СПОСОБ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО АКТЮАТОРА Российский патент 2024 года по МПК G01L3/00 

Изобретение относится к микроэлектромеханическим системам (МЭМС), а именно к способам работы электрохимического актюатора, и может быть использовано в микрофлюидных системах, таких как модули адресной доставки лекарств и лаборатории на чипе, а также при создании микродвигателей, микророботов и других устройств микросистемной техники.

В последние десятилетия наблюдается интенсивное развитие отрасли МЭМС. Ключевым элементом МЭМС является привод, или актюатор, преобразующий электрическую или химическую энергию в механическое перемещение. На основе актюаторов строятся различные устройства, нашедшие широкое практическое применение. Примером служит микрозеркало, используемое в проекционных дисплеях Однако существует ряд перспективных изделий, которым пока не удалось выйти за рамки научных лабораторий. Таким устройством является микронасос, создающий движение жидкости в каналах микрофлюидного чипа. Причиной отсутствия подобных устройств на рынке являются недостаточно высокие рабочие характеристики актюаторов, поэтому совершенствование актюаторов является актуальной задачей.

Актюаторы различных типов широко описаны в литературе (например, в обзорной работе Qian J.-Y., Hou C.-W., Li X.-J., Jin Z.-J. Micromachines, 2020, Vol. 11, 172). Распространенным является актюатор с электрохимическим принципом действия. Он представляет собой рабочую камеру с двумя электродами, закрытую эластичной мембраной и заполненную электролитом. Один из электродов заземляют, а на второй электрод подают напряжение и запускают электролиз, в результате чего в камере выделяется газ. Зачастую в качестве электролита используют водные растворы, в которых на положительном электроде (аноде) выделяется кислород, а на отрицательном электроде (катоде) - водород. Газы формируют пузыри, которые занимают существенно больший объем по сравнению с жидкостью, затраченной на их производство. Давление в камере увеличивается, мембрана перемещается относительно исходного положения и выполняет целевую функцию. Например, она может перемещать другие микроструктуры или толкать перекачиваемую жидкость. Электрохимический актюатор обладает низким рабочим напряжением и развивает большое усилие. Благодаря этим особенностям, а также простой и надежной конструкции и возможности изготовления из биологически совместимых материалов, он имеет широкий потенциал применения в перспективных устройствах, таких как лаборатории на чипе и имплантируемые модули адресной доставки лекарств в организм человека (например, заявка на патент US 2016/0089490 А1 от 31 03 2016).

Важной характеристикой актюатора является диапазон перемещения его подвижного элемента. В электрохимическом актюаторе эта характеристика соответствует максимальному перемещению мембраны относительно исходного положения. Однако актюаторы имеют различный размер, поэтому для оценки диапазона перемещения используют относительную величину, равную отношению максимального перемещения к диаметру мембраны, выраженному в процентах. Для многих актюаторов диапазон перемещения невелик и составляет менее 2%. Примером является актюатор, описанный в работе Uvarov I.V, Svetovoy V.B. Scientific Reports, 2022, Vol. 12, 20895.

Известен способ улучшения рабочих характеристик электрохимического актюатора (патент US 8579885 от 12.11.2013). Мембрану формируют в виде мехов, что позволяет ей совершать большое перемещение при минимальном механическом напряжении. Максимальное перемещение составляет 1,78 мм при диаметре мембраны 8 мм. Применяя указанный способ, диапазон перемещения увеличивают до 22%.

Недостатком данного технического решения является усложнение технологии изготовления актюатора по сравнению с изделием стандартной конфигурации, оснащенным плоской мембраной. Процесс изготовления мехов включает в себя несколько операций, несовместимых с технологией микроэлектроники и выполняющихся вручную. Как следствие, возрастает время изготовления и стоимость актюатора. Также использование мехов увеличивает вертикальный размер актюатора, что осложняет его встраивание в микрочипы, имеющие планарную конфигурацию.

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ работы электрохимического актюатора (Uvarov I.V, Lokhanin M.V., Postnikov A.V., Melenev A.E., Svetovoy V.B. Sensors and Actuators B: Chemical, 2018, Vol. 260, P. 12-20). В данном техническом решении в качестве управляющего сигнала используют серию импульсов напряжения переменной полярности. Импульсы создают нанопузыри водорода и кислорода в камере актюатора. Амплитуда импульсов превышает пороговое напряжение, при котором концентрация нанопузырей достигает критической величины, и они сливаются в микропузырь. Образовавшийся микропузырь содержит стехиометрическую смесь газов и наноразмерные капли электролита. Благодаря каплям отношение площади поверхности к объему для микропузыря имеет тот же порядок величины, что и для нанопузыря. Это обстоятельство способствует спонтанному зажиганию реакции между газами. Смесь газов превращается в электролит в течение нескольких десятков наносекунд. При этом выделяется энергия, приводящая к взрывному расширению микропузыря. Расширяющийся микропузырь создает избыточное давление в камере, и мембрана перемещается относительно исходного положения. В результате расширения микропузырь достигает большого размера, что обеспечивает большое перемещение мембраны. Максимальное перемещение составляет 90 мкм при диаметре мембраны 500 мкм. Применяя указанный способ, диапазон перемещения увеличивают до 18%. Указанное техническое решение принято за прототип.

Недостатком рассмотренного способа является формирование остаточных пузырей газа в камере. Взрыв происходит раньше окончания серии импульсов, поэтому после взрыва импульсы по-прежнему подают на электрод. При этом производятся газы, создающие паразитное перемещение мембраны. В случае многократного срабатывания актюатора газы накапливаются в камере, нарушая его функционирование. Кроме того, подача импульсов после взрыва увеличивает потребляемую мощность актюатора. Указанные недостатки существенно ограничивают область применения способа, поскольку ряд приложений требует многократного срабатывания и низкого энергопотребления актюатора.

Задачей заявленного изобретения является разработка способа работы электрохимического актюатора, не усложняющего его конструкцию и технологию изготовления, а также обеспечивающего возможность многократного срабатывания и низкое энергопотребление.

Поставленная задача решается следующим образом. Предлагается способ работы электрохимического актюатора. В известный способ, принятый за прототип и включающий в себя заземление одного из электродов и подачу на второй электрод серии импульсов напряжения переменной полярности с амплитудой, превышающей пороговое напряжение, при котором в рабочей камере с электролитом происходит взрыв микропузыря, включены новые существенные признаки: серию импульсов прерывают по достижении взрыва, причем прерывание осуществляют по наступлению спада тока, протекающего через электроды, а пороговое напряжение предварительно определяют путем последовательной подачи на электрод серий импульсов с амплитудой, увеличивающейся от серии к серии до тех пор, пока в камере не произойдет взрыв микропузыря, при этом подают импульсы напряжения с длительностью, выбранной из диапазона от 0,1 мкс до 5 мкс. Дополнительным отличительным признаком является то, что подают импульсы напряжения прямоугольной формы.

На фиг. 1 представлено схематичное изображение электрохимического актюатора.

На фиг. 2 представлен управляющий сигнал.

На фиг. 3 иллюстрируется перемещение мембраны актюатора под действием взрыва в рабочей камере.

На фиг. 4 представлено схематичное изображение электрохимического актюатора с указанием материалов, из которых он изготовлен.

На фиг. 5 представлена зависимость перемещения мембраны от времени.

На фиг. 6а-6б представлены осциллограммы тока, протекающего через электроды в ходе серии импульсов без прерывания.

На фиг. 7 представлена фотография рабочей камеры, сделанная после подачи серии импульсов без прерывания.

На фиг. 8 представлен управляющий сигнал для многократного срабатывания актюатора.

На фиг. 9 представлена фотография рабочей камеры, сделанная после 20 срабатываний без прерывания.

На фиг. 10а-10б представлены осциллограммы тока, протекающего через электроды в ходе серии импульсов с прерыванием.

На фиг. 11 представлена фотография рабочей камеры, сделанная после подачи серии импульсов с прерыванием.

На фиг. 12 представлена фотография мембраны сбоку в процессе взрыва.

На фиг. 13 представлена фотография рабочей камеры, сделанная после 1000 срабатываний с прерыванием.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется следующим описанием.

Электрохимический актюатор изображен на фиг. 1. Он представляет собой диэлектрическую подложку 1, на которой сформированы боковые стенки 2 рабочей камеры 3. Камера закрыта мембраной 4 и заполнена электролитом. Внутри камеры находятся электроды 5, один из которых заземляют, а на второй подают управляющий сигнал, изображенный на фиг. 2. Сигнал представляет собой серию импульсов напряжения переменной полярности. Амплитуда импульсов U превышает пороговое напряжение U_п, поэтому в ходе серии в камере происходит взрыв микропузыря. Взрыв перемещает мембрану относительно исходного положения, как показано на фиг. 3.

Пороговое напряжение U_п представляет собой амплитуду импульсов, при которой критическая концентрация нанопузырей в камере достигается к концу серии заданной длительности t_c. Величина U_п определяется конструкцией актюатора, а также зависит от t_c. С уменьшением t_c пороговое напряжение U_п возрастает, поскольку критическую концентрацию нанопузырей требуется достичь за более короткое время. Величину U_п определяют следующим образом. На электрод подают серии импульсов заранее выбранной длительности t_c. Амплитуду импульсов U увеличивают от серии к серии до тех пор, пока в камере не произойдет взрыв микропузыря. Минимальное значение U, при котором происходит взрыв, принимают за U_п.

В ходе эксплуатации актюатора U_п может увеличиваться. Это происходит, например, в случае деградации электродов. Поэтому в качестве рабочей амплитуды импульсов U выбирают величину, превышающую U_п. Если U превышает U_п, взрыв происходит раньше окончания серии. Подача импульсов после взрыва приводит к паразитному перемещению мембраны, накоплению газа и излишнему энергопотреблению. Чтобы исключить эти эффекты, по достижении взрыва серию импульсов прерывают. Благодаря прерыванию импульсы подают на электроды лишь в течение активного времени t_a, показанного на фиг. 2. Это время отсчитывается от начала серии до момента взрыва и не превышает t_c.

Прерывание серии осуществляют различными методами. Наиболее удобный из них следующий. Взрывающийся микропузырь изолирует электроды от электролита, что приводит к спаду тока, протекающего через электроды. Серию импульсов прерывают по наступлению спада тока. Прерывание могут осуществлять вручную или в автоматическом режиме с помощью управляющей электроники, которая измеряет ток и отключает импульсы по наступлению спада тока. Другие методы включают в себя использование оптических средств измерений, регистрирующих перемещение мембраны в момент взрыва, или акустических средств измерений, регистрирующих характерный звук, создаваемый быстрым перемещением мембраны.

В заявленном изобретении диапазон перемещения электрохимического актюатора увеличивают за счет использования взрывающегося микропузыря в рабочей камере аналогично прототипу. Достоинствами предлагаемого изобретения в сравнении с прототипом являются возможность многократного срабатывания и низкое энергопотребление актюатора. Указанные достоинства обеспечиваются совокупностью существенных отличительных признаков.

Применяя заявленный способ, желательно использовать импульсы длительностью to от 0,1 мкс до 5 мкс (длительность t₀ показана на фиг. 2). Величина t₀ равная 0,1 мкс представляет собой минимальное время, необходимое для образования нанопузырей. Если t₀ превышает 5 мкс, существенно возрастает износ электродов актюатора (Uvarov I.V., Svetovoy V.B. Scientific Reports, 2022, Vol. 12, 20895). Желательно использовать импульсы прямоугольной формы. Импульсы другой формы, например, синусоидальной или пилообразной, также можно применять, однако в этом случае пороговое напряжение U_п будет выше, и для реализации заявленного способа потребуется более высокая амплитуда импульсов по сравнению со случаем, когда используют прямоугольные импульсы.

В качестве электролита желательно использовать жидкости, в которых при электролизе выделяются водород и кислород. К ним относятся водные растворы солей, таких как сульфат натрия, сульфат аммония, сульфат калия, и др. В случае образования других газов энергия, выделяющаяся в микропузыре в результате реакции между газами, может оказаться меньше энергии, выделяющейся в результате реакции между водородом и кислородом. Как следствие, увеличение диапазона перемещения будет выражено в меньшей степени.

Предлагаемый способ работы электрохимического актюатора иллюстрируется следующим примером. Улучшают рабочие характеристики актюатора с плоской мембраной.

Электрохимический актюатор схематично изображен на фиг. 4. Он изготовлен на кремниевой пластине, покрытой термически выращенным слоем оксида кремния толщиной 1 мкм. На поверхности оксидного слоя сформирована рабочая камера цилиндрической формы. Камера имеет диаметр 500 мкм и высоту 16 мкм. Ее боковые стенки изготовлены из фоторезиста SU-8. Камера закрыта плоской мембраной из полидиметилсилоксана толщиной 30 мкм. Внутри камеры располагаются два металлических электрода. Один из них заземляют, а на второй подают управляющий сигнал. Электроды имеют двухслойную структуру: проводящий слой алюминия толщиной 500 нм покрыт рабочим слоем рутения толщиной 150 нм. Камера заполнена молярным раствором сульфата натрия в дистиллированной воде. В таком электролите в ходе электролиза выделяются водород и кислород

На начальном этапе определяют U_п. Для этого на электрод подают серии импульсов напряжения переменной полярности и измеряют перемещение центра мембраны относительно исходного положения с помощью лазерного интерферометра. Длительность каждого импульса t₀ составляет 1 мкс. Длительность серии t_c выбирают равной 20 мс. Амплитуду импульсов U увеличивают от серии к серии с шагом 0,5 В, начиная с 7 В. Для значений U от 7 В до 12 В перемещение мембраны увеличивается со временем в течение t_c, что иллюстрируется графиком на фиг. 5. После отключения импульсов мембрана возвращается в исходное положение. Максимальное перемещение увеличивается с ростом U и достигает 13,8 мкм. При этом диапазон перемещения составляет менее 3%. При величине U равной 12,5 В происходит взрыв микропузыря в рабочей камере. Взрыв происходит через 12 мс после начала серии. Следовательно, U_п составляет от 12 В до 12,5 В. Интерферометр не позволяет отследить быстрое перемещение мембраны под действием взрыва, поэтому перемещение отмечено пунктирной линией на фиг. 5.

Следующим этапом в качестве рабочего значения U выбирают 13 В и снова подают серию импульсов. Осциллограмма тока, протекающего через электроды, представлена на фиг. 6а. Взрыв происходит через 3,65 мс после начала серии. Об этом свидетельствует спад тока, детально показанный на фиг. 6б. После взрыва импульсы подают на электроды, поэтому в камере производится газ. Небольшие спады тока свидетельствуют о формировании вторичных взрывов, создающих паразитное перемещение мембраны. После окончания серии в камере присутствуют несколько десятков остаточных пузырей диаметром до 20 мкм, показанных на фиг. 7.

Далее демонстрируют многократное срабатывание актюатора. Серии импульсов подают на электрод с периодом Т, как показано на фиг. 8. Согласно интерферометрическим измерениям, мембрана возвращается в исходное положение за время от 60 мс до 80 мс. Промежуток времени между сериями импульсов t_п выбирают равным 80 мс. Таким образом, период подачи серий Т составляет 100 мс, и актюатор срабатывает с частотой 10 Гц. Остаточный газ накапливается в камере, формируя крупный пузырь, показанный на фиг. 9. Пузырь изолирует от электролита существенную часть центрального электрода уже через 20 срабатываний, и работа актюатора прекращается.

Следующим этапом применяют заявленный способ. На электрод подают серию импульсов амплитудой U равной 13 В и прерывают серию по наступлению взрыва. Осциллограмма тока, протекающего через электроды, представлена на фиг. 10а. Взрыв происходит через 3 мс после начала серии, далее импульсы не подают. Момент прерывания серии детально показан на фиг. 10б. В приведенном примере осуществляют прерывание по наступлению спада тока. Камера актюатора после прерванной серии представлена на фиг. 11. В ней присутствует заметно меньше остаточных пузырей по сравнению с серией без прерывания.

Перемещение мембраны под действием взрыва измеряют с помощью цифровой видеокамеры, установленной на оптический микроскоп. Пример кадра, сделанного видеокамерой, показан на фиг. 12. Сплошной линией отмечено исходное положение мембраны, пунктирной линией отмечено ее положение при максимальном перемещении. По кадру вычисляют максимальное перемещение, равное 116 мкм. Среднее значение максимального перемещения, рассчитанное по нескольким кадрам, составляет 90 мкм. Таким образом, диапазон перемещения составляет 18%. Эта величина в 6 раз превышает диапазон перемещения в случае, когда взрыв не производят.

Заключительным этапом демонстрируют многократное срабатывание актюатора с применением заявленного способа. Серии импульсов подают с периодом Т равным 100 мс. Каждую серию прерывают по наступлению взрыва. Камера актюатора через 1000 срабатываний показана на фиг. 13. В ней присутствуют лишь несколько остаточных пузырей, как и после подачи одной серии импульсов. Таким образом, в отличие от прототипа, газ не накапливается в камере, что делает возможным многократное срабатывание актюатора.

Потребляемую мощность рассчитывают по осциллограммам напряжения и тока, протекающего через электроды. В случае прерывания серии импульсов актюатор потребляет 28 мВт, тогда как без прерывания потребляемая мощность составляет 186 мВт. Таким образом, заявленный способ снижает энергопотребление в несколько раз по сравнению с прототипом.

Из приведенного примера следует, что предлагаемый способ позволяет улучшить работу, в частности, рабочие характеристики электрохимического актюатора. В рассмотренном примере способ применяют к актюатору стандартной конструкции, оснащенному плоской мембраной Диапазон перемещения увеличивают в несколько раз по сравнению со многими известными актюаторами. Применяя заявленный способ, демонстрируют многократное срабатывание актюатора на частоте 10 Гц, характерной для наиболее быстродействующих актюаторов других типов.

Технический результат изобретения заключается в существенном улучшении работы электрохимического актюатора. Во-первых, в отличие от прототипа, предлагаемый способ обеспечивает возможность многократного срабатывания актюатора. Во-вторых, он позволяет снизить энергопотребление актюатора по сравнению с прототипом. В-третьих, способ не требует усложнения конструкции и технологии изготовления актюатора.

Изобретение относится к микроэлектромеханическим системам, а именно к способам работы электрохимического актюатора. Импульсы напряжения переменной полярности, подаваемые на электрод, создают нанопузыри в рабочей камере актюатора. При достаточно высокой амплитуде импульсов концентрация нанопузырей достигает критической величины. Они сливаются в микропузырь, взрывающийся и расширяющийся до большого размера. За счет этого достигается большое перемещение мембраны актюатора. Способ включает заземление одного из электродов, подачу на второй электрод серии импульсов напряжения различной формы переменной полярности с амплитудой, превышающей пороговое напряжение, при котором в рабочей камере актюатора происходит взрыв микропузыря. По достижении взрыва серию импульсов прерывают. Прерывание осуществляют по наступлению спада тока, протекающего через электроды. Пороговое напряжение предварительно определяют путем последовательной подачи на электрод серий импульсов с амплитудой, увеличивающейся от серии к серии до взрыва микропузыря. Подают импульсы напряжения с длительностью, выбранной из диапазона от 0,1 мкс до 5 мкс. Технический результат заключается в улучшении работы электрохимического актюатора. 1 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Способ работы электрохимического актюатора, включающий заземление одного из электродов и подачу на второй электрод серии импульсов напряжения различной формы переменной полярности с амплитудой, превышающей пороговое напряжение, при котором в рабочей камере с электролитом происходит взрыв микропузыря, отличающийся тем, что серию импульсов прерывают по достижении взрыва, причем прерывание осуществляют по наступлению спада тока, протекающего через электроды, а пороговое напряжение предварительно определяют путем последовательной подачи на второй электрод серий импульсов с амплитудой, увеличивающейся от серии к серии до взрыва микропузыря, при этом подают импульсы напряжения с длительностью, выбранной из диапазона от 0,1 мкс до 5 мкс.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подают импульсы напряжения прямоугольной формы.