие камеры может также перекрыть разрыв между пластинами, чтобы предотвратить жидкость выливается. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 10: картина микронасосом эксперимент платформы. Бутылку, которая содержит ацетон можно заменить на стакан, но он безопаснее покрыть стакан с тонкой пленкой, чтобы предотвратить слишком много испаряющегося ацетон. Источник питания, амперметр и насоса связаны в серии. Сливной шланг можно также заменить стеклянной трубки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 11: связь между напряжение и давление насоса. Давление насоса и его рост повышается, когда напряжение возрастает. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 12: взаимосвязь между высота камеры и производительности насоса. Производительность насоса сначала увеличивает затем капель когда высота камеры возрастает от 0,1 мм до 0,5 мм. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 13: отношения между длина камеры и производительности насоса. Производительность насоса повышается, когда длина увеличивается.
Рисунок 14: взаимосвязь между ширина камеры и производительности насоса. Давление насоса остается той же, когда увеличивается ширина камеры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Одним из важнейших шагов в рамках протокола является тщательно осмотреть электродные пластины. Небольшие заусенцев на краю электрода может привести к от короткого замыкания, и целостности поверхности может значительно повлиять на производительность насоса. Очистка электродные пластины и держатель также очень важно. Высота камеры электрод является менее 1 мм, поэтому мелкие частицы пыли могут блокировать потока рабочей жидкости и вызвать короткое замыкание. Перед испытанием инъекционных ацетона в камеру можно удалить пузыри вне камеры.
Производительность микронасосом может сильно влиянием высота камеры. Чтобы устранить такое влияние, пластину упругие камеры могут быть заменены сложнее материал.
Существует несколько ограничений для метода. Во-первых Высота электрода определяется слоя металла на "ККЛ" FR-4. Это относительно высокий, который затрагивает потока жидкости в некоторой степени. Во-вторых с помощью силиконовая мембрана как палата пластины, улучшена герметичность камеры. Однако эластичность силикон может вызвать некоторые отклонения в высота камеры. Наконец расстояние между электродом и электрода ширину ограничены сама, техника, что делает достижение выше прочность электрического поля, гораздо сложнее, чем с другой техникой.
В отличие от фотолитографии и другие методы высокой точности изготовления с помощью FR-4 "ККЛ" с этим процессом изготовления электрода относительно проще и дешевле. С другой стороны гораздо меньше электрическое напряжение в этой работе. Пирсон и Сейед-Yagoobi13 предложил кольцо электрода и перфорированные электрода дизайн, который требует 5 кв напряжения постоянного тока для насоса для работы, в то время как в этой работе, источник питания является только 500 V.
Этот микронасосом может использоваться для цикла тепловой трубы, особенно длинные тепловая труба, которая требует движущей силой помимо капиллярных сил. Вставка одного или нескольких электродных пластин внутри трубы жары может обеспечить достаточно движущей силой для диэлектрических охлаждающей жидкости для поездки из холодного конца в горячий конец. Аналогичная функция также может быть достиган Кольцевой электрод, на мягкой, изотермического материала с металлической подложки.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не имеют ничего сообщать.
Acknowledgments
Эта работа финансировалась Фонд национального естественных наук Китая (51375176); Фонд провинциального естественных наук Гуандун Китая (2014A030313264); и науки и технологии, планирование проекта, провинция Гуандун, Китай (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).
