王 洪，鄭 杰，閆延鵬，王 淞，李浩正，崔建國

(重慶理工大學(xué) 藥學(xué)與生物工程學(xué)院，重慶 400054)

1 引 言

數(shù)字微流控芯片是近年發(fā)展起來的一種新興操控微小體積液滴的技術(shù)[1-2]。該類液滴主要運(yùn)動(dòng)于芯片的平面上，芯片上運(yùn)動(dòng)的液滴與常規(guī)通道內(nèi)運(yùn)動(dòng)的液滴數(shù)量以及所處環(huán)境大為不同，數(shù)字微流控芯片往往以單個(gè)或數(shù)個(gè)液滴為對(duì)象，可驅(qū)動(dòng)液滴在芯片平面上向四周自由運(yùn)動(dòng)。芯片上液滴驅(qū)動(dòng)方法主要包括介電潤(rùn)濕驅(qū)動(dòng)[3]、熱毛細(xì)管驅(qū)動(dòng)[4]、光誘導(dǎo)驅(qū)動(dòng)[5-6]、表面聲波驅(qū)動(dòng)[7-8]及磁力驅(qū)動(dòng)[9-10]等。基于介電潤(rùn)濕效應(yīng)(Electrowetting on Dielectric， EWOD)的平面液滴驅(qū)動(dòng)技術(shù)作為芯片上液滴控制技術(shù)的主流，隨著電子技術(shù)的融入，在器件的高度集成、操控便捷性上具有明顯優(yōu)勢(shì)，通常將基于EWOD的液滴控制技術(shù)稱作數(shù)字微流控(Digital Microfluidic，DMF)[3，11-12]。DMF在液滴控制能力上展現(xiàn)出高度靈活性和執(zhí)行多重并行生物化學(xué)反應(yīng)的能力，這引起了研究者們的極大興趣。

從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度看，DMF器件主要分為單板和雙板兩種形式，也分別稱作開放式系統(tǒng)和封閉式系統(tǒng)，組成部件主要包括基板、電極、介電層和疏水層[3，13]。目前，DMF裝置基板一般由玻璃、硅晶片、印刷電路板(PCB)、紙基襯底等材料組成[14]。電極材料一般選擇金屬材料(金、鉻、銀、銅、鋁等)和其他材料(ITO或摻雜多晶硅等)進(jìn)行圖案化形成電極陣列[15]。介電層和疏水層材料的合理選擇對(duì)降低液滴驅(qū)動(dòng)電壓具有重要意義，通常采用的介電層材料包括聚四氟乙烯、聚對(duì)二甲苯、二氧化硅、PI(聚酰亞胺)、P(VDF-TrFE，聚偏氟乙烯-三氟乙烯)、PDMS或SU-8等；疏水層材料一般為含氟聚合物材料(Teflon和CYTOP等)[3，14-15]。在DMF芯片研究中，研究人員除了從制作器件的材料方面出發(fā)去提高液滴的驅(qū)動(dòng)能力，也從液滴驅(qū)動(dòng)電極圖形的結(jié)構(gòu)入手，尋求更加有效的液滴控制效果。通過優(yōu)化液滴驅(qū)動(dòng)電極設(shè)計(jì)，可有效增強(qiáng)液滴驅(qū)動(dòng)效果，相比選擇價(jià)格高昂的DMF裝置器材，這種途徑更加經(jīng)濟(jì)，適用于大多普通實(shí)驗(yàn)室開展DMF芯片研究。因此，本文從電極圖形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，開展了DMF軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及平臺(tái)搭建，提出了一種新型DMF芯片電極結(jié)構(gòu)，用于提高陣列電極上液滴的驅(qū)動(dòng)效率。

2 液滴驅(qū)動(dòng)機(jī)理

介電質(zhì)表面的電潤(rùn)濕現(xiàn)象是指在外加電場(chǎng)下，原來疏水的介電質(zhì)表面由于電荷的大量積聚使基底與其上液滴的固液界面自由能減小，引發(fā)親水變化，這種現(xiàn)象稱作EWOD，又叫介質(zhì)上電潤(rùn)濕效應(yīng)[16]。液滴接觸角與固、液、氣三相的表面張力關(guān)系可借助Young方程式進(jìn)行推導(dǎo)；液滴表面張力的變化可通過外加電壓進(jìn)行控制，有關(guān)動(dòng)態(tài)表面張力發(fā)生的改變可由Lippmann方程表示；結(jié)合Young方程和Lippmann方程可以建立表示固液接觸角θ與外加電壓關(guān)系的Lippmann-Young方程，該方程對(duì)電潤(rùn)濕現(xiàn)象給出了較為合理的量化解釋，并為DMF芯片設(shè)計(jì)、介電層制備以及液滴驅(qū)動(dòng)提供了較為完善的理論支持[16]。此后，有學(xué)者在此基礎(chǔ)上又提出將兩個(gè)電極都不與液滴接觸的介電潤(rùn)濕模型。在此模型基礎(chǔ)上，如果將電場(chǎng)作用在液滴的一側(cè)，致使介電質(zhì)層的固液表面張力發(fā)生變化，造成液滴兩側(cè)界面能失衡，即可驅(qū)動(dòng)液滴移動(dòng)[17]。

液滴EWOD驅(qū)動(dòng)模型如圖1所示。液滴處于底板驅(qū)動(dòng)電極之上，電極上被介電層和疏水層覆蓋[18]。通過對(duì)液滴鄰近電極施加電壓實(shí)現(xiàn)液滴向已施加電壓的電極方向運(yùn)動(dòng)，即vd=v時(shí)，液滴向右運(yùn)動(dòng)。在移動(dòng)過程中，液滴保持動(dòng)態(tài)接觸角。圖1中位置A處每單位長(zhǎng)度沿著電極表面向右的凈作用力fA可以表示為：

fA=γsg-γlgcosθd-γsl(v).

(1)

位置B處每單位長(zhǎng)度沿著電極表面向右的凈作用力fB可以表示為：

fB=-γsg+γlgcosθd+γsl(0).

(2)

那么沿著電極表面每單位長(zhǎng)度液滴的總驅(qū)動(dòng)力可表示為：

fm=fA+fB=γsl(0)-γsl(v)=
γlg(cosθv-cosθ0).

(3)

在該驅(qū)動(dòng)合力的作用下液滴將移動(dòng)到右側(cè)電極。

圖1 單板EWOD驅(qū)動(dòng)模型[18]

3 DMF芯片設(shè)計(jì)及制作

驅(qū)動(dòng)電極作用于液滴驅(qū)動(dòng)過程的主要影響因素包括電極結(jié)構(gòu)圖形、電極與電極之間的間距和電極陣列的排布。本文對(duì)以往DMF領(lǐng)域的研究成果進(jìn)行了深入的分析，發(fā)現(xiàn)要達(dá)到提高液滴驅(qū)動(dòng)效率的目的，應(yīng)盡量使得電極的形狀與液滴邊界接觸線一致，并且平行于液滴運(yùn)動(dòng)方向的電極長(zhǎng)度應(yīng)小于液滴的基本直徑，垂直于液滴運(yùn)動(dòng)方向的電極寬度應(yīng)大于液滴的基本直徑[19-20]。

3.1 驅(qū)動(dòng)電極設(shè)計(jì)

在DMF芯片研究中，常用的液滴驅(qū)動(dòng)電極包括方形電極、鋸齒狀電極、插指形電極和彎月形電極[19]等。圖2(a)所示為方形電極示意圖，方形電極作為最常見的電極圖形，具有電極結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高度對(duì)稱等特點(diǎn)；但液滴在驅(qū)動(dòng)過程中容易在兩個(gè)相鄰電極之間發(fā)生滯留，出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)停頓現(xiàn)象。鋸齒狀電極和插指形電極的驅(qū)動(dòng)效果相較于方形電極要更好，但這兩種電極的制作難度較大，通常需要高精度的光刻工藝提供支持。如圖2(b)所示，彎月形電極相對(duì)前面兩種電極設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)上相對(duì)簡(jiǎn)單，且該電極具有單向驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，即沿電極彎曲方向液滴的運(yùn)動(dòng)速度相比液滴沿反方向運(yùn)動(dòng)的速度更快。圖2(c)為Abdelgawad等人提出的組合電極設(shè)計(jì)[20]。該電極由兩部分組成，第一部分電極是兩邊為曲邊的凹形結(jié)構(gòu)，凹形結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出的曲邊有利于液滴在初始驅(qū)動(dòng)中獲得較強(qiáng)的作用力；第二部分電極結(jié)構(gòu)兩邊凸起，與橢圓形相似，突起結(jié)構(gòu)有利于液滴在移動(dòng)到下一個(gè)凹形電極時(shí)保持更大的作用力。將兩部分電極以一定的間距組合在一起，得到的組合電極圖形與圖1(b)中的彎月形電極相似，這種組合電極設(shè)計(jì)可通過切換電極組合配對(duì)，提升液滴雙向運(yùn)動(dòng)速度，彌補(bǔ)彎月形電極單向驅(qū)動(dòng)的功能不足。從上述電極設(shè)計(jì)方案可以看出，Abdelgawad等人設(shè)計(jì)的電極雖然進(jìn)一步提高了彎月形電極在雙向液滴驅(qū)動(dòng)能力上的不足，但同彎月形電極一樣不具備排布成電極陣列，使液滴能完成上下驅(qū)動(dòng)和左右驅(qū)動(dòng)自由切換的能力。

(a)方形電極

(b)彎月形電極[19]

(c)組合電極[20]

圖3 曲邊四邊形組合電極圖形

圖3為本文提出并設(shè)計(jì)的曲邊四邊形組合電極。該電極中間四邊形四周的圓弧曲率相同，圖形對(duì)稱，且四周分別配置一個(gè)橢圓。通過對(duì)曲邊四邊形組合電極陣列施加一定順序的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)液滴在4個(gè)方向的自由驅(qū)動(dòng)控制。本文設(shè)計(jì)的曲邊四邊形組合電極不僅集成并拓展了彎月形電極和Abdelgawad等人所設(shè)計(jì)電極的優(yōu)勢(shì)，而且增強(qiáng)了液滴驅(qū)動(dòng)電極陣列排布的通用性，使得該芯片具有向四周自由切換液滴運(yùn)動(dòng)方向的能力。在此，不得不提DMF芯片中的電極布線問題，因?yàn)殡姌O陣列中間的電極引線為設(shè)計(jì)難點(diǎn)。如果將本文設(shè)計(jì)的組合電極加工在ITO玻璃基板上，中間電極很難有效地引出導(dǎo)線并將電壓接入到電極；但曲邊四邊形組合電極同樣可以作為電極路徑上的節(jié)點(diǎn)，為四周電極提供一個(gè)通路，使得液滴具有多方向驅(qū)動(dòng)的可能。

圖4 單板十字交叉型電極DMF芯片實(shí)物

3.2 DMF芯片制作

本文利用數(shù)字光刻投影系統(tǒng)(Digital Lithography Projection System，DLPS)進(jìn)行DMF芯片電極結(jié)構(gòu)的加工制作，該DLPS由本實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)[21]。圖4為基于曲邊四邊形組合電極的DMF芯片實(shí)物圖。在本研究中使用干膜(dry-film，Taiwan，(40±2) μm)光刻膠(負(fù)膠)進(jìn)行電極圖形曝光。基板為3 cm×3 cm的ITO導(dǎo)電玻璃(厚1 mm，ITO導(dǎo)電層厚約0.185 μm，方阻為5 Ω)，經(jīng)過曝光顯影(顯影劑為質(zhì)量濃度1%的碳酸鈉溶液)后在基板上會(huì)保留所設(shè)計(jì)的電極圖形，得到DMF芯片電極圖形母模。為得到ITO電極，還需將得到的芯片母模放入刻蝕液中蝕刻出細(xì)微的電極圖形。將芯片母模浸泡于刻蝕溶液(濃度為37%的鹽酸和固體三氯化鐵按照50∶1的質(zhì)量比進(jìn)行溶解混合配制而成)中腐蝕5 min，然后取出ITO基板用大量去離子水將表面刻蝕液沖洗干凈得到DMF芯片的ITO電極。

在DMF芯片中，介電層和疏水層的制備對(duì)液滴能否驅(qū)動(dòng)成功具有重要意義。驅(qū)動(dòng)電極表面覆蓋介電層能有效避免液滴與電極直接接觸，通過升高電壓能獲得更大的接觸角變化。為減小液滴在恢復(fù)至初始接觸角過程中受到的阻力，通常會(huì)在介電層上再覆蓋一層疏水層，增加的疏水層能有效增大液滴初始接觸角并降低液滴驅(qū)動(dòng)過程中的阻尼，當(dāng)撤去電極驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)液滴可恢復(fù)至初始狀態(tài)。由此可知，介電層和疏水層能明顯改善液滴的驅(qū)動(dòng)效果，但往往制備工藝復(fù)雜，制作難度大并且經(jīng)濟(jì)成本高昂；因此，本文選擇了旋涂的方式，在電極表面制備一層PDMS薄膜(PDMS預(yù)聚物的主劑、固化劑、稀釋劑(環(huán)己烷)的質(zhì)量比為10∶1∶2時(shí)，在轉(zhuǎn)速7 500 r/min，時(shí)長(zhǎng)1 min下能制得厚度約為5 μm的PDMS薄膜)，以實(shí)現(xiàn)介電層和疏水層的雙重功能(簡(jiǎn)稱介電疏水層)。關(guān)于利用PDMS薄膜充當(dāng)介電層和疏水層的制備工藝，本實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)在前期開展過相關(guān)研究，因此本文直接使用已有的制備工藝進(jìn)行PDMS薄膜的制備[22]。為提高DMF芯片在使用過程中的便捷性，以及可靠地將外部電壓接入ITO電極，本文設(shè)計(jì)了專門的PCB電極夾板。該電極夾板采用組合式設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)PCB電極與ITO電極的對(duì)接，并將驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)施加給ITO電極。

4 DMF系統(tǒng)搭建

圖5為DMF系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖。該系統(tǒng)主要包括以STM32F103C8T6芯片為主控制器的下位機(jī)硬件系統(tǒng)、上位機(jī)控制軟件和基于ITO電極的DMF芯片三部分。通過操控上位機(jī)軟件將相應(yīng)控制命令通過串口發(fā)送至下位機(jī)主控制器，由下位機(jī)處理并執(zhí)行相關(guān)命令操作，將液滴驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)施加到DMF芯片相應(yīng)的電極上，從而實(shí)現(xiàn)液滴的運(yùn)動(dòng)控制。

4.1 下位機(jī)硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)主控芯片的外圍電路主要包括電源模塊、直流升壓模塊和開關(guān)電路模塊。硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能是產(chǎn)生及輸出DMF芯片驅(qū)動(dòng)信號(hào)，將驅(qū)動(dòng)電壓施加到液滴驅(qū)動(dòng)電極上實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴的驅(qū)動(dòng)控制。

圖5 數(shù)字微流控系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

4.1.1 直流升壓模塊

圖6所示為直流升壓電路設(shè)計(jì)原理圖。該模塊包括直流升壓整流濾波設(shè)計(jì)、充電保護(hù)設(shè)計(jì)和電容放電設(shè)計(jì)。

直流升壓模塊(電磁炮，10～32 V寬輸入電壓，最大輸入電流可達(dá)5 A，輸出電壓為45～390 V連續(xù)可調(diào)，最大輸出電流為0.2 A)可以將電壓升高到實(shí)驗(yàn)所需要的幅值。此外，為了提高升壓后輸出電壓的穩(wěn)定性，減小電壓的脈動(dòng)，本文進(jìn)行了升壓模塊外圍整流濾波電路的設(shè)計(jì)。采用單向橋式整流芯片ABS6對(duì)升壓后的電壓進(jìn)行整流，該芯片最大直流阻斷電壓可達(dá)600 V。在整流電路后接無源電路去除電壓中的交流成分進(jìn)行直流電源濾波，圖中C1為并聯(lián)的470 μF/500 V濾波電解電容。電容濾波的實(shí)質(zhì)是利用電容的充放電作用使輸出電壓趨于平滑。

由于升壓電路中濾波電容C1的電容值較大，并且電容在開始上電瞬間等效于電路短路，因此在濾波電容和整流橋之間增加充電電阻R1，見圖6中充電保護(hù)標(biāo)注區(qū)。充電電阻的作用是在開始給電容充電前將電阻R1接入到電路中，充電時(shí)起到限流作用；當(dāng)電容充電量達(dá)到80%時(shí)，將充電電阻R1從電路中移除用導(dǎo)線代替，該過程通過繼電器控制實(shí)現(xiàn)。

圖6 升壓及整流濾波電路原理圖

在本硬件系統(tǒng)使用結(jié)束后，應(yīng)該將大電容中積聚的電能釋放掉，防止在不使用的時(shí)候誤觸碰電容兩端發(fā)生放電，引發(fā)危險(xiǎn)。因此，在電路中設(shè)計(jì)了電阻放電電路，見圖6中電容放電虛線標(biāo)注區(qū)，電阻R2以發(fā)熱形式將電容中的能量釋放掉。

4.1.2 開關(guān)電路模塊

本文采用高壓脈沖信號(hào)作為液滴驅(qū)動(dòng)信號(hào)源，通常高壓脈沖信號(hào)直接獲取較難，因此本文利用MOSFET IRF840搭建開關(guān)單路產(chǎn)生高壓PWM信號(hào)，開關(guān)電路如圖7所示。

圖8所示為硬件系統(tǒng)裝配實(shí)物。其中為了便于將硬件系統(tǒng)與DMF芯片上ITO電極相連接，本文專門設(shè)計(jì)了PCB電極夾板(圖8中頂上)，用它將高壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端與電極端子相連，從而將驅(qū)動(dòng)電壓施加到ITO電極上。

圖7 IRF840開關(guān)電路原理

圖8 硬件系統(tǒng)裝配圖

4.2 上位機(jī)軟件系統(tǒng)

4.2.1 上下位機(jī)通訊協(xié)議定義

為保證上位機(jī)與下位機(jī)的通信安全，數(shù)據(jù)傳輸正確，準(zhǔn)確選中對(duì)應(yīng)電極并施加驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)，需要定義軟件層和物理層通信協(xié)議。軟件系統(tǒng)中每幀數(shù)據(jù)包括起始位、地址碼、命令碼、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)和CRC效驗(yàn)。本系統(tǒng)中物理層協(xié)議設(shè)置波特率為9 600，無校驗(yàn)位，8位數(shù)據(jù)位，停止位1位。

4.2.2 上位機(jī)軟件界面設(shè)計(jì)

圖9所示為DMF系統(tǒng)上位機(jī)軟件界面。通過上位機(jī)軟件將控制命令發(fā)送至下位機(jī)，由主控芯片執(zhí)行相應(yīng)命令并輸出到控制外圍模塊。該上位機(jī)界面主要包括6個(gè)控制模塊，分別是通信設(shè)置模塊、驅(qū)動(dòng)信號(hào)模式設(shè)置模塊、電源控制模塊、單電極控制模塊、組合電極控制模塊和控制信息反饋模塊。

圖9 DMF系統(tǒng)上位機(jī)軟件

其中，通信設(shè)置模塊主要對(duì)物理層協(xié)議參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；驅(qū)動(dòng)信號(hào)模式設(shè)置模塊，可實(shí)現(xiàn)液滴驅(qū)動(dòng)信號(hào)模式的切換，系統(tǒng)提供高壓階躍信號(hào)模式和高壓PWM波模式兩種設(shè)置方式；電源控制模塊主要控制升壓模塊將直流24 V電壓升高到指定電壓，并完成電容充電上電保護(hù)或者結(jié)束工作后將電容中存儲(chǔ)的電能釋放掉；單電極控制模塊可通過單擊電極方形圖標(biāo)有選擇性地選中對(duì)應(yīng)電極，將驅(qū)動(dòng)電壓施加到該電極上驅(qū)動(dòng)液滴移動(dòng)。圖9中左上側(cè)每個(gè)方形圖標(biāo)表示芯片上一個(gè)對(duì)應(yīng)的電極；組合電極控制模塊能提供3組電極組合模式，包括單電極、雙組合電極和3組合電極，通過點(diǎn)擊上下/左右方向的選擇圖標(biāo)，并選擇上述3種組合點(diǎn)擊模式之一，可實(shí)現(xiàn)電極的組合控制(例如選擇雙組合電極，電極向上方向鍵，可實(shí)現(xiàn)電極依次向上兩兩同時(shí)選中并向上移動(dòng))；控制信息反饋模塊將每次的控制信息都顯示在該文本框，信息包括每次執(zhí)行的命令，以及該命令對(duì)應(yīng)的響應(yīng)情況。

4.3 DMF系統(tǒng)搭建

圖10為搭建好的DMF系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括了硬件系統(tǒng)、上位機(jī)軟件和DMF芯片3個(gè)部分。硬件電路板和PC機(jī)之間由藍(lán)色串口線相連，該串口線為上位機(jī)和下位機(jī)之間的通訊提供物理通路。通過操控上位機(jī)軟件即可控制下位機(jī)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出，并將驅(qū)動(dòng)電壓施加到數(shù)字微流體芯片對(duì)應(yīng)的電極上。此外，該系統(tǒng)通過顯微鏡能夠觀察芯片中液滴的運(yùn)動(dòng)情況，并可對(duì)控制過程進(jìn)行錄像和測(cè)量。

圖10 數(shù)字微流體(DMF)系統(tǒng)

5 芯片上液滴驅(qū)動(dòng)測(cè)試

5.1 空氣域中單板芯片測(cè)試結(jié)果及分析

在單板DMF芯片液滴驅(qū)動(dòng)控制的研究中，液滴驅(qū)動(dòng)電極和參考電極位于同一平面，當(dāng)電極被施加電壓時(shí)該電極作為驅(qū)動(dòng)電極，當(dāng)電極接地時(shí)該電極作為參考電極。圖11是由曲邊四邊形組合電極排布成的十字交叉形單板芯片。實(shí)驗(yàn)中采用194 V的直流電壓作為液滴驅(qū)動(dòng)源，驅(qū)動(dòng)信號(hào)模式為階躍模式。首先，將0.5 μL的碳酸丙烯脂液滴放置于中心電極處，之后通過上位機(jī)進(jìn)行液滴驅(qū)動(dòng)控制。圖11(a)～11(d)分別為驅(qū)動(dòng)液滴向下、向上、向右和向左移動(dòng)的示意圖，從圖中可以看出，當(dāng)液滴被驅(qū)動(dòng)沿箭頭方向移動(dòng)時(shí)，液滴前部在EWOD的作用下發(fā)生潤(rùn)濕行為，前部液滴接觸角明顯小于液滴后部接觸角。此外，從圖中可以看出，液滴前部輪廓線與曲邊四邊形電極輪廓線曲率近似，具有較高的重合度，因此液滴繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)能獲得更大的作用力。

此外，本文進(jìn)行了單板芯片中液滴運(yùn)動(dòng)速度的測(cè)試。液滴軌跡總長(zhǎng)約為2.4 cm，耗時(shí)t=16 min，計(jì)算可得液滴平均速度v空=S/t=25 μm/s。從液滴運(yùn)動(dòng)速度可知，在空氣域中液滴運(yùn)動(dòng)速度較慢。

(a)控制液滴向下(a)Control the droplet downward

(b)控制液滴向上(b)Control the droplet upward

(c) 控制液滴向右(c)Control the droplet to right

(d)控制液滴向左(d)Control the droplet to left

5.1.1 介電層的選取

本文選取5 μm的PDMS薄膜作為介電層和疏水層，而PDMS材料的介電常數(shù)并不是最高的，并且其疏水性也不足夠優(yōu)異，因此該薄膜對(duì)液滴驅(qū)動(dòng)效果會(huì)有一定影響；此外，該薄膜厚度為微米級(jí)，相較于納米級(jí)介電層而言需要更高的液滴驅(qū)動(dòng)電壓。本文在開展研究之初，經(jīng)多方考慮之后采用PDMS薄膜作為介電疏水層，其原因是該薄膜易于獲取，制作成本低，易快速開展實(shí)驗(yàn)研究，因此，本文主要從電極設(shè)計(jì)角度出發(fā)，希望通過電極優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)介電疏水層上的不足。

5.1.2 表面阻力大

由于本文采用PDMS薄膜作為介電疏水層，而PDMS表面疏水性會(huì)隨著時(shí)間的增加而變差，液滴初始接觸角可能不是最大，并且在驅(qū)動(dòng)過程中還伴隨著接觸角滯后效應(yīng)，因此，液滴在薄膜表面運(yùn)動(dòng)時(shí)受到較大阻力，影響液滴的運(yùn)動(dòng)速度及驅(qū)動(dòng)效率。

5.2 油浴中單板芯片測(cè)試結(jié)果及分析

為減小液滴在電極表面受到的阻力，本文在電極表面滴加食用油制作油浴環(huán)境，并開展了油浴中液滴驅(qū)動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。圖12為油浴單板芯片中液滴變道過程示意圖。由于在ITO電極表面添加油浴后，不容易直接觀察到電極圖形，因此在圖中用黑色虛線將十字交叉電極水平通道標(biāo)出，黑色虛線正好處于水平電極的中心位置。此外，碳酸丙烯脂液滴無色透明，觀察難度較大，而圖12 中所見液滴形狀為真實(shí)液滴在基板上的投影，真實(shí)液滴位置略偏液滴投影位置左側(cè)一點(diǎn)。從圖中可知，當(dāng)時(shí)間t=56.16 s時(shí)，液滴處于十字交叉電極圖形中心a電極下側(cè)電極；當(dāng)對(duì)a電極施加驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，液滴對(duì)基板發(fā)生潤(rùn)濕行為，液滴接觸角變小，在a電極提供的驅(qū)動(dòng)力作用下，液滴被拉向該電極。從圖中還可以看出，在時(shí)間t=57.20 s時(shí)，油浴中液滴先向兩側(cè)擴(kuò)展然后才偏向已施加驅(qū)動(dòng)電壓的a電極，即t=57.92 s時(shí)液滴基本停留在a電極上。當(dāng)液滴到達(dá)a電極時(shí)會(huì)發(fā)生輕微抖動(dòng)，t=58.36 s時(shí)液滴向上偏移，t=58.72 s時(shí)液滴向下偏移，最后在t=59.92 s時(shí)液滴停留在a電極正上方。當(dāng)液滴到達(dá)a電極上方時(shí)，給電極b，c施加驅(qū)動(dòng)電壓，液滴會(huì)沿指向左側(cè)的黑色實(shí)線箭頭方向運(yùn)動(dòng)到b，c電極上，此時(shí)t=63.68 s。從圖中可以看出，在油浴中液滴從十字形電極下方運(yùn)動(dòng)到交叉處a電極后，直接水平向左運(yùn)動(dòng)到b，c電極上，整個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡成直角形。此外，相比空氣浴中液滴驅(qū)動(dòng)，在油浴中驅(qū)動(dòng)液滴容易發(fā)生輕微抖動(dòng)，經(jīng)分析引起這種現(xiàn)象的原因主要是驅(qū)動(dòng)電極上施加電壓的波動(dòng)所引起的。

圖12 液滴變道過程示意圖

此外，本文對(duì)油浴中液滴的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行了測(cè)量。運(yùn)動(dòng)軌跡總長(zhǎng)約5.2 cm，耗時(shí)3 min 20 s，計(jì)算得到液滴平均速度v油=S/t=260 μm/s。從運(yùn)動(dòng)速度可知，在油浴中液滴運(yùn)動(dòng)速度明顯快于空氣浴中液滴的運(yùn)動(dòng)速度。分析其原因?yàn)橛驮≡鰪?qiáng)了疏水效果，增大了液滴接觸角的變化范圍，使得液滴在油浴中受到的阻力相較于空氣中小，驅(qū)動(dòng)力更大，提高了液滴的運(yùn)動(dòng)速度。

6 結(jié) 論

本文在DMF芯片設(shè)計(jì)、制作和DMF系統(tǒng)搭建方面開展了相關(guān)研究，并在單板DMF芯片上進(jìn)行了液滴驅(qū)動(dòng)測(cè)試。為提高液滴的驅(qū)動(dòng)能力及效率，本文提出一種曲邊四邊形組合電極設(shè)計(jì)用于DMF芯片中液滴的驅(qū)動(dòng)，該電極圖形邊緣能與液滴保持更大的重合度，能提供更大的初始驅(qū)動(dòng)力，并且具備排列成電極陣列的優(yōu)勢(shì)。在DMF系統(tǒng)搭建中，本文開展了下位機(jī)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制作和上位機(jī)軟件的開發(fā)。經(jīng)測(cè)試，本文設(shè)計(jì)搭建的DMF系統(tǒng)具有穩(wěn)定性高和操控方便的特點(diǎn)。利用該系統(tǒng)在單板DMF芯片上進(jìn)行了液滴驅(qū)動(dòng)研究，分別測(cè)試了單板空氣浴和油浴中液滴的驅(qū)動(dòng)控制，對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了討論分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的曲邊四邊形電極可有效實(shí)現(xiàn)液滴的驅(qū)動(dòng)控制，在空氣浴中液滴的平均速度為25 μm/s，在油浴中液滴的平均速度為260 μm/s，液滴在油浴中受到的阻力相比于空氣浴中小，因此在油浴中液滴運(yùn)動(dòng)速度明顯快于空氣浴中液滴的運(yùn)動(dòng)速度。