浅析电润湿

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1、浅析电润湿林奕宏 19920111152761（厦门大学非硅微纳研究所，物理与机电学院，福建厦门361005）摘要：本文介绍了电润湿的研究背景及最新研究进展，讨论了电润湿在微电子、生物医学、显示器 等领域的应用及在各领域的发展情况。整理了电润湿在发展过程中遇到的一些困难，介绍了接触角 饱和、卫星滴、接触角滞后等问题。关键词：电润湿；芯片实验室；显示；接触角；An review on ElectrowettingAbstract： we have studied the background of Electrowetting and its latest progress. The appli

2、cations in microelectronics, biotechnology and display were also be researched in this article. The obstacle of Electrowetting in its developing such as the contact angle saturation, satellite drops and the Contact Angle Hysteresis were presented. Finally, we made an outlook of Electrowetting.Keywor

3、ds： Electrowetting； Lab-On-Chip; Display; Contact angle一. 引言随着工业技术的不断发展，人类越来越意识到小型化技术的重要性，小型化已经成为过去几十 年及将来数百年人类技术的发展趋势。减小尺寸不仅带来集成化和自动化的便利，还带来了更高效、 更高精度的应用前景。从最初的微电子工业发展而来的微流体技术已经渗透到许许多多现代机械领 域。其中最著名的微流体例子就是芯片实验室(Lab-On-Chip)系统，该系统被用于医学DNA检测、 蛋白质分析及一些其他生物诊断1。过去大部分的Lab-On-Chip技术都是基于在硅片或者玻璃上刻 蚀形成流道来控制液

4、体或者通过从硬质模板上压印得到流道。最近，对独立的液滴进行操控技术也 得到了广泛关注。2-5小型化带来的最大影响是物体的表面积与体积之比增大，由此，如何控制液体表面能就成 为液滴控制的重要挑战。在微米级别上，毛细管力将成为主导力之一，所以，控制表面能才成为重 中之重。6-8材料表面的化学结构和拓扑结构也引起了研究人员的广泛关注，这两种手段能够更准确更 均匀的控制液滴的平衡状态时的形貌，局部的可润湿性和基板的拓扑结构共同决定了液滴的边界条 件，从而使液滴形成最佳形貌，这种最佳形貌由液滴表面能最有利分布来决定。9,10二. 发展概况电润湿(Electrowetting, EW)是指通过改变液滴与绝

5、缘基板之间电压，来改变液滴在基板上 接触角，使液滴发生形变、位移的现象。现代EW的基础是电毛细管学，由法国科学家Gabriel Lippamann在1875年发现。Gabriel Lippamann在汞与电解液之间施加电压时发现静电荷明显改变 了接触界面的毛细管力，并提出了 Young-Lippamann方程。然而，Lippamann的这种模型遇到一个 棘手的问题，就是在水溶液上施加几百毫伏的电压后，水溶液就逐渐水解了，这对实验来说是严重 的缺陷。经过多年的研究，终于，在Gabriel Lippamann研究基础上，Berge于1993年提出用绝缘 层代替导电基板，使液滴与金属电极隔离从而避免

6、液体的电解，即，这种方法被后人称作基于介电 层的电润湿(Electrowetting On Dielectric,EWOD),EWOD被认为是近代电润湿的开始。如图1为 EWOD示意图。图1 EWOD示意图电润湿走向实用化、产业化应用始于2003年飞利浦公司在NATURE上的一篇文章，该文章详 细的描绘了电润湿在显示领域的应用前景，并介绍了一种极具创意的基于电润湿的显示技术11，从 此，电润湿的研究队伍越来越壮大，各种基于电润湿的产品迅速涌现出来。如今，电润湿已经在流 体操作、Lab-On-Chip、微变焦透镜及印刷等领域得到广泛应用。三. 基于电润湿的各种应用1. 电润湿在Lab-On-Ch

7、ip的应用谈到电润湿的应用，不得不提到Lab-On-Chip。电润湿在Lab-On-Chip的应用主要有液滴混合 与运送及操纵等方面。Phil Paik等人在液滴混合方面做了比较多工作，其最初2001年的实验为我 们展现了液滴混合的基本形态，原理图如图2,该实验将NaOH/KCl溶液与加有荧光素的NaOH/KCl 溶液进行混合，当时的混合时间长达90秒，由此可见，该技术的技术突破应该在于减少混合时间13,Control electrode Droplets图2基于电润湿的液滴混合装置随后，2003年Phil Paik等人在之前的研究基础上对融合时间做了详细研究，发现当液滴高径 比为0.4时能够

8、得到最快的混合时间，他们利用四个电极成功的将融合时间缩短为4.6秒(高径比 为0.4)，大大缩短了融合时间，如图3为高径比对混合时间的影响。alpcQutw，占兰龚mmuicu应 IE-图3高径比对混合时间的影响Phil Paik在文章中提到，上图中的0.2值正好也是液滴能够分裂的阈值，随后他又提出一种极 具想象力的融合方式，即分裂-再融合(split and merge)。这种融合方式不仅进一步缩短了融合时间， 还使得融合后的液滴更加均匀，图4为基于split and merge原理的融合图像，整个融合过程仅仅1.27 秒。15图4基于split and merge原理的时延图像（俯视图）除

9、上述融合方法外，近年来也出现了许多不同的融合花样，如在融合是施加声波等辅助方法16。除了液滴混合外，另外一大方面就是液滴的传送及操纵，这方面的应用主要利用了液滴与基板在施 加电压时接触角变化的原理，基本的实验装置如图5,图中上层是一整块电极，下层是许多电极组 成的阵列，上下两个电极均涂有绝缘层，两平行电极间的单个液滴至少覆盖到两个相邻电极，当下层电极交替按照一定规律施加电压时，液滴在静电力的驱动下将向某个方向移动。8,17-20图5电润湿微动装置截面图如图6所示为高速相机拍摄的时间间隔为33ms的图像，黑色部分为下层电极阵列。第一帧图 像中，液滴正下方的电极施加80V电压，其余电极接地，第二帧

10、与第三帧图像中，电压被施加到右 边相邻的电极上，此时可以看到液滴也跟着移动到右边电极上了。在图7中，电极电压同样为80V，105pL液滴在60 um电极上移动。18, 21图6移动液滴的33ms时间间隔图像如果将许多个这样的驱动装置集成在一个小芯片里，我们就可以方便的对单个液体颗粒进行操 作，图8就是由上述微驱动装置集成的生物诊断芯片，黑色部分即为液滴通过的流道，我们可以清 楚的看到一块块电极，将电压施加在不同的电极上就可以对液滴进行不同方向的传送。22图8电润湿在Lab-On-chip的应用上述方法也广泛应用于DNA检测中，利用电润湿对液滴的驱动原理，可以操作含有DNA样 品的液滴从样品室转

11、移到检测室，在检测室内利用各种手段标定DNA成分，如图9, a图为垂直界 面；b图为3维效果图圆形部分是各种样品和试剂的储存室，黄色部分为流道；图c为俯视图；图 d是DNA探测部分；图e是用CCD摄像机对实验进行检测23, 24。图9电润湿在DNA检测中应用利用电润湿移动液滴免去了传统的泵、阀系统，大大提高了集成度，这种方式更加柔性化，也 更高效节能。2. 变焦透镜基于电润湿微变焦透镜的基本原理最初是由科学家Berge和Peseux与2000年提出的，具体结 构如图10，整个腔内充满水2和油滴1，该百年电压可以改变可以改变水与介质表面的接触角从而 调整油滴的曲率。a图中shape B为未加电压

12、油滴的形状，此时曲率较大，焦距短；shape A为施加 电压后油滴形状，油滴曲率小，焦距长；图b为体结构图；图C为样品照片。25图10 Berge提出的微变焦透镜原理图最近Florian Krogmann等人在液体透镜的可变焦及重复定位方面做了大量工作，大大提高了液 滴的定位精度，液滴的焦点变动范围达到2.3mm26。如图11为Florian Krogmann等人制作的微透 镜。口 R就师如口卜耶图11 Florian Krogmann等人制作的微透镜3. 显示领域的应用有人说，平板显示市场已经很成熟了，宽屏等离子显示器和LCD显示器已经非常实用了，而 且像E-book这样的高科技显示技术也将

13、很快走向市场。但是，当你被告知LCD显示器的效率不足10%，E-book的效率也只有区区40%时，你是否会大吃一惊呢？电润湿告诉你，什么才是最高效的显示技术！据报道，2008年，已经在实验室制作得到反射率达到80%的显示单元，如图12。27, 28图12新型电润湿显示单元电润湿在显示领域的应用始于飞利浦公司，1993年飞利浦公司的研究员在Nature杂志上详细 阐述了这一原理。如图13所示，a：不加电压时，彩色油均匀平铺在显示板上；b：施加电压后彩 色油积聚在显示板角落露出显示板白色基板。这是一个像素单元的黑白显示效果。利用这种原理还 可以显示彩色图案，如图14增加了一层滤色层，而且同一个显示

14、腔内拥有两种油滴，每个油层都 可以通过改变水与上下电极之间的电压独立的进行转变，b图为显示效果图11, 29, 30。Colour edoi图14彩色电润湿显示原理HyrJrgptiDtMc图13电润湿显示器工作原理4. 其他操控应用对单个液滴的形状操控还可以作为微电子器件开关使用，Prosenjit Sen和Chang-Jin Kim等人成功制作了这种微型开关。这种开关的原理如图15所示，左侧为信号源，右侧为信号输出，两部 分之间留有一个开关间隙，当可导电液滴只覆盖信号源一侧电极时，开关值为off，若给液滴施加 电压后，根据EWOD原理，液滴将向右移动，这是液滴同时覆盖到信号源一侧电极与信号

15、输出一 侧电极，液滴将信号源导电块与信号输出导电块接通，开关值为on。Swaiching gap图15微液滴开关原理图根据这一原理，Prosenjit Sen等人将器件进一步完善后得到如图16所示的开关，施加电压后液 滴在电润湿作用下半径增大，当液滴接触到图中蓝色电极时，开关接通，反之开关为截止。31, 32图16 Prosenjit Sen等人制作的快速开关四. 待解决的技术问题5. 接触角饱和电润湿的研究是诱人的，随着大量研究工作的进行，人们发现在低电压情况下可以获得可逆的 润湿效果，然而当电压增大到某一阈值后，接触角并不像Contact Angle Hysteresis Explaine

16、d公式描 述的那样再随电压增大而减小，即接触角达到饱和33。关于接触角饱和现象学术界一直存在不同看 法，来自飞利浦研究实验室的H.J.J.Verheijen和M.W.J.Pprins认为接触角饱和现象是由介电层俘获 电荷造成的，他们通过实验发现，电压超过某一阈值时，液滴内的电荷不再被液滴表面俘获，同时 还发现液滴底部的介电层反而俘获了电荷。34而V.Peykov等人曾专门发表文章称接触角饱和是由液滴的表面能达到最小极限值引起的，并且还建立了一个数学模型来仿真这一观点35。V.Peykov 等人的工作得到了许多人的关注，2011年Dan Klarman和David Andelman等人在V.Pe

17、ykov的基 础上又建立了一种能够很好描述接触角饱和现象的数学模型36，如图17, C图为电润湿的等效模型； d图为计算结果与Young-Lippamann方程解的对比图。图17 Dan Klarman等人建立的模型及仿真结果以上的模拟都是基于两种假设：第一，整个系统是在二维空间中进行；第二，假设介电层和周 围介质的介电性都是线性的。实际上的液滴却是三维的，增加第三个维度将带来额外的接触界面不 稳定性，这对分析接触界面的接触角带来了极大困难。376. 卫星滴的产生在早期的试验中，通常用到相对比较厚的介电层作为基板，当电压超过某个阈值后，在接触界 面周围产生了大量卫星滴，这些卫星滴从母体中喷出，

18、有的跟母体相连，有的则单独形成独立的微 小液滴网，如图18。Berge等人认为，三相交界处的电荷密度是分散的，这导致了交界线的横向变 化，最终在某个电压值时接触线变得不稳定，这种效应使得固着在母体的活力较强的小液滴开始震 颤，最终在接触界线不稳定时逃逸出母体形成卫星滴39, 40。图18从母体产生的卫星滴7. 接触角滞后接触角滞后是指电润湿驱动液滴运动时，液滴前进方向的接触角与后退方向的接触角不相等， 即存在着前进接触角与后退接触角。接触角滞后给实验带来了额外的误差分析，因此，如何消除接 触角滞后是电润湿在未来的应用中不得不克服的一道难关41。据Verheijen和Prins报道，用硅油 取代

19、空气充当环境介质能够大大减少接触角滞后现象34。8. 液滴的电解根据上述我们知道，过高的电压可能导致接触角达到饱和，那么，如何降低所需电压，又能够 达到我们要求的接触角呢？根据Young-Lippamann方程我们发现，要想降低所需电压，只能增大介 电层介电常数或者减少介电层厚度。然而，减小介电层厚度的同时，意味着介电层更容易被击穿， 并且在液滴内部产生气泡，这样一来就出现了另一个问题：液滴的电解42。目前还没有一种革命性 的方法完全消除这一问题，但科学家们已经在寻求解决方案了，大多数人认为用其他液体充当环境 介质能够在较低电压下获得较大接触角，从而降低击穿介电层的风险。43五. 展望在过去的

20、几年里，电润湿已经得到越来越多关注，它富有活力，通用性高并且具有可逆性，未 来的应用前景相当广阔而且目前已经有许许多多如芯片实验室、微操作等方面的成功典范，本文提 到的一些在仅仅是电润湿众多应用中的冰山一角。将来的研究将主要集中在之前我们谈到的那几个 技术困难（如接触角饱和）上，再加上设备上的创新和改进以及新型聚合物介电层的应用，我们有 理由相信电润湿的未来是光明的44, 45。参考文献：1 S. C. Jakeway, et al., Miniaturized total analysis systems for biological analysis, Fresenius Journal

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