介電潤(rùn)濕驅(qū)動(dòng)

1、介電潤(rùn)濕驅(qū)動(dòng) 專業(yè)班級(jí)： 材料43學(xué)生姓名： 王宏輝學(xué) 號(hào)： 2140201060完成時(shí)間： 2017年3月29日 介電潤(rùn)濕驅(qū)動(dòng)微流控系統(tǒng)因具有樣品消耗小、檢測(cè)效率高、易于和其他技術(shù)設(shè)備集成等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在化學(xué)分析、生物醫(yī)療、食品衛(wèi)生及環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。在微流控系統(tǒng)中，對(duì)微、納升級(jí)別的液滴實(shí)施精確操作和驅(qū)動(dòng)一直是其核心和關(guān)鍵。在眾多的微流控驅(qū)動(dòng)技術(shù)中，介電潤(rùn)濕驅(qū)動(dòng)是一種利用電壓對(duì)導(dǎo)電液滴實(shí)施操控的新型致動(dòng)原理，具有調(diào)控范圍廣、響應(yīng)靈敏、可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)，目前在各類微流控芯片、光學(xué)元器件及顯示設(shè)備中都有著非常廣泛的應(yīng)用，為國(guó)內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)所重視。介質(zhì)上電潤(rùn)濕(Electrowet

2、ting-on-dielectric，EWOD)由電潤(rùn)濕演變發(fā)展而來(lái)，電潤(rùn)濕現(xiàn)象最早是由法國(guó)科學(xué)家Lippmann于1 8 7 5年發(fā)現(xiàn)，Lippmann通過(guò)在汞和電解液之間施加電壓，發(fā)現(xiàn)電解液與汞電極接觸界面的潤(rùn)濕特性發(fā)生明顯改變。1 9 3 6年，F(xiàn)roumkine通過(guò)對(duì)金屬與附著于其表面的導(dǎo)電液滴間施加電場(chǎng)改變了液滴形狀，并成功實(shí)現(xiàn)了液滴的移動(dòng)。但是由于該液滴直接與金屬電極接觸，液滴的移動(dòng)速度極為緩慢，而且所施加的電壓極易導(dǎo)致液滴被電解而產(chǎn)生氣泡，使得電潤(rùn)濕的發(fā)展遇到了瓶頸。直到20世紀(jì)90年代，法國(guó)科學(xué)家Berge借鑒原有的電潤(rùn)濕理論模型,通過(guò)在金屬電極表面涂覆一層具有較好疏水性能的介

3、電材料來(lái)防止電極與導(dǎo)電液滴直接接觸，避免電極與液滴之間產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng),實(shí)現(xiàn)了電壓控制液滴在介電層表面的移動(dòng)和變形，也就是介質(zhì)上電潤(rùn)濕，簡(jiǎn)稱介電潤(rùn)濕。介電潤(rùn)濕驅(qū)動(dòng)原理利用介電潤(rùn)濕效應(yīng)驅(qū)動(dòng)液滴動(dòng)作的原理在于通過(guò)對(duì)嵌在介電層下的微電極陣列施加電壓來(lái)改變介電層與附著于其表面導(dǎo)電液滴間的潤(rùn)濕特性，使液-固接觸角發(fā)生變化，造成液滴兩端不對(duì)稱形變，促使液滴內(nèi)部產(chǎn)生壓強(qiáng)差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴變形或運(yùn)動(dòng)的操作與控制，如圖1所示。介電材料在介電潤(rùn)濕器件中的作用目前已報(bào)道的基于介電潤(rùn)濕效應(yīng)制作而成的器件多種多樣，包括生化分析微流控芯片、顯示元件以及可變焦液體透鏡等。雖然這些不同用途的介電潤(rùn)濕器件所用材料和結(jié)構(gòu)形式不盡相

4、同，但概括起來(lái)一般由4個(gè)基本部分組成:基底、電極、介電層、導(dǎo)電液滴。圖1展示了兩種典型的介電潤(rùn)濕器件結(jié)構(gòu)形式。相比其他組成部分，介電層的加入雖不可避免對(duì)所需施加的驅(qū)動(dòng)電壓及制作工藝有了更高的要求，但很大程度上消除了電解現(xiàn)象的發(fā)生增，大了導(dǎo)電液滴與所附著固體表面間接觸角的變化范圍,使得系統(tǒng)發(fā)生電潤(rùn)濕的現(xiàn)象更加明顯,而且極大地促進(jìn)了電潤(rùn)濕在各類微流控芯片、可變焦液體透鏡、顯示器等光電器件中的應(yīng)用。因此，選取適當(dāng)?shù)慕殡姴牧献鳛樗O(shè)計(jì)介電潤(rùn)濕器件的介電層十分必要。介電材料的選取原則介電潤(rùn)濕器件中介電材料的選取可以參照Young-Lippmann方程式中:為電壓為V時(shí)導(dǎo)電液滴與介電層間的接觸角，0為施加

5、電壓為零時(shí)導(dǎo)電液滴與介電層間的接觸角，r為所選介電材料的相對(duì)介電常數(shù)，0為真空介電常數(shù)，d是介電層厚度，lv為氣-液表面自由能。由Young-Lippmann方程可以得到提高接觸角變化范圍，即提高系統(tǒng)電潤(rùn)濕效果的兩種方法或原則：(1)選用自身具有優(yōu)良疏水性能的介電材料或者在疏水性較差的介電材料表面沉積一層疏水層,以提高系統(tǒng)的初始接觸角；(2)選取具有較高介電常數(shù)的介電材料，減小介電層厚度，同時(shí)保證介電層擁有足夠的介電強(qiáng)度，防止驅(qū)動(dòng)電壓較高時(shí)介電層被擊穿。應(yīng)用于介電潤(rùn)濕驅(qū)動(dòng)中的介電材料主要有聚合物介電材料和無(wú)機(jī)介電材料兩大類。近年來(lái)介電材料在以介電潤(rùn)濕為原理制作的各類微流控芯片、光學(xué)元件、顯示元

6、件等器件中得到了廣泛的應(yīng)用。以聚四氟乙烯為例：聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene,PTFE)是使用氟取代聚乙烯中所有的氫原子而制備出的一系列不定形含氟聚合物樹脂。實(shí)際應(yīng)用中,通過(guò)旋涂或噴涂法制備的聚四氟乙烯薄膜具有優(yōu)異的透光性、化學(xué)穩(wěn)定性和電學(xué)特性等,此外又由于其疏水性較好,與液滴的接觸角接近1 20°,因此可以同時(shí)滿足介電潤(rùn)濕器件對(duì)疏水性和絕緣性的要求。李顯歌等以聚四氟乙烯作為介電疏水層設(shè)計(jì)制備了一塊3英寸的介電潤(rùn)濕分段顯示模組，該模組包括1 2個(gè)單獨(dú)控制的區(qū)域，每個(gè)單獨(dú)控制區(qū)域內(nèi)含6 5 34個(gè)像素，實(shí)驗(yàn)中又對(duì)聚四氟乙烯作為疏水介電材料的可靠性以及可能造成失效的原因進(jìn)行了探究。Barbulovic-Nad等基于介電潤(rùn)濕原理，以聚四氟乙烯為介電疏水材料制備了一種可以獨(dú)立實(shí)現(xiàn)片上細(xì)胞粘附、細(xì)胞培養(yǎng)基液更換、細(xì)胞的洗脫以及細(xì)