（热能工程专业论文）微型电液动力泵结构与工艺优化的实验研究.pdf

摘硬 捅斐 随着电子元件的越来越小型化，电子技术的不断发展和芯片集成度的不断提 高，导致电子器件单位面积上的热流密度不断增加。目前高热流器件的热流密度 已达1 0 6 w m 2 的量级，将来会达到1 0 。7 w m 2 的量级。传统的风冷技术已经不能 满足高热流电子器件的散热要求，液冷技术成为高热流电子器件的必然选择。液 体驱动泵是液冷技术的关键部件，但其可靠性一直是制约液冷技术在航空航天等 科学领域广泛应用的主要因素，因此研制一种无运动部件的新型液体驱动泵一直 是航空航天高热流电子器件冷却的迫切要求。电液动力泵是一种无运动部件的新 型液体驱动泵，在航空航天领域有重要的应用前景。 本文旨在探索电液动力泵的优化结构参数与加工工艺。提出了电液动力泵的 电极结构及参数：9 0 对平板型铜电极，电极宽度为4 0 1 t m ，长度1 5 m m ，电极间距 5 0 1 , t m ，相邻电极对之间的距离为1 0 0 1 t m ，设计了两种流道高度1 0 0 1 t m 币1 2 0 0 i t m 。 对腐蚀方法和剥离方法两种电极制作方法进行了对比，选择了剥离方法制作电 极，实现了电液动力泵的制作和封装。选择了h f e 7 1 0 0 为实验所用的液体，同时 选用无水乙醇进行参考对比。 为了提高实验液的纯度，避免液体中存在的杂质对电极及实验的影响，在原 来实验的基础上增加了实验液提纯的环节。对电液动力泵的性能进行了静压实 验，并进行了电极的重复性实验。实验结果表明：电液动力泵产生的压头随电压 变化的曲线近似服从二次方的关系。同等条件下1 0 0 i t m 流道高度比2 0 0 9 m 流道 高度产生的压头大，产生的电流小。对于h f e 7 1 0 0 ，当施加8 1 v 电压时，流道 高度为1 0 0 p m 的微泵能够产生1 6 0 p a 压头，而流道高度为2 0 0 “m 的微泵只能产 生5 0 p a 压头。对无水乙醇，当施加9 0 v 电压时，流道高度1 0 0 p m 微泵产生的压 头为2 1 0 p a 左右，而流道高度为2 0 0 p m 的压头只有l o o p a 。本文最后对电极的结 构参数进行了优化，设计了锯齿状电极，为今后的迸一步研究提供了一种新的思 路。 关键词：电液动力；离子驱动；微泵；实验研究 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es i n g l ec h i pp a c k a g eh a sr a p i d l yi n c r e a s e dt op r o v i d eg r e a t e rf u n c t i o n a l i t y a n dc o m p u t a t i o n a lp o w e r , r e m o v i n gt h eh e a td i s s i p a t e df r o me l e c t r o n i cc h i p sh a s b e c o m eas e r i o u sc h a l l e n g ei nt h ed e s i g no fp o r t a b l ea n do t h e r s p a c e - l i m i t e d e l e c t r o n i c sd e v i c e s f o rh i g h - p e r f o r m a n c es y s t e m s ，c h i p sa r ee x p e c t e dt oh a v ea l l a v e r a g eh e a tf l u xo f10 6 w m 2 ，t h en e x tg e n e r a t i o ne l e c t r o n i cc h i p sa r es u b j e c t e dt o d i s s i p a t eo v e r10 7 w m e i tw i l lb e c o m ed i f f i c u l tt om e e tt h e s et h e r m a lm a n a g e m e n t d e m a n d sw i t hc o n v e n t i o n a l a i r - c o o l i n g l i q u i dc o o l i n gt e c h n o l o g ym a yb e a p r o m i s i n gt e c h n o l o g yf o rt h ec o o l i n go fh i g hh e a tf l u xe l e c t r o n i cd e v i c e s c o m p a c t h e a te x c h a n g e ra n dp u m pa r et w ok e y t e c h n o l o g yo fl i q u i dc o o l i n gs y s t e m e s p e c i a l l y i nt h ef i e l do fa e r o s p a c e ，t h er e l i a b i l i t yo fp u m pw i t l lm o v i n g p a r t si sab o t t l e n e c kt o a p p l i c a t eo fl i q u i dc o o l i n gt e c h n o l o g y i ne l e c t r o n i cc o m p o n e n t sc o o l i n g e h d m i c r o p u m pw i t h o u tm o v i n gp a r t si san e wt y p eo ff l u i d - d r i v e np u m p s ，w h i c hm a y b e c o m eas o l u t i o nt ot h er e l i a b l i t yo fl i q u i dc o o l i n gs y s t e m t h i sp a p e ra i m st o o p t i m i z et h ec o n f i g u r a t i o np a r a m e t e r sa n dp r o c e s s i n g t e c h n o l o g yo fe h dp u m p f i r s t l y , t h ee l e c t r o d es t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r so fe h d p u m pw e r ep r o p o s e da sf o l l o w s ：t h e r ea r e9 0c a s c a d e df l a tp u m p i n gs t a g e sw i t h c o o p e ra s t h ee l e c t r o d em a t e r i a l ，t h ew i d t ho fe a c he l e c t r o d ei s4 0 i _ t ma n dt o t a l e l e c t r o d el e n g t hi s15l n l n ，t h es p a c i n gb e t w e e np a i r e de l e c t r o d e si s5 0 t ma n dt h a t 南菇晰的玲甾磅1 啜确茹觑 伽硒攀；i 跨一菇弦靠l 锚樯一一矗e i g 赫盛鑫6 秘矗强萄菇矗蔷赫 10 0 i - t ma n d2 0 0 i - t m ，r e s p e c t i v e l y b a s e do nt h ec o m p a r i s o nw i t l lw e te t c h i n ga n d l i f t - o f fp r o c e s s i n gm e t h o d s , t h em e t h o do fl i f t o f fe l e c t r o d e sw a sc h o s e n ap r o t o t y p e o fe h dp u m pw a sf a b r i c a t e da n dp a c k a g e d h f e 710 0a n d e t h y la l c o h o lw e r ec h o s e n a st h el i q u i du s e di nt h ee x p e r i m e n t i no r d e rt o i m p r o v et h ep u r i t yo ft h ee x p e r i m e n t a ll i q u i d ，w ed e s i g nt h e e x p e r i m e n t a la s p e c t so ff l u i dp u r i f i c a t i o n t oa v o i di m p u r i t i e st h a te x i s to nt h e e l e c t r o d ei nt h el i q u i d e x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tt or e s e a r c ht h ep e r f o r m a n c eo f e h d m i c r o p u m p t h er e s u l t ss h o wt h a t ，t h ee h dp u m pc a nd r i v ed i e l e c t r i cl i q u i d s ， p r e s s u r eh e a ds h o waq u a d r a t i ci n c r e a s ea st h ea p p l i e dv o l t a g ei n c r e a s e s i nt h es a m e c o n d i t i o n ，t h ee h dm i c r o p u m pw i t ht h ec h a n n e lh e i g h to f10 0 1 x mg e n e r a t eh i g h e r p r e s s u r eh e a da n ds m a l l e rc u r r e n tt h a nt h a tw i t ht h ec h a n n e lh e i g h to f2 0 0 1 x m f o r e x a m p l e ，t h em i c r o p u m pw i mt h ec h a n n e lh e i g h to fl0 0 1 x ma n d2 0 0 p ma tt h ev o l t a g e o f81vc a ng e n e r a t e16 0 p aa n d5 0 p ap r e s s u r eh e a df o rh f e 710 0 ，r e s p e c t i v e l y f o r e t h y la l c o h o l ，t h em i c r o p u m pw i t ht h ec h a n n e lh e i g h to f10 0 p ma n d2 0 0 肛ma tt h e v o l t a g eo f9 0v c a ng e n e r a t e210 p aa n d10 0 p ap r e s s u r eh e a d ，r e s p e c t i v e l y f i n a l l y , i i i 北京丁q k 人t ! 顺r 化论文 t h ec o n f i g u r a t i o na n dp a r a m e t e ro ft h ee l e c t r o d ea r eo p t i m i z e d ，s a w - t o o t he l e c t r o d e a r ed e s i g n e dt of u r t h e r l yi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fm i c r o p u m p k e y w o r d s ：e l e c t r o h y d r o d y n a m i c ；i o nd r a g ：m i c r op u m p ；e x p e r i m e n t a ls t u d y i v 物珲藿名称，殳符号 物理量名称及符号 d 一分子扩散系数 豆一电场强度v r m 户一单位体积流体所受的力n m 3 h 一液体上升高度m j _ 电流密度a i l l 3 户一极化向量 p 一电荷密度c m 3 一场强提高因子 占一介电常数 民一真空介电常数 岛一流体密度k 咖3 以一灵活率 成一卑极电荷翟反_ c 面； 吒一传导率 矽一势能 f 一剪切力n p 一功函e v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：趣蕴 日期： 凶：s ：臼 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，l l p 学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：弛 导师签名：墨玉盘 日期： 2 1 ：茎：塑 销i 苷特i 仑 i l ll li i i i ii il l l l ll ll i l 1 1 研究背景及意义 第i 章绪论 微电子芯片的应用遍及日常生活、生产乃至国家安全的各个层面，在现代文 明中扮演着极其重要的角色。l9 7 1 年i n t e l 公司生产的第一个芯片只含2 3 0 0 个晶体 管，而如今在一枚i n t e l 奔睛4 芯片上，就集成有4 2 0 0 万个晶体管。高集成度对于 计算机性能的升级是有利的。然而，与此同时芯片耗能和散热问题也凸现出来。 电子技术迅速发展，电子器件的高频、高速以及集成电路的密集和小型化，使得 电子器件的发热功率与功率密度也急剧增加。c p u 芯片的发热量己由几年前的 l o w e r a 2 左右猛增到现在的将近1 0 0 w e m 2 ，而下一代电子元器什的散热将超过 10 0 0 w e m z 【。这些热量需要及时排出已保证芯片的温度处于所允许的范围内， 因此这些热量需要及时排出已保证芯片的温度处于所允许的范围内，如果散热不 良，产生的过高温度会降低芯片的t 作稳定性，增加出错率，同时模块内部与其 外部环境自j 所形成的热应力会直接影响到芯片的电性能、工作频率、机械强度及 可靠性。因此，电子器件的冷却技术将是影响微电子技术发展的关键因素。 众所周知，芯片表面的温度和其寿命是成反比的，芯片在高温下长期工作运 转，对其寿命是有害的，把单位面积上如此高的热量散掉成为研究人员重点研究 的方向。如图1 1 所示为近十几年c p u 热流密度增长的情况，可见随着电子器 件的小型化，单位而积上集成度的增加导致表面上的热流密度越来越大。而传统 的风冷技术不能满足散掉下一代芯片工作运转时产生的热量，因此液冷技术是高 热流器件的必然选择。通过对芯片散热的研究，研究人员发现芯片上部教热量约 占总散热量的2 0 ，从芯片底部散的热量约为8 0 。而风冷冷却技术只针对芯 片一卜方局部散热，不能从根本上解决问题，需要发展一种液体冷却技术。而液冷 技术中微型换热器设计和可靠的微型泵的设计至关重要。 可靠紧凑重量轻的驱动液体微泵技术一直是电子系统冷却的关键技术之一。 微型电液动力( e h d ) 泵是一种利用电场力来驱动流体流动的设备，在众多下一代 电子冷却技术的方案中，基于m b m s 加工技术的微型屯液动力泵被认为是一种非常 有效的办法。电液动力泵具有无运动部件，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；还可根据系统的要 求，实现微泵的串o r 联组合；采用直流驱动，不产生附加磁场，不会干扰电子 元件工作。微型电液动力泵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。 # gin t 学mi 岸* ! 电液动力泉没有运动部件，非常适合航窄航天电了系统冷却的需要，同时谖 电液动力泵可以与微通道热沉集成在一起，电子冷却系统可以做得很紧凑，在地 面电了系统冷却中也具有非常重要的应用前景，同时在药物微量输送，燃料微量 喷射细胞分离等方也有着重要的应用前景。 1 2 研究现状 8 u9 0 ( 1 0 幽1 - 1c p u 热流密度的发展 f i gl - i t h e d e v e l o p m e n t o f c p u h e a t f l u x 1 2 1 国内相关领域研究现状 我国存微流体领域的研究工作起步于2 0 世纪9 0 年代中期。受研究经费、研 究基础、技术手段等条件限制，国内学者研究微型泵的方式主要是以仿真设计为 主并结合实验研究。经过近l o 年的发展，已在微型泵研究方面取得了一些成绩， 以清华大学、上海交通大学等高校为主，丌发研究了多种微型泵，不仅有热驱动微 型泵、形状记忆合金硅复合膜驱动微型泵、压电驱动微型泵等有阀泵口卅，还包 括电渗泵、电磁驱动微泵、收缩一扩张型微泵、相变型热驱动微泵等无阀泵p 司， 但目前从事该领域研究开发的单位还局限在部分高校和中科院附属研究所，与发 达国家相比，无论在研究经费的投入，还是协司攻关等方面都还存在相当的差距。 因此借鉴国外先进经验并结合国内实际情况，从微型泵八手建立微流体系统涉及 的电子、机械、光学、材料、制造、信息、物理、化学和生物等多学科交叉的理 第1 章绪论 论和研究方法，对我国微流体系统的研制从理论到实际应用均有重大意义。 国内对电液动力学的研究还处于起步阶段，仅仅限于为数不多的几个单位， 缺乏系统性。研究内容大致有e h d 强化传热，电雾化，干燥和微泵四个方面。 在e h d 强化传热领域，上海理工大学的李瑞阳等对e h d 强化传热进行了实 验研究【7 。8 】，实验结果表明同没有电场时的换热效果比较，e h d 强化传热的 n u s s e l t 数提高了8 - 9 倍。国内主要基于电液动力学理论进行e h d 强化传热。 在电雾化领域，中国科技大学的程久生，陈效鹏等【9 。1 0 】对电雾化进行了研究， 利用显微技术，采集到带电液滴在电场下破碎的图像和不同电压作用下几种液滴 下落模式。对电压一流量，电压一电流关系进行了测量。并且运用p i v 技术测量 分析了电雾化液滴的速度分布，以及电压流量对速度的影响。东北大学于溪风【l l 】 分析了以电雾化方法，制备得到的s n b i 纳米超微细粉的微观结构特征。 内蒙古大学【1 2 】运用电流动力学在干燥技术上，利用电场对生物物料中的水分 子的输送特性，发明了一项实用技术：高压电场干燥技术。并已经实现了产业化。 e h d 微泵的研究国内尚属空白，一般在关于微流体控制和微泵方面文章中 和较新出版的关于m e m s 理论方面的书籍中【”1 4 1 ，有关于微泵相关章节有对电 液动力泵的介绍，对这种微泵的命名未统一，但内容基本雷同。北京工业大学【l 5 】 率先在国内进行了电液动力泵的研究。 1 2 2 国外相关领域研究现状 国外对电液动力学的研究已有很长的历史了，早在上世纪初，a 们就已经鳃 道电介质流体可以被电场驱动这种现象。在随后一个世纪里，随着研究的深入， 人们对这个现象和它的应用有了全新的理解。国外对于电液动力泵的研究将在稍 后的小节中进行详细回顾。与此同时，国外对其他类型的泵也进行了研究。 传导泵驱动的是导电率很低的绝缘流体，其动力是来自电极表面的中性粒子 分裂产生异号电荷层，异号电荷层由几个埃厚度的电荷组成，这些电荷与电极产 生的电荷极性相反。库仑力对电中性粒子失效，但是可作用于异号电荷层，因此 正确地设计电极结构不仅能够预防磁场的影响，而且能够增加泵的压头。传导泵 首先由a t t e n 1 6 】等设想和发展的，由s e y e d y a g o o b i 设计的传导泵能够提供几百 帕的压头，随着输入电压的增加，观测到离子注入区的电流从线性到幂指数形式 变化，这与i v 特性曲线很好的吻合；s e y e d y a g o o b i t f 7 】为他们设计的传导泵申请 了专利保护。 诱导泵的驱动力来自非极性力，用行波来表示非均匀电场，另外还需要流体 的介电常数梯度或导电率的梯度。一般情况下，流体不会自带这种梯度，但是人 为地分层能够产生温度梯度，形成两相系统，或者向流体中注入粒子也能达到预 期的梯度。m e l c h e r l l 8 】等发表文章提出了诱导泵的理论，利用传动波诱导液体中 北京t n 学t 半i ￥位女 的电荷，使得在液体表面中产生介电常数梯度或温度梯度，扯某种情况f ，这些 电荷可以产生动力驱动流体中其他的电荷。b a r t i ”峰设计和测试了传动波的微型 泵，在这个系统中，用硅油做工作介质，通道深度2 0 t i n ，当用l k h z 传动波， 波峰2 0 0 v 驱动流体，产生最大流速9 m m s 。其他学者也报道过诱导泵的研究， 如k 矗s h a n l 制造了另外一种微型诱导泵，s e y e d y a g o o b i i 2 ”等利_ l = j 两相流体驱动 诱导象，他们设计小同的电极优化了e h d 诱导泵的泵的性能和热传导性，并申 请了专利。 电渗泵中液、固界面发生电化学反应产生了电荷，电荷从液一固界面向液体 内部扩散在直流电场的作用下电荷扩散层将移动刊时驱动流体运动，从而达到 泵的作用。这种泵的驱动电压可以平行电极施加直流电堆，也可以在电极阵列上 施加不同相位行波电压非极性力作用丁溶液中的双层的电离子上，电渗动力有两 部分组成：一种是电泳力，主要用来分离生物化学物种，用电泳迁移率来表示； 第二种是电渗力，在溶液的表面附近产牛动力。电渗泵的驱动不仅与非导电流体 的介电常数和施加电压有关外。对有微通道的电渗泵，在压头达到2 0 m p a 时， 流速能够达到o5 5 到o2 9 l m i n l 2 2 - 2 q 。 图1 2 电渗泵 f i g1 - 2 a ne l e e t r o o s m o t i e p u m p b a r b i n ia n dc o l e t t i t ”研究了电极几何尺寸对离子驱动式泵静压的影响并对 e h d 泵理论关系式与实验数据进行了比较。在试验中，他们采用了两种结构的 发射电极：圆盘上钻孔电极和一个网筛电极。实验发现，网筛电极效果比较好， 但理论关系式与象的结果没有很好的吻合，因此，需要进一步的分析，充分考虑 流体固体界面电荷注入等对泵的影响。 b r y a na n dy a g o o b i t 2 6 】发表了一项关于垂直的轴对称的结构离子一驱动式泵 第l 辛绪论 的实验研究。为了减少网格电极的渗透作用，他们在圆形发射级布置了针型的电 极，用来减少流动中的电液驱动作用。他们分析了由一对电极产生的二维的流场， 并且比较电极泵的结构模型与实验结果。 c a s t a n e d aa n dy a g o o b i 2 7 】用1 3 对电极来驱动r - 1 1 ，电极由单根的锡一铜电线 压在热塑聚碳酸酯玻璃管凹槽的内表面。 1 2 3e h d 泵的发展 电液动力泵的研究在年代上大致可以分为早期和近期两部分，其中早期的研 究从结构尺度上讲是大尺度和中尺度，从电极结构上讲常用针环式或者格栅电极 式。随着微机电技术的发展( m e m s 技术) ，使得电极参数可以做到微米量级， 研究人员开始研究平板型，锯齿形结构电极。 首先，s t u e t z e r 2 8 】文里对离子注入产生电压进行了研究，并通过大量的实验 工作对他的预测进行了证明。s t u e t z e r 通过一个非极性模型，对三种电极模型： 平板形电极，圆柱形电极，球状电极，进行了实验。他的第一篇论文着重对静压 力的产生进行了研究；而一年之后，他又对其动态情况进行了研究。他是第一个 提出i v 曲线并对其各区域给以阐述的人【2 9 1 。后来，s c h m i d t 3 0 】进一步详细叙述 和改进了他的模型。 继s t u e t z e r 之后，p i c k a r d 提出了一个经典的关系式：两个平行电极之间e h d 泵压力和电场强度之间的关系式：p = 8 s e 2 9 3 1 】。他研究发展了离子驱动泵的理 论，同时积累了大量的静态和动态实验数据。 。 另外，m e l c h o r 对离子驱动泵的研究也具有影响意义，他无量纲化了e h d 控制方程，并引入了一个新的参数一电子雷诺数。通过他们自制的直流电压控制 泵，m e l c h e r 得出了结论：压力和效率取决于电子雷诺数。 c r o w l e ) 9 3 2 】等首先建立了考虑到工作流体的材料特性的离子驱动泵模型，这 些材料有粘性、介电常数、迁移率等特性。他建立了简单的e h d 模型，综合考 虑了电荷变迁所影响的因素，如对流迁移和传导，这是对他前期研究离子驱动泵 效率的一个深化。c r o w l e y 和他的工作小组得出的结论【3 3 】：流体有较高的介电常 数能够使流体达到最佳流速；较低粘性，从而会降低工作介质的迁移性和传导性， 使得效率提高。结合w a l d e n 迁移理论和上述得到的结论，可以得出：粘性和迁 移性成反比，因此不能同时使得效率和流速均达到最大。 9 0 年代期间，有很多科学研究是针对离子驱动泵的。b r y a n 3 4 】在硕士毕业论 文中设计了一种多级离子驱动泵，并用不同种工业油作为工作流体，如煤油和十 二烷基苯，进行实验测试。随后，b r y a n 又测试了其他的商业用油和制冷剂，并 得到了相似的结论，介绍了多级泵和工作流体掺杂质的效应【3 5 】。b r y a n 得出的结 北京fq k 人t 学帧l - 学位论艾 论：随着电极数目的增加，电流和电压成线性增加，最大效率可达6 。 c o l e t t i 3 6 】以及他的研究小组研究了电极间距对泵的静态特性的影响。他们加 工了两个直径为3 0 m m 有机玻璃( p m m a ) 空腔，内部有会属的网格，通过施加 电压，以硅油，调味油和十二烷基苯作为工作流体进行测试。实验结果表明，在 不同电压极性下，十二烷基苯的泵效率和电流特性都有差异，这是由于流体中的 分子和离子组成成分不同，电压与( 1 d ) 2 成比例变化( 其中d 为电极问距) ， 但是这种现象仅使用于负极电压。c o l e t t i 等也研究了泵的压头与施加电压的关 系，并且发现对于硅和调味油作为工作流体，产生的压头与施加的电压成二次比 例的关系；而对于十二烷基苯作为工作流体，产生的压头与施加的电压更趋向于 线性变化。尽管流体的工作特性和电荷的产生及发散机理关系并不明确，他们认 为离子驱动作用在很大程度上取决于工作介质的材料特性。 俄国科学家z h a l ( i n 和l u n e v 了7 】建立了一个二维的e h d 循环回路模型。他们 没有进行实验研究，而是进行了数值模拟。考虑到e h d 设备的紊流现象，嵌在 微通道内的两平行电极是受限制的( 通道高度电极间距= o 3 ) ，这个比值大于o 3 的话，紊流开始出现。这个模型考虑的是大尺寸的情况( 水力直径大于l c m 时) ， 并没有考虑微尺度情况。 a s a l l o 【3 8 】等对针形电极的e h d 泵进行了研究。他们利用硅油作为工作流体， 通过在集电极上冲不同大小的孔和把发射极改变为针形来改变电极的几何形状。 当施加2 8 k v 电压时，得到的最大静压为3 0 0 m m ( 2 8 k p a ) ，这也是目前已知的 离子驱动泵得到的最高的电压。 r a d a ”】在他的博士论文中发表了电极为两个环形的中尺度的e h d 泵。集电 极表面光滑，然而发射极在环的周围环绕着锐利的针。实验用的工作流体为 r 1 3 4 a 和h f e 7 1 0 0 。在施加电压为1 2 k v 时，对于制冷剂r 1 3 4 a 得到的静压头为 1 6 0 p a ；在施加电压为3 0 k v 时，对于制冷剂h f e 7 1 0 0 得到的静压头为2 k p a 。这 种泵所需的电压比目前的微型泵大很多，主要因为电极间距数量级较大。由于 l n 2 的介电常数很低，用来作制冷剂，得不到高压头或者较高的流速。 对于中型的e h d 泵，大多数的报道没有进行更详细和深入的实验。人们通过 微机电技术改变电极的表面或者改变工作介质，来研究电场强度和电介质( 非导 电) 流体的关系。常见的作法是：每次实验之后要清洁电极，每次实验之前检查 工作流体的纯度【4 0 啦】。 通常情况下，对于大型泵上述的这些措施是足够的( 电极为厘米数量级或者 大于厘米单位) 。但是对于小型的泵和长时间工作的泵来说，这会引起泵工作性 能的下降，甚至会破坏泵。b o l o g a 4 3 】研究了离子驱动泵的使用寿命。他们选择煤 油，聚甲基丙烯酸甲酯5 ( p m s 5 ) 作为工作流体，进行了真空抽气和过滤方法 来净化流体，并且与未处理的流体进行比较。他们发现，对于清洁流体，泵工作 第l 辛绪论 2 0 0 小时之后，其效率开始下降，并且下降比较缓慢。而对于含有杂质的流体， 泵的性能变化不同，从开始测试泵的压头就一直下降，有时候还会出现突增现象。 当缩小电极之间的距离时，不仅泵的运行效果更好，而且降低了施加的电压， 这更激发了人们对微型e h d 泵的研究兴趣。直到8 0 世纪中叶，微加工技术的发 展解决了毫米以下数量级电极的加工，微型e h d 泵的研究才能得以继续。 r i c h a t e l 等发明了第一个微型e h d 泵，他们在硅基板上加工了直径为 9 0 1 6 0 i t m 的格栅，格栅的厚度为3 5 9 m ，其电极材料为金，格栅电极之间的距离 为1 0 9 m 和6 0 9 m ，选择乙醇为工作流体。当施加电压3 0 0 v 时可产生1 2 0 0 p a 。 因为工作流体的导热性较高并且电极之间的距离较小导致所需要的电压比较低。 图1 3 格栅e h d 泵 f i g 1 - 3g r i l l eo fe h dp u m p s a n d i a 4 5 】国家实验室研究员利用激光微加工技术制作了一个微型的e h d 泵。他们设计了两种方案：第一种方案是用两个硅片作基板，在每个基板顶部沉 积金属，用激光刻出流道来。第二种方案将两个制成的格栅电极背对背的连接， 使电极的距离缩小到1 0 0 i t m 。施加1 2 0 v 输入电压后可得2 9 0 p a 的静压。 第一个平板形电极的微型e h d 泵由韩国汉城大学的a h n 和k i m 4 6 】发明，他 们在玻璃基板上制作了一系列金电极，电极间距为1 0 0 9 m ，每对电极之间的距离 为2 0 0 9 m 。选择乙醇作为工作流体，并设计了两种流道高度：1 0 0 1 x m 和2 0 0 9 m 。 实验表明静压头取决于流道的高度( 在1 0 0 v 电压下，最大静压头为2 5 0 p a ) 。实 验还得出流体的流速也被证明取决于流道的高度，当电压为1 0 0 v ，电流为l m a 时，流体的最大流速可达到5 0 9 l m i n 。他们得出微型泵在1 0 0 v 的时候发生了介 质击穿，但没有更深入的研究和报道。 d a r a b i 47 】对e h d 离子驱动泵也作了相关的研究，他们加工制作了e h d 离子 n m l 毕位论z 驱动泵，并埘其进行了测试。微型e h d 泵的电极通过沉秘的方法制作在陶瓷基 板上。用环氧树脂垫片作为列壁，在盖板上有0 流体的进口出口。他们设计了四 种电械方案，分别是第种是平板型电极，电极的间足 | 为5 叽m ，每对电檄之间 的问距为1 0 0 1 j m ；第二种电极的发射极为锯齿型，集电极_ = i j 平板型，电极的问距 为5 0 a m ，每对电极之间的问距为1 0 0 9 m ；第i 种电极的发射极为锯齿型，集电 极为平板犁，电极间距为1 0 0 岫，每对电极之间的阳j 距为2 0 0 9 m ，间隔距离为前 两种电极的2 倍。第四种与第三种相近，但是在发射极是三维的梳形。静压测试 实验使用的工作流体为h f e 7 1 0 0 。通过试验测试，性能最好的是第四种发射极 为三维梳形的电极，在施加电压为3 0 0 v 时，得到的静压头为7 0 0 p a 。 幽卜4d a r a b i 研制的e h d 泵 f i g1 4 t l a er e s e a r c h o f t h e d m b i s e h dp u m p 台湾淡江大学的杨龙杰使用i t o ( 铟一锡氧化物) 作为线性电极，制作了 一种离子驱动泵，电极作在玻璃基板上，利用阳极键合硅片封装，形成微通道。 当所加电压为4 0 v 时，得到流速为8 7 n l m i n ，但是其重复性和可靠性需要进一 步完善。 图l - 5 杨龙杰研制的离子驱动泵 f i g1 - 5 t h er e s e a 地h o f y e m g s i o n d r a g p m n p 作为给工作流体及制冷剂提供动能的主要部件一e h d 泵，它的发展与进步对 于芯片散热性能的改善至关重要，国内外的许多学者都在这上面用了很多的心 思。国外对e h d 泵的研究已经取得了很大的成效，具体的研究成果见表1 ： 北京t q k 人学- e 顾l ：学f _ 论史 表卜1e h d 泵研究汇总 t a b l e1 1s u m m a r yo fe h dp u m ps t u d y 作者流速 工作介质电极结构电极间距施加电压 年份压降 s t u e t z e l 针形发射极朱报道 煤油、食用油 0 6 1 0 m m3 0 k v 1 9 6 0 环形集电极 1 6 i 【p a p i c k a r d 钼平行电极内置于塑料环 o 1 7 c m s 丙酮 2 5 一1 5 m m1 0k v 1 9 6 3中2 l c p a b r y a n 等 发射极：带有针形的环；集3 3 4 c m s 十二烷基苯 5 m m2 5k v 1 9 9 0 电极：有或没有金属网格 1 1 2 p a r i c h t e r 等 集电极和发射极均为微尺 1 4 m l m i n 乙醇 3 5 0 9 m 7 0 0v 1 9 9 1度的栅栏网格电极2 5 k p a 发射极：中间钻孔的盘；集 b a r b i n i 等硅油、食用油、十 n a 电极：1 ) 环形网格，2 ) 钻孔 0 5 3 5 m m3 7k v 1 9 9 5 二烷基苯 高于6 0 0 p a 盘 通道高度1 0 02 0 0 a h n 等 5 0 p l m i n l lm ，通道宽度 微型甲板1 0 0 1 j m l o o v 1 9 9 82 0 0 p a 3 r a m a s a n o 等 n a 硅油针形圆柱形 2 8 m m3 0k v 1 9 9 93 0 0 p a b o l o g a 等 6 0 m l s t r a n s f o r m e ro i l 金属网格3 ，4 m m 1 8l ( v 2 0 0 01 0 k p a d a r a b i 等线形、锯齿形、锯齿形和梳 n | a h f e 7 l o o 5 0 1 1 m ，1 0 0 9 m 7 0 0 v 2 0 0 2 形 8 0 0 p a y a n g 等铟一锡氧化物矩形和线形 1 0 0 n l m i n 乙醇8 0 m n l o o v 2 0 0 3电极未报道 s h o o s h t a i h f e 7 1 0 0 微加丁网格2 5 0 9 m 2 7 0 p a1 5k v 2 0 0 4 k a n o h f e 7 1 0 0 线形电极2 0 9 m 1 0 0 - 7 0 0 2 0 0 5 c h i a l i n g l9 0 m m m i n c h e n i p a 线形电极 2 0 9 m 2 0 v 4 9 0 p a 2 0 0 7 1 0 第1 帝绪论 综上所述，国内外学者对于电液动力泵的研究已经有一段历史了，取得了一 些成绩，随着m e m s 技术的发展，已经可以将电液动力泵的电极做到微米级， 这直接使得施加的电压也由千伏降低到百伏左右，研究人员选用的工作介质也是 比较的广泛，这都推动了电液动力泵研究的发展进程。但是对于电极的寿命以及 电极泵送液体的稳定性还需要大量的实验和时间加以解释和验证，将电极做到更 小量级成为一个突破，但是随之带来的清除电极表面的杂质和实验液提纯也是一 个至关重要的问题。 1 3 本课题的重点及研究内容 1 3 1 本课题的重点 本课题的重点在于阐述基于电液动力学理论微泵的工作原理，探索总结出适 合本课题所需要微泵电极的制作方法及流程，并对设计加工的微泵进行实验研 究。 1 3 2 本课题的研究内容 电液动力泵的对象是均匀的、不可压缩的工作介质，在均匀电场的条件下， 库仑力存三种作用力中占丰导地位。而介电泳力和电致伸缩力在通常条件下可以 被忽略不计。本课题中所提及的电液动力泵是指离子拖拉泵。 本文基于电液动力现象和知识的基础上，系统分析了电液动力微泵的工作原 理，从电液动力学基本原理出发，系统地分析了电液动力泵同现有的微泵技术的 优缺点，及其在下一代电子元件冷却领域的运用的可能性，并研究该项目的可靠 性。本文对电液动力学现象进行了定义，介绍了电液动力泵的驱动力，并根据作 用力不同将电液动力泵进行了分类。阐述了电液动力现象电荷的产生机理，研究 在施加电压较低范围内电液动力泵的特性。 本文探索了电液动力泵的优化结构参数与加工工艺。完成了对电极掩膜版的 设计制作，并运用m e m s 技术和镀膜技术完成了对电液动力泵电极的制作，制作 的电液动力泵的电极结构及参数：9 0 对平板型铜电极，电极宽度为4 0 1 t m ，长度 1 5 m m ，电极间距5 0 1 , t m ，相邻电极对之间的距离为1 0 0 1 t m ，设计了两种流道高度 1 0 0 1 t m 和2 0 0 p m 。并提出了电极制作的两种方法：腐蚀方法和剥离方法两种。并 在探索电极的工艺中对两种方法进行了优缺点的比较。完成了电液动力泵的制作 和封装。选择了h f e 7 1 0 0 为实验所用的液体，同时选用无水乙醇进行参考对比。 对制作和封装后的电液动力泵进行了静压实验，并对其稳定性和重复性实验 北京t 、i p 人学t 顺i + 学f 0 论艾 进行了分析。分析了同等施加电压的条件下流道高度和工作介质对各参数的影 响。为了方便同后的研究，本文对电极的结构和参数进行了优化设计，设计了锯 齿电极，优化了掩膜版的设计。 第2 章基于电液动力学的微泵 2 1 概述 本章介绍了基于电液动力学的微泵的定义，电液动力泵的工作原理及分类。 重点阐述了基于电液动力学理论，将控制方程作以假设简化得到离子驱动泵的模 型。 2 2 电液动力泵原理 2 2 1 电液动力学定义 所谓的电液动力学是一门研究电场和电介质流体之间相互作用的学科，电场 和电介质流体之间的作用可以驱动电介质流体流动，这个现象被称为电液动力效 应( e l e c t r o h y d r o d y n a m i c - - - e h d ) 。电液动力学主要考虑了电场对电介质流体的 作用。同时，也可以被看作是运动介质中的电动力学。所谓的电场和电介质流体 相互作用即流体运动会对电场产生影响，同时电场也会对运动流体产生作用，这 种相互作用促使流体运动，产生了多种运动形式：泵送，扰动和混合。电场强度 高，电介质流体电导率低使得驱动电介质流体的电流与能耗都很小。 2 2 2 电液动力泵驱动力 驱动电介质流体流动的作用力源于电场质量力，当施加电场在流体中，电场 与流体所受的作用力可由麦克斯韦方程可得： f = p f + 一v e 一v 扛岳e2 ， 其中：户：单位体积流体所受的力( f o r c ed e n s i t y ) p ：电荷密度( c h a r g ed e n s i t y ) 豆：电场强度( e l e c t r i c a lf i e l d ) 户：极化向量( p o l a r i z a t i o nv e c t o r ) 北京t 、l k 人学t 学硕l 学位论文 g ：介电常数( d i e l e c t i r cc o n s t a n t ) 阢：流体密度( f l u i dd e n s i t y ) 从公式( 2 1 ) 可以看出，流体所受的电场力可以分为四大项：第一项为库 仑力等于电荷密度和电场强度的乘积( p e ) 。这项很容易理解，当流体中存在 自由电荷，在外加电场作用下，电荷会根据电荷的正负，在库仑力的作用下，沿 着( 或逆着) 电力线而运动。 第二项为极性力( k e l v i np o l a r i z a t i o nf o r c e ) ，通常在一些文献中也被称为介 电泳力( d i e l e c t r o