Design and implementation of low leakage MEMS microvalves
Düşük sızdırmalı MEMS mikrokapakların tasarımı ve gerçekleştirilmesi
- Tez No: 305671
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HALUK KÜLAH, PROF. DR. M. A. SAHİR ARIKAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2011
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bölümü
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 160
Özet
Bu tez elektrostatik tahrikli MEMS mikrokapakların analizini, tasarımını, gerçekleştirilmesini ve test edilmesini sunmaktadır. Mikrokapaklar özellikle çip-üstü-laboratuvar uygulamalarında, 101 kPa mertebesindeki basınç seviyelerinde 0.1'in altında sızdırma oranı sağlamak için tasarlanmıştır.Bu amaçla, bu çalışmada iki farklı mikrokapak sunulmuştur. Önerilen tasarımlarda, mikrokapakları normalde açık ve normalde kapalı modlarda çalıştırmak için elektrostatik tahrik yöntemi kullanılmıştır. Normalde açık mikrokapakların karakterizasyonu sonucunda, yarıçapları 250 ? m ile 450 ? m arasında değişen mikrokapakların, hava ve yağ ortamında 40 ile 100 V arasında voltaj uygulanarak çalıştırılabileceği gösterilmiştir. Ayrıca, tahrik voltajının dielektrik sabiti 3-5 arasında olan çalışma sıvılarında en aza indiği gösterilmiştir. Testler sırasında, normalde açık elektrostatik mikrokapakları, yüksek dielektrik sabiti ve iletkenliği nedeniyle, deiyonize su ile çalıştırmak mümkün olmamıştır. Hava ile yapılan akış testlerinde, 10 kPa giriş basıncı altında, 85 V tahrik voltajı uygulanarak % 17 sızdırma gözlenmiştir. Diğer yandan, bu sızdırma miktarının tahrik voltajı ayarlanarak 10-3 V-1 hassasiyetle kontrol edilebileceği gösterilmiştir.Normalde açık mikrokapakta gözlenen problemlerin çözümü için, normalde kapalı elektrostatik mikrokapak tasarımı önerilmiştir. Tasarım, çalışma sıvısını elektrik alandan yalıtması nedeniyle, mikrokapağın herhangi bir sıvı ile çalışmasını mümkün kılmaktadır. Ayrıca, özgün ve yeniden ayarlanabilir yatak tasarımı düşük sızdırma oranlarını mümkün kılmaktadır. Hava ve deiyonize su ile akış olmayan ortamda yapılan pull-in testlerinde, çalışma sıvısından bağımsız olarak, 46-66 V arasında pull-in voltajı gözlenmiştir. Bunun yanısıra, deiyonize su ile yapılan akış testlerinde, 20 kPa giriş basıncına kadar sızdırma kaydedilmemiştir.Bu mikrokapakların çalışma ve sızdırma özellikleri göz önünde bulundurularak bir çoklu ilaç etkisi araştırma sistemi önerilmiştir. Sistem, farklı ilaçlardan oluşan ve içinde hücre hapsedilmiş olan mikro-damlacıklar oluşturmak için normalde kapalı mikrokapakları kullanmaktadır. Sistemin prototipleri üretilmiş ve 3 ? m çaplı polystyrene mikro-tanecikler kullanılarak test edilmiştir. Testler, 135 pl hacimli damlacıklar içinde tek bir tanecik hapsetmenin mümkün olduğunu göstermiştir. Prototipler canlı maya hücreleriyle de test edilmiştir. Önerilen system kullanılarak mikro damlacıklar içinde maya hücresinin hapsedilmesi de sağlanmıştır.Çoklu ilaç etkisi araştırma sisteminin bir uzantısı olarak, mikrokapak kontrollü damlacık ölçüm tekniği önerilmiştir. Teknik normalde açık mikrokapakları, damlacık tabanlı bir sistemde taşıyıcı sıvının hızını kontrol etmek için kullanmaktadır. İlk testler % 6 hassaslıkta pl hacimli damlacıkların oluşturulabileceğini göstermiştir. Testler sırasında tekniğin voltaj duyarlılığı 0.4 pl/V olarak ölçülmüştür.
Özet (Çeviri)
This thesis presents analysis, design, implementation, and testing of electrostatically actuated MEMS microvalves. The microvalves are specifically designed for lab-on-a-chip applications to achieve leakage ratios below 0.1 at pressure levels in the order of 101 kPa.For this purpose, two different microvalves are presented in the study. In the proposed designs, electrostatic actuation scheme is utilized to operate the microvalves in normally open and normally closed modes. Characterization of normally open microvalves show that, microvalves with radii ranging between250 ? m and 450 ? m can be operated by applying voltages between 40 and 100 V with air and oil. It is also shown that the actuation potential becomes minimum for working fluids with dielectric constant around 3-5. During the tests, it could not be possible to operate normally open electrostatic microvalves with DI water, due to its high dielectric constant and conductivity. During flow tests with air, 17 % leakage is observed under 10 kPa inlet pressure, when actuated by applying 85 V. On the other hand, it is shown that this leakage can be controlled precisely by tuning the actuation potential with sensitivity of 10-3 V-1.To solve the problems observed in normally open microvalve, a normally closed electrostatic microvalve design is proposed. The design isolates the working fluid from electric field, hence makes it possible to operate the microvalve with any working fluid. Moreover, unique and reconfigurable valve seat design enables low leakage. Pull-in tests are carried out with air and DI water under no-flow condition. During the tests, 46-66 V pull-in voltage is observed, independent of the working fluid. Besides, during flow tests with DI water, no leakage is detected up to 20 kPa inlet pressure.Considering actuation and leakage properties of these microvalves, a multi-drug effect analysis system is proposed. The system utilizes normally closed microvalves to generate micro-droplets of different drug with cells entrapped inside. Prototypes of the system are fabricated and tested with 3 ? m diameter polystyrene micro-beads. The tests show that it can be possible to entrap single bead in 135 pl volume droplets. The prototypes are also tested with living yeast cells. It could also be possible to entrap yeast cells in micro-droplets using the proposed system.As an extension to the multi-drug effect analysis system, a microvalve controlled droplet metering technique is proposed. The technique uses normally open microvalves to control the flow rate of the carrier fluid in a droplet based system. Initial tests show that it can be possible to generate pl size micro-droplets with 6 % precision. During the tests, voltage sensitivity of the technique is measured as 0.4 pl/V.
Benzer Tezler
- Design and implementation of intelligent security and safety system based onGSM and IOT technology
GSM ve IOT teknolojisine dayalı akıllı güvenlik ve güvenlik sistemi tasarımı ve uygulaması
OMAR KHALAF MOHAMMED
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAltınbaş ÜniversitesiElektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OĞUZ BAYAT
PROF. DR. KHALAF JEHAD ABED
- Design and implementation of LLC resonant converter and high frequency transformer
LLC rezonans çeviricisi ile yüksek frekans transformatörünün tasarımı ve gerçeklenmesi
NUR ELİF TOPUZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜVEN KÖMÜRGÖZ KIRIŞ
- Design and implementation of magnetic bearings in rotary blood pump
Dönel kan pompasında manyetik rulmanların tasarlanması ve uygulanması
HARIS SHEH ZAD
Doktora
İngilizce
2017
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALPER TUNGA ERDOĞAN
PROF. DR. İSMAİL LAZOĞLU
- Yeni bir temassız vidalı sızdırmazlık elemanı tasarımı ve performans karakteristiğinin tayini
Design of a new non-contact screw seal and determination of performance characteristics
VİLDAN GİRİŞTA
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. VEDAT TEMİZ