微小液滴蒸發過程的陣列式檢測系統的制作方法

本實用新型涉及微流體技術領域，特別涉及一種微小液滴蒸發過程的檢測系統。

背景技術：

現有技術中，針對本實用新型涉及的微小液滴蒸發動態過程的檢測這一技術主題，通常有三種實現方法，(1)顯微照相方法，該方法是通過顯微鏡對微小液滴進行實時拍照，從而掌握微小液滴蒸發動態過程，實現檢測。這種方法適用于對液滴的體積變化的定性分析，要進行定量測量比較困難，且需要顯微鏡、CCD等設備近距離觀測。(2)稱重方法，對被測微小液滴的重量進行測量，根據重量變化間接獲得微小液滴蒸發動態過程。這種方法適于比較大的液滴，對于小于1微升體積小的液滴難以檢測，而且這種方法無法對液滴不同部位的蒸發速度進行對比。(3)電化學方法，利用電極與被測微小液滴所產生的電化學反應，基于電路測得電極的輸出電流，根據電流間接獲得微小液滴蒸發動態過程。這種方法能夠對不同部位的蒸發速度進行動態監測，但是它需要特定的化學物質在電極上發生化學反應，應用范圍受限。

技術實現要素：

為了克服上述現有技術的缺陷，本實用新型的一種微小液滴蒸發過程的陣列式檢測系統，用于對一定環境中附著在平坦固體表面的微小液滴蒸發過程實現動態的檢測。

本實用新型提出了一種微小液滴蒸發動態過程的陣列式檢測系統，該檢測系統包括加工了微電極陣列的基板1和阻抗測試儀；所述微電極陣列為由各個微電極結構元組成的陣列，每個微電極結構元包括暴露在基板1表面、可與溶液直接接觸的至少一對電極2，電極2所在的金屬層分別延展出由絕緣層3覆蓋而形成的電極引線5、位于基板1邊緣的焊盤4；電極引線5分別與所述電極2連接；將構成所述微電極陣列的各微電極結構元與所述基板1邊緣的焊盤4連接起來，焊盤4用于連接阻抗測試儀。

構成微電極陣列的至少一對電極2的尺寸和間距都遠小于被測液滴的尺寸。

與現有技術相比，本實用新型的傳感器件體積小巧，可以對液滴蒸發過程進行動態、定量監測，并對液滴的不同部位的蒸發過程進行同時檢測而不需要液滴內的物質在電極上發生化學反應，因此本實用新型相比現有技術可以更靈活地運用到不同的應用場合，例如，液滴細胞培養，外界環境變化(如熱交換、氣流速度)對微液滴不同部位蒸發動態過程的監測研究等。

附圖說明

圖1為本實用新型的微小液滴蒸發動態過程的檢測系統，其陣列式電極可測量同一液滴不同部位的蒸發速度差異，本圖的陣列中液滴覆蓋了4×4＝16個檢測單元；電極陣列的大小、間距可以盡量小，從而一個液滴可以覆蓋的電極陣列的數量越多，檢測阻抗“圖像”的空間分辨率越高。

圖2為微電極結構元主視圖(以一對電極為例，圖1中的A區域)；

圖3為微電極結構元俯視圖(以一對電極為例，圖1中的A區域)；

圖4為阻抗檢測微液滴蒸發測量的電學模型示意圖；

圖5為蒸發過程前期液滴質量(體積)與阻抗幅值之間的關系曲線圖；

圖6為檢測到液滴蒸發過程中一個頻率的電阻抗幅值隨著時間的變化曲線，6a、6b、6c分別表示阻抗變化的三個階段；

圖7為本發明的微小液滴蒸發動態過程的檢測系統的微電極陣列中的電極配置示意圖；

附圖標記：1、基板，2、一對電極，3、絕緣層，4、焊盤，5電極引線，6、微小液滴，7、電極所組成的檢測陣列。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本實用新型技術方案作進一步詳細描述。

如圖1所示，本實用新型的陣列式微小液滴蒸發動態過程的檢測系統，包含加工了微電極陣列的基板(玻璃或硅片)和阻抗測試儀，所述微電極陣列為由各個微電極結構元組成的陣列，每個微電極結構元包括暴露在基板1表面、可與溶液直接接觸的至少一對電極2，電極(2)所在的金屬層分別延展出由絕緣層3覆蓋而形成的電極引線5、位于基板1邊緣的焊盤4；電極引線5分別與所述電極2連接；將構成所述微電極陣列的各微電極結構元與所述基板1邊緣的焊盤4連接起來，焊盤4用于連接阻抗測試儀。基板邊緣的焊盤面積較大，沒有覆蓋絕緣層，可以與其它電路實現電氣連接。電極的尺寸最小可以為2微米，構成電極陣列的各個電極之間的長、寬間距均為2微米。其中，所組成的陣列可以是各種適宜的陣列圖形。

如圖2、圖3所示，微電極結構元包括暴露在基板之外、與溶液直接接觸的的電極部分和覆蓋了一層絕緣層而不能與溶液接觸的引線部分。電極引線將基板中央的電極陣列與基板邊緣的焊盤連接起來，基板邊緣的焊盤面積較大，沒有覆蓋絕緣層，可以與其它電路實現電氣連接。電極的尺寸最小可以為2微米，構成電極陣列的各個電極之間的長、寬間距均為2微米。圖1所示的本實用新型的陣列式微小液滴蒸發動態過程的檢測系統中A部分結構與此類似，只是焊盤在器件邊緣。當進行微小液滴蒸發動態過程的檢測時，將微小液滴6滴注置于基板1上，使得一對電極2位于微小液滴6中間，液滴將這一對電極完全覆蓋于中央。通電后，在一定濃度范圍c的強電解質(如KCl，NaCl等)微小水溶液液滴中，電極2與微小液滴3表面兩個的接觸部分形成界面電容C，液滴溶液相當于電阻R，用一對面積和間距都遠小于液滴直徑的電極檢測阻抗Z，形成了如圖4所示的本實用新型所基于阻抗檢測微液滴蒸發測量的電學模型。

1、電導率(ρ)與濃度c成線性關系(k₀為常數)：

ρ＝k₀c (1)

電阻(R)為電導率的導數，l為電極間的距離(等效電阻線長度)，S為等效導體的橫截面面積。其中濃度與液滴中初始含有的電解質質量β＝c(t)·V(t)，c(t)、V(t)分別為液滴某一時刻t的濃度、體積，而電解質不揮發所以其質量不變：

因此電阻部分(R)和體積(V)成正比。

2、電容部分。假如兩個電極的形狀相同，面積相等，則兩個界面電容相等，均為C，且二者是串聯關系，實際電容值為C/2，電容其中ε為介電常數，k靜電力常熟，d是電容極板間距離，對于界面雙電層電容，主要是由于電極表面的聚集正(負)電荷，吸引溶液中相應的負(正)離子在非常接近電極表面處，由于分子間斥力，離子與電極表面仍有一個非常小的距離d，從而形成一個“電容”的效果。因此d是固定的，且非常小。根據文獻報道，介電常數的實部與電解質的濃度成反比，在一定范圍內可以看作線性，介電常數的虛部與溶液濃度成正比，實際上被看作是電導率的一部分，由于電導率與濃度的關系前面已經討論，故此處只需討論介電常數的實部。根據文獻報道，介電常數實部ε₀可近似用下式表示：

ε₀＝ε_0w·(1-0.2551c+0.0515c²-0.006889c³)≈ε_0w·(1-0.2551c) (5)

其中ε_0w為純水的介電常數。

從而阻抗可以由電阻和電容引起的電抗組成：

其中，是一個常數，f為電信號的頻率。公式(7)即為蒸發過程中電阻抗計算的基本表達式。因此阻抗Z可以看作是液滴體積的函數，測量阻抗，就可以反映液滴的體積變化。液滴蒸發時，液滴中的水分不斷蒸發進入空氣，液滴體積V不斷減少，而電解質不會離開液滴，因此液滴中該強電解質的濃度C不斷上升，阻抗相應的不斷變化。檢測阻抗的下降過程就能對蒸發過程進行監測。

具體的說，某一頻率下的電阻抗幅值在液滴蒸發的過程中可以分為三個階段，如圖6所示的a、b、c三個階段：

第一階段，當V(t)＞＞0.2551β，即處于蒸發的早期階段時，此時阻抗幅值變化與體積變化成線性關系(如圖5所示，圖6所示a階段)。

第二階段，在液滴蒸發后期，基本上不滿足上述關系，應該用式(7)描述，由于(7)的虛部隨著體積與0.2551β越來越接近，其值的變化是體積變化的倍數，這個倍數越來越大，導致阻抗變化的速度比體積下降更快(圖6所示b階段)。

第三階段，液滴蒸發的末期，隨著液體蒸發達到電解質的最大溶解度，電導率反而下降，此時前述推導的基礎不復存在，式(7)不成立。此時也有電解質固體析出，這些都會增加電阻抗，而當液體完全干涸時，阻抗達到無窮大。因此阻抗下降的階段會轉換到一個阻抗快速上升的階段，這個轉折點也預示著液體即將蒸發完畢(圖6所示c階段)。

本實用新型不僅適用于微小液滴的測試；在陣列覆蓋面積和電極尺寸等條件的調整滿足之下，同樣適用于各種液體、液面蒸發過程的觀察和檢測。