基于介電潤濕效應(yīng)的微液滴操控研究.pdf

1、基于介電潤濕(Electrowetting on Dielectric，簡稱 EWOD)的數(shù)字微流控芯片具有結(jié)構(gòu)和控制簡單，靈敏度和通量高，樣品用量小，檢測時間短以及自動化和集成化程度高等優(yōu)點，在細胞操縱、臨床檢測、DNA分析以及食物和環(huán)境監(jiān)測等生物、醫(yī)學和化學領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大優(yōu)勢并得到了廣泛應(yīng)用。可以預(yù)見，隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字微流控技術(shù)將發(fā)展成為當今世界的前沿科技之一。
　　針對目前所研制的數(shù)字微流控芯片功能單一以及微液滴

2、操控靈活性差的不足，本文在研究介電潤濕操控微液滴機理的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種混合結(jié)構(gòu)數(shù)字微流控芯片，結(jié)合數(shù)值仿真和MEMS工藝成功研制出芯片；并設(shè)計了外圍控制電路，對微液滴進行了操控實驗研究。
　　首先，對微尺度下的微液滴進行受力分析，研究了各種改變表面張力的方法并選擇 EWOD進行微液滴操控。建立EWOD模型對其原理進行了研究，并利用能量最小化原理對控制微液滴接觸角變化的Young-Lippmann方程進行了改進；在EWOD原理基礎(chǔ)

3、上，建立了微液滴生成、輸運、分離及合并操控模型。
　　其次，設(shè)計了混合結(jié)構(gòu)數(shù)字微流控芯片，并推導(dǎo)出單雙極板區(qū)驅(qū)動電極單元尺寸匹配數(shù)學關(guān)系。建立電動力模型，利用COMSOL Multiphysics有限元仿真軟件對芯片中零電極和驅(qū)動電極單元的布局和參數(shù)進行了仿真優(yōu)化，得到了一系列用于指導(dǎo)芯片設(shè)計的結(jié)論；并基于所建立的電動力仿真模型研究了介電潤濕的內(nèi)在機理問題。另外，對所設(shè)計的數(shù)字微流控芯片進行了電場、流場和溫度場耦合仿真，得出微液滴

4、的運動規(guī)律，并分析了介電層厚度對流速和溫度的影響。
　　基于理論計算和數(shù)值仿真，結(jié)合MEMS工藝制定出一套加工數(shù)字微流控芯片的工藝流程，將Si3N4和SiO2相結(jié)合研制出復(fù)合介電層結(jié)構(gòu)芯片。針對微液滴操控的特殊性，采用單片機驅(qū)動控制光耦開關(guān)設(shè)計出微液滴操控電路及操控程序。
　　最后，建立實驗平臺，對微液滴進行操控實驗研究。在不同電壓下，通過測量四種介電層結(jié)構(gòu)中去離子水微液滴的動態(tài)接觸角及其滯后量，驗證了本文改進的Young-

5、Lippmann的正確性，并得出最佳介電層組合為Si3N4-SiO2和SiO2-Si3N4-SiO2層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，比較了外加電壓、開關(guān)切換頻率以及微液滴體積等因素對微液滴操控的影響；在30-50V電壓之間成功實現(xiàn)了對去離子水微液滴的輸運、合并及并行操控，通過實驗驗證了基于EWOD操控微液滴的可行性。
　　本課題涉及多學科交叉研究與應(yīng)用，文中所使用的理論、方法和得出的結(jié)論對進一步深入研究和設(shè)計數(shù)字微流控芯片具有一定的啟發(fā)