Atuadores piezoelétricos em microfluídica: como as cerâmicas multicamadas estão redefinindo microválvulas e microbombas.

1. Por que a fluidodinâmica de precisão está se tornando cada vez mais difícil de ignorar
2. O que diferencia as cerâmicas piezoelétricas multicamadas?
3. Microválvulas piezoelétricas: Controle preciso do fluxo de fluidos
4. Microbombas piezoelétricas: bombeamento mecânico de fluidos com alta precisão.
5. Trabalhando com o Bestarsensor
6. O Futuro da Fluidodinâmica Piezoelétrica

Por que a fluidodinâmica de precisão está se tornando cada vez mais difícil de ignorar
Na última década, o manuseio de fluidos em dispositivos pequenos passou por uma transformação incrível. Os dispositivos da Chip Lab não são mais da década de 1980. Brinquedos em laboratórios universitários. Eles estão envolvidos no desenvolvimento de dispositivos para testes no ponto de atendimento (POC), dispositivos vestíveis para monitoramento de glicose e dispositivos portáteis para administração de medicamentos. Atualmente, a demanda por controle de fluidos em escala nanométrica não é mais um requisito de nicho, mas sim um requisito padrão. Um requisito padrão para um número crescente de categorias de produtos.
Este é um verdadeiro desafio de engenharia. Quando se movimentam pequenas quantidades de líquido ou gás, são necessários atuadores com precisão volumétrica, resposta rápida, baixo consumo de energia e dimensões reduzidas. Tolerâncias rigorosas em altas velocidades e com vazamentos mínimos exigem válvulas solenoides e bombas rotativas tradicionais. Esses equipamentos são pesados, consomem muita energia elétrica e, em ambientes fechados ou com espaço limitado, têm vida útil curta devido ao desgaste mecânico.
Trabalhando na próxima geração de microfluídica, é necessário um ponto de vista diferente. As cerâmicas piezoelétricas multicamadas preenchem essa lacuna. Neste blog, o autor discutirá como os atuadores piezoelétricos podem ser usados ​​em microválvulas e microbombas e por que as estruturas cerâmicas multicamadas são os atuadores de escolha para engenharia, desde a concepção até a produção.

O que faz Cerâmica piezoelétrica multicamadas Diferente
Um material piezoelétrico proporciona movimento quando submetido a uma voltagem elétrica. Uma teoria física para esse fenômeno é aceita. A arquitetura de pilha multicamadas é o que revolucionou a microfluídica.
Para obter um deslocamento útil, o disco piezoelétrico precisa ser espesso e ter uma alta tensão aplicada a ele em uma única camada. Isso não é viável em equipamentos portáteis alimentados por bateria. O problema é resolvido com a solução multicamadas, na qual muitas camadas finas de cerâmica são fisicamente conectadas em série e eletricamente em paralelo. A contribuição de cada camada para o deslocamento é pequena. Esses pequenos deslocamentos, quando combinados, formam um deslocamento relativamente útil, e o conjunto de todas elas pode ser controlado por drivers de microcontrolador padrão.
Eis o que isso significa na prática para um engenheiro de projeto.
Velocidade de resposta. Atuador piezoelétricoA resposta de atuação do atuador é da ordem de milissegundos. Não há bobina para carregar, armadura para acionar ou acoplamento hidráulico para vencer. Ao aplicar um pulso de tensão, o componente cerâmico se move. Esse é o caso do controle de fluxo pulsado de alta frequência; nesses casos, um solenóide (que pareceria ter um atraso muito grande em relação ao sinal de controle de fluxo para ser útil) não seria adequado.
Consumo de energia. Grande parte da corrente durante a transição (quando o dispositivo está efetivamente em movimento) é utilizada para acionar o elemento piezoelétrico. No entanto, ele mantém uma posição alvo com um consumo de energia direto insignificante. O componente cerâmico é uma carga elétrica capacitiva. Essa característica, combinada com dispositivos que mantêm a válvula aberta ou fechada por longos períodos, resulta em maior duração da bateria. Válvulas solenoides consomem energia o tempo todo em que estão ligadas. Uma válvula piezoelétrica não.
Dimensões físicas. Por exemplo, é possível obter um tamanho reduzido para a fabricação de atuadores multicamadas. Este é um atuador útil para aplicações em microválvulas, pois ocupa poucos milímetros cúbicos. Isso proporciona oportunidades de integração que antes só eram possíveis com alternativas eletromagnéticas.
Sensor BestarAs cerâmicas piezoelétricas multicamadas da [nome da empresa] são projetadas para apresentar polarização uniforme em toda a pilha e espessura homogênea em cada camada. Essa informação de fabricação é importante porque, se as propriedades das camadas variarem e, consequentemente, não forem consistentes, haverá uma resposta de deslocamento não linear no sistema.

Microválvulas piezoelétricas: acertando na comutação de fluidos
Uma microválvula é usada para um propósito específico: abrir ou fechar um fluxo. Parece simples, mas na escala de um laboratório de chips ou de um adesivo descartável para administração de medicamentos, os detalhes se tornam bastante complexos rapidamente.
1. O modo como a válvula é acionada pelo atuador
Uma microválvula piezoelétrica de acionamento direto utiliza um atuador para acionar uma membrana fina. Essa membrana veda a sede da válvula ou se eleva, permitindo a abertura de um canal de fluxo. A força é gerada pelo conjunto piezoelétrico e transmitida através da membrana para o fluido. Não há bobina solenoide, partes móveis de metal ou vedações lubrificadas.
No final das contas, trata-se de uma válvula que realiza milhões de ciclos sem qualquer desgaste mecânico no atuador. A membrana é a peça sujeita a desgaste e, para o fluido final específico a ser bombeado, a seleção da membrana apropriada é um problema simples de engenharia de materiais.
2. Projeto de volume morto zero
O fluido que circula dentro de uma válvula sem ser deslocado durante o uso normal é chamado de "volume morto". Isso não importa na maioria das aplicações. No entanto, é crucial em microfluídica. O custo dos reagentes usados ​​em cartuchos de diagnóstico é alto. Implantes de sistemas de administração de medicamentos liberam doses precisas. O fluido retido nos recipientes, no espaço morto das válvulas, contribui para o desperdício de reagentes e erros de dosagem.
Como a membrana pode ser pressionada contra a superfície do canal, é possível obter um volume morto muito baixo para válvulas piezoelétricas de acionamento direto. A distância entre a membrana e a sede é muito pequena. Essa geometria é possível com tecnologias de atuadores concorrentes, mas não sem sacrificar a força de saída.
3. Compatibilidade com diferentes mídias
Os usos reais do produto em válvulas reais vão muito além da água potável. Sangue total, solução salina tamponada e coquetéis de reagentes para sistemas de diagnóstico. Fluidos biológicos são manipulados por sistemas de administração de medicamentos, assim como ingredientes farmacêuticos ativos. Gases de arraste usados ​​em aplicações de controle de fluxo de gás em instrumentos analíticos entram em contato com gases corrosivos.
Em uma válvula bem projetada, o componente piezoelétrico propriamente dito não entra em contato com o fluido. A cerâmica e a estrutura do eletrodo são isoladas do fluxo pela membrana e pelo corpo da válvula. Isso ocorre porque há uma variedade de opções disponíveis em termos de materiais para a membrana e o corpo — silicones, PTFE, polímeros resistentes a produtos químicos, aço inoxidável. Os materiais podem ser escolhidos para atender à funcionalidade necessária, sem restrições quanto à tecnologia do atuador.

Microbombas piezoelétricas: bombeamento mecânico de fluidos com alta precisão.
Uma microbomba é mais do que um interruptor. Ela bombeia ativamente fluido de um local para outro, vencendo uma certa contrapressão. O método piezoelétrico de bombeamento baseia-se no mesmo mecanismo simples: sempre que a membrana é deslocada mecanicamente de forma periódica, o fluido flui através da câmara.
1. Como funciona o ciclo de bombeamento
O movimento descendente da membrana, provocado pelo acionamento do atuador, aumenta o volume da câmara da bomba. O fluido é aspirado pela entrada. Em seguida, o atuador move-se na direção oposta, dobrando a membrana para cima e comprimindo a câmara. O fluido é então forçado sob pressão pela saída. Trata-se de um fluxo unidirecional devido à presença de válvulas de retenção na entrada e na saída. Esse ciclo ocorre rapidamente, resultando em um fluxo contínuo e controlado.
A vazão é determinada pela multiplicação da frequência do ciclo pelo volume de deslocamento por ciclo. Ambos os parâmetros são controlados internamente pela eletrônica de acionamento. Isso proporciona um método simples para alterar a vazão sem a necessidade de substituição de componentes.
2. Bombas com válvulas vs. Bombas sem válvulas
Nem todas as microbombas possuem válvulas de retenção. Há momentos em que é necessário usar uma bomba com válvula e outros em que é mais adequado usar uma bomba sem válvula, dependendo da operação de bombeamento e das suas necessidades.
As bombas com válvulas possuem duas válvulas de retenção físicas na entrada e na saída, como válvulas de aba, válvulas de esfera ou válvulas de disco. Estas podem proporcionar excelente prevenção de refluxo e permitir que a bomba funcione com pressões de saída mais elevadas. Quando há alta resistência a jusante do sistema e quando este precisa manter a pressão entre os ciclos da bomba, este é o conjunto de válvulas de pressão adequado. Por outro lado, as válvulas aumentam em complexidade e podem ficar obstruídas se houver partículas com tamanho superior a um determinado limite.
Bombas sem partes mecânicas móveis utilizam a geometria do canal de fluxo para direcionar o fluxo na direção desejada. Além da membrana de bombeamento, não há outras partes móveis. Isso garante sua resistência a partículas e material biológico que obstruiriam uma válvula mecânica. Essa desvantagem resulta em menor contrapressão e um certo grau de vazamento bidirecional. Algumas aplicações, como a mistura ou o fornecimento de fluidos sem resistência, ou o manuseio de fluidos biológicos mais complexos, podem ser mais adequadas, na prática, a um sistema de fornecimento de fluidos sem válvulas.
3. Coisas a considerar antes de selecionar uma microbomba
O parâmetro mais importante para a maioria das aplicações microfluídicas é a estabilidade do fluxo. Qualquer sistema de bombeamento alternativo apresenta essa característica de pulsação, e a amplitude é importante para os processos subsequentes. A pulsação do fluxo pode afetar a uniformidade, a completude da reação e a precisão do sensor. Preste atenção à especificação de ondulação da bomba e, se necessário, projete o circuito de fluxo com um volume de amortecimento adicional a jusante da bomba.
A capacidade de pressão refere-se à habilidade da bomba em impulsionar o fluido na geometria específica do canal. Canais microfluídicos, especialmente aqueles com dimensões submilimétricas, apresentam alta resistência. Calcule a resistência do canal antes de definir o projeto da bomba e compare-a com a pressão de saída nominal da bomba desejada.

Trabalhando com Bestarsensor
Sensor Bestar Somos fabricantes de atuadores cerâmicos piezoelétricos multicamadas para aplicações microfluídicas e industriais de precisão. Oferecemos serviços que vão muito além da simples apresentação de fichas técnicas de produtos. Na fase de concepção, Sensor Bestar é integrado à equipe de projeto para modelar o desempenho dos atuadores na aplicação real. Sensor BestarOs controles de processo da [empresa] gerenciam a consistência entre atuadores; um requisito mais crítico para aplicações de dosagem microfluídica do que em praticamente qualquer outro programa.
Não espere mais para discutir suas opções de atuadores. Entre em contato conosco. Sensor Bestar O mais breve possível, para obter o atuador cerâmico piezoelétrico multicamadas adequado.

O futuro da piezofluídica
O atuador piezoelétrico não é uma tecnologia nova. A principal característica dessa nova tecnologia é a precisão de fabricação que permite que os atuadores multicamadas atinjam a escala e o custo necessários para dispositivos médicos e analíticos portáteis. O baixo consumo de energia contínua, o tempo de resposta rápido e o tamanho físico compacto, combinados com sua longa vida útil, são ideais para as demandas de dispositivos médicos vestíveis e plataformas de laboratório de chips.
Sensor Bestar Fornece os componentes para o controle do atuador, oferece suporte ao projeto e à engenharia da aplicação e acompanha todo o processo, desde o projeto inicial até a produção em massa validada.