Summary
Este trabajo presenta un protocolo para la fabricación de un micropump de conducción utilizando electrodos planares simétricos en laminado revestido de cobre de epoxy de cristal ignífugo (FR-4) (CCL) para probar la influencia de dimensiones de su cámara en el desempeño de un conducción micropump.
Abstract
Aquí, se fabrica una conducción micropump con electrodo planar simétrica pares preparado en laminado revestido de cobre de epoxy de cristal ignífugo (FR-4) (CCL). Se utiliza para investigar la influencia de las dimensiones de su cámara en el rendimiento de una conducción micropump y para determinar la fiabilidad de la bomba de conducción cuando la acetona se utiliza como fluido de trabajo. Una plataforma de prueba se establece para evaluar la conducción micropump desempeño bajo diferentes condiciones. Cuando la altura de la cámara es de 0,2 mm, presión de la bomba alcanza su valor máximo.
Introduction
Microbombas pueden conducir el flujo de líquido en una escala mucho más pequeña que la mayoría de las bombas. En los últimos años, diversos sistemas de conducción se han aplicado con éxito a microfluidos sistemas1,2,3,4,5. La bomba electrohidrodinámicos (EHD) puede ejercer fuerzas directamente en el líquido, sin partes móviles, lo que hace que sea más simple y más fácil de fabricar6. Según los tipos de carga, bombas de EHD pueden clasificarse como bombas de inyección, bombas de inducción o conducción bombas. Bombas de inducción no funcionan con isotermos líquidos, mientras que las bombas de inyección cambian la conductividad del líquido. Porque carecen de este tipo de problemas, bombas de conducción son más estables y tienen una aplicación más amplia.
La bomba de conducción se basa en la incompatibilidad de los tipos de disociación y la recombinación de moléculas de líquido. Normalmente, el proceso de disociación y recombinación puede expresarse de la siguiente manera7,8:
donde la tasa de recombinación kr es constante mientras que la tasa de disociación kd es una función de la intensidad de campo eléctrico. Cuando la fuerza del campo eléctrico alcanza un cierto valor, la tasa de disociación superará la tasa de recombinación. A continuación, cargas más libres viajan a los dos electrodos de polaridad opuesta y en forma de capas de heterocharge. Estas capas de heterocharge son la clave de la bomba, como el movimiento de las cargas empuja las moléculas del líquido. Por lo tanto, se puede generar fuerza neta del cuerpo en el líquido dentro de la cámara utilizando electrodos asimétricos o el desajuste de la movilidad de los iones positivos y negativos9,10,11,12 .
Este trabajo presenta una nueva forma de fabricar una placa de electrodo planar simétrica para una bomba de conducción. La placa de electrodos se prepara en FR-4 CCL y la cámara de la bomba está preparada por micromecanizado. Los procesos de fabricación son relativamente más simple y más conveniente que otros métodos de fabricación, como la Nanolitografía. Una plataforma de pruebas está configurada para investigar el rendimiento de la conducción micropump bajo diferentes condiciones. Además, la fiabilidad del Microbomb de conducción también es investigada bajo diferentes circunstancias.
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Protocol
PRECAUCIÓN: consulte todas las hojas de datos de seguridad del material (MSDS) antes de su uso. La acetona es altamente inflamable y puede causar irritación en los ojos y vías respiratorias. El voltaje involucrados es tan alto como varios mil voltios; por lo tanto, las chispas eléctricas se espera que al realizar el experimento. Llevar a cabo los experimentos en una sala con buena ventilación para evitar explosiones y el fuego de las chispas.
1. fabricación de las placas y el titular de la
Nota: en este trabajo, las placas del electrodo y el soporte están fabricados por una línea de producción en una fábrica. Sólo el material y los parámetros de todas las partes en el presente trabajo se presentará debido a los complicados procesos.
Placas de- material y tamaño de la placa de electrodo
- fabricar el electrodo con 1,4 mm FR-4 CCL con una fina capa de cobre de 35 μm. Vea la figura 1 para parámetros detallados de la placa del electrodo.
- Parámetros de los electrodos
- orden de las placas del electrodo de la fábrica. Vea la figura 2 para más detalles.
- Inspección de la placa de electrodo
- después de la preparación de la placa del electrodo, use un microscopio electrónico para examinar los electrodos para algún defecto sensible debajo de 100 X y 300 aumentos. Tenga en cuenta que cualquier pequeño defecto en la superficie de los electrodos puede causar cortocircuitos, como se muestra en la figura 3.
- Inspeccione y mida el ancho del electrodo y el espaciado para determinar si la exactitud de dimensión cumple el requisito de.
- Prueba de la placa con un amperímetro para ver si se produce un cortocircuito eléctrico.
- Preparación de la placa de la cámara
- cortar alguna membrana de silicona del mismo tamaño que la placa del electrodo, como se muestra en la figura 4. Elegir las membranas de silicona con diferentes grosores para hacer placas de cámara con diferentes alturas de.
- Utilizar una herramienta de perforación especial para perforar el agujero de la cámara, como se muestra en la figura 5.
- Procesamiento del titular de la
- el titular de una fábrica de la orden. Los parámetros detallados se muestran en la figura 6.
- Fabricación de la placa de cubierta
- perfore dos orificios en la parte superior de la placa con una perforación de la máquina para instalar los tubos de entrada y salida. Vea la figura 7 para sus posiciones y tamaños.
2. Asamblea del Microbomb
- acetona uso para lavar todos los platos, el titular, los tubos de entrada y salida y otras herramientas usadas en los experimentos. Poner estas herramientas y las placas dentro de un vaso de precipitados y a continuación, vierta suficiente acetona 99,5% para sumergirlos. Poner el vaso interior de la lavadora ultrasónica. Encender la lavadora ultrasónica y ajustar el temporizador para 5 minutos
- Inserte los tubos de acero inoxidable de entrada y salida de los dos orificios en la placa de cubierta.
- Colocar una placa cámara de membrana de silicona en la placa del electrodo y luego cubrirla con la tapa.
- Pila y alinee la placa de cubierta, la placa de la cámara y el electrodo de la placa de arriba a abajo e introducir las placas alineadas en la caja.
- Uso un M5 Tornillo para fijar las placas dentro de la titular. Ver la vista de la explosión y vista normal del Microbomb montado, como se muestra en la figura 8 y figura 9, respectivamente.
- Junte las placas apretando los tornillos.
Nota: Los tubos y la cavidad en la placa de la cámara forman un pasaje para el líquido de funcionamiento. La placa de la cámara elástica también puede sellar el espacio entre las placas para evitar que el líquido fluya hacia fuera. Ver la vista de la explosión y la vista normal del Microbomb montado en la figura 8 y figura 9, respectivamente.
- Utilizar dos mangueras de poliuretano con diámetro externo de 4 mm y diámetro interno de 2 mm para conectar los tubos de entrada y salida de acero inoxidable.
- Conecte un amperímetro y una fuente de alimentación 500 V DC el microbomb en serie. Inserte un 1 mA fusible entre el amperímetro y la fuente de energía para proteger el amperímetro en caso de que se pone en cortocircuito el microbomb.
- Inserte la manguera de entrada de un vaso de precipitados de 50 mL con 20-30 mL de acetona en.
Nota: La figura 10 muestra la plataforma completa.
3. Procedimiento experimental
- trabajo preparatorio antes del experimento
- Use un cilindro para inyectar acetona para llenar el microbomb. Después de que el nivel del líquido alcanza la manguera de salida, continuar a inyectar 10 mL de acetona dentro hasta que todas las burbujas están lejos de la cámara de.
Nota: Es imposible a ver si hay cualquier burbuja dentro de la cámara a la izquierda porque la placa de cubierta y la placa de electrodos no son transparentes. Inyectando continuamente acetona ayuda a quitar las burbujas, pero no puede garantizar que no hay burbujas quedan dentro el microbomb. Las burbujas pueden bloquear el paso de líquido, o pueden corta los circuitos y causar una micro explosión dentro el microbomb, que quemará a los electrodos. El efecto de las burbujas en el funcionamiento de la bomba no es totalmente clara todavía, pero las averías que causan se han observado varias veces. - Verter 20-30 mL de acetona en el vaso y poner la manguera de entrada dentro del vaso. Asegúrese que el nivel de líquido por lo menos 5 mm mayor que la entrada quede acetona puede fluir en la bomba y aire no puede ser aspirado en la cámara de micropump.
- Use un cilindro para inyectar acetona para llenar el microbomb. Después de que el nivel del líquido alcanza la manguera de salida, continuar a inyectar 10 mL de acetona dentro hasta que todas las burbujas están lejos de la cámara de.
- Prueba de presión estática
- Conecte la manguera de salida a un pequeño marco para que la manguera pueda permanecer recta y vertical. Poner una regla junto a la manguera de salida para medir el nivel de líquido.
- La fuente de alimentación Conecte el microbomb.
- Comenzar la prueba pulsando el interruptor y luego marque el nivel de líquido inicial.
- Después de que el nivel de líquido se convierte en estable, registrar el tiempo, el nivel final del líquido y la corriente eléctrica.
- Seguir registrar el nivel de líquido y la corriente cada 10 s hasta que rompe el microbomb.
- Prueba de tasa de flujo
- utilizar una probeta grande para recoger el líquido que sale de la manguera de salida. Asegúrese de fijar la manguera de salida para que al final queda a la misma altitud, como el nivel de líquido en el vaso.
- La fuente de alimentación Conecte el microbomb.
- Comenzar la prueba pulsando el interruptor y luego marque el nivel de líquido inicial.
- Como el líquido comienza a fluir fuera de la manguera de salida, registrar el volumen de acetona dentro del cilindro mide cada 10 s. Según el experimento, agregar acetona en el vaso para mantener el nivel de líquido.
- Prueba de fiabilidad
- Uso el tiempo promedio de trabajo para evaluar la fiabilidad de la bomba. Durante la prueba de velocidad de flujo y la prueba de presión estática, registrar el tiempo de operación antes de la bomba se descompone. Registrar los fenómenos detallados de cada avería durante el experimento e inspeccione la superficie de la placa de electrodo luego para su posterior análisis.
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Representative Results
Como se muestra en la figura 11, la presión de la bomba y su tasa de aumento aumentan cuando aumenta la tensión. Cuando el voltaje llega a 500 V, la presión de la bomba alcanza 1.100 PA.
La presión estática de la bomba se levanta a la altura de cámara de la bomba aumenta cuando la altura de la cámara es menos de 0,2 mm. El rendimiento de la bomba alcanza su punto más alto cuando la altura de la cámara es de 0,2 mm. Entonces, la presión estática disminuye cuando la altura de la cámara continúa aumentando. Se cree que 0,2 mm es el mejor valor para la altura de la cámara. Los resultados se muestran en la figura 12.
Al aumentar la longitud de la cámara, la presión estática se levanta, con una gran pendiente hasta una longitud de cámara de 23 mm y una pendiente menor, que indica un aumento gradual, luego. La tendencia de variación de la presión de la bomba se muestra en la figura 13.
Como se muestra en la figura 14, hay una ligera disminución en la presión estática versus curva de ancho de cámara cuando el cámara ancho aumenta desde 2 mm a 3 mm. luego, la presión estática se mantiene en un cierto nivel como los aumentos de ancho de cámara.
Durante la prueba, el microbomb rompe con frecuencia después de trabajar 10-90 min. Después de trabajar durante un cierto periodo de tiempo, la presión de la bomba continúa bajando hasta que ocurra la ruptura. Sin embargo, el rendimiento de la presión de la bomba puede ser restaurado cuando se agrega nuevo acetona en el vaso.
Cuando hay burbujas dentro de la bomba, la presión de la bomba no subirá tan alto como lo hace normalmente porque el paso del líquido de trabajo está bloqueado por las burbujas. Si las placas no son lo suficientemente limpia, lo que significa que todavía hay polvo u otra contaminación, la bomba será fácilmente obtener en corto cuando estas partículas viajan a la distancia entre electrodos. Cuando la bomba es puso en cortocircuito, la corriente aumentará muy rápido y quemar los electrodos.
Figura 1: tamaño de la placa del electrodo. La placa de electrodo, placa de la cámara y placa de cubierta son del mismo tamaño. Sus anchos son 9 mm y sus longitudes son de 40 mm. Los agujeros para soldar el cable tienen un diámetro de 1,6 mm. orden de las placas del electrodo de fábrica con estos parámetros y comprobar el tamaño de la placa luego para asegurarse de que puede caber dentro del titular. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: dimensiones de los electrodos. Las placas del electrodo tienen 23 pares de electrodos, con una anchura de electrodo de un espaciamiento de electrodo de 200 μm, 300 μm, un espacio ancho entre los pares de dos electrodos de 400 μm y un electrodo extremo espaciamiento de 600 μm. El espaciamiento de electrodo es el parámetro más importante, como determina la intensidad de campo eléctrico. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: defectos diminutos en la superficie de los electrodos y el daño de cortocircuitos. Trapos y pozos superficiales son los típicos defectos de los electrodos. Los hoyos en (un) han causado una avería grave. Algunos de los electrodos en (b) grabar bajo la fuerza del campo eléctrico alto. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: dimensiones de la placa de la cámara. La anchura y la longitud de la placa son 9 mm y 40 mm, respectivamente. El espesor de la placa es de 0,3 mm en estas pruebas. La precisión de la dimensión es de 0,1 mm. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: foto de la perforadora especial. La herramienta de perforación especial se adapta a la cavidad en la placa de la cámara de corte. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6: la ingeniería del dibujo del titular de la. La abertura en la parte superior de 3 mm es para las entrada y salida de tubos de acero inoxidable. El espesor de las paredes es de 2 mm, y el tamaño total del titular es 14 x 37,5 x 9 mm3. La pared de 2,4 mm a la izquierda es para sostener la posición de la placa del electrodo, placa y placa de la cámara. En la parte inferior del titular, hay un orificio roscado M5 para un tornillo de fijación. La precisión de la dimensión del titular es 0,1 mm, que no es muy alta. Asegúrese de que la placa del electrodo puede caber dentro. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 7: los parámetros de la placa cubertora. El material de la placa de cubierta es también FR4. Dos tubos de acero inoxidable se insertan en el agujero para proporcionar pasaje entrada y salida para el líquido de funcionamiento. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 8: vista de la explosión del Microbomb. De arriba a abajo son los tubos de entrada y salida, la placa de cubierta, la placa de la cámara, la placa del electrodo y el perno de fijación. Los tubos y la cavidad en el cplaca de la cámara forma un pasaje de líquido para el líquido de funcionamiento. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 9: representa la imagen del Microbomb montado. Después de que el tornillo de sujeción, todas las placas se presionan juntos, y el agujero en la placa de la cámara es el único espacio para el líquido fluya a través. La placa de la cámara elástica también puede sellar el espacio entre las placas para evitar que el líquido fluya hacia fuera. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 10: la imagen del Microbomb experimentar plataforma. La botella que contiene acetona se puede reemplazar por un vaso de precipitados, pero es más seguro cubrir el vaso con película fina para impedir que la acetona se volatiliza mucho. La fuente de energía, el amperímetro y la bomba están conectados en serie. La manguera de salida puede sustituirse también por un tubo de vidrio. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 11: la relación entre la tensión y la presión de la bomba. La presión de la bomba y su tasa de aumento se eleva cuando aumenta la tensión. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 12: la relación entre la altura de la cámara y el rendimiento de la bomba. El rendimiento de la bomba primero aumenta entonces gotas cuando la altura de la cámara aumenta de 0.1 mm a 0,5 mm. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 13: la relación entre la longitud de la cámara y el rendimiento de la bomba. El rendimiento de la bomba se levanta cuando la longitud aumenta.
Figura 14: la relación entre el ancho de la cámara y el rendimiento de la bomba. La presión de la bomba sigue siendo el mismo cuando aumenta la anchura de la cámara.
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Discussion
Uno de los pasos críticos en el protocolo debe inspeccionar cuidadosamente la placa del electrodo. Pequeña rebaba en el borde de un electrodo puede ocasionar un cortocircuito e integridad superficial puede afectar grandemente rendimiento de la bomba. También es muy importante la limpieza de la placa de electrodo y el soporte. La altura de la cámara de electrodo es inferior a 1 mm, por lo que pequeñas partículas de polvo pueden bloquear el flujo de líquido de trabajo y causar un cortocircuito. Antes de la prueba, inyectando acetona en la cámara puede quitar las burbujas fuera de la cámara.
El rendimiento del Microbomb puede verse afectado gravemente por la altura de la cámara. Para eliminar dicha influencia, la placa de la cámara elástica puede sustituirse por material más duro.
Hay algunas limitaciones para la técnica. En primer lugar, la altura del electrodo está determinada por la capa metálica en el CCL de FR-4. Es relativamente alta, que afecta el flujo del líquido hasta cierto punto. En segundo lugar, mediante el uso de membrana de silicona que la placa de la cámara, el sellado de la cámara se ha mejorado. Sin embargo, la elasticidad de la silicona puede causar alguna desviación en altura de la cámara. Por último, el ancho del electrodo y el espaciamiento de electrodo están limitadas por la técnica, que la hace alcanzar mayor fuerza campo eléctrico mucho más difícil que con otra técnica.
A diferencia de otras técnicas de fabricación de alta precisión y Fotolitografía, utilizando CCL FR-4 con este proceso de fabricación del electrodo es relativamente más simple y más barato. Por otro lado, la tensión eléctrica requerida en este trabajo es mucho menor. Pearson y Seyed Yagoobi13 han propuesto un electrodo de anillo y un diseño de electrodo perforada que requiere 5 kV del voltaje de C.C. de la bomba a trabajar, mientras que en este trabajo, la fuente de alimentación es solamente 500 V.
Este micropump puede utilizarse para una pipa de calor, especialmente una pipa de calor largo que requiere un motor que no sea de fuerza capilar del lazo. Insertar una o varias placas de electrodo dentro de la pipa de calor puede proporcionar suficiente fuerza motriz para el líquido refrigerador dieléctrico viajar del extremo frío al extremo caliente. Una función similar puede lograrse también mediante un electrodo anular fabricado en material suave, aislado con un sustrato metálico.
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Disclosures
Los autores no tienen nada que revelar.
Acknowledgments
Este trabajo fue patrocinado por la Fundación Nacional de Ciencias naturales de China (51375176); la Fundación de Ciencias naturales Provincial de Guangdong de China (2014A030313264); y la ciencia y tecnología de planificación de proyecto de la provincia de 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
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