一種限制電場(chǎng)型平板電流體動(dòng)力微泵及其制造方法07

1、說(shuō) 明 書(shū)一種限制電場(chǎng)型平板電流體動(dòng)力微泵及其制造方法技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明涉及流體動(dòng)力和微制造領(lǐng)域，特別涉及一種限制電場(chǎng)型平板電流體動(dòng)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(duì)工質(zhì)進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流會(huì)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(huì)產(chǎn)生很高的流動(dòng)壓差2,3常規(guī)的流體的驅(qū)動(dòng)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(dòng)器來(lái)作為工質(zhì)流動(dòng)的動(dòng)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(duì)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(dá)106W/

2、m2的量級(jí),而下一代電子元器件的散熱將超過(guò)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(shí)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(guò)對(duì)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(duì)芯片上方局部散熱,不能從根本上解決問(wèn)題，現(xiàn)有的電子冷卻技術(shù)無(wú)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(wèn)題已經(jīng)成為微電子行業(yè)發(fā)展的一個(gè)瓶頸,也是目前電子器件封裝和應(yīng)用必須解決的核心問(wèn)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(lái)，分析儀器朝著微型化的方向發(fā)展已成為一種趨勢(shì)，同時(shí)也會(huì)對(duì)分析科學(xué)乃至整個(gè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展起著重要的推動(dòng)作用和深遠(yuǎn)影響。像芯片實(shí)驗(yàn)室(labchip)、生物芯片(biochips)和微流控芯片(microfluidic chips)都屬這個(gè)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(jī)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(duì)象的重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。微型機(jī)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(chǎng)劃時(shí)代的科技革命。在研究微流體器件時(shí)，常常需要考慮到怎樣實(shí)現(xiàn)流體的驅(qū)動(dòng)、控制流體的流向和速度、增強(qiáng)流體之間的混合或者分離不同的離子等問(wèn)題6,7。 而傳統(tǒng)機(jī)械泵由于體積大，功耗高，噪聲大，流量控制精度差等缺點(diǎn)無(wú)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(jī)械泵，電熱泵，磁流體泵等依靠不同原理對(duì)微流體進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的方式；其中電流體動(dòng)力泵的適應(yīng)性表現(xiàn)最為突出，其具有無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、運(yùn)行可靠、低耗、容易制作和無(wú)需維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)；并且可以直接同芯片或流道集成，無(wú)需獨(dú)立空間，采用直流驅(qū)動(dòng)（但并非全部），不產(chǎn)生附加磁場(chǎng)，

5、不會(huì)干擾電子元件工作。這類(lèi)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(wèn)題的一個(gè)突破，還可以被運(yùn)用在微流體冷卻系統(tǒng),藥物輸送和微機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域8。電流體動(dòng)力泵是通過(guò)液體工質(zhì)中的離子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下受到庫(kù)侖力而運(yùn)動(dòng)，從而間接帶動(dòng)周?chē)囊后w分子的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生動(dòng)力。然而從目前的實(shí)驗(yàn)研究來(lái)看，由于平板型電流體動(dòng)力泵的電極具有一定的厚度，在不對(duì)電極間的電場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行限制時(shí)，電場(chǎng)線走向大部分會(huì)沿著兩電極間最短距離產(chǎn)生，即集中在每對(duì)電極對(duì)相鄰側(cè)面之間凹處，而在電極表面產(chǎn)生的電場(chǎng)很小，然而液體工質(zhì)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力主要是靠電極表面的離子在電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)而形成的對(duì)液體分子的拖拽作用產(chǎn)生的，如果大量的電場(chǎng)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(jìn)行，又由于存在電極結(jié)構(gòu)的阻擋，導(dǎo)致由離子運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的對(duì)于液體的推動(dòng)作用是無(wú)效的，動(dòng)力效果很不明顯，進(jìn)而導(dǎo)致平板型電流體動(dòng)力泵的性能欠佳，流量和出口壓力相比于其他類(lèi)型微泵并不具有優(yōu)勢(shì)；同時(shí)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(duì)電場(chǎng)的削弱作用較大，會(huì)在很大程度上影響泵的動(dòng)力性能；基于以上有必要設(shè)計(jì)一種新型微型電液動(dòng)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(diǎn)，提供一種限制電場(chǎng)型平板電流體動(dòng)力微泵。本發(fā)明的另一目的在于，提供一

7、種限制電場(chǎng)型平板電流體動(dòng)力微泵的制造方法。本發(fā)明的首要目的通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種限制電場(chǎng)型平板電流體動(dòng)力微泵，其特征在于，由特制的PCB電極片和頂蓋通過(guò)膠粘而成。所述特制的PCB電極片是通過(guò)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(cuò)分布，相鄰較近的發(fā)射極和集電極構(gòu)成一個(gè)電極對(duì)，同一電極對(duì)的集電極與發(fā)射極之間的距離為0.1mm0.3mm，兩個(gè)電極對(duì)之間的距離為電極對(duì)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(chǎng)強(qiáng)度，使得電場(chǎng)集中于電極表面區(qū)域。所述特制的PCB電極片，經(jīng)過(guò)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(zhǎng)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(duì)內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而提升微泵的動(dòng)力性能。所述頂蓋具有凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，凸臺(tái)高度為1mm，凸臺(tái)上有同時(shí)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(zhǎng)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(kāi)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(chǎng)型平板電流體動(dòng)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(guò)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(jì)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(dá)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(shí)應(yīng)保證松香油層不宜過(guò)厚，否則浪費(fèi)材料和加工時(shí)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(guò)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?yàn)樗上阌蛯?duì)于電場(chǎng)的屏蔽作用要比液體工質(zhì)大得多，電場(chǎng)大多集中于電極表面區(qū)域，進(jìn)而對(duì)液體產(chǎn)生有效的推動(dòng)作用。與現(xiàn)有技術(shù)方法相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）本發(fā)明一種限制電場(chǎng)型平板電流體動(dòng)力微泵，由于對(duì)電極對(duì)側(cè)面產(chǎn)生的電場(chǎng)進(jìn)行了限制，使得電場(chǎng)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(duì)流體運(yùn)動(dòng)的阻擋，將大幅提高電流體動(dòng)力泵的動(dòng)力效果。（2）本發(fā)明一種限制電場(chǎng)型平板電流體動(dòng)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(shí)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(chǎng)型平板電流體動(dòng)力微泵的制造方法，采用沉金工藝對(duì)銅電極進(jìn)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(zhǎng)電極的使用壽命，同時(shí)由于金具有較強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而提升微泵的動(dòng)力性能。附圖說(shuō)明圖1為一種限制電場(chǎng)型平板電流體動(dòng)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(duì)電極對(duì)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(chǎng)型電極對(duì)的電場(chǎng)形式。圖5（b）為施加電壓后非限制電場(chǎng)型電極對(duì)的電場(chǎng)形式。具體實(shí)施方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。如圖1所示，一種限制電場(chǎng)型平板電流體動(dòng)力微泵，由特制的PCB電極片1和頂蓋2通過(guò)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(tái)3結(jié)構(gòu)，凸臺(tái)3高度為1mm，為涂膠預(yù)留空間。凸臺(tái)3上有同時(shí)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(zhǎng)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(kāi)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(guò)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(cuò)分布，相鄰較近的發(fā)射極7和集電極8構(gòu)成一個(gè)電極對(duì)，同一電極對(duì)的發(fā)射極7與集電極8之間的距離為0.1mm，兩個(gè)電極對(duì)之間的距離為電極對(duì)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(guò)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(chǎng)強(qiáng)度，確保電場(chǎng)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(chǎng)型平板電流體動(dòng)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(guò)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(jì)好的多條帶有梳齒狀平行交錯(cuò)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(dá)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(shí)應(yīng)保證涂覆的松香油10不宜過(guò)厚，否則浪費(fèi)材料和加工時(shí)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(guò)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(chǎng)型平板電流體動(dòng)力微泵時(shí)，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(gè)微泵腔室，然后接通直流電源，利用電液動(dòng)力效應(yīng)驅(qū)使流體流動(dòng)，達(dá)到產(chǎn)生泵送效應(yīng)的目的。上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)

16、明的實(shí)施方式并不受所述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。權(quán) 利 要 求 書(shū)1. 一種限制電場(chǎng)型平板電流體動(dòng)力微泵，其特征在于由特制的PCB電極片和頂蓋通過(guò)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(guò)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(cuò)分布，相鄰較近的發(fā)射極和集電極構(gòu)成一個(gè)電極對(duì)，同一電極對(duì)的集電極與發(fā)射極之間的距離為0.1mm0.3mm，兩個(gè)電極對(duì)之間的距離為電極對(duì)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(guò)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(guò)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(chǎng)強(qiáng)度，使得電場(chǎng)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(tái)結(jié)構(gòu)，凸臺(tái)高度為1mm，凸臺(tái)上有同時(shí)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(zhǎng)度比電極片略短

18、，頂蓋上分別開(kāi)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(chǎng)型平板電流體動(dòng)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(guò)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(jì)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(dá)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(shí)應(yīng)保證松香油層不宜過(guò)后，否則浪費(fèi)材料和加工時(shí)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(guò)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(chǎng)型平板電流體動(dòng)力微泵的制造方法，其特征在于在使用限制電場(chǎng)型平板電流體動(dòng)力微泵時(shí)，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(gè)微泵腔室，然后接通直流電源，利用電液動(dòng)力效應(yīng)驅(qū)使流體流動(dòng)，產(chǎn)生泵送效果。說(shuō) 明 書(shū) 摘 要本發(fā)明公開(kāi)了一種限制電場(chǎng)型平板電流體動(dòng)力微泵及其制造方法。微泵由特制的PCB電極片和頂蓋通過(guò)硅膠膠粘而成。特制的PCB電極片是通

20、過(guò)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(duì)電極對(duì)側(cè)面產(chǎn)生的電場(chǎng)進(jìn)行了限制，使得電場(chǎng)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(duì)流體運(yùn)動(dòng)的阻擋，將大幅提高電流體動(dòng)力泵的動(dòng)力效果。同時(shí)，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(dòng)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(duì)銅電極進(jìn)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(zhǎng)電極的使用壽命，同時(shí)由于金具有較強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而提升微泵的動(dòng)力性能。說(shuō) 明 書(shū) 附 圖625871圖125346圖2134圖3（a）（b）（c）（d）（e）91187989781097981