CN110601497A - 一种交流电渗驱动乙醇行波型微泵及工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种交流电渗驱动乙醇行波型微泵，包括微电极板上设置的电极阵列和微通道，电极阵列包括对称设置在微通道两侧的微电极接触点，微电极接触点上等间距阵列有若干个电极组，且位于微通道两侧的微电极接触点上的电极交错排列置于微通道中，其工作方法，包括步骤：在硅、玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯上加工具有四个微电极接触点的微电极阵列，并将微电极阵列的电极阵列置于微通道内；向微通道内注入加了乙酸铵电解质的乙醇溶液；向微电极阵列的四个微电极接触点施加相同电压、相同频率、不同相位的交流电，驱动乙醇溶液流动，本发明采用的交流电渗驱动行波型微泵，克服了上述注入型电液动力泵的缺点，具有电压低，寿命长等优点，可以对乙醇长时间驱动。

Description

一种交流电渗驱动乙醇行波型微泵及工作方法
技术领域
本发明实施例涉及微流控系统中驱动乙醇微泵技术领域，具体涉及一种交流电渗驱动乙醇行波型微泵及工作方法。
背景技术
随着电子元器件性能及微型化的发展，对散热的要求越来越高。微电子器件的可靠性对温度非常敏感，电子器件的温度上升会大大降低其可靠性。器件温度在70℃∽80℃的水平上每增加1℃，其可靠性将下降5％。未来智能化的发展要求CPU速度要提高2∽3个数量级，现有的气冷技术已经无法满足其散热的需求，因此需要开发新的液冷技术。随着微流控系统的发展，微泵成为了微流体控制及微电子冷却系统中的关键技术。
在微流控系统中，液体的微流量驱动与控制技术始终是一项较为关键的技术难题。微流体的控制是指对特征尺寸小于1mm的系统或器件里的流体的控制，而精确控制微流体的驱动技术是微流控系统发展的必然要求。因此微流控系统要求集成有可控的用于泵出小体积微流体的微泵，并且微泵的研究已经成为微流控系统发展水平的重要标志。
依据工作原理，微泵从结构上分为机械式微泵和非机械式微泵，两者的主要区别在于有无运动部件。目前，机械式微泵主要包括：压电微泵、电磁微泵、静电微泵、形状记忆合金微泵及热驱动微泵等。机械式微泵发展历史悠久，理论成熟，几乎可以驱动任何类型的液体，因为它含有运动件，在微泵内部易产生摩擦、抽速不稳定、有微渗漏、寿命短、不易与芯片集成等不足，泵的可靠性大大降低。非机械式微泵成为微泵研究的新方向。
依据工作原理，微泵从结构上分为机械式微泵和非机械式微泵，两者的主要区别在于有无运动部件。目前，机械式微泵主要包括：压电微泵、电磁微泵、静电微泵、形状记忆合金微泵及热驱动微泵等。机械式微泵发展历史悠久，理论成熟，几乎可以驱动任何类型的液体[3]，因为它含有运动件，在微泵内部易产生摩擦、抽速不稳定、有微渗漏、寿命短、不易与芯片集成等不足，泵的可靠性大大降低。非机械式微泵成为微泵研究的新方向。
电渗流微泵是目前最主要的非机械微泵，具有易于加工和控制、无需移动部件、较高的可重复性和可靠性等优点。根据施加的电压类型可以分为直流电渗驱动和交流电渗驱动。直流电渗微泵具有流量可调、范围宽、无活塞、无阀、无动态密封、制造成本低和设计简洁等优点，是一种有效的驱动液体的方式。其缺点是需要高压、直流电渗流体驱动技术需要极高的直流电压(高达几千伏)，存在安全隐患，容易发生电解反应产生气泡,产生大量电热,进而影响微流体流动的稳定性。由于电压很大，有一定的危害性，因此直流电渗泵的适用范围受到一定的限制。
驱动的液体主要分为水溶液和非水溶液，在生物领域，水溶液的应用较为广泛，而在其他领域，驱动需求最广泛的液体是非水溶液，如甲醇、乙醇等，在微型燃料电池，芯片、集成电路、电器散热等系统系统中应用广泛。目前驱动非水溶液的方法主要是采用注入型电液动力泵，如离子拖曳泵主要原理是在阳极电极施加直流电压，在阳极表面产生电化学反应。阳极金属电极材料在高电压作用下产生阳离子，或液体通过电化学反应产生离子，离子随后注入到液体。注入的阳离子在电场的作用下被驱动至较近的另一电极，即集电极，从而产生净电荷流。由于粘性阻力作用，阳离子的能量转移到流体中，使得流体从阳极向阴极流动。这一方法优点在于基本上对所有溶液都可以驱动，包括不含有电荷的有机溶液，缺点是电压较高，消耗阳极材料，这种方法制成的微泵很快就会失效。
发明内容
为此，本发明实施例提供一种交流电渗驱动乙醇行波型微泵及工作方法，采用的交流电渗驱动行波型微泵，克服了注入型电液动力泵的缺点，具有电压低，寿命长等优点，可以对乙醇长时间驱动。
为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：
一种交流电渗驱动乙醇行波型微泵，包括微电极板上设置的电极阵列和微通道，所述电极阵列包括对称设置在微通道两侧的微电极接触点，所述微电极接触点上等间距阵列有若干个电极组，且位于微通道两侧的微电极接触点上的所述电极交错排列置于微通道中。
作为本发明的一种优选方案，位于微通道一侧的微电极接触点至少为两个。
作为本发明的一种优选方案，位于微通道两侧的微电极接触点上的电极宽度和间距相同，为10～50μm。
作为本发明的一种优选方案，位于微通道一侧的至少为两个的微电极接触点上的电极之间设置有绝缘层。
作为本发明的一种优选方案，所述微电极接触点和电极的材料相同，为金、铂或铜中的任意一种金属。
一种交流电渗驱动乙醇行波型微泵工作方法，包括如下步骤：
S100、在硅、玻璃、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚甲基丙烯酸甲酯上加工微通道和具有四个微电极接触点的微电极阵列，并将微电极阵列的电极阵列置于微通道内进行凹槽封装，加工成行波微泵；
S200、向微通道内注入加了乙酸铵电解质的乙醇溶液；也可以在丙醇、丁醇等其他醇类溶液添加乙酸铵电解质，采用相同的方法进行方法驱动；
S300、向微电极阵列的四个微电极接触点施加相同电压和频率，不同相位的交流电信号，驱动乙醇溶液流动。
作为本发明的一种优选方案，在乙醇溶液中添加乙酸铵(CH3COONH4)电解质，调节乙醇溶液的电导率为5∽100uS/cm；也可以在丙醇、丁醇等其他醇类溶液添加乙酸铵电解质，采用相同的方法进行方法驱动。
作为本发明的一种优选方案，微电极阵列的四个微电极接触点施加交流电的相位角分别为0°、90°、180°和270°，交流电频率在5～-500Hz范围内。
本发明的实施方式具有如下优点：
本发明所采用的交流电渗驱动行波型微泵，克服了注入型电液动力泵的缺点，具有电压低，寿命长等优点，可以对乙醇长时间驱动。
本发明在乙醇溶液中添加微量的乙酸铵电解质，来代替通过在阳极金属电极材料施加高电压产生阳离子，阳离子再注入到液体的方法，达到不损害电极的目的，延长微泵寿命。
本发明将微电极设计成四组，在四组微电极施加不同相位的交流电，即可显著降低施加的电压，降低微泵功耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
图1为本发明实施方式1中一种交流电渗驱动乙醇行波型微泵结构示意图；
图2为本发明实施方式2中CH3COONH4乙醇溶液行波交流电渗驱动实验结果图；
图3为本发明实施方式3中一种行波交流电渗驱动结构示意图；
图4为本发明实施方式2中交流电渗驱动乙醇行波型微泵制作流程图。
图中：
1、2、3、4-微电极接触点；5、6-绝缘层；7-微通道。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
如图1所示，本发明提供了一种交流电渗驱动乙醇行波型微泵，包括微电极板上设置的电极阵列和微通道7，所述电极阵列包括对称设置在微通道7两侧的微电极接触点，所述微电极接触点上等间距阵列有若干个电极组，且位于微通道7两侧的微电极接触点上的所述电极交错排列置于微通道7中。
位于微通道7一侧的微电极接触点至少为两个，至少4组电极组，具体包括微电极接触点1、2、3、4四组，并在四组电极组上施加相同电压、相同频率、不同相位的正弦交流电。
位于微通道7两侧的微电极接触点上的电极的电极宽度和间距相同，为10～50μm。
位于微通道7一侧的至少为两个的微电极接触点上的电极之间设置有绝缘层，具体包括微电极接触点1、2的电极之间的绝缘层5和微电极接触点3、4的电极之间的绝缘层6。
所述微电极接触点和电极的材料相同，为金、铂或铜中的任意一种金属。
如图4所示，行波交流电渗驱动原理：当固体表面浸入电解液中时，由于固体表面会产生净电荷，电解液内的离子和自由电荷会被吸引到固体表面附近，并由此形成双电层。
双电层分为紧密层和扩散层，当受到与固体表面平行的电场作用的时候，扩散层内的电荷就会沿着电场的方向作定向移动，又因为电解液具有一定的粘性，所以电解液会随着离子的移动而产生流动，从而形成电渗流。
本发明还提供了上述行波交流电渗驱动原理的一种现有的行波电场结构，将电极制备成等宽等间距的电极阵列，4个电极为一组，一组中的4个电极，分别施加等电压，等频率，但是相位差为90°的正弦交流信号，就会在电极阵列上产生行波电场。
在图4所示的电极阵列施加所示的交流电信号，即在电极上形成一个行波交流电场，扩散层中的离子就会在行波电场的作用下产生行波交流电渗，将四个电极的相位交换，就可以改变流动的方向，行波交流电渗具有电压低，驱动速度快，可以改变流动方向等优点，缺点是加工复杂。
实施例2：
一种交流电渗驱动乙醇行波型微泵工作方法，包括如下步骤：
S100、在硅、玻璃、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚甲基丙烯酸甲酯上加工微通道和具有四个微电极接触点的微电极阵列，并将微电极阵列的电极阵列置于微通道内，并将两者凹槽封装在一起，加工制成行波微泵；
4种电极通过电极接触点可以由外部施加交流信号，微电极阵列与微通道封装的方法可以采用胶粘方法，也可以采用等离子键合方法；
S200、向微通道内注入加了乙酸铵电解质的乙醇溶液，也可以在丙醇、丁醇等其他醇类溶液添加乙酸铵电解质，采用相同的方法进行方法驱动；
S300、向微电极阵列的四个微电极接触点施加相同电压和频率、不同相位的交流电信号，驱动乙醇溶液流动。
改变四个微电极接触点的相位就可以改变流动方向。
在乙醇溶液中添加乙酸铵(CH3COONH4)电解质，调节乙醇溶液的电导率为5∽100uS/cm，在乙醇溶液中添加微量的乙酸铵(CH3COONH4)电解质，来代替将阳极金属电极材料通过施加高电压产生阳离子，阳离子再注入到液体的方法，达到不损害电极的目的，延长微泵寿命。
图2显示了使用行波电极阵列对乙醇溶液驱动实验结果。
微电极阵列的四个微电极接触点施加交流电的相位角分别为0°、90°、180°和270°，交流电频率在5～-500Hz范围内。
采用的交流电渗驱动行波型微泵，克服了注入型电液动力泵的缺点，具有电压低，寿命长等优点，还可以随意改变流动方向，对乙醇能够长时间驱动。
实施例3：
微电极加工工艺：
如图3所示，图3中的图A为电极剥离制作工艺，首先第一步在基底上涂覆光刻胶，然后曝光电极结构得到第二步光刻胶结构，然后整体蒸镀电极金属层铬金如第三步所示，然后剥离去除光刻胶及光刻胶表面上的金属层铬金，得到金属电极铬金结构；
图3中的图B为利用工艺流程A得到的微电极接触点1、2象限的电极金属结构；
图3中的图C为利用负性SU8光刻胶制作的绝缘隔离结构，这过程需要套刻技术将绝缘结构准确光刻到微电极接触点1、2电极需要绝缘的位置上；
图3中的图D为利用图A剥离工艺及套刻工艺制作出的微电极接触点3、4的电极结构，微电极接触点3、4的电极结构通过图C的绝缘结构跨过微电极接触点1、2的电极引线，从而实现4个象限微电极接触点的电极引出的分离，完成了整个电极结构的制作。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种交流电渗驱动乙醇行波型微泵，其特征在于，包括微电极板上设置的电极阵列和微通道，所述电极阵列包括对称设置在微通道两侧的微电极接触点，所述微电极接触点上等间距阵列有若干个电极组，且位于微通道两侧的微电极接触点上的所述电极交错排列置于微通道中。
2.根据权利要求1所述的一种交流电渗驱动乙醇行波型微泵，其特征在于，位于微通道一侧的微电极接触点至少为两个。
3.根据权利要求2所述的一种交流电渗驱动乙醇行波型微泵，其特征在于，位于微通道两侧的微电极接触点上的电极宽度和间距相同，为10～50μm。
4.根据权利要求2所述的一种交流电渗驱动乙醇行波型微泵，其特征在于，位于微通道一侧的至少为两个的微电极接触点上的电极之间设置有绝缘层。
5.根据权利要求1所述的一种交流电渗驱动乙醇行波型微泵，其特征在于，所述微电极接触点和电极的材料相同，为金、铂或铜中的任意一种金属。
6.一种交流电渗驱动乙醇行波型微泵工作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S100、在硅、玻璃、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚甲基丙烯酸甲酯上加工微通道和具有四个微电极接触点的微电极阵列，并将微电极阵列的电极阵列置于微通道内进行凹槽封装，加工成行波微泵；
S200、向微通道内注入加了乙酸铵电解质的乙醇溶液；也可以在丙醇、丁醇等其他醇类溶液添加乙酸铵电解质，采用相同的方法进行方法驱动；
S300、向微电极阵列的四个微电极接触点施加相同电压和频率，不同相位的交流电信号，驱动乙醇溶液流动。
7.根据权利要求6所述的一种交流电渗驱动乙醇行波型微泵工作方法，其特征在于，在乙醇溶液中添加乙酸铵(CH3COONH4)电解质，调节乙醇溶液的电导率为5∽100uS/cm；也可以在丙醇、丁醇等其他醇类溶液添加乙酸铵电解质，采用相同的方法进行方法驱动。
8.根据权利要求6所述的一种交流电渗驱动乙醇行波型微泵工作方法，其特征在于，微电极阵列的四个微电极接触点施加交流电的相位角分别为0°、90°、180°和270°，交流电频率在5～-500Hz范围内。
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