Cele naukowe MicroFluids@home

Z Wiki B@P

WPROWADZENIE

Odkrycie układu scalonego w 1959 roku doprowadziło do miniaturyzacji i rozwoju mnóstwa komercyjnych i przemysłowych urządzeń. Jednak te miniaturowe układy nie są już ograniczone do tranzystorów i kondensatorów. Silniki, zawory i czujniki mogą być łączone z komponentów elektronicznych do postaci kompletnego systemu. Podobnie jak układy scalone zrewolucjonizowały elektronikę, tak MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) zrewolucjonizują urządzenia medyczne, biosensory i produkty konsumenckie w przyszłości.

Niemniej jednak, MEMS ma kilka technicznych przeszkód do pokonania. Zachowanie płynów, a w szczególności ich napięcie powierzchniowe, znacząco różni się w tak małych skalach. Te słabe siły dominują w mikro skali w porównaniu do większych powierzchni. Dla przykładu, ciśnienie wymagane aby zmusić bańkę do ruchu przez mikro kanał do zbiornika wodnego może przekroczyć 100kPa (~1 atmosfera), ciśnienie znaczenie powyżej specyfikacji wielu mikropomp. Oczywiście, zadania takie jak wypełnianie kanału i oczyszczanie z pęcherzyków gazu nie są trywialne. Niestety, zbiór ogólnych zasad projektowania geometrii mikrostruktur nadal obowiązują.

Ogniwa paliwowe, takie jak urządzenie MEMS, są narażone na zjawiska napięć powierzchniowych. Nowe projekty ogniw posiadają mniejsze kanały, poniżej 5 um, w celu wzmocnienia i poprawy efektywności transportu. Jednakże pęcherzyki gazu mogą się formować w kanałach membran elektrod ze względu na ruch lub reakcję chemiczną powodującą zmniejszenie wydajności. Te małe kanały łatwo zablokować i są trudne do wypłukania. Siły kapilarne, geometria kanałów i inne zjawiska, należy wykorzystać w celu osiągnięcia optymalnej wydajności i niezawodności ogniw.

CEL

Podczas gdy poczyniono postępy w zrozumieniu zjawisk mikro-kapilarnych, projekty MEMS nie wykorzystują tej wiedzy do rozwiązania problemu przepływu dwufazowego i zablokowania przepływu w kanałach, a także wypełniania kanału w połączeniach. Celem niniejszego badania jest zbadanie, w jaki sposób geometria kanału oraz materiał wpływają na efekt tworzenia się pęcherzyka, stabilność oraz rozpadanie się. Techniki modyfikowania napięcia powierzchniowego, takie jak elektrozwilżanie oraz hydrofobowe/hydrofilowe powłoki będą również rozważane. Ostatecznie, optymalne projekty i praktyczne zalecenia sprawią, że urządzenia MEMS będą proste, oszczędne i niezawodne.

Rys. 1 Przekrój poprzeczny DRIE

Rys. 2 Wytrawienie wodorotlenkiem potasu

METODOLOGIA BADAŃ

1. Badanie technik litografii, mikroobróbki i materiałów w odniesieniu do kształtu kanału, właściwości fizycznych i kosztów produkcji.
2. Zebranie topologii znalezionych w pompach, zaworach, czujnikach i kanałach.
3. Ustanowienie ilościowych modeli efektów elektro-kapilarnych i termo-kapilarnych.
4. Obliczenie statycznej stabilności pęcherzyków w połączeniach i kanałach.
5. Stworzenie modeli dynamicznego tworzenia i destabilizacji tych blokad.
6. Doświadczalne zweryfikowanie wybranych wyników.
7. Opracowanie wytycznych dotyczących inżynierii kompletnego wypełniania/ odprowadzania w mikro-kanałach.

W fazie pierwszej dokonano intensywnego przeglądu literatury, aby skatalogować różne metody trawienia. Techniki produkcyjne, takie jak DRIE (Głębokie czynne wytrawianie jonowe), mokre wytrawianie, konwencjonalna obróbka i inne sposoby trawienia mają ograniczoną głębokość, wymagają pewnych materiałów a także znacząco różnią się pod względem kosztów. Dla przykładu, DRIE tworzy głębokie (>500um) prostokątne kanały (rys.1). podczas gdy mokre trawienie jest łatwiej kontrolowane i uzyskuje się formy trapezowe lub półkoliste o mniejszej głębokości (rys. 2). Jednakże, DRIE wymaga dużych inwestycji (~1M$) i wymaga kosztownych chemikaliów do produkcji. Dla porównania, koszt mokrego trawienia jest o 2 rzędy wielkości mniejszy niż DRIE. Inne techniki, jak mikroobróbka są jeszcze bardziej ekonomiczne, ale dzięki nim uzyskuje się części o innych przekrojach niż opisane powyżej.

Po skompletowaniu literatury, faza druga rozważa wymagania trawienia oraz komponentów MEMS. Poszczególne elementy mogą wymagać szczególnych przekrojów i wskaźników dla funkcjonalności i wydajności. Co więcej, faza ta ustali interesujące szczegóły geometrii kanałów.

Oprócz geometrii, kąt styczności płynu może być dostosowany poprzez zmianę właściwości. Można to zrobić przy pomocy czterech różnych metod: selekcji materiału, powłok, zjawisk termo-kapilarnych oraz elektrozwilżania. Dla przykładu, kanały pokryte teflonem prowadzące ze zbiornika wodnego będą wymagały dużego nadciśnienie aby je wypełnić, podczas gdy hydrofilowe można wypełnić dowolnie. Ponadto, aktywna kontrola granicy faz może być osiągnięta za pomocą elektrozwilżania. Potencjał elektryczny wokół całej bańki powoduje skuteczny spadek napięcia powierzchniowego cieczy.

Po przeglądzie, faza IV będzie korzystać z Surface Evolver do obliczenia granicy faz gaz-ciecz i określenia jej stabilności statycznej dla różnych geometrii, kątów styczności, technik modyfikacji napięcia powierzchniowego i wielkości bąbelków. Oprogramowanie Surface Evolver oblicza minimalne powierzchnie, które są utworzone przez napięcie powierzchniowe, grawitację i inne źródła energii, które są przedmiotem różnych ograniczeń. Krytyczny kąt styczności i zjawisko niestabilności kapilarnej w złożonych geometriach, takich jak urządzenia napędowe satelitów, połączenia kanałów są obliczane z łatwością. Zostaną przetestowane praktyczne modyfikację istniejących topologii.

W fazie V, dynamiczny postęp pęcherzyka do przodu jest wyszukiwany przy wykorzystaniu istniejącego kodu CFD (komputerowa symulacja przepływu płynów) z poziomu zestawu modyfikacji. Dynamiczne wyniki można porównać ze statycznymi wynikami znalezionymi w Surface Evolver aby sprawdzić zbieżności. Ostatecznie, da to dalszy wgląd w rozerwanie pęcherzyka i niestabilność.

Wybrane wyniki zostaną przetestowane doświadczalnie w fazie VI. Ciśnienie może być stosowane na zewnątrz, aby poruszyć szereg przepływów rzutowych w mikro kanałach. Jeśli użyta jest szklana osłona, techniki takie jak farby czułe na ciśnienie lub microPIV (Mikro Cyfrowa Anemometria Obrazowa) zostaną wykorzystane do badań przejściowych problemów. Korzystają z tych wyników, oceniona zostanie dokładność CFD.

Na końcu, wyniki eksperymentalne oraz wyniki obliczeniowe zostaną zebrane i opublikowane. Projekty zostaną zbadane pod względem niestabilności oraz produkcji. W związku z tym, miara wydajności dla każdego projektu zostanie ustalona na podstawie: (1)stabilności granicy faz, (2) ciśnienia lub mocy elektrozwilżania wymaganej do usunięcia gazowych/płynnych zanieczyszczeń, (3) szacowanego kosztu, czasu i kwestii produkcyjnych, (4) praktycznego zastosowania kanałów i połączeń.

ORYGINALNOŚĆ PROJEKTU

Chociaż mikro płyny nie są postrzegane jako kosmiczny temat, przemysł lotniczy i NASA stały się podstawą mechaniki płynów o niskiej liczbie wiązań (dominujące napięcie powierzchniowe). Grupa badawcza profesora Collicot'a skupia się na zachowaniu cieczy w zbiornikach paliwa w satelitach i kontroli z wykorzystaniem struktur łopatkowych. Wykazała ona, że Surface Evolver jest bardzo wszechstronny w złożonych geometriach, a to prowadzi do różnorodnych prac o stabilności dwufazowej. Projekt ten jest wyjątkowy ze względu na ukierunkowanie na mikro urządzenia oraz zjawiska elektrokapilarne.

REFERENCJE

1. J. Lee & CJ Kim. Surface-Tension-Driven Microactuation Based on Continuous Electrowetting. J. of MEMS 9, 171 (2000).
2. V. Singhal, et al. Microscale pumping technologies for microchannel cooling systems. Applied Mech. 57, 191 (2004).
3. F Goldschmidtboiu, et al. Capillary Filling of Micro-Reservoirs. Solid State Sensors, Actuators and Microsystems (2003).
4. D. Meng, T. Cuband, C. Ho, C. Kim. A Membrane Breather for Micro Fuel Cell with High Concentration Methanol.
5. Suk-Won Cha, et al. Geometric Scale Effect of Flow Channels on Performance of Fuel Cells. Electrochemical S., 1856 (2004).
6. Micralyne Inc. Newsletter. http://www.micralyne.com/newslyne/edition4.html
7. Etching Processes. http://www.memsnet.org/mems/processes/etch.html
8. Advanced MicroSensors: Magnetic Sensors, MEMS and Characterization. http://www.advancedmicrosensors.com/technology/
9. Fabricating an Elastomeric Stamp. http://www.ee.washington.edu/research/microtech/cam/CAMfabricatingstamp.html
10. B. Shapiro. Equilibrium behavior of sessile drops under surface tension, applied external fields. App. Phys., 93. (2003).
11. K. Brakke. The Surface Evolver. http://www.susqu.edu/facstaff/b/brakke/evolver/
12. W. Lindsley, S. Collicott, et al. Asymmetric and Axisymmetric constant curvature. Biomedical Engineering (2005).

Źródło: [1]

Tłumaczenie: Kempler