Новости науки 02.10.01. Электромагнитный микромотор для жидкостных микросистем.

Актуальная задача создания аналитических лабораторий субмиллиметровых размеров (так называемые лаборатории-на-кристалле, биочипы) требует миниатюризации механических, оптических, магнитных и электронных компонентов. Успех микрожидкостных систем биомедицинского назначения прямо связан с качеством устройств для транспорта жидкостей по микроканалам и клапанов для ограничения этих потоков. В то время как подавляющее число микросистем изготовляется на основе полупроводниковой технологии, что сопряжено с рядом неудобств, ученые из калифорнийского университета продемонстрировали работающий магнитный микромотор.

Рис.1. Изображение устройства.

Подавляющее число микросистем создано на основе полупроводниковой технологии, и, как результат, в актюаторах работает электростатический эффект поверхностных зарядов. При работе этих устройств в жидкой среде необходимо предотвращать вредное электростатическое взаимодействие с ионами. Магнитные же компоненты могут развивать бoльшие усилия и на значительном удалении в силу объемного характера магнитных сил. Группа исследователей из Калифорнийского университета представила недавно магнитный микромотор (рис.1, 2), производящий вращение свободного ротора в растворе с помощью статора, находящегося вне жидкости и состоящего из трех магнитомягких микрозондов с обмотками (рис.2). Каждая обмотка содержит 10 витков и наматывается вручную из провода диаметром 25 мкм на зонд диаметром 50 мкм из мягкого ферромагнетика. Для увеличения градиента сильного магнитного поля зонды электролитически затачиваются. Расстояние между зондами 100 мкм. Роль ротора исполняет однодоменный никелевый стержень длиной 40 мкм и диаметром 1 мкм, полученный гальваническим осаждением никеля в пористую подложку, впоследствии растворяемую. Так как стержень намагничен вдоль оси до насыщения, не требуется затрачивать на это энергию статора. Кроме того, массовый способ выращивания таких стержней хорошо отработан и недорог, так что ротор легко заменяется. Стержни погружаются в глицерин, действующий, во-первых, как смазка и, во-вторых, препятствующий вертикальному движению роторов за счет сил поверхностного натяжения. По трем независимым каналам на катушки зондов подаются синусоидальные сигналы со сдвигом по фазе между ними на 120╟ . При этом на ротор одновременно действуют силы притяжения и отталкивания от разных зондов.

Рис.2. Блок-схема магнитного микромотора.

Были проведены испытания устройства и в другой среде - стержни погружали в воду (меньшее сопротивление за счет вязкости, т.е. возможность больших скоростей вращения) внутри плоской капиллярной трубки (сечение полости 500 х 50 мкм, толщина стенки 40 мкм). Естественно, в микросистеме размеры камеры для роторов могут быть лучше согласованы с их размерами. Направление вращения ротора изменяется сменой направления тока в двух зондах. Получена скорость вращения ротора до 250 об/мин, ограниченная темпом переключения каналов компьютером. Скорость может быть значительно выше как следствие малой массы и момента инерции вращения ротора, а также малой индуктивности зондового узла. Разработанный магнитный микромотор перспективен для применения в качестве мешалки, насоса и клапана в микромеханических устройствах.

перейти к началу страницы