Valve-less rectification Micropumps based on bifurcation structures

Fadl, Ahmed

Mikropumpen sind Schlüsselkomponenten in vielen Mikrosystemen wie Lab-on-a-Chip und Micro Total Analysis Systemen (µTAS). Eine effiziente, bidirektionale und multifunktionale Mikropumpe ist wichtig, um die allgemeine Effizienz von Mikrosystemen mit Fluidströmungen zu verbessern. Die Entwicklung bidirektionaler Mikropumpen, die Pumpen und Mischen können, erweitert die Möglichkeiten der Mikrosystemtechnik und ermöglicht die Herstellung noch kompakterer Mikrosysteme. In dieser Arbeit wurde eine ventilfreie Gleichrichtermikropumpe basierend auf geometrischen Verzweigungen entworfen, hergestellt und getestet. Dabei wurden drei verschiedene Designs experimentell untersucht. Vor der eigentlichen Konstruktion wurden numerische Simulationen basierend auf der Lattice Boltzmann Methode durchgeführt, um die mikrofluidische Diodizität in konventionellen und nicht konventionellen Geometrien bei niedrigen Reynoldszahlen zu messen. Zur Herstellung der Mikropumpen wurden Softlithographie sowie optische Lithographie genutzt. Als Arbeitsfluid kam Ethanol und als Aktuator PZT zum Einsatz. Der Effekt des Konstruktionsmaterials auf die Mikropumpeneffizienz wurde untersucht indem zwei Mikropumpen aus zwei verschiedenen Materialien (PDMS und SU-8) hergestellt und die Testergebnisse miteinander verglichen wurden. Zusätzlich wurde das Konzept einer ventilfreien Gleichrichtermikropumpe basierend auf einer sich selbst korrigierenden Geometrie getestet und validiert. Die Ergebnisse bestätigen die Machbarkeit einer ventilfreien Gleichrichterpumpe und bilden die Grundlage für ein mikrofluidisches Gerät, dass zwei Funktionen ausführen kann (bidirektionales Pumpen und Mischen), zudem einen Fluss bei einer Null-Durchschnittsgeschwindigkeit erzeugt, zuverlässig und einfach zu fabrizieren ist und dabei kosteneffizient und kompatibel mit einer Vielzahl von Arbeitsfluiden und Materialien ist. Die Pumpe ist selbstbefüllend und es können mit ihr partikelbeladene Flüssigkeiten gepumpt werden.

Micropumps are key components in many Microsystems such as Lab-On-a-Chip (LOC) and Micro Total Analysis Systems (µTAS). An efficient, bidirectional, and multifunctional micropump is important to enhance the overall efficiency of any microsystem with fluid flow. Developing a bidirectional micropump with pumping and mixing capabilities will advance microsysetems technology and aid in fabricating more compact microsystems. In this work, a valve-less rectification micropump based on bifurcation geometry is designed, fabricated, and tested. Three different designs were experimentally investigated. Numerical investigation based on Lattice Boltzmann Method (LBM) was employed prior to the experimental work to numerically measure the microfluidic diodicity in conventional and non-conventional geometries at low Reynolds numbers. Softlithography and optical lithography were used to fabricate the micropumps. The working fluid and actuator were chosen to be ethanol and PZT, respectively. Moreover, the effect of the fabrication material on the micropump efficiency was investigated where two micropumps were fabricated from two different materials, PDMS and SU-8, and the testing results were compared. Additionally, the concept of valve-less rectification micropump based on a dynamic rectifying geometry was tested and verified. The results confirm the feasibility of the valve-less rectification micropump based on bifurcation geometry. Since streaming flow occurs in bifurcation structures when oscillatory flow in presence, the results of this work will lay the foundations for a micrcofluidic device that can perform two functions (bidirectional pumping and Mixing), generate streaming flow at zero-mean velocity, reliable, easy to fabricate, cost effective, compatible with wide range of working fluids and materials, capable of delivering particles-laden fluids, and self priming.

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Fadl, Ahmed: Valve-less rectification Micropumps based on bifurcation structures. 2010.

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