基于三角柱-缝隙形电极结构的电共轭流体微动力源

As a particular category of functional and dielectric fluid, electro-conjugate fluids (ECF) have excellent electrohydrodynamic features. When metallic electrodes inserted into ECF are subjected to DC voltage that is generally more than hundreds of volts, a powerful jet flow appears between the electrodes and the jet flow strength becomes stronger remarkably with the increase of input voltage. Obviously, electric energy is converted directly into kinetic energy of the fluid without moving mechanical parts by means of this process mentioned above. In this project, a micro hydraulic power source based on this direct energy conversion mode, which possesses several hundred microns feature size and has the merits of high power density, compact structure, small volume and noiseless operation, is aimed at and researched. One type of electrode structure named triangular-prism slit is selected as the electrode structure of the studied micro hydraulic power source. Research contents of this project mainly include fabrication technology of the micro triangular-prism slit electrode array with ultra thick height and high aspect-ratio, structure parameter optimization of micro triangular-prism slit electrode array with several hundred microns feature size, flow visualization of micro hydraulic power source and study on micro fluidic channels with bypass throttle circuit. The study object and research results will provide a highly competitive solution for power source of micro mechanical drivers and actuators. Finally, based on Southwest Jiaotong University this project is applied for and professor Yokota Shinichi and assistant professor Kim Joon-wan, who both come from Precision and Intelligence Laboratory, Tokyo Institute of Technology, Japan, will participate in this project as well.

电共轭流体作为一类特殊的机能性绝缘流体具有良好的电流体动力学特性，当浸入其中的金属电极被施加数百伏特以上直流电压时，电极间流体将产生定向流动而形成射流，且强度伴随输入电压的提高而显著增强。通过上述过程，电能无需机械运动机构直接被转化为流体动能。本项目基于这种直接能量转换方式，对一种仅有数百微米特征尺寸，具有功率密度大，结构紧凑，体积小，无运行噪音等优点的电共轭流体微动力源开展研究工作，微动力源的电极采用三角柱-缝隙形电极结构。研究内容包括超厚、大纵横比三角柱-缝隙形微电极阵列的制造技术，数百微米特征尺寸的三角柱-缝隙形微电极阵列结构参数优化，微动力源流动可视化和具有旁路节流回路的微动力源微流道研究。本项目研究对象和研究成果将为微机械驱动器与执行器件的动力源提供了一种极富竞争力的解决方案。本项目以西南交通大学为依托，日本东京工业大学精密工学研究所横田真一教授，金俊完助教共同参与完成。

本项目以结构简单，能量转换效率高，功率密度比大，低噪声的电共轭流体微型泵作为研究对象。射流发生器作为微型泵的核心部件，将电能直接转化为流体动能，采用三角柱-缝隙形电极结构，运用MEMS制造工艺制作。为了提高射流发生器的制作精度，优化电极阵列的尺寸参数，提升微型泵的输出能力，本项目开展的研究工作主要包括：. （1）射流发生器MEMS制造工艺的完善。通过射流发生器导电层镀镍，电极微电铸前加入RIE工艺，改进光刻胶涂胶、热处理等制作环节的工艺参数和去胶方法，优化缝隙电极形状等手段，提高了缝隙电极在导电层上的附着率，解决了三角柱电极尖端的形状缺陷问题。最终，完善了内置电极高度可达500μm，最大深宽比超过2.5的射流发生器的MEMS制造工艺，保证了其制作精度和较高的完好率。. （2）电极阵列的尺寸参数优化。基于具有毫米级特征尺寸的单个电极对尺寸参数优化的研究经验，利用微型泵的输出能力测量对比实验，采用单因素实验法，研究了电极阵列的各尺寸参数对微型泵输出能力的影响，最终完成了具有数百微米特征尺寸的电极阵列的尺寸参数优化。此外，结合电共轭效应的泵送机理，从理论上分析和验证了优化实验结果的合理性。. （3）微型泵输出能力的提升。针对微型泵无流量输出时压力不稳定和小流量输出时存在较大压降的问题，基于离子拖曳泵送和传导泵送机理，理论分析了小流量对电共轭效应泵送强度的影响，改进了微型泵的密封结构，提出了一种带有旁路微流道的改进型射流发生器，以提高微型泵的输出能力，并通过输出性能对比试验进行了验证。. 本项目完成了既定研究计划，发表EI收录期刊论文1篇，进行国际会议分组报告2次，授权发明专利和实用新型专利各1项，培养硕士研究生1名、本科生2名。本项目为国内首次开展电共轭流体微型泵的研究工作，通过理论分析和实验研究，解决了电共轭流体微型泵总体结构，制作工艺，输出性能等方面的若干关键问题，推进了电共轭流体微型泵及其他基于电共轭效应的各项应用研究的向前发展。