Nghiên cứu, phát triển hệ thống vi lỏng định hướng ứng dụng trong y sinh học

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LÊ VĂN LUÂN NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG VI BƠM TÍCH HỢP CHỨC NĂNG TRỘN SỬ DỤNG CẤU TRÚC VÒI PHUN ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG Hà Nội - 2022 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LÊ VĂN LUÂN NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG VI BƠM TÍCH HỢP CHỨC NĂNG TRỘN SỬ DỤNG CẤU TRÚC VỊI PHUN ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG Y SINH HỌC Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 9510302.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ N0GÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THƠNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS Chử Đức Trình Hà Nội - 2022 MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv BẢNG CHÚ GIẢI CÁC KÝ HIỆU v DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .vii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Những vấn đề tồn Mục tiêu nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu 6 Ý nghĩa khoa học thực tiễn 7 Cấu trúc nội dung luận án Các đóng góp luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan vi bơm 1.1.1 Vi bơm phi học 1.1.2 Vi bơm học 17 1.1.3 Phần tử vịi phun/khuếch tán chiến lược khơng dùng van 27 1.1.4 Vi bơm không van sử dụng cấu trúc vòi phun/khuếch tán 33 1.2 Bộ trộn vi lỏng 36 1.2.1 Bộ trộn vi lỏng thụ động 37 1.2.2 Bộ trộn vi lỏng chủ động 38 1.3 Một số công nghệ chế tạo vi bơm 42 CHƯƠNG ĐỀ XUẤT VI BƠM TÍCH HỢP CHỨC NĂNG TRỘN SỬ DỤNG CẤU TRÚC VÒI PHUN 46 2.1 Vi bơm kết hợp chức trộn sử dụng cấu trúc vòi phun 46 2.1.1 Cấu trúc vi bơm kết hợp chức trộn 46 i 2.1.2 Nguyên lý hoạt động vi bơm đề xuất 49 2.1.3 Cảm biến điện dung điện cực 51 2.2 Mô hoạt động vi bơm đề xuất 53 2.2.1 Thiết lập mô chức bơm 53 2.2.2 Thiết lập mô chức trộn 57 2.3 Kết mô 60 2.3.1 Mô hoạt động màng bơm PZT 60 2.3.2 Mơ q trình tương tác chất lỏng vi bơm 63 2.3.3 Kết mô chức trộn 65 2.3.4 Tối ưu hóa cấu trúc vòi phun/khuếch tán 68 2.3.5 Kết mô cảm biến điện dung 71 CHƯƠNG CHẾ TẠO HỆ VI BƠM VÀ ĐIỀU KHIỂN 73 3.1 Chế tạo vi bơm tích hợp trộn 73 3.1.1 Thiết kế thân vi bơm 73 3.1.2 Chế tạo thân vi bơm 76 3.1.3 Thông số màng PZT 77 3.1.4 Lắp ráp vi bơm tích hợp chức trộn 78 3.1.5 Mạch đo xử lý liệu 79 3.2 Thiết lập hệ đo 81 3.2.1 Thí nghiệm chức bơm 81 3.2.2 Thí nghiệm chức trộn 82 3.2.3 Thí nghiệm cảm biến điện dung 84 CHƯƠNG KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA VI BƠM 86 4.1 Thử nghiệm chức bơm 86 4.1.1 Thử nghiệm hiệu suất bơm với chất lỏng nước 86 4.1.2 Thử nghiệm hiệu suất bơm với chất lỏng khác 90 4.1.3 Thử nghiệm hiệu suất bơm với màng bơm có kích thước khác 92 4.2 Thử nghiệm chức trộn 95 4.2.1 Trộn với chất lỏng nhuộm màu 95 ii 4.2.2 Trộn với chất lỏng khơng hồ tan 99 4.2.3 Kết thử nghiệm cảm biến điện dung 100 4.3 Ứng dụng vi bơm cho thiết bị truyền dịch y tế 104 4.3.1 Thông số chức thiết bị 104 4.3.2 Sơ đồ khối mạch đo điều khiển 104 4.3.3 Giao diện kiểu dáng 106 4.3.4 Thử nghiệm thiết bị truyền dịch 107 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 111 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO 115 iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Giải nghĩa EDL Electrical Double Layer Lớp điện áp kép EHD Electrohydrodynamic Điện thủy động học FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn LoC Lab on a Chip Phịng thí nghiệm Chip MEMS Microelectromechanical Systems Hệ vi điện tử MHD Magnetohydrodynamic Từ thủy động học NMP No-Moving Part Bộ phận không chuyển động PDMS Polydimethylsiloxane Chất Polydimethylsiloxane PMMA Polymethylmethacrylate Chất Polymethylmethacrylate POCT Point - Of - Care Testing Xét nghiệm chỗ PPy Polypyrrole Chất Polypyrrole PVDF Polyvinylidene Fluoride Chất Polyvinylidene Fluoride PZT Lead Zirconated Titanate Titanat Zirconat chì µTAS Micro Total Analysis System Vi hệ thống phân tích tổng hợp iv BẢNG CHÚ GIẢI CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu, đơn vị Ý nghĩa  Hằng số điện môi K Hệ số tổn thất áp suất Ký hiệu, đơn vị Ý nghĩa Pmax, Pas Áp suất cực đại vi bơm KB ρ, kg/m3 Hằng số Boltzmann T, Kelvin Nhiệt độ tuyệt đối 𝜖, Coulomb Điện tích A, m2 Diện tích bề mặt điện cực Số hóa trị ion B, Pa Mơ đun đàn hồi khối 𝑘∞,i, mol/m Nồng độ ion chất i hỗn hợp 𝜂 Hệ số khuêch tán phần tử vòi phun/khuếch tán E, V/ m Cường độ điện trường ß Hiệu suất chỉnh lưu vi bơm µ, Ns/m2 Độ nhớt động học Zi ζ, V 𝜆𝐷 , m 𝐽, mol/ m s Điện Chiều dày lớp điện áp kép v Mật độ lưu chất Véc tơ thông lượng khuếch tán D, m /s Hệ số khuếch tán c, mol/ m3 Nồng độ chất lỏng DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Đánh giá loại trộn chủ động 40 Bảng 2.1 Tính chất vật lý vật liệu dùng mô 54 Bảng 2.2 Các thông số sử dụng mô chức trộn 59 Bảng 2.3 Kích thước vịi phun/khuếch tán trước sau cải tiến 70 Bảng 2.4 So sánh hiệu suất vi bơm trước sau cải tiến 70 Bảng 3.1 Thông số vật liệu VeroClear RGD810 77 Bảng 3.2 Thông số màng PZT 77 Bảng 3.3 Tính chất vật lý nước dung dịch Glycerin 82 Bảng 4.1 So sánh thông số số vi bơm sử dụng màng bơm PZT 94 Bảng 4.2 Bảng sai số thể tích truyền tốc độ truyền khác 107 vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình Sơ đồ khối hệ thống phân phối thuốc Hình Hệ thống cảm biến sinh học vi lỏng có chức bơm trộn Hình 1.1 Mơ hình ngun lý làm việc vi bơm điện hóa dùng ứng dụng bơm thuốc 10 Hình 1.2 Mơ hình ngun lý làm việc vi bơm bong bóng 12 Hình 1.3 Mơ hình ngun lý làm việc vi bơm điện thẩm 14 Hình 1.4 Cơ chế hoạt động vi bơm từ thủy động học 15 Hình 1.5 Mơ hình ngun lý làm việc vi bơm EHD 17 Hình 1.6 Mơ hình ngun lý làm việc vi bơm tĩnh điện 18 Hình 1.7 Mơ hình ngun lý làm việc vi bơm áp điện 20 Hình 1.8 Mơ hình nguyên lý làm việc vi bơm nhiệt khí nén 23 Hình 1.9 Mơ hình nguyên lý làm việc vi bơm điện từ 24 Hình 1.10 Mơ hình vi bơm nhu động với buồng nối tiếp 26 Hình 1.11 Mơ hình vi bơm pít tơng sử dụng van chiều 28 Hình 1.12 Thiết kế chung phần tử vòi phun/khuếch tán 29 Hình 1.13 Sự suy giảm áp suất phần tử vòi phun/khuếch tán vùng khác 31 Hình 1.14 Mơ hình hoạt động vi bơm không van 33 Hình 1.15 Vịi phun/khuếch tán có cấu trúc thơng thường (a), cấu trúc hai vây (b) cấu trúc có vật cản (c) 36 Hình 1.16 Các cấu trúc hình học trộn vi lỏng 37 Hình 1.17 Một số cấu trúc phức tạp trộn vi lỏng 38 Hình 1.18 Thiết kế số trộn chủ động 39 Hình 2.1 Mơ hình vi bơm sử dụng cấu trúc vịi phun/khuếch tán kiểu cũ 47 Hình 2.2 Cấu trúc vòi phun/khuếch tán kiểu 47 Hình 2.3 Mơ hình vi bơm đề xuất với cấu trúc vịi phun/khuếch tán 48 Hình 2.4 Mơ hình thiết kế 3D vi bơm tích hợp trộn 49 Hình 2.5 Quá trình hút xả vi bơm 50 Hình 2.6 Tụ điện song song 52 Hình 2.7 Điện cực cảm biến diện dung sử dụng vi bơm 53 vii Hình 2.8 Mơ hình đối xứng vi bơm dùng cho mô 55 Hình 2.9 Thiết lập điều kiện biên cho mơ chức trộn 60 Hình 2.10 Sự biến dạng màng PZT có điện áp đặt vào 61 Hình 2.11 Biên độ biến dạng tâm màng PZT với điện áp khác 61 Hình 2.12 Đáp ứng biến dạng so với điện áp đặt vào màng PZT 62 Hình 2.13 Hiệu ứng hút xả quan sát cấu trúc vòi phun/khuếch tán 63 Hình 2.14 Tốc độ dịng chảy tức thời đầu vào đầu với f = 100 Hz 64 Hình 2.15 Mơ q trình trộn tần số 100 Hz 66 Hình 2.16 Dịng chảy nồng độ chất lỏng tần số 100 Hz 67 Hình 2.17 Nồng độ trung bình đầu tần số khác 67 Hình 2.18 Mơ hình mơ tối ưu cấu trúc vịi phun/khuếch tán 69 Hình 2.19 Thể tích chất lỏng bơm ba chu kỳ với góc mở khác 69 Hình 2.20 Mặt cắt ngang kích thước vịi phun/khuếch tán trước (a) sau cải tiến (b) 70 Hình 2.21 Mô cảm biến điện dung với dung dịch NaCl 71 Hình 3.1 Thiết kế chi tiết thân vi bơm (a) 74 Thiết kế chi tiết thân vi bơm (b) 75 Hình 3.2 Hình ảnh thân vi bơm chế tạo công nghệ in 3D với đường kính buồng bơm khác nhau: (a) 35mm (b) 20mm 77 Hình 3.3 Hình vẽ biểu diễn trình lắp ghép thành phần để tạo thành vi bơm tích hợp chức trộn 78 Hình 3.4 Hình ảnh thân vi bơm sau chế tạo đóng gói 79 Hình 3.5 Sơ đồ mạch dao động LC điện cực cảm biến 80 Hình 3.6 Mạch đo xử lý liệu 80 Hình 3.7 Sơ đồ thí nghiệm chức bơm 81 Hình 3.8 Sơ đồ thí nghiệm chức trộn 82 Hình 3.9 Phương pháp phân tích màu sắc để đánh giá hiệu suất trộn vi bơm 83 Hình 3.10 Sơ đồ thí nghiệm cảm biến điện dung 84 Hình 3.11 Hình ảnh thí nghiệm thực tế 85 Hình 4.1 Thí nghiệm xác nhận hiệu ứng bơm 87 viii KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Bằng phương pháp nghiên cứu thực luận án “Nghiên cứu, phát triển hệ thống vi bơm tích hợp chức trộn sử dụng cấu trúc vòi phun định hướng ứng dụng y sinh học”, luận án đạt mục đích nghiên cứu đặt ra, với kết cụ thể sau: (i) Đã phân tích kết nghiên cứu ngồi nước có liên quan đến luận án, sở đề xuất thiết kế vi bơm với cấu trúc vòi phun/khuếch tán kết hợp tính bơm trộn thiết bị (ii) Đã tối ưu hóa cấu trúc vịi phun/khuếch tán để vi bơm đạt hiệu suất lớn Với góc mở vịi phun 0, bơm đạt hiệu suất cao phạm vi nghiên cứu, đạt giá trị 35,2 mL/phút (iii) Xây dựng thành công mơ hình mơ chức bơm trộn thiết bị Các kết liệu thu đánh giá ảnh hưởng tần số, điện áp cung cấp cho màng bơm PZT đến lưu lượng, áp suất đầu bơm, khả trộn thiết bị (iv) Chế tạo mẫu vi bơm kết hợp trộn sử dụng cấu trúc vòi phun/khuếch tán công nghệ in 3D độ phân giải cao có tích hợp cảm biến điện dung để xác định môi trường bơm tỷ lệ trộn (v) Triển khai thí nghiệm mẫu vi bơm chế tạo Các kết đo chứng tỏ thiết bị đáp ứng mục tiêu nghiên cứu đặt đề tài mà luận án chọn Đồng thời khẳng định tiềm đóng góp luận án cho ứng dụng khác lĩnh vực y sinh Kiến nghị Kết nghiên cứu thành cơng bước đầu, luận án cịn hạn chế cần tiếp tục nghiên cứu, phát triển triển khai thời gian tới, cụ thể: 111 (i) Mở rộng nghiên cứu nhằm tiếp tục cải thiện hiệu suất vi bơm theo ý tưởng sử dụng hai màng bơm PZT cho hai đáy buồng bơm Điện áp cung cấp cho hai màng bơm PZT hai nguồn điện có pha đối xứng đó, mặt lý thuyết, biên độ dao động thể tích tăng lên gấp lần so với cấu trúc ban đầu (ii) Nghiên cứu, hoàn thiện cấu trúc cảm biến điện dung hệ thống đo để đo định tính nồng độ dung dịch đầu kênh bơm (iii) Mở rộng nghiên cứu cấu trúc vi bơm theo chế phản hồi tuần hoàn phần lưu lượng chất lỏng đầu vi bơm để tự động điều chỉnh nồng độ trộn theo ý muốn 112 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN Luan Le Van, Cuong Nguyen Nhu, An Nguyen Ngoc, Tung Bui Thanh, Van Dau Thanh and Trinh Chu Duc (2017), “A valveless micropump based on additive fabrication technology”, The 6th International Workshop on Nanotechnology and Application - IWNA 2017, 08 -11 November 2017, Phan Thiet, Vietnam., 627–630 Cuong Nguyen Nhu, Luan Le Van, An Nguyen Ngoc, Lam Dang Bao, Trinh Chu Duc, Van Thanh Dau, Tung Bui Thanh (2018), “Performance evaluation of a PZT actuated valveless mixer”, The 22nd International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences November 11-15, 2018, Kaohsiung, Taiwan, 682- 685 Cuong Nguyen Nhu, Luan Le Van, An Nguyen Ngoc, Van Thanh Dau, Tung Thanh Bui, Chu Duc Trinh (2018), “A valveless micropump based on additive fabrication technology”, International Journal of Nanotechnology, Vol.15 No.11/12, pp.1010 – 1023 Luan L Van, Cuong N Nguyen, Tuan T Nguyen, Thien X Dinh, CanhDung Tran, Lam B Dang, Tung T Bui, Van T Dau, Trinh D Chu (2019), “LIQUID PUMPING AND MIXING BY PZT SYNTHETIC JET”, 2019 20th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems & Eurosensors XXXIII, pp 198-201 doi: 10.1109/TRANSDUCERS 2019.8808521 Luan Le Van, Tung Thanh Bui, Cuong Nguyen Nhu, An Nguyen Ngoc, Thien Xuan Dinh, Lam Bao Dang, Canh-Dung Tran, Trinh Chu Duc, Van Thanh Dau (2019), “Simulation and Experimental Study of a Synthetic Jet 113 Valveless Pump”, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol 25, no 3, Doi: 10.1109/TMECH.2019.2960332 Cuong Nguyen Nhu, Luan Le Van, Lam Bao Dang, Van Thanh Dau, Tung Thanh Bui, Trinh Chu Duc (2021), “3D Printed Micro nozzle-based Mixer with Integrated Capacitive Sensor toward High Precision Mixing Applications”, The 6th International Conference on Engineering Mechanics and Automation (ICEMA) 2021 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO Abhari, F., Jaafar, H and Md Yunus, N.A (2012) “A comprehensive study of micropumps technologies”, Int J Electrochem Sci., Vol 7, No 10, pp.9765–9780 Laser, D.J and Santiago, J.G (2004) “A review of micropumps”, J Micromech Microeng., Vol 14, No 6, June, pp R35–R64 D Juncker et al., “Autonomous microfluidic capillary system.,” Anal Chem., vol 74, no 24, pp 6139–44, Dec 2002 G.M Walker and D J Beebe, “A passive pumping method for microfluidic devices,” Lab Chip, vol 2, no 3, p 131, Aug 2002 P J Resto, B J Mogen, E Berthier, and J C Williams, “An automated microdroplet passive pumping platform for high-speed and packeted microfluidic flow applications,” Lab Chip, vol 10, no 1, pp 23–26, 2010 X Wang, J A Hagen, and I Papautsky, “Paper pump for passive and programmable transport,” Biomicrofluidics, vol 7, no 1, pp 1–11, 2013 Iverson, Brian D., and Suresh V Garimella "Recent advances in microscale pumping technologies: a review and evaluation." Microfluidics and nanofluidics 5.2 (2008): pp.145-174 Jakeway, S., de Mello, A & Russell, E “Miniaturized total analysis systems for biological analysis” Fresenius J Anal Chem, 2000, pp.525– 539 Sim, Woo Young, et al "A phase-change type micropump with aluminum flap valves." Journal of Micromechanics and Microengineering 13.2 (2003): 286 10 Avila, Raudel "Modeling programmable drug delivery in bioelectronics with electrochemical actuation." Proceedings of the National Academy of Sciences 118.11 (2021) 11 Suzuki, H.; Yoneyama, R “Areversible electrochemical nanosyringe pump and some considerations to realize low power consumption” Sens Actuators B 2002, 86, pp.242–250 115 12 Suzuki, H.; Yoneyama, R “Integrated microfluidic system with electrochemically actuated on-chip pumps and valves” Sens Actuators B 2003, 96, pp.38–45 13 Yoshimi, Y.; Shinoda, K.; Mishima, M.; Nakao, K.; Munekane, K “Development of an artificial synapse using an electrochemical micropump” J Artif Organs 2004, 7, pp.210–215 14 Kim, J.H.; Laua, K.T.; Shepherd, R.; Wu, Y.; Wallace, G.; Diamond, D “Performance characteristics of a polypyrrole modified polydimethylsiloxane (PDMS) membrane based microfluidic pump” Sens Actuators A 2008, 148, pp.239–244 15 X Geng, H Yuan, H Oguz, A Prosperetti, J Micromech Microeng., 11 (2001) 270 16 Tsai, J.H.; Lin, L.; “A Thermal Bubble Actuated Micro Nozzle-diffuser Pump” In Proceedings of 14th IEEE International Conference Microelectromechanical Systems, Interlaken, Switzerland, 21–25 January 2001; pp 409–412 17 Tsai, J.H.; Lin, L “Active microfluidic mixture and gas bubble filter driven by thermal bubble micropump” Sens Actuators A 2002, 97-98, 665–671 18 Lew, K.S.F.; Klaseboer, E.; Khoo, B.C “A collapsing bubble-induced micropump: An experimental study” Sens Actuators A 2007, 133, pp.161–172 19 Jung, J.Y.; Kwak, H.Y “Fabrication and testing of bubble powered micropumps using embedded microheater” Microfluid Nanofluid 2007, 3, pp 161–169 20 Cheng, C.M.; Liu, C.H “An Electrolysis-Bubble-Actuated micropump based on the roughness gradient design of hydrophobic surface” J Microelectromech Syst 2007, 16, pp 1095–1105 21 K.W Oh, in MEMS for Biomedical Applications, Woohead Publishing Limited, 2012 22 Yao S., Myers A M., Posner J D., Rose K A and Santiago J G., “Electroosmotic Pumps Fabricated From Porous Silicon Membranes”, 2006 Journal of Microelectro mechanical Systems, V 15, No 3, pp 717728 116 23 Paul P H., Arnold D and Rakestraw D J., “Electrokinetic generation of high pressures using porous microstructures”, 1998, Proc Micro Total Analysis Systems 1998 Banff, Canada, pp 49-52 24 P.A Davidson An introduction to MHD Cambridge University Press, 2001 25 Jang, J.; Lee, S.S “Theoretical and experimental study of MHD (magnetohydrodynamic) micropump” Sens Actuators A 2000, 80, 84–89 26 Kang, H.; Choi, B “Development of the MHD micropump with mixing function” Sens Actuators A 2010, 165, pp 439–445 27 Richter, Axel Dipl Ing and Hermann Sandmaier “An electrohydrodynamic micropump.” IEEE Proceedings on Micro Electromechanical Systems, An Investigation of Microstructures, Sensors, Actuators, Machines and Robots (1990): pp 99-104 28 Richter, A.; Sandmaier, H “An Electrohydrodynamic Micropump” In Proceedings of IEEE Microelectromechanical Systems, Napa Valley, CA, USA, 11–14 February 1990; pp 99–104 29 Fuhr, G.; Hagedorn, R.; Muller, T.; Benecke, W.; Wagner, B “Pumping of Water Solutions in Microfabricated Electrohydrodynamic Systems” In Proceedings of IEEE Micro Electromechanical Systems An Investigation of Microstructures, Sensors, Actuators, Machines and Robots MEMS, Travemunde, Germany, 4–7 February 1992; pp 25–30 30 Darabi, J.; Ohadi, M M.; DeVoe, D “An Electrohydrodynamic polarization micropump for electronic cooling” J Microelectromech Syst 2001, 10, pp 98–106 31 Darabi, J.; Rada, M.; Ohadi, M.; Lawler, J “Design, fabrication and testing of an electrohydrodynamic ion drag micropump” J Microelectromech Syst 2002, 11, pp 684–690 32 Ashraf MW, Tayyaba S, Afzulpurkar N “Micro Electromechanical Systems (MEMS) Based Microfluidic Devices for Biomedical Applications” Int J Mol Sci 2011;12(6):3648-704 33 Judy, J.W.; Tamagawa, T.; Polla, D.L “Surface-machined Micromechanical Membrane Pump” In Proceedings of the IEEE Micro 117 Electromechanical systems, Nara, Japan, 30 January–2 February 1991; pp 182–186 34 Zengerle, R.; Richter, A.; Sandmaier, H “A Micro Membrane Pump with Electrostatic Actuation” In Proceedings of Micro Electromechanical Systems 1992, An Investigation of Microstructures, Sensors, Actuators, Machines and Robot IEEE, Travemunde, Germany, 4–7 February 1992; pp 19–24 35 Cabuz, C.; Herb, W.R.; Cabuz, E.I.; Lu, S.T “The dual diaphragm pumps” In Proceedings of the 14th IEEE International Conference on Micro Electromechanical Systems, Interlaken, Switzerland, 21–25 January 2001; pp 519–522 36 Machauf, A.; Nemirovsky, Y.; Dinnar, U “A membrane micropump electrostatically actuated across the working fluid” J Micromech Microeng 2005, 15, 2309–2316 37 Lee, S.; Yee, S.Y.; Besharatian, A.; Kim, H.; Bernal, L.P.; Najafi, K “Adaptive gas pumping by colntrolled timing of active microvalves in peristaltic micropumps” In Proceedings of Transducers, Denver, CO, USA, 21–25 June 2009 38 Li, Liwei et al “Modeling of a micropump membrane with electrostatic actuator.” 2010 2nd International Conference on Advanced Computer Control (2010): pp 630-632 39 Cui, Qifeng, Chengliang Liu, and Xuan F Zha "Simulation and optimization of a piezoelectric micropump for medical applications." The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 36.5 (2008): pp.516-524 40 Van Lintel, H.T.G.; Van de Pol, F.C.M.; Bouwstra, S “A piezoelectric micropump based on micromachining of silicon” Sens Actuators A 1988, 15, pp.153–168 41 Esashi, M.; Shoji, S.; Nakano, “A Normally close microvalve and micropump fabricated on a silicon wafer” In Proceedings of IEEE Micro Electromechanical Systems, An Investigation of Microstructures, Sensors, Actuators Machines and Robots, Salt Lake City, UT, USA, 20–22 February 1989; pp 29–34 118 42 Koch, M.; Harris, N.; Evans, A.G.R.; White, N.M.; Brunnschweiler, A “A novel micromachined pump based on thick film piezoelectric actuation” Sens Actuators A 1998, 70, pp 98–103 43 Schabmueller, C.G.J.; Koch, M.; Mokhtari, M.E.; Evans, A.G.R.; Brunnschweiler, A.; Sehr, H “Self-aligning gas/liquid micropump” J Micromech Microeng 2002, 12, pp 420–424 44 Feng, G.H.; Kim, E.S “Piezoelectrically actuated dome-shaped diaphragm micropump” J Microelectromech Syst 2005, 14, pp 92–199 45 Geipel, A.; Doll, A.; Goldschmidtboing, F.; Jantscheff, P.; Esser, N.; Massing, U Woias, P “Pressure independent micropump with piezoelectric valves for low flow drug delivery systems” In Proceedings of 19th IEEE International Conference on Micro Electromechanical Systems, 2006, Istanbul, Turkey, 22–26 January 2006; pp 786–789 46 Trenkle, F.; Haeberle, S.; Zengerle, R “Normally closed peristaltic micropump with re-usable actuator and disposable fluidic chip” Procedia Chem 2009, 1, pp 1515–1518 47 Johari, J.; Yunas, J.; Yeopmajlis, B “Piezoeletric Micropump for Drug Delivery System Fabricated Using Two Optical Masks” Adv Mat Res 2009, 74, pp 279–282 48 Wang, C.; Leu, T.; Sun, J “Asymmetrical flow effect applied to pumping performance of simple duct channel” Sens Actuators A 2009, 155, pp 203–209 49 Liu, G.; Shen, C.; Yang, Z.; Cai, X.; Zhang, H “A disposable piezoelectric micropump with high performance for closed-loop insulin therapy system” Sens Actuators A 2010, 163, pp 291–296 50 P.-H Cazorla, O Fuchs, M Cochet, S Maubert, G Le Rhun, Y Fouillet, E Defay, “A low voltage silicon micro-pump based on piezoelectric thin films, Sens” Actuators A Phys 250 (2016) pp 35–39 51 H.K Ma, R.H Chen, Y.H Hsu “Development of a piezoelectric-driven miniature pump for biomedical applications” Sens actuators A Phys 234 (2015) pp 23–33 119 52 Z Zhang, J Kan, S Wang, H Wang, J Wen, Z Ma “Flow rate selfsensing of a pump with double piezoelectric actuators” Mech Syst Signal Process 41(2013) pp 639–648 53 F.C.M van de Pol, H.T.G van Lintel, M Elwenspoek, J.H.J Fluitman, “A thermopneumatic micropump based on micro-engineering techniques”, Sensor and Actuators A21-A23, (1990) pp 198-202 54 Van de Pol, F.C.M.; van Lintel, H.T.G.; Elwenspoek, M.; Fluitman, J.H.J “A thermopneumatic micropump based on microengineering techniques” Sens Actuators A 1990, 21, pp 198–202 55 Jeong, O.C.; Yang, S.S “Fabrication and test of a thermopneumatic micropump with a corrugated diaphragm” Sens Actuators 2000, 83, pp 249–255 56 Cooney, C.G.; Towe, B.C “A thermopneumatic dispensing micropump Sens” Actuators A 2004, 116, pp 519–524 57 Kim, J.H.; Na, K.H.; Kang, C.J.; Kim, Y.S “A disposable thermopneumatic actuated micropump stacked with PDMS layers and ITO coated glass”, Sens Actuators A 2005, 120, pp 365–369 58 Jeong, O.C.; Konishi, S “Fabrication of a peristaltic micro pump with novel cascaded actuators” J Micromech Microeng 2008, 18, 025022 59 N Maluf, K Williams, Introduction to microelectromech s eng., Artech house publishers, (2004) 60 Zheng, W.; Ahn, C.H “A Bi-directional Magnetic Micropump on a Silicon Wafer” In Proceedings of Technical Digest Solid-State Sensor and Actuator Workshop 1996, Hilton Head Island, SC, USA, 3–6 June 1996 61 Bohm, S.; Olthuis, W.; Bergveld, P “A plastic micropump constructed with conventional techniques and materials” Sens Actuators A 1999, 77, pp 223–228 62 Gong, Q.; Zhou, Z.; Yang, Y.; Wang, X “Design, optimization and simulation on microelectromagnetic pump” Sens Actuators A 2000, 83, 200–207 63 Yamahata, C.; Lotto, C.; Al Assaf, E.; Gijs, M.A.M “A PMMA valveless micropump using electromagnetic actuation Microfluid” Nanofluid 2005, 1, pp 197–207 120 64 Su, Y.; Chen, W.; Cui, F.; Zhang, W “Analysis and fabrication process of an electromagnetically actuated valveless micropump with two parallel flexible diaphragms” Proc IMechE 2005, 219, pp 1007–1014 65 Balaji, G.; Singh, S.; Ananthasuresh, G.K “Electro-magnetically Actuated Minute Polymer Pump Fabricated using Pakaging Technology” J Phys 2006, 34, pp 258–263 66 Yu-feng, S.U.; Wen-yuan, C.; Feng, C.; Wei-ping, Z “Design and fabrication process of electromagnetically actuated valveless micropump with two parallel flexible diaphragms” J Shanghai Univ 2007, 11, 79– 83 67 Al-Halhouli, A.T.; Kilani, M.I.; Büttgenbacha, S “Development of a novel electromagnetic pump for biomedical applications” Sens Actuators A 2010, 162, pp 172–176 68 Uvarov, I.V.; Shlepakov, P.S.; Melenev, A.E.; Ma, K.; Svetovoy, V.B.; Krijnen, G.J.M “A Peristaltic Micropump Based on the Fast Electrochemical Actuator: Design, Fabrication, and Preliminary Testing” Actuators 2021, 10, 62 https://doi.org/10.3390/act10030062 69 Tuo Ma, Shixin Sun, Baoqing Li, Jiaru Chu “Piezoelectric peristaltic micropump integrated on a microfluidic chip Sensors and Actuators A Physical” Pub Date: 2019-04-08, DOI: 10.1016/j.sna.2019.04.005 70 B Pecar, ˇ D Krizaj, ˇ D Vrtacnik, ˇ D Resnik, T Dolzan, ˇ M Mozek, ˇ “Piezoelectric peristaltic micropump with a single actuator”, J Micromech Microeng 24 (2014) 105010 71 P C Sousa, F T Pinho, M S N Oliveira, and M A Alves, “Efficient microfluidic rectifiers for viscoelastic fluid flow,” J Nonnewton Fluid Mech., vol 165, no 11–12, pp 652–671, 2010 72 E Stemme and G Stemme, “A valveless diffuser/nozzle-based fluid pump,” Sensors Actuators A Phys., vol 39, no 2, pp 159–167, 1993 73 White, F M.: 1986 Fluid Mechanics McGrawHill, New York 74 Olsson, A., Stemme, G., Stemme, E.: “Diffuserelement design investigation for valve-less pumps” Sensors and Actuators A 1996, 57:137-143 75 F S Chandika and S R Asokan, “Performance elaluation of flat walled diffuser/nozzle” Journal of Electrical Engineering 2012 pp 139 -150 121 76 Olsson, A.; Stemme, G.; Stemme, E “A valve-less planar fluid pump with two pump chambers”, Sens Actuators A 1995, 47, pp 549–556 77 S Bhattacharjee, R B Mishra, D Devendra, and A M Hussain, "Simulation and Fabrication of Piezoelectrically Actuated Nozzle/Diffuser Micropump," 2019 IEEE SENSORS, 2019, pp 1-4 78 Chandika, S & Ramasamy, Asokan (2011) “Simulation and Optimization of Diffuser/Nozzle Micropump” Sensors & Transducers Joural, Vol 135, Issue 12, pp.146-154 79 Yang, Kai Shing & Chao, Tzu-Feng & Chen, Ing & Wang, Chi-Chuan & Shyu, Jin-Cherng (2012) “A Comparative Study of Nozzle/Diffuser Micropumps with Novel Valves” Molecules (Basel, Switzerland) 17 2178-87 10.3390/molecules17022178 80 Uvarov, Ilia & Lemekhov, S & Melenev, Artem & Naumov, V & Koroleva, O & Izyumov, M & Svetovoy, V (2016) “A simple electrochemical micropump: Design and fabrication” Journal of Physics: Conference Series 741 012167 10.1088/1742-6596/741/1/012167 81 Nafea, Marwan & Mohamed Ali, Mohamed Sultan & Rehman, Tariq & Mehranzamir, Kamyar (2019) “Geometrical Analysis of Diffuser-Nozzle Elements for Valveless Micropumps”.1-5 10.1109/ICSIMA47653 82 Vandenberg, A.; Wille, K “Evaluation of resonance acoustic mixing technology using ultra high-performance concrete” Constr Build Mater 2018, 164, pp 716–730 83 Hin, S.; Paust, N.; Keller, M.; Rombach, M.; Strohmeier, O.; Zengerle, R.; Mitsakakis, K “Temperature change rate actuated bubble mixing for homogeneous rehydration of dry pre-stored reagents in centrifugal microfluidics” Lab Chip 2018, 18, pp 362–370 84 Campos Domínguez, C.; Gamse, T “Process intensification by the use of micro devices for liquid fractionation with supercritical carbon dioxide” Chem Eng Res Des 2016, 108, pp 139–145 85 Salmanzadeh, A.; Shafiee, H.; Davalos, R.V.; Stremler, M.A “Microfluidic mixing using contactless dielectrophoresis” Electrophoresis 2011, 32, 2569–2578 86 Hayes, B.; Hayes, A.; Rolleston, M.; Ferreira, A.; Krisher, J “Pulsatory mixing of laminar flow using bubble-driven micropumps” In Proceedings of the International Mechanical Engineering Congress and Exposition, Pittsburgh, PA, USA, 9–15 November 2018; p V007T09A091 122 87 Yang, F.; Kuang, C.; Zhao, W.; Wang, G “AC electrokinetic fast mixing in non-parallel microchannels” Chem Eng Commun 2017, 204, pp.190– 197 88 Pelcová, M.; Rem ˇ ínek, R.; Sandbaumhüter, F.A.; Mosher, R.A.; Glatz, Z.; Thormann, W “Simulation and experimental study of enzyme and reactant mixing in capillary electrophoresis based on-line methods” J Chromatogr A 2016, 1471, pp.192–200 89 Rashidi, S.; Bafekr, H.; Valipour, M.S.; Esfahani, J.A “A review on the application, simulation, and experiment of the electrokinetic mixers” Chem Eng Process Process Intensif 2018, 126, pp 108–122 90 Shanko, E., van de Burgt, Y., Anderson, P., & den Toonder, J (2019) “Microfluidic magnetic mixing at low reynolds numbers and in stagnant fluids” Micromachines https://doi.org/10.3390/mi10110731 91 Charmiyan, M.; Moaveni, A “Optimization of an active electrokinetic micromixer based on the number and arrangement of microelectrodes” J Appl Fluid Mech 2018, 11, 1531–1541 92 Wang, X.; Ma, X.; An, L.; Kong, X.; Xu, Z.; Wang, J “A pneumatic micromixer facilitating fluid mixing at a wide range flow rate for the preparation of quantum dots” Sci China Chem 2013, 56, pp.799–805 93 Lee, Y.-K.; Deval, J.; Tabeling, P.; Ho, C.M “Chaotic mixing in electrokinetically and pressure driven micro flows In Technical Digest” Proceedings of the 14th IEEE International Conference on Micro Electromechanical Systems (MEMS 2001) (Cat No.01CH37090), Interlaken, Switzerland, 26 January 2001; IEEE: Piscataway, NJ, USA, 2001; pp 483–486 94 Surdo, S.; Diaspro, A.; Duocastella, M “Micromixing with sparkgenerated cavitation bubbles” Microfluid Nano fluidics 2017, pp.1–10 95 Shilton, R.J.; Yeo, L.Y.; Friend, J.R “Quantification of surface acoustic wave induced chaotic mixing-flows in microfluidic wells” Sensors Actuator B Chem 2011, 160, pp.1565–1572 96 Nerem, R.M Shear force and its effect on cell structure and function ASGSB Bull 1991, 4, pp.87–94 97 Wiklund, M Acoustofluidics 12: “Biocompatibility and cell viability in microfluidic acoustic resonators” Lab Chip 2012, 12, 2018–2028 123 98 99 Hejazian, M.; Nguyen, N.T “A rapid magnetofluidic micromixer using diluted ferrofluid” Micromachines 2017, 8, 37 Ober, T.J.; Foresti, D.; Lewis, J.A “Active mixing of complex fluids at the microscale” Proc Natl Acad Sci USA 2015, 2015, 2–7 100 Fiorini, G S and D T Chiu 2005 "Disposable microfluidic devices: fabrication, function, and application." Biotechniques no 38 (3):429-46 101 Yong He, Yan Wu, Jian-zhong Fu, Qing Gao and Jing-jiang Qiu "Developments of 3D printing Microfluidics and Applications in Chemistry and Biology: a Review", in Electroanalysis vol 28, pp.1-22, 2016 102 Samuel K Sia and George M Whitesides “Microfluidic devices fabricated in poly(dimethylsiloxane) for biological studies” Electrophoresis 2003, 24, 3563–3576 103 Kawun, P., Leahy, S and Lai, Y (2016) “A thin PDMS nozzle/diffuser micropump for biomedical applications”, Sens Actuators, A, Vol 249, pp.149–154 104 Stemme, E and Stemme, G (1993) “A valveless diffuser/nozzle-based fluid pump”, Sens Actuators, A, Vol 39, No 2, pp.159–167 105 Y Poplavko and Y Yakymenko, “Piezoelectricity in Functional Dielectrics for Electronics” Elsevier, 2020, pp 161–216 106 Richard Buchner, Glenn T Hefter, and Peter M May, “Dielectric Relaxation of Aqueous NaCl Solutions” The Journal of Physical Chemistry A 1999 103 (1), pp 1-9 107 https://www.murata.com/en-us/products/productdetail?partno=7BB-206C [Accessed: 15-Mar-2018] 108 “FDC2x1x EMI-Resistant 28-Bit,12-Bit Capacitance-to-Digital Converter for Proximity and Level Sensing Applications” [Online] Available: https://www.ti.com/product/FDC2214 [Accessed: 25-Mar-2018] 109 Shi, Zhipeng, and Yi Wan " A Color-to-Gray Conversion Based on Visual Feature Extraction of JND" Progress in Informatics and Computing (PIC), 2016 International Conference on, IEEE 19 Jun 2017 110 Lee, Y K.; Tabeling, P.; Shih, C.; et al «Characterization of a MEMSFabricated Mixing Device” In Proceedings of Microelectromechanical Systems (MEMS), Orlando, FL, Nov 5–10, 2000; ASME International: Conshohocken, PA, 2000; pp 505–511 124 111 112 Takasago fluidics micropump, “Piezoelectric Micro Pump - Takasago Fluidic Systems.” [Online] Available: http://www.takasagofluidics.com/products/products_pump/transfer/ [Accessed: 09-Sep-2018] Curie Jet Micropump, “CurieJet® Liquid/Gas Micro Pump: Micro Fluidics Pump, Micropump.” [Online] Available: https://www.curiejet.com/en/product/micro-pump/piezo-electric-liquidmicropump [Accessed: 22-Sep-2022] 113 A.F Doll, M Wischke, A Geipel, F Goldschmidtboeing, O Ruthmann, U.T Hopt, H.-J Schrag, P Woias, “A novel artificial sphincter prosthesis driven by a four-membrane silicon micropump”, Sens Actuators A Phys 139 (2007) pp.203–209 114 J Li and D A Barrow, “A new droplet-forming fluidic junction for the generation of highly compartmentalised capsules,” Lab Chip, vol 17, no 16, pp 2873–2881, 2017 115 Vladimír, Kutiš, Juraj, Paulech, Gálik, Gálik and Justín, Murín "Piezoelectric Beam Finite Element Model and Its Reduction and Control", Strojnícky časopis - Journal of Mechanical Engineering, vol.71, no.1, 2021, pp.87-106 116 Action Nechibvute, Albert Chawanda, Pearson Luhanga, "Finite Element Modeling of a Piezoelectric Composite Beam and Comparative Performance Study of Piezoelectric Materials for Voltage Generation", International Scholarly Research Notices, vol 2012, Article ID 921361, 11 pages, 2012 Https://doi.org/10.5402/2012/921361 117 Xuling Liu, Duanqin Zhang, Jie Liu, Liangwen Wang, Songjing Li, “RGB Color Model Analysis for a Simple Structured Polydimethylsiloxane Pneumatic Micromixer”, SLAS Technology, Volume 26, Issue 5, 2021, Pages 510-518 118 J Kocbach, P Lunde, and M Vestrheim, “Tables of resonance frequencies for disks of PZT-5A, PZT-5H, Pb (ZrTi)O3 and PbTiO3.” 2000 119 “Glycerol-Water Mixture, Physical properties of glycerine and its solutions” [Online] Available: http://www.aciscience.org/docs/physical_properties_of_glycerine_and_it s_solutions.pdf [Accessed: 22-Sep-2022] 125