Немеханические насосы в микрожидкостных системах: инжекционный электрогидродинамический, электроосмотический

Микронасос– один из важных актюаторных компонентов микрожидкостной системы, необходимый для транспортировки микрообъемов жидкостей образцов и реагентов. Один из ключевых компонентов био- MEMS и микрожидкостных систем, в которых необходимо движение жидкости

По конструкции микронасосы делятся на два класса:

1) Немеханические насосы (не содержат подвижные механические части)

2) Механические насосы с активными и пассивными клапанами

Немеханические микронасосы называются «микронасосы непрерывного потока», основаны на прямом преобразовании немеханической или механической энергии в непрерывное перемещение жидкости.

Основные преимущества немеханических микронасосов – отсутствие движущихся частей, непрерывность потока, высокая надежность.

Немеханические насосы основаны на

            -электрогидродинамическом
              -электроосмотическом
                  - магнитогидродинамическом

                   -ультразвуковом эффекте

Электрогидродинамические насосы, в свою очередь, подразделяются на инжекционные и индукционные

Принцип работы инжекционного электрогидродинамического насоса основан на перемещении жидкости в результате взаимодействия внешнего электрического поля с электрическими зарядами, диполями или частицами, внедренными в диэлектрическую жидкость.

Конструкция 1 представляет собой две системы электродов, находящихся в контакте с диэлектрической жидкостью. Заряды могут быть введены в жидкость с помощью процессов полевой эмиссии или полевой ионизации. Электрическое поле образовано между парой электродов – эмиттером и коллектором. Кулоновские силы создаваемые внешним электрическим полем, действуют на заряды в жидкости. Благодаря наличию вязких сил движущиеся к коллектору ионы увлекают с собой рабочую жидкость, создавая эффект перекачивания.

Индукционный электрогидродинамический насос

Работа индукционных электрогидродинамических насосов основана на взаимодействии бегущей электрической волны с диполями в жидкости.  Из-за релаксационных процессов диполи не успевают переориентироваться по направлению электрического поля и перемещаются за счет кулоновских сил по направлению или противоположно направлению движения бегущей волны. Перемещаясь, диполи увлекают с собой остальную жидкость.

Электроосмотические насосы.

Электроосмос – это течение жидкости, происходящее под воздействием электрического поля при-

ложенного к электрическому двойному слою, свойство, присущее паре жидкость-твердое тело. Данный феномен имеет огромную практическую ценность для применений в области микрожидкостей.

Благодаря отсутствию подвижных деталей, основанные на электроосмосе устройства управления и обработки микрожидкостей более надежны и просты в обслуживании по сравнению с микросистемами, имеющими подвижные поверхности.

Когда полярная жидкость (как, например, вода) и твердое тело (как например, стекло), приходят в

контакт, твердая поверхность приобретает электрический заряд, который влияет на распределение заряда в жидкости и вызывает двухслойное электрическое распределение заряда (EDL). Заряды, близкие к стенке плотно сосредоточены по отношению к поверхности, но приложение электрического поля может изменить распределение зарядов в жидкости.

Другими словами, при взаимодействии жидкости с твердым телом на границе раздела возникает

слой пространственно разделенных зарядов противоположного знака – двойной электрический слой. Работа электроосмотического насоса (рис. 5) основана на увлечении молекул жидкости перемещающимися протиоионами (ионы, заряженные противоположно относительно поверхности твердой фазы) диффузного слоя  под влиянием внешнего электрического поля. 

Поскольку толщина электрического двойного слоя - обычно порядка нанометров, то можно смоде-

лировать электроосмотическую скорость потока, как граничную скорость.

где μ eof – жидкостная эмпирически полученная электроосмотическая мобильность, и E – сила электрического поля, тангенциальная к поверхности. Из-за вязкого жидкостного усилия, вся жидкость в канале перемещается.

Осмотический насос - эффективный источник давления при низком уровне приложенного напряжения. Основная идея в том, чтобы соединить многочисленные насосы последовательно, чтобы создать давление. Каждый элементарный насос состоит из десяти узких каналов сопровожденных широким единственным каналом. EOF. В узкой канальной секции действует высокое давление насоса с малым электрическим полем. В широкой канальной секции, электрическое поле возрастает, но здесь давление небольшое по сравнению с давлением, произведенным узкой канальной секцией. После протекания через одну такую секцию насоса, накопленное напряжение обращается в нуль, тогда как электроосмотическое давление поддерживается.