بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ميکروپمپ فروفلوئيديک ديفيوزري
چکيده
در اين مقاله ، طراحي و ساخت نمونه اي ميکروپمپ پيستوني بدون دريچه که در آن از تحريک سيال مغناطيسي (فروفلوئيد) توسط ميدان مغناطيسي خارجي استفاده مي گردد، ارائه شده است . محرک مغناطيسي بکار گرفته شده، يک آهنرباي دائمي است که حرکت آن از طريق استپ موتور تأمين مي شود. توده سيال مغناطيسي به عنوان پيستون محرک جريان عمل مي نمايد و دو المان نازل - ديفيوزر در ورودي و خروجي ميکروپمپ منجر به ايجاد اختلاف فشار و دبي خالص مي شود، در نتيجه درون ميکروکانال نياز به بخش مکانيکي متحرک نمي باشد. نتيجه اين تحقيق ، طراحي ، ساخت ، سرهم بندي و تست تجربي ميکروپمپ فروفلوئيديک ديفيوزري است که قابليت استفاده براي پمپ نمودن سيالهاي مايع و يا گاز را دارا است . براي سيال عامل آب، حداکثر هد و دبي براي يک نمونه از اين ميکروپمپ به ترتيب برابر ١٢ ميلي متر آب و ٢٠٠ ميکروليتر در دقيقه بدست آمده است .
واژه هاي کليدي
ميکروپمپ - سيال مغناطيسي - فروفلوئيد - تحريک مغناطيسي
مقدمه
يکي از دلايل موفقيت دانش ممز١ مربوط به مينياتوري کردن هاي آناليز بيوشيميايي است که اصطلاحا به آن مفهوم
سيستم آزمايشگاه - روي- يک- تراشه ٢ را نسبت مي دهند.
اين اصطلاح همچنين به نام سيستمهاي- تحليلگر- مجتمع - ريز٣ شناخته شده است ، چرا که ابزارهاي چندين پروسه آزمايشگاهي در يک تراشه جمع مي شود. در قلب چنين سيستم هايي ، يک واحد تحويل سيال با کنترل در انتقال مقادير بسيار کوچک سيال، انجام آزمايشات بيولوژيک را ممکن مي سازد. در اينجا نقش ميکروپمپ هايي جامع و قدرتمند به عنوان پيش نيازي در توسعه ي بسياري از ابزارهاي آزمايشگاه- روي- يک- تراشه مشخص است .
انواع مختلفي از ميکروپمپ هايي بر پايه ي تحريک ميدان مغناطيسي خارجي ساخته شده است . نوع متداول اين نوع ميکروپمپ ها ميکروپمپ ديفيوزري است [١] که در آن بدون بکار گيري دريچه در کنترل جريان، با توجه به شکل نازل - ديفيوزر کانال جريان، دبي خالص مثبت در خروجي به دست مي آيد. استفاده از انوع مختلف دريچه (مثلا استفاده از دريچه توپي ٤ در [٢]) مي تواند به بهبود کارايي ميکروپمپ بيانجامد.
اخيرا استفاده از فروفلوئيد يا سيال مغناطيسي براي ايجاد حرکت در ميکروپمپ هايي با توانمنديهاي چشمگير مورد توجه قرار گرفته است . اين ميکروپمپ ها که از مزاياي سيستم هاي مغناطيسي بهره مي گيرد، به ميکروپمپ هاي فروفلوئيديک شناخته مي شود. از برجسته ترين مزاياي آنها عدم وجود قطعه متحرک و سادگي در ساخت مي باشد. تاکنون نمونه هاي مختلفي از اين نوع ميکروپمپ ساخته شده است [٣]-[٥]. در نوع دوار که توسط هچ ٥ و همکاران [٣] ارائه شده است ، توده سيال مغناطيسي مي تواند با استفاده از يک آهنرباي دائمي ثابت نگه داشته شده يا به حرکت در آورده شود، در نتيجه توده سيال مغناطيسي هر دو نقش دريچه و محرک پمپ را ايفا مي کند. نمونه اي ميکروپمپ فروفلوئيديک پيستوني با دريچه هاي نوع چک٦ توسط ياماهاتا٧ و همکاران [٤] ارائه شده است که در آن توده سيال مغناطيسي تنها نقش محرک پمپ (پيستون) را ايفا مي - کند. يک نوع پيستوني فروفلوئيديک با دريچه هاي نوع ول ٨ توسط هارتشورن ٩ و همکاران [٥] ارائه شده است که در آن توده سيال مغناطيسي هر دو نقش دريچه و محرک پمپ را ايفا مي کند.
ميکروپمپ مذکور با تحريکهاي جداگانه براي دريچه هاي ورودي و خروجي ساخته شده است .
با توجه به استفاده از المانهاي نازل - ديفيوزر در تحقيق پيش رو، در طراحي ميکروپمپ بدون دريچه تنها نياز به استفاده از يک تحريک براي پيستون است . در ميکروپمپي که طراحي آن در اينجا ارائه شده و نمونه هايي از آن ساخته شده است ، از سيال مغناطيسي با پايه روغني بهره گرفته شده است که توانايي پمپ آب در دور بالا و در نتيجه ايجاد دبي بالا به وجود آمده است . ميکروپمپ ساخته شده داراي ويژگي هاي عملکرد بالا، عدم وجود هرگونه قطعه مکانيکي متحرک در پيستون، فقدان هرگونه دريچه مکانيکي ، ساخت ساده و کم هزينه ، عدم محدوديت در انتخاب سيال عامل ، عدم نياز به ولتاژ يا دماي بالا، عدم حسايت به pH، دماي محيط و بارهاي سطحي ، عدم توليد حرارت و نهايتا کارکردن در دبي هاي بالا است .
تئوري و اصول عملکرد
سيال مغناطيسي يا فروفلوئيد ترکيبي از ذرات مغناطيسي در ابعاد نانو که توسط يک لايه محافظ ١ پوشيده شده است ، در يک سيال حامل ٢ است . سيال حامل ذرات مي تواند پايه روغني يا آبي داشته باشد. هسته ي مغناطيسي سيال عموما از ذرات اکسيدهاي آهن با قطري در حدود ١٠ نانومتر تشکيل شده است و کسر حجمي ٥ الي ١٠ درصد کل سيال را دارد [٦]. بزرگترين مزيت استفاده از سيال مغناطيسي در ميکروپمپ ، در پوشش دادن کل مقطع کانال در حالت هاي مختلف و در شرايط تغيير مقطع کانال است . نشان داده شده است که سيال مغناطيسي مي تواند به عنوان مانعي در برابر عبور جريان قرار گيرد [٧]. اين سيال همچنين مي تواند يک سيال مخلوط نشدني ديگر را به همراه خود در کانال جريان به جلو بکشد. بدين ترتيب مي توان سيستم هايي طراحي نمود که به طور متناوب بتواند با استفاده از تحريک ميدان مغناطيسي روي سيال مغناطيسي ، سيال عامل ديگري را پمپ نموده و همچنين مکانيزمي براي قطع و وصل در ورود و خروج جريان داشته باشد.
شکل ١: يکسوسازي جريان در المانهاي پخش کن در ميکروپمپ ديفيوزري. (a) مکش و (b) تخليه
اساس کار ميکروپمپ هاي بدون دريچه که در آنها از المانهاي پخش کن (نازل - ديفيوزر) استفاده مي شود در شکل ١ نشان داده شده است . بازدهي يکسوسازي جريان، به عنوان شاخصي براي اندازه - گيري قابليت ميکروپمپ در ايجاد جرياني خالص در جهت دلخواه به کار برده مي شود و به صورت معادله (١) قابل تعريف است .
در آن Q دبي حجمي سيال عامل و انديس ها ي + و – نشانگر ورود سيال به پمپ و يا خروج آن از پمپ است . بالا بودن مقدار بازدهي يکسوسازي جريان، ε، نشانگر قابليت بالاي پمپ در ايجاد دبي خالص در جهت مورد نظر مي باشد.
طراحي و ساخت
شکل ٢ شماتيک ميکروپمپ فروفلوئيديک پيستوني بدون دريچه را نشان مي دهد. در اين طرح که از يک پيستون فروفلوئيديک تشکيل شدهاست ، وجود المانهاي نازل - ديفيوزر در ورودي و خروجي ميکروپمپ منجر به ايجاد دبي مثبت در خروجي پمپ شده است . به اين ترتيب ، اين ميکروپمپ تنها نياز به يک محرک براي ايجاد حرکت توده سيال مغناطيسي در پيستون دارد. در اين طرح آهنرباي دائمي توسط استپ موتور همراه با مکانيزم ايجاد حرکت خطي تحريک شده است .
شکل ٢: شماتيک ميکروپمپ فروفلوئيديک پيستوني بدون دريچه
براي ساخت ميکروکانال از حکاکي ليزر روي ورقه اي از جنس پلي متيل متااکريليت ٣ (پلکسي گلس ) استفاده شده، سپس کانال با ورقه پلکسي گلاس ديگري به ضخامت ١ ميلي متر پوشيده شده است . براي چسباندن ورقه هاي با ضخامت ١ ميلي متر با استفاده از دستگاه هات پرس، فشار ٢٠ مگاپاسکال و دماي ٧٥ درجه سانتي - گراد در مدت زمان ١٥ دقيقه مناسب بوده است . عمق حکاکي شده روي ورقه پلکسي گلس که به سرعت برش توسط دستگاه بستگي دارد معادل با عمق کانال جريان است . پهناي ميکروکانال نيز برابر با پهناي حک ايجاد شده است که دقت اين حک بسيار بالا و در حد چند ميکرومتر است .
براي توليد ميکروکانالي که در يک نمونه ميکروپمپ فروفلوئيديک پيستوني بدون دريچه استفاده شده و تست آن انجام شده است ، حکاکي ليزر با پهناي ٥٠٠ ميکرومتر در ورودي و خروجي جريان، و با پهناي ٢٠٠٠ ميکرومتر در قسمت پيستون ميکروپمپ انجام شده است . همچنين دو زاويه ي ١٠ و ٣٠ درجه براي المانهاي نازل - ديفيوزر در نظر گرفته شده است که در شکل ٣ ترسيم شده است . المان اول با زاويه واگرايي ١٠=θ٢، عرض گلوگاه μm٢٢٠، طول mm٤٥ و عرض خروجي mm١ و المان دوم با زاويه واگرايي ٣٠=θ٢، عرض گلوگاه μm٢٠٠، طول mm١٥ و عرض خروجي mm١ است .
شکل ٣: المان ديفيوزر با زاويه واگرايي الف ) ١٠=θ٢ و ب) ٣٠=θ٢
طول در نظر گرفته شده براي پيستون 12mm و عرض آن نيز در دو اندازه ٢ و ٣ ميلي متري طراحي شده است . در شکل ٤ مشخصات کانال براي دو نمونه از ميکروپمپ هاي پيستوني بدون دريچه ساخته شده قاب ملاحظه است .
