一種限制電場型平板電流體動力微泵的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種限制電場型平板電流體動力微泵，微泵由PCB電極片和頂蓋通過硅膠膠粘而成，所述的PCB電極片是通過PCB絲網(wǎng)印刷，沉金，松香油涂覆，超精密磨削工藝加工制作。由于對電極對側(cè)面產(chǎn)生的電場進行了限制，使得電場集中于電極表面，離子的拖拽作用都在電極表面完成，避免了電極結(jié)構(gòu)對流體運動的阻擋，大幅提高電流體動力泵的動力效果。同時，采用PCB絲網(wǎng)印刷技術(shù)作為基礎(chǔ)，不但提升了電流體動力泵極片的生產(chǎn)效率，還可大幅降低微泵制造成本，鍍金層不但可以為電極提供良好的抗腐蝕能力，延長電極的使用壽命，因金具有較強電子發(fā)射能力，相比于硅電極還大幅提升了單位空間內(nèi)的電場強度，進而提升微泵的動力性能。
【專利說明】—種限制電場型平板電流體動カ微泵
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及流體動カ和微制造領(lǐng)域，特別涉及一種限制電場型平板電流體動カ微泵法。
【背景技術(shù)】
[0002]在微電子散熱領(lǐng)域，一方面研究發(fā)現(xiàn)在微通道熱沉中對エ質(zhì)進行強制對流會使散熱效果有顯著地提高而液體エ質(zhì)在微通道結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生很高的流動壓差常規(guī)的流體的驅(qū)動方法在微管道中是不可行的。這就需要一種既不增加熱沉體積又能夠穩(wěn)定工作提供足夠流體出口壓カ的エ質(zhì)驅(qū)動器來作為エ質(zhì)流動的動力源；而另一方面，隨著電子元器件(尤其中央處理器)體積的不斷縮小和功率密度不斷増加，下一代電子元器件對散熱功能力的要求必將大幅増加。目前高熱流器件的散熱功率已達
le6W/m2的量級，而下一代電子元器件的散熱將超過if W/m2。眾所周知，芯片表面的溫
度和其壽命是成反比的。這些熱量需要及時排出以保證芯片的溫度處于所允許的范圍內(nèi)，現(xiàn)有的風(fēng)冷技術(shù)是不可能滿足如此高的熱流密度的散熱需求。通過對芯片散熱的研究，研究人員發(fā)現(xiàn)芯片上部散熱量約占總散熱量的20%，從芯片底部散的熱量約為80%，而風(fēng)冷和傳統(tǒng)的液體冷卻技術(shù)只針對芯片上方局部散熱，不能從根本上解決問題，現(xiàn)有的電子冷卻技術(shù)無法滿足電子器件所需的散熱功率。大功率電子芯片的散熱問題已經(jīng)成為微電子行業(yè)發(fā)展的一個瓶頸，也是目前電子器件封裝和應(yīng)用必須解決的核心問題。
[0003]在微流控領(lǐng)域，自1990年瑞士 Ciba-Geigy公司的Manz等提出的以多學(xué)科交叉為重要特征的微全分析系統(tǒng)(micrototal analysis system, uTAS)以來,分析儀器朝著微型化的方向發(fā)展已成為ー種趨勢，同時也會對分析科學(xué)乃至整個科學(xué)技術(shù)的發(fā)展起著重要的推動作用和深遠影響。像芯片實驗室(Iabchip)、生物芯片(biochips)和微流控芯片(microfluidic chips)都屬這個范疇，其中微流控芯片系統(tǒng)是以分析化學(xué)為基礎(chǔ)，以微機電加工技術(shù)為依托，以微管道網(wǎng)絡(luò)為結(jié)構(gòu)特征，以生命科學(xué)為目前主要應(yīng)用對象的重點發(fā)展領(lǐng)域。微型機械技術(shù)的出現(xiàn)和由此引起的分析儀器“微型化”已經(jīng)成為21世紀分析化學(xué)和分析儀器研究的重要方向，并已滲透到化學(xué)、化工以及生命科學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域，將引起ー場劃時代的科技革命。在研究微流體器件吋，常常需要考慮到怎樣實現(xiàn)流體的驅(qū)動、控制流體的流向和速度、增強流體之間的混合或者分離不同的離子等問題[6，7]。
[0004]而傳統(tǒng)機械泵由于體積大，功耗高，噪聲大，流量控制精度差等缺點無論是在微電子散熱領(lǐng)域還是在微流控方面都表現(xiàn)出了嚴重的不適應(yīng)性。
[0005]在微泵的研究方面，先后出現(xiàn)了微型機械泵，電熱泵，磁流體泵等依靠不同原理對微流體進行驅(qū)動的方式；其中電流體動カ泵的適應(yīng)性表現(xiàn)最為突出，其具有無運動部件、運行可靠、低耗、容易制作和無需維護等優(yōu)點；并且可以直接同芯片或流道集成，無需獨立空間，采用直流驅(qū)動(但并非全部)，不產(chǎn)生附加磁場，不會干擾電子元件工作。這類微泵不僅被認是解決微電子行業(yè)中高熱流器件的冷卻問題的ー個突破，還可以被運用在微流體冷卻系統(tǒng)，藥物輸送和微機電系統(tǒng)等領(lǐng)域。
[0006]電流體動カ泵是通過液體エ質(zhì)中的離子在強電場作用下受到庫侖カ而運動，從而間接帶動周圍的液體分子的運動，進而產(chǎn)生動力。然而從目前的實驗研究來看，由于平板型電流體動カ泵的電極具有一定的厚度，在不對電極間的電場結(jié)構(gòu)進行限制吋，電場線走向大部分會沿著兩電極間最短距離產(chǎn)生，即集中在每對電極對相鄰側(cè)面之間凹處，而在電極表面產(chǎn)生的電場很小，然而液體エ質(zhì)運動的動力主要是靠電極表面的離子在電場作用下運動而形成的對液體分子的拖拽作用產(chǎn)生的，如果大量的電場線集中于兩電極相鄰的側(cè)面之間，那么拖拽作用只在兩電極側(cè)面的凹處進行，又由于存在電極結(jié)構(gòu)的阻擋，導(dǎo)致由離子運動而產(chǎn)生的對于液體的推動作用是無效的，動カ效果很不明顯，進而導(dǎo)致平板型電流體動カ泵的性能欠佳，流量和出口壓カ相比于其他類型微泵并不具有優(yōu)勢；同時微泵采用硅片刻蝕エ藝制作，制作成本較高，不適合高效率批量生產(chǎn)；而另一方面硅基電極雖然穩(wěn)定性較好，但對電場的削弱作用較大，會在很大程度上影響泵的動カ性能；基于以上有必要設(shè)計ー種新型微型電液動カ泵，保證微泵穩(wěn)定性的前提下，提高泵體性能，降低微泵制造成本。
實用新型內(nèi)容
[0007]本實用新型的首要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種限制電場型平板電流體動カ微泵。
[0008]本實用新型的另ー目的在于，提供一種限制電場型平板電流體動カ微泵的制造方法。
[0009]本實用新型的首要目的通過如下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0010]一種限制電場型平板電流體動カ微泵，包括由硅膠相粘黏的PCB電極片和頂蓋，所述PCB電極片相對頂蓋的一面上通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)加工有梳齒狀結(jié)構(gòu)的發(fā)射極和集電極，所述發(fā)射極與集電極平行交錯分布，相鄰的發(fā)射極7和集電極構(gòu)成ー個電極對，同一電極對的集電極與發(fā)射極之間的距離為0.1mnT0.3mm，兩個電極對之間的距離為電極對中兩電極之間距離的2?3倍，發(fā)射極和集電極的厚度為20-40 ym，所有發(fā)射極末端與直流電源正極連接，所有集電極末端與直流電源負極連接；
[0011]所述頂蓋相對PCB電極片的一面突出地設(shè)置有凸臺3，所述凸臺的中間設(shè)置有圓角矩形的腔體，所述頂蓋上還分別貫穿地設(shè)置有直達所述腔體的流體入口及流體出口。
[0012]進ー步地，所述發(fā)射極和集電極的表面設(shè)置有鍍金層，這不但為電極提供良好的抗腐蝕能力，延長電極的使用壽命，相比于常規(guī)的硅電極還大幅提升了電極對內(nèi)部的電場強度，進而提升微泵的動カ性能。
[0013]進ー步地，所述鍍金層的厚度為4-6 U m。
[0014]進ー步地，所述發(fā)射極和集電極側(cè)面的鍍金層之間還涂覆有松香油。
[0015]進ー步地，所述凸臺高度為1mm。
[0016]進ー步地，所述腔體的深度為0.lmnT0.5mm。
[0017]進ー步地，所述頂蓋的寬度與PCB電極片的寬度相同，長度比PCB電極片短。
[0018]進ー步地，所述頂蓋材料為聚四氟こ烯。
[0019]所述的PCB電極片，只有電極上表面裸露在外，在電極側(cè)面之間均填有松香油，限制了相鄰兩電極側(cè)面間的電場強度，使得電場集中于電極表面區(qū)域。[0020]在使用限制電場型平板電流體動カ微泵時，應(yīng)先將流體入口與出口分別與外部流體循環(huán)系統(tǒng)連接，讓流體充滿整個微泵腔室，然后接通直流電源，利用電液動力效應(yīng)驅(qū)使流體流動，產(chǎn)生泵送效果。
[0021]本實用新型的另一目的在于，提供一種限制電場型平板電流體動カ微泵的制造方法，包括步驟:
[0022]( I)采用PCB絲網(wǎng)印刷技木，通過切板，壓膜，曝光，蝕刻和沖洗エ藝在覆銅板上刻蝕出帶有梳齒狀發(fā)射極和集電極結(jié)構(gòu)的PCB電極片；
[0023]( 2 )采用沉金處理工藝，在發(fā)射極和集電極的表面生成鍍金層，所述鍍金層的厚度應(yīng)達到4 ii m，并去除原始銅電極邊緣的毛刺和棱角；
[0024](3)采用涂覆的方法在已加工好的PCB電極片表面涂覆ー層松香油，松香油的厚度以能完全掩蓋電極為宜，厚度為50 u nT70 u m,同時應(yīng)保證松香油層不宜過后，否則浪費材料和加工時間；
[0025](4)待松香油涂層徹底凝固后，采用超精密磨削エ藝，去除掉PCB電極片I表面的松香油，使得發(fā)射極和集電極表面的鍍金層從松香油中露出，使得發(fā)射極和集電極最終以電極表面剛剛露出為宜；去除量不宣過大，以防破壞電極表面鍍金層；
[0026](5)將制作好的PCB電極片采用硅膠膠粘的方式與聚四氟こ烯頂蓋結(jié)構(gòu)相連，完全固化完成后即可使用，因為松香油對于電場的屏蔽作用要比液體エ質(zhì)大得多，電場大多集中于電極表面區(qū)域，進而對液體產(chǎn)生有效的推動作用。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)方法相比，本實用新型具有以下優(yōu)點:
[0028](I)本實用新型一種限制電場型平板電流體動カ微泵，由于對電極對側(cè)面產(chǎn)生的電場進行了限制，使得電場集中于電極表面區(qū)域，離子的拖拽作用都在電極表面完成，由于避免了電極結(jié)構(gòu)對流體運動的阻擋，將大幅提高電流體動カ泵的動カ效果。
[0029](2)本實用新型一種限制電場型平板電流體動カ微泵的制造方法，以PCB絲網(wǎng)印刷技術(shù)作為基礎(chǔ)，不但提升了微泵電極片的生產(chǎn)效率，同時還可大幅降低了微泵制造的成本。
[0030](3)本實用新型一種限制電場型平板電流體動カ微泵的制造方法，采用沉金工藝對銅電極進行表面處理，生成的鍍金層不但可以為電極提供良好的抗腐蝕能力，延長電極的使用壽命，同時由于金具有較強的電子發(fā)射能力，相比于硅電極大幅提升了単位空間內(nèi)的電場強度，進而提升微泵的動カ性能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031]圖1為ー種限制電場型平板電流體動カ微泵裝配示意圖。
[0032]圖2為微泵頂蓋的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖3為特制的PCB電極片的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034]圖4為以ー對電極對為例，特制的PCB電極板的制作エ藝流程圖。
[0035]圖4 (a)為初始覆銅板示意圖。
[0036]圖4 (b)為采用PCB絲網(wǎng)印刷技術(shù)后，蝕刻出電極結(jié)構(gòu)示意圖。
[0037]圖4 (C)為采用沉金工藝后電極結(jié)構(gòu)示意圖。
[0038]圖4 (d)為涂覆后的電極結(jié)構(gòu)示意圖。[0039]圖4 (e)為超精密磨削后的電極結(jié)構(gòu)示意圖。
[0040]圖5 Ca)為施加電壓后限制電場型電極對的電場形式。
[0041]圖5 (b)為施加電壓后非限制電場型電極對的電場形式。
[0042]圖中所示為:1-PCB電極片；2-頂蓋；3-凸臺；4_腔體；5_流體入口 ；6_流體出口 ；7-發(fā)射極；8_集電極；9_鍍金層；10_松香油；11_覆銅板。
【具體實施方式】
[0043]下面結(jié)合實施例及附圖，對本實用新型作進ー步地詳細說明，但本實用新型的實施方式不限于此。
[0044]實施例1
[0045]如圖1所示，1.一種限制電場型平板電流體動カ微泵，包括由硅膠相粘黏的PCB電極片I和頂蓋2，所述PCB電極片I相對頂蓋2的一面上通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)加工有梳齒狀結(jié)構(gòu)的發(fā)射極7和集電極8，所述發(fā)射極7與集電極8平行交錯分布，相鄰的發(fā)射極7和集電極8構(gòu)成ー個電極對，同一電極對的集電極7與發(fā)射極8之間的距離為0.lmnT0.3mm,兩個電極對之間的距離為電極對中兩電極之間距離的2?3倍，發(fā)射極7和集電極8的厚度為20-40 y m，所有發(fā)射極8末端與直流電源正極連接，所有集電極末端與直流電源負極連接
[0046]所述頂蓋2相對PCB電極片I的一面突出地設(shè)置有凸臺3，所述凸臺3的中間設(shè)置有圓角矩形的腔體4，所述頂蓋2上還分別貫穿地設(shè)置有直達所述腔體4的流體入口 5及流體出口 6。
[0047]如圖2所示，頂蓋2具有凸臺3結(jié)構(gòu)，凸臺3高度為1mm，為涂膠預(yù)留空間。凸臺3上有同時加工有圓角矩形的內(nèi)腔作為腔體4，腔體4深度為0.3mm，頂蓋2的寬度與特制的PCB電極片I的寬度大小一致，長度比特制的PCB電極片I略短。頂蓋2的材料選用聚四氟こ烯，頂蓋2上分別開有流體入口 5和流體出ロ 6。
[0048]如圖3和圖4共同所示，所述的PCB電極片I是通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)加工而成，其上加工有梳齒狀結(jié)構(gòu)的發(fā)射極7和集電極8，發(fā)射極7與集電極8平行交錯分布，相鄰較近的發(fā)射極7和集電極8構(gòu)成ー個電極對，同一電極對的發(fā)射極7與集電極8之間的距離為
0.1mm，兩個電極對之間的距離為電極對中兩電極之間距離的2或3倍，電極厚度為30 y m，所有發(fā)射極7末端與直流電源正極連接，所有集電極8末端與直流電源負極連接。
[0049]如圖4 (c)所示，所有電極都經(jīng)過沉金工藝處理，電極表面存在ー層鍍金層9 ;此夕卜，如圖4 (d)所示，在特制的PCB電極片I上，為了限制相鄰兩電極側(cè)面間的電場強度，確保電場集中于電極表面附近，所有電極只有電極上表面裸露在外，在電極側(cè)面之間均填有松香油10。
[0050]實施例2
[0051]一種限制電場型平板電流體動カ微泵的制造方法，包括步驟:
[0052](I)如圖4 (b)所示，采用PCB絲網(wǎng)印刷技術(shù)，通過切板，壓膜，曝光，蝕刻和沖洗エ藝在覆銅板上刻蝕出帶有梳齒狀發(fā)射極7和集電極8結(jié)構(gòu)的PCB電極片I ;
[0053](2)如圖4 (C)所示，采用沉金處理工藝，在發(fā)射極7和集電極8的表面生成鍍金層9，所述鍍金層9的厚度應(yīng)達到4 u m,并去除原始銅電極邊緣的毛刺和棱角；[0054](3)如圖4 (d)所示，采用涂覆的方法在已加工好的PCB電極片I表面涂覆ー層松香油10，松香油10的厚度以能完全掩蓋電極為宜，厚度為50 u nT70 u m,同時應(yīng)保證松香油層不宜過后，否則浪費材料和加工時間；
[0055](4)如圖4 (e)所示，待松香油10涂層徹底凝固后，采用超精密磨削エ藝，去除掉PCB電極片I表面的松香油10，使得發(fā)射極7和集電極8表面的鍍金層9從松香油10中露出，使得發(fā)射極7和集電極8最終以電極表面剛剛露出為宜；去除量不宣過大，以防破壞電極表面鍍金層；
[0056](5)將制作好的PCB電極片I采用硅膠膠粘的方式與聚四氟こ烯頂蓋結(jié)構(gòu)相連，完全固化完成后即可使用，因為松香油對于電場的屏蔽作用要比液體エ質(zhì)大得多，電場大多集中于電極表面區(qū)域，進而對液體產(chǎn)生有效的推動作用。
[0057]使用限制電場型平板電流體動カ微泵時，先將流體入口 5與流體出ロ 6分別與外部流體循環(huán)系統(tǒng)連接，讓流體充滿整個微泵腔室，然后接通直流電源，利用電液動力效應(yīng)驅(qū)使流體流動，達到產(chǎn)生泵送效應(yīng)的目的。
[0058]上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種限制電場型平板電流體動カ微泵，包括由硅膠相粘黏的PCB電極片(I)和頂蓋(2)，其特征在干: 所述PCB電極片(I)相對頂蓋(2)的一面上通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)加工有梳齒狀結(jié)構(gòu)的發(fā)射極(7)和集電極(8)，所述發(fā)射極(7)與集電極(8)平行交錯分布，相鄰的發(fā)射極(7)和集電極⑶構(gòu)成ー個電極對，同一電極對的集電極⑶與發(fā)射極⑴之間的距離為0.1mnT0.3mm，兩個電極對之間的距離為電極對中兩電極之間距離的2?3倍，發(fā)射極(7)和集電極(8)的厚度為20-40 iim，所有發(fā)射極(7)末端與直流電源正極連接，所有集電極(8)末端與直流電源負極連接； 所述頂蓋(2)相對PCB電極片(I)的一面突出地設(shè)置有凸臺(3)，所述凸臺(3)的中間設(shè)置有圓角矩形的腔體(4)，所述頂蓋(2)上還分別貫穿地設(shè)置有直達所述腔體(4)的流體入口(5)及流體出口(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的限制電場型平板電流體動カ微泵，其特征在于:經(jīng)過沉金工藝處理，所述發(fā)射極(7)和集電極(8)的表面設(shè)置有鍍金層(9)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的限制電場型平板電流體動カ微泵，其特征在于:所述鍍金層(9)的厚度為4-6 u m。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的限制電場型平板電流體動カ微泵，其特征在于:所述發(fā)射極(7)和集電極⑶側(cè)面的鍍金層(9)之間還涂覆有松香油(10)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的限制電場型平板電流體動カ微泵，其特征在于:所述凸臺(3)高度為1mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的限制電場型平板電流體動カ微泵，其特征在于:所述腔體(4)的深度為0.1mm?0.5mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的限制電場型平板電流體動カ微泵，其特征在于:所述頂蓋(2)的寬度與PCB電極片⑴的寬度相同，長度比PCB電極片⑴短。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的限制電場型平板電流體動カ微泵，其特征在于:所述頂蓋(2)材料為聚四氟こ烯。
【文檔編號】H02K44/04GK203457024SQ201320591601
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月25日
【發(fā)明者】周波, 萬珍平, 張華杰, 李耀超 申請人:華南理工大學(xué)