（热能工程专业论文）内置微型电液动力泵微通道冷却系统的实验研究.pdf

摘要 摘要 随着电子元器件微型化和高性能比的进一步发展，下一代电子元器件的散热 将超过1 0 0 0 w c m 2 ，现有的气体冷却技术己无法满足如此之高的热流密度的散热 需求，因此迫切需要发展液冷技术。 微型电液动力泵是一种可以直接置入液体流道内输送液体的装置，由若干对 电极组成，当电极通入直流电时，静电场作用在电介质中的偶极子上，造成液体 的流动，实现了泵的功能。这种微型泵没有运动部件，且与流动通道整体集成， 还可根据系统的要求实现泵的串并联组合。 本文对微型电液动力泵进行了设计及实验研究，利用m e m s 技术完成了微 型电液动力泵的制作，利用铜作为电极材料，电极宽度为4 0 1 a n ，长度1 5 r a m ， 电极间距5 0 x m ，相邻电极对之间的距离为1 0 0 p a n ，通道高度1 0 0 9 r n 。基板材料 选用硅和玻璃，工作介质采用的是无水乙醇和3 m 公司的h f e 7 1 0 0 。 通过实验测试，当通电电压为1 2 v ，工作介质为h f e 7 1 0 0 时，可产生的最 高压强为1 0 3 0 p a ；工作介质为无水乙醇时，可产生的最高压强为5 6 0 p a ；与理论 计算及国外相关研究进行了比较，效果明显。另外，本文初步应用了a n s y s 软件 模拟。 通过本文的研究，为今后超高功率器件的冷却提供了可靠的技术保证。今后 需要继续深入模拟，优化结构尺寸，并研究利用电液动力泵进行驱动制冷，在流 动和传热方面的效果。 关键词：微型电液动力泵( e h d ) ；压降；离子拖拉；制冷； a b s t r a c t a b s t r a c t t h em i n i a t u r i z a t i o no fe l e c t r o n i cc o m p o n e n t sa n dt h er a p i di n c r e a s eo fp o w e r d e n s i t yi ns t a t e o f - a r te l e c t r o n i cd e v i c e sr e q u i r ea d v a n c e dc o o l i n gt e c h n o l o g i e st o a c h i e v eh j 曲h e a t - d i s s i p a t i o nr a t e s t h en e x t g e n e r a t i o n e l e c t r o n i cd e v i c e sa r e s u b j e c t e dt od i s s i p a t eo v e r1 0 0 w c l t l 2 t h i sh i g hh e a tf l u x e si so v e rt h el i m i t a t i o no f t h ea b i l i t yb yu s i n ga i rc o o l i n gt e c h n i q u e s n e wt e c h n o l o g i e s ，s u c ha sl i q u i dc o o l i n g , t od i s s i p a t es u c hh i g hh e a tf l u x e sa r ec r i t i c a l l yr e q u i r e d a ne l e c t r o h y d r o d y n a m i c ( e h d ) m i c r o p u m p ，w h i c hc o u l db ei n s e r t e di n t ot h e m i c r o c h a n n e l ，w i l lb ed e v e l o p e dt h r o u g ht h i sp r o j e c t t h em i c r oe h dp u m pi s c o n s i s t e db yap a i ro fe l e c t r o d e sa n dp o w e r e dd i r e c t l yad co rp u l s ep o w e rs u p p l y t h ed i p o l e sw i t h i nt h el i q u i dm o v eu n d e rt h ee l e c t r i c a lf i e l da n da c tt h es u r r o u n d i n g l i q u i dt om o v et o g e t h e r , w o r k i n ga sap u m p t h ee h dm i c r o p u m ph a sn om o v i n g p a r t s ，t h u si se a s y t ob ei n t e g r a t e di n t ot h em i c r od e v i c e s i tc a nb ed e s i g n e di ns e r i e s o ri np a r a l l e lc o r r e s p o n d i n gt ot h er e q u i r e m e n to f t h e s y s t e m i nt h i ss t u d y , w ed e s i g n e da n de x p e r i m e n t e dt h ee l e c t r o h y d r o d y n a m i cm i c r o p u m p f i r s t ，w ef a b i r c a t e dt h ee h dm i c r o p u m p su s i n gt h et e c h n o l o g yo fm e m s ，c h o o s i n g c o o p e ra st h ee l e c t r o d em a t e r i a l t h e r ea r e6 0c a s c a d e dp u m p i n gs t a g e s t h es p a c i n g b e t w e e nt h ec a s c a d e dp u m p i n gs t a g e si s10 0l im ，a n dt h a tb e t w e e np a i r e de l e c t r o d e s i s5 0 l a m t h ec h i m l a lw i d t hi s1 0 0 p ma n dt h e w i d t ho fe a c he l e c t r o d ei s4 0 u m t o t a lc h a n n e ll e n g t hi s1 5n 曲w eu s e ds i l i c o na n dg l a s sa st h es u b s t r a t e s h f e 7 1 0 0 a n de t h y la l c o h o la st h ew o r k i n gf l u i d s t h er e s u l t ss h o wt h a t ，t h ee l e c t r o d e sc o u l dd r i v et h eh f e 7 1 0 0t oh a v et h e m a x i m u mp r e s s u r eo f1 0 3 0p ab ya p p l y i n gad cv o l t a g eo f1 2va n dd r i v et h ee t h y l a l c o h a lt og e tt h ep r e s s u r eo f5 6 0p a t h er e s u l t si sm u c hb e t t e rt h a nt h a to fo t h e r s a b r o a d i na d d i t i o n , w e 砸c dt h ea n s y st os i m u l a t e a c c o r d i n gt ot h es t u d y , w ec a r r yo u te x p e r i m e n t st ov e r i f yt h ep e r f o r m a n c eo f t h ed e s i g n e ds y s t e m i nt h ef u t u r e ，w ew i l lg oo nd o n d u c t i n gt h en u r n e r i a ls i m u l a t i o n t oo b t a i nt h eo p t i m u me l e c t r o d ed e s i a n ，a n dr e s e a r c ht h ef l o wa n dh e a tt r a n s f e r d e e p l y 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 cm i c r o p u m p ；i o n - d r a g ；p r e s s u r e ；c o o l i n g 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，i t l j j n 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：p 荦交日期：。名，i 乙 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，即：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) 魏扣糖师躲国魄脚亿 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 随着电子元件小型化以及微处理器的功率密度进一步增加，下一代电子元件 及微处理器的散热将超过1 0 0 0 w c m 2 1 ”，这么高的热流密度利用现有的冷却技术 是不可能达到散热目的的，因此，迫切需要改善冷却系统。现今广泛应用的风扇 + 散热片的芯片散热方式为一种典型的风冷方式，通过扩展肋片，改进气流分布， 增大风压、气冷方式的散热能力已渐趋极限( 1 0 0 w c m 2 ) 【2 】。此方式难以适应功 耗继续增加的需要，特别是在如笔记本电脑等便携式设备的狭小受限空间中更是 如此。液体因单位热容相对气体较大，因而以之作为循环工质的冷却方式能提供 更高的冷却功率，可望是一种较佳选择。若考虑相交传热后，则更有利于实现高 热流密度的转移。研究表明，c p u 芯片上部散热量约占总散热量的2 0 ，从芯 片底部散的热量约为8 0 嘣3 1 。而目前现有的水冷方法中，散热板一般放置在芯片 的上部，只是针对芯片上方局部性散热，不利于热量的耗散。同时现阶段液冷方 案没有得到广泛应用的原因主要是其设计通常更为复杂，需要采用泵、阀等流控 元件，这些元件本身的寿命也就决定了液冷系统的工作期限，可靠性受到一定限 制，并且由于散热板中的通道非常小( 通常只有几十微米) ，使得水泵必须提供 较大的压头，耗能比较大。 随着m e m s 技术的兴起，使人们开始以一种新的视野看待电子冷却系统。 同时，从2 0 世纪8 0 年代开始，微机电系统已逐步从实验室探索阶段进入工业应 用时期。在这其中微流体系统是微机电系统中的一个主要研究方向，它具有微型 化、自动化、集成化以及能批量生产等特点，并且由于尺寸小，能减小流动系统中 的无效体积，降低能耗和试剂用量，而且响应快。因此，近年来随着生物技术的发 展，尤其是在生物芯片和缩微芯片实验室( l a b - o n - a - c h i p ) 技术研发方面，微米 乃至纳米尺度构件中微流体的驱动与控制技术越来越引起人们的注意【4 】。开发一 种基于微泵技术的散热系统的构想就是在这一需求下孕育而生的1 1 2 微流体与微型泵技术简介 微型泵作为微流体系统中的主要执行器件。是表征微流体系统发展水平的重 要标志。目前，微型泵的研究无论是从工作原理等理论角度，还是从加工工艺等实 践方面都已经有了较大进步 微型换热器及微型散热器是体积小、单位体积换热面积大的一种超紧凑式换 热器，在微电子、航空航天、医疗、化学生物工程、材料科学、高温超导体的冷 却、薄膜沉积中的热控制、强激光镜的冷却，以及其他一些对换热设备的尺寸和 北京t 业人学t 学硕1 毕业论文 重量有特殊要求的场合中有重要的应用前景。与普通换热器相比，微型换热器的 主要特点在于单位体积内的换热面积很大，相应地，其单位体积传热系数高达几 十到几百m w ( m 3 k ) ，比普通换热器要高l 也个数量级。微槽式微型换热器是 目前微型换热器中最常见的一种，其流动槽道一般是在很薄的硅片、金属或其他 材料的薄片上加工而成，这些薄片可以单独使用，形成平板式换热器，又称“微 槽散热器”，也可多片焊在一起，形成顺流、逆流或交叉流换热器1 5 】。t u c k e n n a n 和p e a s e t 6 】在1 9 8 1 年率先提出了“微槽散热器”的概念，并对其换熟性能进行了 实验研究。结果表明，在温差不超过7 0 时，这种微槽散热器的单位面积散热量 最高可达1 3 0 0 w c m 2 。此后，很多人对微槽散热器的传热性能及传热机理进行了 实验研究。用于两种流体间进行热交换的微槽式微型换热器则首先由s w i f t 等【7 】 于1 9 8 5 年研制出来。微槽散热器多采用深槽结构( 深度与宽度比大于1 ) ，微槽式 微型换热器则多采用扁槽结构( 深度与宽度比小于1 ) 。这一方面与实际加工的限 制及结构强度要求有关；另一方面，微槽式微型换热器所采用的扁槽结构顺应了 人们对换热表面高紧凑性的要求。 通常将水力学直径在l 1 0 0 0 pm 之间的通道或管道定义为微通道。微通道 散热板制作主要采用l i g a 、e d m 等技术，在基板上制造出许多平行的微沟槽， 再经过键合封装形成封闭的渠道，两端以歧管接合，作为冷却液的出入口【8 l 。 国内外的实验表明，微槽道具有很好的冷却能力，但是微槽道中的流动阻力 非常大。目前对直管段内的摩擦压降已经进行了大量的研究。m a l a 9 等测试了 水流过通道直径在5 0 i tr f l 的石英玻璃管的摩擦阻力，发现当r e 数在5 0 0 左右， 压降达到1 0 0 k p a m m 。俞坚i l o l 等通过对水力直径3 7 0i im 的陶瓷换热器微通道的 实验得出：在单通道情况下，当r e 为4 7 8 时，压降约为0 2 l k p a m m 。除摩擦引 起的主要阻力外，还存在各种各样的局部阻力，比如：弯曲管段、管道分流、管 道扩大及缩小等等。a b d e l a l l “】等测试了小通道( d 1 d 2 = 8 4 0 l jm 1 6 0 0pm ) 的单 相突扩及突缩阻力，发现当r e 在2 0 6 4 时，突缩阻力是5 3 5 k p a 。李卓【1 2 】等对水 平圆形不锈钢小通道( d l d 2 = 3 3 0 1 tm 5 8 0 um ) 进行了单相流扩大及缩小压降的 实验研究，实验得出：当水的r e 在1 5 0 0 时，3 3 0 u m 通道内摩擦压降1 4 3k p a m m ， 突缩阻力1 0 l d p a 。 1 2 1 微型泵的分类 目前，微型泵的种类多种多样，采用的原理和形式不尽相同。如按驱动原理 来分，可分为压电驱动、磁液电力驱动、电水力驱动、电渗驱动、静电力驱动、 收缩扩张型驱动、电解驱动微型泵、电化学微泵、超声波驱动微泵、离子动力泵 等等；如果根据微型泵有无可动阀片分为有阀型微型泵和无阀型微型泵两大类。 2 第1 苹绪论 有阀型微型泵往往基于机械驱动，原理简单，制造工艺成熟，易于控制；而无阀型微 型泵则常常利用流体在微尺下的新特性，原理新颖，更适于微型化，具有更大的发 展前景。 有阀型微型泵通常由进、出口阀和泵腔三部分组成，这类泵一般采用薄膜型 结构，其工作原理是由薄膜驱动导致泵腔容积周期性的变化和单向阀门来实现输 运工作液的目的，通常采用压电、静电、电磁以及形状记忆合金等形式来驱动微 型泵的工作【1 3 】。 无阀型微型泵：由于有阀型微型泵工作频率受制于泵腔的动作频率，因此这 类微型泵的流量变化是间歇式的，其性能难以得到保证。另外，由于单向阀门的 存在，阀片的频繁开关必然影响泵的可靠性和使用寿命，同时流体回流现象也是 不可避免的。相比之下，无阀型微型泵由于其结构相对简单、制造工艺要求不高， 而成为2 l 世纪微流体系统微型化、集成化、控制精准化程度进一步提高的突破 口。 收缩扩张型微型泵是比较典型的无阀型微型泵，也是近年研究的热点。它 以收缩和扩张的不同形状通道代替了单向阀，利用因流道不对称所引起的压力损 失的不对称性来实现流体的输运，但这类泵的反向止流性能较差。收缩- 扩张型 微型泵薄膜的驱动一般由压电晶体驱动；驱动频率可达几百赫兹，驱动功率在几 十毫瓦，最大流量能达到几十m m i n 。而用气泡来驱动收缩扩张型微型泵的微 搅拌系统，搅拌槽尺寸宽为2 0 0um ，深为5 0 | li n ，搅拌速率为6 5 p l m i n ，当驱 动频率为2 0 0 h z ，能达到最佳的搅拌效果【1 4 】。 1 2 2 常见微型泵的介绍 微型泵的种类多种多样，下面简单介绍一下几种常见的微型泵。 压电驱动微型泵是通过晶体的压电特性来驱动薄膜振动，达到输送工作液体 的目的。n g l u y e n 等研制的压电驱动微型泵是由有机玻璃衬光刻胶组成【“，与 硅材料相比，光刻胶较低的弹性常数使压电驱动电压低几个数量级，即几十伏的 驱动电压就能满足泵的正常工作( 其最大流量达l m l m i n ，最大背压2 0 0 m m h 2 0 ) 北京t 业人学t 学硕# 业论文 阳辩臻簟哺舅 幽阮 图1 - 1 压电动力泵 f i g 1 1d i s kp i e z o e l e c t r i cr e c i p r o c a t i n gm i c r o p u m p z e n g e r l e 等研究的静电驱动微型泵是以硅为主体材料【1 。”，整个泵体由驱动膜 和两个被动控制阀组成，泵的驱动动作是通过静电驱动来实现的。与普通的单向 薄膜微型泵有所不同的是，阀的特殊设计能使泵实现双向输运的目的。这种双向 输运主要是由于在不同的驱动频率下，由于两个阀片的周期振动响应存在相对移 动，工作液在泵两侧产生的压差就有所改变，从而导致工作液能实现双向输运。 这种双向输运突破了传统的单向阀门所产生的弊端，更容易在微流体系统中实现 液体的混合。 娥激测琏蕊被 釉辘l 强 薅2 图1 - 2 静电动力泵 1 8 1 f i g 1 - 2e l e c t r o s t a t i cr e c i p r o c a t i n gm i c r o p u m p 磁液动力微型泵的工作原理是利用洛伦兹力，当导电溶液被通电以后，在垂 直的磁场作用下产生洛伦兹力，在洛伦兹力作用下，带电的溶液获得了向前运动 的能量，因此，当电流持续施加在导电溶液上时，溶液就源源不断地向前流动， 达到抽液的目的。j a n g 等研制的磁液动力微型泵的工作液为海水【1 9 1 ，其磁感应 4 第1 _ 搴绪论 强度为0 4 4 t ，当电流为3 8 m a ，最大压差为1 8 m m ，当电流为1 8 m m ，最大流 量为6 3 p l m i n 。l e m o f f 等研究用磁液动力微泵驱动不同溶液的性能【2 0 1 ，得出在 l m o ln a c ! 溶液中，能获得最大的流速为1 8 3 1 t l m i n 。 电渗微型泵的工作原理：液、固界面发生电化学反应产生了电荷，电荷从液 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同时驱动流体 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压，也可 以在电极阵列上施加不同相位行波电压。 图1 - 3 电渗动力泵 2 h f i g 1 3a ne l e c l r o o s m o f i cp u m p 电液驱动泵是由电场和流体中电荷的相互作用来产生驱动力的。流体中或流 体和固体界面诱导产生自由电荷，通过自由电荷的运动而产生动量，带动流体运 动，它一般适用于导电率极低的液体，第二章中会做详细地介绍。 图l _ 4 直流电驱动注入式微型电液动力泵 2 2 1 f i g 1 - 4p o w a f i f l ld ei n j e c t i o ne l e c u o h y & o d y n a m i cm i c r o p m n p 北京t 业人学t 学硕i 。毕业论文 此外，热驱动微泵是利用流体的热特性，例如热胀冷缩或者相变来驱动工作 流体，利用流体受热相变来实现泵送的新型微泵。通过对微细管内液体进行循环 周期性加热，利用流体周期性的相变可以使流体沿热源移动的方向泵送。其原理 是加热液体使其产生表面张力梯度的变化来驱动流体，它是属于热驱动和控制的 一种，并可参照表面张力驱动和控制的介绍。 h e a t e rr e s i s o r a i rc h 蹶睫f 图1 - 5 热动往复微型泵口” f i g 1 - 5p o w e r f u l ld ci n j c c t i o ne l e c t r o h y d r o d y n a m i cm i c r o p u m p 其它的还有电解驱动微型泵、电化学微泵、超声波驱动微泵、离子动力泵等。 1 2 3 国内研究现状 我国在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成绩不俗，以清华大 学、上海交通大学等高校为主，开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 2 4 - 2 6 ，还包括电渗泵、 电磁驱动微泵、收缩扩张型微泵、相变型热驱动微泵等元阀泵【2 m 明，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所属研究所，与发达国家相 比，无论在研究经费的投入，还是协同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，从微型泵入手，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。 1 3 课题研究意义 微型泵作为微流量系统中的核心微型执行器，在医药、生物化学分析和电子 工业等领域有广阔的应用前景。目前，微流量控制系统的研究已经取得了一定进 6 第1 章绪论 展，本课题所研究的e h d 泵就是基于m e m s 技术的无阀类型的电水动力泵。 当介电液体处于电场中时，流体本身会受到电场力的作用，这个现象称之为电 水力效应( e l e c t r o h y d r o d y n a m i c ) ，简称e h d 。 把静电作用在低电导率的电介质上，会产生不同的流体动力效应。例如，电 对流，混合，泵送等。我们可以使用各种e h d 装置来利用流体微粒的内部的微 观行为。在工程中许多地方都使用到了e h d 现象，如e h d 泵和e h d 发电机、 e h d 液体的检测以及e h d 在热管中的应用。微型e h d 泵可以进一步降低宏观 泵的使用电压。电感应力的密度是电场的函数，当电压固定时，感应力与电场成 线性关系。使用电力直接作用在流体上的想法不是最新的，早在上世纪初就有针 对e h d 现象的研究，作为真空微电子的新兴的领域，人们开始对它产生了浓厚 的兴趣。这主要是因为集成硅片技术的飞速发展，尤其是微加工技术的发展，使 e h d 装置拥有无与伦比的工作性能成为可能，因为它不再使用高达几千伏的电 压。m e m s 和微加工技术的成熟和推广运用，目前驱动e h d 泵的电压已经降低 到1 0 0 v 以内，并且还有进一步下降的趋势，这使得e h d 泵的实际运用变得可 行了。 同时，在目前电子元件小型化以及微处理器的功率密度迸一步增加的大趋势 下，微型e h d 泵更具有自身显著的优点，由于采用由微型泵组成的微流体电子 冷却系统具有高效的冷却能力，先进的封装技术的使用，使得电场能直接作用在 热交换界面，可以有效地改善下一代电子元所产生的热量。达到目前的冷却技术 不能达到好的散热效果。本课题所研究的电水动力泵e h d 就是这一方向上最具 有潜力和前途的目标。 本课题研究的e h d 系统具有电压低、热阻小以及换热系数大的优点。在电 子冷却系统中使用电液动力微型泵具有以下优势： 1 ) 没有运动部件、持久耐用、低成本以及维护费用小。 2 ) 泵与流动通道整体集成，可设置在流动回路的任何位置，无需单独的空 间。因此泵体本身不会产生泄漏、承压问题。 3 ) 根据系统的要求极易实现泵的串并联组合，产生多没级泵的效果。而且 任意一级泵产生问题不会对整体系统产生重大影响。 4 ) 采用直流电为动力源，电流仅为微安级，耗电量小，易于调控。 5 ) 压直流驱动不产生附加磁场，不会干扰电子器件的正常工作。 目前，从国内外公开发表的文献来看，针对微通道中流体驱动采用电液动力 泵的研究非常少见，国内这方面的研究更是空白，加强这方面的应用基础研究的 意义，不仅能够解决微电子行业中高热流器件的冷却问题，更由于其能够精确检 测和控制流量，在药物微量输送、燃料微量喷射、细胞分离、微量化学分析以及 北京t 业人学工学硕 毕业论文 微小型卫星的推进等方面都有着重要的应用前景! 1 4 本论文的研究内容 本课题采用m e m s 技术、镀膜技术来加工微型电液动力( e h d ) 泵，探索e h d 泵的研制和试验过程，加深对e h d 现象的理解，为研究e h d 泵在微通道冷却系 统中的输送性能，改进和增强高热流器件散热的研究提供坚实的基础。课题的主 要研究内容如下： 在第二章中，将介绍微型电液动力( e h d ) 泵的基本原理。其中包括对于电水 动力现象原理和基本控制方程的介绍，通过分类研究，对于目前常见的几种e h d 泵的工作原理和特点进行了阐述，并且回顾了e h d 现象和e h d 泵在国内外的研 究状况。 第三章主要介绍微型电液动力泵的制作，制作是本课题的基础和关键，同时 也是工艺制作要求最高的部分，关系到微型电液动力泵的整体性能、测量精度等 许多因素。本论文通过对微型电液动力泵实验原理的分析，确定了微型泵的制作 方案。详细地介绍了实验件基板、电极、盖板、工作介质的选择，同时，介绍了 实验件加工的整个流程，封装过程。在硅和玻璃基板上进行了电极制作，用有机 玻璃制成了盖板，完成了实验件的封装的整个过程。 第四章主要介绍e h d 泵试验过程，包括试验设施和具体步骤的介绍，试验 结果的分析。通过微型电液动力泵静压力实验研究，初步探讨了电极的尺寸和分 布对微型电液动力泵静压力的影响；电场分布对输送性能的影响：电场的大小对 输送性能的影响；工作流体对输送性能的影响等等。 第五章回顾了实验过程中遇到的一些需要改进的问题，提出下一阶段的工作 重心。主要集中在改进实验过程中遇到的问题，并且将模拟与实验进行比较。 由于本次试验在时问和各方面条件的限制，只研究了e h d 泵作为驱动装置 的可行性，通过实验反映出来的问题需要进一步的改进。在第五章中，我们将对 研究中出现的问题提出今后需要改进的方向，希望能够设计出理想的e h d 泵。 第2 章微型电液动力泵的t 作原理 第2 章微型电液动力泵的工作原理 当介电液体处于电场中时，流体本身会受到电场力的作用，这个现象称之为 电水力效应( e l e c t r o h y d r o d y n a m i c 简称e h d ) 。电液动力学是研究电介质流体和电 场之间相互作用的一门科学领域，它主要考虑了电场对流体介质的作用；同时， 也可以被看作是运动介质中的电动力学。 在流体中，介质运动会对电场产生影响，而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。同时两 者相互作用会出现很多有趣的电流体现象。 微型电液动力泵是由微电极构成的泵，非传统意义上的机械泵，它没有运动 部件，其本身就是一种微电子动力装置。 2 1 e h d 驱动力 e h d 驱动流体的动力取决于电场力，由于微尺度模型还没有成功的解释力 如何作用于绝缘流体，目前仍然用能量守恒方程来计算由于绝缘流体中存在自由 电荷、介电常数、密度及外加电场使得能量增加。 通过麦克斯韦尔方程推导出，当在流场中施加一个电场，忽略磁场的影响， 流体所受到的力与电场之间的关系如方程【硼： 。f = q e 一丢脚甜三p 考酽】( 2 - d ，a 。 其中：，一单位体积流体所受的力，单位n ； ( 卜_ 一电荷密度； e 一电场强度，单位v m ； e 一流体的介电常数； p 流体密度，单位k g m 3 ； 公式中的三项代表了作用在流体上的三种力：第一项是作用于液体表面的电 荷的库伦力。这一项源自库仑定律，q 代表所有的电荷密度。对于e h d 模型， 只有一个方向的力，这表明施加在流体上的运动方向由施加的电场决定。 第二项是介电泳力，它是由介电常数梯度变化产生的，出现在液气交界面 上，该力与介电常数的梯度有关，把非介电泳力项展开，如下式所示： 吾e 2 v g = 三2 跏 骂c q p r 即+ 白朋 ( 2 - 2 ) 从式中可以看出，只有在两相或者非等温流体中，这一项才会起作用。 北京t 业大学t 学硕l 毕业论文 第三项是电致伸缩力。当电场不均匀或流体可压缩时，这个力才存在。利用 克劳修斯关系式可以分解电致伸缩力，如下式 v ( 三p 骞功- v ( 堕瓮型) 泣s ， 对于均匀的、不可压缩的工作介质，库伦力占主导地位。液体表面的电荷有 几种产生方式：由于绝缘流体的低导电性，在较低的场强下，电化学反应注入离 子；或者在高电场下，电解出离子；同时，导电率梯度随着温度变化也会产生空 间电荷。在这些过程中，电极液体表面的电荷注入是产生电荷的最主要的途径。 2 2 电液动力泵的工作原理 根据在电液动力泵中起决定作用的作用力的不同，可以大致分为e h d 离子 拖拉泵和e h d 极性泵两大类。其中库仑力起作用的电液动力泵属于e h d 离子拖 拉泵，而介电泳力起主要作用的泵属于极性泵。 2 2 1e h d 离子拖拉泵工作原理 e h d 离子拖拉泵可大致分为注入泵和非注入泵。注入泵主要是将空间自由 电荷通过电化学的方法注入到流体中，随后通过施加电场产生动力；非注入泵主 要是流体内部的电荷转移的种方法，它可以通过多种方法实现，每一种方法都 是注入泵的一个分支，例如注入微泵，极性微泵以及波形流动微泵。 离子拖拉泵是依靠库仑力来提供动力，利用电场来“拖拉”离子。通过电场 作用于流体中含有的空间自由电荷，使得这些电荷沿着电场方向流动，并拖拉流 体中的中性粒子随之流动，最终产生泵的效应。自由电荷两种来源：一种来自液 体和电极界面处的电子注入，另一种来流体中大分子之间的相互作用产生的离 子。 ? 肇一黟一 l ：二：二三：；i 阳离子 ( a ) 侧面图 s i d e v i “ 1 0 第2 章微型电液动力泵的t 作原理 + 一4 -一 + 一 一 流b 乒句 ( b ) 俯视图 t o p v i e w 图2 - 1 离子拖拉泵单极传导原理 f i g 2 - 1m e c h a n i s mo f i o nd r a gp u m p i n gu s i n gu n i p o l a rc o n d u c t i o n 图2 1 反映了工作流体在发射极和集电极之问的工作情况。当施加直流电压 时，阳极边缘注入阳离子，所以阳极作为发射极；注入的阳离子被拖拉至较近的 一端，这一端就是集电极。从图中可以看出，发射极产生了远远多于负离子的正 离子，从而产生了从发射极到集电极的净电荷流。由于阻力作用，一些阳离子的 能量转移到流体中，使得流体从阳极向阴极流动。另外，中性的h f e 7 1 0 0 分子 被这些电荷拖拉从而产生了流动p 0 - 3 。 2 2 2 注入型e h d 泵原理 注入型e h d 泵主要是依靠在电极处由于电化学反应产生的离子间的库仑力 驱动的。注入型e h d 泵需要有两个有渗透性的电极直接与液体接触达到泵送的 目的，这样就会在两个电极间形成压力梯度，并且导致流体从发射极向集电极流 动。因此最简单的装置就是在管内有两个相对独立的网格状电极，电极之间存在 一定的间距，如图2 - 2 ，这样可以提高非均匀电场的注入电流。e h d 泵的性能主 要依赖于电极的间距和其几何形状，还有硅片的微加工所能达到的微小尺寸。流 体间的运动主要取决于电场，以及自由空间净电荷及介电常数梯度。 北京工业大学t 学硕十毕业论文 i l l i ：- * r 0 0 l i l i i i i ：_ v i i l i 图2 - 2注入型e h d 泵 f i g 2 - 2a ne h di n j e c t i o np u m p a 在电介质中把直流电流传导与e h d 现象联系【3 2 】在一起是一个比较复杂的过 程。一般i v 曲线都是高阶非线性的，可以分成三个区域，如图2 - 4 所示。 图2 - 3 电液动力泵i v 关系图 f i g 2 - 3r e l a t i o n s h i po f i - v 在较低的电场时，电流与电压是线性关系的，这主要是因为液体中溶解了电 离的杂质。非极性液体的电阻系数都高于1 0 1 4 d c m ，而具有较高离化功率的极 性液体通常含有杂质，这样就会使它的电阻系数一般都不高于1 0 1 0 【) c m 。而在 中间区域( 2 0 k v c m ) 左右是饱和性的。也就是说随着电压的增加电流几乎不变。 这一阶段的传导原理主要是依靠离子的离解和电极周围产生的异性电荷。由于场 强的存在使离子移动，根据质量守恒定理，离解反应将得到进展，以促使离子数 恢复原来的状态，也就是保持离子数恒定性。在较高的区域( z 1 0 0 k v c m ) 随着 第2 章微型电液动力泵的t 作原理 电压的增加电流突然增加，这主要是因为突然注入了大量离子。这是由电极与液 体接口处的电化学反应造成的。因此注入型e h d 泵不是产生在中间部分就是在 高区域部分，而这两部分产生电荷的机理是完全不同的。注入型e h d 泵不仅仅 在直流电压下工作，也可以在较低频率的交流电压下工作。因为电荷在电极间的 运输时间决定了注入型e h d 泵所能使用的最高频率，因此通过微加工技术使尺 寸缩小就可以使用较高频率的电压。 注入型e h d 泵需要一个更完美的模型，计算公式也仍需完善。泵产生的静 压公式由s t u e z t e r 和p i c k a r d 给出1 3 3 删，如式( 2 - 4 ) 所示：( 其中d 为网格的间距， n 是电极形状的修正系数) 正班( ( 2 - 4 ) 以上两种泵都与被泵送流体的电力特性有关，也就是能控制流体的介电常数 和电导率0 。一般电导率在1 0 1 4 s c m 和1 0 母s c m 之间，而介电常数间接决定 电导率，因为f i - 的增加会导致电导率的增加。 电场作用下产生的传导电流如公式( 2 - 5 ) 所示： 3 5 】 工( x ，f ) = i q ( x , t ) e ( x ，f ) ( 2 5 ) 其中，j 横轴尺寸；i t 迁移率；t 一时问；e 一电场强度 p o i s o n 方程及连续性方程分别如式( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 所示： g ( 石，f ) = e o e , a e _ ( x , t ) o l ( x , o + 蚴：o 单位体积内含有的电荷q 产生的电场为： 。 q = q d 蠡 计算位移电流j d 五：等等下o d 毛曙 山2 j 言2 蒜2 百2 毛百 由此可见，产生的总电流与位置x 无关 ( 2 7 ) ( 2 8 ) j ( t m 化f ) + 岛詈 ( 2 9 ) 流体压差与电场关系： 塑掣：g ( x ，t ) e ( j ，f ) d 工 ( 2 1 0 ) 将( 2 6 ) 式代入得 p ( f ) = 三譬 e 2 ( d ，f ) 一e 2 ( o ，f ) 】 z ( 2 - 1 1 ) 由此可见，压差与场强成二次方关系，该现象早已被实验证明【8 1 。 2 2 3 非注入型e h d 泵原理 非注入型的e h d 泵是比较成熟的，并且已经考虑应用在商业产品中。这种 泵主要依赖于液体液体或液体固体接口处产生的自由电荷，通过作用在接口处 的行波电场产生的电力拖动或推动电荷运动而带动流体运动。图2 - 4 显示了非注 入型e h d 泵的原理图。第一个非注入型的e h d 泵由b a r t 和c o w o r k e r 3 6 造出 来。他们使用了三相行波电极模式，电极间距为l o p m 长度为2 3 5 u m 。在2 0 0 v 的交流电压下得到了他们的期望值。这也证明了微型e h d 泵的优点，但是有的 学者通过试验数据表明这种泵仅能有利于热传递，而且运行了3 0 0 个小时后，它 的泵送能力开始下降。 行鹱峨僚 一+ - 气 图2 4 非注入型e h d 泵 f i g 2 - 4 蚰e i - i di n d u c t i o np u m p s 在电场外部的电介质材料是非极性的，在均匀的电场中只有材料的表面的电 1 4 第2 章微型电液动力泵的t 作原理 荷被诱导。m e l c h 盯研究了两相流体模型和在两相流体中温度梯度的模型。在两 种物质的接触面处电荷被诱导，例如气体一液体。由于存在温度梯度，所以在温 度梯度的模型中液体中的电荷也能被诱导出来。这是因为电介质流体的电导率取 决于温度梯度，当电介质材料处在非均匀的电场时，容易被极化并产生体电荷密 度。电场变化时，电荷与电场相互作用导致流体被电荷带动而流动。 非注入型e h d 泵还需要控制电压的频率。在低频时，诱导的电荷很多，所 以密度就大，但拖拉的力较小；在高频时，拖拉的力大，但是电荷太少，所以合 力也不会很大。因此在高频或低频时流量都很小，只有当电场周期与流体的延迟 时间相同时，才能获得最大的流量。 2 2 4e h d 极性泵工作原理 在极性泵中，电场作用于非导电材料上产生的力由下式给出： i 】 ，= 圭v 【p s o ) e 2 】一圭内( 占一岛) ( 2 - 1 2 ) 如果忽略各偶极子之间的相互影响作用，上式可写为： ，2 壶v 【p 一) e 2 1 ( 2 1 3 ) 上升高度为h 时，重力表达式为： 忍2pgh(2-14) 电极与冷板中的流道集成一体沿流道分布，电极通电产生泵效应。其工作原 理是：一对平行极板插入电介质液体中，如果两极板的电势差是v ，由于静电力 强加在液体中的偶极子上，使得两极板间的液体上升。这个力是由电极端部的局 部电场强度产生的。 北京t 业大学丁学硕 毕业论文 电极 图2 - 5 极性微泵的原理图 f i g 2 - 5s c h e m a t i cd i a g r a mo f p o l a r i z a t i o nm i r o p u m p 2 3 文献回顾 e h d 泵的研究已经持续了近1 0 0 年，人们对它至今还是充满了兴趣。本节 着重介绍e h d 离子拖拉泵的研究情况： 在本世纪初，人们就已经知道电介质流体可以被电场驱动，早期的工作仅仅 处于理论层次上，而缺少完整深入地研究和实验支持。五十年后，一些科学家对 这个现象和它的应用有了全新的理解。 2 3 1 大型离子拖拉泵 首先，s t u e t z e r 在他的文章对离子注入产生电压进行了研列如，并通过大量 的实验工作对他的研究预测进行了支持。s t u e t z e r 通过一个非极性模型，对三种 电极模型：线性电极，圆柱电极和球状电极，进行了实验。在他的第一篇论文中， s t u e t z e r 重点研究了静态压力的产生，一年后的论文中，他着重研究了动态情况。 3 8 o 同时，他第一个描述了i - v 曲线并且定义了各自区域。后来，s c h m i d t 进一 步详细叙述和改进了他的模型【3 9 1 。 该研究开始于s t u e t z e r 结束于p i c k a r dm o l ，p i c k a r d 提出了一个经典的关系式： 在两个平行电极中间e h d 泵压力和电场的关系式：p = 9 8 占e 2 ，并且发展了离 子拖拉泵的理论，同时积累了大量的静态和动态实验数据。 另外对离子拖拉泵领域研究有影响的人物是m e l c h e r ，他无量纲化了e h d 控制方程，并引入了一个新的参数电子雷诺数。通过他们自制的直流电压控 制泵，m e l c h e d e r 得出了结论：压力和效率取决于电子雷诺数。 1 6 第2 章微型电液动力泵的工作原理 c r o w l e y 等首先建立了考虑到工作介质的材料特性( 粘性、介电常数和移动 性) 模型【4 l 】。他建立了简单的e h d 泵模型，综合考虑了电荷变迁的所有影响因 素，如对流，迁移和传导，这是对他前期研究离子拖拉泵效率的一个深化。c r o w l e y 和他的研究组得出结论【4 2 】