專利名稱：微通道中利用電熱流驅動流體運動的方法
技術領域：
本發明涉及的是一種微電子技術領域的方法，特別是一種微通道中利用電熱流驅動流體運動的方法。
背景技術：
近年來，以微機電系統為基礎的微流控芯片技術得到了迅速的發展。微流控芯片技術通過對微通道內流體的控制，把化學和生物等領域中所涉及的樣品制備、生物與化學反應、分離和檢測等基本操作單元集成到一塊方寸大小的芯片上，具有試劑消耗量少(納升甚至皮升級)、高度集成、分析過程快速和便攜等優點，在分析化學、生物醫療和藥物檢測等領域能發揮巨大的作用。
微流體驅動技術是實現微流體控制的前提和基礎。傳統的微流控芯片以加在微通道兩端的高壓直流電為驅動源，使貼近通道壁面雙電層中的離子在電場力作用下產生運動，通道中的流體由于粘性的作用而被帶動進行遷移，從而產生直流電滲流動，完成樣品溶液的傳輸。由于其具有結構簡單，可以實現無閥無機械部件的微流控操作等優勢而得到了廣泛的應用。但是，直流電滲驅動的方式需要高壓電源，同時，在芯片通道中施加的高電場強度容易引起劇烈的焦耳熱效應，對傳輸的生物樣品造成破壞，在一定程度上限制了其使用。最近，交流電滲泵由于其具有驅動電壓低、可以避免溶液的電解以及便于與其它微器件相集成等優點，日益受到人們的關注。交流電滲泵是通過非均勻交變電場對非對稱電極雙電層中誘導電荷的作用而使流體產生穩定的定向流動。在交流電滲泵中，同時伴隨出現一種焦耳熱效應，即電熱流動現象。電熱流動是由于在微通道中沉積的電極上施加交流電勢后，會在微通道中形成非均勻的電場強度，進而在溶液中形成溫度梯度，溫度的不均勻分布造成溶液電導率和介電常數的改變，從而導致溶液中出現電熱流動。
經對現有技術的文獻檢索發現，Ramos等在《Physics Review E》(物理學評論)(2003年67卷056302)上發表(“Pumping of liquids with ac voltages appliedto asymmetric pairs of microelectrodes”)(以施加在非對稱電極上的交變電場驅動流體)，該文中提出通過在微通道底部沉積的非對稱周期性分布的電極陣列上施加交變電場，由于電極附近吸引的離子電性以及電極產生的電場強度方向的同時變化，會在通道中產生流體穩定的定向流動。這種利用交變電場驅動流體的方法是一種全新的流體驅動技術，能在較低的電壓下實現流體的泵送，具有廣泛的應用前景。可是，在Ramos的交流電滲泵中，忽略了交變電場在微通道中的焦耳熱效應，即電熱流動現象，在一定程度上低估了在非對稱電極上施加交變電流對流體的泵送能力。
發明內容
本發明針對現有技術的不足，提供了一種通過在微通道中利用電熱流驅動流體運動的方法。對于通常采用的寬度一樣的電極的情況，當在電極上施加交變電勢后會在電極附近產生上下循環的漩渦流動，并不能對流體產生定向的泵送，而本發明則在基底芯片上沉積大小不一致的叉指型金屬電極，在其上施加交變電勢后，這種結構形式能沿通道產生定向的流動，對流體產生泵送的效果。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明通過在微通道的壁面上加工大小不一致的叉指型微電極陣列，且在相鄰的微電極上施加相位差為180度的交變電勢，由于非均勻電場強度的存在，會在微通道中產生溫度梯度，進而改變其中電解質溶液的電導率和介電常數，從而引起溶液的電熱流動。由于電極的大小不相同，會形成溶液的定向流動。
本發明包括如下步驟步驟一，用微加工的方法在玻璃或者硅基底上沉積大小不相等的叉指型微電極，大電極和小電極相隔出現且周期性分布。用一個總引線連接所有的大電極，而用另一個總引線連接所有的小電極，并把兩個總引線與函數發生器的兩個輸出端口相連；所述的硅或者玻璃基底，其厚度為500μm，硅的導熱系數為k硅＝150W/mK，玻璃的導熱系數為k玻璃＝1.38W/mK。
所述微電極由20nm的鈦以及200nm的金復合而成，其中大電極的寬度為10-45μm，小電極的寬度為2-8μm，大、小電極的寬度比在3-9之間，大、小電極間隙的寬度比在1-7之間。
步驟二，通過微加工的方法制作有微通道的聚二甲基硅氧烷(PDMS)蓋片，并把蓋片和基底鍵合；所述的聚二甲基硅氧烷蓋片厚度為100μm，導熱系數kPDMS＝0.18W/mK。
所述的微通道的深度為50μm。
步驟三，在微通道中注入KCl電解質溶液；所述KCl電解質溶液，其電導率為0.001-0.1S/m。
步驟四，在相鄰的叉指型微電極對上分別施加+Vsin(ωt)以及-Vsin(ωt)的交變電勢后，非均勻的電場會引起電解質溶液的溫度梯度，進而造成電導率和介電常數的變化，產生電熱流動。對流體產生輸送的效果。
所述交變電勢的有效值大小為1-3V，頻率在100Hz-100KHz之間變化。
本發明利用交流電動力學中的技術。交流電動力學具有驅動電壓低(一般小于20V)、可以避免溶液的電解以及便于與其它微器件相集成等優點，主要分為3個大的部分，即交流電滲泵，介電電泳以及電熱流動現象。其中的電熱流動現象是由于在微通道中沉積的電極上施加交流電勢后，會在微通道中形成非均勻的電場強度，進而形成溶液的溫度梯度，溫度的不均勻分布造成溶液電導率和介電常數的改變，從而導致溶液中出現電熱流動。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)對微通道中沉積大小相同的電極時的電熱流現象進行了研究，發現在電極附近區域流體會隨著交變電勢頻率的不同產生自上而下或更為復雜的漩渦流動。基于這種現象，設計了非對稱的電極分布形式，并對其產生的沿通道定向的電熱流動進行了考察。
本發明中的流體輸運方法，可以通過求解電勢方程、能量方程以及動量方程進行理論上的模擬和分析。由于電極以及電極間隙的寬度相比于電極的長度都很小，因此可以假設電極為無限長，從而建立一個二維的模型進行分析，同時，由于電極的周期性分布，只取芯片中一個電極分布周期的部分做計算。
微通道中的電場分布由Laplace方程控制，進行簡化后為▽2V＝0 (1)在低雷諾數下，忽略對流相應，通道中的流體在穩定狀態下的能量方程為
kl▽2T+<σE2>＝0 (2)其中kl和σ分別表示流體的導熱系數和電導率，E是電場強度，可以用下式計算E＝-▽V，V是施加在電極上的電勢，<>表示是時間平均值。
對于低雷諾數下的不可壓縮流體，其受到電熱體積力后的在穩定狀態下的N-S方程可以表示為 其中p是壓力，η是流體的粘度， 表示速度，而<fe>則是時間平均的電熱力，可表示為⟨fe⟩=12·ϵ(α-β)1+(wτ)2(▿T·E)E-14ϵα|E|2▿T---(4)]]>其中τ＝ε/σ是流體介質的電荷松弛時間，ε是流體的介電常數，w是所外加交變電勢的角頻率，可表示為w＝2πf，而α和β則可分別表示為α＝(ε/T)/ε及β＝(σ/T)/σ。
對于以上的控制方程，在求解過程中，邊界條件設置如下設在電極上施加的電勢有效值分別是Vrms和-Vrms，其余上、下邊界設為電絕緣。微通道壁面均設為非滑移的速度邊界條件。芯片底面以及頂面的溫度均設為恒定的298K，而所有的左右邊界均設為周期性的邊界條件。
現有技術中，在基底材料上沉積大小相同的金屬電極，施加交變電場之后，焦耳熱效應引起的電熱流動會在電極周圍區域產生漩渦流動，而本發明通過在基底材料上沉積大小不相同的金屬電極來產生電熱流動。結果發現，在微通道中產生了定向的電熱流動，從而能對流體產生一定的輸送能力。這與同樣是在大小不相同的電極陣列上施加交變電勢對流體產生泵送效果的交流電滲泵相比，促使流體產生的原理又完全不一樣，因此從理論上分析，可以作為一種新的在微通道中使流體產生定向流動的方法。
圖1(a)是大小不一致的叉指型微電極陣列示意圖，圖1(b)是本發明進行數值模擬的二維模型示意圖；圖2是設定條件下計算區域中的等溫線分布；圖3是設定條件下計算區域中的流線分布；圖4是比值一定的情況下大、小電極寬度不同時的電熱流截面平均速度；圖5是大、小電極寬度比不同時的電熱流截面平均速度；圖6是電極間隙比不同時的電熱流截面平均速度；圖7是KCl溶液電導率不同時的電熱流截面平均速度；圖8是芯片基底材料分別為玻璃和硅時的電熱流截面平均速度。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例步驟一，通過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電極4和5，電極之間的間隙為6和7，微電極以20nm的鈦和200nm的金復合而成，相隔的寬度一致的微電極均通過總引線和函數發生器相連。
步驟二，通過微加工的方法加工有微通道3的聚二甲基硅氧烷(PDMS)蓋片1，其中，蓋片部分厚度為100μm，而通道的深度為50μm，并把蓋片和基底鍵合。
步驟三，在微通道3中注入電導率范圍在0.001-0.1S/m的KCl溶液作為工作流體，對于這個電導率范圍的KCl溶液，其相關的性質可以設定為εr＝80，μ＝0.001Pa·s，kl＝0.61W·m-1K-1，α＝-0.4％K-1，β＝2.0％K-1。
步驟四，在叉指型的電極對4和5上分別施加有效值為1-3V，頻率在100Hz-100kHz之間，且相位差為180度的交變電勢后，非均勻的電場強度會引起溶液的溫度梯度，進而造成電導率和介電常數的變化，最終產生電熱流動，造成對流體的輸運。
本實施例中所有的計算都經過了網格無關性的驗證。
如圖1所示，在微通道3的基底2上加工大小不一致的微電極4和5，其寬度分別為LE和Le，微電極4和5中的大、小間隙6和7寬度分別為LG和Lg。在相鄰的兩個電極上施加符號相反的交變電勢，由于非均勻電場強度的存在，會在微通道3中產生溫度梯度，進而改變溶液的電導率和介電常數，從而引起溶液的電熱流動。由于電極的非對稱分布，出現水平方向的定向電熱流動。
如圖2所示，設芯片基底為玻璃，Le＝Lg＝5μm且LE＝LG＝25μm，施加的交變電勢有效值為2V，頻率為10kHz，KCl溶液的電導率為0.01S·m-1。從圖中的等溫線分布可以看出，在設定條件下，電解質溶液的溫度雖然有所升高，但是溫升都很小，即使是溫升最大的區域也只升高了0.65K左右，基本上對溶液中的生物樣品性質不會產生影響，完全避免了在直流電場作用下可能引起的幾十度的溫度升高，有利于樣品的更好傳輸。同時發現，最高的溫度出現在小電極和大、小電極的小間隙上面的區域，離電極表面越遠，溶液溫度越低。這是由于電場強度隨著遠離電極表面而減小而造成的。
如圖3所示，設芯片基底為玻璃，Le＝Lg＝5μm且LE＝LG＝25μm，施加的交變電勢有效值為2V，頻率為10kHz，KCl溶液的電導率為0.01S·m-1。與在電極對稱時產生的呈上下方向循環的流線不同，在非對稱電極的情況下，由于電極的大小不相同，產生的電熱流動具有定向的運動，且方向是從小電極朝向大電極，與電滲泵本身產生的流體流動方向一致，也就是說，電熱流動效應的存在，會在一定程度上加快電滲泵的流速。
如圖4所示，設芯片基底為玻璃，施加的交變電勢頻率為10kHz，KCl溶液的電導率為0.01S·m-1。可以看到，在小電極和小間隙的寬度相等且分別為2，5和8μm，大電極和大間隙的寬度相等且分別為10，25和40μm時，隨著電勢的增加，各種電極大小情況下通道截面上的平均電滲流速都呈不斷增加的趨勢，且增加的越來越快。同時發現，在Ls＝Lg＝2μm且LL＝LG＝10μm時的截面平均電滲流速最大，而在Ls＝Lg＝8μm且LL＝LG＝40μm時的截面平均電滲流速最小，這說明在電極寬度比例不變的情況下，電極的線寬越小，由于電熱流動效應所能產生的流體流速越大，這與由電滲泵本身所產生的電滲流速的發展趨勢是一致的。因此，在所能達到的加工條件下，制作盡可能細的金屬電極，可以得到更高的電熱流動速度。
如圖5所示，設芯片基底為玻璃，施加的交變電勢頻率為10kHz，KCl溶液的電導率為0.01S·m-1。可以看到，在電極間隙大小固定為Lg＝5μm且LG＝25μm，小電極寬度為Le＝5μm，大小電極間隙之比LE/Le改變時，隨著外加電勢的增大，不同電極寬度比下產生的電熱流動速度都在增加，當LG/Lg＝5時達到最大值，而在其它值時則略為減小。說明大小電極的寬度比在5時能達到電熱流動的最大速度，而通過與交流電滲泵的設計參數比較發現，這一比例同樣能達到交流電滲流速的最大值，可見電熱流動產生最大速度的電極設計和交流電滲泵是一致的。
如圖6所示，設芯片基底為玻璃，施加的交變電勢頻率為10kHz，KCl溶液的電導率為0.01S/m。可以看到，在電極大小固定為Le＝5μm且LE＝25μm，小電極間隙為Lg＝5μm，大小電極間隙之比LG/Lg改變時，隨著外加電勢的增大，各種間隙比下產生的電熱流動速度都在增加，不同的是，在同一外加電勢下，電熱流動速度隨著電極間隙比值的增加先逐漸增大，在LG/Lg＝5時達到最大值，而后又開始減小，這與通過優化所得到的電滲泵本身產生最大電滲流速時的大小電極間隙比是一致的。可見，LG/Lg＝5這一比值無論是對電滲流速本身還是由于電熱流動效應產生的速度都是一個最佳值，在交流電滲泵的設計過程中，可以進行參考。
如圖7所示，設芯片基底為玻璃，Le＝Lg＝5μm且LE＝LG＝25μm，施加的交變電勢頻率為10kHz。由式(2)可知，在電場作用下電解質溶液中產生的焦耳熱流量與溶液的電導率呈正比，因此，增大溶液電導率必然會引起更大的電熱流動效應。圖為溶液電導率不同的情況下，電熱流動截面平均速度隨外加電勢的變化。可以看出，溶液的電導率增大10倍時，相應的電熱流動截面平均速度也相應增大10倍。因此，在交流電滲泵中，若溶液電導率的增大不會引起劇烈的溫度升高，使用電導率較高的電解質溶液對提高電滲泵的速度是有一定幫助的。
如圖8所示，設Le＝Lg＝5μm且LE＝LG＝25μm，施加的交變電勢有效值為2V，頻率為10kHz，KCl溶液的電導率為0.01S/m。可以看到，在芯片的基底材料分別為硅和玻璃時，在不同外加電勢下，基片為硅時產生的截面平均速度明顯比玻璃低，且差異隨著外加電勢的增加而不斷增大。這是由于硅的導熱系數與玻璃相差近100倍，散熱效果比玻璃好很多。電解質溶液在產生相同熱流量的情況下基片為硅時形成的溫度場梯度更小，從而形成了更小的電熱流動速度。隨著外加電勢的增大，單位體積的溶液中產生的熱流量增加，硅較高的散熱能力得到更好的體現，從而與玻璃基片相比，造成更大的電熱流動速度差異。
對于式(4)中的體積力，右邊第一項為哥倫布力，而第二項為介電力。在一定的臨界頻率fc下，兩種力的大小相等，當頻率低于fc時，哥倫布力起主導左右，而當頻率高于fc時，介電力起主導作用。臨界頻率fc可以計算為fc≈σ2πϵ|1-2∂σσ∂T/∂ϵϵ∂T|12---(5)]]>由于由哥倫布力引起的速度比由介電力引起的速度要高幾個數量級，因此，為了增強電熱流動效果，應該盡量讓所施加的交變電場頻率在哥倫布力起主導作用的范圍，也即小于臨界頻率的范圍。在本發明中所設定的條件下，所采用的頻率范圍都是哥倫布力起主導作用的。當外加交變電場的頻率從100Hz到100kHz之間變化時，通過計算可知，對哥倫布力的大小幾乎沒有影響，因此頻率在此范圍內變化時形成的電熱流動速度也幾乎保持一致。
要指出的是，在以上所有的模擬中，溶液的溫度升高都小于10K，因此溫度升高不是限制本發明方法使用的因素。
權利要求
1.一種微通道中利用電熱流動驅動流體運動的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟一，用微加工的方法在玻璃或者硅基底上沉積大小不相等的叉指型微電極，大電極和小電極相隔出現且周期性分布，用一個總引線連接所有的大電極，而用另一個總引線連接所有的小電極，并把兩個總引線與函數發生器的兩個輸出端口相連；步驟二，通過微加工的方法加工有微通道的聚二甲基硅氧烷蓋片，并把蓋片和基底鍵合；步驟三，在微通道中注入KCl電解質溶液；步驟四，在相鄰的叉指型微電極對上分別施加+Vsin(ωt)以及-Vsin(ωt)的交變電勢后，非均勻的電場會引起電解質溶液的溫度梯度，進而造成電導率和介電常數的變化，最終產生定向的電熱流動，對流體產生輸送的效果。
2.根據權利要求1所述的微通道中利用電熱流動驅動流體運動的方法，其特征是，所述的玻璃或者硅基底，其厚度為500μm。
3.根據權利要求1或2所述的微通道中利用電熱流動驅動流體運動的方法，其特征是，所述的玻璃或者硅基底，硅的導熱系數為k硅＝150W/mK，玻璃的導熱系數為k玻璃＝1.38W/mK。
4.根據權利要求1所述的微通道中利用電熱流動驅動流體運動的方法，其特征是，所述的微電極由20nm的鈦以及200nm的金復合而成。
5.根據權利要求1所述的微通道中利用電熱流動驅動流體運動的方法，其特征是，所述的微電極，大電極的寬度為10-45μm，小電極的寬度為2-8μm，
6.根據權利要求1或5所述的微通道中利用電熱流動驅動流體運動的方法，其特征是，所述的微電極，大、小電極的寬度比在3-9之間，大、小電極間隙的寬度比在1-7之間。
7.根據權利要求1所述的微通道中利用電熱流動驅動流體運動的方法，其特征是，所述的聚二甲基硅氧烷蓋片厚度為100μm，導熱系數kPDMS＝0.18W/mK。
8.根據權利要求1所述的微通道中利用電熱流動驅動流體運動的方法，其特征是，所述的微通道的深度為50μm。
9.根據權利要求1所述的微通道中利用電熱流動驅動流體運動的方法，其特征是，所述的KCl電解質溶液，其電導率為0.001-0.1S·m-1。
10.根據權利要求1所述的微通道中利用電熱流動增強混合效果的方法，其特征是，所述的交變電勢，其有效值大小為1-3V，頻率在100Hz-100kHz之間變化。
全文摘要
一種微電子技術領域的微通道中利用電熱流驅動流體運動的方法，用微加工的方法在玻璃或者硅基底上沉積大小不一致且周期性分布的叉指型微電極，相隔的微電極都連接在一個總引線上面，把總引線與函數發生器相連；通過微加工的方法加工有微通道的聚二甲基硅氧烷蓋片，并把蓋片和基底鍵合；在微通道中注入KCl電解質溶液；在相鄰的叉指型微電極對上分別施加+Vsin(ωt)以及－Vsin(ωt)的交變電勢后，非均勻的電場會引起電解質溶液的溫度梯度，進而造成電導率和介電常數的變化，最終產生定向的電熱流動，對流體產生輸送的效果。
文檔編號G01N33/48GK101059526SQ20071004111
公開日2007年10月24日 申請日期2007年5月24日 優先權日2007年5月24日
發明者曹軍, 鄭平, 洪芳軍 申請人:上海交通大學