一种微电解池式微流量传感器的研制
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第!期 "##$ 年 " 月 文章编号： !##>:="!> （"##$ ） #!:##;!:#<
微细加工技术 %&’()*+,(&’+-பைடு நூலகம்). -/’0.)1)23
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一 种 微 电 解池 式 微 流 量 传 感 器 的 研 制
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张小娟
， 吴一辉 ， 贾宏光 ， 张8 平 ， 王淑荣 ， 宣8 明
M!
［$ ］ 的电解池 。
微细加工技术
!""# 年
中， 当流体通过主管道时， 由于分流作用， 侧管道中 微电极两端有流体流过而发生电解反应。反应后产 生的溶液将进入侧管道出口， 而主管道中流过的流 体将作为生化分析之用。在图 ;* 中， 将传感微电极 置于微反应池中， 主管道有流体流过时， 部分流体将 流入微反应池中， 使电极两端电路连通。在两种结构 中， 由电解产生的电流大小可确定流体流过的时间。 热线式流速计可制作在管径尺寸小于 !"" "4
#D "4 ， 侧管道与主管道尺寸成一定的比例， 主侧管 道之间呈一定的夹角 ! （ ;C" F G ! G E" F ）
（; 6 ! ） !% ’# （" ， (） ’9: ［ （ * 6 *" ） ］ ｝ （; ） #) 式中， ! 为电极反应电子得失数， % 为 <=1=>=? 常量， & 代表电极面积， # 为气体常数， ) 为绝对温度， "( ) 和 " * )为多相正向和逆向电极反应速率常数， "8 ) 为 * 5 * " 时多相电极反应速率常数或称标准电极反应 速率常数， ! 为转移系数。 超微电极电解池的内 阻决定于电极材 料的电 阻， 并与底液组成有关。对于电极自身的电阻， 如果 电极的一维尺寸为微米级， 则电阻并不是很大； 如果 达到纳米级， 则电阻会相应增加。来自电极表面溶 液的电阻则与溶剂有很大关系， 一般有机溶剂其 " 8 达到几十欧 厘米或几千欧 值 + 可按式 （! ） 进行计算。 + 5, 厘米。微电极的电阻
"5 中国科学院研究生院， 北京 !###>? ）
（!5 中国 科学院长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室， 长春 !>##>> ；
摘要： 基于电解质溶液导电的特性， 研制了可测量微升级流量的高灵敏度微电解池式微流量传感
器。由电解反应产生的电流大小确定流体流过的时间 !， 再根据流体流量 "、 管道截面积 # 及液体 通过的时间 !， 即可以得出流过管道的液体量。用流体仿真软件 ’*A 对所设计的器件进行仿真， 用 微机械加工工艺制作出微管道， 并用蒸镀及金属腐蚀的方法制作出微电极。实验表明， 所制作的 微电解池式微流量传感器符合仿真结果， 管道中有无流体时电流变化明显。传感器的灵敏度为蠕 动泵的泵速， 即 !5 $! !+ B C !1， 当蠕动泵的泵速为 #5 < D C EFG 时， 测得的电流值为 !# !"。
［ <］ ［ !］
目前的电化学 式流量计主要 用于对气体的 测 量。它利用电解质溶液在电解过程中产生电流的特 性， 将流量的测定转化为对电解过程中电流的测定。 为了解决微型生化分析仪对微流体流量标定的 问题， 开展了对微流量传感器的研究。生化试剂在 检测时， 温度需保持在正常的体温范围内， 而热流式 微流量计需要对流体加热， 非热式微流量计工艺复 杂。因此， 采用了微电解池式微流量传感原理， 工艺 简单且没有加热元件， 克服了以上两种方法的不足。 本文介绍了微电解池式微流量传感器的原理、 设计、 制作工艺及其测试。传感器制作工艺简单， 且 灵敏度高。
#" 实验原理
在电解池的两个电极上， 施加一定的电压以改 变电极电位， 使电极上发生电化学反应产生电流的 过程称为电解。超微电极电解池和普通电解池除了 形式和大小有所不同外并无本质的差别。超微电极 电解池的体积可以是毫升级， 也可以是微升级的小 型电解池或各类形状的薄层电解池或者是液体流动
。由于大
多数情况下都有运动部件的存在， 传统的非热流式 微流量测量方法的加工工艺稍复杂， 而且测试时绝 大多数都需要温度补偿， 这也在一定程度上限制了 其应用。
关8 键8 词： 微流量传感器； 微电解池； 微电极； ’*A 仿真； 硅加工工 艺 中图分类号： -H"!"8 8 8 文献标识码： +
!" 引言
微流量传感器是目前各种微流体系统 （蛋白质 分析、 基因检测、 微生化检测、 定量药物释放） 定标 的核心问题之一 ， 也 是微流体科学 （ 微小管道内 ［" ］ 流体的流动特性、 粘滞阻力等） 研究的前提条件 。 一种具有高灵敏度、 大动态范围的微小流量传感器 技术能使微流体系统具有更加精确的分析及定量能 ［ >］ 力， 并得到更广泛的应用 ， 同时， 也能够使与之相 关的科学研究更加深入， 结果具有更高的可信度。 按测试原理归纳， 微流量传感器可以分为热流 ［; ］ 式微流量测量技术和非热流式微流量测量技术 。 热流式微流量传感器工艺相对简单， 温度检测方法 成熟。但由于热在微细管道中的传播主要是以扩散 形式进行的， 对流作用十分微弱， 这使得流体温度均 匀性差， 不利于传感单元灵敏度的提高
［ C］ 的管道中 ， 而压力式流量计的管道尺寸在 D"" "4 ［ E］ 左右 。所设计的主管道的宽度为 !"" "4， 深度为
微电极上产生电流或者电位的改变， 其实质是 由于发生电解作用， 从而使电极表面上去极剂的氧 化态和还原剂的浓度比率发生相应的变化。在电极 反应中 % & !’ )* #， 当速率常 数 " ( ) " * ) "! + ， 称 " )
*
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为可逆反应， 若电极反应速率不是很快， 即 "( ) 和 "* ) 数值不是很大， 或者其数值较小， 则分别被称为准可 逆或不可逆反应； 其电流、 电位与电极表面氧化态和 还原态浓度及 " ( ) 和 " * )之间的关系表达式称为 ,-./
［ #］ 0’1/2304’1 公式 ， 即
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8 8 收稿日期： "##9:!#:"#； 修订日期： "##9:!!:#!
8 8 基金项目： 国家自然科学基金资助项目 （9#;$;#<<） ； =9> “微流体囊式阵列多光谱连续探测微小型生化分析系统研究” 资助项目 8 8 作者简介： 张小娟 （!?=! @ ） ， 女， 河南洛阳人， 硕士， 现主要从事微流体器件设计及工艺的研究。
微细加工技术 %&’()*+,(&’+-பைடு நூலகம்). -/’0.)1)23
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一 种 微 电 解池 式 微 流 量 传 感 器 的 研 制
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微细加工技术
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中， 当流体通过主管道时， 由于分流作用， 侧管道中 微电极两端有流体流过而发生电解反应。反应后产 生的溶液将进入侧管道出口， 而主管道中流过的流 体将作为生化分析之用。在图 ;* 中， 将传感微电极 置于微反应池中， 主管道有流体流过时， 部分流体将 流入微反应池中， 使电极两端电路连通。在两种结构 中， 由电解产生的电流大小可确定流体流过的时间。 热线式流速计可制作在管径尺寸小于 !"" "4
#D "4 ， 侧管道与主管道尺寸成一定的比例， 主侧管 道之间呈一定的夹角 ! （ ;C" F G ! G E" F ）
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（!5 中国 科学院长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室， 长春 !>##>> ；
摘要： 基于电解质溶液导电的特性， 研制了可测量微升级流量的高灵敏度微电解池式微流量传感
器。由电解反应产生的电流大小确定流体流过的时间 !， 再根据流体流量 "、 管道截面积 # 及液体 通过的时间 !， 即可以得出流过管道的液体量。用流体仿真软件 ’*A 对所设计的器件进行仿真， 用 微机械加工工艺制作出微管道， 并用蒸镀及金属腐蚀的方法制作出微电极。实验表明， 所制作的 微电解池式微流量传感器符合仿真结果， 管道中有无流体时电流变化明显。传感器的灵敏度为蠕 动泵的泵速， 即 !5 $! !+ B C !1， 当蠕动泵的泵速为 #5 < D C EFG 时， 测得的电流值为 !# !"。
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目前的电化学 式流量计主要 用于对气体的 测 量。它利用电解质溶液在电解过程中产生电流的特 性， 将流量的测定转化为对电解过程中电流的测定。 为了解决微型生化分析仪对微流体流量标定的 问题， 开展了对微流量传感器的研究。生化试剂在 检测时， 温度需保持在正常的体温范围内， 而热流式 微流量计需要对流体加热， 非热式微流量计工艺复 杂。因此， 采用了微电解池式微流量传感原理， 工艺 简单且没有加热元件， 克服了以上两种方法的不足。 本文介绍了微电解池式微流量传感器的原理、 设计、 制作工艺及其测试。传感器制作工艺简单， 且 灵敏度高。
#" 实验原理
在电解池的两个电极上， 施加一定的电压以改 变电极电位， 使电极上发生电化学反应产生电流的 过程称为电解。超微电极电解池和普通电解池除了 形式和大小有所不同外并无本质的差别。超微电极 电解池的体积可以是毫升级， 也可以是微升级的小 型电解池或各类形状的薄层电解池或者是液体流动
。由于大
多数情况下都有运动部件的存在， 传统的非热流式 微流量测量方法的加工工艺稍复杂， 而且测试时绝 大多数都需要温度补偿， 这也在一定程度上限制了 其应用。
关8 键8 词： 微流量传感器； 微电解池； 微电极； ’*A 仿真； 硅加工工 艺 中图分类号： -H"!"8 8 8 文献标识码： +
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微流量传感器是目前各种微流体系统 （蛋白质 分析、 基因检测、 微生化检测、 定量药物释放） 定标 的核心问题之一 ， 也 是微流体科学 （ 微小管道内 ［" ］ 流体的流动特性、 粘滞阻力等） 研究的前提条件 。 一种具有高灵敏度、 大动态范围的微小流量传感器 技术能使微流体系统具有更加精确的分析及定量能 ［ >］ 力， 并得到更广泛的应用 ， 同时， 也能够使与之相 关的科学研究更加深入， 结果具有更高的可信度。 按测试原理归纳， 微流量传感器可以分为热流 ［; ］ 式微流量测量技术和非热流式微流量测量技术 。 热流式微流量传感器工艺相对简单， 温度检测方法 成熟。但由于热在微细管道中的传播主要是以扩散 形式进行的， 对流作用十分微弱， 这使得流体温度均 匀性差， 不利于传感单元灵敏度的提高
［ C］ 的管道中 ， 而压力式流量计的管道尺寸在 D"" "4 ［ E］ 左右 。所设计的主管道的宽度为 !"" "4， 深度为
微电极上产生电流或者电位的改变， 其实质是 由于发生电解作用， 从而使电极表面上去极剂的氧 化态和还原剂的浓度比率发生相应的变化。在电极 反应中 % & !’ )* #， 当速率常 数 " ( ) " * ) "! + ， 称 " )
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为可逆反应， 若电极反应速率不是很快， 即 "( ) 和 "* ) 数值不是很大， 或者其数值较小， 则分别被称为准可 逆或不可逆反应； 其电流、 电位与电极表面氧化态和 还原态浓度及 " ( ) 和 " * )之间的关系表达式称为 ,-./
［ #］ 0’1/2304’1 公式 ， 即
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8 8 收稿日期： "##9:!#:"#； 修订日期： "##9:!!:#!
8 8 基金项目： 国家自然科学基金资助项目 （9#;$;#<<） ； =9> “微流体囊式阵列多光谱连续探测微小型生化分析系统研究” 资助项目 8 8 作者简介： 张小娟 （!?=! @ ） ， 女， 河南洛阳人， 硕士， 现主要从事微流体器件设计及工艺的研究。