CN109185107A - 一种集成微泵微阀的液态金属驱动控制***及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集成微泵微阀的液态金属驱动控制***，属于液态金属驱动***技术领域，用以解决现有液态金属的驱动方式中，压力驱动难以实现体积小型化、电磁泵驱动中液态金属流动管道尺寸较大且无法实现液态金属的电学阻断作用等技术问题。该液态金属驱动控制***包括液态金属储液池、柔性微流道、集成微泵以及集成微阀；液态金属储液池通过柔性微流道依次与集成微泵、集成微阀连通；集成微泵用于驱动液态金属在柔性微流道内流动；集成微阀用于控制液态金属在柔性微流道中的电学导通与阻断；柔性微流道的宽度和高度为μm‑mm级。该***用于实现液态金属在微流道结构中的高精度流动驱动控制与物理电学隔断，进而实现对微结构形态的动态重构。

Description

一种集成微泵微阀的液态金属驱动控制***及控制方法

技术领域

本发明涉及液态金属驱动控制技术领域，尤其涉及一种集成微泵微阀的液态金属驱动控制***及控制方法。

背景技术

近年来随着液态金属性能的不断开发，利用不同的材料配比能够实现不同低温熔点，并且利用液态金属的大变形和流动性与微结构进行集成，实现在微通道结构中液态金属的微流动，成为一个极具发展前景的全新领域。液态金属综合了传统刚性和柔性材料的优良性能，目前主要有五种熔点接近或低于室温的金属：钫、铷、铯、汞和镓。其中，钫具有辐射性，铯和铷与空气接触后会剧烈反应，汞具有毒性且它表面张力大，不易对其进行图案化成型，这四种材料均不适合用于制备柔性电子器件，但镓及其合金适用于制备各种器件，主要得益于：1)熔点非常低，在室温下为液态；2)粘度低，便于注入微流道中；3)电导率较高，虽然比铜的电导率低，但是远远高于其他导电液体等；4)不易蒸发，性能稳定，操作时不会吸入气体分子；5)液态金属在注入前不用加热熔化，易于与有机、生物材料兼容；并且在注入过程中始终保持液态，注入完成后无冷却过程，减少工艺耗时。

液态金属具有保持良好导电性的同时，在常温下具有流动性、大变形和可重构性，因此，能够广泛应用于柔性电子、柔性传感及射频可重构天线等领域，特别是在射频可重构天线等动态重构结构应用中，需要驱动控制液态金属在流道结构中的精确控制流动特性、与液态金属储液池的的电学导通和物理阻断特性。通过液态金属的可任意流动性，尤其是将液态金属进行微流体化，能够实现在射频天线微流道结构中的微流动控制，将其应用于射频天线结构参数和结构形态的重构中，具有对常规射频天线结构的调控及天线性能(频率、极化方式、方向图)重构能力。

目前，液态金属在微流道结构中驱动控制以常规电磁泵、压力、电压驱动控制为主，但电磁泵目前体积较大，一般应用于液态金属流道为毫米级-厘米级的通道结构中，且无法实现流道结构液态金属的电学阻断作用；压力驱动控制方式需要外置体积较大的驱动泵，难以实现体积小型化，无法与流道结构一体化集成；电压驱动控制方法在动态重构液态金属过程中由于电压直接施加在液态金属与氧化层去除溶液中，影响液态金属电学性能，并且液态金属的表面张力大，难以应用于长度较长的流道结构中。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种集成微泵微阀的液态金属驱动控制***及控制方法，用以解决现有液态的驱动方式中，压力驱动难以实现体积小型化、电磁泵驱动中液态金属流动管道尺寸较大且无法实现液态金属的电学阻断作用的技术问题。

本发明提供了一种集成微泵微阀的液态金属驱动控制***，包括液态金属储液池、柔性微流道、集成微泵以及集成微阀；液态金属储液池通过柔性微流道依次与集成微泵、集成微阀连通；集成微泵用于驱动液态金属在柔性微流道内流动；集成微阀用于控制液态金属在柔性微流道中的电学导通与阻断；柔性微流道的宽度和高度为μm-mm级。

进一步地，集成微泵包括微泵和微泵通道，微泵的驱动方式为压力驱动、磁力驱动或者压电驱动中的一种。

进一步地，微泵为磁力驱动微泵，磁力驱动微泵包括电机、磁铁及钢珠；磁铁设于电机上并在电机的带动下转动，钢珠随着磁铁转动并挤压微泵通道使其蠕动变形，进而推动柔性微流道中的液态金属流动。

进一步地，集成微阀通过微阀驱动结构、微阀门以及微阀通道一体化集成，集成微阀用于微阀通道两侧液态金属的物理隔离和电学隔离。

进一步地，微阀驱动结构采用电压驱动，采用电压驱动的微阀驱动结构通过控制微阀门的往复运动，挤压液态金属实现电学导通和物理阻断。

进一步地，微阀门和微阀通道均采用绝缘耐腐蚀材料。

进一步地，微泵通道和微阀通道均为柔性微流道的其中一段，且均由流道基底与盖板密封而成。

进一步地，基底的材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯或硅胶。

进一步地，盖板的材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯或硅胶。

本发明还提供了一种集成微泵微阀的液态金属驱动控制方法，采用上述的集成微泵微阀的液态金属驱动控制***，包括以下步骤：

S1.制备柔性微流道并对其进行表面粗糙度处理；

S2.将液态金属储液池通过柔性微流道与集成微泵以及集成微阀进行连通；

S3.利用集成微泵驱动液态金属在柔性微流道内流动；利用集成微阀控制液态金属在柔性微流道中的电学导通与物理阻断。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明利用集成微泵机构和集成微阀结构驱动控制液态金属在射频天线流道中流动，不同的流动位置对应不同的天线频率，在连续动态驱动控制的过程实现天线频率在宽带范围内的连续调节控制。

(2)柔性微流道的基底和盖板的材料采用聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯及硅胶，并进行表面粗糙度处理，降低其微观作用力，提高液态金属微液滴的操控和流动性。

(3)柔性微流道的宽度和高度为μm-mm级，液态金属能够在柔性微流道中移动和迁移，可以广泛用于柔性电子、柔性传感器及射频天线等技术领域。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明提供的液态金属驱动控制***图；

图2为本发明提供的集成微阀模型图；

图3为本发明提供的集成微泵模型图。

附图标记：

1-液态金属；2-柔性微流道；3-液态金属储液池；4-集成微泵；5-集成微阀；6-微阀门；7-钢珠；8-磁铁；9-微阀驱动结构。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

一方面，本发明提供了一种集成微泵微阀的液态金属1驱动控制***，如图1所示，包括液态金属储液池3、柔性微流道2、集成微泵4以及集成微阀5；液态金属储液池3通过柔性微流道2依次与集成微泵4、集成微阀5连通；集成微泵4用于驱动液态金属1在柔性微流道2内流动；集成微阀5用于控制液态金属1在柔性微流道2中的电学导通与物理阻断。

实施时，将微泵和微阀集成到柔性微流道2中，分别形成集成微泵4和集成微阀5这两种结构，利用微注入工艺(例如高精度微注射器、注射泵、蠕动泵等方式)将液态金属1注入到液态金属储液池3中，液态金属储液池3的出口端通过柔性微流道2与集成微泵4的入口端连通，集成微泵4的出口端通过柔性微流道2与集成微阀5连通，集成微阀5的出口端连接有柔性微流道2，将该集成微泵4微阀的液态金属1驱动控制***置于电子器件中，例如射频天线的微流道结构、柔性电子微流道结构以及柔性传感微流道结构中。

液态金属1具有良好导电性的同时，在常温下具有流动性、大变形和可重构性，本发明通过将集成微泵4和集成微阀5集成于柔性微流道2上，将液态金属1驱动控制***与柔性微流道2一体化集成，利用集成微泵4驱动液态金属1在柔性微流道2中流动，并利用集成微阀5控制液态金属1在柔性微流道2中的电学导通和物理阻隔特性，进而实现在长距离或者复杂流道结构的柔性微流道2中实现对液态金属1的驱动控制；在结构形态上可以实现液态金属1对柔性电子、柔性传感器及射频可重构天线等的流道结构的任意形状填充；在尺度参数上，可以实现液态金属1在μm-mm(毫米级到百微米级)流道结构中的驱动控制，最终实现液态金属1流动通道结构微型化设计。

需要说明的是，本发明中的液态金属1的微流控性是指在柔性电子、柔性传感器及射频可重构天线等的微通道结构中，通过对液态金属1施加作用力(机械力、电场力等外力)进而控制液态金属1的流动与形状特性。

为了实现对柔性微流道2中液态金属1进行高精度的流动驱动控制，如图2所示，集成微泵4包括微泵和微泵通道(柔性微流道2中的一段)，微泵为压力驱动微泵、磁力驱动微泵或者压电驱动微泵中的一种；由于压力驱动电泵和压电驱动微泵均为常规的微泵驱动设备，其详细的结构、工作原理及工作过程不再赘述。

当采用磁力驱动微泵时，磁力驱动微泵包括电机、磁铁及钢珠8，磁铁设于电机上并在电机的带动下转动，钢珠8跟随磁铁转动并挤压微泵通道使其蠕动变形，从而推动柔性微流道2中的液态金属1流动。

具体地，在微泵的上端设有电机，电机上设有多个磁块，电机下端设有多个钢珠8，其中钢珠8对应的设于磁块的正下方，磁力驱动微泵通过通过磁块的吸音挤压微泵通道，磁块固定在电机上并在电机带动下转动，对应钢珠8跟随磁块做圆周运动，多个钢珠8沿微泵管道出口方向依次挤压微泵通道，进而使微泵管道产生蠕动变形，最终推动微泵通道中的液态金属1流动。

在驱动原理上，现有技术中的电磁泵在驱动液态金属1时，是基于洛伦兹力，其利用电磁泵中的磁场及液态金属1的导电特性，使得液态金属1沿一个方向流动，主要作用是驱动液态金属1，但无法实现对液态金属1的电学导通二和物理隔断；而本发明中的液态金属1驱动则是通过集成微泵4的机械方式实现，利用磁铁与钢珠8之间的挤压力或钢珠8的转动，实现对液态金属1流动的控制，发明中电磁阀则基于电磁感应定律，用于电学导通和物理阻断液态金属1。

磁力驱动微泵与其它驱动微泵相比，具有以下有益效果：

首先，液态金属1通过柔性微流道2流动，不需要与微泵其它结构接触，具有良好的绝缘和隔离性，从而避免微泵其它结构对液态金属1的污染或对泵体其他结构的影响；其次，磁力微泵体积小，可以微小型化并且能够与柔性微流道(或者其它通道结构)进行一体化集成；再次，磁力驱动微泵可以精确控制微量液态金属1的流动特性。

为了控制液态金属1在柔性微流道2中的电学导通特性和物理阻隔特性，如图3所示，集成微阀5包括微阀驱动结构9、微阀门6以及微阀通道(该微阀通道为柔性微流道中的一段)，通过控制集成微阀5，实现微阀通道两侧的液态金属1的物理隔离和电学阻断。

具体地，微阀通道属于柔性微流道2的一部分，集成微阀5由微阀驱动结构9(例如电磁阀或者微电磁阀等微阀)和微阀门6一体化集成到柔性微流道2而成，微阀通道两侧的液态金属1的物理隔离和电学阻断过程为微阀驱动结构9在电压作用下驱动微阀门6运动，微阀门6挤压微通道结构发生变化。由于微阀通道为柔性微流道2中的一段，因此在外力作用下其截面积能够发生变化，当通道的上下两侧完全紧密接触时就可实现通道结构中的液态金属1的电学导通和物理隔离。其中，集成微阀5的物理隔离是指微阀两端的液态金属1分离开；电学阻断是指微阀两端的液态金属1不导电。由于微阀驱动结构9是为常规微电磁阀或者电磁阀，此处不在赘述其具体结构组成。

需要说明的是，微阀门6为绝缘耐腐蚀材料；微阀门6采用绝缘耐腐蚀材料：液态金属1流动过程中，包含了液态金属1及去除液态金属1表面氧化层的酸性或碱性溶液，采用绝缘耐腐蚀材料既能避免液态金属1与阀体出现短路，又能避免结构因为腐蚀等原因出现失效。另外，微阀通道也需要采用绝缘腐蚀性材料。

微阀驱动结构9根据驱动原理分为电压驱动微阀和压力驱动微阀，电压驱动微阀通过控制微阀门6的往复运动，挤压液态金属1实现隔离阻断。微阀驱动结构9采用电压驱动时结构简便，能够与流动结构集成一体，实现小型化设计。由于驱动微阀结构为常规结构，其工作原理及过程不在详细阐述。

为了提高集成微泵微阀的液态金属1驱动控制***的结构紧凑性，本发明中的柔性微流道2与微泵通道以及微阀通道结构相同；且均由流道基底与盖板密封而成。

具体地，柔性微流道2的一端与液态金属储液池3的出口连通，另一端与微泵通道的入口连通，微泵通道的出口通过柔性微流道2与集成微阀5的微阀通道的入口连通；柔性微流道2参数包括长度、宽度和高度，微泵通道和微阀通道参数与柔性微流道2参数均相同。

为了降低柔性微流道2、微泵通道以及微阀通道中液态金属1流动时的微观阻力作用，提高液态金属1微液滴的操控和流动性，在将液态金属1注入柔性微流道2之前，需要将柔性微流道2、微泵通道以及微阀通道进行表面粗糙度处理；例如，对通道表面利用特氟龙等材料进行涂覆，降低表面粗糙度。

为了实现液态金属1流道的微型化，本发明采用的柔性微流道2、微泵通道以及微阀通道的宽度和高度为μm-mm级。相对于现有的液态金属1流道为毫米级或者厘米级，本发明的液态金属1流道足足缩小一到两个数量级，液态金属1柔性微流道越小，驱动控制液态金属1的难度就越大。液态金属1流道的微型化也拓展其在芯片散热、高频天线、动态可重构超材料等领域的应用。

为了降低液态金属1流动的围观阻力作用，基底和盖板的材质均为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯或硅胶。

另一方面，本发明还提供了一种集成微泵4微阀的液态金属1驱动控制方法，采用以上的集成微泵4微阀的液态金属1驱动控制***，包括以下步骤：

S1.制备柔性微流道2并对其进行表面粗糙度处理；

在液态金属1选择方面：本发明采用的液态金属1为镓及其合金，镓及其合金适用于制备各种器件，镓及其合金具有熔点非常低，在室温下为液态、粘度低，便于注入微流道中；镓及其合金的电导率较高；而且不易蒸发，性能稳定，操作时不会吸入气体分子；最重要的是，液态金属1在注入前不用加热熔化，易于与有机、生物材料兼容；并且在注入过程中始终保持液态，注入完成后无冷却过程，减少工艺耗时。

在柔性微流道2的选材及制作方面：采用液态金属1易于流动控制的基底材料(包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、硅胶等)制备柔性微流道2的基底，对基底进行表面粗糙度处理，降低其微观作用力，提高液态金属1微液滴的操控和流动性。柔性微流道2采用翻模工艺或微纳加工工艺实现，包括光刻、纳米压印等工艺方法；柔性微流道2由基底与盖板封装而成，封装工艺中，盖板选用PDMS、PMMA、硅胶等材料，然后通过高温、等离子体技术实现封装盖板与基底的密封，形成密封的柔性微流道2。实现封装盖板与基底的密封可采用高温和等离子体两种工艺技术实现。高温方法：在盖板和基底之间首先涂覆一层与它们相匹配的PDMS、PMMA、硅胶，然后在90-100℃温度下进行固化。等离子体技术利用氧等离子体对盖板和基底分别进行活性处理，增加表明的粘性，通过挤压实现盖板和基底的密封。

需要强调的是，在空气环境中，液态金属1容易与空气作用在液态金属1表面形成一层氧化层，该氧化层的厚度为3-5nm，可采用碱性或酸性油包裹液态金属1进行去除。在微通道结构中注入液态金属1之前，用碱性或酸性油对通道结构进行流通。

S2.将液态金属储液池3通过柔性微流道2与集成微泵4以及集成微阀5进行连接。

具体地，液态金属储液池3内储存了大量的液态金属1，将液态金属储液池3的出口端通过柔性微流道2与集成微泵4连通，并将集成微泵4的出口端与集成微阀5的入口端连通，集成微阀5的出口端与连接有柔性微流道2，该柔性微流道2可以设在射频天线内，即在射频天线流道结构内进行液态金属1的驱动控制，通过驱动控制液态金属1在射频天线流道结构中不同流动位置，实现对天线通道结构的动态重构，以动态调节天线的频率、极化方式、方向图等性能参数。

需要说明的是，在液态金属1微注入柔性微流道2之前，需要在干燥真空操作环境中，对柔性微流道2进行抽真空，保证柔性微流道2处于真空状态；在干燥真空环境下，通过微注入工艺将液态金属1注入到柔性微流道2中，微注入可采用高精度微注射器技术、注射泵、蠕动泵等方式实现。其中，高精度微注射器技术是利用注射器抽取固定量的液态金属1，并采用压力方式将液态金属1利用注射器填充到柔性微流道2中。注射泵、蠕动泵方法是指在泵的接口处连接毛细管，一侧连接微通道，另一侧与液态金属1相连，在泵的作用下，将液态金属1注入到微通道结构中。

S3.通过集成微泵4机构驱动液态金属1在柔性微流道2内流动；

具体地，集成微泵4中的微泵采用磁力驱动微泵，磁力驱动微泵通过磁铁的吸引挤压微泵流道，磁块固定在电机上并在电机的带动下转动，对应钢珠8跟随磁铁做圆周运动，同时挤压微泵通道蠕动变形，推动微泵通道中的液态金属1流动向前。需要强调的是，本发明采用集成微泵4进行控制液态金属1在柔性微流道2中的流动时，流速控制上可以实现mL/min量级。并能够在柔性微流道2中进行迁移和流动，柔性微流道2的宽度、高度尺度为μm-mm级。液态金属在柔性微流道2中的流速越小，可实现对液态金属1在流道结构中位置的精确控制，同时降低流动压力对柔性微流道的作用。

S4.通过集成微阀5实现集成微阀5两侧的液态金属1的电学导通和物理阻断；具体地，集成微阀5采用电压驱动微阀结构通过控制微阀门6的往复运动，挤压液态金属1实现隔离阻断。

综上，本发明通过集成微泵4和集成微阀5分别实现液态金属1在柔性微流道2中的驱动控制和电学导通及物理阻断，进而实现对柔性微流道2中液态金属1形态的重构。本发明提供的集成微泵4微阀的液态金属1驱动控制***及方法可以应用于射频天线领域，并通过驱动控制液态金属1在射频天线流道结构中不同流动位置，实现对天线通道结构的动态重构，以动态调节天线的频率、极化方式、方向图等性能参数。

需要说明的是，本发明中的液态金属1主要是指镓及其合金的液体状态。

实施例一

本发明的一个具体实施例，将本发明提供的集成微泵4微阀的液态金属1驱动控制***用于射频天线领域，以一种频率可重构单极子天线为例，将传统单极子天线中的金属铜替换为液态金属1。

(1)利用PDMS制备射频天线的基底和液态金属1的流道结构，流道结构横截面采用矩形截面。

(2)采用等离子体法将PDMS盖板与基底结构密封，形成射频天线的柔性微流道2。

(3)将微泵、微阀分别与射频天线的柔性微流道2集成，形成集成微泵4和集成微阀5。

(4)采用微注射器在液态金属储液池3填充液态金属1。

(5)利用集成微泵4机构和集成微阀5驱动控制液态金属1在射频天线流道中流动，不同的流动位置对应不同的天线频率，在连续动态驱动控制的过程实现天线频率的调节控制。

传统天线结构中的辐射金属为铜等材料，当射频天线设计并制备完后，射频天线结构固定，但当用液态金属1替换金属铜后，通过调节液态金属1的流动状态就可以调节射频天线的性能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种集成微泵微阀的液态金属驱动控制***，其特征在于，包括液态金属储液池、柔性微流道、集成微泵以及集成微阀；

所述液态金属储液池通过柔性微流道依次与集成微泵、集成微阀连通；

所述集成微泵用于驱动液态金属在柔性微流道内流动；

所述集成微阀用于控制液态金属在柔性微流道中的电学导通与阻断；

所述柔性微流道的宽度和高度为μm-mm级。

2.根据权利要求1所述的集成微泵微阀的液态金属驱动控制***，其特征在于，所述集成微泵包括微泵和微泵通道，所述微泵的驱动方式为压力驱动、磁力驱动或者压电驱动中的一种。

3.根据权利要求2所述的集成微泵微阀的液态金属驱动控制***，其特征在于，所述微泵为磁力驱动微泵，所述磁力驱动微泵包括电机、磁铁及钢珠；所述磁铁设于电机上并在电机的带动下转动，所述钢珠随着磁铁转动并挤压微泵通道使其蠕动变形，进而推动柔性微流道中的液态金属流动。

4.根据权利要求1或3所述的集成微泵微阀的液态金属驱动控制***，其特征在于，所述集成微阀通过微阀驱动结构、微阀门以及微阀通道一体化集成，所述集成微阀用于微阀通道两侧液态金属的物理隔离和电学隔离。

5.根据权利要求4所述的集成微泵微阀的液态金属驱动控制***，其特征在于，所述微阀驱动结构采用电压驱动，所述采用电压驱动的微阀驱动结构通过控制微阀门的往复运动，挤压液态金属实现电学导通和物理阻断。

6.根据权利要求5所述的集成微泵微阀的液态金属驱动控制***，其特征在于，所述微阀门和微阀通道均采用绝缘耐腐蚀材料。

7.根据权利要求5或6所述的集成微泵微阀的液态金属驱动控制***，其特征在于，所述微泵通道和微阀通道均为柔性微流道的其中一段，且均由流道基底与盖板密封而成。

8.根据权利要求7所述的集成微泵微阀的液态金属驱动控制***，其特征在于，所述基底的材质为聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯或硅胶。

9.根据权利要求7所述的集成微泵微阀的液态金属驱动控制***，其特征在于，所述盖板的材质为聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯或硅胶。

10.一种集成微泵微阀的液态金属驱动控制方法，其特征在于，采用权利要求1至9所述的集成微泵微阀的液态金属驱动控制***，包括以下步骤：

S1.制备柔性微流道并对其进行表面粗糙度处理；

S2.将液态金属储液池通过柔性微流道与集成微泵以及集成微阀进行连通；

S3.利用集成微泵驱动液态金属在柔性微流道内流动，并利用集成微阀控制液态金属在柔性微流道中的电学导通与物理阻断。