شبیه‌سازی عددی یک میکروپمپ بر مبنای محرک پیزوالکتریک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

• علی نبی فر خفری
• مرتضی بیاره

گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران

10.22067/jacsm.2024.80610.1158

چکیده

مقاله حاضر به بررسی یک میکروپمپ سه‌بعدی بر مبنای محرک پیزوالکتریک می‌پردازد. برای شبیه‌سازی عملکرد میکروپمپ از نرم‌افزار کامسول نسخه 6/5 استفاده شده است. در ابتدا میکروپمپی به عنوان مبنا تعریف می‌شود که در فرکانس 60 هرتز و ولتاژ 1500 ولت کار می‌کند که قادر به پمپاژ بیشینه دبی 038/0 میلی‌لیتر بر ثانیه است. سپس به بررسی تأثیر فرکانس، ولتاژ، مکان محوری ورودی و خروجی میکروپمپ، ابعاد محرک پیزوالکتریک و غشاء و تغییرشکل محرک از استوانه‌ای به مستطیلی شکل بر دبی خروجی سیال موردنظر و حجم سیال پمپ شده پرداخته می‌شود. نتایج نشان می‌دهند که تغییر فرکانس، ولتاژ، ابعاد محرک پیزوالکتریک و غشاء، تأثیر مستقیم بر دبی خروجی و حجم سیال پمپ شده دارد؛ به طوری که با افزایش هر یک از این پارامترها، دبی خروجی سیال و حجم سیال پمپ شده افزایش پیدا می‌کند. دبی خروجی میکروپمپ در فرکانس 100 و 20 هرتز به‌ترتیب برابر 065/0 و 011/0 میلی‌لیتر بر ثانیه به دست می‌آ‌ید. با افزایش ولتاژ از 1500 به 1875 ولت، دبی خروجی میکروپمپ به مقدار 047/0 میلی‌لیتر بر ثانیه افزایش می‌یابد. نتایج بیانگر آن است که محرک پیزوالکتریک مستطیل شکل دارای بازدهی کمتری نسبت به محرک استوانه‌ای شکل است.

کلیدواژه‌ها

• میکروفلوئیدیک
• میکروپمپ
• محرک پیزوالکتریک
• فرکانس
• ولتاژ
• دبی خروجی

موضوعات

• سیال با ذرات میکرو و نانو

---

عنوان مقاله [English]

Numerical simulation of a micropump based on piezoelectric actuator

نویسندگان [English]

• Ali Nabifar Khafri
• Morteza Bayareh

Department of Mechanical Engineering, Shahrekord University, Shahrekord, Iran

چکیده [English]

This paper considers a three-dimensional micropump based on a piezoelectric actuator. COMSOL software version 6.5 is used to simulate the performance of the micropump. At first, a reference micropump is defined, which works at a frequency of 60 Hz and a voltage of 1500 V that is capable of pumping a maximum flow rate of 0.038 ml/s. The influence of frequency, voltage, the axial position of input and output of micropump, dimensions of piezoelectric actuator and membrane, and shape of the actuator on the fluid output flow rate and pumped fluid volume is investigated. The results demonstrate that the frequency, voltage, dimensions of the piezoelectric actuator and the membrane has a direct effect on the output flow rate and the pumped fluid volume so that the output flow rate of the fluid and the volume of the pumped fluid increase with the increase of these parameters. For example, the output flow rate of the micropump at 100 and 20 Hz frequency is 0.065 and 0.011 ml/s, respectively. By increasing the voltage from 1500 to 1875 V, the micropump output flow rate increases to 0.047 ml/s. The results show that the rectangular piezoelectric actuator has a lower efficiency than the circular one.

کلیدواژه‌ها [English]

• microfluidic
• micropump
• piezoelectric actuator
• frequency
• voltage
• output flow

مراجع

[1] E. K. Sackmann, A. L. Fulton, D. J. Beebe, “The present and future role of microfluidics in biomedical research,” Nature, vol. 507, no. 1, pp. 181-189 (2014).

[2] S. Mohith, P. N. Karanth, S. M. Kulkarni, “Recent trends in mechanical micropumps and their applications: A review,” Mechatronics, vol. 60, no. 1, pp.34-55 (2019).

[3] Y. N. Wang, L. M. Fu, “Micropumps and biomedical applications–A review,” Microelectronic Engineering, vol. 195, no. 1, pp. 121-138 (2018).

[4] D. J. Laser, and J. G. Santiago, “A review of micropumps,” Journal of Micromechanics and Microengineering, vol. 14, pp. 35-64 (2004).

[5] W. J. Spencer, W. T. Corbett, L. R. Dominguez, B. D. Shafer, “An electronically controlled piezoelectric insulin pump and valves,” IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, vol. 25, pp. 153-156 (1978).

[6] H. T. G. van Lintel, F. C. M. van De Pol, S. Bouwstra, “A piezoelectric micropump based on micromachining of silicon,” Sensors and Actuators, vol. 15, pp. 153-167 (1988).

[7] E. Stemme, G. Stemme, “A valveless diffuser/nozzle-based fluid pump,” Sensors and Actuators A: Physical, vol. 39, pp. 159-167 (1993).

[8] M. Koch, N. Harris, A. G. R. Evans, N. M. White, A. Brunnschweiler, “A Novel Micromachined Pump Based On Thick-Film Piezoelectric Actuation,” Sensors and Actuators A: Physical, vol. 70, pp. 98-103 (1998).

[9] L. Saggere, N. W. Hagood, D. C. Roberts, H. Li, J. L. Steyn, K. Turner, J. A. Carretero, “Design, Fabrication, and  Testing  of  a  Piezoelectrically  Driven  High  Flow  Rate micropump,” Proceedings of the 2000 12^th IEEE International Symposium on Applications of Ferroelectrics (IEEE Cat. No.00CH37076), (2000).

[10] K. Junwu, Y. Zhigang, P. Taijiang, C. Guangming, W. Boda, “Design and test of a high-performance piezoelectric micropump for drug delivery,” Sensors and Actuators A: Physical, vol. 121, pp. 156-161 (2005).

[11] C. Y. Lin, H. K. Ma, B. R. Hou, H. Y. Wu, J. J. Gao, M .C. Kou, “Development and application of a diaphragm micro-pump with piezoelectric device,”  Microsystem Technologies, vol. 14, pp. 1001-1007 (2008).

[12] S. Revathi, and R. Padmanabhan, “Design and Development of Piezoelectric Composite-Based Micropump,” Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 27, no. 6, pp. 1105-1113 (2018).

[13] R. K. Haldkar, T. Sheorey, V. K. Gupta, “The Effect of Operating Frequency and Needle Diameter on Performance of Piezoelectric Micropump,” Advanced Materials,  pp. 567-578 (2018).

[14] H. Asadi Dereshgi, M. Z. Yildiz, N. Parlak, “Performance Comparison of Novel Single and BiDiaphragm PZT-Based Valveless Micropumps,” Journal of Applied Fluid Mechanics, vol. 13, pp. 401-412 (2020).

[15] X. Liu, X. Li, M. Wang, S. Cao, X. Wang, G. Liu, “A High-Performance Piezoelectric Micropump with Multi-Chamber in Series,” Applied Sciences, vol. 12. no. 9, pp. 44-83 (2022).

[16] Z. Yang, L. Dong, M. Wang, G. Liu, X. Li, Y. Li, “A wearable insulin delivery system based on a piezoelectric micropump,” Sensors and Actuators A: Physical, vol. 347, p. 113909 (2022).

[17] R. K. Haldkar, A. Khalatkar, V. K. Gupta, T. Sheorey, “New piezoelectric actuator design for enhance the micropump flow,” Materials Today: Proceedings, vol. 44, pp. 776-781 (2021).

[18] M. Bayareh, S. Mortazavi, “Equilibrium Position of a Buoyant Drop in Couette and Poiseuille Flows at Finite Reynolds Numbers,” Journal of Mechanics, vol. 29, no. 1, pp. 53–58 (2013).

[19] M. Bayareh, M. N. Ashani, A. Usefian, “Active and passive micromixers: A comprehensive review,” Chemical Engineering and Processing - Process Intensification, vol. 147, p. 107771, (2019).

[20] M. Bayareh, S. Mortazavi, “Binary collision of drops in simple shear flow at finite Reynolds numbers: Geometry and viscosity ratio effects,” Advances in Engineering Software, vol. 42, no. 8, pp. 604–611, (2013).

[21] J. J. Rojas, J. E. Morales, “Design and simulation of a piezoelectric actuated valveless micropump,” In Proceedings of the COMSOL Conference, Boston, pp. 1-3 (2015).