交流电渗微泵流速影响因素的研究

　　目前, 电渗技术应用在微流体驱动上分为两类: 直流电渗技术和交流电渗技术。一般地说, 直流电渗微泵驱动流体需要很高的直流高压电源, 微通道两端需要输入几千伏的超高电压。这种高电压使得电极与溶液极易发生电解反应、产生气泡和影响溶液的pH 值[ 1] , 因此直流电渗微泵不适合于长时间工作。另外, 直流电渗微泵电极与微芯片尺度比较, 其电极非常庞大, 很难与系统集成, 这不利于微流控芯片的集成化和微型化。这些直接约束了直流电渗微泵的推广与应用。

　　1998 年, Ramos[ 2] 在研究电液动力学的过程中, 发现了一种不可能用介电泳理论解释的电动现象。在电解质溶液中, 当微粒直径很小时, 输入信号电压低, 但在微电极表面粒子能随着液体一起流动,这种现象不能用粒子极化理论即介电泳理论解释。

　　在不断的理论与实验研究中, Ramo s 等人提出了交流电渗理论, 并成功解释了一些实验现象, 从而展开了研究交流电渗理论的热潮。

　　随着人们对交流电渗驱动微流体的探讨不断深入, 研究发现交流电渗驱动芯片电极有非对称电极[ 3-4] 和对称电极[ 5-6] 之分, 前者所用的驱动信号为正( 余) 弦波而后者为行波信号。这两类不同电极芯片的交流电渗驱动形式各具优缺点, 但是由于行波交流电渗驱动的对称电极芯片制作过程非常复杂,应用前景不明确, 因此近些年来人们研究的重点都放在了非对称电极交流电渗驱动上。

　　非对称电极交流电渗驱动影响流体流速的因素很多, 如非对称电极参数、驱动信号参数及驱动溶液物理特性等。本文在讨论非对称电极表面流速计算的基础上, 探讨了上述因素对流体流速的影响规律,这对于进一步开发设计和研究交流电渗驱动技术具有指导意义。

　　1 电极表面流速的计算

　　1. 1 非对称电极芯片

　　交流电渗微泵非对称电极芯片是通过IC 工艺在硅基底或玻璃基底上沉积一对或多对非对称电极。一般情况下, 电极由几层结构组成: 10 nm 厚的Cr 或T i 层作为基底与电极材料间的粘结层, 在粘结层上再沉积90 nm 厚的Pt 层, 其结构如图1 所示。

　　1. 2 非对称电极等效电路

　　当电极长度远大于电极宽度时, 在某一特征频率下, 将一对平面平板电极放置于电解质溶液中, 我们可以将其设计成如下的等效电路: 把双电层外侧的溶液认为是由无数条非同心的等效半圆形电阻线组成, 电阻线的末端与双电层电容串连, 即认为是一RC 电路, 如图2 所示。

　　通过一次积分就可得到大小电极上的平均速度, 大电极上的平均速度为: