In this study, the structural and fluid dynamics of a piezoelectric actuated micropump as one the members of micro-electro-mechanical systems (MEMS) is discussed. This type of micropumps as medium-flow pumps are widely used in biomedical industry. The studied micropump consists of cylindrical chamber with the radius of 750 micrometer and the height of 20 micrometer and two cylindrical inlet and outlet with the 200 micrometer radius and the same height, which are connected to the chamber with two rectangular channels with the length and width of 100 micrometer and the 19 micrometer height. The solid structure is polycrystalline silicon, as one of the common materials used in MEMS industry. The actuator is a PZT disc on top of the silicon membrane with 547,5 micrometer radius and 1 micrometer thickness. The valves of the micropump is disc-like passive with 150 micrometer radius and 4 supporting bars. All the simulation are done with commercial modeling software, ANSYS Workbench on the cluster of Civil and Environmental Engineering Department of the Politecnico di Milano. Different values of frequencies are investigated to obtain the maximum outflow, which is 10 Hz. Then, the simulations are done with different number of elements to achieve the results comparable to the real situation. The maximum outflow been obtained 7,42 microliter/min. The obtained outflow is in agreement with the experimental data which has reported in the literature. Also, to consider the effect of the chamber geometry, an elliptical chamber is modelled with 1800 micrometer length and 1500 micrometer width. The achieved outflow for this micropump is 8,72 microliter/min. In the next step, the effect of the channels on the performance of the micropump is investigated. The rectangular channels are substituted with nozzle/diffuser type. According to the fluid impedance calculations and low Reynolds regime, it has not specific improvement on the outflow of circular and elliptical micropumps. To investigate the effect of the pre-stressed passive valves, they are substituted with partially pre-stressed valves. Although the sealing in these micropumps is less, as they still move because of the pressure gradient, they do not show any improvement of the outflow.
In questo lavoro viene studiata una micro-pompa piezoelettrica, micro-dispositivo appartenente alla categoria dei Micro Sistemi Elettro Meccanici (MEMS), e se ne studiano gli aspetti strutturali, di accoppiamento piezo-elettrico e fluido-dinamici. Micropompe come quella oggetto del presente studio possono trovare molte applicazioni in campo biomedicale. La micro-pompa studiata è costituita da una camera cilindrica di pompaggio con sezione circolare di raggio pari a 750 micrometro e altezza pari a 20 micrometro, due camere di ingresso ed uscita anch’esse cilindriche a sezione circolare di raggio pari a 200 micrometro ed altezza pari a 20 micrometro connesse con la camera centrale di pompaggio mediante due canali a sezione rettangolare aventi lunghezza pari a 100 micrometro e altezza pari a 19 micrometro. Il dispositivo è prevalentemente costituito da silicio policristallino, essendo questo uno dei materiali più utilizzati nella fabbricazione di MEMS. La membrana che copre la camera di pompaggio è attuata mediante uno strato circolare di materiale piezoelettrico PZT avente un raggio pari a 547,5 micrometro ed uno spessore pari a 1 micrometro. Le camere di ingresso ed uscita sono chiuse da valvole passive a forma di disco di raggio pari a 150 micrometro, sospese mediante 4 travi di supporto. Tutte le simulazioni svolte durante il lavoro sono state eseguite mediante il software commerciale ANSYS con licenza accademica, su un cluster di calcolo installato presso il Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale del Politecnico di Milano. Diversi valori di frequenza di attuazione sono stati investigati al fine di ottenere la massima portata, a seguito di queste analisi la frequenza ottimale è risultata essere pari a 10 Hz. Le simulazioni ad elementi finiti dell’intero dispositivo hanno portato a stimare la massima portata conseguibile in 7,42 microlitro/min. Tale valore appare consistente con i dati sperimentali disponibili in letteratura. Per mettere in luce l’effetto della forma della camera di pompaggio, sono anche state eseguite simulazioni con camera di pompaggio di forma ellittica, avente 1800 micrometro di lunghezza e 1500 micrometro di larghezza. La portata ottenibile in questo caso è pari a 8,72 microlitro/min. L’influenza dei canali di connessione è stata indagata analizzando le prestazioni della micropompa con diffusori a sezione crescente. Non sono stati ottenuti incrementi di portata significativi, anche in accordo con il calcolo di impedenza a basso numero di Reynolds. L’effetto dello stato di pre-sollecitazione nelle valvole passive è stato indagato eseguendo simulazioni eliminando lo stato di pre-sollecitazione nelle valvole di ingresso o di uscita a seconda della fase del ciclo di pompaggio.
Preliminary design and 3-D modelling and simulation of a piezoelectric micropump
FARSHCHI YAZDI, SEYED AMIR FOUAD
2014/2015
Abstract
In this study, the structural and fluid dynamics of a piezoelectric actuated micropump as one the members of micro-electro-mechanical systems (MEMS) is discussed. This type of micropumps as medium-flow pumps are widely used in biomedical industry. The studied micropump consists of cylindrical chamber with the radius of 750 micrometer and the height of 20 micrometer and two cylindrical inlet and outlet with the 200 micrometer radius and the same height, which are connected to the chamber with two rectangular channels with the length and width of 100 micrometer and the 19 micrometer height. The solid structure is polycrystalline silicon, as one of the common materials used in MEMS industry. The actuator is a PZT disc on top of the silicon membrane with 547,5 micrometer radius and 1 micrometer thickness. The valves of the micropump is disc-like passive with 150 micrometer radius and 4 supporting bars. All the simulation are done with commercial modeling software, ANSYS Workbench on the cluster of Civil and Environmental Engineering Department of the Politecnico di Milano. Different values of frequencies are investigated to obtain the maximum outflow, which is 10 Hz. Then, the simulations are done with different number of elements to achieve the results comparable to the real situation. The maximum outflow been obtained 7,42 microliter/min. The obtained outflow is in agreement with the experimental data which has reported in the literature. Also, to consider the effect of the chamber geometry, an elliptical chamber is modelled with 1800 micrometer length and 1500 micrometer width. The achieved outflow for this micropump is 8,72 microliter/min. In the next step, the effect of the channels on the performance of the micropump is investigated. The rectangular channels are substituted with nozzle/diffuser type. According to the fluid impedance calculations and low Reynolds regime, it has not specific improvement on the outflow of circular and elliptical micropumps. To investigate the effect of the pre-stressed passive valves, they are substituted with partially pre-stressed valves. Although the sealing in these micropumps is less, as they still move because of the pressure gradient, they do not show any improvement of the outflow.| File | Dimensione | Formato | |
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