一種電滲流泵及其泵體設計工藝流程的製作方法

2023-05-21 18:21:16

一種電滲流泵及其泵體設計工藝流程的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種電滲流泵及其泵體設計工藝流程，包括泵體，泵體內設有微通道，微通道內部充滿電解質溶液，通過磁控濺射在每個所述微通道內表面蒸鍍一層導電層，再在導電層上沉積一層絕緣層。泵體外部設有電源裝置，為通道壁面提供可控電勢，通過控制通道壁面的電勢大小和正負，可以方便的控制通道內部液體流動的速度、壓強和流向。本發明用來提供可控微流量液體和產生一定可控液體壓強，操作模式簡單，控制方便，系統響應速度快，可廣泛用於化學化工、微納米機電系統和生物醫療器械方面的流體驅動泵，特別適用於作晶片微通道的驅動泵，如處理器晶片的冷卻和分析化學中的物質分離與提純。
【專利說明】ー種電滲流泵及其泵體設計エ藝流程
[0001]
【技術領域】
[0002]本發明屬於化學分析技術和微納米機械系統領域，具體涉及通過控制微通道壁面的電壓而產生可控電滲流的電滲流泵技木。
【背景技術】
[0003]當固體壁面與溶液相互接觸時，由於固液界面的化學或物理作用，如固體表面離子的電離等，固體表面往往帶有一定的電荷密度。這樣由於固體表面電荷的靜電作用，溶液中的反離子在固體表面大量富集而形成雙電層結構。固體表面的雙電層分為緊靠壁面的斯特恩層和由於離子熱運動產生的擴散層。當沿平行於帶電錶面施加驅動電場後，雙電層內部擴散層的離子會沿著電場方向做定向移動，由於溶液中離子與水分子間的水合作用以及其他相互作用，定向運動的離子會帶動通道中的液體分子產生定向移動，而產生電滲流動。這樣在通道兩端可以產生由電滲流動引起的液體壓強。由於電滲流的產生是因為帶電錶面的擴散層中離子的運動，所以電滲流只是微觀固液界面的電動現象，進而可以在微通道中產生微小的流量。
[0004]微泵可以將在通道兩端施加的電能轉化為通道內液體流動的機械能，是ー種新型的流體傳動形式，可以為微流量系統提供動力。隨著微納米加工技術的發展，微納米機電系統(M/NEMS)為微泵的研製提供了技術與エ藝基礎。
[0005]由於自然情況下，固體與液體相互接觸時，固體表面所形成的表面電荷密度太過微小，以至於固液界面處反離子的聚集量太少，這樣當施加切向電壓後，形成的電滲流太小，而且不可控。對於無機電解質溶液，當施加切向電壓太高時還會引起溶液的電解現象，在溶液中會產生氣泡嚴重影響電滲流的控制。

【發明內容】

[0006]本發明的目的在於提供ー種電滲流泵及其泵體設計エ藝流程，可產生可控電滲流。
[0007]為了解決以上技術問題，本發明通過控制微通道的壁面電勢來實現，具體技術方案如下:
ー種電滲流泵，其特徵在於:泵體包括基體和蓋板(5);基體由矽片(I)、微通道(2)、導電層(3)和絕緣層(4)組成；微通道(2)設於矽片(I)表面；導電層(3)的一面經蒸鍍覆蓋在所述微通道的內表面上，導電層(3)的另一面上覆蓋有絕緣層(4);蓋板(5)與基體有微通道的一面鍵合；微通道內部充滿電解質溶液；
泵體的外部設有控制電源(6)和驅動電源；控制電源(6)的一端與導電層(3)相連，另一端接地，用以控制絕緣層的表面電勢，進而調整絕緣層附近的反離子分布；驅動電源作用於泵體兩端，為微通道中的液體提供切向電壓。
[0008]所述基體的微通道(2)數目可以為多個，各微通道的排列方式為並聯，形成微通道陣列。
[0009]所述泵體可包括多個基體，各基體之間為垂直疊加，形成微通道陣列。
[0010]4.如權利要求1-3所述的ー種電滲流泵，其特徵在於:可通過所述的微通道為流體提供流道，流道的高度和寬度尺寸都在微米量級。
[0011]所述的ー種電滲流泵的泵體設計エ藝流程，其特徵在於包括以下步驟:
步驟一，將矽片(I)進行研磨和拋光，減薄矽片的厚度和提高矽片表面的平整度；
步驟ニ，通過溼法刻蝕，在所述矽片(I)表面刻蝕微米級的通道，形成微通道(2);當微
通道(2)數目需要為多個時，各微通道(2)的排列方式為並聯，形成微通道陣列；
步驟三，通過磁控濺射在所述微通道內表面蒸鍍ー層導電層(3)，再在導電層上沉積ー層絕緣層(4)以防止導電層(3)與溶液形成迴路，得到基體；
步驟四，最後通過鍵合將蓋板(5)蓋在基體的微通道上絕緣層的外表面，蓋板(5)的材料為矽材料。
[0012]所述的導電層(3)的材料為銅、銀或石墨中的任ー種。
[0013]可將多個基體通過ー層ー層的堆疊以實現三維微通道陣列，從而增大泵的通量。
[0014]本發明的工作原理是:通過控制與泵體導電層相連的控制電源的電壓，使泵體的導電層處於不同的電勢狀態，進而在導電層外的絕緣層產生可控的比自然狀態下大得多的表面電荷密度。儘可能多的吸附通道中的反離子在固體壁面附近聚集，形成穩定的雙電層結構。接著，接通驅動電源，為通道兩端提供驅動電壓，使雙電層中的離子產生定向的流動，進而帶動通道中流體的整體運動。
[0015]本發明具有有益效果:本發明微通道中的流體的流速與驅動電源和控制電源的電源均有關聯。這樣對於不同的流量和壓強需要，只需要設置不同的驅動電壓和控制電壓就能得到，應用更加廣泛，控制更加方便。當控制電壓為正時，通道內壁絕緣層帶正電荷，負離子充當主要載流子，通道內流體由負極流向正扱；當控制電壓為負時，通道內壁絕緣體帶負電荷，正離子充當主要載流子，通道內流體由正極流回負極。本發明中，泵體上的微通道數目可根據具體エ況而進行變化，泵體上的微通道在排列方式上為並聯排列，這樣電滲流泵的總體流量與微通道的數目直接相關，故而選擇不同的微通道數目就可實現不同的流量需求。本發明組裝方便，操作模式簡単；泵體內通道體積小，無閥門和其他機械裝置，流體的運動方向，流速，液體壓強和流量可隨控制電壓，驅動電壓和通道數目的改變而方便控制。系統響應速度快，可廣泛用於化學化工、微納米機電系統和生物醫療器械方面的流體驅動泵。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發明的結構示意圖；
圖中:I矽片，2微通道，3導電層，4絕緣層，5蓋板，6控制電源。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖對本發明的技術方案作進一歩詳細說明。
[0018]如圖1所示，本發明的電滲流泵的泵體包括基體和蓋板5，矽片I內設有微通道2，微通道內部充滿電解質溶液。在每個微通道的內壁面具有ー層導電層3和絕緣層4。泵體上部有蓋體5與泵體鍵合。泵體外部有兩個電源，其中控制電源6與泵體導電層相連，為微通道的內壁面提供可控的電勢，驅動電源為微通道內部的液體提供驅動電壓。泵體的基體和蓋板5用矽等常見微納米加工材料做成，本實施例中採用是矽；導電層3用的是石墨，絕緣層4有的是A1203。驅動電源所接電極採用可逆電極Ag/AgCl。
[0019]依以下エ藝製備:一，將娃片進行研磨和拋光，減薄娃片的厚度和提聞娃片表面的平整度；ニ，通過溼法刻蝕，在矽片表面刻蝕微米級的通道陣列；三，通過磁控濺射在微通道表面蒸鍍ー層導電層石墨；在導電層上沉積ー層絕緣層A1203 ;四，通過鍵合將蓋板蓋在微通道上。
[0020]在完成上述步驟後，通過將微通道所在矽片的層層堆疊，獲得可控壁面電勢電滲流泵的三維結構。
[0021]本發明的具體實施使用過程如下:在泵體內部充入NaCl溶液，並將控制電源設置為負，此時Na+離子在微通道內部大量聚集，並在微通道內部表面形成雙電層。然後接通驅動電源，在微通道內部形成平行於通道方向的有正極到負極的近似均勻的電場，Na+離子在電場的驅動下，會沿電場的方向定向運動到負極方向。由於溶液中Na+離子與微通道內壁的靜電作用，當把控制電壓調高時，在通道壁面附近的Na+離子數目會大量増加，這樣所形成的電滲流流量更大。
【權利要求】
1.ー種電滲流泵，其特徵在幹:泵體包括基體和蓋板(5);基體由矽片(I)、微通道⑵、導電層⑶和絕緣層⑷組成；微通道⑵設於矽片⑴表面；導電層⑶的一面經蒸鍍覆蓋在所述微通道的內表面上，導電層(3)的另一面上覆蓋有絕緣層(4);蓋板(5)與基體有微通道的一面鍵合；微通道內部充滿電解質溶液； 泵體的外部設有控制電源(6)和驅動電源；控制電源(6)的一端與導電層⑶相連，另一端接地，用以控制絕緣層的表面電勢，進而調整絕緣層附近的反離子分布；驅動電源作用於泵體兩端，為微通道中的液體提供切向電壓。
2.如權利要求1所述的ー種電滲流泵，其特徵在於:所述基體的微通道(2)數目可以為多個，各微通道的排列方式為並聯，形成微通道陣列。
3.如權利要求1所述的ー種電滲流泵，其特徵在幹:所述泵體可包括多個基體，各基體之間為垂直疊加，形成微通道陣列。
4.如權利要求1-3所述的ー種電滲流泵，其特徵在幹:可通過所述的微通道(2)為流體提供流道，流道的高度和寬度尺寸都在微米量級。
5.如權利要求1所述的ー種電滲流泵的泵體設計エ藝流程，其特徵在於包括以下步驟: 步驟一，將矽片(I)進行研磨和拋光，減薄矽片的厚度和提高矽片表面的平整度； 步驟ニ，通過溼法刻蝕，在所述矽片(I)表面刻蝕微米級的通道，形成微通道(2);當微通道(2)數目需要為多個時，各微通道(2)的排列方式為並聯，形成微通道陣列； 步驟三，通過磁控濺射在所述微通道內表面蒸鍍ー層導電層(3)，再在導電層上沉積ー層絕緣層(4)以防止導電層(3)與溶液形成迴路，得到基體； 步驟四，最後通過鍵合將蓋板(5)蓋在基體的微通道上絕緣層的外表面，蓋板(5)的材料為矽材料。
6.如權利要求5所述的ー種電滲流泵的泵體設計エ藝流程，其特徵在於:所述的導電層(3)的材料為銅、銀或石墨中的任ー種。
7.如權利要求5所述的ー種電滲流泵的泵體設計エ藝流程，其特徵在於:可將多個基體通過ー層ー層的堆疊以實現三維微通道陣列，從而增大泵的通量。
【文檔編號】B01J19/00GK103566987SQ201310572450
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年11月18日 優先權日:2013年11月18日
【發明者】陳敏, 鄭剛, 裘英華, 陳冬冬 申請人:鎮江四聯機電科技有限公司