介质上电润湿原理及其应用

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1、介质上电润湿原理及其应用摘要：介绍了介质上电润湿的研究背景以及基本理论和基本的运动操控方式，描述了EWOD在芯片实验室、微透镜、光纤、电子显示器等方面的原理及应用。最后介绍了介质上电润湿所面对的困难和前景。关键词：电润湿微流体表面张力1简介电润湿是指通过调整施加在液体-固体电极之间的电势，来改变液体和固体之间的表面张力，从而改变两者之间的接触角。早在1875年，法国科学家Lippmann观察到在汞和电解液之间加电压，会出现的毛细下降现象；并提出了著名的Lippmann-Young方程。1993年Berge在电润湿模型中引入了介电层，以尽

2、量消除电解的发生，这被称为介质上电润湿（electrowetting-on-dielectric，EWOD）（图1）[1]。图1介质上的电湿润(EWOD)介质上电润湿是一种电控表面张力驱动方式。它通过在介质膜下面的微电极阵列上施加电势来改变介质膜与表面液体的润湿特性。典型的EWOD器件通常采用三层结构（图2），即受控液滴被夹在上、下两极板之间。下极板由衬底、微电极阵列、绝缘层以及疏水层构成。疏水层可以保证液滴运动过程的平滑和稳定。上下极板之间的填充物质可以是空气或者是硅油，硅油可以作为润滑剂，降低液滴的驱动阻尼，使驱动电压下降，而且可以

3、减少液滴的蒸发，但它可能会对液滴产生污染，从而一定程度上限制了它在生物化学等方面的应用。在EWOD装置中，绝缘层材料也有多种选择，如表面覆盖Teflon的SiO2[2]、Teflon[3]。图2典型EWOD的三层结构另一种EWOD装置采用共面电极设计，正负电极全部做在下极板[4]~[7]。如图3所示，这种共面电极装置无需上极板；并且可以加工在PCB电路板上，同时可集成高密度电极[5][8]。图3(a)单层共面微电极阵列[9].(b)PCB上的EWOD电极板剖面[10]2基本原理如图4(a)所示，初始情况下忽略重力的影响，液滴在疏水介质层

4、表面的三相接触角θ0可以由Young氏方程表示为：cosθ0=(γsg-γsl)／γ1g其中γsg、γsl和γ1g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。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：2γs1v=γsl–ε0εrv／2d其中,γs1、γs1v分别是外加电势前、后的疏水固体/液滴之间的表面张力，ε0、εr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

5、面张力变小，导致疏水表面的液滴三相接触角变小，见图4(b)。外加电势后的三相接触角θv可以由上面两方程推导而成，即由Lippmann-Young方程表示为2cosθv=cosθ0+ε0εrv／2d·γ1g图4介质上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。图5三层结构驱动器的截面图图5是三层结构驱动器的截面图。当开关k开启时，液滴的形状成对称分布。见图中虚线部分，液滴与上、下极板的接触角分别是θt和θ0，忽略重力的影响，其值都为疏水表

6、面的初始接触角；当开关k闭合时，由于介质上电润湿作用，液滴与右侧极板间的接触角发生变化，见图中实线部分。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θV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。无上极板的EWOD结构原理与此类似。3液滴的基本操控3.1移动液滴在电极阵列上的运动

7、是通过对电极施加电压来进行控制的。图6表示的是0.1MKCl的运动控制。当电极所施加的电压达到一定值时，液滴就会在表面张力作用下向带电电极板移动[11]。因此可根据特定的电压操纵顺序达到对液滴进行控制的目的。图6液滴的移动3.2液滴的分裂在EWOD器件上，液滴分裂与合并也是基本的操控方式。Cho等人对液滴的分裂进行了研究[12]。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θb2减小，液滴曲率半径r2增大，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

8、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。图7液滴的分裂图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[13]。当流体运动到所要形成液滴的位置时，中