一种低电压的微液滴控制器件
阅读：1015发布：2020-07-16
专利汇可以提供一种低电压的微液滴控制器件专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种 低 电压 的微液滴 控制器 件，属于微 机电系统 (MEMS)技术与微 流体 控制技术领域。本发明包括上下两层芯片和相应的控制 电路 ；该下层芯片由下 基板 、控制 电极 阵列和疏 水 绝缘层和进液口构成；该上层芯片由上基板、参考电极层和疏水绝缘层组成；所述上下层芯片由 支撑 结构进行机械连接，该参考电极层和控制电极阵列通过控制电路进行电连接，该参考电极层接地，该控制电极阵列通过 开关 切换施加正电压；该下层芯片表面具有按一定规律分布的可增强表面 润湿性 的微结构。本发明不但具有已有器件的诸多优点，而且比常规的 电润湿 微液滴控制技术控制速度更快，可控液滴尺寸更小，功耗更低，器件体积更小。可以作为一种新的微流体控制的平台技术。，下面是一种低电压的微液滴控制器件专利的具体信息内容。
1、一种低电压的微液滴控制器件，包括上下两层芯片和相应的控制电路；该下层 芯片由下基板、控制电极阵列和疏水绝缘层和进液口构成；该上层芯片由上基板、参考 电极层和疏水绝缘层组成；所述上下层芯片由支撑结构进行机械连接，该参考电极层和 控制电极阵列通过控制电路进行电连接，该参考电极层接地，该控制电极阵列通过开关 切换施加正电压；其特征在于，该下层芯片表面具有按一定规律分布的可增强表面润湿 性的微结构。
2、如权利要求1所述的低电压的微液滴控制器件，其特征在于，所述的微结构为 用微机械加工方法或化学方法制备的分布均匀或不均匀多个微凸结构。
3、如权利要求2所述的低电压的微液滴控制器件，其特征在于，所述的微凸结构 为长方体、正六棱柱或圆柱。
4、如权利要求2或3所述的低电压的微液滴控制器件，其特征在于，该微凸结构 的特征尺寸在亚微米到毫米之间，其间距在亚微米到毫米之间。
5、如权利要求1所述的低电压的微液滴控制器件，其特征在于，所述的微结构也 包括利用化学或者生物方法形成的不规则结构。
技术领域
本发明属于微机电系统(MEMS)技术与微流体控制技术领域，特别涉及到微小液滴 的控制器件的设计。
背景技术
在过去的十年间，微流体系统(Microfluidic System)已经逐渐发展成为生命科 学等领域中的一项关键技术，在包括生化、医学、环境、军事和工业在内的多个领域具 有广泛的应用。
微流体系统性能得以发挥的关键和基础是微流体控制技术，也就是如何快速、精确 和高效地操纵微量流体。尽管当前存在诸多微流体控制技术，但仍然缺乏在足够有效基 础上的兼具微型化、低成本、低功耗和简单可靠等诸多优点于一身的平台技术，这也成 为制约微流体系统更广泛和成功应用的技术瓶颈之一。
在众多微流体控制技术中，基于介质材料电润湿(ElectroWetting on Dielectrics， 简称EWOD)原理的微液滴控制技术是一种新兴的微流体控制技术。与其它微流体控制 技术(如电渗流、微机械泵和阀、热毛细泵等)相比，EWOD微液滴控制技术具有实现 简单、功耗低(只需要几十伏电压)、无可动部件因而可靠、尺寸小、控制功能多而且 快速灵活、无死体积、定量化、对液体无损伤等综合优点。介质材料上的电润湿效应是 一种通过施加电势来改变液体表面张力的可逆现象。电极被一层绝缘层覆盖，当在液体 和电极之间施加一定的电压后，液固表面张力会发生可逆性的变化，这表现为液滴在固 体表面接触角的变化。据报道在80V的电压作用下，液滴最大的接触角变化可以达到 40°。图1为该效应的原理示意图。图1中，基底2上有下电极层42和绝缘层3，不加 电压时结构表面为疏水的；液滴1在绝缘层表面，上电极41插入液滴1内部用于施加 电压，电路由开关5控制，施加电压由可调电压源6供给和控制，电路的另一端接到下 电极层。当液滴1滴到结构表面时，当不加电压时，也就是开关5打开，由于结构表面 为疏水的，此时液滴的静态接触角为θ0＞90°，如图1a所示；当开关5闭合时，在液 滴1和下电极层42之间有电势作用，此时液滴1的静态接触角有原来的θ0变化为 θ(V)，并且θ0＞θ(V)。其中V为可调电压源6提供的电压。液滴1静态接触角的变化 Δθ＝θ(V)-θ0，与施加的电压V有关。在一定电压作用下，θ(V)＜90°，也就是说 此时材料表面变成了亲水的，如图1b所示的情况。当开关5重新打开时，也就是液滴1 和下电极层4-2之间没有电势作用时，液滴的静态接触角重新回复到θ0。这种现象就 称为介质材料上的电润湿效应。
利用这种原理，Duke大学的Pollack M.G.等人首先基于介质材料上的电润湿效应 效应并采用微机械制作的微电极阵列进行了液滴的运动控制，并提出了“数字微流体 (Digital Microfluidics)”的概念。UCLA的S K Cho等人成功地利用EWOD效应对直 径为70μm的液滴进行了液滴产生、传输、混合和分裂四个基本操作，并进行了相关的 理论研究。该研究小组在25V的交流电压下得到了250mm/s的液滴移动速度。在2003 年，Duke大学的研究小组研制出了基于EWOD的血糖传感器样机。
当前基于介质材料上的电润湿效应的微液滴控制器件的结构一般如图2所示 (Pollack M G，Fair R B，et al.Electrowetting-based actuation of liquid droplets for microfluidic applications，Applied Physics Letters，77(11)， 2000：1725~1726；)。该控制器件分为上下两层芯片和相应的控制电路组成。下层芯片由 下基板22、控制电极阵列42和疏水绝缘层3构成，上层芯片由上基板21、参考电极层 41和疏水绝缘层3组成。上下层芯片由支撑结构7进行机械连接，参考电极层41和控 制电极阵列42通过控制电路8进行电连接，参考电极层41接地，控制电极阵列42通 过控制电路8的开关切换施加正电压。下层芯片和上层芯片与液滴1接触的表面都是平 整的。该微液滴控制器是利用在控制电极阵列42上顺序施加电压，由于电压的作用而 引起的电润湿现象，导致与施加电压接触的液滴1的部分接触角发生变化，而其它没有 受到电润湿现象影响的液滴1的部分接触角不发生变化，由此在液滴中产生了表面张力 的不平衡。这种表面张力的不平衡使得液滴1受到一个净表面张力的作用而移动。
然而，当前这种基于介质材料上的电润湿效应和微电极阵列的微流体控制技术还存 在一些问题：(1)液体表面张力变化所产生的力较小，所以液滴移动速度不高；(2)由于 液滴表面张力的大小与液滴的尺寸成反比，该方法用于控制更小的微液滴(如直径10μm 以下的液滴)运动时效果不好，由于控制用的微电极大小与待控液滴的大小成正比，因 而当前该方法所需要的控制电极尺寸偏大(在1mm×1mm的量级)，这不利于器件的微型 化和高密度集成。该方法用于液滴控制的驱动电压较大，在15V～80V之间。
微流体系统性能得以发挥的关键和基础是微流体控制技术，也就是如何快速、精确 和高效地操纵微量流体。尽管当前存在诸多微流体控制技术，但仍然缺乏在足够有效基 础上的兼具微型化、低成本、低功耗和简单可靠等诸多优点于一身的平台技术，这也成 为制约微流体系统更广泛和成功应用的技术瓶颈之一。
在众多微流体控制技术中，基于介质材料电润湿(ElectroWetting on Dielectrics， 简称EWOD)原理的微液滴控制技术是一种新兴的微流体控制技术。与其它微流体控制 技术(如电渗流、微机械泵和阀、热毛细泵等)相比，EWOD微液滴控制技术具有实现 简单、功耗低(只需要几十伏电压)、无可动部件因而可靠、尺寸小、控制功能多而且 快速灵活、无死体积、定量化、对液体无损伤等综合优点。介质材料上的电润湿效应是 一种通过施加电势来改变液体表面张力的可逆现象。电极被一层绝缘层覆盖，当在液体 和电极之间施加一定的电压后，液固表面张力会发生可逆性的变化，这表现为液滴在固 体表面接触角的变化。据报道在80V的电压作用下，液滴最大的接触角变化可以达到 40°。图1为该效应的原理示意图。图1中，基底2上有下电极层42和绝缘层3，不加 电压时结构表面为疏水的；液滴1在绝缘层表面，上电极41插入液滴1内部用于施加 电压，电路由开关5控制，施加电压由可调电压源6供给和控制，电路的另一端接到下 电极层。当液滴1滴到结构表面时，当不加电压时，也就是开关5打开，由于结构表面 为疏水的，此时液滴的静态接触角为θ0＞90°，如图1a所示；当开关5闭合时，在液 滴1和下电极层42之间有电势作用，此时液滴1的静态接触角有原来的θ0变化为 θ(V)，并且θ0＞θ(V)。其中V为可调电压源6提供的电压。液滴1静态接触角的变化 Δθ＝θ(V)-θ0，与施加的电压V有关。在一定电压作用下，θ(V)＜90°，也就是说 此时材料表面变成了亲水的，如图1b所示的情况。当开关5重新打开时，也就是液滴1 和下电极层4-2之间没有电势作用时，液滴的静态接触角重新回复到θ0。这种现象就 称为介质材料上的电润湿效应。
利用这种原理，Duke大学的Pollack M.G.等人首先基于介质材料上的电润湿效应 效应并采用微机械制作的微电极阵列进行了液滴的运动控制，并提出了“数字微流体 (Digital Microfluidics)”的概念。UCLA的S K Cho等人成功地利用EWOD效应对直 径为70μm的液滴进行了液滴产生、传输、混合和分裂四个基本操作，并进行了相关的 理论研究。该研究小组在25V的交流电压下得到了250mm/s的液滴移动速度。在2003 年，Duke大学的研究小组研制出了基于EWOD的血糖传感器样机。
当前基于介质材料上的电润湿效应的微液滴控制器件的结构一般如图2所示 (Pollack M G，Fair R B，et al.Electrowetting-based actuation of liquid droplets for microfluidic applications，Applied Physics Letters，77(11)， 2000：1725~1726；)。该控制器件分为上下两层芯片和相应的控制电路组成。下层芯片由 下基板22、控制电极阵列42和疏水绝缘层3构成，上层芯片由上基板21、参考电极层 41和疏水绝缘层3组成。上下层芯片由支撑结构7进行机械连接，参考电极层41和控 制电极阵列42通过控制电路8进行电连接，参考电极层41接地，控制电极阵列42通 过控制电路8的开关切换施加正电压。下层芯片和上层芯片与液滴1接触的表面都是平 整的。该微液滴控制器是利用在控制电极阵列42上顺序施加电压，由于电压的作用而 引起的电润湿现象，导致与施加电压接触的液滴1的部分接触角发生变化，而其它没有 受到电润湿现象影响的液滴1的部分接触角不发生变化，由此在液滴中产生了表面张力 的不平衡。这种表面张力的不平衡使得液滴1受到一个净表面张力的作用而移动。
然而，当前这种基于介质材料上的电润湿效应和微电极阵列的微流体控制技术还存 在一些问题：(1)液体表面张力变化所产生的力较小，所以液滴移动速度不高；(2)由于 液滴表面张力的大小与液滴的尺寸成反比，该方法用于控制更小的微液滴(如直径10μm 以下的液滴)运动时效果不好，由于控制用的微电极大小与待控液滴的大小成正比，因 而当前该方法所需要的控制电极尺寸偏大(在1mm×1mm的量级)，这不利于器件的微型 化和高密度集成。该方法用于液滴控制的驱动电压较大，在15V～80V之间。
发明内容
本发明的目的是针对目前微流体控制技术的现状存在的不足之处，提出一种低电压 的基于表面张力的主动的微液滴控制器件。将介质材料上的电润湿微液滴控制技术和表 面粗糙润湿增强效应结合起来，采用本发明不但同时具有常规EWOD微液滴控制器件简 单、功耗低(只需要几十伏电压)、无可动部件、尺寸小、控制功能多而且快速灵活、 无死体积、定量化、对液体无损伤等综合优点，而且比常规的介质材料上的电润湿微液 滴控制技术控制速度更快，可控液滴尺寸更小，功耗更低，器件体积更小。可以作为一 种新的微流体控制的平台技术。
本发明提出的一种低电压的微液滴控制器件，包括上下两层芯片和相应的控制电 路；该下层芯片由下基板、控制电极阵列和疏水绝缘层和进液口构成；该上层芯片由上 基板、参考电极层和疏水绝缘层组成；所述上下层芯片由支撑结构进行机械连接，该参 考电极层和控制电极阵列通过控制电路进行电连接，该参考电极层接地，该控制电极阵 列通过开关切换施加正电压；其特征在于，该下层芯片表面具有按一定规律分布的可增 强表面润湿性的微结构。
上述的可增强表面润湿性的微结构可为用微机械加工方法或化学方法制备的分布 均匀或不均匀多个微凸结构。
所述的微凸结构可为长方体、正六棱柱或圆柱。
所述该微凸结构的特征尺寸在亚微米到毫米之间，其间距在亚微米到毫米之间。
所述的微结构也包括利用化学或者生物方法形成的不规则结构。
本发明的特点及效果：
本发明利用表面粗糙效应，通过在平整表面上制作一定形状和分布的微结构来增强 材料表面的润湿性，同时利用介质材料上的电润湿原理进行液滴接触角的电控制，从而 实现微液滴的控制。
利用本发明的微液滴控制器件，可以实现低驱动电压的纳升级微液滴的灵活控制， 达到微液滴的定位和传输。其中驱动电压在5～50V之间。该发明的微液滴控制器件与 当前现有的微流体控制器件相比，具有以下优点：
与微机械泵、电渗流和热毛细泵等微流体驱动器件相比，本发明可靠、控制灵活、 功耗低、对液体无损伤、制作方法简单、成本低；
与常规的基于介质材料上的电润湿原理的微液滴控制器件相比，本发明的液滴控制 效率更高，功耗更低，适用的液滴尺寸更小(纳升级)，器件尺寸更小。在相同的驱动 电压作用下，本发明与常规基于介质材料上的电润湿原理的微液滴控制技术相比，驱动 液滴速度更快，可驱动的最小液滴尺寸更小。
附图说明
图1为介质材料上的电润湿效应原理示意图；其中，
图1a为不加电压时，液滴的静态接触角为θ0＞90°的情况；
图1b为在施加一定电压作用下，液滴的静态接触角为θ(V)＜90°的情况。
图2为一般的基于介质材料电润湿效应的微液滴控制器件结构示意图。
图3为本发明的电润湿原理和表面粗糙疏水增强效应的微液滴控制器件结构及工 作过程示意图；其中，
图3a为不加电压时，液滴1的初始状态；
图3b控制电极阵列42的中间电极b施加电压时液滴1的状态；
图3c控制电极阵列42的中间电极b的电压撤掉后液滴1的状态；
图3d为控制电极阵列42的右侧电极c施加电压时液滴1的状态；
图4为本发明采用的不同形状和部分的表面微结构阵列实施例示意图，其中，
图4a为形状为长方体的等间距分布的微突起阵列；
图4b为形状为正六棱柱的等间距分布的微突起阵列；
图4c为形状为圆柱形的等间距分布的微突起阵列；
图4d为各种形状混合的等间距分布的微突起阵列；
图4e为形状为正方体的不等间距分布的微突起阵列；
图4f为用化学或者生物方法形成的复杂的表面微结构；
图5为本发明的利用表面微结构对介质材料上电润湿效应增强的原理示意图；其 中，
图5a为不加电压时，液滴的静态接触角为θr＞θ0＞90°的情况；
图5b为在施加一定电压作用下，液滴的静态接触角为θr(V)＜θ(V)＜90°
本发明提出的一种低电压的微液滴控制器件，包括上下两层芯片和相应的控制电 路；该下层芯片由下基板、控制电极阵列和疏水绝缘层和进液口构成；该上层芯片由上 基板、参考电极层和疏水绝缘层组成；所述上下层芯片由支撑结构进行机械连接，该参 考电极层和控制电极阵列通过控制电路进行电连接，该参考电极层接地，该控制电极阵 列通过开关切换施加正电压；其特征在于，该下层芯片表面具有按一定规律分布的可增 强表面润湿性的微结构。
上述的可增强表面润湿性的微结构可为用微机械加工方法或化学方法制备的分布 均匀或不均匀多个微凸结构。
所述的微凸结构可为长方体、正六棱柱或圆柱。
所述该微凸结构的特征尺寸在亚微米到毫米之间，其间距在亚微米到毫米之间。
所述的微结构也包括利用化学或者生物方法形成的不规则结构。
本发明的特点及效果：
本发明利用表面粗糙效应，通过在平整表面上制作一定形状和分布的微结构来增强 材料表面的润湿性，同时利用介质材料上的电润湿原理进行液滴接触角的电控制，从而 实现微液滴的控制。
利用本发明的微液滴控制器件，可以实现低驱动电压的纳升级微液滴的灵活控制， 达到微液滴的定位和传输。其中驱动电压在5～50V之间。该发明的微液滴控制器件与 当前现有的微流体控制器件相比，具有以下优点：
与微机械泵、电渗流和热毛细泵等微流体驱动器件相比，本发明可靠、控制灵活、 功耗低、对液体无损伤、制作方法简单、成本低；
与常规的基于介质材料上的电润湿原理的微液滴控制器件相比，本发明的液滴控制 效率更高，功耗更低，适用的液滴尺寸更小(纳升级)，器件尺寸更小。在相同的驱动 电压作用下，本发明与常规基于介质材料上的电润湿原理的微液滴控制技术相比，驱动 液滴速度更快，可驱动的最小液滴尺寸更小。
附图说明
图1为介质材料上的电润湿效应原理示意图；其中，
图1a为不加电压时，液滴的静态接触角为θ0＞90°的情况；
图1b为在施加一定电压作用下，液滴的静态接触角为θ(V)＜90°的情况。
图2为一般的基于介质材料电润湿效应的微液滴控制器件结构示意图。
图3为本发明的电润湿原理和表面粗糙疏水增强效应的微液滴控制器件结构及工 作过程示意图；其中，
图3a为不加电压时，液滴1的初始状态；
图3b控制电极阵列42的中间电极b施加电压时液滴1的状态；
图3c控制电极阵列42的中间电极b的电压撤掉后液滴1的状态；
图3d为控制电极阵列42的右侧电极c施加电压时液滴1的状态；
图4为本发明采用的不同形状和部分的表面微结构阵列实施例示意图，其中，
图4a为形状为长方体的等间距分布的微突起阵列；
图4b为形状为正六棱柱的等间距分布的微突起阵列；
图4c为形状为圆柱形的等间距分布的微突起阵列；
图4d为各种形状混合的等间距分布的微突起阵列；
图4e为形状为正方体的不等间距分布的微突起阵列；
图4f为用化学或者生物方法形成的复杂的表面微结构；
图5为本发明的利用表面微结构对介质材料上电润湿效应增强的原理示意图；其 中，
图5a为不加电压时，液滴的静态接触角为θr＞θ0＞90°的情况；
图5b为在施加一定电压作用下，液滴的静态接触角为θr(V)＜θ(V)＜90°
具体实施方式
本发明提出的低电压的微液滴控制器件结合附图及实施例详细说明如下：
本发明的一种低电压的微液滴控制器件结构如图3所示，该器件由上下两层芯片和 相应的控制电路组成。下层芯片由下基板22、控制电极阵列42和疏水绝缘层3构成， 上层芯片由上基板21、参考电极层41、疏水绝缘层3和进液口9组成。上下层芯片由 支撑结构7进行机械连接，参考电极层41和控制电极阵列42通过控制电路8进行电连 接，参考电极层41接地，控制电极阵列42通过开关切换施加正电压。下层芯片的表面 制作形成一定形状、尺寸和分布的微结构，以增加表面粗糙度，达到增加表面的润湿性， 疏水绝缘层3和控制电极阵列42均匀制作在整个下层芯片基板上。
实现本发明的制备工艺及工作过程的实施例详细说明如下：
图3中的下基板5采用硅材料，控制电极阵列6采用铂材料，疏水绝缘层4用 Teflon，支撑结构7材料采用SU-8光刻胶，上层基板材料采用玻璃(Corning或者 Pyrex7740)，参考电极层采用ITO(氧化铟铊)透明金属。整个芯片的制作过程可为： 首先通过ICP或者湿法刻蚀等技术在硅片上制作一定形状、尺寸和分布的微结构，如图 4a所示的长方体微突起结构。该长方体微突起221的长×宽×高可为2×2×2μm、20 ×20×20μm、200×200×200μm、500×500×500μm，对应的长方体微突起221的间 距可分别为4μm、40μm、400μm、1mm；然后在该硅片上沉积一层金属铂；对金属铂 层进行图形化刻蚀，形成一定形状和分布的控制电极阵列；然后在控制电极上利用旋涂 或者气相沉积的方法形成一薄层Teflon；下层芯片制作完成后，在其上旋涂一层SU-8 光刻胶，利用一定形状的掩模进行光刻、显影和去胶，形成支撑结构7；上层芯片的制 作工艺为：首先在玻璃基板上利用机械钻或者湿法刻蚀的方法制作进液口9，然后利用 气相沉积的方法形成一层均匀的ITO层，然后在ITO电极层上利用旋涂或者气相沉积的 方法沉积一层Teflon。上层芯片和下层芯片通过支撑结构7对准后粘结在一起即可。 控制电极阵列和参考电极层通过引线和外部的开关电路连接，控制电极阵列的控制采用 计算机程序控制，电压的大小由电源控制，该制备方法及电极阵列的控制方法均为常规 方法。
利用图3中本发明的微液滴控制器件对微液滴的控制方法为：液滴1进液口9导入 到上下芯片之间。液滴1的控制方法如下：参见图3a，当控制电路8的开关全部打开 时，也就是控制电极阵列42中的各个微电极都不加电势作用，此时液滴在上下芯片上 的接触角为θr＞90°。由于疏水绝缘层3的表面是疏水的，表面张力的平衡作用使得 液滴1不发生移动；参见图3b所示，当控制电路8的开关切换到图中中间的控制电极 b时，控制电极阵列42中间的电极施加了一定的电势V的作用，由于电润湿效应，该电 极接触的液滴1的边缘的接触角变为θr(V)＜90°。此时，由于液滴左边部分的接触角 仍然保持θr＞90°，而右边部分变为θr(V)＜90°，这种接触角的不平衡反映为表面张 力的不平衡，在这种表面张力的作用下，液滴1会从左向右运动；此时，参见图3c所 示，当将控制电路8的开关重新全部打开，由于电润湿效应的可逆性，液滴1边缘的接 触角又重新恢复到了θr＞90°并保持平衡，液滴1运动停止并停留在一定的位置上； 再参见图3d所示，当将控制电路8的开关切换到图中的c时，控制电极阵列42右边的 电极被施加了电势V的作用，此时与该电极接触的液滴1的部分接触角变为了θr(V)＜ 90°，而液滴1其它部分的接触角仍然保持为θr＞90°，表面张力的不平衡驱动液滴1 继续向右运动。如此反复，利用电润湿效应导致的液滴表面张力的不平衡和表面粗糙结 构导致的电润湿效应的增强，通过控制电极阵列6电极施加电势的程序控制，可以实现 液滴1的运动和定位等操作。液滴1的运动速度可以通过控制控制电极阵列42上施加 的电势大小和频率来调节。
本发明所述的下层芯片22表面微结构可以有不同的形状和尺寸，以及阵列分布。 图4列出了几种微结构的实施例。图4a所示为长方体微突起221的等间距阵列分布； 图4b为正六棱柱微突起222的等间距阵列分布；图4c为圆柱微突起223的等间距阵列 分布；图4d为混合不同形状微突起224的等间距阵列分布；图4e为长方体微突起225 的不等间距的阵列分布；图4f为复杂的不规则表面微突起结构226阵列，如用化学或 者生物方法制作的分形结构。
上述图4a-图4e中的表面微结构，特征尺寸可在亚微米到毫米之间，间距可在亚 微米到毫米之间。制作方法可以采用常规的微机械加工方法或化学方法等。本发明所述 的表面微结构可包括具有一定规律分布的具有增强表面润湿性的所有结构，也包括利用 化学或者生物方法形成的复杂结构，如图4f所示的结构。
本发明在下层芯片的表面制作形成具有一定分布规律和形状的微结构，是为了增加 表面的粗糙度，由此形成的电润湿效应导致的接触角变化更大，因此可以获得比常规平 表面的介质材料上电润湿效应的微液滴控制器件更好的控制性能。将介质材料上的电润 湿效应和表面粗糙润湿增强效应结合起来，在相同的电压作用下，就可以获得更大的接 触角改变。图5显示了这种增强的原理。图中为了更清晰的表示结构的组成，其中表面 微结构画的比真实结构要大。图5中，疏水绝缘层3、下电极层42和基底2形成的结 构表面具有一定设计的微结构。如果表面是疏水的，如图5a所示，当开关5打开时， 液滴1与下电极层42之间没有电势作用，此时液滴的静态接触角为θr，该接触角大于 相同材料情况下图1a所示的平表面的液滴静态接触角θ0，即θr＞θ0＞90°；当开关5 闭合后，如图5b所示，液滴1与下电极层3之间存在一定的电势差V，此时由于电润 湿效应，材料表面润湿性发生变化，液滴的静态接触角变为θr(V)，该接触角要小于相 同材料和电压情况下图1b所示的平表面的液滴静态接触角θ(V)，即θr(V)＜θ(V)。 同样，当可调电压源6供给的电压V达到一定数值时，材料表面变为亲水的，也即θr(V)＜ 90°。由此可见，当在材料表面制作一定形状、尺寸和分布的微结构或者通过其它方法 对表面粗糙度进行增强时，由于电润湿效应导致的施加电压前后的液滴接触角的变化 |Δθr+|＝|θr(V)-θr|(图5所示)，与材料表面平整时的施加电压前后的液滴接触角 变化|Δθ|＝|θ(V)-θ0|(图1所示)相比，也会加大，也即|Δθr+|＝|θr(V)- θr|＜|Δθ|＝|θ(V)-θ0|。
本发明的一种低电压的微液滴控制器件结构如图3所示，该器件由上下两层芯片和 相应的控制电路组成。下层芯片由下基板22、控制电极阵列42和疏水绝缘层3构成， 上层芯片由上基板21、参考电极层41、疏水绝缘层3和进液口9组成。上下层芯片由 支撑结构7进行机械连接，参考电极层41和控制电极阵列42通过控制电路8进行电连 接，参考电极层41接地，控制电极阵列42通过开关切换施加正电压。下层芯片的表面 制作形成一定形状、尺寸和分布的微结构，以增加表面粗糙度，达到增加表面的润湿性， 疏水绝缘层3和控制电极阵列42均匀制作在整个下层芯片基板上。
实现本发明的制备工艺及工作过程的实施例详细说明如下：
图3中的下基板5采用硅材料，控制电极阵列6采用铂材料，疏水绝缘层4用 Teflon，支撑结构7材料采用SU-8光刻胶，上层基板材料采用玻璃(Corning或者 Pyrex7740)，参考电极层采用ITO(氧化铟铊)透明金属。整个芯片的制作过程可为： 首先通过ICP或者湿法刻蚀等技术在硅片上制作一定形状、尺寸和分布的微结构，如图 4a所示的长方体微突起结构。该长方体微突起221的长×宽×高可为2×2×2μm、20 ×20×20μm、200×200×200μm、500×500×500μm，对应的长方体微突起221的间 距可分别为4μm、40μm、400μm、1mm；然后在该硅片上沉积一层金属铂；对金属铂 层进行图形化刻蚀，形成一定形状和分布的控制电极阵列；然后在控制电极上利用旋涂 或者气相沉积的方法形成一薄层Teflon；下层芯片制作完成后，在其上旋涂一层SU-8 光刻胶，利用一定形状的掩模进行光刻、显影和去胶，形成支撑结构7；上层芯片的制 作工艺为：首先在玻璃基板上利用机械钻或者湿法刻蚀的方法制作进液口9，然后利用 气相沉积的方法形成一层均匀的ITO层，然后在ITO电极层上利用旋涂或者气相沉积的 方法沉积一层Teflon。上层芯片和下层芯片通过支撑结构7对准后粘结在一起即可。 控制电极阵列和参考电极层通过引线和外部的开关电路连接，控制电极阵列的控制采用 计算机程序控制，电压的大小由电源控制，该制备方法及电极阵列的控制方法均为常规 方法。
利用图3中本发明的微液滴控制器件对微液滴的控制方法为：液滴1进液口9导入 到上下芯片之间。液滴1的控制方法如下：参见图3a，当控制电路8的开关全部打开 时，也就是控制电极阵列42中的各个微电极都不加电势作用，此时液滴在上下芯片上 的接触角为θr＞90°。由于疏水绝缘层3的表面是疏水的，表面张力的平衡作用使得 液滴1不发生移动；参见图3b所示，当控制电路8的开关切换到图中中间的控制电极 b时，控制电极阵列42中间的电极施加了一定的电势V的作用，由于电润湿效应，该电 极接触的液滴1的边缘的接触角变为θr(V)＜90°。此时，由于液滴左边部分的接触角 仍然保持θr＞90°，而右边部分变为θr(V)＜90°，这种接触角的不平衡反映为表面张 力的不平衡，在这种表面张力的作用下，液滴1会从左向右运动；此时，参见图3c所 示，当将控制电路8的开关重新全部打开，由于电润湿效应的可逆性，液滴1边缘的接 触角又重新恢复到了θr＞90°并保持平衡，液滴1运动停止并停留在一定的位置上； 再参见图3d所示，当将控制电路8的开关切换到图中的c时，控制电极阵列42右边的 电极被施加了电势V的作用，此时与该电极接触的液滴1的部分接触角变为了θr(V)＜ 90°，而液滴1其它部分的接触角仍然保持为θr＞90°，表面张力的不平衡驱动液滴1 继续向右运动。如此反复，利用电润湿效应导致的液滴表面张力的不平衡和表面粗糙结 构导致的电润湿效应的增强，通过控制电极阵列6电极施加电势的程序控制，可以实现 液滴1的运动和定位等操作。液滴1的运动速度可以通过控制控制电极阵列42上施加 的电势大小和频率来调节。
本发明所述的下层芯片22表面微结构可以有不同的形状和尺寸，以及阵列分布。 图4列出了几种微结构的实施例。图4a所示为长方体微突起221的等间距阵列分布； 图4b为正六棱柱微突起222的等间距阵列分布；图4c为圆柱微突起223的等间距阵列 分布；图4d为混合不同形状微突起224的等间距阵列分布；图4e为长方体微突起225 的不等间距的阵列分布；图4f为复杂的不规则表面微突起结构226阵列，如用化学或 者生物方法制作的分形结构。
上述图4a-图4e中的表面微结构，特征尺寸可在亚微米到毫米之间，间距可在亚 微米到毫米之间。制作方法可以采用常规的微机械加工方法或化学方法等。本发明所述 的表面微结构可包括具有一定规律分布的具有增强表面润湿性的所有结构，也包括利用 化学或者生物方法形成的复杂结构，如图4f所示的结构。
本发明在下层芯片的表面制作形成具有一定分布规律和形状的微结构，是为了增加 表面的粗糙度，由此形成的电润湿效应导致的接触角变化更大，因此可以获得比常规平 表面的介质材料上电润湿效应的微液滴控制器件更好的控制性能。将介质材料上的电润 湿效应和表面粗糙润湿增强效应结合起来，在相同的电压作用下，就可以获得更大的接 触角改变。图5显示了这种增强的原理。图中为了更清晰的表示结构的组成，其中表面 微结构画的比真实结构要大。图5中，疏水绝缘层3、下电极层42和基底2形成的结 构表面具有一定设计的微结构。如果表面是疏水的，如图5a所示，当开关5打开时， 液滴1与下电极层42之间没有电势作用，此时液滴的静态接触角为θr，该接触角大于 相同材料情况下图1a所示的平表面的液滴静态接触角θ0，即θr＞θ0＞90°；当开关5 闭合后，如图5b所示，液滴1与下电极层3之间存在一定的电势差V，此时由于电润 湿效应，材料表面润湿性发生变化，液滴的静态接触角变为θr(V)，该接触角要小于相 同材料和电压情况下图1b所示的平表面的液滴静态接触角θ(V)，即θr(V)＜θ(V)。 同样，当可调电压源6供给的电压V达到一定数值时，材料表面变为亲水的，也即θr(V)＜ 90°。由此可见，当在材料表面制作一定形状、尺寸和分布的微结构或者通过其它方法 对表面粗糙度进行增强时，由于电润湿效应导致的施加电压前后的液滴接触角的变化 |Δθr+|＝|θr(V)-θr|(图5所示)，与材料表面平整时的施加电压前后的液滴接触角 变化|Δθ|＝|θ(V)-θ0|(图1所示)相比，也会加大，也即|Δθr+|＝|θr(V)- θr|＜|Δθ|＝|θ(V)-θ0|。
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