CN108080041A - 微型流体致动器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微型流体致动器，其包括地极板、电极板；电极板包括一电极板基板、N线路层、N绝缘层、一电极层；每一线路层包括至少一条线条状的导电线路；线路层、绝缘层由下到上依次间隔布置；最下层线路层覆盖在电极板基板上，电极层的电极阵列覆盖在最上层绝缘层上；最上层绝缘层上设置有与电极层的电极排列一致的通孔阵列；各线路层的各条导电线路分别穿过位于其上方的绝缘层上的相应通孔连接电极层的一电极。本发明还公开了另外一种微型流体致动器，电极层设在电极板基板上，线路层、绝缘层由下到上依次间隔布置在电极板基板下方。本发明的微型流体致动器，其芯片面积小，成本低，而且能够对液滴进行多方向移动，分裂，合并等控制。

Description

微型流体致动器
技术领域
本发明涉及微型电气机械系统(Micro-Electromechanical System,简称MEMS)，特别涉及一种微型流体致动器。
背景技术
微流控技术有很多种。主流的微流控技术一般用于控制连续的毛细流体。这类技术一般需要用到微泵、微阀等微小装置来实现流体的控制。实现微泵和微阀的结构不仅需要复杂的设计而且其效果也并不可靠。数字微流控技术(Digital Microfluidics,DMF)可以避开这些问题。DMF技术是一种控制液滴移动的技术。由于DMF操纵的是单个或者多个独立的液滴，而液滴本身是不需要隔断，所以DMF技术避开了微阀的设计。DMF技术也不需要微泵推动液体流动的功能，因为液滴的移动由电极阵列所释放的驱动电场完成。
DMF液滴控制器(DMF液控器)应用于医学，生物，环境等领域，实现的工艺有很多种。最主流的DMF液控器的制作工艺是利用MEMS制造工艺制作。MEMS制作工艺一般使用单晶硅、二氧化硅或玻璃为基底材料。这种工艺可以实现以下几种设计：叠层的电路，层厚极小的金属层，以及间隙极小的阵列。这些设计特点能够有效的提升DMF的性能。第二种工艺是用PCB制作工艺来制作DMF液控器。PCB的制作工艺与MEMS制造工艺有一定相似性。两种制作工艺都是采用光蚀刻。但PCB制作工艺是一种广泛使用的商业制造工艺，所以其制作成本上有一定的优势。所以，如果用PCB制作工艺的话，可以实现大规模的生产DMF液控器。最近几年出现了一种用喷墨打印机制作DMF液控器的工艺。这种工艺是一般使用纸质，PET，PI等柔性基材。这种DMF液控器的制作方法是通过喷墨打印机将纳米银墨水打印在基材上并且烧结而制成电路。由于这种工艺采用微孔喷墨打印在纸质的材料上，所以这种工艺生产的DMF液控器有柔软，低成本，高精度等特点。
通过MEMS工艺制作的液控器虽然效果最好但是成本很高，不利于生产廉价的一次性使用的DMF液控器。通过PCB工艺制作的液控器虽然可以大规模生产但是性能较差。通过喷墨打印实现的DMF液控器虽然性能好，成本低，但是喷墨打印无法形成规模生产也无法做出叠层电路的结构。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种微型流体致动器，其芯片面积小，成本低，而且能够对液滴进行多方向移动，分裂，合并等控制。
为解决上述技术问题，本发明提供的微型流体致动器，其包括一片地极板、一片电极板；其特征在于，所述电极板包括一层电极板基板、N层线路层、N层绝缘层、一层电极层，N为正整数；
每一线路层，包括一条或多条线条状的导电线路；
所述线路层、绝缘层由下到上依次间隔布置；
最下层线路层覆盖在电极板基板上，
电极层的电极阵列覆盖在最上层绝缘层上；
最上层绝缘层上设置有与所述电极层的电极排列一致的通孔阵列；
各线路层的各条导电线路分别穿过位于其上方的绝缘层上的相应通孔连接电极层的一电极；或者，
所述线路层、绝缘层由上到下依次间隔布置；
电极板基板覆盖在最上层线路层上，
电极层的电极阵列覆盖在电极板基板上；
电极板基板上设置有与所述电极层的电极排列一致的通孔阵列；
最上层线路层的各条导电线路分别穿过位于其上方的电极板基板上的相应通孔连接电极层的一电极；
其他线路层的各条导电线路分别穿过位于其上方的绝缘层及电极板基板上的相应通孔连接电极层的一电极。
较佳的，所述电极板还包括一电极板介电层和一电极板厌水层；
电极板介电层覆盖在电极板电极层之上；
电极板厌水层覆盖在电极板介电层之上。
较佳的，N为1、2、3、4或5。
较佳的，电极层为由方形、月牙形、圆形或锯齿形的电极组成的电极阵列。
较佳的，电极层的电极之间的间隔小于100微米.
较佳的，电极层的厚度小于10微米。
较佳的，所述地极板包括地极板基板、地极板导电层以及地极板厌水层；
地极板导电层覆盖在地极板基板底面；
地极板厌水层覆盖在地极板导电层底面。
较佳的，所述地极板导电层为透明导电材料；
所述线路层是可印刷的导电材料。
较佳的，地极板基板的材质为有机玻璃、无机玻璃或聚对苯二甲酸乙二醇酯；
地极板导电层的材质为纳米银线、石墨烯或掺锡氧化铟或铝掺杂氧化锌透明导电玻璃；
地极板厌水层的材质为无定型含氟树脂或透明氟树脂；
电极板基板的材质为照相纸、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺或玻璃；
所述线路层的材质为银浆、纳米银粒、纳米铜粒、纳米银线、纳米铜、碳纳米管、石墨烯、掺锡氧化铟或铝掺杂氧化锌透明导电玻璃；
所述电极板介电层的材质为派瑞林C、氮化硅、氧化硅、氧化铝、派瑞林HT中的一种材料或两种以上材料复合叠加；
所述电极板厌水层的材质为无定型含氟树脂或透明氟树脂。
本发明的微型流体致动器，在芯片单位面积上可以布置更多的电极，使电极阵列排列的密度更高，在同样数量电极情况下可以减小芯片面积，减少电极板介电层和电极板厌水层，降低成本。而且，由于可以将各电极通过不同层的线路层的导电线路引出，便于电极层的电极阵列组合构成更加丰富多变的电极图形，从而能够对地极板同电极板之间的液滴进行多方向移动，分裂，合并等控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对本发明所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的微型流体致动器一实施例立体示意图；
图2是本发明的微型流体致动器一实施例纵向截面示意图；
图3是本发明的微型流体致动器一实施例电极板纵向截面示意图；
图4是本发明的微型流体致动器一实施例电极板爆炸示意图；
图5是本发明的微型流体致动器一实施例外接电路示意图；
图6是本发明的微型流体致动器具有多层电机层及绝缘层的立体示意图；
图7是本发明的微型流体致动器具有多层电机层及绝缘层的电极板纵向截面示意图；
图8是本发明的微型流体致动器具有多层电机层及绝缘层的爆炸示意图；
图9是本发明的微型流体致动器另一实施例电极板的电极层设在电极板基板上的示意图；
图10是图9所示电极板的爆炸示意图示意图；
图11是图9所示电极板的纵向截面示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1到图11所示，微型流体致动器(actuator)包括一片地极板1、一片电极板2；
所述电极板2包括一层电极板基板21、N层线路层22、N层绝缘层23、一层电极层24，N为正整数；
每一线路层22，包括一条或多条线条状的导电线路221；
所述电极板2可以如图1到图8所示：
所述线路层22、绝缘层23由下到上依次间隔布置；
最下层线路层22覆盖在电极板基板21上，
电极层24的电极阵列覆盖在最上层绝缘层23上；
最上层绝缘层23上设置有与所述电极层24的电极排列一致的通孔阵列；
各线路层22的各条导电线路221分别穿过位于其上方的绝缘层23上的相应通孔连接电极层24的一电极。
所述电极板2还可以如图9到图11所示：
所述线路层22、绝缘层23由上到下依次间隔布置；
电极板基板21覆盖在最上层线路层22上，
电极层24的电极阵列覆盖在电极板基板21上；
电极板基板21上设置有与所述电极层24的电极排列一致的通孔阵列；
最上层线路层22的各条导电线路221分别穿过位于其上方的电极板基板21上的相应通孔连接电极层24的一电极；
其他线路层22的各条导电线路221分别穿过位于其上方的绝缘层23及电极板基板21上的相应通孔连接电极层24的一电极。
较佳的，所述电极板2还包括一电极板介电层25和一电极板厌水层26；
电极板介电层25覆盖在电极板电极层24之上；
电极板厌水层26覆盖在电极板介电层25之上。
较佳的，N为1、2、3、4或5。
较佳的，电极层24为由间隔极小(例如小于100微米)的方形、月牙形、圆形或锯齿形的电极组成的电极阵列。
较佳的，电极层24的厚度小于10微米。
实施例一的微型流体致动器，包括地极板1、电极板2两部分，液滴3置于地极板1、电极板2之间。如图5所示，微型流体致动器由外部电源供电，电源负极接微型流体致动器的地极板1，电源正极通过线路层22的导电线路221接微型流体致动器电极板2中的电极阵列，微型流体致动器通过控制电极阵列的中的每一个电极的开闭来控制驱动液滴3的电场。如图1到图8所示微型流体致动器，电极板2线路层22的各条导电线路221分别穿过绝缘层23上的相应一通孔连接电极层24的一电极；线路层22之间及线路层22同电极层24之间由绝缘层23隔离，绝缘层23保护线路层22的导电线路221，使导电线路221与电极层24或其他线路层22隔离。由于线路层22之间及线路层22同电极层24之间由绝缘层23隔离，所以在微型流体致动器芯片单位面积上可以布置更多的电极，使电极阵列排列的密度更高，在同样数量电极情况下可以减小芯片面积，减少电极板介电层25和电极板厌水层26，降低成本。而且，由于可以将各电极通过不同层的线路层22的导电线路221引出，便于电极层24的电极阵列组合构成更加丰富多变的电极图形，从而能够对地极板1同电极板2之间的液滴3进行多方向移动，分裂，合并等控制。如图9到图11所示微型流体致动器，电极层设在电极板基板上，线路层、绝缘层由下到上依次间隔布置在电极板基板下方，基于同样的道理，也同样能取得相应又以技术效果。
实施例二
基于实施例一的微型流体致动器，所述地极板1包括地极板基板11、地极板导电层12以及地极板厌水层13；
地极板导电层12覆盖在地极板基板11底面；
地极板厌水层13覆盖在地极板导电层12底面。
实施例二的微型流体致动器，地极板基板11上覆盖一层透光导电材料作为地极板导电层12，用于通过电线和外部电源负极连接，再在地极板导电层12上再涂布一层地极板厌水层13。
实施例三
基于实施例二的微型流体致动器，地极板基板11的材质可以为有机玻璃、无机玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate，简称PET)等。
所述地极板导电层12为透明导电材料；例如，地极板导电层12的材质可以为纳米银线、石墨烯，或者掺锡氧化铟(IndiumTinOxide，简称为ITO)膜、铝掺杂氧化锌透明导电玻璃(AZO)等透光导电材料。
地极板厌水层13具有一定的厌水性(一般与水的接触角大于120°的材料)。例如，地极板厌水层的材质可以为无定型含氟树脂(Teflon AF)、透明氟树脂(Cytop)等。
电极板基板21的材质可以为照相纸、聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethyleneterephthalate，简称PET)、聚酰亚胺(PI)、玻璃等柔性材料；
所述线路层是可印刷的导电材料。例如，线路层22的材质可以为银浆、纳米银粒、纳米铜粒、纳米银线、纳米铜、碳纳米管、石墨烯、掺锡氧化铟(IndiumTinOxide，简称为ITO)膜、铝掺杂氧化锌透明导电玻璃(AZO)等可印刷或可喷墨打印的导电材料；
电极板介电层25的材质可以为派瑞林C、氮化硅、氧化硅、氧化铝、派瑞林HT中的一种材料或两种以上材料复合叠加。
电极板厌水层26视电极板介电层的湿润性能有选择的覆盖。电极板厌水层26的材质可以为无定型含氟树脂(Teflon AF)、透明氟树脂(Cytop)等厌水材料。
较佳的，绝缘层23上的通孔的位置在绝缘层23上下层的两个需要连接的电子元素的中间，通孔内用导电材料填充已连接上下层，通孔金属化可以用电镀的方式或者沉积等方式。
实施例三的微型流体致动器，如果采用可印刷或可喷墨打印的导电材料作为线路层22和电极层24的材料，采用掺锡氧化铟(IndiumTinOxide，简称为ITO)膜作为地极板1的导电层12的材料，则可以采用印刷技术制作电极板2的线路层22、电极层24或地极板的导电层12，印刷技术可以为喷墨打印、丝网印刷、弹性凸版印刷、凹版印刷、纳米凸印刷等，这些印刷方式都可以进行卷对卷印刷，其中纳米凸版印刷能实现较好的线条精度以及较薄的层厚。当电极板基板21及地极板基板均为聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethyleneterephthalate，简称PET)、聚酰亚胺(PI)、纸、超薄玻璃等柔性材料时，微型流体致动器可以采用卷对卷工艺制作，不但能提升微型流体致动器的性能，而且生产效率高，成本低。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种微型流体致动器，包括一片地极板、一片电极板；其特征在于，所述电极板包括一层电极板基板、N层线路层、N层绝缘层、一层电极层，N为正整数；
每一线路层，包括一条或多条线条状的导电线路；
所述线路层、绝缘层由下到上依次间隔布置；
最下层线路层覆盖在电极板基板上，
电极层的电极阵列覆盖在最上层绝缘层上；
最上层绝缘层上设置有与所述电极层的电极排列一致的通孔阵列；
各线路层的各条导电线路分别穿过位于其上方的绝缘层上的相应通孔连接电极层的一电极；或者，
所述线路层、绝缘层由上到下依次间隔布置；
电极板基板覆盖在最上层线路层上，
电极层的电极阵列覆盖在电极板基板上；
电极板基板上设置有与所述电极层的电极排列一致的通孔阵列；
最上层线路层的各条导电线路分别穿过位于其上方的电极板基板上的相应通孔连接电极层的一电极；
其他线路层的各条导电线路分别穿过位于其上方的绝缘层及电极板基板上的相应通孔连接电极层的一电极。
2.根据权利要求1所述的微型流体致动器，其特征在于，
所述电极板还包括一电极板介电层和一电极板厌水层；
电极板介电层覆盖在电极板电极层之上；
电极板厌水层覆盖在电极板介电层之上。
3.根据权利要求1所述的微型流体致动器，其特征在于，
N为1、2、3、4或5。
4.根据权利要求1所述的微型流体致动器，其特征在于，
电极层为由方形、月牙形、圆形或锯齿形的电极组成的电极阵列。
5.根据权利要求1所述的微型流体致动器，其特征在于，
电极层的电极之间的间隔小于100微米。
6.根据权利要求1所述的微型流体致动器，其特征在于，
电极层的厚度小于10微米。
7.根据权利要求1所述的微型流体致动器，其特征在于，
所述地极板包括地极板基板、地极板导电层以及地极板厌水层；
地极板导电层覆盖在地极板基板底面；
地极板厌水层覆盖在地极板导电层底面。
8.根据权利要求1所述的微型流体致动器，其特征在于，
所述地极板导电层为透明导电材料；
所述线路层是可印刷的导电材料。
9.根据权利要求8所述的微型流体致动器，其特征在于，
地极板基板的材质为有机玻璃、无机玻璃或聚对苯二甲酸乙二醇酯；
地极板导电层的材质为纳米银线、石墨烯或掺锡氧化铟或铝掺杂氧化锌透明导电玻璃；
地极板厌水层的材质为无定型含氟树脂或透明氟树脂；
电极板基板的材质为照相纸、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺或玻璃；
所述线路层的材质为银浆、纳米银粒、纳米铜粒、纳米银线、纳米铜、碳纳米管、石墨烯、掺锡氧化铟或铝掺杂氧化锌透明导电玻璃；
所述电极板介电层的材质为派瑞林C、氮化硅、氧化硅、氧化铝、派瑞林HT中的一种材料或两种以上材料复合叠加；
所述电极板厌水层的材质为无定型含氟树脂或透明氟树脂。
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