Contentsducreeje/myfluidix/Materials/06...Mechanical displacer Rectifier - E.g. valve Actuation of...

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Contents 1. Introduction 2. Fluids 3. Physics of Microfluidic Systems 4. Microfabrication Technologies 5. Flow Control 6. Micropumps 7. Sensors 8. Ink-Jet Technology 9. Liquid Handling 10.Microarrays 11.Microreactors 12.Analytical Chips 13.Particle-Laden Fluids a. Measurement Techniques b. Fundamentals of Biotechnology c. High-Throughput Screening Microfluidics - Jens Ducrée Micropumps 1

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Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Contents

1. Introduction

2. Fluids

3. Physics of Microfluidic Systems

4. Microfabrication Technologies

5. Flow Control

6. Micropumps7. Sensors

8. Ink-Jet Technology

9. Liquid Handling

10.Microarrays

11.Microreactors

12.Analytical Chips

13.Particle-Laden Fluids

a. Measurement Techniques

b. Fundamentals of Biotechnology

c. High-Throughput Screening

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1. Microdisplacement Pumps

2. Electric-Field Mediated Pumping

3. Magneto-Hydrodynamic Pumping

4. Acoustic Streaming

5. Pumping by Interfacial Tension

6. Miscellaneous

6. Micropumps

Micromembrane pump (DebiotechLausanne, CH)

Electroosmotic Pump)(M. Ramsey, ORNL, USA)

ElectrohydrodynamicMicropump(FhG-IFT, Munich)

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Pumping Transport of fluid

Against „external forces / fields Gravity Pressure gradient Viscosity Etc.

Micropumps Peculiar scaling of forces in microworld Fabrication issues Novel pumping principles

6. Micropumps

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1. Microdisplacement Pumps

2. Electric-Field Mediated Pumping

3. Magneto-Hydrodynamic Pumping

4. Acoustic Streaming

5. Pumping by Interfacial Tension

6. Miscellaneous

6. Micropumps

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Constituents Pump chamber Actuation Flow rectifiers

- Check valves- Fixed-geometry valves- Active valves

Peristaltic Thermoviscous

Pumping cycle Supply phase

- Underpressure Pump phase

- Overpressure

6.1. Microdisplacement Pumps

Actuation principlesMechanicalPneumaticThermomechanicalThermopneumaticPiezoelectricElectrostaticElectromagnetic...

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1. Modeling

2. Design Issues

3. Integrated Check Valves

4. Fixed-Geometry Valves

5. Pumping Valve

6.1. Microdisplacement Pumps

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Differential equations Physics

pV-diagram Mechanical engineering

Lumped element Electronic engineering

6.1.1. Modeling

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6.1.1. Dynamics

Dynamics results from complex coupling Mechanical displacer Rectifier

- E.g. valve

Actuation of check valves by pressure within pump chamber

External control only by actuation of membrane

Motion of displacer governed by Actuator Inner pressure Etc.

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6.1.1. Dynamics

Pressures In pump chamber p(t) Inlet pressure p1

Outlet pressure p2

Volumes Pump chamber V0

Membrane

Inlet

Outlet

Gas bubbles

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Volumes

Continuity of volumes (mass)

6.1.1. Differential Equations

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6.1.1. Mass Currents

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Final differential equation Solved numerically

6.1.1. Numerical Simulation

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Mechanical engineer

6.1.1. pV-Diagrams

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6.1.1. pV-Diagrams

Macroscopic displacement pump

Strong engines drive displacer Negligible feedback of pressure in pump chamber on motion

Pressure-controlled valves

Displacer merely transmits motion

Saug

-st

utze

nD

ruck

-st

utze

n

obererTotpunkt

Hubvolumen

untererTotpunkt

Hingang

Rückgang

p po

KolbenZylinderTotraum Schubstange

obererTotpunkt

unterer Totpunkt

Hubvolumen

V

p2

p1

dV

p

VH

pS

pS

pD

pD

a. b.

Wi

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6.1.1. pV-Diagrams

Macroscopic displacement pump

Pump rate Actuation frequency Stroke volume V

IV = V

Saug

-st

utze

nD

ruck

-st

utze

n

obererTotpunkt

Hubvolumen

untererTotpunkt

Hingang

Rückgang

p po

KolbenZylinderTotraum Schubstange

obererTotpunkt

unterer Totpunkt

Hubvolumen

V

p2

p1

dV

p

VH

pS

pS

pD

pD

a. b.

Wi

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6.1.1. pV-Diagrams

Micro-displacement pump

Elastic membranes as displacers Actuation principles

Piezo-electrical Electrostatic Pneumatic Thermopneumatic, etc.

Properties of membrane govern dynamics Rigidity Restoring force, etc.

Pressure-controlled valves

Pressure in pump chamber governed by complicated interplay between Flow dynamics Mechanical motion Motion of displacer

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6.1.1. pV-Diagrams

Example: displacement pump actuated by underpressure

Characteristic curve of MDP at A=0 (underpressure off) and A = Ao (underpressure on) govern supply and pump phase

Assumption: switch-on (section I) and switch-off (section III) of actuation (underpressure) faster than liquid can react; Change in pressure w/o

change in volume

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6.1.1. pV-Diagrams

pV-Diagram Amplitude decreases with pressure head p2

Minimum pressure in pump chamber increases with pressure head p2

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6.1.1. pV-Diagrams

pV-Diagram Fluidic capacitance of valves decreases amplitude Leak rate of valves decreases maximum back pressure

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6.1.1. Electric Equivalent

Conclusions

Valve with capacitance acts as low-pass filter

At high frequencies, whole current goes into capacitive branch

- Only motion of valve membrane

- No net pumping of current

p1

p2

Ventilmembran

MembranauflageSilizium

Strömungskanal

0,5

mm

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Lumped-element representation of two passive valves Rectification of flow

6.1.1. Electric Equivalent: Passive Valve System

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6.1.1. Electric Equivalent: Passive Valve

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6.1.1. Electric Equivalent: Pump

Martin Richter„Modellierung und experimentelle Charakterisierung von Mikrofluidsystemen“Dissertation, München 1998;

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1. Modeling

2. Design Issues

3. Integrated Check Valves

4. Fixed-Geometry Valves

5. Pumping Valve

6.1. Microdisplacement Pumps

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Market requirement Fail-safe pump

Bubble-tolerant pumping of liquids Trapped gas bubbles in pump chamber Highly compressible Malfunctioning of displacement principle Solution: High compression ratios

Clogging Particles carried by liquid Solution: Prefiltering of liquids

6.1.2. Design Issues

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6.1.2. Fixed-Stroke MDP

Debiotech; Switzerland; 1998 Based in pump design by Harald van

Lintel Integrated particle filter Membrane moves between two

mechanical stops Drawback: expensive concept

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6.1.2. Fixed-Stroke MDP

Debiotech; Switzerland; 1998 Membrane moves between 2

mechanical strops fixed amplitude Independent of pressure on inlet

and outlet port

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1. Modeling

2. Design Issues

3. Integrated Check Valves

4. Fixed-Geometry Valves

5. Pumping Valve

6.1. Microdisplacement Pumps

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6.1.3. Peristaltic Micromembrane Pump

J.G. Smits; MESA; 1983„Piezoelectric micropump for peristaltic fluid displacement“; Patent NL 8302860

3 active displacers (microvalves) Piezoelectric actuation

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Milestones

1980peristaltische Verdrängerpumpe

1988Verdrängerpumpe mit Rückschlagventilen

Milestones in evolution ofmicrodisplacement pumps

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6.1.3. Displacement Pump with Check Valves

Harald van Lintel et al.; MESA, 1988

„A piezoelectric micropump based on micromachining of silicon“

Piezoelectrically actuated displacer

Two membrane valves

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6.1.3. Pump Performance

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1. Modeling

2. Design Issues

3. Integrated Check Valves

4. Fixed-Geometry Valves

5. Pumping Valve

6.1. Microdisplacement Pumps

Microfluidics - Jens Ducrée Micropumps 33

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6.1. Milestones

1980peristaltische Verdrängerpumpe

1988Verdrängerpumpe mit Rückschlagventilen

1993ventillose Verdrängerpumpe

Milestones in evolution ofmicrodisplacement pumps

Microfluidics - Jens Ducrée Micropumps 34

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6.1.4. Fixed-Geometry Valves

Microfluidics - Jens Ducrée Micropumps 35

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6.1.4. Fixed-Geometry Valves

Göran Stemme et al.; KTH; Stockholm, 1993

„A novel piezoelectric valve-less fluid pump “

Piezoelectrically actuated displacer

Diffuser / nozzle as rectifier

Piezoaktor Membran

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6.1.4. Fixed-Geometry Valves

Anders Olson„Valve-Less Diffuser Micropumps“Dissertation, Stockholm 1998;

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6.1.4. Fixed-Geometry Valves

Anders Olson„Valve-Less Diffuser Micropumps“Dissertation, Stockholm 1998;

Described by set of differential equations:

Microfluidics - Jens Ducrée Micropumps 38

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6.1.4. Fixed-Geometry Valves

Microfluidics - Jens Ducrée Micropumps 39

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6.1.4. Fixed-Geometry Valves

Thorsten Gerlach et al.; TU-Illmenau; 1995

Piezoelectrically actuated displacer

KOH-etched diffuser / nozzle

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6.1.4. Tesla Valve

Components:

Bypass at deviating angles

Pros:

simple

compact

Drawbacks:

Low forward/backward ratio

High „leak rate“

vorwärts

rückwärts

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vorwärts

rückwärts

6.1.4. Tesla Valve

Components:

Bypass at deviating angles

Pros:

simple

compact

Drawbacks:

Low forward/backward ratio

High „leak rate“

Microfluidics - Jens Ducrée Micropumps 42

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6.1.4. Tesla Valve

Fred Forster et al.; University of Washington; 1998

Piezoelectrically actuated displacer

Bypass-valves (TESLA-valve) as rectifier

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1. Modeling

2. Design Issues

3. Integrated Check Valves

4. Fixed-Geometry Valves

5. Pumping Valve

6.1. Microdisplacement Pumps

Microfluidics - Jens Ducrée Micropumps 44

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6.1. Milestones

1980peristaltische Verdrängerpumpe

1988Verdrängerpumpe mit Rückschlagventilen

1993ventillose Verdrängerpumpe

1995Verdrängerpumpe mitVorwärts- & Rückwärtsgang

Milestones in evolution ofmicrodisplacement pumps

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6.1.5. Bidirectional MDP

R. Zengerle et al; FhG-IFT, 1995

„A bidirectional silicon micropump“

Electrostatic actuation

Flap valves

Microfluidics - Jens Ducrée Micropumps 46

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Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

6.1.5. Bidirectional MDP

R. Zengerle et al; FhG-IFT, 1995

„A bidirectional silicon micropump“

0

/2

0

A(f

)ph

ase

shift

(f)

frequency f

Ventilklappe

Silizium

x

m x + k x + D x = f (t)flap

.. .

x(f,t) = eA(f)i(2 ft - ) (f)

Bewegung der Ventilklappe Motion of flap

Microfluidics - Jens Ducrée Micropumps 47

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6.1.5. Bidirectional MDP

driv

ing

pres

sure

tran

sien

t va

lve

flow

valv

em

ovem

ent

0

0

0

time [unscaled]

= 0

harmonic actuation

valve is closedat: x = 0

check valveprevents back flow > 0

0

0

0

time [unscaled]

= 3/4 phase shift betweendriving pressureand valve opening

valve is open when the driving pressure is directed in reverse direction back flow

< 0

Microfluidics - Jens Ducrée Micropumps 48

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6.1.5. Milestones

1980peristaltische Verdrängerpumpe

1988Verdrängerpumpe mit Rückschlagventilen

1993ventillose Verdrängerpumpe

1995Verdrängerpumpe mitVorwärts- & Rückwärtsgang

1996pumpendes Mikroventil mitVorwärts- & Rückwärtsgang

Milestones in evolution ofmicrodisplacement pumps

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6.1.5. VAMP

M. Stehr et al; HSG-IMIT; 1996

„The VAMP - A microvalve with bidirectional pump effect“

ph

Grundplatte

Dichtfläche

Anschluß 1 Anschluß 2

Variable Gap Mechanism

0 50 100 150 200 250-1000

-500

0

500

1000

1 --> 2 type A1voltage 150 Vfluid: water

2 --> 1pum

p ra

te [µ

l/min

]

actuation frequency [Hz]

Spannung < 0: Ventil geschlossenSpannung > 0: Ventil ist offen Spannung Mikropumpe

Microfluidics - Jens Ducrée Micropumps 50

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Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

6.1. Milestones

1980peristaltische Verdrängerpumpe

1988Verdrängerpumpe mit Rückschlagventilen

1993ventillose Verdrängerpumpe

1995Verdrängerpumpe mitVorwärts- & Rückwärtsgang

1996pumpendes Mikroventil mitVorwärts- & Rückwärtsgang

?Milestones in evolution ofmicrodisplacement pumps

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6.1. Check-Valved Microdisplacement Pumps

Common sources of failure

Failure due to gas bubbles Reduced volume of pump

chamber Higher compression ratio

Leakage External or integrated particle

filters

Economical High fabrication costs

Low production numbers

FhG-IFT: 1996

Forschungszentrum Karlsruhe

IMM-Mainz

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6.1. Pressure-Controlled Microdosage

Operating principles Pressurized reservoir Capillary (glass, silicon-etched)

High hydrodynamic resistance

Adjustment of resistance to desired flow rate

Flow rate Constant in time Unchangeable

Optional Active valve to interrupt flow

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6.1. Implantable Drug-Delivery System

Tricumed (Kiel) Spring mechanism exerts pressure

on reservoir Resistance by long and tiny capillary

etched in silicon

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6.1. Extracorporal Drug-Delivery System

Electrochemical Dosage

Pressure generated by electrochemical reaction

No resistance required

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1. Microdisplacement Pumps

2. Electric-Field Mediated Pumping

3. Magneto-Hydrodynamic Pumping

4. Acoustic Streaming

5. Pumping by Interfacial Tension

6. Miscellaneous

6. Micropumps

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Advantages No moving parts Fabrication of electrodes well compatible with microtechnology Planar flow profiles

Two technological branches Static fields

- Charge carriers Interfaces Injected

Traveling fields- Gradient of electrical properties

Conductivity Permittivity

6.2. Electric-Field Mediated Pumping

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1. Electro-Osmotic Pumping

2. Static Electrohydrodynamic Pumping

3. Traveling-Wave EHD Pumping

6.2. Electric-Field Mediated Pumping

Microfluidics - Jens Ducrée Micropumps 58

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Electric field

Electric double layer on wall of capillary

Net motion of bulk fluid

Characteristics Flow controlled by electric potential Pulseless pumping Planar flow profile No moving parts

6.2.1. Electro-Osmotic Pumping

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Speed of flow

Speed on mm s-1 time scale

Pump rate

Against back pressure p Porosity Tortuosity Detailed treatment of potential

6.2.1. Electro-Osmotic Pumping

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Equivalent pressure Without back pressure Equivalent flow rate of PDF

Thermodynamic efficiency

6.2.1. Electro-Osmotic Pumping

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Tee section Potential drives flow from (sep) to (g) Coating of ground channel (g)

Continuity of mass Pressure on liquid located in intersection Pumping into free-floating channel (ff)

6.2.1. EOF-Induced Hydraulic Pumping

Microfluidics - Jens Ducrée Micropumps 62

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1. Electro-Osmotic Pumping

2. Static Electrohydrodynamic Pumping

3. Traveling-Wave EHD Pumping

6.2. Electric-Field Mediated Pumping

Microfluidics - Jens Ducrée Micropumps 63

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Charge surplus in insulating liquid

Pair of grid electrodes

Coulomb force on bulk liquid in electric field

Pump rate scales with field strength

Direct conversion of electric into mechanical energy

6.2.2. Static Electrohydrodynamic Pumping

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1. Electro-Osmotic Pumping

2. Static Electrohydrodynamic Pumping

3. Traveling-Wave EHD Pumping

6.2. Electric-Field Mediated Pumping

Microfluidics - Jens Ducrée Micropumps 65

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Gradient Conductivity Permittivity

Traveling E-field

Net pumping action

6.2.3. Traveling-Wave EHD Pumping

•Layered fluids

•Suspended particles

•Externally generated fluid anisotropy

•Self-generating fluid anisotropy

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1. Microdisplacement Pumps

2. Electric-Field Mediated Pumping

3. Magneto-Hydrodynamic Pumping

4. Acoustic Streaming

5. Pumping by Interfacial Tension

6. Miscellaneous

6. Micropumps

Microfluidics - Jens Ducrée Micropumps 67

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Pressure head

Pump rate

6.2.3. Magneto-Hydrodynamic Pumping

Lorentz force

current

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1. Microdisplacement Pumps

2. Electric-Field Mediated Pumping

3. Magneto-Hydrodynamic Pumping

4. Acoustic Streaming

5. Pumping by Interfacial Tension

6. Miscellaneous

6. Micropumps

Microfluidics - Jens Ducrée Micropumps 69

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Characteristics Active-channel technique Valve-less Ultrasonic

Momentum transfer from channel wall to fluid

6.4. Acoustic Streaming

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Flexural plate wave (FPW) Traveling mechanical wave Grazing channel wall

Interdigital transducer Thickness of few µm Spacing of electrodes by about 100 µm Frequencies of some MHz

6.4. Acoustic Streaming

Microfluidics - Jens Ducrée Micropumps 71

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Velocity profile

Evanescent length

Flow velocities ver small for y > levan

For y > levan : Flow rate widely

independent of channel height

6.4. Acoustic Streaming

Microfluidics - Jens Ducrée Micropumps 72

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Flow control by surface acoustic waves (SAWs)

6.4. Advalytix

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1. Microdisplacement Pumps

2. Electric-Field Mediated Pumping

3. Magneto-Hydrodynamic Pumping

4. Acoustic Streaming

5. Pumping by Interfacial Tension

6. Miscellaneous

6. Micropumps

Microfluidics - Jens Ducrée Micropumps 74

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Capillary effects

Variations in surface tension

Variations in contact angle

Contact between different phases Transport of discrete sampels

- Plugs- Droplets

6.5. Pumping by Interfacial Tension

Microfluidics - Jens Ducrée Micropumps 75

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1. Thermocapillary Pumping

2. TCF of Droplets on Free Surfaces

3. Electrowetting

4. Electrocapillary Pumping

6.5. Pumping by Interfacial Tension

Microfluidics - Jens Ducrée Micropumps 76

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Thermocapillary flow (TCF) Difference in surface tension Thermal gradient Difference in internal pressures at menisci of liquid plug

Implementation by precisely controlled heaters

6.5.1. Thermocapillary Pumping

Microfluidics - Jens Ducrée Micropumps 77

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1. Thermocapillary Pumping

2. TCF of Droplets on Free Surfaces

3. Electrowetting

4. Electrocapillary Pumping

6.5. Pumping by Interfacial Tension

Microfluidics - Jens Ducrée Micropumps 78

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Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

TCF based delivery of droplets on free surface Chemically patterned substrate Hydrophilic stripes

Equation of motion Direction of flow x Lateral coordinate y Height profile h(x) Temperature profile T(x) Width of stripes w

Flow speed of 600 µm s-1

Viscosity of 5 mPa s Width of 800 µm Temperature gradient of 14.4 K cm-1

6.5.2. TCF of Droplets on Free Surfaces

Microfluidics - Jens Ducrée Micropumps 79

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1. Thermocapillary Pumping

2. TCF of Droplets on Free Surfaces

3. Electrowetting

4. Electrocapillary Pumping

6.5. Pumping by Interfacial Tension

Microfluidics - Jens Ducrée Micropumps 80

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Gradient in local cohesion energy Controlled by voltage on electrodes Voltage-induced surface charges

Gradient in cohesion energy Net capillary pressure Pumping

6.5.3. Electrowetting

Microfluidics - Jens Ducrée Micropumps 81

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1. Thermocapillary Pumping

2. TCF of Droplets on Free Surfaces

3. Electrowetting

4. Electrocapillary Pumping

6.5. Pumping by Interfacial Tension

Microfluidics - Jens Ducrée Micropumps 82

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Control of contact angle by voltage

Array of 1000s of hydrophobically coated 3D microchannels

Electrostatic control of interfacial tension Induced image charges Reversible fluid displacement

Electrocapillary pressure

6.5.4. Electrocapillary Pumping

Microfluidics - Jens Ducrée Micropumps 83

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1. Microdisplacement Pumps

2. Electric-Field Mediated Pumping

3. Magneto-Hydrodynamic Pumping

4. Acoustic Streaming

5. Pumping by Interfacial Tension

6. Miscellaneous

6. Micropumps

Microfluidics - Jens Ducrée Micropumps 84

Page 85: Contentsducreeje/myfluidix/Materials/06...Mechanical displacer Rectifier - E.g. valve Actuation of check valves by pressure within pump chamber External control only by actuation of

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Working diagram Flow rate Backpressure

Maximum flow rate ( p = 0 ) Maximum backpressure ( I = 0 ) Working point

6.6. Miscellaneous

Microfluidics - Jens Ducrée Micropumps 85

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Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Comparison of pump principles Maximum backpressure Maximum flow rate

6.6. Miscellaneous

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