CN103566987B - 一种电渗流泵及其泵体设计工艺流程 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电渗流泵及其泵体设计工艺流程，包括泵体，泵体内设有微通道，微通道内部充满电解质溶液，通过磁控溅射在每个所述微通道内表面蒸镀一层导电层，再在导电层上沉积一层绝缘层。泵体外部设有电源装置，为通道壁面提供可控电势，通过控制通道壁面的电势大小和正负，可以方便的控制通道内部液体流动的速度、压强和流向。本发明用来提供可控微流量液体和产生一定可控液体压强，操作模式简单，控制方便，系统响应速度快，可广泛用于化学化工、微纳米机电系统和生物医疗器械方面的流体驱动泵，特别适用于作芯片微通道的驱动泵，如处理器芯片的冷却和分析化学中的物质分离与提纯。
Description
技术领域
本发明属于化学分析技术和微纳米机械系统领域，具体涉及通过控制微通道壁面的电压而产生可控电渗流的电渗流泵技术。
背景技术
当固体壁面与溶液相互接触时，由于固液界面的化学或物理作用，如固体表面离子的电离等，固体表面往往带有一定的电荷密度。这样由于固体表面电荷的静电作用，溶液中的反离子在固体表面大量富集而形成双电层结构。固体表面的双电层分为紧靠壁面的斯特恩层和由于离子热运动产生的扩散层。当沿平行于带电表面施加驱动电场后，双电层内部扩散层的离子会沿着电场方向做定向移动，由于溶液中离子与水分子间的水合作用以及其他相互作用，定向运动的离子会带动通道中的液体分子产生定向移动，而产生电渗流动。这样在通道两端可以产生由电渗流动引起的液体压强。由于电渗流的产生是因为带电表面的扩散层中离子的运动，所以电渗流只是微观固液界面的电动现象，进而可以在微通道中产生微小的流量。
微泵可以将在通道两端施加的电能转化为通道内液体流动的机械能，是一种新型的流体传动形式，可以为微流量系统提供动力。随着微纳米加工技术的发展，微纳米机电系统(M/NEMS)为微泵的研制提供了技术与工艺基础。
由于自然情况下，固体与液体相互接触时，固体表面所形成的表面电荷密度太过微小，以至于固液界面处反离子的聚集量太少，这样当施加切向电压后，形成的电渗流太小，而且不可控。对于无机电解质溶液，当施加切向电压太高时还会引起溶液的电解现象，在溶液中会产生气泡严重影响电渗流的控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电渗流泵及其泵体设计工艺流程，可产生可控电渗流。
为了解决以上技术问题，本发明通过控制微通道的壁面电势来实现，具体技术方案如下：
一种电渗流泵，其特征在于：泵体包括基体和盖板(5)；基体由硅片(1)、微通道(2)、导电层(3)和绝缘层(4)组成；微通道(2)设于硅片(1)表面；导电层(3)的一面经蒸镀覆盖在所述微通道的内表面上，导电层(3)的另一面上覆盖有绝缘层(4)；盖板(5)与基体有微通道的一面键合；微通道内部充满电解质溶液；
泵体的外部设有 控制电源(6)和驱动电源；控制电源(6)的一端与导电层(3)相连，另一端接地，用以控制绝缘层的表面电势，进而调整绝缘层附近的反离子分布；驱动电源作用于泵体两端，为微通道中的液体提供切向电压。
所述基体的微通道(2)数目可以为多个，各微通道的排列方式为并联，形成微通道阵列。
所述泵体可包括多个基体，各基体之间为垂直叠加，形成微通道阵列。
4.如权利要求1-3所述的一种电渗流泵,其特征在于：可通过所述的微通道为流体提供流道，流道的高度和宽度尺寸都在微米量级。
所述的一种电渗流泵的泵体设计工艺流程，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，将硅片(1)进行研磨和抛光，减薄硅片的厚度和提高硅片表面的平整度；
步骤二，通过湿法刻蚀，在所述硅片(1)表面刻蚀微米级的通道，形成微通道(2)；当微通道(2)数目需要为多个时，各微通道(2)的排列方式为并联，形成微通道阵列；
步骤三，通过磁控溅射在所述微通道内表面蒸镀一层导电层(3)，再在导电层上沉积一层绝缘层(4)以防止导电层(3)与溶液形成回路,得到基体；
步骤四，最后通过键合将盖板(5)盖在基体的微通道上绝缘层的外表面, 盖板(5)的材料为硅材料。
所述的导电层(3)的材料为铜、银或石墨中的任一种。
可将多个基体通过一层一层的堆叠以实现三维微通道阵列，从而增大泵的通量。
本发明的工作原理是：通过控制与泵体导电层相连的控制电源的电压，使泵体的导电层处于不同的电势状态，进而在导电层外的绝缘层产生可控的比自然状态下大得多的表面电荷密度。尽可能多的吸附通道中的反离子在固体壁面附近聚集，形成稳定的双电层结构。接着，接通驱动电源，为通道两端提供驱动电压，使双电层中的离子产生定向的流动，进而带动通道中流体的整体运动。
本发明具有有益效果：本发明微通道中的流体的流速与驱动电源和控制电源的电源均有关联。这样对于不同的流量和压强需要，只需要设置不同的驱动电压和控制电压就能得到，应用更加广泛，控制更加方便。当控制电压为正时，通道内壁绝缘层带正电荷，负离子充当主要载流子，通道内流体由负极流向正极；当控制电压为负时，通道内壁绝缘体带负电荷，正离子充当主要载流子，通道内流体由正极流回负极。本发明中，泵体上的微通道数目可根据具体工况而进行变化，泵体上的微通道在排列方式上为并联排列，这样电渗流泵的总体流量与微通道的数目直接相关，故而选择不同的微通道数目就可实现不同的流量需求。本发明组装方便，操作模式简单；泵体内通道体积小，无阀门和其他机械装置，流体的运动方向，流速，液体压强和流量可随控制电压，驱动电压和通道数目的改变而方便控制。系统响应速度快，可广泛用于化学化工、微纳米机电系统和生物医疗器械方面的流体驱动泵。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图中： 1 硅片， 2 微通道， 3 导电层， 4 绝缘层， 5 盖板， 6 控制电源。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一歩详细说明。
如图1所示，本发明的电渗流泵的泵体包括基体和盖板5，硅片1内设有微通道2，微通道内部充满电解质溶液。在每个微通道的内壁面具有一层导电层3和绝缘层4。泵体上部有盖体5与泵体键合。泵体外部有两个电源，其中控制电源6与泵体导电层相连，为微通道的内壁面提供可控的电势，驱动电源为微通道内部的液体提供驱动电压。泵体的基体和盖板5用硅等常见微纳米加工材料做成，本实施例中采用是硅；导电层3用的是石墨，绝缘层4有的是Al2O3。驱动电源所接电极采用可逆电极Ag/AgCl。
依以下工艺制备：一，将硅片进行研磨和抛光，减薄硅片的厚度和提高硅片表面的平整度；二，通过湿法刻蚀，在硅片表面刻蚀微米级的通道阵列；三，通过磁控溅射在微通道表面蒸镀一层导电层石墨；在导电层上沉积一层绝缘层Al2O3；四，通过键合将盖板盖在微通道上。
在完成上述步骤后，通过将微通道所在硅片的层层堆叠，获得可控壁面电势电渗流泵的三维结构。
本发明的具体实施使用过程如下：在泵体内部充入NaCl溶液，并将控制电源设置为负，此时Na+离子在微通道内部大量聚集，并在微通道内部表面形成双电层。然后接通驱动电源，在微通道内部形成平行于通道方向的有正极到负极的近似均匀的电场，Na+离子在电场的驱动下，会沿电场的方向定向运动到负极方向。由于溶液中Na+离子与微通道内壁的静电作用，当把控制电压调高时，在通道壁面附近的Na+离子数目会大量增加，这样所形成的电渗流流量更大。
Claims (7)
1.一种电渗流泵，其特征在于：泵体包括基体和盖板(5)；基体由硅片(1)、微通道(2)、导电层(3)和绝缘层(4)组成；微通道(2)设于硅片(1)表面；导电层(3)的一面经蒸镀覆盖在所述微通道的内表面上，导电层(3)的另一面上覆盖有绝缘层(4)；盖板(5)与基体有微通道的一面键合；微通道内部充满电解质溶液；
泵体的外部设有控制电源(6)和驱动电源；控制电源(6)的一端与导电层(3)相连，另一端接地，用以控制绝缘层的表面电势，进而调整绝缘层附近的反离子分布；驱动电源(7)作用于泵体两端，为微通道中的液体提供切向电压。
2.如权利要求1所述的一种电渗流泵,其特征在于：所述基体的微通道(2)数目为N个；N为大于等于2的整数；各微通道的排列方式为并联，形成微通道阵列。
3.如权利要求1所述的一种电渗流泵,其特征在于：所述泵体包括多个基体，各基体之间为垂直叠加，形成微通道阵列。
4.如权利要求1、2或3所述的一种电渗流泵,其特征在于：通过所述的微通道(2)为流体提供流道，流道的高度和宽度尺寸都在微米量级。
5.如权利要求1所述的一种电渗流泵的泵体设计工艺流程，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，将硅片(1)进行研磨和抛光，减薄硅片的厚度和提高硅片表面的平整度；
步骤二，通过湿法刻蚀，在所述硅片(1)表面刻蚀微米级的通道，形成微通道(2)；
步骤三，通过磁控溅射在所述微通道内表面蒸镀一层导电层(3)，再在导电层上沉积一层绝缘层(4)以防止导电层(3)与溶液形成回路,得到基体；
步骤四，最后通过键合将盖板(5)盖在基体的微通道上绝缘层的外表面, 盖板(5)的材料为硅材料。
6.如权利要求5所述的一种电渗流泵的泵体设计工艺流程，其特征在于：所述的导电层(3)的材料为铜、银或石墨中的任一种。
7.如权利要求5所述的一种电渗流泵的泵体设计工艺流程，其特征在于：将多个基体通过一层一层的堆叠以实现三维微通道阵列，从而增大泵的通量。
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Effective date of registration: 20201215 Address after: No. 159, Chengjiang Middle Road, Jiangyin City, Wuxi City, Jiangsu Province Patentee after: Jiangyin Intellectual Property Operation Co., Ltd Address before: 212013 No. 301, Xuefu Road, Zhenjiang, Jiangsu Patentee before: JIANGSU University |
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