Design and simulation of magnetically actuated tunable optofluidic lenses

Abstract

In this thesis, first of all, fabrication and characterization of magnetic particle incorporated composite polydimethylsiloxane (PDMS) membrane actuators designed for microfluidic applications were presented. Circular composite membranes in varying diameters having different particle amounts were manufactured with three different types of magnetic particles: lauric acid coated superparamagnetic iron-oxide nanoparticles (SPION-LA), lauric acid coated carbonyl iron microparticles (CI-LA), and pristine carbonyl iron microparticles (CI). Deformation capability of the fabricated composite membranes was investigated with the application of magnetic field generated by a NdFeB permanent magnet. Maximum deflection values of the composite membranes were characterized with respect to particle loadings and membranes' diameters. Among the manufactured membranes, largest deflection (762 um) was obtained from CI incorporated membrane having 6.2 mm diameter. Large deformation capability of the fabricated composite membranes is favorable for most of the microfluidic applications. In order to simulate the maximum deflection provided by the flexible magnetic particle incorporated membranes, an automated iterative simulation methodology was presented. Maxwell and ANSYS Mechanical finite element analysis (FEA) software were utilized for magnetic force and deformation analyses respectively. Two-way coupling between Maxwell and ANSYS Mechanical enabled iterative data transfer between the modules. In this way, maximum deformation is realistically estimated by the simulation results. Iterative deflection analysis has been verified by realizing eight different simulation cases. It has been observed that the error between the converged and initial deflection results becomes more significant as the initial distance between the permanent magnet and the membrane decreases. It has been observed that 500% of error is theoretically possible between the converged and initial deflection results, which shows the significance of this study. Another conclusion is that large deformation simulations of high aspect ratio structures are not possible with the proposed iterative analysis approach. Lastly, two magnetically actuated flexible and adaptive optofluidic lens designs consuming zero dynamic power consumption has been provided and simulated with the iterative analysis approach described. Different than the other publications in the literature, the driver membrane was designed by incorporating magnetic particle in the PDMS membrane instead of attaching a permanent magnet on top of it. As a result of this, flexibility is achieved and the deformation capability of the driver membrane is maximized. A refractive index matching liquid was contained in the lenses in order to provide fluidic pressure transportation within the structures. For the first design, driver membranes were deflected out-of-plane under the application of magnetic field, while the lens membranes were deformed in-plane, which results in tunable biconcave lens operation. On the other hand, both plano-convex and plano-concave lens operations were achieved with the second design. Second design was adapted from the literature, and magnetically actuated flexible membrane was used instead of piezoelectric actuator. The performance of the proposed optofluidic lens designs was verified by realizing 11 different simulation cases. For the first design, as the initial distance between the permanent magnet and the driver membrane was increased from 0.475 mm to 1.25 mm, the lens deflection and the corresponding focal length values were varied between 53 um and 0.5 um, and between -2.87 mm and -113.33 mm respectively. Minimum simulated refractive power for the first design is -348.21 dioptres, and the design is capable of providing higher negative power. For the second design, the lens deflection was varied between 19.34 um and 446.79 um and between -454.15 um and -19.99 um as the distance was increased from -12.5 mm to -3.6 mm and from 3.6 mm to 12.5 mm respectively. Corresponding focal length values were distributed between 1570 mm and 67.94 mm (plano-convex operation), and -66.84 mm and -1519 mm (plano-concave operation). Moreover, minimum and maximum simulated refractive power for the second design are -14.96 and 14.72 dioptres respectively, and the design is capable of achieving higher absolute refractive power down to around -33 dioptres and up to around 33 dioptres. It has been concluded that magnetically actuated membrane performs better than piezoelectric actuator in the proposed optofluidic lens in terms of deformation capability and power consumption.

Polimer membranlar silikon membranlara kıyasla, esnek davranış gösterdiklerinden mikroakışkan uygulamaları için oldukça elverişlidir. Uyarıcı olarak manyetik alan kullanımı, sıfır dinamik güç tüketimi ve kablosuz kontrolün sağlanabilmesi açısından oldukça avantajlı bir yöntemdir. Manyetik malzemelerin polimer membranlara entegre edilmesi için literatürde birçok yöntem önerilmesine karşılık, manyetik parçacıkların polimer içerisine homojen bir şekilde eklenmesi, polimer membranın esnekliğinin korunmasını sağlar. Bu tez çalışmasında, ilk olarak manyetik parçacık eklenmiş polidimetilsiloksan (polydimethylsiloxane (PDMS)) membranların üretimi ve karakterizasyonu ele alınmıştır. Manyetik parçacık olarak çapları 5 ile 10 nm arası değişen dış yüzeyi lorik asit kaplı güçlü paramanyetik demir oksit nanoparçacıklar (superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPION)), çapları 2 ile 5 um arasında değişen karbonil demir (carbonyl iron (CI) ve dış yüzeyi lorik asit kaplı karbonil demir (CI-LA) kullanılmıştır. Manyetik parçacık içeren membranlar farklı çaplarda üretilmiştir. Üretilen membranlar bir NdFeB tipi kalıcı mıknatıs tarafından üretilen manyetik alana maruz bırakılarak, membranların bükülme davranışları incelenmiştir. Membranların maksimum bükülme değerleri, membranların içerdiği parçacık tipine, miktarına ve membranların çap büyüklüğüne bağlı olarak karakterize edilmiştir. Üretilen membranlar arasından en yüksek bükülme değeri (762 um), CI tipi parçacık içeren 6.2 mm çap büyüklüğüne sahip membran tarafından elde edilmiştir. Yüksek bükülme değerlerinin manyetik parçacık içeren membranlardan elde edilmesi ile birlikte, bu tipteki membranların birçok mikroakışkan uygulaması için oldukça elverişli olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Manyetik alan altında manyetik parçacık içeren membranın üzerine etkiyen güç, membran manyetik alan üretecine yaklaştıkça yüksek bir hızda artmaktadır. Bu yüzden bu tip membranların benzetimi tek bir adımda gerçekleştirilememektedir. Membranın manyetik alan altında alacağı son şeklin benzetimi ancak yineleyen analiz yaklaşımıyla mümkün olmaktadır. Tez çalışmasının ikinci aşamasında, manyetik parçacık içeren esnek membranların benzetimini gerçekleştirmek amacıyla, bir otomatikleştirilmiş yineleyen benzetim yöntemi önerilmiştir. Benzetim programı olarak Maxwell ve ANSYS Mechanical sonlu eleman analiz programları kullanılmıştır. Kalıcı mıknatıs tarafından membran üzerine etkiyen manyetik güç değeri Maxwell programı tarafından hesaplanmış, sonrasında bu güç değeri ANSYS Mechanical programına aktarılmıştır. ANSYS Mechanical programında membranın mekanik özellikleri baz alınarak bükülme analizi gerçekleştirilmiş, sonrasında bükülmüş geometrinin ağ bilgisi Maxwell programına gönderilmiştir. Bahsedilen döngünün, benzetim sonuçları belirli bir değere yakınsayıncaya kadar tekrarlanması için, Maxwell ve ANSYS Mechanical programları bir yineleme modülü tarafından kontrol edilmiştir. Bahsedilen iki yönlü veri transferi ile birlikte manyetik parçacık içeren esnek membranların maksimum bükülme miktarları, yineleyen benzetim yöntemi ile başarılı bir şekilde gerçekleştirilmiştir. Bu yol izlenerek çok daha gerçekçi benzetim sonuçları elde edilmiştir. Yineleyen benzetim yöntemini test etmek amacıyla sekiz farklı durumun benzetimi gerçekleştirilmiştir. Benzetimlerde kalıcı mıknatıs, membrandan farklı miktarlardaki uzaklıklara yerleştirilmiştir. Membranın maksimum bükülme değeri, membran ile kalıcı mıknatıs arasında bulunan başlangıç uzaklık değerine bağlı olarak karakterize edilmiştir. Her bir durum için, membrandan her bir yineleme adımı sonunda elde edilen bükülme değerleri kaydedilmiş, sonrasında membranın yineleme adımına bağlı olarak bükülme davranışı incelenmiştir. Bütün durumlarda, bükülme değerlerinin belirli bir değere yakınsadığı görülmüştür. Membranın kalıcı mıknatısa giderek yaklaştığı durumlarda, yakınsanan bükülme değeri ile ilk bükülme değeri arasındaki farkın keskin bir biçimde arttığı gözlenmiştir. Yakınsanan bükülme değeri ile ilk bükülme değeri arasında teorik olarak maksimum %500 hata elde edilmiştir. Bu sonuç yapılan çalışmanın önemini ortaya koyarak, manyetik olarak kontrol edilen esnek yapıların benzetimlerinin yineleyen analiz yöntemi ile yapılması gerekliliğini göstermiştir. Diğer bir sonuç ise, önerilen yineleyen benzetim yönteminin, en-boy oranı yüksek yapıların yüksek bükülme benzetimleri için uygun olmamasıdır. Optik sistemleri uyarlanabilir hale getirmek ve maliyetini düşürmek amacıyla, mikro-akışkan platformların ve optik düzeneklerin hibritleştirilmesiyle optik-akışkan adı verilen bir araştırma alanı doğmuştur. Sıvıların sahip olduğu kolay uyarlanabilirlik özelliği sayesinde optik-akışkan sistem parametreleri büyük bir hassasiyet ile kontrol edilebilmekte, ve aynı zamanda bu sistemler düşük maliyetli ve kolay bir şekilde üretilebilmektedir. Optik-akışkan sistemler arasında şu ana kadar en çok irdelenmiş alanlardan birisi uyarlanabilir lens tasarımıdır. Literatürde farklı uyarma mekanizmalarının kullanıldığı birçok yaklaşım mevcuttur. Bu yöntemler arasından manyetik alan ile uyarlamalı lens kontrolü, sıfır güç tüketmesi ve uzaktan kontrole uygun olması nedeniyle son zamanlarda oldukça popüler bir araştırma alanı haline gelmiştir. Tez çalışmasında son olarak, manyetik olarak kontrol edilebilen, odak uzaklığı değiştirilebilir, esnek ve sıfır dinamik güç harcayan iki farklı optik-akışkan lenslerin tasarımları ve bir önceki bölümde bahsedilen yineleyen analiz yöntemi ile benzetimleri ele alınmıştır. Literatürde önerilen diğer yöntemlerden farklı olarak, bu çalışmada sürücü membran olarak manyetik parçacık içeren esnek membran kullanılmış ve diğer çalışmalara göre göreceli olarak daha fazla bükülme elde edilmiştir. Bunun sonucunda, önerilen lens sistemlerinin değiştirilebilir odak uzaklık aralığını maksimize edilmiştir. İlk önerilen yapının karşılıklı iki yüzeyine manyetik parçacık içeren sürücü membranlar, diğer iki karşılıklı yüzeyinde ise lens membranlar yerleştirilmiş, ayrıca yapının iç kısmı sıvı girişi için boşluklu yapıda olacak şekilde tasarlanmıştır. Sistemde kullanılacak olan sıvı, sürücü ve lens membranlar arasındaki sıvı basınç iletimine olanak sağlamaktadır. Gövde içerisi kırıcılık indisi PDMS indisi ile eşleşmiş bir sıvı ile doldurulduktan sonra, gövde sıvı giriş ve çıkış bağlantılarının kesilmesi, ve akabinde mıknatısların manyetik membranlara yaklaştırılmaları suretiyle, manyetik membranların deformasyonu elde edilmiştir. Gövde içerisindeki sıvı hacmi sabit kalmak isteyeceğinden, eş zamanlı olarak elastomer lens membranların da deformasyonu gözlenmiştir. Elastomer lens üzerinden geçirilecek lazerin odak uzaklığının mıknatısların yatay eksendeki hareketleri ile kontrolü başarılı bir şekilde gerçekleştirilmiştir. Bu şekilde uyarlamalı çift içbükey lens çalışması elde edilmiştir. İkinci önerilen yapı literatürden esinlenilmiş, piezoelektrik eyleyici yerine manyetik olarak kontrol edilebilen esnek membran kullanılmıştır. İkinci önerilen lens tasarımı ile hem düzlem-dışbükey hem de düzlem-içbükey lens çalışmaları elde edilmiştir. Lens tasarımlarının yineleyen analiz yöntemi ile benzetimleri 11 farklı durum için gerçekleştirilmiş, tasarlanan uyarlamalı lenslerin işlevsellikleri gösterilmiştir. İlk lens tasarımının benzetim sonuçlarına göre, 0.475 mm ile 1.25 mm arası değişen uzaklık değerlerine karşılık, tek bir lensin bükülme miktarı 53 um ile 0.5 um arasında değişmiştir. Buna karşılık lensin odak uzaklığının -2.87 mm ile -113.33 mm arasında değiştiği gözlenmiştir. Elde edilen minimum lens kırıcılık gücü -348.21 diyoptridir, ve lens tasarımı daha yüksek negatif kırıcılık gücü sağlama potansiyeline sahiptir. İkinci lens tasarımının benzetim sonuçlarına göre, -12.5 mm ile -3.6 mm arası değişen uzaklık değerlerine karşılık, lens bükülme miktarı 19.34 um ile 446.79 um arasında, 3.6 mm ile 12.5 mm arası değişen uzaklık değerlerine karşılık, lens bükülme miktarı -454.15 um ile -19.99 um arasında değişmiştir. Buna karşılık, -12.5 mm ile -3.6 mm arası değişen uzaklık değerlerinde, odak uzaklığı değeri 1570 mm ile 67.94 mm arasında, ve 3.6 mm ile 12.5 mm arası değişen uzaklık değerlerine karşılık, odak uzaklığı değeri -66.84 ile -1519 mm arasında değişmiştir. Benzetim sonucu elde edilen minimum ve maksimum lens kırıcılık güç değerleri sırasıyla -14.96 ve 14.72 diyoptri olarak kaydedilmiştir, ve lens tasarımı, yaklaşık olarak minimum -33 ve maksimum 33 diyoptriye kadar kırıcılık güç değerlerine ulaşma potansiyeline sahiptir. Önerilen optik-akışkan lens tasarımında, manyetik olarak kontrol edilebilen esnek membranın, bükülme kapasitesi ve güç tüketimi açısından piezoelektrik aktüatörden daha iyi performans sergilediği sonucuna ulaşılmıştır.