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集成四电极阵列介电泳芯片的微球可控定位

发布时间:2020-12-24 02:04
  以聚苯乙烯(PS)微球为目标粒子,低电导率溶液为溶剂,基于介电泳操纵PS微球,结果表明四电极结构的阵列芯片下存在两种可控定位方式。室温条件下调控交流信号的电压与频率,结果表明,当电压为2Vp-p~5Vp-p、频率为1~10 kHz时,实现了PS微球的第一种定位方式;电压7Vp-p~10Vp-p、频率为10~25 MHz时,PS微球实现了第二种定位方式。仿真研究中通过有限元模拟了不同实验参数下PS微球的运动轨迹及电位变化,结果表明第二种可控定位方式下电位变化更小,而第一种可控定位方式更易操作。通过分析PS微球的受力及速度变化,说明在四电极操控体系下,增大负介电泳力有助于微球穿过低电位梯度区域到达理想目标位置。研究结果对基于介电泳实现微球定位及优化微流控芯片结构设计具有一定的参考意义。 

【文章来源】:微纳电子技术. 2020年08期 北大核心

【文章页数】:7 页

【部分图文】:

集成四电极阵列介电泳芯片的微球可控定位


PS微球的第一种可控定位方式

SEM图,阵列,微电极,芯片


阵列芯片采用石英玻璃作为基底,通过光刻、剥离及气相沉积法等标准微电子机械系统(MEMS)叠层工艺[18]制备。阵列芯片包含微电极阵列、引线及焊盘。微电极阵列包含多个操控单元。每个操控单元由四个对称分布的圆形定位电极与其中央的一对测量电极组成。定位电极用于实现基于介电泳的操控与定位,测量电极用于后续电化学阻抗谱[19]的测量。引线用以连接操控单元与焊盘,定位电极与测量电极均位于芯片表面,引线与电极之间存在SiO2绝缘层。考虑到芯片加工工艺、被操纵微粒的直径以及空间分辨率等因素,定位电极直径设计为100μm,相邻两个定位电极的圆心距为300μm,测量电极的长度为37μm、其间距为15μm。图1(a)为微电极阵列表面扫描电子显微镜(SEM)图,图1(b)为阵列芯片实物图。1.2 试剂与材料

变化曲线,芯片,仿真模型,有限元


有限元仿真模型如图2(a)所示,虚线圈区域为目标区域,操控单元的有限元模型长度、宽度和高度分别为500、500和200μm。通过添加电流、层流、流体传热及粒子追踪等物理场进行耦合动力学计算。有限元模型共分为三层结构,底层引线层、绝缘介质和中间微电极层。引线与微电极均为金材料,绝缘介质为SiO2。图2(b)为仿真模型中芯片的接线方式(图中w为频率,t为PS微球的运动时间),两个测量电极接地,两对位置垂直的定位电极分别施加同频率同电压的正弦信号,但相位差为180°。在此模拟条件下,芯片表面的电场强度(E)分布如图2(c)所示,测量电极以及模型四个角落上的电场强度相对较弱。根据文献[16]报道,介电泳操控分为正负介电泳,判断依据为介电泳公式中克劳子因子(fCM)实部Re fCM的正负。Re fCM的正负分别对应了正负介电泳。由图2(d)可知,在1 kHz~100 MHz频率内,Re fCM<0,说明本文所用模型中的PS微球始终受到负介电泳力的作用。从理论分析来看,本文模型中的微球并不会在电力线集中位置定位,而是通过负介电泳力定位于芯片电场强度较弱的位置。介电泳芯片定位微球实验的材料参数列于表1[20-21]。

【参考文献】:
期刊论文
[1]Simulation Study on the Controllable Dielectrophoresis Parameters of Graphene[J]. 冀健龙,刘亚丽,葛阳,解胜东,张希,桑胜波,菅傲群,段倩倩,张强,张文栋.  Chinese Physics Letters. 2017(04)



本文编号:2934764

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