Experimental Characterization Of Electrical Current Leakage In Poly(Dimethylsiloxane) Microfluidic Devices

Poly(dimethylsiloxane) (PDMS) is usually considered as a dielectric material and the PDMS microchannel wall can be treated as an electrically insulated boundary in an applied electric field. However, in certain layouts of microfluidic networks, electrical leakage through the PDMS microfluidic channel walls may not be negligible, which must be carefully considered in the microfluidic circuit design. In this paper, we report on the experimental characterization of the electrical leakage current through PDMS microfluidic channel walls of different configurations. Our numerical and experimental studies indicate that for tens of microns thick PDMS channel walls, electrical leakage through the PDMS wall could significantly alter the electrical field in the main channel. We further show that we can use the electrical leakage through the PDMS microfluidic channel wall to control the electrolyte flow inside the microfluidic channel and manipulate the particle motion inside the microfluidic channel. More specifically, we can trap individual particles at different locations inside the microfluidic channel by balancing the electroosmotic flow and the electrophoretic migration of the particle.

基于介电泳的电极阵列电场仿真研究

介电泳方法被广泛地应用于微纳颗粒的分离和操纵中,实现介电泳操作的关键是设计满足所需电场分布的电极阵列。针对目前在微电极阵列设计中尚缺乏简单有效的电场解析方法的现状,提出一种基于格林公式的电极阵列电场的解析方法。首先介绍了传统介电泳和行波介电泳的概念和计算模型,分析了介电泳过程与电极上所施加的交变电压的频率和幅度的关系,然后在确立电极电势的边界条件的基础上,采用基于格林公式的电场解析方法,建立了非均匀电场的解析模型,得出不同条件下的电极阵列电场分布的仿真结果,最后利用FEMLAB有限元仿真软件对解析模型进行了对比仿真,验证了该解析模型的可行性。基于格林公式的电场解析求解方法能够有效地提高电极阵列设计中的针对性以及缩短电极设计的时间。

基于行波介电泳原理的微粒操纵系统及实验研究

随着微/纳米器件及传感器制造的发展,需要一种对大量粒子进行有效操纵的方法,在此背景下,本文介绍了利用行波介电泳方法对大量微粒进行定位和传输操纵的实现方法,分析了利用行波电泳进行微粒操纵所需要的条件,介绍了实现行波介电泳微粒操控的实验系统及实验操作过程,并在该实验系统下实现了对聚苯乙烯小球悬浮及水平传输操纵实验。该系统方法和实现技术为液体环境下微/纳粒子的装配和分离提供了一种可行技术。

面向CNT基纳米器件的DEP装配实验研究

碳纳米管(Carbon nanotube,CNT)由于独特的纳米结构以及优异的物理、化学特性,在纳米器件领域具有广阔的应用前景。有效的CNT的操控与装配方法对于其在上述领域的研究应用是至关重要的。为此,本文在分析非均匀电场条件下CNT所受介电泳(Dielectrophoresis,DEP)力模型的基础上,构建了基于DEP力的CNT装配实验系统。本文进行了多壁碳纳米管(MWNTs)的装配实验;并测试了MWCNTs束的电特性。

碳纳米管场效应晶体管的自动化装配方法研究

自碳纳米管(Carbon nanotube,CNT)被发明以来,研究者就对CNT所表现出来的优异的物理、化学以及电学特性产生了浓厚的兴趣。近年来,CNT基纳米器件的研究取得了重要进展。特别是利用半导体性CNT制造的碳纳米管场效应晶体管(Carbon nanotube field effect transistor,CNT-FET),在化学传感器以及生物传感器等领域表现出了巨大的应用潜力。为此,本文首先介绍了目前CNT-FET制造方法的研究现状。对基于介电泳(Dielectrophoresis,DEP)的CNT-FET制造方法进行了系统分析,构建了基于DEP方法可实现碳纳米管场效应晶体管的自动化装配的微滴定实验系统。本文进行的CNT-FET装配实验,证明了该系统的有效性。

基于介电泳的微粒操纵方法研究

一些微纳米尺度的物质，如细胞、DNA、碳纳米管、纳米颗粒等具有很多独特的电磁学、力学、热学以及物理、化学性能，因此在纳米电子学、微纳米机械系统、生物医学、生命科学等领域具有广泛的科学研究价值和应用前景，而目前像原子力显微镜和光镊等微纳操作手段由于价格昂贵、设备体积较大、操作单一化，还无法满足微尺度下的大规模并行化组装的需要。介电泳技术作为一种有效的微纳操纵和装配手段，不需要大型设备、操作简单、能进行批量组装，并且能够与芯片实验室的其它功能模块相结合，已经成为微纳米对象操作中的一项重要技术。介电泳技术利用微电极阵列产生空间电场，使被操纵的微粒发生极化，然后利用两者相互作用而产生的介电泳力，驱动极化的微粒在液体媒质中定向运动，配合流体动力以及势阱技术等，可以实现如细胞分离、DNA展开、细胞阵列排布、CNT批量组装等功能。本文作者以液体环境下的微米尺度的微粒传输和装配为应用背景，在详细分析介电泳技术的形成机制和微粒的各种受力的基础上，建立了以微电极阵列、微流体通道、三维微动平台和显微镜为主的介电泳实验系统，进行了各种介电泳实验，完成了相关微电极阵列的电场解析和数值求解，并对基于介电泳的三维势阱技术进行了研究，介绍了几种三维势阱的加工工艺，对十字交叉势阱电极的电场强度分布进行了仿真和分析，并结合移动波式电泳和势阱电泳的优点，设计了一种能够对微粒进行驱动和捕获的微电极阵列，通过改变施加在电极上的电压相位和大小，可以进行如传输、分层悬浮、微粒捕捉以及微粒释放等功能。本文对利用介电泳技术进行微粒操纵进行了详细的分析，实现了利用介电泳芯片进行聚苯乙烯小球的水平传输，设计了对未知微粒的介电常数特性进行测量的实验，利用傅立叶变换和格林公式对水平交叉电极阵列的电场分布进行了解析求解，完成了三维势阱阵列的仿真和设计。