微小液滴蒸发过程的阵列式检测系统的制作方法

本实用新型涉及微流体技术领域，特别涉及一种微小液滴蒸发过程的检测系统。

背景技术：

现有技术中，针对本实用新型涉及的微小液滴蒸发动态过程的检测这一技术主题，通常有三种实现方法，(1)显微照相方法，该方法是通过显微镜对微小液滴进行实时拍照，从而掌握微小液滴蒸发动态过程，实现检测。这种方法适用于对液滴的体积变化的定性分析，要进行定量测量比较困难，且需要显微镜、CCD等设备近距离观测。(2)称重方法，对被测微小液滴的重量进行测量，根据重量变化间接获得微小液滴蒸发动态过程。这种方法适于比较大的液滴，对于小于1微升体积小的液滴难以检测，而且这种方法无法对液滴不同部位的蒸发速度进行对比。(3)电化学方法，利用电极与被测微小液滴所产生的电化学反应，基于电路测得电极的输出电流，根据电流间接获得微小液滴蒸发动态过程。这种方法能够对不同部位的蒸发速度进行动态监测，但是它需要特定的化学物质在电极上发生化学反应，应用范围受限。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺陷，本实用新型的一种微小液滴蒸发过程的阵列式检测系统，用于对一定环境中附着在平坦固体表面的微小液滴蒸发过程实现动态的检测。

本实用新型提出了一种微小液滴蒸发动态过程的阵列式检测系统，该检测系统包括加工了微电极阵列的基板1和阻抗测试仪；所述微电极阵列为由各个微电极结构元组成的阵列，每个微电极结构元包括暴露在基板1表面、可与溶液直接接触的至少一对电极2，电极2所在的金属层分别延展出由绝缘层3覆盖而形成的电极引线5、位于基板1边缘的焊盘4；电极引线5分别与所述电极2连接；将构成所述微电极阵列的各微电极结构元与所述基板1边缘的焊盘4连接起来，焊盘4用于连接阻抗测试仪。

构成微电极阵列的至少一对电极2的尺寸和间距都远小于被测液滴的尺寸。

与现有技术相比，本实用新型的传感器件体积小巧，可以对液滴蒸发过程进行动态、定量监测，并对液滴的不同部位的蒸发过程进行同时检测而不需要液滴内的物质在电极上发生化学反应，因此本实用新型相比现有技术可以更灵活地运用到不同的应用场合，例如，液滴细胞培养，外界环境变化(如热交换、气流速度)对微液滴不同部位蒸发动态过程的监测研究等。

附图说明

图1为本实用新型的微小液滴蒸发动态过程的检测系统，其阵列式电极可测量同一液滴不同部位的蒸发速度差异，本图的阵列中液滴覆盖了4×4＝16个检测单元；电极阵列的大小、间距可以尽量小，从而一个液滴可以覆盖的电极阵列的数量越多，检测阻抗“图像”的空间分辨率越高。

图2为微电极结构元主视图(以一对电极为例，图1中的A区域)；

图3为微电极结构元俯视图(以一对电极为例，图1中的A区域)；

图4为阻抗检测微液滴蒸发测量的电学模型示意图；

图5为蒸发过程前期液滴质量(体积)与阻抗幅值之间的关系曲线图；

图6为检测到液滴蒸发过程中一个频率的电阻抗幅值随着时间的变化曲线，6a、6b、6c分别表示阻抗变化的三个阶段；

图7为本发明的微小液滴蒸发动态过程的检测系统的微电极阵列中的电极配置示意图；

附图标记：1、基板，2、一对电极，3、绝缘层，4、焊盘，5电极引线，6、微小液滴，7、电极所组成的检测阵列。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型技术方案作进一步详细描述。

如图1所示，本实用新型的阵列式微小液滴蒸发动态过程的检测系统，包含加工了微电极阵列的基板(玻璃或硅片)和阻抗测试仪，所述微电极阵列为由各个微电极结构元组成的阵列，每个微电极结构元包括暴露在基板1表面、可与溶液直接接触的至少一对电极2，电极(2)所在的金属层分别延展出由绝缘层3覆盖而形成的电极引线5、位于基板1边缘的焊盘4；电极引线5分别与所述电极2连接；将构成所述微电极阵列的各微电极结构元与所述基板1边缘的焊盘4连接起来，焊盘4用于连接阻抗测试仪。基板边缘的焊盘面积较大，没有覆盖绝缘层，可以与其它电路实现电气连接。电极的尺寸最小可以为2微米，构成电极阵列的各个电极之间的长、宽间距均为2微米。其中，所组成的阵列可以是各种适宜的阵列图形。

如图2、图3所示，微电极结构元包括暴露在基板之外、与溶液直接接触的的电极部分和覆盖了一层绝缘层而不能与溶液接触的引线部分。电极引线将基板中央的电极阵列与基板边缘的焊盘连接起来，基板边缘的焊盘面积较大，没有覆盖绝缘层，可以与其它电路实现电气连接。电极的尺寸最小可以为2微米，构成电极阵列的各个电极之间的长、宽间距均为2微米。图1所示的本实用新型的阵列式微小液滴蒸发动态过程的检测系统中A部分结构与此类似，只是焊盘在器件边缘。当进行微小液滴蒸发动态过程的检测时，将微小液滴6滴注置于基板1上，使得一对电极2位于微小液滴6中间，液滴将这一对电极完全覆盖于中央。通电后，在一定浓度范围c的强电解质(如KCl，NaCl等)微小水溶液液滴中，电极2与微小液滴3表面两个的接触部分形成界面电容C，液滴溶液相当于电阻R，用一对面积和间距都远小于液滴直径的电极检测阻抗Z，形成了如图4所示的本实用新型所基于阻抗检测微液滴蒸发测量的电学模型。

1、电导率(ρ)与浓度c成线性关系(k₀为常数)：

ρ＝k₀c (1)

电阻(R)为电导率的导数，l为电极间的距离(等效电阻线长度)，S为等效导体的横截面面积。其中浓度与液滴中初始含有的电解质质量β＝c(t)·V(t)，c(t)、V(t)分别为液滴某一时刻t的浓度、体积，而电解质不挥发所以其质量不变：

因此电阻部分(R)和体积(V)成正比。

2、电容部分。假如两个电极的形状相同，面积相等，则两个界面电容相等，均为C，且二者是串联关系，实际电容值为C/2，电容其中ε为介电常数，k静电力常熟，d是电容极板间距离，对于界面双电层电容，主要是由于电极表面的聚集正(负)电荷，吸引溶液中相应的负(正)离子在非常接近电极表面处，由于分子间斥力，离子与电极表面仍有一个非常小的距离d，从而形成一个“电容”的效果。因此d是固定的，且非常小。根据文献报道，介电常数的实部与电解质的浓度成反比，在一定范围内可以看作线性，介电常数的虚部与溶液浓度成正比，实际上被看作是电导率的一部分，由于电导率与浓度的关系前面已经讨论，故此处只需讨论介电常数的实部。根据文献报道，介电常数实部ε₀可近似用下式表示：

ε₀＝ε_0w·(1-0.2551c+0.0515c²-0.006889c³)≈ε_0w·(1-0.2551c) (5)

其中ε_0w为纯水的介电常数。

从而阻抗可以由电阻和电容引起的电抗组成：

其中，是一个常数，f为电信号的频率。公式(7)即为蒸发过程中电阻抗计算的基本表达式。因此阻抗Z可以看作是液滴体积的函数，测量阻抗，就可以反映液滴的体积变化。液滴蒸发时，液滴中的水分不断蒸发进入空气，液滴体积V不断减少，而电解质不会离开液滴，因此液滴中该强电解质的浓度C不断上升，阻抗相应的不断变化。检测阻抗的下降过程就能对蒸发过程进行监测。

具体的说，某一频率下的电阻抗幅值在液滴蒸发的过程中可以分为三个阶段，如图6所示的a、b、c三个阶段：

第一阶段，当V(t)＞＞0.2551β，即处于蒸发的早期阶段时，此时阻抗幅值变化与体积变化成线性关系(如图5所示，图6所示a阶段)。

第二阶段，在液滴蒸发后期，基本上不满足上述关系，应该用式(7)描述，由于(7)的虚部随着体积与0.2551β越来越接近，其值的变化是体积变化的倍数，这个倍数越来越大，导致阻抗变化的速度比体积下降更快(图6所示b阶段)。

第三阶段，液滴蒸发的末期，随着液体蒸发达到电解质的最大溶解度，电导率反而下降，此时前述推导的基础不复存在，式(7)不成立。此时也有电解质固体析出，这些都会增加电阻抗，而当液体完全干涸时，阻抗达到无穷大。因此阻抗下降的阶段会转换到一个阻抗快速上升的阶段，这个转折点也预示着液体即将蒸发完毕(图6所示c阶段)。

本实用新型不仅适用于微小液滴的测试；在阵列覆盖面积和电极尺寸等条件的调整满足之下，同样适用于各种液体、液面蒸发过程的观察和检测。