Design and optimization of a compact pressure control system for precise microfluidic flow control

In the context of microfluidics, generating stable pressures is crucial for the precise control of air and liquid flows. This thesis describes the design and realization of a microfluidic system that utilizes a piezoelectric disc as a mechanical actuator. The research focuses on analyzing the hysteresis characteristics of the piezoelectric disc, evaluating linearity and inversion points, and estimating the mechanical displacement generated. These analyses are essential to understand the dynamic behavior of the actuator and optimize its performance. Subsequently, the design of a control board is illustrated, including the implemented control logics, such as PID control, to manage the entire system. The control board is designed to ensure the stability and precision of the system, allowing accurate control of fluid flow. The challenges encountered during the development of the control system and the solutions adopted to overcome them are also discussed. The work continues with the presentation of a mechanical design capable of modifying the fluid flow based on the applied voltage. This design includes a series of microfluidic components optimized to interact with the piezoelectric actuator, ensuring a rapid and accurate response to control commands. Finally, the thesis presents the results obtained through detailed graphs and comparative analyses, highlighting the improvements made over the existing solutions. Potential developments and future improvements of the system are also discussed, which could include the integration of additional sensors and the implementation of more advanced control algorithms. These enhancements could further increase the effectiveness and efficiency of the proposed microfluidic system, opening up new application possibilities in the field of microfluidics.

Nel contesto della microfluidica, la generazione di pressioni stabili è fondamentale per il controllo preciso dei flussi di aria e liquidi. Questa tesi descrive la progettazione e realizzazione di un sistema microfluidico che sfrutta un disco piezoelettrico come attuatore meccanico. La ricerca si concentra sull'analisi delle caratteristiche di isteresi del disco piezoelettrico, valutando la linearità e i punti di inversione, e sulla stima dello spostamento meccanico generato. Queste analisi sono cruciali per comprendere il comportamento dinamico dell'attuatore e ottimizzare la sua performance. Successivamente, viene illustrato il design di una scheda di controllo, comprensiva delle logiche di controllo implementate, come il controllo PID, per gestire l'intero sistema. La scheda di controllo è progettata per garantire la stabilità e la precisione del sistema, permettendo un controllo accurato del flusso del fluido. Sono discusse anche le sfide incontrate durante lo sviluppo del sistema di controllo e le soluzioni adottate per superarle. Il lavoro prosegue con la presentazione di un design meccanico capace di modificare il flusso del fluido in base alla tensione applicata. Questo design include una serie di componenti microfluidici ottimizzati per interagire con l'attuatore piezoelettrico, garantendo una risposta rapida e accurata ai comandi di controllo. Infine, la tesi mostra i risultati ottenuti attraverso grafici dettagliati e analisi comparative, evidenziando i miglioramenti apportati rispetto alle soluzioni esistenti. Vengono discussi anche potenziali sviluppi e miglioramenti futuri del sistema, che potrebbero includere l'integrazione di sensori aggiuntivi e l'implementazione di algoritmi di controllo più avanzati. Queste migliorie potrebbero incrementare ulteriormente l'efficacia e l'efficienza del sistema microfluidico proposto, aprendo nuove possibilità applicative nel campo della microfluidica.