CN116742987A - 基于纳米摩擦发电机的自供电行波电渗泵系统 - Google Patents
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Abstract
基于纳米摩擦发电机的自供电行波电渗泵系统，本发明属于微流控技术和摩擦纳米发电领域。解决现有的电渗泵系统电渗泵的电源设备过于庞大笨重，不利于提高电渗泵系统整体便携性的问题。本发明采用4个结构完全相同的旋转式纳米摩擦发电机实现，且使得4个旋转式纳米摩擦发电机产生的交流信号初始相位角依次为0°、90°、180°和270°，4个同轴设置的旋转式纳米摩擦发电机在转子转动过程中，可以连续且稳定的产生4相正弦交流电，利用该4相正弦交流电给作为行波电渗泵的微流控芯片供电，驱动微流控芯片的环形通道内液体循环流动。
Description
技术领域
本发明属于微流控技术和摩擦纳米发电领域。
背景技术
作为微流控系统中的动力来源，微型泵负责提供流体驱动所需的能量。鉴于其重要性，自微流控系统这一概念被提出以来，微型泵根据系统整体需求经历了重大的发展变化，现已成为衡量整个微机电系统发展水平的重要标志之一。以高精度、简单化、低功耗、低成本和大输出范围等目标为目前的主要研究方向，微型泵根据其工作原理和结构可划分为机械式微型泵和非机械式微型泵。
其中，机械式微型泵利用物理驱动机构来执行泵送，常见的有压电式、静电式、气动式，热气动式和电磁效应式等形式。该类微型泵由于发展时间长，目前已经可以实现流体的精确驱动，但鉴于其结构复杂，尺寸相对较大，能量传送效率低，从长远来看很难满足微流控芯片微型化且易于集成的特点。相比之下，非机械式微型泵的结构中没有机械驱动部件，而是通过流体动力学效应、电渗作用或电润湿作用来实现流体驱动。电渗泵结构简单，易于集成，是目前的研究重点之一。然而驱动电渗泵的电源设备过于庞大笨重，不利于提高电渗泵系统的整体便携性，因此，迫切需要寻找一个简单，便携的新型电源方案。
发明内容
本发明目的是为了解决现有的电渗泵系统电渗泵的电源设备过于庞大笨重，不利于提高电渗泵系统整体便携性的问题，提供了一种基于纳米摩擦发电机的自供电行波电渗泵系统。
基于纳米摩擦发电机的自供电行波电渗泵系统，包括4个同轴设置的旋转式纳米摩擦发电机和微流控芯片；微流控芯片作为行波电渗泵；
通过调整4个旋转式纳米摩擦发电机的转子初始位置，使4个旋转式纳米摩擦发电机产生4相相位差为90°的交流电信号给微流控芯片进行供电；
其中，第一至第四个旋转式纳米摩擦发电机产生的交流电信号的初始相位角分别为0°、90°、180°和270°。
优选的是，每个旋转式纳米摩擦发电机包括同轴、且摩擦连接的定子和转子；
定子包括圆环形定子基板、感应电极机构和定子柔性摩擦层，感应电极机构夹固在定子基板和定子柔性摩擦层之间；
转子包括沿径向方向上加工有多个U型槽的圆环形转子基板和转子柔性摩擦层；转子柔性摩擦层设置在具有多个U型槽的圆环形转子基板的一个端面上；
定子上的定子柔性摩擦层与转子上的转子柔性摩擦层摩擦连接；感应电极机构具有两个引出端，一个引出端作为旋转式纳米摩擦发电机的正极引出端，另一个引出端作为旋转式纳米摩擦发电机的负极引出端；
4个旋转式纳米摩擦发电机的负极引出端同时接入电源地；
第一至第四个旋转式纳米摩擦发电机的正极引出端分别输出初始相位角为0°、90°、180°和270°的交流电信号。
优选的是，定子柔性摩擦层采用PTFE膜实现，转子柔性摩擦层采用尼龙膜实现。
优选的是，具有多个U型槽的圆环形转子基板的相邻两个U型槽之间的扇形片所对应的圆心角的范围为14°至22°。
优选的是，定子和转子均采用亚克力板实现。
优选的是，感应电极机构包括同心、且共面的第一感应电极和第二感应电极；
第一感应电极为沿径向方向上加工有多个U型槽的第一圆环形铜制基板，且该U型槽的开口方向朝向外侧，第一圆环形铜制基板上相邻两个U型槽之间形成一个扇形片，其中一个扇形片上设有一个引出端；
第二感应电极为沿径向方向上加工有多个U型槽的第二圆环形铜制基板，且该U型槽的开口方向朝向内侧，第一圆环形铜制基板上相邻两个U型槽之间形成一个齿片，第二圆环形铜制基板的外侧壁上设有一个引出端；
第一圆环形铜制基板的外径小于第二圆环形铜制基板的内径；
第一感应电极和第二感应电极共面后，第一感应电极的扇形片与第二感应电极的齿片在圆周方向上交替布设，且相邻的扇形片和齿片间形成狭缝。
优选的是，第一感应电极和第二感应电极共面后，二者之间所形成的狭缝沿圆周方向均匀分布。
优选的是，扇形片和齿片的个数相同。
优选的是，微流控芯片包括具有微流控制件、多组电极组和基底玻璃；其中，微流控制件为采用PDMS材料制成的矩形块体，该矩形块体下表面设有环形通道，且在矩形块体上表面还设有输液孔，输液孔与环形通道连通；
矩形块体固定在基底玻璃上，矩形块体下表面的环形通道与基底玻璃间形成环形腔；
多组电极组光刻在基底玻璃上，且每组电极组中的4个电极的引入端分别用于接收4个旋转式纳米摩擦发电机输出的交流电信号，每组电极组中的4个电极的引出端伸入至微流控制件的环形通道内，与环形通道内的液体接触。
优选的是，电极采用ITO材料制成。
原理分析：尼龙膜和PTFE膜之间相互摩擦，会发生以电子转移为主的摩擦起电现象，尼龙膜带正电、PTFE膜带负电，随着尼龙膜的旋转，会在第一感应电极和第二感应电极上依次感应产生电荷，将两个电极接入负载电路中，就会对电路输出交流信号。尼龙膜的初始位置与交流信号的初始角有明确的对应关系。通过调整4个纳米摩擦发电机的转子上尼龙膜相对于定子的初始旋转位置，就可以得到初始角依次为0°，90°，180°和270°的四相交流信号。
四相交流信号在伸入微流控芯片内部通道的电极表面产生行波电渗流动。具体应用时，可通过升高旋转式纳米摩擦发电机的转速，可以有效的提高微流控芯片的环形通道内流体的流动速度。
本发明带来的有益效果是：
本发明采用4个结构完全相同的旋转式纳米摩擦发电机实现，且使得4个旋转式纳米摩擦发电机产生的交流信号初始相位角依次为0°、90°、180°和270°，应用时，4个同轴设置的旋转式纳米摩擦发电机在转子转动过程中，可以连续且稳定的产生4相正弦交流信号，将交流信号通过ITO电极输入到微流控芯片的环形通道内部，在环形通道内形成行波电渗流动，通道内的流体会在环形通道内循环流动。由于可生成正弦交流信号，从而可以取代了大型信号发生器等设备，用作行波电渗泵的驱动电源，降低了行波电渗泵系统的电源成本；行波电渗可有效的降低流速波动，增强流动的平稳性。
本发明旋转式纳米摩擦发电机的体积小、便于携带；其输入能源可以为风能等绿色清洁能源。
旋转式纳米摩擦发电机独特的结构特性使得定子和转上两个摩擦层之间呈现软接触的特点，极大的降低了摩擦阻力，进一步保证了连续且稳定的输出交流电信号。
纳米摩擦发电机的转速在0至300r/min范围内调整时，相应的微流控芯片内流体流速可在0至300μm/s的范围内调整。
附图说明
图1是本发明所述基于纳米摩擦发电机的自供电行波电渗泵系统的原理示意图；
图2是旋转式纳米摩擦发电机的定子和转子的主视图；其中，图2a为定子的主视图，图2b为转子的主视图；
图3是感应电极机构1-1-2的结构示意图；图3a为第一感应电极1-1-2-1的结构示意图，图3b为第二感应电极1-1-2-2的结构示意图，图3c为将第一感应电极1-1-2-1和第二感应电极1-1-2-2安装在一起后所形成的感应电极机构1-1-2的结构示意图；
图4是多组电极组2-2的分布示意图；
图5是微流控制件2-1的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：
参见图1说明本实施例1，本实施例1所述的基于纳米摩擦发电机的自供电行波电渗泵系统，包括4个同轴设置的旋转式纳米摩擦发电机1和微流控芯片2；微流控芯片2作为行波电渗泵；
通过调整4个旋转式纳米摩擦发电机1的转子初始位置，使4个旋转式纳米摩擦发电机1产生4相相位差为90°的交流电信号给微流控芯片2进行供电；
其中，第一至第四个旋转式纳米摩擦发电机1产生的交流电信号的初始相位角分别为0°、90°、180°和270°。
本实施例所述的基于纳米摩擦发电机的自供电行波电渗泵系统，采用4个结构完全相同的旋转式纳米摩擦发电机1实现，且使得4个旋转式纳米摩擦发电机1产生的交流电信号的初始相位角依次为0°、90°、180°和270°，应用时，4个同轴设置的旋转式纳米摩擦发电机1在转子转动过程中，可以连续且稳定的产生正弦交流信号，从而可以取代了大型信号发生器等设备，用作行波电渗泵的驱动电源，降低了行波电渗泵系统的电源成本；行波电渗可有效的降低流速波动，增强流动的平稳性。
进一步的，参见图1和图2，每个旋转式纳米摩擦发电机1包括同轴、且摩擦连接的定子1-1和转子1-2；
定子1-1包括圆环形定子基板1-1-1、感应电极机构1-1-2和定子柔性摩擦层1-1-3，感应电极机构1-1-2夹固在定子基板1-1-1和定子柔性摩擦层1-1-3之间；
转子1-2包括沿径向方向上加工有多个U型槽的圆环形转子基板1-2-1和转子柔性摩擦层1-2-2；转子柔性摩擦层1-2-2设置在具有多个U型槽的圆环形转子基板1-2-1的一个端面上；
定子1-1上的定子柔性摩擦层1-1-3与转子1-2上的转子柔性摩擦层1-2-2摩擦连接；感应电极机构1-1-2具有两个引出端，一个引出端作为旋转式纳米摩擦发电机1的正极引出端，另一个引出端作为旋转式纳米摩擦发电机1的负极引出端；
4个旋转式纳米摩擦发电机1的负极引出端同时接入电源地；
第一至第四个旋转式纳米摩擦发电机1的正极引出端分别输出初始相位角为0°、90°、180°和270°的交流电信号。具体应用时，定子1-1和转子1-2均采用亚克力板实现。
本优选实施方式中，提供了一种旋转式纳米摩擦发电机1的具体结构，该种发电机结构简单，便于实现，转子1-2相对定子1-1转动过程中摩擦生电，且定子柔性摩擦层1-1-3和转子柔性摩擦层1-2-2均具有弹性，两个摩擦层之间呈现软接触，降低了摩擦阻力，进一步提升纳米摩擦发电机的转速，从而进一步提升微流控芯片2内流体流速，以满足不同应用场景。
更进一步的，定子柔性摩擦层1-1-3采用PTFE膜实现，转子柔性摩擦层1-2-2采用尼龙膜实现。具有多个U型槽的圆环形转子基板1-2-1的相邻两个U型槽之间的扇形片所对应的圆心角的范围为14°至22°。
更进一步的，参见图3，感应电极机构1-1-2包括同心、且共面的第一感应电极1-1-2-1和第二感应电极1-1-2-2；
第一感应电极1-1-2-1为沿径向方向上加工有多个U型槽的第一圆环形铜制基板，且该U型槽的开口方向朝向外侧，第一圆环形铜制基板上相邻两个U型槽之间形成一个扇形片，其中一个扇形片上设有一个引出端；
第二感应电极1-1-2-2为沿径向方向上加工有多个U型槽的第二圆环形铜制基板，且该U型槽的开口方向朝向内侧，第一圆环形铜制基板上相邻两个U型槽之间形成一个齿片，第二圆环形铜制基板的外侧壁上设有一个引出端；
第一圆环形铜制基板的外径小于第二圆环形铜制基板的内径；
第一感应电极1-1-2-1和第二感应电极1-1-2-2共面后，第一感应电极1-1-2-1的扇形片与第二感应电极1-1-2-2的齿片在圆周方向上交替布设，且相邻的扇形片和齿片间形成狭缝。
本优选实施方式中，多个扇形片和多个齿片的组合，形成多组交替出现的扇形片和齿片，可以有效的提高交流信号的频率，从而获得最佳的电渗泵送效果。
更进一步的，参见图3，第一感应电极1-1-2-1和第二感应电极1-1-2-2共面后，二者之间所形成的狭缝沿圆周方向均匀分布。其中，保证所有狭缝沿圆周方向均匀分布的好处是可以获得更为标准的正弦交流电信号。
更进一步的，参见图3，扇形片和齿片的个数相同，是为了使扇形片和齿片交替分布，这种设置方式对能保证产生的4相交流电信号更加稳定。
更进一步的，微流控芯片2包括具有微流控制件2-1、多组电极组2-2和基底玻璃2-3；其中，微流控制件2-1为采用PDMS材料制成的矩形块体，该矩形块体下表面设有环形通道，且在矩形块体上表面还设有输液孔，输液孔与环形通道连通；
矩形块体固定在基底玻璃2-3上，矩形块体下表面的环形通道与基底玻璃2-3间形成环形腔；
多组电极组2-2光刻在基底玻璃2-3上，且每组电极组2-2中的4个电极的引入端分别用于接收4个旋转式纳米摩擦发电机1输出的交流电信号，每组电极组2-2中的4个电极的引出端伸入至微流控制件2-1的环形通道内，与环形通道内的液体接触。
具体的，电极可采用ITO材料制成。
本优选实施例中，设置多组电极组2-2可以将行波电渗效果进行叠加，从而提高流体流动速度。应用时，矩形块体内环形通道宽度为300μm，高度为30μm，长度为8mm。电极组2-2可为十组，参见图4，每组电极组2-2包含4个宽度为20μm的电极，相邻电极间距为20μm。每组电极组2-2中的4个电极分别对应连接相应的旋转式纳米摩擦发电机1，分别接收产生初始角为0°、90°、180°和270°的交流电信号。
应用时，参见图5，微流控制件2-1制备过程基于硅片基底实现，微流控制件2-1使用光刻方法进行加工，其过程分为5步；首先将负性光刻胶旋涂于硅片基底并烘干；然后将通道形貌通过光刻机复制在光刻胶上；向硅片基底整个表面浇筑PDMS预聚物，使PDMS预聚物高度为4mm,完全覆盖硅片基底整上表面、以及其上表面的光刻胶，浇注完成抽真空后在80℃下固化2小时；最后剥离固化后的PDMS预聚物，固化后的PDMS预聚物的表面形成环形通道，该环形通道即为通过负性光刻胶制备的通道形貌，并使用打孔器在固化后的PDMS预聚物上加工出输液孔，完成对微流控制件2-1的制备，其中，具有输液孔和环形通道的固化后的PDMS预聚物作为微流控制件2-1。
图4中，基底玻璃2-3表面的多组电极组2-2使用光刻方法进行加工，其过程分为4步：首先将负性光刻胶旋涂于基底玻璃2-3并烘干；然后将电极形貌通过光刻机复制在光刻胶上；去除未被曝光的光刻胶，未被曝光的光刻胶覆盖部分电极；在60％的浓盐酸溶液中浸泡10分钟，腐蚀曝光的电极；最后去除残余光刻胶，完成对多组电极组2-2的制备。
在等离子处理后微流控制件2-1和带有多组电极组2-2的基底玻璃2-3键合，将贴合好的芯片放置在80℃下加热1小时巩固键合效果，完成对微流控芯片2的制备。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (10)
1.基于纳米摩擦发电机的自供电行波电渗泵系统，其特征在于，包括4个同轴设置的旋转式纳米摩擦发电机(1)和微流控芯片(2)；微流控芯片(2)作为行波电渗泵；
通过调整4个旋转式纳米摩擦发电机(1)的转子初始位置，使4个旋转式纳米摩擦发电机(1)产生4相相位差为90°的交流电信号给微流控芯片(2)进行供电；
其中，第一至第四个旋转式纳米摩擦发电机(1)产生的交流电信号的初始相位角分别为0°、90°、180°和270°。
2.根据权利要求1所述的基于纳米摩擦发电机的自供电行波电渗泵系统，其特征在于，每个旋转式纳米摩擦发电机(1)包括同轴、且摩擦连接的定子(1-1)和转子(1-2)；
定子(1-1)包括圆环形定子基板(1-1-1)、感应电极机构(1-1-2)和定子柔性摩擦层(1-1-3)，感应电极机构(1-1-2)夹固在定子基板(1-1-1)和定子柔性摩擦层(1-1-3)之间；
转子(1-2)包括沿径向方向上加工有多个U型槽的圆环形转子基板(1-2-1)和转子柔性摩擦层(1-2-2)；转子柔性摩擦层(1-2-2)设置在具有多个U型槽的圆环形转子基板(1-2-1)的一个端面上；
定子(1-1)上的定子柔性摩擦层(1-1-3)与转子(1-2)上的转子柔性摩擦层(1-2-2)摩擦连接；感应电极机构(1-1-2)具有两个引出端，一个引出端作为旋转式纳米摩擦发电机(1)的正极引出端，另一个引出端作为旋转式纳米摩擦发电机(1)的负极引出端；
4个旋转式纳米摩擦发电机(1)的负极引出端同时接入电源地；
第一至第四个旋转式纳米摩擦发电机(1)的正极引出端分别输出初始相位角为0°、90°、180°和270°的交流电信号。
3.根据权利要求2所述的基于纳米摩擦发电机的自供电行波电渗泵系统，其特征在于，定子柔性摩擦层(1-1-3)采用PTFE膜实现，转子柔性摩擦层(1-2-2)采用尼龙膜实现。
4.根据权利要求2所述的基于纳米摩擦发电机的自供电行波电渗泵系统，其特征在于，具有多个U型槽的圆环形转子基板(1-2-1)的相邻两个U型槽之间的扇形片所对应的圆心角的范围为14°至22°。
5.根据权利要求2所述的基于纳米摩擦发电机的自供电行波电渗泵系统，其特征在于，定子(1-1)和转子(1-2)均采用亚克力板实现。
6.根据权利要求2所述的基于纳米摩擦发电机的自供电行波电渗泵系统，其特征在于，感应电极机构(1-1-2)包括同心、且共面的第一感应电极(1-1-2-1)和第二感应电极(1-1-2-2)；
第一感应电极(1-1-2-1)为沿径向方向上加工有多个U型槽的第一圆环形铜制基板，且该U型槽的开口方向朝向外侧，第一圆环形铜制基板上相邻两个U型槽之间形成一个扇形片，其中一个扇形片上设有一个引出端；
第二感应电极(1-1-2-2)为沿径向方向上加工有多个U型槽的第二圆环形铜制基板，且该U型槽的开口方向朝向内侧，第一圆环形铜制基板上相邻两个U型槽之间形成一个齿片，第二圆环形铜制基板的外侧壁上设有一个引出端；
第一圆环形铜制基板的外径小于第二圆环形铜制基板的内径；
第一感应电极(1-1-2-1)和第二感应电极(1-1-2-2)共面后，第一感应电极(1-1-2-1)的扇形片与第二感应电极(1-1-2-2)的齿片在圆周方向上交替布设，且相邻的扇形片和齿片间形成狭缝。
7.根据权利要求6所述的基于纳米摩擦发电机的自供电行波电渗泵系统，其特征在于，第一感应电极(1-1-2-1)和第二感应电极(1-1-2-2)共面后，二者之间所形成的狭缝沿圆周方向均匀分布。
8.根据权利要求6所述的基于纳米摩擦发电机的自供电行波电渗泵系统，其特征在于，扇形片和齿片的个数相同。
9.根据权利要求1所述的基于纳米摩擦发电机的自供电行波电渗泵系统，其特征在于，微流控芯片(2)包括具有微流控制件(2-1)、多组电极组(2-2)和基底玻璃(2-3)；其中，微流控制件(2-1)为采用PDMS材料制成的矩形块体，该矩形块体下表面设有环形通道，且在矩形块体上表面还设有输液孔，输液孔与环形通道连通；
矩形块体固定在基底玻璃(2-3)上，矩形块体下表面的环形通道与基底玻璃(2-3)间形成环形腔；
多组电极组(2-2)光刻在基底玻璃(2-3)上，且每组电极组(2-2)中的4个电极的引入端分别用于接收4个旋转式纳米摩擦发电机(1)输出的交流电信号，每组电极组(2-2)中的4个电极的引出端伸入至微流控制件(2-1)的环形通道内，与环形通道内的液体接触。
10.根据权利要求7所述的基于纳米摩擦发电机的自供电行波电渗泵系统，其特征在于，电极采用ITO材料制成。
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|---|---|---|---|
| CN202310521637.4A CN116742987A (zh) | 2023-05-10 | 2023-05-10 | 基于纳米摩擦发电机的自供电行波电渗泵系统 |
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|---|---|---|---|
| CN202310521637.4A CN116742987A (zh) | 2023-05-10 | 2023-05-10 | 基于纳米摩擦发电机的自供电行波电渗泵系统 |
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| CN116742987A true CN116742987A (zh) | 2023-09-12 |
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| CN (1) | CN116742987A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117439439A (zh) * | 2023-12-06 | 2024-01-23 | 兰州城市学院 | 一种具有低波峰因子和直流输出的多相位转盘式摩擦纳米发电机 |
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2023
- 2023-05-10 CN CN202310521637.4A patent/CN116742987A/zh active Pending
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|---|---|---|---|---|
| CN117439439A (zh) * | 2023-12-06 | 2024-01-23 | 兰州城市学院 | 一种具有低波峰因子和直流输出的多相位转盘式摩擦纳米发电机 |
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