• / 4
  • 下载费用:10 金币  

新型开放式液滴驱动芯片.pdf

关 键 词:
新型 开放式 驱动 芯片
资源描述:
第28卷 第4期2005 年 12 月电 子 器 件C hinese Journal of E lectron D evicesV ol.28 N o.4Dec. 2005Novel Open-Structure Droplets Actuating ChipWU J ian-gang,YUE Rui -feng,ZENG Xue-feng,LIU Li-tian(Institute of Microelectronics,Tsinghua University,Beijing 100084,China)Abstract:A novel open-structure discrete droplets actuation based on E lectrow etting-on-dielectric is pre-sented, consisting ofheavy doped poly-silico n u sed as th e m icroelectrode array, the com plex layer oftheSiO2 film and thefluorocarbon polym erfilm asthehydrophobicdielectriclayer, the suspended silicon-alu-m inum line as the ground electrode. By controlling the sequence of voltage pulses applied to the m icroelec-trode array underthedielectriclayer, dropletson thesurfaceofthehydrophobiclayercould bem anipulat-ed. O w ing to the suspended-line structure, the transportation ofdroplet wassuccessfully achieved in airbyapplying thevoltage pulseof40V .Keywords:m icro-total-analysis system ;m icrofluidics;electrow etting-on-dielectric;open-structureEEACC:2570K新型开放式液滴驱动芯片吴建刚,岳瑞峰,曾雪锋,刘理天(清华大学微电子学研究所,北京 100084)摘 要:研制出一种利用介质上电润湿(Electrowetting-on-dielectri c,EW OD)机理的新型开放式离散液滴驱动器,它采用重掺杂多晶硅制备微电极阵列,氧化硅以及碳氟聚合物薄膜作为复合疏水介质层,悬挂的细硅铝丝作为参考零电极。通过控制施加在微电极阵列上的脉冲电压时序,来精确操作和控制疏水介质层表面液滴的运动。该器件采用了悬挂线开放式结构,在空气环境下,在 40 V 低驱动脉冲电压下成功实现了液滴的传输。关键词:微全分析系统;微流控;介质上电润湿;开放式结构中图分类号:TN401 文献标识码:A 文章编号:1005-9490(2005)04-0699-0420世纪90年代, Manz和 Widmer提出以微机电系统( Micro-electro-m echanical system s,MEMS)为基础的微全分析系统( Micro-total-analy-sis system ,μ TAS),它的主要目的是对生物化学分析设备进行微型化与集成化,并最大限度地将分析实验室的功能转移到便携式分析设备甚至微小芯片上来。通常,我们称这种多功能、 高集成的微小芯片为芯片实验室( Lab-on-chip,LOC),它的诞生和应用对生物医疗、 药物诊断诊断、 食品卫生、 环境监测以及分子生物学等领域的发展都具有非常重要的意收稿日期:2005-04-18基金项目:基于介质上电润湿的液滴操纵与控制技术研究(10472055);清华大学基础研究资金:用于芯片实验室的液滴操作与控制研究( JC2003060);作者简介:吴建刚(1978-),男,在读博士研究生,从事微流控技术以及微流控光学的研究,wjg02@ mails.tsi nghua.edu.cn;岳瑞峰(1965-),男,副教授,硕士生导师,目前从事智能传感器、 微电子机械系统技术、 微流控芯片和生物化学微系统的研究;曾雪锋(1980-),男,在读硕士研究生,目前从事微流控技术的研究;刘理天(1947-),男,教授,博士生导师,目前从事集成传感技术与器件、 微电子机械系统、 硅生物芯片与技术、 新型微电子器件以及纳米技术与纳米器件的研究。义。在微全分析系统或芯片实验室中,对微、 纳升液体的精确操作和控制技术是其核心和关键。早期研究侧重对连续流的操作,主要有压电驱动[1]、 气动驱动[2]、 电化学驱动[3]、 剪切力驱动[4]以及电渗驱动[5]等方法。然而,由于传统连续流系统存在局限性[6],近年来对离散化微液滴的操作与控制在国际上日益成为研究的重点。鉴于在微尺度下表面张力相对其它作用力占有主导作用,因此更多注意力都集中到表面张力驱动器上来。 目前,利用表面张力来操纵液滴的方法主要包括静电驱动[7]、 表面活性剂[8]、 热毛细管[9,10]和介质上电润湿( E lectrow etting-on-di-electric, EW OD)[11- 13]等方法。 EW OD 是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,即通过局部改变液滴和固体表面的三相接触角,造成液滴两端不对称形变,使液滴内部产生压强差,来实现对液滴的操控。由于 E-WOD器件表面电化学不活泼、 功耗低、 响应速度快等特点,因此在微流体驱动系统中 EW OD 被认为是最具有发展前途的驱动机制之一。到目前为止,基于 EW OD 的驱动结构主要有两种:硅油填充三明治结构[11,12]和空气填充三明治结构[13]。这两种结构都以带有微电极阵列的下极板和作为参考零电位的氧化铟锡( Indium -tin -oxide,IT O )透明导电玻璃上极板构成,液滴被夹在上下极板之间,仅仅是液滴周围填充物质不同。然而,这两种结构可能都存在一个潜在的问题:液滴传输过程与上下两极板接触,受到两者共同的阻碍,流阻可能较大。本文研制出一种基于 EW OD 方法的新型驱动结构——悬挂线开放式液滴驱动器原型。该结构与先前三明治结构相比,将原来整个上极板换为直径25 μ m 细硅铝丝作为系统的参考零电位,并在低驱动电压下成功实现了对液滴的快速驱动和控制。1 驱动器的结构与工作原理基于 EW OD 的悬挂线开放式液滴驱动器结构示意图见图1所示:下极板由可编程微电极阵列组成;为了避免液滴与电极直接接触并保证获得良好的击穿特性,在下电极阵列上淀积一层薄的高击穿场强绝缘薄膜作为介质层;为了降低驱动阻尼并提供较大的液滴三相初始接触角,在介质层表面淀积一层超薄的碳氟聚合物薄膜作为疏水层;悬挂线悬浮在微电极阵列表面作为系统的参考零电极。初始状态,所有电极都为零电位,忽略重力以及细悬挂线的影响, 液滴在疏水介质层表面的三相接图1 基于EW OD的悬挂线开放式液滴驱动器的结构示意图触角 θ 0 可以由杨氏方程表示为;cosθ 0 =γ sg -γslγ lg(1)其中: γ sg、 γ sl和 γ lg分别是固体- 气体、 固体- 液体和液体- 气体之间的表面张力;当在电极上施加电势后,外加电势电极区域表面的固体- 液滴表面张力γ sl变小,从而引起液滴的三相接触角变小,见图 2。接触角变化情况 θ v 与外加电势 v 的关系可以由Y oung-Lippmann方程[14]表示:cosθ v =cosθ0 +121γ lgε 0ε rdv2(2)其中 ε 0,ε r 分别是真空的介电常数和介质层的介电常数, d 是介质层的厚度。因此,在某一电极上施加电势后,液滴局部三相接触角发生变化,这样造成液滴的不对称形变,在液滴内部产生压力差,使液滴发生输运。由 Laplace方程可得,液滴两端的空气-液体界面之间的压强 Pl 和 Pr 可以用此处的曲率半径来描述,见图 2。图2 外加驱动电压后液滴的传输示意图(深黑色区域指外加电势电极)Pl - Pa =γlg1Rlh+1Rlv(3)Pr - Pa =γlg1Rrh+1Rrv(4)其中, Pa 为大气压强, Rlh、 Rlv和 Rrh、 Rrv分别表示左右两边的水平方向以及垂直方向的曲率半径分量;考虑液滴的体张力作用,液滴水平方向的曲率半径可以近似认为相同,即 Rlh ≈ Rrh,因此整个系统的压强差可以表示为:Δ P = Pr - Pl =γlg1Rrv-1Rlv(5)由系统几何关系得知,液滴两端垂直方向曲率半径可以由液滴两侧的接触角以及液滴高度来描述,007 电 子 器 件 第28卷Rlv ≈hcosθ 0 -1(6)Rrv ≈hcosθ v -1(7)将式(2)、 (6)、 (7)代入方程(5),可以得到更简化的压强差表达式:Δ P =12hε 0ε rdv2(8)由式(8)可得,系统的压强差大小与外加电势的平方成正比,与介质层厚度成反比。 我们将真空的介电常数(8.854×10-12C/V ),1000 热氧化硅(介电常数为 4.5)绝缘层和 200 碳氟聚合物(介电常数为2)复合介质层,约 800 μ m 高度(其中悬挂线高度约 600 μ m )的液滴以及 40 V 驱动电压代入式(8),初步估计其压强差大小约为 274 Pa。然而,以上推导未考虑悬挂线、 接触角迟滞[7]以及接触角饱和[15]等因素的影响,因此,实际液滴压强差将略低于此理论值。2 驱动器的制备首先,在Si衬底上 1 050 ℃热氧化生长一层6000 的 SiO 2;其次,在衬底上用低压化学气相淀积 (Low pressure chem ical vapor deposition,LPCVD)方法淀积一层6 000 厚的多晶硅,并扩磷及光刻图形化形成微电极阵列,电极单元形状为三角形,边长分别为 1 500 μ m、1 000μ m和1000μ m;接着,在重掺杂多晶硅电极上1050 ℃热氧化生长一层 1000 的 SiO2,并光刻 SiO 2 形成多晶硅电极引出线区;然后,以C 4F8 作为气体源,采用感应耦合等离子体化学气相淀积(Inductively coupledplasm a chem icalvapordeposition, IC P -CVD)方法在 SiO 2 表面淀积一层 200 厚的碳氟聚合物薄膜作为疏水层。最后,利用厚约 600 μ m 的双面胶条分别在微电子阵列的两端形成悬挂线的支撑物,并利用微电子引线键合工艺,将直径为 25 μ m 的硅铝丝键合在衬底芯片上,使它紧贴两块双面胶支撑物而在微电极阵列表面上方约600 μ m 处形成悬挂线,并将其接地作为参考零电极。3 实验结果及讨论测试前,将约 0.5 μ L 的去离子水通过微注射器滴入疏水层表面,并穿过悬挂线。 为了降低疏水性介质层击穿的可能性,在微电极阵列上施加脉冲电压,脉冲电压的频率及占空比由自行研制的微控制系统来调节。 液滴的整个运动过程由带有 CCD 的显微镜捕获。实验中,悬挂线始终接地电位,而施加在微电极阵列上的驱动脉冲电压频率为5 Hz,占空比为1∶1。当驱动电压超过10 V 时,液滴三相接触角变小导致整个液滴发生形变,但未产生位移;当脉冲电压增加到40 V 时,液滴形变并产生足够大的内部压强差,驱使液滴发生快速传输,如图3 所示。初始状态,液滴位于 V 1和 V 2 电极之间; t0 时刻, V 2 电极加电开启,V 1 和V 3 电极接地关闭,在V 2 电极上液滴的三相接触角减小,因此在电润湿作用下液滴被向上驱动,直至到达 V 3 电极;t 1 时刻,V 2 和V 3 电极同时加电开启, V 1 电极接地关闭,液滴被继续向上驱动,直至脱离V 1 电极;t 2 时刻, V 3 电极加电开启,V 1 和 V 2 电极接地关闭,液滴进一步地向上运动。 如此下去,液滴将沿着悬挂线快速地在整个电极阵列上传输,并且可以精确地控制液滴停留的位置 。图3 液滴传输视频帧(脉冲电压为40 V ,频率为5 Hz,占空比为1∶1)与先前设计的硅油填充三明治结构[11]相比,该结构在空气环境下实现了低电压驱动液滴。 通常,在空气填充三明治结构中,由于液滴的初始接触角小以及接触角迟滞效应大等原因,使驱动器对液滴的操控变得困难;而硅油填充三明治结构通过引入硅油作为润滑层来降低驱动阻尼[11,12],所以驱动电压可以大大降低,但硅油的引入也带来了对受控液滴的沾污。 为了降低驱动阻尼且不引入对液滴的沾污,本器件在空气环境下用直径25 μ m 细硅铝丝代替整个上极板作为系统的参考零电位。 在驱动过程中,液滴仅受到来自下极板以及细硅铝丝的阻碍,与三明治结构相比,驱动阻尼得到了明显的降低。为了降低硅铝丝对液滴输运的影响,曾尝试对细硅铝丝进行预处理。 实验开始前,将硅铝丝表面涂覆一层疏水材料,通过改变硅铝丝表面疏水性来降低它对液滴传输的阻碍。 然而,实验并未得到预期结果,液滴传输并未得到显著改善,而且在液滴驱动过程中,由于硅铝丝表面的疏水性使液滴经常脱离硅铝丝。 考虑到25 μ m 细硅铝丝对液滴驱动阻碍很小,而且对硅铝丝预处理后对液滴驱动也无明显改善,107第4期吴建刚,岳瑞峰等:新型开放式液滴驱动芯片最终仍选择了未处理过的硅铝丝作为参考零电极。4 结论本文研制出一种基于EW OD 的悬挂线开放式结构液滴驱动器。 它以重掺杂多晶硅为微电极阵列,热氧化硅以及ICP-CVD 制备的碳氟聚合物薄膜作为复合疏水性介质层,并巧妙的利用直径 25 μ m 的细硅铝丝作为参考零电极。施加的脉冲驱动电压频率为5 Hz,占空比为 1∶1。 实验结果表明,该驱动器在 40 V 脉冲电压下成功实现了液滴的快速传输与控制。 通过使用悬挂硅铝丝开放结构,使液滴驱动阻尼明显减小,不仅简化了器件结构和降低了制造成本,而且还优化了液滴的驱动电压。参考文献:[1] ZengerleR, Ulrich J, KlugeS, Richter M , RichterA. Abidi-rectional silicon m icropum p [J]. Sens. Actuators A, 1995,50:81-86.[2] U ngerM A , ChouH P, T horsen T , SchererA , QuakeSR.M onolithic m icrofabricated valves and pum ps by m ultilayersoftlithography[J]. Science, 2000, 288(5463): 113-116.[3] N iJ, ZhongC J,Coldiron S J,PorterM D. Electrochem icallyactuated m ercury pum p for fluid flow and delivery[J]. A nalChem , 2001,73:103-110.[4] DesmetG, Baron G V. The possibility of generating high-speed shear-driven flow s and their potentialapplication in liq-uid chromatography[J]. A nal Chem , 2000, 72:2160-2165.[5] McKnightTE, C ulbertson C T , Jacobson S C, RamseyJM .Electroosm otically induced hydraulic pum ping w ith integratedelectrodes on m icrofluidic devices[J]. AnalChem , 2001, 73:4045-4049.[6] Schw artz JA, V ykoukalJV ,GascoyneP R C. Droplet-basedchem istry on a program m ablem icro-chip. Lab Chip, 2004, 4:11-17.[7] TorkkeliA , Saarilahti J, Haara A, HarmaH, Soukka T,Tolonen P. E lectrostatic transportation of w ater droplets onsuperhydrophobic surfaces[J]. MEMS-01, 2001, : 475-478.[8] AdamsonA W, GastA P. PhysicalChem istry of Surfaces[M ], John W iley and Sons Inc., N ew York, 1997.[9] Jun T K, Kim C J. Valvelesspumping using T raversingV apour Bubbles in M icrochannels[J]. Journal of A ppliedPhysics, 1998, 83(11): 5658-5664.[10] T ogo H , S ato M , Shim okaw a F . M ulti-elem ent T herm o-cap-illary O p tica l S w itch and Sub-nanom eterO ilInjection for itsFabrication[J]. Proceedings IE EE M EM S '99, 1998, : 418-423.[11] Zeng X F, YueR F, WuJG, Dong L, LiuL T. Actuationand ControlofDroplets by U sing Electrowetting-on-Dielec-tric[J]. Chinese PhysicsLetter, 2004, 21(9): 1851-1854.[12] Pollack M G , Fair R B. Electrowetting- based actuation ofliquid droplets for microfluidic application [J]. A ppliedPhysics Letter, 2000, 77(11): 1725-1726.[13] ChoSK, MoonH, Kim C J. Creating, T ransporting, Cut-ting, and M erging L iquid D roplets by Electrow etting-BasedA ctuation forDigitalM icrofluidic C ircuits[J]. JournalofM i-croElectroM echanicalSystem , IE E E , 2003, 12(1): 70-80.[14] V erheijen H J J, P rins M W J. R eversible E lectrow etting andTrapping ofCharge: M odeland Experim ents[J]. Langmuir,1999, 15: 6616-6620.[15] ValletM , Vallade M , Berge B. Lim iting phenom ena forthespreading of water on polym er films by Electrow etting[J].European PhysicalJournalB, 1999, 11:583-591.207 电 子 器 件 第28卷
展开阅读全文
1
  金牌文库所有资源均是用户自行上传分享,仅供网友学习交流,未经上传用户书面授权,请勿作他用。
0条评论

还可以输入200字符

暂无评论,赶快抢占沙发吧。

关于本文
本文标题:新型开放式液滴驱动芯片.pdf
链接地址:http://www.gold-doc.com/p-34271.html
关于我们 - 网站声明 - 网站地图 - 资源地图 - 友情链接 - 网站客服客服 - 联系我们
copyright@ 2014-2018 金牌文库网站版权所有
经营许可证编号:浙ICP备15046084号-3
收起
展开