Piezoelektrik ile tetiklenen valfsiz mikro pompa tasarımı, üretimi ve akışkan debisini etkileyen faktörlerin belirlenmesi

Abstract

Tez kapsamında, mikro akışkanlar için yapılan çalışmaları destekleyici ve yol gösterici olması adına, kontrol edilebilir sıvı akış hızları sağlayan en önemli mikro akışkan cihazları arasında gösterilen, mikro düzey pompa üzerinde çalışılmıştır. Öncelikle mikro düzey pompalar için genel bir literatür araştırması yapılmıştır. Literatür incelemelerinde mikro ölçülere sahip alanlarda yapılan çalışmaların çoğunlukla sayısal simülasyonlar oldukları görülmektedir. Deney düzeneklerinin kurulumlarının oldukça yüksek maliyetlere sebep olmasının yanı sıra deney düzeneği hazırlamak, mikro ölçekte zorlayıcıdır. Mikro ölçekteki yapıların incelenmesi için teknolojik olarak üst düzey deney düzeneklerini içeren laboratuar alanları gerekmektedir. Bu tezde mikro pompada akışkanı tetikleyecek çalıştırma mekanizması olarak piezoelektrik disk ele alınmıştır. Piezoelektrik kullanım alanlarından olan elektrik enerjisi-mekanik enerji dönüşümlerinde kullanılan mikropompa tasarımı, tasarlanan mikro pompanın üretimi ve üretilen mikro pompa ile akışkan debisi temel çıktı olarak düşünülerek deneyler yapılmış ve bu debiyi etkileyen faktörler incelenmiştir. Bu bilgiler ışığında tez içeriği üç temel başlıkta açıklanabilir; i) tasarım, ii) üretim, iii) deneysel çalışmalar. i) Tasarım için ilk ele alınan konu valf içerip, içermeyecek olmasıdır. Hareketli valflere sahip pompalar, valfler boyunca yüksek basınç düşüşü ve hareketli parçaların aşınması ve yorulması gibi sorunlar içerebilir. Bu ömrün ve güvenilirliğin azalmasına neden olmaktadır. Bu nedenle hareketli parçası olmayan pompalara ihtiyaç duyulmasından dolayı tez kapsamında valf kullanmadan lüle ve yayıcı prensibine dayalı olan mikro düzey bir akışkan pompası tasarlanmıştır. Böylelikle temelde bir pompa odası ve bu pompa odasına akışkan besleyip / boşaltması için lüle ve yayıcı tasarımı yapılmıştır. Diğer bir önemli konu ise akışkanın nasıl tetikleneceğidir. Bu durum için de piezoelektrik disk kullanılmıştır. Piezo malzemenin elektrik akımı ile tetiklenmesi ile aşağı yukarı hareketi sağlanmıştır. Bu hareket pompa odasında basınç oluşturarak akışkanın hareketi sağlanmıştır. Tez kapsamında 80 μm derinliğe ve 15 mm çap değerine sahip pompa odası, ayrıca açısı 9.4 °, uzunluğu 2.82 mm olan lüle ve yayıcı tasarlanmıştır. ii) Mikro düzey üretim yöntemleri hem pahalı hem de özel çalışma alanları gerektirmektedir. Ayrıca, tolerans değerleri çok hassas değerler içermektedir. Büyüklükler mikro düzeyde olduğu için üretimi de oldukça zor süreçlere sahiptir. Üretim alanı için SABANCI üniversitesinde, "temiz oda" adı verilen özel laboratuvarlar kullanılmıştır. Üretim yöntemleri aşındırma çeşidine göre 2 temel sınıfa ayrılmaktadır: Islak aşındırma ve plazma aşındırma. Kuru aşındırma terimi de genellikle plazma aşındırma ile eş anlamlı olarak kullanılmaktadır. Tez kapsamında kullanılan kuru aşındırma yöntemleri adım adım ele alınmıştır. Tezin amaçlarından biri de kuru aşındırma ile üretim adımlarını önceden planlayarak hem üretim süresini hem de üretim maliyetini minimum tutma yöntemini elde etmek olmuştur. Burada bahsedilen amaç, silikon plakanın üst yüzeyine yerleştirilecek olan piezoelektrik tetikleyici disk yuvası ve akışkanın pompa odasına giriş/çıkışını sağlayacak kanalların aşındırma işlemi sırasında avantaj olarak sağlanmıştır. Bu avantaj aşındırma yöntemi için kullanılan yöntem ve aşındırma esnasında kullanılan maske çeşitleridir. Bu iki temel avantaj sayesinde toplam üretim süresinde ciddi bir zaman kazanılmıştır. Ayırca bu adımlar ile üretim için harcanan toplam maliyet de azaltılmıştır. Maliyet azaltımında en önemli etkenlerden biri kuru aşındırma yöntem (DRIE) cihazının kullanım süresinin azaltılmasıdır. iii) Kuru aşındırma yöntemi ile en kısa sürede üretilen mikro pompa silikon plaka yapı, cam lamel, PZT tetikleyici elemanı ve PDMS sızdırmazlık elemanı ile birleştirilerek mikro düzey bir pompa elde edilmiş ve bu mikro pompa ile debi değerini etkileyen faktörler için deneysel çalışmalar yapılmıştır. Temelde dört parametre detaylı olarak incelenmiştir; sürüş frekansı, uyarma voltajı, frekans dalga tipi ve çalışma sıvısı. Sürüş frekans değerinin akış debisi üzerine etkisi incelendiğinde, akış debisinin mikro pompanın rezonans frekans değerine (150 Hz) kadar arttığı ve bu frekans değerinden sonraki artan frekans değerleri ile akış debisinde keskin bir şekilde azalma görülmüştür. Uyarma voltaj değerinin akış debisi üzerine etkisi incelendiğinde, 𝑉𝑝−𝑝 değeri 10 [V]'den 60 [V]'ye yükseltildiğinde, bu değişim ile birlikte akış debi değerinde de düzenli bir artış gözlemlenmiş ve akış debi değeri 16 μl/dk'dan 52 μl/dk'ya yükselmiştir. Farklı dalga türlerinin akış debisi üzerine etkisi incelendiğinde, dalga türlerinden en büyük akışkan debi değeri "kare dalga" türü ile sağlanırken bunu sırası ile "sinüs dalga" ve "üçgen dalga" türleri takip etmiştir. Farklı viskozite değerlerine sahip olan çalışma sıvılarının akışkan debisi üzerine etkisi incelendiğinde, aralarında en düşük viskozite değerine sahip olan metanolün, damıtılmış su ve etanol ile karşılaştırıldığında daha yüksek akış debisi sağladığı elde edilmiştir. Tez kapsamında yürütülen çalışma, valf kullanmadan mikro kanallar kullanılarak sıvıların taşınmasının pompalama ilkeleri hakkında öncü niteliktedir. Parametrik etkileri ortaya koyması ve tasarım kılavuzları sağlaması sayesinde bu çalışma, ilaç dağıtımı gibi birçok uygulamada kullanılacak valfsiz piezoelektrik mikro pompaların tasarımı ve geliştirilmesi için bir referans potansiyeli taşımaktadır. Mikro düzey yapıların üretilmesi, üretilen bu mikro düzey cihazlardan geçen akışları ve bu cihazlarında MEMS (Mikro Elektro Mekanik Sistemler) uygulamalarındaki yerini daha da geliştirmek ve gelecekteki araştırmalar için tasarım, üretim yöntemleri ve yapılan deneysel çalışmalar alanında önerilerde bulunulmuştur.