本實(shí)用新型涉及微流體技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種微小液滴蒸發(fā)過程的檢測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有技術(shù)中，針對本實(shí)用新型涉及的微小液滴蒸發(fā)動(dòng)態(tài)過程的檢測這一技術(shù)主題，通常有三種實(shí)現(xiàn)方法，(1)顯微照相方法，該方法是通過顯微鏡對微小液滴進(jìn)行實(shí)時(shí)拍照，從而掌握微小液滴蒸發(fā)動(dòng)態(tài)過程，實(shí)現(xiàn)檢測。這種方法適用于對液滴的體積變化的定性分析，要進(jìn)行定量測量比較困難，且需要顯微鏡、CCD等設(shè)備近距離觀測。(2)稱重方法，對被測微小液滴的重量進(jìn)行測量，根據(jù)重量變化間接獲得微小液滴蒸發(fā)動(dòng)態(tài)過程。這種方法適于比較大的液滴，對于小于1微升體積小的液滴難以檢測，而且這種方法無法對液滴不同部位的蒸發(fā)速度進(jìn)行對比。(3)電化學(xué)方法，利用電極與被測微小液滴所產(chǎn)生的電化學(xué)反應(yīng)，基于電路測得電極的輸出電流，根據(jù)電流間接獲得微小液滴蒸發(fā)動(dòng)態(tài)過程。這種方法能夠?qū)Σ煌课坏恼舭l(fā)速度進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，但是它需要特定的化學(xué)物質(zhì)在電極上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，應(yīng)用范圍受限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本實(shí)用新型的一種微小液滴蒸發(fā)過程的陣列式檢測系統(tǒng)，用于對一定環(huán)境中附著在平坦固體表面的微小液滴蒸發(fā)過程實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的檢測。

本實(shí)用新型提出了一種微小液滴蒸發(fā)動(dòng)態(tài)過程的陣列式檢測系統(tǒng)，該檢測系統(tǒng)包括加工了微電極陣列的基板1和阻抗測試儀；所述微電極陣列為由各個(gè)微電極結(jié)構(gòu)元組成的陣列，每個(gè)微電極結(jié)構(gòu)元包括暴露在基板1表面、可與溶液直接接觸的至少一對電極2，電極2所在的金屬層分別延展出由絕緣層3覆蓋而形成的電極引線5、位于基板1邊緣的焊盤4；電極引線5分別與所述電極2連接；將構(gòu)成所述微電極陣列的各微電極結(jié)構(gòu)元與所述基板1邊緣的焊盤4連接起來，焊盤4用于連接阻抗測試儀。

構(gòu)成微電極陣列的至少一對電極2的尺寸和間距都遠(yuǎn)小于被測液滴的尺寸。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的傳感器件體積小巧，可以對液滴蒸發(fā)過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)、定量監(jiān)測，并對液滴的不同部位的蒸發(fā)過程進(jìn)行同時(shí)檢測而不需要液滴內(nèi)的物質(zhì)在電極上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此本實(shí)用新型相比現(xiàn)有技術(shù)可以更靈活地運(yùn)用到不同的應(yīng)用場合，例如，液滴細(xì)胞培養(yǎng)，外界環(huán)境變化(如熱交換、氣流速度)對微液滴不同部位蒸發(fā)動(dòng)態(tài)過程的監(jiān)測研究等。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的微小液滴蒸發(fā)動(dòng)態(tài)過程的檢測系統(tǒng)，其陣列式電極可測量同一液滴不同部位的蒸發(fā)速度差異，本圖的陣列中液滴覆蓋了4×4＝16個(gè)檢測單元；電極陣列的大小、間距可以盡量小，從而一個(gè)液滴可以覆蓋的電極陣列的數(shù)量越多，檢測阻抗“圖像”的空間分辨率越高。

圖2為微電極結(jié)構(gòu)元主視圖(以一對電極為例，圖1中的A區(qū)域)；

圖3為微電極結(jié)構(gòu)元俯視圖(以一對電極為例，圖1中的A區(qū)域)；

圖4為阻抗檢測微液滴蒸發(fā)測量的電學(xué)模型示意圖；

圖5為蒸發(fā)過程前期液滴質(zhì)量(體積)與阻抗幅值之間的關(guān)系曲線圖；

圖6為檢測到液滴蒸發(fā)過程中一個(gè)頻率的電阻抗幅值隨著時(shí)間的變化曲線，6a、6b、6c分別表示阻抗變化的三個(gè)階段；

圖7為本發(fā)明的微小液滴蒸發(fā)動(dòng)態(tài)過程的檢測系統(tǒng)的微電極陣列中的電極配置示意圖；

附圖標(biāo)記：1、基板，2、一對電極，3、絕緣層，4、焊盤，5電極引線，6、微小液滴，7、電極所組成的檢測陣列。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本實(shí)用新型技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

如圖1所示，本實(shí)用新型的陣列式微小液滴蒸發(fā)動(dòng)態(tài)過程的檢測系統(tǒng)，包含加工了微電極陣列的基板(玻璃或硅片)和阻抗測試儀，所述微電極陣列為由各個(gè)微電極結(jié)構(gòu)元組成的陣列，每個(gè)微電極結(jié)構(gòu)元包括暴露在基板1表面、可與溶液直接接觸的至少一對電極2，電極(2)所在的金屬層分別延展出由絕緣層3覆蓋而形成的電極引線5、位于基板1邊緣的焊盤4；電極引線5分別與所述電極2連接；將構(gòu)成所述微電極陣列的各微電極結(jié)構(gòu)元與所述基板1邊緣的焊盤4連接起來，焊盤4用于連接阻抗測試儀?；暹吘壍暮副P面積較大，沒有覆蓋絕緣層，可以與其它電路實(shí)現(xiàn)電氣連接。電極的尺寸最小可以為2微米，構(gòu)成電極陣列的各個(gè)電極之間的長、寬間距均為2微米。其中，所組成的陣列可以是各種適宜的陣列圖形。

如圖2、圖3所示，微電極結(jié)構(gòu)元包括暴露在基板之外、與溶液直接接觸的的電極部分和覆蓋了一層絕緣層而不能與溶液接觸的引線部分。電極引線將基板中央的電極陣列與基板邊緣的焊盤連接起來，基板邊緣的焊盤面積較大，沒有覆蓋絕緣層，可以與其它電路實(shí)現(xiàn)電氣連接。電極的尺寸最小可以為2微米，構(gòu)成電極陣列的各個(gè)電極之間的長、寬間距均為2微米。圖1所示的本實(shí)用新型的陣列式微小液滴蒸發(fā)動(dòng)態(tài)過程的檢測系統(tǒng)中A部分結(jié)構(gòu)與此類似，只是焊盤在器件邊緣。當(dāng)進(jìn)行微小液滴蒸發(fā)動(dòng)態(tài)過程的檢測時(shí)，將微小液滴6滴注置于基板1上，使得一對電極2位于微小液滴6中間，液滴將這一對電極完全覆蓋于中央。通電后，在一定濃度范圍c的強(qiáng)電解質(zhì)(如KCl，NaCl等)微小水溶液液滴中，電極2與微小液滴3表面兩個(gè)的接觸部分形成界面電容C，液滴溶液相當(dāng)于電阻R，用一對面積和間距都遠(yuǎn)小于液滴直徑的電極檢測阻抗Z，形成了如圖4所示的本實(shí)用新型所基于阻抗檢測微液滴蒸發(fā)測量的電學(xué)模型。

1、電導(dǎo)率(ρ)與濃度c成線性關(guān)系(k₀為常數(shù))：

ρ＝k₀c (1)

電阻(R)為電導(dǎo)率的導(dǎo)數(shù)，l為電極間的距離(等效電阻線長度)，S為等效導(dǎo)體的橫截面面積。其中濃度與液滴中初始含有的電解質(zhì)質(zhì)量β＝c(t)·V(t)，c(t)、V(t)分別為液滴某一時(shí)刻t的濃度、體積，而電解質(zhì)不揮發(fā)所以其質(zhì)量不變：

因此電阻部分(R)和體積(V)成正比。

2、電容部分。假如兩個(gè)電極的形狀相同，面積相等，則兩個(gè)界面電容相等，均為C，且二者是串聯(lián)關(guān)系，實(shí)際電容值為C/2，電容其中ε為介電常數(shù)，k靜電力常熟，d是電容極板間距離，對于界面雙電層電容，主要是由于電極表面的聚集正(負(fù))電荷，吸引溶液中相應(yīng)的負(fù)(正)離子在非常接近電極表面處，由于分子間斥力，離子與電極表面仍有一個(gè)非常小的距離d，從而形成一個(gè)“電容”的效果。因此d是固定的，且非常小。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，介電常數(shù)的實(shí)部與電解質(zhì)的濃度成反比，在一定范圍內(nèi)可以看作線性，介電常數(shù)的虛部與溶液濃度成正比，實(shí)際上被看作是電導(dǎo)率的一部分，由于電導(dǎo)率與濃度的關(guān)系前面已經(jīng)討論，故此處只需討論介電常數(shù)的實(shí)部。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，介電常數(shù)實(shí)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為純水的介電常數(shù)。

從而阻抗可以由電阻和電容引起的電抗組成：

其中，是一個(gè)常數(shù)，f為電信號的頻率。公式(7)即為蒸發(fā)過程中電阻抗計(jì)算的基本表達(dá)式。因此阻抗Z可以看作是液滴體積的函數(shù)，測量阻抗，就可以反映液滴的體積變化。液滴蒸發(fā)時(shí)，液滴中的水分不斷蒸發(fā)進(jìn)入空氣，液滴體積V不斷減少，而電解質(zhì)不會離開液滴，因此液滴中該強(qiáng)電解質(zhì)的濃度C不斷上升，阻抗相應(yīng)的不斷變化。檢測阻抗的下降過程就能對蒸發(fā)過程進(jìn)行監(jiān)測。

具體的說，某一頻率下的電阻抗幅值在液滴蒸發(fā)的過程中可以分為三個(gè)階段，如圖6所示的a、b、c三個(gè)階段：

第一階段，當(dāng)V(t)＞＞0.2551β，即處于蒸發(fā)的早期階段時(shí)，此時(shí)阻抗幅值變化與體積變化成線性關(guān)系(如圖5所示，圖6所示a階段)。

第二階段，在液滴蒸發(fā)后期，基本上不滿足上述關(guān)系，應(yīng)該用式(7)描述，由于(7)的虛部隨著體積與0.2551β越來越接近，其值的變化是體積變化的倍數(shù)，這個(gè)倍數(shù)越來越大，導(dǎo)致阻抗變化的速度比體積下降更快(圖6所示b階段)。

第三階段，液滴蒸發(fā)的末期，隨著液體蒸發(fā)達(dá)到電解質(zhì)的最大溶解度，電導(dǎo)率反而下降，此時(shí)前述推導(dǎo)的基礎(chǔ)不復(fù)存在，式(7)不成立。此時(shí)也有電解質(zhì)固體析出，這些都會增加電阻抗，而當(dāng)液體完全干涸時(shí)，阻抗達(dá)到無窮大。因此阻抗下降的階段會轉(zhuǎn)換到一個(gè)阻抗快速上升的階段，這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)也預(yù)示著液體即將蒸發(fā)完畢(圖6所示c階段)。

本實(shí)用新型不僅適用于微小液滴的測試；在陣列覆蓋面積和電極尺寸等條件的調(diào)整滿足之下，同樣適用于各種液體、液面蒸發(fā)過程的觀察和檢測。