WYKŁAD 11 Dr hab. inż. Karol Malecha, prof. Uczelni

Transkrypt

1 Mikrosystemy ceramiczne WYKŁAD 11 Dr hab. inż. Karol Malecha, prof. Uczelni

2 Mikrofluidyka - idea 1971 obecnie P. Garstecki, LoC Summer School, 2010

3 Zalety układów mikroprzepływowych szybkie, łatwe w obsłudze, niska cena, mniej odpadów, bezpieczne, łatwe do zautomatyzowania, przenośne. R. Kröger, CFD for Microfluidics, 2006

4 Mikrosystem przepływowy (mtas, Lab-on-chip) Pijanowska et al., IBIB, 2007

5 Dlaczego technologia LTCC? D. Pijanowska et al., Sensors, 2007 Z. Brzózka et al., COE, 2005 cena, szybkie prototypowanie, względnie prosta technologia. integracja podzespołów elektronicznych i optoelektronicznych, odporność chemiczna, odporność termiczna.

6 Mikrosystemy przepływowe wykonane techniką LTCC Mikrozawory/pompy Mikromieszalniki Mikroreaktory Moduły detekcyjne

7 Mikrosystemy przepływowe wykonane techniką LTCC Mikrozawory/pompy Mikromieszalniki Mikroreaktory Moduły detekcyjne

8 Mikrozawór z aktuacją piezoelektryczną Dysk z materiału piezoelektrycznego Piezo disc Klej Glue Stalowa membrana Steel LTCC M. Sobocinski MSc. Thesis 2007 Mikrozawór LTCC Zasada działania zaworu piezoelektrycznego wykonanego techniką LTCC M. Sobocinski et al., Sensors and Actuators A 2009

9 Przepływ (ml/min) Przemieszczenie (μm) Mikrozawór z aktuacją piezoelektryczną Otwarty Zamknięty Ciśnienie (mbar) Przepływ cieczy przez zawór w funkcji ciśnienia Ciśnienie (bar) Przemieszczenie membrany w funkcji ciśnienia (wyciek) M. Sobocinski et al., Sensors and Actuators A 2009

10 Czas (ms) Czas (ms) Mikrozawór z aktuacją piezoelektryczną Czas otwierania zaworu Czas zaniku napięcia Czas zamykania zaworu Czas narostu napięcia Ciśnienie (bar) Czasy otwarcia zaworu w funkcji ciśnienia Ciśnienie (bar) Czasy zamykania zaworu w funkcji ciśnienia M. Sobocinski et al., Sensors and Actuators A 2009

11 Mikrozawór z aktuacją magentyczną Schemat mikrozaworu Si-LTCC z aktuacją magnetyczną Warstwy LTCC składające się na ceramiczną część zaworu Gongora-Rubio et al.., SNA, 2001

12 Mikrozawór z aktuacją magentyczną Cewka indukcyjna Przekrój przez część ceramiczną zaworu ukazujący szczegóły wielowarstwowej cewki indukcyjnej. Gongora-Rubio et al.., SNA, 2001

13 Prąd (ma) Mikrozawór z aktuacją magentyczną Mambrana Si z magnesem Przemieszczenie (μm) Przemieszczenie membrany w funkcji prąd cewki Gongora-Rubio et al.., SNA, 2001

14 Mikrozawór z aktuacją magentyczną Schemat polimerowo-ceramicznego zaworu mikrofluidycznego M. Czok et al., CICMT, 2013

15 Ruch magnesu Mikrozawór z aktuacją magentyczną Cewka indukcyjna (przekrój przez podłoże LTCC) Zawór elektromagnetyczny wykonany techniką PDMS-LTCC

16 Ugięcie membrany (μm) Mikrozawór z aktuacją magentyczną Czas (s) Ugięcie membrany w funkcji przyłożonego napięcia (magnes: 3 mm 3 mm NdFeB) Napięcie (V) Znormalizowany przepływ przez zawór; V C objętość płynu przy zamkniętym zaworze, V O objętość płynu przy otwartym zaworze.

17 Podgrzewanie cieczy Mikrozawór termiczny Zagrzebany Buried Resistor grzejnik LTCC Silicon Membrana Diaphragm Si Struktura Fluidic mikroprzepływowa Manifold Zawór otwarty Zawór zamknięty Source: TU Dresden

18 Mikrozawór (hydrożel) Schemat zaworu z nanokompozytem hydrożelowym zdalnie sterowanego zmiennym polem magnetycznym (AMF). Włączenie AMF powoduje ogrzewanie i zapadanie się hydrożelu, co prowadzi do otwarcia zaworu. Magnetyczne nanocząstki są rozproszone w hydrożelu N-izopropyloakryloamidowym (NIPAAm) reagującym na temperaturę N.S. Satarkar, R.E. Eitel et al. Magnetic hydrogel nanocomposites as remote controlled microfluidic valves, 2009, Lab on a Chip

19 Mikrozawór (hydrożel) Mikrozawór zbudowany jest z pięciu warstw LTCC: (a) pokrywa ceramiczna (LTCC), (b) przeźroczysta uszczelka polimerowa (HDPE), (c) mikro-kanał, (d) wnęka zaworu, (e) warstwa dolna. N.S. Satarkar, R.E. Eitel et al. Magnetic hydrogel nanocomposites as remote controlled microfluidic valves, 2009, Lab on a Chip

20 Mikrozawór (hydrożel) Obraz w podczerwieni urządzenia po ekspozycji na AMF przez 2 minuty pokazuje lokalne zdalne podgrzewanie zaworu hydrożelowego (obraz w podczerwieni nałożono na obraz układu) Zdjęcie urządzenia mikroprzepływowego z kompozytem hydrożelowym jako zaworem umieszczonym w górnym kanale: (a) dolna część urządzenia i (b) zmontowane urządzenie N.S. Satarkar, R.E. Eitel et al. Magnetic hydrogel nanocomposites as remote controlled microfluidic valves, 2009, Lab on a Chip

21 Ciśnienie (psi) Mikrozawór (hydrożel) Zdjęcia pokazujące regulację przepływu za pomocą zaworu hydrożelowego typu ON-OFF. Przy zamkniętym zaworze: hydrożel blokuje górny kanał, uniemożliwiając przepływ płynu. Widzimy tylko płynącą ciecz żółtą. Na zdjęciu (b) zawór jest otwarty, zastosowanie AMF otwiera górny kanał umożliwiając przepływ niebieskiej cieczy. Czas (min) Ciśnienie mierzone na wlocie górnego (niebieskiego) kanału dla 3-4 cykli włączania i wyłączania. Odpowiedni stan pola AMF jest pokazany poniżej. N.S. Satarkar, R.E. Eitel et al. Magnetic hydrogel nanocomposites as remote controlled microfluidic valves, 2009, Lab on a Chip

22 Mikrozawór elektrostatyczny Zawór elektrostatyczny: widok z góry (elektroda) i przekrój zaworu Sprężyna LTCC: 22 mm x 22 mm, grubość 100 μm H. Klumbies, U. Partsch et al., Actuators to be Integrated in LTCC Microfluidic Systems, 2009

23 Mikrozawór kulowy (dioda mikrofluidyczna) Schemat mikrozaworu kulowego wykonanego techniką LTCC Dioda mikrofluidyczna wykonana techniką LTCC M. Gongora-Rubio et al., CICMT, 2008

24 Mikropompa magnetyczna (dioda mikrofluidyczna) M. Gongora-Rubio et al., CICMT, 2008

25 Mikropompa piezoelektryczna Zasada działania mikropompy piezoelektrycznej Mikropompa LTCC przed i po montażu membrany z piezodyskiem D.L. Wilcox and M. Oliver, IMAPS ATW Providence RI, USA, May 2002 Motorola Labs

26 Ugięcie membrany (μm) Mikropompa magnetyczna (bezzaworowa) Wlot Wylot Mikropompa magnetyczna wykonana techniką PDMS-LTCC Wlot Wylot Czas (s) Charakterystyka dynamiczna Mikropompy PDMS-LTCC M. Czok et al.., CICMT, 2014

27 Mikropompa piezoelektryczna (bezzaworowa) Model piezoelektrycznego przetwornika Fotografie mikropompy bezzaworowej Chi-Mo Huang, Design and fabrication of a valveless micropump based on LTCC technology, Microsyst. Technol., 2014

28 Mikropompa piezoelektryczna (bezzaworowa) Schematyczny widok z góry na zawór mikropompy: (a) mikropompa bez dodatkowej komory, (b) mikropompa z dodatkową komorą. Projekt bezzaworowej mikropompy LTCC Chi-Mo Huang, Microsyst. Technol., 2014

29 Ugięcie membrany (μm) Mikropompa piezoelektryczna (bezzaworowa) Przepływ objętościowy (ml/min) Napięcie (V) Częstotliwość (Hz) Amplituda przemieszczenia membrany dla różnych napięć o częstotliwości 300 Hz. Porównanie wyników symulacji i eksperymentu. Zależność natężenia przepływu wody od częstotliwości w mikropompach z lub bez dodatkowej komory (without pocket). Chi-Mo Huang, Microsyst. Technol., 2014

30 Mikropompa piezoelektryczna (perystaltyczna) Zasada działania pompy perystaltycznej (klasycznej) W. Zhang, R. Eitel, 2013

31 Mikropompa piezoelektryczna (perystaltyczna) Przepływ objętościowy (µl/min) Maksymalne przemieszczenie (d max ) jako funkcja stosunku promienia/grubości membrany (R/θ) dla różnych promieni membrany. Częstotliwość (Hz) Zależność szybkości przepływu od częstotliwości aktuacji przetwornika. Amplitudy napięcia 50, 75 i 100 Vpp. W. Zhang, R. Eitel, 2013

32 Mikropompa magneto hydrodynamiczna MHD (magneto hydrodynamic) z + - V x y F J Elektroda B N S J gęstość prądu (A/m 2 ) s konduktywność cieczy (S/m) E wektor natężenia pola elektrycznego (V/m) v wektor prędkości cząstki (m/s) B pseudowektor indukcji magnetycznej (T) r gęstość ładunku elektrycznego (C/m 3 )

33 Mikropompa magneto hydrodynamiczna MHD (magneto hydrodynamic) Przekrój przez strukturę mikropompy MHD Widok poszczególnych warstw ceramicznych tworzących mikropompę MHD Zhong et al., SNA, 2002

34 Mikropompa magneto hydrodynamiczna MHD (magneto hydrodynamic) kanał elektrody Au Widok z góry pompy MHD Zależność prędkości przepływu cieczy od napięcia dla roztworu soli fizjologicznej Zhong et al., SNA, 2002

35 Mikrosystemy przepływowe wykonane techniką LTCC Mikrozawory/pompy Mikromieszalniki Mikroreaktory Moduły detekcyjne

36 Mikromieszalniki prawa skalowania Mieszanie w mikrokanałach wszystkie przepływy są laminarne Re rud m h Re D h, Re U ρ - gęstość płynu (kg/m 3 ) D h - średnica hydrauliczna (m) U - średnia prędkość płynu (m/s) m - lepkość płynu (Pa s) mieszanie polega na dyfuzji molekularnej Pe UD D h D współczynnik dyfuzji (m 2 /s)

37 Mieszanie w mikrokanałach D = 10-7 (m 2 s -1 ) D = 10-8 (m 2 s -1 ) D = 10-9 (m 2 s -1 ) D współczynnik dyfuzji molekularnej

38 Mikromieszalniki prawa skalowania Mieszanie w mikrokanałach diff 2 D h D DIST U Dh D 2 gdzie: diff dyfuzyjny czas mieszania (s), DIST odległość, na którą muszą przepłynąć dwa początkowo segregowane płyny aby nastąpiło całkowite ich wymieszanie (m). D h średnica hydrauliczna (m), D współczynnik dyfuzji molekularnej (m 2 /s).

39 Mikromieszalniki prawa skalowania Mieszanie w mikrokanałach Przykład: Dla U = 1 mm/s, D h = 200 mm, D = m 2 /s: diff = s DIST= 0,4 40 m [!!!]

40 Mikromieszalniki prawa skalowania Mieszanie w mikrokanałach Wielkość strumienia masy (J) cząstek płynu w wyniku dyfuzji cząsteczkowej jest równa: J D c gdzie: D współczynnik dyfuzji molekularnej (m 2 /s) c stężenie (m -3 ) Mieszanie w mikrokanałach zachodzi głównie w wyniku: 1) istnieniu obszaru styku między dwoma, początkowo segregowanymi, płynami, 2) tworzeniu i utrzymywania się wysokich gradientów stężenia między dwoma mieszającymi się płynami.

41 Mikromieszalniki Rozszczepianie i ponowne łączenie Wtryskiwanie cykliczne Wtryskiwanie podstrumieni Wymuszony transport masy Wtryskiwanie do głównego strumienia Zderzenie wysokoenergetyczne Zmniejszanie toru dyfuzji Kontakt Hessel et al., Ch.Eng.Sci., 2005

42 rozwarstwianie wstrzykiwanie chaotyczna adwekcja segregacja kroplista zaburzanie ciśnienia elektrohydrodynamiczne dielektroforetyczne elektrokinetyczne magnetohydrodynamiczne akustyczne termiczne Mikromieszalniki Mikromieszalniki bierne aktywne równoległe szeregowe Nguyen et al., JMM, 2005

43 Mikromieszalniki aktywne Nguyen et al., JMM, 2005

44 Mikromieszalniki aktywne Mieszanie jest bardziej efektywne dzięki dostarczeniu zewnętrznej energii efektywność mieszania zwiększona dzięki zastosowaniu dodatkowych elementów wewnątrz miksera (mieszadła) zakłócenia przepływu generowane przez zastosowanie zewnętrznych źródeł energii akustycznej, termicznej... integracja aktywnego miksera jest skomplikowana i droga

45 Mikromieszalniki bierne Nguyen et al., JMM, 2005

46 Mikromieszalniki bierne Nie wykorzystują dodatkowych urządzeń oprócz mikropomp używanych do wytworzenia przepływu płynu ze stałą prędkością, ze względu na dominujący przepływ laminarny w mikroskali, mieszanie w pasywnych mikromikserach polega głównie na dyfuzji molekularnej oraz zwiększaniu powierzchni kontaktu płynów, efektywne mieszanie przy przepływie laminarnym odbywa się poprzez odpowiednią konstrukcję mikrokanałów.

47 Mikromieszalniki ceramiczne (aktywne) Mikromieszalnik magnetohydrodynamiczny (MHD) z y x + V - B N S F siła Lorentza J gęstość prądu Elektroda

48 Mikromieszalniki ceramiczne (aktywne) Mikromieszalnik magnetohydrodynamiczny (MHD) 1 dolna folia LTCC z naniesionymi elektrodami 2 środkowe warstwy tworzą kanał 3 górna warstwa 4 magnes stały Bau et al., SNB, 2001

49 Mikromieszalniki ceramiczne (aktywne) Mikromieszalnik magnetohydrodynamiczny (MHD) Bau et al., SNB, 2001

50 Mikromieszalniki ceramiczne (aktywne) Mikromieszalnik magnetohydrodynamiczny (MHD) Długość styku cieczy (IL) w funkcji czasu (t) Bau et al., SNB, 2001

51 Mikromieszalniki ceramiczne (aktywne) Mikromieszalnik magnetohydrodynamiczny (MHD) Mikromieszalnik MHD może być stosowany do generowania złożonego ruchu w cieczach Kierunek ruchu płynu jest kontrolowany przez polaryzację elektrod Ruch wywołany siłami Lorentza rozciąga i deformuje linie przepływu cieczy Mikromikser MHD działa tylko z elektrolitami

52 Mikromieszalniki ceramiczne (bierne) Mikromieszalnik adwekcyjny Kanały mieszające typu SERPENTYNA I 3D Dyfuzja molekularna Chaotyczna adwekcja

53 Mikromieszalniki ceramiczne (bierne) Rozkład stężenia w mikromikserze z kanałem prostym. Wyniki symulacji.

54 Mikromieszalniki ceramiczne (bierne) Rozkład stężenia w mikromikserze typu meander. Wyniki symulacji.

55 Mikromieszalniki ceramiczne (bierne) Rozkład stężenia w mikromikserze typu serpentyna I. Wyniki symulacji.

56 Mikromieszalniki ceramiczne (bierne) Re = 10; n=1 Re = 10; n=3 Re = 10; n=5 Re = 10; n=1 Re = 10; n=3 Re = 10; n=5 Struktura granicy rozdziału dwóch cieczy (IL) dla przepływu przechodzącego przez n zakrętów

57 Mikromieszalniki ceramiczne (bierne) Mikromieszalnik adwekcyjny (serpentyna typu I) Względna długość granicy rozdziału dwóch cieczy (IL) w funkcji liczby zakrętów (n) Mikromikser typu serpentyna I

58 Mikromieszalniki ceramiczne (bierne) Mikromieszalnik adwekcyjny (serpentyna typu L) Mieszalnik serpentynowy typu L Yi and Bau, Int. J. Heat and Fluid Flow, 2003

59 Mikromieszalniki ceramiczne (bierne) Mikromieszalnik adwekcyjny (serpentyna typu L) Względna długość granicy rozdziału dwóch cieczy dla przepływu przechodzącego przez n zakrętów (a) n = 1; (b) n = 3; (c) n = 5; (d) n = 7; (e) n = 20; and (f) n =40, Re = 10.

60 Mikromieszalniki ceramiczne (bierne) Mikromieszalnik adwekcyjny (serpentyna typu L) Względna długość granicy rozdziału dwóch cieczy (IL) w funkcji liczby zakrętów (n) Barwnik i czysta woda po przejściu przez kilka zakrętów dla Re = 7 i Re = 20 Yi and Bau, Int. J. Heat and Fluid Flow, 2003

61 Mikromieszalniki ceramiczne (bierne) Mikromieszalnik adwekcyjny (serpentyna typu X) Gross et al., CES, 2008

62 Mikromieszalniki ceramiczne (bierne) Mikromieszalnik adwekcyjny (serpentyna typu X) Schematyczne przedstawienie etapów wytwarzania mieszalnika LTCC. A: Strukturyzacja mechaniczna poprzez wykrawanie, cięcie lub ablację laserową. B: Składanie warstw. C: Laminowanie izostatyczne. D: Wypalanie. E: Cięcie. F: Wycięcie otworów za pomocą lasera. Gross et al., CES, 2008

63 Mikromieszalniki ceramiczne (bierne) Mikromieszalnik adwekcyjny (serpentyna typu X) Spadek ciśnienia. Po lewej: mieszalnik typu X. Po prawej: mieszalnik typu meander Gross et al., CES, 2008

64 Mikrosystemy przepływowe wykonane techniką LTCC Mikrozawory/pompy Mikromieszalniki Mikroreaktory Moduły detekcyjne