一种产生液体电致转动的装置的制作方法

本发明涉及流体力学、电动力学与微流控技术领域，通过流体力学和电动力学的结合在微型腔室使液体产生电致转动现象。该发明产生的可控电致流动效应对于发展微流控技术有重要的应用价值。

背景技术：

近年来，有文献报道了一种悬浮极性液体薄膜在交叉直流电场或者交流电场中会表现出可控的电致流动(转动或者振动)现象。调节外加电压的大小和方向就可以控制液膜转动的快慢和方向，这种电致流动效应被称为“液膜马达”。液膜马达的可控流动为其潜在的科技应用开辟了新的道路，比如制造微型马达，微型离心机，微型搅拌机和药品传输设备。尽管相关的理论研究不断涌现，但是实验装置距离实际应用还有很大的距离。主要的不足之处表现在：①可转动悬浮液膜的厚度一般在几百纳米甚至更薄，液膜存在时间短，很容易破裂，难以有什么实际应用；②为了避免空气流动对液膜运动的影响，整个装置又被放置在密封腔中，这也严重影响了电致流动效应的应用研究。总之，迄今为止尚没有一种方法可以通过简易的实验装置实现电致流动效应，从而给后续的应用研究提供可靠的实验手段。

技术实现要素：

针对背景技术的不足，在充分研究现有“液膜马达”技术的前提下，发明了一种产生液体电致转动的装置，本发明的目的是提供一种更为完善的研究电致流动效应的实验方法，它可以通过显微镜直接观察到电致流动现象，可以通过计算机图像分析电致流动现象的各种参数。该方法简单，可以有效避免现阶段液膜马达实验方法的缺点，为电致流动效应的应用提供更丰富的研究手段。

本发明一种产生液体电致转动的装置，该装置包括：玻璃基座、载玻片、电极、绝缘层、直流电源；其特征在于所述载玻片固定于玻璃基座上，并在玻璃基座上围成一个凹槽；所述电极包括两对电极：一对电场电极，一对电容电极；每对电极包括两个单电极，相对设置于载玻片围成的凹槽内壁上；所述电容电极上设置一层绝缘层，使电容电极与凹槽内液体保持绝缘；直流电源分别为各电极提供电源。

进一步的，所述所述载玻片包括4片，将4片载玻片设置于玻璃基座上围成方形凹槽。

进一步的，所述玻璃基座与载玻片之间设置一层pdms薄膜。

本发明的优点是：

1.微腔体可以填充一定体积的液体，相比较液膜马达的设计，不存在液膜破裂、蒸发等不利因素，微腔体中的液体不受空气流动的影响；2.可由显微镜直接观察电致转动现象；3.通过分析荧光颗粒的运动轨迹，可以获取不同电致转动效应的参数，并且验证理论模型；4.芯片和电极设计灵活，尺寸精确可控。

附图说明

图1是液体电致转动的物理模型；

图2是芯片整体示意图；

图3是铜微电极示意图；

图4是实验平台示意图；

图5是实验结果图。

具体实施方式

下面结合各示意图详细说明实现本发明的具体装置以及方法实现的具体过程：

图1是产生液体电致转动的物理模型。物理模型的核心是一个微腔体和4个微电极。4个微电极组成2对电极，1对电极组成电场电极与微腔体中的液体直接接触，另1对电极组成平行板电容电极通过绝缘层与微腔体中的液体隔离。液体转动速度由加载在两对电极上的直流电压决定。

图2是芯片整体示意图。芯片由1块医用玻璃基座(50mm×75mm×1mm)和4块医用载玻片(25mm×25mm×1mm)以及4个铜微电极组成。电极尺寸由微腔体的尺寸决定。芯片具体制作步骤为：

1.4块医用载玻片按照实验需求的尺寸拼接在一起组成微腔体，并且用胶水固定；

2.玻璃基座上旋涂一层pdms(聚二甲基硅氧烷，polydimethylsiloxane)薄膜；

3.将制作好的微腔体放置在玻璃基座上，放置于100℃加热板上加热3-5分钟，使pdms薄膜固化来填充微腔体和玻璃基座之间的空隙；

4.将整个芯片放置在操作工作台上冷却至室温；

5.将2对铜电极贴壁放置在微腔体里。

图3是铜微电极示意图。4个铜微电极组成2对电极，1对电极为电场电极，另一对电极为平行板电容电极。电极的制作材料为杜邦公司的柔性单面覆铜聚酰亚胺薄膜。聚酰亚胺薄膜作为绝缘层。

电场电极的具体制作步骤为：

1.将覆铜薄膜裁剪成尺寸为25mm×75mm×1mm的长条状并且固定在一块相同尺寸的医用载玻片上；

2.在覆铜薄膜的铜膜表面旋涂一层1-5μm的su-8光刻胶，并且放置在95℃加热板上加热1-2分钟，使su-8光刻胶固化；

3.将具有电极图案的掩膜版放置在薄膜上，并且通过紫外光刻机进行曝光；

4.将具有电极图案的薄膜放置在95℃加热板上加热1-2分钟，使曝光过的su-8光刻胶变性；

5.将整个薄膜从医用载玻片上取下，并放置在显影液中3-10分钟，去除没有被曝光的su-8光刻胶；

6.将整个薄膜放置在铜刻蚀液ce-100中，并且加热至150℃，除去没有被su-8光刻胶覆盖的铜膜；

7.将整个薄膜放置在naoh(30％)溶液中，加热至130℃，1小时，除去薄膜上覆盖的su-8光刻胶和聚酰亚胺薄膜；

8.将残留物用清水反复清洗获得铜电极。

平行板电容电极的具体制作步骤为：

1.重复电场电极的制作步骤1～6，获得具有电极形状的薄膜；

2.将铜膜表面的su-8光刻胶除去；

3.将没有铜膜覆盖的聚酰亚胺薄膜剪除获得平行板电容电极。

图4是实验平台示意图。实验具体操作步骤为：

1.将芯片放置在显微镜平台上，用导线将4个铜电极与直流电压源相连；

2.将荧光颗粒缓冲液放置于微腔体里；

3.打开直流电压源，将荧光颗粒旋转过程的图像资料通过ccd摄像头和视频采集卡输入到计算机；

4.通过图像处理程序对荧光颗粒旋转过程进行实时的观测和动态的图像分析。

图5是实验结果图。该实验装置的条件是：微腔体尺寸1.5mm(l)×1.2mm(w)×1mm(h)；加载在电场电极的直流电压是5v；加载在平行板电容电极的直流电压是20v。荧光颗粒的转动现象表明该装置可以产生明显的电致转动效应，该方法对电致转动效应的实际应用有重要的价值。

技术特征：

技术总结
该发明公开了一种产生液体电致转动的装置，涉及流体力学、电动力学与微流控技术领域。采用医用玻璃制作成微腔体，同时利用软光刻技术对柔性单面覆铜聚酰亚胺薄膜进行加工，制作铜电极。铜电极贴壁放置在微腔体里，荧光颗粒悬浮液放置在微腔体中。芯片连接直流电压源，放置在显微镜观测平台上，通过CCD摄像机实时观察荧光颗粒的运动情况，同时摄取荧光颗粒悬浮液在芯片中的运动轨迹图像并输入计算机进行图像存储及分析。该方法简单，可以有效避免现阶段液膜马达实验方法的缺点，为电致流动效应的应用提供更丰富的研究手段。

技术研发人员：姜海;翁璇;范娜;彭倍;张国成;杨旭;胡雨蝶
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2017.06.02
技术公布日：2017.10.13