CN1774289A - 筛网电渗流泵 - Google Patents

Abstract

一种电渗流泵，它用于在离子溶液中产生从通道的进口至出口的流动，该电渗流泵包括：壳体，此壳体位于通道内用于保持离子溶液；膜，此膜将通道分隔成与进口接触的第一部分以及与出口接触的第二部分，此膜包括具有内表面部分的若干孔，所述内表面部分具有在130－160mM、pH值为7－7.5的盐水溶液中的有限电势捷塔；一个或多个第一电极，所述电极与保持在通道内的第一部分中的离子溶液进行电接触；一个或多个第二电极，所述第二电极与保持在通道的第二部分中的离子溶液进行电接触；以及用于在第一和第二电极之间施加电势差的装置。

Description

筛网电渗流泵

本发明提供了一种在通道、引导件、管或者等同物的溶液内产生电渗流(EOP)的泵。电渗流是通过将电场施加到由绝缘壁所限定的通道内的溶液中而产生的。更特别地是，本发明提供了一种基于多孔膜(筛网)的EOF泵设计，该多孔膜位于通道内，其两侧具有电极。EOF泵能够容易地集成在例如微系统、微机器、微结构等的小型系统中，并且能够在此系统内产生高效和容易控制的液体流。

根据本发明，可以利用电场在通道内的离子溶液中产生电渗流。为了产生这种电渗流，必须仔细选择通道的几何形状和材料。本发明的优点在于，它提供了一种用于在小型流动系统中产生并且控制流体流动的泵。此外，本发明的泵可以利用通常用于制造小型系统和装置的材料和处理技术来制造，其中所述小型系统和装置如芯片、微系统、微机器、微结构、微流体系统等。因此，本发明的泵可集成在这种小型系统和装置中并且提供高效和灵活的液体控制。

根据本发明的第一方面，其提供了一种电渗流泵，它用于在离子溶液中产生从通道的进口至出口的流动，该电渗流泵包括：壳体，此壳体位于通道内用于保持离子溶液；膜，此膜将通道分隔成与进口接触的第一部分以及与出口接触的第二部分，此膜包括具有内表面部分的若干孔，所述内表面部分具有在130-160mM、pH值为7-7.5的盐水溶液中的有限电势捷塔；一个或多个第一电极，所述电极与保持在通道内的第一部分中的离子溶液进行电接触；一个或多个第二电极，所述第二电极与保持在通道的第二部分中的离子溶液进行电接触；以及用于在第一和第二电极之间施加电势差的装置。

优选地是，膜的厚度在0.1-100μm的区间内。同样，优选地是，膜中孔的数目在4-10000的区间内。为了保证良好的泵送效率，孔的内半径优选地是在0.1-5μm的区间内。此外，在任意孔和它最相邻孔之间的平均距离在2-100μm的区间内。

根据本发明的第二方面，其提供了根据本发明第一方面的电渗流泵的膜形成部分。

根据本发明的第三方面，其提供了根据本发明第一方面的电渗流泵的制造方法，该方法包括形成膜的步骤，该膜具有预定数目的孔，每个孔的内径为预定尺寸，从而在泵的使用中，当泵以低于50V的驱动电压被驱动时，可获得超过1nls^-1的最大体积流量。

从所附的从属权利要求中本发明的优选和有益特征将变得更加明显。

现在仅通过参考附图以示例的方式对本发明进行进一步的描述，其中：

图1示出了EOF泵的负荷线，其分别示出了最大体积流量和失速压力；

图2为本发明的EOF筛网泵的示意图；

图3为形成图2的EOF筛网泵的膜的细部，它示出了孔的尺寸；

图4a为热量流经图2的EOF筛网泵的孔形成部分的示意图；

图4b为用于筛网泵的最佳实施例中的散热过程的等效电路，它形成了图2所示装置的一部分；

图5a和5b分别为图2中装置的液体流动系统的Thevenin和Norten等效电路模型，其中它们已经加有负载，该负载由电阻R₀表示；

图6为被组装到塑料壳体中的本发明的EOF筛网泵的示意图；

图7为形成图2中的泵的一部分的膜的扫描电子显微照片；

图8为用于基准测试的本发明的特殊实施例的壳体、衬垫和芯片的3维示意图；

图9为示出了本发明的EOF筛网随时间变化的压力变化图，其中所述筛网具有工作在三种不同的电流下的200个孔。

将电场E施加到通道内的电解溶液中便产生了电渗流(EOF)，其中所述通道由绝缘壁限定。由于绝缘壁上的电离位置而产生了这种现象，其中绝缘壁使得移动电荷薄层积聚在从边界处由德拜长度λ_D≈1-10nm给出的薄层内。当将电场施加到溶液中时，电流会流经所述薄的电荷层。由于液体/表面滑移面位于所述薄的电荷层内，因此，电流也将会拖动流体运动。位于滑移层处的电荷密度取决于表面材料(电离位置的密度)以及溶液的成分，特别是取决于pH值和离子浓度。流速由Helmholtz-Smoluchowski方程给出：

$v=\frac{\mathrm{\ϵ\ζ}}{\mathrm{\η}}E---\left(1\right)$

这里ε和η分别为电解质的电容率和粘度，ζ(捷塔)为液体/表面滑移面处的电势。然而，虽然对于材料/溶液的组合而言，电势ξ的值经常被测量和公开，但是它并不是一个容易控制的参数。由于它是由表面位置的电离作用引起的，ζ和EOF非常容易受到表面条件和污染物的影响而发生改变。在文献中所给的二氧化硅表面的ζ值为75mV。对于玻璃而言，该值可能会是二氧化硅的两倍，但是对于这二者而言，pH值和吸附种类的影响实际上会显著地减小这些值。ζ的这种值可用在设计计算中，但是明智的做法是保证适当的性能不依赖于它在实际中所获得的值。EOF的方向由表面位置的电离作用所产生在溶液内的移动电荷的标记(sign)所确定。由于二氧化硅或者硅酸盐玻璃上的可电离基的pKa为～2，那么在中性pH值处，表面上被充以负电荷，EOF随着可移动正离子流向负的极化电极。与长度为L、恒定断面面积为A的流道的电渗流相关的体积流量Q_max由下面的方程给出：

$Q_{\max }=\frac{\mathrm{A\ϵ\ζ}}{\mathrm{L\η}}U---\left(2\right)$

这里U为施加到长度为L、恒定断面面积为A的流道的端部间的驱动电压。方程2定义了EOF泵在无载荷相连的情况下所能输送的最大可能流量。流道的流体粒子的平均速度为μ＝Q/A，电场强度为E＝U/L，其中允许电渗流的迁移率μ_eof＝μ/E＝εζ/η的定义与包含EOF泵在内的流道的特定几何形状无关，并且仅仅以介于液体和壁之间的边界为特征。在负载连接到泵上的情况下，EOF驱动力将伴有抵消电流产生的流动的压力从动流(Poiseuille流)。与层状Poiseuille流有关的体积流量为Q_max＝KΔp，这里Δp为流道的两端之间的压差，K为通道的流导。于是总流量由下面的方程给出：

$\frac{Q}{Q_{\max }}=[1-\frac{\mathrm{\Δp}}{\mathrm{\Δ}{p}_{\max }}]---\left(3\right)$

泵的压力compliance或者失速压力由下面的方程给出：

${\mathrm{\Δp}}_{\max }=\frac{Q_{\max }}{K}---\left(4\right)$

图1示出了衍生泵(derived pump)的特征。任何特殊的EOF泵的总体性能都由以功率为单位的Δp_maxQ_max的乘积来量化。功率越高，泵的总体性能则越好。如果在泵的一端处给泵施加流导K_load，并在另一端施加基准压力，那么在此负载上相对于基准压力的压差由下面的方程给出：

${\mathrm{\Δp}}_{\mathrm{load}}=\frac{Q_{\max }}{K_{\mathrm{load}}+K}---\left(5\right)$

同时穿过此载荷的体积流量由下面的方程给出：

                 Q_load＝K_loadΔp_laad     (6)

泵结构的特定选择将会引起泵通道G的电导。响应于EOF驱动电压，泵通道内的电解质将携带电流I。由于泵内的功率耗散，与EOF泵相关的设计考虑还应包括热量的散发。此外，还应当考虑电极的位置和设计以最大限度地减小由于在流道内的长电流通道或者由于在电极和电解质之间的恒定阻抗所产生的一系列阻抗的寄生(parasitic)效应。在以生物医学为目的的装置中，通过步骤(参考文献【1】)，电极材料的自然选择为Ag/AgCl

并且当操作泵时，应当考虑这种电极的消耗。以每单位时间体积为单位表示的电极材料的消耗率由下面的式子给出：

$\frac{\mathrm{\ΔV}}{\mathrm{\Δt}}=\frac{I_q{m}_{\mathrm{AgCl}}}{e{N}_A{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{AgCl}}}---\left(7\right)$

这里m_AgCl＝143.321g/mol和ρ_AgCl＝5.589g/cm³为AgCl的摩尔质量和质量密度，同时e＝1.602×10^-19C和N_A＝6.02×10²³mol^-1为电荷以及阿伏加德罗常数的常用单位。

作为使用可消耗的电极的一种替换为，包括使用外部电极，该外部电极通过对流体动力流产生高阻抗的电解质桥连接到腔体上。这可以是薄的通道，类似于提供EOF泵送的通道，但是表面具有低密度的带电位置(低ζ电势)或者是表面具有与EOF泵送通道相反极性的电荷。在后一种情况中，通向相反电极的低流导通道对EOF的泵送有贡献。大部分壁材料，例如玻璃或者二氧化硅，在与中性pH值溶液接触时将带负电荷。然而，也可以识别带正电荷的材料。氧化铝基的陶瓷也是适合的，特别是如果溶液处于中性的低pH值侧时。可替换的是，聚合物或者凝胶材料，例如琼脂糖、聚丙烯酰胺、Nafion、醋酸纤维素或者其它透析膜式材料也可制成对流体动力流产生高阻抗的桥。优选地是，应当有低表面电荷密度或与EOF泵送通道的极性相反的极性。

通常，膜材料可以为任何适用于进行微型刻图的材料，例如为硅、氮化硅、玻璃、二氧化硅、氧化铝、铝、有机玻璃、聚酯、聚酰亚胺、聚丙烯或者聚乙烯。膜中的孔可以通过使用激光研磨、微钻、喷沙处理，采用高压射流、照相平版印刷技术、聚焦离子束或者其它用于微型加工的方法(参考文献【2】)来制造。

膜的表面应该通过热或者化学氧化，或者通过将亲水材料，例如氧化硅、玻璃、硅或者氧化铝例如通过化学蒸汽沉积的方法进行沉积来具有亲水性。

图2示出了本发明的优选实施例。EOF泵包括具有孔的膜(8)，通过采用标准微电镀机械系统(Micro Electro Mechanical Systems)(MEMS)技术(参考文献【2】)将此膜(8)限定于硅基板上。此结构由硅基板(5)、膜(8)以及孔(1)组成，其中孔(1)通过石印技术限定并蚀刻于所述膜内。优选实施例也将包括壳体结构(4)限制、第一液体隔室(3)、第二液体隔室(6)、位于第一隔室内的第一电极(2)，以及位于第二隔室内的第二电极(7)。图7示出了优选实施例中的具有孔(1)的膜(8)的扫描电子显微照片。此膜例如可通过下面的过程来制得：

1)初始材料为具有100表面的硅片。

2)将硅的一个表面涂覆上感光树脂，并且通过将其暴露在UV光线下将包含孔位置和直径的图案传递到感光树脂上。

3)采用深反应离子蚀刻(DRIE)或者先进的硅蚀刻(ASE)通过感应耦合等离子体(ICP)将孔图案传递给硅，从而产生深度为1-50μm的深竖直孔。

4)利用低压化学蒸汽沉积(LPCVD)将硅表面涂覆上氮化硅。

5)将硅片的相对侧(底侧)涂覆上感光树脂，并且通过将其暴露在UV光线下将包含膜的图案传递到感光树脂上，其中所述膜限定了位于氮化硅内的开口。

6)利用反应离子蚀刻(RIE)将氮化硅较浅地蚀刻于(etched away)由感光树脂内的开口所限定的区域内的硅片的底侧上。

7)在KOH溶液内各向异性地蚀刻硅片，从而在硅片的底侧上产生锥体形状的开口。蚀刻的时间限定了位于硅片顶侧处的硅的其余膜的厚度。可替换地是，掺硼可用于限定蚀刻止点(etch stop)，这能更好地控制厚度。

8)通过湿化学蚀刻，例如在160℃的磷酸内将氮化硅去除。

9)通过热氧化作用或者利用等离子体增强化学蒸汽沉积作用(PECVD)或者利用LPCVD将氧化硅涂覆在硅上。

可替换地是，还可通过以下过程制得基板：

1)初始材料为具有100表面的硅片。

2)利用低压化学蒸汽沉积(LPCVD)将硅表面涂覆上氮化硅。

3)将硅片的底侧涂覆上感光树脂，并且通过将其暴露在UV光线下将包含膜的图案传递到感光树脂上，其中所述膜限定了位于氮化硅内的开口。

4)利用反应离子蚀刻(RIE)将氮化硅较浅地蚀刻于由感光树脂内的开口所限定的区域内的硅片的底侧上。

5)在KOH溶液内各向异性地蚀刻硅片，从而在硅片的底侧上产生锥体形状的开口。蚀刻的时间限定了位于硅片顶侧处的硅的其余膜的厚度。可替换地是，掺硼可用于限定蚀刻止点，这能更好地控制厚度。可替换地是，可在穿过硅片的整个厚度上对硅进行蚀刻，从而仅仅在顶部表面上留下作为一层薄膜的氮化硅。

6)将硅片的顶部表面涂覆上感光树脂，并且通过将其暴露在UV光线下将包含孔位置和直径的图案传递到感光树脂上。

7)采用深反应离子蚀刻(DRIE)或者先进的硅蚀刻(ASE)通过感应耦合等离子体(ICP)将孔图案传递给硅，从而产生深度为1-50μm的深竖直孔。

8)通过热氧化作用或者利用等离子体增强化学蒸汽沉积作用(PECVD)或者利用LPCVD将氧化硅涂覆在硅上。

可替换地是还可通过以下过程来制得基板：

1)初始材料为硅绝缘体(SOI)片，它具有100表面和位于顶部表面下方1-50μm的埋入氧化物层。

2)利用低压化学蒸汽沉积(LPCVD)将板的表面涂覆上氮化硅。

3)将板的底侧涂覆上感光树脂，并且通过将其暴露在UV光线下将包含膜的图案传递到感光树脂上，其中所述膜限定了位于氮化硅内的开口。

4)利用反应离子蚀刻(RIE)将氮化硅较浅地蚀刻于由感光树脂内的开口所限定的区域内的板的底侧上。

5)在KOH溶液内各向异性地蚀刻硅片，从而在板的底侧上产生锥体形状的开口。被埋入的氧化物层将用作各向异性蚀刻的蚀刻止点，从而产生了由氧化物层的深度限定的膜厚度。

6)将板的顶部表面涂覆上感光树脂，并且通过将其暴露在UV光线下将包含孔位置和直径的图案传递到感光树脂上。

7)采用深反应离子蚀刻(DRIE)或者先进的硅蚀刻(ASE)通过感应耦合等离子体(ICP)将孔图案传递给硅，从而在被埋入的氧化物层的深度下方产生深的竖直孔。

8)通过RIE、湿氢氟酸(HF)蚀刻，或者HF蒸汽蚀刻将埋入的氧化物层的暴露区域去除。这将确保板内的顶部和底部开口之间的接触。

9)通过热氧化作用或者利用等离子体增强化学蒸汽沉积作用(PECVD)或者利用LPCVD将氧化硅涂覆在硅上。

可替换地是，基板还可通过下面的过程来制得：

1)初始材料为硅绝缘体(SOI)板，它具有位于顶部表面下方1-50μm的埋入氧化物层。

2)将板的底侧涂覆上感光树脂，并且通过将其暴露在UV光线下将包含膜的图案传递到感光树脂上，其中所述膜限定了位于氮化硅内的开口。

3)采用深反应离子蚀刻(DRIE)或者先进的硅蚀刻(ASE)通过感应耦合等离子体(ICP)将膜图案传递给硅，从而在被埋入的氧化物层的深度下方产生竖直空腔。

4)将板的顶部表面涂覆上感光树脂，并且通过将其暴露在UV光线下将包含孔位置和直径的图案传递到感光树脂上。

5)采用深反应离子蚀刻(DRIE)或者先进的硅蚀刻(ASE)通过感应耦合等离子体(ICP)将孔图案传递给硅，从而在被埋入的氧化物层下产生深的竖直孔。

6)通过RIE、湿氢氟酸(HF)蚀刻，或者HF蒸汽蚀刻将埋入的氧化物层的暴露区域去除。这将确保板内的顶部和底部开口之间的接触。

7)通过热氧化作用或者利用等离子体增强化学蒸汽沉积作用(PECVD)或者利用LPCVD将氧化硅涂覆在硅上。

可替换地是，基板还可通过下面的过程来制得：

1)初始材料为聚合物薄片，例如由有机玻璃、聚酯、聚酰亚胺、聚丙烯、环氧树脂，或者聚乙烯制成，其厚度为5-100μm。

2)应将此片状基板悬挂在塑料或者其它适当材料的框架上。

3)膜中的孔通过使用激光研磨、微钻、喷沙处理，或者采用高压射流来制成。

4)至少在围绕孔周围的区域内通过低能量等离子体增强化学蒸汽沉积过程将氧化硅、玻璃、硅石涂覆在基板上。

可替换地是，基板还可通过下面的过程来制得：

1)初始材料为UV硫化的环氧树脂或者丙烯酸的薄片，例如SU-8。该薄片应具有5-100μm的厚度。

2)应将此片状基板悬挂在塑料或者其它适当材料的框架上。

3)通过具有含有孔位置和直径的图案的标准光刻玻璃掩模将基板暴露于UV光线下。

4)将基片浸没在显影溶剂中，该显影溶剂将没有暴露于UV光线下的区域内的基板聚合物去除，从而产生穿过所述薄片的孔。

5)至少在围绕孔周围的区域内通过低能量等离子体增强化学蒸汽沉积过程将氧化硅、玻璃、硅石涂覆在基板上。

可替换地是，基板还可通过下面的过程来制得：

1)初始材料为玻璃板，例如耐热玻璃或者硼硅酸盐。

2)将板的底侧涂覆上感光树脂，并且通过将其暴露在UV光线下将包含膜的图案传递到感光树脂上，其中所述膜限定了位于氮化硅内的开口。

3)在保护其前侧的同时，在其底侧上利用HF蒸汽、或者水溶液中的HF较浅地对玻璃进行蚀刻，从而使所述板变薄使其在所选择区域内的厚度为2-50μm。

4)将板的顶部表面涂覆上感光树脂，并且通过将其暴露在UV光线下将包含孔位置和直径的图案传递到感光树脂上。

5)采用深反应离子蚀刻(DRIE)或者先进的氧化物蚀刻(AOE)通过感应耦合等离子体(ICP)将孔图案传递给硅。这应导致在从底侧开口的空腔的深度的下方出现深的竖直孔，从而确保了板两侧之间的接触。

可替换地是，基板还可通过下面的过程来制得：

6)初始材料为玻璃板，例如耐热玻璃或者硼硅酸盐。

7)将板的底侧涂覆上感光树脂，并且通过将其暴露在UV光线下将包含膜的图案传递到感光树脂上，其中所述膜限定了位于氮化硅内的开口。

8)在保护其前侧的同时，在其底侧上利用HF蒸汽、或者水溶液中的HF较浅地对玻璃进行蚀刻，从而使所述板变薄使其在所选择区域内的厚度为2-50μm。

9)采用聚焦离子束对板的顶部表面进行冲击，从而削弱在这些区域中的玻璃材料，其中所述聚焦离子束呈限定了孔位置和直径的图案。

10)采用HF蒸汽或者采用水溶液中的HF对板进行蚀刻。暴露于聚焦离子束的那些区域将明显地比板的其余区域蚀刻得快，从而在顶部表面和从底侧开口的空腔之间形成了孔，以确保板的两侧之间的接触。

可替换地是，基板还可通过下面的过程来制得：

11)初始材料为玻璃板，例如耐热玻璃或者硼硅酸盐。

12)将板的底侧涂覆上感光树脂，并且通过将其暴露在UV光线下将包含膜的图案传递到感光树脂上，其中所述膜限定了位于氮化硅内的开口。

13)采用深反应离子蚀刻(DRIE)或者先进的氧化物蚀刻(AOE)通过感应耦合等离子体(ICP)将图案传递给玻璃。这将在板的顶部表面上限定膜，所述板的厚度为2-100μm。

14)将板的顶部表面涂覆上感光树脂，并且通过将其暴露在UV光线下将包含孔位置和直径的图案传递到感光树脂上。

15)采用深反应离子蚀刻(DRIE)或者先进的氧化物蚀刻(AOE)通过感应耦合等离子体(ICP)将孔图案传递给硅。这应导致在从底侧开口的空腔的深度的下方出现深的竖直孔，从而确保了板两侧之间的接触。

下面的模型计算对采用硅处理技术制成的筛网电渗流泵的优选实施例的性能进行了处理。当泵被加载称作是用于局部夹紧(patchclamping)的孔的流导时，泵的性能包括在此计算中。将评估泵的热和动力学属性，以及具有不同数目的孔的泵的电极的消耗时间。在此计算中，据称所研究的泵通过包含电解质的流道与负载相连。为了估计泵的压力适应性(pressure compliance)，假定连接通道内出现了气泡并且与相适的壳体材料(4)接触。在模型计算中，利用电荷的输送现象、液体体积和热之间的概念类似性。图1中示出了相关的输送参数。

电路	层状Poiseuille流	热传递
			电荷[C]	体积[m3]	能量[J]
电流[A]	体积流量[m3/s]	热流[W]
			电压[V]	压差[V]	温度差[K]
电阻[Ω]	流阻[Pas/m3]	热阻[K/W]
			电容[F]	柔量[M3/Pa]	热容量[J/K]

表1输送现象之间的类似性

常量	符号	值
			波尔兹曼常数	kB	1.38×10-23J K-1
电子电荷	e	1.60×10-19C
			真空介电常数	ε0	8.85×10-12F/m
阿伏加德罗常数	NA	6.02×1023mole-1

表2所使用的基本常量

表3模型计算中所宣称的缓冲溶液(电解液)的特性

属性	符号	值
			SiO2的热传导率	kox	1.5W m-1K-1
大量结晶的Si(不掺杂的)的热传导率	kSi	190W m-1K-1

表4基板和膜所宣称的热传导率

图5缓冲溶液和SiO₂所宣称的边界属性

筛网泵的总体泵属性关键是取决于材料的几何形状和表面属性。孔的数目可被用于将最大体积流量调整到一理想值，同时压力适应性并不取决于孔的数目。在计算中，假设在每一个孔中都建立了完全发展成层状流动的图案，并且假设孔的长度远比宽度大，以适用于管流。优选的制造方法将允许孔的直径和孔的长度按照指定的值制造。

图3示出了孔的长度(膜的厚度)、孔的直径以及在孔阵列中节距尺寸。在图3中，(9)为厚度为t并且侧部长度为L的膜，(10)为直径为d的一个孔。a表示节距尺寸。泵的容量不明确地取决于所述节距尺寸。N表示孔的数目，同时U为驱动电压。表6给出了重要参数的总结。

表6用于计算泵容量的表达式

泵的热属性与以下事实相关，即任何电渗流泵的操作都与焦耳热的产生有关。在泵的设计中，孔代表了对从正极到负极的电流的最后电阻，因此，焦耳热主要是产生在孔中。一台好的泵应该允许这些热量被散发，除非可使孔内的液体发生沸腾。可以通过孔内的液流发生对流或者通过膜材料内的热传导将焦耳热去除。一种估算主要的热传递过程的方法为，计算所谓的Péclet数，它是一个无量纲数，表示在用于流道的热传递方程中热对流项和热传导项的相对值。小的Péclet数意味着穿过孔的液流与穿过通道壁的热传导相比对将焦耳热从孔的内部去除具有微小的影响。Péclet数由下式给出(参考文献【3】)

$\mathrm{Pe}=\frac{\mathrm{vd}}{\mathrm{\γ}}---\left(8\right)$

这里v为孔内平均流速。对于其孔径＜1μm并且孔长为10μm的普通孔来说，流速将小于1mm/s。这使得Péclet数的数量级为10^-3，这就清楚地示出了在热传递过程中热传导的影响远比对流的影响大。这样就可在热散发计算中忽略任何对流项。

图4A示出了图2中的泵的热流。图4B示出了在筛网泵的优选实施例中热散发过程的等效电路，这里(12)表示一个孔，(14)表示膜，(13)表示基板，(11)表示厚度为b的SiO的表面涂层。在模型计算中，所有的孔都进行单独处理，从而通过将所有的孔并列来建立热阻。此外，假设，将孔的间距(a)选取得足够大以在空间上允许膜上的热量均衡。换句话说，热疗法消除辐射损伤的长度不应该大于节距尺寸的一半。下面列出了为优选实施例确定的热阻。那些表达式可从参考文献【4】的公式中获知。

表7对热阻有影响的参数

通过将N个孔并列，所产生的热阻为

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{res}}={\mathrm{\θ}}_7+[\frac{1}{({\mathrm{\θ}}_2+{\mathrm{\θ}}_3)/N+({\mathrm{\θ}}_4^{-1}+{({\mathrm{\θ}}_5+{\mathrm{\θ}}_6)}^{-1}{)}^{-1}}+\frac{N}{{\mathrm{\θ}}_1}{]}^{-1}---\left(9\right)$

耗散的功率取决于所施加的驱动电压和穿过泵的电导，其中所述电导由泵孔的电导限制。功率P作为焦耳热在泵中耗散，其所导致孔内温度的升高由下式表示：

ΔT＝θ_resP    (10)

在独立方程中，考虑到了电解质的电导率、热导率和粘度与温度的关系。为了与泵的优选实施例一致的几何参数的可行性值，人们发现穿过孔内氧化物层的传导θ₂构成了热传导的瓶颈，同时热流通过液体所起的作用要小得多。

与EOF泵有关的另一优点为，需要低的驱动电压来获得所需的失速压力。如果泵特别是以低于50V的驱动电压工作的话，将会减弱对控制电路的需求并且最大限度地降低安全危险性。有益的是，低驱动电压也将减少装置内所耗散的焦耳热。

总之，如果膜厚，表面氧化物层薄，并且膜的大部分由具有高热传导性的材料，特别是比表面氧化物层具有更高热传导性的材料组成的话，将会十分便于进行有效的热散发。

在图5A和5B中示出了包括EOF泵在内的流动系统的Thevenin和Norton等效电路模型(参考文献【5】)。当脉冲从发电极被施加时，这些等效模型可被用于为电压U穿过负载的短暂响应找到传递函数。换句话说，此模型可以被用于识别泵和负载一起的操作的限制时间常数。电压U表示通过负载的压降。R₀表示负载的流阻，而R_p表示泵的流阻。发动机电动势U_g表示泵的最大(失速)压力，而电流发生器I_g表示最大体积流量。当采用Thevenin等效电路(图5A)时，泵由U_g与R_p串联表示，而在Norton等效电路中(图5B)，泵由I_g与R_p并联表示。电容器表示系统的压力适应性。然而，由于对C有影响的是系统内的气泡，因此，电容器与电压(压力)相关。此电压(压力)相关性导致在系统内产生了非线性关系，但是它被考虑到计算中。如果负载R₀大于R_p，那么Thevenin等效电路的压力传递函数U/U_g中的支配时间常数由τ_p＝R_pC给出。容易识别对C有影响的三个参数，即一个是由于连接通道内液体的可压缩性产生的，一个是由连接泵和负载的流道内寄生的气泡产生，一个是由于与连接通道接触的柔性壳体材料所产生的。也可考虑其它有影响的参数，但是在本计算中忽略了这些参数。

表8对压力适应性有影响的参数

通过简单地将表8内所列出的有影响的参数相加来获得产生的适应性。通过减小泵的流阻可减小RC时间常数。这可以仅通过增加孔的数目而不牺牲失速压力的情况下来完成。然而，这样也会降低穿过泵的电阻，并且因此减小相同的驱动电压，将会碰到电流的增加，同时导致焦耳热(参见表7)和电极消耗方程7的增加。

此外，通过减少孔的数目并且因此减少泵的电阻R_泵，系统将对寄生串联阻抗R_串联变得更为敏感。如果串联阻抗比泵的阻抗大，那么穿过泵的实际电压降U_泵不再仅仅由外部电压源所提供的电压U给出。泵的实际电压由下式给出：

此问题可通过使偏压此结构的电流来防止。总之，泵送的理想动态范围可通过选择适当数目的孔来获得，但是同时会付出与之相关的焦耳热、电极消耗以及寄生串联阻抗效应升高的代价。

作为一个例子，通常的参数值被用于计算与采用硅膜的泵的操作相关的某些关键参数。明显地是，大部分输入参数会在此计算中发生改变，并且为了不丧失宏观性，在所示列表的参数中仅仅只有孔的数目发生了改变。图9示出了给定的输入参数。图10示出了输出。

表9用于模型计算中的给定参数

N	I负载[pl/s]	ΔT[K]	τp＝RpC[毫秒]	Δt[分]
					9	255.2	3.0	1244	75
16	422.4	3.2	707	42
					25	606.5	3.3	459	27
36	794.5	3.5	323	19
					49	977.1	3.7	240	14
64	1148.5	3.9	186	10
					81	1305.5	4.1	148	8.1
100	1446.9	4.4	121	6.5
					121	1573.0	4.8	101	5.4
144	1684.7	5.1	85	4.5
					169	1783.2	5.6	72	3.8
196	1870.0	6.0	62	3.2
					225	1946.4	6.5	54	2.8
256	2013.7	7.0	48	2.4
					289	2073.1	7.6	42	2.1
324	2125,7	8.2	37	1.9
					361	2172.3	8.9	33	1.7
400	2213.8	9.6	39	1.5
					441	2250.7	10.3	26	1.3
484	2283.7	11.2	24	1.2
					529	2313.3	12.1	21	1.1
576	2339.9	13.0	19	1.0
					625	2363.8	14.1	17	0.9
676	2385.5	15.2	16	0.8
					729	2405.1	16.3	14	0.7
784	2422.8	17.6	13	0.7
					841	2439	19.0	12	0.6
900	2453.7	20.5	11	0.6
					961	2467.2	22.0	10	0.5

图10Si膜的模型计算结果

作为第二个实施例，我们对采用Si₃N₄膜的泵再次进行了类似的计算。

表11示出了给定输入参数。表12示出了输出。

表11用于模型计算中的给定参数

N	I负载[pl/s]	ΔT[K]	τp＝RpC[毫秒]	Δt[分]
					9	363.7	22.8	56	44
16	409	23.0	26	25
					25	434.0	23.4	16	16
36	448.9	23.7	11	11
					49	458.4	24.2-	8.2	8.0
64	464.8	24.7	6.3	6.1
					81	469.2	25.4	4.9	4.7
100	472.5	26.1	3.9	3.8
					121	474.9	26.9	3.2	3.1
144	476.8	27.8	2.6	2.6
					169	478.3	38.8	2.2	2.2
196	479.4	29.9	1.9	1.8
					225	480.4	31.1	1.6	1.6
256	481.1	32.5	1.4	1.4
					289	481.8	34.0	1.2	1.2
324	482.3	35.6	1.0	1.0
					361	482.8	37.4	0.9	0.9
400	483.2	39.4	0.8	0.8
					441	483.5	41.6	0.7	0.7
484	483.8	44.0	0.6	0.6
					529	484.0	46,7	0.5	0.6
576	484.2	49.7	0.5	0.5
					625	484.4	53.0	0.4	0.4
676	484.6	56.6	0.4	0.4
					729	484.7	60.7	0.3	0.3
784	484.9	65.3	0.3	0.3
					841	485.0	70.4	0.3	0.3
900	485.1	76.0	0.2	0.2
					961	485.1	82.4	0.2	0.2

表12氮化硅膜的模型计算结果

总之，此计算显示了泵操作的基本机制。可以看出，在孔的数目对流经负载的流动的影响甚微的同时，当孔的数目发生改变时热属性、短暂响应时间和电极消耗时间将受到巨大的影响。当用厚的Si膜取代薄的氮化硅膜时，热耗散将极大地提高。

对由氮化硅膜制成的泵进行初步试验，这种泵与本发明的优选实施例不同，这里膜的大部分都采用Si制成，因此将允许具有很好的热耗散(较厚的膜和较高的热传导性)。在测试装置中，孔的数目为100。此制造方法产生了厚度大约为3μm的膜，此膜由其热传导性与SiO₂类似的材料组成(参见表4)。将进行测试的筛网泵组装到图6所示的塑料壳体中。在组装完壳体后，将压模(die)放置于凹槽内，并且将粘接剂填入其内将其密封住。位于膜区域下方的通道其直径为1mm，这样可防止任何粘接剂填入到50μm×50μm的膜区域内。在将压模密封到凹槽内后，再将额外的一小部分粘接剂加入以在压模周围形成粘性添充物，从而确保完整的密封。在图6中，(15)代表铂电极，(16)代表Ag/AgCl内部电极，(17)代表塑料壳体，(18)代表流道，(19)代表筛网泵，(20)代表监控毛细管。采用标准胞外缓冲溶液(大约150mM NaCl)对泵进行测试以克服标称上的零背压(或者捷塔电势)——已经计算出用于适当的流体流速并且发现是可以忽略的低于监控毛细管的压降。采用可伸缩的显微镜健康弯液面的运动来测量流速。测量可在各种外加电压下进行，通常此外加电压涵盖了整个电压范围。测量的顺序通常从零，经过负¹电压到最小电压，然后又经过这些值回到零采取分段的方式进行，并且对于正电压而言也类似地按照这个顺序。这样给出了关于泵线性的信息——并且检查效果是否为真实的EOF——同时也给出了关于它的重复性信息。至少采用正方形来匹配流速相对于电压的图表，并且此图表被用于计算捷塔电势和EOF迁移率。第二个测试用于确定失速压力。开始通过密封监控毛细管的端部来进行这个测试，并且通过泵作用对形成于此端部内的气泡进行压缩或者使其伸长。

采用计算机控制的气压泵来进行之后的测试，并且确定零点，其中在此零点处，给定压力被需要用于停止由泵产生的流动。然后，在可伸缩的显微镜下对此过程进行监控。在泵的失速压力高于气压泵的压力范围(450mbar)的地方，在多个背压下测定流速并且从图表上推知失速压力。此过程也可确认，找到零点的试验方法可给出精确的失速压力。通过确定流速零点而得到的等效的失速压力测量值分别是在200V和-200V下的85mbar和-95mbar。

装置	μEOF[10-4cm2V-1s-1]	捷塔电势[mV]	+Ve失速压力[mbar]	-Ve失速压力[mbar]	电压[V]
						SC01	0.456	5.86
SC01	0.474	6.09
						SC03	0.520	6.69
SC05	0.517	6.64	200	-50	5
						SC05			425	-190	10
SC05			450	-450	25
						SC06			450	-220	50
SC07	0.422	5.43	76	-60	10
						SC07			260	-103	25
平均值	0.48	6.14
						St.偏差	0.04	0.53
相对标准偏差	9％	9％

¹整个文章中，负电压被表示为外部铂电极相对于Ag/AgCl电极被保持为负电势，并且流体流动的方向等同于从监控毛细管吸回到泵中的方向。

在测试期间，在高于大约50V的电压下，可以看到气泡形成于膜的表面上。这是假定为在膜中发生了高能量率耗散的结果，这将使水沸腾。在许多情况下，这将导致膜的破裂。总之，如果采用薄的氮化硅膜的筛网芯片用于EOF泵，那么它仅可能处于非常低的电压下——也就是说10-30V的电压下。为了避免液体出现沸腾现象，应该增强热耗散作用。除了增强热耗散作用外，如果膜较厚的话还应该采用多个孔来有助于膜的破裂，其中所述孔可被调整以适应所需的流速。

为了避免上面讨论的热效应，由硅组成的泵应该相对于泵的容量进行制造和测试。制造技术与上面所述的一样并且成品泵和测量装置的尺寸如表9所示，同时有一个例外，用于实验中的硅衬垫具有大约为1MP的杨氏模量。

图8示出了聚醚醚酮(PEEK)壳体、热塑性弹性体(TPE)衬垫和Si芯片的顶部和底部视图。在实验中，由泵供给的压力作为时间的函数被测量。采用RSV9637压力传感器对压力进行测量。

在图9中，普通的实验用于工作在三个不同的电流I＝1mA，0.5mA和0.25mA下的200孔泵。正如所观察到的，在经过数百秒的时间段后，泵达到了大约为150mbar的最大压力。在此点，泵已经运行了几分钟后，由于电极处的电解作用气泡大概形成在泵的后侧上。气泡的大的压缩系数防止泵的压力进一步地升高。在测量之间，使泵进行排放，将使压力急剧下降。图9中的插图显示了泵的上升时间。可以清楚地看到，上升时间与电流线性地相关，这也是所期望的。在这些实验中所观测到的非常长的时间常数归因于用于泵的支架内的非常软的衬垫材料。

总之，如果连接筛网泵的通道与任何柔软的材料，例如TPE衬垫接触，将得到长的时间常数(数百秒)。为了避免这些响应时间，应当考虑使用硬质材料来构成芯片支架的结构。

参考文献

【1】Oldham，H.B，Myland，J.C.，“电化学科学基础”，Academic出版社；ISBN：0-12-525545-4。

【2】Madou，M.，“微型制造基础”，第2版，CRC出版社；ISBN：0-8493-0826-7。

【3】Triton，D.J.“物理流体动力学”，Van Nostrand Reinhold(UK)；ISBN：0-442-30132-4。

【4】Rohsenow，W.M.，Hartnett，J.P.，Cho，Y.I.“热传递手册”，第3版，Mc Graw Hill；ISBN：0-07-053555-8。

【5】Sedra，A.S.，Smith，K.C.，“微电子电路”，第4版，牛津大学出版社；ISBN：0-19-511690-9。

【6】丹麦基础计量学学院，许可证号CM0202。

【7】Lide，David R.“化学和物理手册”，第78版，CRC。

【8】Hφjgaard Jensen，H，“Deformerbare stoffers mekanik”第1版，Gjellerup 1968。

Claims (19)

1.一种电渗流泵，该泵用于在电解质中产生从通道进口至通道出口的流动，该电渗流泵包括：壳体，此壳体具有用于保持离子溶液的通道；膜，此膜将通道分隔成与进口接触的第一部分以及与出口接触的第二部分，此膜包括具有内表面部分的若干孔，所述内表面部分具有在130-160mM、pH值为7-7.5的盐水溶液中的有限电势ζ；一个或多个第一电极，所述电极与保持在通道内的第一部分中的离子溶液进行电接触；一个或多个第二电极，所述第二电极与保持在通道的第二部分中的离子溶液进行电接触；以及用于在第一和第二电极之间产生电势差的装置。

2.如权利要求1所述的电渗流泵，其中膜采用氮化硅制成。

3.如权利要求2所述的电渗流泵，其中膜的厚度落入50到400nm的范围内。

4.如权利要求1所述的电渗流泵，其中膜采用氧化硅制成。

5.如权利要求4所述的电渗流泵，其中膜的厚度落入到1到20μm的范围内。

6.如权利要求4或5所述的电渗流泵，其中膜的厚度大于3μm。

7.如权利要求1所述的电渗流泵，其中膜由玻璃或者二氧化硅制成。

8.如权利要求7所述的电渗流泵，其中膜的厚度落入到2到200μm的范围内。

9.如前述任一权利要求所述的电渗流泵，其中膜中孔的数目在4-10000的区间内，并且孔的内半径落入到0.1到5μm的区间内。

10.如前述任一权利要求所述的电渗流泵，对于小于50V的驱动电压，其失速压力超过200mbar。

11.如前述任一权利要求所述的电渗流泵，其中任意孔和它最相邻的孔之间的平均间距在2-100μm的区间内。

12.如前述任一权利要求所述的电渗流泵，其中膜包括其热传导率超过1.5Wm^-1K^-1的材料。

13.如前述任一权利要求所述的电渗流泵，壳体包括杨氏模量超过1Mpa并且泊松比在0.4到0.5区间内的材料。

14.如前述任一权利要求所述的电渗流泵的膜形成部分。

15.如权利要求1至13所述的电渗流泵的制造方法，该方法包括以下步骤：

采用预定数目的孔形成膜，其中所述孔的每一个都具有预定尺寸的内径，从而在泵的使用中，当泵以低于50V的驱动电压被驱动时，最大体积流动超过1nls^-1。

16.如权利要求15所述的方法，其中膜中孔的数目落入到4-10000的范围内，并且孔的内半径落入到0.1-5μm的范围内。

17.一种基本上如前所述的如附图所示的电渗流泵。

18.一种基本上如前所述的如附图所示的膜。

19.一种基本上如前所述的如附图所示的方法。

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