电液动力微泵的实验分析

　　O前言

　　随着MEMS和微加工技术的发展和成熟，基于MEMS加工技术的电液动力微泵，被认为将在微流体冷却系统占有重要地位[l1。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;采用直流驱动，不产生附加磁场，不会千扰电子元件工作。电液动力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[2]。

　　电液动力泵的研究由来已久，早期的电液动力泵所需的电压较高!3一6]，从几百伏到几十干伏，如果想使电液动力泵有更好的性能和较低的工作电压就必须降低电极的间距;但在当时的制作工业条件l犷，小于毫米级的电极外形和间距的生产还是不可能的。90年代后，随着MEMS技术的兴起，研究人员将MEMS和微加工技术引入电液动力微泵的设计制造，使电液动力微泵的尺寸和外加电压都大大减小，从而使电液动力泵的研究工作进入了微尺度领域。越来越多的研究学者从电极几何结构、形状、电极之间的间距、工作介质等各个方面，研究了以上因素对于电液动力泵的影响[7~10]。

　　电液动力现象是指电场作用下，电介质流体和电场之间相互作用，它即要考虑电场对流体介质的作用;同时也需要考虑运动介质中的电动力学。忽略磁场的影响，流体所受到的体积力如式(l)所示[7]:

　　其中，q是电荷密度，E是电场强度，:是流体的介电常数，p是流体密度，T是流体温度;第一项是库仑力，是作用于流体中存在自由电荷和带电微粒的驱动力。第二项是介电泳力，只有在两相或者非等温流体中，由于介电常数梯度变化而发挥作用。第三项是电致伸缩力。当电场不均匀或流体可压缩时，这项力才存在。电液动力泵的对象是均匀的、不可压缩的工作介质，库仑力在三种作用力中占主导地位。而介电泳力和电致伸缩力在通常条件下可以被忽略不计。

　　如图1所示，在电液动力泵的电极上施加直流电压时，阳极边缘注入阳离子，把阳极作为发射极;注入的阳离子被驱动至较近的接地端，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。由于流体的阻力作用，一些阳离子的能量转移到流体中，并且带动中性分子，使得流体产生流动。

　　1电液动力泵静压力实验及分析

　　本课题采用铜作为电极原料，在硅表面加工成梳状电极形式，电极宽度为40林m，相邻电极之间的距离为50um，相邻电极对之间的距离100um，分别加工了60对电极，80对电极和90对电极三种微泵。在有机玻璃的盖板上面加工100um的微流道，盖板和基材之间的封装采用环氧树脂胶来密封。加工完成后的微泵的尺寸为20mmx3ommx3mm。实验中将微泵浸入玻璃培养皿内的工作流体中，施加直流电压来测试电液动力微泵的静压力(如图2，图3所示).