SI24161A - Monoaktuatorska peristaltska mikroäśrpalka - Google Patents

Abstract

Izum rešuje tehnični problem, kako realizirati peristaltsko mikročrpalko z enim samim piezoelektričnim aktuatorjem ter tako omogočiti možnost krmiljenja z enostavnim enofaznim krmilnikom, ob tem pa ohraniti lastnosti klasičnih večaktuatorskih peristaltskih mikročrpalk (nezahtevnost dizajna in izdelave, nizka cena, čistost, zanesljivost). Mikročrpalko po izumu sestavlja elastomer (3), na spodnji strani spojen s podpornim steklom (6). V podpornem steklu (6) sta vrtini (7) za dovod in iztok fluida v/iz črpalke. V elastomer je odtisnjena enonivojska struktura mikročrpalne komore in kanala (4). Obod črpalne komore in kanala je spojen z membranskim steklom (2). Na membransko steklo je prilepljen piezoelektričen aktuator (1) z izvedenimi električnimi kontakti. Mikročrpalka po izumu omogoča delovanje že pri frekvenci vzbujalnega signala okoli 100 Hz in omogoča samopolnenje in črpanje dvofaznega medija.

Description

MONOAKTUATORSKA PERISTALTSKA MIKROČRPALKA

Tehnično področje izuma

Izum se nanaša na področje črpalk, bolj specifično na področje peristaltskih mikročrpalk z enim piezoelektričnim aktuatorjem.

Izum je po mednarodni klasifikaciji patentov uvrščen v razred F 04B 17/00.

Tehnični problem

Izum rešuje tehnični problem, kako realizirati peristaltsko mikročrpalko z enim samim piezoelektričnim aktuatorjem ter tako omogočiti možnost krmiljenja z enostavnim enofaznim krmilnikom, ob tem pa ohraniti lastnosti klasičnih večaktuatorskih peristaltskih mikročrpalk (nezahtevnost dizajna in izdelave, nizka cena, čistost, zanesljivost).

Stanje tehnike

Leta 1990 Smits J G poroča o prvi piezoelektrični peristaltski mikročrpalki (Smits J G Piezoelectric micropump with 3 valves working peristaltically, 1990, Sensors Actuators A 21, 203-6 ). Njegova mikročrpalka je zgrajena na silicijevem substratu med dvema stekloma. Sestoji iz treh mikročrpalnih komor in treh aktuatorjev, ki so krmiljeni s faznim zamikom 120°. Njena pretočna zmogljivost je klub velikosti (1,5 cm³) le 100 pl min'¹, tlačna pa le 6 milibarov pri vzbujanju 15 Hz 100 V_pp. Črpalka je leta 1990 patentirana v Ameriki (US 4938742). Patenti W02004018875 Al, EP1458977 BI in US 7104768 B2 opisujejo podobno piezoelektrično peristaltsko mikročrpalko s tremi piezoelektričnimi aktuatorji.

• ·

Leta 2003 Berg in ostali (Berg J M et al. A two-stage discrete peristaltic 2003 micropump Sensors Actuators A 104 6-10) predstavijo delovanje dvoaktuatorske peristaltske mikročrpalke z dvema črpalnima komorama in dvema aktuatorjema. Z natančnim fazno zamaknjenim krmiljenjem dosežejo podoben učinek kot pri peristaltski mikročrpalki s tremi aktuatorji. Črpalka je zgrajena na PDMS elastomeru, njena izmerjena tlačna zmogljivost znaša 1,66 mbara. Zmogljivost dvoaktuatorske (dvostopenjske) peristaltske črpalke ocenijo na 2/3 zmogljivosti troaktuatorske (trostopenjske) peristaltske mikročrpalke. Podobna dvostopenjska mikročrpalka je patentirana leta 2010 (US 20100059127 Al).

Opisani patenti in znanstveni prispevki sicer omogočajo osnovno funkcijo črpanja, vendar se pri krmiljenju dvo ali več aktuatorskih peristaltskih mikročrpalk pojavi zahteva po naprednih večfaznih krmilnikih, kar omejuje njihovo uporabo v širokem naboru potencialnih aplikacij. Prednosti peristaltskih mikročrpalk pred klasičnimi ventilnimi mikročrpalkami so relativno preprosta izdelava (nizka cena produkta) ter zanesljivost in čistost črpalke zaradi odsotnosti ventilov. Prav slednja lastnost, čistost, ji omogoča uvrstitev med številne biomedicinske aplikacije. Pri klasičnih ventilskih mikročrpalkah se v zoženih področjih ventilov nalagajo nečistoče iz črpanega medija, s čimer se ohromi delovanje celotnega sistema.

Dobre lastnosti peristaltskih mikročrpalk združimo z možnostjo preprostega enofaznega krmiljenja, ki smo ga do sedaj poznali le pri klasičnih ventilnih mikročrpalkah. Rešitev opisujemo v nadaljevanju.

Opis rešitve problema

Osnova mikročrpalke je odlitek iz elastomera (npr PDMS) z vtisnjenima enonivojskima strukturama - črpalno komoro in kanalom. Odtisu enonivojskih struktur zadosti enonivojski kalup. Posledično se zmanjša število potrebnih procesnih korakov in zniža cena izdelave. Centralna lega fluidnega dovoda (izvrtine) na mestu naj večje membranske deformacije omogoči realizacijo velike mikročrpalne komore, kar znatno poveča pretočno in tlačno zmogljivost mikročrpalke.

Predmet izuma - monoaktuatorska peristaltska mikročrpalka - se tako kot klasična peristaltska mikročrpalka ponaša z visokim kompresijskim razmerjem. Odsotnost ventilov in nizka frekvenca delovanja (tipično okoli 100 Hz) preprečujeta velike hitrosti fluida in zavirata kavitacijo. Mikročrpalka po izumu ima zaradi omenjenih lastnosti sposobnost samopolnjenja in sposobnost črpanja dvofaznega medija.

Prednosti monoaktuatorske peristaltske mikročrpalke so sledeče:

- zaradi le enega piezoelektričnega aktuatorja in kompatibilnosti s klasičnim enofaznim krmilnikom za pogon ventilnih mikročrpalk je produkt cenovno ugodnejši in potrebuje enostavnejše električno krmiljenje. En piezoelektričen aktuator omogoči uporabo enofaznega krmilnika. Za pogon primerljivih peristaltskih mikročrpalk z dvema ali tremi piezoelektričnimi aktuatorji so potrebni napredni, večfazni sinhroni krmilniki, kar je poglavitna slabost klasičnih peristaltskih mikročrpalk.

- zaradi enonivojskih struktur v elastomeru (črpalna komora in kanal) se zmanjša število procesnih korakov in zniža cena izdelave kalupa v primerjavi s klasičnimi ventilskimi črrpalkami.

- omogočena je preprosta integracija z drugimi enonivojskimi elementi na čipu (mikrokanali, mešalniki, razdelilnimi elementi, ventili itd.).

- fluidni dovod leži na mestu naj večje membranske deformacije, s čimer se poveča učinkovitost črpanja.

- prisotnost velike črpalne komore ugodno vpliva na pretočno zmogljivost, tlačno zmogljivost in kompresijsko razmerje. Slednje poveča sposobnost črpanja dvofaznega medija in sposobnost samopolnjenja. Velika črpalna komora omogoči delovanje pri nizkih frekvencah vzbujanja (f < 200 Hz), s čimer se zavira pojav kavitacije.

- majhnost in boljša izraba prostora zaradi centralnega fluidnega dovoda.

Izum bo v nadaljevanju podrobneje obrazložen na osnovi priloženih slik:

Slika 1: Peristaltska mikročrpalka po izumu - razstavljeni pogled.

Slika 2: Detajl - mikročrpalna komora.

Slika 3: Prečni presek peristaltske mikročrpalke po izumu.

Slika 4: Shematski prikaz delovanja peristaltske mikročrpalke po izumu z potrebnimi razmerji v geometriji.

Slika 5: Rezultat simulacije delovanja peristaltske mikročrpalke po izumu.

Slika 6: Tipične dimenzije peristaltske mikročrpalke po izumu (predvsem so pomembna razmerja v geometriji).

Slika 7: Prikaz integracije mikročrpalke po izumu na t.i. lab-on-chip napravi.

Slika 1 prikazuje osnovno zgradbo monoaktuatorske peristaltske mikročrpalke. Osnova mikročrpalke je elastomer (3), prednostno iz PDMS materiala, kije na spodnji strani spojen s podpornim steklom (6) ali podobnim materialom, ki omogoča dobro spajanje z membrano (2). V podpornem steklu (6) sta vrtini (7) za dovod in iztok fluida v/iz črpalke. V elastomer je odtisnjena ENONIVOJSKA struktura mikročrpalne komore in kanala (4). Obod črpalne komore in kanala je spojen z membrano iz stekla (2) ali podobnega materiala, ki omogoča spajanje s podpornim materialom (6). Na

................

membrano je prilepljen aktuator (1) z izvedenimi električnimi kontakti. Aktuator je prednostno iz piezoelektričnega materiala. Prevode v elastomeru (5) je moč izvesti z ročnim izrezom. Opomba: Dimenzije niso v merilu.

Slika 2 je detajl pogleda v mikročrpalno komoro. Opomba: Dimenzije niso v merilu.

Slika 3 prikazuje prečni presek mikročrpalke po izumu. Osnova mikročrpalke je elastomer (3), na spodnji strani spojen s podpornim telesom (6). V elastomer je odtisnjena ENONIVOJSKA struktura mikročrpalne komore in kanala. Obod črpalne komore in kanala je spojen z membrano (2). Na membrano je prilepljen aktuator (1), ki je prednostno iz piezoelektričnega materiala. Opomba: Dimenzije niso v merilu.

Slika 4 prikazuje shematski prikaz delovanja peristaltske mikročrpalke po izumu s potrebnimi razmerji v geometriji. Delovanje monoaktuatorske peristaltske mikročrpalke je pogojeno z ugodnim razmerjem med površino kanala na področju pod primarnim ekstremom membranske deformacije (področje A) in površino kanala na področju pod sekundarnim ekstremom membranske deformacije (področje B). To razmerje mora biti zagotovo večje od 1 (r > 1), priporočeno razmerje je vsaj r = 20, večje razmerje pa veča učinkovitost črpalke. Primer (a) prikazuje primer delujoče mikročrpalke z velikim razmerjem r (r> 20). Primer (b) prikazuje primer nedelujoče mikročrpalke z neugodnim razmerjem r (r = 1). Razmerje r našega dizajna je 60. Potrebno minimalno in priporočeno razmerje smo določili s pomočjo numeričnih simulacij.

Slika 5 prikazuje delovanje možne izvedbe monoaktuatorske peristaltske mikročrpalke kot rezultat napredne simulacije s pomočjo 3D sklopljenega elektro-mehansko-fluidni modela. Model odlikujejo hiperelastični Mooney-Rivlin model za PDMS elastomer, vpeljava inercije v model kapljevine in vpeljava robnega pogoja idealnega lepenja kapljevine na stene kanala (ang. no-slip condition).

Slika 6 prikazuje tipične dimenzije peristaltske mikročrpalke po izumu (predvsem so pomembna razmerja v geometriji), ki omogočajo največjo zmogljivost delovanja že pri • ·

frekvenci 100 Hz. Mikročrpalko poganja enoslojni piezoelektrični aktuator. Tipična globina komore in kanala je 15-30 pm, debelina PDMS elastomera 1000 pm, debelina membranskega stekla 100 pm in debelina aktuatorja 100 pm. Premer dovoda je tipično od 1 do 2 mm. Izdelani prototipi dosežejo zastojni tlak 180 mbar in pretok 0.6 ml min' 1

Slika 7 prikazuje možno uporabo mikročrpalke po izumu v lab-on-chip aplikaciji skupaj z integracijo fluidnega kanala in ostalih senzorskih, aktuatorskih in grelnih elementov. Osnova je elastomer z vtisnjeno (enonivojsko) črpalno komoro in mikrokanalom (a). V sredino črpalne komore je vrezan fluidni dovod, celoten elastomer je zaprt z membranskim telesom (b). Na membrano je prilepljen aktuator (c). Za potrebe aplikacije je lahko na zadnji strani integriran grelni element. Možna je integracija več monoaktuatorskih peristaltskih mikročrpalk na enem čipu za paralelno vendar individualno črpanje vstopnih tekočin. Iztočni mikrokanali lahko vodijo v mešalni element, iztok pa lahko opremimo s senzoriko, izbrano za potrebe aplikacije.

Claims (5)

1. Patentni zahtevki

   1. Piezoelektrična peristaltska mikročrpalka, značilna po tem, da vključuje natančno en piezoelektrični aktuator.
2. 2. Mikročrpalka po zahtevku 1, značilna po tem, da vsebuje eno mikročrpalno komoro, ki se zaključi z enim kanalom.
3. 3. Mikročrpalka po zahtevkih 1 in 2, značilna po tem, da je fluidni dovod speljan vertikalno v sredino mikročrpalne komore.
4. 4. Mikročrpalka po zahtevkih 1 do 3, značilna po tem, daje razmerje med površino kanala na področju pod primarnim ekstremom membranske deformacije in površino kanala na področju pod sekundarnim ekstremom membranske deformacije (4) večje od 1 (r > 1), za praktično realizacijo in uporabno zmogljivost pa večje od 20.
5. 5. Mikročrpalka po zahtevkih 1 do 4, značilna po tem, da sta mikročrpalna komora in kanal odtisnjena v PDMS elastomer.