基于压电薄膜的液态金属驱动装置、控制方法及制造方法

摘要

本发明提供了一种基于压电薄膜的液态金属驱动装置、驱动控制方法及制备方法，该驱动装置包括基底与盖板，基底上形成有柔性微通道结构，在柔性微通道结构的一端形成有能够容纳液态金属的液态金属储液池，柔性微通道结构上集成有薄膜结构，薄膜结构在电压控制下发生位移形变，并使得柔性微通道结构发生形变，从而通过挤压作用驱动填充在柔性微通道结构内的液态金属流动。本发明实现了液态金属在柔性微通道结构中的可逆连续性或阶梯性流动控制，使液态金属可以更高精度、大尺度流动，并且液态金属在流道结构中的位置可精确控制，可应用于伪装、通信、散热、能量收集等领域，实现动态化调控能力。

说明书

技术领域

本发明属于液态金属驱动装置技术领域，具体涉及一种基于压电薄膜的液态金属驱动装置、控制方法及制造方法。

背景技术

以镓基合金为代表的液态金属，由于具有良好导电性、常温下连续流动性、大变形以及可操控等特点，近年得到极大关注，并在柔性电子、柔性传感及可重构射频系统等领域展现出优越的应用前景。在特定结构中如何高精度驱动控制液态金属连续流动，实现常规金、银、铜等金属材料无法达到的电长度任意重构功能特点，是该领域一直研究突破的关键难题。例如在超材料单元结构、射频天线结构中，利用液态金属的微流动控制，具有对常规超材料、射频天线结构的宽带调控及性能(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的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。

因此，如何改进现有的液态金属驱动控制方式，提高对流动过程的可控性，是本领域所面临的一个重要问题。

发明内容

为克服现有技术中的问题，本发明提供了一种基于压电薄膜的液态金属驱动装置，包括基底与盖板，所述基底上形成有柔性微通道结构，在所述柔性微通道结构的一端形成有能够容纳液态金属的液态金属储液池，所述柔性微通道结构上集成有薄膜结构，所述薄膜结构在电压控制下发生位移形变，并使得柔性微通道结构发生形变，从而通过挤压作用驱动填充在所述柔性微通道结构内的液态金属流动。

进一步地，所述薄膜结构设置于液态金属储液池的底部。

进一步地，所述薄膜结构设置于柔性微通道结构外壁上。优选地，所述薄膜结构为若干个，若干个所述薄膜结构间隔性地设置在柔性微通道结构外壁上。更优选地，若干个薄膜结构间隔性地设置于柔性微通道结构的除去液态金属储液池部分的外壁上。

进一步地，所述液态金属储液池呈L型，且向下断延伸的宽度大于柔性微通道结构的宽度；所述柔性微通道结构将所述液态金属密封于其内部。

进一步地，所述薄膜结构为压电薄膜层，所述压电薄膜层的宽度为毫米级～厘米级；厚度为微米级～毫米级。

进一步地，所述柔性微通道结构的内壁上还设置有若干微柱结构，所述薄膜结构设置于柔性微通道结构的外壁，且在竖直方向上与所述微柱结构相对应的位置。优选地，所述微柱结构的直径和高度为毫米级至厘米级。优选地，所述微柱结构为圆柱体、长方体、立方体结构。

根据本发明，还提供了上述任一种基于压电薄膜的液态金属驱动装置驱动液态金属的方法，包括以下步骤：

针对上述装置中的薄膜类型，通过相应的方式使其产生位移形变，并带动柔性微通道结构的内壁发生形变；优选针对压电薄膜，通过电压控制下使其产生位移形变；利用所述柔性微通道结构内壁形变的挤压作用，使液态金属在柔性微通道结构中受控地流动。

进一步地，通过液态金属储液池底部和/或柔性微通道结构的外壁上所设置的薄膜结构，实现对液态金属的连续性和/或梯度性控制。

根据本发明，还提供了一种基于压电薄膜的液态金属驱动装置的制备方法，包括以下步骤：

S1、利用柔性材料制备柔性微通道结构，所述柔性微通道结构由流道基底与盖板键合密封形成；S2、将液态金属通过微工艺注入到柔性微通道结构中，并通过酸性及碱性溶液去除柔性微通道结构中液态金属的表面氧化层；通过封装实现液态金属在柔性微通道结构中的流动过程中，形成密闭、隔离空气的工作环境；S3、将所述柔性微通道结构中的外壁与薄膜材料集成或者将所述柔性微通道结构的液态金属储液池的底部与薄膜材料集成。

进一步地，所述柔性材料采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚对笨二甲酸乙二醇脂(PET)、聚氯乙烯(PVC)、硅胶材料。

进一步地，所述薄膜结构为压电薄膜层。优选地，所述柔性微通道结构采用翻模工艺或微纳加工工艺实现，具体包括光刻、纳米压印工艺。

优选地，在向柔性微通道结构中注入液态金属之前，首先在干燥真空操作环境中，对柔性微通道结构抽真空，实现柔性微通道结构的真空状态；之后在干燥真空环境下，通过微注入工艺实现将液态金属注入到柔性微通道结构中。

优先地，微注入采用高精度微注射器、3D直写方式实现。

本发明的有益效果

本发明通过将压电薄膜材料集成于液态金属流动的柔性微通道结构中，即将液态金属驱动控制系统与柔性微通道流动结构一体化集成，结合柔性微通道结构设计，利用压电薄膜层的逆压电效应，使得压电薄膜驱动液态金属在柔性微通道结构中流动，实现了在长距离流道结构以及复杂流道结构中对液态金属的驱动控制，从而控制了液态金属在流道结构中的电学导通与阻断，实现了液态金属流动通道结构的微型化设计。采用本发明的技术方案，实现了液态金属更高精度、大尺度流动，实现了液态金属在微通道结构中的位置精确控制，能够应用于伪装、通信、散热、能量收集等领域，如应用于超材料、射频天线中，实现了性能的动态可控调节。

附图说明

图1示出了本发明一种具体实施例中基于压电薄膜的液态金属驱动装置的结构示意图；

图2示出了本发明另一种具体实施例中基于压电薄膜的液态金属驱动装置的结构示意图。

附图标记：1-液态金属；2-柔性微通道结构；3-微柱结构；4-压电薄膜层；5-液态金属储液池。

具体实施方式

下文将结合具体实施例对本发明做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。

本发明所提供了一种基于压电薄膜的液态金属驱动装置，包括基底与盖板，基底上形成有柔性微通道结构2，在柔性微通道结构2一端形成有能够容纳液态金属1的液态金属储液池5，柔性微通道结构2上集成有薄膜结构，其中，所述薄膜结构在电压控制下发生位移形变，并使得柔性微通道结构2发生形变，从而通过挤压作用驱动填充在柔性微通道结构2内的液态金属1流动。

如图1所示，在本发明的一个优选实施方式中，所述薄膜结构设置于液态金属储液池5底部，用于使液态金属储液池5底部在竖直方向上产生形变，实现了液态金属1在柔性微通道结构中的流动驱动，从而实现了对液态金属1的连续性控制。

如图2所示，在本发明的另一个优选实施方式中，所述薄膜结构设置于柔性微通道结构2的外壁上，柔性微通道结构2将液态金属1密封于其内部，在电压控制下薄膜结构发生位移形变，通过施加不同电压，不同的薄膜结构产生不同形变，并带动柔性微通道结构2的外壁在不同位置产生不同幅度的形变，从而通过挤压作用驱动液态金属1在柔性微通道结构2中流动，实现了对液态金属1的梯度性控制。

优选地，薄膜结构采用压电薄膜层4。压电薄膜层4可以为单层或多层，多层结构能够实现更大的位移形变。优选地，薄膜结构为若干个，若干个所述薄膜结构间隔地设置在柔性微通道结构2的外壁上。更优选地，若干个薄膜结构间隔的距离为微米级至厘米级，具体依据驱动流体需求设计。进一步优选地，若干个薄膜结构间隔地设置于柔性微通道结构2除去液态金属储液池5部分的外壁上。

优选地，所述压电薄膜层4的宽度为毫米级～厘米级；厚度为微米级～毫米级。所述压电薄膜层4的宽度和厚度数值可依据驱动流体所需的压力值设定。

本发明的具体工作原理如下：基于压电薄膜材料的逆压电机理，压电薄膜层4在电压作用下产生形变，压电薄膜层4通过自身位移形变改变柔性微通道结构2的形态，或者调节液态金属储液池5的体积发生变形，实现对液态金属1在微通道结构2中的流动驱动，如将液态金属1从液态金属储液池5中挤出，实现液态金属1在柔性微通道结构2中的迁移、流动。不同电压作用下压电薄膜材料的形变量不同。因此，本发明实现了液态金属1流动量的控制或流动，进而调控了液态金属1在柔性微通道结构2的流动响应。

本发明的液态金属储液池5的形变量为微米至毫米级，流速控制实现微升/min量级，柔性微通道结构的宽度、高度尺度为微米至毫米级。

本发明通过液态金属储液池5与压电薄膜集成的方式实现液态金属1在流道结构中的驱动控制、隔离阻断，实现对流道结构中液态金属1形态的重构。通过调控液态金属1的在柔性微通道结构中的微流控性及可任意流动性，实现了液态金属1的可逆连续性或阶梯性流动控制，重构了液态金属1在流道中的结构形态和尺度参数，进而调节了所设计流动结构形态、材料属性。本发明的装置能够应用于超材料、射频天线领域，通过驱动控制液态金属1在流道结构中不同流动位置，实现对超材料、天线通道结构的动态重构，以动态调节超材料、天线的性能参数。

作为一种更加优选的方式，柔性微通道结构2的内壁上还设置有若干微柱结构3。其中，压电薄膜层4设置于柔性微通道结构2的外壁且在竖直方向上与微柱结构3对应的位置上，通过不同微柱结构3与相应压电薄膜层4相互配合，以此提供更好的梯度性控制效果，通过压电薄膜层4的变形，与微柱结构共同形成相互挤压作用于液态金属上，实现液态金属的流控控制，同时，利用微柱结构实现液态金属流动位置的固定。

根据本发明，还提供了一种基于压电薄膜的液态金属驱动装置的驱动方法，包括：针对上述装置中的薄膜类型，通过相应的方式使其产生位移形变，并带动柔性微通道结构2的内壁发生形变，利用柔性微通道结构2内壁形变的挤压作用，使液态金属1在微通道结构中受控地流动。

本发明提供的基于压电薄膜的液态金属驱动装置的驱动控制方法，能够将柔性微通道结构2、液态金属储液池5与压电薄膜层4一体化集成，即将多个压电薄膜层4与柔性微通道结构2依次集成，不同电压对应的压电薄膜层变形量不同，每个压电薄膜层在竖直方向发生变形，分布式压电薄膜层依次通电产生阶梯式驱动力，通过控制多个压电薄膜层4的响应，调节挤压控制流道结构的形变，实现液态金属驱动的微型化、高精度响应，液态金属在流道结构中具有连续可逆流动与大尺度流动能力。进而实现对流道结构中液态金属形态的重构。

此外，本发明还提供了一种基于压电薄膜的液态金属驱动装置的制造方法，具体包括以下步骤：

S1、利用柔性材料制备柔性微通道结构2；

S2、将液态金属1通过微工艺注入到柔性微通道结构2中，并通过酸性及碱性溶液去除柔性微通道结构2中液态金属1的表面氧化层，通过封装实现液态金属1在柔性微通道结构2中的流动，形成密闭、隔离空气的工作环境；

S3、在所述柔性微通道结构2的外壁上形成压电薄膜层4，例如柔性微通道结构2与压电薄膜材料以集成的方式形成。

其中，柔性材料可选用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚对笨二甲酸乙二醇脂(PET)、聚氯乙烯(PVC)、硅胶等，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成型。通过高温、等离子体技术使柔性微通道结构2的基底结构与盖板结构键合密封制备形成。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，该氧化层的厚度约为3-5nm，可采用盐酸或酸性油包裹液态金属去除。因此，在柔性微通道结构2中注入液态金属1之前，先用盐酸或酸性油对柔性微通道结构2进行流通。

优选地，在向柔性微通道结构2中注入液态金属之前，首先在干燥真空操作环境中，对柔性微通道结构2抽真空，实现真空状态；之后在干燥真空环境下，通过微注入工艺将液态金属1注入到柔性微通道结构2中。优先地，微注入采用高精度微注射器、3D直写方式实现。

以上对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。