基于Electrowetting的微器件的研究进展.doc

摘要: 阐述了 Electrowetting 的基本概念、基本理论和运动控制方式,综述了 Electrowetting 在微透镜、芯片实验室、光开关、电子显示器等微器件方面的原理及应用,最后介绍了 Electrowetting 在微器件发展过程中面对的困难和发展前景。关键词:电润湿接触角微流体表面张力 1 简介电润湿现象最早由诺贝尔奖得主法国科学家 Gabriel Lippmann 于1875 年观察到,他在***和电解液之间施加电压时,会出现的毛细下降现象,并由此提出了著名的 Young -Lippmann 方程。电润湿( Electrowetting )是指通过调整施加在液滴与绝缘介质下电极之间的电势,来改变液滴与介质表面的润湿特性,从而改变液滴和介质表面的三相接触角,液滴产生形变,进而使液滴内部产生压强差, 驱使液滴运动的现象,其示意图如图 1(a,b)所示。1993 年Berge 在电润湿模型中引入了介电层,称为基于介电层的电润湿或介质上电润湿(Electrowetting On Dielectric ,EWOD ),如图 2所示,这一研究进展使电润湿技术几乎可用于任何导电的液体。图 1. 电润湿示意图图2 介质上电润湿示意图 2 基本原理在电润湿理论中, Young 方程和 Lippman Young 方程是其最基本的方程。如图3所示,其中 Young 方程描述了液滴与介质表面的接触角和表面(固、气、液) 三相张力间的关系: cos SV SL LV ? ?????其中? SV、? SL和? LV分别是疏水固体/空气、疏水固体/液滴以及液滴/空气之间的表面张力。图3 接触角与表面张力的关系一般来讲,离散液滴在疏水表面的三相接触角都大于 90o。当在电极和液滴之间施加电势 V后,疏水固体/液滴之间的表面张力变小,其关系由 Lippmann 方程描述为: 2012 SLU SL Ud ??? ?? ?其中,? SLU、? SL分别是外加电势前、后的疏水固体/液滴之间的表面张力, ε 0、ε分别是真空的介电常数和介质层的有效介电常,d是疏水介质层有效厚度。由于疏水固体/液滴表面张力变小,导致疏水表面的液滴三相接触角变小,如图4 所示。外加电势后的三相接触角θu可以由上面两方程推导而成,即由 Lippmann -Young 方程表示为 20012 U LYU COS COS d ??? ??? ?其中, θ 0和θ u分别为加电前后的接触角图4 介质上的电润湿系统示意图由Lippmann-Young 方程可以看出,液滴的三相接触角随外加电势 v的绝对值增大而变小,而且它与介质层的厚度、介电常数都有关;值得注意的事接触角减小是可逆的,如果把电压撤掉,微液滴会很快收缩、还原,而且,从上式可知它与电压的极性无关。由此可见,由于固-液表面张力变小,导致介质表面的液滴三相接触角变小,如图 4所示。如图 5所示,实验图片显示了加电前后液滴润湿性(接触角)的这种变化情况图5 加电前后液滴润湿性实验图片当外部没有电场作用两极板时,液滴的形状成对称分布,如图6(a)所示, 液滴与上、下极板的接触角分别是θt和θb0,忽略重力的影响,其值都为疏水表面的初始接触角;当将一电压 V作用在液滴与下极板时, 由于介质上电润湿作用,液滴与上极板间的接触角发生变化,如图6(b)中所示。由于上极板疏水层厚度很薄,上层疏水层电容很大,外加电压的分压很小,因此在上极板的接触角θt几乎不发生变化;而外加电压大部分都压降在下极板上,所以液滴与下极板的接触角明显变小,其值θb0可以由上述 Lippmann -Young 方程近似描述。正因为电润湿效应使液滴在右侧下电极上的三相接触角变小,造成液滴不对称形变并产生内部压强差,从而实现了对液滴的操作和控制。图6 电润湿驱动器截面图 3 液滴的控制方式(1) 液滴的分离与合并在 EWOD 器件上,液滴分离与合并是其基本的控制方式。 Cho 等人对液滴的分离进行了研究。如图 7所示, 在一个采用三块电极的装置上,当两边电极带电时,带电极板的亲水性增加,导致液滴与下极板的接触角减小,并且向带电极板移动。由于中间电极不带电,且在整个运动过程中液滴的体积是常数, 因此中间部分液滴开始变细,直到被拉断,从而向两边带电极板方向分裂成 2 个液滴,如图 7(a,b,c)所示。当中间电极带电时,两边电极不带电时,带电极板的亲水性增加,导致液滴与下极板的接触角减小,两边液滴向中间运动, 最后融合成一个液滴,如图 7(c,d,e)所示。图7 液滴的分离与合并示意图图8表示是一个 EWOD 装置上的小液滴从大液滴(储液槽)中分离的过程。当流体运动到所要形成液滴的位置时,中间电极断电,液滴就会被分离出来。采用这种方法