基于介電濕潤(rùn)效應(yīng)的微液滴驅(qū)動(dòng)機(jī)理與操作方法研究.pdf

1、基于介電濕潤(rùn)效應(yīng)的數(shù)字微流控技術(shù)是近年來(lái)出現(xiàn)的一種能夠在平面上操控體積為微升、納升級(jí)別液滴的新技術(shù),該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)液滴的分配、液滴的分離與合并、液滴的輸運(yùn)四項(xiàng)基本操控,具有試劑消耗量少、試劑分析耗時(shí)短、設(shè)備體積小等特點(diǎn),因此在生物、化學(xué)、光學(xué)透鏡等領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用。本文針對(duì)目前微量液滴操作的迫切需求,從介電濕潤(rùn)驅(qū)動(dòng)機(jī)理分析入手,開(kāi)展微量液滴驅(qū)動(dòng)理論研究,通過(guò)建立模型與數(shù)值仿真分析液滴受力、分析實(shí)現(xiàn)低電壓驅(qū)動(dòng)微流控芯片的實(shí)現(xiàn)方法,最

2、后通過(guò)實(shí)驗(yàn)分別驗(yàn)證了低電壓驅(qū)動(dòng)芯片降低驅(qū)動(dòng)電壓的效果及基于液滴位置檢測(cè)系統(tǒng)保證液滴連續(xù)運(yùn)動(dòng)的效果。
　　首先,介紹電毛細(xì)管現(xiàn)象、電濕潤(rùn)現(xiàn)象和介電濕潤(rùn)的原理;然后研究固液接觸面表面束縛電荷作用機(jī)理。利用仿真軟件COMSOL Multiphysics4.3對(duì)“介電濕潤(rùn)芯片—液滴”系統(tǒng)中的電場(chǎng),壓力場(chǎng)和流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值仿真,數(shù)值仿真結(jié)果表明電場(chǎng)形成后在固液接觸面上的正負(fù)離子、分子相互吸引產(chǎn)生靜電力,使液滴表面張力發(fā)生改變,液滴左右兩側(cè)不對(duì)

3、稱的張力改變使液滴內(nèi)部產(chǎn)生流體靜力學(xué)壓力,液滴在流體靜力學(xué)壓力的作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。運(yùn)用“三自由體表示”法描述了液滴從靜止到實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。
　　其次,根據(jù)能量最小化原理針對(duì)液滴在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中不同階段的受力進(jìn)行了推導(dǎo),通過(guò)數(shù)值仿真得到了一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中不同階段的受力情況,仿真結(jié)果表明驅(qū)動(dòng)電極在垂直于液滴運(yùn)動(dòng)方向上的長(zhǎng)度越大液滴所受到的介電驅(qū)動(dòng)力也就越大,該仿真結(jié)果有助于對(duì)介電濕潤(rùn)芯片進(jìn)行優(yōu)化。然后采用不同參數(shù)對(duì)液滴的受力進(jìn)行仿真,并行

4、了對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)提高驅(qū)動(dòng)電壓能獲得較大的介電驅(qū)動(dòng)力。并根據(jù)液滴所受驅(qū)動(dòng)力與阻力建立了液滴的動(dòng)能方程,數(shù)值仿真了液滴所受各個(gè)阻力,得到液滴所受介電驅(qū)動(dòng)力相同情況下可以通過(guò)降低三相接觸線摩擦力和極板剪切力的方法對(duì)介電濕潤(rùn)芯片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　然后,以降低介電濕潤(rùn)芯片驅(qū)動(dòng)電壓為目的,對(duì)芯片進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)了懸空零電極結(jié)構(gòu)的介電濕潤(rùn)芯片,數(shù)值仿真結(jié)果表明懸空零電極結(jié)構(gòu)能降低液滴運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的三相接觸線摩擦力和極板剪切力。對(duì)比傳統(tǒng)的方形

5、和叉齒形驅(qū)動(dòng)電極,設(shè)計(jì)了半月形驅(qū)動(dòng)電極,數(shù)值仿真結(jié)果表明三種驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)(四種布局)中半月形的驅(qū)動(dòng)電極上液滴的受力達(dá)到最大值時(shí)所需時(shí)間最短,而且液滴在被成功驅(qū)動(dòng)前,同一驅(qū)動(dòng)電壓下的液滴發(fā)生局部運(yùn)動(dòng)的部分較大,因此,半月形驅(qū)動(dòng)電極的介電濕潤(rùn)芯片不但能以較低的驅(qū)動(dòng)電壓驅(qū)動(dòng)液滴,而且同等大小的驅(qū)動(dòng)電壓下液滴的運(yùn)動(dòng)速度最大。然后根據(jù)液滴分離的原理分析了不同電極形狀及布局對(duì)液滴分離的影響,得到相對(duì)布局的半月形驅(qū)動(dòng)電極有利于液滴的分離。
　　

6、最后,懸空零電極結(jié)構(gòu)的介電濕潤(rùn)芯片實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明懸空零電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能提高液滴運(yùn)動(dòng)速度,能相對(duì)降低芯片驅(qū)動(dòng)電壓。對(duì)比傳統(tǒng)的方形和叉齒形驅(qū)動(dòng)電極實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的半月形驅(qū)動(dòng)電極具有降低芯片驅(qū)動(dòng)電壓的效果,同時(shí)液滴運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性得到了提高。相對(duì)于方形和叉齒形驅(qū)動(dòng)電極,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明相對(duì)布局的半月形驅(qū)動(dòng)電極分離液滴的效率最高,液滴分離時(shí)的驅(qū)動(dòng)電壓最低。根據(jù)檢測(cè)“介電濕潤(rùn)芯片—液滴”系統(tǒng)等效電容的辦法對(duì)液滴的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)液滴運(yùn)