PDF《微流芯片》

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期! 0- 12-

23 研究快讯 微流芯片 温维佳4 ! ! 沈! 平 (香港科技大学物理学系! 香港九龙清水湾! 香港) 摘! 要! ! 介绍了基于电流变液控制的微流芯片的工作原理和制作过程- 由于电流变液的粘度随外加电场的增加而 增大,且这种改变是可逆的,响应时间也极快(毫秒量级) - 利用此特性, 作者设计制成了电流变液数值型微流阀- 基 于此类微流阀, 作者制成了一系列微流器件, 例如: 微流混合装置、 微减震器以及微流泵- 关键词! ! 微流控制, 电流变液, 微流混合

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1 F02@AD/.0B02 2A3)@A/,8/82)@A@(8A/A?021/ D/.0B,F02@AD/.0B02 F0M8@ 本文内容涉及多人合作的结果- 合作人有: 牛西泽, 刘立宇, N- O- P88 $%%&

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9 %R 收到 4! 通讯联系人- 6F10/:*(,83S .C)- (K ! ! 近几年, 微流 (F02@AD/.0B) 及其控制是物理学和 生物科学界极为重要的研究领域之一 ['

― ] - 通常微 流装置的尺寸一般在微米及亚微米的范围- 在这种 微小尺寸中流动的液体具有异于一般所言的宏观流 体的物理行为- 比如,在大尺度管道中流动的两种 不同液体,在经历一定时间的流动后,可以相互渗 透而混合 (F0M03?) - 然而,两种液体以微流束的尺 度在微米管中流动时, 不管流经的路径多长,这两 束微流却永远无法混合- 这是由于微小尺度下流体 的雷诺数 (G8J3A/BC 3.FE8@)G8%'

,此时其粘滞流 (I0C2A.C D/A,)或层流决定了两种流体的动力学行 为- 即,除了两种液体之间的界面层有少量的分子 层扩散外,两种微流总是以分离的形式流动 (见图 '

) - 随着芯片高集成化的发展趋势,如何将两种或 多种微流液体在越来越小的器件中实现流体混合既 是微流芯片制作与发展的一项挑战,也是目前物理 学和生物学的热点研究课题- 图'

! 微流管中流动的两种液体 当前微流混合的研究方法主要集中在 被动 (*1CC0I8) 混合方式- 比如,在微流装置中嵌入一些 非对称的结构,使液体的流动呈螺旋型方式前进, 其目的是产生三维混沌流(2(1A)02 D/A,) ,以期达到 两流体之间相互混合、 扩散等效果 [R] - 然而,这种 被动 型微流混合需要流体有一定的混合长度, 通 常达十几厘米以上, 从而加大了微流芯片制作工艺 的难度, 同时也难以实现芯片微型化- 另一种微流混 ・

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8 ・ ! #: 物理 图.- 电流变液微阀系统 图/- 电流变液微阀工作原理图 合采用了 主动 (*+ )01)式混合方式&

其设计原理 是在微流主管道 (腔) 的垂直方向上增加一些辅助 腔 (也称为边管道) ,且它们是相通的&

这些辅助腔 内流体的规则振动, 可以引起主管道中的两微流束 的规则扰动&

在一定的振幅和频率下,主管道中的 两种流体产生混沌流而实现混合 [2, 3] &

上述 主动 式混合方式的控制也有其局限性, 主要是由于这些 边辅助腔振动是以外加气阀的 开 或 关 方式来 完成&

由于气阀的机械效应,其 开 、 关 频率受 到一定限制,当微流以高速流经管道时, 混合效果 会明显减弱&

香港科技大学物理系智能材料研究小组在发明 图4- 电流变液微阀工作状态与电极电压的关系 图2- 电流变液主动微流混合器示意图 巨电流变液的基础上 [5, 6] , 利用电流变液在电场作 用下其粘度可调的特性, 成功制成一种微阀系统&

图.为微阀的设计示意图&

微阀采用 78(9:);

1 !9( *,1(7?@A) 材料, 利用软光刻技术制备而成&

微阀 设计由电流变液通道、 电极、 阀膜和控制微流体通道 等几部份组成&

即在 7?@A 材料上制备宽为微米量 级的电流变液管道,管道上分别嵌入两对软电 极[B] &

在电流变液通道层 C (图.的纸平面内) 和微 流通道层 D(垂直于纸平面) 之间是厚度为几十微 米的 7?@A 薄层,此薄层用作为阀膜片&

阀膜上层 是被控微流通道&

阀膜工作原理如下: 电流变液由一 微泵从 * 端注入, 经通道由 E 端吸出形成一循环流&

当电极 F 和电极 . 无电压作用时, 电流变液在通道 内无阻力流动, 即*和E端的压强相等, 如图 / (*) 所示&

如果在电极 F 加上电压, 电流变液通过此电极 时粘度会增加, 流速减慢,* G E 两端出现压力差, 阀膜开始向下膨胀, 从而引起微流通道开启, 微流管 截面增大, 见图 / (E) &

反之,如果只在电极 . 上加 电压,这时, * G E 端的压强差使阀膜向上膨胀&

随 着电极上电压的增加,阀膜膨胀逐渐加大,微流管 ・ ! # ・ 研究快讯 ! # 卷($%%&

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23 图&

! (1) 电流变液控制的微流混合芯片的层状组装结构;

( 4) 微流混合芯片的工作示意图 截面逐渐减小, 微流通道内流束也随之减小- 当外加 电压足够大时, 阀膜完全阻断了微流通道的截面, 微 流管道中的流动随之停止- 图5是实验上观察到阀 膜随电极上电压增加时的膨胀变化关系- 可以看到, 随着电极上电压的增加,其阀膜膨胀高度逐渐增 大- 由此可见, 阀膜的膨胀程度和膨胀方向完全由加 在电极上的电压决定, 外加电压实际控制着微阀的 运作- 因此可以借助于数值电压信号控制微流阀的 开关行为- 电流变液微阀的应用是设计制造一系列 微流器件, 例如: 微流混合装置、 微减震器以及微流 泵的基本单元 ['

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$] - 作为例子, 下面介绍如何利用电流变液微阀制 造主动式微流混合器件 (602789/.0:02 60;

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,BCCS, E.: COODC6 ・书评和书讯・ 科学出版社物理类新书推荐 书- 名作(译) 者 定价 出版日期 发行号 亚稳金属材料 胡壮麒 6OC 估计 BCCS 年6C 月 暂无 半导体异质结物理 (第二版) 虞丽生 DB&

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