CN101497017A - 一种微流控制结构 - Google Patents

Abstract

一种微流控制结构，在该结构的导电衬底(1)上设有介质层(2)，在介质层(2)上设有疏液层(3)，在疏液层(3)上的两侧设有两侧障壁(4)，在两侧障壁(4)上设有顶端障壁(5)；由疏液层(3)、两侧障壁(4)、顶端障壁(5)之间的空间构成流动腔体(7)，微流体(6)位于流动腔体(7)中。介质层(2)的厚度沿着微流体(6)的流动方向逐渐递减。从而实现了微流体流向润湿性更强的一端。利用这种微流控制结构可以实现电压对微流体的控制，从事实现电可控的微渠或微泵功能。它具有很强的技术应用前景。

Description

一种微流控制结构

技术领域

本发明涉及一种微流控制结构的设计，属于微机械系统设计的技术领域。

背景技术

微流控制器件及系统是当前微机电系统领域中的一个研究热点，包括各种类型的微流泵、微流阀、微流量计及生物芯片等，其在生物医学检测、药物合成、微量药物控释、化学分析和集成电路冷却等领域具有很大的潜在应用前景。

微流控制器件设计的一项核心内容是如何利用外界信号如电信号控制微量液体(微流体)的流动方向、流动速度等。目前微流控制主要利用机械阀控、气动、毛细等手段。这些方法一方面需要机械控制，工艺制作难度大，成本高；另一方面，如何对微流体的流速实现电信号的准确控制比较难，有的只能实现二值选择变化。因此微流控制器件研究迫切需要寻求一种加工工艺简单，电可控性强的微流控制结构。

而电润湿的应用为微流控制器件的设计提供了新的技术方向。电润湿通常是指通过对固体电极和液体间外加电压而达到改变液体与固体间润湿性的现象。电润湿现象的研究主要集中在两个方向：介质上电润湿和电极上电润湿。目前国外在基于介质上电润湿的研究已取得相当进展，包括可变焦透镜、电子显示、微流器件等。后者在仿生学、催化剂学、表面处理、纳米颗粒组装等方面应用前景广泛。

电润湿的基本原理如图3所示。在图3所示的结构下，当改变液体与疏水性固体介质膜下面的电极之间的电势，液体对介质膜表面润湿性会发生改变。初始状态时，忽略重力的影响，液滴在固体表面的接触角θ₀，则在施加一定的电压V之后，液滴的接触角θ可以由杨氏李普曼方程表示：

$\cos \mathrm{\θ}-{\cos \mathrm{\θ}}_0=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r{V}^2}{2d{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{LG}}}---\left(1\right)$

其中ε₀ε_r为介质的电介质常数，γ_LG为液体和气体之间的表面张力，d为电介质的厚度。由此可见，润湿特性的改变力度随着电压的增加而增强，随着介质厚度的增加而减小。电压绝对值越大，润湿性就越强，对水来说就是越亲水；而介质厚度越薄，润湿性就越强，对水来说就是越亲水。

如果固体表面的润湿性在空间上不一致，那么液体就会表现为远离润湿性弱一端、接近润湿性强一端的趋势，如果这种不一致性足够强，液体就会形成流动：从疏水一方流向亲水一方。这种流动速度与与润湿性在空间的不一致性的强度即空间梯度的大小是相关的。根据公式(1)，在相同的电压差情况下，这种润湿性的空间梯度可由控制介质厚度的空间梯度来实现。

本发明涉及的这种微流控制结构正是基于上述原理，一方面实现了微流控制的功能，另一方面减少了对传统机械控制的依赖，工艺实现简单，成本优势明显。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种新型的微流控制结构。该结构利用电润湿的基本原理，通过控制介质厚度的空间梯度，形成润湿性的空间梯度，从而实现了微流体流动方向和流动速度的控制。这种微流控制结构，一方面实现了电信号控制微流的功能，另一方面减少了对传统机械控制的依赖，工艺实现简单，成本优势明显。

技术方案：本发明的一种微流控制结构的导电衬底上设有介质层，在介质层上设有疏液层，在疏液层上的两侧设有两侧障壁，在两侧障壁上设有顶端障壁；由疏液层、测量障壁、顶端障壁之间的空间构成流动腔体，微流体位于流动腔体中。介质层的厚度沿着微流体的流动方向逐渐递减。当微流体流过腔体时，微流体通过两侧障壁或者顶端障壁作为电极施加电压。

本发明涉及的微流控制结构，主要由导电衬底、介质层、疏液层、两侧障壁和顶端障壁构成液流腔体。实际应用中，以两侧障壁或顶端障壁作为电极施加电压。当微流体流过腔体时，微流体与障壁直接接触。对于微流体是水的情况，疏液层就对应疏水层。由此电压直接加在微流体上，得到如图3所示的电润湿基本单元。

由导电衬底、厚度空间渐变的介质层、疏液层构成流体腔体的基底。然后在基底上方制备两侧障壁，形成槽形结构；再制备一层顶端障壁构成封闭的微流腔体。如图1和图2所示。

实际应用中，以两侧障壁或顶端障壁作为电极施加电压，两侧障壁或顶端障壁两者中至少有一者导电。由于介质厚度存在空间梯度，根据电润湿的基本规律，得到润湿性的空间梯度。如果电压足够高，润湿性的空间梯度足够强，液体就会形成流动：从润湿性强一方流向润湿性弱的一方。从而实现了电信号对微流控制的功能。

有益效果：该发明所涉及的微流控制结构利用电润湿的基本原理，通过控制介质厚度，形成润湿性的空间梯度，从而实现了微流体流动方向和流动速度的控制。这种微流控制结构，一方面实现了微流电信号控制的功能，另一方面减少了对传统机械控制的依赖，工艺实现简单，成本优势明显。

附图说明

图1是微流控制结构示意图。其中包括：导电衬底1，介质层2，疏液层3，两侧障壁4，顶端障壁5，微流体6，流动腔体7。

图2是图1结构的侧视图。

图3是电润湿现象的基本单元和基本原理示意图。其中包括：衬底8，下电极9，介质10，疏水层11，液滴12，上电极13。

具体实施方式

本发明的实施实例分别是：如图1和图2所示，由导电衬底1、厚度空间渐变的介质层2、疏液层3构成微流腔体的基底，然后在基底上方制备两侧障壁，形成槽形结构，再在两侧障壁4上制备一层顶端障壁5，由疏液层3、两侧障壁4、顶端障壁5之间的空间构成流动腔体7，为封闭的微流腔体，微流体6位于流动腔体7中。介质层2的厚度沿着微流体6的流动方向逐渐递减。当微流体6流过腔体7时，微流体6通过两侧障壁4或者顶端障壁5作为电极施加电压。

当微流体流过腔体时，微流体与两侧障壁或者顶端障壁直接接触。由此电压直接加在微流体上，得到电润湿基本功能单元。该结构的关键部位是，介质厚度存在空间梯度。根据电润湿的基本规律，但在衬底电极和导电障壁之间施加电压时，介质厚度存在空间梯度就转变为到润湿性的空间梯度。当电压足够高，润湿性的空间梯度足够强时，液体就会形成流动：从润湿性弱一方流向润湿性强的一方。从而实现了电信号对微流控制的功能。

由于润湿性的空间梯度不但与介质厚度相关还有所加电压大小相关，因此这种微流控制结构，实现了微流电信号控制的功能。而且该发明所涉及的微流控制结构减少了对传统机械控制的依赖，工艺实现简单，成本优势明显。

Claims (3)

1.一种微流控制结构，其特征是：在该结构的导电衬底(1)上设有介质层(2)，在介质层(2)上设有疏液层(3)，在疏液层(3)上的两侧设有两侧障壁(4)，在两侧障壁(4)上设有顶端障壁(5)；由疏液层(3)、两侧障壁(4)、顶端障壁(5)之间的空间构成流动腔体(7)，微流体(6)位于流动腔体(7)中。

2.根据权利要求1所述的微流控制结构，其特征是介质层(2)的厚度沿着微流体(6)的流动方向逐渐递减。

3.根据权利要求1所述的微流控制结构，其特征是当微流体(6)流过腔体(7)时，微流体(6)通过两侧障壁(4)或者顶端障壁(5)作为电极施加电压。

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