CN117703707A - 基于镓基液态金属受限空间内电润湿效应的立体泵送装置 - Google Patents
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Abstract
基于镓基液态金属受限空间内电润湿效应的立体泵送装置，涉及微流控技术领域。本发明是为了解决现有非机械式微型泵应用于平面微流控驱动环境中且不具备流体止回功能，无法满足微流控芯片三维发展需求的问题。本发明所述的基于镓基液态金属受限空间内电润湿效应的立体泵送装置，电解液池用于盛放电解液，外壳位于所述电解液池内部，腔室位于所述外壳内部，镓基液态金属液滴位于所述腔室中；外壳顶部开有流道接口和加液口，流道接口与所述流道的一端连通，流道凸出于外壳顶部；两个石墨电极镜像对称设置于外壳两侧，两个石墨电极用于与电源电气连接。
Description
技术领域
本发明属于微流控技术领域。
背景技术
微型泵是在微流控系统中驱动流体的重要微型动力设备，其随着微流控系统的整体需求提高也经历了重大的发展变化，形成了向高精度、简单化、低功耗、易于集成和多范围输出等多目标发展的主要研究方向，已成为衡量整个微机电系统发展水平的重要标志之一。
目前的微型泵根据工作原理和结构可分为机械式和非机械式微型泵。其中，机械式微型泵利用可移动的机械部件来执行泵送，虽然对流体的控制比较精确，但其结构复杂、体积庞大，应用场景非常受限。相比之下，非机械式微型泵省略了物理驱动机构，通过如磁流体力学、电流体力学和电介质电润湿等原理对流体进行控制，结构简单、易于微型化、方便集成。然而，这些非机械式微型泵大多应用于平面微流控驱动环境中，且一般不具备流体止回功能，已无法满足微流控芯片向三维方向泵送的发展需求。因此，开展新型三维微型泵的研究工作已迫在眉睫。
发明内容
本发明是为了解决现有非机械式微型泵应用于平面微流控驱动环境中且不具备流体止回功能，无法满足微流控芯片三维发展需求的问题，现提供基于镓基液态金属受限空间内电润湿效应的立体泵送装置。
基于镓基液态金属受限空间内电润湿效应的立体泵送装置，包括：流道3、电解液池6、外壳7、腔室8、镓基液态金属液滴9和两个石墨电极；
所述电解液池6用于盛放电解液，所述外壳7位于所述电解液池6内部，所述腔室8位于所述外壳7内部，所述镓基液态金属液滴9位于所述腔室8中；
所述外壳7顶部开有流道接口701和加液口702，所述流道接口701与所述流道3的一端连通，所述流道3凸出于所述外壳7顶部；
所述两个石墨电极镜像对称设置于所述外壳7两侧，所述两个石墨电极用于与电源1电气连接。
进一步的，上述基于镓基液态金属受限空间内电润湿效应的立体泵送装置还包括塞4；所述塞4用于封堵所述加液口702。
进一步的，上述基于镓基液态金属受限空间内电润湿效应的立体泵送装置还包括基底10；所述基底10位于所述电解液池6底部与所述外壳7之间。
进一步的，上述镓基液态金属液滴9的材料为镓铟合金或镓铟锡合金。
进一步的，上述镓基液态金属液滴9呈柱状位于腔室8内，且高度h满足5mm≤h≤8mm。
进一步的，上述腔室8的横截面为圆形，且壁厚小于等于2mm。
进一步的，上述腔室8内侧壁的粗糙度为纳米级别，所述腔室8内部底面的粗糙度为微米级别；
所述腔室8的材料为玻璃或石英；
所述外壳7的材料为光敏树脂。
进一步的，上述基底10的表面粗糙度为纳米级别；
所述基底10的材料为玻璃。
进一步的，上述电解液为氢氧化钠溶液或氯化钠溶液。
进一步的，上述流道3为直线形、曲线形或网状结构。
与现有技术相比，本发明所述的基于镓基液态金属受限空间内电润湿效应的立体泵送装置，依靠管状腔室内受限空间中的镓基液态金属液滴的连续电润湿效应驱动带泵送溶液，改变电场大小即可改变极限泵送高度，不包含任何机械运动部件，结构简单、体积小，密封可靠，使用方便。输入信号为直流电信号，在电压幅值为0～12V，流道内径为1～8mm的范围内，极限泵送高度可在0～200mm的范围内调整。
附图说明
图1为基于镓基液态金属受限空间内电润湿效应的立体泵送装置的整体结构示意图；
图2为外壳的结构示意图；
图3为液体泵送过程示意图。
附图标记：
1—电源；2—第一导线；3—流道；4—塞；5—第一石墨电极；6—电解液池；7—外壳；8—腔室；9—镓基液态金属液滴；10—基底；11—第二石墨电极；12—第二导线；701—流道接口；701—加液口。
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它实施例，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。
2014年，在期刊Proceedings of the National Academy of Sciences(美国国家科学院院刊)上发表的Liquid metal enabled pump(液体金属启动泵)一文中提出了一种利用液态金属连续电润湿效应驱动流体的微泵。该微型泵的结构非常简单，仅由“回”字形循环通道、圆形腔室和石墨电极三部分组成。该微型泵利用在背景电场下液态金属液滴－溶液界面被诱导产生界面张力梯度，实现对腔室内流体沿电场线方向的定向输送。但是，尽管该项研究成果仅能针对单循环通道进行二维流体驱动，但其具高流量、低功耗以及结构简单的优点。利用连续电润湿的驱动原理，结合一定的结构设计，能够将其流体驱动维度增加至三维空间，从而有望解决利用连续电润湿效应驱动维度不足的问题，为三维非机械式微型泵提供一种新的设计思路。基于此，本实施方式提出一种基于镓基液态金属液滴在受限空间内的立体泵送方法，具体如下：
具体实施方式一：参照图1至3具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于镓基液态金属受限空间内电润湿效应的立体泵送装置，包括：第一导线2、流道3、塞4、第一石墨电极5、电解液池6、外壳7、腔室8、镓基液态金属液滴9、基底10、第二石墨电极11和第二导线12。
电解液池6用于盛放电解液，该电解液为氢氧化钠溶液或氯化钠溶液。
基底10放置于所述电解液池6底部。该基底10的表面为粗糙度在纳米级别的光滑表面，且材料为玻璃。
外壳7通过重力坐落在基底10表面，且外壳7与基底10之间的缝隙宽度小于等于2μm。外壳7顶部开有流道接口701和加液口702。流道接口701处设有倒刺接头，流道接口701通过倒刺接头与流道3的一端过盈配合连通。塞4用于封堵加液口702。腔室8位于外壳7内。加液口702用于添加或更换液态金属液滴，还能够用于平衡腔室8内的气压。腔室8的横截面为圆形且壁厚小于等于2mm。腔室8的内侧壁为粗糙度在纳米级别的光滑表面，底部是粗糙度为微米级别的粗糙表面。腔室8不与电解质溶液反应、不溶于水且无色透明，材料为有机玻璃或石英。
第一石墨电极5和第二石墨电极11浸泡在被泵送溶液中并镜像对称设置于外壳7两侧。第一石墨电极5通过第一导线2与电源1电气连接，第二石墨电极11通过第二导线12与电源1电气连接。根据施加的信号不同，电源1可以为直流电源或者交流电源。
镓基液态金属液滴9呈柱状位于腔室8内，且高度h满足5mm≤h≤8mm。镓基液态金属液滴9的材料为镓铟合金或镓铟锡合金。
流道3凸出于外壳7顶部，并呈直线形、曲线形或网状结构向上延伸。
本实施方式的工作原理如下：
在界面张力和重力作用下，由于受横截面为圆形的腔室8壁面约束，镓基液态金属液滴9在基底10上为圆柱体的形状，此时腔室8的内部空间被称之为受限空间。
当未施加电场时，镓基液态金属液滴9完全贴附在腔室8的光滑内壁上而几乎不留缝隙，由镓基液态金属液滴9和腔室8内壁共同形成的屏障能够保证已进入流道3的被泵送溶液无法穿过而回流至腔室8外侧，以发挥阀的作用。
当施加直流电信号时，粗糙度在微米级别的腔室8下表面与粗糙度在纳米级别的基底10共同形成的非均匀缝隙保证了流体和电荷的联通，将镓基液态金属液滴9引入背景电场中，形成连续电润湿效应，从被泵送溶液—镓基液态金属液滴9—腔室8内壁面三相交界的区域开始驱动溶液沿着镓基液态金属液滴9界面层流动，逐渐将镓基液态金属液滴9和腔室8内壁面之间的不完全溶液薄膜连通完整，最终形成完整的溶液薄膜，立体泵送过程达到稳定。
具体实施方式二：本实施方式所述的基于镓基液态金属受限空间内电润湿效应的立体泵送装置，包括：第一导线2、流道3、塞4、第一石墨电极5、电解液池6、外壳7、腔室8、镓基液态金属液滴9、基底10、第二石墨电极11和第二导线12。
电解液池6用于盛放电解液，该电解液为1mol/L的氢氧化钠溶液。
基底10放置于所述电解液池6底部。该基底10的表面粗糙度≤100nm，且材料为玻璃。
腔室8位于外壳7内，镓基液态金属液滴9位于腔室8内，且高度h满足5mm≤h≤8mm。镓基液态金属液滴9为镓铟合金，具体包括75％的镓和25％的铟。在通电状态下，镓基液态金属液滴9与腔室8内壁间的薄层充满完整的被泵送溶液薄膜。。
腔室8为有机玻璃塑料圆管，利用挤压成型制作的管道切割而成，腔室8内径为10mm，壁厚为1mm，高度为8.5mm。腔室8内壁粗糙度≤100nm，截面粗糙度为2μm，腔室8截面采用“8”字研磨法进行打磨，即将作为腔室8的有机玻璃管底部截面在150目的砂纸上按“8”字形轨迹往复运动进行研磨至少30min，研磨后的腔室8截面经过棉布擦拭干净，在腔室8的环形截面上以90°的相位差依次选取4个方形测量区域，利用白光干涉三维轮廓仪SmartWLI,GBS对所选区域依次进行表面粗糙度表征，观测腔室8截面的表面形貌并记录表面粗糙度数值。
外壳7通过重力坐落在基底10表面，且外壳7与基底10之间的缝隙宽度小于等于2μm。外壳7利用3D打印技术制作出，外壳7优选光敏树脂材质。外壳7顶部开有流道接口701和加液口702。流道接口701处设有倒刺接头，流道接口701通过倒刺接头与流道3的一端过盈配合连通。塞4用于封堵加液口702，加液口702用于添加或更换液态金属液滴，还能够用于平衡腔室8内的气压。
第一石墨电极5和第二石墨电极11浸泡在被泵送溶液中并镜像对称设置于外壳7两侧。两根导线通过AB胶分别与两个石墨电极胶合形成固定连接，第一石墨电极5通过第一导线2与电源1电气连接，第二石墨电极11通过第二导线12与电源1电气连接。根据施加的信号不同，电源1可以为直流电源或者交流电源。
流道3凸出于外壳7顶部，并呈直线形、曲线形或网状结构向上延伸。
优选流道3为内径2mm的弯折成蛇形通道的硅胶软管，但并不局限于蛇形通道，也可以为绳结形或血管网状结构。优选直流电源1输出幅值为12V的直流电信号。
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它所述实施例中。
Claims (10)
1.基于镓基液态金属受限空间内电润湿效应的立体泵送装置，其特征在于，包括：流道(3)、电解液池(6)、外壳(7)、腔室(8)、镓基液态金属液滴(9)和两个石墨电极；
所述电解液池(6)用于盛放电解液，所述外壳(7)位于所述电解液池(6)内部，所述腔室(8)位于所述外壳(7)内部，所述镓基液态金属液滴(9)位于所述腔室(8)中；
所述外壳(7)顶部开有流道接口(701)和加液口(702)，所述流道接口(701)与所述流道(3)的一端连通，所述流道(3)凸出于所述外壳(7)顶部；
所述两个石墨电极镜像对称设置于所述外壳(7)两侧，所述两个石墨电极用于与电源(1)电气连接。
2.根据权利要求1所述的基于镓基液态金属受限空间内电润湿效应的立体泵送装置，其特征在于，还包括塞(4)；
所述塞(4)用于封堵所述加液口(702)。
3.根据权利要求1所述的基于镓基液态金属受限空间内电润湿效应的立体泵送装置，其特征在于，还包括基底(10)；
所述基底(10)位于所述电解液池(6)底部与所述外壳(7)之间。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于镓基液态金属受限空间内电润湿效应的立体泵送装置，其特征在于，所述镓基液态金属液滴(9)的材料为镓铟合金或镓铟锡合金。
5.根据权利要求4所述的基于镓基液态金属受限空间内电润湿效应的立体泵送装置，其特征在于，所述镓基液态金属液滴(9)呈柱状位于腔室(8)内，且高度h满足5mm≤h≤8mm。
6.根据权利要求1、2、3或5所述的基于镓基液态金属受限空间内电润湿效应的立体泵送装置，其特征在于，所述腔室(8)的横截面为圆形，且壁厚小于等于2mm。
7.根据权利要求6所述的基于镓基液态金属受限空间内电润湿效应的立体泵送装置，其特征在于，所述腔室(8)内侧壁的粗糙度为纳米级别，所述腔室(8)内部底面的粗糙度为微米级别；
所述腔室(8)的材料为玻璃或石英；
所述外壳(7)的材料为光敏树脂。
8.根据权利要求3所述的基于镓基液态金属受限空间内电润湿效应的立体泵送装置，其特征在于，所述基底(10)的表面粗糙度为纳米级别；
所述基底(10)的材料为玻璃。
9.根据权利要求1、2、3、5、7或8所述的基于镓基液态金属受限空间内电润湿效应的立体泵送装置，其特征在于，所述电解液为氢氧化钠溶液或氯化钠溶液。
10.根据权利要求1、2、3、5、7或8所述的基于镓基液态金属受限空间内电润湿效应的立体泵送装置，其特征在于，所述流道(3)为直线形、曲线形或网状结构。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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