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EMS Struktursimulation einer ventillosen Mikropumpe basierend auf elektromagnetischer Betätigung

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WEBINAR
Magnetostriction Modeling of Transformer's Noise
Thursday, December 16, 2021
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EST (GMT -4)
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02:00 PM
Gebrauchte Werkzeuge:

Einführung

Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) sind ein stark wachsendes Feld. Sie ermöglichen die Untersuchung von Geräten im Mikromaßstab in verschiedenen Anwendungen, beispielsweise in der biomedizinischen Industrie, bei denen eingebettete mikrofluidische Geräte zum Einsatz kommen. Mikropumpen sind eine der wesentlichen MEMS-Komponenten für das Mikrofluidsystem und haben ein erhebliches Potenzial für die chemische Steuerung von Nano-Liter-Strömen zur Arzneimittelabgabe sowie für die chemische Analyse und Mischung.

Mikropumpen, die auf elektromagnetischer Betätigung basieren, sind die gängigen integrierten Geräte, die für die Anforderungen biomedizinischer Anwendungen eingesetzt werden. Diese Mikropumpen führten zu einem neu aufkommenden mikrofluidischen Feld, das eine kompakte Betätigungsmethode zur Erzeugung des erforderlichen Durchflusses erfordert. Eine der gebräuchlichsten Mikropumpen ist die ventillos betätigte.

Mikroventillos betätigte Pumpe

In dieser Arbeit wird die Struktur des Pumpmechanismus ohne Mikroventile untersucht. Es besteht aus einem galvanisierten Permanentmagneten, der auf einer flexiblen PDMS-Membran montiert ist, und einem Grundglassubstrat, das eine feste Mikrospule enthält. Ein solcher Typ von Mikropumpen ermöglicht es, einen signifikanten Antriebsströmungsdruck zu erzeugen. Während des Pumpvorgangs wird Fluid durch die Pumpe getrieben, indem ein Strom an die Mikrospule angelegt wird, so dass eine elektromagnetische Kraft zwischen der Spule und dem Magneten aufgebaut wird, die eine resultierende Auslenkung der PDMS-Membran bewirkt. Das PDMS wird speziell als Membranmaterial gewählt, da es gute Flexibilitätseigenschaften aufweist.

Infolgedessen ermöglicht die große Membranablenkung eine einfache Steuerung der Rate bei niedrigem elektrischen Strom und niedriger Frequenz.
Abbildung 1 zeigt einen realen Prototyp der Mikropumpe und eine schematische Darstellung des gesamten Betätigungsmechanismus.

Ein Bild der hergestellten Mikropumpe [1] a). und seine schematische Darstellung b).

Abbildung 1 - Ein Bild der hergestellten Mikropumpe [1] a). und seine schematische Darstellung b).

Modellierung und Problembeschreibung

In dieser Analyse wird das an die Strukturstudie gekoppelte magnetostatische EMS-Modul verwendet. Es ermöglicht die Berechnung und Visualisierung der mechanischen Auslenkung der flexiblen Membran, die den magnetischen Belastungen ausgesetzt ist, die durch die Wechselwirkung zwischen Spule und Magnet erzeugt werden.
Der Aufbau der vorgeschlagenen Mikropumpe ist in Abbildung 2 dargestellt.

a): Isometrische 3D-Ansicht der Mikropumpe b): Querschnittsansicht der Mikropumpe

Abbildung 2 - a): Isometrische 3D-Ansicht der Mikropumpe. B): Querschnittsansicht der Mikropumpe.

Die folgenden Tabellen definieren die Abmessungen der Hauptmodellkomponenten:

Tabelle 1 - Aufbau der PDMS-Membran
Material Radius ( µm) Dicke ( µm) Elastische Grenzkraft ( µN)
PDMS 1950 80 315
Tabelle 2 - Spulenkonstruktion
Material Innenradius ( µm) Außenradius ( µm) Breite ( µm) Wendet sich Widerstand ( ?)
Kupfer (Cu) 1250 1725 25 10 3.23
Tabelle 3 - Magnetdesign
Material Radius ( µm) Dicke ( µm) Abstand von der Spulenbasis ( µm)
CoNiMnP 1150 20 620

Materialeigenschaften

Tabelle 4 - Materialeigenschaften
Material Dichte
(Kg/m au cube )
Magnetische Permeabilität Elektrische Leitfähigkeit
(S/m)
Elastizitätsmodul
(Pa)
Poissons Verhältnis Magnetisierung
Koerzitivfeldstärke (A/m)
Remanenz (T)
Kupfer (Cu) 8900 0,99 5,7 E + 07 Nicht erforderlich
Nicht

erforderlich
PDMS 1030 1 0 0,75 E +6 0,49
Glas
Nicht benötigt
1 0
Nicht benötigt
CoNiMnP 1,88 0 47700
0,3

Elektromagnetische Eingänge:

Die Induktionsspule ist als Vollspule definiert, die einen Stromeingangsbereich von 0,4 - 1 A effektiv unterstützt.

Mechanische Randbedingungen

Feste Randbedingungen werden auf die zylindrische Seitenfläche der PDMS-Membran angewendet, wie in Abbildung 3 dargestellt:

Angewandte mechanische Randbedingungen

Abbildung 3 - Angewandte mechanische Randbedingungen

Ineinander greifen

Draufsicht und Isometrie des vermaschten Modells
Abbildung 4 -
Draufsicht und Isometrie des vermaschten Modells

Ergebnisse

Um die durch die Referenz [2] festgelegte erforderliche Betätigungskraft und Membranauslenkung zu erreichen, wurde eine Reihe von numerischen Simulationen mit dem EMS-Tool für verschiedene Stromeingänge im Bereich von 0,4A-1A durchgeführt. Die entsprechenden erhaltenen Ergebnisse sind in den folgenden Abbildungen dargestellt.
Die Abbildung 5 zeigt die Variation der resultierenden Magnetkraft gegenüber den angelegten Stromeingängen (0,4 A bis 1A). Es wird eine gute Kohärenz zwischen den Referenzergebnissen [2] und den Ergebnissen des EMS-Tools beobachtet.

Variation der Magnetkraft gegenüber den Stromeingaben für Referenz- [2] und EMS-Ergebnisse.

Abbildung 5 - Variation der Magnetkraft gegenüber den Stromeingaben für Referenz- [2] und EMS-Ergebnisse.

Die PDMS-Membran biegt sich unter Einwirkung der auf sie einwirkenden Magnetkraft nach oben. Es erreicht eine maximale Durchbiegung von 15,08 um bei 16,5 um, was einem Stromeingang von 0,9 A entspricht (Abbildung 6).

Die erhaltenen Ergebnisse sprechen gut auf die in der Literaturstelle [2] erwähnte gewünschte Membranverschiebung an. Es verbessert die Fähigkeit der Mikropumpe, eine signifikante Membranablenkung bei reduziertem Energieverbrauch zu erreichen.

Resultierende Auslenkung der PDMS-Membran bei einem Stromeingang von 0,9A
Abbildung 6 - Resultierende Auslenkung der PDMS-Membran bei einem Stromeingang von 0,9A

Ein zweiter Vergleich zwischen Ref [2 [Simulation, Analyse [2] und EMS-Ergebnissen ist in Abbildung 7 dargestellt. Sie zeigt die 2D-Diagrammvariation der Membranablenkung gegenüber der erhaltenen Magnetkraft für den Strombereich [0.4A..1A ].
Es bestätigt die gute Übereinstimmung zwischen den verschiedenen Ergebnissen und der Fähigkeit des EMS-Simulationswerkzeugs, das magnetomechanische Verhalten der Mikropumpenbetätigung bei geringem Strom abzuschätzen.

Variation der Membranverschiebung gegenüber den Magnetkräften
Abbildung 7 - Variation der Membranverschiebung gegenüber den Magnetkräften.

Fazit

Das theoretische Modell der von der Literaturstelle [2] vorgeschlagenen mikroventillosen Pumpe wurde durch die magnetostrukturelle Analyse von EMS-Software untersucht. Die erhaltenen mechanischen Ergebnisse bestätigen die berechneten analytischen Ergebnisse des Papiers.
Auf diese Weise konnte EMS das etablierte Design des elektromagnetischen Aktuators bestätigen, das die Anforderungen der Mikropumpe erfüllt. Die Mikropumpe ist in der Lage, eine ausreichende Betätigungskraft zu erzeugen, um die gewünschte Membranauslenkung zu erreichen, die gut auf die Bedürfnisse der biomedizinischen Anwendungen reagiert.

Verweise

[1]- Lee, Chia-Yen, Hsien-Tsung Chang, and Chih-Yung Wen. "A MEMS-based valveless impedance pump utilizing electromagnetic actuation." Journal of Micromechanics and Microengineering 18.3 (2008): 035044.
[2]- Chang, Hsien-Tsung, et al. "Theoretical analysis and optimization of electromagnetic actuation in a valveless microimpedance pump." Microelectronics journal 38.6-7 (2007): 791-799.