基于金属微针尖端放电的负氧离子发生器及其制备方法与流程

本发明涉及mems技术领域，尤其是涉及一种基于金属微针尖端放电的负氧离子发生器。

背景技术：

目前，各种各样的离子产生机也逐渐问世。但是用于微小环境的空气负氧离子发生器还没有面世。这种微小环境的空气负氧离子发生器可以用于微小生物芯片中的有效杀菌。还可以装在梳子中用于促进头皮血液循环，改善头发的质量。

中国专利cn108808453a公布了一种尖端型负离子发生器，包括塑料罩、金属圆筒、工频高压电源和金属丝尖端，所述工频高压电源，包括自耦调压器、隔离变压器、高压二极管、高压电容、电晕放电线和接地网电极，所述隔离变压器的原边与所述自耦调压器连接，所述高压二极管串联在所述隔离变压器的副边的正端，所述高压电容并联在所述隔离变压器的副边的正端和所述隔离变压器的副边的负端之间，所述电晕放电线与所述高压二极管的正端连接，所述接地网电极位于所述电晕放电线的对端。但是该专利技术中的离子产生器无法应用于微小环境中。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种微型化、负氧离子产生效果好的基于金属微针尖端放电的负氧离子发生器。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于金属微针尖端放电的负氧离子发生器，包括电源、设有进口与和出口的腔体、设于所述腔体内的两个金属微针，所述两个金属微针的尖端相对设置，所述两个金属微针通过导线与所述电源连接；

所述金属微针包括基座和设于所述基座表面的微针阵列；该微针阵列包括若干呈矩阵分布的四棱锥形微针，其中所述四棱锥形微针包括立柱和设于所述立柱上的针尖。

所述四棱锥形微针的宽为100～325μm，优选为300μm；高为200～650μm，优选为600μm。

所述微针阵列的设置密度为64～324个/cm²，优选为225个/cm²。

更优选地，金属微针的基座为1cm²，微针阵列排布为15×15。

所述金属微针的针尖尺寸为1～20μm。

本发明设置的微针阵列能够产生高能量密度的负氧离子，微针密度或者尺寸的变化，会影响所产生负氧离子的浓度和质量，产生的负氧离子的杀菌效果就会明显不同；具体来说，如果微针密度较大，则会产生钉床效应；如果微针密度较小，则会达不到阵列式的效果。相比于传统的负氧离子发生器，采用本发明优选的微针结构，在相同的电压下，所产生的负氧离子量是相对而言比较多的，并且这种空气负氧离子发生器可以用于微小环境的微小生物芯片中的强力杀菌。

所述四棱锥形微针的表面覆盖有铜金属层。

所述腔体为硅腔。

所述金属微针的材质具体为镍。

所述电源的电压为790v，电流为0.6ma情况下，产生的负离子量为43333个/cm³。

本发明的工作原理为：

本设备是按照电晕放电原理，是指在微针尖端加有较高的电位差，电极两端都是金属微针的尖针，当在一端的电极是负性时，这时候所产生正离子会被负性电极这端吸收，同时负离子会被排斥到另一端，此时就会由于尖端放电而产生空气负离子。本发明在满足负氧离子产生的同时，使用镀铜的金属微针尖端电位差的电晕放电原理，在直径只有几纳米的微针尖端附近产生大量的小粒径负氧离子，这种负氧离子带有微量的臭氧，这种微小环境的空气负氧离子发生器可以用于微小生物芯片中的有效杀菌。

经过实验测试，在负氧离子发生器的具体设置为15×15微针阵列针尖高度约600μm，制作于1cm²的基座上的条件下，经放电及负离子测量仪器量测下，证实电压790v、电流0.6ma情况下，确实产生负离子量43333个/cm³。

本发明的基于金属微针尖端放电的负氧离子发生器的制作方法，包括以下步骤：

(a)取中间为硅，两端为二氧化硅的硅片，采用湿法刻蚀工艺在所述硅片上刻蚀得到微针针尖硅模具；

(b)采用uv-liga工艺在所述微针针尖硅模具上加工出金属微针的立柱部分，获得中间模具；

(c)采用转写工艺以所述中间模具为基础制作pdms倒模，并采用pdms倒模制备所述金属微针；

(d)将所述金属微针的表面置于电解液中，电镀一层金属铜；

(e)取两个所述金属微针，分别与导线相连，两根导线的另一端分别连接在电源的高压端和低压端；

(f)将连接电源的两个金属微针置于设有进口与和出口的腔体的内部，从进口通入空气，产生的负氧离子从出气口排出。

其中，步骤(a)中，所述硅片为采用丙酮，酒精，蒸馏水清洗处理后的硅片。

其中，其特征在于，步骤(b)中，uv-liga工艺中采用的光刻胶为负性su-8光刻胶。

本发明的具体制备方法为使用套刻工艺，即利用湿法刻蚀和uv-liga工艺分别制备微针针尖硅模具和su-8微针的立柱部分在硅片上，之后用pdms倒模制作微针模具，制备成一个高约600μm，宽约300μm的四棱锥形微针阵列，为了方便导电，本发明在制备的微针表面电镀上一层金属铜。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明的装置采用微针作为一种高效微小的放电装置，利用金属微针的导电性使得尖端产生电压差，以电晕放电原理从而产生较高浓度的负氧离子，能够应用于微小环境中；

(2)本发明中金属微针尖端直径只有几微米，当运用金属的导电性施加电压时，利用尖端放电从而产生负氧离子，由于针尖的尺寸可以做到微米级，尖端放电效果好，利用尖端的放电原理释放高能量密度的能源；

(3)本发明的装置是一种微型能量输出装置，其尺寸可以做到厘米级甚至更小，因此其应用范围也会更广，可代替传统能量输出装置应用到更精密、体积更小的设备装置中去；

(4)本装置操作简单，轻巧方便，容易易操作，只需在微针的尖端通高压直流电就可以产生负氧离子；

(5)应用领域广泛：可以用于微小生物芯片中的有效杀菌，装在梳子中用于促进头皮血液循环，改善头发的质量，并且对于以后的航空航天等需要高能源微小型设备的领域有很大的影响。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图中，1为电源，2为导线，3为金属微针，4为硅腔，5为进口，6为出口。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

一种基于金属微针尖端放电的负氧离子发生器，如图1所示，包括电源1、设有进口5与和出口6的硅腔4、设于腔体内的两个镍材质的金属微针3，两个金属微针3的尖端相对设置，两个金属微针3通过导线2与电源1连接；金属微针3包括基座和设于基座表面的微针阵列；该微针阵列包括若干呈矩阵分布的四棱锥形微针，其中四棱锥形微针包括立柱和设于立柱上的针尖；其中，四棱锥形微针的宽为300μm、高为600μm；微针阵列的设置密度为225个/cm²，微针阵列的排布为15*15，基座为1cm²；金属微针3的针尖尺寸为1μm；四棱锥形微针的表面覆盖有铜金属层。在电源1的电压为790v，电流为0.6ma情况下，产生的负离子量为43333个/cm³。

本实施例的制作方法，包括以下步骤：

(a)取中间为硅，两端为二氧化硅的硅片，采用丙酮，酒精，蒸馏水清洗处理，采用湿法刻蚀工艺在处理后的硅片上刻蚀得到微针针尖硅模具；

(b)采用uv-liga工艺在微针针尖硅模具上加工出金属微针3的立柱部分，获得中间模具，该过程采用的光刻胶为负性su-8光刻胶，因此中间模具的立柱部分材质为su-8；

(c)采用转写工艺以中间模具为基础制作pdms倒模，并采用pdms倒模制备金属微针3；

(d)选取步骤(c)获得的1cm²面积的金属微针3，将金属微针3表面的微针阵列置于电解液中，电镀一层金属铜；

(e)取两个金属微针3，分别与导线2相连，两根导线2的另一端分别连接在电源1的高压端和低压端；

(f)将连接电源1的两个金属微针3置于设有进口5与和出口6的腔体的内部，从进口5通入空气，产生的负氧离子从出气口排出。

本实施例中pdms倒模(即步骤(a～c))的制备方法参照现有技术《纳米技术与精密工程》期刊2014年5月的第12卷第3期中微针阵列的制备方法。

本实施例的方法可以在一块很小的硅片上根据不同的用途，很容易地产生高能量密度的能源。本实施例使用了一种新型的尖端放电的方式，不仅显著降低了生产成本，而且是微小型高密度的金属微针尖端放电产生负氧离子的装置。本装置操作简单，轻巧方便，装在梳子中用于促进头皮血液循环，改善头发的质量；轻巧方便、实用性强，在单位面积内产生的负氧离子浓度高，有益于改善室内环境，增进身心健康。

实施例2

一种基于金属微针尖端放电的负氧离子发生器，如图1所示，包括电源1、设有进口5与和出口6的硅腔4、设于腔体内的两个金属微针3，两个金属微针3的尖端相对设置，两个金属微针3通过导线2与电源1连接；金属微针3包括基座和设于基座表面的微针阵列；该微针阵列包括若干呈矩阵分布的四棱锥形微针，其中四棱锥形微针包括立柱和设于立柱上的针尖；其中，四棱锥形微针的宽为100μm、高为200μm；微针阵列的设置密度为64个/cm²，微针阵列的排布为8*8，基座为1cm²；金属微针3的针尖尺寸为10μm；四棱锥形微针的表面覆盖有铜金属层，金属微针3的材质为镍。在电源1的电压为790v，电流为0.6ma情况下，产生的负离子量为23900个/cm³。

实施例3

一种基于金属微针尖端放电的负氧离子发生器，如图1所示，包括电源1、设有进口5与和出口6的硅腔4、设于腔体内的两个金属微针3，两个金属微针3的尖端相对设置，两个金属微针3通过导线2与电源1连接；金属微针3包括基座和设于基座表面的微针阵列；该微针阵列包括若干呈矩阵分布的四棱锥形微针，其中四棱锥形微针包括立柱和设于立柱上的针尖；其中，四棱锥形微针的宽为325μm、高为650μm；微针阵列的设置密度为324个/cm²，微针阵列的排布为18*18，基座为1cm²；金属微针3的针尖尺寸为20μm；四棱锥形微针的表面覆盖有铜金属层，金属微针3的材质为镍。在电源1的电压为790v，电流为0.6ma情况下，产生的负离子量为43500个/cm³。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。