CN109970020A - 微纳流体二极管装置 - Google Patents

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莫景文
李登科
陈云飞
沙菁
倪中华
曾嘉莹
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
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Abstract

本发明公开了一种微纳流体二极管装置，包括正向流道和反向流道，所述正向流道和反向流道之间设置有两个不同尺寸的流道。本发明通过正反两个方向不同的流动机制形成不同的激活压力，可以通过改变流体管道的高度和润湿性来自由控制流体单向流动的压力范围，本装置构造简单，在微纳尺度下，相比利用止回阀等运动部件控制流体流动相比，制造成本与难度大大降低，且由于本装置不存在运动部件，其可靠性也相当可观。本装置可以在很大的压力范围内控制流体的单向流动，其压力范围可达几十兆帕。

Description

微纳流体二极管装置
技术领域
本发明涉及微流体装置，具体涉及一种微纳流体二极管装置。
背景技术
电子二极管的发明使电流易于控制成为可能，并在电子电路和器件的小型化中发挥了关键作用。它们独特的整流效果促使人们对热、流、声流等其他流动的控制进行探索。流体定向运输在能源、微流体、液体分离和液体收集等领域都有重要的应用。在流体系统中，通过流体二极管的流量调节可以通过使用某些运动部件来实现，例如止回阀。然而,随着流体系统缩小到微或纳米级，这些移动部件可能会引起可靠性问题并增加制造成本。因此，就需要通过一些固定结构来控制流体进行单向流动。
在微纳尺度下，流体流出管道的释放压力与流体流入管道的渗透压力有很大的差距，研究表明，流体管道高度越小，流体流出所需要的释放压力就越大，因此通过本发明涉及的流体二极管装置，可以使流体在正反两个方向流动机制不同，这样就导致所需要的激活压力不同，从而控制流体在较大的压力范围内进行单向流动。
近年来，许多学者已经提出一些切实的技术方案。如专利CN201210415048.X提出的一种纳米流体二极管，利用管道内支撑衬底与覆盖层异质装置界面中二维电子气形成的电荷分布，在覆盖层表面具有正电荷聚集，并在氧化物掩膜层表面聚集负电荷，从而控制流体的流动。但此方法制造工艺较为复杂，制造成本较高。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种微纳流体二极管装置，解决现有控制流体在较大的压力范围内进行单向流动二极管装置结构复杂，制造工艺复杂，成本高的问题。
技术方案：本发明所述的微纳流体二极管装置，包括水槽，水槽包括正向流体水槽和反向流体水槽，水槽之间通过两个不同孔径的流道相连，两个流道连接或嵌套在一起，大孔径流道与正向流体水槽连接，小孔径流道与反向流体水槽连接。
大幅提高控制流体单向流动的压降范围,所述小孔径流道孔径为微纳米级别。
保证流道能承受较大压力，所述流道内壁下表面是二氧化硅或硅，上表面是二氧化硅，并且二氧化硅表面都沉积一层氧化铝纳米颗粒。
保证在一个大气压下，水槽1中流体不能自发流入流道2，所述两个不同孔径的流道的孔径差为100-1000nm。
所述的微纳流体二极管装置的工作方法，流体正向流动时，在正向流体水槽内施加驱动压力，当压力大于流道的渗透压时，流体能充满管道，当压力继续增加至大于流道的渗透压时，流体能进入水槽，正向流动导通。
有益效果：.本发明通过正反两个方向不同的流动机制形成不同的激活压力，可以通过改变流体管道的高度和润湿性来自由控制流体单向流动的压力范围，本装置构造简单，在微纳尺度下，相比利用止回阀等运动部件控制流体流动相比，制造成本与难度大大降低，且由于本装置不存在运动部件，其可靠性也相当可观。本装置可以在很大的压力范围内控制流体的单向流动，其压力范围可达几十兆帕。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
渗透压力指流体从水槽进入并充满毛细管所需要的最小压力。
释放压力指流体从较小孔径的通道流出所需要的最小压力。
计算所需最小压力的杨拉普拉斯方程如下：
p＝-2γcosθ/H (1)
其中γ为液体的表面张力系数，H为管道直径，θ为接触角。
如图1所示，微纳流体二极管装置包括左右两个水槽、和两个不同尺寸的流体管道连接在一起，两个流道连接或嵌套在一起，大孔径流道与正向流体水槽连接，小孔径流道与反向流体水槽连接，小孔径流道孔径为微纳米级别，这是由于流道(3)的渗透压和释放压决定二极管装置单向流动的压降范围。流道孔径越小，流体表面张力的影响越重要。当孔径缩小至纳米级别，流道渗透压和释放压的差别可达几十兆帕，大幅提高控制流体单向流动的压降范围，两个流道内壁下表面是二氧化硅或硅，上表面是二氧化硅，并且二氧化硅表面都沉积一层氧化铝纳米颗粒，二氧化硅和二氧化硅能通过高温键合，保证流道能承受较大压力。沉积的氧化铝纳米颗粒能调控流道表面的接触角大于90度，成为疏水表面。两个不同孔径的流道的孔径差为100-1000nm。流道2的孔径不能过大，至少能保证在一个大气压下，水槽1中流体不能自发流入流道2。否则，正向流动和反向流动变为对称的过程，流体二极管失效。工作时，由于正向与反向的流动机制不同导致正向与反向流动的激活压力不同，正向流动时需要经过两个管道的渗入过程，根据公式(1)，驱动压力只需大于小管道3的渗入压力就能使流体顺利通过；而反向流动时流体首先需要渗入管道3，在此基础上，当流体到达管道3的末端。继续增加驱动压力时，流体接触角会增加，当接触角达到最大时，流体能从管道3释放到管道2，从而实现反向导通。所以，反向导通的压力要远高于正向导通的压力。在微纳尺度下，流体在流体管道中的渗透压力与释放压力存在很大差距，因此可以实现流体在较大压力范围内的单向流动。
在使用本发明时，流体从正向流入通道流经二极管时，进入大尺寸的流体管道需要达到其相应的渗透压力，随后流入小尺寸的流体管道也需要达到其相应的渗透压力，而从小尺寸的流体管道流出时，由于右侧的反向流入通道内充满流体，无需达到小尺寸管道的释放压力就可以流体通道内的水结合从而流出二极管。流体从反向流入通道流入二极管时，为了突破小尺寸管道的阻力，至少需要达到其相应的释放压力才能流入大尺寸的流体管道，最终从另一端流出。在微纳尺度下，流体在流体管道中的渗透压力与释放压力是有很大差距的，因此可以实现流体在较大压力范围内的单向流动。

Claims (5)

1.一种微纳流体二极管装置，其特征在于，包括水槽，水槽包括正向流体水槽(1)和反向流体水槽(4)，水槽之间通过两个不同孔径的流道相连，两个流道连接或嵌套在一起，大孔径流道(2)与正向流体水槽(1)连接，小孔径流道(3)与反向流体水槽(4)连接。
2.根据权利要求1所述的微纳流体二极管装置，其特征在于，所述小孔径流道(3)孔径为微纳米级别。
3.根据权利要求1所述的微纳流体二极管装置，其特征在于，所述流道内壁下表面是二氧化硅或硅，上表面是二氧化硅，并且二氧化硅表面都沉积一层氧化铝纳米颗粒。
4.根据权利要求1所述的微纳流体二极管装置，其特征在于，所述两个不同孔径的流道的孔径差为100-1000nm。
5.采用如权利要求1所述的微纳流体二极管装置的工作方法，其特征在于，流体正向流动时，在正向流体水槽(1)内施加驱动压力，当压力大于流道(2)的渗透压时，流体能充满管道(2)，当压力继续增加至大于流道(3)的渗透压时，流体能进入水槽(4)，正向流动导通。
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