微流体系统中用于在微通道中产生电渗流体运动的致动器

摘要

本发明涉及一种微流体系统中用于在微通道中产生电渗液体运动的致动器。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微流体系统中用于在微通道中产生电渗液体运动的致动器。

背景技术

目前在研发用于流体系统(此系统为一种机电系统MEMS或微系统技术MST)的电渗的或其它微型泵方面进行了许多研究。

微流体是一种新兴技术，预计它会与一定数量的技术领会有广泛的涉及。一种微流体装置通常由通过微通道相互连结的一定数量的微传感器或微分析仪构成。该待分析或传送的流体及试剂最好用微结构泵输送。虽然在一定时期内别的组成件已经有市场供应，但微致动器/-泵的研发仍处于初级阶段，仍有许多句题尚待解决。因此在改进的致动器已经被研制后，期望着这类技术有突破并使之商品化。本发明的目的是提供一种用于微流体系统用的致动器，它适合于用作微型泵或混合器，使流体流动改善。

一种公知的泵是往复泵，包括机械致动器。通常，一个构件是由压电陶瓷的、静电的或其它力致动的。它们的共同之处是都涉运动件，运动件制作复杂、会减少它们的使用寿命。

场致动流体泵包括电流体力学的(EHD)、磁流体力学的(MHD)、及电渗的(EO)泵。明显的一个优点是没有可运动件。但是，这些泵要求高电压，而EO泵则是变化最多的。

此外，EHD泵受限于非导电流体，使它不能用于待传送的溶液有大离子浓度的(例如体液)各种场合中。而且也需要高电压。PCT WO 02/07292 A2介绍了一种要在25kV下运作的微结构泵。

MHD泵则被限于用在导电溶液，因而排除了对十分稀簿的溶液的使用。

电渗微结构泵被认为在许多场合中是大有可为的技术，这是因为它制作起来相对简单，而且在相当大的浓度范围内均可获得良好的性能。但是，仍有许多技术难题等待解头。其中主要向题是：1)产生电极气体，2)电化学反应，3)稳定性及4)需要大的电位。下面对些向题详细说明。

产生电极气体：必须加相对强的电场，而且需要直流分量。这就导致在电极上产生气体。

电化学反应：这些反应导致气体产生，而且也可出现在系统的其它部分中。在用退热时，非离子化水可以用作液体介质，仅导致产生氢气和氧气。但是在显微-总体-分析系统(Lab-on-Chip)中使用时，由于反应而可使流体变化，这会影或破坏分析或系统运作。而且，可能产生对系统有害的物质，例如由Nacl溶液电解而产生的氯气那样的腐触性气体。而且，反应生成物及其伴随的pH值的变化也可影响该泵的表面势，从而导致电渗特性改变，如导致反流。

稳定性：除了电化学反应影响外，沿着定向电场内的微孔轴线确立多孔轮廓会在所有时间内损害EO。如扩散电泳和渗透那样的各种现象会减少液流。因此，DC电渗在全部时间内通常都减少，由于所述的例面效应，最终使液流不流动。这些效应可以用脉冲电场电来成弱，但是传统的EO在电场中是线性的，故DC分量必须永远存在，因此所述侧面效应也达到一定程度。

通常要求大的电位(在以kV计范围内)，故要求大而笨重(减少便携性)的动力源。而且，漏电时，尤其是在用于紧挨身体的装置中时，还会导致伤害。

PCT WO 02/070118A2公开了一种微结构泵，在此泵中，通过采用无孔离子-导电膜将该通道与电极分开，解决了电极产生气体的问题。气泡可以从电极腔排逸至大气中。其缺点为包括需要一种开放结构，有产生形成有害化学反应的可能及相对复杂的结构。

US2003/0085024 A1公开了一种退热装置，它配置了具有使气体重新结合作用的分离腔(铂催化剂)的EO微结构泵，由于它不能保证完全重新结合，因而也允许气体通过膜件逸出系统。虽然获得了良好的泵性能，但是并没有获得气体的完全重新结合。此系统的明显不足是催化剂的成本及再结合件的大小。而且，该结合件只是为处理纯水的分解产品，例如是为了从氯化钠溶产生的氯气而设计的。要施加2Kv的电位差。

US6568910B1中公开了一种微结构泵，在此泵中，液体被从放置电极的第一腔中泵出并通过没有电场存在的第二腔。因此，此解决方案的目标仍然是避免在主通道中产生电极气体。

在[J.g.Santiago的<在具有有限惯性和压力的微通道中的电渗流>Anal.Chem，73：2356-2365，2001]中公开了一种泵，此泵利用含有3.5μm硅颗粒的多孔玻璃的毛细管来减少孔的尺寸(和增大压力)。利用2Kv的电位差达到了每分钟3.6微升(μl/min)的流量。去电离作用的水用作工作流体，但在电极上仍然看到了气体产生。曾用过通道直径为0.5和0.7mm的泵，其多孔玻璃的长度为5.4cm。

利用长1mm、宽38mm、高0.9mm的敞口玻璃通道，实现了在两个月内使电渗速度每分钟从15微升降到0.2微升。[Chn，C.H.，Zeng，S.，Mikkelsen J.C.和Santiago，J.G，的<平面电动力学微结构泵>，桑福特大学机械工程系]。其电位差为1Kv。虽然用去离子水为工作流体，但是电极反应(产生气体)仍然存在。

由于是小通道尺寸，其雷诺数是低的，而且该流体流通常是层流。因此，混合主要是由扩散引起的，这在许多情况下在微米级量纲中是有效的。但是对于大分子，例如(DNA)、细菌和细胞来说，对流是实现快速混合的唯一方法。为了在通道中产紊流，已试验了不同的方法，但这仍然被认为是一种技术难题。

纸[Shishi，Q.和HaimH.Bau<不规则电渗搅拌器>，Anal，Chem，74(15)：3616-3625，2002]被认为是一种解决方案，在此方案中，通过沿着通道的长度方向及时改变该壁表面电势就能够混合，这是可以通过利用几个电极和一个控制单元在短相邻通道截面内进行场效果控制来实现的。此系统的不足是其结构相对复杂。

通过利用100v/mm以上的正弦波状变化的电场也可以产生一种电动力学不稳定微结构混合器[Oddy.M.H.，Santiago，J.G.，和Mikkelesen，，J.C.Anal.Chem.735822-58329(2001)]。

在[E.L.RUhig，W.Fgraydon，及W.Zingg.<可植入微给构传输泵>，生物医学科学材料矿究杂志，17：931-943，1983]中介绍了一种传输胰岛素的EO致动微结构泵。电化学电池(AG|AgCI|NaCl|阳离子交换件|NaCl|AgCl|Ag)被用来驱动，其电流每10分钟变方向一次。为了在结束之前不在一个方向上进行化学反应，变向是需要的。在变向后几乎无电流流动。为了不管电流如何变方向均能在第二通道中得到流体单方向流动，使用了一种电磁控制阀。此通道与装有之后会被泵入体内的夷岛素的一个金属风箱接触。此系统的缺点是复杂及有运动件。

很清楚：即使EO微结构泵有些优点，本领域的当前状态并不能满意地解决一些重要向题。电极气体产生向题通常是由下列措施解决的：1)采用专用液体<去离子水和一种可能的缓冲剂>，总的来说可只限制施加电场，或2)将电极从EO微结构泵区域移到某个气泡可以逸出的装置处，由于电位差与电极距离成正比，所以后一种措施需要更大的电位。这会使其结构更复杂，在该结构包括涉及各个电极对的几个泵时，更是如此。

发明内容

本发明的目的是提供新的致动器，它们解决了那些技术挑战。具体地说，本发明的一个目的是提供一种致动器，它能用非DC信号驱动，只用低得多的电位，而且极少受系统化学成分的影响。在许多情况中，可以将电极安置得靠近泵，这样可以使最小电压明显地降低，这对于生产多泵系统是极好的。此外，另一个目的是提供一种解决方案，其流体速度远高于现有技术方案所能得到的速度。还有一个目的是提供一种致动器，它可以在微通道中用于混合流体，这在微流体领域中也是一个技术难题。对于绝大多数设计方案来说，本发明的致动器可以反方向运作，在任何一个方向上均展现出相同的输送特性。

本发明的一个目的是提供一种微通道，它可以将流体从其入口传送至出口。与传统电渗为基础的方案相比，本发明的微通道能提供增大的流体流量，即流体可被以增大的流速流过微通道。净流体流即强制通过微通道的液体量被增大。这种改进的流体流是通过在微通道中安置了特殊几何形状的导电机构而获得的。更具体地说，所述导电机构的表面部分是弯曲的，或相对所施加于微通道的电场是倾斜的。

本发明的基本理论概念叫作<第二种电渗>(EO2)或<超快电渗>。为了得到EO2，一些条件必须满足，要实现定向传输则更是如此。

在施加相同电场强度E时，用EO2的液体传输要比用传统电渗(EO1)快10-100倍。降低电场强度E减少了与电化学反应相关的向题，也减少了漏电流的可能性，这对不能植入装置及贴靠身体使用的装置是非常重要的。此外，取消了对高电压发生器的需求，减低了成本及尺寸，其便携性能却增加了。

由于电场强度是非线性的，采用只有一点儿或无方向的场分量的交流电场，EO2就能够实现液体定向传输。因此，上述的稳定性问题能被减小或消除。

此外，由于对于交流电场来说，极化(polarization)电流越大，感应电流就越小，所以在交流场内的电极反应(包括电极产生气体)能被减小或消除。

现通过对照以下附图和实施例说明本发明。

附图说明

图1展示微流体系统的总的示意性外轮廓；

图2展示球形颗粒组成的导电机构的俯视图；

图3展示倾斜平板组成的导电机构的俯视图；

图4展示由半球组成的导电机构的俯视图；

图5展示用作导电机构的二层颗粒；

图6展示包括致动器部分的一个微通道的一部分(没展示导电机构)；

图7展示包括显微结构泵区域的微通道部分的俯视图，没展示导电机构；

阁8和9展示包括具有椭圆导电颗粒的致动器的微通道部分的俯视图；

图10和11展示包括具有斜坡的导电平板的微结构泵微通道部分的俯视图；

图12展示包括用于微结构泵的加宽区域的微通道部分的俯视图，导电机构末展示；

图13展示包括微结构泵的微通道部分的侧视图，其中的导电机构组成了通道的部分壁；

图14展示了带有倾斜导电平板即壁的微结构泵的几何形状；

图15展示了具有截面为圆形的导电倾斜壁的微结构泵；

图16展示了具有四个电极的微结构泵，由带一对电极的导电通道部分组成而包括了SCRRR(其中的一个像一根线，其余的则与此通道同心)。别的电极应被放置于此导电通道部分的上游和下游；

图17展示了具有将进入此泵的两种流体混合的外加优点的微结构泵；

图18展示了一个试验机构中的通道横剖面，用来展示在此微通道内的流体流；

图19展示用于制作此试验微通道的多孔板；

图20展示出试验机构的俯视图，表明了液体充注区域；

图21展示在强电场(根据公式3)内的某一个低导电液体中的单个导电颗粒上的EO2的原理，其中的法向场分量包括SCR，其切向分量导致离子及流体传输；

图22展示环绕一个颗粒的EO2流体流，可以大体上将之看作环流；

图23展示本发明的带有非DC分量的电信号；

图24-27展示用于获取EO2的电场强度的区域，在图中：E-min-WS是避免水分解的最小E(等式5)，

E-max-SCR-flux或Emax-thin-SCR(公式6)是为了获得EO2的E的上限，E-min-EO2(公式3)是为了获得EO2的最小场强，E-lower-EO2是四倍的该最小场强，表明EO2的较低场强明显地快于EO1。该场强被示为不同颗粒大小情况下的水(氯化钠溶液)中离子浓度的函数(图24中：颗粒a为10微米，图25中：颗粒a为100微米，图26中：颗粒a为1毫米，图27中：颗粒a分别为1，10，100，1000微米)。

图28展示对不同颗粒大小(等式8)情况下的作为浓度函数的流体动力学时间常数，可用以确定电信号频率。

在权利要求和说明书中使用的术语定义

微通道：至少一个尺寸是以微米(μm)或毫微米(10^-9*)来度量的通道。

微流体系统：用于在一个或多个微通道中的液体进行传输或控制的系统，通过每一个通道中的流率在每分钟1微升至50毫升之间。

致动器：一种用于调整处于运动中的液体的装置，既可以通过沿一个方向泵动液体，也可以通过引起循环流动和/或混合来调整。致动器可以直接对主要关注的流体(例如待分析流体和试剂)工作。但也可被用于间接致动，例如，通过致动一个选定的流体与膜的一侧接触，其另一侧与主要关注的流体接触来调整处于运动中的蠕动泵的膜。

光滑表面：此表面可以被理解为其表面不平度应该小于d_char的5％，最好小于d_char的1％。

特性直径d_char：沿着平行于外加电场方向测量的导电机构的直径。当一些导电颗粒沿该电场方向相互接触时，d_char就是沿着所述方向测量的此组合导电结构的整个长度。

特性半径a_char：是0.5倍的d_char。

基片：其上制作微通道或通道系统的材料，它包括其上蚀刻通道的硅晶片及构成该通道顶部的顶板。

本发明的微结构泵被设计来以每分钟几毫微(纳)升到50毫升的量值输送液体。该液体量取决于特定的用途，通常是从每分钟数纳升(药品传送)到数微升(用于lab-on-a-chip)到数毫升(用于退热)。简单地说，术语微结构泵和微通道会用于整个说明书中，词头<纳>可被用于大小范围的较低部分。

具体实施方式

图1是本发明微流体系统10的总体外轮廓图。最好将微流体网络设置在基片12上。图上有两个微通道20。箭头指明液体流方向。部分20_a是微通道20的一部分。电连接机构(16)在部分20_a内确立一个电场E，寻电机构18确保流体沿定向流动。电极16和传感器22的连接件用数码24标示。应该说明的是：电极16可以置放于微流体系统中的任何地方，也可放在系统之外，例如置于该通道的入口和出口处。但是，电极间较大距离的方案是不推荐的。而且，致动器也可以制作在毛细管内而不是被显微制作在基片上。

图2展示本发明一个实施例的俯视图，它带有球状或半球状的导电机构18，它可被固定于通道部分20_a的顶部和底部。此处的该通道截面是矩形的。颗粒之间及颗粒与壁之间的距离大体上均为a_char，因此，混合与定向传输均可发生。在此图上也标明了通道20的壁，以及电极16的位置(用虚线)。液流方向用箭头标示。

在图3中展示的本发明的实施例具有成型成两个倾斜面的导电机构18，机构18固定在通道壁上，而且是沿有矩形截面的此通道的深度安置的。在此图上还标明了通通20的壁、电极16的位置及用直箭头标示的液流方向。导电机构之间的距离大体上在2-0.5a_char之间，因此除了定向传输外，还可以得到某种程度的混合。

图4中展示的实施例与图3的相似，但具有半圆或半球状的导电机构18，此机构之间的距离约在1-5a_char之间，从而导致了混合和定向传输两种功能。电极16的位置用虚线标示。

图5展示的微致动器有沿液流方向成型成圆柱或球状的导电机构18的两个连接层。该导电机构也被固定在微通道20的顶部和底部。电极16的位置用虚线标示，也标示了液流方向。由于导电机构18与通道壁的距离大体上是相同的a_char，因此可施行定向传输及混合两种功能。

图6显示的是微通道20的侧视图，通道包括致动器部分20a、基片12(例如硅、玻璃或聚合物)及电极16。图上还展示出从与与基片相同材料选取、制成的顶板及液流方向。导电机构部分用虚线标明，但是没有显示导电机构18。

图7是图6所示结构的俯视图。

图8展示本发明的一个实施例，它有基片12及固定于顶部和底部的椭圆体或椭圆柱形的导电机构18。可能是机构16的位置用虚线标示。由于机构18之间的距离小，所以可进行平稳的输送。

图9展示了类似图18所述结构，但在沿液流方向有两层彼此并不接触的导电机构18。

图10展示了具有两个倾斜导电机构18的微致动器，它们被固定于通道壁并充注于整个通道部分。因为机构18之间的距离与a_char比是相对小的，故可获得定向传输。可能的电极位置用虚线标示。

阁11显示与图10所示相似的倾斜导电机构18的另一个实施例，但在沿宽度方向有导电机构的附加层。

图12展示了一个有宽通道部分的微通道20，此部分包括用虚线限定的通道部分20a，其内盛放了没有展示在此图上的导电机构18。此致动器的优点是能建立更高压力。

图13展示出一个包括微致动器部分20a的通道20的一部分，其中的导电机构18是该通道壁的一部分。展示出了圆形的电极16。因为机构18之间的距离与a_char比是小的，故可获得定向传输。由于导电机构18与液体相比有更高的电导电性能，故局部电场就僴向所述导电机构18，从而引起法向和切向场分量。

在图14中，显示包括微致动器部分20a并带有倾斜导电机构18的微通道部分20的一个部分的几何形状。标示了原始通道直径d₀及通道壁与导电机构表面间的角度、原始通道壁与倾斜面一处之间的法向距离h、特性直径d_char及通道长轴线x。

图15展示了一个实施例中的带导电机构的微通道部分20a，其倾斜传动机构18与微通道20同中心。

图16展示了一个具有四个电极的微通道。其中的导电机构构成了此(圆柱形)通道的一部分，电极16则被置于这一部分的上游和下游侧(末示出)。此导电机构可以是一个管状离子交换件。第二对电极16b响应SCR的确立产生垂直于液流方向的电场。其中的一个成形成与微通道20同心的大半径圆管。它可以由金属簿片或涂覆件组成，进行某种导电层涂覆、表面处理等。另一个产生法向电场的电极可以是全属丝，它应该用一绝缘件或别的固定方法与导电机构18保持某种距离。最好将它沿此通道中心线放置。

图17展示带有导电机构的微通导部分20a的俯视图，在此部分中，一个导电粒子被放在通道20的加宽部分中，它与液流出口保持的距离约为2a_char，由此而导致有效的混合。由于导电机构与壁之间的距离在0.5a_char以下，所以微通道部分20a的邻接部分主要实施定向流动的动能。

在图18中展示了一个试验结构中的通道横截面，其中的导电机构18被固定于两块带有显微制作的半圆孔的平板之间。微通道的纵长方向与纸平面垂直，通道的侧面壁通过在每一侧面用密封片密封这些平板来形成。硫化的球状苯乙烯-二乙烯基苯离子-交换粒子用作导电机构18。

图19用于图18中试验结构中的一个显微制作多孔板的俯视图。

图20显示一个试验结构，其中包括导电机构18、电极16及在微结构通道20的每一侧面上的两个贮液区域。

一般说来，导电机杨18可以有椭圆体、1圆柱形、椭圆柱形、球形、半球形或其它任何圆形截面的几何形状。而且也可以有与所加电场成0-85°夹角的平板形状，推荐的夹角范围为30°-60°。此导电机构的导电性能至少为被驱动液体的五倍，最好至少为十倍。

导电机构18的特性尺寸d_char应该在0.1微米-5毫米，但最常用的是在10-500微米之间。

对于曾经流行过的定向使用来说，EO2输送是被希望的，导电颗粒18之间及导电颗粒18与通道壁20a之间的距离应该在1/8-1/2a_char之间。这个到通道壁的距离不适用于如图3、4和10、11中导电机构固定于壁的实例中的该壁。对于沿液方向是一层颗粒的情况来说，该距离应该更小或是零。如果有一层以上的颗粒，每层的颗粒之间和/或相邻层的颗粒之间必须被隔开。

如果希望得到混合功能，该距离应该高述2a_char。对于最大的距离来说，可以最明显地得到混合功能。

图13中显示了一个实施例，其中的导电机构18是微通道壁的一部分。这是本发明的一个特定方面，其EO2条件是通过在靠近导电机构18的局部电场的衰减来确立的。

导电区域的长度应该就是导电颗粒来的同长度。通道的几何形状可以是圆形、矩形或椭圆形。在这里的D_char就是沿电场方向测量的导电场的长度。通过对导电颗粒的类比，获得定向液流的两个相对的导电壁之间的距离推荐为1/2-1/8achar。导电区域可以覆盖该通道(例如此壁)部分，或者整个通道的周边。

对于具有图13所示导电壁的结构来说，电极16最好置于该通道壁的部分20a相同距离处，并占据1/3的该通道宽度或更少。它们可以比上面介绍的放置得更靠近电极16，而且还可以放置在导电壁的区域20b之内。而且，此结构可以沿此通道的宽度方向、利用导电机构的几个矩形组件来延伸。在这样的几何形状下，为了增加电场的切向分量，导电组件的端部可被电绝缘。

加电场的切向分量，导电组件的端部可被电绝缘。

就包括一对电极16的结构来说，推荐将电极置放于相对该导电区域的上游和下游侧。这些可以是进入局部或整个通道壁20b的周界内或周界上的电导电区域，它们也可以是该通道内的最好是显微制作的栅板或别的构造。它们也可用本图中没有示出的的显微制作的导体与动力源连接。电极16也可以是直接由从外面通过通道壁20b插入的全属丝构成。为了获得直线电场，电极16应该放置得离导电机构18有相同的距离，但是为了避免高电位，这距离不能太大。每个电极与导电机构18之间的距离通常为0.5-5毫米。当然，此距离也可以更小成更大。

在图16中展示了一个四电极微结构泵。在此泵中，为了产生SCR，通过构成一个电极的同心导体将长度为d_char的导电的圆柱形通道部分包成包囊形。其另一个电极被放入此导电的通道中，它可以是一根带有防止它与此通道壁有电接触的绝缘件的金属丝，最好能将它用允许液流通过的绝缘结构固定在此通道中心处。如上所述，另一对电极应置于此泵区域的上游侧和下游侧。

通过环绕着导电机构开口(没有被其它导电颗粒或壁占据)保持大的区域，可以使微结构泵能够混合两种或更多种液体。因为这样能够导致绝大部分的环流，为了定向流动(1/8-1/2a_char)，此泵应该有一个被优化了的开口空间的腔。这样的泵展示在图17中。混合腔24内可放置数个导电颗粒18，它们的大小取决于所期望的混合时间。

接下来将主要参照球状颗粒形式的导电机构来介绍其基本原理。但是，也可以直接扩展到别的几何形状，例如，在术语介绍中的d_char＝2a_char就可以使用于所有形状。

本发明的基本概念是切向电场分量根据法向分量感应出的SCR工作。在此SCR中成溶剂化物的离子然后就直接被传向用于传统EO的EDL中的离子。在两种情况中，大部分微孔液体(pore liquid)由于粘滞力而处于运动中。

EO1速度是由Smoluchowsky公式给定的，

公式1

$>>>V>>EO>1>>>=>>>ϵ\xi >>E>ll>>>\eta >>>s>$

式中，是液体介电常数，该壁的表面(zeta)电位，E_ll是平行于该带电表面的电场强度，和是液体.粘度。对EO2来说，速度由公式给出

公式2

$>>>V>>EO>2>>>=>>>2>ϵ>>a>char>>>E>ll>>>E>\perp >>>\eta >>>s>$

E是法向电场分量。

在导电颗粒是别的形状时，d_char是沿液流方向来测量的。SCR载荷大约为d_char的E倍。

传统的电渗(EO1)是靠在EDL中传送固定载荷(离子)引起的。这些离子被水解(也就是一定量的水分子与每个离子协同作用)或总的来说被成为溶剂化物(水以外的别的溶剂也可以用)。在电场使载荷处于运动中时，水也被传送。虽然此作用发生在簿的被充电区，但由于粘滞力而使整个微孔-液体运动。水的传送与EDL(或zeta)电位和E成比例。

重要的是，SCR的确立与该表面上是否存在EDL无关。<第二种电渗>的观念表明与在薄带电区域中有其电源的EO1相似，它不同于对大多数液体作用的电效应(后者被称作电流体力学效应)。

如果电场强到足以产生集中的极化，SCR就产生于该导电电表面。之后，该极化区域就在大多数液体边界处产生扩散区域，SCR层紧靠该导电表面，EDL可能最靠近该表面。这样就完成了针对离子的和全电子导电材料两者的极化现象的介绍。

结合在其种低导电液体中的渗透(阳)离子导电材科可以对极化现象作最简单的介绍。此现象是众所周知的，在此作简要介绍。使电场定向对着该薄膜，阳离子就朝被着此固体材料传送并通过它，但是由于有选择透过性，没有离子被允许沿相反方向穿过。在稳定状态下，脱离该簿膜的同离子电扩散流被沿相反方向的扩散流补偿。因此，观察到了朝该薄膜浓度减少的一个扩散带。随着电场强度的增强，电流也加大了，但是浓度降低得更多。在该膜附近在零离子浓度时达到极限。在此点处，即使进一步加大电压也看不到电流增加了。因此，此时的电流叫作极限电流。

虽然极限电流在电压-电流曲线上有一个平坦部分，如果电压足够高的话，电流也会进一步增加。这种强烈集中的极化的一个特点是在靠近该薄膜处(在该薄膜与扩散区域之间)出现SCR。

出现过极限电流的一个原因是在极化区域出现了EO2旋流(环流，有时候叫作电对流)，并加入扩散离子传送。即使在一个平薄膜上，也可以看到EO2对流。

在电薄膜工艺(ELECTROMEMBRANE PROCESS)中，希望在尽可能低的电压下获得高电流，因为这会给出更具有能效的工艺。因此，通过特定的薄膜和薄膜叠方案(看下面的实例)增加在电渗透中的EO2对流已成为研究的目标。

得到EO2的条件可以概括为：

1其表面带有切向和法向两种电场分量的导电介质被低导电性的液体包围。法向和切向两种电场分量可以用下列方法获得：

a)  导电材料有圆形(球或柱状)或倾斜结构，这样两个分量可以在用两个电极(电极可以做成两个平行平板或置于通道壁上)直接感应出的电场中出现。

b)  b)再次利用两个电极，泵可由有导电壁的圆柱形多孔通道构成。就本说明书中介绍的系统几何形状来说，局部电场将偏向多孔壁，从而导致相对此壁的法向和切向分量。这种情形展示于图13中。

c)  c)通过利用四个电极，两个用于产生SCR，两个用来调整运动中的离子。这种情形展示于图16中。

2一个(法向)电位降，它大到足以产生SCR。这意味着：跨越一个特性颗粒直径的此无量纲电位降大于unity，它转换成

公式3：

E＞0.03V/a_char

3切向场分量一定不能太大，否则SCR会将用尽离子，而且SCR会变薄。因此，此电位应该不超过：

公式4

$>>>E>>max>->SCR>->flux>>>=>>>(>>3>2>>)>>>4>5>>>>RT>F>>>m>>->>2>5>>>>>k>>4>5>>>>>a>char>>>->>1>5>>>>>s>$

在公式中R是气体常数，T是温度，F是法拉第常数，m是一个无量纲常数，对于含水溶液来说它等于0.2，及反德拜-长度(inverse Debye-length)。

4导电介质可以借助离子、电极或孔来导电，它可以是导体或半导体。它应该推荐为无孔的，但是也可以是多孔的，虽然这会导致速度降低。就渗透离子-导体来说，可获得最好的结果。

5为了避免水分解，在SCR中的浓度应该超过水的离子成分，因为EO2对流阻碍由偏振导致的浓度降低，因此可以看到一个低电场强度，这样所强度不会出现水分解：

公式5

$>>>E>>min>->ws>>>=>>3>>8>>2>>>>>m>>->1>>>>>(>>>k>w>>c>>)>>3>>>RT>F>>>k>2>>>a>char>>>s>$

式中k_w＝10^-7，M是水的分解分量，c是该液体离子浓度。

此外，薄SCR的产生条件是EO2理论中的基本原理，对它的说明由公式6来给出：

公式6

$>>>E>>max>->thin>->SCR>>>=>>2>9>>>RT>F>>>m>>>k>2>>>a>char>>>s>$

根据这些条件，对于某一个系统来说会出现EO2的电场强度的范围可以被算出。如在公式3-6中可以看到的那样，此范围取决于离子浓度、颗粒大小及其它一些因素。算出的电场强度被画在图24-27中的曲线上。

由于要取决于法向和切向这两个电场分量，所以在此电场中的液体速度是非线性的。正因为如此，可以施加一个交变电场(如图23所示)，对EO1来说是相反的。就EO2来说，该速度大体上与该电场强度的平方成比例。

对本发明的定向EO2输送的附加条件列在下面。

1导电材料表面必须光滑，否则就得不到定向EO2传送(可能出现环流)。

2对于球状体，在图22上可看到该液流方式。这意味着：从离开球的一定距离上看，该液流是相反向的。因此，只应该在靠近组成为液流配置的导电机构的颗粒处开一个有限的口，这样就确定了导电颗粒之间、导电颗粒与别的固体材料，例如与通道壁之间的距离。通过实验发现，颗粒间应该保持2a_cha以下的距离，为了获得定向流动，推荐距离为1/8-1/2a_char。

某些结构并不适合于这种状况，例如，虽然单层导电小粒子也可以被采用，但由于会使液流减少，所以不推荐使用它。多于一层的叠层结构也不可采用，因为它通过EO2只能得到环流。沿液流方向的导电机构任何一个侧面上的无孔层会阻止EO2定向液流。

3对于导电材料的其它形状，其结构性能应该相似。因此，如上所述，颗粒间应该保持距离为1/8-1/2的它的特性量纲a_char。

电信号

电信号可以由具有方形、矩形、锯齿形、正弦形或其它波形的交流电压构成。如在图28所示，其频率应在流体动力学频率以下。同因此a_char＝1毫米给出的f_-max＝1Hz，a_char＝100微米给出的f_max＝100Hz，a_char＝10微米给出的f_max＝10Hz。为了在每个脉冲中获得大的周期，频率的10倍要比应该用的理论最大值小。

对于对称导电机构几何形伏来说，信号推荐为有一个工作循环，最好为一个工作循环的29％，这就意味着：该强脉冲(它应该具有给出定向Eo2流的极性)应该具有此信号周期的29％的寿命。当利用一个工作循环时，此信号最好有一个偏移，该偏移应该被选择得使平均信号方向分量为零。

对于具有不对称形状的导电机构来说(如图11，10)，可以使用对称的交替信号(方形、矩形、正弦波形、锯齿形或其它波形)。

对于电极反应不是向题的使用情况来说(例如在短运作时间和稀溶液时)，一个方向电压分量或纯方向电压也可以使用。

电力最好是在恒电位条件下传送，这样可给出最快的极化。

对于有四个电极的微结构泵来说，彼此异相的两个交流信号可以被加于两个相应的电极对之间。因而该脉冲图案可以遵照以下顺进行：

1脉冲垂直于建立SRC的液流，

2开始脉冲期(1)：脉冲平行于导致EO2传送的液流，

3反向垂直液流，脉冲导致SCR和相应电极对去极化，

4反向平行液流，脉冲导致相应电极对去极化。

信号也可以用一个不带信号的脉冲来中断，此种情况每N个循环出现一次，N是大于1的数码。信号可用电子装置(计算机或微芯片)，它在运作其间可自动或由人工来改变。这可以根据从系统显传感器获得的系统功能情报资料来实施。

最好，信号频率应选得高于反向电极极化时间，

公式7

$>>>t>>pol>->el>>>=>>L>kD>>>s>$

式中：L是电极之间的距离，是反迪拜长度(反EDL厚度)，D是电流运载离子的扩散系数。

如果加上了交变或脉冲电信号，最高频率由流体力学时间常数来决定，

公式8

$>>>t>HD>>=>>>>a>char>>2>>v>>>s>$

式中是液体的动力学粘度。

生产，材科，实例系统

微流体装置可以使用在微电子工业中使用的显微加工工艺技术来制作。也可用它来制作本发明的微结构泵。这些方法允许人们将通道及三维结构制作在基片(硅、玻璃或聚合物)上，以及将导电结构(金属或聚合物)沉积在通道中。这样的方法用于具有与如微电子生产那样的便宜物品的生产相关的同样的优点。

例如对于放置于玻璃毛细管中的泵来说，本发明的微结构泵也可以用别的方法及材料生产。

导电或不导电的薄膜可以沉积在基片(如厚0.4毫米的圆硅品片)上。通道及其它结构也可以用金属平版印刷的方法来制作，通过光敏电阻(掩光板)施加照射。三维导电结构也可通过，例如通过金属电镀被制作在通道内。

显微制造工艺提供大量技术，它们能以无限多的方法组合起来，从而几乎可以生产任何结构。在本说明书中只是引入了几个实例。应该指出，别的材料(例如玻璃或聚合物代替硅基片)和别的方法也可以采用。

图6中展示了一个包括了用于微结构泵的区域的微通道部分的侧视图。图中展示了包括硅晶片(或玻璃或聚合物)和顶板(玻璃或聚合物)。用于电机构的区域20a是用边界来标示的，没有必要画出具体形态。这一部分的结构实例被展示在图8-11中。其中的电极16是由穿过顶板上的孔的一根全属丝构成的。此电极也可以用上述的方法产生。

相同结构的俯视图被展示于图7中。

在图8-11中展出的导电机构18可以用电镀方法生产，也可以用导电聚合物显微模塑成型(例如微注射模塑成型)来制作。另一种可能办法是蚀刻圆形或斜坡形材料，随后进行涂覆使之具有导电性。

对于具有不对称形状(如图10、11中所示)的导电机构来说，可以用对称的交变信号。

另一种可能生产导电机构的方法是用机械灌注其些导电机构原材料(如球状或纤维状离子交换器，炭，金属，导电聚合物或其它材料)进入通道内。之后用机械加压将导电机构固定在通通底部与顶板之间，为了使材料处于正确位置，可在顶板、底部蚀刻小腔。材料也可用某种粘接剂或别的方法来固定。

展示在图12中的宽大的泵以及在图13中展示的带导电壁的泵也可以用上述方法制作。

图15所示的微结构泵可以用显微模塑成型技术，或者用专门的管形薄膜制作。

在图16中展示的有四个电极的泵可由下列材料构成：管状离子交换器薄膜，与此膜同心的金属管，通过在该膜上卷绕金属箔或沉积金属，具有避免与该膜接触的绝缘部分的牢固的金属丝。

应该指出：通过反向的电信号，可以使在图中表明的输送方向反向。

一般来说，电子的、离子的、及多孔的导体都可用作导电机构，只要它们的导电性至少是待传送的流体的5倍，推荐为10倍或更高。实例材料包括：涂覆的硅及别的半导体材料，全属，离子交换器磺化的与二乙烯基苯交联的聚苯乙烯(PS-DVB)，导电聚合物如(涂覆的polyaniline<PANi>，聚乙稀或其它涂覆的聚合物)，炭，石墨或填充了其些所述导电材料的聚合物。

基片可以是硅，玻璃，聚合物或别的材料。通常微流体系统被制作在一个(直径为10或15厘米、厚为0.4毫米的)硅晶片上。一块晶片可以制作一个或多个微流体系统。

电极可以用电子导电材料制作。一般可以用显微加工的金属电极，但是石墨、炭或涂覆的硅也是可用的。

应用

下面介绍本发明的微结构泵即微致动器的主要用途。总的来说，本发明的微结构泵可以用来在此微系统内的各个位置之间，在此系统与外面(向该系统引入样本，将液体传送入别的系统或人体等)之间输送液体。它的最多应用是直接输送关注的液体，但是也可作致动器，通过朝其它微结构装置输送液体来间接地驱动该装置(例如一个往复泵的膜通过从该膜不与被传送液体接触的一个侧面输送走或输送来液体而被驱动)。本发明的一个用途是：通过保留其些EO2环流运动来以显微规模混合液体。

显微-总体-分析系统(Lab-on-Chip)

这种系统也叫做显微-总体-分析系统(μ-TAS)或微实验室，这是一个高度紧凑的系统，它装备有多个化学和物理传感器和分析装置。需要用这类致动器来在该系统内传送和混合液体，以及在它与外界之间进行传送。显微-总体-分析系统(Lab-on-Chip)系统被用来完成原本要求传统实验室工作的分析。在这系统中还可进行化学综合处理。

与传统分析相比，其优点是：

-仅需要显微量的样本及化学物质，

-明显地减少时间耗费，

-可制作便携系统，

-明显降低成本及增强能力。

下面列出了一些应用实例：

-目前要耗费时间和劳动的医药分析可以在数秒钟内在医疗办公室内，或在医院内或家中(将资料信息送到医疗办公室)完成。

-Proteomic和DNA分析在目前尚是有限制的科学技术，显微-总体-分析系统(Lab-on-Chip)的开发奇迹般地增大了此分析能力。

-医药品研发：引入显微系统能够大大地降低研发新药的成本和时间。

-化学物品的研发：能比传统的实验室工作更快、更安前及更便宜。

-医学方面的应用包括临床分析关注点。

目前，尤其是在医药分析领域中存在的几种自动化系统。

如上所述，微结构泵没有研发显微-总体-分析系统(Lab-on-Chip)系统部分。一般的泵能力在100Pa压力下是每分钟2(μl/min)微升。

十分小的泵可以用来给非植入装置输送药品(例如，为糖尿病人送胰岛素)到体内。此系统可以被对身体的测量(糖尿病人的葡萄糖水平)来控制。长久可靠性、无电极反应及低电压是这类泵的重要特性。通常，此泵以几nl/min的量来输送药品。

退热

显微规模的退热循环可以用微电子电路解决降体温的向题。此系统的泵在约1atm压力下应该以10ml/min的量传输。泵和热交换器可以分开或一起做在同一块微芯片上，而且该热交换器应该由与环境接触的显微加工的或别的细管构成。

实验结果

进行了一个简单的实验，它证实了EO2在微结构系统中的混合和传输功能。给合图18-20对此实验结构进行介绍。显微加工的多孔板使得可以将选定大小的颗粒放置得彼此相距选定的距离。

在此实验中使用了DOWEX50WX8强大的定酸量阳离子交换粒子。沿液流方向测量的多孔板宽度是0.4mm。

微混合器

具有直径(d_char)约600μm的一行离子交换粒子被放置于多孔板上。与图20中的结构不同，每个第二个孔中被放入一个颗粒，在相邻颗粒之间留下一个2a_char的空间。

为了观察液流，用染了色的颗粒进行此实验，并用光学显微镜来观察。染色粒子被置于EO2混合器内(该多孔板之间，但不放在贮液池中。)

电信号观察结果DC，E＝0.6V/mm环流出现DC，E＝1.3V/mm环流加块DC，E＝3.5V/mm环流十分快，数mm/秒DC，E＝5.2V/mm速度进一步加大AC，在强脉冲中5V/mm，    20％工作循环，0.1Hk在了虽脉冲中液流最快，    在弱脉冲中液流较慢。

在所有情况中，液流方式均与图22中所示的相似。由于着色的粒子在施加该信号后几分钟内并不离开该泵，因此可以认为只有环流运动存在，并没有(明显的)定向输送出现。超过该颗粒半径就会看到液流反向，正因为该颗粒间的距离大大地超过了一个颗粒半径a_char，上述结果是被期望的结果。利用低频AC信号的原因是：在此实验中用了相对较大的导电颗粒。

微结构泵

通过将一行离子交换颗粒(直径约为400μmm)放入该受孔板的相邻孔中来制作微结构泵，颗粒之间的距离要比一个颗粒半径a_char小一些。

电信号观察结果DC，E＝1.3V/mm约为0.2mm/s的定向液流流过泵DC，E＝3.5V/mm约为1mm/s的定向液流流过泵DC，E＝5.2V/mm约为2mm/s的定向液流流过泵AC，在强脉冲中为5V，20％的工作循环，0.1Hk平均流速约为0.5mm/s的定向液流流过泵

这就表明大的流速可以利用十分低的电位差得到，而且也可以采用交流电场。在这些实验中，采用了约10mm的电极距离。实际上，电极距离也可以按1mm排列。对本发明的微结构泵来说，以mm/s计的液流速度可以用1V计的电位差来获得，但在别处报告过的以千V计的电位差的致动器通常被要求用来获此同样的速度。

当离子交换颗粒之间的距离比理想的大得多时，不增加电压就可能使速度进一步增加。