电渗驱动微泵设计初探

　　微流体系统在集成电路的冷却、微化学分析系统、生物芯片、微量药物注射和释放以及微小型卫星的微推进器等领域有重要的应用前景, 微泵是微流体系统中重要的动力元件。按照微泵中微流体驱动控制的原理, 可分为压力驱动、水电力驱动、电渗驱动、热驱动、表面张力驱动、离心力驱动等类型[ 1] 。其中电渗驱动的微泵具有输出压强高、流量可调范围宽、结构简单、可靠性高、噪声低、易与微槽道集成、制造成本低等特点。

　　电渗泵是利用电解质溶液在外加电场作用下的电渗现象驱动液体。这种电渗流产生的前提是与电解液接触的槽壁上有不动的表面电荷[ 2] 。这种表面电荷来自于离子化基或是液体中被吸附在表面的电荷。在表面电荷的静电吸附和分子扩散的作用下,在固液界面上形成双电层。双电层大致可以分为两部分: 一部分是吸附在槽道壁面不动的正电荷离子,称为紧密层。第二部分是正电荷离子浓度较高的可移动部分, 称为扩散层。双电层的电势在壁面处最大, 在紧密层外侧电势迅速减小, 在紧密层与扩散层之间边界的电势称为zeta 电势。图1 为所示电渗流的驱动原理[ 3] 。在微通道两端外加垂直电场, 电荷就会在电场作用下作定向迁移, 由于液体具有一定的粘性, 扩散层里可移动的电荷就带动其周边液体定向迁移, 形成电渗流。电渗流的一个重要特点是具有平面流型, 其电渗驱动力沿微通道均匀分布,电渗流的径向速度趋于相同[ 2] 。由于槽道对电解液的流动存在一定压力, 所以电解液在槽道内的流型受到电渗驱动力和压力的共同影响, 如图1 所示。

　　Daniel 等人研究的电渗泵模型如图2 所示[ 4] 。在一个硅衬底上蚀刻出许多狭窄的槽道, 槽道具有较高的深宽比, 以产生较高的背压和流速; 键合一层玻璃用以密封微槽道。槽道的截面可以是多种形状, 但大多为矩形, 所以研究电渗流在矩形微槽道中的流动特性具有重要的意义。

　　1 电渗泵的数学模型

　　图3 所示的是电渗泵中的一个矩形槽道。矩形槽道的宽度、高度、长度分别为W、D 以及L 。双电层内正负离子浓度差产生了净电荷密度, 净电荷在外加电场的作用下产生了引起流体流动的驱动力。

　　根据静电学理论, 微槽道内电势和离子分布用Poisson- Bolt zmann( PB) 方程描述[ 5] 。槽壁面产生的电势( 双电层电势) U与净电荷密度Qe 之间的关系用Poisson 方程来描述:

　　Bolt zmann 方程表征了系统处于平衡状态下的电化学势。流体里单位体积的离子浓度满足Bolt zmann 方程[ 6] :