CN110392456B - 一种基于液态金属的柔性电阻微加热器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种包括外部柔性基材壳体、液态金属电阻以及引线，所述外部柔性基材壳体将液态金属电阻完全或部分包裹，壳体内设置有液态金属电阻流道和/或空气流道，壳体外表面为加热区域；所述液态金属电阻由单种液态金属或复合液态金属构成，所述复合液态金属由两种以上的金属组成，其中有至少一种在常温下保持液态，所述金属为单质金属或合金。本发明提供的基于液态金属的柔性电阻微加热器，利用液态金属通电产生焦耳热，外部柔性壳体和液态金属极大地提高了上述微加热器的柔性。而通过改进液态金属成分或结构，可显著提高加热器的工作温度范围和使用寿命。该微加热器易于加工和批量生产，可被应用在医疗器件、生化仪器以及高端制造设备等领域。
Description
技术领域
本发明属于工业设备领域，具体涉及了一种基于液态金属的加热装置。
背景技术
柔性微加热器是近几年来高端制造以及学术研究等领域追逐的热点之一，能持续稳定地提供热量的柔性微加热器可以被广泛应用在精准医疗器件和植入式电子设备上。
目前柔性电阻微加热器的主要问题包括微加热器的使用寿命短，不能够持续提供热量等。由于微加热器的电极需要在各温区下均能正常工作，而目前的柔性电极为了保证柔性，电极的工作温度被极大地限制。而采用复合液态金属电极的柔性电阻微加热器可以有效地扩展柔性电极的工作温度，保证柔性加热器可以在各温区下持续进行加热，延长工作寿命，扩展工作温区。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术柔性电阻微加热器的电极工作温度受限，加热器不能在各温区下持续提供热量等问题，本发明的目的在于提供了一种柔性好、能稳定产生热量、使用寿命长且制作方便的基于复合液态金属电极的微加热器。
(二)技术方案
实现本发明上述目的的技术方案为：
一种基于液态金属的柔性电阻微加热器，包括外部柔性基材壳体、液态金属电阻以及引线，
所述外部柔性基材壳体将液态金属电阻完全或部分包裹，壳体内设置有液态金属电阻流道和/或空气流道，壳体外表面为加热区域；
所述液态金属电阻由单种液态金属或复合液态金属构成，所述复合液态金属由两种以上的金属组成，其中有至少一种在常温下保持液态，所述金属为单质金属或合金；所述导线连接于所述液态金属电阻。
其中，所述外部柔性基材的材质为聚二甲基硅氧烷、1,1,2,2-四苯乙烯，聚氨酯甲基丙烯酸酯中的一种或多种。
其中，所述液态金属电阻流道的高度和宽度互相独立地为5～100μm。
流道可做成圆柱或棱柱形，圆柱形的截面直径为5μm到500μm，菱柱形截面的高30～200微米，长5～500微米。整个加热器流道的长度可以由1毫米做到厘米量级。
本发明的一种优选技术方案为，所述液态金属电阻由单种液态金属构成，所述单种液态金属为镓基合金或汞；所述壳体内设置有液态金属电阻流道和空气流道，液态金属电阻填充在液态金属电阻流道内。
进一步地，所述液态金属电阻流道和空气流道之间设置有多个微柱，相邻的微柱之间间隙为5～30μm。
或者，所述液态金属电阻流道和空气流道之间贯通，在注入所述单种液态金属时，通过设置可溶挡膜，使所述单种液态金属保留在液态金属电阻流道的区域内。
其中，所述可溶挡膜为聚合物或多糖制成，注入所述单种液态金属之后，通过溶解去除所述可溶挡膜。所述聚合物可以是PDMS，所述多糖可以是淀粉。
本发明的另一种优选技术方案为，所述复合液态金属由液态金属段和固态金属段排列构成，固态金属位于两边、液态金属位于之间、或一个液态金属段和一个固态金属段并列构成；其中所述液态金属为镓基合金或汞，所述固态金属为铋基合金、铜、银、金、铂中的一种。可选地，所述引线与中间层的金属直接接触。
对于分段排列的复合金属，每段金属的尺寸可以独立选择，长由毫米到厘米甚至分米量级(与流道长度一致)，横截面则是宽5微米到500微米，高10微米到200微米。
本发明的又一种优选技术方案为，所述复合液态金属由液态金属和固态金属混合构成，固态金属为分散相、液态金属为连续相；其中所述液态金属为镓基合金或汞，所述固态金属为铋基合金、铜、银、金、铂中的一种。
本发明所述柔性电阻微加热器在医疗器件和生化仪器制备中的应用。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的基于液态金属的柔性电阻微加热器，其电阻加热器的原理是利用液态金属通电产生焦耳热。
外部柔性基材和液态金属极大地提高了上述微加热器的柔性。而液态金属电极因为其金属成分之间的互补性或优化后的电极结构，可显著提高加热器的工作温度范围和使用寿命。该微加热器易于加工和批量生产，可被应用在医疗器件、生化仪器以及高端制造设备等领域，例如PCR聚合酶链式反应设备或电子加热皮肤。
附图说明
图1为本发明实施例1柔性电阻微加热器结构简图。
图2为本发明实施例2柔性电阻微加热器结构简图。
图3为本发明实施例3柔性电阻微加热器结构简图。
图4为本发明实施例4柔性电阻微加热器结构简图。
图中，1为壳体，2为常温下固态金属，3为常温下液态金属，4为引线，5为空气流道，6为微柱，7为可溶性薄膜。
具体实施方式
以下以具体实施例来进一步说明本发明技术方案。本领域技术人员应当知晓，实施例仅用于说明本发明，不用于限制本发明的范围。
实施例中，如无特别说明，所用技术手段为本领域常规的技术手段。
实施例1：
参见图1，一种柔性电阻微加热器，包括由PDMS制成的壳体1、液态金属电阻，引线4，壳体1的长宽尺寸为2cm×1cm，壳体上表面设置有承载被加热物体的加热区，壳体内设置液态金属电阻流道，液态金属电阻流道内填充复合液态金属。
图1为俯视角度的结构示意图，本实施例中，液态金属电阻由一段常温下液态金属和两段常温下固态金属共三个金属段复合组成，两边的为常温下固态金属2(铋基合金，Bi32.5In51Sn16.5，熔点为60摄氏度)，中间为常温下液态金属3(镓基合金，Ga62In25Sn13熔点为11摄氏度)。各金属段长宽高分别为5厘米，100微米，30微米。制备方法为：通过自动注射泵精确控制流速，将三段金属同时注射到同一流道中，形成铋基-镓基-铋基直接接触的分段式液态金属电阻。
所述引线4包括正极和负极，由铜线制成，引线的位置分别位于流道的起始端和终止端，之间的流道长度为5cm。所述引线与中间的金属直接接触。
在常温下，镓基合金为液态，而铋基合金为固态。外部电源通过导线与复合液态金属相接，通电后，电极产生焦耳热。在20-55℃的低温区，镓基合金段能维持液态，从而保证了微加热器可以在保持柔性的基础上提供热量，而到了55-200℃的高温区，镓基合金段会产生气泡导致镓基合金段出现断裂，而此时铋基合金段在高温下变成了液态，能够流入镓基合金段产生的间隙中，从而保证了微加热器在高温下依然可以正常工作，不会因为液态金属的断裂而导致电极断路。因此，基于该复合液态金属电极的柔性电阻微加热器能够在各温区下持续稳定的提供热量。本分段复合液态金属可以不易断掉的原因有两个：1)如前所述，铋基合金变为液态后流入空隙；2)由于三段液态金属之间直接接触导通，中间镓基段即便断掉，铋基段可以继续充当电阻导体的作用。因此最高控制温度得以提高。图1采用的是三段复合电极结构，简化为两段并列结构也可以达到同样的效果。
值得注意的是，上述基于复合液态金属电极的柔性电阻微加热器可以进一步扩展，引入更多的金属种类并根据实际情况设计不同的复合电极结构来提高。
实施例2：
参见图2，一种柔性电阻微加热器，包括由PDMS制成的壳体1、PDMS制成的微柱6(单个微柱的长宽高为30微米、50微米、100微米，微柱和微柱之间的间距为30微米)液态金属电阻为单种的常温下液态金属3(Ga62In25Sn13熔点为11摄氏度)和引线4，空气流道5。壳体1的长宽尺寸为2cm×1cm，壳体上表面设置有承载被加热物体的加热区，壳体内填充所述单种液态金属。壳体1内设置有液态金属电阻流道和空气流道，液态金属电阻填充在液态金属电阻流道内，液态金属电阻流道和空气流道之间设置有多个微柱。
在常温下，镓基合金为液态，外部电源通过引线与液态金属相接，通电后，电极产生焦耳热。在50-60℃的低温区时，镓基合金段会产生气泡导致镓基合金段出现断裂，引起电极失效。图2为俯视角度的结构示意图，本实施例设置的PDMS微柱使液态金属流道层与空气流道层通过微柱之间的间隙相通，但又保证了液态金属不会溢出到空气层。通电后，液态金属加热过程中的气泡可以通过微柱之间的间隙及时排溢到空气流道层，从而阻止液态金属断裂。此方法极大地提升了柔性电阻微加热器的工作范围，其加热温度可以提升到200摄氏度以上。
改变上述微柱的尺寸，设置微柱的长宽高为30-200微米范围内，微柱之间间隙5-30微米范围内，可达到同样的控温效果。
实施例3：
参见图3，基于实施例2的类似有益效果，本案例提出了一种不需要微柱就能实现空气流道5和单种液态金属电极流道3直接连通的方法。图3为俯视角度的带有可溶性薄膜7的结构示意图，空气流道和液态金属流道之间由一层可溶性薄膜7(如PDMS模板，淀粉膜)隔离，液态金属注射进入到电极流道后再将可溶性薄膜利用溶剂(如甲苯、丙酮等)溶解掉。最后形成液态金属流道与空气流道直接连通的结构。液态金属因表面张力大，去掉可溶性薄膜7后仍保持在液态金属电阻流道的区域内。
实施例4：
参见图4，一种柔性电阻微加热器，包括由PDMS制成的壳体1、液态金属电阻(Ga62In25Sn13和Bi32.5In51Sn16.5以质量比1:1混合制成，混合的温度在60℃以上，此时两种金属均为液态)和引线3。壳体1的长宽尺寸为2cm×1cm，壳体上表面设置有承载被加热物体的加热区，壳体内设置有液态金属电阻流道，液态金属电阻填充在液态金属电阻流道内。
在常温下，该混合液态金属为糊状，外部电源通过引线与混合液态金属相接，通电后，电极产生焦耳热。在50-60℃的低温区时，镓基合金即便产生气泡断裂，混合在其中的铋基合金仍会继续保持电极通电。此方法极大地提升了柔性电阻微加热器的柔性和工作范围，其加热温度可以提升到125摄氏度以上。
镓基合金和铋基合金的质量比例可控制在1：(0.5～2.0)范围内，采用同样的方法制备。
以上的实施例仅仅是对本发明的具体实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，本领域技术人员在现有技术的基础上还可做多种修改和变化，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于液态金属的柔性电阻微加热器，其特征在于，
包括外部柔性基材壳体、液态金属电阻以及引线，
所述外部柔性基材壳体将液态金属电阻完全或部分包裹，壳体内设置有液态金属电阻流道和/或空气流道，壳体外表面为加热区域；
所述液态金属电阻由单种液态金属或复合液态金属构成，所述复合液态金属由两种以上的金属组成，其中有至少一种在常温下保持液态，所述金属为单质金属或合金；所述引线连接于所述液态金属电阻；
其中，所述液态金属电阻流道和空气流道之间设置有多个微柱，相邻的微柱之间间隙为5-30μm；或者，所述液态金属电阻流道和空气流道之间贯通，在注入所述单种液态金属时，通过设置可溶挡膜，使所述单种液态金属保留在液态金属电阻流道的区域内。
2.根据权利要求1所述的柔性电阻微加热器，其特征在于，所述外部柔性基材的材质为聚二甲基硅氧烷、1,1,2,2-四苯乙烯，聚氨酯甲基丙烯酸酯中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的柔性电阻微加热器，其特征在于，所述液态金属电阻流道的高度和宽度互相独立地为5～100μm。
4.根据权利要求1～3任一项所述的柔性电阻微加热器，其特征在于，所述液态金属电阻由单种液态金属构成，所述单种液态金属为汞；所述壳体内设置有液态金属电阻流道和空气流道，液态金属电阻填充在液态金属电阻流道内。
5.根据权利要求1所述的柔性电阻微加热器，其特征在于，所述可溶挡膜为聚合物或多糖制成，注入所述单种液态金属之后，通过溶解去除所述可溶挡膜。
6.根据权利要求1～3任一项所述的柔性电阻微加热器，其特征在于，所述复合液态金属由液态金属段和固态金属段排列构成，固态金属位于两边、液态金属位于之间、或一个液态金属段和一个固态金属段并列构成；其中所述液态金属为镓基合金或汞，所述固态金属为铋基合金、铜、银、金、铂中的一种。
7.根据权利要求1～3任一项所述的柔性电阻微加热器，其特征在于，所述复合液态金属由液态金属和固态金属混合构成，固态金属为分散相、液态金属为连续相；其中所述液态金属为镓基合金或汞，所述固态金属为铋基合金、铜、银、金、铂中的一种。
8.权利要求1～7任一项所述柔性电阻微加热器在医疗器件和生化仪器制备中的应用。
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