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DESENVOLVIMENTO DE UMA MICROBOMBA DE DIAFRAGMA COM
ATUADOR PIEZOELÉTRICO
Angelo Emiliavaca, angelosite2003@hotmail.com1
Arlindo Garcia de Sá Barreto Neto, arlindo.neto@ee.ufcg.edu.br2
Carlos José de Araújo, carlos@dem.ufcg.edu.br1
Antonio Marcus Nogueira Lima, amnlima@ee.ufcg.edu.br3
Cícero da Rocha Souto, cicerosouto@ct.ufpb.br4
1Universidade Federal de Campina Grande – UFCG, Unidade Acadêmica de Engenharia Mecânica – UAEM, Av.
Aprígio Veloso, 882, Bairro Universitário, CEP: 58429-140, Campina Grande – PB, Brasil.
2Instituto Federal da Paraiba-IFPB, Unidade Acadêmica de Eletromecânica, José Antonio da Silva, 300, Cajazeiras-PB,
Brasil.
3Universidade Federal de Campina Grande – UFCG, Unidade Acadêmica de Engenharia Elétrica – UAEE, Av. Aprígio
Veloso, 882, Bairro Universitário, CEP: 58429-140, Campina Grande – PB, Brasil.
4Universidade Federal da Paraíba – UFPB, Departamento de Engenharia Elétrica – DEE, Cidade Universitária, João
Pessoa – PB, Brasil.
Resumo: As técnicas, métodos e procedimentos de diagnóstico de doenças, patógenos e contaminantes na área da
medicina, indústria de alimentos e monitoramento ambiental, são realizadas normalmente em laboratórios de grandes
universidades, empresas e órgãos governamentais com um grande custo associado. Para minimizar custos e aumentar
a eficiência do diagnostico foram construídos equipamentos miniaturizados de analises. O uso de amostras pequenas
de analito (inferior 2ml), reduz o custo operacional do diagnóstico, em virtude das substâncias químicas especificas
como reagentes e bio-marcadores serem geralmente importados a um alto custo financeiro. Uma parte fundamental
deste tipo de equipamento para análise clinicas são os sistemas de propulsão de fluxo, capazes de transportar
pequenas quantidades de amostra a uma taxa de fluxo suficientemente baixa e controlada. Neste contexto, o presente
trabalho apresenta o desenvolvimento de uma microbomba de diafragma acionada por um atuador piezoeletrico de
baixo custo, que utiliza o principio bocal/difusor e permite uma vazão controlada. No futuro, pretende-se que essa
microbomba possa compor o sistema de propulsão de fluxo de um equipamento de diagnostico.
Palavras-chave: Microbomba, Bomba de Diafragma, Cerâmica Piezoelétrica .
1. INTRODUÇÃO
Uma bomba hidráulica é definida como um dispositivo que transfere energia de movimento aos fluidos, ou seja,
transfere uma massa fluídica de um ponto a outro. Os relatos históricos mais antigos tratam que os babilônios já usavam
um dispositivo para efetuar o bombeamento de água para pequenas elevações. Entretanto, a primeira bomba realmente
catalogada foi projetada por Arquimedes a 250 A.C. Até hoje, o principio físico da bomba de Arquimedes é usado para
transportar grandes volumes como, por exemplo, em estações de tratamento de esgoto (Barros, 2003). Com o passar do
tempo, várias tipos de bombas, com diferentes dimensões, tem sido desenvolvidas com diferentes mecanismos de
bombeamento para diversas aplicações.
No contexto das microbombas, desde a concepção do primeiro circuito integrado inventado por Kilby (vencedor do
prêmio Nobel de Física em 1998) (Kilby, 2000), o princípio de miniaturização tornou-se um importante tópico de
pesquisa para dispositivos eletrônicos e não eletrônicos (Chu, 2008). Uma das primeiras microbombas registradas na
literatura foi apresentada por Steen em 1969 (Steen; Iversen, 1969). Essa bomba, do tipo peristáltica, consistia de um
tubo flexível com duas válvulas unidirecionais com a compressão do tubo realizada por um sistema hidráulico. A
bomba projetada por Steen foi destinada ao processo de infusão, apresentando uma versatilidade em relação à taxa de
fluxo, pressão, freqüência, e ainda mais importante foi o não surgimento de hemólise no processo de infusão.
Desde então, a introdução de agentes farmacológicos no corpo humano tem sido objeto inicial de muitas pesquisas
em microbombas. Outras aplicações médicas também fazem uso de microbombas, como por exemplo, no tratamento de
quimioterapia, e na infusão intravenosa de medicamentos para tratamentos críticos como o da diabetes. No entanto, as
microbombas possuem aplicações em muitas outras áreas como, por exemplo, a utilização em sistemas de refrigeração
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de circuitos micro eletrônicos (Tuckerman; Pease, 1981; Laser; Santiago, 2004), e mais recentemente em sistemas
miniaturizados para análises químicas e bioquímicas (Laser; Santiago, 2004; Nisar et al., 2008; Wong et al., 2002).
A principal tecnologia que propiciou o desenvolvimento das microbombas e outros dispositivos miniaturizados foi
o uso de MEMS (Micro ElectroMechanical Systems), que de forma geral possibilitou miniaturizar sistemas mecânicos,
eletromecânicos, fluídicos, óticos ou térmicos em escala de submicro, utilizando as técnicas de micro fabricação
(Maillefer et al., 2001). O desenvolvimento das microbombas segue o desenvolvimento da tecnologia de MEMS no
processo de micro fabricação, seleção do material, manufatura das válvulas de retenção de fluxo, e escolha do princípio
de bombeamento (Laser; Santiago, 2004; A.Nisar et al., 2008). Esta tecnologia permitiu a confecção de microbombas
sem partes móveis, ou seja, as válvulas ativas (móveis) foram substituídas por válvulas passivas (bocal/difusor) que
para os dispositivos em micro escala são mais apropriados, pois sem partes móveis o micro dispositivo fica menos
suscetível a defeitos. O processo de fabricação da microbomba (válvulas, micro canais, câmara de bombeamento)
consiste de etapas críticas, necessitando de técnicas sofisticadas como os processos de micro usinagem ou litográficos
(litografia por raios-X (LIGA), a litografia "soft", a litografia por feixe de elétrons ou a litografia com radiação
ultravioleta (UV)) (Chen; Pepin, 2001).
Por indisponibilidade de tais técnicas de construção optou-se pelo processo de prototipagem rápida para construção
das peças da bomba desenvolvidas neste trabalho.
Baseado no estudo relacionado com as microbombas, este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma
microbomba usando como diafragma um disco metálico acionado por uma cerâmica piezoelétrica de baixo custo e
disponível comercialmente no mercado local. São apresentados o detalhamento do projeto e a caracterização da bomba
relacionando vazão e freqüência de acionamento. No futuro, pretende-se que essa microbomba possa compor o sistema
de propulsão de fluxo de um equipamento de diagnostico em fase de desenvolvimento na UFCG.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1. Atuador piezoelétrico
O material piezoelétrico tem a propriedade de sofrer deformação na presença de um campo elétrico externo, e
inversamente gerar um campo elétrico quando submetido a uma deformação. Para a cerâmica piezoelétrica de Zirconato
Titanato de Chumbo (PZT), denomina da simplesmente por PZT, a tensão gerada nos seus terminais está correlacionada
com a deformação aplicada. Da mesma forma, o PZT exibe o efeito inverso, no qual a deflexão sofrida pela cerâmica,
w(r), depende do campo elétrico aplicado. A Figura (1) ilustra essa propriedade em um atuador PZT do tipo membrana.
O sentido da deflexão é dado pela polarização da fonte de tensão, ou seja, caso seja aplicado uma tensão alternada
(senoidal ou degrau), a membrana passiva será deslocada na direção transversal em ambos os sentidos (para cima e para
baixo), podendo esse movimento alternado do atuador ser utilizado para sucção e bombeamento de fluido, devido a
variação do volume interno produzido em uma câmara pelo atuador.
Figura 1. Funcionamento de uma membrana piezoelétrica. (a) Membrana metálica com PZT colado. (b)
Movimento da membrana quando acionada.
O atuador piezoelétrico de PZT usado neste trabalho é composto por uma membrana metálica de latão com uma
cerâmica piezoelétrica colada em sua superfície, conforme ilustra a Fig. (1a).
O deslocamento w(r) típico para elementos piezoelétricos é inferior a 1 mm, entretanto a tensão de alimentação
necessária para promover esse deslocamento é relativamente elevada, entre 30 V e 100 V. Para alimentar o atuador foi
necessário projetar um circuito oscilador e elevador de tensão elétrica no qual fosse possível variar a freqüência de
oscilação. Para projetar o circuito foi necessário primeiramente caracterizar o deslocamento produzido pelo atuador em
função da tensão aplicada. Para tanto, foi montado um procedimento experimental usando interferometria laser para
avaliar com exatidão o micro deslocamento do atuador PZT, conforme ilustra a Fig. (2). O laser usado foi o de Hélio-
Neônio (He-Ne) com comprimento de onda de 632,8 ηm. O atuador PZT teve suas extremidades fixadas para aplicação
de uma variação de tensão na faixa de 10 V a 150 V. Usando a montagem da Fig. (2), a deflexão estática do atuador
PZT é medida usando medido no anteparo do interferômetro.
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Figura 2. Diagrama do Interferômetro de Michelson (He-Ne) usado para medir o deslocamento do atuador PZT
A Figura (3) mostra o comportamento do deslocamento (medido na parte central do atuador PZT) em função da
tensão aplicada. Observa-se um comportamento aproximadamente linear, implicando que esta faixa de tensão aplicada
não satura o campo elétrico interno, ou seja, não irá provocar o rompimento da rigidez dielétrica do material. O máximo
deslocamento obtido foi de 36 ηm para 150 V.
020 40 60 80 100 120 140 160
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Tensão aplicada (v)
Deslocamento (10 -6 m)
Figura 3. Deslocamento do atuador medido com o arranjo da Fig. (2).
Desta forma, foi possível confeccionar um circuito elétrico capaz de variar a freqüência de 0 a100 Hz para a tensão
de alimentação variando entre 0 e 150 V. Conforme mostrado na Fig. (3), valores diferentes de tensão produzem no
atuador diferentes deslocamentos, e, portanto, podem ser usados como forma de controle da vazão da bomba PZT, uma
vez que o volume transportado também é função do deslocamento da membrana.
Ressalta-se que o atuador PZT usado neste trabalho, e ilustrado na Fig. (1a), foi adquirido no comércio local e suas
dimensões aproximadas são:
Diâmetro e espessura da membrana de latão: 35 mm e 0,6 mm, respectivamente;
Diâmetro da região em PZT: 29 mm;
Espessura do disco PZT-cola: 0,03 mm.
2.2. Bomba piezoelétrica
A maioria das bombas e microbombas alternativas usam uma superfície deformável, denominada de diafragma ou
membrana, utilizada para comprimir ou expandir o volume de uma câmara, conforme ilustrado na Fig. (4) para o caso
de um acionamento por disco de PZT (Stemme; Stemme, 1993). Além do diafragma, estas bombas possuem outros
componentes, tais como: câmara de bombeamento, mecanismos de atuação e válvulas.
Figura 4. Ilustração das partes componentes de uma bomba de fluxo típica acionada por atuador de PZT.
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O ciclo de funcionamento da bomba ilustrada na Fig. (4) é mostrado na Fig. (5) e tem apenas dois estágios: o
estágio de sucção, onde o fluido entra na bomba devido a uma diferença de pressão (ΔPi<ΔPo) com a entrada (inlet)
funcionando como difusor e a saída (outlet) funcionando como bocal (Fig. (5a)). Durante o estágio de bombeamento
(durante a compressão), onde o fluido é transportado devido à diferença de pressão ( ΔPi>ΔPo) no qual a saída agora irá
funcionar como difusor e a entrada como bocal (Fig. (5b)). A queda de pressão na direção do difusor é menor que na
direção do bocal, assim o volume de fluido transportado pelo difusor será maior que o transportado pelo bocal ( Φi> Φo)
no modo de sucção. Para o modo de bombeamento ocorre o inverso, a saída funcionará como difusor e o volume de
fluido transportado será maior que o da entrada (Φi< Φo). Assim, para um ciclo completo de funcionamento, o fluxo de
líquido transportado pela bomba corresponderá a diferença entre os dois modos de operação.
Figura 5. Esquema de operação da bomba com o bocal/difusor. (a) Modo de sucção. (b) Modo de
bombeamento. (c) Diferença de pressão sobre o difusor. (d) Diferença de pressão sobre o bocal.
2.3. Dimensionamento dos elementos bocal e difusor
Para o dimensionamento de difusores cônicos, o gráfico da Fig. (6) pode ser usado como referência para a seleção
do ângulo de abertura (θ) que leva a uma menor perda de pressão no difusor. Para um difusor do tipo cônico observa-se
que a uma menor perda acontece para um ângulo de abertura 2θ de aproximadamente 5°. Sendo assim, admitindo o
diâmetro menor (d) de 1 mm e o diâmetro maior (D) com 2 mm, é possível calcular, com o uso de trigonometria básica,
um comprimento (L) de 11 mm. Com o auxilio do mapa da Fig. (7) é possível calcular o coeficiente de recuperação de
perdas (CP), usando a relação de área (AR = (πD2/4) / (πd2/4)). Para um melhor desempenho do difusor, o valor de CP
precisa ser o maior possível, entretanto, existe a necessidade de se fazer adequações em relação ao rendimento desejado
e o projeto de manufatura.
Figura 6. Perdas de fluxo em uma região de expansão gradual cônica (Olsson, 1998).
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Figura 7. Mapa de projeto para o difusor cônico (Olsson, 1998).
2.4. Construção do protótipo da microbomba
Com as características básicas e o método de calculo descrito na seção 2.3, obteve-se uma válvula difusor com
2θ=5°; d=1mm; D=2mm e L=11mm. Estas características garantem um Cp de aproximadamente 0,63, como pode ser
constatado na Fig. (7), além de uma perda de fluxo K≡0,2. Além destes parâmetros, foram utilizados uma distância
entre a entrada e a saída de 10 mm e uma câmara com diâmetro ϕ=30 mm e altura h=1 mm, originando um volume
interno de aproximadamente 707 mm³.
Após definidas as variáveis dimensionais do protótipo, uma microbomba com estas características foi projetada em
ambiente CAD, contendo uma válvula de fluxo com uma esfera de 2,5 mm de diâmetro para avaliar o aumento do fluxo
resultante do bombeamento. A Figura (8) mostra uma vista em corte da microbomba projetada. Na Figura (8a) é
apresentada a montagem da microbomba aplicando apenas o principio bocal/difusor enquanto na Fig. (8b) mostra-se o
principio bocal/difusor associado em série com uma válvula de fluxo do tipo esfera.
(a) (b)
Figura 8. Vista em corte do protótipo construído em CAD. (a) Apenas bocal/difusor. (b) Bocal/difusor com
válvula de fluxo.
É importante destacar que na configuração simples, sem válvula de fluxo, utilizando apenas o principio bocal
difusor, a microbomba não teve diferença de pressão suficiente para succionar o fluido. Já com a válvula de fluxo
fechando a saída o fluido é succionado permanecendo na câmera da bomba sendo expulso no ciclo de bombeamento.
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A partir do projeto em CAD foi possível construir um protótipo de teste usando o processo de fabricação de
prototipagem rápida pelo método de Modelagem por Deposição de Material Fundido, através de uma impressora
tridimensional, modelo Dimension Elite da Stratasys®. Para este projeto a resina termoplástica empregada foi a ABS
plus, tornando possível a construção da estrutura que compreende o bocal/difusor, a tampa e a válvula. A esfera usada
na válvula de fluxo da Fig. (8b) é de aço inoxidável, encontrada no comercio local.
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Para caracterização da microbomba relacionando a vazão com a freqüência de acionamento, foi montada uma
plataforma experimental composta de um circuito oscilador (gerador de sinais), fonte de tensão continua, osciloscópio,
balança de precisão e reservatórios graduados, como mostra o esquema da Fig. (9).
Figura 9. Plataforma experimental para caracterização da microbomba PZT.
O procedimento experimental adotado consistiu em fazer variar a freqüência de oscilação da membrana metálica a
partir do valor mínimo possível até a freqüência na qual haveria estagnação do fluxo (vazão zero). Os outros parâmetros
importantes foram mantidos fixos com os valores descritos a seguir:
Altura de sucção Hs = -20 mm (desnível medido entre a altura do fluido no reservatório e a membrana de latão);
Altura de recalque Hr = 40 mm (desnível medido entre a membrana de latão e a altura até a descarga livre);
Amplitude de tensão aplicada sobre o atuador piezoelétrico: Vo = 150 V;
Fluido em circulação: água com densidade de 997 mg/cm³.
Fixando estes parâmetros e variando a freqüência gradualmente de 5 Hz (mínimo) até a freqüência onde o fluxo se
estagna, com um passo de 0,5 Hz, variando no potenciômetro do circuito e verificando no osciloscópio. Para determinar
o valor da vazão foram feitas aferições da massa do béquer vazio antes de ser utilizado como reservatório no recalque e
posterior aferição da massa de fluido bombeado após um tempo fixo. Assim, verificava-se a variação de massa que é
diretamente proporcional ao volume. Aplicando esta variação de volume no tempo, obteve-se a vazão para cada
freqüência. Esse procedimento foi repetido em toda a faixa de freqüência analisada. Na Figura (10) é apresentado o
comportamento da vazão com a variação da freqüência de funcionamento. A curva na cor azul mostra o resultado da
vazão da microbomba com a válvula de retenção de fluxo instalada, já na curva na cor verde a válvula de fluxo foi
retirada e a bomba funcionou apenas com o bocal/difusor. Como foi aplicada a amplitude de tensão máxima, obteve-se
a vazão máxima da microbomba.
0 5 10 15 20 25 30
0
5
10
15
20
Frequêcia (Hz)
Vazão (ml/min)
Com válvula
Sem válvula
Figura 10. Curva de vazão da microbomba em função da freqüência do sinal de tensão aplicado ao atuador PZT.
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É possível observar no gráfico da Fig. (10) a mesma faixa de operação em relação à freqüência para a microbomba
sem a válvula de fluxo e com a válvula, no entanto os comportamentos são completamente distintos. A curva da vazão
sem a válvula de fluxo é mais suave e o aumento na vazão é aproximadamente proporcional a variação da freqüência
até se atingir um patamar onde a vazão praticamente se mantém constante em torno de 2,8 ml/min para uma faixa de
freqüência entre 12 Hz e 16 Hz. A partir deste ponto a vazão começa a cair e esse declínio é também praticamente
proporcional a variação da freqüência. Por outro lado, o comportamento da vazão com a válvula de fluxo apresentou
crescimento até atingir a vazão máxima de 18,3 ml/min para uma freqüência de 16 Hz. Em seguida, com o aumento da
freqüência, a vazão passou a cair até um valor mínimo de 0,66 ml/min (com válvula) e 0,45 ml/min (sem válvula) na
freqüência de bombeamento de 27 Hz.
4. CONCLUSÃO
Considerando os resultados preliminares obtidos neste trabalho, comprovou-se que existe viabilidade no uso de um
atuador piezoelétrico simples e de baixo custo para confecção de microbombas alternativas de diafragma.
O protótipo de microbomba de diafragma com atuador piezoeletrico apresentou valores de vazão compatíveis com
o previsto na literatura (Olsson, 1998) que aponta para microbombas que aplicam apenas o principio bocal/difusor,
vazão máxima situada entre 1,946 e 2,285 ml/min. A versão mais simples da microbomba apresentada neste trabalho
tem uma vazão máxima de aproximadamente 2,810 ml/min, com a alternativa de ser possível aumentar a sua eficiência
e, conseqüentemente, a vazão, pelo uso de uma válvula de fluxo que eleva a vazão máxima em aproximadamente cinco
vezes.
Adicionalmente, a microbomba de diafragma a base de atuador PZT com as características de vazão mencionadas
apresentou um consumo de energia elétrica de aproximadamente 21 W, atendendo ainda a necessidade de controle da
vazão de duas possíveis formas: a primeira pelo controle da freqüência de atuação do elemento piezoelétrico, que foi a
forma abordada neste trabalho, e a segunda pelo controle da tensão aplicada sobre o elemento piezoelétrico,
aumentando ou reduzindo a deformação do mesmo, e conseqüentemente aumentando ou reduzindo a vazão. Este
controle possibilita uma futura aplicação do protótipo desenvolvido para a propulsão de fluxo em diversos sistemas,
como os de análises clinicas, por exemplo.
5. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao CNPq pelo financiamento dos projetos: INCT de Estruturas Inteligentes em Engenharia
(Processo no 574001/2008-5) e Bolsa PIBITI/UFCG a Angelo Emiliavaca.
6. REFERÊNCIAS
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2003.
Chen, Y.; Pepin, A. Nanofabrication: conventional and nonconventional methods. Electrophoresis, v. 22, p. 187–
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Kilby, J. S. The integrated curcuit´s early history. In: . [S.l.: s.n.], 2000. p. 109–111.
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Stemme, E.; Stemme, G. A valveless diffuser/nozzle-based fluid pump. Sensors and Actuators, Volume 39, p. 159–163,
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Tuckerman, D. B.; Pease, I. E. D. R. F. W. High-performance heat sinking for VLSI. 1981.
Wong, C. C.; Flemming, J. H.; Adkins, D. R.; Plowman, M. A. Evaluation of mini/micro-pumps for micro-chem-lab.
ASME Conference Proceedings, ASME, v. 2002, n. 36576, p. 477–485, 2002.
7. DIREITOS AUTORAIS
Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluídos neste trabalho.
DEVELOPMENT OF A DIAPHRAGM MICROPUMP USING
PIEZOELETRIC ACTUATOR
Angelo Emiliavaca, angelosite2003@hotmail.com1
Arlindo Garcia de Sá Barreto Neto, arlindo.neto@ee.ufcg.edu.br2
Carlos José de Araújo, carlos@dem.ufcg.edu.br1
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Cícero da Rocha Souto, cicerosouto@ct.ufpb.br4
1Universidade Federal da Campina Grande – UFCG, Unidade Acadêmica de Engenharia Mecânica – UAEM, Av.
Aprígio Veloso, 882, Bairro Universitário, CEP: 58429-140, Campina Grande – PB, Brasil.
2Instituto Federal da Paraiba-IFPB, Unidade Acadêmica de Eletromecânica, José Antonio da Silva, 300, Cajazeiras-PB,
Brasil.
3Universidade Federal da Campina Grande – UFCG, Unidade Acadêmica de Engenharia Elétrica – UAEE, Av. Aprígio
Veloso, 882, Bairro Universitário, CEP: 58429-140, Campina Grande – PB, Brasil.
4Universidade Federal da Paraíba – UFPB, Departamento de Engenharia Elétrica – DEE, Cidade Universitária, João
Pessoa – PB, Brasil.
Abstract. The techniques, methods and procedures for diagnosis of diseases, pathogens and contaminants in the field
of medicine, food industry and environmental monitoring, are normally carried out in laboratories of major
universities, companies and government agencies with a large associated cost. To minimize costs and increase the
efficiency of diagnostic equipment were built miniaturized analysis. The use of small samples of analyte (lower 2ml)
reduces the operating costs of the diagnosis, by virtue of chemical substances such as reagents and specific biomarkers
are imported to a generally high costs. A fundamental part of such equipment for clinical analysis are propulsion flow,
capable of delivering small amounts of sample to a flow rate sufficiently low and controlled. Thus this paper proposes
the development of a diaphragm micropump driven by a piezoelectric actuator for low cost and applying the principle
nozzle / diffuser with flow controlled to render the propulsion system flow for such a diagnostic device.
Keywords: Micro Pump, Diaphragm Pump, Piezoeletric Ceramics.
