一種限制電場型平板電流體動力微泵及其制造方法07

1、說 明 書一種限制電場型平板電流體動力微泵及其制造方法技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明涉及流體動力和微制造領(lǐng)域，特別涉及一種限制電場型平板電流體動力微泵及其制造方法。背景技術(shù) 在微電子散熱領(lǐng)域，一方面研究發(fā)現(xiàn)在微通道熱沉中對工質(zhì)進行強制對流會使散熱效果有顯著地提高1而液體工質(zhì)在微通道結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生很高的流動壓差2,3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力的工質(zhì)驅(qū)動器來作為工質(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增加,下一代電子元器件對散熱功能力的要求必將大幅增加。目前高熱流器件的散熱功率已達106W/

2、m2的量級,而下一代電子元器件的散熱將超過107 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4.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5.在微流控領(lǐng)域，自1990年瑞士Ciba-Geigy公司的

3、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)展已成為一種趨勢，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(yuǎn)影響。像芯片實驗室(labchip)、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(jì)分析化學(xué)和分析儀器研究的重要方向，并已滲

4、透到化學(xué)、化工以及生命科學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域，將引起一場劃時代的科技革命。在研究微流體器件時，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。 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(yán)重的不適應(yīng)性。 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；其中電流體動力泵的適應(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，

5、不會干擾電子元件工作。這類微泵不僅被認(rèn)是解決微電子行業(yè)中高熱流器件的冷卻問題的一個突破，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8。電流體動力泵是通過液體工質(zhì)中的離子在強電場作用下受到庫侖力而運動，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力泵的電極具有一定的厚度，在不對電極間的電場結(jié)構(gòu)進行限制時，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，然而液體工質(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

6、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，動力效果很不明顯，進而導(dǎo)致平板型電流體動力泵的性能欠佳，流量和出口壓力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工藝制作，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力性能；基于以上有必要設(shè)計一種新型微型電液動力泵，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。發(fā)明內(nèi)容 本發(fā)明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力微泵。本發(fā)明的另一目的在于，提供一

7、種限制電場型平板電流體動力微泵的制造方法。本發(fā)明的首要目的通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)：一種限制電場型平板電流體動力微泵，其特征在于，由特制的PCB電極片和頂蓋通過膠粘而成。所述特制的PCB電極片是通過絲網(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)射極和集電極，發(fā)射極與集電極平行交錯分布，相鄰較近的發(fā)射極和集電極構(gòu)成一個電極對，同一電極對的集電極與發(fā)射極之間的距離為0.1mm0.3mm，兩個電極對之間的距離為電極對中兩電極之間距離的23倍，電極厚度為20-40m，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(fù)極連接。 所述特制的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

8、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。所述特制的PCB電極片，經(jīng)過沉金工藝處理，電極表面存在一層鍍金層，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，進而提升微泵的動力性能。所述頂蓋具有凸臺結(jié)構(gòu)，凸臺高度為1mm，凸臺上有同時加工有圓角矩形的內(nèi)腔，作為微泵腔體，腔體深度為0.1mm0.5mm，頂蓋的寬度與特制的PCB極片的寬度大小一致，長度比PCB極片略短。所述頂蓋材料選用聚四氟乙烯，頂蓋上分別開有流體入口和出口。所述特制的PCB電極片與頂蓋膠粘，應(yīng)采用硅膠壓力粘合的方法。本發(fā)明的另一目的在于，提供一種限

9、制電場型平板電流體動力微泵的制造方法，包括如下步驟和工藝條件：（1）采用PCB絲網(wǎng)印刷技術(shù)，通過切板，壓膜，曝光，蝕刻和沖洗等工藝在覆銅板上刻蝕出已設(shè)計好的帶有梳齒狀電極結(jié)構(gòu)的極片；（2）采用沉金處理工藝，在銅電極結(jié)構(gòu)外生成鍍金層，鍍金層的厚度應(yīng)達到4m，以去除原始銅電極邊緣的毛刺和棱角為宜；（3）采用涂覆的方法在已加工好的極板表面涂覆一層松香油，松香油的厚度以能完全掩蓋電極為宜，約在50m以上，同時應(yīng)保證松香油層不宜過厚，否則浪費材料和加工時間；（4）待松香油涂層徹底凝固后，采用超精密磨削工藝，去除掉多余的松香油層，去除厚度應(yīng)為松香油層厚度減去電極厚度，最終以電極表面剛剛露出為宜；去除量不宜

10、過大，以防破壞電極表面鍍金層；（5）制作好的電極片采用硅膠膠粘的方式與聚四氟乙烯頂蓋結(jié)構(gòu)相連，完全固化后即可使用，因為松香油對于電場的屏蔽作用要比液體工質(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。與現(xiàn)有技術(shù)方法相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：（1）本發(fā)明一種限制電場型平板電流體動力微泵，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力泵的動力效果。（2）本發(fā)明一種限制電場型平板電流體動力微泵的制造方法，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

11、大幅降低了微泵制造的成本。（3）本發(fā)明一種限制電場型平板電流體動力微泵的制造方法，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單位空間內(nèi)的電場強度，進而提升微泵的動力性能。附圖說明圖1為一種限制電場型平板電流體動力微泵裝配示意圖。圖2為微泵頂蓋的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為特制的PCB電極片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為以一對電極對為例，特制的PCB電極板的制作工藝流程圖。圖4（a）為初始覆銅板示意圖。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。圖4（c）為采用沉金工藝后電極結(jié)構(gòu)示意圖

12、。圖4（d）為涂覆后的電極結(jié)構(gòu)示意圖。圖4（e）為超精密磨削后的電極結(jié)構(gòu)示意圖。圖5（a）為施加電壓后限制電場型電極對的電場形式。圖5（b）為施加電壓后非限制電場型電極對的電場形式。具體實施方式下面結(jié)合實施例及附圖，對本發(fā)明作進一步地詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。如圖1所示，一種限制電場型平板電流體動力微泵，由特制的PCB電極片1和頂蓋2通過硅膠壓力粘合的方式組裝到一起。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)腔作為微泵腔體4，腔體4深度為0.3mm，頂蓋2的寬度與特制的PCB電極片1的寬度大小一致，長度比特制的PCB電極片

13、1略短。頂蓋2的材料選用聚四氟乙烯，頂蓋2上分別開有流體入口5和出口6。如圖3和圖4共同所示，特制的PCB電極片1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)成一個電極對，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倍，電極厚度為30m，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(fù)極連接。 如圖4（c）所示，所有電極都經(jīng)過沉金工藝處理，電極表面存在一層鍍金層9；此外，如圖4（d）所示，在特制的PCB電極片1上，為了限制相鄰兩電極側(cè)

14、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。一種限制電場型平板電流體動力微泵及的制造方法，包括如下步驟和工藝條件：（1）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，蝕刻和沖洗等工藝在覆銅板11上刻蝕出已設(shè)計好的多條帶有梳齒狀平行交錯的發(fā)射極7和集電極8的電極片；（2）如圖4（c）所示，采用沉金處理工藝，在銅電極結(jié)構(gòu)外生成鍍金層9，鍍金層9的厚度應(yīng)達到4m，以去除原始銅電極邊緣的毛刺和棱角為宜；（3）如圖4（d）所示，采用涂覆的方法在已加工好的極板表面涂覆一層松香油10，松香油10的厚度以能完全掩蓋電極為宜，約在

15、50m以上，同時應(yīng)保證涂覆的松香油10不宜過厚，否則浪費材料和加工時間；（4）如圖4（e）所示，待松香油10徹底凝固后，采用超精密磨削工藝，去除掉多余的松香油10，去除厚度應(yīng)為松香油層厚度減去電極厚度，最終以電極表面剛剛露出為宜；去除量不宜過大，以防破壞電極表面的鍍金層9；（5）制作好的特制的PCB電極片1采用硅膠膠粘的方式與聚四氟乙烯頂蓋2結(jié)構(gòu)相連，完全固化完成后即可使用。使用限制電場型平板電流體動力微泵時，先將流體入口5與出口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。上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)

16、明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發(fā)明的精神實質(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，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。權(quán) 利 要 求 書1. 一種限制電場型平板電流體動力微泵，其特征在于由特制的PCB電極片和頂蓋通過硅膠膠粘而成。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述特制的PCB電極片，其特征在于：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)射極和集電極，發(fā)射極與集電極平行交錯分布，相鄰較近的發(fā)射極和集電極構(gòu)成一個電極對，同一電極對的集電極與發(fā)射極之間的距離為0.1mm0.3mm，兩個電極對之間的距離為電極對中兩電極之間距離的23倍，電極厚度為20-40m，

17、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(fù)極連接。 2.根據(jù)權(quán)利要求1所述特制的PCB電極片，其特征在于：經(jīng)過沉金工藝處理，電極表面存在一層4-6m厚的鍍金層。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述特制的PCB電極片，其特征在于：經(jīng)過松香油涂覆和超精密磨削工藝處理，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，使得電場線集中于電極表面附近。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的頂蓋，其特征在于：具有凸臺結(jié)構(gòu)，凸臺高度為1mm，凸臺上有同時加工有圓角矩形的內(nèi)腔，作為微泵腔體，腔體深度為0.1mm0.5mm，頂蓋的寬度與特制的PCB電極片的寬度大小一致，長度比電極片略短

18、，頂蓋上分別開有流體入口和出口，頂蓋材料選用聚四氟乙烯。5.根據(jù)權(quán)利要求1-4所述一種限制電場型平板電流體動力微泵的制造方法，其特征在于包括如下步驟：（1）采用PCB絲網(wǎng)印刷技術(shù)，通過切板，壓膜，曝光，蝕刻和沖洗等工藝在覆銅板上刻蝕出已設(shè)計好的帶有梳齒狀電極結(jié)構(gòu)的極片；（2）采用沉金處理工藝，在銅電極結(jié)構(gòu)外生成鍍金層，鍍金層的厚度應(yīng)達到4m，以去除原始銅電極邊緣的毛刺和棱角為宜；（3）采用涂覆的方法在已加工好的極板表面涂覆一層松香油，松香油的厚度以能完全掩蓋電極為宜，約在50m以上，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；（4）待松香油涂層徹底凝固后，采用超精密磨削工藝，去除掉多余

19、的松香油層，去除厚度應(yīng)為松香油層厚度減去電極厚度，最終以電極表面剛剛露出為宜；去除量不宜過大，以防破壞電極表面鍍金層；（5）制作好的電極片采用硅膠膠粘的方式與聚四氟乙烯頂蓋結(jié)構(gòu)相連，完全固化完成后即可使用。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種限制電場型平板電流體動力微泵的制造方法，其特征在于在使用限制電場型平板電流體動力微泵時，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。說 明 書 摘 要本發(fā)明公開了一種限制電場型平板電流體動力微泵及其制造方法。微泵由特制的PCB電極片和頂蓋通過硅膠膠粘而成。特制的PCB電極片是通

20、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，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。此外，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。說 明 書 附 圖625871圖125346圖2134圖3（a）（b）（c）（d）（e）91187989781097981