新型双并联电渗微泵的制备与测试*

沈丹丹，魏坦勇，谭秋林，3*，纪夏夏，方 明，房家骅，秦 丽

（1.中北大学电子测试技术重点实验室，太原030051；2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051；3.清华大学精密测试技术及仪器国家重点学科实验室，北京100084）

新型双并联电渗微泵的制备与测试*

沈丹丹1，2，魏坦勇1，2，谭秋林1，2，3*，纪夏夏1，2，方 明1，2，房家骅1，2，秦 丽1，2

（1.中北大学电子测试技术重点实验室，太原030051；2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051；3.清华大学精密测试技术及仪器国家重点学科实验室，北京100084）

设计了一个双并联电渗驱动泵，它由三条并联的主通道和叉指型电极两部分组成，其中每条主通道由若干个与电渗流形成方向成45°角的沟槽并联构成。通过选用ITO载玻片作为芯片基底并获得其最佳工艺参数，制作了带电极的PDMS-玻璃微流控芯片。最后对制作的电渗微泵进行测试，通过记录一段时间内单个主通道泵输送液体的体积，得出单个主通道的流速与微泵总流速。实验发现在5 V内，微泵泵送液体的能力随着电压的增加而增大，微泵流速可以达到正常人体眼球房水生成速度，该结构在未来房水引流器件制作方面具有潜在的应用价值。

电渗驱动泵；主通道；叉指电极；PDMS

微泵是微流控系统的重要组成部分，随着微全分析系统（μ-TAS）的发展，微泵的应用变得越来越广泛［1］。微泵被分为机械微泵和无机械微泵，机械微泵包括薄膜式、扩散式和旋转式等；无机械微泵包括气泡式、水电式、电泳式、电渗式和超声式等。其中电渗泵由于其性能优势被广泛应用于微全分析系统（μ-TAS）中［2-3］。

微泵由于其价格低廉、高效性、通用性，被广泛应用在微流控芯片装置中［4］，尤其是基于电渗流的微泵的使用变得越来越广泛。与其他微型泵相比，电渗泵不具有可移动部件；便于携带和保养；在制作过程中容易与其他微流控电路进行集成；电渗流流体轮廓呈活塞形状，而非抛物线形状，减少了液体的纵向扩散；对于驱动管径极小的微通道（小于2 μm）仍同驱动大直径的微通道效果一样好［5］。

电渗泵形成电渗驱动流受很多因素的制约，如：驱动电压、通道材料和流体性能等［6］。文章设计了一个高流速的的电渗泵，它由通道（三条主通道并联组成，而每条通道由若干个与形成电渗流方向成45°角的沟槽构成）和电极（叉指电极）两部分组成，通过MEMS工艺进行了加工，最后实现了两部分的键合。最后搭建测试平台对微泵流速进行了测试。

1 双并联电渗泵的结构设计与工艺制作

1.1 电渗泵的原理

图1为电渗驱动原理，常用做微通道的硅、玻璃和高分子聚合物等固体材料和电解液接触时，表面发生水解，在微通道壁面上会产生带负电的硅烷醇表面极团，壁面电荷通过吸引溶液中带正电的离子聚集在微通道壁面上，排斥溶液中带负电的离子。导致固液界面附近溶液正负离子数量之差，形成双电层（紧密层和扩散层）［7］。在微通道两端外加垂直电场，电荷就会在电场作用下做定向迁移，由于液体具有拖拉效应，会带动周围液体做定向移动，形成电渗流。

图1 电渗驱动原理图

1.2 双并联电渗泵的结构设计

传统电渗泵结构中，通常用并联窄通道的方法来提高流速［8］。此结构在并联窄通道的同时，在每条通道上并联若干个沟槽，沟槽与x轴方向成45°角。如图2所示，hc为通道的高，wc为通道的宽，流体通过通道时在y轴方向形成了一个横向流，由于沟槽的存在，流体会向x轴和z轴方向扩散，y轴的横向流与x轴和z轴所形成的液流成比例，所以通过通道的流体成螺旋形状，使流体流动更为灵活，加快了流体速度。如图3所示为电渗泵整体结构设计示意图，通过并联3条通道的方法来提高流速。

图2 主通道腔体结构

图3 双并联电渗泵结构示意图

取矩形微通道内某一微元截面（不计沟槽），其截面积为：dA1=dx dz；故矩形微通道微元截面内流量的计算公式为：dq1=u（x）dA1；所以整个矩形微通道内流量Q1为［9］

其中u（x）为

积分得：

式中，ε、ε0分别为流体与真空介电常数；ζ为zata电势；T为绝对温度；η为粘度系数；Ex为外加电场强度；dp/dy是沿着y轴（液体流动方向）的压力梯度；

式中

f（h′）可以看做是一个修正系数，取值范围为0到1。

取若干沟槽中某一微元截面，其截面积为：dA2= dx dz；故单个沟槽微元截面内流量的计算公式为：dq1=u（x）dA2；所以单个沟槽微通道内流量Q2积分为：

所以单个微泵的总流量为：

式中，n为沟槽的个数，θ=45°。由式（3）和式（6）可以看出，微泵流量随着驱动电压的增加而增大。

当单通道电渗泵在无外加负载的条件下运行，即背压dp1/dy=dp2/dy=0时，由式（3）、式（6）可得：

所以，单个通道的最大流量为：

当电渗泵输出流量Q=0时，即Q1=Q2=0，由式（3）、式（6）可推导出微泵单个矩形微通道和单个沟槽的最大背压为：

单个通道的最大背压为：

式中，V为外加驱动电压，Ey=V/lc、Ex=V/lg，微泵最大背压随着驱动电压的增加而增大。

把式（10）、式（13）代入式（7）得，背压与流量Q之间的线性关系为：

若泵送液体为去离子水，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分别代入等式（10），并进行单位转化得到微泵单个通道最大流速分别为 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，则在不同电压下，整个微泵的最大流速分别为单个通道最大流速的3倍（理论值如图9所示）。

1.3 双并联电渗泵的加工

聚二甲基硅氧烷（PDMS）具有良好的机械灵活性，生物兼容性和光学透明性，在微流芯片中的应用受到极大关注［10-11］。2008年，Kim使用光刻技术在阳模具上进行图形化，之后通过PDMS倒膜技术实现了PDMS微器件的加工［12］。

微泵电极采用玻璃为基底，ITO为电极材料，ITO导电玻璃是在钠钙基或硅硼基基片玻璃的基础上，利用磁控溅射的方法镀上一层氧化铟锡（ITO）膜加工制成。氧化铟锡是电学传导和光学透明的，可用于抗静电镀膜，满足实验对电极材料的要求。

微流控芯片腔体和电极的制作工艺流程如图4所示。PDMS微流腔体的加工过程为：将清洗（依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗各10 min）、氮气吹干后的硅片用匀胶机旋涂150 μm的SU-8胶；经前烘、曝光（掩膜版a）、后烘后制成的反模如图4（a）所示；在反模表面再次旋涂30μm的SU-8胶，经前烘、曝光（掩膜版b，且与第一次光刻结构十字对准）、后烘、显影后制成的阳模具如图4（c）所示；用道康宁SYLGARD 184硅橡胶双组分（预聚物与固化剂按10∶1重量比）混合，静止抽真空30 min后，进行倒模如图4（d）所示，95℃固化2 h并剥离硅片后得到微流腔体。

图4 微泵整体工艺流程图

将基底（ITO玻璃）依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗各10 min，用氮气吹干后在基底表面用匀胶机旋涂RZI-304正性光刻胶得到图4（f），经前烘、曝光、显影、后烘、腐蚀（体积比H2O∶稀HCl∶稀H3NO3=50∶50∶3，55℃水浴60 s）、剥离后制得带电极基底如图4（h）所示。最后将带电极的基底与制得的PDMS腔放入等离子键合机，在氧环境下处理3 min～5 min后键合制得图4（i）所示腔体微流控芯片。实物图如图5所示。

图5 微泵实物图

在电渗泵腔体制作过程中，双层结构应两次光刻后共同显影，显影时间不当会导致显影过渡和显影不完全现象，图6为显影后阳模具上双层结构在显微镜下的图形，可以看出双层结构完好，无破损和光刻胶残留现象；经多次实验得出，此双层结构显影完全的时间为8 min，更换显影液后2 min。

加工制得微泵的具体尺寸参数如表1所示，经加工制得双并联电渗泵的整体尺寸约为15 mm×10 mm×4 mm。

图6 倒模前的主通道

表1 微泵的尺寸参数

2 实验测试及分析

本实验主要验证在不同电压下电渗泵泵送液体的能力。如图7为搭建的实验测试平台，主要包括：微泵、GPS-2303C直流电压源、烧杯、量筒、注射器、计时器、普通水等。

利用GPS-2303C电压源为微泵提供3 V直流电压，每个注射器分别取5 mL的水，同时注入微泵的3个入口，计时200 min后，使微泵停止工作，量取每个烧杯中水的体积。改变驱动电压值使其分别为5 V、7 V、9 V、11 V、13 V、15 V，记录烧杯中水的体积，分别计算不同驱动电压下单个主通道的流速和该微泵的总流速。

图7 电渗微泵泵送液体测试平台

如图8所示为在不同电压下，每个主通道泵送液体的流速值柱状图，每个电压下三个微泵流速值之和为微泵总流速，使用Origin将数据进行拟合，图9表示在不同电压下微泵总流速的测量值与理论值。

图8 单个主通道流速柱状图

图9 微泵在不同电压下的总流速图

通过实验可以得出：单个主通道之间的泵送液体的能力区别不大；随着驱动电压的增加，单个主通道的流速不断增大；三个主通道并联后组成的泵体的流速相当于单个主通道流速的3倍，且随电压的增加而不断增大，与理论分析相符；微泵总流速与驱动电压之间是非线性函数关系；在不同电压下，总流速的测量值与理论值变化趋势相同，且理论值大于测量值，这是由于流速理论值是在无负载，且ζ、f（h′）、f（h0）皆取最大值下计算得来的。与传统的先并联窄通道后串联的开通道电渗泵相比，泵送液体能力增强，流体流动更为灵活。若要微泵得到高的流速，可以通过并联多个带沟槽的单个微泵与增大驱动电压的方法来提高流速。

正常人体眼球中房水生成的速度为2 μL/min［13］，为保持眼球内液体动态平衡和维持眼压，生成的房水需排出到房水静脉，在人体可承受最大电压5 V内，该微泵的流速可以满足房水引流装置对流速需要，可对未来房水引流器件的实际应用方面产生指导性意义。

3 结论

电渗泵作为微流控系统的重要组成部分，其不具有可移动部件，便于携带和保养，并容易与其他微流控电路集成的优点。本文设计了一个双并联电渗驱动泵，它由三条主通道和电极两部分组成；利用MEMS工艺分别对其进行了加工，实现了腔体与电极的键合；制作了带电极的PDMS—玻璃微流控芯片。最后建立实验测试平台，得出该微泵泵送液体的能力随着驱动电压的增加而增大，与理论分析相符，且在直流电压小于5 V时，微泵的总流速可以达到十几μL/min，证实该结构的微泵工作性能良好，可以用于眼内房水引流装置。

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沈丹丹（1990-），女，黑龙江嫩江人，中北大学仪器与电子学院，硕士研究生，研究方向为微流控芯片，sdd19900313@ 163.com；

谭秋林（1979-），男，湖南衡南人，博士，教授，博士生导师，中北大学学术带头人，中国微米纳米技术学会高级会员，国际重要学术期刊Sensors and Actuators B、Optics Communications、Sensors的通讯审稿人。研究方向为光学气体传感器及检测技术、无线无源微纳传感器及微系统集成技术、无线传感器网络及射频技术、数据采集及存储技术，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

项目来源：中国博士后第54批面上项目（2013M540089）；山西省自然科学基金项目（2014011021-5）

2015-03-27 修改日期：2015-05-26