介質上電潤濕原理及其應用

1、介質上電潤濕原理及其應用介質上電潤濕原理及其應用摘要：介紹了介質上電潤濕的研究背景以及基本理論和基本的運動操控方式，描述了EWOD在芯片實驗室、微透鏡、光纖、電子顯示器等方面的原理及應用。最后介紹了介質上電潤濕所面對的困難和前景。關鍵詞：電潤濕微流體表面張力1 簡介電潤濕是指通過調整施加在液體-固體電極之間的電勢，來改變液體和固體之間的表面張力，從而改變兩者之間的接觸角。早在1875年，法國科學家Lippmann觀察到在汞和電解液之間加電壓，會出現(xiàn)的毛細下降現(xiàn)象；并提出了著名的Lippmann-Young方程。1993年Berge在電潤濕模型中引入了介電層，以盡量消除電解的發(fā)生，這被稱為介質上

2、電潤濕（electrowetting-on-dielectric，EWOD）（圖1）1。圖1 介質上的電濕潤(EWOD)介質上電潤濕是一種電控表面張力驅動方式。它通過在介質膜下面的微電極陣列上施加電勢來改變介質膜與表面液體的潤濕特性。典型的EWOD器件通常采用三層結構（圖2），即受控液滴被夾在上、下兩極板之間。下極板由襯底、微電極陣列、絕緣層以及疏水層構成。疏水層可以保證液滴運動過程的平滑和穩(wěn)定。上下極板之間的填充物質可以是空氣或者是硅油，硅油可以作為潤滑劑，降低液滴的驅動阻尼，使驅動電壓下降，而且可以減少液滴的蒸發(fā)，但它可能會對液滴產(chǎn)生污染，從而一定程度上限制了它在生物化學等方面的應用。在E

3、WOD裝置中，絕緣層材料也有多種選擇，如表面覆蓋Teflon的SiO22、Teflon3。圖2 典型EWOD的三層結構另一種EWOD裝置采用共面電極設計，正負電極全部做在下極板47。如圖3所示，這種共面電極裝置無需上極板；并且可以加工在PCB電路板上，同時可集成高密度電極58。圖3 (a)單層共面微電極陣列9. (b)PCB上的EWOD電極板剖面102 基本原理如圖4(a)所示，初始情況下忽略重力的影響，液滴在疏水介質層表面的三相接觸角0可以由Young氏方程表示為：cos0=(sg - sl)1g其中sg、sl和1g分別是疏水固體/空氣、疏水固體/液滴以及液滴/空氣之間的表面張力。一般來講，

4、離散液滴在疏水表面的三相接觸角都大于90o。當在電極和液滴之間施加電勢V后，疏水固體/液滴之間的表面張力變小，其關系由Lippmann方程描述為：s1v = sl 0r v22d其中, s1、s1v分別是外加電勢前、后的疏水固體/液滴之間的表面張力，0、r分別是真空的介電常數(shù)和介質層的有效介電常，d是疏水介質層有效厚度。由于疏水固體/液滴表面張力變小，導致疏水表面的液滴三相接觸角變小，見圖4(b)。外加電勢后的三相接觸角v可以由上面兩方程推導而成，即由Lippmann -Young方程表示為cosv=cos0+0r v22d1g圖4 介質上電潤濕系統(tǒng)示意圖由Lippmann-Young方程可以

5、看出,液滴的三相接觸角隨外加電勢v的絕對值增大而變小,而且它與介質層的厚度、介電常數(shù)都有關。圖5 三層結構驅動器的截面圖圖5是三層結構驅動器的截面圖。當開關k開啟時，液滴的形狀成對稱分布。見圖中虛線部分，液滴與上、下極板的接觸角分別是t和0，忽略重力的影響，其值都為疏水表面的初始接觸角；當開關k閉合時，由于介質上電潤濕作用，液滴與右側極板間的接觸角發(fā)生變化，見圖中實線部分。由于上極板疏水層厚度很薄，上層疏水層電容很大，外加電壓的分壓很小，因此在上極板的接觸角t幾乎不發(fā)生變化；而外加電壓大部分都壓降在下極板上，所以液滴與下極板的接觸角明顯變小，其值V可以由上述Lippmann-Young方程近似

6、描述。正因為電潤濕效應使液滴在右側下電極上的三相接觸角變小，造成液滴不對稱形變并產(chǎn)生內部壓強差，從而實現(xiàn)了對液滴的操作和控制。無上極板的EWOD結構原理與此類似。3 液滴的基本操控3.1 移動液滴在電極陣列上的運動是通過對電極施加電壓來進行控制的。圖6表示的是0.1 M KCl的運動控制。當電極所施加的電壓達到一定值時，液滴就會在表面張力作用下向帶電電極板移動11。因此可根據(jù)特定的電壓操縱順序達到對液滴進行控制的目的。圖6 液滴的移動3.2 液滴的分裂在EWOD器件上，液滴分裂與合并也是基本的操控方式。Cho等人對液滴的分裂進行了研究12。如圖7所示，在一個采用三塊電極的裝置上，當兩邊電極帶電

7、時，帶電極板的親水性增加，導致液滴與下極板的接觸角b2減小，液滴曲率半徑r2增大，并且向帶電極板移動。由于中間電極不帶電，且在整個運動過程中液滴的體積是常數(shù)，因此中間部分液滴開始變細，直到被拉斷，從而向兩邊帶電極板方向分裂成2個液滴。圖7 液滴的分裂圖8表示是一個EWOD裝置上的小液滴從大液滴(儲液槽)中分離的過程13。當流體運動到所要形成液滴的位置時，中間電極斷電，液滴就會被分離出來。采用這種方法的關鍵在于提供一定的電壓，使得兩端液體存在一個合適的內壓力差，這個內壓力差足夠使得中間液體往兩邊收縮斷裂。圖8 液滴的形成3.3 不同液滴的混合目前微流體之間的混合一般采用兩種方式：一是在微流體內部

8、產(chǎn)生紊流，二是采用多層流體之間的擴散來達到混合的目的。由于前者需要流體的高速運動或需要外界提供能量輸入，因此目前流行的是第二種方式。然而在2021年，Paik 等人14提出了一種新的微流體液滴的混合方案。他們先將不同液滴在電極板上合并，然后讓合并后的液滴沿著一定的路徑運動來達到混合的效果。圖9中，一滴熒光液滴與一滴清水混合，并在相鄰的兩塊電極板上做往復運動。圖中分別顯示了不同運動次數(shù)下的混合情況。從圖中可以看出，用這種方式對微流體液滴進行混合具有良好的效果。同時，他們還在不同條件下進行研究。實驗證明了液滴完全混合所需的時間隨液滴運動所經(jīng)過的電極板數(shù)量增加而減少，并且混合時間與液滴運動速度成反比

9、15。 圖9 電極陣列上液滴的合并4 介質上電潤濕的應用芯片實驗室(Lab-on-Chip)Duke University 的Richard Fair 和UCL 激活微流 4.1 EWOD 在芯片實驗室方面的應用研究最主要是由A 的Kim 等課題組推進的。EWOD 的優(yōu)點在于可以利用可編程的電極陣列對液滴進行精確、迅速的控制。Kim 、Fair 等課題組對液滴的移動、分裂、合并、混合等做了大量研究。對于微升體積的液滴，當外加電壓超過某一閾值時，便可使液滴產(chǎn)生移動。液滴移動速度隨外加電壓增大而迅速增大，其速度量級可達到cm/s 。目前對EWOD 研究的主要目標是使其運動激活電壓降到20V 以下，

10、這樣可大大簡化并促進便攜醫(yī)療、檢測設備的發(fā)展。Huh 等人16提出了利用EWOD 來控制微流道中水-空氣兩相流體（圖10），通過道底部的電極板可以在毫秒級的時間內改變水流的路徑。Cheng 、Hsiung 等17設計了基于EWOD 的微閥（圖11），通過外加電壓控制微閥的開關。當外加電壓時，流體對Teflon 的親水性增加，從而流入管道；當撤去外加電壓時，Telfon 的疏水性使得流體在此區(qū)域斷開，達到關閉閥門的作用。 圖10 (a)未加電壓前，水流在中間 (b)加電壓后，水流在左側圖11 基于EWOD的微閥門4.2 光學應用和Berge最早提出了利用EWOD原理的微流體變焦透鏡18。在平衡4

11、.2.1 微透鏡 Peseux狀態(tài)下，液氣表面會形成一個光滑完整的曲面。與常規(guī)固態(tài)透鏡相比，液體透鏡是柔性的，其曲率、焦距可通過改變液體形狀調節(jié)。顯然的，液滴的形狀的變化可以通過利用EWOD 原理改變液滴的接觸角來實現(xiàn)。Peseux和Berge設計了一個封閉小空間，里面充滿了非極性油滴和鹽水溶液的混合液（兩者不相溶），這兩種液體的密度差別在10-3以下，可以減小重力和外界環(huán)境對油滴表面形狀引起的干擾，使得即使在傾斜狀態(tài)下，界面也是標準球面。絕緣層采用中間厚邊緣薄的凸形特殊結構，這樣使得透鏡光軸在外加電壓不為零的情況下能穩(wěn)定在中心位置，而不會受外界的影響。如圖12（a），在低壓下油滴接觸角較?。?/p>

12、實線部分），反之，電壓越高，接觸角越大（虛線部分）。12（b）反映了液滴透鏡折射率和焦距與外加電壓之間的關系。圖12 EWOD透鏡 (a)原理圖。其中(1)為非極性流體，(2)為鹽水溶液。底板陰影部分為親水層，非陰影部分極板為憎水層。 (b)液滴透鏡折射率和焦距與外加電壓之間的關系。圖中2條線分別表示隨電壓增大和減小的曲線。2條曲線基本重合，表示其滯回特性良好。大多數(shù)變焦透鏡的焦點只能沿著光軸作一維的運動，2021年Krupenkin 等人19研究結構新穎的流體變焦透鏡（圖13），這種透鏡的最大特點是既可使焦點位置沿光軸出一種變化，又可在一個平面內調整液滴自身的橫向位置，從而實現(xiàn)焦點位置在三維

13、空間內可調。通過在所有控制電極上施加相同的電壓，可均一地改變液滴的接觸角，進而改變液面曲率；通施加不同偏置電壓于控制電極，可使液滴向高電壓電極一側移動，從而調整液滴的橫向位置。 圖13 三維可調液體顯微透鏡結構示意圖 2021年，飛利浦研究實驗室的Hendriks 、Kuiper 等人20根據(jù)人眼的結構研制出一種高性能的仿生流體變焦微640480像素的CMOS 成像傳感器陣列；緊接著是一個塑料透鏡，用于矯正成像清晰度；接著便是液體透鏡；然后是一透鏡，如圖14所示。處在最下面的是個縮短了的玻璃球體，用以實現(xiàn)將所有波長的光會聚于一點，進一步提高成像清晰度；之后又是一個塑料透鏡，最后是固定光圈。通過

14、改變施加的電壓，透鏡既能像凸透鏡會聚光線，又能像凹透鏡那樣發(fā)散光線（圖15）。該結構典型響應時間為10ms ；可以對2cm 到無窮遠距離的物體清晰成像；工作溫度為-30+ 60，工作溫度范圍為-40+85。無論從結構還是性能上看，這種器件都達到了產(chǎn)品化的水平。 圖14 流體變焦透鏡結構圖 圖15 通過施加不同電壓改變透鏡類型4.2.2 纖維光學在20世紀80年代，Jackel等人利用電潤濕現(xiàn)象設計了光開關21。他們通過控制微流道中水銀液滴的運動，通過其表面反射來控制光復用器中光線的傳播（圖16）。圖16 光開關(a)未加電壓時，光路由1到3(b)加電壓后，水銀液滴運動到中間，其表面將1的光線反

15、射入22021年，Mach等人進行了利用電潤濕調制光波導的研究22。研究中將部分光纖表面覆蓋物剝離，使光纖與周圍流體介質相接觸；通過調節(jié)剝離處流體的折射率對光纖傳輸?shù)墓馐M行調制。圖17(a)為此裝置原理圖。光纖通過一直通道，通道內充滿鹽水溶液和另外一種與鹽水溶液不相溶的液體。鹽水溶液可在電潤濕作用下在剝離區(qū)域運動，從而通過不同的覆蓋率改變此區(qū)域折射率，從而達到對光纖中光線進行調制的作用。圖17(b)表示了不同覆蓋率下，光波的衰減情況。圖17 (a)裝置原理圖(b)不同覆蓋率下的光線衰減情況4.2.3 顯示技術 2021年，Philips公司的Feenstra與Hayes等首先研制出基于EWO

16、D的反射式顯示器件的原型23。其基本結構如圖18（a）所示。當沒有外加驅動電壓時，油滴自動平鋪在水層和疏水性絕緣層之間，此時顯示自然的油的顏色（圖18（a），當施加足夠大的驅動電壓時，水將浸潤到下面的絕緣層，將油擠到側面，此時，正面就呈現(xiàn)出底層的絕緣層的顏色（圖18（b）。圖18 (a)未加驅動電壓時油滴平鋪在顯示單元內(b)外加驅動電壓時油滴被鼓起2021年，Cincinnati大學的Heikenfeld等24研制了一種基于EWOD效應的光波耦合平板顯示器，這是一種發(fā)光型顯示器件，其顯示的開關原理同Philips公司的類似，但是油膜內的有機發(fā)光體代替了之前的油溶性染料，可以在特定的背光源下受

17、激發(fā)光（圖19）。它具有發(fā)光強度和對比度大、發(fā)光效率高、工作電壓低以及響應速度快等特點。圖19 顯示單元的(a)開啟和(b)關閉狀態(tài)4.3 其他應用除上述的應用之外，介質上電濕潤還在微流體攪拌、散熱等各方面得到應用。Baret等巧妙地構造了一個基于電潤濕的振動模型25，利用此模型可以攪拌體積很小的液體。Aggarwal等運用電潤濕動力學制備出純電潤濕驅動的液體流，其有望在微器件散熱方面得到應用26。Yi和Kim等研究發(fā)現(xiàn)，通過電潤濕可以實現(xiàn)無噴頭印刷27。它結合了EWOD動力學、不同的表面潤濕性以及幾何學，沒有固體和固體直接接觸。Kim的研究小組利用電潤濕中液體形狀會改變的特點，構造出基于電潤

18、濕的液體場效應管28，并對其輸出特性進行測量，其不但有傳統(tǒng)半導體場效應管所具備的開關特性，而且具備漏電流較小、沒有漏電流飽和等優(yōu)點。5 面臨的障礙雖然電潤濕的理論研究和應用都取得了很大的進展，可是仍面對以下難題：一、觸角飽和。根據(jù)Lippmann-Young方程可得，隨著外加電壓的增加，接觸角會趨向于0。但實驗研究表明，當接觸角達到一個臨界值時，通過外加電壓很難使它再減小。這個現(xiàn)象引起了眾多研究者的興趣。但到目前仍沒有一個大家共同認可的解釋。二、接觸角滯后。接觸角滯后是指在液體的接觸角變化時存在前進接觸角和后退接觸角。電壓增加時和電壓減少時，同一電壓所對應的接觸角也不相同。如何消除接觸角滯后對

19、電潤濕的影響是電潤濕實際應用中需要考慮的一個重要問題。三、電潤濕中的電解。在介電材料和液體確定的情況下，獲得較大接觸角改變的兩種途徑是提高外加電壓或減少介電層的厚度。這兩種方法都有可能加速介電層的擊穿，導致電潤濕中的液體發(fā)生電解，液體在還沒發(fā)生接觸角變化時就會電解，產(chǎn)生氣泡。電潤濕中的電解將造成器件的損壞。6 總結與展望介質上電潤濕已經(jīng)在理論和應用上都取得相當多的成果?；谄湓淼母鞣N器件，特別是顯示技術和微透鏡，在未來都具有很大的發(fā)展前景。然而目前還有很多問題尚未解決，需要未來更深入的研究。參考文獻：1Berge B. Electrocapillarity and wetting of in

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