Microfluidic flows for micropump
applications
Christophe Frankiewicz
Environmental
Stakes Medical Stakes
Financial Stakes
Active Flow Control
Consumption decrease (electrical…)
Lower carbon m...
I. Flexible Structure: MEMS
1) Microfluidic Actuator
2) Conception
3) Microfabrication Process
4) Packaging
5) State-of-th...
4
[2] AJ James et al., Journal of Fluid Mechanics, 2003[1] X. Noblin et al., Eur. Phys. J. E, 2004
1) µ-fluidic actuator
I....
5
I. 2) Conception elastomer selection and testing
PDMS SILASTIC S
Elongation (%) 140 850
Res. Déchir. 2.6 24.5
Silastic S...
Reference T (mm3
) Pelec (mW) P (kPa) Q (µL/min)
B¨ohm et al. 800 500 10 2100
Meng et al. n.i. n.i. 2.1 4.5
Santra et al. ...
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Summary of the 1st Part
Local deformation
⟹ movement of the triple contact line / Droplet atomization
Conception
⟹ XXX /...
8
I. Rolling Cylinder
Low Reynolds / Stokes
High Reynolds
[1] Stojkovic, Ingham ...
[2] Taneda, Fornberg ...
[4] Stewart, ...
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No Slip condition
⟹
de la fonction f(✓) pour ces cas particuliers est donc:
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⟹
I. 1) Perfect Contact
Cavitation
Compressibility
⟹ Infinite Lift
Numerical
Analytical
Dimensionless
Pressure
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Perfect Contact Impossible:
• Non physical pressure
• Infinite Lift
Ecoulement interstitiel:
• Vortex structure for k>0
...
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Analytical / Numerical
Experimental / Technological
Generate a µ-fluidic flow
Cylinder rolling on a wall at low Reynold...
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  1. 1. Microfluidic flows for micropump applications Christophe Frankiewicz
  2. 2. Environmental Stakes Medical Stakes Financial Stakes Active Flow Control Consumption decrease (electrical…) Lower carbon monoxide emissions Lab on a Chip Lowering the cost and time for sample analysis Understand the Physics of Fluids Develop new electro- mechanical systemsThesis Contrôle de la distorsion dans une entrContrôle de la distorsion dans une entréée de d’’airair coudcoudéée : conditions de : conditions d’’essaisessais 41 Essai réalisé à l’ONERA Modane (E. Garnier, A.L. Delot, R. Viard, A. Talbi) dans le cadre du PEA DGA ETIA •Réseaux de 14 VG fluidiques co-rotatifs •Pas de 7mm •Incidence et dérapage de 45 •Essais de Ma=0.2 à 0.5 •Vitesses de jets: 100m/s •Fréquence testée de 0 à 400Hz 2006), l’idée est d’exploiter la propriété que possède le fluide conducteur en présence d’un champ magné- tique d’être mis en mouvement si l’on module la norme, la direction et le point d’application des forces de Lorentz ~F définies par : ~F = q( ~E + ~u ^ ~B), (1.3) où ~B est le vecteur densité de flux magnétique, la charge d’une particule de fluide, ~E le champ électrique et ~u la vitesse du fluide. Pour optimiser le contrôle il faut donc que charge q soit importante. Elle est liée à la conductivité électrique, qui est une propriété du fluide. Ainsi, Le fluide conducteur considéré peut être du métal liquide comme le mercure, un plasma, ou tout simplement de l’eau de mer mais sa conductivité électrique est relativement faible. D’un point de vue expérimental, pour réaliser un tel contrôle, il est nécessaire de générer un plasma faiblement ionisé, par exemple en excitant le gaz par radio-fréquences, ou à l’aide de décharges élec- triques. Actuellement, la question fondamentale est la compréhension physique de l’effet du plasma sur l’écoulement de fluide, et inversement. Bien que cette technologie soit très prometteuse dans le contrôle du décollement (Fig. 1.20), les forces générées sont encore trop faibles et il est actuellement difficile de mettre en place expérimentalement un système de contrôle du décollement efficace pour des configurations à grand nombre de Reynolds. (a) Sans contrôle. (b) Avec contrôle. Fig. 1.20 – Effet du contrôle électromagnétique sur une plaque plane en incidence réalisé par Weier (1998). . Autres types de contrôle En se basant toujours sur l’équation (1.2), il existe aussi des techniques utilisées pour modifier le gradient de viscosité en vue de contrôler le décollement. Par exemple, certaines méthodes de contrôle utilisent un chauffage de films pariétaux, de façon à modifier localement la viscosité de l’écoulement. Dans ce même but, des techniques de cavitation, sublimation, et de réaction chimique sont utilisées (pour une revue plus approfondie, se référer à l’ouvrage de référence de Gad-el-Hak (2000)). Il est aussi possible d’injecter au niveau de la paroi un autre fluide qui a des propriétés visqueuses différentes et ainsi créer un gradient de viscosité local, ce qui revient à «farter» la paroi, à la manière du traitement effectué sur les skis pour améliorer la glisse sur la neige. Une autre méthode destinée à modifier localement les propriétés visqueuses du fluide pourrait consister à utiliser des parois recouvertes 26 [1] [2] [3]
  3. 3. I. Flexible Structure: MEMS 1) Microfluidic Actuator 2) Conception 3) Microfabrication Process 4) Packaging 5) State-of-the art comparison II. Moving structure: Rolling Cylinder 1) Perfect Contact 2) Interstitial flow 3) Confined flow 3 Possibilities to generate a microfluidic flow ?
  4. 4. 4 [2] AJ James et al., Journal of Fluid Mechanics, 2003[1] X. Noblin et al., Eur. Phys. J. E, 2004 1) µ-fluidic actuator I. MEMS
  5. 5. 5 I. 2) Conception elastomer selection and testing PDMS SILASTIC S Elongation (%) 140 850 Res. Déchir. 2.6 24.5 Silastic SPDMS
  6. 6. Reference T (mm3 ) Pelec (mW) P (kPa) Q (µL/min) B¨ohm et al. 800 500 10 2100 Meng et al. n.i. n.i. 2.1 4.5 Santra et al. 2450 1900 1 260 Pan et al. 600 500 3.6 1000 Pan et al. 2500 n.i. 7.5 800 Yamahata et al. 1980 n.i. 1.2 400 Lee et Chen 325 1800 n.i. 90 ICI 100 350 0.2 - 3 100 - 10 000 6 I. Comparison with state-of-the-art solutions HERE Final view of the MEMS inside its packaging Comparison with state of the art solutions
  7. 7. 7 Summary of the 1st Part Local deformation ⟹ movement of the triple contact line / Droplet atomization Conception ⟹ XXX / Elastomer selection (mechanical properties > PDMS) Fabrication ⟹ Two new technological processes were developed (RIE pour high resolution / «Micro-Molding») Fluidic characterization ⟹ Definition of the parameters / Physics (Optimum frequency / vibration modes...) MEMS Integration / Comparison with existing solutions ⟹ High Performances (Tunable flow properties , high flow rates...) XXX XXX XXX
  8. 8. 8 I. Rolling Cylinder Low Reynolds / Stokes High Reynolds [1] Stojkovic, Ingham ... [2] Taneda, Fornberg ... [4] Stewart, Leweke... [3] Sen, Abdelgawad ... k > 0: clockwise rotation k < 0: anti-clockwise rotation Studied configuration
  9. 9. 9 No Slip condition ⟹ de la fonction f(✓) pour ces cas particuliers est donc: 8 >>< >>: f0(✓) = A0 cos 2✓ + B0 sin 2✓ + C0✓ + D0 f1(✓) = A1 cos 2✓ + B1 sin 2✓ + C1✓ cos ✓ + D1✓ sin ✓ f2(✓) = A2 cos 2✓ + B2 sin 2✓ + C2✓ + D2 (2.13) nition de la fonction de courant tout d’abord que le fluide occupe le domaine r 2R sin ✓ (cf. fig.2.1). En olaires, la vitesse s’exprime par: ( u = 1 r @ @✓ v = @ @r (2.14) s permet de définir les conditions aux limites: ✓ = 0: ( 1 r @ @✓ = U @ @r = 0 et r = 2R sin ✓: ( 1 r @ @✓ = Uk cos ✓ @ @r = Uk sin ✓ (2.15) nditions à l’infini: Lorsque r ! 1: ( 1 r @ @✓ = U cos ✓ @ @r = U sin ✓ (2.16) La valeur de la fonction f(✓) pour ces cas particuliers est donc: 8 >>< >>: f0(✓) = A0 cos 2✓ + B0 sin 2✓ + C0✓ + D0 f1(✓) = A1 cos 2✓ + B1 sin 2✓ + C1✓ cos ✓ + D1✓ sin ✓ f2(✓) = A2 cos 2✓ + B2 sin 2✓ + C2✓ + D2 (2.13) 2.2.2 Définition de la fonction de courant Rappelons tout d’abord que le fluide occupe le domaine r 2R sin ✓ (cf. fig.2.1). En coordonnées polaires, la vitesse s’exprime par: ( u = 1 r @ @✓ v = @ @r (2.14) Ce qui nous permet de définir les conditions aux limites: Pour ✓ = 0: ( 1 r @ @✓ = U @ @r = 0 et r = 2R sin ✓: ( 1 r @ @✓ = Uk cos ✓ @ @r = Uk sin ✓ (2.15) Avec les conditions à l’infini: Lorsque r ! 1: ( 1 r @ @✓ = U cos ✓ @ @r = U sin ✓ (2.16) Si l’on compare le problème présenté ici avec le cas de l’écoulement en coin anguleux >>< >>: f0(✓) = A0 cos 2✓ + B0 sin 2✓ + C0✓ + D0 f1(✓) = A1 cos 2✓ + B1 sin 2✓ + C1✓ cos ✓ + D1✓ sin ✓ f2(✓) = A2 cos 2✓ + B2 sin 2✓ + C2✓ + D2 (2.13 2.2.2 Définition de la fonction de courant Rappelons tout d’abord que le fluide occupe le domaine r 2R sin ✓ (cf. fig.2.1). En coordonnées polaires, la vitesse s’exprime par: ( u = 1 r @ @✓ v = @ @r (2.14 Ce qui nous permet de définir les conditions aux limites: Pour ✓ = 0: ( 1 r @ @✓ = U @ @r = 0 et r = 2R sin ✓: ( 1 r @ @✓ = Uk cos ✓ @ @r = Uk sin ✓ (2.15 Avec les conditions à l’infini: Lorsque r ! 1: ( 1 r @ @✓ = U cos ✓ @ @r = U sin ✓ (2.16 Si l’on compare le problème présenté ici avec le cas de l’écoulement en coin anguleux ([71], [72] et [73]), au voisinage de O, les valeurs prises par ✓ sont toujours petites. Le Re ⌘ ⌫ (2.2) erons le nombre de Reynolds suffisamment faible pour termes visqueux. L’écoulement sera considéré comme (fig.2.1). Les équations de Stokes régissent donc l’écou- ant , ces équations se réduisent à l’équation biharmo- 44 = 0 (2.3) lème est plus adaptée à une résolution de cette équation 25 / 185 I. 1) Perfect Contact Hypothesis: • Viscous incompressible flow (Re<<1) • 2D stationary flow Navier-Stokes + ⟹ Stokes Velocity - U at infinity
  10. 10. 10 ⟹ I. 1) Perfect Contact Cavitation Compressibility ⟹ Infinite Lift Numerical Analytical Dimensionless Pressure
  11. 11. 11 Perfect Contact Impossible: • Non physical pressure • Infinite Lift Ecoulement interstitiel: • Vortex structure for k>0 • Drag does not depend on k Confinement du cylindre: • small Δp between the inlet and outlet Summary of the 2nd Part
  12. 12. 12 Analytical / Numerical Experimental / Technological Generate a µ-fluidic flow Cylinder rolling on a wall at low Reynolds numbers A. Merlen et C. Frankiewicz, J. Fluid Mech. (2011), vol. 685 Fundamental study of a physics of fluids problem: Non-physical perfect contact Study of the interstitial and confined flow Conception and development of a novel micropump: from ideation to packaging with high performances Process to generate a fluid flow C. Frankiewicz, F. Zoueshtiagh, A. Talbi, A. Merlen, P. Pernod, Patent pending, FR1360387

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