CN111589476A - 一种液滴定向运输装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液滴定向运输装置，包括绝缘基底、叉指电极和电介质层；叉指电极设于绝缘基底上，包括第一电极和第二电极，第一电极具有至少两个第一指部，第二电极具有至少一个第二指部；第一指部和第二指部间隔交错排布，且相邻的第一指部和第二指部之间的距离逐渐改变；电介质层覆设于叉指电极上。本发明该液滴定向运输装置通过以上叉指电极的设置以引入电场致润湿性梯度，可通过电源组件驱动波形频率的调控实现覆盖导电液体和绝缘液体的宽范围液体材料体系的定向输运；并且通过外场非接触的操控方式，液体的传输速度可以通过外加电压的幅值和频率等加以灵活控制。

Description

一种液滴定向运输装置
技术领域
本发明涉及液滴定向运输技术领域，尤其是涉及一种液滴定向运输装置。
背景技术
实现液滴的定向运输在如传热、自清洁、生物分析和芯片实验室设备等众多科学领域中有着广泛的应用前景。目前已经研究出了许多液滴定向运输的方法，但大多数只能实现单一种类的液体(主要是导电液体)的运输，而无法实现较宽范围的液体体系(包括导电液体和绝缘液体)的定向运输，并且不能灵活地控制液滴运输的速度，这些都极大地限制了液滴运输的应用发展。
目前，实现液滴定向运输的驱动方式主要有两种，一种是利用不对称化学成分或物理结构产生润湿梯度的被动驱动，另外一种是在外部刺激如光、电场或磁场等作用下产生的主动驱动。其中，被动驱动是依靠表面的各向异性润湿性，主要是不对称化学成分或物理结构造成的表面润湿性的差异，即液滴两侧的接触角差异，实现液滴的定向运输，这种被动驱动无法灵活地控制液滴的运输速度。主动驱动通过外部刺激如光、电场或磁场等产生的润湿性梯度实现液滴的定向运输。目前的主动驱动方式一般只能进行单一种类液体驱动，无法同时实现导电液体和绝缘液体的定向运输。因此，迫切需要研发出一种可灵活操控速度，同时可实现导电液体和绝缘液体等宽液体材料体系的定向运输方法或装置。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种液滴定向运输装置，能够实现覆盖导电液体和绝缘液体的宽液体材料体系的定向运输。
第一方面，本发明的一个实施例提供了一种液滴定向运输装置，包括：
绝缘基底；
叉指电极，设于所述绝缘基底上；所述叉指电极包括第一电极和第二电极，所述第一电极具有至少两个第一指部，所述第二电极具有至少一个第二指部；所述第一指部和所述第二指部间隔交错排布，且相邻的所述第一指部和所述第二指部之间的距离逐渐改变；
电介质层，覆设于所述叉指电极上。
本发明实施例的液滴定向运输装置至少具有如下有益效果：该液滴定向运输装置通过在绝缘基底和电介质层之间设置叉指电极，叉指电极上第一电极的第一指部与第二电极的第二指部间隔交错排布，且相邻的第一指部和第二指部之间的距离逐渐改变，采用以上叉指电极，通过电源组件向第一电极和第二电极通电时，可产生电场强度梯度，从而引起润湿性梯度，相邻的第一指部和第二指部之间的距离越小，对应区域的电场强度越高，进而其附近区域的润湿性也更高，这种润湿性的差异会使液滴向对应叉指电极上相邻第一指部和第二指部间距小的方向移动，从而可实现定向运输。此外，通过调节电源组件的驱动波形的频率，可实现导电液体和绝缘液体驱动的变换；而调节外加电压的幅值大小可灵活调控液体的运输速度。
由上，该液滴定向运输装置通过以上叉指电极的设置以引入电场致润湿性梯度，可通过电源组件驱动波形频率的调控实现覆盖导电液体和绝缘液体的宽范围液体材料体系的定向输运；并且通过外场非接触的操控方式，液滴的运输速度可以通过施加电压的幅值加以灵活控制，对液滴体积的依赖性不高；且该装置结构简单，制造工艺控制难度和成本较低，易于推广应用。
根据本发明的另一些实施例的液滴定向运输装置，所述第一电极包括若干个第一指部和用于连接各所述第一指部的第一连接部，所述第二电极包括若干个第二指部和用于连接各所述第二指部的第二连接部；所述第二连接部和所述第一连接部间隔设置，且所述第一指部自所述第一连接部朝所述第二连接部延伸，所述第二指部自所述第二连接部朝所述第一连接部延伸，所述第一指部和所述第二指部间隔交错排布。
根据本发明的另一些实施例的液滴定向运输装置，所述叉指电极为径向叉指电极；所述第一连接部和所述第二连接部径向内外间隔设置，所述第二连接部绕设于所述第一连接部的径向外侧，所述第二指部自所述第二连接部径向往内朝所述第一连接部延伸，所述第一指部自所述第一连接部径向往外朝所述第二连接部延伸。
根据本发明的另一些实施例的液滴定向运输装置，所述第一连接部和所述第二连接部同心间隔设置。
根据本发明的另一些实施例的液滴定向运输装置，相邻的所述第一指部和所述第二指部之间的夹角小于或等于30°。
根据本发明的另一些实施例的液滴定向运输装置，所述第一连接部和所述第二连接部平行间隔设置，相邻的所述第一指部和所述第二指部之间的距离沿所述第一连接部和所述第二连接部的延伸方向逐渐改变。
根据本发明的另一些实施例的液滴定向运输装置，所述电介质层的材料为微纳米多孔材料，如含氟聚合物、聚二甲基硅氧烷等。
根据本发明的另一些实施例的液滴定向运输装置，所述电介质层上设有润滑界面层。
根据本发明的另一些实施例的液滴定向运输装置，所述绝缘基底为刚性绝缘基底。
根据本发明的另一些实施例的液滴定向运输装置，还包括电源组件，所述电源组件的两极分别与所述第一电极和所述第二电极电性连接。
附图说明
图1是本发明液滴定向运输装置一实施例的结构示意图；
图2是图1中的Ⅱ-Ⅱ截面的剖视图；
图3是本发明液滴定向运输装置另一实施例中叉指电极的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
在本发明实施例的描述中，如果涉及到方位描述，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明实施例的描述中，如果某一特征被称为“设置”、“固定”、“连接”、“安装”在另一个特征，它可以直接设置、固定、连接在另一个特征上，也可以间接地设置、固定、连接、安装在另一个特征上。在本发明实施例的描述中，如果涉及到“若干”，其含义是一个以上，如果涉及到“多个”，其含义是两个以上，如果涉及到“大于”、“小于”、“超过”，均应理解为不包括本数，如果涉及到“以上”、“以下”、“以内”，均应理解为包括本数。如果涉及到“第一”、“第二”，应当理解为用于区分技术特征，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
请参照图1和图2，图1为本发明液滴定向运输装置一实施例的结构示意图，图2是图1中的Ⅱ-Ⅱ截面的剖视图。如图1和图2所示，该液滴定向运输装置包括绝缘基底11、叉指电极12和电介质层13；叉指电极12设于绝缘基底11上，叉指电极12包括第一电极14和第二电极15，第一电极14具有至少两个第一指部141，第二电极15具有至少一个第二指部151；第一指部141和第二指部151间隔交错排布，且相邻的第一指部141和第二指部151之间的距离逐渐改变；电介质层13覆设于叉指电极12上。
绝缘基底11的材质一般采用刚性绝缘材料，通常采用玻璃基底。
在本实施例中，叉指电极12为径向叉指电极，其包括第一电极14和第二电极15，第一电极14包括六个第一指部141和连接各第一指部141的第一连接部142，第二电极15包括六个第二指部151和连接各第二指部151的第二连接部152，第一连接部142和第二连接部152径向内外间隔设置，第二连接部152绕设于第一连接部142的径向外侧，第二指部151自第二连接部152径向往内朝第一连接部142延伸，第一指部141自第一连接部142径向往外朝第二连接部152延伸。相邻的第一指部141和第二指部151之间的距离沿第一指部141自第一连接部142朝第二连接部152的延伸方向逐渐增大。
在本实施例中，第一连接部142和第二连接部152同心间隔设置，第二连接部152呈圆环形。而在其他实施例，第二连接部152可设计为椭圆形、扇形等形状，第一连接部142和第二连接部152间隔设置，且第二连接部152绕设于第一连接部142的外侧，第二指部151自第二连接部152朝第一连接部142延伸，第一指部141自第一连接部142朝第二连接部152延伸。
另外，叉指电极12中第一电极14和第二电极15的指部个数可根据实际需要进行设置。例如可设计成：第一指部141为两个，第二指部151为一个、两个或三个；或者，第一指部141为四个，第二指部151为三个、四个或五个等。相邻的第一指部141和第二指部151之间的夹角一般小于或等于30°。第一指部141和第二指部151的宽度通常为微米级别，如可设计为20μm。叉指电极12可采用ITO、Cu/Ag等薄膜电极材料制成。
电介质层13的材质可采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、特氟隆、AF系列含氟聚合物材料、Hyflon系列含氟聚合物材料等微纳米多孔材料，其厚度一般为10±1μm。为了减少液滴运输过程中的接触角滞后，实现液滴的无损运输，可进一步在电介质层13上设置润滑界面层，具体可将电介质层13浸润到润滑油(如硅油)中，以使润滑油灌入电介质层13的多孔结构中，形成超润滑界面。
在本实施例中，液滴定向运输装置还可包括电源组件16，电源组件16的两级分别与第一电极14和第二电极15电性连接。当然，在其他实施例中，液滴定向运输装置本身也可不包含电源组件，使用时再配合外部电源组件使用。
本实施例液滴定向运输装置采用以上径向叉指电极，通过向叉指电极12的第一电极14和第二电极15施加直流或交流电压，电极的径向交指设计可以产生电场强度梯度，从而引起润湿性梯度。由于越靠近径向中心，相邻电极之间的距离越小，因此在中心位置的电场强度也会更高，进而对应径向叉指电极中心附近的电介质层13表面润湿性也更好，这种润湿性差异可驱动电介质层13表面的液滴向中心移动，从而实现定向运输。通过调节所施加驱动波形的频率，可实现导电液体和绝缘液体驱动的变换；而调节所施加电压的幅值大小和频率等可灵活控制液滴的运输速度。
图1所示的液滴定向运输装置中叉指电极12采用径向叉指电极，在其他实施例中，也可采用其他结构的叉指电极。例如，请参阅图3，图3是本发明液滴定向运输装置另一实施例中所采用的叉指电极的结构示意图。如图3所示，该叉指电极包括第一电极24和第二电极25，第一电极24包括多个个第一指部241和用于连接各第一指部241的第一连接部242，第二电极25包括多个第二指部251和用于连接各第二指部251的第二连接部252，第一连接部242和第二连接部252平行间隔设置，第一指部241自第一连接部242朝第二连接部252延伸，第二指部251自第二连接部252朝第一连接部242延伸，第一指部241和第二指部251间隔交错排布，且相邻的第一指部241和第二指部251之间的距离沿第一连接部242和第二连接部252的延伸方向逐渐改变。具体如图3所示，在本实施例中，相邻的第一指部241和第二指部251之间的距离沿第一连接部242和第二连接部252自左向右的延伸方向逐渐增大。在其他实施例中，也可设计为相邻的第一指部241和第二指部251之间的距离沿第一连接部242和第二连接部252的延伸方向逐渐减小，或先逐渐增大后逐渐减小，或先逐渐减小后逐渐增大，或者逐渐增大和逐渐减少交替等。相邻的第一指部241和第二指部251之间间距的具体改变方式可根据液滴的运输要求进行设计，对此不作限定。
可采用图3所示叉指电极代替图1所示液滴定向运输装置中的叉指电极，以构成液滴定向运输装置，使用过程中可通过电源组件向叉指电极的第一电极24和第二电极25施加直流或交流电压，由于叉指电极上相邻的第一指部241和第二指部251之间的距离沿第一连接部242和第二连接部252的延伸方向逐渐改变，相邻电极之间的距离越小，对应位置的电场强度也会越高，进而对应位置的电介质层表面的润湿性越好，这种润湿性差异可驱动电介质层表面的液滴向对应相邻第一指部241和第二指部251间距小的位置移动，从而实现定向运输；通过调节外加驱动波形的频率，可实现导电液体和绝缘液体驱动的变换，而调节外加电压的幅值大小可灵活控制液滴的运输速度。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.一种液滴定向运输装置，其特征在于，包括：
绝缘基底；
叉指电极，设于所述绝缘基底上；所述叉指电极包括第一电极和第二电极，所述第一电极具有至少两个第一指部，所述第二电极具有至少一个第二指部；所述第一指部和所述第二指部间隔交错排布，且相邻的所述第一指部和所述第二指部之间的距离逐渐改变；
电介质层，覆设于所述叉指电极上。
2.根据权利要求1所述的液滴定向运输装置，其特征在于，所述第一电极包括若干个第一指部和用于连接各所述第一指部的第一连接部，所述第二电极包括若干个第二指部和用于连接各所述第二指部的第二连接部；所述第二连接部和所述第一连接部间隔设置，且所述第一指部自所述第一连接部朝所述第二连接部延伸，所述第二指部自所述第二连接部朝所述第一连接部延伸，所述第一指部和所述第二指部间隔交错排布。
3.根据权利要求2所述的液滴定向运输装置，其特征在于，所述叉指电极为径向叉指电极；所述第一连接部和所述第二连接部径向内外间隔设置，所述第二连接部绕设于所述第一连接部的径向外侧，所述第二指部自所述第二连接部径向往内朝所述第一连接部延伸，所述第一指部自所述第一连接部径向往外朝所述第二连接部延伸。
4.根据权利要求3所述的液滴定向运输装置，其特征在于，所述第一连接部和所述第二连接部同心间隔设置。
5.根据权利要求3所述的液滴定向运输装置，其特征在于，相邻的所述第一指部和所述第二指部之间的夹角小于或等于30°。
6.根据权利要求2所述的液滴定向运输装置，其特征在于，所述第一连接部和所述第二连接部平行间隔设置，相邻的所述第一指部和所述第二指部之间的距离沿所述第一连接部和所述第二连接部的延伸方向逐渐改变。
7.根据权利要求1所述的液滴定向运输装置，其特征在于，所述电介质层的材料为微纳米多孔材料。
8.根据权利要求1所述的液滴定向运输装置，其特征在于，所述电介质层上设有润滑界面层。
9.根据权利要求8所述的液滴定向运输装置，其特征在于，所述绝缘基底为刚性绝缘基底。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的液滴定向运输装置，其特征在于，还包括电源组件，所述电源组件的两极分别与所述第一电极和所述第二电极电性连接。
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