介质上电润湿原理及其应用

介质上电润湿原理及其应用

摘 要：介绍了介质上电润湿的研究背景以及基本理论和基本的运动操控方式，描述了EWOD在芯片实验室、微透镜、光纤、电子显示器等方面的原理及应用。最后介绍了介质上电润湿所面对的困难和前景。

关键词：电润湿 微流体 表面张力

1 简介

电润湿是指通过调整施加在液体-固体电极之间的电势，来改变液体和固体之间的表面张力，从而改变两者之间的接触角。早在1875年，法国科学家Lippmann观察到在汞和电解液之间加电压，会出现的毛细下降现象；并提出了著名的Lippmann-Young方程。1993年Berge在电润湿模型中引入了介电层，以尽量消除电解的发生，这被称为介质上电润湿（electrowetting-on-dielectric，EWOD）（图1）[1]。

图1 介质上的电湿润(EWOD)

介质上电润湿是一种电控表面张力驱动方式。它通过在介质膜下面的微电极阵列上施加电势来改变介质膜与表面液体的润湿特性。典型的EWOD器件通常采用三层结构（图2），即受控液滴被夹在上、下两极板之间。下极板由衬底、微电极阵列、绝缘层以及疏水层构成。疏水层可以保证液滴运动过程的平滑和稳定。上下极板之间的填充物质可以是空气或者是硅油，硅油可以作为润滑剂，降低液滴的驱动阻尼，使驱动电压下降，而且可以减少液滴的蒸发，但它可能会对液滴产生污染，从而一定程度上限制了它在生物化学等方面的应用。在EWOD装置中，绝缘层材料也有多种选择，如表面覆盖Teflon的SiO2[2]、Teflon[3]。

图2 典型EWOD的三层结构

另一种EWOD装置采用共面电极设计，正负电极全部做在下极板[4]~[7]。如图3所示，这种共面电极装置无需上极板；并且可以加工在PCB电路板上，同时可集成高密度电极[5][8]。

图3 (a)单层共面微电极阵列[9]. (b)PCB上的EWOD电极板剖面[10]

2 基本原理

如图4(a)所示，初始情况下忽略重力的影响，液滴在疏水介质层表面的三相接触角θ0可以由Young氏方程表示为：

cosθ0=(γsg - γsl)／γ1g

其中γsg、γsl和γ1g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。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：

γs1v = γsl –ε0εr v2／2d

其中, γs1、γs1v分别是外加电势前、后的疏水固体/液滴之间的表面张力， ε0、εr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，见图4(b)。外加电势后的三相接触角θv可以由上面两方程推导而成，即由Lippmann -Young方程表示为

cosθv=cosθ0+ε0εr v2／2d·γ1g

图4 介质上电润湿系统示意图

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。

图5 三层结构驱动器的截面图

图5是三层结构驱动器的截面图。当开关k开启时，液滴的形状成对称分布。见图中虚线部分，液滴与上、下极板的接触角分别是θt和θ0，忽略重力的影响，其值都为疏水表面的初始接触角；当开关k闭合时，由于介质上电润湿作用，液滴与右侧极板间的接触角发生变化，见图中实线部分。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θV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。无上极板的EWOD结构原理与此类似。

3 液滴的基本操控

3.1 移动

液滴在电极阵列上的运动是通过对电极施加电压来进行控制的。图6表示的是0.1 M KCl的运动控制。当电极所施加的电压达到一定值时，液滴就会在表面张力作用下向带电电极板移动[11]。因此可根据特定的电压操纵顺序达到对液滴进行控制的目的。

图6 液滴的移动

3.2 液滴的分裂

在EWOD器件上，液滴分裂与合并也是基本的操控方式。Cho等人对液滴的分裂进行了研究[12]。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θb2减小，液滴曲率半径r2增大，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。

图7 液滴的分裂

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[13]。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

3.3 不同液滴的混合

目前微流体之间的混合一般采用两种方式：一是在微流体内部产生紊流，二是采用多层流体之间的扩散来达到混合的目的。由于前者需要流体的高速运动或需要外界提供能量输入，因此目前流行的是第二种方式。然而在2003年，Paik 等人[14]提出了一种新的微流体

他们先将不同液滴在电极板上合并，然后让合并后的液滴沿着一定的路径液滴的混合方案。

运动来达到混合的效果。图9中，一滴荧光液滴与一滴清水混合，并在相邻的两块电极板上做往复运动。图中分别显示了不同运动次数下的混合情况。从图中可以看出，用这种方式对微流体液滴进行混合具有良好的效果。同时，他们还在不同条件下进行研究。实验证明了液滴完全混合所需的时间随液滴运动所经过的电极板数量增加而减少，并且混合时间与液滴运动速度成反比[15]。

图9 电极阵列上液滴的合并

4 介质上电润湿的应用

4.1 芯片实验室(Lab-on-Chip)

EWOD在芯片实验室方面的应用研究最主要是由Duke University的Richard Fair和UCLA的Kim等课题组推进的。EWOD的优点在于可以利用可编程的电极阵列对液滴进行精确、迅速的控制。Kim、Fair等课题组对液滴的移动、分裂、合并、混合等做了大量研究。对于微升体积的液滴，当外加电压超过某一阈值时，便可使液滴产生移动。液滴移动速度随外加电压增大而迅速增大，其速度量级可达到cm/s。目前对EWOD研究的主要目标是使其运动激活电压降到20V以下，这样可大大简化并促进便携医疗、检测设备的发展。

Huh等人[16]提出了利用EWOD来控制微流道中水-空气两相流体（图10），通过激活微流道底部的电极板可以在毫秒级的时间内改变水流的路径。Cheng、Hsiung等[17]设计了基于EWOD的微阀（图11），通过外加电压控制微阀的开关。当外加电压时，流体对Teflon的亲水性增加，从而流入管道；当撤去外加电压时，Telfon的疏水性使得流体在此区域断开，达到关闭阀门的作用。

图10 (a)未加电压前，水流在中间 (b)加电压后，水流在左侧

图11 基于EWOD的微阀门

4.2 光学应用

4.2.1 微透镜 Peseux和Berge最早提出了利用EWOD原理的微流体变焦透镜[18]。在平衡状态下，液气表面会形成一个光滑完整的曲面。与常规固态透镜相比，液体透镜是柔性的，其曲率、焦距可通过改变液体形状调节。显然的，液滴的形状的变化可以通过利用EWOD

里面充满了非极性原理改变液滴的接触角来实现。Peseux和Berge设计了一个封闭小空间，

油滴和盐水溶液的混合液（两者不相溶），这两种液体的密度差别在10-3以下，可以减小重力和外界环境对油滴表面形状引起的干扰，使得即使在倾斜状态下，界面也是标准球面。绝缘层采用中间厚边缘薄的凸形特殊结构，这样使得透镜光轴在外加电压不为零的情况下能稳定在中心位置，而不会受外界的影响。如图12（a），在低压下油滴接触角较小（实线部分），反之，电压越高，接触角越大（虚线部分）。12（b）反映了液滴透镜折射率和焦距与外加电压之间的关系。

图12 EWOD透镜 (a)原理图。其中(1)为非极性流体，(2)为盐水溶液。底板阴影部分为亲水层，非阴影部分极板为憎水层。 (b) 液滴透镜折射率和焦距与外加电压之间的关系。图中2条线分别表示随电压增大和减小的曲线。2条曲线基本重合，表示其滞回特性良好。

大多数变焦透镜的焦点只能沿着光轴作一维的运动，2003年Krupenkin等人[19]研究出一种结构新颖的流体变焦透镜（图13），这种透镜的最大特点是既可使焦点位置沿光轴变化，又可在一个平面内调整液滴自身的横向位置，从而实现焦点位置在三维空间内可调。通过在所有控制电极上施加相同的电压，可均一地改变液滴的接触角，进而改变液面曲率；通施加不同偏置电压于控制电极，可使液滴向高电压电极一侧移动，从而调整液滴的横向位置。

图13 三维可调液体显微透镜结构示意图

2004年，飞利浦研究实验室的Hendriks、Kuiper等人[20]根据人眼的结构研制出一种高性能的仿生流体变焦微透镜，如图14所示。处在最下面的是640×480像素的CMOS成像传感器阵列；紧接着是一个塑料透镜，用于矫正成像清晰度；接着便是液体透镜；然后是一个缩短了的玻璃球体，用以实现将所有波长的光会聚于一点，进一步提高成像清晰度；之后又是一个塑料透镜，最后是固定光圈。通过改变施加的电压，透镜既能像凸透镜会聚光线，又能像凹透镜那样发散光线（图15）。该结构典型响应时间为10ms；可以对2cm到无穷远距离的物体清晰成像；工作温度为-30℃～+ 60℃，工作温度范围为-40℃～+85℃。无论从结构还是性能上看，这种器件都达到了产品化的水平。

图14 流体变焦透镜结构图

图15 通过施加不同电压改变透镜类型

4.2.2 纤维光学 在20世纪80年代，Jackel等人利用电润湿现象设计了光开关[21]。他们通过控制微流道中水银液滴的运动，通过其表面反射来控制光复用器中光线的传播（图16）。

图16 光开关 (a)未加电压时，光路由1到3

(b)加电压后，水银液滴运动到中间，其表面将1的光线反射入2

2002年，Mach等人进行了利用电润湿调制光波导的研究[22]。研究中将部分光纤表面覆盖物剥离，使光纤与周围流体介质相接触；通过调节剥离处流体的折射率对光纤传输的光束进行调制。图17(a)为此装置原理图。光纤通过一直通道，通道内充满盐水溶液和另外一种与盐水溶液不相溶的液体。盐水溶液可在电润湿作用下在剥离区域运动，从而通过不同的覆盖率改变此区域折射率，从而达到对光纤中光线进行调制的作用。图17(b)表示了不同覆盖率下，光波的衰减情况。

图17 (a)装置原理图 (b)不同覆盖率下的光线衰减情况

4.2.3 显示技术 2003年，Philips公司的Feenstra与Hayes等首先研制出基于EWOD的反射式显示器件的原型[23]。其基本结构如图18（a）所示。当没有外加驱动电压时，油滴自动平铺在水层和疏水性绝缘层之间，此时显示自然的油的颜色（图18（a）），当施加足够大的驱动电压时，水将浸润到下面的绝缘层，将油挤到侧面，此时，正面就呈现出底层的绝缘层的颜色（图18（b））。

图18 (a) 未加驱动电压时油滴平铺在显示单元内 (b) 外加驱动电压时油滴被鼓起

2004年，Cincinnati大学的Heikenfeld等[24]研制了一种基于EWOD效应的光波耦合平板显示器，这是一种发光型显示器件，其显示的开关原理同Philips公司的类似，但是油膜内的有机发光体代替了之前的油溶性染料，可以在特定的背光源下受激发光（图19）。它具有发光强度和对比度大、发光效率高、工作电压低以及响应速度快等特点。

图19 显示单元的(a)开启和(b)关闭状态

4.3 其他应用

除上述的应用之外，介质上电湿润还在微流体搅拌、散热等各方面得到应用。Baret等巧妙地构造了一个基于电润湿的振动模型[25]，利用此模型可以搅拌体积很小的液体。

其有望在微器件散热方面得到Aggarwal等运用电润湿动力学制备出纯电润湿驱动的液体流，

应用[26]。Yi和Kim等研究发现，通过电润湿可以实现无喷头印刷[27]。它结合了EWOD动力学、不同的表面润湿性以及几何学，没有固体和固体直接接触。Kim的研究小组利用电润湿中液体形状会改变的特点，构造出基于电润湿的液体场效应管[28]，并对其输出特性进行测量，其不但有传统半导体场效应管所具备的开关特性，而且具备漏电流较小、没有漏电流饱和等优点。

5 面临的障碍

虽然电润湿的理论研究和应用都取得了很大的进展，可是仍面对以下难题：

一、触角饱和。根据Lippmann-Young方程可得，随着外加电压的增加，接触角会趋向于0。但实验研究表明，当接触角达到一个临界值时，通过外加电压很难使它再减小。这个现象引起了众多研究者的兴趣。但到目前仍没有一个大家共同认可的解释。

二、接触角滞后。接触角滞后是指在液体的接触角变化时存在前进接触角和后退接触角。电压增加时和电压减少时，同一电压所对应的接触角也不相同。如何消除接触角滞后对电润湿的影响是电润湿实际应用中需要考虑的一个重要问题。

三、电润湿中的电解。在介电材料和液体确定的情况下，获得较大接触角改变的两种途径是提高外加电压或减少介电层的厚度。这两种方法都有可能加速介电层的击穿，导致电润湿中的液体发生电解，液体在还没发生接触角变化时就会电解，产生气泡。电润湿中的电解将造成器件的损坏。

6 总结与展望

介质上电润湿已经在理论和应用上都取得相当多的成果。基于其原理的各种器件，特别是显示技术和微透镜，在未来都具有很大的发展前景。然而目前还有很多问题尚未解决，需要未来更深入的研究。

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