Summary
Dieser Beitrag stellt ein Protokoll für die Herstellung von eine Wärmeleitung Mikropumpe mit symmetrische planar Elektroden auf flammhemmende glasfaserverstärktem Epoxy (FR-4) kupferummantelte Laminat (CCL) um zu testen, den Einfluss der Kammer Dimensionen auf die Leistung von einem Wärmeleitung Mikropumpe.
Abstract
Hier ist eine Wärmeleitung Mikropumpe mit symmetrischen planar Elektrodenpaare vorbereitet auf flammhemmende glasfaserverstärktem Epoxy (FR-4) kupferummantelte Laminat (CCL) hergestellt. Hiermit wird den Einfluss der Kammer Dimensionen auf die Leistung einer Leitung Mikropumpe untersuchen und bestimmen die Zuverlässigkeit der Wärmeleitung Pumpe wenn Aceton als das Arbeitsmedium verwendet wird. Eine Testplattform ist eingerichtet für Wärmeleitung Mikropumpe Ertragskraft unter verschiedenen Bedingungen. Wenn die Kammer Höhe 0,2 mm ist, erreicht der Pumpendruck seinen Spitzenwert.
Introduction
Mikropumpen können Flüssigkeitsstrom in viel kleinerem Maßstab als die meisten Pumpen fahren. In den letzten Jahren wurden verschiedene treibende Regelungen mikrofluidischen Systemen1,2,3,4,5erfolgreich angewendet. Electrohydrodynamic (EHD) Pumpe ausüben kann Kräfte direkt auf die Flüssigkeit, ohne bewegliche Teile, wodurch es einfacher und leichter zu6zu fabrizieren. Nach der Kostenarten können EHD Pumpen als Einspritzpumpen, Induktion Pumpen oder Wärmeleitung Pumpen eingestuft werden. Induktion Pumpen funktionieren nicht auf isothermen Flüssigkeiten während Einspritzpumpen die flüssigen Leitfähigkeit ändern. Weil sie solche Probleme fehlt, Wärmeleitung Pumpen sind stabiler und haben eine breitere Anwendung.
Die Wärmeleitung Pumpe basiert auf das Missverhältnis der Dissoziation und Rekombination Sätze der Flüssigkeitsmoleküle. Prozess der Dissoziation und Rekombination kann normalerweise,7,8folgt ausgedrückt werden:
wo ist die Rekombination Rate kR konstant, während die Dissoziation Rate kd eine Funktion der elektrischen Feldstärke ist. Wenn die elektrische Feldstärke einen bestimmten Wert erreicht, wird die Dissoziation Rate die Rekombinationsrate übersteigen. Dann reisen mehr und mehr freien Ladungen an den beiden Elektroden der entgegengesetzten Polarität und Heterocharge Schichten bilden. Diese Heterocharge-Schichten sind der Schlüssel zu der Pumpe, wie die Bewegung der Ladungen die Flüssigkeitsmoleküle nach vorne schiebt. Daher kann net Körperkraft in der Flüssigkeit innerhalb der Kammer mit asymmetrischen Elektroden oder die Nichtübereinstimmung der Mobilität von positiven und negativen Ionen9,10,11,12 generiert werden .
Diese Arbeit stellt eine neue Art der Herstellung eine symmetrische planar Elektrodenplatte für eine Leitung Pumpe. Die Elektrodenplatte ist auf FR-4 CCL zubereitet und die Pumpenkammer wird vorbereitet, indem Mikromaterialbearbeitung. Die Herstellungsprozesse sind relativ einfacher und bequemer als die der anderen Herstellungsmethoden, wie Nanolithografie. Eine Testplattform ist eingerichtet, die Leistung der Wärmeleitung Mikropumpe unter verschiedenen Bedingungen zu untersuchen. Darüber hinaus wird die Zuverlässigkeit der Wärmeleitung Mikropumpe auch unter anderen Umständen untersucht.
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Protocol
Vorsicht: konsultieren Sie bitte alle relevanten Sicherheitsdatenblätter (SDB) vor dem Gebrauch. Aceton ist leicht entzündlich und kann zu Reizungen der Augen und Atemwege verursachen. Die beteiligten Spannung ist so hoch wie mehrere tausend Volt; Daher dürften elektrische Funken, wenn Sie das Experiment durchführen. Experimente durchführen, die in einem Raum mit guter Belüftung zur Vermeidung von Explosionen und Feuer aus dem Funken.
1. Herstellung der Platten und Halter
Hinweis: In diesem Werk werden die Elektrodenplatten und Inhaber von einer Fertigungslinie in einer Fabrik hergestellt. Nur das Material und die Parameter aller Teile in diesem Papier aufgrund der komplizierten Prozesse eingeführt werden.
- Material und Größe der Elektrodenplatte
- Fabricate die Elektrode Platten mit 1,4 mm FR-4 CCL mit einer dünnen Kupferschicht von 35 µm. Siehe Abbildung 1 für detaillierte Parameter der Elektrodenplatte.
- Parameter der Elektroden
- die Elektrodenplatten ab Werk bestellen. Weitere Einzelheiten siehe Abbildung 2.
- Inspektion der Elektrodenplatte
- nach der Vorbereitung der Elektrodenplatte verwenden Elektronenmikroskop um die Elektroden für deutliche Mängel unter 100 X und 300 X Vergrößerung zu prüfen. Beachten Sie, dass kleine Mängel an der Oberfläche der Elektroden kurzschließen, verursachen können, wie in Abbildung 3 gezeigt.
- Prüfen und Messen Sie die Elektrode Breite und Abstand zu ermitteln, ob die Maßgenauigkeit der Anforderung erfüllt.
- Testen, die Platte mit einem Ampermeter zu sehen, ob einen elektrischen Kurzschluss auftritt.
- Vorbereitung der Kammer Platte
- einige Silikonmembran auf die gleiche Größe wie der Elektrodenplatte geschnitten, wie in Abbildung 4 dargestellt. Wählen Sie Silikonmembranen mit unterschiedlichen dicken Kammer Platten mit unterschiedlichen Höhen machen.
- Eine spezielle Stanzwerkzeug zu der Kammer Loch Stanzen verwenden, wie in Abbildung 5 gezeigt.
- Verarbeitung des Inhabers
- den Inhaber aus einer Fabrik zu bestellen. Die detaillierte Parameter sind in Abbildung 6 gezeigt.
- Fertigung der Abdeckplatte
- zwei Bohrungen an der Oberseite der Abdeckplatte mit einer Bohrung Maschine, um die Einlass und Auslass Rohre zu installieren. Abbildung 7 für ihre Positionen und Größen sehen.
2. Montage von der Mikropumpe
- Gebrauch Aceton waschen alle Platten, die Inhaber, die Einlass und Auslass Rohre und andere Tools, die in den Experimenten verwendet. Legen Sie diese Tools und Platten in ein Becherglas und gießen Sie dann genug 99,5 % Aceton um sie eintauchen. Setzen Sie den Becher in die Ultraschall-Unterlegscheibe. Schalten Sie den Ultraschall Waschmaschine und stellen Sie den Timer auf 5 min.
- Einlass und Auslass Edelstahl-Rohre in die beiden Löcher auf der Abdeckplatte einfügen.
- Legen Sie eine Kammer-Platte aus Silikonmembran auf der Elektrodenplatte und bedecken Sie es mit der Abdeckplatte.
- Stack und richten Sie die Abdeckplatte, die Kammer-Platte und die Elektrode Platte von oben nach unten und legen Sie die ausgerichteten Platten in die Halterung.
- Verwendung eine M5 Schraube, die Platten in der Halterung zu beheben. Die Explosion und normale Ansicht der montierten Mikropumpe zu sehen, wie in Abbildung 8 und Abbildung 9, bzw. gezeigt.
- Drücken Sie die Platten zusammen, indem Sie die Schrauben festziehen.
Hinweis: Die Rohre und der Hohlraum auf der Kammer-Platte werden eine Passage für die Arbeitsflüssigkeit bilden. Die elastische Kammer-Platte kann der Abstand zwischen den Platten zu verhindern, dass Flüssigkeit fließt auch abzuriegeln. Die Explosion-Ansicht und der normalen Ansicht von der montierten Mikropumpe in Abbildung 8 und Abbildung 9, bzw. zu sehen.
- Zwei Polyurethan-Schläuche mit Außendurchmesser von 4 mm und Innendurchmesser von 2 mm zu verwenden, um den Einlass und Auslass Edelstahlrohre verbinden.
- Schließen ein Ampermeter, 500 V DC Stromquelle und die Mikropumpe in Serie. Legen Sie eine 1 mA Sicherung zwischen den Meßbuchsen und die Stromquelle, die Meßbuchsen zu schützen, für den Fall, dass die Mikropumpe kurzgeschlossen ist.
- Legen Sie den Zulaufschlauch in einen 50-mL-Becherglas mit 20-30 mL Aceton in.
Hinweis: Abbildung 10 zeigt die fertige Plattform.
3. Experimentelle Verfahren
- vorbereitende Arbeiten vor dem Experiment einen Zylinder verwenden, um Aceton zu füllen die Mikropumpe zu injizieren. Nachdem der Flüssigkeitsstand der Auslaufschlauch erreicht hat, weiterhin 10 mL Aceton im Inneren zu injizieren, bis alle Bläschen weg von der Kammer gedrückt werden.
Hinweis: Es ist unmöglich, festzustellen, ob alle Bläschen im Inneren der Kammer verlassen, weil der Abdeckplatte und der Elektrodenplatte nicht transparent sind. Um Luftblasen zu entfernen hilft kontinuierlich Injektion von Aceton, aber kann es nicht garantieren, dass keine Luftblasen im Inneren der Mikropumpe gelassen werden. Luftblasen können blockieren den Durchgang von Flüssigkeit, oder kurz die Schaltungen und verursachen eine Mikro-Explosion im Inneren der Mikropumpe, die die Elektroden brennen wird. Die Wirkung von Bläschen auf den Pumpenbetrieb noch nicht völlig klar, aber die Ausfälle sie verursachen mehrmals beobachtet worden. - 20-30 mL Aceton in das Becherglas gießen und legte den Zulaufschlauch in den Becher. Sicherzustellen, dass der Flüssigkeitsspiegel mindestens 5 mm höher als der Einlass ist, so dass Aceton in die Pumpe fließen kann und keine Luft in die Mikropumpe Kammer eingesaugt werden kann.
- vorbereitende Arbeiten vor dem Experiment einen Zylinder verwenden, um Aceton zu füllen die Mikropumpe zu injizieren. Nachdem der Flüssigkeitsstand der Auslaufschlauch erreicht hat, weiterhin 10 mL Aceton im Inneren zu injizieren, bis alle Bläschen weg von der Kammer gedrückt werden.
- Statische Druckprüfung
- einem kleinen Rahmen den Auslaufschlauch zuordnen, so dass der Schlauch gerade und senkrecht bleiben können. Legen Sie ein Lineal neben den Auslaufschlauch um den Füllstand zu messen.
- Die Mikropumpe mit der Stromquelle verbinden.
- Starten Sie den Test durch Drücken des Schalters und dann markieren Sie die erste Flüssigkeitsstand.
- Nach der Flüssigkeitsstand stabil wird, aufzeichnen, die Zeit, der letzte Flüssigkeitsspiegel und der elektrische Strom.
- Weiterhin der Flüssigkeitsspiegel und der aktuellen erfassen alle 10 s bis die Mikropumpe zusammenbricht.
- Flow Rate Test
- verwenden eine große Glaszylinder, um die Flüssigkeit, die aus dem Ablaufschlauch zu sammeln. Achten Sie darauf, den Ablaufschlauch zu beheben, so dass das Ende auf gleicher Höhe wie der Flüssigkeitsstand im Becher bleibt.
- Die Mikropumpe mit der Stromquelle verbinden.
- Starten Sie den Test durch Drücken des Schalters und dann markieren Sie die erste Flüssigkeitsstand.
- Als die Flüssigkeit beginnt zu fließen aus den Auslaufschlauch aufzeichnen dem Volumen Aceton in den Messzylinder alle 10 s. Im Laufe des Experiments Aceton hinzufügen den Becher, der Flüssigkeitsspiegel beizubehalten.
- Zuverlässigkeit testen
- Verwendung der durchschnittlichen Arbeitszeit, die Zuverlässigkeit der Pumpe zu bewerten. Während die Abdrehprobe und die statische Druckprüfung erfassen Sie die Betriebszeit, bevor die Pumpe ausfällt. Aufzeichnen der detaillierten Phänomene jede Panne während des Experiments und der Elektrodenoberfläche Platte danach zur weiteren Analyse zu inspizieren.
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Representative Results
Wie in Abbildung 11gezeigt, steigen der Pumpendruck und die steigende Rate, wenn die Spannung erhöht. Wenn die Spannung 500 V erreicht, erreicht der Pumpendruck 1.100 Pa.
Der Pumpe statische Druck steigt mit der Pumpe Kammer Höhe erhöhen, wenn die Kammer Höhe unter 0,2 mm beträgt. Die Leistung der Pumpe erreicht ihren höchsten Punkt, wenn die Kammer Höhe 0,2 mm beträgt. Der statische Druck fällt dann, wenn die Kammer Höhe weiterhin zu erhöhen. Es wird vermutet, dass 0,2 mm ist der beste Wert für die Höhe der Kammer. Die Ergebnisse sind in Abbildung 12dargestellt.
Durch die Erhöhung der Kammerlänge, steigt der statische Druck, mit einem großen Hang bis eine Kammerlänge von 23 mm und kleiner Hang, einen allmählichen Anstieg, danach angibt. Die Variation Tendenz der Pumpendruck ist in Abbildung 13dargestellt.
Wie in Abbildung 14gezeigt, gibt es ein leichter Rückgang der statische Druck gegen Kammer breite Kurve, wenn die Kammer Breite von 2 mm bis 3 mm. danach erhöht, der statische Druck bleibt auf einer bestimmten Ebene zunehmender Breite Kammer.
Während der Tests bricht die Mikropumpe oft nach der Arbeit für 10-90 min. Nach seiner Tätigkeit für eine gewisse Zeit weiterhin der Pumpendruck zu sinken, bis Ausfall kommt. Allerdings kann die Leistung der Pumpendruck wiederhergestellt werden, wenn neue Aceton das Becherglas hinzugefügt wird.
Wann gibt es Bläschen im Inneren der Pumpe, steigt der Pumpendruck nicht so hoch wie es normalerweise tut, da im Laufe der Arbeitsflüssigkeit durch die Luftblasen versperrt wird. Wenn die Platten nicht ausreichend gereinigt werden, wird was bedeutet, dass es noch Staub oder andere Verunreinigungen die Pumpe einfach kurzgeschlossen bekommen wenn diese Partikel, um die Lücke zwischen Elektroden Reisen. Wenn die Pumpe kurzgeschlossen wird, wird der elektrische Strom sehr schnell steigen und brennen die Elektroden.
Abbildung 1: Größe der Elektrodenplatte. Die Elektrodenplatte, Kammer-Platte und Abdeckplatte sind gleich groß. Ihre breiten sind 9 mm und ihre Längen 40 mm. Die Löcher für den Draht Löten haben einen Durchmesser von 1,6 mm. Bestellung die Elektrodenplatten ab Werk mit diesen Parametern und überprüfen Sie die Plattengröße danach um sicherzustellen, dass sie in der Halterung passen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 2: Abmessungen der Elektroden. Die Elektrodenplatten haben 23 Paare von Elektroden mit einer Elektrode Breite von 300 µm, eine Elektrode Abstand von 200 µm, eine breite Lücke zwischen die zwei Elektrodenpaare von 400 µm und einer Elektrode, die Abstand von 600 µm zu beenden. Der Elektroden-Abstand ist der wichtigste Parameter, wie es die elektrische Feldstärke bestimmt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 3: kleine Defekte auf der Oberfläche der Elektroden und den Schaden vor Kurzschlüssen. Lumpen und Oberfläche Gruben sind die typischen Mängel der Elektroden. Die Gruben in (einem) haben einen schweren Zusammenbruch verursacht. Einige der Elektroden in (b) brennen unter hohen elektrischen Feldstärke. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 4: Kammer Platte Abmessungen. Die Breite und Länge der Platte sind 9 mm und 40 mm. Die Dicke der Platte beträgt 0,3 mm bei diesen Tests. Die Maßgenauigkeit ist 0,1 mm. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 5: Bild von der speziellen Lochung. Das spezielle Stanzwerkzeug ist zum Schneiden des Hohlraums auf der Kammer-Platte angepasst. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 6: die technische Zeichnung des Halters. Die 3 mm-Öffnung auf der Oberseite ist für den Einlass und Auslass Edelstahlrohre. Die Dicke der alle Wände beträgt 2 mm, und die Gesamtgröße des Inhabers ist 14 x 37,5 x 9 mm3. Die 2,4 mm Wand auf der linken Seite ist für das halten der Position der Elektrodenplatte, Abdeckplatte und Kammer-Platte. Auf der Unterseite des Halters ist ein M5 Gewinde Loch für einen Befestigungsbolzen. Die Maßgenauigkeit des Inhabers ist 0,1 mm, das ist nicht sehr hoch. Stellen Sie sicher, dass der Elektrodenplatte reinpassen kann. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 7: die Parameter der Abdeckplatte. Das Material der Abdeckplatte ist auch FR4. Zwei Edelstahl-Rohre werden in das Loch für die Arbeitsflüssigkeit Einlass und Auslass Durchgang zu eingefügt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 8: Explosion-Blick auf die Mikropumpe. Von oben nach unten sind die Einlass und Auslass Röhren, die Abdeckplatte der Kammer-Platte, der Elektrodenplatte und die Befestigungsbolzen. Die Rohre und der Hohlraum auf der cHamber Platte Form einer flüssigen Passage für die Arbeitsflüssigkeit. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 9: gerendertes Bild der montierten Mikropumpe. Nach Befestigung der Schraube, alle Platten zusammengedrückt sind, und das Loch auf der Kammer-Platte der einzige Platz für die Flüssigkeit ist ungehindert durchfließen. Die elastische Kammer-Platte kann der Abstand zwischen den Platten zu verhindern, dass Flüssigkeit fließt auch abzuriegeln. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 10: das Bild von der Mikropumpe experimentieren Plattform. Die Flasche, die Aceton enthält kann ersetzen durch ein Becherglas, aber es ist sicherer, das Becherglas mit thin Film zu verhindern, dass das Aceton verflüchtigen zuviel zu decken. Die Stromquelle, die Meßbuchsen und die Pumpe sind in Reihe geschaltet. Der Ablaufschlauch können auch durch eine Glasröhre ersetzt werden. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 11: das Verhältnis zwischen der Spannung und der Pumpendruck. Der Pumpendruck und die steigende Rate steigt, wenn die Spannung erhöht. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 12: die Beziehung zwischen der Höhe der Kammer und der Pumpenleistung. Die Leistung der Pumpe zuerst erhöht dann Tropfen steigt die Höhe der Kammer von 0,1 mm bis 0,5 mm. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 13: die Beziehung zwischen der Kammer und der Pumpenleistung. Die Leistung der Pumpe steigt, wenn die Länge zunimmt.
Abbildung 14: die Beziehung zwischen der Breite der Kammer und der Pumpenleistung. Der Pumpendruck bleibt unverändert, wenn die Kammer Breite erhöht.
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Discussion
Die entscheidenden Schritte innerhalb des Protokolls gehört zu der Elektrodenplatte sorgfältig zu überprüfen. Kleine Grate am Rande einer Elektrode können dazu führen, dass ein Kurzschluss und Oberflächenbeschaffenheit kann großen Einfluss auf die Pumpenleistung. Die Reinigung der Elektrodenplatte und Halter ist auch sehr wichtig. Die Elektrode Kammer Höhe ist weniger als 1 mm, so dass kleine Staubpartikel können blockieren den Flüssigkeitsstrom zu arbeiten und einen Kurzschluss verursachen. Vor der Prüfung kann die Injektion von Aceton in der Kammer die Bläschen außerhalb der Kammer entfernen.
Die Leistung der Mikropumpe kann durch die Höhe der Kammer stark beeinflusst werden. Um diesen Einfluss zu beseitigen, kann die elastische Kammer-Platte von härterem Material ersetzt werden.
Es gibt ein paar Einschränkungen auf die Technik. Erstens ist die Elektrode Höhe durch die Metallschicht auf FR-4 CCL bestimmt. Es ist relativ hoch, die die Strömung der Flüssigkeit zu einem gewissen Grad beeinflussen. Zweitens wird mithilfe von Silikonmembran als die Kammer-Platte, die Siegelfähigkeit der Kammer verbessert. Die Elastizität des Silikons kann jedoch einige Abweichungen in der Kammer Höhe führen. Schließlich sind die Elektrode Breite und Abstand der Elektrode durch die Technik an sich, begrenzt, wodurch höhere elektrische Feldstärke sehr viel schwieriger als mit anderen Technik zu erreichen.
Im Gegensatz zu Photolithographie und andere hochpräzisen Fertigungsverfahren ist diese Elektrode Fertigungsprozess FR-4 CCL mit relativ einfacher und billiger. Auf der anderen Seite liegt die erforderliche elektrische Spannung in diesem Werk deutlich. Pearson und Seyed-Yagoobi13 haben vorgeschlagen, ein Ring Elektrode und perforierte Elektrodenkonstruktion, das erfordert 5 kV DC-Spannung für die Pumpe zu arbeiten, während in dieser Arbeit ist die Stromquelle nur 500 V.
Diese Mikropumpe kann verwendet werden, um eine Heatpipe, vor allem eine lange Heatpipe-Schleife, die eine treibende Kraft als Kapillare Kraft erfordert. Einfügen einer oder mehrerer Elektrodenplatten innerhalb der Heat-Pipe bieten genügend treibende Kraft für die dielektrische Kühlmittel vom kalten Ende in das heiße Ende Reisen. Eine ähnliche Funktion lässt sich auch durch eine ringförmige Elektrode auf weichen, isolierte Material mit einem metallischen Substrat hergestellt.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts preisgeben.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde gesponsert von der National Natural Science Foundation of China (51375176); der Guangdong Provinz Natural Science Foundation von China (2014A030313264); Wissenschaft und Technik Projektplanung der Guangdong Provinz, 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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