Mikro pompa - Micropump
Mikro pompalar, küçük sıvı hacimlerini kontrol edebilen ve manipüle edebilen cihazlardır. Her tür küçük pompaya genellikle mikro pompa denilse de , daha doğru bir tanım bu terimi mikrometre aralığında fonksiyonel boyutları olan pompalarla sınırlandırır . Bu tür pompalar, mikroakışkan araştırmalarında özel ilgi görmektedir ve son yıllarda endüstriyel ürün entegrasyonu için uygun hale gelmiştir. Mevcut minyatür pompalara kıyasla küçültülmüş toplam boyutları, potansiyel maliyetleri ve geliştirilmiş dozlama doğruluğu, bu yenilikçi pompa türüne artan ilgiyi artırmaktadır.
Aşağıdaki metnin, farklı mikro pompa türleri ve uygulamaları hakkında iyi bir genel bakış sağlama açısından çok eksik olduğunu unutmayın ve bu nedenle lütfen konuyla ilgili iyi inceleme makalelerine bakın.
Giriş ve tarihçe
İlk gerçek mikro pompalar 1970'lerin ortalarında rapor edildi, ancak yalnızca 1980'lerde Jan Smits ve Harald Van Lintel MEMS mikro pompalarını geliştirdiğinde ilgi gördü . Temel MEMS mikro pompa çalışmalarının çoğu 1990'larda yapıldı. Daha yakın zamanlarda, harici güce bağımlı olmamaları nedeniyle uzak yerlerde işlevsel olan mekanik olmayan mikro pompalar tasarlamaya yönelik çabalar sarf edilmiştir.
Türler ve teknoloji
Mikroakışkan dünyasında, fiziksel yasalar görünüşlerini değiştirir. Örnek olarak, ağırlık veya atalet gibi hacimsel kuvvetler genellikle ihmal edilebilir hale gelirken, yüzey kuvvetleri, özellikle sıvılarda gaz katılımı mevcut olduğunda, akışkan davranışına hakim olabilir. Yalnızca birkaç istisna dışında, mikro pompalar, makul bir şekilde yalnızca belirli bir boyuta ölçeklenebilen mikro çalıştırma ilkelerine dayanır.
Mikro pompalar mekanik ve mekanik olmayan cihazlar olarak gruplandırılabilir. Mekanik sistemler, genellikle çalıştırma ve mikro valf membranları veya kanatları olan hareketli parçalar içerir . İtici güç, piezoelektrik , elektrostatik , termo-pnömatik, pnömatik veya manyetik etkiler kullanılarak üretilebilir . Mekanik olmayan pompalar, elektro-hidrodinamik, elektro-ozmotik , elektrokimyasal veya ultrasonik akış üretimi ile çalışır, sadece şu anda üzerinde çalışılan çalıştırma mekanizmalarından birkaçını saymak gerekirse.
Mekanik mikro pompalar
Diyaframlı mikro pompalar
Diyaframlı bir mikro pompa, bir sıvıyı sürmek için bir diyaframın tekrar tekrar çalıştırılmasını kullanır. Membran, giriş ve çıkış mikro valfleri arasında ortalanmış bir ana pompa valfinin üzerine yerleştirilmiştir . Membran bir miktar itici güçle yukarı doğru yön değiştirdiğinde, sıvı giriş valfinden ana pompa valfine çekilir. Daha sonra membran alçaltılır ve sıvı çıkış valfinden dışarı atılır. Bu işlem, sıvıyı sürekli olarak pompalamak için tekrarlanır.
Piezoelektrik mikro pompalar
Piezoelektrik mikro pompa, en yaygın deplasmanlı pistonlu diyafram pompalarından biridir. Piezoelektrik tahrikli mikro pompalar, uygulanan voltaja tepki olarak deforme olmak için piezo seramiğin elektromekanik özelliğine güvenir. Membrana bağlı piezoelektrik disk, harici eksenel elektrik alanı tarafından tahrik edilen diyafram sapmasına neden olur ve böylece mikro pompanın odasını genişletir ve daraltır. Bu mekanik zorlanma, haznede sıvının içeri ve dışarı akışına neden olan basınç değişimine neden olur. Akış hızı, malzemenin polarizasyon limiti ve piezoya uygulanan voltaj tarafından kontrol edilir. Diğer çalıştırma ilkeleriyle karşılaştırıldığında, piezoelektrik çalıştırma, nispeten yüksek çalıştırma voltajı ve piezo seramiğin karmaşık montaj prosedürünü gerektirmesine rağmen, yüksek strok hacmi, yüksek çalıştırma kuvveti ve hızlı mekanik tepki sağlar.
3.5x3.5x0.6 mm boyutlarında en küçük piezoelektrik mikro pompa 3 Fraunhofer EMFT tarafından odaklanarak dünyaca ünlü araştırma kuruluşu geliştirildi MEMS ve Microsystem'ait teknolojilerinin . Mikropompa, biri pompa diyaframı olarak pompa odasını yukarıdan sınırlayan, diğer ikisi ise orta valf yongasını ve alt valf yongasını temsil eden üç silikon katmandan oluşur. Giriş ve çıkıştaki pasif flap vanaların açıklıkları akış yönüne göre yönlendirilir. Pompa diyaframı, piezoya bir negatif voltaj uygulanmasıyla genişler, böylece sıvıyı pompa odasına emmek için negatif basınç oluşturur. Pozitif voltaj ise tam tersi diyaframı aşağı çeker, bu da aşırı basıncın çıkış valfini açmasına ve sıvıyı hazneden dışarı çıkmaya zorlamasına neden olur.
Halihazırda mekanik mikro pompa teknolojisi , imalat için Silikon ve Cam bazlı mikro işleme proseslerini yaygın olarak kullanmaktadır . Yaygın mikrofabrikasyon işlemleri arasında aşağıdaki teknikler isimlendirilebilir: fotolitografi, anizotropik aşındırma , yüzey mikro işleme ve silikonun toplu mikro işleme. Silikon mikro işleme, örneğin ilaç dağıtımı gibi yüksek performanslı uygulamalarda yaygınlaşan teknolojiyi kolaylaştıran sayısız avantaja sahiptir. Bu nedenle, silikon mikro işleme, örneğin valf kanatları gibi mekanik olarak hareketli parçalar aşınma ve yorulma göstermediğinden, yüksek geometrik hassasiyet ve uzun vadeli stabilite sağlar. PDMS , PMMA, PLLA, vb. gibi silikon polimer bazlı malzemelere alternatif olarak , üstün mukavemet, geliştirilmiş yapısal özellikler, stabilite ve ucuzluk nedeniyle kullanılabilir. Fraunhofer EMFT'deki silikon mikro pompalar, silikon mikro işleme teknolojisi ile üretilmektedir. Üç monokristal silikon gofret (100 yönelimli) çift taraflı litografi ile yapılandırılmış ve silikon ıslak dağlama (potasyum hidroksit çözeltisi KOH kullanılarak) ile dağlanmıştır. Yapılandırılmış gofret katmanları arasındaki bağlantı, silikon füzyon bağı ile gerçekleştirilir. Bu yapıştırma teknolojisi, gofret katmanları arasında doğrudan silikon-silikon bağı gerçekleştirmek için çok düzgün yüzeylere (pürüzlülük 0,3 nm'den düşük) ve çok yüksek sıcaklıklara (1100 °C'ye kadar) ihtiyaç duyar. Bağlayıcı katmanın olmaması, dikey pompa tasarım parametrelerinin tanımlanmasına izin verir. Ek olarak, yapıştırma tabakası pompalanan ortamdan etkilenebilir.
Kritik performans göstergelerinden biri olarak mikro pompanın sıkıştırma oranı, strok hacmi, yani pompa döngüsü boyunca pompa zarı tarafından yer değiştiren sıvı hacmi ile ölü hacim, yani kalan minimum sıvı hacmi arasındaki oran olarak tanımlanır. pompalama modunda pompa odasında.
Sıkıştırma oranı, mikro pompaların kabarcık toleransını ve karşı basınç kapasitesini tanımlar. Gaz kabarcıklarının sönümleme özelliklerinden dolayı pompa odasındaki basınç tepe noktaları (∆P) azalırken, yüzey özelliklerinden dolayı pasif valfleri açan kritik basınç (∆P crit ) arttığından , hazne içindeki gaz kabarcıkları mikro pompanın çalışmasını engeller . Fraunhofer EMFT mikro pompalarının sıkıştırma oranı, zorlu çıkış basıncı koşullarında bile kendinden emiş kabiliyeti ve kabarcık toleransı anlamına gelen 1 değerine ulaşır. Piezo montajı için kullanılan yapıştırıcının sertleşme işlemi sırasında piezoelektrik seramiğin üstündeki ve altındaki elektrotlara elektrik voltajı uygulandığında, özel patentli piezo montaj tekniği sayesinde büyük sıkıştırma oranı elde edilir. Önceden saptırılmış aktüatörlerden kaynaklanan ölü hacmin önemli ölçüde azalması ve sığ imal edilmiş pompa odası yükseklikleri sıkıştırma oranını arttırır.
Peristaltik mikro pompalar
Peristaltik mikro pompa , seri bağlı en az üç mikro valften oluşan bir mikro pompadır . Bu üç valf, peristalsis olarak bilinen bir işlemde sıvıyı girişten çıkışa çekmek için sırayla açılır ve kapanır.
Mekanik olmayan mikro pompalar
Valfsiz mikro pompalar
Statik vanalar, hareketli parçası olmayan sabit geometriye sahip vanalar olarak tanımlanır. Bu valfler, enerji eklenmesi (aktif) veya akışkan ataleti (pasif) ile istenen akış davranışını indükleyerek akış düzeltmesi sağlar. En yaygın iki statik geometrili pasif valf türü, Difüzör-Nozul Elemanları ve Tesla valfleridir. Akış düzeltme cihazı olarak nozul-difüzör elemanlarına sahip mikro pompalar, genel olarak Valfsiz Mikropompalar olarak bilinir.
kılcal pompalar
Mikroakışkanlarda, kılcal pompalama önemli bir rol oynar çünkü pompalama eylemi harici çalıştırma gücü gerektirmez. Nitroselüloz kağıt ve sentetik kağıt dahil cam kılcal damarlar ve gözenekli ortam, mikroakışkan çiplere entegre edilebilir. Kılcal pompalama, yanal akış testinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Son zamanlarda, sıvı viskozitesinden ve yüzey enerjisinden bağımsız sabit bir pompalama akış hızına sahip yeni kılcal pompalar geliştirilmiştir, bunlar geleneksel kılcal pompaya göre önemli bir avantaja sahiptir (bunun akış davranışı Washburn davranışıdır, yani akış hızı sabit değildir). sabit) çünkü performansları numune viskozitesine bağlı değildir.
Kimyasal olarak çalışan pompalar
Kimyasal olarak çalışan mekanik olmayan pompalar, nanomotorların yüzeylere sabitlenmesi ve kimyasal reaksiyonlar yoluyla sıvı akışının yönlendirilmesiyle üretilmiştir . Biyolojik enzim bazlı pompalar, organik fotokatalist pompalar ve metal katalizör pompaları dahil olmak üzere çok çeşitli pompalama sistemleri mevcuttur. Bu pompalar, kendi kendine difüzyon, elektroforez, kabarcık tahriki ve yoğunluk gradyanlarının oluşturulması dahil olmak üzere bir dizi farklı mekanizma aracılığıyla akış üretir. Ayrıca, kimyasal olarak çalışan bu mikro pompalar, toksik maddelerin tespiti için sensörler olarak kullanılabilir.
Işıkla çalışan pompalar
Mekanik olmayan pompalamanın başka bir sınıfı da ışıkla çalışan pompalamadır. Bazı nanopartiküller, bir UV kaynağından gelen ışığı, konvektif pompalama üreten ısıya dönüştürebilir. Bu tür pompalar titanyum dioksit nanoparçacıkları ile mümkündür ve pompalama hızı hem ışık kaynağının yoğunluğu hem de parçacıkların konsantrasyonu ile kontrol edilebilir.
Uygulamalar
Mikropompalar, üretim süreçleri sırasında küçük miktarlarda yapıştırıcının verilmesi gibi potansiyel endüstriyel uygulamalara ve taşınabilir veya implante edilmiş ilaç dağıtım cihazları dahil biyomedikal uygulamalara sahiptir. Biyo-ilhamlı uygulamalar, lenfatik damarları değiştirmek için manyetoreolojik elastomer kullanan esnek bir elektromanyetik mikro pompayı içerir . Kimyasal olarak çalışan mikro pompalar, kimyasal savaş ajanlarını ve cıva ve siyanür gibi çevresel tehlikeleri tespit etme açısından kimyasal algılamadaki uygulamalar için potansiyel gösterir.
Hava kirliliğinin çağdaş durumu göz önüne alındığında, mikro pompa için en umut verici uygulamalardan biri, kişisel hava kalitesini izlemek için gaz ve partikül madde sensörlerinin geliştirilmesinde yatmaktadır. MEMS üretim teknolojisi sayesinde, MOS , NDIR , elektrokimyasal prensiplere dayalı gaz sensörleri , taşınabilir cihazların yanı sıra akıllı telefonlar ve giyilebilir cihazlara uyacak şekilde minyatürleştirilebilir. Fraunhofer EMFT piezoelektrik mikro pompanın uygulanması, ortam havasının hızlı örneklenmesi yoluyla sensörün reaksiyon süresini 2 saniyeye kadar azaltır. Bu, mikro pompa havayı sensöre doğru hareket ettirdiğinde meydana gelen hızlı konveksiyonla açıklanırken, mikro pompanın yokluğunda yavaş difüzyon nedeniyle sensör tepkisi birkaç dakika gecikir. Mikro pompanın mevcut alternatifi olan fanın birçok dezavantajı vardır. Önemli bir negatif basınç elde edilemeyen fan, filtre diyaframındaki basınç düşüşünün üstesinden gelemez. Ayrıca, gaz molekülleri ve partikülleri, sensör yüzeyine ve yuvasına kolayca yeniden yapışabilir ve bu da zamanla sensör kaymasına neden olur.
Ek olarak dahili mikro pompa, sensör rejenerasyonunu kolaylaştırır ve böylece gaz moleküllerini sensör yüzeyinden dışarı atarak doyma sorunlarını çözer. Nefes analizi, mikro pompa ile güçlendirilmiş gaz sensörünün ilgili kullanım alanıdır. Mikropompa, teletıp programları içerisinde taşınabilir cihazlar aracılığıyla gastrointestinal sistem ve akciğer hastalıkları, diyabet, kanser vb. hastalıkların uzaktan teşhis ve izlenmesini ilerletebilir .
MEMS mikro pompaları için umut verici uygulama, diyabet, tümör, hormon, ağrı ve oküler terapi için ultra ince yamalar, implante edilebilir sistemler veya akıllı haplar içinde hedefe yönelik teslimat için ilaç dağıtım sistemlerinde yatmaktadır . Piezoelektrik MEMS mikro pompaları, intravenöz , subkutan , arteriyel, oküler ilaç enjeksiyonu için geleneksel peristaltik veya şırınga pompalarının yerini alabilir . İlaç verme uygulaması yüksek akış hızları gerektirmez, ancak mikrop pompaların küçük dozlar vermede hassas olması ve geri basınçtan bağımsız akış göstermesi gerekir. Biyouyumluluk ve minyatür boyutu nedeniyle, glokom veya phthisisi tedavi etmek için göz küresine silikon piezoelektrik mikro pompa implante edilebilir . Bu koşullar altında göz, sıvı akışını veya sıvı üretimini sağlama yeteneğini kaybettiğinden, Fraunhofer EMFT tarafından geliştirilen 30 µl/s akış hızına sahip implante edilmiş mikro pompa, hastaya herhangi bir kısıtlama veya rahatsızlık yaratmadan sıvının düzgün akışını kolaylaştırır. Mikropompa ile çözülmesi gereken bir diğer sağlık sorunu mesane inkontinansıdır . Titanyum mikro pompaya dayalı yapay sfinkter teknolojisi, gülme veya öksürme sırasında basıncı otomatik olarak ayarlayarak idrar tutmayı sağlar. Üretra, mikropompa tarafından düzenlenen sıvı dolu bir manşon vasıtasıyla açılır ve kapatılır.
Micropump, her yerde bulunan resim senaryoları (filmler) ve ses senaryoları (müzik) ile etkisini artırmak için tüketici, tıbbi, savunma, ilk müdahale uygulamaları vb. için koku senaryosunu kolaylaştırabilir. Burun yakınına monte edilmiş birkaç koku haznesine sahip mikro dozlama cihazı, 1 dakikada 15 farklı koku izlenimi bırakabilir. Mikropompanın avantajı, farklı kokular karıştırılmadan koku dizisini koklama olasılığında yatmaktadır. Sistem, kokunun uygun dozda kullanıcı tarafından ancak koku molekülleri iletildiği anda algılanmasını sağlar. Mikropompa ile koku dozajlama için çok sayıda uygulama mümkündür: çeşnicilik eğitimi (şarap, yemek), öğrenme programları, psikoterapi, anosmi tedavisi, ilk müdahale eğitimi vb. istenen ortama tam olarak daldırmayı kolaylaştırmak için.
Analitik sistemler içinde, mikro pompa, çip üzerinde laboratuvar uygulamaları, HPLC ve Gaz Kromatografi sistemleri vb. için olabilir. Sonuncusu için, gazların doğru iletimini ve akışını sağlamak için mikro pompalar gerekir. Gazların sıkıştırılabilirliği zor olduğundan, mikropompanın yüksek sıkıştırma oranına sahip olması gerekir.
Diğer uygulamalar arasında şu alanlar sayılabilir: az miktarda yağlayıcı için dozaj sistemleri, yakıt dozaj sistemleri, mikro pnömatikler, mikro hidrolik sistemler ve üretim süreçlerindeki dozaj sistemleri, sıvı işleme (yastık pipetleri, mikrolitre plakaları).