微流体实验技术研究

　　1　引言

　　微电子机械系统经过十多年的发展,已经取得了很大的进步。其中,微流体系统被认为是MEMS中最有前景的一部分,它在生物化学分析、临床检测、环境监测、司法刑侦以及微电子等领域都有着广泛的应用。一些微流体产品,例如喷墨打印机的微喷头、生物芯片等,已经具有了很大的市场价值。

　　微米乃至纳米结构中流体的流动是微流体系统研究的基本问题。对这些问题的深入研究和探讨离不开足够高空间分辨率和高精度的微流体实验技术的发展。然而,微流体的研究是一项很有挑战性的工作。这一方面是因为微流体流动的特征尺度小,测量用的传感器要比被测量的微器件小,制作上很困难;另一方面是由于微流动的动量和能量非常小,为使测量不会过大地干扰流动本身,传感器和流动之间的动量和能量交换要求很小。而且,微流动实验的影响因素过多并难于预料,又缺乏有力的理论指导。这些原因使得微流体流动实验的难度很大,目前出现了一些实验结果不一致的现象[1]。但在研究人员的不懈努力下,微流体实验技术正在不断的进步,并取得了一些重要的成果。

　　微流体实验技术一般可分为常规流动参数的测量和流动显示技术。本文在分析微流体实验影响因素的基础上,对这两类技术分别进行讨论。

　　2　微流体实验的影响因素

　　与宏观流体实验相比,微流体实验的影响因素很多,涉及力学、材料学、表面物理/化学等多个学科,分析起来很困难。目前对微流体实验的主要影响因素还没有确切的结论,也没有相应的实验标准。但从目前的实验结果来分析,可以认为以下一些因素对微流体的实验结果有重要影响。

　　(1)实验试件的性能

　　微流体实验一般研究流体在微米乃至纳米量级管道中的流动。由于当流动的特征尺度减小到这些量级时,管道的表面积/体积比大大增加,表面效应明显会在流体流动中起主要作用,所以微流体实验试件的性能对实验结果有重要影响[2]。微流体的实验结果与所用微管道的管壁材料和横截面形状有关[3]。图1和图2分别为玻璃圆截面管道和硅梯形截面管道中液体流动的流动阻力系数f与雷诺数Re的关系曲线,从中可以看出两者的实验结果有明显的差异。除了实验测量的误差外,这种差异是由于材料和横截面形状的表面效应影响不同造成的。此外,微流体实验试件的管道表面性质,如表面粗糙度和表面的化学性质,也对流体的流动有一定影响。这些影响很难定量地预测或消除,给微流体实验增加了难度。

　　微流体实验研究所需的试件一般采用毛细管或利用微机械技术制作的微管道。后者一般利用平面光刻和各向异性腐蚀在硅片上制作微管道,再采用阳极键合技术用玻璃将管道封闭起来。图3为一种典型的微流体试件的示意图。