WYKŁAD 10 Dr hab. inż. Karol Malecha, prof. Uczelni

Transkrypt

1 Mikrosystemy ceramiczne WYKŁAD 10 Dr hab. inż. Karol Malecha, prof. Uczelni

2 LTCC mikrosystemy kłady grzejne kłady chłodzące źródła energii elementy kład flidycznego (mikrozawory, mikropompy, miksery) generatory plazmy mikroreaktory kłady przepływowe modł detekcyjny mikrozwierciadła PCR LOC...

3 Podstawy mikroflidyki Mikroprzepływy - definicje Podstawowe pojęcia i równania dynamiki płynów - Średnica hydraliczna - Średnia prędkość płyn - Spadek ciśnienia - Liczba Reynoldsa Skalowanie praw w mikro- i nanoświecie

4 Literatra

5 Liczba pblikacji mikroprzepływy mikroprzepływy kropelkowe rok P. Garstecki, LoC Smmer School, 010

6 Podstawy mikroflidyki Mikroprzepływy - definicje Podstawowe pojęcia i równania dynamiki płynów - Średnica hydraliczna - Średnia prędkość płyn - Spadek ciśnienia - Liczba Reynoldsa Skalowanie praw w mikro- i nanoświecie

7 Mikroflidyka definicje Mikroflidyka to termin żywany do opis przepływ w rządzeniach o charakterystycznych wymiarach w zakresie od jednego milimetra do setek nanometrów i zdolnych do przenoszenia objętości płyn (cieczy lb gaz) w zakresie od nano do mikrolitrów ( l). R. Kröger, CFD for Microflidics, 006

8 Mikroflidyka - idea Jeden system zapewniający wszystkie możliwe analizy wymagane dla danego rodzaj problem Wszystkie etapy przetwarzania są wykonywane na pojedynczym chipie mikroprzepływowym (µtas, lab-on-chip) Nie jest wymagana interakcja żytkownika z wyjątkiem załączenia rządzenia Przenośne - analiza może być przeprowadzona w dowolnym miejsc (nie tylko w specjalnym laboratorim) R. Kröger, CFD for Microflidics, 006

9 Zalety kładów mikroprzepływowych szybkie, łatwe w obsłdze, niska cena, mniej odpadów, bezpieczne, łatwe do zatomatyzowania, przenośne. R. Kröger, CFD for Microflidics, 006

10 1971 obecnie P. Garstecki, LoC Smmer School, 010

11 Przykładowe obszary zastosowań kładów mikroprzepływowych Toksyczne materiały w glebie i wodzie: - metale ciężkie, - pestycydy i środki owadobójcze... Analityka medyczna: - nowotwory, - choroby mikrobiologiczne, - choroby wirsowe, - analiza krwi, - analiza genów... Obrona przed bronią biologiczną: - wąglik, - ptasia grypa, - jad kiełbasiany, - pleśnie i grzyby -... Analiza żywności: - analiza ckr i tłszcz, - analiza alkohol, - określanie świeżości, - toksyczne składniki w jedzeni H. Sztajer, Bioform, 008

12 Układ mikroprzepływowy - przykładowe elementy Separacja Mieszanie Reakcja Wstrzykiwanie Przygotowywanie Detekcja Pompowanie Transport (kanały) Zbiorniki Kontrola przepływ Kontrola proces Inteligencja i pamięć Moc Wyświetlacz Inne analizy Pobieranie próbek...

13 Dlaczego technologia LTCC? D. Pijanowska et al., Sensors, 007 Z. Brzózka et al., COE, 005 cena, szybkie prototypowanie, względnie prosta technologia. integracja podzespołów elektronicznych i optoelektronicznych, odporność chemiczna, odporność termiczna.

14 Podstawy mikroflidyki Mikroprzepływy - definicje Podstawowe pojęcia i równania dynamiki płynów - Średnica hydraliczna - Średnia prędkość płyn - Spadek ciśnienia - Liczba Reynoldsa Skalowanie praw w mikro- i nanoświecie

15 Podstawowe pojęcia i równania dynamiki płynów Średnica hydraliczna (Dh) Jest to termin powszechnie żywany przy opisie przepływ w rrach i kanałach niekolistych. Średnicę hydraliczną można obliczyć za pomocą równania: Dh gdzie: A - pole przekroj kanał (m ), O - obwód zwilżony kanał (m) 4A O

16 Średnica hydraliczna dla rry okrągłej: Średnica hydraliczna dla kanał o przekroj prostokątnym: Średnica hydraliczna dla kanał o przekroj kwadratowym (w = h): d d d O A Dh d h w h w h w h w Dh ) ( 4 w h w w w Dh 4 4 Podstawowe pojęcia i równania dynamiki płynów

17 Podstawowe pojęcia i równania dynamiki płynów Średnia prędkość płyn (U) W przypadk rozkład prędkości cieczy w kanale średnią prędkość płyn można zdefiniować jako iloraz objętościowego natężenia przepływ i powierzchni przekroj poprzecznego kanał: U Q A gdzie: Q - objętościowe natężenie przepływ (m 3 /s), A - przekrój kanał (m ).

18 Podstawowe pojęcia i równania dynamiki płynów Liczba Reynoldsa (Re) Inżynieria chemiczna i procesowa dzielą przepływ płynów na dwie kategorie: Przepływ laminarny, Przepływ trblentny. W przepływie laminarnym dominją siły związane z lepkością cieczy. W wynik tego cząstki płyn porszają się spokojnie i porządkowanie zgodnie z liniami przepływ. W przypadk przepływ trblentnego siły bezwładności przewyższają zjawiska lepkości. Cząstki płyn porszają się chaotycznie we wszystkich kiernkach.

19 Podstawowe pojęcia i równania dynamiki płynów

20 Podstawowe pojęcia i równania dynamiki płynów Liczba Reynoldsa (Re) Przejście od przepływ laminarnego do trblentnego jest określane przez liczbę Reynoldsa: Re UDh gdzie: ρ - gęstość płyn (kg/m 3 ) U - średnia prędkość płyn (m/s) Dh - średnica hydraliczna (m) µ - lepkość płyn (Pa s)

21 Podstawowe pojęcia i równania dynamiki płynów Przejście od przepływ laminarnego do trblentnego występje dla Re> 300 x 0 x 0 y 0 y 0 Płyn przepływa w równoległych warstwach zgodnie z liniami przepływ. Nie ma przepływ między warstwami. Płyn przepływa chaotycznie we wszystkich kiernkach. r r x ( s) max 1 s r x ( s) max 1 s r 1/ 7

22 Podstawowe pojęcia i równania dynamiki płynów Równanie ciągłości Równanie ciągłości przepływ płyn słży do oceny objętościowych natężeń przepływ. A 1 dl l dl l A A dl l 1 1 G wylot G wlot 1 1 A 1 G masowe natężenie przepływ

23 Równanie ciągłości A l A l A l l A G G dl l A A dl l dl l A G A G otlet inlet otlet inlet A A G W przypadk cieczy ściśliwych (np. gazów):: Dla nieściśliwych płynów (np. cieczy): 1 1 A A Q Podstawowe pojęcia i równania dynamiki płynów Q - objętościowe natężenie przepływ G masowe natężenie przepływ

24 Podstawowe pojęcia i równania dynamiki płynów Równanie ciągłości Masa płyn wchodzącego do kład, jest równa masie z jaką płyn opszcza kład (równanie ciągłości dynamiki płynów jest analogiczne do prawa Kirchhoffa w obwodach elektrycznych). 1 1 A1 A 4 4 A4 5 5 A5 3 3 A3 5 5 A5 4 4 A4 3 3 A3 A 1 1 A1

25 Podstawowe pojęcia i równania dynamiki płynów Spadek ciśnienia (DP) Spadek ciśnienia w kanale można określić za pomocą opor przepływ płyn. Opór przepływ składa się z: - miejscowego spadk ciśnienia spowodowanego zmianami konfigracji kanał (np. poszerzanie), - spadk ciśnienia spowodowanego tarciem między płynem, a ścianami kanał (straty lepkości).

26 Podstawowe pojęcia i równania dynamiki płynów Spadek ciśnienia (DP) Lokalne zmniejszenie ciśnienia: poszerzenie obszar kanał 1 1 A1 A DP 1 A A

27 Podstawowe pojęcia i równania dynamiki płynów Spadek ciśnienia (DP) Lokalne zmniejszenie ciśnienia: zwężenie w obszarze kanał: Obszar zwężenia 1 1 A1 A 3 3 A3 DP 1 C A3 C 0,6 1, 0 C A

28 Podstawowe pojęcia i równania dynamiki płynów Spadek ciśnienia (DP) Tarcie między ściankami cieczy i kanał: P 1 D h P l DP f f l D h C Re Przepływ laminarny: f współczynnik tarcia C stała zależna od kształt kanał

29 Spadek ciśnienia (DP) Re h h h h h D l C D l D C D l C D l f P D Konfigracja D h C Przekrój kołowy d 64 Przekrój kwadratowy w=h 57 Przekrój prostokątny wh/(w+h) 96 Podstawowe pojęcia i równania dynamiki płynów

30 Podstawowe pojęcia i równania dynamiki płynów Spadek ciśnienia (DP) Q DP R I DU R Q - objętościowe natężenie przepływ (m 3 /s) Sorce: P. Garstecki, LoC Smmer School, 010

31 Podstawy mikroflidyki Mikroprzepływy - definicje Podstawowe pojęcia i równania dynamiki płynów - Średnica hydraliczna - Średnia prędkość płyn - Spadek ciśnienia - Liczba Reynoldsa Skalowanie praw w mikro- i nanoświecie

32 Skalowanie praw w mikro- i nanoświecie Przepływ jest laminarny (bez mieszania trblentnego) Napięcie powierzchniowe odgrywa istotną rolę Brak efektów bezwładności Lepkość wyraźnie wzrasta Odwracalność przepływ

33 Skalowanie praw w mikro- i nanoświecie Przepływ jest laminarny Re UD h Re D h, Re U Przykład: = 10 3 kg/m 3, = 10-3 Pa s, U = 1 mm/s = 10-3 m/s h = w = 100 m = 1 x 10-4 m D h 4h 4h h 10 4 m Re ,1

34 Skalowanie praw w mikro- i nanoświecie Przepływ jest laminarny Re UD h Re D h, Re U U DP Re trb D C h l D h ( ) 3 m/s [!!!] Pa [!!!] Aby zyskać przepływ trblentny

35 Skalowanie praw w mikro- i nanoświecie Przepływ jest laminarny (mieszanie) Liczba Pécleta (Pe) Stosnek strmienia konwekcyjnego do strmienia dyfzyjnego masy Pe wysoka dominje mieszanie trblentne (b. szybkie) Pe niska dominje mieszanie dyfzyjne (b. wolne) gdzie: Dh średnica hydraliczna (m) U średnia prędkość płyn (m/s) D współczynnik dyfzji (m /s) Przykład: U = 1 mm/s = 10-3 m/s D h = 100 m = 1 x 10-4 m D = 10-9 m /s mieszanie trblentne

36 Spadek ciśnienia O A D A Q D l C P h h 4, D Dla kanał o przekroj kołowym: r Q l r r Q l A O Q l P r A D 4 D r P Skalowanie praw w mikro- i nanoświecie

37 Skalowanie praw w mikro- i nanoświecie Spadek ciśnienia pole prędkości 4 DP DP r 1 3 DP w w 4 h, dla w = h, dla w > h P. Garstecki, LoC Smmer School, 010

38 Skalowanie praw w mikro- i nanoświecie Spadek ciśnienia DP Dh 4 Spadek ciśnienia dla przepływ laminarnego jest odwrotnie proporcjonalny do średnicy kanał w czwartej potędze. Oznacza to, że przy zmniejszeni o połowę średnicy przewod, do pompowania takiej samej ilości objętościowej płyn, potrzebna będzie 16-krotnie większa moc pompowania.

39 Skalowanie praw w mikro- i nanoświecie Równanie Naviera-Stokesa Pole prędkości można obliczyć na podstawie równań Naviera-Stokesa, które opisją zachowanie pęd: t p F - operator różniczkowy Hamiltona Prawa rch Newtona przyspieszenie ~ siła gdzie: = (x,y,z) - prędkość płyn [m/s] p - ciśnienie [Pa] - gęstość płyn [kg/m 3 ] - lepkość dynamiczna płyn [Pa s] F - zewnętrzna siła napędowa [N] (na przykład grawitacja)

40 Skalowanie praw w mikro- i nanoświecie t p F p - przepływ nieściśliwy, - konwekcja może być zaniedbana, - przepływ qasi-stały (przepływ pełzający). Re wysoki Re niski P. Garstecki, LoC Smmer School, 010

41 Skalowanie praw w mikro- i nanoświecie MAKRO-SKALA mikro-skala t p F p przyspieszenie ~ siła prędkość ~ siła Odwracalność przepływ

42

43 Skalowanie praw w mikro- i nanoświecie Napięcie powierzchniowe Powierzchnia cieczy F spójność > F przyczepność (materiał hydrofobowy) Siły spójności między cząsteczkami F spójność < F przyczepność (materiał hydrofilowy)

44 Skalowanie praw w mikro- i nanoświecie Napięcie powierzchniowe Napięcie powierzchniowe Obwód zwilżony = x Współczynnik napięcia powierzchniowego F S S Napięcie powierzchniowe staje się znaczące w mikroskali Należy zastosować dodatkowe ciśnienie aby pokonać napięcie powierzchniowe cieczy

45 Skalowanie praw w mikro- i nanoświecie Napięcie powierzchniowe Zmiana ciśnienia spowodowana napięciem powierzchniowym cieczy w kanale kolistym: DP 1 DP cylinder DP sphere

46 Skalowanie praw w mikro- i nanoświecie Napięcie powierzchniowe Zmiana ciśnienia spowodowana napięciem powierzchniowym cylindra cieczy: F DP F S A rl DPcylinder L D P cylinder r S obwód zwilżony, - wsp. napięcia powierzchniowego

47 Skalowanie praw w mikro- i nanoświecie Napięcie powierzchniowe Zmiana ciśnienia spowodowana napięciem powierzchniowym ciekłej kli: r DP DP sphere sphere r r

48 Skalowanie praw w mikro- i nanoświecie Napięcie powierzchniowe Zmiana ciśnienia spowodowana napięciem powierzchniowym cieczy w kolistej rrce: r DP DP DP cylinder 1 DP sphere r

49 Podstawy mikroflidyki Podsmowanie Mikroprzepływy - definicje Podstawowe pojęcia i równania dynamiki płynów - Średnica hydraliczna - Średnia prędkość płyn - Spadek ciśnienia - Liczba Reynoldsa Skalowanie praw w mikro- i nanoświecie