Microbomba

Las microbombas son dispositivos que pueden controlar y manipular pequeños volúmenes de fluidos. [3] Aunque cualquier tipo de bomba pequeña a menudo se denomina microbomba , una definición más precisa restringe este término a bombas con dimensiones funcionales en el rango de micrómetros. Estas bombas son de especial interés en la investigación de microfluidos y han estado disponibles para la integración de productos industriales en los últimos años. Su tamaño total miniaturizado, su costo potencial y su precisión de dosificación mejorada en comparación con las bombas en miniatura existentes alimentan el creciente interés por este tipo innovador de bomba.

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Un tubo de Ti – Cr – Pt (~ 40 μm de largo) libera burbujas de oxígeno cuando se sumerge en peróxido de hidrógeno (descomposición catalítica). Se añadieron esferas de poliestireno (1 µm de diámetro) para estudiar la cinética de flujo. [1]
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Microbomba electroquímica que activa el flujo de sangre humana a través de una tubería de 50 × 100 μm. [2]

Tenga en cuenta que el texto a continuación es muy incompleto en términos de proporcionar una buena descripción general de los diferentes tipos y aplicaciones de microbombas y, por lo tanto, consulte los buenos artículos de revisión sobre el tema. [4] [5] [6]

Las primeras microbombas verdaderas se informaron a mediados de la década de 1970, [7] pero atrajeron interés solo en la década de 1980, cuando Jan Smits y Harald Van Lintel desarrollaron microbombas MEMS . [8] La mayor parte del trabajo fundamental de las microbombas MEMS se realizó en la década de 1990. Más recientemente, se han realizado esfuerzos para diseñar microbombas no mecánicas que sean funcionales en ubicaciones remotas debido a que no dependen de la energía externa.

Un diagrama que muestra cómo se pueden usar tres microválvulas en serie para desplazar el fluido. En el paso (A), se extrae fluido de la entrada a la primera válvula. Los pasos (B) - (E) mueven el fluido a la válvula final, antes de que el fluido sea expulsado hacia la salida en el paso (F).

Dentro del mundo de los microfluidos, las leyes físicas cambian su apariencia. [9] Como ejemplo, las fuerzas volumétricas, como el peso o la inercia, a menudo se vuelven insignificantes, mientras que las fuerzas superficiales pueden dominar el comportamiento fluídico, [10] especialmente cuando hay presencia de gas en líquidos. Con solo unas pocas excepciones, las microbombas se basan en principios de microactivación, que razonablemente se pueden escalar solo hasta un cierto tamaño.

Las microbombas se pueden agrupar en dispositivos mecánicos y no mecánicos. [11] Los sistemas mecánicos contienen partes móviles, que generalmente son membranas o aletas de accionamiento y microválvulas . La fuerza impulsora se puede generar utilizando efectos piezoeléctricos , [12] electrostáticos , termoneumáticos, neumáticos o magnéticos . Las bombas no mecánicas funcionan con generación de flujo electrohidrodinámico , electro-osmótico , electroquímico [13] o ultrasónico , solo por nombrar algunos de los mecanismos de actuación que se estudian actualmente.

Microbombas mecánicas

Microbombas de diafragma

Una microbomba de diafragma utiliza el accionamiento repetido de un diafragma para impulsar un fluido. La membrana se coloca encima de una válvula de bomba principal, que se centra entre las microválvulas de entrada y salida . Cuando la membrana se desvía hacia arriba a través de alguna fuerza impulsora, el fluido se introduce en la válvula de entrada hacia la válvula de la bomba principal. Luego se baja la membrana, expulsando el fluido a través de la válvula de salida. Este proceso se repite para bombear fluido de forma continua. [5]

Microbombas piezoeléctricas

La microbomba piezoeléctrica es uno de los tipos más comunes de bombas de diafragma alternativo de desplazamiento. Las microbombas de accionamiento piezoeléctrico se basan en la propiedad electromecánica de la cerámica piezoeléctrica para deformarse en respuesta al voltaje aplicado. El disco piezoeléctrico unido a la membrana provoca la deflexión del diafragma impulsada por el campo eléctrico axial externo expandiendo y contrayendo así la cámara de la microbomba. [14] Esta tensión mecánica da como resultado una variación de presión en la cámara, lo que provoca la entrada y salida del fluido. El caudal está controlado por el límite de polarización del material y el voltaje aplicado en el piezo. [15] En comparación con otros principios de actuación, la actuación piezoeléctrica permite un alto volumen de carrera, una alta fuerza de actuación y una respuesta mecánica rápida, aunque requiere un voltaje de actuación comparativamente alto y un procedimiento de montaje complejo de la cerámica piezoeléctrica. [8]

La microbomba piezoeléctrica más pequeña con unas dimensiones de 3,5 x 3,5 x 0,6 mm 3 fue desarrollada por Fraunhofer EMFT [16], la organización de investigación de renombre mundial que se centra en las tecnologías MEMS y Microsystem . La microbomba consta de tres capas de silicio, una de las cuales, como diafragma de la bomba, confina la cámara de la bomba desde arriba, mientras que otras dos representan el chip de la válvula central y el chip de la válvula inferior. Las aberturas de las válvulas de charnela pasivas en la entrada y la salida están orientadas de acuerdo con la dirección del flujo. El diafragma de la bomba se expande con la aplicación de un voltaje negativo al piezo, creando así una presión negativa para succionar el fluido hacia la cámara de la bomba. Mientras que el voltaje positivo, viceversa, impulsa el diafragma hacia abajo, lo que resulta en una sobrepresión que abre la válvula de salida y hace que el fluido salga de la cámara.

Rendimiento de contrapresión de microbomba accionada por piezoeléctrico de silicio de 3,5x3,5 mm 2
Las aberturas de las válvulas de charnela pasivas en la entrada y la salida están orientadas de acuerdo con la dirección del flujo. El diafragma de la bomba se expande con la aplicación de un voltaje negativo al piezo, creando así una presión negativa para succionar el fluido hacia la cámara de la bomba en el modo de suministro. Mientras que el voltaje positivo baja el diafragma, lo que resulta en la apertura de la válvula de salida debido a la sobrepresión en el modo de bomba.


Actualmente, la tecnología de microbomba mecánica utiliza ampliamente procesos de micromecanizado basados ​​en silicio y vidrio para la fabricación. Entre los procesos de microfabricación comunes, se pueden nombrar las siguientes técnicas: fotolitografía, grabado anisotrópico , micromecanizado de superficies y micromecanizado de silicio a granel. [15] El micromaquinado de silicio tiene numerosas ventajas que facilitan la tecnología extendida en aplicaciones de alto rendimiento como, por ejemplo, en la administración de fármacos. [8] Por tanto, el micromecanizado de silicio permite una alta precisión geométrica y una estabilidad a largo plazo, ya que las piezas mecánicamente móviles, por ejemplo, las trampillas de válvulas, no presentan desgaste ni fatiga. Como alternativa a los materiales basados ​​en polímeros de silicio como PDMS , PMMA, PLLA, etc., se pueden utilizar debido a su resistencia superior, propiedades estructurales mejoradas, estabilidad y bajo costo. Las microbombas de silicio de Fraunhofer EMFT se fabrican mediante tecnología de micromecanizado de silicio. [17] Tres obleas de silicio monocristalino (100 orientadas) se estructuran mediante litografía de doble cara y se graban mediante grabado en húmedo de silicio (utilizando una solución de hidróxido de potasio KOH). La conexión entre las capas de obleas estructuradas se realiza mediante unión por fusión de silicio. Esta tecnología de unión necesita superficies muy lisas (rugosidad inferior a 0,3 nm) y temperaturas muy altas (hasta 1100 ° C) para realizar una unión directa silicio-silicio entre las capas de la oblea. La ausencia de la capa de unión permite la definición de los parámetros de diseño de la bomba vertical. Además, la capa de unión puede verse afectada por el medio bombeado.

La relación de compresión de la microbomba como uno de los indicadores de rendimiento crítico se define como la relación entre el volumen de carrera, es decir, el volumen de fluido desplazado por la membrana de la bomba durante el curso del ciclo de la bomba, y el volumen muerto, es decir, el volumen mínimo de fluido restante. en la cámara de la bomba en modo de bombeo. [14]

La relación de compresión define la tolerancia a las burbujas y la capacidad de contrapresión de las microbombas. Las burbujas de gas dentro de la cámara dificultan el funcionamiento de la microbomba ya que debido a las propiedades de amortiguación de las burbujas de gas, los picos de presión (∆P) en la cámara de la bomba disminuyen, mientras que debido a las propiedades de la superficie aumenta la presión crítica (∆P crit ) que abre las válvulas pasivas. [18] La relación de compresión de las microbombas Fraunhofer EMFT alcanza el valor 1, lo que implica capacidad de autocebado y tolerancia a las burbujas incluso en condiciones de presión de salida difíciles. Se logra una gran relación de compresión gracias a la técnica especial patentada de montaje piezoeléctrico, cuando se aplica voltaje eléctrico en los electrodos en la parte superior e inferior de la cerámica piezoeléctrica durante el proceso de curado del adhesivo utilizado para el montaje piezoeléctrico. La reducción considerable del volumen muerto como resultado de los actuadores predeflexionados junto con las alturas de la cámara de la bomba fabricadas poco profundas aumenta la relación de compresión.

Microbombas peristálticas

Una microbomba peristáltica es una microbomba compuesta por al menos tres microválvulas en serie. Estas tres válvulas se abren y cierran secuencialmente para extraer fluido de la entrada a la salida en un proceso conocido como peristaltismo. [19]

Microbombas no mecánicas

Microbombas sin válvula

Las válvulas estáticas se definen como válvulas que tienen geometría fija sin partes móviles. Estas válvulas proporcionan rectificación del flujo mediante la adición de energía (activa) o induciendo el comportamiento de flujo deseado por inercia del fluido (pasivo). Los dos tipos más comunes de válvulas pasivas de geometría estática son los elementos difusor-boquilla [20] [21] y las válvulas Tesla. Las microbombas que tienen elementos de boquilla-difusor como dispositivo de rectificación de flujo se conocen comúnmente como microbombas sin válvula.

Bombas capilares

En microfluidos, el bombeo capilar juega un papel importante porque la acción de bombeo no requiere potencia de actuación externa. Los capilares de vidrio y los medios porosos, incluidos el papel de nitrocelulosa y el papel sintético, [22] pueden integrarse en chips de microfluidos. El bombeo capilar se utiliza ampliamente en las pruebas de flujo lateral. Recientemente, se desarrollaron nuevas bombas capilares, con un caudal de bombeo constante independiente de la viscosidad del líquido y la energía superficial, [23] [24] [25] [26] , que tienen una ventaja significativa sobre la bomba capilar tradicional (de las cuales el El comportamiento del flujo es el comportamiento de Washburn, es decir, el caudal no es constante) porque su rendimiento no depende de la viscosidad de la muestra.

Bombas de propulsión química

Se han fabricado bombas no mecánicas accionadas químicamente mediante la fijación de nanomotores a las superficies, lo que impulsa el flujo de fluido a través de reacciones químicas. Existe una amplia variedad de sistemas de bombeo que incluyen bombas biológicas basadas en enzimas, [27] [28] [29] [30] [31] [32] bombas de fotocatalizador orgánico [33] y bombas de catalizador de metal. [30] [34] Estas bombas generan flujo a través de varios mecanismos diferentes que incluyen la autodifusioforesis, la electroforesis, la propulsión de burbujas y la generación de gradientes de densidad. [28] [31] [35] Además, estas microbombas de propulsión química se pueden utilizar como sensores para la detección de agentes tóxicos. [29] [36]

Bombas de luz

Otra clase de bombeo no mecánico es el bombeo con luz. [37] [38] Ciertas nanopartículas pueden convertir la luz de una fuente UV en calor, lo que genera un bombeo convectivo. Este tipo de bombas son posibles con nanopartículas de dióxido de titanio y la velocidad de bombeo puede controlarse tanto por la intensidad de la fuente de luz como por la concentración de partículas. [39]

Las microbombas tienen aplicaciones industriales potenciales, como el suministro de pequeñas cantidades de pegamento durante los procesos de fabricación y aplicaciones biomédicas, incluidos los dispositivos de suministro de fármacos portátiles o implantados. Las aplicaciones bioinspiradas incluyen una microbomba electromagnética flexible que utiliza elastómero magnetorreológico para reemplazar los vasos linfáticos . [40] Las microbombas de propulsión química también demuestran su potencial para aplicaciones en la detección química en términos de detección de agentes de guerra química y peligros ambientales, como el mercurio y el cianuro. [29]

Considerando el estado actual de la contaminación del aire, una de las aplicaciones más prometedoras para las microbombas radica en la mejora de los sensores de gas y partículas para monitorear la calidad del aire personal. Gracias a la tecnología de fabricación MEMS, los sensores de gas basados ​​en MOS , NDIR , principios electroquímicos podrían miniaturizarse para adaptarse a dispositivos portátiles, así como a teléfonos inteligentes y dispositivos portátiles. La aplicación de la microbomba piezoeléctrica Fraunhofer EMFT reduce el tiempo de reacción del sensor hasta 2 segundos mediante un muestreo rápido del aire ambiente. [41] Esto se explica por la rápida convección que tiene lugar cuando la microbomba impulsa el aire hacia el sensor, mientras que en ausencia de la microbomba debido a la lenta difusión, la respuesta del sensor se retrasa durante varios minutos. La alternativa actual a la microbomba, el ventilador, tiene numerosos inconvenientes. No se puede lograr una presión negativa sustancial, el ventilador no puede superar la caída de presión en el diafragma del filtro. Además, las moléculas y partículas de gas pueden volver a adherirse fácilmente a la superficie del sensor y su alojamiento, lo que con el tiempo da como resultado una deriva del sensor.

Además, la microbomba incorporada facilita la regeneración del sensor y, por lo tanto, resuelve los problemas de saturación al expulsar las moléculas de gas de la superficie del sensor. El análisis de la respiración es un campo de uso relacionado para el sensor de gas que está habilitado por microbomba. Micropump puede avanzar en el diagnóstico y monitoreo remoto del tracto gastrointestinal y enfermedades pulmonares, diabetes, cáncer, etc. por medio de dispositivos portátiles dentro de los programas de telemedicina .

La prometedora aplicación de las microbombas MEMS radica en los sistemas de administración de fármacos para la diabetes, tumores, hormonas, dolor y terapia ocular en forma de parches ultrafinos, administración dirigida dentro de sistemas implantables o píldoras inteligentes . Las microbombas piezoeléctricas MEMS pueden reemplazar las bombas peristálticas o de jeringa tradicionales para la inyección de drogas intravenosa , subcutánea , arterial u ocular. La aplicación de administración de fármacos no requiere velocidades de flujo altas, sin embargo, se supone que las microbombas son precisas en la administración de pequeñas dosis y demuestran un flujo independiente de la contrapresión. [15] Debido a la biocompatibilidad y el tamaño en miniatura, se puede implantar una microbomba piezoeléctrica de silicio en el globo ocular para tratar el glaucoma o la tisis . Dado que en estas condiciones el ojo pierde su capacidad para asegurar la salida o producción de humor acuoso, la microbomba implantada desarrollada por Fraunhofer EMFT con el caudal de 30 µl / s facilita el correcto flujo del fluido sin restringir ni crear ningún inconveniente al paciente. [42] Otro problema de salud que debe resolverse con microbomba es la incontinencia de vejiga . La tecnología de esfínteres artificiales basada en la microbomba de titanio asegura la continencia ajustando automáticamente la presión durante la risa o la tos. La uretra se abre y se cierra mediante un manguito lleno de líquido que es regulado por la microbomba. [43]

Micropump puede facilitar escenarios de olor para aplicaciones de consumidores, médicos, de defensa, primeros auxilios, etc. para mejorar el efecto de escenarios de imágenes ubicuos (películas) y escenarios de sonido (música). El dispositivo de microdosificación con varios depósitos de aroma que se montan cerca de la nariz puede liberar 15 impresiones de aroma diferentes en 1 minuto. [17] La ventaja de la microbomba radica en la posibilidad de oler la secuencia de aromas sin que se mezclen diferentes olores. El sistema garantiza que el usuario detecte una dosis adecuada del aroma tan pronto como se entreguen las moléculas de aroma. Numerosas aplicaciones son posibles con microbomba para dosificación de aromas: entrenamiento de catadores (vino, comida), programas de aprendizaje, psicoterapia, tratamiento de anosmia , entrenamiento de primeros auxilios , etc. para facilitar la inmersión total en el entorno deseado.

Dentro de los sistemas analíticos, la microbomba puede ser para aplicaciones de laboratorio en chip, sistemas de cromatografía de gases y HPLC , etc. Para estos últimos, se requieren microbombas para garantizar un suministro y flujo de gases precisos. Dado que la compresibilidad de los gases es un desafío, la microbomba debe poseer una alta relación de compresión. [15]

Entre otras aplicaciones, se pueden nombrar los siguientes campos: sistemas de dosificación para pequeña cantidad de lubricantes, sistemas de dosificación de combustibles, micro neumática, sistemas microhidráulicos y sistemas de dosificación en procesos productivos, manipulación de líquidos (pipetas de cojín, placas de microlitros). [44]

  • Bomba electroosmótica
  • Glosario de términos de pilas de combustible
  • Bomba de impedancia
  • microválvula

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