用于介电泳操纵的C-MEMS电极设计与制备技术研究

摘要

介电泳方法被广泛地应用于流体中微纳颗粒的分离、输运、捕捉及分类等各种操纵，实现介电泳操纵的关键是设计并制备出产生所需的电场分布的微电极阵列。目前，用于介电泳操纵的电极都是利用传统体微加工技术制备的平面惰性金属电极，存在制备工艺复杂、成本高、电极设计不灵活、操纵效率低、操纵通量小等缺点。
　　 本文提出将新颖的C-MEMS电极用于介电泳操纵，基于数值模拟对电极结构进行了优化设计，利用微机械嵌合效应改进了C-MEMS电极的制备工艺。本文的主要研究内容包括：
　　 1. 阐述了介电泳现象的基本原理，利用等效偶极子模型求解了三类典型微颗粒(实心球形、椭球形、壳球形)的诱导有效偶极矩，在此基础上建立了交流电场中微颗粒介电泳力的计算表达式。
　　 2. 利用有限元法得出了C-MEMS电极产生的电场、电场的梯度的空间分布，分析了电极结构对它们分布的影响。通过曲线拟合，总结出了方柱四电极中微颗粒所受介电泳力与各项电极参数的关系：电极偏置电压的平方成正比、电极的宽度的三次方成反比；归一化的介电泳力与电极间距和宽度的比值的四次方成反比；随着电极高度的增大，在更广阔的区域内分布更大的介电泳力。
　　 3. 将微机械嵌合引入到早前的C-MEMS电极制备工艺中，解决基底粘附力不足的问题。理论上探讨了微机械嵌合的增粘机理，设计了类似墨水瓶颈的微机械嵌合结构，利用KOH浸泡实验定性地评估了微机械嵌合的增粘效果。实验结果与理论分析相一致，证实微机械嵌合可以有效地提高基底粘附力。