بررسي عملكرد ميكروپمپ الكترواسمزي با استفاده از گراديان ميدان الكتريكي و ميكروالكترودهاي نامتقارن: مدل‌سازي عددي و اعتبارسنجي تجربي

Investigation of Electro-Osmotic Micro-Pumps Using Electrical Field Gradient and Asymmetric Micro-Electrodes: Numerical Modeling and Experimental Validation

در مطالعه حاضر جهت ساخت ميكروپمپ الكترواسمزي، يك هندسه جديد با الكترودهاي سه‌بعدي‌ طراحي شده است. به منظور به‌سازي، پارامترهاي مختلف از جمله عرض و ارتفاع پله‌ها بر روي هر الكترود و محل قرارگيري آن‌ها، اندازه هر الكترود (تقارن يا عدم تقارن)، فاصله جفت الكترودها و همچنين مشخصات الكتريكي (شامل ولتاژ و فركانس) بررسي و جريان سيال (سديم كلريد) درون يك كانال تحليل شده است. معادلات حاكم بر جريان و همچنين معادلات ميدان الكتريكي به روش اجزاي محدود كوپل و حل شده‌اند. اين امر جهت بررسي تأثير پارامترهاي هندسي الكترود بر سرعت لغزشي الكترواسمزي و در نهايت تأثير آن بر جريان سيال صورت گرفته است. براي معتبرسازي حل عددي، تراشه با استفاده از روش فتوليتوگرافي شامل مراحلي چون لايه نشاني الكترود پلاتين، ايجاد پله‌ها بر روي الكترود با استفاده از پليمر و ساخت ميكروكانال در محيط آزمايشگاه ساخته شده است. در نهايت با توجه به به‌سازي‌، محل قرارگيري پله بر روي الكترود (µm 50 )، عرض پله (µm 30) و ارتفاع آن (µm 5) بدست آمد. با توجه به ابعاد، فركانس kHz 1 و ولتاژ V2/5، مقدار سرعت، دبي و فشار به ترتيب برابر با mm/s 1/77، ml/min 14/9 و Pa 74/6 است كه از نظر كيفي با روند نتايج آزمايشگاهي، مطابقت دارد. اين طراحي، پمپاژ بالايي در پمپ‌هاي الكترواسموزي را فراهم مي‌كند.

In the present study, in order to fabricate AC electroosmotic micropumps, the improvement of geometrical parameters of the 3D electrode, such as width, height, and location of 3D steps on the base electrodes in one pair, the base electrodes size (symmetric or asymmetric), electrodes gap, and also electrical characteristics including voltage and frequency have been investigated. Also, the fluid flow (KCl) in the channel was analyzed. The governing equations of fluid flow and electrical domain have been solved using the finite element method to investigate the effect of electrode geometry on slip velocity, which affects the fluid flow. In order to validate our numerical simulation, this chip is fabricated by photolithography method such as deposition of platinum electrodes, creating 3D steps on the base electrodes using a polymer, and fabrication of a microchannel. Finally, Our results indicate that an optimal design results in a pump with the width (50 µm) and steps height (5 µm) of each electrode and their displacement (30 µm) are capable of generating a high velocity, flow rate, and pressure around 1.77 mm/s, 14.9 ml/min and 74.6 Pa, respectively at a given voltage (2.5 V) and frequency (1 kHz), which qualitatively matches the trend observed in the experiment. This design provides an improvement in electroosmotic pumping.