Name: FR-4 铜包电极板导电微泵性能测试平台 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-10-09T13:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 46 s
Description: 了解如何使用FR-4铜包电极板制作导电微泵，并测试腔室尺寸对泵性能的影响。该方法成本低、电压低，适用于微流体和微冷却系统研究。

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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。

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。
<ol>
	<li>电极板的材料与尺寸
	<ol>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>电极的参数
	<ol>
		<li>向工厂定制电极板。更多细节见图2。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>电极板的检查
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>使用电流表对电极板进行测试，检查是否发生电气短路。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>腔室板的制备
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>使用专用冲孔工具冲出腔室孔，如图5所示。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>支架的加工
	<ol>
		<li>向工厂定制支架。其详细参数见图6。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>盖板的制作
	<ol>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 微泵的组装
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>将不锈钢进液管和出液管插入盖板上的两个孔中。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
3. 实验步骤
<ol>
	<li>实验前的准备工作
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>静态压力测试
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>将微泵连接至电源。</li>
		<li>按下开关启动测试，并记录初始液面位置。</li>
		<li>待液面稳定后，记录时间、最终液面高度及电流值。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>流量测试
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>将微泵连接至电源。</li>
		<li>按下开关启动测试，并记录初始液面位置。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>可靠性测试
	<ol>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Kazemi, P. Z., Selvaganapathy, P. R., Ching, C. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304388610000719">Effect of micropillar electrode spacing on the performance of electrohydrodynamic micropumps.</a> J Electrostat. 68 (4), 376-383 (2010).</li>
<li>Kano, I., Nishina, T. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/6074271/">Effect of electrode arrangements on EHD conduction pumping.</a> IEEE Trans Ind Appl. 49 (2), 679-684 (2013).</li>
<li>Laser, D. J., Santiago, J. G. <a target="_blank" href="http://microfluidics.stanford.edu/Publications/Micropumps_Cooling/Laser%20Review%20of%20Micropumps%20in%20JMM.pdf">A review of micropumps.</a> J Micromech Microeng. 14 (6), R35(2004).</li>
<li>Fylladitakis, E. D., Theodoridis, M. P., Moronis, A. X. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/6714477/">Review on the history, research, and applications of electrohydrodynamics.</a> IEEE Trans Plasma Sci. 42 (2), 358-375 (2014).</li>
<li>Yazdani, M., Seyed-Yagoobi, J. <a target="_blank" href="http://www.electrostaticanswers.com/2009ESJC/Session01/2009%20Yazdani%20Effects%20of%20Charges%20Mobility%20-%20Dielectric%20Liquid%20Flow.pdf">Effect of Charge Mobility on Electric Conduction
Driven Dielectric Liquid Flow.</a> Electrostatics Joint Conf. , (2009).</li>
<li>Gharraei, R., Esmaeilzadeh, E., Hemayatkhah, M., Danaeefar, J. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304388610001373">Experimental investigation of electrohydrodynamic conduction pumping of various liquids film using flush electrodes.</a> J Electrostat. 69 (1), 43-53 (2011).</li>
<li>Gharraei, R., Esmaeilzadeh, E., Nobari, M. R. H. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/s00162-013-0304-3">Numerical investigation of conduction pumping of dielectric liquid film using flush-mounted electrodes.</a> Theor Comp Fluid Dyn. 28 (1), 89(2014).</li>
<li>Jeong, S. -I., Seyed-Yagoobi, J. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S030438860200058X">Experimental study of electrohydrodynamic pumping through conduction phenomenon.</a> J Electrostat. 56 (2), 123-133 (2002).</li>
<li>Seyed-Yagoobi, J. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304388605000616">Electrohydrodynamic pumping of dielectric liquids.</a> J Electrostat. 63 (6), 861-869 (2005).</li>
<li>Hojjati, M., Esmaeilzadeh, E., Sadri, B., Gharraei, R. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S092777571100642X">Electrohydrodynamic conduction pumps with cylindrical electrodes for pumping of dielectric liquid film in an open channel.</a> Colloid Surface A. 392 (1), 294-299 (2011).</li>
<li>Yazdani, M., Seyed-Yagoobi, J. <a target="_blank" href="http://heattransfer.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=1449435">Numerical investigation of electrohydrodynamic-conduction pumping of liquid film in the presence of evaporation.</a> J Heat Trans-T ASME. 131 (1), 011602(2009).</li>
<li>Vafaie, R. H., Ghavifekr, H. B., Lintel, H., Brugger, J., Renaud, P. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/elps.201500404/abstract">Bi-directional AC electrothermal micropump for on-chip biological applications.</a> Electrophoresis. 37 (5-6), 719-726 (2016).</li>
<li>Pearson, M. R., Seyed-Yagoobi, J. <a target="_blank" href="http://heattransfer.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=1738568">Experimental Study of Linear and Radial Two-Phase Heat Transport Devices Driven by Electrohydrodynamic Conduction Pumping.</a> J Heat Trans-T ASME. 137 (2), 022901(2015).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

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...

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： 
<img alt="化学平衡示意图；AB 解离为 A⁺ 和 B⁻，速率常数分别为 kd 和 kr。" src="/files/ftp_upload/55867/55867eq1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程"> 
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。

<table><tbody><tr><td>安培表</td><td>-</td><td>85C1-MA</td><td></td></tr><tr><td>直流高压电源</td><td>南通建诺电器设备公司</td><td>GY-WY500-1</td><td></td></tr><tr><td>保险丝</td><td>-</td><td>-</td><td></td></tr><tr><td>超声波清洗器</td><td>德瑞超声设备公司</td><td>-</td><td></td></tr><tr><td>电烙铁</td><td>-</td><td>-</td><td></td></tr></tbody></table>

一种用于带fr-4覆铜电极板的传导式微泵的性能测试平台

A Performance-testing Platform for a Conduction Micropump with an FR-4 Copper-clad Electrode Plate

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。

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.
<p class="jove_content" fo:keep-together.withi...

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。

一种用于带FR-4覆铜电极板的传导式微泵的性能测试平台

在此，一种采用阻燃型玻璃纤维增强环氧树脂（FR-4）覆铜板（CCL）制备对称平面电极对的传导式微泵是……

本实验的总体目标是利用阻燃型玻璃纤维增强环氧覆铜板上对称的平面电极制备一种传导式微泵，以测试泵腔尺寸对传导式微泵性能的影响。该技术的主要优势在于所需电压仅为数百伏的较低水平，且制造成本相对较低。尽管该方法可为传导泵的机制提供见解，但也适用于其他多种系统，例如躯干输送系统和微型冷却系统。首先，将电极表面朝下的平板放入烧杯中，以帮助去除平板表面的微小颗粒（如灰尘）。同时，将实验中使用的支架、进液管、出液管及其他工具也一并放入烧杯中。然后倒入足量99.5%丙酮以浸没物品。将烧杯放入超声波清洗器中，开启超声处理5分钟。接着将不锈钢进液管和出液管插入盖板上的两个孔中。将硅胶膜制成的腔室板放置在电极板上，然后盖上盖板。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M2螺栓将板固定在支架内部。通过拧紧螺栓将板件压紧。接着使用两根外径为四毫米、内径为两毫米的聚氨酯软管，连接入口和出口的不锈钢管。将电流表、500 伏直流电源和微泵串联连接。然后在电流表与电源之间接入一个1毫安的保险丝，以防止微泵短路时损坏电流表。最后将进液管插入装有20至30毫升丙酮的50毫升烧杯中。为准备实验，使用量筒量取丙酮以填充微泵。当液面到达出口软管后，继续从内部抽取10毫升丙酮，直至所有气泡被推出腔室。反复将丙酮从泵中抽出后再注入，过程中避免将空气带入泵内，以帮助去除气泡。进行静压测试时，将出口软管固定在小型支架上，使软管保持笔直且垂直状态。将尺子沿出水管放置以测量液位。将微型泵连接至电源。通过将电压升高至500伏启动测试，并记录初始液位。当液面稳定后，记录时间、最终液面位置和电流值。之后每十秒继续记录一次液面位置和电流，直至微型泵损坏。进行流量测试时，使用一个较大的量筒收集从出口软管流出的液体。务必固定出口软管，使管口末端与烧杯中的液面保持相同高度。接通电源，将电压升至500伏以启动测试，随后记录初始液面位置。当液体开始从出口软管流出时，每十秒记录一次量筒中丙酮的体积。随着实验的进行，向烧杯中添加丙酮以维持液面高度。图中显示的是随着电压升高，泵压上升速率逐渐增加的情况。当电压达到500伏时，泵的压力达到1,100帕斯卡。泵的静压随泵腔高度的增加而上升。当腔体高度为0.2毫米时，泵的性能达到最高点。随后，当腔室高度继续增加时，静压下降。根据这些结果，腔室高度的最佳值为0.2毫米。通过增加腔室长度，静压上升，在腔室长度达到23毫米之前，上升斜率较大。随后，曲线上升趋势变缓，表明逐渐上升。当腔室宽度从2毫米增加到3毫米时，静压随腔室宽度变化的曲线上出现轻微下降。此后，随着腔室宽度继续增加，静压保持在某一恒定水平。一旦熟练掌握，若操作得当，该技术可在半小时内完成。观看本视频后，您应能够充分理解如何搭建平台并测试传导式微泵的性能。请注意，丙酮具有潜在危险性，在执行该操作时务必采取预防措施，例如佩戴橡胶手套。我们已证明，该方法的演示至关重要。如果清洗和检查步骤未谨慎进行，实验过程中可能发生短路。

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生物工程

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