BR112012007656B1

BR112012007656B1 - Dispositivo de umedecimento elétrico, método de fabricação do dispositivo de umedecimento elétrico e método de operar o dispositivo de umedecimento elétrico

Info

Publication number: BR112012007656B1
Application number: BR112012007656-6A
Authority: BR
Inventors: Stein Kuiper; Johannes Wilhelmus Weekamp
Original assignee: Koninklijke Philips N.V.
Priority date: 2009-10-06
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2020-09-24
Also published as: US8854739B2; EP2486433A1; KR20120093260A; KR101982348B1; EP2486433B1; US20120200939A1; RU2012118592A; BR112012007656A8; WO2011042835A1; BR112012007656A2; KR20180063362A; RU2535242C2; CN102576096B; CN102576096A; JP2013506881A

Abstract

dispositivo de umedecimento elétrico, método de fabricação do dispositivo de umedecimento elétrico (200), método de operar o dispositivo de umedecimento elétrico (200) a invenção se refere a um dispositivo de umedecimento elétrico sobre dielétrico (200). isto é um dispositivo de umedecimento elétrico compreendendo uma ou mais células, em que cada célula compreende uma composição de umedecimento elétrico do primeiro e segundo fluidos imiscíveis, o primeiro fluido sendo uma solução eletrolítica (240), um primeiro eletrodo (230), separado da composição de umedecimento elétrico por um dielétrico (231), e uma fonte de tensão (260) para aplicar uma diferença de potencial de operação entre o primeiro eletrodo (230) e a solução eletrolítica para operar o dispositivo de umedecimento elétrico. de acordo com a invenção, o primeiro eletrodo (230) do dispositivo de umedecimento elétrico sobre dielétrico (200) compreende um metal de válvula, e a solução eletrolítica (240) é capaz de anodizar o metal de válvula para formar um óxido de metal na diferença de potencial de operação. isto fornece o dispositivo de umedecimento elétrico sobre dielétrico (200) com propriedades de auto-reparação desta forma prevenindo o colapso do dielétrico. como um resultado, o dispositivo de umedecimento elétrico pode ser operado em uma baixa tensão, e tem uma confiabilidade melhorada.

Description

DISPOSITIVO DE UMEDECIMENTO ELÉTRICO, MÉTODO DE FABRICAÇÃO DO DISPOSITIVO DE UMEDECIMENTO ELÉTRICO E MÉTODO DE OPERAR O DISPOSITIVO DE UMEDECIMENTO ELÉTRICO

CAMPO DA INVENÇÃO

A invenção se refere a um dispositivo de umedecimento elétrico compreendendo uma ou mais células, cada célula compreendendo (a) uma composição de umedecimento elétrico compreendendo primeiro e segundo fluidos imiscíveis, o primeiro fluido sendo uma solução eletrolítica, (b) um primeiro eletrodo, separado da composição de umedecimento elétrico por um dielétrico, e (c) uma fonte de tensão para aplicar uma diferença de potencial de operação entre o primeiro eletrodo e a solução eletrolítica para operar o dispositivo de umedecimento elétrico.

A invenção também se refere a métodos de fabricação e de operação do dispositivo de umedecimento elétrico acima mencionado.

HISTÓRICO DA INVENÇÃO

Umedecimento elétrico é um controle eletrostático do ângulo de contato entre um líquido e um sólido. Uma diferença de potencial aplicada entre um líquido condutivo e um substrato condutivo reduz a energia interfacial, que aumenta o grau de umedecimento do substrato pelo líquido. O umedecimento elétrico pode ser aplicado para mover e moldar volumes de líquidos. Por exemplo, quando uma gotícula de água está presente em uma superfície hidrofóbica, a área de contato entre as duas é minimizada. No entanto, quando uma diferença de potencial adequada é aplicada entre um primeiro eletrodo que está presente abaixo da superfície hidrofóbica e um segundo eletrodo que é colocado na gotícula de água, a gotícula de água se espalha sobre a superfície hidrofóbica (em outras palavras, as propriedades hidrofóbicas da superfície parecem diminuir). Quando a diferença de potencial é removida, a gotícula de água retorna ao seu estado original.

Um dispositivo de umedecimento elétrico é um dispositivo que, em operação, faz uso do efeito de umedecimento elétrico. Os dispositivos de umedecimentos elétricos são usados em uma ampla faixa de aplicações, incluindo lentes de foco variável (tal como lente de contato de foco variável), displays eletrônicos, comutadores para fibras ópticas, e sistemas micro eletromecânicos (tal como dispositivos micro fluídicos e dispositivos de laboratório em chip).

Os dispositivos de umedecimento elétrico tipicamente compreendem uma célula em que uma composição de umedecimento elétrico compreendendo dois fluidos imiscíveis, um dos quais é polar e/ou condutivo eletricamente pode ser manipulado através da aplicação de uma diferença de potencial entre dois eletrodos.

Para prevenir a eletrólise da composição de umedecimento elétrico, um dos eletrodos pode ser separado da composição de umedecimento elétrico por um meio dielétrico (no restante deste texto simplesmente chamado de dielétrico). Tal dispositivo de umedecimento elétrico é usualmente referido como um dispositivo de umedecimento elétrico sobre dielétrico (EWOD). O outro eletrodo pode estar em contato direto com o polar e/ou líquido condutivo eletricamente, ou pode ser capacitivamente acoplado a este líquido.

Os dispositivos EWOD tipicamente têm um dielétrico que compreende um fluoro polímero amorfo (por exemplo, Teflon® AF) , dióxido de silício (SiO2) , ou polímero parileno (um poli(p-xilileno) que pode ser depositado através de deposição de vapor químico), ou uma pilha destas camadas, tendo uma espessura na ordem dos micrometros de forma que uma diferença de potencial relativamente alta (na ordem de 100 V) seja necessária para operar estes dispositivos.

Para reduzir o tamanho do dispositivo e/ou consumo de força e para ser capaz de usar componentes eletrônicos padrão, existe uma necessidade por dispositivos EWOD que possam ser operados em tensões mais baixas.

A tensão de operação necessária de um dispositivo EWOD pode ser reduzida aumentando a constante do dielétrico e/ou diminuindo a espessura do dielétrico, desta forma aumentando a capacitância do dielétrico.

Reduzir a espessura do dielétrico leva a uma tensão de operação mais baixa, mas também a um campo elétrico maior dentro do dielétrico, e a uma probabilidade maior de ocorrência de micro furos no dielétrico. Abaixo de uma certa espessura de camada mínima, o colapso elétrico do dielétrico (também referido como colapso dielétrico) ocorre antes do efeito de umedecimento elétrico desejado ser obtido.

Os dispositivos EWOD que podem ser operados em uma tensão reduzida são revelados nos documentos US-2006/0221458 e US-2008/0100905, respectivamente. Estes dispositivos EWOD conhecidos compreendem um recipiente com um material líquido polar ou condutivo, e um primeiro eletrodo para aplicar uma tensão ao material líquido polar ou condutivo através de um dielétrico. O dielétrico é uma camada de óxido de metal formada através da anodização do primeiro eletrodo. A espessura do dielétrico pode ser facilmente e precisamente ajustada através do ajuste da tensão que é aplicada durante o processo de anodização. Além disso, os óxidos de metal da constante do dielétrico comparativamente alto podem ser formados anodizando alumínio e tântalo. Além disso, tais óxidos de metal podem ser feitos em camadas livres de micro furos.

Uma desvantagem dos dispositivos EWOD conhecidos é que ao longo do tempo o colapso dielétrico ainda pode ocorrer, por exemplo, como um resultado de stress mecânico, fadiga do dielétrico ou injeção de íon a partir dos fluidos durante o tempo de vida dos dispositivos.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

É um objetivo da invenção fornecer um dispositivo de umedecimento elétrico que possa ser operado em uma baixa tensão, e que tenha uma confiabilidade melhorada.

Também é um objetivo da invenção fornecer um método para fabricar tal dispositivo de umedecimento elétrico.

É ainda outro objetivo da invenção fornecer um método para operar tal dispositivo de umedecimento elétrico.

De acordo com um primeiro aspecto da invenção, o objetivo é realizado por um dispositivo de umedecimento elétrico de acordo com o parágrafo de abertura, em que o primeiro eletrodo compreende um metal de válvula, e em que a solução eletrolítica é capaz de anodizar o metal de válvula para formar um óxido de metal na diferença de potencial de operação.

Essencialmente, o dispositivo de umedecimento elétrico de acordo com a invenção compreende um capacitor eletrolítico. Um capacitor compreende duas placas condutivas separadas por um meio dielétrico, e em um capacitor eletrolítico uma das "placas" é um anodo metálico enquanto a outra é uma solução eletrolítica. Uma solução eletrolítica é uma solução de um eletrólito em um solvente, um eletrólito sendo um composto químico (tal como um sal, um ácido, ou uma base) que dissocia em íons carregados eletricamente quando dissolvidos em um solvente. Uma solução eletrolítica (também chamada de solução eletrólita, solução iônica, ou simplesmente eletrólito) é um condutor iônico de eletricidade.

Em um capacitor eletrolítico, a solução eletrolítica é capaz de anodizar o anodo metálico. Usualmente, o meio dielétrico de um capacitor eletrolítico é um óxido de metal produzido de anodo metálico em um processo de anodização. Durante este processo de anodização, a corrente elétrica flui do anodo metálico através de um banho contendo uma solução de anodização eletrolítica para um catodo de banho. O fluxo da corrente elétrica faz com que um óxido de metal isolante cresça para fora e na superfície do anodo metálico. A espessura, estrutura e composição desta camada de óxido de metal isolante determinam sua força dielétrica. Para este propósito, o anodo deve compreender um metal de válvula, sendo um metal a partir do qual um óxido é formado sob condições anódicas em uma célula eletrolítica. Os metais de válvula incluem magnésio, alumínio, titânio, vanádio, crômio, zinco, zircônio, nióbio, antimônio, háfnio, tântalo, tungstênio e bismuto.

No dispositivo de umedecimento elétrico de acordo com a invenção, o capacitor eletrolítico é formado pelo primeiro eletrodo e a solução eletrolítica, separado pelo dielétrico, em que a solução eletrolítica (o primeiro fluido da composição de umedecimento elétrico) é uma solução de anodização eletrolítica.

Em um capacitor eletrolítico, a solução de anodização eletrolítica é capaz de reparar e engrossar o meio dielétrico localmente conforme necessário, um processe que é conduzido pela corrente de vazamento do capacitor que é retirado quando está em operação. Um mecanismo de auto-reparação (ou cura) similar se aplica no dispositivo de umedecimento elétrico de acordo com a invenção, resultando em uma confiabilidade melhorada do dispositivo.

No dispositivo de umedecimento elétrico de acordo com a invenção, o dielétrico pode ser uma única camada, ou uma estrutura de multi camada (uma pilha). O dielétrico pode ser um óxido de metal produzido a partir de um anodo metálico em um processo de anodização, apesar de isto não necessariamente ter que ser assim. Basicamente, qualquer dielétrico pode ser usado, contanto que a combinação do primeiro eletrodo e da composição de umedecimento elétrico fornecer o dispositivo de umedecimento elétrico com a funcionalidade de auto-reparação mencionada acima. Isto significa que o dispositivo de umedecimento elétrico de acordo com a invenção ter uma confiabilidade melhorada mesmo quando um dielétrico é usado que não é obtido através da anodização do primeiro eletrodo, tal como, por exemplo, um dielétrico compreendendo parileno ou um poliéster tal como polietileno tereftalato (PET). Uma vantagem de usar um poliéster, tal como PET, é que é um material barato que pode prontamente ser estruturado com um excímero a laser. Consequentemente, é muito bem adequado para uso em aplicações descartáveis de baixo custo, por exemplo, aplicações de laboratório em chip.

No dispositivo de umedecimento elétrico de acordo com a invenção, o primeiro fluido da composição de umedecimento elétrico é uma solução de anodização eletrolítica capaz de anodizar o metal de válvula do primeiro eletrodo para formar um óxido de metal na diferença de potencial de operação. Em outras palavras, o primeiro fluido é suscetível a um campo elétrico. O segundo fluido do dispositivo de umedecimento elétrico, que é imiscível com o primeiro fluido, é muito menos suscetível a um campo elétrico que o primeiro fluido. O segundo fluido pode ser um óleo, por exemplo, óleo de silício, ou ar.

A solução de anodização eletrolítica pode ser qualquer solução conforme usada no capacitor eletrolítico, já que estas soluções fornecem o mecanismo de auto-reparação (ou cura) conforme descrito acima, enquanto mantém a integridade do dielétrico. Adicionalmente, para uso no dispositivo de umedecimento elétrico de acordo com a invenção a solução de anodização eletrolítica não tem que obedecer aos mesmos requisitos que para os capacitores eletrolíticos, nisto uma condutividade elétrica relativamente alta não é necessária. Geralmente, quanto mais baixa a concentração de íons na solução de anodização eletrolítica, mais baixa a probabilidade de colapso do dielétrico e mais alta a confiabilidade do dispositivo de umedecimento elétrico.

A solução de anodização eletrolítica preferencialmente compreende um solvente polar tal como água. Além de água, diversos outros solventes polares podem ser usados, tal como alcoóis poli hídricos, gama-butirolactano (GBL), dimetilformamida (DMF), N-metilpirrolididnona (NMP), amidas, polipirrol, sais fundidos e qualquer combinação destes.

As soluções de anodização eletrolíticas particularmente preferidas são aquelas que resultam em camadas de óxido de metal anodizado substancialmente não porosas (ou livre de micro furos). Exemplos de tais soluções são soluções de ácido cítrico, acido tartárico e ácido bórico, e também soluções de borato de amônio, tartarato de amônia e fosfato de amônio.

No dispositivo de umedecimento elétrico de acordo com a invenção, uma diferença de potencial é aplicada entre o primeiro eletrodo e a solução eletrolítica (o primeiro fluido da composição de umedecimento elétrico) através de uma fonte de tensão. Obviamente, isto pode ser feito conectando um terminal da fonte de tensão do primeiro eletrodo, e o outro terminal a um segundo eletrodo que é ou diretamente acoplado à solução eletrolítica, ou capacitivamente acoplada através de uma camada isolante intermediária.

O segundo eletrodo é preferencialmente inerte em relação à solução de anodização eletrolítica (o primeiro fluido da composição de umedecimento elétrico). Por exemplo, o segundo eletrodo pode ser um eletrodo de aço inoxidável.

A fim de obter um equilíbrio adequado entre a estabilidade química e a resistência elétrica interna, o primeiro fluido (a solução de anodização eletrolítica) pode compreender aditivos tais como açúcares e/ou etileno glicol.

No dispositivo de umedecimento elétrico de acordo com a invenção, o dielétrico pode ser uma pilha de camadas, em que a pilha compreende uma camada hidrofóbica que está em contato com a composição de umedecimento elétrico. Preferencialmente, a camada hidrofóbica compreende um fluoro polímero amorfo, tal como Teflon®.

O dielétrico pode compreender uma camada de óxido de metal que foi formado através da anodização do metal de válvula do primeiro eletrodo.

A solução de anodização eletrolítica pode ser uma solução acídica ou uma solução alcalina. Quando o dispositivo de umedecimento elétrico compreende uma camada de Teflon®, o uso de uma solução acídica é preferido, devido aos experimentos terem mostrado que as soluções alcalinas causam carregamento negativo da superfície da camada de Teflon®, devido á adsorção preferida dos íons de hidroxila (OH) sobre os íons de hidrogênio (H3O+) . As soluções acídicas contêm um pouco mais de íons de hidroxila que a solução alcalina, desta forma reduzindo a probabilidade de adsorção de íons de hidroxila.

Quando a solução de anodização eletrolítica é uma solução acídica pode compreender um ácido orgânico. Os ácidos orgânicos ou podem ser ácidos orgânicos alifáticos ou aromáticos. Os ácidos orgânicos alifáticos ou tem cadeias retas, cadeias ramificadas ou anéis não aromáticos.

Exemplos de ácidos orgânicos alifáticos adequados são ácidos orgânicos mono carboxílicos, ácido acético, ácido propiônico, ácido acrílico, e ácido butírico. Tais ácidos orgânicos podem ser usados sozinhos, ou em combinação com sais tais como borato de ácido amônio, borato de sódio, tartarato de potássio de sódio, fosfato de amônio, acetato de sódio ou acetato de amônio.

Derivativos de ácidos orgânicos mono carboxílicos também podem ser usados, tal como ácido lático, ácido hidroxiacrílico, ácido crotônico, ácido lático de etileno, ácido propiônico dehidroxi, ácido isobutírico, ácido acético dietil, ácido acético isoamil e ácido acético isobutil.

Após os ácidos orgânicos monocarboxílicos, os ácidos multi carboxílicos também podem ser usados, tal como o ácido orgânico dicarboxílico, ácido tartárico e o ácido cítrico tricarboxílico.

Exemplos de ácidos orgânicos aromáticos adequados são ácido creyulic (cresol) e ácido carbólico (fenol).

Após os ácidos orgânicos, os ácidos inorgânicos também podem ser usados, ou sozinhos ou em combinação com um ácido orgânico. Um exemplo de ácido inorgânico adequado é o ácido bórico.

Um ácido preferido é um ácido escolhido a partir do grupo consistindo de ácido cítrico, ácido tartárico e ácido bórico, como uma solução de anodização eletrolítica compreendendo tal ácido resulta em camadas de óxido de metal anodizado não porosas (ou livres de micro furos).

No dispositivo de umedecimento elétrico de acordo com a invenção, o primeiro fluido da composição de umedecimento elétrico pode compreender um sal, preferencialmente um sal escolhido a partir do grupo consistindo de boratos, tartaratos, citratos e fosfatos, já que resultam em camadas de óxido de metal anodizado substancialmente não porosas (ou livre de micro furos).

No dispositivo de umedecimento elétrico de acordo com a invenção, o metal de válvula do primeiro eletrodo pode ser escolhido a partir do grupo consistindo de magnésio, alumínio, titânio, vanádio, crômio, zinco, zircônio, nióbio, antimônio, háfnio, tântalo, tungstênio e bismuto.

No caso de um micro furo no dielétrico, o mecanismo de auto-reparação iniciará. Durante este processo, gás hidrogênio é criado no anodo (o primeiro eletrodo). Pequenas quantidades deste gás podem dissolver, mas quantidades maiores irão causar pressão, e podem atrapalhar o funcionamento do dispositivo de umedecimento elétrico, particularmente quando o dispositivo tem uma função de lente. Este problema pode ser solucionado fazendo uma válvula de alívio de pressão, ou adicionando um capturador de hidrogênio na solução eletrolítica. Exemplos de capturadores de hidrogênio adequados são sais aminos e nitro aromáticos, tipicamente em concentrações de 1%.

De acordo com um segundo aspecto da invenção, o objetivo é realizado através de um método de fabricação do dispositivo de umedecimento elétrico acima, compreendendo a etapa de formar o dielétrico anodizando o metal de válvula do primeiro eletrodo.

De acordo com um terceiro aspecto da invenção, o objetivo é realizado através de um método de operar o dispositivo de umedecimento elétrico acima, compreendendo a etapa de aplicar uma diferença de potencial entre o primeiro eletrodo e um segundo eletrodo, de forma que uma tensão positiva líquida de tempo médio seja aplicada ao primeiro eletrodo. O método de operação usa preferencialmente tensões DC com o primeiro eletrodo tendo uma polaridade positiva para 30 permitir a anodização. Além disso, no caso do dielétrico compreender um óxido de metal, o uso de tensões DC previne a dissolução do óxido de metal. No entanto, as tensões AC também podem ser usadas a fim de prevenir o carregamento do dielétrico. Se a condução AC for desempenhada de forma que na média uma tensão positiva líquida seja aplicada ao primeiro eletrodo, o óxido de metal compreendido no dielétrico não deve dissolver.

Um método alternativo para aplicar tensões AC ao dispositivo de umedecimento elétrico de acordo com a invenção é usar um capacitor em série com o dispositivo, de forma que a então chamada configuração back-to-back seja criada. Em outras palavras, em adição a uma fonte de tensão um capacitor é inserido entre um eletrodo e a composição de umedecimento elétrico. Este método é conhecido por conduzir capacitores eletrolíticos com uma tensão AC.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

As Figs. 1a e 1b mostram uma seção cruzada de uma célula que pode ser compreendida em um dispositivo de umedecimento elétrico de acordo com a presente invenção.
As Figs. 2a e 2b mostram seções cruzadas de um exemplo de um dispositivo de umedecimento elétrico de acordo com a invenção na forma de uma lente de foco variável.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS REALIZAÇÕES

As Figs. 1 e 2 mostram seções cruzadas de diversas células que podem ser compreendidas em um dispositivo de umedecimento elétrico de acordo com a presente invenção.
Na Fig. 1, a célula 100 compreende uma composição de umedecimento elétrico de um primeiro fluido 110 e um segundo fluido 120. O primeiro fluido 110 é imiscível com o segundo fluido 120. Além disso, o primeiro fluido 110 é uma solução eletrolítica. A célula 100 compreende ainda um primeiro eletrodo na forma da camada de alumínio 130, o alumínio sendo um metal de válvula, e é separado da composição de umedecimento elétrico pelo dielétrico na forma de uma pilha compreendendo uma camada de parileno 140, e um revestimento hidrofóbico 150, em que o último está em contato com a composição de umedecimento elétrico.

A célula 100 também compreende uma fonte de tensão DC na forma de uma bateria 160, da qual o terminal positivo é conectado com a camada de alumínio 130, e o terminal negativo ao primeiro fluido 110. Na Fig. 1a nenhuma tensão é aplicada, enquanto na Fig. 1b uma diferença de potencial de operação é aplicada entre a camada de alumínio 130 e o primeiro fluido 110. Consequentemente, o efeito de umedecimento elétrico é obtido conforme ilustrado pela mudança na interface entre o primeiro fluido 110 e o segundo fluido 120, causada pelas forças eletromecânicas, levando a uma mudança aparente nas propriedades hidrofóbicas do revestimento hidrofóbico 150. Nesta diferença de potencial de operação, o primeiro fluido 110, sendo uma solução eletrolítica, é capaz de anodizar o 15 alumínio da camada de alumínio 130 para formar óxido de alumínio.

Alternativamente, uma célula tal como aquela mostrada na Fig. 1 pode ter um dielétrico que, ao invés da camada de parileno 140, compreende uma camada de óxido de metal, preferencialmente uma camada de óxido de alumínio que é obtida através da anodização da camada de alumínio 130, ou uma camada de polietileno tereftalato (PET). Além disso, a camada de alumínio 13 0 pode ser fornecida em um transportador, tal como um transportador de vidro ou um transportador de silício.

A Fig. 2 mostra seções cruzadas de uma lente de foco variável 200, sendo um exemplo de um dispositivo de umedecimento elétrico de acordo com a invenção.

A lente de foco variável 200 compreende um primeiro substrato transparente 210, um segundo substrato transparente 220, e um espaçador metálico 230 afastando o primeiro substrato transparente 210 e o segundo substrato transparente 220. O primeiro substrato transparente 210, o segundo substrato transparente 220, e o espaçador metálico 230 constitui uma célula que contém uma composição de umedecimento elétrico, compreendendo uma solução eletrolítica aquosa 240 e um óleo 250, ambos com diferentes propriedades ópticas.

O espaçador metálico 230 é o primeiro eletrodo de lente de foco variável 200, compreende um metal de válvula, e é revestido com um dielétrico na forma de uma camada de óxido de metal 231, separando o espaçador metálico 230, da composição de umedecimento elétrico. O primeiro substrato transparente 210 é revestido com um outro eletrodo na forma de um revestimento condutivo transparente hidrofílico 211.

As áreas do segundo substrato transparente 220 e da camada de óxido de metal 231 que são expostas à composição de umedecimento elétrico são revestidas com um revestimento transparente hidrofóbico 221. O revestimento transparente hidrofóbico 221 também é aplicado no segundo substrato 220, a fim de prevenir qualquer líquido condutivo de condensar no segundo substrato 220.

A lente de foco variável 200 também compreende uma fonte de tensão DC na forma de uma bateria 260, da qual o terminal positivo é conectado ao espaçador metálico 230, e o terminal negativo ao revestimento condutivo hidrofílico 211. O terminal negativo é preferencialmente enterrado, a fim de manter a solução eletrolítica 240 no mesmo potencial que os circundantes, desta forma prevenindo diferenças potenciais entre a solução eletrolítica 240 e os circundantes de distorcer a interface fluido-fluido. Na Fig. 2a nenhuma tensão é aplicada, enquanto na Fig. 2b uma diferença de potencial de operação é aplicada entre o espaçador metálico 230 e o revestimento condutivo hidrofílico 211. Consequentemente, o efeito de umedecimento elétrico é obtido conforme ilustrado pela mudança na interface entre a solução eletrolítica aquosa 240 e o óleo 250, causada por uma mudança nas propriedades hidrofóbicas do revestimento hidrofóbico 221. Nesta diferença de potencial de operação, a solução eletrolítica aquosa 240 da composição de umedecimento elétrico é capaz de anodizar o metal de válvula do espaçador metálico 230 para formar um óxido de metal.

Um dispositivo de umedecimento elétrico de acordo com a invenção pode ser fabricado conforme segue.

Um substrato de alumínio é colocado em uma solução aquosa de 8% de ácido cítrico e 0,5% de ácido fosfórico. A anodização do substrato de alumínio é desempenhada aplicando uma diferença de potencial entre a solução aquosa e o substrato de alumínio, com o substrato de alumínio formando o anodo, enquanto o catodo consiste de uma placa de aço inoxidável. A densidade da corrente elétrica é cerca de 10 mA/cm2, a tensão de anodização inicial é mais baixa que 150 V, e a tensão de anodização final é 150 V. Após várias horas uma camada de óxido de alumínio com uma espessura de 210 nm cresce no substrato de alumínio.

Preferencialmente, o pH da solução aquosa de ácido cítrico é aumentado para prevenir a cauterização do alumínio e óxido de alumínio quando nenhuma tensão é aplicada ao dispositivo, enquanto mantém a capacidade de anodização e bom desempenho do umedecimento elétrico. O pH da solução aquosa do ácido cítrico pode ser aumentada adicionando uma solução de hidróxido de amônio. Por exemplo, o pH de um litro de solução aquosa de 8% de ácido cítrico pode ser aumentado adicionando 0,18 litro de uma solução de 5 M de hidróxido de amônio, para obter um pH de 6,68.

Como uma camada dielétrica obtida através de anodização pode ser porosa, após a anodização um processo de vedação pode ser desempenhado para tornar a camada dielétrica livre de micro furos.

A camada de óxido de alumínio é então revestida com uma camada de 10 nm de fluoro polímero amorfo Teflon® AF-1600 por meio de imersão de revestimento em uma solução de 1% de Teflon® AF-1600 em FC-75 (um derivado de fluoro carbono de tetrahidrofurano, com fórmula química C8F16O). O revestimento de fluoro polímero amorfo é recozido em 200 °C por 10 minutos para evaporar qualquer solvente restante. A deposição do revestimento também pode ser feita com anodização gasosa, usando um plasma de oxigênio, ou com deposição da camada atômica.

A seguir, uma gota de uma solução aquosa de 8% de ácido cítrico, cercado por óleo de silício, é fornecida no revestimento de fluoro polímero amorfo.

O acima tem resultado em um dispositivo de umedecimento elétrico de acordo com a invenção, em que o primeiro fluido da composição de umedecimento elétrico é uma solução eletrolítica na forma de uma solução aquosa de 8% de ácido cítrico, e o segundo fluido da composição de umedecimento elétrico é o óleo de silício, ambos fluidos sendo imiscíveis. O primeiro eletrodo é o substrato de alumínio, que é separado da composição de umedecimento elétrico por um dielétrico na forma de uma pilha de camada de óxido de alumínio de 210 nm de espessura e a camada de Teflon® AF-1600 de 10 nm de espessura.

Quando o substrato de alumínio é conectado ao terminal positivo de uma fonte de tensão, e a gota de uma solução aquosa de 8% de ácido cítrico, cercada por óleo de silício, é conectada ao terminal negativo da fonte de tensão, tensões de operação entre 0 V e 2 0 V são obtidas, já que estas diferenças de potencial mostram claramente o efeito de umedecimento elétrico nisto a gota se espalha após o aumento da diferença de potencial. Mesmo após fazer deliberadamente uma arranhadura na pilha de camadas, penetrando através de toda a pilha, o efeito de umedecimento elétrico continua sem o colapso dielétrico.

Dispositivos similares também podem ser fabricados a partir de substrato compreendendo magnésio, alumínio, titânio, vanádio, crômio, zinco, zircônio, nióbio, antimônio, háfnio, tântalo, tungstênio, e bismuto, no qual uma camada de óxido de metal correspondente pode estar crescendo através de anodização.

O dielétrico pode ser fornecido através da pulverização, evaporação, recozimento de uma pasta, deposição da camada atômica a partir de um precursor gasoso, deposição do vapor químico, oxidação térmica, eloxação, ou anodização.

Em um processo de anodização, a diferença de potencial aplicada determina a espessura do dielétrico. Por exemplo, para uma camada de óxido de alumínio a espessura possível é 1,4 nm/V, e para a camada de óxido de tântalo 2 nm/V.

Os inventores têm realizado que, para uma certa espessura do dielétrico, a tensão usada para operar o dispositivo de umedecimento elétrico é muito mais baixa que a tensão necessária para crescer o dielétrico através de anodização do primeiro eletrodo. Isto implica que o dielétrico não cresça durante a operação do dispositivo de umedecimento elétrico. Somente no caso de uma falha no dielétrico o processo de crescimento iniciará, mas o dielétrico não se tornará mais espesso do que foi originalmente projetado. Por exemplo, um dispositivo de umedecimento elétrico compreendendo dielétrico na forma de uma camada de óxido de tântalo de 100 nm é tipicamente operado em uma tensão de operação de 10 V, enquanto a camada de óxido de tântalo cresceu em 50 V. Para dielétricos mais espessos, a diferença se torna ainda maior devido à dependência da raiz quadrada da tensão de condução do umedecimento elétrico na espessura do dielétrico, como comparada a dependência linearmente da espessura dielétrica na tensão de anodização.

Particularmente quando o dielétrico compreende uma camada de óxido de metal, o dispositivo de umedecimento elétrico de acordo com a invenção é preferencialmente operado com tensões DC com o primeiro eletrodo tendo uma polaridade positiva para permitir a anodização, para prevenir a dissolução da camada de óxido de metal.

No entanto, para prevenir o carregamento do dielétrico, é vantajoso usar tensões AC. A condução AC é preferencialmente desempenhada de forma que na média a tensão positiva líquida seja aplicada ao primeiro eletrodo, para prevenir o dielétrico de se dissolver. A formação de carga já pode ser prevenida através da varredura da tensão entre um alto valor positivo (ponto de trabalho) e um valor baixo (ponto de descarga), por exemplo, 0 V.

Uma primeira forma de usar condução AC de forma que na média uma tensão positiva líquida seja aplicada ao primeiro eletrodo, é adicionando uma compensação de tensão positiva à tensão de condução AC.

Adicionando uma compensação positiva à tensão AC, a tensão média pode ser positiva enquanto a carga construída pode ser removida com uma tensão negativa. Pode haver uma competição entre um processo de anodização durante a aplicação de uma tensão positiva e um processo de dissolução durante a aplicação de uma tensão negativa. Estes processos são dependentes da duração e magnitude das tensões aplicadas. Quando a compensação positiva é muito baixa, o processo de dissolução pode ganhar e a camada anodizada poderia ser destruída. Ou, no caso de ainda não haver camada anodizada (por exemplo, no caso de parileno perfurado depositado no alumínio), nenhuma camada anodizada será formada. Quando a compensação positiva é muito alta, o processo de anodização pode ganhar, mas a remoção de carga aplicando uma tensão negativa poderia ser menos efetiva.

Os experimentos têm mostrado que a compensação na qual o processo de anodização somente bate o processo de dissolução é dependente de frequência, com uma frequência mais baixa necessitando de uma compensação DC mais alta para alcançar o ponto em que a dissolução e o processo de anodização são igualmente fortes.

Por exemplo, um experimento foi desempenhado usando uma solução de 8% de ácido cítrico aquoso, cercado por óleo de silício, em um revestimento de parileno perfurado C tendo uma espessura de 300 nm depositado em alumínio. A Tabela 1 dá a compensação DC na qual os processos de anodização e dissolução são igualmente fortes (limite de compensação DC), como uma função da frequência de condução AC. Na Tabela 1, a compensação DC também é dada como uma porcentagem da amplitude de tensão máxima, que é 7 V neste experimento.

Tabela 1: O limite de compensação DC tem uma função de frequência de condução AC, para um dispositivo usando uma solução de 8% de ácido cítrico aquoso, cercada por óleo de silício, em um revestimento de parileno perfurado C tendo uma espessura de 300 nm depositado em alumínio.

Frequências mais altas podem necessitar somente de uma compensação relativamente pequena, ou mesmo nenhuma compensação. Por exemplo, quando o dispositivo acima mencionado é conduzido com uma frequência AC de cerca de 1000 Hz, nenhuma compensação é necessária. Teoricamente, poderia ser possível que mesmo a condução AC com uma compensação negativa relativamente pequena ainda permitisse a anodização, no caso do processo de anodização é mais efetivo que o processo de dissolução.

Uma segunda forma de usar a condução AC de forma que na média uma tensão positiva líquida seja aplicada ao primeiro eletrodo, é desempenhando a condução AC usando um ciclo de trabalho modificado. Como já mencionado acima, a competição dos processos de anodização e solução são dependentes da duração e magnitude das tensões aplicadas. Quando a duração do período em que uma tensão positiva é aplicada é relativamente curta comparada a duração do período em que uma tensão negativa é aplicada, o processo de dissolução pode ganhar e a camada anodizada poderia ser destruída. Ou, no caso de ainda não existir camada anodizada (por exemplo, no caso de parileno perfurado depositado sobre alumínio), nenhuma camada anodizada será formada. Se a duração do período em que uma tensão positiva é aplicada é relativamente longa, o processo de anodização pode ganhar, mas a remoção de carga durante o período (relativamente curto) em que uma tensão negativa é aplicada poderia ser menos efetivo.

Por exemplo, um experimento foi desempenhado usando uma solução de 8% de ácido cítrico aquoso, cercado por óleo de silício, em um revestimento de parileno perfurado C tendo uma espessura de 300 nm depositado em alumínio. A Tabela 2 dá o ciclo (fração de tempo em que uma tensão positiva é aplicada) no qual os processos de dissolução e anodização são igualmente fortes (limite do ciclo de trabalho), como uma função da frequência de condução AC.

Tabela 2: Limite do ciclo de trabalho como uma função da frequência de condução AC, para um dispositivo usando uma solução de 8% de ácido cítrico aquoso, cercada por óleo de silício, em um revestimento de parileno perfurado C tendo uma espessura de 300 nm depositada sobre alumínio.

Dependendo da escolha de materiais e condições, condução AC pode efetivamente ser usada para prevenir o carregamento. Para o dispositivo acima mencionado, a fração de tempo em que uma tensão positiva é aplicada é preferencialmente 50% ou mais quando frequências de condução AC de cerca de 250 Hz ou menos são usadas. Para frequências de condução AC mais altas, a fração de tempo em que uma tensão positiva é aplicada pode ser mais baixa que 50%.

Teoricamente, um ciclo de trabalho em que a duração do período em que uma tensão positiva é aplicada é mais curta que a duração do período em que uma tensão negativa é aplicada pode ainda permitir a anodização quando o processo de anodização é mais efetivo que o processo de dissolução.

Os termos "primeiro", "segundo", e similares na descrição e nas reivindicações, são usados para distinguir entre elementos similares e não necessariamente para descrever uma ordem sequencial ou cronológica. Deve ser entendido que os termos então usados são intercambiáveis em circunstâncias apropriadas e que as realizações da invenção descritas aqui são capazes de operar em outras sequências além das descritas ou ilustradas aqui.

Deve ser percebido que as realizações acima mencionadas ilustram ao invés de limitar a invenção, e que os técnicos no assunto serão capazes de projetar muitas realizações alternativas sem se afastar do escopo das reivindicações pendentes. Nas reivindicações, quaisquer sinais de referência colocados entre parênteses não devem ser construídos como limitando a reivindicação. O uso do verbo "compreender" e suas conjugações não exclui a presença de elementos ou etapas além daquelas estabelecidas em uma reivindicação, nem excluir as realizações em que o verbo significa "consistir de". O artigo "um" ou "uma" precedendo um elemento não exclui a presença da pluralidade de tais elementos. O mero fato de que certas medidas são citadas em reivindicações mutuamente diferentes não indica que uma combinação destas medidas não possa ser usada como vantagem.

Claims

DISPOSITIVO DE UMEDECIMENTO ELÉTRICO (200) compreendendo uma ou mais células, cada célula compreendendo:
- - uma composição de umedecimento elétrico, compreendendo primeiro (240) e segundo (250) fluido imiscíveis, o primeiro fluido (240) sendo uma solução eletrolítica,
- - um primeiro eletrodo (230) , separado da composição de umedecimento elétrico por um dielétrico (231),e
- - uma fonte de tensão (260) para aplicar uma diferença de potencial de operação entre o primeiro eletrodo (230) e a solução eletrolítica (240) para operar o dispositivo de umedecimento elétrico (200), caracterizado por:
- - o primeiro eletrodo (230) compreender um metal de válvula, e
- - a solução eletrolítica (240) ser capaz de anodizar o metal de válvula para formar um óxido de metal nadiferença de potencial de operação.
DISPOSITIVO DE UMEDECIMENTO ELÉTRICO (200), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo dielétrico (231) ser uma pilha, a pilha compreendendo uma camada hidrofóbica (221) que está em contato com a composição de umedecimento elétrico.
DISPOSITIVO DE UMEDECIMENTO ELÉTRICO (200), de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pela camada hidrofóbica (221) compreender um fluoro polímero amorfo.
DISPOSITIVO DE UMEDECIMENTO ELÉTRICO (200), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo dielétrico (231) compreender uma camada de óxido de metal formada anodizando o metal de válvula do primeiro eletrodo (230) .
DISPOSITIVO DE UMEDECIMENTO ELÉTRICO (200) , de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo dielétricO (231) compreender parileno.
DISPOSITIVO DE UMEDECIMENTO ELÉTRICO (200) , de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pela solução eletrolítica (240) compreender um ácido.
DISPOSITIVO DE UMEDECIMENTO ELÉTRICO (200), de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo ácido ser um ácido orgânico.
DISPOSITIVO DE UMEDECIMENTO ELÉTRICO (200), de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo ácido ser escolhido do grupo que consiste em ácido cítrico, ácido tartárico e ácido bórico.
DISPOSITIVO DE UMEDECIMENTO ELÉTRICO (200), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pela solução eletrolítica (240) compreender um sal.
DISPOSITIVO DE UMEDECIMENTO ELÉTRICO (200), de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo sal ser escolhido do grupo que consiste em boratos, tartaratos, citratos e fosfatos.
DISPOSITIVO DE UMEDECIMENTO ELÉTRICO (200), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo metal de válvula ser escolhido do grupo que consiste em magnésio, alumínio, titânio, vanádio, crômio, zinco, zircônio, nióbio, antimônio, háfnio, tântalo, tungstênio e bismuto.
DISPOSITIVO DE UMEDECIMENTO ELÉTRICO (200), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pela solução eletrolítica (240) compreender um capturador de hidrogênio.
MÉTODO DE FABRICAÇÃO DO DISPOSITIVO DE UMEDECIMENTO ELÉTRICO (200), conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado por compreender a etapa de formar o dielétrico (231) anodizando o metal de válvula do primeiro eletrodo (230) .
MÉTODO DE OPERAR O DISPOSITIVO DE UMEDECIMENTO ELÉTRICO (200), conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado por compreender a etapa de aplicar uma diferença de potencial entre o primeiro eletrodo (230) e a solução eletrolítica (240), de forma que uma tensão positiva liquida mediada por tempo seja aplicada ao primeiro eletrodo (230) .