SI24234A - Piezoelektriäśna mikrocilindrska äśrpalka - Google Patents

Abstract

Izum rešuje tehnični problem, kako ob majhni dimenziji mikročrpalke zagotoviti čim večjo pretočno in tlačno zmogljivost mikročrpalke, zanesljivo in dolgoročno stabilno delovanje, sposobnost samopolnjenja in sposobnost črpanja dvofaznega medija. Mikročrpalko po izumu sestavlja PDMS elastomer (5), na spodnji strani spojen s podpornim steklom (6). V podpornem steklu (6) sta vrtini (7) za dovod in iztok fluida v/iz črpalke. Vertikalni fluidni dovod je speljan direktno v sredino mikročrpalne komore. V PDMSelastomer je odtisnjena struktura mikrčrpalne komore, kanala, vhodnega cilindra s šobo (3) in pregrade (4). Obod črpalne komore in kanala je spojen z membranskim steklom (2). Višina cilindra in pregrade je nižja od globine črpalne komore, zato sta cilinder in pregrada ločena od membrane. Na membransko steklo je prilepljen piezoelektričen aktuator z izvedenimi električnimi kontakti. Mikročrpalka po izumu omogoča delovanje že pri frekvenci vzbujalnega signala okoli 100 Hz in omogoča samopolnenje in črpanjedvofaznega medija.

Description

PIEZOELEKTRIČNA MIKROCILINDRSKA ČRPALKA

Tehnično področje izuma

Izum se nanaša na področje črpalk, bolj specifično na področje mikročrpalk s fluidnim dovodom speljanim direktno v sredino mikročrpalne komore, pri čemer se dovod zaključi s šobo na centralnem cilindrskem ventilu, ki nadomešča klasični pregradni ventil.

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

Tehnični problem

Izum rešuje tehnični problem, kako ob majhni dimenziji mikročrpalke zagotoviti čim večjo pretočno in tlačno zmogljivost mikročrpalke ob hkratnem zanesljivem in dolgoročno stabilnem delovanju. Hkrati mora biti način načrtovanja in izdelave enostaven in robusten, kar omogoča serijsko izdelavo z veliko zanesljivostjo.

Stanje tehnike

Septembra leta 2004 je skupina raziskovalcev Johnston ID, Davis JB, Richter R, Herbert Gl in Tracey MC v reviji Analyst poročala o povsem novem tipu mikročrpalke, ki jo poimenujejo mikropregradna črpalka (Micro Throttle Pump MTP) (Johnston I D, Davis J B, Richter R, Herbert G I and Tracey M C Elastomer-glass micropumps employing active throttles 2004 Analyst 129 82934). Omenjena piezoelektrična mikročrpalko je izdelana iz PDMS (polydimethylsiloxane) elastomera z mikropregradami in steklene membrane. Trije piezoelektrični aktuatorji, vzbujani v pravilnem časovnem zaporedju, spreminjajo reže med pregradami in membrano in ustvarijo usmerjen tok, v eno ali v drugo smer. Januarja 2005 ista skupina v reviji Lab on a Chip (Johnston I D, Tracey M C, Davis J B and Tan C K L Microfuidic solid phase suspension transport with an elastomer-based, single piezo-actuator, micro throttle pump 2005 Lab Chip 5 318-325) objavi izboljšano različico mikropregradne črpalke. S preučevanjem upogiba membrane in aktuatorja na PDMS elastomeru načrtajo in izdelajo poenostavljeno različico mikročrpalke z enim samim piezoelektričnim aktuatorjem. Zaradi nepopolnega zapiranja pregradnih ventilov predlagajo uporabo v sistemih za manipuliranje bioloških celic kot alternativo difuzorskim mikročrpalkam. Augusta 2005 avtorji znova poročajo o izboljšani geometriji pregrad (Johnston I D, Tracey M C, Davis J B and Tan C K L Micro throttle pump employing displacement amplification in an elastomeric substrate 2005 J. Micromech. Microeng. 15 1831-39), junija 2006 (Tracey M C, Johnston I D, Davis J B and Tan C K L Dual independent displacement-amplified micropumps with a single actuator 2006 J. Micromech. Microeng. 16 1444-52) pa o izdelavi čipa dveh mikročrpalk s pregradami, ki ju poganja isti aktuator. Za visoko tlačno zmogljivost se lahko črpalki povežeta v serijo, za visoko pretočno zmogljivost ju je moč povezati paralelno. Zadnji članek raziskovalne skupine je iz leta 2010 (T. Fujiwara, I. D. Johnston, M. C. Tracey and C. K. L. Tan. Increasing pumping efficiency in a micro throttle pump by enhancing displacement amplification in an elastomeric substrate 2010 J. Micromech. Microeng. 20 065018). V PDMS substrat z mikrokanalom in mikropregradami vgradijo PMMA obroč, ki poveča zmogljivost mikročrpalke. Tipična PDMS mikročrpalka s pregradnima ventiloma (ang. microthrottle pumps) vključuje dve pregradi nameščeni v kanalu. Aktuirana membrana ju izmenično pripira in razpira.

Patent US 2006/0083639 Al opisuje brezventilsko mikročrpalko iz PDMS elastomera in PZT aktuatorja, pri čemer ne vsebuje mikropregrad in ima vhod in izhod stran od področja PZT aktuatorja. Podobno rešitev opisujeta še patenta US 8210830 B2 in 2011/0158832 Al.

Opisani patenti in znanstveni prispevki sicer omogočajo osnovno funkcijo črpanja, vendar je mogoče način izdelave in zmogljivost mikročrpalke z drugačnim načrtovanjem in izdelavo precej izboljšati. To opisujemo v nadaljevanju.

Opis rešitve problema

Centralna lega vhodnega ventila na mestu največje membranske deformacije omogoči realizacijo velike mikročrpalne komore (precej večje kot v primeru klasičnega dizajna), kar znatno poveča pretočno in tlačno zmogljivost mikročrpalke. Kompresijsko razmerje se poveča, kar ugodno vpliva na sposobnost črpanja dvofaznega medija in samopolnjenja. Velika površina vhodnega pregradnega cilindra in nizka frekvenca delovanja (tipično okoli 110 Hz) preprečujeta velike hitrosti fiuida na dovodu in ob padcu statičnega tlaka zavirata kavitacijo. Opisana piezoelektrična črpalko mikropregradnega tipa ima zaradi omenjenih lastnosti sposobnost samopolnjenja in sposobnost črpanja dvofaznega medija.

Prednosti piezoelektrične PDMS mikrocilindrske črpalke z vertikalnim fluidnim dovodom speljanim direktno v sredino mikročrpalne komore so sledeče:

- cilinder s šobo (vhodni ventil) leži na mestu največje membranske deformacije.

- črpalna komora je mnogo večja kot pri konkurenčnem dizajnu, kar je ugodno za pretočno zmogljivost, tlačno zmogljivost in kompresijsko razmerje. Slednje ugodno vpliva na sposobnost črpanja dvofaznega medija in samopolnjenja.

- črpalka omogoča delovanje pri nižjih frekvencah, s čimer se zavira pojav kavitacije.

- središče membrane je ločeno od PDMS elastomera, s čimer se izognemo nepotrebnemu dušenju membrane.

- zaradi direktnega centralnega dovoda je črpalka manjših dimenzij s čimer se omogoči boljša izraba prostora.

- zaradi velike pripime površine cilindrskega ventila (S = obod centralnega ventila X reža) z membrano se manjša hitrost fluida na vhodu, veča kavitacijsko število in zmanjšuje verjetnost za kavitacijo. Potrebno hidravlično upornost za dosego tlačne zmogljivosti se zagotavlja s primemo velikostjo (premerom) cilindra in šobe. Priporočamo čim širši dovod v črpalko.

Rezultat upoštevanja zgoraj omenjenih načrtovalskih prijemov bo v nadaljevanju opisan s tipičnim primerom izdelave mikročrpalke, ki omogoča največjo zmogljivost delovanja že pri frekvenci 110 Hz. Poganja jo enoslojni piezoelektrični aktuator. Že znane mikropregradne črpalke z za izdelavo bolj zahtevnim dvoslojnim piezoelektričnim aktuatorjem in vstavljenim PMMA obročem dosegajo podobno zmogljivost šele pri frekvencah nad 1 kHz in to ob zmanjšani zanesljivosti delovanja zaradi ugodnih razmer za kavitacijo in nezmožnosti črpanja dvofaznega medija. V patentu opisana mikrocilindrska črpalka omogoča sposobnost samopolnjenja in črpanja dvofaznega medija, kar je novost za piezoelektrične črpalke mikropregradnega tipa.

Geometrija primera izvedbe mikročrpalke je prikazana na Sliki 12.

Tipični parametri mikročrpalke so:

Uporabljen PZT aktuator: CHEN SHUI-SU, S51, premera 10 mm in debeline 0,2 mm

Globina kanala 60 μηι, višina ventilov 48 μηι

Debelina elastomera: 1140 μηι

Debelina podpornega stekla: 1 mm

Premer PZT aktuatorja: 10 mm

Lepilo: Epotek 129-4

Debelina membranskega stekla: 0,15 mm

Preboj v elastomer: igla ¢=0.6/0.9, d_vrti_ne=0,4 mm

Premer fluidnih spojk: ¢=1,3/1,6 mm (dotok), ¢=0,6/0,9 mm (iztok), nerjavno jeklo

Posebnosti v postopku izdelave so:

- Sestavljanje do predzadnje faze (podporno steklo, elastomer, elastomerne spojke in cevke iz nerjavnega jekla).

- Čiščenje črpalke (brez membranskega stekla) v ultrazvoku

- Cilinder zaščiten v procesu spajanja membranskega stekla (zaščita s folijo med aktivacijo v plazmi)

- Membrana se spaja zadnja

Tipični rezultati na primeru mikročrpalke so prikazani na slikah od 13 do 16 za pravokotno vzbujanje z napetostjo 500Vpp.

Izum bo v nadaljevanju podrobneje obrazložen na osnovi priloženih slik:

Slika 1: Piezoelektrična PDMS mikrocilindrska črpalka z vertikalnim fluidnim dovodom speljanim direktno v sredino mikročrpalne komore.

Slika 2: Presek piezoelektrične PDMS mikrocilindrske črpalke z vertikalnim fluidnim dovodom speljanim direktno v sredino mikročrpalne komore.

Slika 3: Variacija vhodnega ventila - pregrada.

Slika 4: Presek variacije vhodnega ventila - pregrade.

Slika 5: Variacija vhodnega ventila - mikrocilinder s šobo.

Slika 6: Presek variacije vhodnega ventila - mikrocilindra s šobo.

Slika 7: Variacija izhodnega ventila - izhodna šoba

Slika 8; Presek variacije izhodnega ventila - izhodne šobe

Slika 9; Rezultat 3 D numerične simulacije odvisnosti pretoka od polmera črpalne komore in odmika črpalne komore iz središča.

Slika 10: Rezultat numerične simulacije: pretok v odvisnosti od polmera črpalne komore in zastojni tlak v odvisnosti od polmera črpalne komore.

Slika 11: Tipična simulirana dinamična deformacija membrane (v času) mikrocilindrske črpalke.

Slika 12: Primer načrtane mikročrpalke s tipičnimi dimenzijami v mikrometrih.

Slika 13: Tipični rezultat testiranja: pretok v odvisnosti od frekvence vzbujanja.

Slika 14: Tipični rezultat testiranja: pretok v odvisnosti od napetosti vzbujanja.

Slika 15: Tipični rezultat testiranja: tlak v odvisnosti od napetosti vzbujanja.

Slika 14: Tipični rezultat testiranja: pretok v odvisnosti od zastojnega tlaka.

Slika 1 prikazuje osnovno zgradbo piezoelektrične PDMS mikrocilindrske črpalke z vertikalnim fluidnim dovodom speljanim direktno v sredino mikročrpalne komore. Osnova mikročrpalke je PDMS elastomer (5), na spodnji strani spojen s podpornim steklom (6). V podpornem steklu (6) sta vrtini (7) za dovod in iztok fluida v/iz črpalke. V PDMS elastomer je odtisnjena struktura mikrčrpalne komore, kanala, vhodnega cilindra s šobo (3) in pregrade (4). Obod črpalne komore in kanala je spojen z membranskim steklom (2). Višina cilindra in pregrade je nižja od globine črpalne komore, zato sta cilinder in pregrada ločena od membrane. Na membransko steklo je prilepljen piezoelektričen aktuator z izvedenimi električnimi kontakti. Šobo v vhodnem cilindru ter dovodno in iztočno izvrtino je moč izvesti z ročnim izrezom. Opomba: Dimenzije niso v merilu.

Slika 2 prikazuje presek piezoelektrične PDMS mikrocilindrske črpalke z vertikalnim fluidnim dovodom speljanim direktno v sredino mikročrpalne komore. Opomba: Dimenzije niso v merilu.

Slika 3 prikazuje variacija vhodnega ventila. Vhodni ventil je v obliki pregrade (9). Del ograje je ponižan in ločen od membrane (9). Preostali del ograje je višji, spojen z membrano (8). Opomba: Dimenzije niso v merilu.

Slika 4 prikazuje presek variacije vhodnega ventila. Vhodni ventil je realiziran s pregrado (9) in ograjo (8), kije spojena z membrano. Opomba: Dimenzije niso v merilu.

Slika 5 prikazuje variacijo vhodnega ventila. Vhodni ventil je realiziran s cilindrom in dovodno šobo (10). Cilinder je nižji od mikročrpalne komore in zato ločen od membrane. Variacija se od osnovnega mikrocilindrskega tipa razlikuje v notranjem premeru dovodne šobe, kije večja od premera vrtine. Dovodna šoba je lahko izvedena z odtisom, dovodna in iztočna izvrtina pa z ročnim izrezom. Opomba: Dimenzije niso v merilu.

Slika 6 prikazuje presek variacije vhodnega ventila. Vhodni ventil je realiziran s cilindrom in dovodno šobo (10). Cilinder je nižji od mikročrpalne komore in zato ločen od membrane. Variacija se od osnovnega mikrocilindrskega tipa razlikuje v notranjem premeru dovodne šobe, ki je večja od premera vrtine. Opomba: Dimenzije niso v merilu.

Slika 7 prikazuje variacijo izhodnega ventila. Izhodni ventil je realiziran z izhodno šobo v stopnici (11). Stopnica je nižja od mikročrpalne komore in zato ločena od membrane. Iztočna šoba je lahko izvedena z ročnim izrezom. Opomba: Dimenzije niso v merilu.

Slika 8 prikazuje presek variacije izhodnega ventila. Izhodni ventil je realiziran z izhodno šobo v stopnici (11). Stopnica je nižja od mikročrpalne komore in zato ločena od membrane. Opomba: Dimenzije niso v merilu.

3D numerična simulacija piezoelektrične mikročrpalke je nakazala na potrebo po veliki črpalni komori pozicionirani v osi PZT aktuatorja, kar prikazuje slika 9.

Slika 10 prikazuje simuliran povprečni pretok (levo) in zastojni tlak (desno) v odvisnosti od velikosti mikročrpalne komore. Ugotovimo, da večji polmer poveča tako pretok kot tudi zastojni tlak mikročrpalke.

Slika 11 prikazuje tipično simulirano dinamično deformacijo membrane (v času) mikrocilindrske črpalke. Analizo dinamike membrane razkrije, da se pripiranje in razpiranje vhodnega cilindra glede na izhodni pregradni ventil ne vrši v popolni protifazi, ampak deloma že spominja na sinhrono delovanje pravih zapiralnih ventilov.

Claims (9)

1. Patentni zahtevki

   1. Mikročrpalka, značilna po tem, da je fluidni dovod speljan vertikalno v sredino mikročrpalne komore.
2. 2. Mikročrpalka po zahtevku 1, značilna po tem, da je ventil postavljen v sredino (v osi) mikročrpalne komore.
3. 3. Mikročrpalka po zahtevkih 1 in 2, značilna po tem, da je vhodni ventil v obliki cilindra z dovodno šobo (3).
4. 4. Mikročrpalka po zahtevkih 1, 2 in 3, značilna po tem, daje premer dovodne šobe večji od premera vrtine v substrat (10).
5. 5. Mikročrpalka po zahtevkih 1 in 2, značilna po tem, da je vhodni ventil v obliki pregrade (9), del ograje je ponižan in ločen od membrane (9), preostali del ograje je višji, spojen z membrano (8).
6. 6. Mikročrpalka po zahtevkih 1 in 2, značilna po tem, da je izhodni ventil realiziran z izhodno šobo v stopnici (11), pri čemer je stopnica nižja od mikročrpalne komore in zato ločena od membrane.
7. 7. Mikročrpalka po zahtevkih 1 in 2, značilna po tem, da je izhodni ventil realiziran v obliki pregrade (4).
8. 8. Mikročrpalka po zahtevkih 1 in 2, značilna po tem, da jo poganja piezoelektrični aktuator (1).
9. 9. Mikročrpalka po zahtevkih 1 in 2, značilna po tem, da so mikročrpalna komora, kanal in ventila odtisnjeni v PDMS elastomer.