Studio e analisi di un micro-motore di Stirling termoacustico per applicazioni lab-on-a-chip

In recent years has increased, among people and institutions, the sensitivity to energy saving and renewable energy. Research is moving to these topics, studying ways to collect power, for example , from wind and solar source. In this context the Stirling engine can be inserted, it is a type of external combustion engine that can be powered from heat sources such as biomass or solar energy. The aim of the present work has the been to study and design this type of engine, to bring it from the macroscopic to micrometer sizes. This goal well fulfill the requirements in the framework of the Lab-On-a-Chips, held concerning the realization of devices with multiple laboratory functions, integrated together on a chip of the order of a few square centimeter. In this way it is possible to obtain tools able to show high sensitivity in the study of phenomena at the microscopic level. As primary functionality, we can say that the Stirling engine in microfluidics could be an instrument for the conversion of thermal energy into more suitable way, as electrical or mechanical. Taking into account no previous studies in the literature has been presented, we decided to begin to focus our fabrication to a more simple structure of the device, defined thermoacoustic heat engine that, applying the Stirling cycle, allows the conversion of thermal energy into acoustic energy. The realization of the devices took place in the laboratories of CNST, the Istituto Italiano di Tecnologia situated in Milano, while their characterization was performed in the laboratory ARCO, of the Politecnico di Milano. The fabrication technique consists in the irradiation by femtosecond laser followed by chemical etching, using the Fused Silica as the substrate, and Inkjet Printer as an instrument to realize the buried free standing metal radiative component. At the beginning, it is treated the simulation of the structure, later it is described the realization of the components which constitute the engine, in particular succeeding in the fabrication of "free standing" structures inside the glass. Finally, the device has been characterized evaluating the acoustic emission with a piezoelectric sensor.

Negli ultimi anni è aumentata, tra le persone e le istituzioni, la sensibilità riguardo al risparmio energetico e alle energie rinnovabili. La ricerca si sta orientando sempre più su questi argomenti, studiando sistemi per accumulare energie, per esempio, di tipo solare ed eolica. In questo contesto può inserirsi il motore Stirling, ovvero un tipo di motore a combustione esterna che può essere alimentato da fonti di calore come biomasse o energia solare. Il presente lavoro di tesi ha lo scopo di studiare e progettare questa tipologia di motore per portarlo dalle dimensioni macroscopiche a grandezze micrometriche. L'obbiettivo di questo studio rientra nell'ambito dei Lab-On-a-Chip, ovvero la realizzazione di dispositivi con più funzioni, tipiche di un laboratorio, integrate tra loro su chip dell'ordine di qualche centimetro quadrato. In questo modo è possibile ottenere strumenti con elevate sensibilità nello studio di fenomeni al livello microscopico. Come funzionalità primaria, il motore Stirling in microfluidica sarebbe quindi uno strumento per la conversione di energia termica in elettrica o meccanica. Data la mancanza di studi precedenti in letteratura, si è deciso di iniziare la fabbricazione con una versione più semplice del dispositivo, definito motore termoacustico che, funzionando tramite il ciclo di Stirling, permette la conversione di energia termica in acustica. La realizzazione dei dispositivi si è svolta nei laboratori del CNST, dell'Istituto Italiano di Tecnologia di Milano, mentre la loro caratterizzazione è stata eseguita nei laboratori ARCO, del Politecnico di Milano. La tecnica di fabbricazione utilizzata consiste nell'irradiazione tramite laser a femtosecondi seguita da etching chimico, utilizzando la Fused Silica come materiale di base, e la Inkjet Printer come strumento per realizzare le componenti metalliche radiative free standing, interne al vetro. Inizialmente si è svolto un lavoro di simulazione della struttura passando successivamente alla realizzazione delle varie componenti del motore, in particolare riuscendo a realizzare strutture metalliche free standing all'interno del vetro. Infine viene studiato il dispositivo dal punto di vista dell'emissione acustica, valutando l'ampiezza dell'onda uscente con un dispositivo piezoelettrico.