介电润湿驱动.doc

介电润湿驱动 专业班级： 材料43学生姓名： 王宏辉学 号： 2140201060完成时间： 2017年3月29日 介电润湿驱动微流控系统因具有样品消耗小、检测效率高、易于和其他技术设备集成等优点，近年来在化学分析、生物医疗、食品卫生及环境监测等领域得到了很好的应用。在微流控系统中，对微、纳升级别的液滴实施精确操作和驱动一直是其核心和关键。在众多的微流控驱动技术中，介电润湿驱动是一种利用电压对导电液滴实施操控的新型致动原理，具有调控范围广、响应灵敏、可重复利用等优点，目前在各类微流控芯片、光学元器件及显示设备中都有着非常广泛的应用，为国内外众多研究机构所重视。介质上电润湿(Electrowetting-on-dielectric，EWOD)由电润湿演变发展而来，电润湿现象最早是由法国科学家Lippmann于1 8 7 5年发现，Lippmann通过在汞和电解液之间施加电压，发现电解液与汞电极接触界面的润湿特性发生明显改变。1 9 3 6年，Froumkine通过对金属与附着于其表面的导电液滴间施加电场改变了液滴形状，并成功实现了液滴的移动。但是由于该液滴直接与金属电极接触，液滴的移动速度极为缓慢，而且所施加的电压极易导致液滴被电解而产生气泡，使得电润湿的发展遇到了瓶颈。直到20世纪90年代，法国科学家Berge借鉴原有的电润湿理论模型,通过在金属电极表面涂覆一层具有较好疏水性能的介电材料来防止电极与导电液滴直接接触，避免电极与液滴之间产生电化学反应,实现了电压控制液滴在介电层表面的移动和变形，也就是介质上电润湿，简称介电润湿。介电润湿驱动原理利用介电润湿效应驱动液滴动作的原理在于通过对嵌在介电层下的微电极阵列施加电压来改变介电层与附着于其表面导电液滴间的润湿特性，使液-固接触角发生变化，造成液滴两端不对称形变，促使液滴内部产生压强差，从而实现对液滴变形或运动的操作与控制，如图1所示。介电材料在介电润湿器件中的作用目前已报道的基于介电润湿效应制作而成的器件多种多样，包括生化分析微流控芯片、显示元件以及可变焦液体透镜等。虽然这些不同用途的介电润湿器件所用材料和结构形式不尽相同，但概括起来一般由4个基本部分组成:基底、电极、介电层、导电液滴。图1展示了两种典型的介电润湿器件结构形式。相比其他组成部分，介电层的加入虽不可避免对所需施加的驱动电压及制作工艺有了更高的要求，但很大程度上消除了电解现象的发生增，大了导电液滴与所附着固体表面间接触角的变化范围,使得系统发生电润湿的现象更加明显,而且极大地促进了电润湿在各类微流控芯片、可变焦液体透镜、显示器等光电器件中的应用。因此，选取适当的介电材料作为所设计介电润湿器件的介电层十分必要。介电材料的选取原则介电润湿器件中介电材料的选取可以参照Young-Lippmann方程式中:为电压为V时导电液滴与介电层间的接触角，0为施加电压为零时导电液滴与介电层间的接触角，r为所选介电材料的相对介电常数，0为真空介电常数，d是介电层厚度，lv为气-液表面自由能。由Young-Lippmann方程可以得到提高接触角变化范围，即提高系统电润湿效果的两种方法或原则：(1)选用自身具有优良疏水性能的介电材料或者在疏水性较差的介电材料表面沉积一层疏水层,以提高系统的初始接触角；(2)选取具有较高介电常数的介电材料，减小介电层厚度，同时保证介电层拥有足够的介电强度，防止驱动电压较高时介电层被击穿。应用于介电润湿驱动中的介电材料主要有聚合物介电材料和无机介电材料两大类。近年来介电材料在以介电润湿为原理制作的各类微流控芯片、光学元件、显示元件等器件中得到了广泛的应用。以聚四氟乙烯为例：聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene,PTFE)是使用氟取代聚乙烯中所有的氢原子而制备出的一系列不定形含氟聚合物树脂。实际应用中,通过旋涂或喷涂法制备的聚四氟乙烯薄膜具有优异的透光性、化学稳定性和电学特性等,此外又由于其疏水性较好,与液滴的接触角接近1 20,因此可以同时满足介电润湿器件对疏水性和绝缘性的要求。李显歌等以聚四氟乙烯作为介电疏水层设计制备了一块3英寸的介电润湿分段显示模组，该模组包括1 2个单独控制的区域，每个单独控制区域内含6 5 34个像素，实验中又对聚四氟乙烯作为疏水介电材料的可靠性以及可能造成失效的原因进行了探究。Barbulovic-Nad等基于介电润湿原理，以聚四氟乙烯为介电疏水材料制备了一种可以独立实现片上细胞粘附、细胞培养基液更换、细胞的洗脱以及细胞