1. UKM Learning and Research Repository
2. PHD Thesis / Tesis PHD
3. Institute of Microengineering and Nanoelectronics / Institut Kejuruteraan Mikro dan Nanoelektronik (IMEN)

Title:	Reka bentuk dan fabrikasi pam mikro piezoelektrik tanpa injap untuk aplikasi mikrofluidik
Authors:	Juliana Johari (P32835)
Supervisor:	Burhanuddin Yeop Majlis, Prof. Dato' Dr.
Keywords:	Pam mikro piezoelektrik Mikrofluidik Piezoelectric devices
Issue Date:	5-Jun-2014
Description:	Tesis ini melaporkan tentang rekabentuk, simulasi, fabrikasi dan ujian ke atas pam mikro berasaskan silikon untuk pengendalian cecair. Beberapa dekad yg lalu, permintaan pada peralatan dan sistem bagi pengendalian cecair isipadu minit telah meningkat dengan pesat. Tren kearah isipadu terkecil telah diransangkan oleh penambahan kejayaan yang pesat dalam teknologi mikro dan nano terutamanya. Oleh itu, kita dapat lihat pertumbuhan minat dalam kajian untuk sistem microfluidik, terutamanya makmal-dalam-cip (lab-on-a-chip) dan sistem penghantaran ubat. Dalam sistem mikrofluidik, pam mikro ialah salah satu komponen penting dimana pengangkutan bendalir adalah sangat diperlukan. Kebelakangan ini, beberapa jenis pam mikro telah dipertunjukkan berdasarkan kepada prinsip penggerakan yang berlainan. Diantaranya, konsep pam mikro pengalihan salingan mekanik dengan membran bergetar telah dipilih untuk pam yang dihuraikan dalam kajian ini. Pam tersebut diperincikan dengan struktur rekabentuk yang mudah dan bolehharap, julat frekuensi yang tinggi dan penggunaan kuasa rendah, yang akan dijanakan oleh penggerak piezoelektrik untuk menghasilkan kadar aliran tinggi (dalam kadar beberapa ratus 1/min). Komposisi utama bahan kimia untuk seramik piezo ialah Pb (ZrTi) Ox (Lead Titanate Zirconate). Dengan memberi medan elektrik ulang alik pada penggerak, pergerakan salingan terhasil pada pam membran boleh ditukar pada kesan mengepam. Elemen nozel dan difuser atau injap dinamik dipilih berbanding injap kekal dalam rekabentuk kerana kelebihannya yang ketara dalam mengarah aliran dan kadar aliran yang lebih tinggi akan tercapai dengan pam membran bergetar yang menggunakan injap ini. Tambahan pula, ianya dapat mengikut frekuensi tinggi, yang membenarkan pam mikro untuk beroperasi pada frekuensi resonan dan memungkinkan alihan maksima pada membran. Bagi ketepatan jangkaan kerja pam, berasaskan persamaan getaran membran dan persamaan aliran Navier Stokes, kesan penggandingan dinamik bendalir-struktur diambil kira. Unggulnya ialah dengan melakukan simulasi 3D-Interaksi Bendalir-Struktur (Fluid-Structure Interaction) bagi menyiasat pam mikro dengan terperinci. Kaedah unsur terhingga juga digunakan bagi medapatkan hasil capaian pam mikro yang optimum dengan mengoptimumkan dimensi geometri kedua-dua membran dan injap nozel/difuser. Pemesinan mikro adalah berdasarkan pada proses silikon dua sisi dengan dua corak topeng untuk injap dan kebuk pam berkaitan hanya menggunakan proses fabrikasi terpiawai. Struktur panjajaran dua sisi adalah perlu kerana kedua-dua injap masukan dan keluaran serta kebuk pam dipunarkan serentak dari kedua-dua sisi pada wafer. Wafer tersebut akan dipunar rendam dalan penampan 20:1 asid hidroklorik dan kemudian diletakkan ke dalam kelompok punar KOH (30%, 80 ) hingga ianya selesai dipunar ke dalam silikon. Oleh kerana membran digerak secara piezoelektrik, piring PZT bersaiz 10 mm × 10 mm × 0.2 mm dilekatkan atas membran silikon bersaiz 12 mm × 12 mm × 0.1 mm menggunakan pelekat epoksi pengalir. Pam mikro bersaiz 20 mm × 20 mm × 10 mm yang difabrikasikan kemudiannya diuji dengan air DI sebagai cecair uji. Voltan 100 Vpp dikenakan pada penggerak PZT. Kadar pam dikira dengan alihan isipadu dalam salur keluaran pada tekanan balik sifar dibahagikan dengan masa yang sesuai. Kadar pam 60 μl/min dicapai pada frekuensi 200 Hz. Ujian yang dilakukan keatas pam mikro telah menghasilkan keputusan yang memberangsangkan untuk aplikasi sistem mikrofluidik. Bagi agihan agen terapi ke dalam badan, pam mikro direkabentuk untuk mengekalkan kadar alihan yang stabil tanpa menghiraukan tekanan balik yang dikenakan padanya.,This thesis reports the design, simulation, fabrication and testing of a silicon-based micropump for liquid handling. Over the past decade, the demand for instruments and systems for the handling of minute liquid volumes has dramatically increased. This trend towards smaller volumes been stimulated by the rapidly increasing achievements in micro- and nanotechnology especially. Therefore, we can see a growing interest in research on microfluidic systems, especially for lab-on-a-chip and drug delivery systems. In microfluidic systems, a micropump is one of the key components where the transportation of fluid is indispensable. During recent years, several types of micropumps have been presented based on different actuation principles. Among them, the concept of a mechanical reciprocating displacement micropump with vibrating membrane has been chosen for the pump described in this work. The pump is characterized by a simple and reliable design structure, high frequency range and low power consumption, which then driven by a piezoelectric actuator to produce high flow rates (of the order of several hundred μl/min). The main chemical composition of the range of piezoceramic is Pb (ZrTi) Ox (lead titanate zirconate). By applying an alternating electrical field across the actuator, the resultant reciprocating movement of the pump membrane can be converted into pumping effect. Nozzle and diffuser elements or the dynamic valves are chosen over check valves in the design due to its many advantages in contrast to the latter to direct the flow and much higher flow rate is achievable with vibrating membrane pumps employing such valves. Furthermore, they can follow high frequencies, hence allowing the micropump to run at resonance frequency enabling the maximum deflection of the membrane yield to higher flow rate. To accurately predict the working behavior of the micropump, based on the membrane vibration equation and Navier Stokes flow equation, the fluid-structure dynamic coupling effects are taken into account. The ideal is to carry out 3D-Fluid-Structure-Interaction (FSI) simulations to investigate the micropump in details. Finite element method is also used to obtain the optimal performance of the micropump by optimizing the geometrical dimension of both the membrane and nozzle/diffuser valves. The micromachining is based on double sided processing of silicon with two mask patterns for the valves and pump chamber respectively using only standard fabrication processes. Double sided alignment structures are necessary because both the inlet and outlet valves and the pump chamber are etched at the same time from both sides of the wafer. The wafer is dip etched in 20:1 buffered hydrofluoric acid and then placed into a KOH etch batch (30%, 70oC) until it is completely etched into the silicon. Since the membrane is actuated piezoelectrically, the 10 mm × 10 mm × 0.2 mm size PZT plate is glued onto the 12 mm × 12 mm × 0.1 mm silicon membrane using conducting epoxy glue. The fabricated 20 mm × 20 mm × 2 mm size micropump is then tested for liquid pumping with DI water as the test liquid. A voltage of 100 Vpp was applied to the PZT actuator. The pump rate was calculated by the volume displacement in the outlet hose at zero backpressure divided by the time necessary. A pump rate of 60 μl/min was obtained at a frequency of 200 Hz. The tests carried out on the micropump have produced promising results for microfluidic systems application. For dispensing therapeutic agents into body, the micropump is designed to maintain a steady flow rate regardless of the backpressure imposed on it.,Ph.D.,Tesis ini tidak ada Perakuan Tesis Sarjana / Doktor Falsafah""
Pages:	248
Call Number:	TK7872.P54J835 2014 3 tesis
Publisher:	UKM, Bangi
Appears in Collections:	Institute of Microengineering and Nanoelectronics / Institut Kejuruteraan Mikro dan Nanoelektronik (IMEN)

Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.