基于ewod的数字微流控器件研究

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AbstractAbstractInrecentyears,theemergingdigitalmicrofluidictechnologyhasshownhugedevelopmentpotentialandapplicationprospectinchemistry,biology,medicineandotherareasbecauseofitsadvantageofsimplestructure,savingthesample,easeofintegration,widemanipulaterangeandsoon.Thisdissertationhaspreliminarilydiscussedthedigitalmicrofluidictechnologythroughthemethodoftheoreticalanalysis,simulationoptimizationandexperimentalverification.Firstly,thedissertationanalyzedtheadvantagesanddisadvantagesofvariouscontrolmethodofdigitalmicrofluidicsystem,andthen,determinedtoutilizethetheoryofelectrowettingondielectric(EWOD)torealizethemicrodroplet’sdriven.Afterwards,thedissertationintroducedtheprincipleofEWOD,establisheditsmathematicalmodelandsimulatedtheprocessofEWOD.Furthermore,thedissertationexpoundedhowtoimplementthemicrodroplet’sdrivenusingthetheoryofEWODindetail.Secondly,thedissertationdevelopedamathematicmodelofthedigitalmicrofluidicsystem,simulatedthestaticanddynamicperformanceofthesystemwiththeuseofCOMSOLMultiphysics4.4,obtainedtheelectricpotentialdistributionofthesystem,analyzedtheinfluenceoftheparameterssuchasthethicknessofdielectriclayertothedigitalmicrofluidicchip,andthenprovedthatthesingleplatestructurewaseasiertodrivethedroletthanthedoubleplatesructure.Aferwards,thedissertationsimulatedthemicrodroplet’smovementprocessonthepremiseofthedeterminedstructureandparameters.Thusitprovidedareliableguidefortheoptimizationofthechip.Finally,accordingtothesystemstructureandparametersdeterminedbyoursimulations,weproducedadigitalmicrofluidicchip,usingthemethodofwetetchingprocesstomaketheITOdriveelectrode,usingthemethodofRFmagnetronsputteringtodepositetheSiO2dielectriclayer,andusingCH3(CF2)7(CH2)2Si(OC2H5)3toproducethehydrophobiclayer.Wealsodiscussedthekeytechnologyandinfluencefactorsinthechipproductionprocess.Then,wedesignedandweldedcontrolcircuitofthedigitalmicrofluidicsystem,andalsoverifieditsfunction.Afterthat,wesetupatestplatformfordigitalmicrofluidicsystemandrealizedthetransportofmicrodropletatthevoltageof40V.Theresultverifiedthecorrectnessofthesimulationandthefeasibilityofdigitalmicrofluidicsystem,andlaidafoundationforfurtherresearchondigitalmicrofluidictechnology.Keywords:digitalmicrofluidicsystem,EWOD,microdroplet’smanipulation,simulationusingCOMSOLMultiphysics,RFmagnetronsputtering-II- 目录目录摘要..........................................................................................................................IABSTRACT................................................................................................................II第1章绪论...........................................................................................................11.1课题研究的背景和意义............................................................................11.1.1课题研究的背景........................................................................................11.1.2课题研究的意义........................................................................................21.2国内外研究现状分析................................................................................21.2.1数字微流控系统的结构优化....................................................................31.2.2数字微流控系统的数值模拟....................................................................41.2.3数字微流控系统的操控研究....................................................................61.2.4数字微流控系统的实际运用....................................................................71.3本文主要研究内容..................................................................................10第2章介电润湿效应及其驱动机理.....................................................................122.1数字微流控系统操控方式选择...............................................................122.1.1润湿角与表面张力...................................................................................122.1.2微液滴的表面张力驱动..........................................................................132.2介电润湿效应理论基础..........................................................................152.2.1电润湿效应..............................................................................................152.2.2介电润湿效应..........................................................................................162.2.3Young-Lippmann方程.............................................................................172.3利用介电润湿效应实现微液滴的各项操控.............................................172.3.1微液滴的产生..........................................................................................182.3.2微液滴的输运..........................................................................................192.3.3微液滴的合成..........................................................................................192.3.4微液滴的分离..........................................................................................202.4本章小结.................................................................................................20第3章数字微流控系统建模及数值模拟.............................................................213.1数字微流控系统建模..............................................................................213.1.1微流体的属性..........................................................................................213.1.2微流体的动力学方程..............................................................................213.1.3数字微流控系统中微液滴所遵循的动力学方程..................................24-III- 目录3.1.4数字微流控系统中微液滴的体积优化..................................................243.1.5数字微流控系统中微流体的层流效应..................................................253.2COMSOLMULTIPHYSICS4.4仿真步骤....................................................263.3数字微流控系统模拟结果的分析............................................................273.3.1介电润湿效应仿真..................................................................................273.3.2数字微流控系统的静态性能研究..........................................................323.3.3数字微流控系统的动态性能模拟..........................................................373.4本章小结.................................................................................................39第4章数字微流控系统的制作及操控.................................................................404.1数字微流控系统关键技术研究...............................................................404.1.1磁控溅射法概述......................................................................................404.1.2SiO2薄膜的制备......................................................................................444.1.3SiO2薄膜的退火处理..............................................................................464.1.4工艺参数对SiO2薄膜制备的影响........................................................484.2数字微流控芯片的制作流程...................................................................484.2.1驱动电极的制作......................................................................................494.2.2介质层的制备..........................................................................................514.2.3芯片表面的疏水处理..............................................................................524.3数字微流控系统控制电路设计...............................................................534.4数字微流控系统的测试..........................................................................554.4.1测试平台搭建..........................................................................................554.4.2测试结果分析..........................................................................................564.5本章小结.................................................................................................58结论.......................................................................................................................59参考文献...................................................................................................................60攻读硕士学位期间发表的专利...............................................................................65哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限...............................................66致谢.......................................................................................................................67-IV- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1课题研究的背景和意义1.1.1课题研究的背景近年来，微电子技术的迅速发展促进了航天、军事、工业、科研、医学等领域的飞速发展，极大地改变了人们的生活。同时，微电子技术与生物、化学、机电、光学等学科的交叉领域的研究也逐渐受到越来越多的重视，微全分析系统便应运而生。[1]微全分析系统(Micrototalanalysissystems，µ-TAS)最早是由A.Manz于20世纪90年代提出，它是指将生物、医学、化学等领域的各种操作集成在一个微型芯片上，从而在芯片上实现传统实验室的各种样品处理、检测、反应、分析等功能，它实现了实验室的微型化以及便携化，因此又被称为芯片实验室(LabonaChip)。无疑，微全分析系统可以大大减少昂贵的分析样品的消耗，使得各种分析检测功能更加快捷高效，其便携化的性能也为现场医疗和分析带来了可能，同时还可以完成一些传统实验室无法完成的分析，因此具有广阔的[2]发展前景。微全分析系统按照效用和构造的差异，可以分为微流控芯片和生物芯片。其中，传统的微流控芯片以生物、化学、医学为应用背景，以电子、材料、机电、流体等学科知识为基础，利用MEMS微加工技术在芯片上集成微阀、微泵、微小电极和微小传感器等器件，同时在芯片表面刻蚀出微型沟道，通过流体在沟道中的流动完成分离、输运、检测等分析过程。而生物芯片是指在芯片表面放置生物样品，利用生物分子之间的特异相互作用，通过DNA杂交探针技术在其上完成蛋白质、DNA、RNA和其它物质的检测、分离和提取等功能。按照发展过程的先后，微流控芯片又可以被分成连续微流控芯片和数字微流控芯片。其中，连续微流控芯片的操控对象为连续流体，而数字微流控芯片的操控对象为单个微液滴。数字微流控芯片是近10年来才发展起来的一种新兴技术，相对于连续微流控芯片，它具有以下优点：第一，数字微流控芯片消耗的样品剂量少，不容易造成浪费，且会使样品处理更加便捷和省时；第二，数字微流控芯片不需要制作微沟道，因此，相对于连续微流控芯片来说，不容易造成样品污染，并去除了死区；第三，数字微流控芯片具有更加简易的构造，省去了制作微型泵等元件的麻烦，并且易于实现集成化；第四，数字微流控芯[3]片具有更广泛的应用范围，它可以对任何样品进行操控。因此，数字微流控-1- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文芯片自提出以后就立马在科研界取得了极大的反响。1.1.2课题研究的意义数字微流控技术凭借其自身的优点，在短短十年的时间里得到了飞速的发展，其在国外的研究一直是一个热点，但仍然存在很多难以解决的问题。例如，数字微流控芯片的操控机理仍然存在争议，对接触角饱和等现象的解释也存在分歧，系统的优化也缺乏有力的理论支撑，芯片的稳定性也需要进一步的研究，总之，很多问题亟待解决。然而国内对该技术的研究却非常少，只有少数高校和研究所对其进行了初步的探讨。人们迫切地希望数字微流控技术可以尽快走出实验室，走入家庭，实现即时检测各种疾病，即时检测食物安全，即时检测环境污染，从而极大改善人类的生活水平。因此，开展对数字微流控技术的研究具有非常重要的意义和极大的价值。为了提高数字微流控系统研制的效率，需要提前设计出结构比较合理性能比较优越的数字微流控芯片，而仿真可以大大缩短芯片研制周期，且成本低廉，简单高效，同时可以对数字微流控技术的内在机理进行分析，因此利用计算机进行模拟是一个好的优化办法。另外，对数字微流控芯片的一些关键技术研究也十分必要，这些关键技术可以对数字微流控芯片的结构优化提供指导，并且有利于提高数字微流控芯片的稳定性，为数字微流控技术尽快走向市场打下良好的基础。因此，展开对数字微流控系统的数值模拟和关键技术的研究非常有必要。1.2国内外研究现状分析20世纪90年代，A.Manz等人首次提出了微全分析系统的概念，并展开[4]了对毛细管电泳的研究，开启了微流控系统的新时代。1994年，美国橡树[5]岭实验室改善了A.Manz提出的毛细管电泳样品的进入方式，改善了芯片的性能，提高了实用价值，产生了强烈反响。同年，荷兰举行了首届关于微流控系统的µ-TAS会议，推动了微流控技术的发展。1995年，加州大学伯克利分[6]校利用微流控芯片开展了DNA测序，初步展现出微流控系统的商业用途。同年，首个专门从事微流体研究的CaliperLifeSciences公司创立于美国，它主要研究生命科学领域的尖端技术，并研究如何将这些尖端技术投入应用。从这一年起，微流控方面的报道也逐渐增多起来，进一步促进了科研工作者对微流控系统的研究。1996年，美国加州大学的Mathies等人又将毛细管电泳应用[7]于基因分析中，揭示了微流控技术在生物医学领域的意义。1998年，Burns[8]利用毛细管电泳实现了DNA检测的自动化。同年，专利之战打响。1999年，-2- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文Agilent协同Caliper公司共同开发出了Bioanalyzer2100分析仪器，这是用于微流控方面的第一台商业化分析仪器。2001年，英国Michael等人研制出可以[9]完成制备、分析、处理全过程的微全分析系统。同年，LabonaChip创刊，这是一个专门报道微全分析系统的权威期刊。2004年，MicrofluidicsandNanofluidics创刊，预示着微流控技术受到更多人的关注。2005年，Stybayeva等人将微流控技术与疾病诊断联系在一起，进一步提升了艾滋病诊断的特异性。2006年，Nature杂志专门发布了关于芯片实验室的专刊，详细介绍了芯片实验室广阔的发展前景。2009年，美国BioRad公司利用微流控技术在蛋白质分析方面取得了很大进展。自此以后，关于微流控方面的研究和应用层出不穷。在国内，只有少数高校和研究所对该技术进行过初步的探索。2006年，清华大学微电子系进行过数字微液滴的操控研究，并用CFD-ACE+模拟了微液[10]滴各种运动的全过程。2007年，吉林大学利用玻尔兹曼算法对数字微流控[11]系统进行了仿真，指出了对微液滴运动速度有影响的一些关键因素。2010年，复旦大学赵平安等人创新性地利用一种高K介质材料充当关键的介质层，[12]研制了一种新型的单极板数字微流控芯片。2011年，河北工业大学常银霞等人探讨了封闭式的微流控系统中微液滴的运动特性，并推导出微液滴驱动成[13]效最佳时电极边长和液滴半径的关系。2014年，苏州大学许晓威等人提出了悬空的零电极芯片结构，并通过对比分析证明了此种结构的零电极的优势[14]。另外，国内其他高校也在进行着相关领域的研究，然而截止目前，研究成果最显著的当属中科院林炳承课题组。但是在国内，微流控技术尚未真正投入到商业运用中。综合近些年来国内外相关的文献，不难发现，相关领域的研究主要包括以下几个方面：1.2.1数字微流控系统的结构优化(a)单极板结构(b)双极板结构图1-1芯片的基本结构数字微流控系统的结构对其芯片功能能否很好地实现有很大影响，因此，-3- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文各个学者也纷纷致力于研究结构比较优化的数字微流控系统。就目前的研究来[15-18]看，芯片主要分为单极板结构和双极板结构两大类，如图1-1所示。其中，单极板结构的芯片其零电极与驱动电极位于同一个平面上，而双极板结构的芯片其零电极位于上极板上，与驱动电极分处于两个平面。单极板结构的零电极位置有很多种类，其中，最早的零电极是悬空在液滴之上的，如图1-2所示。在上述两种基本结构的基础上，各学者又研究出其他新的结构来优化数字微流控芯片，比如韩国的Chang等人研制出了一种新型的数字微流控芯片，[19]该芯片具有上下两极板构造相同的双胞胎结构，如图1-3所示。该结构的优点是相对于单极板结构和双极板结构，双胞胎结构具有更强的驱动微液滴的能力，它能够在更低的电压下实现微液滴的运动。当然，这种方法由于精确对准十分困难，使得加工过程中存在一定的难度。图1-2悬空零电极结构的芯片图1-3双胞胎结构的芯片数字微流控系统的结构优化还可以通过对微液滴驱动方式加以改进而实[20,21]现。美国的Jones等人通过介电泳技术驱动了微液滴的运动；日本的[22]M.Washizu等人利用静电驱动的方式实现了微液滴的驱动；德国的Wixforth[23-27]等人正在研究利用表面声波驱动的方式对数字微液滴进行远程驱动；[28]Kataoka等人开创了利用热毛细管驱动的方式实现微液滴驱动的先河；Lehmann和Lyuksyutov等人分别利用磁力操控的方式完成了对微液滴各项运[29,30]动的操作；Chiou和Ichimura等人分别利用光驱动的原理来驱动微液滴的[31,32]运动。还有很多种别的驱动方式，这些驱动方式将在第2章中加以叙述。而纵观各种驱动方式中，利用介电润湿效应实现微液滴的驱动是目前研究最热且最有效的一种驱动方式。1.2.2数字微流控系统的数值模拟仿真可以大大缩短芯片的开发周期，为芯片结构的设计提供有力的指导，避免不必要的浪费，因此受到了广大科研人员的欢迎。对于数字微流控这种多相流系统，仿真的难点在于模拟两相边界处自由表面的动态变化。Erickson曾-4- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文[33]经专门归纳了用于数字微流控系统数值模拟的主要途径和手段。其中，数值模拟的主要途径有有限容积法(FVM)、格子波尔兹曼法(LBM)、有限元法(FEM)以及有限差分法(FDM)；仿真软件主要有COMSOLMultiphysics、Fluent、CFD-ACE+、CoventorWare和FEMLAB等。大部分方法和手段的核心都是通过求解流体动力学方程来获得流体的属性，从而实时追踪两相界面的动态变化。图1-4系统温度分布模拟图图1-5微液滴分裂仿真结果J.Zeng等人利用电动水力学的理论分析了介电润湿原理，并通过CoventorWare软件模拟了微液滴的运动，证明了EWOD在实现数字微流控系[34]统功能方面的可行性。Ugsornrat也利用了CoventorWare软件模拟了带有加[35]热源的数字微流控系统中样品的温度分布，如图1-4所示。Walker等人利用水平集方法求解简化的Navier-Stoke方程，并在微液滴上添加有关的边界条[36]件，模拟出了液滴分裂的现象，如图1-5所示。L.Clime等人利用格子波尔[37]兹曼法对微液滴的运动进行模拟，成功地仿真了微液滴的合成和分离过程，如图1-6所示。E.Baird等人采用电动力模型构造数字微流控系统，通过数值[38]计算系统受力情况，模拟出了整个系统的电场分布，如图1-7所示。事实证明，和其它模型相比，电动力模型更为简单高效，在芯片优化的过程中有更有力的指导意义。不难发现，数值模拟对于结构优化具有举足轻重的地位，它有助于更快更好地确定器件的参数，并能够指导大家在已有模型的基础上进行优化改进，从而有效推动实验进程的发展。通过仿真，还能更进一步地认清器件工作的机理，同时对一些有争议的问题也能够进行及时有效的研究探讨，丰富了科研的形式和内容，具有非常重要的意义。-5- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图1-6波尔兹曼法仿真的微液滴运动图1-7电动力模法仿真的型微液滴电场分布1.2.3数字微流控系统的操控研究图1-8可编程化的数字微流控系统图1-9单极板结构的新型零电极示意图数字微流控系统的正常运行是其它一切实际应用的基础，因此，展开对数字微流控系统的操控研究非常有必要。2000年，Pollack等人最先基于EWOD[39]的原理制作了双极板结构的芯片，并利用该芯片完成了微液滴的运输。2002年，SungKwonCho等人在Pollack的基础上提出了数字微流控系统可编程化[40]的构想，之后在2003年在该电路系统的基础上完成了微液滴的产生、分离、[41]合成和运输操作，丰富了数字微流控系统操控的内容，图1-8为SungKwonCho提出的可编程化的数字微流控系统的设想。之后，Schwartz等人在双极板结构的基础上去掉了上极板，研制出单极板结构的数字微流控系统，并在该结-6- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文[42]构的芯片上完成了对数字微液滴的操作，加快了液滴的运动速度，展现了这种结构的发展潜力。随后，Cooney等人对单极板数字微流控芯片结构加以改进，在介质层上方淀积金属零电极，如图1-9所示，并用此结构对微液滴进[43]行操控，结果发现这种零电极结构能够进一步加快微液滴的运动。比较新颖的一种操控方式是IljuMoon等人提出的微运输机的构想，他们将四个液滴上方放置一定量的物质，从而利用四个液滴的运动来实现对其上物质的精确运[44]输，如图1-10所示，这样，就可以有效地避免电极对样品造成的沾污。Shih-KangFan等人研究了各种绝缘的和导电的微液滴的运动过程，扩展了数[45]字微流控系统的操控范围。图1-10操控微液滴作为微运输机图1-111uL去离子水的蒸发过程为了更好地实现对微液滴的操控，许多学者纷纷展开对数字微流控系统机理的研究。Digilov等人指出，微液滴能够运动的原因是由于固液气三相接触[46]线处电场分布差异而导致形成的不平衡力引起的；Kumari等人觉得是系统[47]的等效电容导致的表面能量的改变促使了微液滴的运动；Muggle等人专门[48]研究了不同电场作用下液滴的内部特性，推导出适合驱动液滴的电场频率；DongHwanShin等人专门研究了微液滴的蒸发过程，并指出了能够对该过程[49]产生影响的一些因素，对微液滴的操控时间提供了要求，图1-11为PDMS表面上1uL去离子水的自然蒸发过程。总之，关于系统操控方面的研究已经获得了很大的进展。但是，对微液滴的操控仍有很多问题需要解决，例如操控电压过高、可重复性差、稳定性差等，对其操控机理也缺乏有效的认识，导致了数字微流控芯片离走向市场还有一定的距离。1.2.4数字微流控系统的实际运用尽管数字微流控技术还有很多问题需要进行深入研究，但不可否认的是，数字微流控系统可以运用到包括化学、生物、医学等各个领域中，必将极大地推动人类生活的进步和变革。-7- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图1-12血清蛋白样品的提纯在化学领域，利用数字微流控系统可以精确控制各种化学反应，充当微反应器。例如，Miller等人研制了可以在其上实现碱性磷酸酶反应的数字微流控[50]芯片，实现了对反应产物的量化处理。Jebrail等人利用数字微流控芯片提纯了蛋白质样品，如图1-12所示，他们操控血清蛋白液滴和沉淀剂液滴进行合并从而产生反应，生成沉淀物，再对生成的物质进行烘干处理，然后多次操控去离子水微液滴清洗烘干过后的样品，使得样品中亲水的杂质被微液滴带走，剩下了疏水的纯净的血清蛋白样品，最后，再操控能溶解血清蛋白的溶剂[51]液滴来稀释提纯后的固态样品，即得到了纯度很高的液态血清蛋白；这种使用微流控系统进行提纯的方法相对于传统提纯技术来说，不仅提纯率高，而且省去了一些比较繁琐的环节，用时也较短，因此具有很广阔的发展前景。另外，利用数字微流控系统还可以完成粒子的分离，这需要通过对液滴施加一定的电场，使得极性不同的两种粒子分别位于液滴的两侧，再操控微液滴进行分离，从而分开了两种不同粒子。(a)原理图(b)实验图图1-13利用数字微流控系统实现DNA链接-8- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图1-14多功能自动细胞培养器图1-15微生物培养器在生物领域，利用数字微流控系统可以实现与DNA、细胞等相关的实验。例如，2007年，Fair等人曾利用数字微流控系统实现了DNA测序，他们首先利用数字微流控系统分配焦磷酸测序所需要的四种酶，并将所需要的微液滴移[52]动到所需要的位置，配合荧光素酶实现了短序列DNA的测序。Liu等人利用数字微流控系统加快了DNA的链接速度，如图1-13所示，他们驱动含有DNA的各微液滴进行合并，之后再分别将合并后的液滴依次传输到包含DNA链接酶的微槽中进行DNA链接，这样，不仅加快了反应速度，而且减少了样[53]品的用量。Irena等人研制了一种多功能自动数字微流控芯片，该芯片可以[54]通过操控微液滴的运动来培养细胞，并可以对细胞的生长过程进行分析，如图1-14所示，这种结构不会对细胞的活性和其他性能产生影响。Sam等人[55]也运用该技术培养了细菌、酵母菌等微生物，如图1-15所示。Vergauwe等人还曾将数字微流控系统用于人体癌细胞与其抗体的反应的测试和分析过程[56]中。图1-16利用数字微流控系统实现免疫测定图1-17利用数字微流控系统提取雌激素在医学领域，利用数字微流控系统可以完成免疫分析、药物测定和临床诊断等方面的实验。Vinayak等人利用数字微流控芯片实现了免疫测定，他们驱动携带一定量抗体的微液滴与目标分析样品微液滴结合，通过两者的反应产物[57]检测出了样品中抗原的含量，如图1-16所示，使用这种测定方法可以使分-9- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文析的结果更准确，且用时更短。Naha等人利用数字微流控系统对人体雌激素进行提取，并且对提取的样品进行了医学分析，展示了数字微流控对医学诊断[58]的重大作用，如图-17所示。Jebrail等人也曾将数字微流控系统用于医学诊断中，他们通过收集和处理患病婴儿的血液样本，诊断出了患病婴儿，如图[59]1-18所示，样品浓度高出标准线的婴儿即为患病婴儿。另外，有的学者还做出大胆想象，将数字微流控系统应用到超声成像中，他们设想利用数字微流控系统制作微米级别的气泡造影剂，这可以极大地加强超声波的反射，使得仪[60]器获得更加清晰的诊断图像。图1-18遗传疾病的诊断图1-19集成电路的散热在其他领域，数字微流控系统也有其用武之地。例如，Cheng等人改变传统的集成电路散热方法，采用数字微流控液滴对器件进行降温，达到了很好的[61]效果，如图1-19所示。可以预见，在未来，数字微流控必将发挥巨大的作用，进一步促进人类的发展。1.3本文主要研究内容综上所述，数字微流控技术一经提出就产生了极大的反响，引起了科研工作者的极大关注。而国内对此方面技术的研究甚少，对数字微流控系统的操控机理、芯片仿真以及关键技术都缺乏深刻的认识，距离国外的研究还有很大的差距。因此，本人将对数字微流控技术展开深入研究，通过数值模拟的手段探寻合适的芯片结构和参数，同时，结合本人已发表的发明专利，对数字微流控芯片的一些关键技术进行研究，从而为数字微流控技术的发展奠定基础。主要包括以下几个方面：(1)探讨合适的数字微流控系统操控方式。将综合对比各种微液滴的操控方式的优缺点，探讨出合适的操控微液滴运动的方法。(2)介电润湿效应机理的研讨。将讨论介电润湿理论，研讨Young-Lippmann方程，并分析利用介电润湿效应操控微液滴的机理。-10- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文(3)将对数字微流控系统的静态特性进行模拟。将利用COMSOLMultiphysics对系统的静态性能进行仿真。主要包括介电润湿效应的仿真、数字微流控系统电势分布的仿真、介质层厚度对数字微流控系统电势分布的影响的仿真以及系统的结构对电势分布的影响的仿真。通过这些仿真结果，初步设计芯片的结构以及芯片结构中的各个参数值。(4)将对数字微流控系统的动态性能进行模拟。将根据静态仿真的结果和设计的芯片参数，对数字微流控系统的动态性能进行仿真，研究所设计的芯片结构以及芯片参数能否驱动微液滴的运动。(5)将对数字微流控系统的一些关键技术进行研究。介质层的制作是数字微流控系统中最关键的技术，关系着微液滴是否能够被成功驱动。本文将重点研究介质层的制作过程，并分析各种参数对介质层质量的影响，从而制作出均匀性好、致密性好、质量优异的介质层薄膜，为性能优良的数字微流控系统的实现奠定基础。(6)将研究数字微流控芯片的制备方法。将根据仿真所确定的结构以及各项参数展开芯片的制作，将设计并制作掩膜板，并按照IC湿法刻蚀的工艺制备驱动电极，之后在制备好的驱动电极上淀积一定厚度的介质层，并将探讨芯片表面疏水处理的方法，为下一步微液滴的操控奠定基础。(7)将设计并焊接数字微流控系统的控制电路。数字微流控系统能够在短短十几年的时间里发展如此迅速，其中一个原因就是因为数字微流控系统能够通过控制电路对液滴的运动进行灵活自由的操作和控制。本文将基于仿真结果设计一款操控电路，使得这款电路能够将一定大小的电压按照一定的频率依次施加在电极上，并对设计制作出来的电路性能加以验证。这将进一步为数字微流控系统的实现打下根基。(8)将测试所设计的数字微流控系统。将根据需要搭建数字微流控系统的测试平台，并进行对数字微液滴的操控研究，同时将得到的测试结果与仿真所得到的结果进行对比分析。-11- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第2章介电润湿效应及其驱动机理2.1数字微流控系统操控方式选择2.1.1润湿角与表面张力生活中常见到一种现象，当把液体滴在固体表面时，液体会自动地沿着固体的表面铺展开来，这种现象叫做润湿现象。固体表面不同，则润湿性也不同，一般用接触角来判定液体在固体表面的润湿性。接触角是指在固、液、气三相接触点处作液气两相接触面的切线，同时过作固、液两相接触面的中心作交界线，则该切线和交界线之间的夹角θ即为接触角，如图2-1所示。当θ<90°时，称该固体表面是亲水的；当θ>90°时，称该固体表面是疏水的；而当θ>150°时，称该固体表面是超疏水的。图2-1接触角的定义铺展系数S决定了液滴在固体界面的润湿性能。设Фsg为干燥固体表面的表面能，Фsl+Фlg为湿润的固体表面的表面能，则铺展参数为：S=Фsg-(Фsl+Фlg)(2-1)自然界中，各体系总是倾向于保持更低的能量状态，因此，当S>0时，液滴会沿着固体表面铺展开来；当S<0时，液体将不会沿着固体表面铺展开来。润湿性也可以用体系的表面张力来解释。气、液、固其中的任意两相的交界面称为界面，其中，将包含有气相的气固、气液界面称为表面。众所周知，在液体内部和气体内部，分子与分子之间会产生互相吸引的范德华力，这些力可以相互抵消，从而使得气体内部和液体内部维持相对平衡的状态；而在气体和液体交界的表面，液体分子同时受到液体和气体分子的吸引力，且受到气体分子的吸引力要比受到液体分子的吸引力要小，此时产生的合力就会促使液体表面产生自动收缩，这种致使液体表面产生自动收缩的不平衡力就叫做表面张力，如图2-2所示。换句话说，气液交界面处的气体分子受到液体分子的吸引-12- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文力要比其受到气体分子的吸引力大，因此就使得气体分子发生向液体内部运动的趋势，从而致使液体表面产生收缩。表面张力的大小与外界温度和物质的性2质有关，其单位是N/m，也可以表示为J/m，它表示单位长度上的作用力，或者可以理解为单位面积上的能量值。图2-2表面张力示意图表面张力的存在决定了液体总是尽量以最小的表面积存在，而同等条件下球的表面积最小，因此，液滴总是倾向于以球体的形式存在。如图2-1所示，在固、液、气三相系统中，三相接触点同时受到固液表面张力sl、固气表面张力sg和液气表面张力lg，这三个表面张力都倾向于使自己以最小的表面积存在，方向如图所示。当着三相系统达到平衡状态时，则有：lg*cosslsg(2-2)或者表示为：sgslcos(2-3)lg这就是Young方程，其中，θ为接触角。2.1.2微液滴的表面张力驱动表面张力是物质的一种本性，它与外界的温度以及界面材料等因素有关，因此就可以通过改变一些影响因素来改变表面张力。而根据式(2-3)Young方程可知，表面张力的改变会引起接触角的改变，因此，可以通过改变液滴某一侧的表面张力而使得液滴的两侧产生表面张力梯度，这个表面张力梯度就会促使液滴局部的润湿特性发生改变；而如果这个表面张力梯度大到一定程度，则由其引起的不平衡力就会促使液滴产生沿表面张力梯度反方向的运动。根据这个原理，就可以完成对微液滴的驱动。而改变表面张力的方式大致可以分成两个大类：(1)被动式驱动这种方法主要是指通过设计表面的几何结构，如T型-13- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文结构、Y型结构以及凹凸结构等，使得微液滴在该结构表面上被动地产生表面张力梯度，改变其局部的润湿性，从而实现微液滴的运动。(2)主动式驱动这种方法主要是指通过在系统的局部施加一定的能量，使得微液滴两端产生一个能量差，这个能量差会使得微液滴产生一个表面张力梯度，从而改变其局部润湿性，促使液滴的产生运动。主动式驱动主要包括表面声波驱动法、光驱动法、介电泳驱动法、介电润湿驱动法等方式。表2-1微液滴驱动方式对比驱动方式优点缺点多相流方法进样方便，操纵多个微液滴比精准驱动单个微液滴非被动式驱动较容易常困难特殊结构法微液滴处于超疏水状态，驱动构造过于复杂，操纵数字相对容易微液滴比较困难热毛细管法不会使液滴的各种性质发生需要一定的温度差，因而变化，保持样品生物活性使得微液滴的挥发加快表面声波法可以实现远距离操控不利于实现系统微型化，驱动力非常弱光驱动方法不需要额外的控制电路，方便不利于实现系统的集成进行多个微液滴的操控化，驱动力非常弱磁力驱动法驱动力非常强不利于系统的便携化主动式驱动静电力方法能量损失较小驱动电压较大电润湿方法驱动电压小，外围设备较为简微液滴容易电解，造成操单，操控方便控失败介电电泳法驱动微液滴所需要的能量相产生的热能损失较大，散对较弱，外围设备较为简单热不便介电润湿法驱动微液滴所需要的能量相介质层容易被击穿对较弱，制作较为简便，可以同时操控多个微液滴各种微液滴的表面张力驱动方法的好处与不足对比如表2-1所示。其中，被动式驱动方法更加适合于操控连续流体，而难以实现对数字微液滴的精准操控，因此不作考虑。主动式驱动方法中，前三种驱动方式的共同缺点是产生的驱动力较小，不容易驱动微液滴运动；磁力驱动法和静电力法虽然可以产生较大的驱动力，但这两种方法所需要的外围设备较为复杂，不利于微流控系统的便携化；介电电泳法虽说简化了外围设备，但其所需的驱动电压过大，产生的-14- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文焦耳热也过大，不利于系统的集成化；而介电润湿法虽然也存在一定的缺点，但其相对于其它方法来说优点更加突出，例如驱动电压相对较低、外围设备相对较为简单、控制方式也相对较为方便等，因此，这种方法成为数字微流控系统使用最多的也是最有效的一种控制方式。2.2介电润湿效应理论基础2.2.1电润湿效应电润湿效应是由法国科学家Lippmann提出的电毛细管效应发展而来的。1875年，Lippmann研究发现，当给毛细管中的水银和电解液通电时，两者的界面会沿着毛细管内壁移动，且当施加的电压超过一定程度时，毛细管内的液[62]体会发生电解，这种现象被称为电毛细管效应。之后，在1981年，Beni等人在电毛细管效应的基础上首次提出电润湿效应的概念，他们发现，当将微液滴置于电极上时，若给电极施加上一定的电压，则会导致微液滴的接触角变小，且施加的电压越大，微液滴接触角的变化范围也越大，这种现象被称为电润湿[63]效应。电润湿效应是由于电极在被加上电压后改变了微液滴与电极接触面的表面张力而引起的，其原理如图2-3所示，其中，驱动电极接在电源电压的正极之上，而电源电压的负极直接插在液滴内部。当未加电压时，液滴、电极、空气在表面张力的作用下维持三相平衡状态，此时，微液滴与电极接触的界面处会形成极薄的双电层，正负电荷分处双电层两侧，电荷密度极低，基本可以忽略；当电极加上电压后，则双电层两侧的正负电荷数量迅速增加，导致微液滴与电极接触面处的活化分子增多，此时，由于接触面处液滴的负电荷相互排斥，相当于降低了液滴铺展所需的能量，这会减弱电极与液滴处的表面张力，从而使得液滴接触角变小，则液滴便向两侧铺展开来。电基电基液滴极底极底液滴图2-3电润湿原理图在上述模型中，由于驱动电极与微液滴直接接触，导致其接触面处所形成的双电层能够承受的电压非常小，这会使得当施加的电压大到一定程度时，电荷会穿过双电层，从而使得微液滴由于电解的原因产生气泡，导致微液滴的接-15- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文触角不能发生足够大的变化而使得微液滴不能被成功驱动；另外，电润湿效应要求微液滴必须是导电的，这也限制了电润湿效应的应用发展。2.2.2介电润湿效应为了克服电润湿效应的缺点，1993年，Berger等人创造性地在电润湿模[64]型的基础上加上介质层，开始了对介电润湿效应的研究。介电润湿效应(ElectrowettingonDielectric,EWOD)又叫介质上的电润湿，它是一种通过在绝缘介质层下方的电极上施加电压来改变置于其上的微液滴的润湿性的效应，其原理如图2-4所示。首先利用MEMS工艺在基底上制作驱动电极，并在驱动电极上方依次淀积一层绝缘介质层和一层疏水层，液滴位于疏水层上方。介质层的存在使得驱动电极、介质层、液滴三者可以构成一个等效的平板电容，这样，当驱动电极施加上电压时，就可以有效地避免驱动电极和液滴之间的电荷交换，从而防止了液滴发生电解现象。疏水层的作用是为了使液滴有一个比较大的初始接触角，从而方便实施对微液滴的操控。这时，驱动电极上未加电压时，液滴、空气、驱动电极保持三相平衡的状态，且液滴的接触角非常大；驱动电极加上电压后，相当于给等效电容器充电，此时，等效电容器上极板的微液滴接触面处迅速感应出大量负电荷，而负电荷间的相互排斥降低了液滴向两侧铺展所须的能量，使得微液滴与疏水层接触面处的表面张力减弱，从而使得微液滴接触角变小，液滴由疏水状态变为亲水状态，且施加的电压越大，液滴铺展的范围也越大。疏介疏介水质电基水质电基液滴层层极底层层极底液滴图2-4介电润湿效应原理图Berger的研究使得利用介电润湿效应制作的器件能够承受更大的电压，同时避免了电解现象的产生；另外，该技术可以有效切断直流电流通路，因此可以基本不考虑器件的功耗和散热的问题，且该技术对微液滴的导电性也不作特殊要求，这就极大地扩展了介电润湿效应的应用领域，为数字微流控系统的研究打下了根基。-16- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文2.2.3Young-Lippmann方程介电润湿效应可以用数学理论加以解释说明，下面来做一个详细的介绍。众所周知，在电极、液滴、空气组成的三相系统中，液滴的接触角可以用公式(2-3)所示的Young方程表示，而当电极在被加上电压后，固液接触面处的表面张力与施加电压的关系可用Lippmann方程表示：0r2slsl(0)V(2-4)2d其中，sl(0)为未施加电压时的固液表面张力，r为绝缘介质层的相对介电常数，0为真空介电常数，d为绝缘介质层的厚度，V为电极上所施加的电压。由公式可用看到，当电极加上电压后，固液接触面处的表面张力sl减小。而由公式(2-3)Young方程可以得到施加电压前后接触角变化量为：sgslsgslcoscos()()(2-5)00VVlglg其中，施加电压前后固气表面张力和液气表面张力不会产生改变，即：sg(0)sg，lg(0)lg(2-6)因此，将公式(2-4)和公式(2-6)带人到公式(2-5)中，即得：0r2coscosV(2-7)02dlg这即为著名的Young-Lippmann方程。其中，0为起始接触角，为加上电压后的接触角，lg为液气表面张力，它不受所加电压的影响，为恒定值。由此公式可知，当把电压施加在驱动电极上时，必然会带来微液滴接触角的改变。2.3利用介电润湿效应实现微液滴的各项操控数字微流控系统中，微液滴的运动主要包括四大类，即液滴的产生、输运、合成和分离。如图2-5所示的数字微流控系统中，液滴同时位于两个驱动电极上，当电极上未被加上电压时，微液滴在电极上方保持疏水平衡的状态；当右侧电极接通电源时，由介电润湿效应可知，液体右侧处于接通电源的电极上方的部分接触角将减小，而液滴左侧的接触角维持不变，因而使得液滴产生向右铺展的趋势。由Young-Lippmann方程(2-7)可知，施加的电压越大，则接触角变化的越多，当电压大到一定程度时，液滴两侧会产生非常大的接触角差异，则液滴向右侧铺展的趋势万分强烈，此时，液滴内部会出现一个非常大的压力差而导致液滴内部形成不平衡力，当这个不平衡力比微液滴在电极上受到的摩-17- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文擦阻力还大时，液滴就会顺着所加电压的方向逐渐向右移动。基于此原理，就可以按照自己的意愿在所设计的电极阵列上依次施加一定的电压，从而使得液滴沿着所施加电压的方向运动，这样，就实现了对系统中微液滴的灵活操作与控制。疏介水质电基液滴层层极底液滴(a)微液滴的初始状态(b)右侧电极通电后液滴的变化图2-5驱动液滴的机理2.3.1微液滴的产生微液滴的产生过程是宏观世界到微观时间的过渡过程，它是指将一定体积的微液滴从储液池中的大液滴中分离出来的操作。微液滴的产生过程如图2-6所示，其中，红色区域表示施加了电压的电极，灰色区域表示未施加电压的电极。初始阶段，大液滴位于储液池中，所有电极均不通电；之后，将储液池右侧的六个小电极加上电压，则由介电润湿效应可知，大液滴会沿着驱动电极的方向向右侧铺展，从而被拉长成柱状；然后，将储液池下方的电极接通电源，同时将中间的五个电极断电，则介电润湿效应导致了液滴有向两侧接通电源的电极方向运动的趋势；最后，大液滴经过一段时间的运动后被切断，则原来储液池中的大液滴就被分离出来了一个小液滴，这样，就实现了微液滴的产生。OFFOFFOFFOFFOFFOFFOFFOFFONONONONONONONOFFOFFOFFOFFOFFONONOFFOFFOFFOFFOFFON图2-6液滴的产生原理然而在实际中，液滴的产生是一个非常复杂的过程，影响其产生的因素也非常多，例如，驱动电压必须足够大，且液滴的体积也必须满足一定的要求等，这些因素导致了实验的成功带有一定的偶然性，因此，使该过程能够稳定精确地进行还需要更进一步的探究。-18- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文2.3.2微液滴的输运微液滴的输运是进行其它各项操作的基础，图2-7为典型的数字微流控系统。通过数字微流控系统的控制电路对其驱动电极按照一定的次序依次施加一定的电压，即可使得微液滴按照所设定的路线运动，从而实现微液滴的输运。这样，就可以使得微液滴从源端储液池中产生，再经过一定的路径被输运到各个目的单元进行各种分析和处理；这种阵列单元的另一个好处是可以同时输运多个微液滴，提高了微液滴输运的效率。当然，有很多因素会对微液滴的运动速度产生影响，例如芯片系统的结构、施加电压的大小、微液滴样品的洁净程度以及初始接触角的大小等等。这些都需要进一步对数字微流控系统进行优化，使得输运过程能够快速顺利进行。图2-7数字微流控系统简易示图2.3.3微液滴的合成微液滴的合成是指通过控制驱动电极的导通次序将两个小液滴合成为一个大液滴的过程。其原理如图2-8所示，红色区域表示施加了电压的电极，灰色区域表示未施加电压的电极。初始时刻，两个小液滴分处于两侧电极上且微接于中间电极，两侧的电极均未施加电压；之后，中间电极接通，则由介电润湿效应可知，两侧的液滴有向中间聚拢的趋势；一段时间后，两侧液滴都运动到中间电极上方，即实现了微液滴的合成。利用此种原理，即可实现样品液滴的稀释以及样品液滴之间的化学反应，且大大减少了样品的浪费。OFFONOFFOFFONOFFOFFONOFF图2-8微液滴的合成-19- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文2.3.4微液滴的分离微液滴的分离过程与合成过程正好相反，它是指将一个大液滴分离成为两个小液滴的过程。其原理如图2-9所示，红色区域表示施加了电压的电极，灰色区域表示未施加电压的电极。起先，大液滴位于中间电极之上且微接于两侧的电极；之后，当两侧电极同时接通电压后，介电润湿效应导致了大液滴有向两侧电极方向运动的趋势，且在驱动电压的作用下逐渐被拉伸；当大液滴被拉伸一段时间后，会自动断裂成为两个小液滴，即完成了微液滴的分离过程。我们知道，微米尺寸的液体主要以层流的形式流动，这就增加了样品均匀混合的难度。而利用数字微流控系统实现微液滴的多次合成和分离，就可以增加样品混合的均匀程度，例如，样品液滴的初始浓度为c，当其与同体积的稀释剂液滴合并后，浓度变为c/2，但此时混合的并非均匀；再将混合后的液滴分离成为两个小液滴后重新进行混合，则会再一次提高其浓度的均匀性；以此N类推，当微液滴经过N次的分离和混合操作后，相当于微液滴被稀释了2次，[65]这无疑大大提高了混合的均匀度。ONOFFONONOFFONONOFFON图2-9微液滴的分离当然，微液滴的分离还存在许多问题，例如，分离出来的两个小液滴的体积往往不一样；电极电压的施加和切换若控制不好，则很容易导致液滴分离的失败；且单极板结构的芯片也不容易进行微液滴的分离过程等等。这些微液滴分离过程中出现的问题还有待于作进一步的探讨。2.4本章小结本章首先介绍了表面张力的概念，并对比分析了利用改变表面张力的方式进行微液滴驱动的各种方法的优缺点，最后选择了运用介电润湿法来实现对液滴的操作和控制。之后，详细介绍了介电润湿效应的理论，并推导了著名的Young-Lippmann方程，阐明了外界施加的的电压对微液滴接触角的影响，奠定了操控数字微流控系统的理论基础。最后，在上述理论的基础上，详细阐述了利用介电润湿效应实现微液滴各项操作的过程，并分析了操控过程存在的问题，为芯片的优化指明了方向。-20- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第3章数字微流控系统建模及数值模拟3.1数字微流控系统建模3.1.1微流体的属性从微观角度讲，微流体是由大量做不规则热运动的分子构成的，不同时刻不同点处表现出来的物理性能也不同，因此，微流体可以被认为是离散的；而从宏观角度讲，我们关心的是流体表现出来的宏观特性，考虑的是分子运动的统计学性能，而不关心单个分子的运动，因此，微流体又可以被认为是连续的。[66]1753年，欧拉提出了关于介质连续性的力学模型假设：(1)忽略介质分子之间的间隙，认为流体空间被介质连续占据；(2)密度、压强、应力等表征流体属性的变量关于空间和时间是连续可微的。这样，就可以借助数学的工具来研究流体的属性。当然，虽然可以将流体看作是连续的，但有时还需用离散的观点来解释流体的属性，例如，流体的压强可以看作是无数分子碰撞的结果，密度是一定空间内大量分子的平均统计值。而粘性是流体表征中很重要的一个物理量，它表示流体受到外力作用时流体分子间的相互阻滞运动的特性，这是由于分子不规则的热运动导致分子间的动能交换引起的。粘性的大小用粘性阻力来表示，牛顿曾于1686年提出了粘性定律，总结了粘性阻力与各参数的关系：dV(3-1)dh其中，表示的是流体单位面积上的粘性阻力，为粘滞系数，dVdh/表示的是流体速度的梯度值。由粘性定律可知，流体的粘滞阻力受流体与外界的接触面积以及其内部流体速度的梯度值的影响。依据上述理论，将流体分为两种：牛顿流体和非牛顿流体，其中，牛顿流体指的是粘滞系数为固定值的流体，而非牛顿流体是指粘滞系数为变量的流体。3.1.2微流体的动力学方程在微流体动力学理论中，人们通常用欧拉法以及拉格朗日法来表征微流体的运动。其中，拉格朗日法以流体中各分子的运动为基础，建立关于各质点运动的动态方程，从而进行求解，导致计算量非常大，且求解不精确，因此，这种方法被应用的很少。而欧拉法应用较为广泛，它克服了拉格朗日法求解困难-21- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文的缺点，着眼于流体表现出来的宏观状态，将流体流过某一固定点处的密度、压强和速度等参数表示为时间和坐标的函数，即：uuxyzt(,,,)vvxyzt(,,,)wwxyzt(,,,)(3-2)PPxyzt(,,,)(,,,)xyzt其中，u、v、w为流体速度的三个分量，P为压强，为密度。因此，如果将u、v、w分别对t进行复合求导，就可以得到流体加速度的三个分量。下面从牛顿第二定律的角度出发，来讨论流体运动所遵循的动力学方程。图3-1单元流体的受力取流体中的一个流体单元作为分析对象，如图3-1所示，该正方体的顶点为A(x,y,z)，边长为dx、dy、dz，设单元流体顶点处所受的流体压力为p，则流体中包含顶点A的界面上各点所受的压力均为p，而其他界面上的各点所受ppp压力分别为pdx、pdy以及pdz。因此，在该单元流体中，x轴xyzp方向的流体各界面所受的流体压力为pdydz()pdxdydz，y轴方向的流体xp各界面所受的流体压力为pdxdz()pdydxdz，z轴方向的流体各界面所受yp的流体压力为pdxdy()pdzdxdy。该流体单元除了受到压力之外，还受到z重力等质量力的作用，设流体的单位质量力的三个分量分别为X、Y和Z，则该正方体单元流体沿x轴方向所受的质量力分量为Xdxdydz，沿y轴方向所受的质量力分量为Ydxdydz，沿z轴方向所受的质量力分量为Zdxdydz。而该单元流体的加速度沿x、y、z方向的三个分量可以表示为du/dt、dv/dt、dw/dt，因此，根据牛顿第二定律F=ma，可以得出：-22- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文pdupdydz()pdxdydzXdxdydzdxdydzxdtpdvpdxdz()pdydxdzYdxdydzdxdydz(3-3)ydtpdwpdxdy()pdzdxdyZdxdydzdxdydzzdt对式(3-3)进行整理，可得：du1pXdtxdv1pY(3-4)dtydw1pZdtz而对式(3-2)应用复合求导的法则进行求导，可得：duuuuuuvwdttxyzdvvvvvuvw(3-5)dttxyzdwwwwwuvwdttxyz因此，将式(3-5)带入到式(3-4)中，即得：uuuu1puvwXtxyzxvvvv1puvwY(3-6)txyzywwww1puvwZtxyzz这就是著名的欧拉方程，它描述了流体运动的状态。当然，对于有粘性的流体，还应该考虑粘性阻力的影响，由于单元流体在x轴、y轴和z轴方向方222向受到的粘性阻力分别为u、v和v，因此，欧拉方程应改写为：uuuu1p2uvwXutxyzxvvvv1p2uvwYv(3-7)txyzywwww1p2uvwZwtxyzz-23- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文式(3-7)即为描述微流体动力学的Navier-Stokes方程。3.1.3数字微流控系统中微液滴所遵循的动力学方程由第二章可知，对于数字微流控系统来说，微液滴能够实现运动的原因是因为外界电场的作用导致微液滴的接触角发生改变，从而产生了一个促使微液滴运动的驱动力，我们将这个驱动力称为电润湿力，其表达式可写为：C2F()VV(3-8)EWappT2lg其中，V为实际施加的电压，V为使微液滴产生运动的阈值电压，C为appT[67]等效电容。另外，液滴驱动过程中还受到各种摩擦阻力的作用，例如，接触线移动造成的摩擦力、极板剪切力以及粘滞阻力等等，这些摩擦阻力可以表示为f，其表达式为：226dURf42RUKhRU(3-9)cah式中，为空气密度，U为液滴的包含u、v、w三个速度分量的总速度，aKc为微液滴拉伸的系数。因此，数字微流控系统还需考虑驱动力和阻力的影响，此时，微液滴所遵循的Navier-Stokes方程可由式(3-7)为：U2[]UUpUFf(3-10)EWt而数字微流控系统还遵循着质量守恒定律，其表达式为：U0(3-11)式(3-10)和式(3-11)就共同组成了数字微流控系统所遵循的动力学方程，通过对此动力学方程进行求解计算，就可以对数字微流控系统中微液滴的运动状态进行研究和模拟。3.1.4数字微流控系统中微液滴的体积优化在数字微流控系统中，微液滴的体积大小对实现数字微流控系统的功能有着至关重要的影响，因此，有必要针对微液滴的体积优化进行讨论。按照微液滴横切面的圆的直径与方形电极边长的大小关系，可以将液滴的体积分为五种情况：(1)微液滴横切面的圆的直径比方形电极的边长要小；(2)微液滴横切面的圆的直径与方形电极的边长相等；(3)微液滴横切面的圆的直径比方形电极的边长要大，但比其对角线的长度要小；(4)微液滴横切面的圆的直径与方形电极的对角线的长度相等；(5)微液滴横切面的圆的直径比方形电极的对角线的长度还大，如图3-2所示。-24- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文12345图3-2微液滴的体积优化由第二章对微液滴操控机理的分析可知，要使微液滴被成功驱动，就必须使微液滴位于左侧电极之上同时微接于右侧电极，显然，上述五种情况的中第一种和第二种情况下的微液滴不满足要求，这两种体积的液滴在驱动的过程中总会出现微液滴只位于一个电极之上的情况，从而不能完成对微液滴的连续驱动。由此可知，对于数字微流控系统的操控来说，液滴的体积并不是越小越好，其体积必须大于这个体积下限才有被连续驱动的可能。当然，这也不意味着微液滴的体积越大越好，因为微液滴的体积越大，则其质量也越大，此时，驱动微液滴的电润湿力需要克服的摩擦阻力也越大，由式(3-8)可知，系统上所需施加的电压也会增大，这无疑不利于微液滴的驱动以及数字微流控系统对降低驱动电压的工艺需求。文献[68]也通过仿真证明，体积越大的微液滴由于覆盖电极的面积比较大，因此，其在初始时刻所受的驱动力也越大；但在之后的时刻里，不同体积的微液滴受到的驱动力基本相同；而体积大的微液滴需要克服更大的阻力，因此，文献提出，在微液滴体积大于最小值的情况下，微液滴的体积应越小越好。因此，上述五种情况中的第三种情况是进行微液滴操控的最佳液滴体积。3.1.5数字微流控系统中微流体的层流效应微观状态下，流体会产生一些宏观状态时并不需要考虑的奇特效应，即层流效应。流体处于层流状态还是湍流状态用雷诺数来判定，其定义为：vdRe(3-12)其中，为流体的粘度系数，为密度，d为特征长度，v为特征速度。一般情况下，当流体的雷诺数Re<2100时，通常认为流体处于层流状态，此时，粘性阻力的影响大于惯性力的影响，流体的流速比较慢，且互不相溶，流-25- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文体会分层进行流动，流动状态比较稳定；当流体的雷诺数Re>4000时，通常认为流体处于湍流状态或者紊流状态，此时，惯性力对其的影响比粘性阻力对其的影响要大，流体的流速比较快，且在流体内部会出现很多小漩涡，流体的流动状态不再稳定，流线不再清晰；当流体的雷诺数2100Re4000时，称流体处在过渡状态，此状态介于层流和湍流之间，流体的状态开始变不稳定，流线呈现出摆动状态。对于数字微流控系统所研究的微流体来说，其雷诺数通常远小于2100，因此，数字微流控系统中的微流体处于层流状态，故而在模拟的过程中，需要添加层流的模型。3.2COMSOLMultiphysics4.4仿真步骤COMSOLMultiphysics是由COMSOL公司开发的一款数值模拟软件，它包含多个求解模块，是由MATLAB中的PDEToolbox发展而来的。该软件以有限元分析原理为基础，以求解多种物理场耦合的偏微分方程或者方程组为手段，通过建立一定的模型，对各种物理过程进行精确模拟，是首个能够实现对多种物理场进行综合分析的软件，它凭借其极高的计算能力在科研界以及工程领域得到了很广泛的应用。其仿真的大致步骤如图3-3所示：定义参数和变创建几何模型设置边界条件量求解结果后处设置求解条件对模型进行网理并进行求解格剖分图3-3COMSOLMultiphysics仿真步骤第一，创建几何模型。根据所需要进行仿真的结构，利用COMSOLMultiphysics绘制出所需要的几何模型。该软件提供了强大的绘图功能，可以通过一系列旋转、镜像等变换和差集、交集等布尔运算创建各种复杂的模型，并支持CAD文件的导入，极大地丰富了几何模型的建立途径。第二，定义参数和变量。对所创建的模型的各部分进行材料的设定，定义各部分材料的属性，并根据需要定义全局变量和局部变量，为下一步的仿真工作做准备。第三，设置边界条件。选择好所用的COMSOLMultiphysics模块后，往往还需要对模型的局部边界或者区域设置一定的边界条件，目的是进一步细化仿真模型，以得到更精确的结果。-26- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第四，对所建模型实行网格剖分。根据有限元分析的原理，将模型进行网格剖分，以实现对模型的求解。网格可以被剖分成三角形、四边形等平面网格，还可以被剖分成四面体、六面体以及棱柱等立体网格，并且可以对指定的区域生成更为细化的网格，改变其局部属性，增加其求解的针对性和准确性。另外，COMSOLMultiphysics还能够生成自适应网格，根据模型随时进行合适的网格剖分，大大减小了模拟的误差。此步非常重要，因为质量不好的网格往往会使求解因为各种原因终止，或者使得计算机的内存耗尽而无法进行求解。第五，设置求解的条件并进行求解。此过程可以根据仿真模型设置求解时间和求解条件，并可以添加参数化扫描等，丰富了仿真的内容。COMSOLMultiphysics内置的求解器可以进行各种偏微分方程的直接求解或者迭代求解，极大地简化了工作量。第六，求解结果后处理。当求解完成后，可以根据需要，对求解的结果进行积分等运算，还可以绘制一维、二维和三维绘图组，并可以生成表格和动画，使得对仿真的结果有更直观清晰的认识。此步的目的主要是为了对求解的结果进行处理和分析。3.3数字微流控系统模拟结果的分析3.3.1介电润湿效应仿真(1)首先选择使用的模型。本模型采用层流两相流，移动网格求解。方法为：New>2D>Addphysics>FluidFlow>MultiphaseFlow>Two-PhaseFlow,MovingMesh>LaminarTwo-PhaseFlow,MovingMesh(tpfmm)，并将预设的求解设置为瞬态求解。(2)创建几何模型。在模型开发器界面下绘制一个长1.5mm、宽0.5的矩形r1作为空气可以自由流动的区域，再在矩形下发绘制一个半径为0.25mm的圆c1，并将两者按照r1*c1+(r1-c1)的方式形成组合体，其中，形成的半圆体r1*c1即为水滴。建立的仿真模型如图3-4所示。图3-4介电润湿效应仿真模型(3)定义参数和变量。将上半部分材料设置为空气，下半部分材料设置为去离子水。假设所用的电介质为SiO2，设置其厚度为3um，并设置其初始时-27- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文刻的接触角为120°，所加电压为100V，同时定义局部变量为theta。(4)设置边界条件。此步的主要目的是定义两相接触线的表面张力和液壁界面的接触角theta，并将如图3-5所示的边界设置NavierSlip边界条件，目的是使液滴三相接触点可以在此边界自由移动，以实现介电润湿效应。图3-5NavierSlip边界条件(5)划分有限元网格。本仿真采用自由剖分的四边形网格单元进行网格划分，并进一步细化在液滴三相接触点处的网格。最终生成的网格如图3-6所示。图3-6网格划分示意图(6)设置求解条件并进行求解。设置求解时间为0.05s，间隔步长为0.001s，并进行计算。(7)结果处理和分析。首先来分析液滴的流速和流向。由图3-7中(a)-(f)右侧的等级条显示了速度的大小。其中，红色表示流动速度较快的领域，蓝色表示流速较慢的领域，流速按照蓝色—浅蓝色—黄色—红色的顺序逐渐增大。图中的红色箭头标明了流速的方向。由图可以看出，初始时刻时，液滴和空气处于稳定的状态，液滴的接触角比较大；t=0.001s时，液滴的三相接触点分别向两侧移动，此时，液滴和空气的速度等级都比较大，表示流速比较快；t=0.002s时，液滴的三相接触点继续往两侧移动，且流速逐渐减小；接下来，流体继续运动，润湿性逐渐展开，且流速逐渐减小直至趋于稳定；直到t=0.01s时，空气和水建立的两相系统达到平衡状态，此时液滴的接触角比较小。-28- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文(a)Time=0s时液体的流速和流向图(b)Time=0.001s时液体的流速和流向图(c)Time=0.002s时液体的流速和流向图-29- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文(d)Time=0.003s时液体的流速和流向图(e)Time=0.004s时液体的流速和流向图(f)Time=0.01s时液体的流速和流向图图3-7EWOD流速流向仿真图-30- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文然后来分析一下液体与空气间的表面张力及方向。图3-8中(a)-(d)显示了表面张力的大小和方向。其中，红色表示表面张力较大的区域，蓝色表示表面张力较小的区域，表面张力按照蓝色—浅蓝色—黄色—红色的顺序逐渐增大。图中的红色箭头标明了表面张力的方向。可以看到，施加电压后至t=0.001s时，液滴两侧三相接触点处的表面张力向外，而顶部的表面张力向下，这意味着液滴的润湿性向两侧逐渐铺展开来。随着时间的增大，系统表面张力的变化逐渐趋于平缓，液滴的润湿性变化逐渐减缓。到0.01s时，两相系统基本达到了稳定状态。(a)Time=0s时表面张力大小和方向图(b)Time=0.001s时表面张力大小和方向图-31- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文(c)Time=0.002s时表面张力大小和方向图(d)Time=0.01s时表面张力大小和方向图图3-8EWOD表面张力仿真图3.3.2数字微流控系统的静态性能研究为了研究数字微流控系统的电势分布，需要先建立如图3-9所示的二维模型进行仿真。首先对单极板结构的系统进行模拟。其中，电极材料采用铜，长度为0.5mm，厚度为10um，电极间距为20um。介质层采用二氧化硅，其厚度为1um。由3.1节对微液滴体积的分析可知，要驱动液滴则液滴需同时位于两个电极之上，因此，液滴的截面圆直径应大于电极长度，所以在此取液滴半径为0.26mm。液滴的周围为空气。-32- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文空气去离子水介质层驱动电极图3-9单极板结构的系统静态性能仿真模型(1)系统的电势分布模拟仿真电势分布时，物理场采用低频电磁场中的静电物理场，并对此单极板数字微流控系统的右侧驱动电极施加100V的电压，而左侧电极的电势设为0V。电势分布结果如图3-10所示，其中，(a)图为电势分布表面图，(b)图为电势分布等值线图。图中，蓝色表示电势较低的区域，红色表示电势较高的区域，电势按照蓝色—浅蓝色—黄色—红色的顺序逐渐增大。由图可见，右边施加电压的电极处承载了大部分的电势，液体和气体的交界面处的电势有着分明的差别，且两者内部的电势变化梯度不同，导致这种电势分布情况的根本原因在于两者相对介电常数的差异。(a)面图(b)等值线图图3-10单极板结构的系统电势分布图设模型左侧电极的左端点为坐标原点，右侧方向为x正半轴，介质层表面处电势随x轴变化的趋势如图3-11所示。可以看到，左侧电极电势为零；沿x轴正向至液滴左侧三相接触点时，电势有微小的拐点出现；之后，液滴内部电势缓慢平滑上升；在左侧电极右端点到右侧电极左端点之间，电势快速上升至85V左右；之后至液滴右侧三相接触点处，电势微微下降并出现拐点；随后，电势缓慢上升至99V左右。液滴未完全上升至100V的原因是由于驱动电-33- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文极上覆盖的介质层所致。图3-11介质层表面电势随x轴变化图(2)介质层厚度差异与系统电势变化的关系根据Young-Lippmann方程，介质层的厚度与接触角的变化相关，因此其对系统的电势分布也能够产生影响，本节主要探究介质层厚度差异与电势变化的关系。在仿真介质层厚度与电势变化的关系时，需添加参数化扫描。在此选择九组不同的介质层厚度，分别为0.1um，0.3um，0.5um，1um，2um，3um，4um，5um，10um。介质层厚度对单极板系统沿x轴方向电势分布的影响仿真结果如图3-12所示。由仿真结果可知，随着介质层厚度的增加，液滴左右两侧的三相接触点之间的电压差变小，这意味着驱动液滴运动的有效电压差将减小，这无疑将不利于液滴的驱动。图3-12介质层厚度与单极板系统沿x轴方向电势变化的关系-34- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文下面来考虑不同介质层厚度情况下驱动电极上液滴内部从液滴三相接触点起沿y轴方向电势的分布。其仿真结果如图3-13所示。可以明显地看到，随着介质层厚度的增加，液滴三相接触点处的电势有明显的降低，且电势差也明显的减小。这说明，介质层的厚度越大，在初始时刻有效电势就越小，相当于是对所加电压的浪费。因此，应最大限度降低驱动电极上介质层的厚度。当然，在实际工艺中，介质层越薄则加工难度越大，且介质层越薄则被击穿的概率也越大，因此需在芯片需求和实际加工工艺之间做好折衷。图3-13介质层厚度与系统沿y轴方向电势变化的关系(3)系统结构与电势变化的关系芯片的结构将会直接影响液滴的驱动，因此，本节主要探究系统结构与电势变化的关系。众所周知，系统芯片主要有单极板结构和双极板结构两大类，而在上面章节中已经对单极板结构进行了研究，在此将重点研究双极板结构，并将两种结构做对比，进而对芯片结构进行优化。双极板结构的系统仿真模型如图3-14所示，其电极、介电层等的参数均与单极板结构的芯片相同。图3-14双极板结构的系统静态性能仿真模型图3-15双极板结构的系统零电极位置图在仿真电势分布时，双极板结构的芯片的上极板为零电极，如图3-15所-35- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文示。电势分布结果如图3-16所示，其中，(a)图为电势分布表面图，(b)图为电势分布等值线图。(a)面图(b)等值线图图3-16双极板结构的系统电势分布图在考虑介质层厚度对双极板数字微流控系统电势分布的影响时，仍取与单极板结构相同的九组介质层厚度进行研究。介质层厚度对双极板数字微流控系统电势分布的影响仿真结果如图3-17所示。图3-17介质层厚度与双极板系统沿x轴方向电势变化的关系为了更方便地对比两种结构的数字微流控芯片的优缺点，本文对液滴两端三相接触点处的有效电压进行仿真，以便探讨出合适的芯片结构。在仿真时，需要在仿真结果中添加点图绘制。仿真对比结果如图3-18所示。由图可以看出，在相同的介质层厚度情况下，单极板结构的有效电压差比双极板结构的有效电压差更大。这说明，单极板结构的芯片比双极板结构的芯片更有利于实现微液滴的操作与控制。因此，在实际芯片加工过程中，应尽量选择单极板结构。当然，有文献指出，单极板结构无法完成微液滴的生成和分离，这需要在实验的过程中加以验证，必要时采取混合结构的数字微流控芯片，即：液滴的产生-36- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文和分离过程采用双极板结构，液滴的移动和合成过程采用单极板结构。(a)单极板结构有效电压图(b)双极板结构有效电压图图3-18两种结构的系统有效电压对比图3.3.3数字微流控系统的动态性能模拟在了解系统的静态性能后，再来研究一下系统的动态性能。首先利用Young-Lippmann方程建立动态仿真模型。因为在仿真过程中，接触角的变化只跟有效电压有关，因此在研究动态性能时，对仿真模型做以简化，建模时不考虑介质层的影响。因而动态性能仿真模型与仿真介电润湿效应的模型相同，如图3-4所示。不同之处在于参数的设置。仍假设介质层为二氧化硅，根据介质层厚度影响的分析，综合考虑实际加工工艺，本文选取介质层厚度为-37- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文0.25um。疏水层拟定使用CH3(CF2)7(CH2)2Si(OC2H5)3，因此，初始接触角设置为115°。仿真时假设系统为单极板系统。通过对仿真参数的调整，可以发现，液滴最小的有效驱动电压为30V，此时所得微液滴流速和流向仿真结果如图3-19所示。(a)t=0s时微液滴流向和流速图(b)t=0.0009s时微液滴流向和流速图(c)t=0.001s时微液滴流向和流速图(d)t=0.003s时微液滴流向和流速图(e)t=0.005s时微液滴流向和流速图图3-19系统的动态性能仿真结果由仿真结果得知，起始时刻，液滴保持稳定状态；t=0.0009s时，液滴左侧三相接触点处的接触角基本保持不变，而液滴右侧三相接触点处的接触角变-38- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文小，此时液滴仍保持不动；t=0.001s时，由于微液滴接触角的改变，导致微液滴曲面的曲率发生改变，进而引起微液滴内部压强的改变而产生不平衡力，导致液滴开始产生向右运动的趋势；之后液滴向右运动，直到达成稳定状态。微液滴移动是其他三个微液滴运动过程的基础，基于此便可实现微液滴的产生、输运、合成和分离。3.4本章小结本章主要通过数值模拟的手段对数字微流控系统进行了优化。本章的第一部分建立了仿真过程中数字微流控系统的模型，阐明了数字微流控系统所需要遵循的动力学方程，并通过理论推导得出了微液滴的最优体积，还介绍了微观条件下必须考虑微流体的特殊效应----层流效应，明确了仿真过程中所需要施加的条件。本章的第二部分对仿真所使用的软件----COMSOLMultiphysics进行了简要介绍，并阐述了利用该软件进行仿真的大致步骤。本章的第三部分介绍了利用COMSOLMultiphysics得到的仿真结果，并对所得结果进行了分析：仿真了介电润湿效应，从而对数字微流控系统的理论基础产生了一个直观的认识；建立了系统的静态特性仿真模型，对系统的静态性能进行了模拟，研究了系统的电势分布，并分析了介质层厚度、系统的结构等参数对系统静态性能的影响，确定了数字微流控系统的结构和参数；建立了数字微流控系统的动态仿真模型，仿真了液滴移动过程的动态变化，确定了在介质层厚度一定的情况下微液滴所需要的驱动电压。-39- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第4章数字微流控系统的制作及操控4.1数字微流控系统关键技术研究在数字微流控芯片的制备过程中，介质层的纯度、厚薄、致密性及均匀性等性能对芯片的性能起着关键性的作用，是整个工艺过程中最重要的一步。本节就来研究一下SiO2介质层的制作工艺。目前制备SiO2的方法主要有磁控溅射法、热氧化生长法、化学气相淀积法以及溶胶—凝胶法等。热氧化生长法是最早用于制备SiO2薄膜的一种方法，这种方法简单快捷，制备出来的二氧化硅能满足普通集成电路的需求，但其缺点是需要在高温条件下进行，只能在单晶硅基底上生长。对于数字微流控器件来说，其介质层的厚度必须很薄且介质层薄膜的质量也必须非常好，另外，介质层下面的电极不是单晶硅，因此这种方法不可行。化学气相淀积法(CVD)是指在反应室内利用反应气体或者反应液体蒸汽在基片表面的化学反应生成所需薄膜的方法。这种方法淀积的薄膜成分可控，均匀性好，简单易行，具有一定的可重复性，且薄膜生长的厚度随时间线性增长，是集成电路中淀积薄膜常用的一种方法。其缺点是反应室内的气体容易因为反应不充分而生成粉尘，从而对所淀积的薄膜造成沾污。溶胶—凝胶法是在某类有机物溶液中加入某类金属醇盐或者酯类化合物，使得这些物质经过水解、缩合等一系列后反应变成溶胶，再经过陈化变成固化的凝胶，最后经加热干燥即在基片表面形成某种分子材料。利用溶胶—凝胶法能够制备SiO2等氧化物薄膜以及其他化合物，且具有反应温度低、反应容易进行、能够进行均匀掺杂等优点。其缺点是耗时久，生成的薄膜容易存在微孔洞，且该方法使用的有机溶剂通常情况下会对人体产生危害。4.1.1磁控溅射法概述磁控溅射法是物理气相淀积的一种，它的原理是高真空中充入的惰性气体（一般为Ar）在高能电场的作用下产生辉光放电，使得其被电离成为离子。这些离子在高能电场中会被加速产生高能离子，而这些高能离子就会撞击阴极靶材，使得靶材表面上的粒子被溅射出来而淀积在预置于真空炉内的基片的表面，从而在基片表面上覆盖一层阴极靶材薄膜。磁控溅射法对溅射前炉内的真空度要求极高，一般情况下必须达到1e-3Pa以下，且真空度越高越好，否则会造成溅射炉内的其它杂质气体对溅射薄膜造成沾污。利用磁控溅射法可以制备金属、介质层等多种材料，并且通过控制不同的溅射条件和时间，得到不同-40- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文性能的薄膜。由于磁控溅射法具有镀膜附着力强、基片温度低、薄膜致密性能好、淀积速率快且能有效防止杂质污染等优点，已经得到了广泛的运用，成为薄膜制备的主流方法。磁控溅射法有很多种类，但各种方法的共同点是都在真空炉内施加了一个磁场，这样就使得真空炉内形成了一个相交的电磁场，从而使得电子在复杂的电磁场中做螺旋式运动且被局限在阴极靶材的附近，从而使得电子运动轨迹大大延长，增加了电子撞击惰性气体产生辉光放电的几率，减少了无效离子的产生，且减弱了由于电子直接撞击基片表面而造成的损伤，这样，就可以有效地降低真空炉内的气体压强，且可以加快薄膜的淀积速率，使得淀积出来的薄膜纯度更高且淀积时间更短。根据所加电场的不同，磁控溅射法可以分为三大类：(1)直流磁控溅射法直流磁控溅射是最先被应用于工业生产中的一种溅射法。众所周知，溅射炉内有阴极和阳极两个电极，阴极一般为所需要的靶材，阳极一般为真空炉壁或基片。直流磁控溅射的原理是在阴阳两极之间加上直流电压，从而使得氩气发生辉光放电而进行镀膜。直流磁控溅射设备较为简单，操作较为方便，且溅射速率比较高，所以在早期得到了广泛应用，是制备ITO膜和TiN膜最简洁的方法。但直流磁控溅射的一个典型缺点是所用的阴极靶材必须为导体或者半导体。这样，在制备SiO2等绝缘体薄膜时，就需要以单晶硅靶材作为阴极，且需要在真空室内通入氩气和氧气的混合气体来进行溅射，从而使得溅射出来的Si与O2反应成为SiO2。这样做的缺点是在溅射进程中，不仅会在基片表面发生Si与O2反应，而且还会在靶材表面发生此反应。这样，当靶材表面的某些区域生成一定厚度的SiO2时，就在靶材表面构成了以二氧化硅作为绝缘层的靶面电容。由于所加电源为直流电源，因此在靶面电容处必然无法构成直流通路，且必然会造成此区域被电离出来的氩离子的积累，根据同性电荷相斥的原理，在此区域积累的氩离子会排斥其它氩离子对阴极靶材的进一步轰击，从而阻止溅射的进一步进行，甚至会导致溅射的终止，这种情况叫做阴极靶材中毒。另一种可能发生的情况是会在阴极靶材表面出现打弧现象。产生这种现象的原因是因为靶面电容处的氩离子积累过多而导致介质层被击穿，从而导致靶材阴极和阳极之间的瞬间电流过大。这种打弧现象会造成真空溅射炉内辉光放电异常，且可能会造成靶材表面的部分区域溶解，从而对所溅射薄膜的纯度和均匀性等性能产生影响，造成薄膜缺陷。此外，在绝缘膜的制备过程中，溅射炉内的阳极也会被覆盖上绝缘的介质层，这样会导致辉光放电的路径被隔断，即发生阳极消失现象。此时，当阳极-41- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文基片表面的部分区域发生阳极消失现象时，此处的阻抗就会增大，这会导致由辉光放电产生的惰性气体电子向未产生阳极消失现象的阳极表面区域移动，这就使得等离子体整体迁移到低阻抗区域，这必然会导致所溅射的薄膜厚度不一且质量不好。若阳极消失现象发生在整个阳极基片表面，则会直接导致辉光放电的终止，从而造成溅射绝缘薄膜的失败。(2)中频磁控溅射法中频磁控溅射法是近些年来出现的另一种溅射法，又叫交流磁控溅射法。顾名思义，该方法采用的电源为中频交流电源，该交流电源的频率约为10~80KHz。采用此频率电源的原因是因为在固定的场强下，交流电源的频率越高，则惰性气体经过辉光放电产生的正离子在电场中被加速的时间就会越短，此时，电场中产生的高速正离子数量减少，则对阴极靶材的轰击就会减弱，这会使得溅射的速率降低。因而为了加快溅射的速率，电源频率就不能太高，通常情况下将交流电源保持在10~80KHz的频率范围。在应用中频磁控溅射法时，通常需要将两个相同的靶材放置在一起，称之为孪生靶材，而交流电源的两个电极会分别接在这两个孪生靶材上，这样，这两个靶材就会以一定的周期交替性地分别接通交流电源的正半周和负半周。此时，当一个靶材处于交流电源负半周期时，它就成为阴极，从而该靶材就会被辉光放电生成的氩离子撞击，以完成薄膜的制备，它同时还可以清除上个周期此靶材作为阳极时覆盖在其上的介质层；而另一个靶材必然处于交流电源的负半周，它就作为电源的阳极，则辉光放电产生出来的惰性气体电子就会中和上个周期此靶材作为阴极时积累的惰性气体离子，从而就能避免直流磁控溅射法中的打弧现象的产生。这样，中频磁控溅射法就能很好地克服直流磁控溅射法的缺点，使得镀膜的过程能够顺利进行，该方法的原理图如图4-1所示。基片等离子体磁控靶材1磁控靶材2中频交流电源图4-1中频磁控溅射法原理图中频磁控溅射法的优点是可以克服直流磁控溅射绝缘层的缺点，该方法使用的孪生靶材使得靶材不会中毒，同时有效避免了打弧现象和阳极消失现象的-42- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文发生，使得溅射出来的介质层致密性和均匀性比较好，且薄膜的硬度也较高。这种方法也能避免了设备温度的快速升高，且溅射速率能达到直流磁控溅射速率的二到三倍，因此被大量应用于ITO玻璃上SiO2介质层的淀积。但是中频磁控溅射法的缺点是对设备的要求比较高，其采用的两个靶材决定了实验室等处的小型设备不能使用此方法。且此种方法对气体的流量和压强要求很高，若控制不精准不快速，则很难淀积出质量好且均匀的薄膜。利用中频磁控溅射法淀积大面积的绝缘层时，很容易出现绝缘层被刻蚀的现象，从而使得淀积出来的绝缘层表面呈现出一定的刻蚀图案，且其面积非常大，占一半以上。(3)射频磁控溅射法直流磁控溅射法和中频磁控溅射法可以很方便快捷地淀积导电薄膜，但在淀积绝缘层时总会出现各种问题，因此就需要一种新方法来淀积绝缘层。射频磁控溅射法是淀积绝缘薄膜的一种有效方法，这种方法采用的电源为射频电源，其频率一般为5~30MHz。射频磁控溅射法能用来溅射绝缘层的原因是该方法可以产生自偏压效应，即：当阴极靶材处在射频电源正半周期时，会吸引等离子体中的电子来抵消其表面积聚的等离子体正电荷，由于电子比离子的质量小，其迁移率会比较大，这样阴极靶材表面就会很快地积累一定量的电子，从而使得阴极靶材呈现出负偏压，即产生了自偏压效应。这样的好处是当下个周期阴极靶材处于射频电源负半周时，靶材会快速吸引等离子体中的正离子来对其实现自发轰击，从而完成溅射。射频磁控溅射法的靶材既可以是导电材料也可以是绝缘材料，这样就大大扩展了射频磁控溅射法的应用范围。利用射频磁控溅射法淀积SiO2等绝缘薄膜时，需要按一定比例通进纯度为99.99%的氩气和氧气，通常二者的比例在3:1左右。射频磁控溅射法的优点是射频电场可以以其它阻抗的形式施加于真空炉内从而使得溅射不再受限于阴极靶材的导电性，可以使用任何材料制成的靶材；等离子体可以更容易地从射频电场中获得足够的能量来完成溅射，因此可以在较低的气压下进行溅射，从而使得薄膜的淀积速率受气体散射的影响较少而加快；淀积出来的薄膜具有附着力好、均匀致密、厚度可控等优点，因此常被由于绝缘层薄膜的淀积上。当然，该方法也有一定的缺点，例如，设备较为复杂昂贵，且沉积速率仍然偏低；功率利用率偏低，大量能量转换成热能，导致功率的白白消耗；射频电源的设计仍然存在一定的困难，在设置条件时很难达到最佳状态，其造成的辐射和干扰问题无法避免等等。这些问题限制了在工业界中利用射频磁控溅射法进行大面积蒸镀薄膜的发展，但此方法在实验室以及工业界溅射小面积的薄膜中仍然占有一席之地。-43- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文4.1.2SiO2薄膜的制备综合考虑上述各种制作SiO2方法的优缺点，结合实验室现有条件，选用射频磁控溅射法来制得所需的SiO2介质层。射频磁控溅射系统设备图如图4-2所示，其中，系统所使用的镀膜设备为辽宁聚智推出的JZCK-400装置，使用的射频源为JZ-RF600A射频源，同时配合使用TM600多路膜厚测试仪来实时测定所生长薄膜的厚度。图4-2射频磁控溅射系统设备图本实验所选用的靶材是纯度高达99.99%的SiO2靶材。由于拟采用ITO作为芯片的驱动电极材料，因此采用ITO玻璃作为镀膜的基片。通过反复多次的试验，所确定的最佳镀膜条件为：溅射炉抽真空至1e-3Pa，通入氧气和氩气后溅射炉的工作压强为0.5Pa，通入的Ar流量约为27.7sccm，O2流量约为8.9sccm，两者比例约为3:1，板极电压Ua约为820V，板极电流Ia约为0.15A，自偏压为340V，正向功率为180W，反向功率为25W，基片加热温度为100℃，靶材和基片之间间隔6cm，镀膜时间为3h。放气阀充气阀镀膜室插预抽阀板流流阀量量计计分子机械泵前级阀泵图4-3设备的气路图-44- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文为了更方便地对溅射过程进行描述，画出射频磁控溅射系统的气路图，如图4-3所示。溅射的流程可以分以下几个环节进行：(1)清洗基片。基片的洁净度对介质层的均匀性和牢固性等性能有很大影响。基片不洁净时，在其上淀积的介质层薄膜会产生薄膜缺陷，且非常容易脱落，这样，当数字微流控系统的电极加上电压后介质层极容易被击穿。因此，必须对基片进行反复清洗，尽量减少外来杂质对介质层的污染。清洗时，首先将挑好的没有瑕疵的基片放置于盛有甲苯的烧杯中，并将其放在KQ5200DB型数控超声波清洗器中清洗10min，而后将基片放置在盛有丙酮的烧杯容器中超声清洗10min，然后再将基片放置在盛有乙醇的烧杯容器中超声清洗10min，这几个步骤是为了去掉ITO玻璃上的氧化物及油污等有机物；接下来，将华星牌电子工业清洗剂DZ-1、DZ-2与超纯水按1:19的比例配置溶液，再用配置好的1号电子工业清洗剂超声清洗基片10min，之后再使用配置好的2号电子清洗剂超声清洗基片10min，这两步是为了去掉ITO玻璃上的离子；最后，将基片放置于盛有超纯水的烧杯中超声清洗3次，每次清洗10min，目的是去除基片表面上残留的清洗剂，并进一步清洗基片表面上的杂质。需要注意的是，由于甲苯、丙酮易挥发出有害气体，因此整个清洗过程需在通风橱下进行。清洗完成后，将基片用镊子夹出，放置于DZF-6020型真空干燥箱内烘干备用。整个清洗过程如图4-4所示。10min10minITO基片甲苯超声清洗丙酮超声清洗乙醇超声清洗10min干燥箱内30min去离子水10min2号电子清洗剂10min1号电子清洗剂烘干超声清洗超声清洗超声清洗图4-4基片的清洗流程(2)清理溅射炉，并放置基片。进行此步骤之前，应首先打开蓄电池、冷却泵等设备。由于溅射炉内平时保持真空状态，因此，在打开溅射炉前，首先打开真空计，同时打开放气阀，当真空计显示真空炉内气压与外界大气压相同时，再打开溅射炉。打开后，可用酒精适当擦拭溅射炉内壁，并用吸尘器清理溅射炉内的粉尘。清理完成后，将基片用卡具固定在基片架上，并将基片表面吹干净后用挡板挡住基片。关闭溅射腔，调整基片架，将其与靶材的间隔距离设置为6cm。整个过程需带上手套完成，以防止对基片造成污染。(3)预抽真空。关上放气阀，启动机械泵，同时开启溅射炉上方的预抽阀。此时观察真空计示数，当真空计示数为2e0Pa时，关上预抽阀。(4)溅射腔抽真空。打开前级阀，约30s后，打开分子泵，抽分子泵真空。此时密切关注分子泵转速，当转速开始显示示数时，开启插板阀，从而对溅射-45- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文腔进行抽真空。此步抽真空大约需要2h。当真空计示数为1e-3Pa时，打开射频源总开关对射频源进行预热，同时打开JZ-YPJ500样品架加热电源，将温度设置为100℃，对基片进行预加热。(5)使溅射腔内产生辉光放电，同时预溅射靶材。打开氩气储气罐和氧气储气罐，再打开流量计，调整储气罐开关和阀控，使得Ar流量为27.7sccm，O2流量为8.9sccm，氧气和氩气比例约为1:3。之后打开充气阀，调节插板阀开关，同时观察真空计示数，当真空计上显示溅射腔内的气压为5e-1Pa时，停止调整插板阀。这样，就使得溅射腔内的真空度保持在0.5Pa。此时，打开覆盖着阴极靶材上方的挡板，之后打开射频源，将板极电压Ua调节为500V，这时，板极电流Ia和功率计开始有示数。然后，反复调节调谐按钮和调谐按钮，使得正向功率最大，反向功率最小。这时，反应室内开始起辉。再缓慢调节板极电压Ua，使得正向功率达到所需功率，同时随时调节匹配网络，使得反向功率尽量接近0。调节过程中，要注意反向功率不能太大，否则容易损坏射频源。完成调节后，记下各项参数，如此便开始了对靶材的预溅射。此时，基片有挡板保护，因此不会被镀膜。预溅射过程大约需要10min，这时辉光放电基本稳定，且靶材表面的杂质基本被清除，溅射SiO2薄膜的准备工作基本已完成。(6)溅射SiO2介质层。开始镀膜前，记下开始时间。打开基片架旋转按钮，使得基底以一定的转速旋转，以确保所镀介质层的均匀性。打开挡板，使得基片暴露于辉光放电等离子体中，从而开始在基片表面镀膜。镀膜时间约为3h。(7)取出淀积好SiO2薄膜的基片。溅射完成后，首先将射频源的板极电压Ua调至最小，再关闭射频源。然后关闭氩气和氧气的阀控，并关上氩气和氧气储气罐开关，之后关上流量显示仪。接着关闭充气阀，再关上插板阀和分子泵。此时，密切关注分子泵转速，当转速降为0时，关闭前级阀和机械泵，关闭基片架旋转按钮和样品架加热电源，并将阴极靶材上方的挡板合上。此时，打开放气阀，观察真空计示数，当溅射腔内气压与外界大气压相同时，打开溅射腔，取出基片。(8)关闭总电源。取出基片后，清理溅射腔，之后合上溅射腔，并将溅射腔抽至真空状态，避免空气对溅射腔造成污染。随后，关闭射频磁控溅射系统总开关，关闭冷却泵和蓄电池等设备，即完成了射频磁控溅射的整个流程。4.1.3SiO2薄膜的退火处理利用射频磁控溅射法溅射出来介质层薄膜通常需要进行退火的处理，因为当氩离子轰击阴极SiO2靶材时，通常会使得部分SiO2分子的Si-O键断裂，从-46- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文而使得介质层中含有少量的Si杂质。退火的目的是使薄膜中的硅进一步氧化生成二氧化硅，从而减少薄膜中杂质的含量，同时还可以消除因溅射产生的晶格缺陷，从而提高所制备的介质层的质量。当然，退火的时长以及温度等条件会影响介质层中的杂质含量。将镀膜后的基片放置于SX2-2.5-10型马弗炉内在空气中进行退火，为了保证足够的退火时间，设定退火时间为1h，并将基片分别置于500℃、600℃、700℃、800℃的环境中进行退火，以分析退火温度对生成的SiO2薄膜的影响，得到的实验结果如图4-5所示。(a)退火温度为500℃(b)退火温度为600℃(c)退火温度为700℃(d)退火温度为800℃图4-5样品退火前后对比图由上图可以看出，当退火温度为500℃时，样品基本上没有变化，说明退火温度过低，导致Si杂质没有发生反应或者只有少量的Si与空气中的O2发生反应；当退火温度为600℃时，可以看到，基片上的薄膜已经基本上变透明，说明Si已经基本上被氧化成SiO2；当退火温度为700℃时，样品也发生了明显的变化，颜色也变为透明，但是可以注意到，基片内出现了一个小气泡，这可能是由于退火温度过高导致的；而当退火温度为800℃时，可以看到，基片已经被融化而产生变形。因此，本文选择600℃作为最佳的退火温度。利用原子力显微镜观测600℃条件下退火1h后的介质层薄膜的表面形貌，得到如图4-6所示的结果。由图可以看出，经退火后的SiO2薄膜表面比较平整，粗糙度比较低，致密性比较好，这可以增加介质层与基片之间的黏着性，提升介质层的质量。-47- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图4-6SiO2薄膜的表面形貌图4.1.4工艺参数对SiO2薄膜制备的影响在介质层的制备过程中，很多因素都会对薄膜的性能产生影响，例如：板极电压Ua的大小会对薄膜的杂质含量以及能否成膜产生影响，如图4-7所示，Ua太小时，则基片上基本上不会生长出SiO2薄膜，Ua太大时，则会致使薄膜中的Si杂质含量较多；溅射气压会对介质层的生长速度产生影响，气压越大，则介质层薄膜淀积的速率越慢，薄膜的粘着性很差，镀膜非常不容易，但溅射气压过小时，会导致辉光放电现象难以产生，进而也会导致镀膜的失败；氧气和氩气所构成的工作气体中氧气分压的大小也会对介质层的生长速度产生影响，O2的分压越大，则镀膜的速率越慢，但当O2的分压过小时，会造成介质层中的杂质含量增加，成膜质量差。因此，选择上述所确定的最佳镀膜条件进行镀膜非常重要。(a)Ua=700V(b)Ua=800V(c)Ua=900V(d)Ua=1000V图4-7板极电压Ua对薄膜生长的影响4.2数字微流控芯片的制作流程制作数字微流控芯片的大致流程如图4-8所示，主要分为三大部分，下面对其制作流程加以详述。-48- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文(a)清洗基片(d)显影(b)涂胶(e)淀积介质层(c)曝光(f)疏水处理图4-8芯片的制作流程4.2.1驱动电极的制作ITO玻璃即镀有一层氧化铟锡的玻璃，它的导电性能良好，价格便宜，且与MEMS后端工艺兼容，刻蚀也较为简单，因此，选用ITO玻璃作为驱动电极材料。在制作驱动电极时，需要预先制作出包含有电极图形的掩膜板，使用AutoCAD绘制出所设计的电极版图，如图4-9所示，该掩膜版包含叉指型和正方形两种电极形状，电极大小均为0.5mm×0.5mm，电极间隔20um，每个驱动电极都连接一个大的电极，用来施加外界电压。左侧与两种驱动电极相接的大的正方形电极用来作为储液池，其大小为2.5mm×2.5mm，用于微液滴的产生。驱动电极的制作过程如下：图4-9驱动电极掩膜版图(1)清洗基片。按照图4-4所示的清洗流程对ITO玻璃基底进行清洗，依次用甲苯、丙酮、乙醇超声清洗10min，再用DZ-1、DZ-2电子工业清洗剂超声清洗10min，之后使用去离子水超声清洗数次，最后烘干。(2)涂胶。将ITO玻璃基底置于匀胶机的圆形转盘上，之后用吸管将少量的BP212正性光刻胶涂在玻璃的表面，同时打开匀胶机的转速开关进行光刻胶的旋涂，其中，转速设置为3000r/min，时间大约为40s，从而使得光刻胶能够匀称地涂覆在ITO玻璃的表面。-49- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文(3)前烘。将旋涂好光刻胶的基片置于烘烤箱内进行前烘操作，烘烤箱的温度设置为90℃，烘烤时间大约为10-20min，进而除掉光刻胶中的一些溶剂，同时加强其附着力。(4)曝光。将经过前烘后的基片上方放置上所设计的掩膜板，并将两者置于光刻机中进行紫外线曝光，曝光时间约为10s，从而使得被曝光的部分发生光化学反应，以便在后续工艺中被去除。(5)显影。将经过曝光后的片子放置于配置好的浓度为5‰的NaOH显影液中进行浸泡，此时，由于正性光刻胶被曝光的部分发生过光化学反应，使得被曝光的部分可被碱性的NaOH溶液溶解，而正性光刻胶未被曝光的部分则被保留了下来，因此，经过显影后，基片上剩余光刻胶的形状与掩膜板上的图形一致，如图4-10所示，这样，就致使须被刻蚀掉的ITO薄膜显露了出来。整个显影过程大约需要2min，显影完成后，需要将基片用超纯水清洗干净。图4-10显影后的ITO玻璃基片(6)镜检。将经过显影后的基片置于显微镜下进行观察，检查光刻胶图形是否有如图4-11所示的断条、针孔等缺陷，若有，则返工重做。图4-11光刻胶图形缺陷图(7)后烘。后烘又被称为坚膜，目的是使得被显影后的剩下光刻胶能够更-50- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文加牢固，从而增加其抗腐蚀性能。这是由于未被曝光的光刻胶部分虽然不会被显影液溶解，但是显影液也会使得部分未经过曝光的光刻胶发生软化或者溶胀，因此就需要对光刻胶薄膜进行坚固，防止其在后续腐蚀ITO的过程中被去除，从而失去对电极图形的掩护作用。后烘的温度大约为140℃，时间为40min。(8)刻蚀。首先将HCL、HNO3和超纯水按照4:1:2的比例配置刻蚀液，将刻蚀液置于烧杯中并将其放置于磁力搅拌器上进行搅拌，同时将刻蚀液加热至60℃左右。搅拌的目的是使刻蚀更加均匀，加热的目的是加快反应速率。之后，将经过显影后的基片放置于烧杯中进行刻蚀，此时，未被光刻胶保护的ITO将被刻蚀液腐蚀掉，剩下的被光刻胶保护的ITO区域即为本文所设计的驱动电极图形。整个刻蚀过程大约需要2min30s。(9)去胶。将刻蚀好的ITO基片放置于丙酮中超声清洗10min，从而去除ITO表面上剩余的光刻胶保护层；再将片子放置于无水乙醇中超声清洗10min，以去除片子上残留的丙酮溶液；之后再用超纯水将玻璃基片超声清洗若干次，以去除片子上残留的乙醇；最后将片子置于真空干燥箱内加热烘干。至此便完成了去胶工作。(10)检测。将制作好的ITO电极置于显微镜下观察，检测是否有不合格的电极图形，同时使用万用表检测所制作的ITO电极是否有断路或短路的情况发生。图4-12所示为已制备好的电极图形，由图可以看出，电极边缘清晰可见，万用表检测也符合要求。至此便制得了ITO驱动电极。图4-12制备好的电极图形4.2.2介质层的制备数字微流控器件操控的基础是介电润湿效应，介质层质量的好坏直接决定了芯片功能能否实现，因此，介质层的制备是整个芯片制作过程中最重要也是最关键的一步，这也是本文在第4.1节中专门对介质层的制备过程进行研究的原因。根据上节的探讨，本文选用磁控溅射法，并按照所摸索的最佳工艺参数进行SiO2介质层的淀积，淀积时间为3h，淀积的薄膜厚度为约0.25um。需要-51- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文注意的是，由于外接电压的电极上方不需要淀积介质层，因此，需采用耐高温的聚酰亚胺胶带将外接电压的电极包裹住，从而使得介质层只生长在驱动电极上方，如图4-13所示。为了使得SiO2介质层表面保持一定的粗糙结构以便后续的疏水处理，同时使得薄膜中的Si含量尽量少，本文在两种要求之间取一个平衡，减短薄膜的退火时间，使得淀积好薄膜的基片在600℃条件下退火10min，这样就完成了SiO2介质层的制备。图4-13介质层的制备4.2.3芯片表面的疏水处理61.68°116.57°图4-14芯片表面疏水处理前后接触角对比图制备好介质层薄膜后，还需要对介质层的表面进行疏水处理，这是因为通过磁控溅射法制备的SiO2介质层是亲水的，这不利于微液滴的运动。经过疏水处理后，微液滴左右两侧的接触角可以通过施加电压的方式产生一个较大的差异，这有利于液滴内部不平衡力的产生，从而促进微液滴的驱动；另外，经过疏水处理后，微液滴与芯片表面的接触面减小，这有利于减少微液滴的挥发和沾污，节省试样，同时还可以减小驱动微液滴所需要克服的摩擦阻力。以乙醇作为溶剂来稀释CH3(CF2)7(CH2)2Si(OC2H5)3，得到浓度为5%的溶液，然后将少量溶液旋涂于驱动电极上方的介质层上，并将旋涂后的基片置于真空干燥-52- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文箱内烘烤30min，温度设置为60℃，以去除溶液中的乙醇，这样就使得驱动电极上方的区域由亲水状态变为疏水状态，方便下一步实验的进行。芯片表面疏水前后的接触角可用JC2000C1型接触角测量仪进行测量，其结果如图4-14所示，疏水处理前，介质层表面的三相接触角约为61.68°，疏水处理后，介质层表面的三相接触角约为116.57°。在驱动电极、介质层、疏水处理等各项操作完成后，即完成了单极板数字微流控芯片的制备，图4-15为所制得数字微流控芯片实物图。图4-15数字微流控芯片实物图4.3数字微流控系统控制电路设计驱动微液滴需要一个数字开关电源电路，这个电路能够使一定幅值的电压按一定频率依次施加到数字微流控芯片的电极上，进而完成芯片上液滴的驱动。由于数字微流控系统的功耗非常低，因此系统对电路的输出电流无要求；但从工艺的角度考虑，应使电流尽量小以免发生介质层的击穿。为了使接触角有大范围的变化从而更好地验证实验现象，要求电压能够进行大范围可调。本文所设计的数字微流控系统控制电路的原理图如图4-16所示。电源可调直流电源ATmega8单片机隔离电路开关阵列电路数字微流控芯片图4-16数字微流控系控制电路原理图利用ATmega8控制IRFP250型MOS管源漏端的开断来控制0~200V可调电源的接通或者关断，并加上电阻和二极管来折衷MOS管的导通和关断时间。-53- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文为了防止某个MOS开关失效之后大电流烧坏单片机控制电路，还需要利用TLP250光电耦合器来对电路进行隔离和抗干扰保护。这样，就使得控制电路各输出端可以输出0~200V的电压，且开关频率高达数十KHz。利用AltiumDesigner画出该控制电路的PCB，如图4-17所示。图4-17数字微流控系统控制电路PCB图基于所设计的PCB版图，加工制作了印刷电路板，如图4-18所示，并在此基础上进行了元器件的焊接，得到了操控数字微流控芯片的所需要的外围控制电路，如图4-19所示。图4-18加工制作好的印刷电路板图4-19数字微流控芯片操控电路实物图为了对所设计的控制电路的功能进行测试，在电路的输入端施加上12V-54- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文电压，输出端接上2KΩ电阻和发光二极管，并在AVRStudio开发环境中对所要实现的功能进行编程，进而控制开关电路中各开关的导通次序以及导通时间。需要注意的是，由于AVRStudio只支持汇编语言，因此，当使用C语言编程时，还需要调用winAVR进行对C语言程序的编译。编译完成后，再利用progisp将程序下载到ATmega8中进行调试。图4-20是分别控制第二个发光二极管、第三个和第五个发光二极管、第一到五个发光二极管分别导通的图片。测试结果表明，该开关电源阵列能够按照指定的顺序和频率依次导通和关断，满足数字微流控芯片操控电路的各项要求，可以控制芯片各驱动电极的加电次序和时长，从而完成对微液滴的各项操作。图4-20控制电路的测试结果当然，数字微流控系统阵列的驱动电极会非常多，此时，可同时将数个该电路接在驱动电极阵列上，从而使得微液滴在二维电极阵列上沿着所设定的方向运动。4.4数字微流控系统的测试4.4.1测试平台搭建在完成数字微流控芯片和控制电路的制作后，需要对数字微流控系统进行测试。测试平台包含计算机、显微镜、数字微流控芯片、电源以及控制电路等，图4-21为数字微流控系统的测试平台搭建示意图。其中，数字微流控芯片的ITO电极通过导电胶带或者导电夹子实现与控制电路的接线端子所引出的导线的连接。-55- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文电源计算机数字微流控芯片显微镜控制电路(a)原理图(b)实物图图4-21数字微流控系统测试平台4.4.2测试结果分析(1)液滴的输运利用所搭建的测试平台，本文操控了数字微液滴进行输运操作，如图4-22所示，用蓝色直线标注了电极的边缘。实验结果表明，通过仿真所确定的系统结构以及各项参数能够实现对微液滴的操控。(a)t1时刻微液滴位置(b)t2时刻微液滴位置(c)t3时刻微液滴位置(d)t4时刻微液滴位置图4-22数字微液滴的输运由操控结果可知，t1时刻，微液滴位于第1个电极之上同时微接于第2个电极；t2时刻，当第2个电极接通40V电压后，微液滴开始向右运动；t3时刻，微液滴接着向右，且大部分液滴已落于第2个液滴之上；t4时刻，液滴-56- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文已完全离开第一个电极，且有一部分位于第3个电极之上，此时，若再将第3个电极接通电源电压，则微液滴会接着向第3个电极的方向运动，这样，就使得微液滴沿着所施加电压的方向进行运动，从而完成了对微液滴的运输操作。在实验过程中不难发现，驱动微液滴所需要的最小电压比通过仿真所确定的最小电压要稍微大一点，这是因为仿真过程中所考虑的是理想情况下微液滴的操控，而在实际操作过程中，总会有一些其他不利因素的影响，例如某些阻力的影响以及微液滴体积不能严格精确控制的影响等等，这些因素导致了实际操控微液滴所需要的最小电压比仿真所得到的最小电压要大。(2)介质层厚度的影响由第三章的仿真结果可知，介质层的厚度会对微液滴的操控产生一定的影响。介质层越薄，则微液滴左右两侧三相接触点处的电压差越大，从而越有利于微液滴的驱动。但是在实际加工过程中，介质层太薄则也会对微液滴的驱动产生一些不利影响，此时，当驱动电极施加上电压后，介质层会出现漏电现象而使得微液滴发生电解，如图4-23所示。其中，介质层厚度为0.15um，驱动电极上施加的电压为30V，可以清晰地看到，微液滴内部有小气泡产生。因此，实际的介质层厚度不能太薄。图4-23微液滴的电解(3)杂质对驱动电极的影响由于实验条件的限制，在制作电极的过程中，总是避免不了外界环境中的杂质对电极造成的影响，如图4-24所示，电极总会出现一些粘连或者缺陷，驱动电极与外接电极之间连接的线条也不可避免地出现一些断条的情况，加上电极之间的间距非常小，因此总是难以完成高质量的驱动电极，连续可用的驱动电极最多只能达到3个，因而目前只能完成数字微液滴的输运操作，而无法对微液滴的产生和分离等其它运动过程进行验证。但是由于输运过程是其它三个过程的基础，因此可以肯定的是，本文所设计的芯片结构以及芯片各项参数能够实现对数字微液滴的驱动。-57- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图4-24杂质对电极制作的影响4.5本章小结本章主要研究了数字微流控系统的制作过程以及对微液滴的操控过程。本章的第一部分介绍了数字微流控系统制作过程中的关键技术，对比分析了各种制备介质层方法的优缺点，并探讨了各工艺参数对其的影响。本章的第二部分对数字微流控芯片的制作过程进行了详细的阐述，包括驱动电极的制作、介质层的制作以及疏水层的制作等。本章的第三部分探讨了数字微流控系统控制电路的制作，焊接了PCB，并对电路所要实现的功能进行了验证。本章的第四部分搭建了数字微流控系统测试平台，对本文所设计制作的数字微流控系统的功能进行了验证，成功驱动了微液滴的输运，并同仿真所得到的结果进行对比，同时指出了一些影响因素。-58- 结论结论本文主要通过数值模拟和实验验证相结合的手段对近些年来兴起的数字微流控系统进行了研究。主要工作包括：(1)分析了驱动微液滴的各种方法的优缺点，确定了利用介电润湿法实现对微液滴的驱动。介绍了介电润湿效应，并推导了介电润湿效应所遵循的Young-Lippmann方程，阐明了利用该方法操控微液滴进行各种运动的原理。(2)推导了数字微流控系统中微液滴所遵循的动力学方程，阐明了数字微流控系统操控过程中微液滴的最优体积为微液滴横切面的圆的直径比方形电极的边长要大但比其对角线的长度要小，并介绍了在仿真过程中所必须考虑的微流体的特殊效应----层流效应，奠定了数字微流控系统模拟过程的理论基础，并对介电润湿效应进行了仿真。(3)建立了数字微流控系统静态性能的仿真模型，模拟了系统中电势的分布情况，并指出系统中介质层越厚则越不利于微液滴的驱动。另外，对比分析了单极板结构和双极板结构的数字微流控系统，得出了单极板结构的数字微流控系统更有利于实现微液滴驱动的结论。(4)建立了数字微流控系统动态性能的仿真模型，在所确定的系统结构和各项参数的基础上，确定了微液滴的最小有效驱动电压为30V。(5)研究了数字微流控系统的关键技术----介质层的制备。确定了制备介质层的最佳方法和最佳工艺条件，并指出退火温度和时间、板极电压大小、溅射气压大小以及氧气分压大小等参数都会对绝缘介质层的性能产生影响。(6)对数字微流控芯片的制作流程进行了介绍，设计制作了数字微流控芯片，同时焊接了数字微流控芯片所需要的控制电路，在此基础上搭建了数字微流控系统测试平台，并在40V的驱动电压下实现了微液滴的驱动，验证了仿真结果的正确性。当然，本文的研究尚有许多不足，在下一步的工作中，将在以下几个方面加以改进：(1)进一步改进驱动电极的制作方法，从而制作出更高质量的电极，进而对微液滴的其它操控过程进行验证和优化，并展开对可编程二维电极阵列驱动微液滴的研究。(2)改变数字微流控系统的操控对象，探讨数字微流控系统在生化、医学等方面的实际应用，为尽快走向市场打下基础。-59- 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