Summary
Este trabalho apresenta um protocolo para a preparação de uma microbomba de condução utilizando eletrodos planares simétricos na estratificação cobre-folheada do epóxi reforçado com vidro resistente ao fogo (FR-4) (CCL) para testar a influência das dimensões da câmara sobre o desempenho de um microbomba de condução.
Abstract
Aqui, uma microbomba de condução com pares de eletrodo de planar simétrica preparado na estratificação cobre-folheada do epóxi reforçado com vidro resistente ao fogo (FR-4) (CCL) é fabricada. É usado para investigar a influência das dimensões da câmara sobre o desempenho de uma microbomba de condução e para determinar a confiabilidade da bomba da condução quando a acetona é usada como o fluido de trabalho. Uma plataforma de teste está configurada para avaliar o desempenho de microbomba condução em condições diferentes. Quando a altura da câmara é de 0,2 mm, a pressão da bomba atinge seu valor de pico.
Introduction
Micropumps pode dirigir o fluxo de líquido em uma escala muito menor do que a maioria das bombas. Nos últimos anos, vários regimes de condução foram aplicados com êxito a microfluidic sistemas1,2,3,4,5. A bomba de electrohydrodynamic (DHE) pode exercer forças diretamente sobre o líquido, sem partes móveis, o que torna mais simples e mais fácil de fabricar6. De acordo com os tipos de carga, bombas EHD podem ser classificadas como bombas injetoras, bombas de indução ou bombas de condução. Bombas de indução não funcionam em líquidos isotérmicos, enquanto bombas de injeção alterar a condutividade do líquido. Porque lhes falta a tais problemas, bombas de condução são mais estáveis e tem uma aplicação mais ampla.
A bomba de condução baseia-se a incompatibilidade das taxas de dissociação e recombinação de moléculas do líquido. Normalmente, o processo de dissociação e recombinação pode ser expressa como segue7,8:
onde a taxa de recombinação kr é constante, enquanto a taxa de dissociação kd é uma função da força do campo elétrico. Quando a força do campo elétrico atinge um determinado valor, a taxa de dissociação excederá a taxa de recombinação. Em seguida, cargas livres mais viajam para os dois eletrodos de polaridade oposta e a forma de camadas de heterocharge. Estas camadas de heterocharge são a chave para a bomba, como o movimento das cargas empurra as moléculas de líquido para a frente. Portanto, força de corpo líquido pode ser gerada no líquido dentro da câmara utilizando eletrodos assimétricos ou a incompatibilidade da mobilidade dos íons positivos e negativos9,10,11,12 .
Este trabalho apresenta uma nova forma de fabricar uma placa de eletrodo planar simétrica para uma bomba de condução. A placa do eletrodo é preparada na CCL FR-4, e a câmara da bomba é preparada por micromaquinação. Os processos de fabricação são relativamente mais simples e mais conveniente do que aqueles de outros métodos de fabricação, tais como Nanolitografia. Uma plataforma de teste é criada para investigar o desempenho da microbomba de condução em condições diferentes. Além disso, a confiabilidade da microbomba de condução também é investigada em circunstâncias diferentes.
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Protocol
atenção: favor consultar todas as fichas de dados de segurança (MSDS) antes do uso. Acetona é altamente inflamável e pode causar irritação dos olhos e vias respiratórias. A tensão envolvida é tão alta quanto vários milhares de volts; daí, faíscas elétricas são esperadas quando realizar o experimento. Realizar os experimentos em um quarto com boa ventilação para evitar explosões e fogo de faíscas as.
1. fabricação das placas e titular
Nota: neste trabalho, as placas de eletrodo e o titular são fabricados por uma linha de produção em uma fábrica. Apenas o material e os parâmetros de todas as partes neste documento serão introduzidos devido os processos complicados.
- Material e o tamanho da placa de eletrodo
- fabricação do eletrodo placas usando 1,4 mm CCL FR-4, com uma fina camada de cobre de 35 µm. Veja a Figura 1 para parâmetros detalhados da placa eletrodo.
- Parâmetros de eletrodos
- ordenar as placas de eletrodo da fábrica. Para obter mais detalhes, veja a Figura 2.
- Inspeção da placa de eletrodo
- depois da preparação da chapa de eletrodo, usar um microscópio eletrônico para inspecionar os eletrodos para eventuais falhas visíveis abaixo dos 100 X e ampliação de X 300. Observe que qualquer pequenos defeitos na superfície dos eléctrodos podem causar curto-circuito, como mostrado na Figura 3.
- Inspecionar e medir a largura do eletrodo e espaçamento para determinar se a precisão de dimensão atende o requisito.
- a placa com um amperímetro para ver se um curto-circuito elétrico ocorre teste.
- Preparação da placa da câmara
- cortar alguns membrana do silicone para o mesmo tamanho como a placa do eletrodo, conforme mostrado na Figura 4. Escolher as membranas de silicone com espessuras diferentes para fazer placas de câmara com diferentes alturas.
- Usar uma ferramenta de perfuração especial para fazer o buraco da câmara, conforme mostrado na Figura 5.
- Processamento do titular
- ordem o titular de uma fábrica. Os parâmetros detalhados são mostrados na Figura 6.
- Fabricação da placa de cobertura
- faça dois furos na parte superior da placa de cobertura usando uma perfuração da máquina para instalar os tubos de entrada e saída. Veja a Figura 7 para suas posições e tamanhos.
2. Montagem da microbomba
- acetona de uso para lavar todos os pratos, o titular, os tubos de entrada e saída e outras ferramentas usadas nas experiências. Colocar essas ferramentas e placas dentro de um copo e em seguida despeje suficiente 99.5% de acetona para mergulhá-los. Coloque o copo dentro do aparelho de ultra-sons. Ligue o aparelho de ultra-sons e ajuste o temporizador para 5 min.
- Inserir os tubos de aço inoxidável de entrada e saída nos dois furos na placa de tampa.
- Colocar uma placa de câmara feita de membrana de silicone sobre a placa do eletrodo e, em seguida, cubra-o com a placa de cobertura.
- Pilha e alinhe a placa de cobertura, chapa de câmara e o elétrodo da placa de cima para baixo e insira as placas alinhadas no suporte.
- Uso um M5 parafuso para fixar as placas dentro do titular. Ver a explosão e visualização normal da microbomba montada, como mostrado na Figura 8 e Figura 9, respectivamente.
- Pressão sobre as chapas juntos, apertando os parafusos.
Nota: Os tubos e a cavidade da placa de câmara irão formar uma passagem para o líquido de funcionamento. A placa da câmara elástica também pode selar a abertura entre placas para impedir que o líquido flui para fora. Ver a explosão e a visualização normal da microbomba montada na Figura 8 e Figura 9, respectivamente.
- Usar duas mangueiras de poliuretano com diâmetro externo de 4 mm e 2 mm de diâmetro interno para conectar os tubos de aço inoxidável de entrada e saída.
- Conecte um amperímetro, uma fonte de alimentação 500 V DC e a microbomba em série. Inserir um 1 mA fusível entre o amperímetro e a fonte de energia para proteger o amperímetro no caso a microbomba shorted.
- Inserir a mangueira de entrada em um copo de 50 mL com 20-30 mL de acetona dentro.
Nota: A Figura 10 mostra a plataforma concluída.
3. Procedimento experimental
- trabalhos preparatórios antes do experimento
- Use um cilindro para injetar acetona para encher a microbomba. Depois que o nível de líquido atinge a mangueira de saída, continuar a injetar 10 mL de acetona dentro até todas as bolhas são empurradas para longe da câmara.
Nota: É impossível ver se há quaisquer bolhas deixou dentro da câmara, porque a placa de cobertura e a placa do eletrodo não são transparentes. Injetar continuamente acetona ajuda a remover as bolhas, mas não pode garantir que não há bolhas são deixadas dentro a microbomba. Bolhas podem bloquear a passagem de líquido, ou podem curto-circuitos e causar uma explosão-micro dentro a microbomba, que vai queimar os eléctrodos. O efeito de bolhas sobre a operação da bomba ainda não está totalmente claro, mas as avarias causam foram observadas várias vezes. - Despeje o copo de 20-30 mL de acetona e colocar a mangueira de entrada de dentro do copo. Certifique-se de que o nível do líquido é maior do que a entrada de pelo menos 5 mm para que acetona pode fluir para a bomba e nenhum ar pode ser sugado para a câmara de microbomba.
- Use um cilindro para injetar acetona para encher a microbomba. Depois que o nível de líquido atinge a mangueira de saída, continuar a injetar 10 mL de acetona dentro até todas as bolhas são empurradas para longe da câmara.
- Do teste de pressão estática
- Conecte a mangueira de saída para uma pequena moldura para que a mangueira possa permanecer em linha reta e vertical. Coloque uma régua ao lado da mangueira de saída para medir o nível do líquido.
- Conectar-se à fonte de energia a microbomba.
- Iniciar o teste, pressionando o interruptor e então anote o nível de líquido inicial.
- Após o nível do líquido torna-se estável, gravar o tempo, o nível do líquido final e a corrente elétrica.
- Continuar a gravar o nível do líquido e a corrente a cada 10 s até a microbomba decompõe.
- Teste de taxa de fluxo
- usar uma proveta grande para coletar o líquido que sai da mangueira de saída. Certifique-se de fixar a mangueira de saída para que o final permanece na mesma altitude como o nível do líquido no copo.
- Conectar-se à fonte de energia a microbomba.
- Iniciar o teste, pressionando o interruptor e então anote o nível de líquido inicial.
- Como o líquido começa a fluir para fora a mangueira de saída, registrar o volume de acetona dentro da proveta cada 10 s. Conforme o experimento passa, adicionar acetona para o béquer para manter o nível do líquido.
- Teste de confiabilidade
- Uso o tempo médio de trabalho para avaliar a confiabilidade da bomba. Durante o teste de taxa de fluxo e o teste de pressão estática, registre o tempo de operação, antes que a bomba se decompõe. Gravar os fenômenos detalhados de cada repartição durante o experimento e inspecione a superfície da placa de eletrodo depois para posterior análise.
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Representative Results
Como mostrado na Figura 11, a pressão da bomba e sua crescente taxa aumentam quando a tensão aumenta. Quando a tensão atinge 500 V, a pressão da bomba atinge 1.100 PA.
A pressão de estática da bomba aumenta com a altura da câmara da bomba aumenta quando a altura da câmara é inferior a 0,2 mm. O desempenho da bomba atinge seu ponto mais alto quando a altura da câmara é de 0,2 mm. Em seguida, a pressão estática cai quando a altura da câmara continua a aumentar. Acredita-se que 0,2 milímetros é o melhor valor para a altura da câmara. Os resultados são mostrados na Figura 12.
Ao aumentar o comprimento da câmara, sobe a pressão estática, com uma grande inclinação até um comprimento de câmara de 23 milímetros e uma inclinação menor, indicando um aumento gradual, depois. A tendência de variação da pressão da bomba é mostrada na Figura 13.
Como mostrado na Figura 14, há uma ligeira diminuição da pressão estática versus curva de largura da câmara quando a largura da câmara aumenta de 2 mm a 3 mm... depois disso, a pressão estática permanece em um determinado nível, como a câmara aumenta de largura.
Durante o teste, a microbomba decompõe-se frequentemente depois de trabalhar por 10-90 min. Depois de trabalhar durante um determinado período de tempo, a pressão da bomba continua a cair até que ocorra a ruptura. No entanto, o desempenho da pressão da bomba pode ser restaurado quando acetona nova é adicionada para o copo.
Quando há bolhas no interior da bomba, a pressão da bomba não vai subir tão alto quanto faz normalmente porque a passagem do líquido de funcionamento é bloqueada pelas bolhas. Se as placas não são suficientemente limpos, significa que ainda há poeira ou outra contaminação, a bomba facilmente obter shorted quando essas partículas viajam para a lacuna entre eletrodos. Quando a bomba obtém em curto, a corrente elétrica vai subir muito rápido e queimar os eléctrodos.
Figura 1: tamanho da placa de eletrodo. A placa do eletrodo, placa de câmara e placa de cobertura são do mesmo tamanho. Suas larguras são de 9 mm e seus comprimentos são 40 milímetros. Os furos para o fio de solda tem um diâmetro de 1,6 mm. ordem as placas de eletrodo de fábrica com esses parâmetros e verificar o tamanho da placa depois de certificar-se de que eles podem caber dentro o titular. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: dimensões dos eléctrodos. As placas de eletrodo tem 23 pares de eletrodos, com uma largura de eletrodo de 300 µm, um espaçamento de eletrodo de 200 µm, um fosso de largura entre os pares de dois eletrodos de 400 µm e um eletrodo acabar com espaçamento de 600 µm. O espaçamento do eletrodo é o parâmetro mais importante, como determina a intensidade do campo elétrico. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: pequenos defeitos na superfície dos eléctrodos e os danos de curto-circuitos. Trapos e poços de superfície são os defeitos típicos dos eletrodos. Os poços em (um) tem causado um grave colapso. Alguns dos eletrodos em (b) queimam sob força de alto campo elétrico. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: dimensões da placa de câmara. A largura e o comprimento da placa são 9 mm e 40 mm, respectivamente. A espessura da placa é de 0,3 mm destes testes. A precisão de dimensão é de 0,1 mm. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: imagens do perfurador furo especial. A ferramenta de perfuração especial é personalizada para o corte da cavidade da placa de câmara. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 6: A engenharia de desenho do titular. Abertura na parte superior a 3 mm é para os tubos de aço inoxidável de entrada e saída. A espessura das paredes todas é 2 mm, e o tamanho total do titular é 14 x 37.5 x 9 mm3. A parede de 2,4 mm à esquerda é para segurar a posição da placa do eletrodo, placa de cobertura e placa de câmara. Na parte inferior da porta, há um buraco de M5 roscadas para um parafuso de fixação. A precisão de dimensão do titular é 0,1 mm, que não é muito alto. Certifique-se de que a placa do eletrodo pode caber dentro. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 7: os parâmetros da placa de cobertura. O material da placa de cobertura também é FR4. Dois tubos de aço inoxidável são introduzidos para fornecer a passagem de entrada e saída para o líquido de funcionamento. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 8: vista explosão a microbomba. De cima para baixo são os tubos de entrada e saída, a placa de cobertura, a placa da câmara, a placa do eletrodo e o parafuso de fixação. Os tubos e a cavidade no cplaca de HAMBER formam uma passagem de líquido para o líquido de funcionamento. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 9: processado imagem da microbomba montada. Depois de apertar o parafuso, todas as placas são pressionadas juntas, e o furo na chapa de câmara é o único espaço para o líquido flua. A placa da câmara elástica também pode selar a abertura entre placas para impedir que o líquido flui para fora. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 10: as imagens da microbomba experimentar plataforma. O frasco que contém acetona pode ser substituir por um copo, mas é mais seguro cobrir o béquer com película fina para impedir que a acetona volatilizing demais. Fonte de energia, o amperímetro e a bomba são conectados em série. A mangueira de saída também pode ser substituída por um tubo de vidro. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 11: A relação entre a tensão e a pressão da bomba. A pressão da bomba e sua crescente taxa sobe quando a tensão aumenta. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 12: A relação entre a altura da câmara e o desempenho da bomba. O desempenho da bomba primeiro aumenta então gotas quando a altura da câmara aumenta de 0.1 mm a 0,5 mm. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 13: A relação entre o comprimento da câmara e o desempenho da bomba. O desempenho da bomba aumenta quando o comprimento aumenta.
Figura 14: A relação entre a largura da câmara e o desempenho da bomba. A pressão da bomba permanece o mesmo quando a largura da câmara aumenta.
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Discussion
Uma das etapas críticas dentro do protocolo é bom inspecionar cuidadosamente a placa do eletrodo. Pequenas rebarbas na borda de um eletrodo podem resultar em um curto-circuito, e integridade superficial pode afetar muito o desempenho da bomba. A limpeza da placa do eletrodo e titular também é muito importante. A altura de câmara de eletrodo é inferior a 1 mm, para que pequenas partículas de pó podem bloquear o fluxo de trabalho líquido e causar um curto-circuito. Antes do ensaio, injetando acetona na câmara pode remover as bolhas fora da câmara.
O desempenho da microbomba pode ser severamente influenciado pela altura da câmara. Para eliminar tal influência, a placa de câmara elástica pode ser substituída por material mais difícil.
Existem algumas limitações para a técnica. Em primeiro lugar, a altura do eletrodo é determinada pela camada de metal sobre o CCL FR-4. É relativamente elevada, que afeta o fluxo de líquido até certo ponto. Em segundo lugar, por meio de membrana do silicone como a placa da câmara, o sealability da câmara é melhorada. No entanto, a elasticidade do silicone pode causar algum desvio na altura da câmara. Finalmente, a largura do eletrodo e do afastamento entre eletrodos são limitados pela técnica em si, que torna a alcançar a maior força do campo elétrico muito mais difícil do que com outra técnica.
Ao contrário de fotolitos e outras técnicas de fabricação de alta precisão, usar FR-4 CCL com este processo de fabricação do eletrodo é relativamente mais simples e mais barato. Por outro lado, a tensão elétrica necessária neste trabalho é muito menor. Pearson e Seyed-Yagoobi13 propuseram um eletrodo de anel eletrodo perfurada design e que requer 5 quilovolts de tensão DC para a bomba a funcionar, enquanto neste trabalho, a fonte de energia é apenas 500 V.
Este microbomba pode ser usada para fazer um loop de uma tubulação de calor, especialmente uma tubulação de calor longo que requer uma força motriz que não sejam a força capilar. Inserção de uma ou várias placas de eletrodo dentro da tubulação de calor pode fornecer suficiente força motriz para o refrigerante dielétrico viajar da extremidade fria à extremidade quente. Uma função semelhante também pode ser alcançada por um eletrodo anular, fabricado em material macio, isolado com uma carcaça de metal.
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Disclosures
Os autores não têm nada para divulgar.
Acknowledgments
Este trabalho foi patrocinado pela Fundação Nacional de ciências naturais da China (51375176); a Fundação de Provincial de ciência Natural de Guangdong de China (2014A030313264); e a ciência e tecnologia, planejamento de projeto da província 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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