Optimasi dan Analisis Desain 3-D Piezoelectric Micropump pada Laju Aliran Fluida

Nada Sadidah; Lilik Hasanah; Naftalia Trivenia Simbolon; Roer Eka Pawinanto; Chandra Wulandari; Budi Mulyanti; Ahmad Aminudin

doi:10.17509/wafi.v7i1.43125

Authors

Nada Sadidah Departemen Pendidikan Teknik Elektro, Universitas Pendidikan Indonesia, Indonesia
Lilik Hasanah Departemen Pendidikan Fisika, Universitas Pendidikan Indonesia, Indonesia
Naftalia Trivenia Simbolon Departemen Pendidikan Fisika, Universitas Pendidikan Indonesia, Indonesia
Roer Eka Pawinanto Departemen Pendidikan Teknik Elektro, Universitas Pendidikan Indonesia, Indonesia
Chandra Wulandari (1) Departemen Pendidikan Fisika, Universitas Pendidikan Indonesia, Indonesia; (2) Teknik Fisika, Insitut Teknologi Bandung, Indonesia
Budi Mulyanti Departemen Pendidikan Teknik Elektro, Universitas Pendidikan Indonesia, Indonesia
Ahmad Aminudin Departemen Pendidikan Fisika, Universitas Pendidikan Indonesia, Indonesia

DOI:

https://doi.org/10.17509/wafi.v7i1.43125

Keywords:

aktuator piezoelektrik, COMSOL Multiphysics 5.6, laju aliran, micropump

Abstract

Micropump adalah komponen penting dalam sistem mikrofluida dan digunakan untuk mengontrol jumlah cairan yang tepat dalam ukuran mikroliter hingga nanoliter. Penelitian ini bertujuan mengoptimasi desain 3-D micropump yang menggunakan aktuator piezoelektrik. Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode simulasi dengan perangkat lunak COMSOL Multiphysics 5.6. Micropump dianalisis dengan memvariasikan radius inlet dan outlet, tegangan penggerak, serta frekuensi kerja untuk menemukan laju aliran tertinggi. Ukuran radius pada inlet dan outlet divariasikan dari 0,6 mm sampai 1,4 mm dengan interval sebesar 0,2 mm. Hasil penelitian menunjukkan bahwa radius yang lebih tinggi memiliki laju aliran yang lebih rendah karena efisiensi rektifikasi yang lebih rendah. Namun, terdapat nilai optimum pada radius 0,8 mm dengan laju aliran tertinggi pada inlet dan outlet masing-masing 0,941 mL/menit dan 0,957 mL/menit. Selain itu, kenaikan tegangan penggerak menyebabkan peningkatan laju aliran. Namun, pengaruh kenaikan frekuensi kerja terhadap laju aliran berbanding terbalik dengan kenaikan tegangan penggerak yang diterapkan pada aktuator piezoelektrik. Semakin tinggi nilai frekuensi kerja maka laju aliran fluida pada inlet maupun outlet terus mengalami penurunan. Laju aliran pada frekuensi yang lebih rendah menyebabkan membran dapat mencapai titik maksimum amplitudo getaran. Hasil dari penelitian ini dapat dimanfaatkan untuk pengembangan dan optimasi desain pada aplikasi biomedis.

References

S. Mohith, P. N. Karanth, and S. M. Kulkarni, “Performance analysis of valveless micropump with disposable chamber actuated through Amplified Piezo Actuator (APA) for biomedical application,” Mechatronics, vol. 67, no. November 2019, p. 102347, 2020, doi: 10.1016/j.mechatronics.2020.102 347.

S. Mohith, P. N. Karanth, and S. M. Kulkarni, “Recent trends in mechanical micropumps and their applications: A review,” Mechatronics, vol. 60, no. November 2018, pp. 34–55, 2019, doi: 10.1016/j.mechatronics.2019.04. 009.

S. Kumar, P. Bhushan, M. Pandey, and S. Bhattacharya, “Additive manufacturing as an emerging fabrication technology of microelectromechanical systems (MEMS),” J. Micromanufacturing, vol. 2, no. 2, pp. 175–197, 2019, doi: 10.1177/2516598419843688.

Y. N. Wang and L. M. Fu, “Micropumps and biomedical applications – A review,” Microelectron. Eng., vol. 195, no. March, pp. 121–138, 2018, doi: 10.1016/j.mee.2018.04.008.

R. R. Gidde, P. M. Pawar, and V. P. Dhamgaye, “Fully coupled modeling and design of a piezoelectric actuation based valveless micropump for drug delivery application,” Microsyst Technol., vol. 26, no. 2, pp. 633 645, 2020, doi: 10.1007/s00542 019-04535-8.

T. Barkat, F. Z. Kadid, M. S. Aggoune, and R. Abdessemed, “Modeling and simulation of a circular valveless micropump,” J. Serbian Soc. Comput. Mech., vol. 12, no. 2, pp. 95–105, 2018, doi: 10.24874/jsscm.2018.12.02.07.

Y. Guan, “Performance analysis of a microfluidic pump based on combined actuation of the piezoelectric effect and liquid crystal backflow effect,” Micromachines, vol. 10, no. 9, 2019, doi: 10.3390/mi10090584.

J. Yunas et al., “Polymer-Based MEMS electromagnetic actuator for biomedical application: A review,” Polymers (Basel)., vol. 12, no. 5, 2020, 10.3390/POLYM12051184.

N. Gadad et al., “Fabrication and development of magnetically actuated PDMS micropump for drug delivery,” IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng., vol. 376, no. 1, 2018, doi: 10.1088/1757 899X/376/1/012128

X. Wu, L. He, Y. Hou, X. Tian, and X. Zhao, “Advances in passive check valve piezoelectric pumps,” Sensors Actuators, A Phys., vol. 323, p. 112647, 2021, doi: 10.1016/j.sna.2021.112647.

R. Zhang, F. You, Z. Lv, Z. He, H. Wang, and L. Huang, “Development and characterization a single-active chamber piezoelectric membrane pump with multiple passive check valves,” Sensors (Switzerland), vol. 16, no. 12, 2016, doi: 10.3390/s16122108.

A. Aboubakri, V. Ebrahimpour Ahmadi, and A. Koşar, “Modeling of a passive-valve piezoelectric micro-pump: A parametric study,” Micromachines, vol. 11, no. 8, 2020, doi: 10.3390/MI11080752.

R. R. Gidde, P. M. Pawar, B. P. Ronge, and V. P. Dhamgaye, “Design optimization of an electromagnetic actuation based valveless micropump for drug delivery application,” Microsyst. Technol., vol. 25, no. 2, pp. 509 519, 2019, doi: 10.1007/s00542 018-3987-y.

A. Kaye, R. F. T. Stepto, W. J. Work, J. V. Aleman, and A. Y. Malkin, “Definition of terms relating to mechanical polymers the non-ultimate properties of (recommendations 1998),” Pure Appl. Chem., vol. 70, no. 3, pp. 701–754, 1998.

H. A. Dereshgi and M. Z. Yildiz, “Investigation of electro mechanical factors effecting piezoelectric actuator valveless for micropump characteristics,” J. Eng. Sci. Technol., vol. 13, no. 9, pp. 2843 2856, 2018.