LITERATURE REVIEW : PIEZOELECTRIC ACTUATOR
2 Cấu tạo hệ thống
Một micropump cho mục đích phân phối thuốc bao gồm buồng, bộ truyền động, bộ khuếch tán và một loạt các kim siêu nhỏ như được mơ tả trong hình dưới.
Hình 33 Thiết kế đề xuất của bộ micropump[9]
Thiết kế được đề xuất bao gồm hai khoang, trong đó thuốc được duy trì. Thuốc được đưa vào buồng 1 thơng qua đầu vào và sau đó nó được đưa đến buồng 2 bằng cách sử dụng kỹ thuật tác động áp điện trên thiết bị truyền động được đặt trên các buồng.
Thuốc được đưa vào buồng 2 qua bộ khuếch tán. Hoạt động của bộ vi khuếch đại chủ yếu phụ thuộc vào bộ truyền động. Khi điện áp được đặt trên thiết bị truyền động áp điện được đặt trên buồng 1, nó sẽ bị dịch chuyển và uốn cong xuống dưới. Điều này tạo ra áp suất trong khoang đẩy thuốc vào khoang 2 thông qua bộ khuếch tán được kết nối với nhau. Tương tự, bộ truyền động có mặt trên đỉnh của buồng 2 cũng được cung cấp bởi điện áp gây ra sự lệch hướng trong đó và làm cho thuốc đi vào một dãy các kim siêu nhỏ được kết nối với nó. Do đó, thuốc được đưa vào cơ thể bệnh nhân thông qua các kim siêu nhỏ này với số lượng cần thiết và không gây đau đớn.
2.1 Cơ cấu chấp hành được đề xuất
Bộ truyền động là trái tim của micropump. Kỹ thuật truyền động được sử dụng ở đây là kỹ thuật truyền động áp điện.
Có nhiều kỹ thuật truyền động khác nhau cho các thiết bị MEMS (tĩnh điện, áp điện, quang nhiệt, từ, từ động và truyền động hóa học) . Trong bộ truyền động áp điện, bộ truyền động áp điện bị dịch chuyển theo phương điện tử. Bằng cách này, lực cao có thể đạt được ở điện áp thấp hơn khi kích hoạt từ tính là một q trình phức tạp. Kích hoạt nhiệt thường được sử dụng để kích hoạt nhiệt hai chiều đòi hỏi nhiều năng lượng hơn và cũng nhạy cảm với nhiệt độ. Kỹ thuật điện trở Piezo khơng thể hịa hợp với những thay đổi nhiệt độ của cơ thể bệnh nhân. Trong tất cả, truyền động áp điện là kỹ thuật phù hợp nhất cho các thiết bị y tế sinh học.
2.2 Nguyên Lý hoạt động
Bộ truyền động được đặt trên cả hai khoang của hệ thống tư thế chuyên nghiệp. Nó bao gồm một màng ngăn và một lớp áp điện. Một lớp mỏng của vật liệu áp điện được đặt trên một màng ngăn tạo thành một bộ truyền động áp điện như thể hiện trong hình 34
Hình 34 sơ đồ của bộ truyền áp điện[9]
Khi điện thế được đặt lên bề mặt trên của lớp áp điện, nó sẽ bị biến dạng làm cho lớp liên kết của màng ngăn bị lệch xuống phường. Điều này tạo ra áp suất bên trong buồng chứa thuốc. Áp suất phát triển làm cho thuốc chảy từ buồng 1 sang buồng 2 qua bộ khuếch tán.
Tương tự như vậy, một thiết bị truyền động áp điện khác được đặt trên buồng 2. Việc áp dụng điện áp làm cho thuốc đi vào dãy các kim siêu nhỏ được kết nối với nó. Điều này đánh dấu việc đưa thuốc vào cơ thể bệnh nhân một cách hiệu quả (Hình 35).
Hình 35 mặt bên của bộ tryền động[9]
Cơ cấu chấp hành khơng chỉ được coi là hình trịn mà cịn có dạng hình chữ nhật như trong Hình 0.5. Cơ cấu chấp hành hình chữ nhật được đặt trên khoang hình chữ nhật trong khi hình trịn trên được đặt trên khoang hình trịn.
Hình 36 cơ cấu áp điện hình chữ nhật[9]
Độ dày của màng áp điện phải mỏng để độ dịch chuyển là lớn nhất. Tỷ lệ độ dày của lớp áp điện và màng ngăn ảnh hưởng đến tỷ lệ độ dày. Tỷ lệ độ dày phải là tối thiểu để độ võng là lớn nhất. Bảng 1 và 2 minh họa kích thước của bộ truyền động áp điện cho cả bộ truyền động hình trịn và hình chữ nhật.
20 20 20 20
Bảng 1 kích thước của bộ truyền động hình trịn[9]
Độ dày màng ngăn µm 50
50 50 50
Bảng 2 kích thước của bộ truyền động hình chữ nhật[9] 2.3 Phương trình tốn học
Sự dịch chuyển của cơ cấu chấp hành áp điện bao gồm hai lớp, màng ngăn và lớp áp điện có thể được ước tính về mặt lý thuyết với Eq
Trong đó
E
Ct=s11
t dp= tp , t plà độ dày của lớp áp điện,t d :là độ dày lớp màng ngăn t d
u p :là hệ số poisson của lớp áp điện
ud :là hệ số poisson của lớp màng ngăn
Vp là điện áp trên lớp áp điện
d33là hằng số điện tích của lớp áp điện r plà bán kính của lớp màng ngăn
Hiệu ứng áp điện đối nghịch được đưa ra trong phương trình.
Hình 37 biểu diễn sơ đồ của hiệu ứng áp điện ngược[9]
2.4 Lựa chọn vật liệu
Việc lựa chọn vật liệu cho bộ truyền động đóng một vai trị quan trọng trong việc kích hoạt bộ truyền động điện áp. Thơng thường, vật liệu PZT (chì zirconate titanate) được sử dụng để gây ra biến dạng trong bộ truyền động. Tuy nhiên thành phần chính của vật liệu PZT là chì là chất độc hại và khơng thích hợp trong hoạt động y tế. Vì vậy ta cần tìm các các giải pháp thay thế cho vật liệu ZPT. Bari titanate, Lithium niobate, Polyvinylidene fluoride, gốm sứ KNN là những vật liệu phù hợp khơng chứa chì và là vật liệu áp điện vơ hại
Hình 38 tính chất của gốm áp điện và gốm thay thế.[9]
Vì Bari titanate có hằng số điện mơi và hằng số điện tích áp điện cao hơn so với các loại gốm sứ khác ngồi vật liệu PZT. Do đó, bari titanat được coi là lớp áp điện của thiết bị truyền động. Đối với đường kính của thiết bị truyền động, vật liệu PDMS (polydimethylsiloxan) được xem xét. PDMS là một polyme thường được sử dụng trong
các thiết bị vi lỏng. Nó cũng đơn giản trong q trình chế tạo các thiết bị Microfluidic vì các phẩm chất của nó như tính tương thích sinh học, khơng độc, khơng cháy, tính trơ với hóa chất, khả năng xuyên quang. Nó phù hợp với các loại thuốc, dung mơi hữu cơ. Ưu điểm chính của PDMS là khả năng liên kết với các vật liệu khác và không gây độc cho tế bào.