Eletrónica para controlo de atuadores piezoelétricos para incorporação num sistema microfluídico multiplexer

Abstract

Os sistemas microeletromecânicos (MEMS), com técnicas de fabrico cada vez mais evoluídas, possibilitam o fabrico de dispositivos de alto desempenho, baixo consumo de energia e dimensões miniaturizadas. Estes sistemas podem ser utilizados nas mais diversas áreas, nomeadamente em microfluídica para a área biomédica, onde podem, por exemplo, ser aplicados e integrados em sistemas de diagnóstico baseados em biossensores. Nesse sentido, e visando a possibilidade de integração de atuadores piezoelétricos nesses dispositivos, quer como microválvulas quer como microbombas, surgiu o interesse da realização do presente trabalho, que se foca no desenvolvimento da eletrónica de atuação para elementos piezoelétricos para futura incorporação em sistemas microfluídicos. No presente trabalho, desenvolveu-se assim um circuito de atuação para elementos piezoelétricos, composto por um oscilador de tensão, controlado para atuar o transdutor a diferentes frequências e amplitudes, um circuito amplificador não inversor para aumentar a tensão do sinal de atuação e um circuito de adaptação de impedâncias, de forma a otimizar a transferência de potência entre a eletrónica de atuação e os filmes piezoelétricos. Caracterizaram-se dois tipos de transdutores piezoelétricos, o Titanato Zirconato de Chumbo (PZT) e o Poli(Fluoreto de Vinilideno) (PVDF), através de simulação numérica no software COMSOL Multiphysics e experimentalmente, determinando-se as melhores condições de atuação destes transdutores. Foi analisado o efeito do material dos transdutores, da amplitude e frequência de atuação e da distância ao transdutor, tendo sido observada uma melhor atuação próxima da frequência de ressonância dos transdutores utilizados, assim como um decaimento do sinal acústico com a distância ao transdutor. Por fim, de modo a analisar o potencial destes transdutores para aplicações em microfluídica, foi ainda monitorizada a agitação acústica, isto é, a movimentação de partículas em água com e sem a atuação de transdutores piezoelétricos. Observou-se que, com as ondas acústicas geradas pelos atuadores piezoelétricos, se verificou uma agitação das partículas bastante superior, provando o potencial destes transdutores para controlo do movimento dos fluidos, quer à macro quer à microescala, para aplicações microfluídicas.

Microelectromechanical systems (MEMS), with increasingly advanced manufacturing techniques, enable the fabrication of high-performance, low-power and miniaturized devices. These systems can be used in several areas, namely in microfluidics, where they can be applied and integrated, for instance, into biosensor-based diagnostic systems. Thus, the goal of this research work arose, aiming at the possibility of integration of piezoelectric actuators in such devices, either as microvalves or as micropumps. As this work focuses on the development of actuation electronics for piezoelectric elements, for future incorporation into microfluidic systems, it was developed an actuation circuit, composed of a voltage-controlled oscillator, to actuate the transducers at different frequencies and amplitudes. It was also developed a non-inverting amplifier circuit to increase the voltage of the actuation signal, and an impedance adaptation circuit, in order to optimize the power transfer between the actuation electronics and the piezoelectric films. Two types of piezoelectric transducers, Lead Zirconate Titanate (PZT) and Poly(Vinylidene Fluoride) (PVDF) were characterized, both through numerical simulations in COMSOL Multiphysics software and experimentally, determining the best actuation conditions for these transducers. The effect of the transducers’ material, the amplitude and frequency of actuation, and the distance to the transducer were analyzed, and it was observed a better performance of the transducers close to their resonance frequency, as well as a decay of the acoustic signal with the distance to the transducer. Finally, in order to analyze the potential of these transducers for applications in microfluidics, the acoustic agitation, i.e., the movement of particles in water was also monitored, with and without the piezoelectric transducers actuation. It was observed that, with the acoustic waves generated by piezoelectric actuators, there was a higher agitation of the particles, proving the potential of these transducers to control the movement of fluids, both at macro and micro scale, for microfluidic applications.