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基于Electrowetting的微器件的研究进展 厦门大学 摘要： 阐述了Electrowetting的基本概念、基本理论和运动控制方式，综述了Electrowetting在微透镜、芯片实验室、光开关、电子显示器等微器件方面的原理及应用，最后介绍了Electrowetting在微器件发展过程中面对的困难和发展前景。 关键词：电润湿 接触角 微流体 表面张力 1 简介 电润湿现象最早由诺贝尔奖得主法国科学家Gabriel Lippmann于1875年观察到，他在汞和电解液之间施加电压时，会出现的毛细下降现象，并由此提出了著名的Young－Lippmann方程。电润湿（Electrowetting）是指通过调整施加在液滴与绝缘介质下电极之间的电势，来改变液滴与介质表面的润湿特性，从而改变液滴和介质表面的三相接触角，液滴产生形变，进而使液滴内部产生压强差，驱使液滴运动的现象，其示意图如图1（a，b）所示。1993年Berge在电润湿模型中引入了介电层，称为基于介电层的电润湿或介质上电润湿（Electrowetting On Dielectric，EWOD），如图2所示，这一研究进展使电润湿技术几乎可用于任何导电的液体。 图1. 电润湿示意图 图2 介质上电润湿示意图 2 基本原理 在电润湿理论中，Young 方程和Lippman Young 方程是其最基本的方程。如图3 所示，其中Young 方程描述了液滴与介质表面的接触角和表面（固、气、液）三相张力间的关系： 其中SV、SL和LV分别是疏水固体/空气、疏水固体/液滴以及液滴/空气之间的表面张力。 图3 接触角与表面张力的关系 一般来讲，离散液滴在疏水表面的三相接触角都大于90o。当在电极和液滴之间施加电势V后，疏水固体/液滴之间的表面张力变小，其关系由Lippmann方程描述为： 其中, SLU、SL分别是外加电势前、后的疏水固体/液滴之间的表面张力， ε0、ε分别是真空的介电常数和介质层的有效介电常，d是疏水介质层有效厚度。由于疏水固体/液滴表面张力变小，导致疏水表面的液滴三相接触角变小，如图4所示。外加电势后的三相接触角θu可以由上面两方程推导而成，即由Lippmann -Young方程表示为 其中，θ0和θu分别为加电前后的接触角 图4 介质上的电润湿系统示意图 由Lippmann-Young方程可以看出,液滴的三相接触角随外加电势v的绝对值增大而变小,而且它与介质层的厚度、介电常数都有关；值得注意的事接触角减小是可逆的，如果把电压撤掉，微液滴会很快收缩、还原，而且，从上式可知它与电压的极性无关。由此可见，由于固-液表面张力变小，导致介质表面的液滴三相接触角变小，如图4所示。如图5 所示，实验图片显示了加电前后液滴润湿性（接触角）的这种变化情况 图5 加电前后液滴润湿性实验图片 当外部没有电场作用两极板时，液滴的形状成对称分布，如图6（a）所示，液滴与上、下极板的接触角分别是θt和θb0，忽略重力的影响，其值都为疏水表面的初始接触角；当将一电压V作用在液滴与下极板时，由于介质上电润湿作用，液滴与上极板间的接触角发生变化，如图6（b）中所示。由于上极板疏水层厚度很薄，上层疏水层电容很大，外加电压的分压很小，因此在上极板的接触角θt几乎不发生变化；而外加电压大部分都压降在下极板上，所以液滴与下极板的接触角明显变小，其值θb0可以由上述Lippmann-Young方程近似描述。正因为电润湿效应使液滴在右侧下电极上的三相接触角变小，造成液滴不对称形变并产生内部压强差，从而实现了对液滴的操作和控制。 图6 电润湿驱动器截面图 3 液滴的控制方式 液滴的分离与合并 在EWOD器件上，液滴分离与合并是其基本的控制方式。Cho等人对液滴的分离进行了研究。如图7所示，在一个采用三块电极的装置上，当两边电极带电时，带电极板的亲水性增加，导致液滴与下极板的接触角减小，并且向带电极板移动。由于中间电极不带电，且在整个运动过程中液滴的体积是常数，因此中间部分液滴开始变细，直到被拉断，从而向两边带电极板方向分裂成2个液滴，如图7（a，b，c）所示。当中间电极带电时，两边电极不带电时，带电极板的亲水性增加，导致液滴与下极板的接触角减小，两边液滴向中间运动，最后融合成一个液滴，如图7（c，d，e）所示。 图7 液滴的分离与合并示意图 图8表示是一个EWOD装置上的小液滴从大液滴(储液槽)中分离的过程。当流体运动到所要形成液滴的位置时，中间电极断电，液滴就会被分离出来。采用这种方法的关键在于提供一定的电压，使得两端液体存在一个合适的内压力差，这个内压力差足够使得中间液体往两边收缩断裂。 图8 液滴的形成 （2）液滴的移动 液