Active microvalve driven by electro-conjugate fluid jet flow with a hydraulic power source on a chip
Active microvalve driven by electro-conjugate fluid jet flow with a hydraulic power source on a chip
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由电共轭流体射流驱动的主动微型阀，具有芯片上的液压动力源
DOI：
10.1088/1361-6439/aba227
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发表时间：
2020
影响因子：
2.3
通讯作者：
Kim Joon-wan
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Matsubara Tatsuya;Yoshida Kazuhiro;Kim Joon-wan
动力微阀对于各种微流体应用是必要的，例如按需液滴发生器和液滴捕获系统。目前，这些微型阀系统的主要挑战是大型动力源和控制部件（例如，空气压缩机、液压泵、电磁阀和调节器）的小型化。在本文中，我们提出了一种基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的微阀集成了一个芯片上的电源，电共轭流体（ECF）微泵。该装置的组装的PDMS膜变形，然后通过施加高DC电压的ECF微泵产生的流体压力阻塞微通道中的端口。在有限元方法模拟之后，我们利用15个电极对用于片上ECF微泵。通过结合MEMS工艺和键合工艺，我们成功地实现了所设计的器件，并对其性能特性进行了评估。首先，我们评估了ECF微型泵的性能，在2.0 kV的施加电压下，ECF微型泵的最大输出压力和流量分别为49.7 kPa，87.3 mm 3 s-1。第二，我们发现，在没有任何负载条件下，微型阀的最小密封压力为10 kPa。第三，我们研究了ECF微泵在1.5 kV和2.0 kV电压下的破裂压力分别为20 kPa和50 kPa。该研究通过实验证明了所提出的微阀装置的可行性及其集成到其他微流体装置中用于精确控制液体体积的潜力。
Powered microvalves are necessary for a variety of microfluidic applications such as on-demand droplet generators and droplet capture systems. Currently, a central challenge for these microvalve systems is the miniaturization of bulky power sources and control components, for example, air compressors, hydraulic pumps, solenoid valves, and regulators. In this paper, we propose a polydimethylsiloxane (PDMS)-based microvalve integrated with an on-chip power source, an electro-conjugate fluid (ECF) micropump. The assembled PDMS membrane of the device deforms and then blockades the port in the microchannel via fluidic pressure generated by the ECF micropump with the application of high DC voltage. Following finite element method simulations, we utilized 15 electrode pairs for the on-chip ECF micropump. By combining a MEMS process and the bonding process, we successfully realized the designed device and proceeded to evaluation of its performance characteristics. First, we evaluated the performance of the ECF micropump, which showed a maximum output pressure and a flow rate of 49.7 kPa, 87.3 mm 3 s− 1, respectively, at an applied voltage of 2.0 kV. Second, we found that the minimum sealing pressure of the microvalve was 10 kPa without any load condition. Third, we investigated the cracking pressures, which were 20 kPa and 50 kPa at the applied voltages of 1.5 kV and 2.0 kV to the ECF micropump, respectively. This study experimentally demonstrated the feasibility of the proposed microvalve device and its potential to be integrated into other microfluidic devices for precision control of liquid volumes.
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DOI：
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