基于EWOD的微流控透镜变焦特性分析

随着光学技术的蓬勃发展,传统的固体光学器件难以满足日益增加的微型化、集成化、可调化的现代光学技术发展的需要,新兴的微流控光学器件则为这一需要提供了可能。基于介质上电润湿(EWOD)的液体变焦透镜就是一种微流控光学器件。介绍了该种透镜的几个基本结构和变焦原理,着重推导计算了外加电压与液体透镜曲率半径、焦距的变化关系,分析了其变焦特性,提出了相应消像差方案。

液体变焦透镜内芯的EWOD特性的研究

变焦微透镜可以改变微光学系统的光通量和视场性能,具有良好的操控性和适应性,可应用于光学开关和光互连、三维光存储、静态数码相机和医学内窥镜等系统。

单平面EWOD器件在化学发光检测中的可靠性研究

研究了单平面透明介质上的电润湿(Electrowetting on Dielectrics,EWOD)数字微流体器件在化学发光检测器中的两个可靠性问题.一是通过对介质层的研究,使用PVD制备300nm Ta_2O_5介质层使驱动电压降低至20.7V,在驱动电压26.9V下速度达到40mm/s;二是通过设置片上加热器解决了Teflon的失效问题,使用1W功率加热5min实现片上疏水角恢复至120°.集成嵌入式加热器的EWOD器件用于葡萄糖检测时,最高灵敏度达到0.12V/(μmol·L^(-1)),检测范围1~20 000μmol/L,最低检测限为1μmol/L.

基于弧形边缘结构上极板的数字微流控芯片系统

为降低微尺度液滴在介电润湿(EWOD)基板上的转移难度,提出了一种基于弧形边缘结构上极板的数字微流控芯片系统,可顺利完成液滴在开放区和封闭区之间的输运。从数字微流控芯片的基本原理出发,介绍了该芯片的结构设计、制造工艺及平台构建,并对此系统中液滴在两区运动时两极板间距、液滴体积及上极板横向位置对驱动电压的影响进行了研究。实验结果表明:基于氧化铟锡(ITO)玻璃的上极板与基于铬板的下极板间距为200μm、液滴体积为1.75~2μL、上极板横向位置在电极中间时,有利于实现液滴在两个区域的自由往返输运。通过优化上极板设计,液滴在两区运动所需最低驱动电压降至67~77 V,相较于传统上极板的240~300 V驱动电压,降幅高达约75%,避免了高电压对样本的破坏,为后续生物化学分析中样品信息的保留提供了有效支持。

基于改进等效电容模型的数字微流控液滴定位反馈系统

基于介电润湿(EWOD)效应的数字微流控技术是近十年来出现的一种能够在平面上操控体积为微升、纳升级别液滴的新技术。为了满足对数字微流控中液滴精准驱动与控制的迫切需求,结合现有的液滴定位方法的研究,设计了改进的等效电容模型,该模型方法在无输入参数下实现多液滴的定位。基于该液滴定位模型,提出了驱动参数的反馈优先级调整策略,最终实现了一套具备驱动、定位及反馈一体的数字微流控控制系统。实验结果表明提出的方案有利于提高微液滴的连续输运的成功率,在同样的芯片参数结构下,成功率提高了接近40%,对数字微流控系统进一步的应用研究具有一定指导意义。

基于红外光强的数字微流控系统定位

基于介电润湿(EWOD)效应的数字微流控(DMF)系统是一种能够实现多个独立的微液滴控制的新兴技术。该技术具有芯片结构简单、控制方法易于实现、样品消耗小和无流体运动死区等优点。为了满足DMF系统液滴精准驱动与控制的迫切需求,提出了一种基于红外光强的DMF系统定位方法,该方法可以在驱动控制液滴的同时,实现无输入参数的液滴精准定位。进一步基于该定位方法,实现了DMF系统的反馈控制。最终实现了一套具备液滴驱动、定位和反馈功能的DMF控制系统。实验结果表明提出的方案有利于提高DMF系统应用的成功率和可靠性。在同样的芯片参数结构下,成功率提高了约38%。同时设计的控制系统可以为其他研究基于EWOD的DMF系统的研究团队提供一个可靠的自动化实验平台。

基于介电润湿效应的微液滴操控

基于介电润湿的微液滴操控已被众多学者实现,但微液滴接触角在饱和阶段随电压变化的数学关系仍未得到较好解决,为此,基于能量最小化原理对Young-Lippmann方程进行了补充和改进。结合理论计算和数值仿真设计了一种叉齿状驱动电极单元数字微流控芯片,并加工出介电层分别为SiO2及SiO2-Si3N4-SiO2两种结构的芯片。实验结果表明,在接触角饱和阶段,所改进的Young-Lippmann方程能在一定程度上反映微液滴接触角的变化趋势。此外,SiO2-Si3N4-SiO2复合介电层结构中的微液滴操控电压低于SiO2单一介电层中微液滴操控电压。

基于介质上电润湿的液滴产生器的研究

根据介质上电润湿的基本原理,对用于数字微流控系统的“三明治”结构器件中影响液滴输运和产生的因素进行了理论分析,并研制出了一种新型液滴产生器原型:液体被夹在上下两个电极板之间;下极板采用硅作为衬底、LPCVD掺杂多晶硅微电极阵列上热氧化生长的的SiO2薄膜作为介质层;上极板采用ITO透明导电玻璃板作为地电极;另外,在上下极板的表面都均匀旋转涂覆了一层30nm厚的Teflon薄膜为表面疏水层.实验结果表明,在空气气氛中,该器件在10Hz70V的脉冲电压下成功地实现了从蓄水池中对去离子水滴的分发.

基于聚酰亚胺介质的单平面微液滴驱动芯片

根据介电润湿(EWOD)原理,建立了电润湿力与驱动电压的关系,提出一种基于聚酰亚胺介质的单平面微液滴驱动芯片设计方案。该芯片利用MEMS技术在铬版玻璃上分别制作出金属微电极阵列和聚酰亚胺介质膜,再使用聚四氟乙烯分散液进行疏水处理,通过在电极阵列和微液滴之间直接施加电压以实现微液滴的驱动。对单平面微液滴驱动芯片的液滴介电润湿效应进行了仿真分析,结果表明仅使用疏水层便可观察到明显的介电润湿现象,接触角测量值与理论值吻合较好。使用该驱动芯片成功实现了微液滴的稳定传输,传输速度达到3.31 mm/s左右,并在实验基础上分析了传输速度与驱动电压幅值和频率的关系。

基于介质上电润湿的反射式显示单元的研究

介质上电润湿能够在微米尺度上实现对液滴的快速驱动,利用这个特点,设计了一种新型反射式显示单元,并进行了初步的实验验证。结果表明,与传统反射式显示单元相比,此结构具有高反射率、高对比度和低驱动电压等特性。

Modeling and simulation of a novel vertical actuator based on electrowetting on dielectric

A novel vertical actuator based on electrowetting on dielectric （EWOD） was designed, analyzed and simulated. Modeling results indicated that the vertical driving force of the actuator obeyed a second order polynomial of applied voltage, which was verified by Covent_ware 2006. As a resuit, the vertical driving force of the EWOD actuator with a 1.1 nL droplet and a 1.75 μm thick polymer was about 0.5 μN under an applied voltage 100V which was comparable to that of the electrostatic actuators. Moreover, the noise from plane forces we analyzed and simulated was very low. Therefore, we made a conclusion that the EWOD actuator can be used in MEMS transducer.

基于介电润湿的数字微流控系统液滴精准生成与分裂

基于介电润湿(EWOD)效应的数字微流控(DMF)系统能实现微升级别的多个液滴移动、分裂、合成等操作。针对目前基于EWOD的DMF系统液滴生成和分裂精度不高、效率低、难以精准控制的问题,在传统的电极设计基础上,设计了一种可以实现液滴精准生成和分裂的混合型驱动电极的EWOD芯片,并且研制了能与设计芯片匹配的驱动控制系统。最终实现了一套具备液滴生成、分裂、定位以及反馈功能的数字微流控方案。实验结果表明提出的方案能够提高液滴生成和分裂的成功率和可靠性。与传统的正方形驱动电极的EWOD芯片相比,该EWOD芯片液滴生成的误差率降低了约7%,单个液滴生成的时间缩短了约240 ms。同时研制的基于嵌入式系统和机器视觉的驱动控制系统可以为其他研究EWOD器件的相关团队提供一个可靠的一体化实验验证平台。

一种双极板结构数字微流控芯片研制

基于介电润湿研制了一种将零电极布局为介电层表面的双极板结构数字微流控芯片。为了降低驱动电压并提高介电层的抗击穿能力,将介电层设计为Si3N4-SiO2层状复合结构。30V直流电压作用下,成功实现了对0.5μL去离子水微液滴的连续输运操控;且在100V以内电压作用时,均未出现介电层击穿。实验结果表明所研制数字微流控芯片可行。

交流电润湿作用下液滴的振荡行为特性

实验研究了不同交流电频率下共面电极电润湿芯片上液滴的振荡行为特性.结果表明,在某些特定的输入频率下液滴出现共振,共振模态称为Pn(n=2,4,…),且实验获得的共振频率值与线性理论预测值吻合良好.在共振模态Pn下,液滴振荡对称,表面呈现n/2个波峰.在相邻共振模态间存在某个临界频率,此时液滴振荡对称,但很微弱,且接触线宽度和液滴高度的振荡相位关系发生转变.小于此临界频率时,液滴接触线延展至最大时呈液瓣状,且液瓣的位置通过液滴的收缩和延展在水平面内周期性交替,液瓣数目随着相邻共振模态阶数n的升高而增加.大于此临界频率时,液滴振荡左右不对称,具体表现为液滴表面波的传动.预期这些液滴的非对称振荡会产生更为混乱的内部流动,从而增强微流控液滴混合器的混合效率.

悬空零电极介电湿润芯片的设计

针对目前单极板数字微流控芯片驱动液滴的效果多通过数值仿真方法验证而缺乏实验支持,本文提出将单极板结构中的零电极进行悬空设计,并通过实验对比分析了设计的悬空零电极单极板结构的芯片和传统双极板结构的芯片对液滴的驱动效果。首先,基于介电湿润原理,推导出传统双极板结构中液滴所受到的介电驱动力以及每个阻力,接着,对文中设计的悬空零电极结构的单极板数字微流控芯片中液滴的受力情况进行分析。然后,对比分析两种结构的数字微流控芯片中液滴的受力情况。最后,对两种结构的数字微流控芯片驱动去离子水微液滴的效果进行试验验证。实验结果显示:驱动同等体积大小的微液滴时,本文设计制作的悬空零电极单极板芯片比双极板结构的芯片所需的电压更低,液滴的运动速度更快;当有效驱动电压达到44V时,液滴的速度可以达到15cm/s。得到的实验结果证明了在单极板悬空零电极结构的数字微流控芯片上液滴驱动速度更高,驱动电压更低。

液态透镜研究现状与发展分析

当前的光电侦察领域设备不断地向轻、小型化发展,而传统变焦光学系统的体积与质量往往达不到微小型光电侦察平台的载荷要求,因此小型无人机等侦查平台只能搭载定焦镜头,制约了分辨率与侦查距离的提升,限制了侦查能力。液态透镜技术利用单片透镜即可实现透镜焦距的调节,大大减小了光学系统的体积,且其变焦响应速度快、变焦范围大,由液态透镜组合的光学系统可以在固定的小体积内实现快速变焦,在军民领域都有广阔的应用前景。该文对前人的理论基础与研究方法进行了调研与综述,简述了液态透镜的5种基本原理,并分析了各自的特点,分别介绍了国内外液态透镜的研究现状,指出了不同液态透镜的优缺点及未来的发展与研究方向。

一种基于数字微流控技术的PCR微芯片

基于数字微流控(digital Microfluidics,DMF)的聚合酶链式反应(polymerase chain reaction,PCR)微芯片系统设计,主要在于对样品液滴的运动进行控制和对进行PCR所需要的温度控制。设计了一种基于介电润湿(electrowetting-on-dielectric,EWOD)原理的数字微流控PCR微芯片,并实现了对芯片不同区域的温度控制以满足PCR所需的要求。基于数字微流控技术的PCR微芯片系统由一个双基板结构的数字微流控芯片,芯片的驱动电路以及温度控制组件构成。实现驱动样品液滴在该装置上运动至不同温度的反应区域,在不同的反应区域满足的PCR反应所需的变性,退火和延伸各阶段所需的温度,继而实现PCR扩增。

基于电润湿效应驱动的微泵设计与分析

利用介质上电润湿效应(ElectroWetting-On-Dielectrics,EWOD),驱动液滴在微泵泵腔内振动,再结合锥形单向流阻结构,设计出一种新型的基于EWOD的微泵;深入探讨了液滴振动的机理,并对该EWOD微泵模型进行了数值模拟。数值模拟的结果表明,提出的一种基于EWOD驱动的微泵能很好的完成泵送液体的功能,并且其泵送效率与液滴振动的频率有关。其中数值模拟的结果显示当液滴的振动频率为5,10,15,20 Hz时,微泵的泵送效率与液滴的振动频率成正相关,微泵出口的压力与液滴的振动频率并无明显关系。

两路信号控制的液滴单向运输数字微流控芯片

介质上的电润湿(EWOD)数字微流控芯片的设计中,随着电极数量的增加,需要更多的控制信号,引出导线的设计复杂程度将会显著增加。根据接触线理论,提出一种运输方向上非对称的电极设计,使液滴两侧的电极同时加电压时,施加在液滴两侧的电润湿力不平衡,液滴向指定方向驱动。该新型器件只需两个信号即可实现液滴长距离、大规模的单向运输。通过COMSOL仿真软件对器件在电压作用下液滴受力和运动情况进行了表征,并制作及测试芯片对其功能进行了验证。仿真和测试结果表明:通过两个驱动信号的重复交替,能够在一维路径上稳定地实现单向运输。

基于介质上电润湿的微流控多功能器件

文章提出了一种微流控多功能器件,利用介质上电润湿(EWOD)效应灵活改变进光能量,可实现可变光圈、可变光衰减器和光开关等多个功能。其具有结构简单、体积小、操作简便、应用广且灵活和成本低等优点。文章分析讨论了所提微流控多功能器件的光学特性并做了结构优化。研究结果表明,所提微流控多功能器件的插入损耗很小,仅为0.014 dB;液体可变光圈的通光孔径变化范围为0~0.506 mm;可变光衰减器理论上具有0~100%的可变衰减范围,外加91.1 V电压时的衰减量为40.2 dB;微流控光开关无电压时处于“关”状态,外加电压大于135 V时,处于“开”状态。