一种限制电场型平板电流体动力微泵及其制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种限制电场型平板电流体动力微泵及其制造方法。微泵由PCB电极片和顶盖通过硅胶胶粘而成，所述的PCB电极片是通过PCB丝网印刷，沉金，松香油涂覆，超精密磨削工艺加工制作。由于对电极对侧面产生的电场进行了限制，使得电场集中于电极表面，离子的拖拽作用都在电极表面完成，避免了电极结构对流体运动的阻挡，大幅提高电流体动力泵的动力效果。同时，采用PCB丝网印刷技术作为基础，不但提升了电流体动力泵极片的生产效率，还可大幅降低微泵制造成本，镀金层不但可以为电极提供良好的抗腐蚀能力，延长电极的使用寿命，因金具有较强电子发射能力，相比于硅电极还大幅提升了单位空间内的电场强度，进而提升微泵的动力性能。
【专利说明】一种限制电场型平板电流体动力微泵及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及流体动力和微制造领域，特别涉及一种限制电场型平板电流体动力微泵及其制造方法。
【背景技术】
[0002]在微电子散热领域，一方面研究发现在微通道热沉中对工质进行强制对流会使散热效果有显著地提高而液体工质在微通道结构会产生很高的流动压差常规的流体的驱动方法在微管道中是不可行的。这就需要一种既不增加热沉体积又能够稳定工作提供足够流体出口压力的工质驱动器来作为工质流动的动力源；而另一方面，随着电子元器件(尤其中央处理器)体积的不断缩小和功率密度不断增加，下一代电子元器件对散热功能力的要求必将大幅增加。目前高热流器件的散热功率已达
106W/m2的量级，而下一代电子元器件的散热将超过IO7 W/m2。众所周知，芯片表面的温
度和其寿命是成反比的。这些热量需要及时排出以保证芯片的温度处于所允许的范围内，现有的风冷技术是不可能满足如此高的热流密度的散热需求。通过对芯片散热的研究，研究人员发现芯片上部散热量约占总散热量的20%，从芯片底部散的热量约为80%，而风冷和传统的液体冷却技术只针对芯片上方局部散热，不能从根本上解决问题，现有的电子冷却技术无法满足电子器件所需的散热功率。大功率电子芯片的散热问题已经成为微电子行业发展的一个瓶颈，也是目前电子器件封装和应用必须解决的核心问题。
[0003]在微流控领域，自1990年瑞士 Ciba-Geigy公司的Manz等提出的以多学科交叉为重要特征的微全分析系统(micrototal analysis system, uTAS)以来,分析仪器朝着微型化的方向发展已成为一种趋势，同时也会对分析科学乃至整个科学技术的发展起着重要的推动作用和深远影响。像芯片实验室(Iabchip)、生物芯片(biochips)和微流控芯片(microfluidic chips)都属这个范畴，其中微流控芯片系统是以分析化学为基础，以微机电加工技术为依托，以微管道网络为结构特征，以生命科学为目前主要应用对象的重点发展领域。微型机械技术的出现和由此引起的分析仪器“微型化”已经成为21世纪分析化学和分析仪器研究的重要方向，并已渗透到化学、化工以及生命科学等学科领域，将引起一场划时代的科技革命。在研究微流体器件时，常常需要考虑到怎样实现流体的驱动、控制流体的流向和速度、增强流体之间的混合或者分离不同的离子等问题[6，7]。
[0004]而传统机械泵由于体积大，功耗高，噪声大，流量控制精度差等缺点无论是在微电子散热领域还是在微流控方面都表现出了严重的不适应性。
[0005]在微泵的研究方面，先后出现了微型机械泵，电热泵，磁流体泵等依靠不同原理对微流体进行驱动的方式；其中电流体动力泵的适应性表现最为突出，其具有无运动部件、运行可靠、低耗、容易制作和无需维护等优点；并且可以直接同芯片或流道集成，无需独立空间，采用直流驱动(但并非全部)，不产生附加磁场，不会干扰电子元件工作。这类微泵不仅被认是解决微电子行业中高热流器件的冷却问题的一个突破，还可以被运用在微流体冷却系统，药物输送和微机电系统等领域。
[0006]电流体动力泵是通过液体工质中的离子在强电场作用下受到库仑力而运动，从而间接带动周围的液体分子的运动，进而产生动力。然而从目前的实验研究来看，由于平板型电流体动力泵的电极具有一定的厚度，在不对电极间的电场结构进行限制时，电场线走向大部分会沿着两电极间最短距离产生，即集中在每对电极对相邻侧面之间凹处，而在电极表面产生的电场很小，然而液体工质运动的动力主要是靠电极表面的离子在电场作用下运动而形成的对液体分子的拖拽作用产生的，如果大量的电场线集中于两电极相邻的侧面之间，那么拖拽作用只在两电极侧面的凹处进行，又由于存在电极结构的阻挡，导致由离子运动而产生的对于液体的推动作用是无效的，动力效果很不明显，进而导致平板型电流体动力泵的性能欠佳，流量和出口压力相比于其他类型微泵并不具有优势；同时微泵采用硅片刻蚀工艺制作，制作成本较高，不适合高效率批量生产；而另一方面硅基电极虽然稳定性较好，但对电场的削弱作用较大，会在很大程度上影响泵的动力性能；基于以上有必要设计一种新型微型电液动力泵，保证微泵稳定性的前提下，提高泵体性能，降低微泵制造成本。
【发明内容】
[0007]本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点，提供一种限制电场型平板电流体动力微泵。
[0008]本发明的另一目的在于，提供一种限制电场型平板电流体动力微泵的制造方法。
[0009]本发明的首要目的通过如下技术方案实现:
一种限制电场型平板电流体动力微泵，包括由硅胶相粘黏的PCB电极片和顶盖，所述PCB电极片相对顶盖的一面上通过丝网印刷技术加工有梳齿状结构的发射极和集电极，所述发射极与集电极平行交错分布，相邻的发射极7和集电极构成一个电极对，同一电极对的集电极与发射极之间的距离为0.1mnT0.3mm，两个电极对之间的距离为电极对中两电极之间距离的2?3倍，发射极和集电极的厚度为20-40 μ m，所有发射极末端与直流电源正极连接，所有集电极末端与直流电源负极连接；
所述顶盖相对PCB电极片的一面突出地设置有凸台3，所述凸台的中间设置有圆角矩形的腔体，所述顶盖上还分别贯穿地设置有直达所述腔体的流体入口及流体出口。
[0010]进一步地，所述发射极和集电极的表面设置有镀金层，这不但为电极提供良好的抗腐蚀能力，延长电极的使用寿命，相比于常规的硅电极还大幅提升了电极对内部的电场强度，进而提升微泵的动力性能。
[0011]进一步地，所述镀金层的厚度为4-6 μ m。
[0012]进一步地，所述发射极和集电极侧面的镀金层之间还涂覆有松香油。
[0013]进一步地，所述凸台高度为1mm。
[0014]进一步地，所述腔体的深度为0.lmnT0.5mm。
[0015]进一步地，所述顶盖的宽度与PCB电极片的宽度相同，长度比PCB电极片短。
[0016]进一步地，所述顶盖材料为聚四氟乙烯。
[0017]所述的PCB电极片，只有电极上表面裸露在外，在电极侧面之间均填有松香油，限制了相邻两电极侧面间的电场强度，使得电场集中于电极表面区域。
[0018]在使用限制电场型平板电流体动力微泵时，应先将流体入口与出口分别与外部流体循环系统连接，让流体充满整个微泵腔室，然后接通直流电源，利用电液动力效应驱使流体流动，产生泵送效果。
[0019]本发明的另一目的在于，提供一种限制电场型平板电流体动力微泵的制造方法，包括步骤:
(I)采用PCB丝网印刷技术，通过切板，压膜，曝光，蚀刻和冲洗工艺在覆铜板上刻蚀出带有梳齿状发射极和集电极结构的PCB电极片；
(2 )采用沉金处理工艺，在发射极和集电极的表面生成镀金层，所述镀金层的厚度应达到4 μ m，并去除原始铜电极边缘的毛刺和棱角；
(3)采用涂覆的方法在已加工好的PCB电极片表面涂覆一层松香油，松香油的厚度以能完全掩盖电极为宜，厚度为50 μ m-70 μ m,同时应保证松香油层不宜过后，否则浪费材料和加工时间；
(4)待松香油涂层彻底凝固后，采用超精密磨削工艺，去除掉PCB电极片I表面的松香油，使得发射极和集电极表面的镀金层从松香油中露出，使得发射极和集电极最终以电极表面刚刚露出为宜；去除量不宜过大，以防破坏电极表面镀金层；
(5)将制作好的PCB电极片采用硅胶胶粘的方式与聚四氟乙烯顶盖结构相连，完全固化完成后即可使用，因为松香油对于电场的屏蔽作用要比液体工质大得多，电场大多集中于电极表面区域，进而对液体产生有效的推动作用。
[0020]与现有技术方法相比，本发明具有以下优点:
(I)本发明一种限制电场型平板电流体动力微泵，由于对电极对侧面产生的电场进行了限制，使得电场集中于电极表面区域，离子的拖拽作用都在电极表面完成，由于避免了电极结构对流体运动的阻挡，将大幅提高电流体动力泵的动力效果。
[0021](2)本发明一种限制电场型平板电流体动力微泵的制造方法，以PCB丝网印刷技术作为基础，不但提升了微泵电极片的生产效率，同时还可大幅降低了微泵制造的成本。
[0022](3)本发明一种限制电场型平板电流体动力微泵的制造方法，采用沉金工艺对铜电极进行表面处理，生成的镀金层不但可以为电极提供良好的抗腐蚀能力，延长电极的使用寿命，同时由于金具有较强的电子发射能力，相比于硅电极大幅提升了单位空间内的电场强度，进而提升微泵的动力性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为一种限制电场型平板电流体动力微泵装配示意图。
[0024]图2为微泵顶盖的结构示意图。
[0025]图3为特制的PCB电极片的结构示意图。
[0026]图4为以一对电极对为例，特制的PCB电极板的制作工艺流程图。
[0027]图4 (a)为初始覆铜板示意图。
[0028]图4 (b)为采用PCB丝网印刷技术后，蚀刻出电极结构示意图。
[0029]图4 (C)为采用沉金工艺后电极结构示意图。
[0030]图4 (d)为涂覆后的电极结构示意图。
[0031]图4 (e)为超精密磨削后的电极结构示意图。
[0032]图5 (a)为施加电压后限制电场型电极对的电场形式。[0033]图5 (b)为施加电压后非限制电场型电极对的电场形式。
[0034]图中所示为=1-PCB电极片；2-顶盖；3-凸台；4_腔体；5_流体入口 ；6_流体出口 ；7-发射极；8_集电极；9_镀金层；10_松香油；11_覆铜板。
【具体实施方式】
[0035]下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0036]实施例1
如图1所示，1.一种限制电场型平板电流体动力微泵，包括由硅胶相粘黏的PCB电极片I和顶盖2，所述PCB电极片I相对顶盖2的一面上通过丝网印刷技术加工有梳齿状结构的发射极7和集电极8，所述发射极7与集电极8平行交错分布，相邻的发射极7和集电极8构成一个电极对，同一电极对的集电极7与发射极8之间的距离为0.lmnT0.3mm,两个电极对之间的距离为电极对中两电极之间距离的2~3倍，发射极7和集电极8的厚度为20-40 μ m，所有发射极8末端与直流电源正极连接，所有集电极末端与直流电源负极连接所述顶盖2相对PCB电极片I的一面突出地设置有凸台3，所述凸台3的中间设置有圆角矩形的腔体4，所述顶盖2上还分别贯穿地设置有直达所述腔体4的流体入口 5及流体出口 6。
[0037]如图2所示，顶盖2具有凸台3结构，凸台3高度为1mm，为涂胶预留空间。凸台3上有同时加工有圆角矩形的内腔作为腔体4，腔体4深度为0.3mm，顶盖2的宽度与特制的PCB电极片I的宽度大小一致，长度比特制的PCB电极片I略短。顶盖2的材料选用聚四氟乙烯，顶盖2上分别开有流体入口 5和流体出口 6。
[0038]如图3和图4共同所示，所述的PCB电极片I是通过丝网印刷技术加工而成，其上加工有梳齿状结构的发射极7和集电极8，发射极7与集电极8平行交错分布，相邻较近的发射极7和集电极8构成一个电极对，同一电极对的发射极7与集电极8之间的距离为
0.1mm，两个电极对之间的距离为电极对中两电极之间距离的2或3倍，电极厚度为30 μ m,所有发射极7末端与直流电源正极连接，所有集电极8末端与直流电源负极连接。
[0039]如图4 (c)所示，所有电极都经过沉金工艺处理，电极表面存在一层镀金层9 ;此外，如图4 (d)所示，在特制的PCB电极片I上，为了限制相邻两电极侧面间的电场强度，确保电场集中于电极表面附近，所有电极只有电极上表面裸露在外，在电极侧面之间均填有松香油10。
[0040]实施例2
一种限制电场型平板电流体动力微泵的制造方法，包括步骤:
(I)如图4 (b)所示，采用PCB丝网印刷技术，通过切板，压膜，曝光，蚀刻和冲洗工艺在覆铜板上刻蚀出带有梳齿状发射极7和集电极8结构的PCB电极片I ;
(2 )如图4 (c )所示，采用沉金处理工艺，在发射极7和集电极8的表面生成镀金层9，所述镀金层9的厚度应达到4 μ m，并去除原始铜电极边缘的毛刺和棱角；
(3)如图4 (d)所示，采用涂覆的方法在已加工好的PCB电极片I表面涂覆一层松香油10，松香油10的厚度以能完全掩盖电极为宜，厚度为50μπ-70μπι，同时应保证松香油层不宜过后,否则浪费材料和加工时间； (4)如图4(e)所示，待松香油10涂层彻底凝固后，采用超精密磨削工艺，去除掉PCB电极片I表面的松香油10，使得发射极7和集电极8表面的镀金层9从松香油10中露出，使得发射极7和集电极8最终以电极表面刚刚露出为宜；去除量不宜过大，以防破坏电极表面锻金层；
(5)将制作好的PCB电极片I采用硅胶胶粘的方式与聚四氟乙烯顶盖结构相连，完全固化完成后即可使用，因为松香油对于电场的屏蔽作用要比液体工质大得多，电场大多集中于电极表面区域，进而对液体产生有效的推动作用。
[0041]使用限制电场型平板电流体动力微泵时，先将流体入口 5与流体出口 6分别与外部流体循环系统连接，让流体充满整个微泵腔室，然后接通直流电源，利用电液动力效应驱使流体流动，达到产生泵送效应的目的。
[0042]上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种限制电场型平板电流体动力微泵，包括由硅胶相粘黏的PCB电极片(I)和顶盖(2)，其特征在于:所述PCB电极片(I)相对顶盖(2)的一面上通过丝网印刷技术加工有梳齿状结构的发射极(7)和集电极(8)，所述发射极(7)与集电极(8)平行交错分布，相邻的发射极(7)和集电极⑶构成一个电极对，同一电极对的集电极⑶与发射极⑴之间的距离为.0.1mM-0.3mm，两个电极对之间的距离为电极对中两电极之间距离的2~3倍，发射极(7)和集电极(8)的厚度为20-40 μ m，所有发射极(7)末端与直流电源正极连接，所有集电极(8)末端与直流电源负极连接； 所述顶盖(2)相对PCB电极片(I)的一面突出地设置有凸台(3)，所述凸台(3)的中间设置有圆角矩形的腔体(4)，所述顶盖(2)上还分别贯穿地设置有直达所述腔体(4)的流体入口(5)及流体出口(6)。
2.根据权利要求1所述的限制电场型平板电流体动力微泵，其特征在于:经过沉金工艺处理，所述发射极(7)和集电极(8)的表面设置有镀金层(9)。
3.根据权利要求2所述的限制电场型平板电流体动力微泵，其特征在于:所述镀金层(9)的厚度为4-6μ m。
4.根据权利要求2所述的限制电场型平板电流体动力微泵，其特征在于:所述发射极(7)和集电极⑶侧面的镀金层(9)之间还涂覆有松香油(10)。
5.根据权利要求1所述的限制电场型平板电流体动力微泵，其特征在于:所述凸台(3)高度为1mm。
6.根据权利要求1所述的限制电场型平板电流体动力微泵，其特征在于:所述腔体(4)的深度为0.5mm。
7.根据权利要求1所述的限制电场型平板电流体动力微泵，其特征在于:所述顶盖2的宽度与PCB电极片⑴的宽度相同，长度比PCB电极片⑴短。
8.根据权利要求1所述的限制电场型平板电流体动力微泵，其特征在于:所述顶盖(2)材料为聚四氟乙烯。
9.根据权利要求1-8任一项所述的限制电场型平板电流体动力微泵的制造方法，其特征在于，包括步骤: (1)采用PCB丝网印刷技术，通过切板，压膜，曝光，蚀刻和冲洗工艺在覆铜板上刻蚀出带有梳齿状发射极(7)和集电极⑶结构的PCB电极片⑴； (2)采用沉金处理工艺，在发射极(7)和集电极(8)的表面生成镀金层(9)，所述镀金层(9)的厚度应达到4 μ m，并去除原始铜电极边缘的毛刺和棱角；(3)采用涂覆的方法在已加工好的PCB电极片(I)表面涂覆一层松香油(10)，松香油(10)的厚度以能完全掩盖电极为宜，厚度为50μ M-70 μ m ； (4)待松香油10涂层彻底凝固后，采用超精密磨削工艺，去除掉PCB电极片(I)表面的松香油(10)，使得发射极(7)和集电极(8)表面的镀金层(9)从松香油(10)中露出； (5)将制作好的PCB电极片(I)采用硅胶胶粘的方式与聚四氟乙烯顶盖结构相连，完全固化完成后即可使用。
【文档编号】H02K44/04GK103490585SQ201310439362
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月25日 优先权日:2013年9月25日
【发明者】周波, 万珍平, 张华杰, 李耀超 申请人:华南理工大学