Piezoelektrik ile tetiklenen valfsiz mikro pompa tasarımı, üretimi ve akışkan debisini etkileyen faktörlerin belirlenmesi
Design, fabrication and defining factors affecting fluid flow rate of valveless piezoelectric-triggered micropump
Yazar: SEVDA ŞİMŞEK
Danışman: PROF. DR. SEYHAN ONBAŞIOĞLU ; PROF. DR. ALİ KOŞAR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Tez kapsamında, mikro akışkanlar için yapılan çalışmaları destekleyici ve yol gösterici olması adına, kontrol edilebilir sıvı akış hızları sağlayan en önemli mikro akışkan cihazları arasında gösterilen, mikro düzey pompa üzerinde çalışılmıştır. Öncelikle mikro düzey pompalar için genel bir literatür araştırması yapılmıştır. Literatür incelemelerinde mikro ölçülere sahip alanlarda yapılan çalışmaların çoğunlukla sayısal simülasyonlar oldukları görülmektedir. Deney düzeneklerinin kurulumlarının oldukça yüksek maliyetlere sebep olmasının yanı sıra deney düzeneği hazırlamak, mikro ölçekte zorlayıcıdır. Mikro ölçekteki yapıların incelenmesi için teknolojik olarak üst düzey deney düzeneklerini içeren laboratuar alanları gerekmektedir. Bu tezde mikro pompada akışkanı tetikleyecek çalıştırma mekanizması olarak piezoelektrik disk ele alınmıştır. Piezoelektrik kullanım alanlarından olan elektrik enerjisi-mekanik enerji dönüşümlerinde kullanılan mikropompa tasarımı, tasarlanan mikro pompanın üretimi ve üretilen mikro pompa ile akışkan debisi temel çıktı olarak düşünülerek deneyler yapılmış ve bu debiyi etkileyen faktörler incelenmiştir.
Bu bilgiler ışığında tez içeriği üç temel başlıkta açıklanabilir; i) tasarım, ii) üretim, iii) deneysel çalışmalar.
i) Tasarım için ilk ele alınan konu valf içerip, içermeyecek olmasıdır. Hareketli valflere sahip pompalar, valfler boyunca yüksek basınç düşüşü ve hareketli parçaların aşınması ve yorulması gibi sorunlar içerebilir. Bu ömrün ve güvenilirliğin azalmasına neden olmaktadır. Bu nedenle hareketli parçası olmayan pompalara ihtiyaç duyulmasından dolayı tez kapsamında valf kullanmadan lüle ve yayıcı prensibine dayalı olan mikro düzey bir akışkan pompası tasarlanmıştır. Böylelikle temelde bir pompa odası ve bu pompa odasına akışkan besleyip / boşaltması için lüle ve yayıcı tasarımı yapılmıştır. Diğer bir önemli konu ise akışkanın nasıl tetikleneceğidir. Bu durum için de piezoelektrik disk kullanılmıştır. Piezo malzemenin elektrik akımı ile tetiklenmesi ile aşağı yukarı hareketi sağlanmıştır. Bu hareket pompa odasında basınç oluşturarak akışkanın hareketi sağlanmıştır. Tez kapsamında 80 μm derinliğe ve 15 mm çap değerine sahip pompa odası, ayrıca açısı 9.4 °, uzunluğu 2.82 mm olan lüle ve yayıcı tasarlanmıştır.
ii) Mikro düzey üretim yöntemleri hem pahalı hem de özel çalışma alanları gerektirmektedir. Ayrıca, tolerans değerleri çok hassas değerler içermektedir. Büyüklükler mikro düzeyde olduğu için üretimi de oldukça zor süreçlere sahiptir. Üretim alanı için SABANCI üniversitesinde, "temiz oda" adı verilen özel laboratuvarlar kullanılmıştır. Üretim yöntemleri aşındırma çeşidine göre 2 temel sınıfa ayrılmaktadır: Islak aşındırma ve plazma aşındırma. Kuru aşındırma terimi de genellikle plazma aşındırma ile eş anlamlı olarak kullanılmaktadır. Tez kapsamında kullanılan kuru aşındırma yöntemleri adım adım ele alınmıştır. Tezin amaçlarından biri de kuru aşındırma ile üretim adımlarını önceden planlayarak hem üretim süresini hem de üretim maliyetini minimum tutma yöntemini elde etmek olmuştur. Burada bahsedilen amaç, silikon plakanın üst yüzeyine yerleştirilecek olan piezoelektrik tetikleyici disk yuvası ve akışkanın pompa odasına giriş/çıkışını sağlayacak kanalların aşındırma işlemi sırasında avantaj olarak sağlanmıştır. Bu avantaj aşındırma yöntemi için kullanılan yöntem ve aşındırma esnasında kullanılan maske çeşitleridir. Bu iki temel avantaj sayesinde toplam üretim süresinde ciddi bir zaman kazanılmıştır. Ayırca bu adımlar ile üretim için harcanan toplam maliyet de azaltılmıştır. Maliyet azaltımında en önemli etkenlerden biri kuru aşındırma yöntem (DRIE) cihazının kullanım süresinin azaltılmasıdır.
iii) Kuru aşındırma yöntemi ile en kısa sürede üretilen mikro pompa silikon plaka yapı, cam lamel, PZT tetikleyici elemanı ve PDMS sızdırmazlık elemanı ile birleştirilerek mikro düzey bir pompa elde edilmiş ve bu mikro pompa ile debi değerini etkileyen faktörler için deneysel çalışmalar yapılmıştır. Temelde dört parametre detaylı olarak incelenmiştir; sürüş frekansı, uyarma voltajı, frekans dalga tipi ve çalışma sıvısı.
Sürüş frekans değerinin akış debisi üzerine etkisi incelendiğinde, akış debisinin mikro pompanın rezonans frekans değerine (150 Hz) kadar arttığı ve bu frekans değerinden sonraki artan frekans değerleri ile akış debisinde keskin bir şekilde azalma görülmüştür.
Uyarma voltaj değerinin akış debisi üzerine etkisi incelendiğinde, 𝑉𝑝−𝑝 değeri 10 [V]'den 60 [V]'ye yükseltildiğinde, bu değişim ile birlikte akış debi değerinde de düzenli bir artış gözlemlenmiş ve akış debi değeri 16 μl/dk'dan 52 μl/dk'ya yükselmiştir.
Farklı dalga türlerinin akış debisi üzerine etkisi incelendiğinde, dalga türlerinden en büyük akışkan debi değeri "kare dalga" türü ile sağlanırken bunu sırası ile "sinüs dalga" ve "üçgen dalga" türleri takip etmiştir.
Farklı viskozite değerlerine sahip olan çalışma sıvılarının akışkan debisi üzerine etkisi incelendiğinde, aralarında en düşük viskozite değerine sahip olan metanolün, damıtılmış su ve etanol ile karşılaştırıldığında daha yüksek akış debisi sağladığı elde edilmiştir.
Tez kapsamında yürütülen çalışma, valf kullanmadan mikro kanallar kullanılarak sıvıların taşınmasının pompalama ilkeleri hakkında öncü niteliktedir. Parametrik etkileri ortaya koyması ve tasarım kılavuzları sağlaması sayesinde bu çalışma, ilaç dağıtımı gibi birçok uygulamada kullanılacak valfsiz piezoelektrik mikro pompaların tasarımı ve geliştirilmesi için bir referans potansiyeli taşımaktadır. Mikro düzey yapıların üretilmesi, üretilen bu mikro düzey cihazlardan geçen akışları ve bu cihazlarında MEMS (Mikro Elektro Mekanik Sistemler) uygulamalarındaki yerini daha da geliştirmek ve gelecekteki araştırmalar için tasarım, üretim yöntemleri ve yapılan deneysel çalışmalar alanında önerilerde bulunulmuştur.

Abstract:
At past time, the big companies aim to supply the primary needs of the consumers. But now, there are like this aims of company however this company that have innovations attaches great importance to this work which provide ease for life of consumer and their activities in this direction increases day by day. One of the main factors that will provide convenience to the consumer's life is that the existing structures become more compact by reducing their size, thus reducing the space they occupy and also providing ease of use. With this change, the orientation towards micro-level structures is increasing. In addition, when the micro level is mentioned, the health sector comes first among the main sectors than the other technology. In recent years, microfluidic systems have received increasing attention as they can be applied to a wide variety of applications such as drug delivery, disease diagnosis, isolation of microparticles/cells and micro mixing.
In the these thesis, the micro-level pump, which is one of the most important microfluidic devices that provides controllable fluid flow rates, has been studied in order to support and guide the studies for microfluidics. First of all, a general literature search was conducted for microlevel pumps. In the literature review, it is seen that the studies carried out in areas with micro dimensions are mostly numerical simulations. In addition to the fact that the setup of the experimental parts causes very high costs, preparing the experimental setup is quite challenging for micro-scale studies. Laboratory areas with technologically advanced experimental setups are required for the examination of micro-scale structures. In this thesis, the piezoelectric disc is considered as the operating mechanism that will trigger the fluid in the micro pump. The micropump design used in electrical energy-mechanical energy conversions, which is one of the piezoelectric usage areas, the production of the designed micropump and the fluid flow rate with the produced micropump were considered as the basic output, and experiments were carried out and the factors affecting this flow rate were examined. With this information, the content of the thesis can be explained under three main headings; i) design, ii) fabrication, iii) experimental studies to define any factor affecting fluid flow rate.
i) The first consideration for the design is whether it will contain a valve or not. Pumps with moving valves can have problems such as high pressure drop across the valves and wear and fatigue of moving parts. This results in reduced life and reliability. For this reason, due to the need for pumps without moving parts, they designed a micro-level fluid pump based on the nozzle and diffuser principle without using valves at these thesis. Thus, basically a pump room and a nozzle and diffuser design have been made to feed/discharge fluid into this pump room. Another important issue is how to trigger the fluid. In this case, piezoelectric disc is used. By triggering the piezo material with electric current, its up and down movement is provided. This movement created pressure in the pump chamber and the movement of the fluid was ensured. At these thesis, a pump chamber with a depth of 80 μm and 15 mm, as well as a nozzle and diffuser with an angle of 9.4 ° and a length of 2.82 mm were designed.
ii) Micro-level pump production also has very difficult processes, because micro-level production methods are expensive, require special working areas and tolerance values are very sensitive values. SABANCI University, special laboratories called "clean rooms" were used for the production area. MEMS (Microelectromechanical Systems) production techniques were used during the production of micro pumps. For the production of micropumps, silicon wafer with 500 μm thickness, 100 mm diameter, (100) orientation and both surfaces polished was used. A slot is created on the upper surface of the silicon plate where the piezoelectric trigger material will be located. This created slot has a depth of 340 μm. The lower surface of the silicon plate was used for the pump chamber, nozzle and diffuser. These structures have the same thickness, 80 μm. The inlet/outlet channels of the fluid were created using the entire micropump plate thickness, 500 μm, from the upper surface to the lower surface of the silicon wafer.
Production methods are divided into 2 basic classes according to the type of etching: Wet etching and plasma etching. The term dry etching is also often used synonymously with plasma etching. Dry etching methods used in the thesis are discussed step by step. One of the aims of the thesis was to obtain a method of keeping both production time and production cost to a minimum by planning the production steps with dry etching in advance. With the piezoelectric trigger material slot on the upper surface of the silicon wafer and the methods and mask types used during the inlet/output channels etching process, a significant time saving advantage has been achieved in the total production time. In addition, with these steps, the total cost spent for production has been reduced. One of the most important factors in cost reduction is the reduction of the lifetime of the dry etching method (DRIE) device.
After the etching process applied to both surfaces of the silicon wafer, the PDMS material used for the sealing element was produced. Here, PDMS with different thicknesses was produced on both surfaces of the silicon wafer. The thickness of the PDMS sealing element produced especially for the bottom surface of the silicon wafer is very thin compared to the total thickness of the silicon wafer. PDMS sealing element is used on this surface for two reasons: The first is to ensure that the bottom surface of the silicon wafer is combined with the glass lamella. Here, the material surface energy was increased by using the oxygen plasma device and the adhesion process was realized. The other reason is that in case of any break in the glass lamella applied to the lower surface of the silicon wafer, the PDMS sealing element prevents the glass lamella from breaking into pieces and ensures the continuity of the experiments.
iii) Micro pump produced in the shortest time by dry etching method is combined with PZT trigger element to obtain a micro level pump and experimental studies have been carried out for the factors affecting the flow rate of this micro pump. Basically, four parameters have been studied in detail; driving frequency, excitation voltage, frequency wave type and working fluid.
When the effect of the driving frequency value on the flow rate was examined, it was observed that the flow rate increased up to the resonance frequency value of the micro pump (150 Hz) and the flow rate decreased sharply with the increasing frequency values after this frequency value.
When the effect of the excitation voltage value on the flow rate is examined, when the 𝑉𝑃−𝑃 value is increased from 10 [V] to 60 [V], a regular increase was observed in the flow rate value with this change, and the flow rate increased from 16 μl/min. to 52 μl/min.
When the effect of different wave types on the flow rate is examined, the largest fluid flow value among the wave types is obtained with the "square wave" type, followed by the "sine wave" and "triangular wave" wave types, respectively.
When the effect of working fluids with different viscosity values on the fluid flow rate was examined, it was found that methanol, which has the lowest viscosity value among them, provided higher flow rate compared to DI-water and ethanol.
The work carried out within these thesis is pioneering on the pumping principles of transporting liquids using micro channels without using valves. By demonstrating parametric effects and providing design guidelines, this study has a reference potential for the design and development of valveless piezoelectric micropumps to be used in many applications such as drug delivery. Below suggestions have been made in the field of design, production methods and experimental studies for the production of micro-level structures, the flow through these micro-level devices and the development of these devices in MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) applications and for future research.
* The effect of changing the angle used in the nozzle and diffuser design on the fluid flow rate should be considered in the design of the micro pump, which is designed with a nozzle/spreader without using a valve.
* Dry etching method (DRIE) was used for etching during production. For future studies, wet etching method can be considered as etching method. The important point in the wet etching method is the choice of film material to cover the surface of the silicon wafer for areas that we do not want to masked, while ensuring that the total thickness of the silicon wafer (500 μm) is eroded. For this, the choice of film material in metallic form should be made.
* A silicon plate membrane is designed to prevent contact with the fluid and piezoelectric trigger material in the produced micro pump. In future studies, the effect of the membrane material on the fluid flow rate should be considered by designing a PDMS membrane instead of a silicon membrane.
* Oxygen plasma method was used by using PDMS in the form of a thin membrane to close the pump chamber and nozzle/spreader opening on the lower surface of the silicon plate with a glass lamella. In future studies, the effect of joining silicon wafer and glass lamella to each other by anodic bonding method on fluid flow rate should be examined.
* Piezoelectric trigger material was used to provide membrane movement within these thesis. In future studies, it is recommended to perform experiments by changing the trigger method (for example, acoustic interactions). Thus, the trigger material suitable for the maximum fluid flow will be determined.
* By examining the membrane movement with the help of devices that can measure the micro-level displacements during the experiments, the movement of the upstream according to time (up/down) and the location of this movement (membrane center, nozzle outlet, diffuser entrance, etc.) can be determined.
* Experiments on the micro pump used in the thesis were carried out with zero back pressure. To address the change in fluid flow rate when back pressure is applied, the flow rate variation should be studied by applying various pressure values to the outlet channel.