（微電子學(xué)與固體電子學(xué)專業(yè)論文）基于介質(zhì)上電潤(rùn)濕效應(yīng)的數(shù)字微流控器件.pdf

摘要 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，工藝特征尺寸不斷下降，表面張力在m e m s 器件 中的應(yīng)用日益重要。利用表面張力實(shí)現(xiàn)液滴驅(qū)動(dòng)成為微流控技術(shù)的一個(gè)重要分 支，基于e w o d ( e l e c t r o w e t t i n go nd i e l e c t r i c ，介質(zhì)上電潤(rùn)濕效應(yīng)) 的數(shù)字微流 控技術(shù)即為其中一種重要的實(shí)現(xiàn)方法。鑒于其與傳統(tǒng)i c 芯片的系統(tǒng)集成的應(yīng)用 需求，有效地降低數(shù)字微流控器件的工作電壓，兼顧與i c 工藝的兼容性，成為 一個(gè)亟待解決的難題。 論文研究了一種基于電壓極性相關(guān)e w o d 的單平面電極陣列結(jié)構(gòu)的數(shù)字微 流控器件。創(chuàng)新地采用了一種新型的高k 介質(zhì)材料，設(shè)計(jì)了新型的器件結(jié)構(gòu)， 不僅有效降低了器件的工作電壓，而且整個(gè)制作工藝流程與i c 完全兼容。 根據(jù)表面張力驅(qū)動(dòng)液體的基本原理，論文比較分析了表面修飾對(duì)固液接觸角 的影響。 在理論推導(dǎo)的基礎(chǔ)上，論文研究了不同介質(zhì)材料的電潤(rùn)濕現(xiàn)象，最終選定一 種高k ( k _ 7 6 1 1 6 ) 的鐵電材料p ( v d f t r f e ) 作為器件中關(guān)鍵的絕緣介質(zhì)層。 在3 0 v 的外加電壓下，液滴的接觸角從1 1 8 0 下降到7 5 0 ，足以驅(qū)動(dòng)液滴。 論文研究了以p ( v d f t r f e ) 為介質(zhì)層的微流控器件的介質(zhì)上電潤(rùn)濕效應(yīng)，觀 察到電壓極性相關(guān)的電潤(rùn)濕現(xiàn)象。利用該效應(yīng)，微流控器件的工作電壓最低可降 至1 5 v 。 根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)的“電壓極性相關(guān)的電潤(rùn)濕現(xiàn)象 ，創(chuàng)新地設(shè)計(jì)了新型的單 平面電極陣列結(jié)構(gòu)的數(shù)字微流控器件，實(shí)現(xiàn)了2 0 v 驅(qū)動(dòng)電壓下3 此p b s 液滴的 往返運(yùn)輸。 論文還設(shè)計(jì)并制作了數(shù)字微流控器件的外圍控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了液滴移動(dòng)的自 動(dòng)控制。 關(guān)鍵詞 介質(zhì)上電潤(rùn)濕，數(shù)字微流控，p ( v d f - t r f e ) ，電壓極性相關(guān)電潤(rùn)濕，單平面 電極陣列 基于介質(zhì)上電潤(rùn)濕效應(yīng)的數(shù)字微流控器件復(fù)旦大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t w i t ht h es c a l i n gd o w no fm e m sd e v i c e i n t e r f a c i a lt e n s i o n 蠲a l li n h e r e n t l y d o m i n a n tf o r c eo nm i c r o m e t e ra n dn a n o m e t e rs c a l eh a sa t t r a c t e di n c r e a s i n gs e r i o u s a t t e n t i o n e w o d ( e l e c t r o w e t t i n go i ld i e l e c t r i c ) m i c r o f l u i d i c su s i n gi n t e r f a c i a l t e n s i o na sd r i v i n gf o r c ee m e r g e si nr e c e n ty e a r s i t sh i g ho p e r a t i n gv o l t a g ea n dp o o r i cc o m p a t i b i l i t yb l o c ki t ss p r e a d i n ga p p l i c a t i o ni nl a b o nac h i p an o v e ls i n g l e s i d ec o p l a n a re l e c t r o d ea r r a ye w o dd i g i t a lm i c r o f l u i d i c si s d e v e l o p e d ，塒t l lah i 曲kd i e l e c t r i cm a t e r i a la n dan o v e ld e v i c es t r u c t u r e m o p e r a t i n gv o l t a g eo ft h ed e v i c ei sl o w e r e de f f e c t i v e l y ，a n di t sf a b r i c a t i o np r o c e s si s c o m p a t i b l e 、析t l li ca sw e l l t h et h e o r yo fs u r f a c et e n s i o na c t u a t i o ni ss t u d i e da n di t sd e p e n d e n c eo nt h e s u r f a c em o d i f i c a t i o ni sd i s c u s s e d b a s e do nt h ee w o dt h e o r ya n de x p e r i m e n t sr e s u l t s ，a no r g a n i cf e r r o e l e c t r i c m a t e r i a lp ( v d f t r f e ) w i t hh i g hd i e l e c t r i cc o n s t a n t ( k = 7 6 - 1 1 6 ) i ss e l e c t e da st h e d i e l e c t r i cl a y e r t h ec o n t a c ta n g l eo fd r o p l e tc h a n g e sf r o m118 0 t o7 5 0 u n d e ra n a p p l i e dv o l t a g eo f3 0 v ，w h i c hc a l lb ea p p l i e df o rd r o p l e td r i v i n g e w o do f m i c m f l u i d i 。c s u s i n ga ( v d f t r f e ) i ss t u d i e d a v o l t a g e - p o l a r i t y r e l a t e de w o dp h e n o m e n o ni so b s e r v e d t op u tt h i sp h e n o m e n o n i n t oa p p l i c a t i o n , t h ed i v i n gv o l t a g eo ft h ed e v i c ec a nb ed e c r e a s e dt o15 v b a s e d ，o nv o l t a g e p o l a r i t y - r e l a t e de w o dp h e n o m e n o n ，an o v e ls i n g l e - s i d e e o p l a n a re l e c t r o d e sa r r a yd i g i t a lm i c r o f l u i d i c si sd e s i g n e da n df a b r i c a t e d ad r o p l e to f 3 u lp b si ss u c c e s s f u l l yd r i v e nb a c ka n df o r t ho nt h ep l a n a rs u r f a c eu n d e ra n o p e r a t i n gv o l t a g eo f 2 0 v t h ep e r i p h e r a lc o n t r o l l i n gp l a t f o r m sa r ea l s od e s i g n e da n df a b r i c a t e d ，d r o p l e t s c a nb ed r i v e na u t o m a t i c a l l y k e y w o r d s ： e w o d ，d i g i t a l m i c r o f l u i d i c s ，p ( v d f t r f e ) ，v o l t a g e - p o l a r i t y - r e l a t e d p h e n o m e n o n ，s i n g l e s i d ec o p l a n a re l e c t r o d e sa r r a y 基于介質(zhì)上電潤(rùn)濕效應(yīng)的數(shù)字徼流控器件復(fù)旦大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖1 1 圖2 1 圖2 2 表2 1 表2 2 圖2 3 圖2 4 圖2 5 圖2 6 圖3 。1 圖3 。2 圖3 3 圖3 4 圖3 5 圖3 6 圖3 7 圖3 8 圖3 9 圖3 1 d 圖3 1 l 圖3 1 2 圖3 1 3 圖3 1 4 圖3 1 5 圖3 1 6 圖3 1 7 圖3 1 8 圖3 1 9 圖3 2 0 圖表目錄 全集成硅基生物傳感系統(tǒng)示意圖：3 表面張力與表征6 固液界面張力7 t e f l o n a f 相關(guān)性能指標(biāo)9 t e f l o n 雪a f 疏水薄膜生長(zhǎng)工藝步驟，l o 以5 0 0 0 轉(zhuǎn)分鐘旋涂生成的t e f l o n a f1 6 0 0 薄膜表面1 0 以9 8 0 0 轉(zhuǎn)分鐘旋涂的t e f l o n a f2 4 0 0 薄膜邊緣部分1 0 t e f t o n a f2 4 0 0 旋涂薄膜厚度與旋涂轉(zhuǎn)速關(guān)系l l 器件表面與去離子水的固液接觸剖面圖1 2 電潤(rùn)濕示意圖【9 】。1 3 介質(zhì)上電潤(rùn)濕示意圖【9 】。1 4 以$ 3 n 4 為介質(zhì)層的微流控器件18 以p a g y l e n ec 為介質(zhì)層的微流控器件1 8 p v d f 的鐵電性1 2 6 1 9 t i p p y - p s s h p ( v d f - t r f e ) p p y - p s s h t 1 結(jié)構(gòu)的電滯回線【2 5 】1 9 p ( v d f - t r f e ) 表面a f m 掃描圖2 0 p ( v d f - t i 心e ) 薄膜厚度與旋涂轉(zhuǎn)速關(guān)系2 0 p ( v d f - t p 坪e ) 介質(zhì)層電容示意圖2 1 1 0 p ( v d f - t r f e ) 介質(zhì)層c v 測(cè)試結(jié)果2 l 11p ( v d f - t r f e ) 的相對(duì)介電常數(shù)( 厚度為1 3 0 m , 4 ) 2 3 t e f l o n a f 2 4 0 0 與p ( v d f - t r f e ) 復(fù)合介質(zhì)層的c v 測(cè)試結(jié)果2 3 p ( v d f - t r f e ) 的i 二v 測(cè)試結(jié)果2 4 介質(zhì)上電潤(rùn)濕樣品結(jié)構(gòu)2 5 介質(zhì)上電潤(rùn)濕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖2 5 探針對(duì)固液接觸角的影響：2 6 不同電壓下的固液接觸角變化2 7 介質(zhì)上電潤(rùn)濕現(xiàn)象中的非理想因素。2 7 固液接觸角飽和現(xiàn)象2 8 負(fù)電壓下固- 液接觸角基本無(wú)變化2 9 v 基于介質(zhì)上電潤(rùn)濕效戍的數(shù)字微流控器件 復(fù)旦大學(xué)碩七學(xué)位論文 圖3 2 1固液接觸角隨時(shí)問(wèn)變化圖3 0 圖3 2 2固液接觸角與外加電壓極性相關(guān)現(xiàn)象3 0 圖3 2 3 0 5 i t m 不定形含氟聚合物上的電壓極性相關(guān)現(xiàn)象【2 9 】3 2 圖3 2 4 1 0 0 n m 厚的不定形含氟聚合物上的電壓極性相關(guān)現(xiàn)象【9 】3 2 圖4 1數(shù)字微流控系統(tǒng)示意圖3 5 圖4 2 液滴分離操作【2 】3 6 圖4 3 數(shù)字微流控器件驅(qū)動(dòng)電極的配置方案【2 】3 6 圖4 4三明治結(jié)構(gòu)的數(shù)字微流控器件3 7 圖4 5 單平面電極圖形結(jié)構(gòu)的數(shù)字微流控器件【3 4 】。3 7 圖4 6相鄰的電極間的電場(chǎng)分布3 9 圖4 7液滴驅(qū)動(dòng)示意圖3 9 圖4 8液滴在相鄰電極問(wèn)的移動(dòng)3 9 圖4 9單平面電極陣列數(shù)字微流控器件4 0 圖4 1 0各個(gè)電極單元電壓時(shí)序圖4 0 圖4 1l單平面電極陣列數(shù)字微流控器件工藝流程圖4 1 圖4 1 2單平面電極陣列數(shù)字微流控器件驅(qū)動(dòng)液滴4 2 圖4 1 3 a u 和a l 電極上成膜的p ( v d f - t p f e ) s e m 圖4 3 圖4 1 4a u 電極表面的液滴滑動(dòng)現(xiàn)象“ 圖4 1 5微流控器件的電極圖形4 6 圖4 1 6數(shù)字微流控器件電極單元圖形設(shè)計(jì)4 6 圖4 1 7正三角形電極單元運(yùn)輸液滴的路徑4 6 圖4 1 8 插指狀電極單元【2 】4 7 圖4 1 9 修改后的電極圖形版圖4 7 圖4 2 0i t o 單平面電極陣列數(shù)字微流控器件4 8 圖4 2 1微流控器件封裝的p c b 板4 9 圖4 2 2微流控器件的壓焊封裝4 9 圖4 2 3外圍控制電路的原理圖5 0 圖4 2 4外圍控制電路實(shí)圖5 0 圖4 2 5控制程序界面5 l 基于介質(zhì)一卜電潤(rùn)濕效應(yīng)的數(shù)聲微流控器件復(fù)且大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章引言 1 1 芯片上實(shí)驗(yàn)室與微流控 隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，微電子技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)、分析化學(xué)、材料、 計(jì)算機(jī)等學(xué)科的交叉領(lǐng)域出現(xiàn)了一些新興的研究熱點(diǎn)，芯片上實(shí)驗(yàn)室 ( l a b o nac h i p ) 即是其中一個(gè)重要的研究方向。 芯片上實(shí)驗(yàn)室或稱微全分析系統(tǒng)( m i c r ot o t a la n a l y s i ss y s t e m ，p - t a s ) 1 】，顧名 思義，是指把生物和化學(xué)等領(lǐng)域中所涉及的樣品制備、生物與化學(xué)反應(yīng)、分離檢 測(cè)等基本操作單位集成在一塊芯片上，用以完成不同的生物或化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，并 對(duì)其產(chǎn)物進(jìn)行分析的一種技術(shù)。 芯片上實(shí)驗(yàn)室主要適用于藥物篩選、食品監(jiān)督、環(huán)境保護(hù)、司法鑒定等方面。 相對(duì)于傳統(tǒng)的生物化學(xué)檢測(cè)分析手段，芯片上實(shí)驗(yàn)室集微型化與集成化于一體， 具有體積小、樣品消耗低、檢驗(yàn)效率高、便攜等優(yōu)勢(shì)。芯片實(shí)驗(yàn)室將在未來(lái)的發(fā) 展中對(duì)分析科學(xué)乃至整個(gè)科學(xué)技術(shù)以及相關(guān)的產(chǎn)業(yè)界產(chǎn)生革命性的作用。 無(wú)論其分析檢測(cè)的對(duì)象如何，芯片上實(shí)驗(yàn)室的結(jié)構(gòu)構(gòu)成從功能上分，均由“樣 本處理 ( 如樣本產(chǎn)生、運(yùn)輸、混合、分離等) 和“檢測(cè)分析 兩個(gè)基本模塊組 成，即“微流控”和“傳感器 功能的集成。 微流控技術(shù)是在微米、納米器件中操控微量流體的技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)樣本的產(chǎn) 生、運(yùn)輸、混合、分離等基本處理，是芯片上實(shí)驗(yàn)室的重要支撐技術(shù)。 按操控的微量流體的不同，微流控技術(shù)可以分為連續(xù)微流控技術(shù)和數(shù)字微流 控技術(shù) 2 】。 連續(xù)微流控技術(shù)是指實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)流體進(jìn)行操控的微流控技術(shù)，也是目前大多 數(shù)基于玻璃或塑料的微流道所采用的實(shí)現(xiàn)方式，適用于一些簡(jiǎn)單的事先定義好的 應(yīng)用，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的處理。并且它一般只能工作于串行模式，工作效率低。由 于工作參數(shù)( 如壓強(qiáng)，流體阻力，電場(chǎng)強(qiáng)度等) 在整個(gè)微流道系統(tǒng)中處處不同， 因而微流體會(huì)受到整個(gè)微流道系統(tǒng)的影響，這給系統(tǒng)的復(fù)雜功能的實(shí)現(xiàn)和集成帶 來(lái)了巨大困難。 數(shù)字微流控技術(shù)則是指實(shí)現(xiàn)對(duì)離散液滴進(jìn)行操控的微流控技術(shù)，其包括液滴 產(chǎn)生和液滴操作兩個(gè)部分。液滴產(chǎn)生部分負(fù)責(zé)產(chǎn)生從納米尺度到微米尺度的微量 液滴，耗時(shí)非常短。液滴操作包括基本的產(chǎn)生、運(yùn)輸、混合、分離等處理，數(shù)字 微流控技術(shù)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)液滴的不同操作，從而在芯片上實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)大 規(guī)模的液滴并行處理和檢測(cè)分析，極大地提高了工作效率?；谝恍┖?jiǎn)單的可重 基于介質(zhì)上電潤(rùn)濕效應(yīng)的數(shù)字微流控器件復(fù)巨大學(xué)碩士學(xué)位論文 復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)操作( 如移動(dòng)液滴到鄰近單元) ，數(shù)字微流控技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的 液滴操控，因此一個(gè)復(fù)雜的微流控系統(tǒng)也可以通過(guò)分解為若干個(gè)簡(jiǎn)單的可行部分 得以實(shí)現(xiàn)。 按驅(qū)動(dòng)原理的不同，微流控技術(shù)可以分為外部驅(qū)動(dòng)微流控技術(shù)和內(nèi)部驅(qū)動(dòng)微 流控技術(shù)。 外部驅(qū)動(dòng)微流控技術(shù)一般利用三維流體通道，及復(fù)雜的泵和閥驅(qū)動(dòng)流體【3 】。 但是外部的泵和閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度比較大，并且難以集成化，多次使用后的 磨損會(huì)影響使用壽命。 內(nèi)部驅(qū)動(dòng)微流控技術(shù)則利用電滲原理、流體電動(dòng)力學(xué)、磁流體動(dòng)力學(xué)、離心 力、表面張力等物理原理來(lái)驅(qū)動(dòng)流體。相對(duì)來(lái)說(shuō)，利用表面張力驅(qū)動(dòng)流體的器件 結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單，并且，在微米、納米尺寸，表面張力逐漸成為影響微流體 運(yùn)動(dòng)的一個(gè)主要因素【4 】。因此，基于表面張力驅(qū)動(dòng)的微流控技術(shù)越來(lái)越受到關(guān) 注。通過(guò)電、熱、化學(xué)等方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)表面張力的控制 5 】，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微流 體的操控，常見的控制表面張力的方法有電泳、電潤(rùn)濕、熱毛細(xì)管效應(yīng)、馬蘭歐 尼效應(yīng)等【2 ，5 ，6 】。電控制具有便捷，能耗低，效率高、實(shí)時(shí)等優(yōu)勢(shì)因而更受 青睞，介質(zhì)上電潤(rùn)濕效應(yīng)( e w o d ，e l e c t r o w e t t i n go nd i e l e c t r i c ) 即為其中最為 重要的一類驅(qū)動(dòng)原理。 1 2 基于介質(zhì)上電潤(rùn)濕效應(yīng)的數(shù)字微流控技術(shù) 在眾多的微流控技術(shù)中，基于介質(zhì)上電潤(rùn)濕效應(yīng)的數(shù)字微流控技術(shù)被認(rèn)為是 最具發(fā)展前途的微流控技術(shù)之一，其通過(guò)外加電壓控制介質(zhì)層上固液、氣液界面 的表面張力實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴的操控，驅(qū)動(dòng)理論已經(jīng)在實(shí)際器件中得到驗(yàn)證，成功實(shí)現(xiàn) 了液滴的分離，運(yùn)輸，混合等基本操作【7 】。 然而，基于介質(zhì)上電潤(rùn)濕效應(yīng)的數(shù)字微流控器件目前距離實(shí)際應(yīng)用還有很長(zhǎng) 一段路要走，一個(gè)面臨的主要問(wèn)題是微流控器件的工作電壓過(guò)高( 5 0 v 以上) ， 難以與傳統(tǒng)的i c 芯片集成。 目前，國(guó)內(nèi)外有許多研究者致力于降低微流控器件的工作電壓，主要集中于 添加表面活性劑、增加環(huán)境媒介、選用高介電常數(shù)介質(zhì)層材料等方法。添加表面 活性劑或者將液滴置于其他環(huán)境媒介( 如硅油) 中【8 】，都可以降低液滴與外界 的表面張力，從而降低驅(qū)動(dòng)電壓。然而，表面活性劑可能會(huì)對(duì)液滴中的目標(biāo)生物 或化學(xué)分子產(chǎn)生污染，影響檢測(cè)結(jié)果的正確性，限制了其應(yīng)用范圍。環(huán)境媒介的 引入減少了液滴的自然揮發(fā)，但是卻增加了微流控系統(tǒng)的復(fù)雜性和制造難度。 根據(jù)介質(zhì)上電潤(rùn)濕的理論公式，介質(zhì)層電容與工作電壓的平方成反比，高介 電常數(shù)材料可以使相同厚度的介質(zhì)層具有更大的電容，可以有效降低工作電壓。 2 甚十介質(zhì)i ：電潤(rùn)濕效心的數(shù)。，微i i c 控器件復(fù)口人學(xué)順l j 學(xué)位論文 h y e j i nm o o n 和s u n gk w o nc h o 在發(fā)表的論文中報(bào)道了低至1 5 v 的j 作電壓 9 】，其采用一層超薄( 7 0 m ) 的b s t ( ( b a ，s r ) t i 0 3 ，鈦酸鍶鋇) 作為介質(zhì)層， 其中b s t 薄膜是通過(guò)高溫( 7 0 0 ) m o c v d ( m e t a lo r g a n i cc h e m i c a lv a p o r d e p o s i t i o n ，金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積) 工藝淀積生成的，這顯然不利于與i c 后 端工藝集成，岡而影響到芯片卜實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)集成。在工藝實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)集成的研 究方面，m o h a n m e da b d e l g a w a d 和a a r o nr w h e e l e r 提出了兩種簡(jiǎn)蕾快速的微流 控器件實(shí)現(xiàn)方法 1 0 1 ：旋涂和噴墨打印p d m s ( p o l y ( d i m e t h y l s i l o x a n e ) ，聚二甲 基硅氧烷) 和p a r y l e n ec ( 二氯代壞二聚體) 等有機(jī)高分子材料，然而快速制備 出的器件j 【作電壓卻高達(dá)3 0 0 v 。 1 3 論文的研究目標(biāo) 本論文的研究目標(biāo)在于丌發(fā)新型數(shù)字微流控器件，器件必須具有較低的工作 電壓，且制作工藝必須與傳統(tǒng)i c 工藝兼容。 本論文研究?jī)?nèi)容屬于“全集成硅基生物傳感系統(tǒng)”項(xiàng)目( 復(fù)旦大學(xué)9 8 5 微納 電子創(chuàng)新平臺(tái)項(xiàng)目) 的部分。系統(tǒng)采用m e m s ( m i c r oe l e c t r o n i cm e c h a n i c a l s y s t e m ，微電子機(jī)械系統(tǒng)) 、生物光探測(cè)技術(shù)、光信號(hào)轉(zhuǎn)換、放大、處理技術(shù)， 實(shí)現(xiàn)全集成硅基生物探測(cè)：邕= 片和微型便攜式生物醫(yī)學(xué)探測(cè)平臺(tái)。系統(tǒng)的示意圖見 圓11 。刮11。light s o u r c e 圖1 1全集成硅基生物傳感系統(tǒng)示意圖 在全集成硅基生物傳感器系統(tǒng)中，微流體的產(chǎn)生、運(yùn)輸、混合、分離等操控 是最基本也是最常用的功能，要求性能可靠，操作簡(jiǎn)單，柔性好，重復(fù)性好。微 流控是整個(gè)全集成硅基生物傳感器的應(yīng)用平臺(tái)，需要與基于芯片的檢測(cè)分析系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接，以實(shí)現(xiàn)全集成功能，降低成本，提高效率。因此，研究實(shí)現(xiàn)與i c 基于介質(zhì)卜電潤(rùn)濕效應(yīng)的數(shù)微流控器件復(fù)旦大學(xué)碩七學(xué)位論文 后端工藝兼容的高性能的微流控器件，對(duì)于全集成硅基生物傳感系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)具有 重要的意義。 因此，需要從介質(zhì)上電潤(rùn)濕驅(qū)動(dòng)液滴的原理出發(fā)，在組成器件的所有材料的 選擇及相應(yīng)制作方法方面開展綜合研究和優(yōu)化選擇。在對(duì)研究過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 的分析中，提出自己的獨(dú)特見解，進(jìn)而形成創(chuàng)新性成果。 論文的內(nèi)容從表面張力及表面修飾對(duì)于介質(zhì)上電潤(rùn)濕和液滴驅(qū)動(dòng)的作用開 始，篩選電極材料和介質(zhì)材料，進(jìn)行介質(zhì)上電潤(rùn)濕實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了電壓極性相關(guān)的 介質(zhì)上電潤(rùn)濕現(xiàn)象，并由此設(shè)計(jì)并制作了單平面電極陣列結(jié)構(gòu)的新型數(shù)字微流控 器件。 1 4 論文內(nèi)容 第一章是引言。 第二章是表面張力作用下的液滴驅(qū)動(dòng)。介紹了表面張力及其在微流控技術(shù)中 的驅(qū)動(dòng)原理，以及控制表面張力以改變固液界面潤(rùn)濕程度和接觸角的方法，特 別是表面修飾。討論了表面修飾對(duì)于介質(zhì)上電潤(rùn)濕效應(yīng)的作用及其必要性，選用 t e f l o n * a f 材料開展了表面修飾實(shí)驗(yàn)。 第三章是介質(zhì)上電潤(rùn)濕研究。簡(jiǎn)單回顧了介質(zhì)上電潤(rùn)濕的理論發(fā)展，介紹了 描述外加電壓與接觸角關(guān)系的l i p p m a n n y o u n g 方程。從理論角度分析了實(shí)現(xiàn)低 驅(qū)動(dòng)電壓和制作工藝與i c 兼容的途徑，確定了高介電常數(shù)的介質(zhì)層材料。解釋 了p ( v d f t r f e ) 介質(zhì)上電潤(rùn)濕實(shí)驗(yàn)中的電壓極性相關(guān)電潤(rùn)濕現(xiàn)象。 第四章是數(shù)字微流控器件。介紹了傳統(tǒng)的微流控器件的結(jié)構(gòu)和工作原理。利 用電壓極性相關(guān)電潤(rùn)濕現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一種新型的單平面電極陣列結(jié)構(gòu)的數(shù)字微流 控器件。制備并測(cè)試了這種新型的器件。設(shè)計(jì)并制作了微流控器件的外圍控制電 路，討論了幾種常見的基本操作功能的實(shí)現(xiàn)。 第五章是研究?jī)?nèi)容總結(jié)及展望。 4 基于介質(zhì)上電潤(rùn)濕效膨的數(shù)字微流控器件 復(fù)臣大學(xué)碩上學(xué)位論文 第二章表面張力作用下的液滴驅(qū)動(dòng) 本章簡(jiǎn)單介紹了表面張力及其在微流控技術(shù)中的驅(qū)動(dòng)原理，以及一些控制表 面張力以改變固液界面潤(rùn)濕程度和接觸角的方法，特別是表面修飾。討論了表 面修飾對(duì)于介質(zhì)上電潤(rùn)濕效應(yīng)的作用及其必要性，選用t e f l o n 固a f 材料開展表 面修飾實(shí)驗(yàn)，比較了修飾前后器件表面的固液初始接觸角。 2 1 液滴的表面張力驅(qū)動(dòng) 在微流控器件中，表面張力取代重力成為影響微流體運(yùn)動(dòng)的一個(gè)主要因素。 因此，通過(guò)控制表面張力可以實(shí)現(xiàn)微流體的驅(qū)動(dòng)，比如基于介質(zhì)上電潤(rùn)濕效應(yīng)的 數(shù)字微流控器件。 2 1 1 表面張力 物質(zhì)的多相體系中相與相之間存在著界面，通常人們又將氣液，氣固界面 稱為表面。由于所處環(huán)境不同，處于相界面的分子與處于相本體內(nèi)的分子所受合 力是不同的。以氣液界面為例，如圖2 1c a ) 所示。在液相內(nèi)部的一個(gè)分子受 到周圍分子的作用力的合力為零，但界面處的一個(gè)液相分子卻因上層空間氣相分 子對(duì)它的吸引力小于內(nèi)部液相分子對(duì)它的吸引力，所以該液相分子所受合力不等 于零，其合力方向垂直指向液體內(nèi)部，結(jié)果導(dǎo)致液體表面具有自動(dòng)縮小的趨勢(shì)， 這種收縮力稱為表面張力【1 1 1 2 】。 表面張力是分子力的一種表現(xiàn)，是由于表面層的液相分子處于特殊情況決定 的。液相內(nèi)部的分子和分子間保持平衡距離，稍遠(yuǎn)一些就相吸，稍近一些就相斥， 這就決定了液相分子不像氣相分子那樣可以無(wú)限擴(kuò)散，而只能在平衡位置附近振 動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。在液相表面附近的分子由于只是顯著地受到液相內(nèi)側(cè)分子的作用，受 力不均，使速度較大的分子很容易沖出液面，成為蒸汽，結(jié)果在液相表面層的分 子分布比內(nèi)部分子分布來(lái)得稀疏。表面層分子間的斥力隨它們彼此間的距離增大 而減小，在這個(gè)特殊層中分子間的引力作用占優(yōu)勢(shì)。 因此，如果在液體表面上任意劃一條分界線m n 把液面分成a 、b 兩部分， 如圖2 1 ( b ) 所示。f 1 表示a 部分表面層中的分子對(duì)b 部分的吸引力，f 2 表示 b 部分表面層中的分子對(duì)a 部分的吸引力，平衡時(shí)這兩部分的力一定大小相等、 方向相反，即表面張力f 。f 的大小跟分界線m n 的長(zhǎng)度成正比，比例系數(shù)即表 基于介質(zhì)t ；l l ! 潤(rùn)濕效應(yīng)的數(shù)字微流拄器件復(fù)旦人學(xué)碩。 ：學(xué)位論文 面張力系數(shù)。表面張力系數(shù)與液體性質(zhì)和溫度有關(guān)，與液面大小無(wú)關(guān)，它的單位 在s i 制中為牛頓米( n m ) ，但仍常用達(dá)因厘米( d y n e c m ) 。l d y n e c m = 1 m n m 。 表面張力系數(shù)與表面能滿足如下關(guān)系式： 表面張力系數(shù)= 表麗能表面積。 n l 一 旺 ( a ) 表面分子受力分析 m ab f 1f 2 液面 n f = f 1 = f 2 ( b ) 表面張力表征 圖2 1表面張力與表征 表面張力的方向和液面相切，并和兩部分液面的分界線垂直，如果液面是平 面，表面張力就在這個(gè)平面上。如果液面是曲面，表面張力就在這個(gè)曲面的切面 上?？紤]到表面張力系數(shù)與表面張力存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，為了方便敘述，論文 中不加以嚴(yán)格區(qū)分，一律以表面張力代稱。表面張力的梯度可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)微流體 表面層或液滴的流動(dòng)，如果可以形成一定大小的可控的表面張力的梯度，即可實(shí) 現(xiàn)微流體的驅(qū)動(dòng)。 2 1 2 表面張力驅(qū)動(dòng)原理 考慮一個(gè)放置在固體表面上的液滴，如果液滴鋪展開來(lái)以覆蓋盡量大的固體 表面，則稱之為潤(rùn)濕( w e t t i n g ) 或親水( h y d r o p h i l i c ) 現(xiàn)象。相反，如果液滴保 持球狀以覆蓋盡量小的固體表面，則稱之為非潤(rùn)濕( n o n w e t t i n g ) 或疏水 ( h y d r o p h o b i c ) 現(xiàn)象。大部分情況下液滴與固體接觸處于上述兩種狀態(tài)之間。 由于液滴的尺寸非常小，作用于液滴的表面張力占主導(dǎo)作用，重力影響可以 忽略。液滴與固體表面不完全潤(rùn)濕，當(dāng)液滴處于平衡狀態(tài)時(shí)，在固、液、氣三相 接觸線處形成一個(gè)接觸角，如圖2 2 所示。接觸線保持穩(wěn)定，接觸角與界面張力 的關(guān)系滿足y o u n g 方程： 九礦c o s0 = 珞礦一 ( 2 1 ) 基于介質(zhì)上電潤(rùn)濕效應(yīng)的數(shù)字微流控器件復(fù)旦大學(xué)碩士學(xué)位論文 其中，目為固液界面接觸角，單位為角度( 。) 。y s l 、y s v 、九礦分別代 表固液、固氣、液氣界面的界面張力，單位為牛頓米( n m ) 。 九礦 s o l i d y s z 圖2 2固一液界面張力 另一個(gè)重要的涉及表面張力的基本方程是y o u n g l a p l a c e 方程，又稱l a p l a c e 公式。當(dāng)液滴初始時(shí)處于不平衡狀態(tài)時(shí)，液體表面不穩(wěn)定，液面兩邊的壓力差將 克服表面張力對(duì)液面做功，使液滴最終達(dá)到平衡狀態(tài)。y o u n g l a p l a c e 方程描述 了液面壓力差與表面張力的關(guān)系： 艫2 九y 玄+ 玄( 2 2 ) 其中，尸為任意液面所承受的壓力差，y l v 為液面的表面張力，曷、恐均 為表面的二維曲率半徑。 y o u n g 方程和y o u n g l a p l a c e 方程一起構(gòu)成了表面張力驅(qū)動(dòng)原理的基本方程。 如圖所示，一個(gè)液滴被放置在具有一定的表面張力梯度的固體表面，由于作用于 接觸線處的表面張力不平衡，導(dǎo)致液滴兩端產(chǎn)生凈作用力，凈作用力將驅(qū)動(dòng)液滴 沿箭頭方向移動(dòng)。 但是，僅僅有表面張力梯度并不足以驅(qū)動(dòng)液滴，一個(gè)不理想的影響因素是接 觸角的滯后現(xiàn)象【1 3 】。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中觀察到，以液滴最近一次的移動(dòng)方向?yàn)闇?zhǔn)， 前進(jìn)方向的接觸角眈一般大于后進(jìn)方向的接觸角幺，平衡時(shí)接觸角可以處于兩 個(gè)接觸角值之間任一值，因此需要施加額外的力驅(qū)動(dòng)液滴。一個(gè)常見的例子是落 地窗上的雨珠，雨珠上下兩端接觸角的不同產(chǎn)生了一個(gè)抵抗重力作用的力，因而 雨珠可以垂直懸停在玻璃表面。 2 1 3 表面張力的控制 基于表面張力驅(qū)動(dòng)的數(shù)字微流控技術(shù)需要對(duì)表面張力進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。理想的 控制方式應(yīng)該是簡(jiǎn)單可行的，表面張力的變化對(duì)外部控制反應(yīng)要迅速，并且可逆。 另外，為了使凈驅(qū)動(dòng)力足以克服接觸角滯后的影響，表面張力梯度應(yīng)該盡可能的 大，因此有些時(shí)候需要對(duì)表面進(jìn)行疏水處理，以便固液接觸角初始值較大，形 成一個(gè)較大的變化區(qū)間，從而獲得較大的驅(qū)動(dòng)力。 7 基于介質(zhì)1 - 電潤(rùn)濕效應(yīng)的數(shù)字微流控器件 復(fù)丑大學(xué)碩卜學(xué)位論文 通過(guò)控制表面張力驅(qū)動(dòng)微流體的方法有氧化還原表面活性劑法，非對(duì)稱熱控 制法，非對(duì)稱光致化學(xué)法和電控制法。表面活性劑法需要預(yù)先沿流體通路建立表 面張力梯度，不方便實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多個(gè)液滴的獨(dú)立操控【1 4 】。熱控制法則需要沿流 體通路建立較大的溫度梯度，難以應(yīng)用 1 5 】。光致化學(xué)法通過(guò)對(duì)表面非對(duì)稱的輻 照，可方便地建立表面張力梯度，但是產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力太小，不足以快速驅(qū)動(dòng)液滴。 電控制的方法最早是基于電毛細(xì)管效應(yīng)( e l e c t r o c a p i u a r ye f f e c t ) ，后來(lái)又發(fā)展出 基于連續(xù)電潤(rùn)濕( c e w ，c o n t i n u o u se l e c t r o w e t t i n g ) 的方法【1 6 】，并有實(shí)際的器 件應(yīng)用，但是都不適用于數(shù)字微流控技術(shù)，直至基于介質(zhì)上電潤(rùn)濕效應(yīng)的數(shù)字微 流控器件的出現(xiàn)。 基于介質(zhì)上電潤(rùn)濕效應(yīng)的數(shù)字微流控技術(shù)中常常需要對(duì)表面進(jìn)行疏水處理， 目的有兩個(gè)，一是給固液接觸角預(yù)留一個(gè)較大的變化范圍，產(chǎn)生較大的表面張 力梯度，以便獲得較大的驅(qū)動(dòng)力；二是減少液滴與固體表面的接觸面積，進(jìn)而減 小液滴的流動(dòng)阻力。 表面疏水處理的方法可以分為兩大類。一種是表面形貌加工，以形成符合荷 花效應(yīng)的特定形貌，如w a n gz 在柵狀碳納米管薄層上淀積p a r y l e n e 材料，提高了 僅用p a r y l e n e 材料所能獲得的靜態(tài)接觸角值 1 7 】。另一類是采取表面化學(xué)修飾的 方法，包括在液體中添加表面活性劑和使用疏水涂料覆蓋表層，增加固液界面 分子間的排斥力，從而提高疏水性。 2 2 器件表面修飾 在全集成硅基生物傳感器中，載有生物樣品的液滴需要經(jīng)微流控平臺(tái)產(chǎn)生、 運(yùn)輸、混合、分離，因此我們希望微流控器件表面疏水，生物兼容性和化學(xué)穩(wěn)定 性要好?？紤]到大多數(shù)介質(zhì)層材料并不滿足這些要求，需要進(jìn)行表面修飾，在介 質(zhì)層表面再旋涂一層疏水層作為復(fù)合介質(zhì)層的一部分，使介質(zhì)材料的可選擇余地 大大擴(kuò)大。 2 2 1 表面修飾劑 文獻(xiàn)中常使用的表面修飾材料有t e f l o n a f1 6 0 0 和t e f l o n 圓a f2 4 0 0 ，均屬 于d u p o n t 公司生產(chǎn)的一類不定形含氟聚合物樹脂t e f l o n a f 系列。t e f l o n 圓a f 具有良好的透光性、透氣性、抗蠕變性、化學(xué)穩(wěn)定性和電學(xué)特性等等，具體的產(chǎn) 品參數(shù)如表2 1 所示。 t e f l o n 圓a f 溶于特定的全氟溶劑，可以通過(guò)旋涂的方法在固體表面形成一層 均勻性良好的薄膜。旋涂之后需要進(jìn)行熱處理，加熱至居里溫度之上，以去除溶 劑，增強(qiáng)黏附性。t e f l o n 固a f 與鈦、鋁、電解銅接觸比較好，與其他固體表面的 8 基于介質(zhì)上電潤(rùn)濕效應(yīng)的數(shù)7 微流控器件復(fù)日大學(xué)碩七學(xué)位論文 接觸不大好，需要進(jìn)行表面預(yù)處理以改善黏附性。除了加熱的方法之外，還可以 使用f l u o r o s i l a n e s ，它可以提高與硅和玻璃的黏附性。 t e f l o n 圓a f 樹脂中包含百萬(wàn)分之一的h f a ( h e x a f l u o r o a e e t o n e ) ，h f a 的水合 物可以滲入皮膚，因此使用時(shí)需注意避免與皮膚直接接觸。t e f l o n a f 樹脂在室 溫下也可揮發(fā)出殘留氣體( h f ，c o f 2 ，c o ，h f a ) ，因此需要在通風(fēng)櫥中操作， 密封保存。 表2 1t e f l o n 圓a f 相關(guān)性能指標(biāo) 2 2 2t e f l o n a f 旋涂實(shí)驗(yàn) 旋涂t e f l o n a f1 6 0 0 和t e f l o n a f2 4 0 0 溶液所用設(shè)備為k w 4 a 旋涂機(jī)， 經(jīng)熱處理獲得t e f l o n a f1 6 0 0 和t e f l o n a f2 4 0 0 薄膜，所用設(shè)備為c t - 9 4 6 電熱板。具體的工藝步驟如表2 2 所示。 經(jīng)過(guò)熱處理后的t e f l o n a f 薄膜表面在光學(xué)顯微鏡下如圖2 3 所示，凹凸不 平的表面是由于t e f l o n a f l 6 0 0 溶液較大的濃度和旋涂的速度較低所致。 為了獲得較薄的疏水層，需要盡量提高旋涂轉(zhuǎn)速。需要注意的是，兩種溶液 的溶劑在室溫下都很容易揮發(fā)，使旋涂溶液粘滯系數(shù)變大，難以覆蓋整個(gè)表面( 圖 2 4 ) ，甚至?xí)粝骂A(yù)旋涂時(shí)的位置痕跡，影響薄膜的均勻性。因此在旋涂時(shí)應(yīng)該 使溶液滴滿整個(gè)表面，隨即高速旋涂，可以提高成膜均勻性。 另外，熱處理過(guò)程中，t e f l o n a f 薄膜表面有時(shí)會(huì)分裂成若干塊狀區(qū)域，原 因可能是受熱不均而產(chǎn)生的應(yīng)力導(dǎo)致，區(qū)域交接處往往成為介質(zhì)層的薄弱區(qū)，需 要盡量避免。 9 皋十介質(zhì)i ：l 乜潤(rùn)泓斂j _ 的數(shù)，微流拎器件 復(fù)口人學(xué)顧i j 學(xué)位論文 表2 2t e f l o n a f 疏水薄膜生長(zhǎng)工藝步驟 步驟t e f l o n o1 6 0 01 e f t o n 。2 4 0 0 i 表面預(yù)處理表面預(yù)處理 2 以一定轉(zhuǎn)速旋涂3 0 秒以一定轉(zhuǎn)速旋涂3 0 秒 3 i1 0 0 c 烘烤5 分鐘l1 0 0 c 烘烤5 分鐘 4 1 6 5 。c 烘烤1 5 分鐘2 4 5 。c 烘烤1 5 分鐘 5 3 3 0 。c 烘烤1 5 分鐘3 3 0 。c 烘烤1 5 分鐘 圖2 3以5 0 0 0 轉(zhuǎn)分鐘旋涂生成的t e f l o n a f16 0 0 薄膜表面 圖2 4以9 8 0 0 轉(zhuǎn)分鐘旋涂的t e f l o n a f2 4 0 0 薄膜邊緣部分 i o 基于介質(zhì)上電潤(rùn)濕效應(yīng)的數(shù)字微流控器件復(fù)哩大學(xué)碩+ ：學(xué)位論文 2 2 3t e f l o n a f2 4 0 0 薄膜厚度與旋涂轉(zhuǎn)速關(guān)系實(shí)驗(yàn) 1 2 0 1 0 0 g c 。 8 0 遙 醯 6 0 4 0 02 0 0 04 0 0 06 0 0 08 0 0 01 0 0 0 0 轉(zhuǎn)速( r o m ) 圖2 5 t e f l o n a f2 4 0 0 旋涂薄膜厚度與旋涂轉(zhuǎn)速關(guān)系 在介質(zhì)上電潤(rùn)濕中，介質(zhì)層的厚度是一個(gè)很重要的參數(shù)，直接影響到器件的 工作電壓，需要精確控制。通過(guò)改變旋涂轉(zhuǎn)速，可以在硅片表面淀積不同厚度的 t e f l o n a f2 4 0 0 疏水介質(zhì)層。 由于t e f l o n 固a f2 4 0 0 薄膜比較軟，臺(tái)階測(cè)試儀( x p 2s t y l u s ，a m b i o s ) 測(cè) 試時(shí)會(huì)在表面留下劃傷痕跡，導(dǎo)致同一片上旋涂的厚度測(cè)量結(jié)果相差甚遠(yuǎn)，不足 采信。因而換用a f m 掃描測(cè)量，不需要直接接觸表面。 測(cè)量前先用鑷子在t e n o a f2 4 0 0 薄膜上輕輕劃出一個(gè)溝槽，由于硅的硬度 很大，忽略對(duì)硅片表面的劃傷。然后a f m 探針沿溝槽垂直方向掃描薄膜表面， 測(cè)量得到溝槽的深度，即薄膜厚度。測(cè)試點(diǎn)選取靠近硅片中心位置，多次測(cè)試數(shù) 據(jù)取算術(shù)平均值。 采用a f m 掃描方法測(cè)量了一組t e f l o n 圓a f2 4 0 0 薄膜厚度與旋涂轉(zhuǎn)速之間關(guān) 系的數(shù)據(jù)，所得結(jié)果整理如圖2 5 所示?？梢钥吹?，當(dāng)轉(zhuǎn)速高于5 0 0 0 r p m 后，由 于t e f l o n 固a f2 4 0 0 的粘性作用，成膜的厚度值趨于穩(wěn)定。要獲得更薄的疏水層， 需要采用稀釋的t e f l o n 圓a f2 4 0 0 溶液。 2 2 4t e f l o n a f2 4 0 0 薄膜表面與水接觸角測(cè)量實(shí)驗(yàn) 為了表征t e f l o n a f2 4 0 0 疏水處理對(duì)介質(zhì)層表面的修飾作用，開展了一組疏 水處理前后器件表面與水的接觸角的對(duì)比測(cè)量實(shí)驗(yàn)。 表面接觸角和表面自由能測(cè)試分析儀( o c a - 1 5 ，d a t ap h y s i c s ) 可以實(shí)時(shí)觀 測(cè)固液接觸角的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，并最短以0 0 2 秒的間隔拍攝固液接觸剖面圖， 由系統(tǒng)自帶的軟件對(duì)液滴輪廓擬合計(jì)算出左右接觸角。對(duì)同一固體表面與去離子 水的靜態(tài)接觸角進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，多次測(cè)量數(shù)據(jù)求算術(shù)平均值作為最終實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 皋十介質(zhì)l ：電潤(rùn)瀣效心的數(shù)。，微i j c 摔器伺 如圖2 6 所示，經(jīng)過(guò)t e f l o n a f 2 4 0 0 表面修飾之后，器件表面孑去離子水的 靜態(tài)接觸角有了很人提升，可以達(dá)到l1 5 。1 2 0 。，這與文獻(xiàn)t j 報(bào)道的數(shù)據(jù)璉本 吻合。 圖2 6器件表面與去離子水的固一液接觸剖面圖 2 3 本章總結(jié) ( a ) 表面疏水處理前( b ) 表面疏水處理后 本章在介紹表面張力及其驅(qū)動(dòng)原理的基礎(chǔ)之e ，闡明了使用t e f l o n a f 材料 作為器件表面疏水層的必要性。介紹了t e f l o n a f 材料的特性及具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi) 容，選定t e f l o n 固a f 2 4 0 0 作為器件表而修飾劑，給出了t e f l o na f 2 4 0 0 旋涂薄 膜厚度- j 轉(zhuǎn)速的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了t e f l o n a f 疏水層可以大幅增加器件表面與去 離子水的靜態(tài)接觸角，并測(cè)得初始接觸角值為11 5 。1 2 0 。t e f l o n a f2 4 0 0 表 面修飾可以滿足我們的器件設(shè)汁的需求，并日只需簡(jiǎn)幣旋涂和低溫?zé)崽幚?，可?與i c 后端工藝兼容。 基于介質(zhì)上電潤(rùn)濕效應(yīng)的數(shù)字微流控器件 復(fù)q 大學(xué)碩士學(xué)位論文 第三章介質(zhì)上電潤(rùn)濕研究 本章首先簡(jiǎn)單回顧了介質(zhì)上電潤(rùn)濕的理論發(fā)展，介紹了描述外加電壓與接觸 角關(guān)系的l i p p m a n n - y o u n g 方程。然后，從理論角度分析了完成研究課題的途徑， 確定選用高介電常數(shù)材料作為介質(zhì)層。對(duì)于選定的p ( v d f t r f e ) 介質(zhì)層，電潤(rùn)濕 實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，有明顯的電壓極性相關(guān)電潤(rùn)濕現(xiàn)象。最后對(duì)電壓極性相關(guān)電潤(rùn)濕 現(xiàn)象給出了初步的解釋。 3 1 介質(zhì)上電潤(rùn)濕效應(yīng) 介質(zhì)上電潤(rùn)濕效應(yīng)是電控制表面張力的一種方法，從電潤(rùn)濕效應(yīng)發(fā)展而來(lái)， 是數(shù)字微流控器件的基本驅(qū)動(dòng)原理。 3 1 1 電潤(rùn)濕 電潤(rùn)濕( e w ：e l e c t r o w e t t i n g , ) 是一種類似但不同于傳統(tǒng)的電毛細(xì)管和連續(xù)電 潤(rùn)濕的電控制表面張力的方法。電潤(rùn)濕效應(yīng)利用外加電場(chǎng)直接控制固液界面張 力，由于界面一方為固體，可以精確定位，獨(dú)立控制不同區(qū)域的界面張力，非常 適合應(yīng)用于數(shù)字微流控系統(tǒng)。 k d l o q ol 吼) 圖3 1 電潤(rùn)濕示意圖【9 】 c o ) 最初的電潤(rùn)濕實(shí)驗(yàn)是將固體金屬電極與電解溶液直接接觸 1 3 】，固液界面