基于介质上电润湿的数字微流控芯片研究Word文档格式.docx
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加心年5月刀日
摘要
随着微机电系统(Micro-Electro-Mechanical-System,MEMS)技术的发展,微流控芯片技术在集成化、自动化、便携化和高效化等方面展现出了巨大潜力,已成为当前研究热点和世界前沿科技之一。
对微升级的液滴进行生成、输运、分离、混合等操控是微流控各应用功能的前提和基础,目前最常用的微液滴操控方法之一是介电润湿法操控。
基于介电润湿法的微流控芯片技术在变焦微透镜、蛋白质分析、DNA连接、细胞操纵培养、生物医疗检测等领域表现出巨大优势,近年来关于它的研究与应用领域一直在不断地扩张与发展。
针对目前基于介电润湿微流控芯片的工作电压较大以及微液滴操控灵活性差的特点,本文设计了一种基于新型疏水薄膜的微流控芯片,该芯片创新地使用硅烷化试剂制备微流控芯片的疏水薄膜,不仅降低了操控微液滴所需的工作电压,而且微流控芯片的制作工艺流程与IC兼容。
论文首先考察了不同材料作为介质层的介电润湿现象,对比不同介质层的介电润湿效果。
通过评价介质层材料的介电润湿的可逆变化程度以及电压极性选择最适宜的介质层。
其次考察了使用硅片、载玻片作为微流控芯片的基底。
设计了微液滴的驱动电极掩膜版,通过氧化、光刻、溅射、剥离等技术在各种基底上制作微流控芯片。
最后,建立实验测试平台,研究微液滴在不同疏水层、不同脉冲电压、不同介质中等条件下的驱动情况,通过实验证明了成功使用新型疏水薄膜实现基于介电润湿的微液滴操控。
关键词:
微流控芯片;
介电润湿;
微液滴;
介质层;
疏水层;
Abstract
Withthedevelopmentofmicroelectromechanicalsystems(MEMS)technology,microfluidicchipstechnologyshowtheirgreatpotentialinintegration,automation,portableandefficientapplications,andhavebeenthehotspotofcurrentresearchandoneoftheworldrscutting-edgetechnology.Manymethodsareadoptedtocontrolmicrodropletsuchasgeneration,transportion,separation,mixtureinmicrofluidicapplications,oneofwhicharethemostcommonmicrodropletmanipulationmethodbasedonelectrowettingondielectric(EWOD).ThoseEWOD-basedmicrofluidicchipsshowhugeadvantagesinlens5proteinanalysis,DNAconnection,cellmanipulationculture,biologicalmedicaltestingandotherfields.Inrecentyearsitsresearchandapplicationfieldhasbeenexpanding.
DuetothehighworkingvoltageandthepoorflexibilityofmicrofluidicchipbasedonEWOD,alternationshavebeentriednowadays.Inthispaper,wedesignedanewtypeofmicrofluidicchipcontaininganewhydrophobicmembrane5madeofsiliconalkylation.Inourchips,notonlytheworkingvoltageneededforthemanipulationofthemicrodropletisreduced,butalsothemicrofluidicchipiscompatiblewithIC.
Firstly,EWODbehaviorofdifferentmaterialsasthedielectriclayerwasevaluatedinourchips.Themostsuitablematerialasthedielectriclayerofmicrofluidicchipwasdetermined.
Secondly,theuseofsili∞n5glassslideasthesubstratesforthepreparationofmicrofluidicchipswascompared.Oxidationprocess,photolithographyprocess,andsputteringprocesswereappliedinsequenttothedifferentsubstratestopreparedifferentmicrofluidicchips.
Finally,diflferentdrivenconditionsweretriedwhendrivingmicrodropletswithdifferentchips,includingpulsevoltageandoutermediumconditions.Basedonourexperimentalresults,anewmicrofluidicchipwithnewhydrophobicmaterialandglassslidesweredevelopedandoptimizedwhichisquitepotential.
Keyword:
Microfluidicchip;
EWOD;
Microdroplet;
Dielectriclayer;
Hydrophobiclayer;
第一章绪论 1
1.1微流控芯片系统的概况 1
1.2介质上电润湿的研究现状和进展 3
1.2.1连续电润湿 3
1.2.2电润湿 5
1.2.3介质上电润湿 6
1.2.4介电润湿当前的研究状况 7
1.3介质上电润湿相关材料概述 11
1.3.1电极层材料 11
1.3.2介质层材料 11
1.3.3疏水层材料 14
1.4本论文研究目的及主要内容 15
第二章介质层、疏水层的制备和介电润湿的研究 16
2.1引言 16
2.2实验部分 16
2.2.1实验试剂、材料及仪器设备 16
2.2.2介质层、疏水层的制备 17
2.2.3接触角测试平台 20
2.3结果与讨论 21
2.3.1不同介质层电润湿现象 21
2.3.2不同疏水层电润湿现象 28
2.3.3介质上电润湿的可逆变化探究 34
2.3.4电压极性对介电润湿影响 42
2.4本章小结 44
第三章数字微流控芯片的设计、制作及测试 46
3.1引言 46
3.2实验部分 46
3.2.1实验试剂、材料及仪器设备 46
3.2.2介电润湿装置制作探究 47
3.2.3介质层和疏水层制作 55
3.3结果与讨论 55
3.3.1掩膜版的设计 55
3.3.2外围控制电路系统 59
3.3.3不同疏水层的芯片液滴驱动测试 61
3.3.4不同频率脉冲电压下的芯片液滴驱动测试 63
3.3.5不同介质中的芯片液滴驱动测试 69
3.4本章小结 76
第四章总结与展望 78
4.1本文总结 78
4.2研究展望 78
参考文献 80
攻读硕士期间成果 86
致谢 87
CONTENT
Chapter1Introduction 1
1.1Overviewofmicrofluidicchipsystems 1
1.2Statusandprogressofelectrowettingondielectric.…3
121Continuouselectrowetting 3
1.2.2Electrowetting 5
1.2.3Electrowettingondielectric(EWOD) 6
1.2.4Currentresearchsituationofelectrowettingondielectric 7
13Materialssummaryofelectrowettingondielectricmaterials 11
1.3.1electrodelayermaterials 11
1.3.2dielectriclayermaterials.... 11
1.3.3hydrophobiclayermaterials 14
L4Objectivesandmaincontentsofthispaper 15
Chapter2Preparationofdielectriclayer,hydrophobiclayerand
researchonEWODprocess 16
2.1Introduction 16
2.2Experimentalsection 16
2.2.1Reagents,materialsandinstruments 16
2.2.2Preparationofdielectriclayer,hydrophobiclayer 17
2.2.3ContactAngletesting 20
23Resultsanddiscussios 21
2.3.1Effe
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- 关 键 词:
- 基于 介质 润湿 数字 微流控 芯片 研究
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