Summary
Questa carta presenta un protocollo per la realizzazione di una conduzione micropump usando elettrodi planari simmetrici sul laminato rame-placcato ignifugo Vetroresina epossidica (FR-4) (CCL) per testare l'influenza di dimensioni camera sulle prestazioni di un micropump conduzione.
Abstract
Qui, è realizzato con una micropompa conduzione con coppie simmetriche elettrodo planare preparato sul laminato rame-placcato ignifugo Vetroresina epossidica (FR-4) (CCL). Esso è utilizzato per studiare l'influenza delle dimensioni della camera sulle prestazioni di una micropompa di conduzione e per determinare l'affidabilità della pompa di conduzione quando acetone è usato come il fluido di lavoro. È istituita una piattaforma di test per valutare le prestazioni di conduzione micropompa in condizioni diverse. Quando l'altezza della camera è di 0,2 mm, la pressione della pompa raggiunge il valore di picco.
Introduction
Micropompe può guidare il flusso di liquido su una scala molto più piccola rispetto alle maggior parte delle pompe. Negli ultimi anni, vari schemi di guida sono state applicate con successo a microfluidic sistemi1,2,3,4,5. La pompa idrodinamiche (EHD) può esercitare forze direttamente sul liquido, senza parti in movimento, che lo rende più semplici e più facili da fabbricare6. Secondo i tipi di carica, EHD pompe possono essere classificati come pompe iniezione, pompe di induzione o pompe di conduzione. Pompe di induzione non funzionano sui liquidi isotermici, mentre le pompe iniezione cambiare la conduttività liquida. Perché mancano di tali problemi, pompe di conduzione sono più stabili e hanno un'applicazione più ampia.
La pompa di conduzione è basata sulla mancata corrispondenza dei tassi dissociazione e ricombinazione di molecole liquide. Normalmente, il processo di dissociazione e ricombinazione può essere espressa come segue7,8:
dove il tasso di ricombinazione kr è costante, mentre il tasso di dissociazione kd è una funzione della resistenza del campo elettrico. Quando l'intensità del campo elettrico raggiunge un determinato valore, il tasso di dissociazione supererà il tasso di ricombinazione. Quindi, spese più libere in viaggio per i due elettrodi di polarità opposta e la forma di strati di heterocharge. Questi strati di heterocharge sono la chiave per la pompa, come il movimento delle cariche spinge in avanti le molecole di liquide. Di conseguenza, forza di corpo netto può essere generato nel liquido all'interno della camera utilizzando elettrodi asimmetrici o la mancata corrispondenza della mobilità degli ioni positivi e negativi9,10,11,12 .
Questo lavoro introduce un nuovo modo di fabbricare una piastra elettrodo planare simmetrica per una pompa di conduzione. Piastra dell'elettrodo è preparata il CCL FR-4, e la camera della pompa è preparata da microlavorazioni. I processi di fabbricazione sono relativamente più semplice e più conveniente rispetto a quelli di altri metodi di produzione, quali nanolitografia. Una piattaforma di test è impostata per analizzare le performance della micropompa di conduzione in condizioni diverse. Inoltre, l'affidabilità della micropompa di conduzione è anche studiato in diverse circostanze.
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Protocol
Attenzione: si prega di consultare tutte le schede di dati di sicurezza (MSDS) prima dell'uso. Acetone è altamente infiammabile e può causare irritazione degli occhi e delle vie respiratorie. La tensione coinvolti è alta come alcune centinaia di volt; quindi, scintille elettriche sono attesi nel condurre l'esperimento. Svolgere gli esperimenti in una stanza con buona ventilazione per evitare esplosioni e fuoco dalle scintille.
1. fabbricazione delle piastre e titolare
Nota: In questo lavoro, i piatti dell'elettrodo e il titolare sono fabbricati da una linea di produzione in una fabbrica. Solo il materiale e i parametri di tutte le parti in questa carta saranno introdotto a causa dei processi complicati.
Piastre- materiale e le dimensioni della piastra dell'elettrodo
- fabbrichi l'elettrodo con 1,4 mm CCL FR-4 con un sottile strato di rame di 35 µm. Vedere la Figura 1 per i parametri dettagliati della piastra dell'elettrodo.
- Parametri degli elettrodi
- ordine piastre degli elettrodi dalla fabbrica. Per ulteriori informazioni, vedere Figura 2.
- Ispezione della piastra dell'elettrodo
- dopo la preparazione della piastra dell'elettrodo, utilizzare un microscopio elettronico per controllare gli elettrodi per eventuali difetti evidenti sotto 100 X e 300 ingrandimenti. Si noti che eventuali piccoli difetti sulla superficie degli elettrodi possono causare corto circuiti, come mostrato nella Figura 3.
- Ispezionare e misurare la larghezza di elettrodo e spaziatura per determinare se la precisione di dimensione soddisfa il requisito di.
- Prova la piastra con un amperometro per vedere se si verifica un cortocircuito elettrico.
- Preparazione della piastra camera
- tagliare alcuni membrana di silicone per la stessa dimensione come la piastra elettrodo, come mostrato nella Figura 4. Scegliere membrane in silicone con diversi spessori di rendere piastre della camera con diverse altezze.
- Utilizzare un attrezzo di perforazione speciale di pugno del foro di alloggiamento, come mostrato nella Figura 5.
- Elaborazione del titolare
- ordinare il titolare da una fabbrica. I parametri dettagliati sono riportati nella Figura 6.
- Fabbricazione della piastra di copertura
- praticare due fori sulla parte superiore della piastra di copertura utilizzando una perforazione macchina per installare i tubi di entrata e di uscita. Vedere la Figura 7 per le loro posizioni e dimensioni.
2. Assemblea della micropompa
- acetone uso per lavare tutti i piatti, il titolare, i tubi di entrata e di uscita e altri strumenti utilizzati negli esperimenti. Mettere questi strumenti e piastre all'interno di un bicchiere e poi versare abbastanza 99,5% di acetone per immergerli. Porre il becher all'interno le lavatrici ad ultrasuoni. Accendere la lavatrice ad ultrasuoni e impostare il timer per 5 min.
- Inserire i tubi di aspirazione e mandata in acciaio inox nei due fori sulla piastra di copertura.
- Mettere una piastra camera di membrana di silicone sulla piastra elettrodo e poi coprire con il coperchio.
- Pila e allineare la piastra di copertura, la piastra di camera e l'elettrodo piatto dall'alto verso il basso e inserire le piastre allineate nel fermo.
Bullone
- uso un M5 per fissare le piastre all'interno del supporto. Vedere la vista di esplosione e visualizzazione normale della micropompa assemblata, come illustrato nella Figura 8 e Figura 9, rispettivamente.
- Premere le piastre insieme serrando i bulloni.
Nota: I tubi e la cavità sulla piastra camera formerà un passaggio per il liquido di esercizio. La piastra di alloggiamento elastico può anche sigillare il divario tra le piastre per impedire la fuoriuscita di liquido. Vedere la vista di esplosione e la visualizzazione normale della micropompa assemblata nella Figura 8 e Figura 9, rispettivamente.
- Usare due tubi in poliuretano con diametro esterno da 4 mm e diametro interno di 2 mm per collegare i tubi di aspirazione e mandata in acciaio inox.
- Collegare un amperometro, alimentazione a 500 V CC e la micropompa in serie. Inserire un 1 fusibile tra l'amperometro e la fonte di energia per proteggere l'amperometro, nel caso in cui la micropompa è cortocircuitata.
- Inserire il tubo di alimentazione in un becher da mL 50 con 20-30 mL di acetone all'interno.
Nota: La figura 10 Mostra la piattaforma completata.
3. Procedura sperimentale
- lavori preparatori prima dell'esperimento
- utilizzare un cilindro per iniettare acetone a riempire la micropompa. Dopo il livello del liquido raggiunge il tubo di scarico, continuare a iniettare 10 mL di acetone all'interno fino a quando tutte le bolle sono spinti lontano della camera.
Nota: È Impossibile vedere se ci sono eventuali bolle lasciato all'interno della camera perché la piastra di copertura e l'elettrodo non sono trasparenti. Continuamente iniettando acetone aiuta a rimuovere le bolle, ma non può garantire che nessun bolle sono lasciato all'interno della micropompa. Bolle possono bloccare il passaggio di liquido, o possono corto circuiti e causare una micro-esplosione all'interno la micropompa, che brucerà gli elettrodi. L'effetto delle bolle sul funzionamento della pompa non è ancora completamente chiaro, ma i guasti che provocano sono stati osservati diverse volte. - Versare 20-30 mL di acetone nel contenitore e mettere il tubo di alimentazione dentro il bicchiere. Assicurarsi che il livello del liquido è superiore all'ingresso di almeno 5 mm in modo che acetone può fluire nella pompa e aria non può essere aspirata nella camera di micropump.
- utilizzare un cilindro per iniettare acetone a riempire la micropompa. Dopo il livello del liquido raggiunge il tubo di scarico, continuare a iniettare 10 mL di acetone all'interno fino a quando tutte le bolle sono spinti lontano della camera.
- Pressione statica di prova
- collegare il tubo di scarico per una piccola cornice, in modo che il tubo flessibile possono rimanere dritto e verticale. Mettere un righello lungo il tubo di scarico per misurare il livello del liquido.
- Collegare la micropompa alla fonte di alimentazione.
- Avviare il test premendo l'interruttore e quindi segnare il livello del liquido iniziale.
- Dopo il livello del liquido diventa stabile, registrare il tempo, il livello del liquido finale e la corrente elettrica.
- Continuare a registrare il livello del liquido e la corrente ogni 10 s fino a quando si rompe la micropompa.
- Nel test di velocità di flusso
- utilizzare un grande cilindro graduato per raccogliere il liquido che esce il tubo di scarico. Assicurarsi di fissare il tubo di scarico in modo che alla fine rimane alla stessa altezza come il livello del liquido nel becher.
- Collegare la micropompa alla fonte di alimentazione.
- Avviare il test premendo l'interruttore e quindi segnare il livello del liquido iniziale.
- Come il liquido inizia a fuoriuscire il tubo di scarico, registrare il volume di acetone all'interno del cilindro di misura ogni 10 s. Come l'esperimento va avanti, aggiungere acetone Becher per mantenere il livello del liquido.
- Test di affidabilità
- Uso l'orario di lavoro medio per valutare l'affidabilità della pompa. Durante il test della velocità di flusso e la prova di pressione statica, è necessario registrare il tempo di funzionamento prima che la pompa si rompe. Registrare i fenomeni dettagliati di ciascuna ripartizione durante l'esperimento e ispezionare la superficie della piastra elettrodo in seguito per ulteriori analisi.
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Representative Results
Come illustrato nella Figura 11, la pressione della pompa e il suo tasso crescente aumento quando la tensione aumenta. Quando la tensione raggiunge 500 V, la pressione raggiunge i 1.100 PA.
La pressione statica pompa aumenta con l'altezza della camera pompa ad aumentare quando l'altezza della camera è inferiore a 0,2 mm. Le prestazioni della pompa raggiunge il suo punto più alto quando l'altezza della camera è di 0,2 mm. Quindi, la pressione statica scende quando l'altezza della camera continua ad aumentare. Si ritiene che 0,2 millimetri è il miglior valore per l'altezza della camera. I risultati sono mostrati in Figura 12.
Aumentando la lunghezza della camera, la pressione statica aumenta, con una grande pendenza fino ad una lunghezza di camera di 23 mm e un pendio più piccolo, che indica un aumento graduale, in seguito. La tendenza di variazione di pressione della pompa è illustrata nella Figura 13.
Come illustrato nella Figura 14, c'è una leggera diminuzione della pressione statica contro curva Larghezza camera quando la larghezza della camera aumenta da 2 mm a 3 mm. in seguito, la pressione statica rimane ad un certo livello come gli aumenti di larghezza della camera.
Durante i test, la micropompa si rompe frequentemente dopo aver lavorato per 10-90 min. Dopo aver lavorato per un certo periodo di tempo, la pressione della pompa continua a scendere fino a guasto. Tuttavia, le prestazioni di pressione della pompa possono essere ripristinata quando viene aggiunto nuovo acetone Becher.
Quando ci sono bolle all'interno della pompa, la pressione della pompa non salirà più in alto che fa normalmente perché il passaggio del liquido di esercizio è bloccato dalle bolle. Se le piastre non sono sufficientemente pulite, significa che c'è ancora polvere o altre contaminazioni, la pompa sarà facilmente ottenere cortocircuitata quando queste particelle viaggiano per il divario tra gli elettrodi. Quando la pompa ottiene in cortocircuito, la corrente elettrica aumenterà molto velocemente e bruciare gli elettrodi.
Figura 1: dimensioni della piastra dell'elettrodo. La piastra elettrodo, camera piastra e piastra di copertura sono della stessa dimensione. Le larghezze sono 9 mm e le lunghezze sono 40 mm. I fori per il filo per saldatura hanno un diametro di 1,6 mm. ordine piastre degli elettrodi dalla fabbrica con questi parametri e controllare la dimensione del piatto in seguito per assicurarsi che possono adattarsi all'interno del supporto. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: dimensioni degli elettrodi. Piastre degli elettrodi hanno 23 coppie di elettrodi, con una larghezza di elettrodo di 300 µm, una spaziatura di elettrodo di 200 µm, un gap di larghezza tra le coppie di due elettrodi di 400 µm e un elettrodo fine spaziatura di 600 µm. La spaziatura di elettrodo è il parametro più importante, poiché determina l'intensità del campo elettrico. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: piccoli difetti sulla superficie degli elettrodi e i danni da corto circuiti. Stracci e pozzi superficiali sono i difetti tipici degli elettrodi. I pozzi in (un) hanno causato un guasto grave. Alcuni degli elettrodi in (b) bruciare sotto campo elettrico ad alta resistenza. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: piastra dimensioni camera. La larghezza e la lunghezza della piastra sono 9 mm e 40 mm, rispettivamente. Lo spessore della piastra è 0,3 mm in questi test. La precisione di dimensione è di 0,1 mm. per favore clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: immagine del punzone di foro speciale. L'attrezzo di perforazione speciale è personalizzato per la cavità sulla piastra camera di taglio. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6: l'ingegneria di disegno del proprietario del. L'apertura sulla parte superiore di 3 mm è per i tubi di aspirazione e mandata in acciaio inox. Lo spessore delle pareti di tutti è di 2 mm, e le dimensioni complessive del titolare sono 14 x 37.5 x 9 mm3. La parete di 2,4 mm a sinistra è per tenere la posizione della piastra elettrodo, piastra di copertura e camera piastra. Sulla parte inferiore del supporto, c'è un foro filettato M5 per un bullone di fissaggio. La precisione di dimensione del titolare è 0,1 mm, che non è molto alta. Assicurarsi che la piastra elettrodo possa adattarsi all'interno. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 7: I parametri del coperchio. Il materiale del coperchio è anche FR4. Due tubi di acciaio sono inseriti nel foro per fornire il passaggio di entrata e di uscita per il liquido di esercizio. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 8: vista esplosione la micropompa. Dall'alto al basso sono i tubi di entrata e di uscita, la piastra di copertura, la piastra di camera, piastra dell'elettrodo e il bullone di fissaggio. I tubi e la cavità sul cpiastra di hamber formano un passaggio del liquido per il liquido di esercizio. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 9: immagine della micropompa assemblata renderizzata. Dopo la chiusura dell'otturatore, tutte le piastre vengono pressate insieme e il foro sulla piastra camera è l'unico spazio per liquido di fluire attraverso. La piastra di alloggiamento elastico può anche sigillare il divario tra le piastre per impedire la fuoriuscita di liquido. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 10: l'immagine della micropompa sperimentare piattaforma. La bottiglia che contiene acetone può essere sostituito da un becher, ma è più sicuro coprire il becher con film sottile per impedire che l'acetone volatilizzarsi troppo. La fonte di alimentazione, l'amperometro e la pompa sono collegati in serie. Il tubo di scarico può essere anche sostituito da un tubo di vetro. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 11: il rapporto tra la tensione e la pressione della pompa. La pressione della pompa e il suo crescente tasso aumenta quando la tensione aumenta. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 12: il rapporto tra l'altezza della camera e le prestazioni della pompa. Le prestazioni della pompa in primo luogo aumentano quindi gocce quando l'altezza della camera aumenta da 0,1 mm a 0,5 mm. per favore clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 13: il rapporto tra la lunghezza dell'alloggiamento e le prestazioni della pompa. Le prestazioni della pompa aumenta quando aumenta la lunghezza.
Figura 14: il rapporto tra l'ampiezza della camera e le prestazioni della pompa. La pressione della pompa rimane invariata quando aumenta l'ampiezza della camera.
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Discussion
Una delle fasi critiche all'interno del protocollo è di controllare accuratamente la piastra elettrodo. Piccole sbavature sul bordo di un elettrodo possono provocare un corto circuito, e l'integrità della superficie possa influenzare notevolmente le prestazioni della pompa. La pulizia della piastra elettrodo e titolare è anche molto importante. L'altezza della camera dell'elettrodo è inferiore a 1 mm, quindi piccole particelle di polvere possono bloccare il flusso di lavoro liquido e provocare un corto circuito. Prima della prova, iniettando acetone nella camera può rimuovere le bolle all'esterno della camera.
Le prestazioni della micropompa possono essere gravemente influenzata dall'altezza della camera. Per eliminare tale influenza, la piastra camera elastica può essere sostituita da materiale più duro.
Ci sono alcune limitazioni alla tecnica. In primo luogo, l'altezza dell'elettrodo è determinata dallo strato di metallo su CCL FR-4. È relativamente elevato, che colpisce il flusso di liquido in una certa misura. In secondo luogo, utilizzando la membrana in silicone come la piastra di camera, la saldabilità dell'alloggiamento è migliorata. Tuttavia, l'elasticità del silicone può causare qualche deviazione in altezza della camera. Infine, l'elettrodo larghezza e spaziatura di elettrodo sono limitati dalla tecnica stessa, che rende il raggiungimento di più alta intensità di campo elettrico molto più difficile che con altre tecniche.
A differenza di altre tecniche di fabbricazione di alta precisione e di fotolitografia, utilizzando FR-4 CCL con questo processo di fabbricazione dell'elettrodo è relativamente più semplice ed economico. D'altra parte, la tensione elettrica necessaria in questo lavoro è molto più bassa. Pearson e Seyed-Yagoobi13 hanno proposto un elettrodo dell'anello e il design dell'elettrodo perforata che richiede 5 kV di tensione di CC della pompa di lavorare, mentre in quest'opera, la fonte di energia è solo 500 V.
Questa micropompa può essere utilizzato per eseguire un ciclo un tubo di calore, soprattutto un tubo di calore lunga che richiede una forza trainante diverso da forza capillare. Inserimento di uno o più elettrodi all'interno del tubo di calore in grado di fornire abbastanza forza trainante per il dielettrico liquido refrigerante viaggiare da quella fredda alla fine calda. Una funzione simile può essere ottenuta anche con un elettrodo ad anello fabbricato in materiale morbido, coibentato con un substrato metallico.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla a rivelare.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato sponsorizzato dalla National Natural Science Foundation of China (51375176); la Fondazione di scienza naturale provinciale di Guangdong della Cina (2014A030313264); Scienza e tecnologia di pianificazione del progetto della provincia del Guangdong, Cina (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).
