行波电渗微流体驱动理论模型与实验

　　1　引　言

　　精确控制微小体积流体是微泵[1]、芯片实验室(lab-on-a-chip)及微全分析系统(μTAS)中的重要要求[2]。压力驱动机械式微泵[1,3,4]由于存在可致动部件,在微泵使用的可靠性等方面依然存在很多问题需要解决[5]。随着技术的发展,人们提出了电动效应[6]驱动微流体的非机械式微泵,如直流电渗微泵、电热微泵、交流电渗非对称电极微泵等。但是在直流电渗微泵及电热微泵中,由于该类微泵需要极高的直流驱动电压,相对于芯片实验室系统而言,其电极很难与芯片实验室这类微小系统集成。在此基础上,Ramos等学者提出了交流电渗非对称电极微泵[7],文献[8]对该种泵的驱动原理及仿真进行了分析。研究表明,一种以行波信号为驱动源的对称电极交流电渗驱动比非对称电极交流电渗驱动效率更高,而且其流线更平坦[9]。因此,研究行波对称电极交流电渗驱动更具有理论意义和经济价值。

　　行波电渗驱动原理与非对称电极交流电渗驱动原理类似,即在两个假设的前提下,驱动信号电压足够低,不至于电极与溶液产生电解反应;驱动信号频率足够低,使得双电层中的电荷能够达到准平衡。但是在行波电渗驱动中,是行进波产生的行进电场驱动双电层的电荷做定向迁移来形成电渗流;而在非对称电极交流电渗驱动中,是由于非均匀电场作用在双电层电荷上来产生电渗流,这是两者的主要区别[10]。

　　在电渗驱动理论中,学者往往把电极表面感应的双电荷层假设成一个理想电容,即该电容的电荷按线性分布[8,10-12]。但是根据Gouy-Chap-man-Stern双电层模型[13],扩散层的电势降与电荷的分布规律满足Boltzmann分布,是一个典型的非线性问题。为此,笔者建立了行波电渗双电层模型,对微通道内的行波电渗驱动进行了电场、流场仿真分析,并在实验研究的基础上验证了本文的理论研究成果。

　　2　行波电渗实验方法

　　行波电渗微流体驱动芯片是在基底材料(玻璃)上通过MEMS加工工艺沉积出一系列的等宽电极。本文实验中所用的电极及电极间距均为20μm,其中每个电极包括10 nm厚的Ti层(黏结层)和100 nm厚的Pt层,如图1(a)所示。实验过程为:在芯片电极上盖上一封闭的PDMS微通道,微通道内注入混有直径为500 nm荧光粒子电解质溶液(KCl),再盖上一个盖玻片。用TGA1244四相信号发生器为信号源,其电路连接图如图1(b)所示,4个电极为一组,两者之间的电势信号相位差为90°。实验时,通过输入不同信号参数的行波信号,在荧光显微镜下记录不同信号下的视频文件,采用粒子图像测速法(PIV)对视频文件进行数据处理,即可获得行波电渗驱动微流体的速度。

　　3　行波电渗仿真