Orientador: Prof. Dr. Cyro Ketzer Saul / Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais - PIPE. Defesa: Curitiba, 19/04/2017 / Inclui referências : f. 135-144 / Resumo: O controle e o monitoramento da vazão são características fundamentais em determinadas aplicações das plataformas microfluídicas. Nestes sistemas, as medidas de vazão são realizadas em canais de dimensões micrométricas e usualmente na faixa de10 !a 10 "litros por minuto. A literatura relata a existência de uma diversidade sensores microfluídicos de vazão (SMV). Os sensores relatados com maior frequência empregam princípios térmicos em seus funcionamentos. As restrições associadas aos SMV, tanto os apresentados na literatura quanto os disponíveis comercialmente, em conjunto com a crescente evolução dos sistemas Lab-on-Chip, resultam no aumento da demanda por novos SMV. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um SMV cujo funcionamento envolve uma combinação de princípios eletroquímicos e ópticos. O dispositivo mede o tempo de voo (sigla em inglês - TOF) ao monitorar opticamente uma perturbação eletroquímica produzida no fluido que contém uma substância indicadora de pH (vermelho de fenol). Na construção do SMV foi empregado o PMMA (polimetilmetacrilato) como material estruturante e filmes adesivos, com espessuras da ordem de micrometros, na definição dos canais microfluídicos. O sistema de controle e aquisição de dados foi desenvolvido a partir de uma plataforma de prototipagem eletrônica aberta (Arduíno UNO R3). A caracterização do SMV foi efetuada medindo o tempo de voo em função da vazão imposta pelo sistema de bombeamento. Foram utilizados canais com larguras variando de 1 a 3 mm e alturas entre 75 e 300 #$. A variação na altura do microcanal mostrou ter uma maior influência sobre a sensibilidade dos dispositivos. Os SMV desenvolvidos neste trabalho possibilitaram realizar medidas de vazão entre 0,7-150 #%/$&', com resoluções variando de 0,1 #%/$&' a 10 #%/$&'. Com base nas análises dos resultados obtidos no processo de caracterização dos dispositivos, uma função que correlaciona o tempo de voo com a vazão imposta no microcanal foi proposta. Além da vazão e dos fatores geométricos, esta função leva em consideração outros três fatores: o tempo de delay ()*), termo de velocidade associado à difusão na direção axial (+,-) e o coeficiente de proporcionalidade entre a velocidade média no microcanal e a velocidade média do pulso de marcador (.). A validação desta função foi realizada através de simulações numérica (Excel) e de elementos finitos (Comsol). A função proposta nesta pesquisa se destaca por possibilitar a descrição do tempo de voo de um pulso de marcador em situações onde o mesmo não atinge o topo do canal (23 > 1) e também no caso onde os efeitos da difusão são comparáveis a velocidade de propagação (+4 ~ +,-). / Abstract: Flow rate control and monitoring are key parameters in certain microfluidic platforms applications. In those systems, flow rate measurements are usually performed in micrometric channels ranging from 10 ! to 10 "liters per minute. The literature reports the existence of a variety of microfluidic flow rate sensors (SMV in portuguese). The most common being those employing thermal principles of operation. The restrictions associated with available SMV and the growing Lab-on-Chip systems trends yield the development of new SMVs. This work presents the development of a SMV whose operation involves a combination of electrochemical and optical principles. The device measures the Time of Flight (TOF) by optically monitoring an electrochemical disturbance produced in the fluid. The polymer PMMA (polymethylmethacrylate) was employed in the SMV construction as the structural material. Adhesive films with thicknesses in the order of microns were used to define the channels height and also for sealing. The control system and data acquisition were developed by mean of an open source electronic prototyping platform (Arduino UNO R3). The SMV characterization was performed by measuring the TOF in function of the flow rate imposed by the pumping system. Initially the relationship between the sensor dimensions and the measurement sensitivity was investigated. Channels of 1, 2 and 3 mm width and 75 #$ height were used for characterization. Channels of 3 mm width and height varying from 75 to 300 #$ were also used. It was found that the height of the microchannel has a direct effect on the device sensitivity. The SMV developed in this work proved to be able to perform flow rate measurements ranging from 0.7 to 150#%/$&' with resolutions ranging from 0.1 to 10 #%/$&'. Through the analyses of results obtained during the devices' characterization, a function that correlates time of flight with the imposed flow rate was proposed. Besides flow rate and geometric factors, this function takes into account three others factors: the delay time (()), the axial diffusion velocity (*+,) and the proportionality coefficient between the microchannel mean velocity and the maker pulse mean velocity (c). The proposed function validation was performed through numeric and finite element simulations. The goal of this proposed function is to describe the time of flight in conditions where de maker pulse does not reach the microchannel top (-. > 1) and also when the diffusion effects are comparable to the mean velocity (*2 ~ *+,).
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:dspace.c3sl.ufpr.br:1884/49149 |
| Date | January 2017 |
| Creators | Rahal, Fábio Adhemar da Silva |
| Contributors | Universidade Federal do Paraná. Setor de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais - PIPE, Saul, Cyro Ketzer |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | 154 f. : il. algumas color, gráfs., tabs., application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFPR, instname:Universidade Federal do Paraná, instacron:UFPR |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | Disponível em formato digital |
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