University of Oulu

Dielectrophoretic mobility of a spherical particle in 2D hyperbolic quadrupole electrode geometry

Saved in:
Author: Haapalainen, Mikko
Organizations: University of Oulu Graduate School
University of Oulu, Faculty of Technology, Department of Electrical Engineering, Optoelectronics and Measurement Techniques Laboratory
Format: eBook
Online Access: PDF Full Text (PDF, 2.1 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526202648
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2013
Publish Date: 2013-11-12
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in Kuusamonsali (Auditorium YB210), Linnanmaa, on 22 November 2013, at 12 noon
Tutor: Professor Anssi Mäkynen
Reviewer: Doctor Artashes Karmenyan
Doctor Risto Oikari
Opponent: Doctor Artashes Karmenyan
Docent Toni Laurila
Description:

Abstract

The dielectric properties of material are of importance in various industrial and scientific applications of measurement technology. These properties are usually measured by microwave sensors, methods that provide an average result of the entire sample volume. However, the need to know the dielectric properties of single particles has increased in various segments. Dielectrophoresis (DEP) as a method provides a way to determine dielectric properties, such as permittivity and conductivity, of single particles with good precision by using a sufficiently simple system.

In this thesis the DEP platform consists of four electrodes with hyperbolic edge geometry. Geometry produces a linear electric field gradient which leads to a constant DEP force in the active region and ensures fairly straightforward determination of particle properties by means of their DEP mobility. Particle mobility is dependent on particle size, the slope of the electric field gradient, the conductivity of the carrier fluid and the frequency of the electric field.

For this thesis has been studied particle characterization on a 2D platform, particle 3D behavior, simultaneous multiphenomena observation and the applicability of transparent indium-tin-oxide (ITO) electrode material to DEP platforms. Experiments were made with polystyrene particles, using carrier fluids of varying conductivity. Electrode transparency enabled holographic 3D imaging and thus also the observation of particle behavior in the depth direction. This 3D imaging revealed the restricted working distance from the electrode plane, as well as the mobility of particles in the depth dimension under the DEP force. It was also observed that there was only a marginal difference between 3D mobility and 2D mobility inside the active region. The dielectric properties of the polystyrene particles were determined and found to differ from those of solid polystyrene, and thus the properties of the carrier fluid have a distinctive effect on particle properties. The measurement achieved good precision in a single particle measurement and thus the total particle consistency could be very low.

The main restrictions of the DEP method are the limited working distance and restricted range of particle sizes: based on the results of this thesis, with a fixed size platform the particle size may not vary by more than tenfold.


Tiivistelmä

Materiaalin dielektriset ominaisuudet ovat merkittäviä monissa teollisissa sekä tieteellisissä mittausteknisissä sovelluksissa. Yleensä nämä ominaisuudet mitataan mikroaaltosensoreilla, joilla mitataan näytetilavuuden keskiarvo. Tarve tietää yksittäisen partikkelin dielektriset ominaisuudet on kuitenkin lisääntynyt useilla segmenteillä. Dielektroforeesi (DEP) on menetelmä, jolla voidaan toistettavasti mitata yksittäisen partikkelin permittiivisyys ja johtavuus suhteellisen yksinkertaisella mittaussysteemillä.

Tässä työssä DEP-alusta koostuu neljästä elektrodista, joilla on hyperbelin muotoinen elektrodin reunan muoto. Geometria tuottaa lineaarisen sähkökentän gradientin, mikä johtaa vakio DEP-voimaan alustan aktiivisella alueella. Niinpä partikkelin ominaisuuksien määrittely niiden liikkuvuuden perusteellä on suoraviivaista. Liikkuvuus on riippuvainen partikkelin koosta, sähkökentän gradientin kulmakertoimesta, kantajaliuoksen johtavuudesta sekä käytetyn sähkökentän taajuudesta.

Työssä on tutkittu partikkelin karakterisointia 2D-alustalla, partikkelin 3D-käyttäytymistä, samanaikaista moni-ilmiötarkkailua sekä indium-tina-oksidi (ITO) elektrodimateriaalin soveltuvuutta DEP-alustoihin. Kokeet tehtiin polystyreenipartikkeleilla käyttäen eri johtavuuksisia kaliumkloridi-kantajaliuoksia. Elektrodien läpinäkyvyys mahdollisti holografisen 3D-kuvantamisen, jonka avulla havaittiin alustan rajallinen toimintaetäisyys sekä partikkelin syvyyssuuntainen liike DEP-voiman vaikutuksesta. Kuitenkin 3D- ja 2D-liikkeen välillä havaittiin vain vähäinen ero. Määritellyt partikkelin dielektriset ominaisuudet eroavat kiinteän polystyreenin arvoista, jolloin kantajaliuoksen ominaisuuksilla on merkittävä vaikutus määriteltyihin partikkelin ominaisuuksiin. Mittauksilla saavutettiin hyvä toistettavuus jopa yksittäisen partikkelin mittauksista, niinpä näytteen partikkelipitoisuus voi olla erittäin pieni.

DEP-menetelmän merkittävimpiä rajoitteita ovat rajallinen toimintaetäisyys sekä rajallinen partikkelikoon variaatio, mikä voi olla yhdellä DEP-alustalla noin kymmenkertainen.


Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-0264-8
ISBN Print: 978-952-62-0263-1
Issue: 471
Subjects:
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.