TW200948467A - Sawtooth microchannel structure utilizing electrokinetic instability effect - Google Patents

Description

200948467 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種結合電動不穩定效應之鋸齒式微流 道構造，特別指利用軸向電極之轴向電場，再加以將混合 流道設計為鋸齒式，而促進電動不穩定現象產生者。 【先前技術】 按，對於提昇微流體的混合效率，在過去的研究中， ®曾有學者藉由微管道表面Zeta potential電位分佈的改變 來達到操控電滲流。 另，在過去的研究中，也曾有學者（Barragan and Bauza [17] ; Dutta and Beskok[ 18] ; Oddy et al [6])嘗試在 • 微管道的上下游兩端的加入「交流」電源，亦可達到不錯 .的混合效果。Luo[19]改以正弦交流電場驅動具表面異質性 的微管道（tube )，並發現在微管道的異質區 ¢( heterogeneous region)與均質區（homogeneous region) 會產生隨著電場改變彼此交替出現的滿旋 (c i rcu lation)。由以上所述’過去的研究報告中牙推論 得到’更複雜的電滲流流場变態’可藉由同時具有上下游 縱向與管道橫截面側向的電場分量所激發。Lee et al Π3]; Moctar et al [20]曾以實作的方式成功的利用微管道侧向 的電場來達到操控微流體的成合效率。Lee al [ 13 ]使 以矽為材質的微渠道表面局部區域產生電容效應’進而使 •其Zeta電位產生改變’進而造成微流體產生混合的效果。 200948467 故’習用之τ型微流道，如中華民國專利公告號第 ' 1271213號之「利用電滲透流驅動之微流體混合器」，必須 藉由較高之軸向電場臨界強度，才能有效地產生電動不穩 定現象，以混合不同之微流體介質，高轴向臨界電場在使 用上必須消耗較大能量，而在低於轴向電場臨界強度時， 微流體介質處於穩定之狀態，造成混合效率上之遲滯。 請參閱圖式第五圖，為習用Τ型微流道裝置結構圖，其 ❹係包括’一Τ型微流道（Α)，係具有二獨立之入口流道（Α1) 與單一出口之混合流道（Α2)，而該二獨立之入口流道（Α1) 處與單一出口之混合流道（Α2 )末端處，則分別設有軸向 電極（Β)之正電極（Β1)與負電極（Β2)，負電極（Β2) 為接地者。 . 轴向電極（Β)係提供Τ型微流道（Α)所需之轴向電場， 實際操作上，Τ型微流道（Α)完全藉由轴向電場來產生電 動不穩定現象，以混合不同導電率之微流體介質。 © 然，此一方式需要較長的微流道，以達成不同種微粒 子的分離’然而，此一作法卻減低了微流道輕薄短小之優 點。 【發明内容】 爰此，本發明係提供一種結合電動不穩定效應之鋸齒 式微流道構造，係利用軸向電極之軸向電場所產生之電動 驅動力（electrical body fo.rce) pe左，驅動二不同電導 係數之微流體介質混合流道，其中： • σ 6 200948467 S為流體的介電係數，左為電場強度，pe為電荷密度，σ 為檢測液之電導（conductivity)。 再加以將混合流道設計為鋸齒式，在鋸齒狀結構的尖 鈿區域產生較密集分佈的等電位線，以增強此區域的電場 強度。因此在鋸齒狀結構的尖端區域，上式中的電場強度 將增大，而電動驅動力亦增加。如此當可達到在較低的軸 ❹向驅動電壓下即可激發電動不穩定現象的出現，藉此於管 道中產生電動不穩定現象，以加速不同之微流體介質作有 效率之混合，並減少微流道所需之空間，其構造係包括： 鋸齒式微流道，係具有二獨立之入口流道與單一出口 之混合流道，該混合流道内管壁之至少一侧係設有複數個 .齒狀單元，該齒狀單元係由内管壁朝混合流道軸線形成 -漸縮部位，其漸縮角度係為一銳角； 軸向電極’係設置於上述二獨立之入口流道處與單一 ❹出口之混合流道末端處，並分別設有之正電極與負電極， 而負電極為接地者，供鋸齒式微流道所需之軸向電場上述 之結合電動不穩定效應之鋸齒式微流道構造。上述之結合 電動不穩定效應之鋸齒式微流道構造，其中軸向電極係可 調控式。 上述之結合電動不穩定效應之鋸齒式微流道構造，微 =道之材料係為電介體物質。該電介體物質係選自矽、聚 酯及丙烯酸樹酯其中任一種或其組合。 上述之結合電動不穩定效應之鑛齒式微流道構造，其 200948467 中齒狀單元之漸縮角度為30度。 • 上述之結合電動不穩定效應之鋸齒式微流道構造，其 中，齒狀單元之漸縮部位之材料係非均勻分布。該齒狀單 元之漸縮部位之材料係在漸縮之端部形成較大壁厚之異質 區。 上述之結合電動不穩定效應之鋸齒式微流道構造，其 中’齒狀單元係對稱設於混合流道兩側或相對交錯設於混 合流道兩侧。 Ο 本發明具有下列之優點： 1.本發明係利用可調控軸向電極之轴向電場，因應不 同微流體產生不同之電動驅動力，藉以調控不同之微流體 介質之混合速度。 * 2.本發明在鋸齒的尖端產生較密集分佈的等電位線， 以增強此區域的電場強度。因此當具備不同電導值的微流 體通過此區域時，可在較低的轴向電場臨界強度下即可產 ❹生電動不穩定現象。 3. 本發明之微流道可廣泛應用於微流體晶片，故提高 其不同之微流體介質間之混合效率，可強化微流體晶片之 功能性與分析之精確性。 4. 本發明利用管道幾何形狀的設計，在低於轴向電場 臨界強度時，造成高混合效率之成效。 【實施方式】 200948467 本發明之第一實施例，請參考第一圖所示，係提供一 種結合電動不穩定效應之鋸齒式微流道構造，包括： 鋸齒式微流道（1 )，其材料係為電介體物質，係選自 矽、聚酯及丙烯酸樹酯其中任一種或其組合，係具有二獨 立之入口流道（11)與單一出口之混合流道（12)，該混 合流道（12)内管壁之至少一側係設有複數個連續齒狀單 元（13) ’本第一實施例係將齒狀單元（13)相對交錯設 ❹於混合流道（12)内管壁兩侧，該齒狀單元（13)係由内 管壁朝混合流道（12 )轴線形成之漸縮部位，其漸縮角度 (0 )係為一銳角，第一實施例係3〇度角，齒狀單元（13) 之漸縮部位之材料係非均勻分布，在漸縮之端部形成較大 壁厚之異質區（131)。 * 軸向電極（2)，係可調控式’可因應不同微流體產生 不同之電動驅動力’係設置於上述二獨立之入口流道（11) 處與單一出口之混合流道（12)末端處，並分別設有正電 ❹極（21)與負電極（22)，而負電極（22)為接地者，供 鋸齒式微流道（1)所需之軸向電場。 本發明之第二實施例’請參考第二圖所示，係一種結 合電動不穩定效應之鋸齒式微流道構造，包括： 鋸齒式微流道（la)，其材料係為電介體物質，係選 自發、聚S旨及丙稀酸樹醋其中任一種或其組合，係且有二 獨立之入ά流道（1 la )與單一出口之混合·流道（j2a )， 該混合流道（12a)内侧之至少一侧係設有複數個齒狀單元 * ( 13a)’本第一實施例係將齒狀單元（13a)對稱設於混 200948467 合流道（12a)㈣，該齒狀單元（13a)係由内管壁朝混 合流道（12a)轴㈣成之漸縮部位，其漸縮角度（0a)係 為一銳角，本第二實施例係30度角，齒狀單元（13a)之漸 縮部位之材料係非均勻分布，在漸縮之端部形成較大壁厚 之異質區（131a)。 軸向電極（2a)，係可調控式，係設置於上述二獨立 之入口流道（11a)處與單一出口之混合流道（12a)末端 ❹處，並分別設有之正電極（21a)與負電極（22a)，而負 電極（22a)為接地者，供鋸齒式微流道（la)所需之軸向 電場。 操作時以第一實施例為例，請參閱第三圖，為本發明 微流體介質導入鋸齒式微流道（1)示意圖，其中，利用軸 白電極（2)之轴向電場所產生之電動力，驅動二不同電導 係數之第一微流體介質（4)及第二微流體介質（5)至混 合流道（12)。 ❹ 起初混合流道（12)内之第一微流體介質（4)與第二 微流體介質（5)之界面較為明顯且各自處於穩定之狀態， 混合尚未開始，僅存在較緩慢的擴散過程。 請參閱第四圖’為本發明微流體介質產生電動不穩定 現象示意圖，在電場作用下，齒狀單元（13)之漸縮表面 產生較费集分佈的等電位線’以增強此區域的電場強度。 因此在鋸齒狀結構的尖端區域’上式中的電場強度將增 大’而電動驅動力亦增加。如此當可達到在較低的軸向驅 200948467 動電壓下即可激發電動不穩定現象的出現以加速微流體的 混合。 【圖式簡單說明】 第一圖係本發明第一實施例裝置構造圖。 第二圖係本發明第二實施例裝置構造圖。 第三圖係本發明微流體介質導入第一實施例之鋸齒式微 流道示意圖。 第四圖係本發明微流體介質產生電動不穩定現象示意 圖。 第五圖係習知τ型微流道裝置構造圖。 •【主要元件符號說明】 ‘ (1) 鋸齒式微流道 (12) 混合流道 (131)異質區 (21) 正電極 (5) 第二微流體介質 (12 a)混合流道 (131a)異質 fe (21a)正電極 (11) 入口流道 φ ( 13 ) 齒狀單元 (2) 轴向電極 (22)負電極 (4) 第一微流體介質 (la) 鋸齒式微流道 (11 a )入口流道 (13a) ‘齒狀單元 (2a) 轴向電極 .(22a)負電極 200948467 (A) T型微流道 (Α1) 入口流道 '(A2) 混合流道 (Β) 轴向電極 (Bl) 正電極 (Β2) 負電極 ❹ 12

Claims (1)

1. 200948467 '十、申請專利範圍： • 1. 一種結合電動不穩定效應之鋸齒式微流道構造，係包 -括： 鋸齒式微流道，係具有二獨立之入口流道與單一出口之混 合流道，該混合流道内管壁之至少一侧係設有複數個齒狀單 元，該齒狀單元係由内管壁朝混合流道軸線形成之漸縮部位， 其漸縮角度係為一銳角； 轴向電極，係設置於上述二獨立之入口流道處與單一出口 ®之混合流道末端處，並分別設有之正電極與負電極，而以負電 極為接地端。 2.如申請專利範圍第1項所述之結合電動不穩定效應之 鋸齒式微流道構造，其中軸向電極係可調控式。 . 3.如申請專利範圍第1項所述之結合電動不穩定效應之 . 鋸齒式微流道構造，其中鋸齒式微流道之材料係為電介體物 質。 q 4.如申請專利範圍第3項所述之結合電動不穩定效應之 鋸齒式微流道構造，其中該電介體物質係選自矽、聚酯及丙 烯酸樹酯其中任一種或其組合。 5. 如申請專利範圍第1項所述之結合電動不穩定效應之 鋸齒式微流道構造，其中齒狀單元之漸縮角度為30度。 6. 如申請專利範圍第1項所述之結合電動不穩定效應之 鋸齒式微流道構籩，其中，齒狀單元之漸縮部位乏材料係非 均勻分布。 13 200948467 7. 如申請專利範圍第6項所述之結合電動不穩定效應之 鋸齒式微流道構造，其中，齒狀單元之漸縮部位之材料係在 漸縮之端部形成較大壁厚之異質區。 8. 如申請專利範圍第1項所述之結合電動不穩定效應之 鋸齒式微流道構造，其中，齒狀單元係對稱設於混合流道兩 側。 9. 如申請專利範圍第1項所述之結合電動不穩定效應之 鋸齒式微流道構造，其中，齒狀單元係相對交錯設於混合流 道兩侧。