Войти
Воспроизвести медиа Трубка Ti-Cr-Pt (длиной ~ 40 мкм) выделяет пузырьки кислорода при погружении в водород перекись (каталитическое разложение). Сферы из полистирола (диаметром 1 мкм) были добавлены для изучения кинетики потока. 
Игровая среда Электрохимический микронасос, активирующий поток человеческой крови через трубу 50 × 100 мкм. Микронасосы являются устройства, которые могут управлять небольшими объемами жидкости и манипулировать ими. Хотя любой тип небольшого насоса часто называют микронасосом, более точное определение ограничивает этот термин насосами с функциональными размерами в диапазоне микрометров. Такие насосы представляют особый интерес в микрофлюидных исследованиях и в последние годы стали доступны для интеграции промышленных продуктов. Их миниатюрный общий размер, потенциальная стоимость и повышенная точность дозирования по сравнению с существующими миниатюрными насосами подпитывают растущий интерес к этому инновационному типу насосов.
Обратите внимание, что приведенный ниже текст является очень неполным с точки зрения предоставления хорошего обзора различных типов и применений микронасосов, поэтому, пожалуйста, обратитесь к хорошим обзорным статьям по этой теме.
Первые настоящие микронасосы были зарегистрированы в середине 1970-х, но привлекли интерес только в 1980-х, когда Ян Смитс и Харальд Ван Линтел разработали микронасосы MEMS. Большая часть фундаментальных работ по микронасосам MEMS была сделана в 1990-х годах. В последнее время были предприняты усилия по разработке немеханических микронасосов, которые работают в удаленных местах из-за их независимости от внешнего источника энергии.
Схема, показывающая, как три последовательно установленных микроклапана могут использоваться для вытеснения жидкости. На этапе (А) жидкость вытягивается из впускного отверстия в первый клапан. Шаги (B) - (E) перемещают жидкость к выпускному клапану, прежде чем жидкость будет вытеснена к выпускному отверстию на шаге (F). В мире микрожидкостей физические законы меняются их появление. Например, объемные силы, такие как вес или инерция, часто становятся незначительными, в то время как поверхностные силы могут доминировать в поведении жидкости, особенно когда присутствует газовое включение в жидкости. За некоторыми исключениями, микронасосы основаны на принципах микропривода, которые могут быть увеличены только до определенного размера.
Микронасосы можно разделить на механические и немеханические устройства. Механические системы содержат движущиеся части, которые обычно представляют собой мембраны или заслонки микроклапана. Движущая сила может быть создана за счет использования пьезоэлектрического, электростатического, термопневматического, пневматического или магнитного эффектов. Немеханические насосы работают с электрогидродинамическим электроосмотическим, электрохимическим или ультразвуковым генерацией потока, это лишь некоторые из механизмов срабатывания, которые в настоящее время изучаются.
Диафрагменные микронасосы используют многократное срабатывание диафрагмы для перемещения жидкости. Мембрана расположена над клапаном основного насоса, который расположен по центру между впускным и выпускным микроклапанами. Когда мембрана отклоняется вверх под действием некоторой движущей силы, жидкость втягивается во впускной клапан в главный клапан насоса. Затем мембрана опускается, вытесняя жидкость через выпускной клапан. Этот процесс повторяется для непрерывного перекачивания жидкости.
Пьезоэлектрические микронасосы - это один из наиболее распространенных типов поршневых поршневых диафрагменных насосов. В основе микронасосов с пьезоэлектрическим приводом лежит электромеханическое свойство пьезокерамики деформироваться в ответ на приложенное напряжение. Пьезоэлектрический диск, прикрепленный к мембране, вызывает отклонение диафрагмы под действием внешнего осевого электрического поля, расширяя и сжимая камеру микронасоса. Эта механическая деформация приводит к изменению давления в камере, что вызывает приток и отток жидкости. Скорость потока регулируется пределом поляризации материала и напряжением, приложенным к пьезоэлементу. По сравнению с другими принципами срабатывания пьезоэлектрическое срабатывание обеспечивает большой рабочий объем, высокую силу срабатывания и быструю механическую реакцию, хотя для этого требуется сравнительно высокое напряжение срабатывания и сложная процедура монтажа пьезокерамики.
Самый маленький пьезоэлектрический микронасос с размерами 3,5x3,5x0,6 мм был разработан Fraunhofer EMFT, всемирно известной исследовательской организацией, специализирующейся на технологиях MEMS и микросистем. Микронасос состоит из трех слоев кремния, один из которых в качестве диафрагмы насоса ограничивает камеру насоса сверху, а два других представляют собой микросхему среднего клапана и микросхему нижнего клапана. Отверстия пассивных откидных клапанов на входе и выходе ориентированы в соответствии с направлением потока. Диафрагма насоса расширяется при приложении отрицательного напряжения к пьезоэлементу, создавая отрицательное давление для всасывания жидкости в камеру насоса. В то время как положительное напряжение, наоборот, опускает диафрагму, что приводит к открытию выпускного клапана из-за избыточного давления и вытеснению жидкости из камеры.
.
Характеристики противодавления кремниевого микронасоса с пьезоэлектрическим приводом 3,5x3,5 мм 
Отверстия пассивных откидных клапанов на входе и выходе ориентированы в соответствии с направлением потока. Диафрагма насоса расширяется при приложении отрицательного напряжения к пьезоэлементу, создавая отрицательное давление для всасывания жидкости в камеру насоса в режиме подачи. В то время как положительное напряжение опускает диафрагму вниз, что приводит к открытию выпускного клапана из-за избыточного давления в режиме насоса . В настоящее время в технологии механических микронасосов широко используются процессы микрообработки на основе кремния и стекла для изготовления. Среди общих процессов микротехнологии можно назвать следующие методы: фотолитография, анизотропное травление, поверхностная микрообработка и объемная микрообработка кремния. Микрообработка кремния имеет множество преимуществ, которые облегчают использование технологии, широко распространенной в высокопроизводительных приложениях, таких как, например, доставка лекарств. Таким образом, микромеханическая обработка кремния обеспечивает высокую геометрическую точность и долгосрочную стабильность, поскольку механически движущиеся части, например заслонки клапанов не имеют износа и усталости. В качестве альтернативы материалам на основе кремния полимера, таких как PDMS, PMMA, PLLA и т. Д., Могут быть использованы материалы с превосходной прочностью, улучшенными структурными свойствами, стабильностью и дешевизной. Кремниевые микронасосы в Fraunhofer EMFT производятся с использованием технологии микрообработки кремния. Три пластины монокристаллического кремния (с ориентацией 100) структурированы с помощью двусторонней литографии и протравлены влажным травлением кремния (с использованием раствора гидроксида калия КОН). Соединение между структурированными слоями пластины осуществляется сплавлением кремния. Эта технология соединения требует очень гладких поверхностей (шероховатость ниже 0: 3 нм) и очень высоких температур (до 1100 C) для выполнения прямого соединения кремний-кремний между слоями пластины. Отсутствие связующего слоя позволяет определить конструктивные параметры вертикального насоса. Кроме того, перекачиваемая среда может повлиять на связующий слой.
Степень сжатия микронасоса как один из критических показателей производительности определяется как соотношение между рабочим объемом, то есть объемом жидкости, вытесняемым мембраной насоса в течение цикла насоса, и мертвым объемом, т.е. минимальный объем жидкости, остающийся в камере насоса в режиме откачки.
Степень сжатия определяет устойчивость микронасосов к образованию пузырьков и противодавление. Пузырьки газа в камере затрудняют работу микронасоса, поскольку из-за демпфирующих свойств пузырьков газа пики давления (∆P) в камере насоса снижаются, в то время как из-за свойств поверхности критическое давление (∆P крит) открывающий пассивные клапаны увеличивается. Степень сжатия микронасосов Fraunhofer EMFT достигает значения 1, что подразумевает возможность самовсасывания и устойчивость к пузырькам даже при сложных условиях давления на выходе. Большая степень сжатия достигается благодаря особой запатентованной технологии пьезомонтажа, когда электрическое напряжение прикладывается к электродам сверху и снизу пьезокерамики в процессе отверждения клея, используемого для пьезомонтажа. Значительное уменьшение мертвого объема за счет заранее выбранных приводов наряду с малой глубиной изготовленной высоты насосной камеры увеличивает степень сжатия.
Перистальтические микронасосы - это микронасосы, состоящие из, по меньшей мере, трех микроклапанов, соединенных последовательно. Эти три клапана открываются и закрываются последовательно для вытягивания жидкости от входа к выходу в процессе, известном как перистальтика.
Статические клапаны определяются как клапаны с фиксированной геометрией без каких-либо движущихся частей. Эти клапаны обеспечивают выпрямление потока за счет добавления энергии (активный) или создания желаемого режима потока за счет инерции жидкости (пассивный). Двумя наиболее распространенными типами пассивных клапанов со статической геометрией являются элементы диффузора и сопла и клапаны Тесла. Микронасосы, имеющие элементы сопла-диффузора в качестве устройства для выпрямления потока, обычно известны как микронасосы без клапана.
В микрофлюидике капиллярная перекачка играет важную роль, потому что перекачивающее действие не требует внешнего питания. Стеклянные капилляры и пористые среды, включая нитроцеллюлозную бумагу и синтетическую бумагу, могут быть интегрированы в микрофлюидные чипы. Капиллярная перекачка широко используется при испытании бокового потока. Недавно были разработаны новые капиллярные насосы с постоянной скоростью перекачиваемого потока, не зависящей от вязкости жидкости и поверхностной энергии, которые имеют значительное преимущество перед традиционным капиллярным насосом (у которого поведение потока соответствует поведению Уошберна, а именно постоянная), так как их характеристики не зависят от вязкости образца.
Немеханические насосы с химическим приводом были изготовлены путем прикрепления наномоторов к поверхностям, управляя потоком жидкости посредством химических реакций. Существует широкий спектр насосных систем, включая насосы на основе биологических ферментов, насосы для органических фотокатализаторов и насосы для металлических катализаторов. Эти насосы создают поток с помощью ряда различных механизмов, включая самодиффузиофорез, электрофорез, движение пузырьков и создание градиентов плотности. Более того, эти микронасосы с химическим приводом могут использоваться в качестве датчиков для обнаружения токсичных веществ.
Насосы с легким приводом
Другой класс немеханических насосов - это перекачивание с легким питанием. Некоторые наночастицы способны преобразовывать свет от УФ-источника в тепло, которое вызывает конвективную накачку. Эти виды насосов возможны с наночастицами диоксида титана, и скорость откачки можно регулировать как интенсивностью источника света, так и концентрацией частиц.
Микронасосы имеют потенциальное промышленное применение, например, доставка небольших количеств клея во время производственных процессов и биомедицинских приложений, включая портативные или имплантированные устройства для доставки лекарств. Биоиндуцированные применения включают гибкий электромагнитный микронасос, использующий магнитореологический эластомер для замены лимфатических сосудов. Микронасосы с химическим приводом также демонстрируют потенциал для применения в химическом зондировании с точки зрения обнаружения боевых отравляющих веществ и экологических опасностей, таких как ртуть и цианид.
Учитывая современное состояние загрязнения воздуха, одним из наиболее многообещающих приложений для микронасосов является усовершенствование датчиков газа и твердых частиц для контроля качества воздуха. Благодаря технологии изготовления МЭМС газовые сенсоры, основанные на принципах MOS, NDIR, электрохимических, могут быть уменьшены до размеров портативных устройств, а также смартфонов и носимых устройств. Применение пьезоэлектрического микронасоса Fraunhofer EMFT сокращает время реакции датчика до 2 секунд за счет быстрого отбора проб окружающего воздуха. Это объясняется быстрой конвекцией, которая имеет место, когда микронасос направляет воздух к датчику, в то время как в отсутствие микронасоса из-за медленной диффузии реакция датчика задерживается на несколько минут. Современная альтернатива микронасосу - вентилятор - имеет множество недостатков. Невозможно добиться значительного отрицательного давления, вентилятор не может преодолеть падение давления на диафрагме фильтра. Кроме того, молекулы и частицы газа могут легко повторно прилипнуть к поверхности датчика и его корпусу, что со временем приводит к дрейфу датчика.
Дополнительно встроенный микронасос облегчает регенерацию сенсора и, таким образом, решает проблемы насыщения за счет вытеснения молекул газа с поверхности сенсора. Анализ дыхания - это связанная область использования газового датчика, работающего от микронасоса. Micropump может улучшить дистанционную диагностику и мониторинг желудочно-кишечных и легочных заболеваний, диабета, рака и т. Д. С помощью портативных устройств в рамках программ телемедицины.
Многообещающее применение микронасосов MEMS заключается в системах доставки лекарств для лечения диабета, опухолей, гормонов, боли и глаз в форме ультратонких пластырей, адресной доставки в имплантируемых системах или интеллектуальных таблеток.. Пьезоэлектрические микронасосы MEMS могут заменить традиционные перистальтические или шприцевые насосы для внутривенных, подкожных, артериальных, глазных инъекций лекарств. Применение доставки лекарств не требует высоких скоростей потока, однако микронасосы должны быть точными в доставке малых доз и демонстрировать поток, не зависящий от противодавления. Благодаря биосовместимости и миниатюрности силиконовый пьезоэлектрический микронасос может быть имплантирован в глазное яблоко для лечения глаукомы или туберкулеза. Поскольку в этих условиях глаз теряет способность обеспечивать отток или производство водянистой влаги, имплантированный микронасос, разработанный Fraunhofer EMFT со скоростью потока 30 мкл / с, обеспечивает надлежащий поток жидкости, не ограничивая и не создавая каких-либо неудобств для пациента. Еще одна проблема со здоровьем, которую необходимо решить с помощью микронасоса, - это недержание мочевого пузыря. Технология искусственного сфинктера на основе титанового микронасоса обеспечивает удержание мочи за счет автоматической регулировки давления во время смеха или кашля. Уретра открывается и закрывается с помощью заполненной жидкостью втулки, регулируемой микронасосом.
Micropump может облегчить сценарий запаха для потребительских, медицинских, оборонных, служб быстрого реагирования и т. Д., Чтобы усилить эффект с помощью повсеместных сценариев изображения (фильмы) и звуковых сценариев (музыка). Устройство для микродозирования с несколькими резервуарами для запахов, установленными рядом с носом, может выдать 15 различных запахов за 1 мин. Преимущество микронасоса заключается в возможности нюхать последовательность ароматов без смешивания разных запахов. Система гарантирует, что соответствующая доза запаха будет обнаружена пользователем только после доставки молекул запаха. Микронасос для дозирования запахов может использоваться в различных областях: обучение дегустаторов (вино, еда), обучающие программы, психотерапия, аносмия лечение, обучение первого респондента и т. Д. Для облегчения полного погружения в мир желаемая среда.
В аналитических системах микронасос может использоваться в лабораторных условиях, в системах ВЭЖХ и газовой хроматографии и т. Д. Для последних требуются микронасосы для обеспечения точности подача и подача газов. Поскольку сжимаемость газов является сложной, микронасос должен обладать высокой степенью сжатия.
Среди других областей применения можно назвать следующие области: системы дозирования для небольшого количества смазочных материалов, системы дозирования топлива, микропневматика, микрогидравлические системы и системы дозирования в производственных процессах, обработка жидкостей (пипетки с подушками, микролитровые планшеты).
 | На Викискладе есть материалы, связанные с микронасосами. |
