Summary
本文提出了用对称平面电极在 flame-retardant 玻璃增强环氧树脂 (FR-4) 覆铜板 (CCL) 上制备导电微泵的协议, 以测试燃烧室尺寸对其性能的影响。导电微泵。
Abstract
在 flame-retardant 玻璃增强环氧树脂 (FR-4) 覆铜板 (CCL) 上制备了对称平面电极对的导电微泵。研究了在使用丙酮作工作液时, 燃烧室尺寸对导电微泵性能的影响, 并确定了导电泵的可靠性。建立了测试平台, 对不同条件下的导电微泵性能进行了评价。当燃烧室高度为0.2 毫米时, 泵压达到峰值。
Introduction
泵可以在比大多数水泵更小的范围内驱动液体流动。近年来, 各种驱动方案已成功应用于微流控系统1,2,3,4,5。体 (EHD) 泵可以直接施加在液体上的力, 没有任何运动部件, 这使得制造6变得更加简单和容易。根据充电类型, EHD 泵可分为喷射泵、感应泵或导电泵。感应泵不工作的等温液体, 而喷射泵改变液体电导率。由于缺乏这样的问题, 传导泵更稳定, 并有更广泛的应用。
传导泵是基于液体分子的离解和复合速率的不匹配。通常, 离解和重组过程可以表示如下7,8:
如果重组速率为kr为常量, 而离解率kd是电场强度的函数。当电场强度达到一定值时, 离解率将超过重组速率。然后, 越来越多的免费的电荷旅行到两个相反极性的电极, 和 heterocharge 层形式。这些 heterocharge 层是泵的关键, 因为电荷的运动推动了液体分子的前进。因此, 净体力可以产生于腔内的液体中使用不对称电极或正负离子的流动性不匹配9,10,11,12.
介绍了一种用于导电泵的对称平面电极板的制作方法。在 FR-4 覆铜板上制备了电极板, 通过微细加工制备了泵腔。制造过程比其他生产方法, 例如纳米, 相对地简单和更加方便。建立了测试平台, 研究了不同条件下导电微泵的性能。此外, 还研究了在不同情况下导电微泵的可靠性。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
警告: 请在使用前查阅所有相关的材料安全数据表 (MSDS)。丙酮是高度易燃的, 可以引起眼睛和呼吸道发炎。所涉及的电压高达几千伏;因此, 在进行实验时, 电火花是预期的。在一个通风良好的房间里进行实验, 以避免爆炸和火花引发的火灾.
1. 板和支架的制作
注意: 在这项工作中, 电极板和支架是由工厂的生产线制造的。由于复杂的工艺过程, 本文将只介绍材料和各部分的参数.
- 电极板的材料和尺寸
- 使用1.4 毫米 FR-4 覆铜板制作电极板, 其厚度为35和 #181; m。有关电极板的详细参数, 请参见 图 1 . 电极的
- 参数
- 从工厂订购电极板。有关详细信息, 请参见 图 2 .
- 在电极板的制备后检查电极板
- , 在100X 和300X 放大倍数下, 使用电子显微镜检查电极是否有明显的缺陷。请注意, 电极表面的任何微小缺陷都可能导致短路, 如 图 3 所示.
- 检查和测量电极的宽度和间距, 以确定尺寸精度是否满足要求.
- 用电流表测试板以查看是否发生了电短路.
- 将一些硅膜切割成与电极板相同的尺寸, 如 图 4 所示。选择不同厚度的硅膜, 使不同高度的腔板.
- 使用特殊的冲孔工具来穿孔腔室孔, 如图5所示 . 持有者
- 的
- 在盖板顶部钻两个孔, 使用钻孔机安装进气管和出水管。有关它们的位置和大小, 请参见 图 7 .
2。微泵的组件
- 使用丙酮清洗所有的板、支架、入口和出口管, 以及在实验中使用的其他工具。把这些工具和盘子放在烧杯里, 然后倒入足够的99.5% 丙酮浸泡。把烧杯放进超声波清洗机里打开超声波清洗机, 将定时器设置为5分钟.
- 将进口和出口不锈钢管插入盖板上的两个孔中.
- 将硅膜制成的腔板放在电极板上, 然后用盖板盖住.
- 堆叠并将盖板、腔板和电极板从上到下对齐, 并将对齐的板插入刀柄.
- 使用 M5 螺栓固定托架内的板。如 图 8 和 图 9 所示, 分别查看装配式微泵的爆炸视图和普通视图.
- 通过拧紧螺栓将板按在一起.
注: 腔板上的管和腔将形成工作液的通道。该弹性室板还可以密封板之间的间隙, 以防止液体流出。分别查看 图 8 和 图 9 中所装配的微泵的分解视图和普通视图.
- 使用两个外部直径为 4 mm 和内径为 2 mm 的聚氨酯软管, 以连接入口和出口不锈钢管.
- 连接电流表、500 V DC 电源和串联微泵。在电流表和电源之间插入1毫安保险丝以保护电流表, 以防微泵短路.
- 将进口软管插入50毫升的烧杯中, 内有20-30 毫升丙酮.
注意: 图 10 显示了已完成的平台.
3。实验过程
- 在实验前准备工作
- 使用一个圆柱来注入丙酮来填满微泵。液位达到出口软管后, 继续注入10毫升的丙酮, 直到所有气泡被推离会议厅.
注: 不可能看到是否有气泡留在会议厅内, 因为盖板和电极板是不透明的。连续注射丙酮有助于消除气泡, 但不能保证在微泵内没有气泡。气泡可能堵塞液体的通道, 或者它们可能短路, 导致微泵内部的微小爆炸, 这将烧毁电极。气泡对水泵运行的影响还不完全清楚, 但它们造成的故障已经被多次观察到. - 将20-30 毫升丙酮倒入烧杯中, 并将入口软管放入烧杯中。确保液位至少比进气道高出5毫米, 这样丙酮就能流入泵内, 没有空气可以吸入微泵腔.
- 将出口软管连接到一个小的框架, 以便软管可以保持直和垂直。把尺子放在出水管旁边, 以测量液位.
- 将微泵连接到电源.
- 通过按下开关开始测试, 然后标记初始液位.
- 液位变稳定后, 记录时间、最终液位和电流.
- 继续记录液位和电流每年十年代直到微泵崩溃.
- 使用大型测量气缸来收集出水软管流出的液体。一定要修复出口软管, 使其末端保持在与烧杯中液位相同的高度.
- 将微泵连接到电源.
- 通过按下开关开始测试, 然后标记初始液位.
- 当液体开始从出口软管流出时, 每年十年代记录测量气缸内的丙酮量。随着实验的进行, 在烧杯中加入丙酮以保持液位.
- 使用平均工作时间来评估泵的可靠性。在流量试验和静压试验中, 在泵坏前记录操作时间。在实验过程中记录每个击穿的详细现象, 并在事后对电极板表面进行检查, 进一步分析.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
如图 11所示, 当电压增加时, 泵的压力和增加的速率会上升。当电压达到500伏时, 泵压力达到 1100 Pa。
当燃烧室高度低于0.2 毫米时, 泵的静压随泵腔高度的增大而升高。当燃烧室高度为0.2 毫米时, 泵的性能达到最高点。然后, 静压下降时, 室的高度继续增加。它被相信0.2 毫米是最佳的价值为房间高度。结果如图 12所示。
通过增加室长, 静压上升, 有一个大的斜坡, 直到一个房间长度为23毫米和一个较小的斜坡, 表明逐渐上升, 之后。泵压力的变化趋势如图 13所示。
如图 14所示, 当腔宽度从 2 mm 增加到 3 mm 时, 静压与室宽曲线的减小略有下降. 之后, 随着腔室宽度的增加, 静压保持在一定的水平。
在测试过程中, 微泵在工作10-90 分钟后经常中断。在工作了一定的时间后, 泵的压力持续下降, 直到故障发生。但是, 当新的丙酮加入烧杯时, 泵的压力可以恢复。
当泵内有气泡时, 泵的压力不会像往常那样升高, 因为工作液体的通道被气泡堵塞了。如果板材没有被充分地清洗, 意味着仍然有灰尘或其他污染, 当这些微粒到达电极之间的缝隙时, 泵将容易地得到短路。当水泵短路时, 电流会迅速上升, 电极会烧坏。
图 1: 电极板的尺寸.电极板、室板和盖板尺寸相同。他们的宽度是9毫米, 并且他们的长度是40毫米。焊丝的焊接孔直径为1.6 毫米. 用这些参数从工厂订购电极板, 然后检查板的尺寸, 以确保它们可以装在支架内。请单击此处查看此图的较大版本.
图 2: 电极的尺寸.电极板有23对电极, 电极宽度为300µm, 电极间距为200µm, 两电极对400µm 之间的宽度间隙, 以及600µm 的电极端间距。电极间距是决定电场强度的重要参数。请单击此处查看此图的较大版本.
图 3: 电极表面的微小缺陷和短路损坏.碎布和表面坑是典型的电极缺陷。(a) 中的凹坑已导致严重故障。(b) 中的一些电极在高电场强度下燃烧。请单击此处查看此图的较大版本.
图 4: 腔板尺寸.板材的宽度和长度分别为9毫米和40毫米。在这些测试中, 板材的厚度是0.3 毫米。尺寸精度为 0.1 mm.请单击此处查看此图的较大版本.
图 5: 特殊孔冲床的图片.特制的冲孔工具, 用于对腔板上的凹模进行切割。请单击此处查看此图的较大版本.
图 6: 刀柄的工程图.在顶部的3毫米开口是进口和出口不锈钢管。所有墙壁的厚度是2毫米, 并且所有者的整体大小是 14 x 37.5 x 9 毫米3。左侧的 2.4 mm 壁用于保持电极板、盖板和腔板的位置。在支架的底部, 有一个 M5 螺纹孔的紧固螺栓。尺寸精度的持有人是0.1 毫米, 这不是很高。确保电极板可以装在里面。请单击此处查看此图的较大版本.
图 7: 盖板的参数.盖板的材质也 FR4。将两个不锈钢管插入孔中, 以提供工作液的入口和出口通道。请单击此处查看此图的较大版本.
图 8: 微泵的爆炸视图从上到下是入口和出口管, 盖板, 室板, 电极板, 和紧固螺栓。c 上的管子和空腔hamber 板形成工作液体的液体通道。请单击此处查看此图的较大版本.
图 9: 已装配的微泵的渲染图像在紧固螺栓后, 所有的板都按在一起, 并且孔在箱板是唯一的空间为液体流经。该弹性室板还可以密封板之间的间隙, 以防止液体流出。请单击此处查看此图的较大版本.
图 10: 微泵实验平台的图片.含有丙酮的瓶子可以用烧杯代替, 但用薄膜覆盖烧杯以防止丙酮挥发太多更安全。电源、电流表和泵串联连接。出口软管也可由玻璃管取代。请单击此处查看此图的较大版本.
图 11: 电压与泵压力之间的关系当电压增加时, 泵的压力和上升速率上升。请单击此处查看此图的较大版本.
图 12: 燃烧室高度与泵性能之间的关系.当燃烧室高度从0.1 毫米增加到0.5 毫米时, 泵的性能先增加然后下降.请单击此处查看此图的较大版本.
图 13: 腔长度与泵性能之间的关系泵的性能随着长度的增加而上升。
图 14: 腔宽度与泵性能之间的关系当燃烧室宽度增大时, 泵的压力保持不变。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
该协议中的关键步骤之一是仔细检查电极板。电极边缘的小毛刺会导致短路, 而表面的完整性会大大影响泵的性能。电极板和支架的清洗也是非常重要的。电极室高度小于1毫米, 所以细小的尘埃颗粒会堵塞工作液流, 造成短路。在试验前, 将丙酮注入腔室可以除去腔室外的气泡。
微泵的性能会受到腔室高度的严重影响。为了消除这种影响, 弹性腔板可以用较硬的材料代替。
这项技术有几个限制。首先, 电极高度由 FR-4 覆铜板上的金属层决定。它相对较高, 在一定程度上影响液体的流动。其次, 以硅膜为腔板, 改进了密封的腔室。但是, 硅胶的弹性会导致室内高度的偏差。最后, 电极宽度和电极间距受技术本身的限制, 使得比其他技术更难达到较高的电场强度。
不同于光刻和其他高精度制造技术, 使用 FR-4 覆铜板与这个电极制造过程是相对地简单和便宜的。另一方面, 这项工作所需的电压要低得多。皮尔逊和赛义德·穆罕默德·哈特米-Yagoobi13提出了一个环形电极和穿孔电极设计, 需要 5 kV 的直流电压为泵工作, 而在这项工作中, 电源仅 500 v。
这种微型泵可用于循环热管, 特别是需要非毛细管力的驱动力的长热管。在热管内插入一个或多个电极板可以提供足够的驱动力, 使介质冷却剂从冷端到热端的行程。一个类似的功能也可以通过在软, 绝缘材料与金属基板上制造的环形电极来实现。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
这项工作是由中国国家自然科学基金 (51375176) 主办的;中国广东省自然科学基金 (2014A030313264);和中国广东省科技规划项目 (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).
