CN101059526B - 微通道中利用电热流驱动流体运动的方法 - Google Patents

Abstract

一种微电子技术领域的微通道中利用电热流驱动流体运动的方法，用微加工的方法在玻璃或者硅基底上沉积大小不一致且周期性分布的叉指型微电极，相隔的微电极都连接在一个总引线上面，把总引线与函数发生器相连；通过微加工的方法加工有微通道的聚二甲基硅氧烷盖片，并把盖片和基底键合；在微通道中注入KCl电解质溶液；在相邻的叉指型微电极对上分别施加+Vsin(ωt)以及-Vsin(ωt)的交变电势后，非均匀的电场会引起电解质溶液的温度梯度，进而造成电导率和介电常数的变化，最终产生定向的电热流动，对流体产生输送的效果。

Description

微通道中利用电热流驱动流体运动的方法

技术领域

本发明涉及的是一种微电子技术领域的方法，特别是一种微通道中利用电热流驱动流体运动的方法。

背景技术

近年来，以微机电系统为基础的微流控芯片技术得到了迅速的发展。微流控芯片技术通过对微通道内流体的控制，把化学和生物等领域中所涉及的样品制备、生物与化学反应、分离和检测等基本操作单元集成到一块方寸大小的芯片上，具有试剂消耗量少(纳升甚至皮升级)、高度集成、分析过程快速和便携等优点，在分析化学、生物医疗和药物检测等领域能发挥巨大的作用。

微流体驱动技术是实现微流体控制的前提和基础。传统的微流控芯片以加在微通道两端的高压直流电为驱动源，使贴近通道壁面双电层中的离子在电场力作用下产生运动，通道中的流体由于粘性的作用而被带动进行迁移，从而产生直流电渗流动，完成样品溶液的传输。由于其具有结构简单，可以实现无阀无机械部件的微流控操作等优势而得到了广泛的应用。但是，直流电渗驱动的方式需要高压电源，同时，在芯片通道中施加的高电场强度容易引起剧烈的焦耳热效应，对传输的生物样品造成破坏，在一定程度上限制了其使用。最近，交流电渗泵由于其具有驱动电压低、可以避免溶液的电解以及便于与其它微器件相集成等优点，日益受到人们的关注。交流电渗泵是通过非均匀交变电场对非对称电极双电层中诱导电荷的作用而使流体产生稳定的定向流动。在交流电渗泵中，同时伴随出现一种焦耳热效应，即电热流动现象。电热流动是由于在微通道中沉积的电极上施加交流电势后，会在微通道中形成非均匀的电场强度，进而在溶液中形成温度梯度，温度的不均匀分布造成溶液电导率和介电常数的改变，从而导致溶液中出现电热流动。

经对现有技术的文献检索发现，Ramos等在《Physics Review E》(物理学评论)(2003年67卷056302)上发表(“Pumping of liquids with ac voltages appliedto asymmetric pairs of microelectrodes”)(以施加在非对称电极上的交变电场驱动流体)，该文中提出通过在微通道底部沉积的非对称周期性分布的电极阵列上施加交变电场，由于电极附近吸引的离子电性以及电极产生的电场强度方向的同时变化，会在通道中产生流体稳定的定向流动。这种利用交变电场驱动流体的方法是一种全新的流体驱动技术，能在较低的电压下实现流体的泵送，具有广泛的应用前景。可是，在Ramos的交流电渗泵中，忽略了交变电场在微通道中的焦耳热效应，即电热流动现象，在一定程度上低估了在非对称电极上施加交变电流对流体的泵送能力。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种通过在微通道中利用电热流驱动流体运动的方法。对于通常采用的宽度一样的电极的情况，当在电极上施加交变电势后会在电极附近产生上下循环的漩涡流动，并不能对流体产生定向的泵送，而本发明则在基底芯片上沉积大小不一致的叉指型金属电极，在其上施加交变电势后，这种结构形式能沿通道产生定向的流动，对流体产生泵送的效果。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明通过在微通道的壁面上加工大小不一致的叉指型微电极阵列，且在相邻的微电极上施加相位差为180度的交变电势，由于非均匀电场强度的存在，会在微通道中产生温度梯度，进而改变其中电解质溶液的电导率和介电常数，从而引起溶液的电热流动。由于电极的大小不相同，会形成溶液的定向流动。

本发明包括如下步骤：

步骤一，用微加工的方法在玻璃或者硅基底上沉积大小不相等的叉指型微电极，大电极和小电极相隔出现且周期性分布。用一个总引线连接所有的大电极，而用另一个总引线连接所有的小电极，并把两个总引线与函数发生器的两个输出端口相连；

所述的硅或者玻璃基底，其厚度为500μm，硅的导热系数为k_硅＝150W/mK，玻璃的导热系数k_玻璃＝1.38W/mK。

所述微电极由20nm的钛以及200nm的金复合而成，其中大电极的宽度为10-45μm，小电极的宽度为2-8μm，大、小电极的宽度比在3-9之间，大、小电极间隙的宽度比在1-7之间。

步骤二，通过微加工的方法制作有微通道的聚二甲基硅氧烷(PDMS)盖片，并把盖片和基底键合；

所述的聚二甲基硅氧烷盖片厚度为100μm，导热系数k_PDMS＝0.18W/mK。

所述的微通道的深度为50μm。

步骤三，在微通道中注入KCl电解质溶液；

所述KCl电解质溶液，其电导率为0.001-0.1S/m。

步骤四，在相邻的叉指型微电极对上分别施加+Vsin(ωt)以及-Vsin(ωt)的交变电势后，非均匀的电场会引起电解质溶液的温度梯度，进而造成电导率和介电常数的变化，产生电热流动。对流体产生输送的效果。

所述交变电势的有效值大小为1-3V，频率在100Hz-100KHz之间变化。

本发明利用交流电动力学中的技术。交流电动力学具有驱动电压低(一般小于20V)、可以避免溶液的电解以及便于与其它微器件相集成等优点，主要分为3个大的部分，即交流电渗泵，介电电泳以及电热流动现象。其中的电热流动现象是由于在微通道中沉积的电极上施加交流电势后，会在微通道中形成非均匀的电场强度，进而形成溶液的温度梯度，温度的不均匀分布造成溶液电导率和介电常数的改变，从而导致溶液中出现电热流动。Du等(D.F.Chen and H.Du，Simulation studies on electrothermal fluid flow induced in a dielectrophoreticmicroelectrode system，J.Micromech.Microeng.，2006，116，2411-2419)对微通道中沉积大小相同的电极时的电热流现象进行了研究，发现在电极附近区域流体会随着交变电势频率的不同产生自上而下或更为复杂的漩涡流动。基于这种现象，设计了非对称的电极分布形式，并对其产生的沿通道定向的电热流动进行了考察。

本发明中的流体输运方法，可以通过求解电势方程、能量方程以及动量方程进行理论上的模拟和分析。由于电极以及电极间隙的宽度相比于电极的长度都很小，因此可以假设电极为无限长，从而建立一个二维的模型进行分析，同时，由于电极的周期性分布，只取芯片中一个电极分布周期的部分做计算。

微通道中的电场分布由Laplace方程控制，进行简化后为：

²V＝0    (1)

在低雷诺数下，忽略对流相应，通道中的流体在稳定状态下的能量方程为：

k_l ²T+<σE²>＝0    (2)

其中k_l和σ分别表示流体的导热系数和电导率，E是电场强度，可以用下式计算：E＝-

V，V是施加在电极上的电势，<>表示是时间平均值。

对于低雷诺数下的不可压缩流体，其受到电热体积力后的在稳定状态下的N-S方程可以表示为：

其中p是压力，η是流体的粘度，

表示速度，而<f_e>则是时间平均的电热力，可表示为：

$\&lang;f_e\&rang;=\frac{1}{2}\&CenterDot;\frac{\mathrm{\&epsiv;}(\mathrm{\&alpha;}-\mathrm{\&beta;})}{1+{\left(\mathrm{w\&tau;}\right)}^2}(\&dtri;T\&CenterDot;E)E-\frac{1}{4}\mathrm{\&epsiv;\&alpha;}{\left|E\right|}^2\&dtri;T$

(4)

其中τ＝ε/σ是流体介质的电荷松弛时间，ε是流体的介电常数，w是所外加交变电势的角频率，可表示为w＝2πf，而α和β则可分别表示为α＝(ε/

T)/ε及β＝(

σ/T)/σ。

对于以上的控制方程，在求解过程中，边界条件设置如下：设在电极上施加的电势有效值分别是V_rms和-V_rms，其余上、下边界设为电绝缘。微通道壁面均设为非滑移的速度边界条件。芯片底面以及顶面的温度均设为恒定的298K，而所有的左右边界均设为周期性的边界条件。

现有技术中，在基底材料上沉积大小相同的金属电极，施加交变电场之后，焦耳热效应引起的电热流动会在电极周围区域产生漩涡流动，而本发明通过在基底材料上沉积大小不相同的金属电极来产生电热流动。结果发现，在微通道中产生了定向的电热流动，从而能对流体产生一定的输送能力。这与同样是在大小不相同的电极阵列上施加交变电势对流体产生泵送效果的交流电渗泵相比，促使流体产生的原理又完全不一样，因此从理论上分析，可以作为一种新的在微通道中使流体产生定向流动的方法。

附图说明

图1(a)是大小不一致的叉指型微电极阵列示意图，图1(b)是本发明进行数值模拟的二维模型示意图；

图2是设定条件下计算区域中的等温线分布；

图3是设定条件下计算区域中的流线分布；

图4是比值一定的情况下大、小电极宽度不同时的电热流截面平均速度；

图5是大、小电极宽度比不同时的电热流截面平均速度；

图6是电极间隙比不同时的电热流截面平均速度；

图7是KCl溶液电导率不同时的电热流截面平均速度；

图8是芯片基底材料分别为玻璃和硅时的电热流截面平均速度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例：

步骤一，通过微加工的方法在基底2的表面上加工大小不相等且周期性分布的叉指型的微电极4和5，电极之间的间隙为6和7，微电极以20nm的钛和200nm的金复合而成，相隔的宽度一致的微电极均通过总引线和函数发生器相连。

步骤二，通过微加工的方法加工有微通道3的聚二甲基硅氧烷(PDMS)盖片1，其中，盖片部分厚度为100μm，而通道的深度为50μm，并把盖片和基底键合。

步骤三，在微通道3中注入电导率范围在0.001-0.1S/m的KCl溶液作为工作流体，对于这个电导率范围的KCl溶液，其相关的性质可以设定为：ε_r＝80，μ＝0.001Pa·s，k_l＝0.61W·m^-1K^-1，α＝-0.4％K^-1，β＝2.0％K^-1。

步骤四，在叉指型的电极对4和5上分别施加有效值为1-3V，频率在100Hz-100kHz之间，且相位差为180度的交变电势后，非均匀的电场强度会引起溶液的温度梯度，进而造成电导率和介电常数的变化，最终产生电热流动，造成对流体的输运。

本实施例中所有的计算都经过了网格无关性的验证。

如图1所示，在微通道3的基底2上加工大小不一致的微电极4和5，其宽度分别为L_E和L_e，微电极4和5中的大、小间隙6和7宽度分别为L_G和L_g。在相邻的两个电极上施加符号相反的交变电势，由于非均匀电场强度的存在，会在微通道3中产生温度梯度，进而改变溶液的电导率和介电常数，从而引起溶液的电热流动。由于电极的非对称分布，出现水平方向的定向电热流动。

如图2所示，设芯片基底为玻璃，L_e＝L_g＝5μm且L_E＝L_G＝25μm，施加的交变电势有效值为2V，频率为10kHz，KCl溶液的电导率为0.01S·m^-1。从图中的等温线分布可以看出，在设定条件下，电解质溶液的温度虽然有所升高，但是温升都很小，即使是温升最大的区域也只升高了0.65K左右，基本上对溶液中的生物样品性质不会产生影响，完全避免了在直流电场作用下可能引起的几十度的温度升高，有利于样品的更好传输。同时发现，最高的温度出现在小电极和大、小电极的小间隙上面的区域，离电极表面越远，溶液温度越低。这是由于电场强度随着远离电极表面而减小而造成的。

如图3所示，设芯片基底为玻璃，L_e＝L_g＝5μm且L_E＝L_G＝25μm，施加的交变电势有效值为2V，频率为10kHz，KCl溶液的电导率为0.01S·m^-1。与在电极对称时产生的呈上下方向循环的流线不同，在非对称电极的情况下，由于电极的大小不相同，产生的电热流动具有定向的运动，且方向是从小电极朝向大电极，与电渗泵本身产生的流体流动方向一致，也就是说，电热流动效应的存在，会在一定程度上加快电渗泵的流速。

如图4所示，设芯片基底为玻璃，施加的交变电势频率为10kHz，KCl溶液的电导率为0.01S·m^-1。可以看到，在小电极和小间隙的宽度相等且分别为2，5和8μm，大电极和大间隙的宽度相等且分别为10，25和40μm时，随着电势的增加，各种电极大小情况下通道截面上的平均电渗流速都呈不断增加的趋势，且增加的越来越快。同时发现，在L_s＝L_g＝2μm且L_L＝L_G＝10μm时的截面平均电渗流速最大，而在L_s＝L_g＝8μm且L_L＝L_G＝40μm时的截面平均电渗流速最小，这说明在电极宽度比例不变的情况下，电极的线宽越小，由于电热流动效应所能产生的流体流速越大，这与由电渗泵本身所产生的电渗流速的发展趋势是一致的。因此，在所能达到的加工条件下，制作尽可能细的金属电极，可以得到更高的电热流动速度。

如图5所示，设芯片基底为玻璃，施加的交变电势频率为10kHz，KCl溶液的电导率为0.01S·m^-1。可以看到，在电极间隙大小固定为L_g＝5μm且L_G＝25μm，小电极宽度为L_e＝5μm，大小电极间隙之比L_E/L_e改变时，随着外加电势的增大，不同电极宽度比下产生的电热流动速度都在增加，当L_G/L_g＝5时达到最大值，而在其它值时则略为减小。说明大小电极的宽度比在5时能达到电热流动的最大速度，而通过与交流电渗泵的设计参数比较发现，这一比例同样能达到交流电渗流速的最大值，可见电热流动产生最大速度的电极设计和交流电渗泵是一致的。

如图6所示，设芯片基底为玻璃，施加的交变电势频率为10kHz，KCl溶液的电导率为0.01S/m。可以看到，在电极大小固定为L_e＝5μm且L_E＝25μm，小电极间隙为L_g＝5μm，大小电极间隙之比L_G/L_g改变时，随着外加电势的增大，各种间隙比下产生的电热流动速度都在增加，不同的是，在同一外加电势下，电热流动速度随着电极间隙比值的增加先逐渐增大，在L_G/L_g＝5时达到最大值，而后又开始减小，这与通过优化所得到的电渗泵本身产生最大电渗流速时的大小电极间隙比是一致的。可见，L_G/L_g＝5这一比值无论是对电渗流速本身还是由于电热流动效应产生的速度都是一个最佳值，在交流电渗泵的设计过程中，可以进行参考。

如图7所示，设芯片基底为玻璃，L_e＝L_g＝5μm且L_E＝L_G＝25μm，施加的交变电势频率为10kHz。由式(2)可知，在电场作用下电解质溶液中产生的焦耳热流量与溶液的电导率呈正比，因此，增大溶液电导率必然会引起更大的电热流动效应。图为溶液电导率不同的情况下，电热流动截面平均速度随外加电势的变化。可以看出，溶液的电导率增大10倍时，相应的电热流动截面平均速度也相应增大10倍。因此，在交流电渗泵中，若溶液电导率的增大不会引起剧烈的温度升高，使用电导率较高的电解质溶液对提高电渗泵的速度是有一定帮助的。

如图8所示，设L_e＝L_g＝5μm且L_E＝L_G＝25μm，施加的交变电势有效值为2V，频率为10kHz，KCl溶液的电导率为0.01S/m。可以看到，在芯片的基底材料分别为硅和玻璃时，在不同外加电势下，基片为硅时产生的截面平均速度明显比玻璃低，且差异随着外加电势的增加而不断增大。这是由于硅的导热系数与玻璃相差近100倍，散热效果比玻璃好很多。电解质溶液在产生相同热流量的情况下基片为硅时形成的温度场梯度更小，从而形成了更小的电热流动速度。随着外加电势的增大，单位体积的溶液中产生的热流量增加，硅较高的散热能力得到更好的体现，从而与玻璃基片相比，造成更大的电热流动速度差异。

对于式(4)中的体积力，右边第一项为哥伦布力，而第二项为介电力。在一定的临界频率f_c下，两种力的大小相等，当频率低于f_c时，哥伦布力起主导左右，而当频率高于f_c时，介电力起主导作用。临界频率f_c可以计算为：

$f_c\&ap;\frac{\mathrm{\&sigma;}}{2\mathrm{\&pi;\&epsiv;}}{|1-2\frac{\&PartialD;\mathrm{\&sigma;}}{\mathrm{\&sigma;}\&PartialD;T}/\frac{\&PartialD;\mathrm{\&epsiv;}}{\mathrm{\&epsiv;}\&PartialD;T}|}^{\frac{1}{2}}---\left(5\right)$

由于由哥伦布力引起的速度比由介电力引起的速度要高几个数量级，因此，为了增强电热流动效果，应该尽量让所施加的交变电场频率在哥伦布力起主导作用的范围，也即小于临界频率的范围。在本发明中所设定的条件下，所采用的频率范围都是哥伦布力起主导作用的。当外加交变电场的频率从100Hz到100kHz之间变化时，通过计算可知，对哥伦布力的大小几乎没有影响，因此频率在此范围内变化时形成的电热流动速度也几乎保持一致。

要指出的是，在以上所有的模拟中，溶液的温度升高都小于10K，因此温度升高不是限制本发明方法使用的因素。

Claims (10)

1. 一种微通道中利用电热流动驱动流体运动的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，用微加工的方法在玻璃或者硅基底上沉积大小不相等的叉指型微电极，大电极和小电极相隔出现且周期性分布，用一个总引线连接所有的大电极，而用另一个总引线连接所有的小电极，并把两个总引线与函数发生器的两个输出端口相连；

步骤二，通过微加工的方法加工有微通道的聚二甲基硅氧烷盖片，并把盖片和基底键合；

步骤三，在微通道中注入KCl电解质溶液；

步骤四，在相邻的叉指型微电极对上分别施加+Vsin(ωt)以及-Vsin(ωt)的交变电势后，非均匀的电场会引起电解质溶液的温度梯度，进而造成电导率和介电常数的变化，最终产生定向的电热流动，对流体产生输送的效果。

2. 根据权利要求1所述的微通道中利用电热流动驱动流体运动的方法，其特征是，所述的玻璃或者硅基底，其厚度为500μm。

3. 根据权利要求1或2所述的微通道中利用电热流动驱动流体运动的方法，其特征是，所述的玻璃或者硅基底，硅的导热系数为k_硅＝150W/mK，玻璃的导热系数为k_玻璃＝1.38W/mK。

4. 根据权利要求1所述的微通道中利用电热流动驱动流体运动的方法，其特征是，所述的微电极由20nm的钛以及200nm的金复合而成。

5. 根据权利要求1所述的微通道中利用电热流动驱动流体运动的方法，其特征是，所述的微电极，大电极的宽度为10-45μm，小电极的宽度为2-8μm，

6. 根据权利要求1或5所述的微通道中利用电热流动驱动流体运动的方法，其特征是，所述的微电极，大、小电极的宽度比在3-9之间，大、小电极间隙的宽度比在1-7之间。

7. 根据权利要求1所述的微通道中利用电热流动驱动流体运动的方法，其特征是，所述的聚二甲基硅氧烷盖片厚度为100μm，导热系数k_PDMS＝0.18W/mK。

8. 根据权利要求1所述的微通道中利用电热流动驱动流体运动的方法，其特征是，所述的微通道的深度为50μm。

9. 根据权利要求1所述的微通道中利用电热流动驱动流体运动的方法，其特征是，所述的KCl电解质溶液，其电导率为0.001-0.1S·m^-1。

10. 根据权利要求1所述的微通道中利用电热流动增强混合效果的方法，其特征是，所述的交变电势，其有效值大小为1-3V，频率在100Hz-100kHz之间变化。

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