CN117583048A - 一种用于光控电流变阻尼调控系统的微流控芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种用于光控电流变阻尼调控系统的微流控芯片。PLZT陶瓷可将光能转化为电能，形成高值光致静电场，满足电流变液对电场的需求，最终实现光控变阻尼。用于阻尼通道的微流控芯片采分层结构，共分为8层，中间层为通道层，上下向外分别为介电层、电极层、基底层，最上层为浇铸层。电流变液由入口流入，流经通道层时在外加光生电场的作用下，在短时间内发生粘度突变，从而实现阻尼调控作用。基于PLZT陶瓷/电流变液的光控变阻尼方式具有非接触光激励、远程调控、响应速度快和无电磁激干扰等优点，是一种新型的“绿色”阻尼调控方式，在变阻尼主动振动控制、微机电系统和流体控制等领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及微流控技术领域，具体是一种用于光控电流变阻尼调控系统的微流控芯片。
背景技术
PLZT陶瓷在特定波长的光源激励下会发生光致形变效应和反常光生伏特效应，在极化方向上产生光致位移和kV级的光生电压。另一种智能材料电流变液是具有应用潜力的智能软材料。电流变效应具有过程可逆性和迅速性，通常响应时间在几毫秒之内。
上述两种智能材料的有机结合，具有可在洁净操作空间及真空环境中工作，无电磁干扰和驱动源清洁等特点，有效地弥补了两种智能材料在各自工程应用上的不足。为了实现基于两种智能材料的阻尼调控，需要设计一种电极和微通道一体化的微流控芯片。
现有的微流控芯片与电极分离，影响外加电场稳定性。同时，目前的微流控芯片不含浇铸层，很难在导入液体时固定入口和出口处探针。基于以上问题，本发明为光控电流变阻尼系统提供了一种更适用和更高效的微流控芯片。
发明内容
本发明为实现PLZT陶瓷和电流变液的结合，以克服阻尼调控中的电磁干扰问题，提供了一种用于光控电流变阻尼调控系统的微流控芯片。
实现本发明的技术解决方案为：一种用于光控电流变阻尼调控系统的微流控芯片，包括：
通道层，所述通道层为贯穿该层材料的通孔，主体部分为矩形通道，用于电流变液以恒定流速流经通道，两端为半圆形出入口，与通道孔相对应。液体流经时在通道两端产生压强差，以通道两端液体压强差来表征电流变液粘度变化。
介电层，所述介电层包括上介电层和下介电层两层，作为电极附着层，其中上层介电层上设有通道孔，与通道层出入口相对应，用于电流变液流通。
电极层，所述电极层包括上电极和下电极两层，附着于介电层，长度略大于通道长度，确保完全覆盖通道层，外接PLZT陶瓷，使整个微通道都处于电场中。
基底层，所述底基层包括上基底层和下基底层两层，处于最外层，保护电极不被氧化，其中上层基底层上有通道孔，与通道层出入口相对应，用于电流变液流通。
浇铸层，所述浇铸层为单层，位于最顶层，上有通道孔，便于针管插入，针管外接注射泵，可将电流变液以恒定速率推入微通道。
进一步，所述上层介电层、基底层和浇铸层上有通道孔，与通道层上通道孔相通，形成完整的入口、通道、出口系统，使电流变液在通道中不受挤压。
进一步，所述电极层上的电极是通过磁控溅射镀膜将单铜镀于介电层上，厚度为100nm，上电极位于上介电层上方，下电极位于下介电层下方。
进一步，所述通道层和基底层材料为PET，介电层和浇铸层材料为PDMS，两种材料通过晶圆键合工艺连接，这种设计更有利于该工艺的实施，使各层次之间的连接效果更好。
进一步，所述介电层材料为PDMS，可在电流变液粘度增大时该层可发生形变，其瞬态响应作于被控液体，实现阻尼调控。
进一步，所述通道层、介电层、电极层、基底层对角处均设有定位孔，用于定位各层芯片位置和方向。
本发明与现有技术相比，本发明的微流控芯片可用于电流变阻尼调控系统，使施加于阻尼通道的电场更稳定，具有非接触光激励、远程调控、响应速度快和无电磁激干扰等优点，是一种新型的“绿色”阻尼调控方式，应用前景广。
附图说明
为了更清晰地展示本发明的具体分层结构，下面将对各层次进行附图介绍。
图1为基于PLZT陶瓷/电流变液的阻尼调控系统。
图2为用于光控电流变阻尼调控系统的微流控芯片各层次拆分图(未显示浇铸层)。
图中标号所代表的含义为：1.上基底层，2.上电极，3.上介电层，4.通道层，5.下介电层，6.下电极，7.下基底层，8.通道孔，9.定位孔。
具体实施方式
本发明首次提出一种用于光控电流变阻尼系统的微流控芯片，实现电极和微流控阻尼通道一体化，其目的为将稳定的电场施加于微流控通道。本发明难点主要在于键合工艺的实施，需要为不同的层次选用合适的材料来保证工艺的正常开展。
结合图2，一种用于光控电流变阻尼调控系统的微流控芯片，包括：
通道层4，所述通道层4为贯穿该层材料的通孔，主体部分为矩形通道，用于电流变液以恒定流速流经通道，两端为半圆形出入口，与通道孔8相对应。液体流经时在通道两端产生压强差，以通道两端液体压强差来表征电流变液粘度变化。
介电层，所述介电层包括上介电层3和下介电层5两层，作为电极附着层，其中上层介电层上设有通道孔，与通道层4出入口相对应，用于电流变液流通。
电极层，所述电极层包括上电极2和下电极6两层，附着于介电层，长度略大于通道长度，确保完全覆盖通道层4，外接PLZT陶瓷，使整个微通道都处于电场中。
基底层，所述底基层包括上基底层1和下基底层7两层，处于最外层，保护电极不被氧化，其中上层基底层1上有通道孔，与通道层4出入口相对应，用于电流变液流通。
浇铸层，所述浇铸层为单层，位于最顶层，上有通道孔8，便于针管插入，针管外接注射泵，可将电流变液以恒定速率推入微通道。
进一步，所述上层介电层、基底层和浇铸层上有通道孔8，与通道层上通道孔相通，形成完整的入口、通道、出口系统，使电流变液在通道中不受挤压。
进一步，所述电极层上的电极是通过磁控溅射镀膜将单铜镀于介电层上，厚度为100nm，上电极2位于上介电层3上方，下电极6位于下介电层5下方。
进一步，所述通道层和基底层材料为PET，介电层和浇铸层材料为PDMS，两种材料通过晶圆键合工艺连接，这种设计更有利于该工艺的实施，使各层次之间的连接效果更好。
进一步，所述介电层材料为PDMS，可在电流变液粘度增大时该层可发生形变，其瞬态响应作于被控液体，实现阻尼调控。
进一步，所述通道层、介电层、电极层、基底层对角处均设有定位孔9，用于定位各层芯片位置和方向。
进一步地，电极与流体通道一体化。
进一步地，通道层4和基底层材料均为PET，介电层和浇铸层材料均为PDMS，通过晶圆键合工艺固定，电流变液流经微通道时通道可发生形变，从而实现阻尼调控。
进一步地，通过磁控溅射法将铜离子镀于介电层上形成芯片电极。
本发明以阻尼通道两端压强差为指标来实现阻尼调控，其理论如下所示。
其中，τw为平均壁应力，h为特征长度，Q为流量，κ为稠度系数，S为湿周，λ为中间变量，为液体压强，/>为截面面积，/>为通道长度。
λ定义为：
其中，τ0为屈服应力，a，b为截面形状相关系数，其定义为：
其中，x0为截面长度一半，y0为截面宽度一半，α＝y0/x0，n为无穷级数通项参数，βn为中间变量，cosh()为双曲余弦函数，tanh()为双曲正弦函数。
实施例1
如图1所示，PLZT陶瓷产生的光生电压(kV级)作用于电流变液，电流变液在PLZT陶瓷的作用下在短时间(毫秒级)内粘度迅速增大，从而实现阻尼调控。具体操作方式为用365nm紫外光照射PLZT陶瓷，将陶瓷两极板通过导线连接在微流控芯片上下电极处，使光生电压施加于电流变液通道。微量注射泵通过管道连接微流控芯片液体入口，匀速将电流变液通入通道。微流控芯片出口连接大气，其出口处压强为0。通过测量不同光照强度下的微流控芯片两端压强差，来测量电流变液受光生电压负载时的粘度变化。
图2所示的微流控芯片作为上述阻尼调控系统的负载，通过上下电极连接PLZT陶瓷。在零电场时电流变液以某一恒定速率流经微流控芯片通道层，用压力计测得微流控芯片两端压强差。PLZT陶瓷产生kV级的光生电压施加在通道时，电流变液以同样的速率流经通道层，用压力计测得微流控芯片两端压强差。改变光照强度，重复上述过程，得到压强差随光照强度变化曲线。
Claims (5)
1.一种用于光控电流变阻尼调控系统的微流控芯片，其特征在于，包括：
通道层(4)，所述通道层(4)为贯穿该层材料的通孔，主体部分为矩形通道，用于电流变液以恒定流速流经通道，两端为半圆形出入口，与通道孔(8)相对应；液体流经时在通道两端产生压强差，以通道两端液体压强差来表征电流变液粘度变化；
介电层，所述介电层包括上介电层(3)和下介电层(5)两层，作为电极附着层，且位于通道层(4)的顶面和底面，其中上层介电层(3)上设有通道孔，与通道层(4)出入口相对应，用于电流变液流通；
电极层，所述电极层包括上电极(2)和下电极(6)两层，分别对应附着于上介电层(3)的顶面和下介电层(5)的底面，长度略大于通道长度，确保完全覆盖通道层(4)，外接PLZT陶瓷，使整个微通道都处于电场中；
基底层，所述底基层包括上基底层1和下基底层7两层，处于最外层，保护电极不被氧化，其中上层基底层1上有通道孔，与通道层(4)出入口相对应，用于电流变液流通；
浇铸层，所述浇铸层为单层，位于最顶层，其上设有通道孔(8)，便于针管插入，针管外接注射泵，以将电流变液以恒定速率推入微通道。
2.如权利要求1所述的用于光控电流变阻尼调控系统的微流控芯片，其特征在于：电极与流体通道一体化。
3.如权利要求1所述的用于光控电流变阻尼调控系统的微流控芯片，其特征在于：通道层(4)和基底层材料均为PET，介电层和浇铸层材料均为PDMS，通过晶圆键合工艺固定，电流变液流经微通道时通道可发生形变，从而实现阻尼调控。
4.如权利要求2所述的用于光控电流变阻尼调控系统的微流控芯片，其特征在于：通过磁控溅射法将铜离子镀于介电层上形成芯片电极。
5.如权利要求1所述的用于光控电流变阻尼调控系统的微流控芯片，其特征在于：适用于光控电流变阻尼调控系统，以通道两端压强差为主要表征参数，其定义为：
其中，τw为平均壁应力，h为特征长度，Q为流量，κ为稠度系数，S为湿周，λ为中间变量，为液体压强，/>为截面面积，/>为通道长度；
λ定义为：
其中，τ0为屈服应力，a，b为截面形状相关系数，其定义为：
其中，x0为截面长度一半，y0为截面宽度一半，α＝y0/x0，n为无穷级数通项参数，βn为中间变量，cosh()为双曲余弦函数，tanh()为双曲正切函数。
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