一種電滲流泵的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種電滲流泵，包括泵體，泵體內(nèi)設(shè)有微通道，微通道內(nèi)部充滿電解質(zhì)溶液，通過磁控濺射在每個(gè)所述微通道內(nèi)表面蒸鍍一層導(dǎo)電層，再在導(dǎo)電層上沉積一層絕緣層。泵體外部設(shè)有電源裝置，為通道壁面提供可控電勢(shì)，通過控制通道壁面的電勢(shì)大小和正負(fù)，可以方便的控制通道內(nèi)部液體流動(dòng)的速度、壓強(qiáng)和流向。本實(shí)用新型用來提供可控微流量液體和產(chǎn)生一定可控液體壓強(qiáng)，操作模式簡單，控制方便，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，可廣泛用于化學(xué)化工、微納米機(jī)電系統(tǒng)和生物醫(yī)療器械方面的流體驅(qū)動(dòng)泵，特別適用于作芯片微通道的驅(qū)動(dòng)泵，如處理器芯片的冷卻和分析化學(xué)中的物質(zhì)分離與提純。
【專利說明】—種電滲流泵
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于化學(xué)分析技術(shù)和微納米機(jī)械系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及通過控制微通道壁面的電壓而產(chǎn)生可控電滲流的電滲流泵技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)固體壁面與溶液相互接觸時(shí)，由于固液界面的化學(xué)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。這樣由于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(jié)構(gòu)。固體表面的雙電層分為緊靠壁面的斯特恩層和由于離子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的擴(kuò)散層。當(dāng)沿平行于帶電表面施加驅(qū)動(dòng)電場后，雙電層內(nèi)部擴(kuò)散層的離子會(huì)沿著電場方向做定向移動(dòng)，由于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(yùn)動(dòng)的離子會(huì)帶動(dòng)通道中的液體分子產(chǎn)生定向移動(dòng)，而產(chǎn)生電滲流動(dòng)。這樣在通道兩端可以產(chǎn)生由電滲流動(dòng)引起的液體壓強(qiáng)。由于電滲流的產(chǎn)生是因?yàn)閹щ姳砻娴臄U(kuò)散層中離子的運(yùn)動(dòng)，所以電滲流只是微觀固液界面的電動(dòng)現(xiàn)象，進(jìn)而可以在微通道中產(chǎn)生微小的流量。
[0003]微泵可以將在通道兩端施加的電能轉(zhuǎn)化為通道內(nèi)液體流動(dòng)的機(jī)械能，是一種新型的流體傳動(dòng)形式，可以為微流量系統(tǒng)提供動(dòng)力。隨著微納米加工技術(shù)的發(fā)展，微納米機(jī)電系統(tǒng)(M/NEMS)為微泵的研制提供了技術(shù)與工藝基礎(chǔ)。
[0004]由于自然情況下，固體與液體相互接觸時(shí)，固體表面所形成的表面電荷密度太過微小，以至于固液界面處反離子的聚集量太少，這樣當(dāng)施加切向電壓后，形成的電滲流太小，而且不可控。對(duì)于無機(jī)電解質(zhì)溶液，當(dāng)施加切向電壓太高時(shí)還會(huì)引起溶液的電解現(xiàn)象，在溶液中會(huì)產(chǎn)生氣泡嚴(yán)重影響電滲流的控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型的目的在于提供一種電滲流泵，可產(chǎn)生可控電滲流。
[0006]為了解決以上技術(shù)問題，本實(shí)用新型通過控制微通道的壁面電勢(shì)來實(shí)現(xiàn)，具體技術(shù)方案如下:
[0007]一種電滲流泵，其特征在于:泵體包括基體和蓋板(5);基體由硅片(I)、微通道
(2)、導(dǎo)電層⑶和絕緣層⑷組成；微通道⑵設(shè)于硅片⑴表面；導(dǎo)電層⑶的一面經(jīng)蒸鍍覆蓋在所述微通道的內(nèi)表面上，導(dǎo)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(nèi)部充滿電解質(zhì)溶液；
[0008]泵體的外部設(shè)有控制電源(6)和驅(qū)動(dòng)電源；控制電源(6)的一端與導(dǎo)電層(3)相連，另一端接地，用以控制絕緣層的表面電勢(shì)，進(jìn)而調(diào)整絕緣層附近的反離子分布；驅(qū)動(dòng)電源作用于泵體兩端，為微通道中的液體提供切向電壓。
[0009]所述基體的微通道(2)數(shù)目可以為多個(gè)，各微通道的排列方式為并聯(lián)，形成微通道陣列。
[0010]所述泵體可包括多個(gè)基體，各基體之間為垂直疊加，形成微通道陣列。[0011]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(jí)。
[0012]所述的一種電滲流泵的泵體設(shè)計(jì)工藝流程，其特征在于包括以下步驟:
[0013]步驟一，將硅片(I)進(jìn)行研磨和拋光，減薄硅片的厚度和提高硅片表面的平整度；
[0014]步驟二，通過濕法刻蝕，在所述硅片(I)表面刻蝕微米級(jí)的通道，形成微通道(2);當(dāng)微通道(2)數(shù)目需要為多個(gè)時(shí)，各微通道(2)的排列方式為并聯(lián)，形成微通道陣列；
[0015]步驟三，通過磁控濺射在所述微通道內(nèi)表面蒸鍍一層導(dǎo)電層(3)，再在導(dǎo)電層上沉積一層絕緣層(4)以防止導(dǎo)電層(3)與溶液形成回路，得到基體；
[0016]步驟四，最后通過鍵合將蓋板(5)蓋在基體的微通道上絕緣層的外表面，蓋板
(5)的材料為硅材料。
[0017]所述的導(dǎo)電層(3)的材料為銅、銀或石墨中的任一種。
[0018]可將多個(gè)基體通過一層一層的堆疊以實(shí)現(xiàn)三維微通道陣列，從而增大泵的通量。
[0019]本實(shí)用新型的工作原理是:通過控制與泵體導(dǎo)電層相連的控制電源的電壓，使泵體的導(dǎo)電層處于不同的電勢(shì)狀態(tài)，進(jìn)而在導(dǎo)電層外的絕緣層產(chǎn)生可控的比自然狀態(tài)下大得多的表面電荷密度。盡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(wěn)定的雙電層結(jié)構(gòu)。接著，接通驅(qū)動(dòng)電源，為通道兩端提供驅(qū)動(dòng)電壓，使雙電層中的離子產(chǎn)生定向的流動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)通道中流體的整體運(yùn)動(dòng)。
[0020]本實(shí)用新型具有有益效果:本實(shí)用新型微通道中的流體的流速與驅(qū)動(dòng)電源和控制電源的電源均有關(guān)聯(lián)。這樣對(duì)于不同的流量和壓強(qiáng)需要，只需要設(shè)置不同的驅(qū)動(dòng)電壓和控制電壓就能得到，應(yīng)用更加廣泛，控制更加方便。當(dāng)控制電壓為正時(shí)，通道內(nèi)壁絕緣層帶正電荷，負(fù)離子充當(dāng)主要載流子，通道內(nèi)流體由負(fù)極流向正極；當(dāng)控制電壓為負(fù)時(shí)，通道內(nèi)壁絕緣體帶負(fù)電荷，正離子充當(dāng)主要載流子，通道內(nèi)流體由正極流回負(fù)極。本實(shí)用新型中，泵體上的微通道數(shù)目可根據(jù)具體工況而進(jìn)行變化，泵體上的微通道在排列方式上為并聯(lián)排列，這樣電滲流泵的總體流量與微通道的數(shù)目直接相關(guān)，故而選擇不同的微通道數(shù)目就可實(shí)現(xiàn)不同的流量需求。本實(shí)用新型組裝方便，操作模式簡單；泵體內(nèi)通道體積小，無閥門和其他機(jī)械裝置，流體的運(yùn)動(dòng)方向，流速，液體壓強(qiáng)和流量可隨控制電壓，驅(qū)動(dòng)電壓和通道數(shù)目的改變而方便控制。系統(tǒng)響應(yīng)速度快，可廣泛用于化學(xué)化工、微納米機(jī)電系統(tǒng)和生物醫(yī)療器械方面的流體驅(qū)動(dòng)泵。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖中:I硅片，2微通道，3導(dǎo)電層，4絕緣層，5蓋板，6控制電源。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一歩詳細(xì)說明。
[0024]如圖1所示，本實(shí)用新型的電滲流泵的泵體包括基體和蓋板5，硅片I內(nèi)設(shè)有微通道2，微通道內(nèi)部充滿電解質(zhì)溶液。在每個(gè)微通道的內(nèi)壁面具有一層導(dǎo)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(gè)電源，其中控制電源6與泵體導(dǎo)電層相連，為微通道的內(nèi)壁面提供可控的電勢(shì)，驅(qū)動(dòng)電源為微通道內(nèi)部的液體提供驅(qū)動(dòng)電壓。泵體的基體和蓋板5用硅等常見微納米加工材料做成，本實(shí)施例中采用是硅；導(dǎo)電層3用的是石墨，絕緣層4有的是A1203。驅(qū)動(dòng)電源所接電極采用可逆電極Ag/AgCl。
[0025]依以下工藝制備:一，將娃片進(jìn)行研磨和拋光，減薄娃片的厚度和提聞娃片表面的平整度；二，通過濕法刻蝕，在硅片表面刻蝕微米級(jí)的通道陣列；三，通過磁控濺射在微通道表面蒸鍍一層導(dǎo)電層石墨；在導(dǎo)電層上沉積一層絕緣層A1203 ;四，通過鍵合將蓋板蓋在微通道上。
[0026]在完成上述步驟后，通過將微通道所在硅片的層層堆疊，獲得可控壁面電勢(shì)電滲流泵的三維結(jié)構(gòu)。
[0027]本實(shí)用新型的具體實(shí)施使用過程如下:在泵體內(nèi)部充入NaCl溶液，并將控制電源設(shè)置為負(fù)，此時(shí)Na+離子在微通道內(nèi)部大量聚集，并在微通道內(nèi)部表面形成雙電層。然后接通驅(qū)動(dòng)電源，在微通道內(nèi)部形成平行于通道方向的有正極到負(fù)極的近似均勻的電場，Na+離子在電場的驅(qū)動(dòng)下，會(huì)沿電場的方向定向運(yùn)動(dòng)到負(fù)極方向。由于溶液中Na+離子與微通道內(nèi)壁的靜電作用，當(dāng)把控制電壓調(diào)高時(shí)，在通道壁面附近的Na+離子數(shù)目會(huì)大量增加，這樣所形成的電滲流流量更大。
【權(quán)利要求】
1.一種電滲流泵，其特征在于:泵體包括基體和蓋板(5);基體由硅片(I)、微通道⑵、導(dǎo)電層⑶和絕緣層⑷組成；微通道⑵設(shè)于硅片⑴表面；導(dǎo)電層⑶的一面經(jīng)蒸鍍覆蓋在所述微通道的內(nèi)表面上，導(dǎo)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(nèi)部充滿電解質(zhì)溶液； 泵體的外部設(shè)有控制電源(6)和驅(qū)動(dòng)電源；控制電源(6)的一端與導(dǎo)電層⑶相連，另一端接地，用以控制絕緣層的表面電勢(shì)，進(jìn)而調(diào)整絕緣層附近的反離子分布；驅(qū)動(dòng)電源作用于泵體兩端，為微通道中的液體提供切向電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的一種電滲流泵，其特征在于:所述基體的微通道(2)數(shù)目可以為多個(gè)，各微通道的排列方式為并聯(lián)，形成微通道陣列。
3.如權(quán)利要求1所述的一種電滲流泵，其特征在于:所述泵體可包括多個(gè)基體，各基體之間為垂直疊加，形成微通道陣列。
4.如權(quán)利要求1-3所述的一種電滲流泵，其特征在于: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(jí)。
【文檔編號(hào)】B01L3/00GK203610146SQ201320723960
【公開日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2013年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月18日
【發(fā)明者】陳敏, 鄭剛, 裘英華, 陳冬冬 申請(qǐng)人:鎮(zhèn)江四聯(lián)機(jī)電科技有限公司