Actuadores piezoeléctricos en microfluídica: cómo las cerámicas multicapa están redefiniendo las microválvulas y las microbombas.

1. Por qué la fluidodinámica de precisión es cada vez más difícil de ignorar
2. ¿Qué hace que las cerámicas piezoeléctricas multicapa sean diferentes?
3. Microválvulas piezoeléctricas: Cómo lograr una conmutación de fluidos óptima.
4. Microbombas piezoeléctricas: Bombeo mecánico de fluidos con alta precisión
5. Trabajar con Bestarsensor
6. El futuro de la piezofluídica

Por qué la fluidodinámica de precisión es cada vez más difícil de ignorar
En la última década, el manejo de fluidos en dispositivos pequeños ha experimentado una transformación increíble. Los dispositivos de Chip Lab ya no son de los años 80. Juguetes en laboratorios universitarios. Se utilizan en dispositivos de diagnóstico en el punto de atención (POC), dispositivos portátiles para el control de la glucosa y dispositivos portátiles para la administración de medicamentos. Hoy en día, la demanda de control de fluidos a escala nanométrica ya no es un requisito de nicho, sino un requisito estándar. Un requisito estándar para un número creciente de categorías de productos.
Este es un verdadero desafío de ingeniería. Para mover pequeñas cantidades de líquido o gas se necesitan actuadores de gran precisión volumétrica, de respuesta rápida, bajo consumo energético y tamaño reducido. Las tolerancias estrictas a altas velocidades y con pequeñas fugas requieren válvulas solenoides y bombas rotativas tradicionales. Estas son pesadas, consumen mucha electricidad y, en espacios cerrados o reducidos, tienen una vida útil corta debido al desgaste mecánico.
El desarrollo de la microfluídica de próxima generación requiere una perspectiva diferente. Las cerámicas piezoeléctricas multicapa cubren esa necesidad. En este blog, el autor explicará cómo se pueden utilizar los actuadores piezoeléctricos en microválvulas y microbombas, y por qué las pilas de cerámica multicapa son los actuadores preferidos en ingeniería, desde el concepto hasta la producción.

¿Qué hace? Cerámica piezoeléctrica multicapa Diferente
Un material piezoeléctrico genera movimiento al aplicarle un voltaje eléctrico. Existe una teoría física aceptada sobre este fenómeno. La arquitectura de apilamiento multicapa es lo que ha revolucionado la microfluídica.
Para lograr un desplazamiento útil, el disco piezoeléctrico debe ser grueso y estar sometido a un alto voltaje en una sola capa. Esto no es viable en equipos portátiles alimentados por batería. El problema se resuelve con la solución multicapa, donde varias capas cerámicas delgadas están conectadas físicamente en serie y eléctricamente en paralelo. La contribución de cada capa al desplazamiento es pequeña. Estos pequeños movimientos, en conjunto, generan un movimiento relativamente útil, y el conjunto de todos ellos puede controlarse mediante microcontroladores estándar.
Esto es lo que significa en términos prácticos para un ingeniero de diseño.
Velocidad de respuesta. Piezo actuatorSu tiempo de respuesta es del orden de milisegundos. No requiere carga de bobina, tracción de armadura ni acoplamiento hidráulico. Al aplicar un pulso de voltaje, la cerámica se mueve. Esto ocurre con el control de flujo pulsado de alta frecuencia; en tales casos, un solenoide (que parecería retrasarse demasiado con respecto a la señal de control de flujo para ser útil) no sería adecuado.
Consumo de energía. Gran parte de la corriente durante la transición (cuando se mueve) se destina a la activación del elemento piezoeléctrico. Sin embargo, mantiene una posición objetivo con un consumo de energía directo mínimo. La cerámica constituye una carga eléctrica capacitiva. Esta característica, combinada con dispositivos que mantienen la válvula abierta o cerrada durante largos periodos, se traduce directamente en una mayor duración de la batería. Las válvulas solenoides consumen energía constantemente mientras están conectadas. Una válvula piezoeléctrica no.
Tamaño físico. Por ejemplo, es posible fabricar actuadores apilados multicapa con un tamaño reducido. Este actuador resulta útil para aplicaciones de microválvulas, ya que ocupa solo unos pocos milímetros cúbicos. Esto ofrece oportunidades de integración que antes solo eran posibles con alternativas electromagnéticas.
Sensor BestarLas cerámicas piezoeléctricas multicapa están diseñadas para tener una polarización uniforme en toda la pila y un grosor uniforme en cada una de sus capas. Esta información de fabricación es importante porque, si las propiedades de las capas varían y, en última instancia, no son consistentes, se producirá una respuesta de desplazamiento no lineal en el sistema.

Microválvulas piezoeléctricas: Cómo lograr una conmutación de fluidos óptima.
Una microválvula se utiliza para un propósito específico: abrir o cerrar el paso del flujo. Suena sencillo, pero a la escala de un laboratorio de chips o un parche desechable para la administración de fármacos, los detalles se vuelven muy complejos rápidamente.
1. La forma en que la válvula es accionada por el actuador.
Una microválvula piezoeléctrica de accionamiento directo utiliza un actuador para accionar una membrana delgada. Esta membrana sella el asiento de la válvula o se eleva, permitiendo así la apertura del canal de flujo. La fuerza se genera mediante el conjunto piezoeléctrico y se transmite a través de la membrana al conducto del fluido. No requiere bobina solenoide, piezas metálicas móviles ni juntas lubricadas.
En definitiva, se trata de una válvula que realiza millones de ciclos sin desgaste mecánico en el actuador. La membrana es la pieza de desgaste, y para el fluido final específico que se va a bombear, la selección de la membrana adecuada es un problema sencillo de ingeniería de materiales.
2. Diseño de volumen muerto cero
El fluido que circula dentro de una válvula sin desplazarse durante su uso normal se denomina "volumen muerto". En la mayoría de los casos, esto no representa un problema. Sin embargo, es fundamental en microfluídica. El costo de los reactivos utilizados en los cartuchos de diagnóstico es elevado. Los implantes de sistemas de administración de fármacos suministran una dosis exacta. El fluido estancado en el espacio muerto de las válvulas contribuye al desperdicio de reactivos y a errores de dosificación.
Dado que la membrana puede presionarse contra el canal de la superficie, es posible lograr un volumen muerto muy bajo en las válvulas piezoeléctricas de accionamiento directo. La distancia entre la membrana y el asiento es mínima. Esta geometría es posible con tecnologías de actuadores similares, pero no sin sacrificar la fuerza de salida.
3. Compatibilidad con diferentes medios
Las aplicaciones reales de estos productos van mucho más allá del agua potable. Se utilizan sangre entera, solución salina tamponada y cócteles de reactivos para sistemas de diagnóstico. Los sistemas de administración de fármacos también manejan fluidos biológicos, así como principios activos farmacéuticos. Los gases portadores empleados en el control del flujo de gases en instrumentos analíticos entran en contacto con gases corrosivos.
En una válvula bien diseñada, la pieza piezoeléctrica no entra en contacto directo con el fluido. La cerámica y la estructura del electrodo están aisladas del flujo por la membrana y el cuerpo de la válvula. Esto se debe a la variedad de materiales disponibles para la membrana y el cuerpo: siliconas, PTFE, polímeros resistentes a productos químicos y acero inoxidable. Los materiales se pueden seleccionar según la funcionalidad requerida, sin que la tecnología del actuador esté limitada.

Microbombas piezoeléctricas: Bombeo mecánico de fluidos con alta precisión
Una microbomba es más que un interruptor. Bombea activamente fluido de un lugar a otro, venciendo cierta contrapresión. El método piezoeléctrico de bombeo se basa en el mismo mecanismo simple: cada vez que la membrana se desplaza mecánicamente de forma periódica, el fluido fluye a través de la cámara.
1. Cómo funciona el ciclo de bombeo
El movimiento descendente de la membrana, impulsado por el actuador, aumenta el volumen de la cámara de la bomba. El fluido es aspirado por la entrada. A continuación, el actuador se mueve en sentido contrario, doblando la membrana hacia arriba y comprimiendo la cámara. El fluido es entonces impulsado a presión hacia la salida. Se trata de un flujo unidireccional debido a la presencia de válvulas de retención en la entrada y la salida. Este ciclo se repite rápidamente, generando un flujo continuo y dosificado.
El caudal se obtiene multiplicando la frecuencia del ciclo por el volumen de desplazamiento por ciclo. Ambos parámetros se controlan a bordo mediante la electrónica de accionamiento. Esto facilita la modificación del caudal sin necesidad de cambiar ningún componente.
2. Bombas con válvula frente a bombas sin válvula
No todas las microbombas tienen válvulas de retención. Hay ocasiones en las que se necesita una bomba con válvula, y otras en las que se debe usar una bomba sin válvula, dependiendo de la operación de bombeo y de lo que esta requiera.
Las bombas con válvulas cuentan con dos válvulas de retención físicas, una en la entrada y otra en la salida, como válvulas de aleta, de bola o de disco. Estas válvulas también ofrecen una excelente prevención contra el reflujo y permiten que la bomba funcione con presiones de salida más elevadas. Son adecuadas cuando existe una alta resistencia aguas abajo y cuando el sistema debe mantener la presión entre los ciclos de la bomba. Sin embargo, las válvulas son más complejas y pueden obstruirse si hay partículas que superen un tamaño determinado.
Las bombas sin partes mecánicas móviles utilizan la geometría del canal de flujo para dirigirlo en la dirección deseada. Aparte de la membrana de bombeo, no tienen partes móviles. Esto garantiza su resistencia a partículas y material biológico que podrían obstruir una válvula mecánica. Esta desventaja se traduce en una menor presión de retorno y cierta fuga bidireccional. En algunas aplicaciones, como la mezcla o el suministro de fluidos sin resistencia, o el manejo de fluidos biológicos más complejos, puede ser más conveniente un sistema de suministro de fluidos sin válvulas.
3. Aspectos a tener en cuenta antes de seleccionar una microbomba
El parámetro más importante para la mayoría de las aplicaciones microfluídicas es la estabilidad del flujo. Cualquier sistema de bombeo alternativo presenta pulsaciones, cuya amplitud es crucial para los procesos posteriores. Estas pulsaciones pueden afectar la uniformidad, la integridad de la reacción y la precisión del sensor. Preste atención a la especificación de ondulación de la bomba y, si es necesario, diseñe el circuito de flujo con un volumen de amortiguación adicional aguas abajo de la misma.
La capacidad de presión se refiere a la capacidad de la bomba para impulsar el fluido en la geometría específica del canal. Los canales microfluídicos, especialmente los submilimétricos, presentan altas resistencias. Calcule la resistencia del canal antes de decidir el diseño de la bomba y compárela con la presión de salida nominal de la bomba deseada.

Trabajando con Bestarsensor
Sensor Bestar es un fabricante de actuadores cerámicos piezoeléctricos multicapa para aplicaciones industriales microfluídicas y de precisión. Brindaremos servicios que van mucho más allá de una hoja de datos del producto. En la fase conceptual, Sensor Bestar Se integra en el equipo de diseño para modelar el rendimiento de los actuadores en la aplicación real. Sensor BestarLos controles de proceso gestionan la consistencia entre actuadores; un requisito más crítico para las aplicaciones de dosificación microfluídica que para casi cualquier otro programa.
No espere más para hablar sobre sus opciones de actuadores. Póngase en contacto con nosotros. Sensor Bestar lo antes posible para conseguir el actuador cerámico piezoeléctrico multicapa adecuado.

El futuro de la piezofluídica
El actuador piezoeléctrico no es una tecnología nueva. La clave de esta nueva tecnología reside en la precisión de fabricación, que permite que los actuadores multicapa alcancen la escala y el coste necesarios para dispositivos médicos y analíticos portátiles. Su bajo consumo energético sostenido, su rápido tiempo de respuesta y su tamaño compacto, junto con su larga vida útil, lo convierten en la solución ideal para las exigencias de los dispositivos médicos portátiles y las plataformas de laboratorio de chips.
Sensor Bestar Suministra los componentes para el control del actuador, apoya el diseño y la ingeniería de la aplicación y realiza el seguimiento desde el diseño inicial hasta la producción en masa validada.