（机械电子工程专业论文）串联式开通道直流电渗泵的设计.pdf

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( 或我个人) 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，也不包含为获得西南科技大 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：日期： 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期： 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 电渗泵无需可移动机械部件，其微加工工艺简单，容易与其他微器件实 现单片集成，可获得很高的压力性能，压力输出连续并且无脉动，可广泛应 用于高效液相色谱仪、微全分析系统、片上实验系统、微冷却系统、微量给 药装置、微机械器件流体驱动等场合，是微系统中输出压力和流量的液压致 动元件。本论文的目标是设计同时具有低驱动电压、高压力和高流量的性能 趋势的电渗泵，为了使设计的电渗泵能够实现片上集成，其结构设计必须满 足标准的m e m s 微加工工艺。 本文首先研究了电渗流产生的基本原理；分析了微通道中双电层产生的 机理，并采用p o s s i o n - b o l t z m a n n 方程描述了z e t a 电势的分布状态；采用 n - s 方程和d e b y e - h u c k e l 近似得到了开通道电渗泵中最大流量、最高压力以 及热动力效率的的解析表达式；最后描述了等效电路法求解串联开通道电渗 泵的电渗流性能的方法。 采用理论模型求解和有限元数值仿真的方法分析了影响电渗泵性能的因 素，主要包括驱动电压、微通道的尺寸、微通道截面形状和工作溶液的性质。 总结出了各因数影响电渗流性能的趋势，为串联式开通道直流电渗泵的设计 提供了理论依据。 结合m e m s 微加工工艺，设计了并、串联相结合的电渗泵微通道结构；金 属电极的设计满足微加工工艺要求，可集成制作在硅衬底上。应用 c o v e n t o r w a r e 的虚拟微加工建模方法建立了单级并联微通道电渗泵的三维 模型，对电渗流性能进行了数值分析，结果表明设计的串联式开通道电渗泵 结构具有高流量高压力的优势。设计了串联式开通道直流电渗泵的微加工工 艺流程，采用l - e d i t 绘制了串联开通道电渗泵的加工版图，制作了串联开通 道电渗泵工艺样品。 关键词：m e m s电渗微泵微流体仿真微机械加工 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t e l e c t r o o s m o t i cp u m pd o e s n tn e e dm o v i n gm e c h a n i c a lp a n s ，c a nb e f a b r i c a t e d b y t h e m i e r o m a c h i n i n gp r o c e s s a n d i n t e g r a t e d w i t ho t h e r m i c r o - d e v i c e sa n dc a ng e n e r a t em o r eh i g hp r e s s u r e e l e c t r o o s m o t i cp u m pi st h e h y d r a u l i c a c t u a t o rc o m p o n e n ta n dc a nb eu s e di nh p l c ( h i g hp r e s s u r el i q u i d c h r o m a t o g r a p h y ) ，l x t a s ( m i c r ot o t a l l ya n a l y s i ss y s t e m ) ，c h i pt e s ts y s t e m ，m i c r o c o o l i n gs y s t e m ，m i c r od r u gd e l i v e r ys y s t e ma n df l u i d d r i v e nm i c r o m e c h a n i c a l d e v i c e s ，e t c t h eg o a lo ft h ep a p e ri st od e s i g nak i n do fe l e c t o o s m o t i cp u m p w i t h l o wv o l t a g e ，h i g hp r e s s u r ea n dh i g hf l o wr a t e c o n s i d e r i n gt h ea p p l i c a t i o no f o n c h i pi n t e g r a t i o n ，t h es t r u c t u r eo ft h ee l e c t r o o s m o t i cm u s tm e e tt h es t a n d a r d s o fm e m sm i c r o m a c h i n i n gp r o c e s s t h eb a s i cp r i n c i p l e so ft h ee l e c t r o o s m o t i cp h e n o m e n o na r es t u d i e d t h e m e c h a n i s mo ft h ee l e c t r i cd o u b l el a y e r sg e n e r a t e di nt h em i c r o c h a n n e l si s a n a l y z e d ，a n dt h e d i s t r i b u t i o no ft h ez e t ap o t e n t i a li sd e s c r i b e db yp o i s s o n e q u a t i o na n db o l t z m a n ne q u a t i o n t h et h e o r e t i c a lm o d e l so ft h em a x i m u mf l o w r a t e ，m a x i m u mp r e s s u r ea n dt h et h e r m a ld y n a m i ce f f i c i e n c ya r ed e r i v e dw i t ht h e d e b y e h u c k e la p p r o x i m a t i o n a n dt h en s e q u a t i o n t h e s o l u t i o no ft h e e q u i v a l e n tc i r c u i ta b o u tt h ee l e c t r o o s m o t i ef l o wo f t h ec a s c a d eo p e n 。c h a n n e ld c e l e c t r o o s m o t i cp u m pi sd e s c r i b e d t h ef a c t o r se f f e c to nt h ep e r f o r m a n c eo ft h e e l e c t r o o s m o t i c p u m p ， i n c l u d i n gv o l t a g e ，t h es i z eo ft h em i c r o c h a n n e l s ，t h es h a p eo ft h em i c r o c h a n n e l s a n dt h ec h a r a c t e ro ft h ew o r k i n gs o l u t i o n ，a r ea n a l y z e db yt h e o r e t i c a lm o d e la n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h ep e r f o r m a n c et e n d so ft h o s ef a c t o r se f f e c t i n go nt h e e l e c t r o o s m o t i cp u m pa r ec o n c l u d e da n dp r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ed e s i g n o ft h ec a s c a d eo p e n - c h a n n e ld ce l e c t r o o s m o t i cp u m p t h es t r u c t u r eo ft h ec a s c a d eo p e n - c h a n n e ld ce l e c t r o o s m o t i cp u m pw i t h p a r a l l e lm i c r o c h a n n e l sa n dc a s c a d em i c r o c h a n n e l si sd e s i g n e db yc o n s i d e r i n gt h e m e m sm i c r o m a c h i n i n gp r o c e s s t h em e t a le l e c t r o d e sc a nb ei n t e g r a t e dw i t ht h e s i l i c o ns u b s t r a t eb ym i c r o m a c h i n i n gp r o c e s s t h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo f o n e s t e pp a r a l l e l m i c r o c h a n n e l se l e c t r o o s m o t i ep u m pi se s t a b l i s h e db yt h e m o d e l i n ga p p r o a c h o fv i r t u a lm i c r o m a c h i n i n go ft h ec o v e n t r o r w a n r e t h e 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 n u m e r i c a ls i m u l a t i o na b o u tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ee l e c t r o o s m o t i cf l o wi sd o n e b y c o v e n t o r w a r e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec a s c a d eo p e n c h a n n e l d c e l e c t r o o s m o t i cp u m ph a st h ep e r f o r m a n c et r e n d so fh i g hf l o wr a t ea n dh i g h p r e s s u r e t h ep r o c e s so ft h em i c r o m a c h i n i n go ft h ec a s c a d eo p e n - c h a n n e ld c e l e c t r o o s m o t i cp u m pi se d i t e d t h ep r o c e s s i n gm a p so ft h ec a s c a d eo p e n 。c h a n n e l d ce l e c t r o o s m o t i cp u m pa r ed r a w nb yl e d i ta n dt h es a m p l e so ft h ec a s c a d e o p e n c h a n n e ld ce l e c t r o o s m o t i cp u m p a r ef a b r i c a t e db ym e m sm i c r o m a c h i n i n g p r o c e s s k e yw o r d s ：m e m s ；e l e c t r o o s m o t i cm i c r o p u m p ；m i c r o f l u i d i c s ；s i m u l a t i o n ； m i c r o f a b r i c a t i o n 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 v 页 目录 1绪论1 1 1电渗泵的应用背景与研究意义1 1 2 电渗泵的分类及研究现状1 1 2 1 多孔介质型电渗泵1 1 2 2 开放通道电渗泵5 1 2 3 并联式开放通道电渗泵7 1 2 4 串联式开放通道电渗泵8 1 3本课题研究意义、研究目的及研究内容9 2电渗泵理论模型1 1 2 1电渗泵的原理1 1 2 2 双电层1 l 2 2 1 双电层的形成1 1 2 2 2 双电层z e t a 电势的分布13 2 3开通道内直流电渗流的数学模型1 5 2 3 1 单个开通道电渗泵的电渗流描述方程1 5 2 3 2 热动力效率分析1 9 2 3 2 串联开通道直流电渗泵的等效电路模型2 2 2 4 小结2 6 3电渗泵性能的解析分析和数值分析2 7 3 1c f d 数值仿真软件简介2 7 3 2 驱动电压对电渗流的影响2 9 3 3通道尺寸对电渗泵性能的影响3 l 3 3 1 通道宽度的影响一3 l 3 3 2 通道深度何的影响3 3 3 3 3 通道长度三的影响3 7 3 4通道几何截面的影响3 8 3 5 电解溶液的影响3 9 3 5 1 平均离子浓度3 9 3 5 2 介电常数4 0 3 5 3 温度的影响4l 3 6 小结4 2 西南科技大学硕士研究生学位论文第v 页 4串联开通道直流电渗泵的设计j j 4 3 4 1 串联开通道直流电渗泵的结构方案4 3 4 2通道尺寸的选择4 4 4 3泵体材料的选择4 5 4 4减小局部压力损失的结构设计4 6 4 5电极设计4 9 4 6蓄液槽5 3 4 7理论分析及有限元仿真分析5 5 4 7 1 理论模型求解5 5 4 7 2 等效电路模型求解5 6 4 7 3c o v e n t o r w a r e 有限元仿真分析5 7 4 8 小结6 1 5串联开通道电渗泵的微加工6 2 5 1制作开通道电渗泵的微加工技术6 2 5 1 1 集成电路工艺6 2 5 1 2 体微加工技术6 3 5 1 3 表面微加工6 4 5 1 4 特殊m e m s 加工技术一6 4 5 2串联开通道电渗泵的加工工艺设计6 5 5 3 小结7 4 结论7 5 致 谢7 7 参考文献一7 8 i j l 寸录8 2 攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果9 2 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1绪论 1 1 电渗泵的应用背景与研究意义 电渗泵( e l e c t r o o s m o s t i cp u m p ) 是一种非机械式的微型泵。与其他微机 械泵相比，电渗泵有以下优点：无需止回阀、活塞等可移动机械部件，微加 工工艺简单，器件可靠性高，容易与其他微器件实现单片集成；高压性能好， 已有能够产生最高流体压力达2 m p a f 和3 0 m p a 心1 的多孑l 介质电渗泵的报道， 而其他类型的泵通常仅能提供0 1 m p a 左右的最高压力；电渗泵驱动流体范 围宽广，如可以是：乙腈强，、去离子水托，和缓冲高导电水溶液等b ，；驱动力的 施加是连续的，压力输出无脉动；驱动力直接作用于流体，流速平滑，可以 获得更好的控制性能，尤其是在液体传输中，传输量可以精确控制。作为微 流体系统的关键执行器，电渗泵可用于高效液相色谱仪、微全分析系统、片 上实验系统、微冷却系统、微量给药装置、微机械器件流体驱动等场合，是 微系统中输出压力和流量的液压致动元件。 1 2电渗泵的分类及研究现状 根据电渗泵的结构特征将其划分为两类：多孔介质型电渗泵和开放通道 电渗泵。多孔介质电渗泵的通道，由微粒之间的间隙或多孔材料的内部小孔 形成。开放通道电渗泵的微通道，主要采用干法刻蚀工艺和湿法腐蚀工艺成 形，通道截面一般为规则的几何形状，如矩形和三角形。随着对开放通道电 渗泵的深入研究，提出了具有不同性能的并联多通道电渗泵和串联通道电渗 泵。 1 2 1 多孑l 介质型电渗泵 根据多孔介质型电渗泵多孔介质形成方法的不同，将其分为三类。 ( 1 ) 填充床多孔介质电渗泵 填充床多孔介质电渗泵是通过将介电微粒( 一般为直径l 5 1 a m 的硅胶) 填充到熔石英毛细管( 0 5 0 8 0 0 p m ) 中，再采用多孔玻璃材料填充到毛细管 两端，烧结形成毛细管的柱塞，如图2 所示，。 图1 - 1填充床多孔介质电渗泵 f i g 1 1 s c h e m a t i cv i o wo ft h ep a c k e db e dp o r o u sm e d i u mo i e c t r o o s m o t i c p u m p 通道中微粒之间的孔形成了间隙通道，孔隙在长度和径向上的分布可以 看作是许多直径极细的毛细管的集合。电解溶液与微粒接触时，介电微粒被 双电层所包围。外加电场与各微粒上形成的z e t a 电势进行耦合作用时，介电 微粒所形成的间隙通道便可形成电渗流。在填充床多孔介质电渗泵中，介电 微粒之间孔非常小形成很高的水力阻力，同时间隙通道内湿周表面积与流体 体积之比非常大，因此填充床电渗泵压力输出可高达几m p a 到几十m p a 。但 流量非常小，通常为几十n l m i n 到几i _ t l m i n 。 p a u l 等，首先报道了一个采用硅胶微粒填充圆柱毛细管的电渗泵，在 1 5 k v 的应用电压下，产生了lm p a 的流体压力，流量输出为0 0 3 i _ t l m i n 。 为高流体压力电渗泵的研究奠定了基础。 z e n g 等，将3 5 1 a m 直径的无孔硅胶粒子填充到5 0 0 7 0 0i t m 直径的熔融 石英毛细管中，再在通道两端填充多孔玻璃材料，通过烧结形成柱塞，形成 了一个填充床多孔介质电渗泵。以去离子水作为测试流体，在2 k v 电压下获 得超过2 m p a 压力、3 6 “l m i n 流量的微泵，计算得到其热动力效率为1 3 。该填充床电渗泵显示了更高的流体压力性能，但是热力效率较低。原因 是电解质中有电流通过，产生很高的焦耳热。 r e i c h m u t h 等一通过向电解液中添加两性离子溶液，使电解液的介电常数 得到提高，同时降低流体的黏度，而两性离子溶液对流体的双电层厚度、z e t a 电势和p h 值影响很小。这使得电渗泵的压力和流量性能都有所改善，泵的 热力学效率可达到5 6 。 c h e n 等 ，针对高压微流量电渗泵的性能进行了研究。通过实验分析了毛 细管尺寸、填充微粒尺寸、电压和电解质对电渗流压力流量性能的影响。为 填充床电渗泵的性能优化提供了依据。 填充床电渗泵是首先经实验论证具有很高输出压力的电渗泵，其性能也 在相关学者的研究过程中得到提高。但其制备过程复杂，柱塞的制备需要烧 结，工艺与当前的微加工工艺不匹配，无法实现填充床电渗泵与其他微器件 的芯片集成就用。 ( 2 ) 整体柱多孔介质电渗泵 采用具有多孔性的整体柱材料作为电渗泵通道介质，是十分理想的选择。 多孔材料易于制备，材料的多孔性和表面化学性质可通过制备方法控制，同 时避免了烧结柱塞的制作过程。 t r i p p 等，制备出了聚合单体( 氯甲基苯乙烯二乙烯苯单体) 的电渗泵， 并研究了微泵性能影响的一些重要参数，包括：整体柱的孔尺寸、可电离部 分的百分率、交联密度、驱动电压对流速和压力的影响等。在5 0 v 电压下， 泵的压力可达到0 3 8 m p a ，流量为0 4 l m l m i n 。由于该泵的通道较短，可采 用较低的驱动电压，而且具有较高的压力输出和较大的流量输出。 w a n g 等- ，采用匀浆填充法将特制的化学溶液( 配方详见参考文献1 0 1 4 ) 注入到0 1 0 0 i - t m x 4 0 m m 的毛细管中，通过化学、物理处理形成多孔硅胶整 体柱。整体柱上孔的尺寸为3 5 9 m 。采用乙腈作电解液得到最高热力效率 为2 2 ；使用去离子水为电解液，施加6 k v 电压，测得最大输出流量2 9 “l 和最大输出压力3 m p a 。 w a n g 等细，在制作整体柱多孔介质电渗泵的过程中，采用全氟磺酸质子交 换膜将阴极电极与电解介溶液隔离。这种膜允许电流渗透过此膜，使电解液 在通道外的阴极电极维持电解反应，但阻止电解产生的汽泡和离子浸入通道。 该方法有效地缓和了电解汽泡对电渗流性能的影响。 ( 3 ) 多孔介质膜电渗泵 一些具有微纳米尺寸孔的多孔介质膜具有一定的强度、很好的韧性等特 点，可用于取代填充微粒介质，构成多孔介质膜电渗泵。多孔介质膜的成形 技术已经成熟，膜的多孔性和孔尺寸很容易通过工艺控制，成本低，很多已 经用于商业化生产。 y a o s ，等应用硼硅酸盐玻璃材料制作了直径3 0 m m 、厚度1 5 - 3 m m 的多孔 介质膜，并将其装配在专门设计的泵体中，组建了一个多孔介质膜电渗泵， 如图1 2 。实验测得泵的最高流体压力可达0 2 m p a ，最高流量可达7 m l m i n 。 多孔介质膜的平均孔径为o 8 l g m ，直径高达3 0 m m ，使得电渗泵同时具有 高压力输出和高流量输出的特性。但该泵长期工作性能很差，其原因是没有 设计防止电解汽泡影响的装置。 端盖( o 彤翻密封) ，用玻璃粉烧结成的泵 图卜2玻璃粉烧结成的电渗泵临0 1 f i g 1 2 s i n t e r e dg i a s sf ri tp u m p 2 0 1 随后，y a o 等又采用多孔硅膜制作的电渗泵实现了单位电场下很高的 流量输出。在2 5 v 驱动电压下，测得多孔硅膜电渗泵最大输出流量为 3 2 m l m i n ，每单位电场下最大流量为0 1 3 m l m i n ，该结果是先前硼硅孔玻 璃多孔介质膜电渗泵的5 倍。这是由于不同材料、不同工艺制的多孔介质膜 ( 图1 3 ) ，其电化学性能、多孔性和孔径各不相同o ，n ”。 图1 - 3 多孔硅结构电镜扫描图n f i g 1 3 s e mo fp o r o u ss iii c o ns t r u c t u r e 2 p r a k a s h 等1 为了使多孔介质膜电渗泵获得超过lm p a 的高输出压力，串 联l o 个单级多孔介质膜电渗泵，制作了一个多级高压力输出电渗泵，如图 1 4 。在3 7 0 v 的影响，该多 求。 图1 - 41 0 级串联多孔介质膜电渗泵 f i g 1 4p h o t o g r a p ho fa1 0 一m e m b r a n ee i e c t r o o s m o t i cp u m pw i t hm o d u i a rs t a g e s i nc a s c a d e 多孔介质膜的制备方法很成熟，膜的多孔性和孔径易于控制。但是一般 采用装配方式来组建一个多孔介质膜电渗泵，需要设计专门的泵体来固定多 孔介质膜，因此需要使用密封装置防止泄漏。这使得电渗泵本身的密封性和 抗高压能力变得很差，在与其他微器件集成使用时，装配工艺也更复杂。 1 2 2 开放通道电渗泵 在电渗微泵研究中最关键的一个问题是要实现电渗泵与其他微器件的芯 片集成。多孔介质电渗泵有很好的电渗流性能，但是制作工艺过程复杂，与 标准微加工工艺不相匹配，很难与其他微器件实现芯片级的集成。尤其是： 填充床电渗泵要采取烧结的方式制作柱塞；多孔整体柱材料也需要复杂的化 学制备过程；多孔介质膜往往是采用装配方式形成电渗泵，并且需要安装密 封件。 c h e n 等人”将两块( 5 0 r a m 7 5 m m 1 2 m m ) 钠钙玻璃作为衬底，首 次采用光刻和化学湿法腐蚀等微加工技术，在其中一块衬底上刻蚀出矩形开 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 放通道，在另一块衬底上刻蚀出两个溶液入口、出口以及蓄液池，再通过阳 极键合将两块衬底键合在一起，组合成一个矩形开放通道电渗泵，如图1 5 所示。泵通道长1 m m 、宽4 0 m m 、深约1 p , m 。采用去离子水作为电解溶液， 施加1 k v 电压，最大压力为o 0 3 3 m p a ，最大流量为1 5 p , l m i n ，泵内电流约 为2 1 t a ，热动力效率为0 4 9 。c h e n 首次采用微加工工艺制作的矩形开放通 道电渗泵需要很高的驱动电压，而且不具有高压力输出的性能，热动力学效 率很低，但由于其结构新颖受到了一定的关注。 蓄液槽 深l o t t m 侧曲剖视幽 图1 _ 5开放通道电渗泵示意图 e i e c t r o o s m o t i cp u m p m i n 等心”针对开放通道电渗泵提出了一种基于平均方法的矩形通道电渗 流的建模方法，建立了不含d e b y e h u c k e l 近似条件的平均p o i s s o n b o l t z m a n n 分布方程和平均动力学方程，使得电渗流的解析模型更加简化。当z e t a 电势 很高时，采用原始d e b y e h u c k e l 近似条件的p o i s s o n - b o l t z m a n n 分布方程的 求解模型的求解结果与数值仿真结果不吻合。不论z e t a 电势大小，该方法都 与数值仿真方法吻合较好。 h u 等幢建立的电渗流的解析模型无需使用p o i s s o n b o l t z m a n n 方程、 d e b y e h u c k l e 定律和对称条件，适用于更加复杂的传输条件下求解。h u 等运 用该解析模型与数值仿真对通道深l p , m 、0 5 p , m 、0 2 m 和0 1 p m 的电渗泵中 z e t a 电势分布、离子浓度分布和静电荷密度分布状况分别进行了计算和仿真。 结果表明：当泵通道的深度低于l i x m 时，双电层在通道中心交迭，中心z e t a 电势不为0 ，p o i s s o n b o l t z m a n n 方程对离子浓度分柿的描述不再适用。h u 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 等的理论研究指出了传统的电渗流理论求解模型的不足，新的求解模型使以 后电渗泵的理论分析更加准确。h u 等幢2 ，设计、制作了一组矩形通道电渗泵， 采用新的解析模型对电渗流的性能进行预测结果与实验测试结果基本相符， 证明了新的解析模型的有效性。 基于微加工的开放通道电渗泵出现以后，有研究者针对单通道电渗泵需 要高驱动电( l k v ) 、低输出压力( o 1 m p a ) 和低热力效率( l k v ) 和低输出压力( 0 1m p a ) 的缺陷，t a k a m u r a 等他首次设计了一个15 级串联式开放通道电渗泵，如图 1 7 所示。其基本原理是将具有1 0 条通道的并联式开放通道电渗泵( 单个通 道5 p m 2 0 i _ t m ) 通过一个宽通道与下一个并联多通道电渗泵串联。并联式开 放通道电渗泵的单个通道小，出口和入口两端施加正向电压时，产生高压电 渗流。宽通道的入口和出口两端施加的是反向电压，产生与并联式开放通道 电渗泵相反方向的电渗流，形成反向背压。由于通道很宽，电渗流通过宽连 接通道时压力降非常低。因此，串联式开放通道电渗泵每通过一级能够形成 递增的累积压力。 + 电极 图1 - 7串联通道电渗泵示意图 f i g 1 7 s c h e m a t i cv i e wo fc a s c a d eo p e nc h a n n e ie i e c t r o o s m o t i cp u m p 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 由于串联电渗泵累积压力的特点，在低驱动电压的条件下，可以通过多 级串联，使电渗泵保持高压力性能。其理论驱动电压可以低至几伏特，这是 实现低驱动电压高压力开放通道电渗泵最有效的方法之一。继t a k a m u r a 提出 的串联通道电渗泵之后，a n d e r sb r a s k 等扭”通过半解析等效电路法和数值仿 真的方法对串联通道电渗泵的电渗流进行了理论研究。 游炜臻幢引设计制作了一种具有平行微通道的多级低电压玻璃基微电渗 泵，单元电渗泵通道由平行微通道构成并通过修饰使其表面交替带正、负电 荷，每个单元电渗泵通道两端施加相同的电压，即通过电渗泵单元串联、驱 动电压并联的做法实现电渗泵压强串联，在不增大电压的条件下增大电渗泵 的输出压强，实现低电压下驱动流体，如图1 8 所示。同时考察了电场强度、 单元电渗泵级数对电渗泵流速及压强的影响。 图卜8y 型无电场微电渗泵芯片实物照片心 f i g 1 8 p h o t oo ft h ec h i po fy c h a n n e lm i c r oe i e c t r o o s m o t i cp u m pw i t h o u t e i e c t r i cf i e i d m l 1 3 本课题研究意义、研究目的及研究内容 串联开通道电渗泵的提出，使得我们在解决电渗泵的高驱动电压问题下 变得明朗。由于串联开通道电渗泵具有压力逐级累积的作用，因此可以在低 驱动电压下，通过将微通道先并联再串联的方式来实现电渗泵的高流量和高 压力输出性能。随着驱动电压的降低，产生的焦耳热减小，使得微泵的热动 + _ _ _ _ 垂塑型垫奎兰塑主堡窒竺兰垡笙垂篁! q 夏 力效率提高。低驱动电压、高压力和高流量的电渗泵是满足与其他器件芯片 集成应用的必要条件，串联开通道电渗泵具有以上性能条件的发展趋势。 目前，国内外针对串联式开通道电渗泵研究报道非常少，理论分析研究 居多。串联式开放通道电渗泵的实际制作加工存在的难点，以及实际工作状 态下的压力累积效果还有待研究。本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 串联开通道电渗泵的理论建模 电渗泵的基本控制方程包括：l a p l a c e 方程、p o i s s o n - - b o l t z m a n n 方程、 n a v i e r s t o k e s 方程和能量平衡方程。基于以上控制方程，本文的理论研究 工作主要包括：考虑焦耳热效应，研究微尺度下电渗泵电一力一热等多域能 量耦合理论模型。 ( 2 ) 串联开通道电渗泵的参数优化 影响电渗泵流量、压力和热动力效率的主要因素包括：开通道结构、电 场强度、温度、溶液浓度、溶液介电常数和溶液的动力粘度。 本文通过研究电渗流的理论模型预测各参数对电渗泵输出流量、压力和 热动效率的影响趋势，粗略进行参数优化；采用m e m s 数值仿真软件 c o v e n t o r w a r e 对单级并联开通道电渗泵性能及多级串联开通道电渗泵性能进 行仿真分析，对各参数进行了进一步的优化。 ( 3 ) 串联开通道电渗泵的结构设计 串联开通道电渗泵基本结构设计。包括：微流体进出口通道、蓄液槽、 微通道结构尺寸、电极等。其设计要求同时满足高压、高流量指标。 电渗泵的性能测试接口设计。电渗泵的通道尺寸在微米量级，相对庞 大的测试装置无法直接测量电渗泵中流体z e t a 电位、流量和压力等性能参数， 可在微泵的初始设计阶段进行测试装置的接口设计。 以上结构设计首先必须与微加工艺相匹配，在微加工工艺约束条件下， 结合参数优化研究，进行结构的优化设计。 ( 4 ) 电渗泵的微加工关键工艺 结合中国工程物理研究院电子工程研究所微系统中心的微加工条件，根 据结构设计中工艺可行性的分析，进行详细的微加工工艺路线的设计，以保 证所加工电渗泵精度高，并尽量降低制作成本。 2电渗泵理 本章介绍了电 并结合p o s s i o n 方 d e b y c - h u c k e l 近似 型、最高压力求解 道电渗泵的等效电路分析方法。 2 1 电渗泵的原理 电渗泵是基于电渗作用驱动电解液向前流动，称之为电渗流。电渗现象 是指电解液与通道管壁接触时，管壁表面会产生不动的表面电荷幢”n ”，使固 液界面上形成了双电层( e d l ) ，双电层中离子从壁面到流体中心呈梯度分布， 在微通道两端外加垂直电场，带电荷的离子就会在电场作用下作定向迁移， 由于液流具有一定的黏性，带电荷的离子就会带动其周边液体做定向迁移， 形成电渗流。电渗流产生机理如图2 1 所示，。 低压 r e一鼠 iy 。 高压 图2 - 1电渗流驱动原理图 f i g 2 1 s c h e m a t i cv i e wo ft h ee i e c r o o s m o t i cf i o wo ri n c i p i e 2 2双电层 2 2 1 双电层的形成 双电层的产生是基于界面化学原理。当固体材料与电解液相接触时，会 产生复杂的电化学反应，使固体产生表面电荷姐”。固体表面电荷的形成主要 是由以下原因引起t ，3 1 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 2 页 ( 1 ) 固体表面基团的离子化。当溶液与固体表面接触时，随介质p h 的变化，固体表面基团会发生不同程度的离解而使粒子带电。如图2 2 所示， s i 与p h 不同的溶液接触时，可以和h + 或o h 。结合而带正电或负电m 。 蜒 8 i 8 i 戳 0 4 0 4 o h ； 末- 图2 - 2p h 值对s i 表面电荷的影响1 f i g 2 - 2 t h ep he f f e c to nt h es u r f a c ec h a r g eo fs i 。1 ( 2 ) 离子吸附作用 固体表面由于对各种离子的亲和力不同而发生选择性吸附。表面所吸附 离子的正负决定了界面两侧的电荷的正负。例如玻璃，在玻璃管道壁面和极 性介质接触时，s i o h 离解从而在玻璃壁面上产生带负电荷的s i o ，s i o 因而 吸引在溶液中带正电的离子聚集在玻璃壁面上”。 表面电荷吸引电解液中与之对应的抗衡离子，使其紧贴于固体表面，形 成了紧密层( s t e r nl a y e r ) 。该层厚度约l 2 个离子，离子脱水，在外加电场 作用下不可移动”。紧密层之外一定区域内，表面电荷吸引力随距离增加逐 渐减弱，抗衡离子按照一定梯度分布，同时该区域同性离子受到表面电荷排 斥，分布方向与抗衡离子梯度方向相反。因此该区域抗衡离子浓度比同性离 子浓度高，而且可移动，该区域称之为扩散层( g o u y c h a p m a nl a y e r ) 。紧密 层和扩散层共同组成了双电层。图2 3 中所示为固体表面带负电荷( 电渗泵 通常使用玻璃和硅基材料，与电解质接触时形成负的表面电荷) 时的双电层 分布示意图。整个双电层厚度从几十纳米到几百纳米不等，而双电层以内到 通道中心的电解质呈电中性”。双电层在壁面处的电势最大，在扩散层中电 位势迅速减小，将紧密层与扩散层边界之间的电位势称为z e t a 电势( - p o t e n t a i l ) 。 西南 图2 - 3双电层分布 fig 2 3 t h edis t rib u tio no feie c t ric aid o u bieia y e r 2 2 2 双电层z e t a 电势的分布 众多对电渗泵的研究中，采用的是p o s s i o n b o l t z m a n n 方程来预测通道中 电势和离子的分布状态。p o s s i o n 方程描述了静电荷密度与电势之间的关系， 该方程为： 箕+ 箕：一立 ( 2 _ 1 ) 舐2 o y 2 e e o 式中r 一为介质的介电常数； 8 0 一一为真空介电常数( c 2 ( n m 2 ) ) ； 弘，_ 一双电层电势( v ) ； p c 单位体积净电荷密度。 事实上，b o l t z m a n n 方程成立的条件是电解液的电化学势处于平衡状态， 即： v u t = 0 ( 2 2 ) 甜表示i 型离子的电化学势，可表示为： “产u o + k b t l n n , + 乞p y ( 2 3 ) 式中，甜? 表示i 型离子的电化学势常量；k b 为玻尔兹曼常数；t 为绝对 温度；甩i 表示i 型离子的浓度；z i 表示i 型离子的化合价；e 为电子电量。 将( 2 - 3 ) 式代入( 2 - 2 ) 可以得到： 竺v 沙：一土v ( 2 - 4 ) k in i i 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 双电层理论中，假设某点到壁面的距离为三= ，则长度方向v 杪2 0 ，n i 2 以o ，其中刀。是溶液的平均离子浓度，r i 为溶液中i 型离子的离子浓度。结合 以上边界条件求解方程( 2 4 ) ，得到b o l t z m a n n 分布方程： = n oe x p ( 一1 z , _ e g f ) ( 2 5 ) b o l t z m a n n 分布描述了双电层中溶液的离子浓度与z e t a 电势之间的关系。 采用b o l t z m a n n 方程来描述双电层中的离子浓度，是因为在电渗泵的微通道 内流体的流速非常缓慢，当流体达到一定速度并持续流动时，离子浓度在轴 向无浓度梯度变化，则单位体积的净电荷可以表示为 成= p n 乞e x p ( 一学) ( 2 - 6 ) 式中表示溶液中有n 种离子。当溶液为对称电解液时，即电解液中的正负 离子的电荷数对称相等，可以得到单位体积内的净电荷密度表达式为： 见2 e z n o ( e x p ( 一嚣) - e x p ( 嚣) ) - - 2 e z n os i n h ( 器) ( 2 - 7 ) 将式( 2 - 7 ) 代入式( 2 1 ) ，p o i s s o n 方程变化为： 等+ 等= 等s i n h ( 嚣， o 趵 一1 卜一= 一 一 厶， 耐 却zs s qk l 。 设微通道有效工作壁面之间的宽度为w ，对( 2 - 9 ) 式进行无量纲化，定 义无量纲参数为t 妙2 荔x2 一w y 2 二w y2 菇 k 丁 心丁 则( 2 - 9 ) 式经无量纲处理后的表达式为： 尝i 等：2 w 2 e 2 2 2 n os i n h ( 9 , l - ) (2-9)0 = 一s ，厶一了， x 2 。o