基于介電濕潤效應(yīng)的微液滴驅(qū)動機理與操作方法研究.pdf

1、基于介電濕潤效應(yīng)的數(shù)字微流控技術(shù)是近年來出現(xiàn)的一種能夠在平面上操控體積為微升、納升級別液滴的新技術(shù),該技術(shù)可實現(xiàn)液滴的分配、液滴的分離與合并、液滴的輸運四項基本操控,具有試劑消耗量少、試劑分析耗時短、設(shè)備體積小等特點,因此在生物、化學、光學透鏡等領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用。本文針對目前微量液滴操作的迫切需求,從介電濕潤驅(qū)動機理分析入手,開展微量液滴驅(qū)動理論研究,通過建立模型與數(shù)值仿真分析液滴受力、分析實現(xiàn)低電壓驅(qū)動微流控芯片的實現(xiàn)方法,最

2、后通過實驗分別驗證了低電壓驅(qū)動芯片降低驅(qū)動電壓的效果及基于液滴位置檢測系統(tǒng)保證液滴連續(xù)運動的效果。
　　首先,介紹電毛細管現(xiàn)象、電濕潤現(xiàn)象和介電濕潤的原理;然后研究固液接觸面表面束縛電荷作用機理。利用仿真軟件COMSOL Multiphysics4.3對“介電濕潤芯片—液滴”系統(tǒng)中的電場,壓力場和流場進行了數(shù)值仿真,數(shù)值仿真結(jié)果表明電場形成后在固液接觸面上的正負離子、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

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

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

5、和叉齒形驅(qū)動電極,設(shè)計了半月形驅(qū)動電極,數(shù)值仿真結(jié)果表明三種驅(qū)動電極結(jié)構(gòu)(四種布局)中半月形的驅(qū)動電極上液滴的受力達到最大值時所需時間最短,而且液滴在被成功驅(qū)動前,同一驅(qū)動電壓下的液滴發(fā)生局部運動的部分較大,因此,半月形驅(qū)動電極的介電濕潤芯片不但能以較低的驅(qū)動電壓驅(qū)動液滴,而且同等大小的驅(qū)動電壓下液滴的運動速度最大。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液滴分離的影響,得到相對布局的半月形驅(qū)動電極有利于液滴的分離。
　　

6、最后,懸空零電極結(jié)構(gòu)的介電濕潤芯片實驗結(jié)果表明懸空零電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計能提高液滴運動速度,能相對降低芯片驅(qū)動電壓。對比傳統(tǒng)的方形和叉齒形驅(qū)動電極實驗結(jié)果表明本文設(shè)計的半月形驅(qū)動電極具有降低芯片驅(qū)動電壓的效果,同時液滴運動的連續(xù)性得到了提高。相對于方形和叉齒形驅(qū)動電極,實驗結(jié)果表明相對布局的半月形驅(qū)動電極分離液滴的效率最高,液滴分離時的驅(qū)動電壓最低。根據(jù)檢測“介電濕潤芯片—液滴”系統(tǒng)等效電容的辦法對液滴的位置進行實時檢測,實驗結(jié)果表明當液滴運