本文介绍了一种使用阻燃型玻璃纤维增强环氧树脂（FR-4）覆铜板（CCL）上对称平面电极制备传导式微泵的方案，用于测试泵腔尺寸对传导式微泵性能的影响。
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本文内容
摘要
摘要
本文制备了一种在阻燃型玻璃纤维增强环氧树脂（FR-4）覆铜板（CCL）上构建对称平面电极对的传导式微泵。该微泵用于研究泵腔尺寸对其性能的影响，并评估当丙酮作为工作流体时传导泵的可靠性。搭建了测试平台，以在不同条件下评估传导式微泵的性能。当泵腔高度为 0.2 mm 时，泵压达到峰值。
引言
微泵能够在比大多数泵小得多的尺度上驱动液体流动。近年来，多种驱动方式已成功应用于微流控系统1,2,3,4,5。电液动力学（EHD）泵能够直接对液体施加作用力，且无需任何运动部件，因而结构更简单、易于制造6。根据电荷类型的差异，EHD泵可分为注入式泵、感应式泵和传导式泵。感应式泵无法在等温液体中工作，而注入式泵会改变液体的电导率。由于不存在上述问题，传导式泵更为稳定，应用范围更广。
传导泵的工作原理基于液体分子解离与复合速率之间的失配。通常，解离与复合过程可表示如下7,8：
其中复合速率常数 kr 为常数，而解离速率常数 kd 是电场强度的函数。当电场强度达到某一特定值时，解离速率将超过复合速率。随后，越来越多的自由电荷向两极性相反的电极移动，并形成异号电荷层。这些异号电荷层是泵送效应的关键，因为电荷的运动推动液体分子向前运动。因此，可通过使用非对称电极或正负离子迁移率的失配，在腔室内液体中产生净体积力9,10,11,12。
本研究介绍了一种用于电导泵的对称平面电极板的新型制备方法。该电极板在FR-4覆铜板上制备，泵腔通过微加工技术加工而成。与纳米光刻等其他制造方法相比，该制备工艺相对更简单、更便捷。搭建了测试平台，用于研究电导微泵在不同条件下的性能表现。此外，还针对不同工况对电导微泵的可靠性进行了考察。
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方案
警告：使用前请查阅所有相关的材料安全数据表（MSDS）。丙酮高度易燃，可引起眼睛和呼吸道刺激。实验涉及的电压高达数千伏，因此实验过程中可能产生电火花。请在通风良好的房间内进行实验，以避免电火花引发爆炸和火灾。
1. 培养板与支架的制备
注意：本研究中，电极板和支架由工厂生产线制造。由于工艺复杂，本文仅介绍所有部件所用材料及参数。
- 电极板的材料与尺寸
- 使用1.4 mm厚的FR-4 CCL材料制作电极板，其表面覆有35 µm厚的薄铜层。电极板的具体参数见图1。
- 电极的参数
- 向工厂定制电极板。更多细节见图2。
- 电极板的检查
- 电极板制备完成后，使用电子显微镜在100倍和300倍放大倍数下检查电极是否存在明显缺陷。请注意，电极表面的任何微小缺陷都可能导致短路，如图3所示。
- 检查并测量电极的宽度和间距，以确定其尺寸精度是否符合要求。
- 使用电流表对电极板进行测试，检查是否发生电气短路。
- 腔室板的制备
- 将硅胶膜裁剪成与电极板相同尺寸，如图4所示。选择不同厚度的硅胶膜可制成不同高度的腔室板。
- 使用专用冲孔工具冲出腔室孔，如图5所示。
- 支架的加工
- 向工厂定制支架。其详细参数见图6。
- 盖板的制作
- 使用钻孔机在盖板顶部钻两个孔，用于安装进液管和出液管。其位置和尺寸见图7。
2. 微泵的组装
- 使用丙酮清洗所有培养板、支架、进液管和出液管以及其他实验中使用的工具。将这些工具和培养板放入烧杯中，倒入足量的99.5%丙酮使其完全浸没，然后将烧杯放入超声波清洗器中。开启超声波清洗器，并将计时器设定为5分钟。
- 将不锈钢进液管和出液管插入盖板上的两个孔中。
- 将由硅胶膜制成的腔室板放置在电极板上，再用盖板覆盖其上。
- 从上至下依次叠放并对齐盖板、腔室板和电极板，并将对齐后的板插入支架中。
- 使用M5螺栓将板固定在支架内部。组装完成的微泵的爆炸图和正常视图分别如图8和图9所示。
- 通过拧紧螺栓将各板压紧。
注意：进液管、出液管与腔室板上的空腔将形成工作液体的通道。具有弹性的腔室板还可密封板之间的间隙，防止液体泄漏。组装完成的微泵的爆炸图和正常视图分别如图8和图9所示。
- 使用两根外径为4 mm、内径为2 mm的聚氨酯软管，分别连接进液和出液不锈钢管。
- 将电流表、500 V直流电源和微泵串联连接。在电流表与电源之间接入一个1 mA的保险丝，以防止微泵短路时损坏电流表。
- 将进液软管插入装有20–30 mL丙酮的50 mL烧杯中。
注意：图10展示了已完成的实验平台。
3. 实验步骤
- 实验前的准备工作
- 使用量筒注入丙酮以充满微泵。当液面达到出口软管时，继续向内注入10 mL丙酮，直至所有气泡被排出腔室。
注意：由于盖板和电极板不透明，无法观察腔室内是否残留气泡。持续注入丙酮有助于排除气泡，但不能完全保证微泵内无气泡残留。气泡可能阻塞液体通道，或导致电路短路并在微泵内部引发微小爆炸，从而烧毁电极。气泡对泵运行的影响尚未完全明确，但已多次观察到其引发的故障。 - 将20–30 mL丙酮倒入烧杯中，并将进液软管插入烧杯内。确保液面至少高于进液口5 mm，以使丙酮能够流入泵内，同时防止空气被吸入微泵腔室。
- 使用量筒注入丙酮以充满微泵。当液面达到出口软管时，继续向内注入10 mL丙酮，直至所有气泡被排出腔室。
- 静态压力测试
- 将出口软管固定在小型支架上，使其保持笔直且垂直。将刻度尺紧贴出口软管，用于测量液面高度。
- 将微泵连接至电源。
- 按下开关启动测试，并记录初始液面位置。
- 待液面稳定后，记录时间、最终液面高度及电流值。
- 此后每隔10 s记录一次液面高度和电流，直至微泵发生故障。
- 流量测试
- 使用大容量量筒收集从出口软管流出的液体。务必固定出口软管，使其末端保持与烧杯内液面相同的高度。
- 将微泵连接至电源。
- 按下开关启动测试，并记录初始液面位置。
- 当液体开始从出口软管流出时，每隔10 s记录一次量筒内丙酮的体积。实验过程中，需向烧杯中补充丙酮以维持液面高度。
- 可靠性测试
- 以平均工作时间评估泵的可靠性。在流量测试和静态压力测试过程中，记录泵发生故障前的运行时间。记录每次故障的具体现象，并在实验后检查电极板表面，以便进一步分析。
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结果
如图所示 图11随着电压升高，泵压及其上升速率也随之增加。当电压达到500 V时，泵压达到1,100 Pa。
当泵腔高度低于0.2 mm时，随着泵腔高度的增加，泵的静态压力也随之上升。当泵腔高度为0.2 mm时，泵的性能达到最高点。随后，若继续增加泵腔高度，静态压力则下降。因此认为，0.2 mm是泵腔高度的最佳值。结果如图所示 图12.
通过增加腔室长度，静压随之上升，在腔室长度达到23 mm之前上升斜率较大，之后斜率减小，表明压力呈逐渐上升趋势。泵压的变化趋势如图所示。 图13.
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讨论
该方案中的一个关键步骤是仔细检查电极板。电极边缘上的微小毛刺可能导致短路，而表面完整性会显著影响泵的性能。电极板和电极支架的清洁也非常重要。电极腔的高度小于1 mm，因此微小的灰尘颗粒可能阻塞工作液的流动并导致短路。测试前，向腔内注入丙酮可去除腔体外部的气泡。
腔室高度会显著影响微泵的性能。为消除这种影响，可将弹性腔室板替换为更硬的材料。
该技术存在一些局限性。首先，电极高度由覆铜板（FR-4 CCL）上的金属层决定，相对较高，这在一定程度上影响了液体的流动。其次，虽然使用硅胶膜作为腔室盖板可提高腔室的密封性，但硅胶的弹性可能导致腔室高度出现一定偏差。最后，电极宽度和电极间距受限于该技术本身，使得实现比其他技术更高的电场强度变得更加困难。
与光刻及其他高精度制造技术不同，使用FR-4覆铜板（CCL）进行电极制备的过程相对更简单且成本更低。另一方面，本研究所需的电电压也显著降低。Pearson和Seyed-Yagoobi13曾...
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作由国家自然科学基金（51375176）；中国广东省自然科学基金（2014A030313264）；以及中国广东省科技计划项目（2014B010126003）资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 安培表 | - | 85C1-MA | |
| 直流高压电源 | 南通建诺电器设备公司 | GY-WY500-1 | |
| 保险丝 | - | - | |
| 超声波清洗器 | 德瑞超声设备公司 | - | |
| 电烙铁 | - | - |
参考文献
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重印与许可
