CN201802574U - 硅基微型电渗泵三维阵列 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种硅基微型电渗泵三维阵列。包括单个微泵、微泵二维阵列、三维阵列的结构。二维阵列包括由硅基构组成的框体，其特征在于，在硅基上干法蚀刻技术刻蚀出的高宽比二维阵列微槽构成电渗流微通道以及进出水口。然后在玻璃盖上制作出薄膜电极。通过大面积对准阳极键合适当的二维阵列得到硅基微型电渗泵三维阵列。本实用新型硅基电渗泵三位阵列结构简单，易于集成到微通道冷却系统中，极大提高了冷却效率。

Description

硅基微型电渗泵三维阵列 

技术领域

本发明涉及一种可用于微通道冷却系统的硅基微型电渗泵，特别涉及微型电渗泵的三维阵列。 

背景技术

微泵是将电能、热能等转化为流体动能的一种新型流体传输部件，是微流体系统中重要的执行器件。MEMS技术的发展为微泵的研制提供了技术和工艺基础。微流体技术作为MEMS技术的一个分支，具有广阔的应用前景。 

电渗泵一般由大量的直径在1～50μm之间的细槽构成，槽壁与电解液发生电化学反应，在贴近槽壁处形成厚度为1～100nm的稳定双电层：紧密层和扩散层。在外电场作用下，扩散层的离子产生定向迁移形成电渗流，由于电解液具有粘性，扩散层会带动中间部分的液体定向流动，呈现出塞状的流型。 

根据电渗泵的结构特征将其划分为多孔介质型电渗泵和开放通道电渗泵。根据多孔介质型电渗泵多孔介质形成方法的不同，可分为一下三种：填充床多孔介质电渗泵、整体柱多孔介质电渗泵、多孔介质膜电渗泵。开放通道电渗泵根据联接方式不同可分为并联式开放通道电渗泵及串联式开放通道电渗泵。多孔介质电渗泵的通道，由微粒之间的间隙或多孔材料的内部小孔形成。开放通道电渗泵的微通道，主要采用干法刻蚀工艺和湿法腐蚀工艺成形，通道截面一般为规则的几何形状，如矩形和三角形。 

填充床多孔介质电渗泵是通过将介电微粒(一般为直径为1～5μm的硅胶)填充到熔石英毛细管(Φ50～800μm)中，再采用多孔玻璃材料填充到毛细管两端，烧结形成毛细管的柱塞。通道中微粒之间的孔形成了间隙通道，孔隙在长度和径向上的分布可以看作是许多直径极细的毛细管的集合。电解溶液与微粒接触时，介电微粒被双电层所包围。外加电场与各微粒上形成的ξ电势进行耦合作用时，介电微粒所形成的间隙通道便可形成电渗流。在填充床多孔介质电渗泵中，介电微粒之间孔非常小形成很高的水力阻力，同时间隙通道内湿周表面积与流体体积之比非常大，因此填充床电渗泵压力输出可高达几兆帕到几十兆帕。但流量非常小，通常为每分几十纳升或几微升。Zeng等人将3.5μm直径的无孔硅胶粒子填充到500～700μm直径的熔融石英毛细管中，再在通道两端填充多孔玻璃材料，通过烧结形成柱塞，形成了一个填充床多孔介质电渗泵，如图2所示。其中1为多孔玻璃柱塞，2为毛细管壁，3为硅胶微粒。以去离子水作为测试流体，在2kV电压下获得超过2MPa压力、3.6μL/min流量的微泵，计算得到热动力效率为1.3％。该填充床电渗泵显示了更高的流体压力性能，但是热力效率较低。原因是电解质中有 电流通过，产生很高的焦耳热。 

目前填充床多孔介质电渗泵存在的为题如下：1、热力效率较低。2、制备过程复杂，柱塞的制备需要烧结，工艺与当前的微加工工艺不匹配。3、很难与其他微器件芯片集成。 

发明内容

根据上述现有技术部分存在的缺陷和不足，本发明的目的是提供一种采用单晶硅作为泵体材料，利用MEMS加工技术制备可用于微通道冷却系统的高效率，工艺简单，且易于与其他微器件芯片集成的电渗泵三维阵列结构。 

为了实现上述目的，本发明的设计机理是基于电渗原理实现流体的定向流动。在经过高平面度研磨抛光的硅片上利用干法蚀刻技术刻蚀出高宽比的二维阵列微槽。针对不同的流量和压强的需求，可以选择适当数量的二维阵列的叠层来满足三维阵列要求，因此电渗泵三维列阵的结构设计具有可伸缩性。 

所采用的技术方案是：一种硅基微型电渗泵三维阵列，它包括一定数量的电渗泵二维阵列层叠形成三维阵列。 

本实用新型的其他一些特点是，所述的电渗泵微槽是用干法蚀刻技术刻蚀出的高宽比二维阵列微槽。 

附图说明

图1为填充床多孔介质电渗泵 

图2为电渗泵二维阵列结构立体图 

图3为电渗泵二维阵列结构平面图 

图4为电渗泵三维阵列结构立体图 

具体实施方式

下面结合附图和发明人依照上述技术方案给出的实施例对本实用新型作进一步详细说明，但并不限于该实施例。 

实施例：参见图2～图4，硅基微型电渗泵二维阵列，它包括由电极4、微槽5及入水口6组成。图中箭头为工作流体流向。电渗泵二维阵列各个泵之间是并联关系，电渗泵三维阵列各层之间是串联关系。若电渗泵二维阵列含有200个泵，二维阵列输出流量为单个电渗泵的200倍，输出压强与单个电渗泵相同。若电渗泵三维阵列由10层构成，三维阵列输出压强为单个电渗泵的10倍，输出流量与二维阵列相同。 

本实施例的硅基微型电渗泵三维阵列，按照下述常规工艺制备：首先将硅片进行研磨和抛光，减薄硅片厚度和提高表面平整度。然后将掩膜版的图形转移到硅片表面，利用光源选 择性照射光刻胶层使其化学性质发生改变，显影后去除相应的光刻胶得到相应的图形。光刻得到的图形作为后续工艺的掩膜进一步对光刻暴露的位置进行干法蚀刻得到高深宽比微槽，然后在玻璃盖上制作出薄膜电极。可以采用热分解方法，利用氮气、氨气、硅烷气体作为气源在硅片上直接进行氮化硅钝化薄膜的淀积制备钝化层，提高器件的稳定性能。 

在完成上述步骤后，就获得了硅基电渗泵的二维结构，然后再通过大面积对准阳极键合适当的二维结构就可以获得电渗泵的三维结构。 

Claims (3)

1.一种硅基微型电渗泵三维阵列，其特征在于，材料采用硅基，结构由电渗泵微槽【5】构成的流体通道、入水口【6】及玻璃盖板上的薄膜电极【4】构成。

2.如权利要求1所述的电渗泵三维阵列，其特征在于，所述的电渗泵微槽【5】具有高深宽比结构。

3.如权利要求1所述的电渗泵三维阵列，其特征在于，三维阵列可由二维阵列层叠形成。 

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