新型雙并聯電滲微泵的制備與測試*

沈丹丹，魏坦勇，譚秋林，3*，紀夏夏，方 明，房家驊，秦 麗

（1.中北大學電子測試技術重點實驗室，太原030051；2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051；3.清華大學精密測試技術及儀器國家重點學科實驗室，北京100084）

新型雙并聯電滲微泵的制備與測試*

沈丹丹1，2，魏坦勇1，2，譚秋林1，2，3*，紀夏夏1，2，方 明1，2，房家驊1，2，秦 麗1，2

（1.中北大學電子測試技術重點實驗室，太原030051；2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051；3.清華大學精密測試技術及儀器國家重點學科實驗室，北京100084）

設計了一個雙并聯電滲驅動泵，它由三條并聯的主通道和叉指型電極兩部分組成，其中每條主通道由若干個與電滲流形成方向成45°角的溝槽并聯構成。通過選用ITO載玻片作為芯片基底并獲得其最佳工藝參數，制作了帶電極的PDMS-玻璃微流控芯片。最后對制作的電滲微泵進行測試，通過記錄一段時間內單個主通道泵輸送液體的體積，得出單個主通道的流速與微泵總流速。實驗發現在5 V內，微泵泵送液體的能力隨著電壓的增加而增大，微泵流速可以達到正常人體眼球房水生成速度，該結構在未來房水引流器件制作方面具有潛在的應用價值。

電滲驅動泵；主通道；叉指電極；PDMS

微泵是微流控系統的重要組成部分，隨著微全分析系統（μ-TAS）的發展，微泵的應用變得越來越廣泛［1］。微泵被分為機械微泵和無機械微泵，機械微泵包括薄膜式、擴散式和旋轉式等；無機械微泵包括氣泡式、水電式、電泳式、電滲式和超聲式等。其中電滲泵由于其性能優勢被廣泛應用于微全分析系統（μ-TAS）中［2-3］。

微泵由于其價格低廉、高效性、通用性，被廣泛應用在微流控芯片裝置中［4］，尤其是基于電滲流的微泵的使用變得越來越廣泛。與其他微型泵相比，電滲泵不具有可移動部件；便于攜帶和保養；在制作過程中容易與其他微流控電路進行集成；電滲流流體輪廓呈活塞形狀，而非拋物線形狀，減少了液體的縱向擴散；對于驅動管徑極小的微通道（小于2 μm）仍同驅動大直徑的微通道效果一樣好［5］。

電滲泵形成電滲驅動流受很多因素的制約，如：驅動電壓、通道材料和流體性能等［6］。文章設計了一個高流速的的電滲泵，它由通道（三條主通道并聯組成，而每條通道由若干個與形成電滲流方向成45°角的溝槽構成）和電極（叉指電極）兩部分組成，通過MEMS工藝進行了加工，最后實現了兩部分的鍵合。最后搭建測試平臺對微泵流速進行了測試。

1 雙并聯電滲泵的結構設計與工藝制作

1.1 電滲泵的原理

圖1為電滲驅動原理，常用做微通道的硅、玻璃和高分子聚合物等固體材料和電解液接觸時，表面發生水解，在微通道壁面上會產生帶負電的硅烷醇表面極團，壁面電荷通過吸引溶液中帶正電的離子聚集在微通道壁面上，排斥溶液中帶負電的離子。導致固液界面附近溶液正負離子數量之差，形成雙電層（緊密層和擴散層）［7］。在微通道兩端外加垂直電場，電荷就會在電場作用下做定向遷移，由于液體具有拖拉效應，會帶動周圍液體做定向移動，形成電滲流。

圖1 電滲驅動原理圖

1.2 雙并聯電滲泵的結構設計

傳統電滲泵結構中，通常用并聯窄通道的方法來提高流速［8］。此結構在并聯窄通道的同時，在每條通道上并聯若干個溝槽，溝槽與x軸方向成45°角。如圖2所示，hc為通道的高，wc為通道的寬，流體通過通道時在y軸方向形成了一個橫向流，由于溝槽的存在，流體會向x軸和z軸方向擴散，y軸的橫向流與x軸和z軸所形成的液流成比例，所以通過通道的流體成螺旋形狀，使流體流動更為靈活，加快了流體速度。如圖3所示為電滲泵整體結構設計示意圖，通過并聯3條通道的方法來提高流速。

圖2 主通道腔體結構

圖3 雙并聯電滲泵結構示意圖

取矩形微通道內某一微元截面（不計溝槽），其截面積為：dA1=dx dz；故矩形微通道微元截面內流量的計算公式為：dq1=u（x）dA1；所以整個矩形微通道內流量Q1為［9］

其中u（x）為

積分得：

式中，ε、ε0分別為流體與真空介電常數；ζ為zata電勢；T為絕對溫度；η為粘度系數；Ex為外加電場強度；dp/dy是沿著y軸（液體流動方向）的壓力梯度；

式中

f（h′）可以看做是一個修正系數，取值范圍為0到1。

取若干溝槽中某一微元截面，其截面積為：dA2= dx dz；故單個溝槽微元截面內流量的計算公式為：dq1=u（x）dA2；所以單個溝槽微通道內流量Q2積分為：

所以單個微泵的總流量為：

式中，n為溝槽的個數，θ=45°。由式（3）和式（6）可以看出，微泵流量隨著驅動電壓的增加而增大。

當單通道電滲泵在無外加負載的條件下運行，即背壓dp1/dy=dp2/dy=0時，由式（3）、式（6）可得：

所以，單個通道的最大流量為：

當電滲泵輸出流量Q=0時，即Q1=Q2=0，由式（3）、式（6）可推導出微泵單個矩形微通道和單個溝槽的最大背壓為：

單個通道的最大背壓為：

式中，V為外加驅動電壓，Ey=V/lc、Ex=V/lg，微泵最大背壓隨著驅動電壓的增加而增大。

把式（10）、式（13）代入式（7）得，背壓與流量Q之間的線性關系為：

若泵送液體為去離子水，ε=80 F/m，ε0=8.9×10-12F/m；ζ=0.1 V；η=1×10-3Pa·s；θ=45°；f（h′）=f（h0）=1，把3 V、5 V、7 V、9 V、11 V、13 V、15 V分別代入等式（10），并進行單位轉化得到微泵單個通道最大流速分別為 4.16 μL/min、5.69 μL/min、8.40 μL/min、 11.56 μL/min、15.71 μL/min、22.85 μL/min、32.07 μL/min，則在不同電壓下，整個微泵的最大流速分別為單個通道最大流速的3倍（理論值如圖9所示）。

1.3 雙并聯電滲泵的加工

聚二甲基硅氧烷（PDMS）具有良好的機械靈活性，生物兼容性和光學透明性，在微流芯片中的應用受到極大關注［10-11］。2008年，Kim使用光刻技術在陽模具上進行圖形化，之后通過PDMS倒膜技術實現了PDMS微器件的加工［12］。

微泵電極采用玻璃為基底，ITO為電極材料，ITO導電玻璃是在鈉鈣基或硅硼基基片玻璃的基礎上，利用磁控濺射的方法鍍上一層氧化銦錫（ITO）膜加工制成。氧化銦錫是電學傳導和光學透明的，可用于抗靜電鍍膜，滿足實驗對電極材料的要求。

微流控芯片腔體和電極的制作工藝流程如圖4所示。PDMS微流腔體的加工過程為：將清洗（依次用丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗各10 min）、氮氣吹干后的硅片用勻膠機旋涂150 μm的SU-8膠；經前烘、曝光（掩膜版a）、后烘后制成的反模如圖4（a）所示；在反模表面再次旋涂30μm的SU-8膠，經前烘、曝光（掩膜版b，且與第一次光刻結構十字對準）、后烘、顯影后制成的陽模具如圖4（c）所示；用道康寧SYLGARD 184硅橡膠雙組分（預聚物與固化劑按10∶1重量比）混合，靜止抽真空30 min后，進行倒模如圖4（d）所示，95℃固化2 h并剝離硅片后得到微流腔體。

圖4 微泵整體工藝流程圖

將基底（ITO玻璃）依次用丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗各10 min，用氮氣吹干后在基底表面用勻膠機旋涂RZI-304正性光刻膠得到圖4（f），經前烘、曝光、顯影、后烘、腐蝕（體積比H2O∶稀HCl∶稀H3NO3=50∶50∶3，55℃水浴60 s）、剝離后制得帶電極基底如圖4（h）所示。最后將帶電極的基底與制得的PDMS腔放入等離子鍵合機，在氧環境下處理3 min～5 min后鍵合制得圖4（i）所示腔體微流控芯片。實物圖如圖5所示。

圖5 微泵實物圖

在電滲泵腔體制作過程中，雙層結構應兩次光刻后共同顯影，顯影時間不當會導致顯影過渡和顯影不完全現象，圖6為顯影后陽模具上雙層結構在顯微鏡下的圖形，可以看出雙層結構完好，無破損和光刻膠殘留現象；經多次實驗得出，此雙層結構顯影完全的時間為8 min，更換顯影液后2 min。

加工制得微泵的具體尺寸參數如表1所示，經加工制得雙并聯電滲泵的整體尺寸約為15 mm×10 mm×4 mm。

圖6 倒模前的主通道

表1 微泵的尺寸參數

2 實驗測試及分析

本實驗主要驗證在不同電壓下電滲泵泵送液體的能力。如圖7為搭建的實驗測試平臺，主要包括：微泵、GPS-2303C直流電壓源、燒杯、量筒、注射器、計時器、普通水等。

利用GPS-2303C電壓源為微泵提供3 V直流電壓，每個注射器分別取5 mL的水，同時注入微泵的3個入口，計時200 min后，使微泵停止工作，量取每個燒杯中水的體積。改變驅動電壓值使其分別為5 V、7 V、9 V、11 V、13 V、15 V，記錄燒杯中水的體積，分別計算不同驅動電壓下單個主通道的流速和該微泵的總流速。

圖7 電滲微泵泵送液體測試平臺

如圖8所示為在不同電壓下，每個主通道泵送液體的流速值柱狀圖，每個電壓下三個微泵流速值之和為微泵總流速，使用Origin將數據進行擬合，圖9表示在不同電壓下微泵總流速的測量值與理論值。

圖8 單個主通道流速柱狀圖

圖9 微泵在不同電壓下的總流速圖

通過實驗可以得出：單個主通道之間的泵送液體的能力區別不大；隨著驅動電壓的增加，單個主通道的流速不斷增大；三個主通道并聯后組成的泵體的流速相當于單個主通道流速的3倍，且隨電壓的增加而不斷增大，與理論分析相符；微泵總流速與驅動電壓之間是非線性函數關系；在不同電壓下，總流速的測量值與理論值變化趨勢相同，且理論值大于測量值，這是由于流速理論值是在無負載，且ζ、f（h′）、f（h0）皆取最大值下計算得來的。與傳統的先并聯窄通道后串聯的開通道電滲泵相比，泵送液體能力增強，流體流動更為靈活。若要微泵得到高的流速，可以通過并聯多個帶溝槽的單個微泵與增大驅動電壓的方法來提高流速。

正常人體眼球中房水生成的速度為2 μL/min［13］，為保持眼球內液體動態平衡和維持眼壓，生成的房水需排出到房水靜脈，在人體可承受最大電壓5 V內，該微泵的流速可以滿足房水引流裝置對流速需要，可對未來房水引流器件的實際應用方面產生指導性意義。

3 結論

電滲泵作為微流控系統的重要組成部分，其不具有可移動部件，便于攜帶和保養，并容易與其他微流控電路集成的優點。本文設計了一個雙并聯電滲驅動泵，它由三條主通道和電極兩部分組成；利用MEMS工藝分別對其進行了加工，實現了腔體與電極的鍵合；制作了帶電極的PDMS—玻璃微流控芯片。最后建立實驗測試平臺，得出該微泵泵送液體的能力隨著驅動電壓的增加而增大，與理論分析相符，且在直流電壓小于5 V時，微泵的總流速可以達到十幾μL/min，證實該結構的微泵工作性能良好，可以用于眼內房水引流裝置。

［1］Chujo H，Matsumoto K，Shimoyama I.A High Flow Rate Electro-Osmotic Pump with Small Channels in Parallel［C］//Micro Electro Mechanical Systems，2003.MEMS-03 Kyoto.IEEE The Sixteenth Annual International Conference on.IEEE，2003：351-354.

［2］Jahanshahi A，Axisa F，Vanfleteren J.Fabrication of a Biocompatible Flexible Electroosmosis Micropump［J］.Microfluidics and Nanofluidics，2012，12（5）：771-777.

［3］Jahanshahi A，Axisa F，Vanfleteren J.Fabrication of an Implantable Stretchable Electro-Osmosis Pump［C］//SPIE MOEMSMEMS.International Society for Optics and Photonics，2011：79290R-79290R-8.

［4］劉婷婷，高揚，李磊民，等.電滲驅動微泵設計初探［J］.傳感技術學報，2008，21（2）：219-221.

［5］Fadl A，Demming S，Zhang Z，et al.A Multifunction and Bidirectional Valveless Rectification Micropump Based on Bifurcation Geometry［J］.Microfluidics and Nanofluidics，2010，9（2-3）：267-280.

［6］Chung A J，Kim D，Erickson D.Electrokinetic Microfluidic Devices for Rapid，Low Power Drug Delivery in Autonomous Microsystems［J］.Lab on a Chip，2008，8（2）：330-338.

［7］紀夏夏，沈丹丹，譚秋林，等.電滲微泵的生理溶液滲透特性研究［J］.傳感技術學報，2014，27（11）：1451-1456.

［8］Brask A，Goranovi G，Bruus H.Theoretical Analysis of the Low-Voltage Cascade Electro-Osmotic Pump［J］.Sensors and Actuators B：Chemical，2003，92（1）：127-132.

［9］白竹川.串聯開通道直流電滲泵的設計［D］.西南科技大學，2007.

［10］Jeong O C，Park S W，Yang S S，et al.Fabrication of a Peristaltic PDMS Micropump［J］.Sensors and Actuators A：Physical，2005，123：453-458.

［11］Kim J H，Na K H，Kang C J，et al.A Disposable Thermopneumatic-Actuated Micropump Stacked with PDMS Layers and ITO-Coated Glass［J］.Sensors and Actuators A：Physical，2005，120（2）：365-369.

［12］Kim P，Kwon K W，Park M C，et al.Soft Lithography for Microfluidics：A Review［J］.2008，2（1）∶1-11.

［13］孟娜，任百超.青光眼房水引流裝置的研究進展［J］.International Journal of Ophthalmology，2005，5（4）：715-718.

沈丹丹（1990-），女，黑龍江嫩江人，中北大學儀器與電子學院，碩士研究生，研究方向為微流控芯片，sdd19900313@ 163.com；

譚秋林（1979-），男，湖南衡南人，博士，教授，博士生導師，中北大學學術帶頭人，中國微米納米技術學會高級會員，國際重要學術期刊Sensors and Actuators B、Optics Communications、Sensors的通訊審稿人。研究方向為光學氣體傳感器及檢測技術、無線無源微納傳感器及微系統集成技術、無線傳感器網絡及射頻技術、數據采集及存儲技術，tanqiulin@nuc.edu.cn。

Fabrication and Testing of New Double Parallel Electroosmotic Micropump*

SHEN Dandan1，2，WEI Tanyong1，2，TAN Qiulin1，2，3*，JI Xiaxia1，2，FANG Ming1，2，FANG Jiahua1，2，QIN Li1，2
（1.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，Chin a；3.State Key Laboratory of Transducer Technology，Department of Precision Instruments and Mechanology，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

This paper designed a double parallel electroosmotic driven pump which consisted of three parallel main channels and interdigital electrodes.Each channel is formed by a number of parallel grooves which have a 45°angle with the direction of forming electroosmotic fluid.By selecting ITO glass slide as substrate and getting its optimum parameters，the PDMS-glass microfluidic chip containing electrodes was made.Finally，the EOP was tested，by recording the volume of single main channel pumping liquid in a period of time，the flow rate of single main channel and the total micro-pump were obtained.It was found in experiment that within 5 V，the ability of EOP pumping liquid increased with the increase of voltage，and the micro-pump flow rate could reach aqueous humor production rate of normal human eyes.In future，the structure will show potential in applications for aqueous drainage device.

electroosmotic driven pump；main channel；interdigital electrodes；PDMS

TP212

A

1004-1699（2015）08-1131-05

??2307

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.08.006

項目來源：中國博士后第54批面上項目（2013M540089）；山西省自然科學基金項目（2014011021-5）

2015-03-27 修改日期：2015-05-26