交流电渗驱动机理及流速计算

在阐述电极极化机制的基础上说明了交流电渗流的形成过程;通过建立非对称电极等效电路和理论模型,获得了交流电渗流微泵的流速的计算公式;通过分析,解释了对称电极虽然能产生局部电渗流但不能形成流速的现象。研究结果为进一步分析和研究交流电渗流微泵提供了理论基础。

交流电渗微泵理论模型与数值仿真

通过交流电渗流的产生机制及对非对称电极交流电渗微泵驱动原理的分析,建立了交流电渗微泵的物理模型和数学模型.根据微通道内电势分布满足Laplace方程,确定了交流电渗微泵微通道内电势及电场分布.并且利用设定的微通道内流场的边界条件,对Navier-Storks方程进行了数值仿真计算,获得了微通道内电渗流流场,分析表明其仿真计算与实验结果具有较好的一致性.从而验证了交流电渗微泵理论模型的正确性,为进一步研究和分析非对称电极交流电渗微泵提供了理论工具和仿真手段.

交流电渗微泵流速影响因素的研究

影响交流电渗微泵流速的因素很多,如电极参数、驱动信号参数、溶液的导电率等。通过分析非对称电极交流电渗驱动理论,揭示了交流电渗微泵非对称电极表面流速的计算方法。在分析电极表面流速计算方法的基础上,探讨了以上参数对交流电渗微泵流速的影响规律,这对设计非对称电极交流电渗微泵、驱动信号参数的选择及溶液性质的影响具有指导意义。

交流电渗粒子收集的研究

针对低浓度微纳粒子快速准确收集这一MEMS领域瓶颈问题展开了相关研究.实验研究发现,在对称电极芯片上施加低压低频交流电信号,样品中的微纳粒子收集到电极表面固定区域.以交流电场机制为基础,建立了交流电渗对称电极的二维模型及等效电路,推导了交流电渗作用下的微流体流动速度公式,对比研究了介电泳、重力以及浮力作用下微纳粒子的运动速度.通过数值仿真计算,分析了交流电渗作用下微纳粒子在对称电极上的收集位置,研究了介电泳力对于微纳粒子收集的影响,并对仿真与实验进行了对比分析.研究表明,在交流电场机制中低压低频条件下,交流电渗起主导作用,能够快速准确地进行微纳粒子收集.

微通道交流电渗粒子收集位置的确定

为了研究在交变电场作用下,样品中的微观粒子被收集到电极表面固定区域的作用机理,通过聚苯乙烯粒子在微通道内的收集实验,得到了粒子及流体的运动规律;基于交流电场作用机理,对电极表面的电势、通道内的电压、电场分布及流体在通道内的流动过程进行了计算,并用仿真分析进行验证。计算及仿真结果表明,粒子在微电极上的收集位置与实验结果十分吻合,即粒子收集的位置为电极上的固定位置。研究结果为交流电渗粒子收集微通道的设计及相关的粒子收集检测提供了理论与实验基础。

叉指型微电极交流电渗泵的阻抗谱分析

阻抗谱的研究对于优化交流电渗泵的结构具有重要意义。通过分析交流电渗泵的结构和工作原理,指出双电层的电容特性和电解质溶液的电阻特性,建立了用来研究交流电渗泵阻抗谱的RC等效电路。在最佳电极结构参数设置下,得到了不同频率下的阻抗谱,分析了电极周期长度以及通道高度改变对交流电渗泵阻抗模以及幅角的影响,并对电解质溶液浓度对阻抗谱的影响做了估计。结果表明,工作频率的增加总体上会造成阻抗模的增大和阻抗角的减小,而同一频率下不同因素对阻抗谱的影响又有所不同。该结论对交流电渗泵的设计和功耗研究有一定的理论指导意义。

基于三电层模型的交流电渗流速分析

微通道内交流电渗微泵的流速与电极表面双电层的结构与电荷分布密切相关,根据传统双电层理论和交流电渗速度公式可以预测交流电渗流速分布和速度峰值处的转折频率。试验发现,由此得出的交流电渗流速峰值比试验值大数倍。考虑紧密层和中间层厚度对交流电渗流的影响,提出三电层模型,给出三电层等效厚度和等效相对介电常数的求解方法,对传统的交流电渗速度公式进行修正,得出修正后的时间平均流速、位置平均流速和转折频率表达式。以宽度和间距均为20?m的平行电极阵列为试验对象,对其施加相位差90°的四相行波电场,用电荷耦合元件(Charge-coupled device,CCD)记录流场中荧光粒子的轨迹并用micro-PIV方法计算流场速度。设置不同的电层厚度参数对试验进行仿真。结果表明,紧密层厚度为几个溶剂分子大小(0.5 nm),而且中间层厚度为电极表面微观起伏高度(5 nm)时,仿真和试验结果非常接近,这表明三电层模型和修正后流速公式的有效性。

非对称电极表面微观形貌对交流电渗流速的影响

经典交流电渗理论是利用电场进行非机械式微流体驱动的基础.传统理论交流电渗理论以双电层理论为基础,通过耦合电场方程以及流场方程得到微电极表面交流电渗流速表达式,通常与实验流速相差较大.以电极表面微观形貌对交流电渗流速的影响为研究目标,定义微电极表面粗糙度为微观形貌特征参数,建立了等效双电层模型,并对传统交流电渗流速公式进行了修正.理论并仿真分析了表面粗糙度对于交流电渗流速的影响,利用非对称电极对交流电渗微流体驱动进行了实验研究,并进行对比分析.结果表明,理论分析与实验结果具有较好的一致性.

交流电场作用下微电极表面电渗流流速的计算

为解决微流体在交流电场作用下电极表面电渗流的流速计算方法,在电极极化产生双电层的基础上,建立了交流电渗等效电路模型,通过对双电层容抗和溶液电阻的计算,得出了微电极表面交流电渗流流速的计算公式,并对各点交流电渗流速与频率的关系进行了分析.结果表明,电极参数为宽80μm,长2 mm,电极间距20μm的对称电极交流电渗,在电极表面上的各点电渗流流速与输入信号频率对数呈正态分布状态.研究结果为交流电渗驱动微流体提供了理论参考依据.

交流电沉积实现微纳器件定向连接研究

使用交流电化学方法定向制备了预制微电极之间的电连接。通过调节交流电压与偏置直流电压幅值可以控制电连接的生长方向。如果施加的交流电压幅值高于生成电连接的电压阈值,并且该值恒定时,频率越小,浓度越大,电连接晶体越粗壮;而当电解液浓度与频率恒定时,电压幅值变化对形貌影响较小。有限元仿真模拟进一步说明:当施加的交流电压高于阈值时,电极处于交流电渗流上游。电极扩散层厚度增加将诱导电极之间电连接晶体的生长。在交流电压上叠加直流偏置电压时,电连接晶体从偏置电压相对较负的一端向另一端生长。伏安特性测试结果表明:该连接具有优异的接触特性。

表面镀金微球电动旋转操控

表面为良导体微球的电动旋转研究是一项对无标记生物传感器开发等领域具有重要意义的新技术,未见相关报道.采用化学镀金方法,分别在直径为15和25μm的聚苯乙烯微球表面包裹一层厚度约50 nm的金膜,并将此表面镀金微球作为研究对象,进行电动旋转实验研究.实验结果表明,低频段(100 Hz^100 kHz)表面镀金聚苯乙烯微球作与电场反向的电动旋转运动,且相同条件下,对应最大旋转速度高于表面未修饰聚苯乙烯微球.以行波交流电渗及诱导电渗理论为基础,对表面镀金聚苯乙烯微球的电动旋转现象进行定性分析,并通过纳米荧光粒子实验表征镀金微球周围的流体流动现象,验证了定性分析的合理性.推导了行波交流电渗导致的表面镀金聚苯乙烯微球的电动旋转速度公式,并与实验结果进行对比分析,二者具有较好的一致性.