NAPREDNE MEMBRANSKE MIKROČRPALKE S PIEZOELEKTRIČNIM VZBUJANJEM NA OSNOVI PDMS ELASTOMERADOLŽAN, TINE (Avtor) Vrtačnik, Danilo (Mentor) Mikročrpalkemikrofluidikaelastomer PDMSnumerične simulacijenumerical simulationMikročrpalke predstavljajo osrednji del mikrofluidnih sistemov, kjer skrbijo za manipulacijo s tekočinami. Prednosti takšnih sistemov so majhnost, majhna poraba reagentov in energije, hitrost analize, prenosljivost, cena itd. V okviru disertacije smo raziskali, zasnovali in izdelali tri nove tipe mikročrpalk, ki predstavljajo nadaljevanje razvoja in raziskav pripirnih in mikrocilindrskih črpalk v LMSE na Fakulteti za elektrotehniko Univerze v Ljubljani. Na osnovi naprednih 3D numeričnih simulacij smo zasnovali prve prototipe mikrocilindrskih črpalk, pri katerih smo vhod mikropregradne črpalke premaknili v center komore in s tem izdelali ventilsko strukturo (cilindrični vhodni ventil) na mestu, kjer je upogib membrane največji. V predloženem delu predstavljamo nov, izboljšan tip mikrocilindrske črpalke, kjer smo izhodno pregradno ventilsko strukturo nadomestili s stopnico, v kateri je izdelan izhod. Odsotnost fluidnega kanala za stopničasto ventilsko strukturo prinese manjšo fluidno upornost in ugoden vpliv na pretok. Večja površina ventila omogoča boljše zapiranje in večjo tlačno zmogljivost. Ostranitev kanala za ventilsko strukturo zmanjša površino mikročrpalke. Izhodna stopničasta ventilska struktura prinaša možnost vplivanja na lastnosti izdelanih mikročrpalk s spreminjanjem pozicije izhoda na stopnici, brez potrebe po izdelavi novega kalupa. Če izhod približamo robu ventilske strukture, ima mikročrpalka boljšo pretočno karakteristiko in slabšo tlačno, pri izhodu, ki je bolj oddaljen od roba, pa je ravno obratno. Izdelane mikročrpalke so pri vzbujanju s pravokotnim signalom z amplitudo 250 V in frekvenco 90 Hz dosegle pretočno zmogljivost črpanja deionizirane vode do 2,4 ml/min (neobremenjen izhod) in tlačno zmogljivost do 520 mbar pri zaprtem izhodu. To je bistveno izboljšanje karakteristike glede na mikrocilindrsko črpalko s pregradnim izhodnim ventilom (1,4 ml/min in 180 mbar, pri enakih pogojih vzbujanja). Pri črpanju zraka so mikrocilindrske črpalke dosegle pretok 8 ml/min, zastojni tlak 60 mbar na izhodu in podtlak na vhodu do -80 mbar pri optimalni frekvenci vzbujanja 300 Hz. Za zanesljivost mikročrpalk je izrednega pomena sposobnost črpanja dvofaznega medija (mešanica kapljevine in plina). Ugotovili smo, da lahko mikrocilindrska črpalka brez odpovedi črpa dvofazni medij do tlačne obremenitve na izhodu, ki dosega 70 % maksimalne tlačne vrednosti pri črpanju plina. Izkazalo se je, da se lahko mikrocilindrska črpalka sama napolni s kapljevino iz rezervoarja, ki je 60 cm ali manj pod nivojem mikročrpalke.Kakor večina mikročrpalk z ventilskimi strukturami, lahko tudi mikrocilindrska črpalka črpa tekočino le v eno smer, kar je posledica njene strukture. Da bi odstranili to omejitev, smo izkoristili lastnost mikrocilindrske črpalke, in sicer njeno prepustnost za tekočine v neaktivnem stanju. V ta namen smo zasnovali in izdelali mikrocilindrsko strukturo črpalke, ki vključuje dve protiserijsko povezani mikrocilindrski črpalki s skupnim izhodnim pregradnim ventilom. Tovrstna dvosmerna mikrocilindrska črpalka ima dve komori in dva aktuatorja, smer črpanja pa določa aktuator, ki ga vzbujamo. Ker v tem primeru ne potrebujemo sinhroniziranega vzbujanja aktuatorjev, je izvedba električnega krmilnega sistema enostavna. Dvosmerne mikročrpalke so pri vzbujanju s pravokotnim signalom z amplitudo 250 V in frekvenco 120 Hz dosegle pretočno zmogljivost črpanja deionizirane vode 1,2 ml/min in tlačno zmogljivost 200 mbar. V primeru črpanja zraka je dvosmerna mikročrpalka dosegla pretok 3 ml/min pri frekvenci vzbujanja 300 Hz, tlak pri zaprtem izhodu 35 mbar in podtlak -48 mbar pri tipični frekvenci vzbujanja 180 Hz. Z uvajanjem mehurčkov različnih velikosti na vhod črpalke smo ovrednotili tudi zanesljivost dvosmerne mikročrpalke v primeru črpanja dvofaznega medija. Izkazalo se je, da se dvosmerna mikročrpalka obnaša podobno kot mikrocilindrska črpalka. Mikročrpalka je brez obremenitve sposobna črpati dvofazni medij ob padcu pretoka, v času prisotnosti dvofaznega medija v komori, na približno 50 % začetnega. V primeru obremenitve na izhodu dvosmerna mikročrpalka odpove pri tlačnih obremenitvah večjih od 25 mbar. Znanje, pridobljeno pri raziskavah mikrocilindrskih črpalk, je vodilo do razvoja nove strukture peristaltske mikročrpalke s samo enim aktuatorjem. Peristaltska mikročrpalka je v osnovi modificirana mikrocilindrska črpalka, pri kateri pripirne ventile nadomestimo z eno samo, optimizirano globino kanala in komore. Izdelava take peristaltske mikročrpalke zahteva enonivojski kalup, ki ga je mogoče izdelati bistveno enostavneje in hitreje. Tudi pozicija vhoda in izhoda nimata bistvenega vpliva na delovanje mikročrpalke, kar dodatno poenostavi proces izdelave. Izdelane peristaltske mikročrpalke so pri vzbujanju s kvadratnim signalom z amplitudo 250 V in frekvenco 70 Hz dosegle pretočno zmogljivost črpanja deionizirane vode 220 μl/min in tlačno zmogljivost 300 mbar. Maksimalen izmerjen podtlak na vhodu je bil -150 mbar pri frekvenci 70 Hz. Nižja pretočna zmogljivost glede na mikrocilindrske črpalke je bila pričakovana, ker imata plitka komora in izhodni kanal veliko fluidno upornost. Pri karakterizaciji z zrakom je peristaltska mikročrpalka dosegla pretok 0,8 ml/min in tlak 70 mbar pri frekvenci 140 Hz. Na vhodu smo izmerili podtlak –140 mbar pri frekvenci 140 Hz, kar je izrazito ugodno za sposobnost samopolnjenja. Razvite peristaltske mikročrpalke so se sposobne same napolniti in brez odpovedi črpati dvofazni medij.20162016-03-31 15:00:02Doktorsko delo/naloga81191VisID: 35070COBISS_ID: 11332692sl