CN103464070A

CN103464070A - 一种基于超疏水表面的电润湿微流体装置

Info

Publication number: CN103464070A
Application number: CN2013104510920A
Authority: CN
Inventors: 吴俊�; 夏军; 王保平
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2033-09-27
Also published as: CN103464070B

Abstract

本发明公开了一种基于超疏水表面的电润湿微流体装置，主要包括了一个微流体操控下基板和一个上基板，所述下基板表面具有微纳米双重结构；微米结构为条状结构，其表面均匀覆盖一层导电层，该导电层表面覆盖一层疏水介质层；纳米结构位于微米结构底部间隙，其表面也覆盖一层疏水介质层；所述下基板具有超疏水特性；所述上基板内表面覆盖一组并排的电极阵列，该组电极排列方向与下基板条状结构相互垂直，且相邻电极之间间隔很小，电极表面覆盖一层疏水介质层。本发明提供的电润湿微流体装置的下基板表面提供了较好的流体减迟滞特性，同时具备了电润湿功能，可结合超疏水表面和电润湿技术的双重优势，实现具有强驱动能力、弱迟滞特性的微流体装置。

Description

一种基于超疏水表面的电润湿微流体装置

技术领域

本发明涉及一种电润湿微流体装置，尤其涉及一种基于超疏水表面的电润湿微流体装置。

背景技术

电润湿技术是近年来得到广泛应用研究的新型微流体技术，其具有功耗低、响应速度快、器件结构简单、体积小等特点。目前主流的电润湿微流体装置均基于光滑平整的微流体操控平台，包含了疏水性绝缘层、光滑平整电极层。但是器件仍然存在水滴接触角饱和以及固体表面对流体的迟滞力等一系列问题，严重影响到电润湿器件的性能及可应用范围。研究人员发现部分超疏水表面具有显著的减迟滞特性，并且基于不同浸润态可观察到更大范围的接触角改变。然而，电润湿效应对微流体的操控功能完全依赖于对水滴浸润性的调节，在普通超疏水表面进行浸润性调节会导致从具有减迟滞特性的Cassie态到具有强迟滞特性Wenzel态的转换，而由于能量壁垒的作用，处于Wenzel态的水滴无法自动回复至Cassie态。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于超疏水表面的电润湿微流体装置，可以在电润湿操作过程中维持在非浸润的Cassie态，从而具备超疏水表面的减迟滞特性。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于超疏水表面的电润湿微流体装置，包括一个微流体操控的下基板、一个微流体操控的上基板、以及位于下基板和上基板之间的微流体腔，所述下基板的上表面上设置有微纳米双重结构；所述微纳米双重结构中的微米结构包括并排间隔布置在下基板上表面上的一组微米级条状结构（对材料无特殊要求，只要满足微米级即可），所述条状结构的表面覆盖有一层导电层，所述导电层的表面覆盖有一层疏水介质层；所述微纳米双重结构中的纳米结构包括布置在下基板上表面上的纳米级结构阵列（对材料和结构阵列的单元无特殊要求，只要满足纳米级即可），所述结构阵列的表面覆盖有一层疏水介质层，所述结构阵列布置在相邻条状结构的间隙之间；所述下基板上表面的裸露处覆盖有一层疏水介质层；

所述上基板的下表面覆盖有一层疏水介质层，在上基板和其上覆盖的疏水介质层之间并排间隔布置有一组电极，所述电极的长度方向取向和条状结构的长度方向取向相垂直。

优选的，所述微流体腔内为水性微流体，所述下基板与水性微流体接触角大于150°，具有超疏水性。

所述疏水介质层可以为含氟聚合物，比如聚四氟乙烯。

所述上基板和电极均为透明材质，便于观察并记录微流体操控特性。

所述所有条状结构表面的导电层在下基板的末端相连，实现统一加电，从而简化驱动电路。

有益效果：本发明提供的基于超疏水表面的电润湿微流体装置，创新地提出了基于复合超疏水结构的微流体操控界面，在电润湿效应作用下实现浸润性大范围可回复调控的同时，实现相比光滑疏水表面更快速的调控速度；首先，由于三相接触线沿着条状结构间隙的位移过程中其长度保持不变，从而不会增加额外的粘附力，基于此原理，利用该种条状结构形成的超疏水表面，电润湿效应可在其表面实现可回复的大范围浸润性调整；其次，在条状结构底部间隙的纳米结构表面由于不存在电极，可避免受到电润湿效应的影响，稳定维持在Cassie状态，在条状结构超疏水表面进行浸润性调整的过程中，提供可靠的减迟滞特性，提高流体位移速率。

附图说明

图1为本发明在无电润湿工作电压作用下的截面图；

图2为本发明在无电润湿工作电压作用下的侧面图；

图3为本发明在有电润湿工作电压作用下的截面图；

图4为本发明在有电润湿工作电压作用下上基板的侧面图；

图5为本发明在有电润湿工作电压作用下上基板的侧面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1、图2所示为一种基于超疏水表面的电润湿微流体装置，包括一个微流体操控的下基板12、一个微流体操控的上基板11、以及位于下基板12和上基板11之间的微流体腔10，所述微流体腔10内为水性微流体13，所述下基板12的上表面上设置有微纳米双重结构；所述微纳米双重结构中的微米结构包括并排间隔布置在下基板12上表面上的一组微米级条状结构16，所述条状结构16的表面覆盖有一层导电层18，所述导电层18的表面覆盖有一层疏水介质层19；所述微纳米双重结构中的纳米结构包括布置在下基板12上表面上的纳米级结构阵列17，所述结构阵列17的表面覆盖有一层疏水介质层19，所述结构阵列17布置在相邻条状结构16的间隙之间；所述下基板12上表面的裸露处覆盖有一层疏水介质层19；

所述上基板11的下表面覆盖有一层疏水介质层19，在上基板11和其上覆盖的疏水介质层19之间并排间隔布置有一组电极15，所述电极15的长度方向取向和条状结构16的长度方向取向相垂直。

所述上基板11与下基板12采用材质的要求包括：机械强度高、耐热耐寒、耐水性、良好的透明性，本实施例中利用玻璃。在实际器件制备过程中，上基板11和下基板12之间由垫片隔开，有效起到支撑作用，从而形成微流体腔10。上基板11与疏水介质层19中间设置的并列排布的电极15由透明导电材质制成，如氧化铟锡。电极15中电极尺寸较为狭长，且相邻电极间隔极小。在本实施方案中电极15与导电层18分别起到接地和施加驱动信号的作用，两者也可调换使用，即对所有电极15依次施加驱动信号，对导电层18施加接地信号。所述疏水介质层19由透明材质制成，如单层疏水性的透明非晶态含氟聚合物，或者在透明无机或者有机介质层表面沉积此含氟聚合物，本发明中利用AF1600。

如图2是本发明电润湿微流体装置在无电润湿工作电压作用下的截面图。水性微流体13处于上基板11和下基板12之间的微流体腔10内。条状结构16具备了与水接触角大于150°的超疏水特性，因此水性微流体13无法渗入条状结构16的间隙。

如图3是本发明电润湿微流体装置在有电润湿工作电压作用下的截面图。由于电润湿效应的作用，条状结构16的表面具备了亲水特性，水性微流体13因此渗入其结构间隙。结构阵列17表面没有电极层，因此避免了电润湿效应，其表面依然具备了与水接触角大于150°的超疏水特性，维持了减迟滞特性。

如图4是本发明电润湿微流体装置上基板11表面在有电润湿工作电压作用下的侧面。由于电润湿效应的作用，水性微流体13由图1中的扁圆柱形变成了扁长方体。这是由于在电润湿效应作用下，水滴倾向于粘附在施加有电压的电极表面。本实施方案中，同时驱动了电极15中的两个电极，在实际操作过程中，也可以同时驱动多个电极15或者单个电极15。

如图5是本发明电润湿微流体装置上基板11表面在有电润湿工作电压作用下的侧面。通过关闭施加在所有电极15中的两个电极15上的驱动电压，再开启相邻两个电极15上的驱动电压，水性微流体13的位置也相应的发生了变化。

与现有技术相比，本发明创新地提出了基于复合超疏水结构的微流体操控界面，该复合超疏水结构由微米级条状结构16与纳米级结构阵列17构成。在电润湿效应作用下实现浸润性大范围可回复调控的同时，实现相比光滑疏水表面更快速的调控速度。首先，由于三相接触线沿着条状结构间隙的位移过程中其长度保持不变，从而不会增加额外的粘附力，基于此原理，利用该种微米级条状结构阵列16形成的超疏水表面，电润湿效应可在其表面实现可回复的大范围浸润性调整；其次，在微米级条状结构16底部间隙的纳米级结构阵列17表面由于不存在电极，可避免受到电润湿效应的影响，稳定维持在具有减迟滞特性的Cassie状态，在微米级条状结构阵列16超疏水表面进行浸润性调整的过程中，提供可靠的减迟滞特性，提高流体位移速率，是一种具有强驱动能力、弱迟滞特性的微流体装置。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于超疏水表面的电润湿微流体装置，其特征在于：包括一个微流体操控的下基板（12）、一个微流体操控的上基板（11）、以及位于下基板（12）和上基板（11）之间的微流体腔（10），所述下基板（12）的上表面上设置有微纳米双重结构；所述微纳米双重结构中的微米结构包括并排间隔布置在下基板（12）上表面上的一组微米级条状结构（16），所述条状结构（16）的表面覆盖有一层导电层（18），所述导电层（18）的表面覆盖有一层疏水介质层（19）；所述微纳米双重结构中的纳米结构包括布置在下基板（12）上表面上的纳米级结构阵列（17），所述结构阵列（17）的表面覆盖有一层疏水介质层（19），所述结构阵列（17）布置在相邻条状结构（16）的间隙之间；所述下基板（12）上表面的裸露处覆盖有一层疏水介质层（19）；

所述上基板（11）的下表面覆盖有一层疏水介质层（19），在上基板（11）和其上覆盖的疏水介质层（19）之间并排间隔布置有一组电极（15），所述电极（15）的长度方向取向和条状结构（16）的长度方向取向相垂直。

2.根据权利要求1所述的基于超疏水表面的电润湿微流体装置，其特征在于：所述微流体腔（10）内为水性微流体（13），所述下基板（12）与水性微流体（13）接触角大于150°。

3.根据权利要求1所述的基于超疏水表面的电润湿微流体装置，其特征在于：所述疏水介质层（19）为含氟聚合物。

4.根据权利要求1所述的基于超疏水表面的电润湿微流体装置，其特征在于：所述上基板（11）和电极（15）均为透明材质。

5.根据权利要求1所述的基于超疏水表面的电润湿微流体装置，其特征在于：所述所有条状结构（16）表面的导电层（18）在下基板（12）的末端相连。