2024年6月10日发(作者：库子怡)
２０２０
年
１１
月
第
２８
卷
第
１１
期
OticsandPrecisionEnineerin
pgg
光学精密工程
Vol．２８ No．１１
Nov．２０２０
)
文章编号
１００４Ｇ９２４X
(
２０２０１１Ｇ２４８８Ｇ０９
数字微流控芯片上液滴驱动
王
洪
,
郑
杰
,
闫延鹏
,
王
淞
,
李浩正
,
崔建国
∗
(
重庆理工大学药学与生物工程学院
,
重庆
４０００５４
)
摘要
:
为提高数字微流控芯片上液滴驱动能力及效率
,
开展了数字微流控系统的设计及平台搭建研究
,
该系统包括上位
机控制软件
、
下位机硬件系统和
DMF
芯片三部分
.
提出一种曲边四边形组合电极
,
该电极图形边缘能与液滴保持更大
的重合度
,
可提供更大的初始驱动力
.
测试了芯片上空气浴和油浴中液滴的驱动控制
,
测得在空气浴中碳酸丙烯脂液滴
/,/.
实验结果表明
,
的平均速度为
２
在油浴中碳酸丙烯脂液滴的平均速度为
２
所设计的曲边四边形电极可
５
μ
ms６０
μ
ms
有效增强液滴的驱动控制能力
.
关
键
词
:
数字微流控
;
液滴操控
;
电极图形
;
液滴驱动
:/
中图分类号
:
TP２７３
;
TN４９２
文献标识码
:
A doi１０．３７１８８OPE．２０２０２８１１．２４８８
Drorivinndiitalmicrofluidicchi
p
d
g
o
gp
∗
,,,
WANGS
,,
WANGHonZHENGJieYANYanＧenonLIHaoＧzhenCUIJianＧuo
gpgggg
ChoninniversitechnoloChonin
０００５４
,
China
)
gqg
U
y
o
f
T
gy
,
gqg
４
∗
Corresondinuthor
,
EＧmail
:
c
９９８
＠
hotmail
．
com
pg
a
jg
(
ColleeoharmacndBioenineerin
gf
P
y
a
gg
,
:,
three
p
artsuercomutercontrolsoftwarealowercomuterhardwaresstem
,
andaDMFchi．
ppppyp
letandcan
p
rovidea
g
reaterinitialdrivinorce．Drivea
g
reaterdereeofcoincidencewiththedro
gpg
f
Acurved
q
uadrilateralcombinedelectrodeis
p
roosed．Theedeoftheelectrode
p
atterncanmaintain
pg
chiaDMFsstemwasdesinedand
p
latformbuildinresearchwasconducted．Thesstemincludes
p
,
yggy
:
Abstract
Toimrovethedrivinaabilitndefficiencfdroletsonadiitalmicrofluidic
(
DMF
)
pg
c
py
a
y
o
pg
,
acontrolofthedroletsinairandoilbathsonthechiastestedndtheaveraevelocitiesof
pp
w
g
Theexerimentalresultsdemonstratethatthecurved
q
uadrilateralelectrodedesinedinthestudan
pgy
c
:;;;
Keords
diitalmicrofluidicsdroletmaniulationelectrode
p
atterndroletdrive
gppp
y
w
/,
rolenecarbonatedroletsweremeasuredtobe２５and２６０
μ
msinairandoilbathsresectivel．
ppyppy
effectivelnhancedrivecontrolofthedrolet．
y
e
p
;
国家科技支撑计划资助项目
(
重庆市高等教育教学改革研究一般项目
(
基金项目
:
No．２０１５BAI０１B１４
)
No．
);;
重庆理工大学研究生教育优质课程项目资助
(
重庆市技术创新与应用示范
１７３１１４No．k２０１７１０６
)
yy
().
社会民生类
)
一般项目
(
No．cstc２０１８scxＧmsb０２９０
jy
修订日期
:
收稿日期
:
２０２０Ｇ０６Ｇ０１
;
２０２０Ｇ０６Ｇ１１．
第
１１
期
等
:
数字微流控芯片上液滴驱动
王
洪
,
２４８９
１
引
言
１Ｇ２
]
.
该类液滴主要运
操控微小体积液滴的技术
[
２
液滴驱动机理
介电质表面的电润湿现象是指在外加电场
下
,
原来疏水的介电质表面由于电荷的大量积聚
使基底与其上液滴的固液界面自由能减小
,
引发
数字微流控芯片是近年发展起来的一种新兴
动于芯片的平面上
,
芯片上运动的液滴与常规通
道内运动的液滴数量以及所处环境大为不同
,
数
字微流控芯片往往以单个或数个液滴为对象
,
可
驱动液滴在芯片平面上向四周自由运动
.
芯片上
液滴面张力关系可借助
Youn
g
方程式进行推导
;
亲水变化
,
这种现象称作
EWO
又叫介质上电
D
,
１６
]
.
液滴接触角与固
、
润湿效应
[
液
、
气三相的表
液滴驱动方法主要包括介电润湿驱动
[
３
]
驱动
[
４
]
驱动
[
９Ｇ１０
、
]
光诱导驱动
[
５Ｇ６
]
等
.
基于介电润湿效应
、
表面声波驱动
[
、
７Ｇ
热毛细管
８
]
及磁力
(
Electrowettin
g
on
上液滴控制技术的主流
ielectric
,
EWOD
)
的平面液滴驱动技术作为芯片
,
随着电子技术的融入
,
在
器件的高度集成
、
操控便捷性上具有明显优势
,
通
(
常将基于
DiitalMi
E
cr
W
of
O
lu
D
的液滴控制技术称作数字微流控
idic
,
DMF
)
[
３
,
１１Ｇ１２
]
.
DMF
在液滴控
制能力上展现出高度灵活性和执行多重并行生物
g
化学反应的能力
,
这引起了研究者们的极大兴趣
.
从结构设计角度看
,
和双板两种形式
,
也分别称作开放式系统和封闭
DMF
器件主要分为单板
式系统
,
组成部件主要包括基板
、
电极
、
介电层和
疏水层
[
３
,
１３
]
.
目前
,
DMF
装置基板一般由玻璃
、
硅晶片
、
印刷电路板
(
成
[
１４
]
.
电极材料一般
P
选
CB
择
)
金
、
纸
属
基
材
衬
料
底
(
金
等
、
材
铬
料
、
银
组
铜
、
铝等
)
和其他材料
(
ITO
或掺杂多晶硅等
)
进
、
行图案化形成电极阵列
[
１５
]
料的合理选择对降低液滴驱
.
动
介
电
电
压
层
具
和
有
疏
重
水
要
层
意
材
义
,
通常采用的介电层材料包括聚四氟乙烯
、
聚对
二甲苯
、
二氧化硅
、
聚偏氟乙烯
PI
(
聚酰亚胺
)、
P
(
VDFＧTrFE
,
层材料一
Ｇ
三氟乙烯
)、
般为含氟聚
P
合
DM
物
S
或疏水
材
S
料
UＧ
(
８
等
;
YTOP
等
)
[
３
,
１４Ｇ１５
]
Teflon
和
员除了从制作器件的材料方面出发去提高液滴的
.
在
DMF
芯片研究中
,
研究人
驱动能力
,
也从液滴驱动电极图形的结构入手
,
寻
求更加有效的液滴控制效果
.
通过优化液滴驱动
电极设计
,
可有效增强液滴驱动效果
,
相比选择价
格高昂的
用于大多普
DM
通
F
装置器材
,
这种途径更加经济
,
适
实验室开展
DMF
芯片研究
.
因
此
,
本文从电极图形结构设计出发
,
开展了
软硬件系统的设计及平台搭建
,
提出了一种新型
DMF
MF
芯片电极结构
,
用于提高阵列电极上液滴的
驱动效率
.
表面张力的变化可通过外加电压进行控制
,
有关
动态表面张力发生的改变可由
示
;
结合
表示固液接触角
Youn
g
方程和
Li
pp
ma
L
n
i
n
pp
方程可以建立
mann
方程表
Y
理的量化解释
oun
g
θ
与外加电压关系的
方程
,
该方程对电润湿现象给出了较为合
Li
pp
mannＧ
,
并为
以及液滴驱动提供了
DM
较
F
芯片设计
、
介电层制备
为完善的理论支持
[
１６
]
此后
,
有学者在此基础上又提出将两个电极都不
.
与液滴接触的介电润湿模型
.
在此模型基础上
,
如果将电场作用在液滴的一侧
,
致使介电质层的
固液表面张力发生变化
,
造成液滴两侧界面能失
衡
,
即可驱动液滴移动
[
１７
]
液滴
EWOD
驱动模型如图
.
１
所示
.
液滴处
于底板驱动电极之上
,
电极上被介电层和疏水层
覆盖
[
１８
]
滴向已施加电压的电极方向运动
.
通过对液滴邻近电极施
,
即
加
v
电压实现
液
液
滴向右运动
.
在移动过程中
,
液滴保持动态接触
d
＝
v
时
,
角
.
图
１
中位置
A
处每单位长度沿着电极表面
向右的净作用力
f
A
可以表示为
:
f
A
＝
γ
位置
B
处每
s
g
单
－
位
γ
l
g
长
cos
度
θ
沿
d
－
着
γ
s
电
l
(
v
极
)
．
表面向右
(
１
的
)
净作用力
f
B
可以表示为
:
f
B
＝－
γ
那么沿着电极表面每单位长度液滴的总驱动
s
g
＋
γ
l
g
cos
θ
d
＋
γ
sl
(
０
)
．
(
２
)
力可表示为
:
f
m
＝
f
A
＋
f
B
＝
γ
γ
sl
(
０
)
－
γ
sl
(
v
)
＝
在该驱动合
l
g
力
(
co
的
s
θ
作
v
－
用
co
下
s
液
θ
０
．
滴
)
将移动到右
(
３
侧
)
电极
.
图
Fi．１ S
１
in
单板
leＧboa
E
rdE
WO
WO
D
驱动模型
[
１８
]
gg
Ddrivemodel
[
１８
]
D
C
D
２４９０
光学
精密工程
第
２８
卷
３ DMF
芯片设计及制作
驱动电极作用于液滴驱动过程的主要影响因
素包括电极结构图形
、
电极与电极之间的间距和
成果进行了深入的分析
,
发现要达到提高液滴驱
动效率的目的
,
应尽量使得电极的形状与液滴边
电极阵列的排布
.
本文对以往
DMF
领域的研究
()
aSuareelectrodes
q
()
方形电极
a
界接触线一致
,
并且平行于液滴运动方向的电极
长度应小于液滴的基本直径
,
垂直于液滴运动方
向的电极宽度应大于液滴的基本直径
[
１９Ｇ２０
]
．１
驱动电极设计
.
在
包括方形电极
DMF
芯片研究中
,
常用的液滴驱动电极
、
锯齿状电极
、
插指形电极和弯月形
电极
[
１９
]
等
.
图
电极作为最常见的电极图形
２
(
a
)
所示为方形电极示意图
,
具有电极结构简单
,
方形
、
高度对称等特点
;
但液滴在驱动过程中容易在两
个相邻电极之间发生滞留
,
出现驱动停顿现象
.
锯齿状电极和插指形电极的驱动效果相较于方形
电极要更好
,
但这两种电极的制作难度较大
,
通常
需要高精度的光刻工艺提供支持
.
如图
示
,
弯月形电极相对前面两种电极设计在结构上
２
(
b
)
所
相对简单
,
且该电极具有单向驱动的优势
,
即沿电
极弯曲方向液滴的运动速度相比液滴沿反方向运
动的速度更快
.
图
的组合电极设计
[
２０
]
２
.
(
c
该电极由两部分组成
)
为
Abdel
g
awad
等人提出
部分电极是两边为曲边的凹形结构
,
凹形结构呈
,
第一
现出的曲边有利于液滴在初始驱动中获得较强的
作用力
;
第二部分电极结构两边凸起
,
与椭圆形相
似
,
突起结构有利于液滴在移动到下一个凹形电
极时保持更大的作用力
.
将两部分电极以一定的
间距组合在一起
,
得到的组合电极图形与图
中的弯月形电极相似
,
这种组合电极设计可通过
１
(
b
)
切换电极组合配对
,
提升液滴双向运动速度
,
弥补
弯月形电极单向驱动的功能不足
.
从上述电极设
计方案可以看出
,
Abdelawad
等人设计的电极
虽然进一步提高了弯月形电极在双向液滴驱动能
g
力上的不足
,
但同弯月形电极一样不具备排布成
电极阵列
,
使液滴能完成上下驱动和左右驱动自
由切换的能力
.
(
b
)
弯月形电极
[
１９
]
(
b
)
Meniscuselectrodes
[
１９
]
图
(
c
)
Co
(
m
c
b
)
i
组合电极
[
２０
]
nedelectrodes
[
２０
]
Fi
g
．２ Comm
２
on
常用的液滴驱动电极
l
y
useddro
p
letdrivin
g
electrodes
图
Fi
g
．３ Curved
３
q
曲边四边形组合电极图形
uadrilateralcombinedelectrode
p
attern
图
极
.
该电极中间四边形四周的圆弧曲率相同
３
为本文提出并设计的曲边四边形组合电
,
图
形对称
,
且四周分别配置一个椭圆
.
通过对曲边
四边形组合电极阵列施加一定顺序的驱动电压信
号
,
可实现液滴在
４
个方向的自由驱动控制
.
本
文设计的曲边四边形组合电极不仅集成并拓展了
弯月形电极和
势
,
而且增强了液滴驱动电极阵列排布的通用性
Abdel
g
awad
等人所设计电极的优
,
使得该芯片具有向四周自由切换液滴运动方向的
能力
.
在此
,
不得不提
DMF
芯片中的电极布线
３
第
１１
期
等
:
数字微流控芯片上液滴驱动
王
洪
,
２４９１
问题
,
因为电极阵列中间的电极引线为设计难点
.
板上
,
中间电极很难有效地引出导线并将电压接
入到电极
;
但曲边四边形组合电极同样可以作为
电极路径上的节点
,
为四周电极提供一个通路
,
使
得液滴具有多方向驱动的可能
.
如果将本文设计的组合电极加工在
ITO
玻璃基
覆盖介电层能有效避免液滴与电极直接接触
,
通
过升高电压能获得更大的接触角变化
.
为减小液
滴在恢复至初始接触角过程中受到的阻力
,
通常
会在介电层上再覆盖一层疏水层
,
增加的疏水层
能有效增大液滴初始接触角并降低液滴驱动过程
中的阻尼
,
当撤去电极驱动电压时液滴可恢复至
图
Fi
g
．４ D
４
单板十字交叉型电极
MFchi
p
ofsin
g
leＧboard
D
cr
M
os
F
芯片实物
sＧt
yp
eelectrode
．２ DMF
芯片制作
本文利用数字光刻投影系统
(
ithorahroectionSstem
,
DLPS
)
Di
进
g
ital
验室自主设
MF
g
芯片电极结构的加工制作
py
P
jy
,
该
计
[
２１
]
.
图
４
为基于曲边
DL
四
P
边
S
由本实
行
形组合
电极的
(
行电极图形曝光
dr
y
Ｇfil
D
m
M
,
T
F
芯片实物图
.
在本研究中使用干膜
aiwan
.
,
基板为
(
４０±２
)
m
)
光刻胶
(
负胶
)
进
(
厚
３c
μ
m×３cm
的
ITO
导
电玻璃
阻为
的碳酸钠溶液
５Ω
),
１m
经过曝光显影
m
,
ITO
导电层厚约
０．１８５
μ
m
,
方
)
后在基板上会保留所设计的电极
(
显影剂为质量浓度
１％
图形
,
得到
DMF
芯片电极图形母模
.
为得到
TO
电极
,
还需将得到的芯片母模放入刻蚀液中
蚀刻出细微的电极图形
.
将芯片母模浸泡于刻蚀
溶液
(
浓度为
量
３
比
７
进
％
的盐酸和固体三氯化铁按照
０∶１
的质行溶解混合配制而成
)
中腐蚀
面刻蚀液冲洗干净得到
in
,
然后取出
ITO
基板用大量去离子水将表
在
DMF
芯片中
,
介
D
电
M
层
F
芯片的
和疏水层
IT
的
O
电极
.
制备对
液滴能否驱动成功具有重要意义
.
驱动电极表面
初始状态
.
由此可知
,
介电层和疏水层能明显改
善液滴的驱动效果
,
但往往制备工艺复杂
,
制作难
度大并且经济成本高昂
;
因此
,
本文选择了旋涂的
方式
,
在电极表面制备一层
预聚物的主剂
、
固化剂
、
稀释剂
PD
(
环己烷
MS
薄膜
(
)
的质量比
PDMS
为
下能制得厚度约为
１０∶１∶２
时
,
在转速
５
μ
m
７５
的
０
P
０r
DM
/
S
mi
薄膜
n
,
时长
),
以实现
１min
介电层和疏水层的双重功能
(
简称介电疏水层
).
关于利用
本实验室已经在前期开展过相关研究
PDMS
薄膜充当介电层和疏水层的制
备工艺
,,
因
此本文直接使用已有的制备工艺进行
膜的制备
[
２２
]
便捷性
,
以及
.
可
为提高
靠地将
D
外
M
部
F
芯片在使用过程中的
PDMS
薄
电压接入
本文设计了专门的
采用组合式设计能实现
PCB
电极夹板
.
该
IT
电
O
电极
,
极夹板
对接
,
并将驱动电压信号施加给
PCB
电极与
ITO
I
电极
TO
电极的
.
DMF
系统搭建
图
包括以
５
为
STM
D
３２
M
F
F
系统设计示意图
.
该系统主要
１０３C８T６
芯片为主控制器的下
位机硬件系统
、
上位机控制软件和基于
DMF
芯片三部分
.
通过操控上位机软件将相
ITO
电极
的
应控制命令通过串口发送至下位机主控制器
,
由
下位机处理并执行相关命令操作
,
将液滴驱动电
压信号施加到
DMF
芯片相应的电极上
,
从而实
现液滴的运动控制
.
．１
下位机硬件系统
硬件系统主控芯片的外围电路主要包括电源
模块
、
直流升压模块和开关电路模块
.
硬件系统实
现的主要功能是产生及输出
DMF
芯片驱动信号
,
将驱动电压施加到液滴驱动电极上实现对液滴的
驱动控制
.
３
L
D
４
I
４
５
５m
２４９２
光学
精密工程
第
２８
卷
Fi．５ Schematicdiaramofdiitalmicrofluidicsstem
gggy
图
５
数字微流控系统设计示意图
４．１．１
直流升压模块
图
６
所示为直流升压电路设计原理图
.
该模
块包括直流升压整流滤波设计
、
充电保护设计和
电容放电设计
.
压
,
最大输入电流可达
５A
,
输出电压为
４５~３９０V
高到实验所需要的幅值
.
此外
,
为了提高升压后
输出电压的稳定性
,
减小电压的脉动
,
本文进行了
升压模块外围整流滤波电路的设计
.
采用单向桥
式整流芯片
A
该
BS６
对升压后的电压进行整流
,
芯片最大直流阻断电压可达
６００V
.
在整流电路
连续可调
,
最大输出电流为
０．
可以将电压升
２A
)
直流升压模块
(
电磁炮
,
１０~３２V
宽输入电
后接无源电路去除电压中的交流成分进行直流电
/
源滤波
,
图中
C
７０
μ
F５００V
滤波电
１
为并联的
４
解电容
.
电容滤波的实质是利用电容的充放电作
用使输出电压趋于平滑
.
并且电容在开始上电瞬间等效于电路短路
,
因此
由于升压电路中滤波电容
C
１
的电容值较大
,
在滤波电容和整流桥之间增加充电电阻
R
１
,
见
图
６
中充电保护标注区
.
充电电阻的作用是在开
始给电容充电前将电阻
R
１
接入到电路中
,
充电
充电电阻
R
１
从电路中移除用导线代替
,
该过程
时起到限流作用
;
当电容充电量达到
８
将
０％
时
,
通过继电器控制实现
.
Fi．６ Princilediaramofboostandrectifierfiltercircuit
gpg
图
６
升压及整流滤波电路原理图
应该将大电容中
在本硬件系统使用结束后
,
积聚的电能释放掉
,
防止在不使用的时候误触碰
电容两端发生放电
,
引发危险
.
因此
,
在电路中设
区
,
电阻
R
２
以发热形式将电容中的能量释放掉
.
计了电阻放电电路
,
见图
６
中电容放电虚线标注
,
本文专门设计了
P
图
８
中顶上
)
用
CB
电极夹板
(
它将高压驱动信号输出端与电极端子相连
,
从而
将驱动电压施加到
ITO
电极上
.
４．１．２
开关电路模块
本文采用高压脉冲信号作为液滴驱动信号
源
,
通常高压脉冲信号直接获取较难
,
因此本文利
用
MOSFETIRF８４０
搭建开关单路产生高压
开关电路如图
７
所示
.
PWM
信号
,
于将硬件系统与
DMF
芯片上
ITO
电极相连接
,
图
８
所示为硬件系统装配实物
.
其中为了便
Fi．７ SchematicofIRF８４０switchcircuit
g
图
７ IRF８４０
开关电路原理
第
１１
期
等
:
数字微流控芯片上液滴驱动
王
洪
,
２４９３
动信号模式的切换
,
系统提供高压阶跃信号模式
块主要控制升压模块将直流
２４V
电压升高到指
定电压
,
并完成电容充电上电保护或者结束工作
后将电容中存储的电能释放掉
;
单电极控制模块
可通过单击电极方形图标有选择性地选中对应电
极
,
将驱动电压施加到该电极上驱动液滴移动
.
和高压
PWM
波模式两种设置方式
;
电源控制模
图
Fi
g
．８ Photoo
８
f
硬件系统装配图
assembliedhardwares
y
stem
４．２
上位机软件系统
４．２．１
为保证上位机与下位机的通信安全
上下位机通讯协议定义
,
数据传
输正确
,
准确选中对应电极并施加驱动电压信号
,
需要定义软件层和物理层通信协议
.
软件系统中
每帧数据包括起始位
、
地址码
、
命令码
、
数据长度
、
数据和本系统中物理层协议设置波
特率为
C
１
位
.
９６
RC
效验
.
００
,
无校验位
,
８
位数据位
,
停止位
４．２．２
上位机软件界面设计
图
９
所示为
DMF
系统上位机软件界面
.
通
过上位机软件将控制命令发送至下位机
,
由主控
芯片执行相应命令并输出到控制外围模块
.
该上
位机界面主要包括
置模块
、
驱动信号模式设置模块
６
个控制模块
,
分别是通信设
、
电源控制模块
、
单电极控制模块
、
组合电极控制模块和控制信息
反馈模块
.
图系统上位机软件
Fi
g
．９ Host
９
c
D
om
p
M
ut
F
ersoftwareofDMFs
y
stem
其中
,
通信设置模块主要对物理层协议参数
进行设置
;
驱动信号模式设置模块
,
可实现液滴驱
图
９
中左上侧每个方形图标表示芯片上一个对应
的电极
;
组合电极控制模块能提供
包括单电极
、
双组合电极和
３
３
组电极组合
模式
,
组合电极
,
通
过点击上下
/
左右方向的选择图标
,
并选择上述
种组合点击模式之一
,
可实现电极的组合控制
(
例
３
如选择双组合电极
,
电极向上方向键
,
可实现电极
依次向上两两同时选中并向上移动
);
控制信息反
馈模块将每次的控制信息都显示在该文本框
,
信
息包括每次执行的命令
,
以及该命令对应的响应
情况
.
．３ DMF
系统搭建
图该系统主要
包括了硬件
１０
为搭建好的
系统
、
上位机
DM
软
F
系统
.
件和
部分
.
硬件电路板和
PC
机之间由蓝色串口线相
DMF
芯片
３
个
连
,
该串口线为上位机和下位机之间的通讯提供
物理通路
.
通过操控上位机软件即可控制下位机
实现驱动信号输出
,
并将驱动电压施加到数字微
流体芯片对应的电极上
.
此外
,
该系统通过显微
镜能够观察芯片中液滴的运动情况
,
并可对控制
过程进行录像和测量
.
图
Fi
g
．１０ Photoo
１０
fD
数字微流体
(
i
g
italMicrof
D
lu
M
id
F
ic
)
系统
(
DMF
)
s
y
stem
４
２４９４
光学
精密工程
第
２８
卷
５
芯片上液滴驱动测试
５．１
空气域中单板芯片测试结果及分析
在单板
DMF
芯片液滴驱动控制的研究中
,
液滴驱动电极和参考电极位于同一平面
,
当电极
被施加电压时该电极作为驱动电极
,
当电极接地
组合电极排布成的十字交叉形单板芯片
.
实验中
时该电极作为参考电极
.
图
１１
是由曲边四边形
的
,
并且其疏水性也不足够优异
,
因此该薄膜对液
滴驱动效果会有一定影响
;
此外
,
该薄膜厚度为微
米级
,
相较于纳米级介电层而言需要更高的液滴
驱动电压
.
本文在开展研究之初
,
经多方考虑之
后采用
P
其原因是该
DMS
薄膜作为介电疏水层
,
薄膜易于获取
,
制作成本低
,
易快速开展实验研
究
,
因此
,
本文主要从电极设计角度出发
,
希望通
过电极优势弥补介电疏水层上的不足
.
疏水层
,
而
PDMS
材料的介电常数并不是最高
采用
号模式为阶跃模式
１９４V
的直流电压作为液滴驱动源
,
驱动信
.
首先
,
将
脂液滴放置于中心电极处
,
之后通过上位机进行
０．５
μ
L
的碳酸丙烯
液滴驱动控制
.
图
滴向下
、
向上
、
向右和向左移动的示意图
１１
(
a
)
~１１
(
d
)
分别为
,
驱
从图中
动液
可以看出
,
当液滴被驱动沿箭头方向移动时
,
液滴
前部在
接触角明显小于液滴后部接触角
EWOD
的作用下发生润湿行为
,
前部液滴
.
此外
,
从图中
可以看出
,
液滴前部轮廓线与曲边四边形电极轮
廓线曲率近似
,
具有较高的重合度
,
因此液滴继续
向前运动能获得更大的作用力
.
此外
,
本文进行了单板芯片中液滴运动速度的
测试
.
液滴轨迹总长约为
计算可得液滴平均速度
v
空
２
＝
．４
S
c
,
在空气域中液滴运动速度较慢
/
t
m
＝
,
耗时
t
＝１６m
２５
,
滴运动速度可知
μ
m
/
s
.
从液
in
.
(
a
)
Contr
(
a
ol
)
t
控制液滴向下
hedro
p
letdownward
(
b
)
Con
(
t
b
r
)
ol
控制液滴向上
thedro
p
letu
p
ward
(
c
)
Con
(
t
c
r
)
ol
控制液滴向右
thedrolettoriht
图
p
(
d
)
Co
(
n
d
tr
)
o
控制液滴向左
lt
i
g
．１１ T
１
g
hedro
p
lettoleft
e
１
st
单板芯片上测试结果
Fresultsonasin
g
leＧboardchi
p
５．１．１
本文选取
介电层的选取
５
μ
m
的
PDMS
薄膜作为介电层和
．１．２
表面阻力大
由于本文采用
而
PDMS
表面疏水性会随着时间的增加而变差
PDMS
薄膜作为介电疏水层
,
,
液滴初始接触角可能不是最大
,
并且在驱动过程
中还伴随着接触角滞后效应
,
因此
,
液滴在薄膜表
面运动时受到较大阻力
,
影响液滴的运动速度及
驱动效率
.
．２
油浴中单板芯片测试结果及分析
为减小液滴在电极表面受到的阻力
,
本文在
电极表面滴加食用油制作油浴环境
,
并开展了油
浴中液滴驱动测试实验
.
图
中液滴变道过程示意图
.
由
１
于
２
为油浴单板芯片
在
添加油浴后
,
不容易直接观察到电极图形
ITO
电极表面
,
因此在
图中用黑色虚线将十字交叉电极水平通道标出
,
黑色虚线正好处于水平电极的中心位置
.
此外
,
碳酸丙烯脂液滴无色透明
,
观察难度较大
,
而
图
影
１
,
２
中所见液滴形状为真实液滴在基板上的投
真实液滴位置略偏液滴投影位置左侧一点
.
从图中可知
,
当时间
t
＝５６．１６s
时
,
液滴处于十字
交叉电极图形中心
a
电极下侧电极
;
当对
a
电极
施加驱动电压时
,
液滴对基板发生润湿行为
,
液滴
接触角变小
,
在
a
电极提供的驱动力作用下
,
液滴
被拉向该电极
.
从图中还可以看出
,
在时间
＝５７．２０s
时
,
油浴中液滴先向两侧扩展然后才
偏向已施加驱动电压的
a
电极
,
即
t
＝５７．９２s
时
液滴基本停留在
a
电极上
.
当液滴到达
a
电极时
会发生轻微抖动
,
t
＝５８．３６s
时液滴向上偏移
,
＝５８
2024年6月10日发(作者：库子怡)
２０２０
年
１１
月
第
２８
卷
第
１１
期
OticsandPrecisionEnineerin
pgg
光学精密工程
Vol．２８ No．１１
Nov．２０２０
)
文章编号
１００４Ｇ９２４X
(
２０２０１１Ｇ２４８８Ｇ０９
数字微流控芯片上液滴驱动
王
洪
,
郑
杰
,
闫延鹏
,
王
淞
,
李浩正
,
崔建国
∗
(
重庆理工大学药学与生物工程学院
,
重庆
４０００５４
)
摘要
:
为提高数字微流控芯片上液滴驱动能力及效率
,
开展了数字微流控系统的设计及平台搭建研究
,
该系统包括上位
机控制软件
、
下位机硬件系统和
DMF
芯片三部分
.
提出一种曲边四边形组合电极
,
该电极图形边缘能与液滴保持更大
的重合度
,
可提供更大的初始驱动力
.
测试了芯片上空气浴和油浴中液滴的驱动控制
,
测得在空气浴中碳酸丙烯脂液滴
/,/.
实验结果表明
,
的平均速度为
２
在油浴中碳酸丙烯脂液滴的平均速度为
２
所设计的曲边四边形电极可
５
μ
ms６０
μ
ms
有效增强液滴的驱动控制能力
.
关
键
词
:
数字微流控
;
液滴操控
;
电极图形
;
液滴驱动
:/
中图分类号
:
TP２７３
;
TN４９２
文献标识码
:
A doi１０．３７１８８OPE．２０２０２８１１．２４８８
Drorivinndiitalmicrofluidicchi
p
d
g
o
gp
∗
,,,
WANGS
,,
WANGHonZHENGJieYANYanＧenonLIHaoＧzhenCUIJianＧuo
gpgggg
ChoninniversitechnoloChonin
０００５４
,
China
)
gqg
U
y
o
f
T
gy
,
gqg
４
∗
Corresondinuthor
,
EＧmail
:
c
９９８
＠
hotmail
．
com
pg
a
jg
(
ColleeoharmacndBioenineerin
gf
P
y
a
gg
,
:,
three
p
artsuercomutercontrolsoftwarealowercomuterhardwaresstem
,
andaDMFchi．
ppppyp
letandcan
p
rovidea
g
reaterinitialdrivinorce．Drivea
g
reaterdereeofcoincidencewiththedro
gpg
f
Acurved
q
uadrilateralcombinedelectrodeis
p
roosed．Theedeoftheelectrode
p
atterncanmaintain
pg
chiaDMFsstemwasdesinedand
p
latformbuildinresearchwasconducted．Thesstemincludes
p
,
yggy
:
Abstract
Toimrovethedrivinaabilitndefficiencfdroletsonadiitalmicrofluidic
(
DMF
)
pg
c
py
a
y
o
pg
,
acontrolofthedroletsinairandoilbathsonthechiastestedndtheaveraevelocitiesof
pp
w
g
Theexerimentalresultsdemonstratethatthecurved
q
uadrilateralelectrodedesinedinthestudan
pgy
c
:;;;
Keords
diitalmicrofluidicsdroletmaniulationelectrode
p
atterndroletdrive
gppp
y
w
/,
rolenecarbonatedroletsweremeasuredtobe２５and２６０
μ
msinairandoilbathsresectivel．
ppyppy
effectivelnhancedrivecontrolofthedrolet．
y
e
p
;
国家科技支撑计划资助项目
(
重庆市高等教育教学改革研究一般项目
(
基金项目
:
No．２０１５BAI０１B１４
)
No．
);;
重庆理工大学研究生教育优质课程项目资助
(
重庆市技术创新与应用示范
１７３１１４No．k２０１７１０６
)
yy
().
社会民生类
)
一般项目
(
No．cstc２０１８scxＧmsb０２９０
jy
修订日期
:
收稿日期
:
２０２０Ｇ０６Ｇ０１
;
２０２０Ｇ０６Ｇ１１．
第
１１
期
等
:
数字微流控芯片上液滴驱动
王
洪
,
２４８９
１
引
言
１Ｇ２
]
.
该类液滴主要运
操控微小体积液滴的技术
[
２
液滴驱动机理
介电质表面的电润湿现象是指在外加电场
下
,
原来疏水的介电质表面由于电荷的大量积聚
使基底与其上液滴的固液界面自由能减小
,
引发
数字微流控芯片是近年发展起来的一种新兴
动于芯片的平面上
,
芯片上运动的液滴与常规通
道内运动的液滴数量以及所处环境大为不同
,
数
字微流控芯片往往以单个或数个液滴为对象
,
可
驱动液滴在芯片平面上向四周自由运动
.
芯片上
液滴面张力关系可借助
Youn
g
方程式进行推导
;
亲水变化
,
这种现象称作
EWO
又叫介质上电
D
,
１６
]
.
液滴接触角与固
、
润湿效应
[
液
、
气三相的表
液滴驱动方法主要包括介电润湿驱动
[
３
]
驱动
[
４
]
驱动
[
９Ｇ１０
、
]
光诱导驱动
[
５Ｇ６
]
等
.
基于介电润湿效应
、
表面声波驱动
[
、
７Ｇ
热毛细管
８
]
及磁力
(
Electrowettin
g
on
上液滴控制技术的主流
ielectric
,
EWOD
)
的平面液滴驱动技术作为芯片
,
随着电子技术的融入
,
在
器件的高度集成
、
操控便捷性上具有明显优势
,
通
(
常将基于
DiitalMi
E
cr
W
of
O
lu
D
的液滴控制技术称作数字微流控
idic
,
DMF
)
[
３
,
１１Ｇ１２
]
.
DMF
在液滴控
制能力上展现出高度灵活性和执行多重并行生物
g
化学反应的能力
,
这引起了研究者们的极大兴趣
.
从结构设计角度看
,
和双板两种形式
,
也分别称作开放式系统和封闭
DMF
器件主要分为单板
式系统
,
组成部件主要包括基板
、
电极
、
介电层和
疏水层
[
３
,
１３
]
.
目前
,
DMF
装置基板一般由玻璃
、
硅晶片
、
印刷电路板
(
成
[
１４
]
.
电极材料一般
P
选
CB
择
)
金
、
纸
属
基
材
衬
料
底
(
金
等
、
材
铬
料
、
银
组
铜
、
铝等
)
和其他材料
(
ITO
或掺杂多晶硅等
)
进
、
行图案化形成电极阵列
[
１５
]
料的合理选择对降低液滴驱
.
动
介
电
电
压
层
具
和
有
疏
重
水
要
层
意
材
义
,
通常采用的介电层材料包括聚四氟乙烯
、
聚对
二甲苯
、
二氧化硅
、
聚偏氟乙烯
PI
(
聚酰亚胺
)、
P
(
VDFＧTrFE
,
层材料一
Ｇ
三氟乙烯
)、
般为含氟聚
P
合
DM
物
S
或疏水
材
S
料
UＧ
(
８
等
;
YTOP
等
)
[
３
,
１４Ｇ１５
]
Teflon
和
员除了从制作器件的材料方面出发去提高液滴的
.
在
DMF
芯片研究中
,
研究人
驱动能力
,
也从液滴驱动电极图形的结构入手
,
寻
求更加有效的液滴控制效果
.
通过优化液滴驱动
电极设计
,
可有效增强液滴驱动效果
,
相比选择价
格高昂的
用于大多普
DM
通
F
装置器材
,
这种途径更加经济
,
适
实验室开展
DMF
芯片研究
.
因
此
,
本文从电极图形结构设计出发
,
开展了
软硬件系统的设计及平台搭建
,
提出了一种新型
DMF
MF
芯片电极结构
,
用于提高阵列电极上液滴的
驱动效率
.
表面张力的变化可通过外加电压进行控制
,
有关
动态表面张力发生的改变可由
示
;
结合
表示固液接触角
Youn
g
方程和
Li
pp
ma
L
n
i
n
pp
方程可以建立
mann
方程表
Y
理的量化解释
oun
g
θ
与外加电压关系的
方程
,
该方程对电润湿现象给出了较为合
Li
pp
mannＧ
,
并为
以及液滴驱动提供了
DM
较
F
芯片设计
、
介电层制备
为完善的理论支持
[
１６
]
此后
,
有学者在此基础上又提出将两个电极都不
.
与液滴接触的介电润湿模型
.
在此模型基础上
,
如果将电场作用在液滴的一侧
,
致使介电质层的
固液表面张力发生变化
,
造成液滴两侧界面能失
衡
,
即可驱动液滴移动
[
１７
]
液滴
EWOD
驱动模型如图
.
１
所示
.
液滴处
于底板驱动电极之上
,
电极上被介电层和疏水层
覆盖
[
１８
]
滴向已施加电压的电极方向运动
.
通过对液滴邻近电极施
,
即
加
v
电压实现
液
液
滴向右运动
.
在移动过程中
,
液滴保持动态接触
d
＝
v
时
,
角
.
图
１
中位置
A
处每单位长度沿着电极表面
向右的净作用力
f
A
可以表示为
:
f
A
＝
γ
位置
B
处每
s
g
单
－
位
γ
l
g
长
cos
度
θ
沿
d
－
着
γ
s
电
l
(
v
极
)
．
表面向右
(
１
的
)
净作用力
f
B
可以表示为
:
f
B
＝－
γ
那么沿着电极表面每单位长度液滴的总驱动
s
g
＋
γ
l
g
cos
θ
d
＋
γ
sl
(
０
)
．
(
２
)
力可表示为
:
f
m
＝
f
A
＋
f
B
＝
γ
γ
sl
(
０
)
－
γ
sl
(
v
)
＝
在该驱动合
l
g
力
(
co
的
s
θ
作
v
－
用
co
下
s
液
θ
０
．
滴
)
将移动到右
(
３
侧
)
电极
.
图
Fi．１ S
１
in
单板
leＧboa
E
rdE
WO
WO
D
驱动模型
[
１８
]
gg
Ddrivemodel
[
１８
]
D
C
D
２４９０
光学
精密工程
第
２８
卷
３ DMF
芯片设计及制作
驱动电极作用于液滴驱动过程的主要影响因
素包括电极结构图形
、
电极与电极之间的间距和
成果进行了深入的分析
,
发现要达到提高液滴驱
动效率的目的
,
应尽量使得电极的形状与液滴边
电极阵列的排布
.
本文对以往
DMF
领域的研究
()
aSuareelectrodes
q
()
方形电极
a
界接触线一致
,
并且平行于液滴运动方向的电极
长度应小于液滴的基本直径
,
垂直于液滴运动方
向的电极宽度应大于液滴的基本直径
[
１９Ｇ２０
]
．１
驱动电极设计
.
在
包括方形电极
DMF
芯片研究中
,
常用的液滴驱动电极
、
锯齿状电极
、
插指形电极和弯月形
电极
[
１９
]
等
.
图
电极作为最常见的电极图形
２
(
a
)
所示为方形电极示意图
,
具有电极结构简单
,
方形
、
高度对称等特点
;
但液滴在驱动过程中容易在两
个相邻电极之间发生滞留
,
出现驱动停顿现象
.
锯齿状电极和插指形电极的驱动效果相较于方形
电极要更好
,
但这两种电极的制作难度较大
,
通常
需要高精度的光刻工艺提供支持
.
如图
示
,
弯月形电极相对前面两种电极设计在结构上
２
(
b
)
所
相对简单
,
且该电极具有单向驱动的优势
,
即沿电
极弯曲方向液滴的运动速度相比液滴沿反方向运
动的速度更快
.
图
的组合电极设计
[
２０
]
２
.
(
c
该电极由两部分组成
)
为
Abdel
g
awad
等人提出
部分电极是两边为曲边的凹形结构
,
凹形结构呈
,
第一
现出的曲边有利于液滴在初始驱动中获得较强的
作用力
;
第二部分电极结构两边凸起
,
与椭圆形相
似
,
突起结构有利于液滴在移动到下一个凹形电
极时保持更大的作用力
.
将两部分电极以一定的
间距组合在一起
,
得到的组合电极图形与图
中的弯月形电极相似
,
这种组合电极设计可通过
１
(
b
)
切换电极组合配对
,
提升液滴双向运动速度
,
弥补
弯月形电极单向驱动的功能不足
.
从上述电极设
计方案可以看出
,
Abdelawad
等人设计的电极
虽然进一步提高了弯月形电极在双向液滴驱动能
g
力上的不足
,
但同弯月形电极一样不具备排布成
电极阵列
,
使液滴能完成上下驱动和左右驱动自
由切换的能力
.
(
b
)
弯月形电极
[
１９
]
(
b
)
Meniscuselectrodes
[
１９
]
图
(
c
)
Co
(
m
c
b
)
i
组合电极
[
２０
]
nedelectrodes
[
２０
]
Fi
g
．２ Comm
２
on
常用的液滴驱动电极
l
y
useddro
p
letdrivin
g
electrodes
图
Fi
g
．３ Curved
３
q
曲边四边形组合电极图形
uadrilateralcombinedelectrode
p
attern
图
极
.
该电极中间四边形四周的圆弧曲率相同
３
为本文提出并设计的曲边四边形组合电
,
图
形对称
,
且四周分别配置一个椭圆
.
通过对曲边
四边形组合电极阵列施加一定顺序的驱动电压信
号
,
可实现液滴在
４
个方向的自由驱动控制
.
本
文设计的曲边四边形组合电极不仅集成并拓展了
弯月形电极和
势
,
而且增强了液滴驱动电极阵列排布的通用性
Abdel
g
awad
等人所设计电极的优
,
使得该芯片具有向四周自由切换液滴运动方向的
能力
.
在此
,
不得不提
DMF
芯片中的电极布线
３
第
１１
期
等
:
数字微流控芯片上液滴驱动
王
洪
,
２４９１
问题
,
因为电极阵列中间的电极引线为设计难点
.
板上
,
中间电极很难有效地引出导线并将电压接
入到电极
;
但曲边四边形组合电极同样可以作为
电极路径上的节点
,
为四周电极提供一个通路
,
使
得液滴具有多方向驱动的可能
.
如果将本文设计的组合电极加工在
ITO
玻璃基
覆盖介电层能有效避免液滴与电极直接接触
,
通
过升高电压能获得更大的接触角变化
.
为减小液
滴在恢复至初始接触角过程中受到的阻力
,
通常
会在介电层上再覆盖一层疏水层
,
增加的疏水层
能有效增大液滴初始接触角并降低液滴驱动过程
中的阻尼
,
当撤去电极驱动电压时液滴可恢复至
图
Fi
g
．４ D
４
单板十字交叉型电极
MFchi
p
ofsin
g
leＧboard
D
cr
M
os
F
芯片实物
sＧt
yp
eelectrode
．２ DMF
芯片制作
本文利用数字光刻投影系统
(
ithorahroectionSstem
,
DLPS
)
Di
进
g
ital
验室自主设
MF
g
芯片电极结构的加工制作
py
P
jy
,
该
计
[
２１
]
.
图
４
为基于曲边
DL
四
P
边
S
由本实
行
形组合
电极的
(
行电极图形曝光
dr
y
Ｇfil
D
m
M
,
T
F
芯片实物图
.
在本研究中使用干膜
aiwan
.
,
基板为
(
４０±２
)
m
)
光刻胶
(
负胶
)
进
(
厚
３c
μ
m×３cm
的
ITO
导
电玻璃
阻为
的碳酸钠溶液
５Ω
),
１m
经过曝光显影
m
,
ITO
导电层厚约
０．１８５
μ
m
,
方
)
后在基板上会保留所设计的电极
(
显影剂为质量浓度
１％
图形
,
得到
DMF
芯片电极图形母模
.
为得到
TO
电极
,
还需将得到的芯片母模放入刻蚀液中
蚀刻出细微的电极图形
.
将芯片母模浸泡于刻蚀
溶液
(
浓度为
量
３
比
７
进
％
的盐酸和固体三氯化铁按照
０∶１
的质行溶解混合配制而成
)
中腐蚀
面刻蚀液冲洗干净得到
in
,
然后取出
ITO
基板用大量去离子水将表
在
DMF
芯片中
,
介
D
电
M
层
F
芯片的
和疏水层
IT
的
O
电极
.
制备对
液滴能否驱动成功具有重要意义
.
驱动电极表面
初始状态
.
由此可知
,
介电层和疏水层能明显改
善液滴的驱动效果
,
但往往制备工艺复杂
,
制作难
度大并且经济成本高昂
;
因此
,
本文选择了旋涂的
方式
,
在电极表面制备一层
预聚物的主剂
、
固化剂
、
稀释剂
PD
(
环己烷
MS
薄膜
(
)
的质量比
PDMS
为
下能制得厚度约为
１０∶１∶２
时
,
在转速
５
μ
m
７５
的
０
P
０r
DM
/
S
mi
薄膜
n
,
时长
),
以实现
１min
介电层和疏水层的双重功能
(
简称介电疏水层
).
关于利用
本实验室已经在前期开展过相关研究
PDMS
薄膜充当介电层和疏水层的制
备工艺
,,
因
此本文直接使用已有的制备工艺进行
膜的制备
[
２２
]
便捷性
,
以及
.
可
为提高
靠地将
D
外
M
部
F
芯片在使用过程中的
PDMS
薄
电压接入
本文设计了专门的
采用组合式设计能实现
PCB
电极夹板
.
该
IT
电
O
电极
,
极夹板
对接
,
并将驱动电压信号施加给
PCB
电极与
ITO
I
电极
TO
电极的
.
DMF
系统搭建
图
包括以
５
为
STM
D
３２
M
F
F
系统设计示意图
.
该系统主要
１０３C８T６
芯片为主控制器的下
位机硬件系统
、
上位机控制软件和基于
DMF
芯片三部分
.
通过操控上位机软件将相
ITO
电极
的
应控制命令通过串口发送至下位机主控制器
,
由
下位机处理并执行相关命令操作
,
将液滴驱动电
压信号施加到
DMF
芯片相应的电极上
,
从而实
现液滴的运动控制
.
．１
下位机硬件系统
硬件系统主控芯片的外围电路主要包括电源
模块
、
直流升压模块和开关电路模块
.
硬件系统实
现的主要功能是产生及输出
DMF
芯片驱动信号
,
将驱动电压施加到液滴驱动电极上实现对液滴的
驱动控制
.
３
L
D
４
I
４
５
５m
２４９２
光学
精密工程
第
２８
卷
Fi．５ Schematicdiaramofdiitalmicrofluidicsstem
gggy
图
５
数字微流控系统设计示意图
４．１．１
直流升压模块
图
６
所示为直流升压电路设计原理图
.
该模
块包括直流升压整流滤波设计
、
充电保护设计和
电容放电设计
.
压
,
最大输入电流可达
５A
,
输出电压为
４５~３９０V
高到实验所需要的幅值
.
此外
,
为了提高升压后
输出电压的稳定性
,
减小电压的脉动
,
本文进行了
升压模块外围整流滤波电路的设计
.
采用单向桥
式整流芯片
A
该
BS６
对升压后的电压进行整流
,
芯片最大直流阻断电压可达
６００V
.
在整流电路
连续可调
,
最大输出电流为
０．
可以将电压升
２A
)
直流升压模块
(
电磁炮
,
１０~３２V
宽输入电
后接无源电路去除电压中的交流成分进行直流电
/
源滤波
,
图中
C
７０
μ
F５００V
滤波电
１
为并联的
４
解电容
.
电容滤波的实质是利用电容的充放电作
用使输出电压趋于平滑
.
并且电容在开始上电瞬间等效于电路短路
,
因此
由于升压电路中滤波电容
C
１
的电容值较大
,
在滤波电容和整流桥之间增加充电电阻
R
１
,
见
图
６
中充电保护标注区
.
充电电阻的作用是在开
始给电容充电前将电阻
R
１
接入到电路中
,
充电
充电电阻
R
１
从电路中移除用导线代替
,
该过程
时起到限流作用
;
当电容充电量达到
８
将
０％
时
,
通过继电器控制实现
.
Fi．６ Princilediaramofboostandrectifierfiltercircuit
gpg
图
６
升压及整流滤波电路原理图
应该将大电容中
在本硬件系统使用结束后
,
积聚的电能释放掉
,
防止在不使用的时候误触碰
电容两端发生放电
,
引发危险
.
因此
,
在电路中设
区
,
电阻
R
２
以发热形式将电容中的能量释放掉
.
计了电阻放电电路
,
见图
６
中电容放电虚线标注
,
本文专门设计了
P
图
８
中顶上
)
用
CB
电极夹板
(
它将高压驱动信号输出端与电极端子相连
,
从而
将驱动电压施加到
ITO
电极上
.
４．１．２
开关电路模块
本文采用高压脉冲信号作为液滴驱动信号
源
,
通常高压脉冲信号直接获取较难
,
因此本文利
用
MOSFETIRF８４０
搭建开关单路产生高压
开关电路如图
７
所示
.
PWM
信号
,
于将硬件系统与
DMF
芯片上
ITO
电极相连接
,
图
８
所示为硬件系统装配实物
.
其中为了便
Fi．７ SchematicofIRF８４０switchcircuit
g
图
７ IRF８４０
开关电路原理
第
１１
期
等
:
数字微流控芯片上液滴驱动
王
洪
,
２４９３
动信号模式的切换
,
系统提供高压阶跃信号模式
块主要控制升压模块将直流
２４V
电压升高到指
定电压
,
并完成电容充电上电保护或者结束工作
后将电容中存储的电能释放掉
;
单电极控制模块
可通过单击电极方形图标有选择性地选中对应电
极
,
将驱动电压施加到该电极上驱动液滴移动
.
和高压
PWM
波模式两种设置方式
;
电源控制模
图
Fi
g
．８ Photoo
８
f
硬件系统装配图
assembliedhardwares
y
stem
４．２
上位机软件系统
４．２．１
为保证上位机与下位机的通信安全
上下位机通讯协议定义
,
数据传
输正确
,
准确选中对应电极并施加驱动电压信号
,
需要定义软件层和物理层通信协议
.
软件系统中
每帧数据包括起始位
、
地址码
、
命令码
、
数据长度
、
数据和本系统中物理层协议设置波
特率为
C
１
位
.
９６
RC
效验
.
００
,
无校验位
,
８
位数据位
,
停止位
４．２．２
上位机软件界面设计
图
９
所示为
DMF
系统上位机软件界面
.
通
过上位机软件将控制命令发送至下位机
,
由主控
芯片执行相应命令并输出到控制外围模块
.
该上
位机界面主要包括
置模块
、
驱动信号模式设置模块
６
个控制模块
,
分别是通信设
、
电源控制模块
、
单电极控制模块
、
组合电极控制模块和控制信息
反馈模块
.
图系统上位机软件
Fi
g
．９ Host
９
c
D
om
p
M
ut
F
ersoftwareofDMFs
y
stem
其中
,
通信设置模块主要对物理层协议参数
进行设置
;
驱动信号模式设置模块
,
可实现液滴驱
图
９
中左上侧每个方形图标表示芯片上一个对应
的电极
;
组合电极控制模块能提供
包括单电极
、
双组合电极和
３
３
组电极组合
模式
,
组合电极
,
通
过点击上下
/
左右方向的选择图标
,
并选择上述
种组合点击模式之一
,
可实现电极的组合控制
(
例
３
如选择双组合电极
,
电极向上方向键
,
可实现电极
依次向上两两同时选中并向上移动
);
控制信息反
馈模块将每次的控制信息都显示在该文本框
,
信
息包括每次执行的命令
,
以及该命令对应的响应
情况
.
．３ DMF
系统搭建
图该系统主要
包括了硬件
１０
为搭建好的
系统
、
上位机
DM
软
F
系统
.
件和
部分
.
硬件电路板和
PC
机之间由蓝色串口线相
DMF
芯片
３
个
连
,
该串口线为上位机和下位机之间的通讯提供
物理通路
.
通过操控上位机软件即可控制下位机
实现驱动信号输出
,
并将驱动电压施加到数字微
流体芯片对应的电极上
.
此外
,
该系统通过显微
镜能够观察芯片中液滴的运动情况
,
并可对控制
过程进行录像和测量
.
图
Fi
g
．１０ Photoo
１０
fD
数字微流体
(
i
g
italMicrof
D
lu
M
id
F
ic
)
系统
(
DMF
)
s
y
stem
４
２４９４
光学
精密工程
第
２８
卷
５
芯片上液滴驱动测试
５．１
空气域中单板芯片测试结果及分析
在单板
DMF
芯片液滴驱动控制的研究中
,
液滴驱动电极和参考电极位于同一平面
,
当电极
被施加电压时该电极作为驱动电极
,
当电极接地
组合电极排布成的十字交叉形单板芯片
.
实验中
时该电极作为参考电极
.
图
１１
是由曲边四边形
的
,
并且其疏水性也不足够优异
,
因此该薄膜对液
滴驱动效果会有一定影响
;
此外
,
该薄膜厚度为微
米级
,
相较于纳米级介电层而言需要更高的液滴
驱动电压
.
本文在开展研究之初
,
经多方考虑之
后采用
P
其原因是该
DMS
薄膜作为介电疏水层
,
薄膜易于获取
,
制作成本低
,
易快速开展实验研
究
,
因此
,
本文主要从电极设计角度出发
,
希望通
过电极优势弥补介电疏水层上的不足
.
疏水层
,
而
PDMS
材料的介电常数并不是最高
采用
号模式为阶跃模式
１９４V
的直流电压作为液滴驱动源
,
驱动信
.
首先
,
将
脂液滴放置于中心电极处
,
之后通过上位机进行
０．５
μ
L
的碳酸丙烯
液滴驱动控制
.
图
滴向下
、
向上
、
向右和向左移动的示意图
１１
(
a
)
~１１
(
d
)
分别为
,
驱
从图中
动液
可以看出
,
当液滴被驱动沿箭头方向移动时
,
液滴
前部在
接触角明显小于液滴后部接触角
EWOD
的作用下发生润湿行为
,
前部液滴
.
此外
,
从图中
可以看出
,
液滴前部轮廓线与曲边四边形电极轮
廓线曲率近似
,
具有较高的重合度
,
因此液滴继续
向前运动能获得更大的作用力
.
此外
,
本文进行了单板芯片中液滴运动速度的
测试
.
液滴轨迹总长约为
计算可得液滴平均速度
v
空
２
＝
．４
S
c
,
在空气域中液滴运动速度较慢
/
t
m
＝
,
耗时
t
＝１６m
２５
,
滴运动速度可知
μ
m
/
s
.
从液
in
.
(
a
)
Contr
(
a
ol
)
t
控制液滴向下
hedro
p
letdownward
(
b
)
Con
(
t
b
r
)
ol
控制液滴向上
thedro
p
letu
p
ward
(
c
)
Con
(
t
c
r
)
ol
控制液滴向右
thedrolettoriht
图
p
(
d
)
Co
(
n
d
tr
)
o
控制液滴向左
lt
i
g
．１１ T
１
g
hedro
p
lettoleft
e
１
st
单板芯片上测试结果
Fresultsonasin
g
leＧboardchi
p
５．１．１
本文选取
介电层的选取
５
μ
m
的
PDMS
薄膜作为介电层和
．１．２
表面阻力大
由于本文采用
而
PDMS
表面疏水性会随着时间的增加而变差
PDMS
薄膜作为介电疏水层
,
,
液滴初始接触角可能不是最大
,
并且在驱动过程
中还伴随着接触角滞后效应
,
因此
,
液滴在薄膜表
面运动时受到较大阻力
,
影响液滴的运动速度及
驱动效率
.
．２
油浴中单板芯片测试结果及分析
为减小液滴在电极表面受到的阻力
,
本文在
电极表面滴加食用油制作油浴环境
,
并开展了油
浴中液滴驱动测试实验
.
图
中液滴变道过程示意图
.
由
１
于
２
为油浴单板芯片
在
添加油浴后
,
不容易直接观察到电极图形
ITO
电极表面
,
因此在
图中用黑色虚线将十字交叉电极水平通道标出
,
黑色虚线正好处于水平电极的中心位置
.
此外
,
碳酸丙烯脂液滴无色透明
,
观察难度较大
,
而
图
影
１
,
２
中所见液滴形状为真实液滴在基板上的投
真实液滴位置略偏液滴投影位置左侧一点
.
从图中可知
,
当时间
t
＝５６．１６s
时
,
液滴处于十字
交叉电极图形中心
a
电极下侧电极
;
当对
a
电极
施加驱动电压时
,
液滴对基板发生润湿行为
,
液滴
接触角变小
,
在
a
电极提供的驱动力作用下
,
液滴
被拉向该电极
.
从图中还可以看出
,
在时间
＝５７．２０s
时
,
油浴中液滴先向两侧扩展然后才
偏向已施加驱动电压的
a
电极
,
即
t
＝５７．９２s
时
液滴基本停留在
a
电极上
.
当液滴到达
a
电极时
会发生轻微抖动
,
t
＝５８．３６s
时液滴向上偏移
,
＝５８