Summary
Detta dokument presenterar ett protokoll för tillverkning av en överledning micropump med symmetrisk planar elektroder på flamskyddade glasfiberarmerad epoxi (FR-4) koppar-klädda laminat (CCL) för att testa påverkan av kammaren dimensioner på utförandet av en överledning micropump.
Abstract
Här, är en överledning micropump med symmetrisk planar elektrod par beredd på flamskyddade glasfiberarmerad epoxi (FR-4) koppar-klädda laminat (CCL) tillverkat. Det används för att undersöka påverkan av kammaren mått på prestanda för en överledning micropump och avgöra tillförlitligheten av överledning pumpen när aceton används som arbetsmedium. En testplattform är inställd att utvärdera överledning micropump prestanda under olika förhållanden. När kammaren är 0,2 mm, når pumptrycket sitt toppvärde.
Introduction
Micropumps kan köra vätskeflödet i mycket mindre skala än de flesta pumpar. Under de senaste åren har olika drivande system tillämpats till mikroflödessystem system1,2,3,4,5. Electrohydrodynamic (EHD) pumpen kan utöva styrkor direkt på vätskan, utan några rörliga delar, vilket gör det enklare och lättare att fabricera6. Enligt kostnad typerna, kan EHD pumpar klassificeras som injektionen pumpar, induktion pumpar eller överledning pumpar. Induktion pumpar fungerar inte på isotermiska vätskor, medan injektionen pumpar ändra flytande ledningsförmåga. Eftersom de saknar sådana problem, överledning pumpar är mer stabil och har en bredare tillämpning.
Överledning pumpen är baserad på en felmatchning av de dissociation och rekombination flytande molekyler. Normalt, kan dissociation och rekombination processen uttryckas enligt följande7,8:
där rekombination takt kr är konstant medan den dissociation Tan kd är en funktion av den elektriska fältstyrkan. När den elektriska fältstyrkan når ett visst värde, kommer dissociation överstiga andelen rekombination. Sedan resa mer och mer gratis avgifter till de två elektroderna av motsatt polaritet och heterocharge lager formuläret. Dessa heterocharge lager är nyckeln till pumpen, som rörelsen av avgifterna puttar flytande molekylerna framåt. Därför kan netto kroppen kraft genereras i vätskan i kammaren med asymmetrisk elektroder eller en felmatchning av positiva och negativa joner9,10,11,12 rörlighet .
Detta arbete introducerar ett nytt sätt att tillverka en symmetrisk planar elektrod platta för en överledning pump. Elektroden plattan är beredd på FR-4 CCL, och pumpen kammaren är beredd av micromachining. Fabrication processerna är relativt enklare och bekvämare än andra tillverkningsmetoder, såsom nanolithography. En testplattform är inställd att undersöka prestanda för den överledning micropump under olika förhållanden. Dessutom utreds också tillförlitligheten i de överledning micropump under olika omständigheter.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
försiktighet: Läs alla relevanta säkerhetsdatablad (MSDS) före användning. Aceton är mycket brandfarligt och kan orsaka irritation i ögon och andningsorgan. Inblandade spänningen är så hög som flera tusen volt; därför förväntas elektriska gnistor när de utför experimentet. Genomföra experiment i ett rum med bra ventilation för att undvika explosioner och brand från gnistor.
1. tillverkning av plattor och hållare
Observera: I detta arbete, den elektrodplattor och hållare är tillverkade av en produktionslinje i en fabrik. Endast materiellt och parametrarna för alla delar i denna uppsats kommer att införas på grund av de komplicerade processerna.
- Material och storlek av elektroden plattan
- Fabricate elektroden plattor med 1.4 mm FR-4 CCL med koppar tunt med 35 µm. Se figur 1 för detaljerade parametrar av elektroden plattan.
- Parametrar av elektroderna
- beställa elektrod plattorna från fabriken. Se figur 2 för mer information.
- Inspektion av elektroden plattan
- efter beredning av elektroden plattan, använda ett elektronmikroskop för att inspektera elektroderna för eventuella märkbara brister under X 100 och 300 X förstoring. Observera att eventuella små defekter på ytan av elektroderna kan orsaka kortslutning, som visas i figur 3.
- Inspect och mät elektrod bredd och avstånd att avgöra huruvida dimension noggrannhet uppfyller kravet.
- Testa plattan med en amperemeter till se om en elektrisk kortslutning uppstår.
- Beredning av kammaren plattan
- skära några silikon membran till samma storlek som elektrod plattan, som visas i figur 4. Välja silikon membran med olika tjocklekar att göra kammaren plattor med olika höjder.
- Använda ett speciellt stansning verktyg för att stämpla kammare hålet, som visas i figur 5.
- Bearbetning av innehavaren av
- beställa innehavaren från en fabrik. De detaljerade parametrarna visas i figur 6.
- Tillverkning av täckplåten
- borra två hål längst upp på täcklocket med en borrning maskin installera inlopp och utlopp rören. Se figur 7 för deras placeringar och storlekar.
2. Montering av Micropump
- Använd aceton till att tvätta alla plattorna, innehavaren, inlopp och utlopp rören och andra verktyg som används i experiment. Sätta dessa verktyg och plattorna inuti en bägare och häll sedan tillräckligt 99,5% aceton för att fördjupa dem. Placera bägaren inuti ultraljud bricka. Slå på ultraljud bricka och Ställ in timern till 5 min.
- Inlopp och utlopp rostfria rören för in de två hålen på täckplåten.
- Placera en kammare platta gjord av silikon membran på elektroden plattan och sedan täcka den med täckplåten.
- Stack och justera täckplåten, kammare plattan och elektroden tallrik från topp till botten och sätt arrangera i rak linje plattorna i hållaren.
- Använd en M5 bult fixar plattorna inuti hållaren. Se den explosion och normal vy av den sammansatta micropump, som visas i figur 8 och figur 9, respektive.
- Tryck plattorna tillsammans genom att dra åt bultarna.
Obs: Rören och hålighet på avdelningen plattan kommer att utgöra en passage för arbetande flytande. Elastisk kammare plattan kan även isolera mellanrummet mellan plattorna att förhindra att vätska rinner ut. Se vyn explosion och den normala vyn av den sammansatta micropump i figur 8 och figur 9, respektive.
- Använda två polyuretan slangar med yttre diameter på 4 mm och inre diameter av 2 mm att ansluta inlopp och utlopp rostfria rören.
- Anslut en amperemeter, en 500 V DC-strömkälla och micropump i serien. Infoga en 1 mA säkring mellan amperemeter och strömkällan att skydda amperemeter ifall micropump är kortsluten.
- In en 50 mL bägare med 20-30 mL aceton släpper loss tilloppsslangen.
Obs: Figur 10 visar den färdiga plattformen.
3. Experimentell förfarande
- förberedande arbete innan experimentet
- använda en cylinder för att injicera aceton till att fylla upp micropump. När vätskenivån når utloppet slangen, fortsätta att injicera 10 ìl av aceton inne tills alla bubblor är knuffas bort från kammaren.
Obs: Det är omöjligt att se om det finns några bubblor kvar inuti kammaren eftersom täckplåten och elektroden plattan inte är transparent. Kontinuerligt injicera aceton hjälper att ta bort bubblor, men det kan inte garantera att inga bubblor är kvar inuti micropump. Bubblor kan blockera passage av vätska, eller de kan korta kretsar och orsaka en mikro-explosion inuti den micropump, som bränner elektroderna. Effekten av bubblor på pumpen operationen är inte helt klart ännu, men de uppdelningar som de orsakar har observerats flera gånger. - Häll 20-30 mL aceton i bägaren och sätta tilloppsslangen inuti bägaren. Kontrollera att vätskenivån är minst 5 mm högre än inloppet så att aceton kan flöda in i pumpen och ingen luft kan sugas in i micropump kammaren.
- använda en cylinder för att injicera aceton till att fylla upp micropump. När vätskenivån når utloppet slangen, fortsätta att injicera 10 ìl av aceton inne tills alla bubblor är knuffas bort från kammaren.
- Statiskt tryck testa
- Fäst slangen outlet en liten ram så att slangen kan förbli raka och lodräta. Placera en linjal bredvid outlet slangen för att mäta vätskenivån.
- Ansluta till micropump till strömkällan.
- Starta testet genom att trycka på växeln och sedan markera ner inledande vätskenivån.
- Efter vätskenivån blir stabil, registrera tiden, sista vätskenivån och den elektriska strömmen.
- Fortsätta att registrera vätskenivån och nuvarande varje 10 s tills micropump sönder.
- Flow rate test
- använda en stor mätcylinder för att samla vätska kommer ut ur slangen utlopp. Se till att fixa outlet slangen så att slutet förblir på samma höjd som vätskenivån i bägaren.
- Ansluta till micropump till strömkällan.
- Starta testet genom att trycka på växeln och sedan markera ner inledande vätskenivån.
- Som vätskan börjar rinna ur slangen outlet registrera volymen av aceton inuti mätcylindern varje 10 s. Experimentet går till, lägga till aceton i bägaren att upprätthålla vätskenivån.
- Tillförlitlighet testa
- Använda den genomsnittliga arbetstiden att utvärdera tillförlitligheten i pumpen. Under flöde klassar testet och det statiska tryck testet, registrera driftstiden innan pumpen sönder. Spela in detaljerad fenomenen av varje uppdelning under experimentet och inspektera elektrod platta ytan efteråt för vidare analys.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
I figur 11visas pumptrycket och dess ökande hastighet stiger när spänningen ökar. När spänningen når 500 V, pumptrycket når 1,100 Pa.
Det pump statiska trycket stiger med pump kammare höjden ökar när kammaren är under 0,2 mm. Pumpens prestanda når sin högsta punkt när kammaren är 0,2 mm. Sedan sjunker det statiska trycket när kammaren höjden fortsätter att öka. Det tros att 0,2 mm är det bästa värdet för kammaren höjden. Resultaten visas i figur 12.
Genom att öka längden kammare, stiger det statiska trycket, med en stor lutning tills kammaren längd 23 mm och en mindre lutning, som visar en gradvis ökning, efteråt. Variationen tendensen av pumptrycket visas i figur 13.
I figur 14visas finns det en liten minskning i det statiska trycket kontra kammare bredd kurva när kammaren bredden ökar från 2 mm till 3 mm. efteråt, det statiska trycket ligger kvar på en viss nivå som kammaren bredd ökar.
Under provningen, micropump går sönder ofta efter att ha arbetat för 10-90 min. Efter att ha arbetat under en viss tid fortsätter pumptrycket att sjunka tills haveri inträffar. Dock kan utförandet av pumptrycket återställas när nya aceton läggs till bägaren.
När det finns bubblor inuti pumpen, stiger pumptrycket inte så högt som det normalt gör eftersom passagen av arbetande vätska blockeras av bubblor. Om plattorna inte rengörs tillräckligt, kommer att vilket innebär att det fortfarande finns damm eller andra föroreningar, pumpen enkelt få kortsluten när dessa partiklar reser till klyftan mellan elektroderna. När pumpen blir kortsluten, kommer den elektriska strömmen stiga mycket snabbt och bränner elektroderna.
Figur 1: storleken på elektroden plattan. Den elektrod platta, kammare plattan och täckplåten är av samma storlek. Deras bredder är 9 mm och deras längder är 40 mm. Hålen för lödning tråd har en diameter på 1,6 mm. Beställ elektrodplattor från fabrik med dessa parametrar och kontrollera plattan storlek efteråt för att se till att de kan passa inuti hållaren. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: dimensioner av elektroderna. Elektrodplattor har 23 par elektroder, med en elektrod bredd 300 µm, en elektrod avståndet 200 µm, en bredd lucka mellan de två elektrod par av 400 µm, och en elektrod slut avstånd av 600 µm. Elektrod avstånd är den viktigaste parametern, eftersom den bestämmer den elektriska fältstyrkan. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: små defekter på ytan av elektroder och skadan från kortslutningar. Trasor och ytan gropar är de typiska bristerna i elektroderna. Gropar i (en) har orsakat en allvarlig uppdelning. Några av elektroderna i (b) bränna under hög elektrisk fältstyrka. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: kammare plattan dimensioner. Bredden och längden på plattan är 9 mm och 40 mm, respektive. Tjockleken på plattan är 0,3 mm i dessa tester. Dimension noggrannheten är 0,1 mm. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Figur 5: bild av särskilda hålslagningen. Av stans specialverktyg är anpassad för skärning av kaviteten på avdelningen plattan. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6: den schemaritning innehavarens. De 3 mm öppning på toppen är för inlopp och utlopp rostfria rören. Tjockleken på alla väggar är 2 mm och den totala storleken av innehavaren är 14 x 37,5 x 9 mm3. 2,4 mm väggen till vänster är för att hålla positionen för den elektrod, täcka pläterar, och kammaren plåt. På botten av innehavaren finns det en M5 gängade hål för en infästning bult. Dimensionen är korrekta innehavaren är 0,1 mm, vilket inte är mycket hög. Kontrollera att elektroden plattan får plats inuti. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 7: parametrarna för täckplåten. Materialet i täckplåten är också FR4. Två rostfria rör sätts i hålet för att ge inlopp och utlopp passage för arbetande flytande. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 8: Explosion syn på micropump. Från toppen till botten är inlopp och utlopp rören, täckplåten, kammare plattan, elektrod plattan och fästande bulten. Rören och hålighet på cHamber plattan bildar en flytande passage för arbetande flytande. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 9: återges bilden av den sammansatta micropump. Efter fastsättning bulten, alla plåtar trycks ihop, och hålet på avdelningen plattan är bara utrymmet för vätska att flöda genom. Elastisk kammare plattan kan även isolera mellanrummet mellan plattorna att förhindra att vätska rinner ut. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 10: bilden av micropump experimentera plattform. Flaskan som innehåller aceton kan ersättas med en bägare, men det är säkrare att Täck bägaren med tunn film att förhindra aceton från volatilizing för mycket. Kraftkällan, amperemeter och pumpen ansluts i serie. Utlopp slangen kan också ersättas av ett glasrör. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 11: förhållandet mellan spänning och pumptrycket. Pumptrycket och dess ökande hastighet stiger när spänningen ökar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 12: förhållandet mellan kammare höjden och pump prestanda. Pumpens prestanda först ökar sedan droppar när kammaren höjden ökar från 0,1 mm till 0,5 mm. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Figur 13: förhållandet mellan kammare längden och pump prestanda. Pumpens prestanda stiger när längden ökar.
Figur 14: förhållandet mellan bredden och pump prestanda. Pumptrycket förblir densamma när kammaren bredden ökar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
En av de kritiska steg i protokollet är att inspektera elektrod plattan noggrant. Litet ojämnheter på kanten av en elektrod kan leda till kortslutning och ytans integritet kan påverka pump prestanda. Rengöring av den elektrod platta och hållare är också mycket viktigt. Elektroden kammare höjd är mindre än 1 mm, så små dammpartiklar kan blockera arbetande vätskeflödet och orsaka kortslutning. Före provet skall injicera aceton i kammaren kan ta bort bubblorna utanför kammaren.
Micropump prestanda kan påverkas allvarligt av höjden av kammaren. För att eliminera sådant inflytande, kan elastisk kammare plattan ersättas av hårdare material.
Det finns några begränsningar för tekniken. Först, elektrod höjden bestäms av metall lagret på FR-4 Klimatförändringsskatten. Det är relativt hög, vilket påverkar flödet av vätska i viss utsträckning. Andra, genom att använda silikon membran som kammaren plattan, tätningsförmåga av kammaren har förbättrats. Elasticitet i silikon kan dock orsaka vissa avvikelser i kammaren höjd. Slutligen, elektrod bredd och elektrod avståndet begränsas av tekniken själv, vilket gör att uppnå högre elektrisk fältstyrka mycket svårare än med annan teknik.
Till skillnad från photolithography och andra tekniker för hög precision tillverkning är med FR-4 CCL med denna elektrod tillverkningsprocessen relativt enklare och billigare. Däremot, är krävs elektriska spänningen i detta arbete mycket lägre. Pearson och Seyed-Yagoobi13 har föreslagit en ring elektrod och perforerade elektrod design som kräver 5 kV av DC-spänning för pumpen att fungera, medan i detta arbete, att strömförsörjningen är endast 500 V.
Detta micropump kan användas för att loopa en heat pipe, särskilt en lång heat pipe som kräver en drivkraft än kapillär kraft. Infoga en eller flera elektrodplattor inuti värme röret kan ge tillräckligt drivkraft för dielektriska kylvätskan att resa från kalla slutet till det varma slutet. En liknande funktion kan också uppnås genom en ringformig elektrod tillverkad i mjuk, isolerade material med ett metallsubstrat.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
Detta arbete sponsrades av den nationella naturvetenskap Foundation i Kina (51375176); Guangdong Provincial naturvetenskapliga grunden för Kina (2014A030313264); och vetenskap och teknik som planerar projekt i provinsen Guangdong, 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).
