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).
1.1电液动力泵静压力实验分析
早在上世纪五+年代，stuezter[3，4]和piek-ardls，6]就从理论和实验上研究分析了均匀电荷的拖曳现象，并且通过三种简单的模型，对电液动力泵的动态和静态特性进行了研究，得出电液动力泵静压力同电场的关系式:
从实验数据可以看出，微泵的静压力同施加电压基本上呈二次曲线关系。同时，本次实验件的电极形式和尺寸同韩国Alm的实验件相似，只是电极间距和对电极间距是对方的一半，把两者的结果做个比较，从图4可以看出，本次实验的效果要明显好，说明电极间距对微泵的性能有很大影响。
1.2电液动力泵静压力同测试流体关系
电液动力泵的性能同流体的性质有密切的关系，国外的相关研究表明高的介电常数和低的流体黏度都会产生高电场力[l1]，进而产生高的泵送压力。本课题实验采用3M公司的HFE7100和无水乙醇作为工作流体。两者都具有常温下液态，不导电，黏性小，介电常数大，击穿电压大等诸多优点，相关物性参数如表1所示。
通过实验可以发现电液动力泵对工作流体很敏感(参见图4)，这说明工作介质的物性参数也是决定泵性能的一个非常重要的因素。选择合适的流体可以提高整个微泵冷却系统的性能。
1.3电液动力微泵的寿命及相关因素
工作寿命一直是衡量微泵性能的一个重要指标。在最初试验中，微型电液动力泵的泵送性能在运行了20min后发生衰减并失效。对失效的实验件进行分解检查，可以看出在实验后，发射极同集电极有明显的不同，如图5所示。失效的原因有可能是反应过程中，集电极表面由于氧化而形成一层不利于反应薄层，使得整个效率下降，导致泵的性能降低，寿命缩短。电极氧化的原因可能是因为实验液中有水分和其他杂质存在。在后续的实验中，通过改进了实验环境，使得整个加工和实验完全处于洁净环境中，同时对实验所用的流体先进行提纯处理，去除其中的水分和杂质，实验表明在采取了上诉措施后，微泵的寿命大为提高，目前可以维持近10h，同国外结构相同的电液动力微泵的实验寿命相仿。
另外一个有可能会影响电极寿命的重要因素是电极的材料，本实验目前还是使用较为常见的铜材料，同国外实验常用的金、铂等贵金属相比，铜电极的稳定性较差，铜的电子发散能力也较差。
2结论
本文详细介绍了微型电液动力泵的制作加工和试验情况，并对实验结果进行分析比较。实验表明:电液动力微泵的性能与施加电压、工作介质，电极结构和材料以及工作环境都有很大的关系。本文的研究，为今后电液动力微泵的优化设计和在流动、传热方面的研究，及今后超高功率器件的冷却提供了初步的实验结果。
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基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.50676001)
作者简介:于翩(1971一)，男，河南郑州人，博王:研究生，主要从事强化传热及其在高新技术中的应用研究.
