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Dissertação de Mestrado
Documento
Autor
Nome completo
Reinaldo Lucas dos Santos Rosa
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2017
Orientador
Banca examinadora
Seabra, Antonio Carlos (Presidente)
Rubio, Mario Ricardo Gongora
Santos, Antonio Domingues dos
Título em português
Microválvulas destinadas ao controle do fluxo de líquidos em canais microfluídicos.
Palavras-chave em português
Sistemas microeletrônicos
Resumo em português
Este trabalho apresenta a modelagem comportamental desenvolvida para diferentes componentes necessários para a construção de uma microválvula eletromagneticamente atuável, associada ao uso de uma membrana flexível. Foram desenvolvidos modelos teóricos para a descrição do fluxo de fluidos em microcanais, especialmente canais com secções transversais retangulares, utilizadas na construção da maioria dos microcanais usados em microfluídica. O modelo para descrição da deformação experimentada por uma microponte de PDMS foi desenvolvido, permitindo estimar a rigidez elástica para diversas membranas desenvolvidas neste trabalho. Além disso um modelo teórico foi desenvolvido com o intuito de estudar as forças produzidas por uma microbobina com enrolamentos em formato espiral quadrado, sobre um imã permanente de NdFeB localizado em posições genéricas em relação à bobina. Utilizando o primeiro modelamento, estudo de microcanais, foi possível estimar a resistência hidráulica oferecida por microcanais com dimensões sub-milimétricas, permitindo avaliar a relação entre pressão de entrada e vazão de saída correspondente. Foi possível verificar analiticamente que para a faixa de trabalho especificada (vazões na faixa de 0,2 a 6 mL/min utilizando pressões na faixa de 0 a 30 kPa), canais com 1 cm de comprimento e 200 ?m de altura, devem possuir a largura variando na faixa de 300 µm a 500 µm de modo a operar na faixa de interesse estabelecida neste trabalho. Utilizando um canal com 2 cm de comprimento e 300 µm, o valor da altura pode estar entre 200 µm a 400 µm, permitindo miniaturizar o dispositivo final, garantindo a faixa de operação desejada. A partir da modelagem realizada com a finalidade de descrever o comportamento da membrana de PDMS, foi possível estimar teoricamente que uma membrana com 2 cm de comprimento, 2 mm de largura e a espessura variando na faixa de 1,6 a 2 mm, exige a realização de uma força na faixa de 10,5 mN a 13 mN (faixa para a força de atuação necessária), de modo a obter a deflexão de interesse neste trabalho (250 µm). Avaliando as microbobinas com base no modelo teórico desenvolvido neste trabalho, foi possível verificar que uma bobina contendo 36 enrolamentos, espaçamento de 80 µm, a uma distância de 1 mm do centro do imã, aplicando-se 10V (considerando uma resistência total de 100 Ohm), utilizando 10 camadas sobrepostas, é possível produzir uma força sobre um imã de NdFeB de até 0,18 N nas regiões de 3 mm a 10 mm afastadas em relação ao eixo x do imã, ainda a uma altura de 1 mm em relação ao plano xOy do imã. Após a fabricação dos componentes mencionados acima, foram propostos arranjos experimentais para a caracterização das respostas associadas a cada componente separadamente. As simulações apresentaram resultados similares aos obtidos experimentalmente, conforme pode ser avaliado visualizando os erros obtidos relacionando os resultados teóricos e experimentais, especialmente para os microcanais. Dispositivos microfluídicos foram fabricados obtendo canais com as seguintes dimensões: comprimento na faixa de 1 a 4 cm, largura na faixa de 100 a 400 µm e alturas na faixa de 200 a 600 µm, correspondentes à construção de 9 dispositivos com diferentes tamanhos, em que os 6 primeiros foram submetidos às análises experimentais sob as mesmas condições, repetidamente. Foi observado que tais microcanais foram capazes de fornecer até 1,41 mL/min a 0,8 kPa. O valor de vazão está dentro da faixa de desempenho do dispositivo (0,2 a 6 mL/min) com foco em sua aplicação na realização de análises químicas, onde as pressões fornecidas podem chegar até 60 kPa, fornecendo flexibilidade na produção de propulsão dos líquidos transportados através dos canais fabricados. Em relação aos resultados obtidos utilizando o modelo teórico para descrição do comportamento fluídico em microcanais, erros menores que 5% relativos aos resultados experimentais foram obtidos, indicando a validação do modelo teórico apresentado. Foram fabricados dispositivos com características comutadoras, normalmente abertas e normalmente fechadas, dependendo do método de fixação da membrana de PDMS ao substrato cerâmico. O projeto para o desenvolvimento de um chanfro na base do substrato cerâmico, na região de contato com a membrana de PDMS, foi desenvolvido com a finalidade de melhorar a selagem do canal com a válvula no estado fechado. Observou-se que para uma pressão de 5 kPa aplicada à entrada da válvula, não houve vazamento para os dispositivos normalmente fechados, e utilizando uma força em torno de 1 N é possível atingir taxas de fluxo de líquido da ordem de 0,45 mL/min, sendo esta superior às vazões necessárias para a aplicação em foco, qual seja, a automatização de microlaboratórios autônomos. Dois processos de montagem dos componentes para confecção das microválvulas foram desenvolvidos. Um deles visou a montagem da membrana de PDMS após a sinterização do sistema microfluídico junto à microbobina, e o outro visou a fixação da membrana antes da união entre o sistema e a bobina, necessitando de uma etapa de soldagem entre estes componentes após a fabricação das membranas junto ao substrato de LTCC. Microbobinas foram fabricadas com o intuito de realizar a atuação das microválvulas, a partir da atração/repulsão relacionada a um imã permanente de NdFeB (neodímio-ferro-boro) fixado à membrana flexível em contato com o canal. As bobinas foram fabricadas utilizando dimensões da ordem de 1 cm x 1 cm x 0,2 mm, apresentando de 15 a 44 enrolamentos, com gaps variando na faixa de 80 a 150 µm e as larguras dos fios condutores presente nos enrolamentos variando na faixa de 60 a 90 µm. Os resultados experimentais preliminares realizados demonstraram que uma bobina plana (uma camada, 36 enrolamentos, gap igual a 80 ?m, seção transversal de 1 cm x 1 cm), submetida a uma diferença de potencial de 1 V, é capaz de produzir uma força de 0,02 N sobre o imã permanente (localizado no centro a uma distância (no eixo z) de 1 mm da bobina). Este valor indica que para uma tensão de 10 V, devido a relação linear entre corrente e força magnética, utilizando até 10 camadas de bobinas sobrepostas, é possível obter esforços da ordem de 1 a 2 N (considerando a espessura do LTCC), permitindo que os dispositivos microfluídicos fabricados sejam acionados.
Título em inglês
Microvalves for liquids flow control in microfluidic channels.
Palavras-chave em inglês
Electromagnetic microvalve
LTCC
Microcoil
PDMS
Resumo em inglês
This work presents the physical modeling and implementation developed for different components necessary for the construction of electromagnetically actuating microvalves using a flexible membrane. Theoretical models were developed for describing the flow of fluids in microchannels, especially channels with rectangular transverse sections, routinely used as microchannels microfluidics. The model for the description of the deformation experienced by a PDMS microbridge was developed, allowing to estimate the elastic stiffness for various membranes developed in this work. In addition, a theoretical model was developed to study the forces produced by a microcoil with planar windings in squared spiral format, on a permanent magnet of NdFeB. Using the microchannel modeling, it was possible to estimate the hydraulic resistance offered by microchannels with micrometric dimensions, allowing to evaluate the relationship between inlet pressure and flow rate. It was possible to verify analytically that for the working range specified (flow rates of 0.2 to 6 mL/min for pressures from 0 to 30 kPa), channels with 1 cm in length and 200 ?m height should have a width varying in the range of 300 ?m to 500 µm in order to operate in the range of interest established in this study. Concerning the PDMS membrane, it was possible to estimate theoretically that a membrane with 2 cm in length, width of 2 mm and a thickness varying in the range of 1.6 to 2 mm, requires the implementation of a force in the range of 10.5 mN to 13 mN (range for the strength of action required) to obtain full deflection (250 µm). Evaluating Furthermore, using the theoretical model developed for the microcoils, it was possible to verify that a coil containing 36 windings, spacing of 80 µm, at a distance of 1 mm from the center of the magnet, and composed of 10 overlapping layers, it is possible to produce a force on a magnet of NdFeB up to 0.18 N in the regions from 3 mm to 10 mm away from the x-axis of the magnet, even at a height of 1 mm in relation to the plane xOy of magnet. The characterization of the responses associated with each component was made separately. The simulations showed similar results to those obtained experimentally, as evidenced from the errors obtained by relating the results of theoretical and experimental studies, especially for the microchannels. Microfluidic channels were manufactured with the following dimensions: length in the range of 1 to 4 cm, width in the range of 100 to 400 µm and heights in the range of 200 to 600 µm, 9 different devices were fabricated. It was observed that such microchannels were able to provide up to 1.41 mL/min to 0.8 kPa. The value of flow rate is within the expected range (0.2 to 6 mL/min) considering their application in chemical analysis, where the pressures provided can reach up to 60 kPa. Errors smaller than 5% for hydraulic resistance were obtained, indicating the validation of the theoretical model presented. Devices for fluidic switching with normally open and normally closed operation were fabricated and characterized with PDMS membranes and LTCC layers. Particularly a chamfer on the base of the ceramic substrates was proposed , in the region of contact with the membrane of PDMS, to better sealing the channel with the valve in a closed state. It has been observed that for a pressure of 5 kPa applied at the inlet of the valve, there was no leakage for the normally closed devices, and using a force around 1 N it is possible to achieve rates of liquid flow in the order of 0.45 mL/min, this being higher than the flow required for the intended application. Two assembling processes were developed for the microfluidic switching devices, one through the assembly of the PDMS membrane after LTCC sintering with the microcoil, and the other before the union between the switching device and the microcoil, requiring a step of welding between these components after the fabrication of membranes. Microcoils were manufactured and integrated with a NdFeB permanent magnet attached to a flexible membrane in contact with the channel. The coils were manufactured using dimensions of approximately 1 cm x 1 cm x 0.2 mm, containing 15 to 44 windings, with gaps ranging from 80 to 150 µm and the widths of the conductive wires in the range from 60 to 90 µm. The preliminary experimental results demonstrated that a planar coil (one layer, 36 windings, gap equal to 80 µm, cross section of 1 cm x 1 cm), subject to a potential difference of 1 Volt, is capable of producing a force of 0.02 N on the permanent magnet (located in the center at a z distance of 1 mm of the coil). This value indicates that at a voltage of 10 V it is possible to obtain a force of approximately 1 to 2 N for a coil with 10 layers, allowing for actuation of the microvalves developed.
 
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Data de Publicação
2017-10-27
 
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