2014 Fiscal Year Annual Research Report
電界共役流体マイクロポンプを内蔵したマイクロ液滴生成デバイスの開発と応用
| Project/Area Number |
26289026
|
|---|
| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
|---|
Principal Investigator |
金 俊完 東京工業大学, 精密工学研究所, 准教授 (40401517)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉田 和弘 東京工業大学, 精密工学研究所, 准教授 (00220632)
横田 眞一 東京工業大学, 精密工学研究所, 教授 (10092579)
嚴 祥仁 東京工業大学, 精密工学研究所, 助教 (20551576)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
|
| Keywords | MEMS / 電界共役流体 / マイクロ液圧源 / マイクロシリンジポンプ |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では，マイクロポンプを内蔵したマイクロ液滴生成デバイスを実現することを目的として，直流電圧の印加により電極間に活発な流れが発生する電界共役流体(ECF)の駆動原理を応用したマイクロ液圧源により，水溶液を駆動するECFシリンジマイクロポンプを開発している．本年度では，ECFマイクロ液圧源の出力パワー密度を向上させるために，三つのアプローチによるデバイスを開発した．（１）ECFの特性を利用した電極対の高集積化： FF-909EHA2のジェット発生方向が電極対の形状のみに依存する特性を利用して，前後の電極対の三角柱電極とスリット電極の電位が反転している電極の並びを提案した．このような並びとすることで電極対間の間隔を設ける必要がないため高集積化が可能となる．（２）電極対・電極間隔の微小化：電極対・電極間隔を微小化することで電極対のさらなる高集積化が可能となる．一方，電極対・電極間隔の微小化はECFマイクロポンプの製作をより困難なものとするが，製作条件を改善することで製作することができた．電極対を微小化してより高集積化したECFマイクロポンプの電極対は119対である．（３）流路形状の工夫による電極対の高集積化：電極対の高集積化を実現するうえで妨げとなっている要素の1つは，流路間を仕切る流路壁の体積である．流路壁の形状の工夫により，流路を圧縮して配置することができ，流路壁を薄くすることなく電極対のより高集積化が実現できた．上記のアプローチにより，10×10×1 mm^3のECFマイクロ液圧源において，1.5kV印加で400 kPaの高い発生圧力を実現した．このECFマイクロ液圧源とノズル・ディフューザを統合した送液システムを提案し，まだ性能は不十分なものの実現可能性を確認した．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は（１）ECF電極形状，マイクロ流路形状の検討によるマイクロ液圧源の最適化と（２）ECFシリンジマイクロポンプの提案と開発を目的としている．
高出力マイクロ液圧源を実現するため，電極対のさらなる高密度集積化に有利な新たな電極の並びを提案した．新たな電極対の並び，電極対形状の工夫，電極対の微小化および流路形状の工夫といった高密度集積化を目指した取り組みにより，10×10×1 mm^3の十分小さいECFマイクロポンプにおいて，1.5kV印加で400 kPaの高い発生圧力をはじめて実現した．また，ECFマイクロポンプのパワー密度を向上させる画期的な新たな制作方法として，DRIEを用いて三角柱－スリット形電極対（TPSE）を製作するプロセスを提案し，その有効性が確かめられた．このような実績からマイクロ液圧源の最適化は順調に進展していると判断している．
ECFシリンジマイクロポンプに関しても予備実験により可能性を確認した．ECFは一種の絶縁オイルであり，油と水が非混合流体であることを利用して，ECF駆動で水溶液がポンピング可能なシリンジポンプを提案した．本年度は，摺動部がないことからバルブレス方式の方が簡易に制作できるため，まずバルブレス形デバイスを製作し，ECFシリンジポンプの有効性を確認した．完璧ではないものの可能性を確認できたことから，本研究は順調に進んでいると判断している．
|
| Strategy for Future Research Activity |
油と水が非混合流体であることを利用してバルブレス方式のECF駆動のシリンジポンプを提案し，その有効性を確認したため，これからはチェクバルブを有するECFシリンジポンプをMEMS技術を用いて製作する予定である．このECFシリンジポンプを用いて， ECF駆動マイクロ液滴生成デバイスを開発する．T字路を用いたマイクロ液滴生成デバイス，十字路を用いたマイクロ液滴生成デバイス，オイル・水溶液・オイルを交互に配置することでマルチエマルジョンを生成することもできるデバイスを開発する．
また，本研究で開発したマイクロ液滴生成デバイスは液滴生成のみならず，マイクロ流路の形状を工夫することで多様な機能を持たせるデバイスも開発する．（１）ディフューザ内の流入部と流出部の流速の差を利用した液滴の融合，（２）渦の生じる屈曲した流路内を通すことによって液滴の混合を行う仕組み，（３）流路抵抗と流路長さが同じ分岐路を複数用意することによって流入してきた様々な液滴を同じ量，同じ順番で細分化する流路，（４）ECFジェットのON，OFFにより液滴を選別する流路など多様な応用を実現する．
|
