專利名稱：一種微流控制結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微流控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，屬于微機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微流控制器件及系統(tǒng)是當(dāng)前微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域中的一個(gè)研究熱點(diǎn)，包括各 種類型的微流泵、微流閥、微流量計(jì)及生物芯片等，其在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、藥物 合成、微量藥物控釋、化學(xué)分析和集成電路冷卻等領(lǐng)域具有很大的潛在應(yīng)用前
學(xué)
微流控制器件設(shè)計(jì)的一項(xiàng)核心內(nèi)容是如何利用外界信號(hào)如電信號(hào)控制微 fi液體(微流體)的流動(dòng)方向、流動(dòng)速度等。目前微流控制主要利用機(jī)械閥控、 氣動(dòng)、毛細(xì)等手段。這些方法一方面需要機(jī)械控制，工藝制作難度大，成本高； 另一方面，如何對(duì)微流體的流速實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的準(zhǔn)確控制比較難，有的只能實(shí)現(xiàn) 二值選擇變化。因此微流控制器件研究迫切需要尋求一種加工工藝簡(jiǎn)單，電可 控性強(qiáng)的微流控制結(jié)構(gòu)。
而電潤(rùn)濕的應(yīng)用為微流控制器件的設(shè)計(jì)提供了新的技術(shù)方向。電潤(rùn)濕通常 是指通過對(duì)固體電極和液體間外加電壓而達(dá)到改變液體與固體間潤(rùn)濕性的現(xiàn) 象。電潤(rùn)濕現(xiàn)象的研究主要集中在兩個(gè)方向介質(zhì)上電潤(rùn)濕和電極上電潤(rùn)濕。 目前國(guó)外在基于介質(zhì)上電潤(rùn)濕的研究已取得相當(dāng)進(jìn)展，包括可變焦透鏡、電子 顯示、微流器件等。后者在仿生學(xué)、催化劑學(xué)、表面處理、納米顆粒組裝等方 面應(yīng)用前景廣泛。
電潤(rùn)濕的基本原理如圖3所示。在圖3所示的結(jié)構(gòu)下，當(dāng)改變液體與疏水 性固體介質(zhì)膜下面的電極之間的電勢(shì)，液體對(duì)介質(zhì)膜表面潤(rùn)濕性會(huì)發(fā)生改變。 初始狀態(tài)時(shí)，忽略重力的影響，液滴在固體表面的接觸角e。，則在施加一定的 電壓Z之后，液滴的接觸角-可以由楊氏李普曼方程表示
cos6>-cos^ (1)
2億G
其中f。^為介質(zhì)的電介質(zhì)常數(shù)，^e為液體和氣體之間的表面張力，d為電
3介質(zhì)的厚度。由此可見，潤(rùn)濕特性的改變力度隨著電壓的增加而增強(qiáng)，隨著介 質(zhì)厚度的增加而減小。電壓絕對(duì)值越大，潤(rùn)濕性就越強(qiáng)，對(duì)水來說就是越親水； 而介質(zhì)厚度越薄，潤(rùn)濕性就越強(qiáng)，對(duì)水來說就是越親水。
如果固體表面的潤(rùn)濕性在空間上不一致，那么液體就會(huì)表現(xiàn)為遠(yuǎn)離潤(rùn)濕性 弱一端、接近潤(rùn)濕性強(qiáng)一端的趨勢(shì)，如果這種不一致性足夠強(qiáng)，液體就會(huì)形成 流動(dòng)從疏水一方流向親水一方。這種流動(dòng)速度與與潤(rùn)濕性在空間的不一致性 的強(qiáng)度即空間梯度的大小是相關(guān)的。根據(jù)公式(1)，在相同的電壓差情況下， 這種潤(rùn)濕性的空間梯度可由控制介質(zhì)厚度的空間梯度來實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明涉及的這種微流控制結(jié)構(gòu)正是基于上述原理， 一方面實(shí)現(xiàn)了微流控 制的功能，另一方面減少了對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械控制的依賴，工藝實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本優(yōu)勢(shì) 明顯。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提出一種新型的微流控制結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)利用電 潤(rùn)濕的基本原理，通過控制介質(zhì)厚度的空間梯度，形成潤(rùn)濕性的空間梯度，從 而實(shí)現(xiàn)了微流體流動(dòng)方向和流動(dòng)速度的控制。這種微流控制結(jié)構(gòu)， 一方面實(shí)現(xiàn) 了電信號(hào)控制微流的功能，另一方面減少了對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械控制的依賴，工藝實(shí)現(xiàn) 簡(jiǎn)單，成本優(yōu)勢(shì)明顯。
技術(shù)方案本發(fā)明的一種微流控制結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電襯底上設(shè)有介質(zhì)層，在介質(zhì) 層上設(shè)有疏液層，在疏液層上的兩側(cè)設(shè)有兩側(cè)障壁，在兩側(cè)障壁上設(shè)有頂端障 壁；由疏液層、測(cè)量障壁、頂端障壁之間的空間構(gòu)成流動(dòng)腔體，微流體位于流 動(dòng)腔體中。介質(zhì)層的厚度沿著微流體的流動(dòng)方向逐漸遞減。當(dāng)微流體流過腔體 時(shí)，微流體通過兩側(cè)障壁或者頂端障壁作為電極施加電壓。
本發(fā)明涉及的微流控制結(jié)構(gòu)，主要由導(dǎo)電襯底、介質(zhì)層、疏液層、兩側(cè)障 壁和頂端障壁構(gòu)成液流腔體。實(shí)際應(yīng)用中，以兩側(cè)障壁或頂端障壁作為電極施 加電壓。當(dāng)微流體流過腔體時(shí)，微流體與障壁直接接觸。對(duì)于微流體是水的情 況，疏液層就對(duì)應(yīng)疏水層。由此電壓直接加在微流體上，得到如圖3所示的電 潤(rùn)濕基本單元。
由導(dǎo)電襯底、厚度空間漸變的介質(zhì)層、疏液層構(gòu)成流體腔體的基底。然后 在基底上方制備兩側(cè)障壁，形成槽形結(jié)構(gòu)；再制備一層頂端障壁構(gòu)成封閉的微流腔體。如圖l和圖2所示。
實(shí)際應(yīng)用中，以兩側(cè)障壁或頂端障壁作為電極施加電壓，兩側(cè)障壁或頂端 障壁兩者中至少有一者導(dǎo)電。由于介質(zhì)厚度存在空間梯度，根據(jù)電潤(rùn)濕的基本 規(guī)律，得到潤(rùn)濕性的空間梯度。如果電壓足夠高，潤(rùn)濕性的空間梯度足夠強(qiáng)， 液體就會(huì)形成流動(dòng)從潤(rùn)濕性強(qiáng)一方流向潤(rùn)濕性弱的一方。從而實(shí)現(xiàn)了電信號(hào) 對(duì)微流控制的功能。
有益效果該發(fā)明所涉及的微流控制結(jié)構(gòu)利用電潤(rùn)濕的基本原理，通過控 制介質(zhì)厚度，形成潤(rùn)濕性的空間梯度，從而實(shí)現(xiàn)了微流體流動(dòng)方向和流動(dòng)速度 的控制。這種微流控制結(jié)構(gòu)， 一方面實(shí)現(xiàn)了微流電信號(hào)控制的功能，另一方面 減少了對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械控制的依賴，工藝實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本優(yōu)勢(shì)明顯。


圖1是微流控制結(jié)構(gòu)示意圖。其中包括導(dǎo)電襯底1，介質(zhì)層2，疏液層3，
兩側(cè)障壁4，頂端障壁5，微流體6，流動(dòng)腔體7。 圖2是圖1結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。
圖3是電潤(rùn)濕現(xiàn)象的基本單元和基本原理示意圖。其中包括襯底8，下 電極9，介質(zhì)IO，疏水層ll，液滴12，上電極13。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的實(shí)施實(shí)例分別是如圖1和圖2所示，由導(dǎo)電襯底l、厚度空間
漸變的介質(zhì)層2、疏液層3構(gòu)成微流腔體的基底，然后在基底上方制備兩側(cè)障 壁，形成槽形結(jié)構(gòu)，再在兩側(cè)障壁4上制備一層頂端障壁5，由疏液層3、兩 側(cè)障壁4、頂端障壁5之間的空間構(gòu)成流動(dòng)腔體7，為封閉的微流腔體，微流 體6位于流動(dòng)腔體7中。介質(zhì)層2的厚度沿著微流體6的流動(dòng)方向逐漸遞減。 當(dāng)微流體6流過腔體7時(shí)，微流體6通過兩側(cè)障壁4或者頂端障壁5作為電極 施加電壓。
當(dāng)微流體流過腔體時(shí)，微流體與兩側(cè)障壁或者頂端障壁直接接觸。由此電 壓直接加在微流體上，得到電潤(rùn)濕基本功能單元。該結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位是，介質(zhì) 厚度存在空間梯度。根據(jù)電潤(rùn)濕的基本規(guī)律，但在襯底電極和導(dǎo)電障壁之間 施加電壓時(shí)，介質(zhì)厚度存在空間梯度就轉(zhuǎn)變?yōu)榈綕?rùn)濕性的空間梯度。當(dāng)電壓足夠高，潤(rùn)濕性的空間梯度足夠強(qiáng)時(shí)，液體就會(huì)形成流動(dòng)從潤(rùn)濕性弱一方流向 潤(rùn)濕性強(qiáng)的一方。從而實(shí)現(xiàn)了電信號(hào)對(duì)微流控制的功能。
由于潤(rùn)濕性的空間梯度不但與介質(zhì)厚度相關(guān)還有所加電壓大小相關(guān)，因此 這種微流控制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了微流電信號(hào)控制的功能。而且該發(fā)明所涉及的微流 控制結(jié)構(gòu)減少了對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械控制的依賴，工藝實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本優(yōu)勢(shì)明顯。
權(quán)利要求
1. 一種微流控制結(jié)構(gòu)，其特征是在該結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電襯底(1)上設(shè)有介質(zhì)層(2)，在介質(zhì)層(2)上設(shè)有疏液層(3)，在疏液層(3)上的兩側(cè)設(shè)有兩側(cè)障壁(4)，在兩側(cè)障壁(4)上設(shè)有頂端障壁(5)；由疏液層(3)、兩側(cè)障壁(4)、頂端障壁(5)之間的空間構(gòu)成流動(dòng)腔體(7)，微流體(6)位于流動(dòng)腔體(7)中。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流控制結(jié)構(gòu)，其特征是介質(zhì)層(2)的厚度沿著 微流體(6)的流動(dòng)方向逐漸遞減。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微流控制結(jié)構(gòu)，其特征是當(dāng)微流體(6)流過腔體 (7)時(shí)，微流體(6)通過兩側(cè)障壁(4)或者頂端障壁(5)作為電極施加電壓。
全文摘要
一種微流控制結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電襯底(1)上設(shè)有介質(zhì)層(2)，在介質(zhì)層(2)上設(shè)有疏液層(3)，在疏液層(3)上的兩側(cè)設(shè)有兩側(cè)障壁(4)，在兩側(cè)障壁(4)上設(shè)有頂端障壁(5)；由疏液層(3)、兩側(cè)障壁(4)、頂端障壁(5)之間的空間構(gòu)成流動(dòng)腔體(7)，微流體(6)位于流動(dòng)腔體(7)中。介質(zhì)層(2)的厚度沿著微流體(6)的流動(dòng)方向逐漸遞減。從而實(shí)現(xiàn)了微流體流向潤(rùn)濕性更強(qiáng)的一端。利用這種微流控制結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)電壓對(duì)微流體的控制，從事實(shí)現(xiàn)電可控的微渠或微泵功能。它具有很強(qiáng)的技術(shù)應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)B01L3/00GK101497017SQ20091002869
公開日2009年8月5日 申請(qǐng)日期2009年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月5日
發(fā)明者軍 夏, 張宇寧, 張曉兵, 李曉華, 威 雷 申請(qǐng)人:東南大學(xué)