Understanding frequency response of thermal micropumps using electrical network analogy

Abstract

In this article the frequency response of a thermal micropump is investigated using electrical network analogy modeling technique. This technique is based on dividing the micropump into subsystems and representing each subsystem using the equivalent network analogy. Obtained mathematical models of subsystems are then represented using transfer functions and block diagrams. As an example, thermopneumatic micropump is considered. Model simulation suggests an increase in the net flow rates of the micropump as the operating frequencies increased, until a first cut-off frequency is reached. A second cut-off frequency is observed with further increase in operating frequencies. Model simulations are consistent with qualitative experimental trends reported in the literature. The model is used to obtain a relationship between cut-off frequencies and design properties of the micropump. Model simulations show that lower cut-off frequency is related to mechanical properties of the thermopneumatic micropump, including stiffness and damping. Upper cut-off frequency is related to thermal properties of the thermopneumatic micropump, including thermal conductivity, heat capacity, and working fluid density.Résumé : Nous étudions ici la réponse en fréquence d'une micro-pompe thermique en utilisant une technique de modélisation par réseau électrique analogue. Selon cette technique, nous divisons la micro-pompe en sous-systèmes et chaque sous-système est représenté par un réseau analogue. La modélisation mathématique fait alors appel à des fonctions de transfert et à des schémas fonctionnels. Pour fin d'exemple, nous étudions une micro-pompe thermo-pneumatique. La modélisation suggère une augmentation du débit avec la fréquence jusqu'à une première fréquence de coupure. Une augmentation subséquente de la fréquence nous amène à une seconde fréquence de coupure. Ces simulations sont cohérentes avec les tendances qualitatives expérimentales rapportées dans la littérature. Nous utilisons le modèle pour obtenir la relation entre les fréquences de coupure et le design de la micro-pompe. Les simulations montrent que la fréquence de coupure la plus basse est reliée aux propriétés mécaniques de la micro-pompe thermo-pneumatique, incluant la rigidité et l'amortissement. La fréquence supérieure est reliée aux propriétés thermiques de la micro-pompe, incluant la conductivité thermique, la capacité calorifique et la densité du fluide pompé. [Traduit par la Rédaction]

Displacement Micropump with Check Valves for Diabetes Care—The Challenge of Pumping Insulin at Negative Pressure

“…Applying Kirchhoff's laws, i.e., flow conservation at any node of the network and no pressure difference along any closed loop, enables the determination of the micropump fluid dynamics during actuation. This method was considered to design different types of micropumps [23,24,[62][63][64][65][66][67][68][69][70]. The different elements of the fluid pathway are replaced by their equivalent electrical elements and the micropump can be simulated using any electrical circuit simulation tool.…”