Summary
Dit document stelt een protocol voor de fabricage van een geleiding micropump met symmetrische vlakke elektroden op vlamvertragend glas-versterkt epoxy (FR-4) koper-geklede laminaat (CCL) voor het testen van de invloed van de afmetingen van de kamer op de prestaties van een geleiding micropump.
Abstract
Hier, wordt een geleiding micropump met symmetrische vlakke elektrode paren bereid op vlamvertragend glas-versterkt epoxy (FR-4) koper-geklede laminaat (CCL) vervaardigd. Het wordt gebruikt om te onderzoeken de invloed van de afmetingen van de kamer op de prestaties van de micropump van een geleiding en de betrouwbaarheid van de geleiding pomp bepalen wanneer aceton wordt gebruikt als het werkmedium. Een test platform is ingesteld om geleiding micropump prestaties onder verschillende omstandigheden te evalueren. Wanneer de hoogte van de kamer 0,2 mm is, bereikt de pompdruk de piekwaarde.
Introduction
Micropumps kan vloeibare stroom rijden op een veel kleinere schaal dan de meeste pompen. In de afgelopen jaren zijn diverse drijvende regelingen met succes toegepast op microfluidic systemen1,2,3,4,5. De electrohydrodynamic (EHD) pomp kan uitoefenen troepen direct op de vloeistof, zonder bewegende delen, waardoor het eenvoudiger en gemakkelijker te fabriceren van6. Volgens de kosten-types, kunnen EHD pompen worden geclassificeerd als injectie pompen, inductie pompen of geleiding pompen. Inductie pompen werken niet op isothermische vloeistoffen, terwijl injectie pompen de vloeibare geleidbaarheid veranderen. Wegens hun gebrek aan dergelijke problemen, geleiding pompen zijn meer stabiel en hebben een bredere toepassing.
De pomp van de geleiding is gebaseerd op de wanverhouding van de dissociatie en recombinatie tarieven van vloeibare moleculen. Normaal, kan het proces van dissociatie en recombinatie worden uitgedrukt als volgt7,-8:
waar is de recombinatie tarief kr is constant, terwijl de dissociatie tarief kd een functie van de elektrische veldsterkte is. Wanneer de elektrische veldsterkte een bepaalde waarde bereikt, de dissociatie tarief zal hoger zijn dan de recombinatie. Vervolgens reizen meer en meer gratis kosten naar de twee elektroden van tegenovergestelde polariteit en heterocharge lagen vorm. Deze heterocharge lagen zijn de sleutel tot de pomp, zoals het verkeer van de kosten de vloeibare moleculen vooruit duwt. Daarom kan net lichaam kracht worden gegenereerd in de vloeistof in de vergaderzaal met asymmetrische elektroden of de wanverhouding van de mobiliteit van positieve en negatieve ionen9,10,11,12 .
Dit werk introduceert een nieuwe manier van fabriceren van een symmetrische vlakke elektrode plaat voor een pomp van geleiding. De elektrode plaat FR-4 CCL is opgesteld, en de kamer van de pomp wordt bereid door Microbewerking. De fabricage processen zijn relatief eenvoudiger en handiger dan die van andere productiemethoden, zoals nanolithography. Een test platform is ingesteld om te onderzoeken van de prestaties van de geleiding micropump onder verschillende omstandigheden. Bovendien, de betrouwbaarheid van de micropump van de geleiding is ook onderzocht onder verschillende omstandigheden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Let op: Raadpleeg alle relevante veiligheidsinformatiebladen (MSDS) vóór gebruik. Aceton is zeer ontvlambaar en kan irritatie aan de ogen en luchtwegen veroorzaken. De spanning die betrokken is zo hoog als verscheidene duizend volt; Vandaar, elektrische vonken worden verwacht bij het uitvoeren van het experiment. Voeren van de experimenten in een kamer met goede ventilatie te voorkomen van explosies en vuur van de vonken.
1. fabricage van de platen en de houder
Opmerking: In dit werk, de elektrode platen en houder zijn vervaardigd door een productielijn in een fabriek. Alleen het materiaal en de parameters van alle onderdelen van dit document zal worden ingevoerd als gevolg van de ingewikkelde processen.
- Materiaal en grootte van de elektrode plaat
- Fabricate de elektrode platen met 1.4 mm FR-4 CCL met een dun laagje koper 35 µm. Zie afbeelding 1 voor gedetailleerde parameters van de elektrode plaat.
- Parameters van de elektroden
- bestellen van de elektrode platen uit de fabriek. Zie Figuur 2 voor meer details.
- Inspectie van de elektrode plaat
- na de voorbereiding van de elektrode-plaat, een elektronenmicroscoop te gebruiken om te controleren van de elektroden voor enige merkbare gebreken onder X 100 en 300 X vergroting. Merk op dat eventuele kleine gebreken op het oppervlak van de elektroden kan kortsluiting, zoals afgebeeld in Figuur 3.
- Inspecteren en meten van de elektrode breedte en afstand om te bepalen of de dimensie nauwkeurigheid voldoet aan de eis.
- Testen van de plaat met een amperemeter om te zien of een elektrische kortsluiting optreedt.
- Voorbereiding van de kamer plaat
- sommige siliconen membraan knippen op de zelfde grootte als de elektrode plaat, zoals weergegeven in Figuur 4. Siliconen membranen met verschillende diktes kamer platen met verschillende hoogtes te maken kiezen.
- Gebruik van een speciale bokszak tool te punch de kamer gat, zoals afgebeeld in Figuur 5.
- Verwerking van de houder
- bestellen van de houder van een fabriek. De gedetailleerde parameters worden weergegeven in Figuur 6.
- Fabricage van de afdekplaat
- twee boorgaten op de bovenkant van de afdekplaat met behulp van een boren machine te installeren van de inlaat en uitlaat buizen. Zie Figuur 7 voor hun standpunten en de maten.
2. Vergadering van de Micropump
- gebruik aceton te wassen van alle platen, de houder, de inlaat en uitlaat buizen en andere instrumenten die gebruikt worden in de experimenten. Plaatst u deze hulpprogramma's en de platen in een bekerglas en giet genoeg 99,5% aceton om te dompelen hen. Zet het bekerglas binnen de ultrasone wasmachine. Inschakelen van de ultrasone wasmachine en de timer ingesteld op 5 min.
- Invoegen de inlaat en uitlaat roestvrij stalen buizen in de twee openingen van de afdekplaat.
- Plaats een kamer plaat gemaakt van siliconen membraan op de elektrode plaat en vervolgens het deksel met de afdekplaat.
- Stapelen en uitlijnen van de afdekplaat, de plaat van de kamer en de elektrode plaat van boven naar beneden en plaats de uitgelijnde platen in de kaarthouder.
- Gebruik een M5 bout om te bevestigen van de platen in de houder. Zie de weergave van de explosie en de normale weergave van de geassembleerde micropump, zoals aangegeven in Figuur 8 en Figuur 9, respectievelijk.
- Druk op de platen samen door aanscherping van de bouten.
Opmerking: De buizen en de holte op de plaat van de kamer zal een passage voor de werkende vloeistof vormen. De elastische kamer plaat kan ook afschermen van de kloof tussen platen om te voorkomen dat vloeistof stroomt uit. Zie de weergave van de explosie en de normale weergave van de geassembleerde micropump in Figuur 8 en Figuur 9, respectievelijk.
- Waarmee twee PUR slangen met externe diameters van 4 mm en interne diameter van 2 mm verbinding wordt gemaakt de inlaat en uitlaat roestvrij stalen buizen.
- Sluit een amperemeter, een 500 V DC voedingsbron, en de micropump in de serie. Plaats een 1 mA fuse tussen de amperemeter en de krachtbron te beschermen van de amperemeter, in het geval dat de micropump is kortgesloten.
- De inlaat slang invoegen in een 50 mL-bekerglas met 20-30 mL aceton binnen.
Opmerking: Figuur 10 ziet u de voltooide platform.
3. Experimentele Procedure
- voorbereidende werkzaamheden voor het experiment
- gebruiken een cilinder te injecteren van aceton te vullen van de micropump. Nadat het vloeistofniveau de uitlaat slang bereikt, doorgaan met het injecteren van 10 mL aceton binnen totdat alle bubbels weg van deze zaal zijn geduwd.
Opmerking: Het is onmogelijk om te zien of er belletjes achtergelaten in de kamer omdat de afdekplaat en de elektrode plaat niet transparant zijn. Voortdurend het injecteren van aceton helpt om luchtbellen te verwijderen, maar is er geen garantie dat er geen luchtbellen worden overgelaten binnen de micropump. Bubbels het verstrijken van de vloeistof kunnen blokkeren, of ze kunnen korte van de circuits en een micro-explosie in de micropump, die de elektroden zal branden veroorzaken. Het effect van bubbels op de werking van de pomp nog niet helemaal duidelijk, maar de storingen die ze veroorzaken zijn meerdere malen waargenomen. - 20-30 mL aceton giet in het bekerglas en zet de inlaat slang in het bekerglas. Zorgen dat het vloeistofniveau ten minste 5 mm hoger dan de inlaat zodat aceton naar de pomp stromen kan en geen lucht kan worden meegezogen in de zaal micropump.
- gebruiken een cilinder te injecteren van aceton te vullen van de micropump. Nadat het vloeistofniveau de uitlaat slang bereikt, doorgaan met het injecteren van 10 mL aceton binnen totdat alle bubbels weg van deze zaal zijn geduwd.
- Statische druk test
- hechten van de uitlaat slang aan een klein frame, zodat de slang rechtdoor en verticale blijven kunnen. Zet een liniaal naast de uitlaat slang voor het meten van het vloeistofniveau.
- De micropump verbinden met de krachtbron.
- Start de test door het indrukken van de switch en vervolgens markeert beneden de eerste vloeistofniveau.
- Nadat het vloeistofniveau stabiel wordt, registreren de elektrische stroom, de tijd en de definitieve vloeistofniveau.
- Blijven registreren het vloeistofniveau en de huidige elke 10 s totdat de micropump breekt.
- Flow rate test
- een grote maatcylinder gebruiken voor het verzamelen van de vloeistof die uit de uitlaat slang. Zorg dat de uitlaat slang bevestigen zodat het einde op de dezelfde hoogte als het vloeistofniveau in het bekerglas blijft.
- De micropump verbinden met de krachtbron.
- Start de test door het indrukken van de switch en vervolgens markeert beneden de eerste vloeistofniveau.
- Zoals de vloeistof begint te stromen uit de uitlaat slang, nemen de hoeveelheid aceton in de maatcylinder elke 10 s. Naarmate het experiment vordert, voeg aceton toe aan het bekerglas te handhaven van het vloeistofniveau.
- Betrouwbaarheid testen
- Gebruik de gemiddelde arbeidstijd te evalueren van de betrouwbaarheid van de pomp. Opnemen tijdens de stroom tarief en de statische druk test, de bewerkingstijd voordat de pomp breekt. De gedetailleerde verschijnselen van elke uitsplitsing tijdens het experiment vastleggen en controleren van het oppervlak van de plaat elektrode daarna voor verdere analyse.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Zoals aangetoond in Figuur 11, stijgen de pompdruk en haar steeds sneller wanneer de spanning stijgt. Wanneer de spanning 500 V bereikt, de pompdruk bedraagt 1.100 Pa.
De pomp statische druk stijgt met de pomp kamer hoogte verhogen wanneer de hoogte van de kamer onder 0.2 mm is. De prestaties van de pomp bereikt haar hoogste punt, wanneer de hoogte van de kamer 0,2 mm is. De statische druk daalt vervolgens, wanneer de kamer hoogte blijft toenemen. Men gelooft dat 0,2 mm is de beste waarde voor de hoogte van de kamer. De resultaten worden weergegeven in Figuur 12.
Door de lengte van de kamer toeneemt, stijgt de statische druk liggen, met een grote helling tot de lengte van een kamer van 23 mm en een kleinere helling, met vermelding van een geleidelijke stijging, daarna. De neiging van de variatie van de pompdruk is afgebeeld in Figuur 13.
Zoals aangetoond in Figuur 14, er is een lichte daling in de statische druk versus kamer breedte kromme wanneer de breedte van de zaal stijgt van 2 mm tot 3 mm. daarna, de statische druk blijft op een bepaald niveau als de verhogingen van de breedte van de kamer.
Tijdens het testen breekt de micropump vaak na het werken voor 10-90 min. Na het werken voor een bepaalde hoeveelheid tijd blijft de pompdruk te laten vallen totdat verdeling optreedt. De prestaties van de pompdruk kan echter wel worden hersteld, wanneer nieuwe aceton wordt toegevoegd aan het bekerglas.
Wanneer er bellen binnen de pomp, zal de pompdruk niet zo hoog als het normaal gesproken doet omdat de passage van werkende vloeistof wordt geblokkeerd door de belletjes stijgen. Als de platen niet voldoende schoongemaakt zijn, zal wat betekent dat dat er nog steeds stof of andere vervuiling, de pomp gemakkelijk krijgen kortgesloten wanneer deze deeltjes zich naar de kloof tussen de elektroden. Wanneer de pomp kortgesloten krijgt, zal de elektrische stroom zeer snel stijgen en branden van de elektroden.
Figuur 1: de grootte van de elektrode plaat. De elektrode plaat, kamer plaat en afdekplaat zijn van dezelfde grootte. Hun breedte 9 mm en hun lengtes zijn 40 mm. De gaten voor het solderen van de draad hebben een diameter van 1,6 mm. volgorde de elektrode platen uit de fabriek met deze parameters en controleert u de grootte van de plaat daarna om ervoor te zorgen dat ze in de houder passen kunnen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 2: afmetingen van de elektroden. De elektrode platen hebben 23 paren van elektroden, met een breedte van de elektrode van 300 µm, een elektrode afstand van 200 µm, een breedte kloof tussen de twee elektrode paren van 400 µm, en een elektrode afstand van 600 µm beëindigen. De elektrode afstand is de belangrijkste parameter, zoals het bepaalt de sterkte van het elektrisch veld. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 3: kleine gebreken op het oppervlak van de elektroden en de schade van kortsluitingen. Poetslappen en oppervlakte kuilen zijn de typische defecten van de elektroden. De pits in (een) hebben geleid tot een ernstige verdeling. Sommige van de elektroden in (b) onder hoge elektrische veldsterkte branden. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 4: kamer plaat dimensies. De breedte en de lengte van de plaat zijn 9 mm en 40 mm, respectievelijk. De dikte van de plaat is 0.3 mm in deze tests. De nauwkeurigheid van de dimensie is 0.1 mm. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 5: foto van de speciale perforator. Speciaal bokszak hulpstuk is aangepast voor het snijden van de holte op de plaat van de kamer. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 6: de tekening van de houder engineering. De 3 mm opening op de top is voor de inlaat en uitlaat roestvrij stalen buizen. De dikte van alle wanden is 2 mm en de totale grootte van de houder is 14 x 37,5 x 9 mm-3. De 2.4 mm muur aan de linkerkant is voor het houden van de positie van de elektrode plaat, afdekplaat en kamer plaat. Op de bodem van de houder is er een M5 schroefdraad gat voor een bevestiging bout. De nauwkeurigheid van de dimensie van de houder is 0.1 mm, die niet erg hoog is. Zorg ervoor dat de elektrode plaat past binnen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 7: de parameters van de afdekplaat. Het materiaal van de afdekplaat is ook FR4. Twee roestvrij stalen buizen worden ingevoegd in het gat te inlaat en uitlaat passage voorzien in de vloeistof van de werken. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 8: weergave van de explosie van de micropump. Zijn de inlaat en uitlaat buizen, de afdekplaat, de kamer plaat, de elektrode-plaat en de bout bevestiging van boven naar beneden. De buizen en de holte op de cHamber plaat vormen een vloeibare passage voor de werkende vloeistof. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 9: gesmolten beeld van de geassembleerde micropump. Na bevestiging van de bout, alle platen zijn samengeperst en het gat op de plaat van de kamer is de enige ruimte voor vloeibaar doorheen kan stromen. De elastische kamer plaat kan ook afschermen van de kloof tussen platen om te voorkomen dat vloeistof stroomt uit. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 10: het beeld van de micropump experimenteren platform. De fles met aceton kan vervangen door een bekerglas, maar het is veiliger om te dek het bekerglas af met dunne film om te voorkomen dat de aceton teveel volatilizing. De krachtbron, de amperemeter en de pomp zijn in serie geschakeld. De uitlaat slang kunnen ook worden vervangen door een glazen buis. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 11: de relatie tussen het voltage en de pompdruk. De pompdruk en haar steeds sneller stijgt wanneer de spanning stijgt. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 12: de verhouding tussen de hoogte van de kamer en de prestaties van de pomp. De prestaties van de pomp eerst verhoogt dan druppels wanneer de hoogte van de zaal van 0.1 mm tot 0.5 mm stijgt. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 13: de verhouding tussen de lengte van de kamer en de prestaties van de pomp. De prestaties van de pomp stijgt wanneer de lengte toeneemt.
Figuur 14: de verhouding tussen de breedte van de kamer en de prestaties van de pomp. De pompdruk blijft hetzelfde wanneer de breedte van de kamer toeneemt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Een van de kritische stappen binnen het protocol is het zorgvuldig inspecteren van de elektrode plaat. Kleine bramen aan de rand van een elektrode kunnen resulteren in een kortsluiting en oppervlakte integriteit kan grote invloed hebben op de prestaties van de pomp. Het reinigen van de elektrode plaat en houder is ook zeer belangrijk. De hoogte van de kamer elektrode is minder dan 1 mm, dus kleine stofdeeltjes kunnen de vloeibare stroom van werken blokkeren en een kortsluiting veroorzaken. Vóór de proef, kunt injecteren van aceton in de kamer verwijderen de belletjes buiten de kamer.
De prestaties van de micropump kan sterk worden beïnvloed door de hoogte van de kamer. Om te elimineren dergelijke invloed, kan de elastische kamer plaat worden vervangen door harder materiaal.
Er zijn een paar beperkingen aan de techniek. Ten eerste, de hoogte van de elektrode wordt bepaald door de metalen laag op de FR-4 CCL. Het is relatief hoog, die de stroom van de vloeistof tot op zekere hoogte beïnvloedt. Ten tweede, met behulp van siliconen membraan als de kamer plaat, de sealability van de kamer is verbeterd. De elasticiteit van siliconen kan echter leiden tot enige afwijking in de hoogte van de kamer. Tot slot, de breedte van de elektrode en de elektrode afstand worden beperkt door de techniek zelf, waardoor het bereiken van hogere elektrische veldsterkte veel moeilijker dan met andere techniek.
In tegenstelling tot fotolithografie en andere hoge-precisie fabrication technieken is met behulp van FR-4 CCL met deze elektrode Productie-procédé relatief eenvoudiger en goedkoper. Aan de andere kant, is de vereiste elektrische spanning in dit werk veel lager. Pearson en Seyed-Yagoobi13 hebben voorgesteld een ring elektrode en geperforeerde elektrode ontwerp dat 5 vereist kV van gelijkspanning voor de pomp om te werken, terwijl in dit werk, de energiebron is slechts 500 V.
Deze micropump kan worden gebruikt om lus een warmte-pijp, met name in het geval van een lange warmte-pijp die een drijvende kracht dan de capillaire werking vereist. Invoegen van een of meerdere elektrode platen binnen de heat pipe kan bieden genoeg drijvende kracht voor de diëlektrische koelvloeistof te reizen vanaf het einde van koude naar warme eind. Een soortgelijke functie kan ook worden bereikt door een ringvormige elektrode vervaardigd op zachte, geïsoleerde materiaal met een metalen ondergrond.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit werk werd gesponsord door de National Natural Science Foundation of China (51375176); de Stichting provinciale natuurwetenschappen Guangdong van China (2014A030313264); en de wetenschap en de technologie Planning van Project van de provincie Guangdong, China (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).
