CN105526135B - 一种反向低驱动电压双侧泵膜无阀静电微泵及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于微流控技术领域的一种反向低驱动电压双侧泵膜无阀静电微泵及其制备方法。所述的静电微泵是以泵腔为对称轴的为上下对称结构，泵腔的上下两侧分别为驱动单元，左右两端分别为入口和出口；驱动单元由外至内依次为固定电极、绝缘层、隔离层和泵膜，隔离层内部为不连续结构以形成驱动单元空腔，保证泵膜的振动空间；加在固定电极上的反向驱动电压的频率与泵膜的固有频率的偏离度为0‑10％，以获得共振效应，使泵膜的振幅加大。所述的静电微泵在微泵结构固定的情况下，显著降低了所需静电微泵的驱动电压，能以较低的驱动电压获得较大的泵出量，提高微泵工作效率。

Description

一种反向低驱动电压双侧泵膜无阀静电微泵及其制备方法
技术领域
本发明属于微流控技术领域，具体涉及一种反向低驱动电压双侧泵膜无阀静电微泵及其制备方法。
背景技术
微泵作为执行器件，是微流体系统中的重要的构成部件之一，可用于微电子液体、气体冷却液的输送，化工用品及贵重药物的精确输送，药物在人体内的传输，微型航空航天器件的燃料供给等众多领域。微泵的发展已经成为微流控系统发展水平的重要标志。
目前应用MEMS加工技术设计的微泵，按工作原理可分为机械式微泵和非机械式微泵。目前机械式微泵占主导地位，其同特点是将泵腔的一面做成易于变形的薄膜，薄膜在力的驱动下产生往复运动，使腔体内的压力交替变化，从而产生泵效应。
微泵按驱动方式包括静电驱动式、压电驱动式、气动式、热气动式等。静电驱动是指基于库仑力的原理，在平行的2个极板中，给其中一个固定极板加上单一极性的电压；在另一个与泵膜连接的极板上加上交变电压，交替产生该极板的双向形变，从而实现泵的功能。
静电微泵的优点是响应速度快，可靠性好，功耗小，并与IC工艺兼容性良好。泵腔内微流体的泵出量是微泵应用中核心的性能指标，而静电微泵发展面临的瓶颈是驱动电压过大。通常情况下，由于泵膜常面临静电吸附问题，为获得适当泵出量，只能拉长电极间距离；而静电产生的压力与电极施加的电压的平方成正比，与电极间的距离的平方成反比，在泵膜振幅有限的情况下，这样将带来驱动电压的同步增大，而通常此时微泵驱动力和行程过小，泵出量低，限制了微泵的应用，因此寻求低驱动电压的静电微泵技术具有重要的应用前景。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种反向低驱动电压双侧泵膜无阀静电微泵及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种反向低驱动电压双侧泵膜无阀静电微泵，所述的静电微泵是以泵腔5为对称轴的上下对称结构，泵腔5的上下两侧分别为驱动单元，左右两端分别为入口6和出口7；驱动单元由外至内依次为固定电极1、绝缘层2、隔离层4和泵膜3，隔离层4内部为不连续结构以形成驱动单元空腔，保证泵膜3的振动空间；加在固定电极1上的反向驱动电压的频率与泵膜3的固有频率的偏离度为0-10％，以获得共振效应，使泵膜3的振幅加大。
所述反向驱动电压的频率与泵膜3的固有频率的优选偏离度为0。
所述固定电极1的材料为Si；绝缘层2的材料为SiO2、Si3N4或Al2O3；泵膜3的材料为Si或PDMS；隔离层4材料为SiO2、Si3N4或Al2O3。
所述固定电极1厚度为5-250μm；绝缘层2的厚度为5-50μm；泵膜3厚度为5-50μm；隔离层4的厚度为5-50μm。
所述固定电极1优选的厚度为50μm；绝缘层2优选的厚度为10μm；泵膜3优选的厚度为10μm；隔离层4优选的厚度为30μm。
所述泵腔5两侧的两个泵膜3在工作时同时朝相反方向振动。
所述的一种反向低驱动电压双侧泵膜无阀静电微泵的制备方法，包括以下步骤：
(1)基片的清洗；
(2)固定电极1、入口6和出口7通过在基片上进行物理气相沉积、光刻或刻蚀制备而成；
(3)绝缘层2和隔离层4通过在基片上进行物理气相沉积制备而成；
(4)泵膜3通过在基片上进行光刻、刻蚀或旋涂制备而成；
(5)泵腔5通过在基片上共晶键合制备而成。
本发明的有益效果为；所述的静电微泵能够降低驱动电压，加大泵膜3的振幅，提高静电微泵的泵出量，在特定微泵结构下，能以相同的驱动电压获得较大的泵出量，提高微泵工作效率，扩大了微泵的适用范围。
附图说明
图1为一种反向低驱动电压双侧泵膜无阀静电微泵结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图1和实施例对本发明作进一步说明。
实施例：
一种反向低驱动电压双侧泵膜无阀静电微泵，其结构如图1所示。所述的静电微泵是以泵腔5为对称轴的上下对称结构，泵腔5的上下两侧分别为驱动单元，左右两端分别为入口6和出口7；驱动单元由外至内依次为固定电极1、绝缘层2、隔离层4和泵膜3，隔离层4内部为不连续结构以形成驱动单元空腔，保证泵膜3的振动空间。
所述固定电极1的材料为为Si，厚度为50μm；绝缘层2的材料为SiO2，厚度为10μm；泵膜3的材料为Si，厚度为10μm；隔离层4的材料为SiO2，厚度为30μm；泵膜3的固有频率为2kHZ，对固定电极1施加200V的反向驱动电压，反向驱动电压的频率与泵膜3固有频率偏离度为1％，此时泵腔双侧的两个泵膜3在同时反向振动时受到该频率的静电驱动力，获得共振效应，振幅加大，增大了入口6和出口7的微流体流量，使微泵在较小的驱动电压下获得较大的泵出量，所获得的泵出量为500μL/min。

Claims (6)

1.一种反向低驱动电压双侧泵膜无阀静电微泵，其特征在于，所述的静电微泵是以泵腔(5)为对称轴的上下对称结构，泵腔(5)的上下两侧分别为驱动单元，左右两端分别为入口(6)和出口(7)；驱动单元由外至内依次为固定电极(1)、绝缘层(2)、隔离层(4)和泵膜(3)，隔离层(4)内部为不连续结构以形成驱动单元空腔，保证泵膜(3)的振动空间；所述泵腔(5)两侧的两个泵膜(3)在工作时同时朝相反方向振动，加在固定电极(1)上的反向驱动电压的频率与泵膜(3)的固有频率的偏离度为0-10％，以获得共振效应，使泵膜(3)的振幅加大。
2.根据权利要求1所述的一种反向低驱动电压双侧泵膜无阀静电微泵，其特征在于，所述反向驱动电压的频率与泵膜(3)的固有频率的偏离度为0。
3.根据权利要求1所述的一种反向低驱动电压双侧泵膜无阀静电微泵，其特征在于，所述固定电极(1)的材料为Si；绝缘层(2)的材料为SiO2、Si3N4或Al2O3；泵膜(3)的材料为Si或PDMS；隔离层(4)材料为SiO2、Si3N4或Al2O3。
4.根据权利要求1所述的一种反向低驱动电压双侧泵膜无阀静电微泵，其特征在于，所述固定电极(1)厚度为5-250μm；绝缘层(2)的厚度为5-50μm；泵膜(3)厚度为5-50μm；隔离层(4)的厚度为5-50μm。
5.根据权利要求1所述的一种反向低驱动电压双侧泵膜无阀静电微泵，其特征在于，所述固定电极(1)的厚度为50μm；绝缘层(2)的厚度为10μm；泵膜(3)的厚度为10μm；隔离层(4)的厚度为30μm。
6.权利要求1-5中任一项所述的一种反向低驱动电压双侧泵膜无阀静电微泵的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)基片的清洗；
(2)固定电极(1)、入口(6)和出口(7)通过在基片上进行物理气相沉积、光刻或刻蚀制备而成；
(3)绝缘层(2)和隔离层(4)通过在基片上进行物理气相沉积制备而成；
(4)泵膜(3)通过在基片上进行光刻、刻蚀或旋涂制备而成；
(5)泵腔(5)通过在基片上共晶键合制备而成。
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