专利名称：微通道中利用电热流动增强混合效果的方法
技术领域：
本发明所涉及的是一种微电子技术领域的方法，特别是一种微通道中利用电热流动增强混合效果的方法。
背景技术：
随着微加工技术的进步，以微机电系统为基础的“微流控芯片”或“芯片实验室”技术得到了迅速的发展。微流控芯片技术把化学和生物等领域中所涉及的样品制备、生物与化学反应、分离和检测等基本操作单元集成到一块方寸大小的芯片上，具有试剂消耗量少(纳升甚至皮升级)、高度集成、分析过程快速和便携等优点，在分析化学、生物医疗和药物检测等领域能发挥巨大的作用。
混合是任何化学和生化反应中最基本也是必须的操作，对于发生化学反应的微流控分析系统来说，若混合速度小于反应速度，混合时间就成为反应完成快慢的决定因素，甚至成为整个系统分析时间的瓶颈，因此，在微尺度下如何进行流体快速有效的混合，是一个很重要的研究方向。在宏观体系中，混合通常靠对流来完成。在微流控系统中，系统的结构尺寸通常小于数百微米，流体在微米尺度下雷诺数非常小(Re≈0.1-100)，在这样小的雷诺数下，流体完全呈现层流流动，不能发生湍流流动，混合只能靠不同分子之间的扩散完成。当微流体的液层厚度大于典型扩散长度时，特别是流速快或含低扩散系数可溶性物质的流体，靠扩散完成混合是一个相当慢的过程，需要足够的时间和接触面积才能达到完全混合。
为了在微尺度下实现层流状态流体的快速有效混合，已有文献报道了不同种类的微混合器，其中包括通过改变通道构型来实现的被动微混合器和通过引入外力作用扰动流场实现的主动型混合器，以此来增加液流的接触面积，缩短扩散距离，产生混沌流甚至湍流，从而提高混合效率。
经对现有技术的文献检索发现，Fu等在《Electrophoresis》(电泳)(2005年第5卷第1814-1824页)上发表的(“A novel microfluidic mixer utilizingelectrokinetic driving forces under low switching frequency”)(一种新型的利用低频电场力驱动的微混合器)，该文中提出的混合方法是利用周期性变化的低频电场力来驱动流体，从而达到流体的有效混合。这种混合方法的具体做法是，在双T型微通道中，其中的两个通道入口电势保持恒定，另外两个入口施加以周期性变换大小的电势，从而扰乱流场达到增强混合效果的目的。尽管这种方法能实现较高的混合效率，但是，其本质仍然是利用直流电场产生电渗流动，因此需要较高的驱动电压，且该混合器的实现需要4个交替出现的进样通道，在一定程度上增加了混合器的实现难度。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种微通道中利用电热流动增强混合效果的方法，通过在微通道两个壁面上沉积微电极后，可以在700μm长的微通道中实现97.2％的混合效率，具有极好的混合效果。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明是通过在微通道的壁面上加工微电极对，且在相邻的微电极上施加相位差为180度的交变电势，由于非均匀电场强度的存在，会在微通道中产生温度梯度，进而改变其中电解质溶液的电导率和介电常数，从而引起溶液的电热流动。电热流的存在使微通道壁面电极附近区域产生漩涡，扰乱了流场，液流原本存在的层流流动被破坏，从而增强了两种流体的混合效果。
本发明包括步骤如下 步骤一，通过微加工的方法在微通道壁面上加工叉指型的微电极，相隔的微电极都连接在一个总引线上面，把总引线与函数发生器相连； 所述微通道的长度为200-700μm，宽度为50μm。
所述的微通道壁面上加工2-16个微电极对，微电极的大小均为10μm，一个电极对中的两个电极之间的间隙为10μm。
步骤二，在微通道中注入KCl电解质溶液； 所述KCl电解质溶液，其电导率为50-150mS·m-1。
步骤三，在叉指型的电极对上分别施加+Vsin(ωt)以及-Vsin(ωt)的交变电势后，非均匀的电场会引起电解质溶液的温度梯度，进而造成电导率和介电常数的变化，最终产生电热流动，在微电极附近的区域产生漩涡； 所述交变电势的有效值大小为8-12V，频率在0.01-40M之间变化。混合效率会随着交变电势的大小和频率的变化而有所改变。
步骤四，需要被混合的样品以相同的初速度从两个不同的入口流入微通道后，经过由于电热流动而产生漩涡的区域时，由于流场较强的扰动作用，从而达到混合被增强的效果。
本发明利用交流电动力学中的技术。交流电动力学具有驱动电压低(一般小于20V)、可以避免溶液的电解以及便于与其它微器件相集成等优点，主要分为3个大的部分，即交流电渗泵，介电电泳以及电热流动现象。其中的电热流动现象是由于在微通道中沉积的电极上施加交流电势后，会在微通道中形成非均匀的电场强度，进而形成溶液的温度梯度，温度的不均匀分布造成溶液电导率和介电常数的改变，从而导致溶液中出现电热流动。Du等的研究发现(D.F.Chen and H.Du，Simulation studies on electrothermal fluid flow induced in adielectrophoretic microelectrode system，J.Micromech.Microeng.，2006，116，2411-2419)，在贴近电极的附近，由于电热流的存在会在溶液中产生速度漩涡，扰乱流场。基于这样的一种现象和机理，设计了本发明的混合方法。
本发明混合方法，可以建立数学模型，通过求解电势方程、能量方程、动量方程以及样品的浓度方程进行原理上的分析。
微通道中的电场分布由Laplace方程控制，进行简化后为 2V＝0(1) 在低雷诺数下，忽略对流相应，则在稳定状态下的能量方程为 k2T+<σE2>＝0(2) 其中k和σ分别表示流体的导热系数和电导率，E是电场强度，可以用下式计算E＝-V，V是施加在电极上的电势，<>表示是时间平均值。
对于低雷诺数下的不可压缩流体，其受到电热体积力后的在稳定状态下的N-S方程可以表示为 其中p是压力，η是流体的粘度，
表示速度，而<fe>则是时间平均的电热力，可表示为 其中τ＝ε/σ是流体介质的电荷松弛时间，ε是流体的介电常数，w是所外加交变电势的角频率，可表示为w＝2πf，而α和β则可分别表示为α＝(ε/T)/ε及β＝(σ/T)/σ。
对于在微通道中的样品，其混合过程主要由扩散和对流两种形式完成。假设样品没有被微通道壁面吸附且不与溶液中的组分发生反应，则样品的对流扩散方程可表示为 其中，C表示组分的浓度，而D则是样品组分的扩散系数。
对于微通道中任意位置横截面上的混合效率，可以用混合因子γ来进行量化 其中C表示样品组分在微通道横截面上的浓度分布，而C0和C∞则分别表示样品在没有混合以及完全混合的状态下横截面上的浓度分布。
对于以上的控制方程，在求解过程中，边界条件设置如下设在每对电极上施加的电势其有效值分别是Vrms和-Vrms，其余边界设为电绝缘。模型中没有考虑入口通道，设两股流体均以u0的入口速度流入微通道，出口与大气相通，而微通道壁面均设为非滑移的速度边界条件。流体的入口温度以及电极的温度均设为恒定的298K，其余微通道壁面设为绝热条件。对于样品的浓度方程，设微通道入口上半部分和下半部分的样品浓度分别为0和Cin，其余的壁面边界设为绝缘。
与现有技术相比，本发明在壁面沉积16个宽度为10μm的电极对后，在700μm长的微通道中，可以实现97.2％的混合效果。本发明中的混合方法可以在更短的微通道长度内实现更好的混合效果，而且只需要提供有效值为10V的交变电势，不需要高压电源，更有利于与其它微器件相集成。
图1是本发明进行数值模拟的模型示意图； 图2是在两对电极布置形式不同时的混合效率曲线示意图； 图3是在电极对数不同时的混合效率曲线示意图； 图4是在外加电势不同时的混合效率曲线示意图； 图5是在KCl溶液电导率不同时的混合效率曲线示意图； 图6是在2对以及16对电极的情况下，不同频率下的混合效率曲线示意图。
具体实施例方式 下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
步骤一，通过微加工的方法在微通道3的壁面4和5上加工叉指型的微电极7，微通道的宽度为W＝50μm，长度L则根据电极对数的不同而有变化，所有电极宽度和一个电极对中的两个电极之间的间隙均为d1＝d2＝10μm，而两个壁面相对的电极对之间的水平距离为Δa，设定不同的值来进行计算和优化，以达到最好的混合效果。相隔的微电极都连接在一个总引线上面，把总引线与函数发生器相连； 步骤二，在微通道3中注入电导率范围在50-150mS·m-1的KCl溶液作为工作流体，对于这个电导率范围的KCl溶液，其相关的性质可以设定为ε0＝8.85×10-12C·V-1m-1，.εr＝80，μ＝0.001Pa·s，k＝0.61W·m-1K-1，α＝-0.4％K-1，β＝2.0％K-1。
步骤三，在叉指型的电极对7上分别施加有效值为8-12V且相位相差为180度的交变电势后，非均匀的电场会引起溶液的温度梯度，进而造成电导率和介电常数的变化，最终产生电热流动，在微电极附近的区域产生漩涡； 步骤四，需要被混合的样品溶液以初速度u0＝1mm·s-1从两个不同的入口1和2流入微通道3后，经过由于电热流动而产生漩涡的区域时，由于流场较强的扰动作用，从而混合效果被增强，最终从出口6流出。设被混合的样品溶液中包含的样品的浓度在入口处分别为0和Cin＝1mol·L-1，样品的扩散系数为D＝10-10m2s-1。
本实施例中所有的计算都经过了网格无关性的验证。
如图1所示，两种流体通过不同的入口1和2进入微通道3完成混合过程后通过出口6流出。在微通道3的两个壁面4和5上加工微电极对7，而在微电极对7中相邻的两个电极上施加符号相反的交变电势，由于非均匀电场强度的存在，会在微通道3中产生温度梯度，进而改变溶液的电导率和介电常数，从而引起溶液的电热流动。电热流的存在使微电极对7附近区域产生漩涡扰乱了流场，液流原本存在的层流流动被破坏，从而增强了混合效果。
如图2所示，设此时微通道长度L＝200μm，宽度W＝50μm，加在相邻微电极上的电势有效值分别为Vrms＝10V和Vrms＝-10V，交变电场的频率为f＝1MHzKCl溶液的电导率为σ＝100mS·m-1。混合效率在Δa＝30μm的时候达到最大值。这是因为当Δa较小时，两对电极产生的漩涡相互重叠，从而电热流对流场的扰动效果不是很明显，而当电极对之间的距离增大时，各自产生的漩涡因为距离太远而很难对彼此产生影响。以下增加电极对数时，都是基于Δa＝30μm这个最优参数进行设计。
如图3所示，设此时微通道长度L＝700μm，宽度W＝50μm，加在相邻微电极上的电势有效值分别为Vrms＝10V和Vrms＝-10V，频率为f＝1MHz KCl溶液的电导率为σ＝100mS·m-1。很明显，随着电极对数的增加，样品的混合效率也逐渐增大。当微通道中有16个电极对时，一开始完全没有混合的两股流体，在经过一系列由于电热流动形成的漩涡进行扰动以后，在微通道出口位置已经可以达到97.2％的混合效率，取得了很好的混合效果。
如图4所示，设此时微通道长度L＝700μm，宽度W＝50μm，微通道壁面上有16个电极对。交变电场的频率为f＝1MHz，KCl溶液的电导率为σ＝100mS·m-1。随着外加电势的增加，混合效率一开始逐渐增大，到11V时达到最大值97.7％，之后又有所下降。这是因为如果外加电势太大，在电极附近由于电热流动形成的漩涡过于强烈，甚至充满了整个微通道，反而使流场的扰动效果减弱，不利于样品的混合。
如图5所示，设此时微通道长度L＝700μm，宽度W＝50μm，微通道壁面上有16个电极对，加在相邻微电极上的电势有效值分别为Vrms＝10V和Vrms＝-10V，频率为f＝1MHz。由式(2)可知，电解质溶液中产生的焦耳热流量随着溶液电导率的增加而增大，即更大的电导率意味着更大的电热流动效应，因此，在图中，混合效率一开始随着KCl溶液电导率的增加而逐渐增大，但在到0.15S/m时又有所下降。这是同样是因为在设定条件下产生了过于强烈的电热流动，形成的漩涡充满了整个微通道，减弱了样品的混合效果。
如图6所示，对于式(4)中的体积力，右边第一项为哥伦布力，而第二项为介电力。在一定的临界频率fc下，两种力的大小相等，当频率低于fc时，哥伦布力起主导左右，而当频率高于fc时，介电力起主导作用。临界频率fc可以计算为 由于由哥伦布力引起的速度比由介电力引起的速度要高几个数量级，因此，为了增强混合效果，应该尽量让所施加的交变电场频率在哥伦布力起主导作用的范围，也即小于临界频率的范围。在本发明中所设定的条件下，可以算出fc＝74.6M，所以采用了1M的频率进行计算，此时是哥伦布力起主导作用的。当外加交变电场的频率从0.01MHz到40MHz之间变化是，对一个长度L＝700μm和宽度W＝50μm的微通道，在分别存在2和16对电极，且相邻电极上施加的电势有效值分别为Vrms＝10V和Vrms＝-10V，KCl溶液电导率σ＝100mS·m-1的情况下，可以看到混合效率γ在f＜1M是几乎不变，而在f在1M和10M之间变化时，γ逐渐的减小，当f＞10M时，混合效率则急剧减小。而当频率为40M时，微通道中有2对电极和有16对电极的混合效率已经几乎没有区别。这是因为随着哥伦布随着交变电场频率的增大而减小，而频率大于10M时，哥伦布力已经变得非常小，而当频率大于40M时，哥伦布力已经基本上不能对流场产生干扰，从而此时电极的数量对混合效率也几乎没有影响。
要指出的是，在以上所有的模拟中，溶液的温度升高都小于20K，因此温度升高不是限制本发明方法使用的因素。
权利要求
1.一种微通道中利用电热流动增强混合效果的方法，其特征在于，在微通道的壁面上加工微电极对，且在相邻的微电极上施加相位差为180度的交变电势，非均匀电场强度在微通道中产生温度梯度，进而改变微通道中电解质溶液的电导率和介电常数，引起电热流动，电热流使微通道壁面电极附近区域产生漩涡，液流原本存在的层流流动被破坏，从而增强了两种流体的混合效果。
2.根据权利要求1所述的微通道中利用电热流动增强混合效果的方法，其特征是，包括如下步骤
步骤一，通过微加工的方法在微通道壁面上加工叉指型的微电极，相隔的微电极都连接在一个总引线上面，把总引线与函数发生器相连；
步骤二，在微通道中注入电解质溶液；
步骤三，在叉指型的电极对上分别施加+Vsin(ωt)以及-Vsin(ωt)的相位差为180度的交变电势后，非均匀的电场会引起电解质溶液的温度梯度，进而导致电导率和介电常数的变化，最终产生电热流动，在微电极附近的区域产生漩涡；
步骤四，需要被混合的样品溶液以相同的速度从两个不同的入口流入微通道后，经过电热流动而产生漩涡的区域时，在流场较强的扰动作用下，达到混合效果被增强的效果。
3.根据权利要求1或2所述的微通道中利用电热流动增强混合效果的方法，其特征是，所述微通道的长度为200-700μm，宽度为50μm。
4.根据权利要求2所述的微通道中利用电热流动增强混合效果的方法，其特征是，所述的微通道两边的侧壁上加工2-16个微电极对。
5.根据权利要求1或2或4所述的微通道中利用电热流动增强混合效果的方法，其特征是，所述微电极的大小均为10μm，一个电极对电极之间的间隙为10μm。
6.根据权利要求1或2所述的微通道中利用电热流动增强混合效果的方法，其特征是，所述电解质溶液为KCl溶液，其电导率范围为50-150mS·m-1。
7.根据权利要求1或2所述的微通道中利用电热流动增强混合效果的方法，其特征是，所述交变电势，其有效值大小为8-12V。
8.根据权利要求1或2所述的微通道中利用电热流动增强混合效果的方法，其特征是，所述交变电势，其频率在0.01-40MHz之间变化，混合效率会随着交变电场频率的增大而减小。
全文摘要
一种微电子技术领域的微通道中利用电热流动增强混合效果的方法，通过在微通道的壁面上加工微电极对，且在相邻的微电极上施加相位差为180度的交变电势，由于非均匀电场强度的存在，会在微通道中产生温度梯度，进而改变其中溶液的电导率和介电常数，从而引起溶液的电热流动，电热流的存在使微通道壁面电极附近区域产生漩涡，液流原本存在的层流流动被破坏，从而增强了两种流体的混合效果。本发明通过在微通道两个壁面上沉积微电极后，可以在700μm长的微通道中实现97.2％的混合效率，具有极好的混合效果。
文档编号G01N35/00GK101108322SQ20071003999
公开日2008年1月23日 申请日期2007年4月26日 优先权日2007年4月26日
发明者军 曹, 平 郑, 洪芳军 申请人:上海交通大学