基于电润湿的液滴配发(2)
3.3 液滴配发可重复性的实验研究 20
3.3.1外加电压对液滴体积变化的影响 21
3.3.2中间电极长度对的液滴体积可重复性的影响 23
3.3.3连接线对液滴体积变化的作用 24
3.4结论 25
结 论 26
致 谢 27
参考文献28
1 绪论
近些年来，随着科学技术的不断更新，器件小型化已经是一个重要的发展趋势。器件的小型化大大的增加了芯片的集成度以及系统的处理效率和过程自动化程度。在流体学中，为了实现对微尺度下流体的精确操控, 提出一种基于介质上电润湿[1]（Electrowetting，EW）的新型微液滴驱动芯片。
1.1 本课题的背景介绍
1.1.1 课题名称解释
润湿就是指固体表面的一种流体被另一种流体所取代的过程。液体在固体表面能伸展，固液接触面有扩散的趋势，也就是说液体对固体表面的附着力大于其内聚力，这就是润湿。相反的，液体在固体的表面不能伸展，接触面会成收缩状态，这就是不润湿，不润湿就是液体的内聚力要大于液体对固体表面的附着力。通过改变上下绝缘基板之间的电压，来改变液滴在基板上的疏水与亲水性，也就是润湿性，即通过改变接触角，使液滴发生位移、形变的现象就是介质上电润湿。为了实现对液滴传输的操作和控制，基于这种原理，我们在上下基板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来研究液滴的配发，因为在微流控芯片的操作中，液滴配发操作是非常重要的第一步操作。
1.1.2 课题研究的发展历程
电润湿现象是由Lippmann在1875年最早发现的，他观测到了水银在电场作用下的上升现象，并导出了描述这种电毛细现象的方程，即现在被称为的Lippmann定律[2]：
(1-1)
其中 是固液界面的有效界面张力， 是表面电荷密度， 则是外加电压。
到了二十世纪九十年代，Berge的研究大大推动了电润湿应用的发展。他在液滴与金属电极之间引入了介质层来解决电解的问题，这种结构日后被称为“介质上的电润湿”（electrowetting-on-dielectric）。Berge同时还提出了外加电压与接触角之间的关系方程，即Lippmann-Young方程[3]：
(1-2)
其中 和 分别代表外加电压和不加电压下的接触角， 代表液滴的表面张力， 和 分别代表真空和介质层的介电常数，而t是介质层的厚度。如图所示，图1.1（a）(b)分别表示不加电压和加电压时接触角的变化。
图1.1 介质电润湿示意图
2000年Fair等研究生人员提出利用介质上电润湿实现了去离子水液滴的输运[4]，基于这样一个基础,2003年CJ Kim[4]等在J.MEMS上发表了利用介质上电润湿在空气中操纵液滴的文章,提出了数字微流控电路的设想,并实现了液滴的运输、产生、分离和合并等基本操作。借助于成熟的工艺以及器件结构,Fair等利用介质上电润湿成功地实现了葡萄糖溶液,含有NTT爆炸物的溶液,以及各种酶溶液的操作和检测。CJ Kim等利用介质上电润湿平台进行溶液中的颗粒分离，蛋白质分析，和痕量液体的准确输运和印刷……,并使工作电压降到15V，上述两个研究组的器件结构相似,都是采用“三明治”结构,其差别在于Fair的液滴操作都是在硅油环境中完成,而CJ Kim的研究是在在空气环境中。在这种“三明治”结构中,由于有上极板的存在,因此对于液滴的分离以及产生等具有很大的优势,并且在工作时由于上基板的存在液体不易挥发,但是上极板却影响了液滴运动的速度。因此，Gascyone[4]等人利用开放结构,去掉了上极板,只有下极板,这样可以大大提高液滴运动的速度。