交流电渗驱动机理及流速计算

　　0　引言

　　自20世纪80年代早期Smits提出用连续可控的微泵输送胰岛素来医治糖尿病病人以来,人们开展对微泵的研究已经有20多年的历史[1]。微泵在空间探索[2]、芯片冷却[3]、微流量输出[4]等方面有着非常广阔的应用前景,寻求一种安全、连续可控的微泵是研究者一直追求的目标。

　　传统的微泵分为两大类:机械式微泵和非机械式微泵。由于机械式微泵带有运动部件,使其存在加工工艺复杂、在运行过程中操作复杂、运动部件可靠性低、寿命短等缺点[5]。非机械式微泵以直流电渗流微泵为代表,近些年来引起了广大研究者的极大兴趣[6,7]。

　　直流电渗流微泵在操作上需要很高的电场强度,一般在微通道的两端需要输入几千伏的超高电压,这不可避免地会在电极上发生电解反应,在溶液中产生大量气泡并使溶液的pH值发生改变[8],使得实验过程不能连续。而且,直流电渗流微泵的电极很难与系统集成,不利于微流控系统的集成。上述缺点直接制约了直流电渗流微泵的推广与应用。

　　1998年,Ramos等[9]在研究电液动力学的过程中发现了一种不可能用介电泳理论来解释的电动现象:在电解质溶液中,当微粒直径很小时,输入信号电压低,但在微电极表面粒子能随着液体一起流动,这种现象不能用粒子极化理论即介电泳理论解释。在不断的理论与实验研究中,Ramos等提出了交流电渗理论,并成功解释了一些实验现象,从而展开了研究交流电渗理论的热潮。

　　在交流电渗理论中,由于其电极容易与微系统集成,输入信号电压低且是交变信号,极大地抑制了电解反应的发生,使得实验过程能够连续,操作安全,因此研究交流电渗流微泵具有重要的理论意义和应用价值。

　　1电极极化与交流电渗

　　交流电渗的形成机理类似于直流电渗,也依赖于电场作用于双电层的电荷,但在交流电渗中,由于电极极化强化了双电层,当电荷在电极和电解质溶液界面聚集时,就形成了一个电荷密度非均匀分布的电容。电势经过这个电容时,该电势从最大到零按指数递减。当电极上施加一稳定电势时,该电容将经过一个充电过程,这个过程称为电极极化[8]。在不考虑电极发生化学反应的情况下,电极极化使得施加的电势经过充电电容时被降低,即在溶液中的电势降仅仅是施加在电极上的电势的一小部分。

　　电极极化是理解交流电渗机理的一个重要过程,电极极化过程决定双电层外侧的电势(由切向电场产生)和通过双电层的电势(由表面电荷产生)。图1所示为一对称平行板电极,当在电极上施加±V0cosωt的电势时(V0=1V,ω为角频率,ω=2πf,f为输入信号频率),则在电解质溶液中形成一电场E,并在电极表面形成一致密的感应电荷层,与直流电渗相对应我们称其为Stern层,　　在其外侧位为Diffuse层,这两层就组成了交流电渗的双电层电容。