專利名稱：多穩(wěn)態(tài)微流控器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微流控器件，尤其是一種具有多穩(wěn)態(tài)特性的微流控器件，即多穩(wěn)
態(tài)微流控器件。
背景技術(shù)：
電潤濕技術(shù)通過在液滴與其接觸表面之間增加電壓來改變液滴與其接觸表面的 潤濕特性，在宏觀上表現(xiàn)為液滴與其接觸面接觸角的改變，在微觀上表現(xiàn)為麥克斯韋應(yīng)力 張量導(dǎo)致液體表面發(fā)生形變，在微流控器件中則表現(xiàn)為作用在液滴上毛細力的改變。目前 通過電潤濕力甚至可以使液滴從超疏水狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌H水狀態(tài)。這種通過電壓改變液滴 表面潤濕特性被運用到了許多領(lǐng)域，例如電子紙顯示技術(shù)(參考文獻1，2)，生物芯片技術(shù) (參考文獻3，4)，液體透鏡技術(shù)(參考文獻5，6)等。 當(dāng)前電潤濕技術(shù)都采用了一種三層結(jié)構(gòu)，即一種基于電介質(zhì)表面上的電潤濕 (electrowetting on dielectric)結(jié)構(gòu)(參考文獻7)。如說明書附圖l所示，在第一基板 1上通常是第一電極2，第一電極2上包覆有一層絕緣層3，液滴4位于絕緣層3上，第二電 極6與液滴4直接導(dǎo)通，當(dāng)在電源5上加載交流或是直流電壓時，液滴4與絕緣層3之間的 潤濕特性將發(fā)生變化，即表現(xiàn)為隨著增加電壓，液滴4與絕緣層3之間的接觸角逐漸變小。 在圖1所示的結(jié)構(gòu)中，絕緣層3防止了液滴4在加載電壓時發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，從而使液滴4 具有較大范圍的動態(tài)接觸角。在電子紙，生物芯片，液體透鏡等領(lǐng)域，第一電極2可以設(shè)計 成各種形狀以精確控制液滴4的形變，第二電極6可以是平板電極或各種形狀，在絕緣層3 上還可以增加一層疏水層以提高接觸角動態(tài)變化范圍，液滴4可以處于空氣中，也可以是 處于另外一種液體之中。目前所有電潤濕結(jié)構(gòu)中所具有的共性，也即上述結(jié)構(gòu)的核心是電 絕緣層3，當(dāng)前所有的電潤濕器件都采用了上述"電極_液滴_絕緣層_電極"的多層夾心 結(jié)構(gòu)。 上述結(jié)構(gòu)的另外一個特點是，液滴4的接觸角與加載的電壓相關(guān)，當(dāng)外加電壓為
零時，液滴4的接觸角恢復(fù)到原始狀態(tài)(即不帶電狀態(tài))。對于電子紙顯示，生物芯片，液
體透鏡等應(yīng)用而言，當(dāng)需要保持液滴4在較小接觸角時，必須持續(xù)的保持外加電壓。如果外
加電壓是交流電，將有相當(dāng)?shù)哪芰肯脑诔浞烹姷倪^程中，如果是直流電，上述"電極-液
滴_絕緣層_電極"結(jié)構(gòu)類似電容，也會產(chǎn)生漏電流，從而導(dǎo)致能量的消耗。 電子紙顯示，生物芯片，液體透鏡通常都會在較長時間內(nèi)工作在某一個狀態(tài)?，F(xiàn)有
的基于電介質(zhì)表面上電潤濕結(jié)構(gòu)存在的問題是保持液滴處于某種穩(wěn)定狀態(tài)時需保持外加
電壓，從而導(dǎo)致能量的消耗。為降低上述器件的能耗，本發(fā)明提供一種具有多穩(wěn)態(tài)特性的
電潤濕結(jié)構(gòu)，其可以在不加載外加電壓時，使液滴長期保持在一種狀態(tài)，而無需消耗任何能 參考文獻 1 R.A.Hayes and B. J. Feenstra， "Video-speed electronic paper based on electrowettingg，"Nature, vol. 425， no. 25， pp.383—385， Sept. 2003.
2 J. Heikenfeld， K. Zhou， E. Kreit， B. Raj， S. Yang， B. S皿，A. Milarcik， L Clapp and R. Schwartz, "Electrofluidic displays using Young-Laplace transposition of brilliant pigment dispersions, "NaturePhoton. ， vol. 3， pp.292-296， May,2009.
3 J. Zeng and T.Korsmeyer，"Principles of droplet electrohydrodynamics for lab-on-a-chip，"Lab Chip, vol. 4，pp.265-277，2004. 4 J. Atencia and D. J. Beebe，"Controlled microfluidic interfaces,"Nature, vol. 437， no. 29， pp. 648—655， S印t. 2005. 5 B.Bergea and J. Peseux，"Variable focallens controlled by an external voltage :an application ofelectrowetting， ，， Eur. Phys. J. E， vol 3， pp. 159-163， 2000.
6 B. H. W. Hendriks， S. Kuiper，M. A. J. van AS， C. A. Renders and T. W. Tukker， "El ectrowetting-basedvariable-focus lens for miniature systems, ，， Opt. Rev. ， vol. 12， no. 3，卯.255-259， 2005. 7 C.Quilliet and B. Bergeb， "Electrowetting :a recent outbreak, ，， Curr. Opin.Colloid In. ， vol. 6， pp.34-39,2001.

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題為了克服現(xiàn)有微流控器件在長期保持一種接觸角狀態(tài)時存在的能量消 耗，本發(fā)明提供一種具有多穩(wěn)態(tài)特性電潤濕結(jié)構(gòu)的微流控器件，在該結(jié)構(gòu)下，微流控中的液 滴可以長期保持一種接觸角狀態(tài)，無需外加電壓，從而減少能量消耗。
技術(shù)方案 —種多穩(wěn)態(tài)微流控器件，包括至少一塊第一基板，在第一基板上設(shè)有一個以上第
一電極，第一電極上設(shè)有鐵電薄膜，鐵電薄膜上設(shè)有一個以上第三電極，第三電極上有液
滴，液滴上設(shè)有第二電極；或者第一基板上設(shè)有多個第一電極，第一電極上設(shè)有鐵電薄膜，
鐵電薄膜上設(shè)有液滴，液滴上設(shè)有第二電極；或者第一基板上設(shè)有鐵電薄膜，鐵電薄膜上設(shè)
有多個第三電極，第三電極上有液滴，液滴上設(shè)有第二電極。 本發(fā)明的多穩(wěn)態(tài)微流控器件，第三電極上設(shè)有疏水層。 本發(fā)明的多穩(wěn)態(tài)微流控器件用于電子紙顯示，第一基板和/或鐵電薄膜上有隔 斷，隔斷分割出獨立的像素單元，獨立的像素單元內(nèi)包含至少一個第一電極和/或至少一 個第三電極。 本發(fā)明的多穩(wěn)態(tài)微流控器件的第一電極和第三電極通過行列尋址的方式完成每 個像素單元鐵電薄膜的極化，第一電極和第三電極為二維矩陣、圓形或品字狀排列的六邊 形、圓形、半圓形或扇形，扇形優(yōu)選四分之一圓形。 本發(fā)明的多穩(wěn)態(tài)微流控器件，在第一 電極上有薄膜晶體管陣列。 本發(fā)明的多穩(wěn)態(tài)微流控器件用于包含儲水槽的電子紙顯示，采用具有多穩(wěn)態(tài)特征
的"電極_鐵電薄膜_電極_液滴_電極"結(jié)構(gòu)替代每個像素單元的控制電極。 本發(fā)明的多穩(wěn)態(tài)微流控器件用于液體透鏡，還包括側(cè)壁，側(cè)壁設(shè)置在第一基板與
第一電極之間或者側(cè)壁設(shè)置在第一基板與鐵電薄膜之間。 本發(fā)明的多穩(wěn)態(tài)微流控器件，側(cè)壁是對稱圓柱形、六邊形、半球形或碗形。 本發(fā)明的多穩(wěn)態(tài)微流控器件用于液體透鏡陣列，側(cè)壁為網(wǎng)狀孔結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀孔的孔呈矩陣排列或品字狀排列。 本發(fā)明的多穩(wěn)態(tài)微流控器件用于生物芯片，還包括第二基板，第二基板上有第二 電極，或與第一基板結(jié)構(gòu)相同。 有益效果本發(fā)明提供一種具有多穩(wěn)態(tài)的電潤濕結(jié)構(gòu)，從而使微流控器件中的液 滴長期保持一種接觸角狀態(tài)時，無需消耗額外的能量，該結(jié)構(gòu)通過設(shè)置第一電極和第三電 極之間的電壓，可以使鐵電薄膜產(chǎn)生具有記憶效應(yīng)的極化電荷，或采用多個第一電極，或多 個第三電極，在鐵電薄膜表面不同區(qū)域?qū)崿F(xiàn)不同的極化電荷，該結(jié)構(gòu)簡單，且可以實現(xiàn)柔性 的結(jié)構(gòu)。


圖1所示是傳統(tǒng)基于電介質(zhì)表面上電潤濕結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖2所示是本發(fā)明提出的多穩(wěn)態(tài)電潤濕結(jié)構(gòu)的第一優(yōu)選示意圖。 圖3所示是本發(fā)明提出的多穩(wěn)態(tài)電潤濕結(jié)構(gòu)的第二優(yōu)選示意圖。 圖4所示是本發(fā)明提出的多穩(wěn)態(tài)電潤濕結(jié)構(gòu)在電子紙顯示器上的第一優(yōu)選示意圖。 圖5所示是本發(fā)明提出的多穩(wěn)態(tài)電潤濕結(jié)構(gòu)在電子紙顯示器上的第一電極矩陣 示意圖。 圖6所示是本發(fā)明提出的多穩(wěn)態(tài)電潤濕結(jié)構(gòu)在電子紙顯示器上的第三電極矩陣 示意圖。 圖7所示是本發(fā)明提出的多穩(wěn)態(tài)電潤濕結(jié)構(gòu)在電子紙顯示器上的第二優(yōu)選示意 圖。 圖8所示是本發(fā)明提出的多穩(wěn)態(tài)電潤濕結(jié)構(gòu)在液體透鏡上的示意圖。 圖9所示是本發(fā)明提出的多穩(wěn)態(tài)電潤濕結(jié)構(gòu)在微流控芯片上的示意圖。 圖10所示是本發(fā)明提出的多穩(wěn)態(tài)電潤濕結(jié)構(gòu)的第三優(yōu)選示意圖。 圖11所示是本發(fā)明提出的多穩(wěn)態(tài)電潤濕結(jié)構(gòu)的第四優(yōu)選示意圖。 以上圖中有1、第一基板，2、第一電極，3、絕緣層，4、液滴，5、電源，6、第二電極，7、
鐵電薄膜，8、第三電極，9、外接電源，10、第一開關(guān)，11、不導(dǎo)電液體，12、隔斷，13、第二基板，
14、側(cè)壁，15、第二開關(guān)，16、第三開關(guān)。
具體實施例方式
圖2所示是本發(fā)明提出的具有多穩(wěn)態(tài)特性的電潤濕結(jié)構(gòu)第一優(yōu)選示意圖。第一 基板1通常是一個二維平面板，可以是玻璃、透明樹脂、聚酰亞胺、或PET等材料，第一基板 1上是第一電極2，第一電極2可以是二維平面電極，也可以是為控制液滴4形狀而設(shè)計的 各種二維圖案，第一電極2可以是鋁、銅等金屬電極，也可以是IT0等透明導(dǎo)電電極，與傳統(tǒng) 電潤濕器件不同，第一電極2上是一層鐵電薄膜7，可以是鈦酸鋇、鈦酸鋰等材料或其混合 物構(gòu)成的無機鐵電薄膜，也可以是聚偏氟乙烯等聚合物材料或其共聚物構(gòu)成的有機鐵電薄 膜，在鐵電薄膜7上是第三電極8，第三電極8可以是鋁、銅等金屬電極，也可以是ITO等透 明導(dǎo)電電極，液滴4位于第三電極8之上，液滴4可以是去離子，或是導(dǎo)電性鹽水，例如含有 Kcl、 Nacl、 NaS04的去離子水等，還可以是各種生物有機溶液，在液滴4與第三電極8之間
5還可以增加一層很薄的疏水層，例如聚四氟乙烯等薄膜，圖中省略未畫出疏水層，第二電極 6與液滴4直接接觸。 圖2所示多穩(wěn)態(tài)電潤濕結(jié)構(gòu)的工作原理是，外接電源9首先將電壓加載在第一電 極2和第三電極8之間，此時第一電極2和第二電極6之間的第一開關(guān)10處于斷路狀態(tài)， 外接電源9可以是各種波形的交流電壓，也可以是直流電壓，本發(fā)明優(yōu)選直流電壓，此時在 鐵電薄膜上外加了一個恒定的場強，當(dāng)場強大于鐵電薄膜7的矯頑場時，鐵電薄膜7發(fā)生極 化，在去除外接電源9上的電壓后，鐵電薄膜7將保持其極化方向，從而在薄膜的兩面產(chǎn)生 極化電荷，當(dāng)去除外接電源9上電壓后，將第一電極2和第二電極6通過開關(guān)10接通，從而 使鐵電薄膜7上的極化場強加載到液滴4上，液滴4在外加場強的作用下，產(chǎn)生電潤濕現(xiàn) 象，液滴4與第三電極8之間的接觸角發(fā)生變化，當(dāng)在第三電極8上涂覆一層疏水層時，可 以實現(xiàn)液滴4較大的接觸角變化范圍。由于鐵電薄膜7上的極化場強無需外加電壓的維持， 因此液滴4在極化場強的作用下處于一種穩(wěn)定狀態(tài)，此時不消耗任何能量。
圖3所示是本發(fā)明提出的具有多穩(wěn)態(tài)特性的電潤濕結(jié)構(gòu)第二優(yōu)選方案示意圖。圖 中第一基板1上的第一電極2和第三電極8被分成了兩個區(qū)域(第三電極8上還可以增加 疏水層，圖中省略未畫出)，在加載電壓時，在由第一電極2和第三電極8組成的兩對電極對 上分別加載相反的電壓，從而使鐵電薄膜7在左右兩邊存在極性相反的極化區(qū)域，在去除 外加電壓后，極性相反的極化區(qū)域在鐵電薄膜7表面產(chǎn)生極性相反的電荷，引起非均勻分 布場強，使鐵電薄膜表面左右區(qū)域具有不同的潤濕特性，從而驅(qū)動液滴的移動，此時還可以 在第二電極6上加載電壓來進一步控制鐵電薄膜7表面的非均勻場強分布。該結(jié)構(gòu)的另外 一種電壓加載方式是，只在鐵電薄膜7表面的兩個第三電極8之間加載電壓，第一電極2可 以是懸浮狀態(tài)，或是省去第一電極2，或相反只在兩個第一電極2之間加載電壓，第三電極 8處于懸浮狀態(tài)或被省略，當(dāng)去除外加電壓后，鐵電薄膜7在兩個電極位置產(chǎn)生極性相反的 極化電荷，從而在左右兩邊產(chǎn)生不同的潤濕特性。上述結(jié)構(gòu)只畫出了兩個第一電極2和第 三電極8，本領(lǐng)域的研究人員可以根據(jù)需要增加更多的第一電極2和第三電極8，并將第一 電極2和第三電極8設(shè)計成各種圖案。 圖4所示是本發(fā)明提出的多穩(wěn)態(tài)電潤濕結(jié)構(gòu)在電子紙顯示器件上的第一優(yōu)選實 施例，圖中所示是斷面示意圖。圖中第一基板1上是第一電極2，由于每個像素需要單獨尋 址，第一電極2被隔斷12分割成獨立的像素單元，隔斷12可以是親水的材料，例如SU-8， 各個像素單元內(nèi)的第一電極2互不導(dǎo)通，第一電極2可以是一個二維矩陣圖案，本領(lǐng)域的研 究人員還可以將其設(shè)計成其他各種圖案，從而控制不導(dǎo)電液體11的形狀，例如四分之一圓 形狀，不導(dǎo)電液體11可以是礦物油，例如硅油等，為實現(xiàn)彩色顯示，可以增加易溶于油的染 料，例如蘇丹紅，蘇丹黑等，鐵電薄膜7和第三電極8與第一電極2類似，被隔斷12分割成 獨立的像素單元，在第三電極8的上面還可以涂覆一層疏水層，例如聚四氟乙烯(圖中省略 未畫出)，通過分別控制每個像素單元內(nèi)第一電極2和第三電極8之間的電壓，可以實現(xiàn)獨 立調(diào)整每個像素單元內(nèi)鐵電薄膜7的極化強度，當(dāng)去除加載在第一電極2和第三電極8之 間的電壓后，鐵電薄膜7依然保持其極化，此時將第一電極2與第二電極6導(dǎo)通，則極化場 強加載到了每個像素單元的第三電極8與公共的第二電極6之間，從而分別控制每個像素 單元內(nèi)液滴4與不導(dǎo)電液體11的接觸表面形狀。與傳統(tǒng)電潤濕顯示相比，由于鐵電薄膜7 具有記憶特性，圖4中無需薄膜晶體管陣列來維持每個像素單元的電壓。
圖4中第一基板1和第二基板13可以優(yōu)選采用柔性基板，例如PET膜，鐵電薄膜7 可以優(yōu)選采用有機材料，例如聚偏氟乙烯，或是其共聚物(P(VDF-TrFE))，上述優(yōu)選結(jié)構(gòu)具 有柔性特征，可以實現(xiàn)柔性的電子紙顯示。 圖4中每個像素單元的第一電極2和第三電極8可以通過行列尋址的方式來完
成每個像素單元鐵電薄膜7的極化。圖5和圖6所示是行列尋址方式的優(yōu)選示意圖，圖5
中處于同一行的每個像素單元的第一電極2相連到同一個行地址線上(圖5中的Rn， Rn+1，
R^，…)，圖6中處于同一列的每個像素單元的第三電極8相連到同一個列地址線上(圖6
中的(;，(;+1，(;+2，…)。圖5和圖6中的行列尋址方式的行列地址線是一種矩陣式排列的，
本領(lǐng)域研究人員還可以根據(jù)需要將行列地址線設(shè)計成彎曲的曲線，以滿足品字狀排列的像 素，或其他非規(guī)則像素，例如圓形像素，相應(yīng)的第一電極2和第三電極8可以是各種形狀，例
如品字狀排列的六邊形，或是圓形，或是半圓形，或是四分之一圓形等。 圖5和圖6中的第一電極2和第三電極8還可以具有不同的形狀，例如第一電極
2的面積可以進一步縮小，從而使兩個或更多個第一電極2共同對應(yīng)一個第三電極8，這樣
在一個像素單元內(nèi)包含一個第三電極8和多個第一 電極2 ，這些多個第一 電極2可以依次加
載不同的甚至是反向的電壓，與第三電極8上的電壓共同作用，在鐵電薄膜7上可以產(chǎn)生極
化強度不同甚至是相反的區(qū)域，從而在一個像素單元內(nèi)在鐵電薄膜7表面的不同區(qū)域產(chǎn)生
不同的潤濕特性。上述結(jié)構(gòu)還可以反過來，即一個像素單元包含一個第一電極2和多個第
三電極8。 圖7是本發(fā)明提出的多穩(wěn)態(tài)電潤濕結(jié)構(gòu)在電子紙顯示器件上的第二優(yōu)選實施例， 圖中一個像素單元包含兩個第一 電極2和兩個第三電極8，第三電極8上還可以增加一層疏 水層(圖中省略)，為簡化制備工藝，隔斷12制備在鐵電薄膜7之上。 一種典型的工作方式 是，同一個像素單元里的兩個第三電極8分別加載極性相反的電壓，對應(yīng)的兩個第一電極2 也加載極性相反的電壓，加載電壓后，同一個像素單元的鐵電薄膜7被分成兩個區(qū)域，這兩 個區(qū)域的極化方向正好相反，從而導(dǎo)致同一個像素單元內(nèi)的兩個第三電極8分別帶相反的 電荷，并進一步在第三電極8上產(chǎn)生非均勻分布場強，此時第二電極6可以是懸浮狀態(tài)，或 是處于一個給定的電壓來調(diào)整像素單元內(nèi)的場強分布，或是直接省略第二電極6。另外一 種典型的工作方式是，在同一個像素單元里的兩個第三電極8之間加載電壓，使鐵電薄膜7 產(chǎn)生極化，去除加載電壓后，在兩個第三電極8區(qū)域間帶有不同極性的電荷，產(chǎn)生非均勻場 強，在這種工作方式下，可以省去第一電極2，同樣的，也可以在兩個第一電極2之間加載電 壓，其工作過程類似。本領(lǐng)域的研究人員可以根據(jù)需要進一步調(diào)整像素單元內(nèi)的電極形狀 和個數(shù)。 本領(lǐng)域的研究人員還可以在圖4和圖7中的第一電極2上制備薄膜晶體管陣列 (圖中簡略未畫出)，來控制和維持每個像素單元第一電極2上的電壓，此時第三電極8處 于懸浮狀態(tài)，第二電極6為公共電極，鐵電薄膜7作為傳統(tǒng)的電介質(zhì)薄膜，在該工作狀態(tài)下， 圖4和圖7中的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的電子紙工作原理相同，需依靠薄膜晶體管維持電壓。本領(lǐng)域 的研究人員還可以實現(xiàn)一種混合工作方式，即同時采用薄膜晶體管陣列和鐵電薄膜7，鐵電 薄膜7的極化過程與上述方法相同，此時薄膜晶體管陣列和鐵電薄膜7上電壓相累加，共同 加載在液滴4與不導(dǎo)電液體11上。 本領(lǐng)域的研究人員還可以將圖2和圖3中的結(jié)構(gòu)應(yīng)用到其他類似的電子紙顯示結(jié)構(gòu)中，例如參考文獻2中提到的一種包含儲水槽的電子紙顯示器件，其每個像素單元的控 制電極，可以采用本發(fā)明提出的具有多穩(wěn)態(tài)特征的"電極_鐵電薄膜_電極_液滴_電極" 結(jié)構(gòu)進行替代，從而實現(xiàn)在無需加載電壓的條件下，控制液體潤濕性，降低器件的功耗。
圖8中所示是本發(fā)明提出的多穩(wěn)態(tài)電潤濕結(jié)構(gòu)在液體透鏡上的優(yōu)選實施例，圖中 所示是斷面示意圖。液滴4與第二基板13上的第二電極6相接觸，第二基板13是透明基 板，可以是玻璃，或樹脂等材料，第二電極6為透明電極，例如IT0電極，液滴4與不導(dǎo)電液 體11的交界面位于旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)的側(cè)壁14上，傳統(tǒng)液體透鏡的側(cè)壁14上是"電極_絕緣 層"結(jié)構(gòu)，本發(fā)明提出的多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)是側(cè)壁14上先制備第一電極2，在其上制備鐵電薄膜7， 在鐵電薄膜7上制備第三電極8，在第三電極8上還可以制備一層疏水層，例如聚四氟乙烯 薄膜，為改變液滴4的潤濕特性，首先在第一電極2和第三電極8之間加載電壓，從而使鐵 電薄膜7發(fā)生極化，去除加載在第一電極2和第三電極8之間的電壓后，將第一電極2與第 二電極6進行短接，從而使極化場強加載在兩種混合液體上。側(cè)壁14上的電極還可以與圖 3中類似，存在多個第一電極2和多個第三電極8。 圖8中所示是一種簡化的液體透鏡單元結(jié)構(gòu)，本領(lǐng)域的研究人員，可以根據(jù)需要 改變液體透鏡單元的形狀，例如旋轉(zhuǎn)對稱圓柱形、對稱六邊形、半球形、碗狀、或平面等，還 可以增加或減少第一基板1和第二基板13之間的距離，或是在第一基板1和第二基板13 的外面增加其他透鏡。本領(lǐng)域的研究人員還可以根據(jù)需要將圖8中的側(cè)壁14結(jié)構(gòu)擴展為 網(wǎng)狀孔，從而形成液體透鏡陣列，每個液體透鏡對應(yīng)小孔的排列可以是矩陣排列、品字狀排 列，液體透鏡陣列的第一電極2和第三電極8可以通過圖5和圖6所示行列矩陣相互連通， 也可以通過薄膜晶體管陣列來實現(xiàn)每個液體透鏡單元液面的單獨調(diào)整。
圖9中所示是本發(fā)明提出的多穩(wěn)態(tài)電潤濕結(jié)構(gòu)在微流控芯片上的優(yōu)選實施例，圖 中所示是斷面示意圖。在第一基板1上依次制備第一電極2，鐵電薄膜7，和第三電極8，為 了驅(qū)動液滴4的移動，第一電極2和第三電極8被分割成許多獨立的電極，也可以僅包含第 一電極2陣列，或是第三電極8陣列，每個獨立的電極可以通過外加電壓控制鐵電薄膜7的 極化狀態(tài)，液滴4可以是各種有機或無機溶液，如圖中所示，當(dāng)液滴4覆蓋兩個以上電極時， 通過分別控制每個第一電極2和第三電極8對應(yīng)的鐵電薄膜7的極化狀態(tài)，其在左邊電極 的接觸角可以與右邊電極的接觸角不同，從而導(dǎo)致液滴4在左右兩邊的毛細力不相等，液 滴4在毛細力的作用下發(fā)生移動。本領(lǐng)域的研究人員還可以根據(jù)需要將第二基板13上的 第二電極6制備成與第一基板1上類似的"電極_鐵電薄膜_電極"結(jié)構(gòu)，從而更加有效的 控制加載在液滴4上的毛細力。 圖9中所示是一種簡化的微流控芯片結(jié)構(gòu)示意圖。本領(lǐng)域的研究人員可以根據(jù)需 要采用本發(fā)明提出的"電極_鐵電薄膜_電極_液滴_電極"結(jié)構(gòu)將第一基板1和第二基 板13設(shè)計成各種圖像形狀。 圖IO所示是本發(fā)明提出的多穩(wěn)態(tài)電潤濕結(jié)構(gòu)的第三優(yōu)選示意圖。 一種多穩(wěn)態(tài)微 流控器件，包括一塊第一基板l，第一基板1上設(shè)有多個第一電極2，第一電極2上設(shè)有鐵電 薄膜7，鐵電薄膜7上設(shè)有液滴4，液滴4上設(shè)有第二電極6。第一基板1通常是一個二維 平面板，可以是玻璃、透明樹脂、聚酰亞胺、或PET等材料，第一基板1上是多個第一電極2， 第一電極2可以是二維平面電極，也可以是為控制液滴4形狀而設(shè)計的各種二維圖案，第一 電極2可以是鋁、銅等金屬電極，也可以是IT0等透明導(dǎo)電電極，與傳統(tǒng)電潤濕器件不同，第一電極2上是一層鐵電薄膜7，可以是鈦酸鋇、鈦酸鋰等材料或其混合物構(gòu)成的無機鐵電薄 膜，也可以是聚偏氟乙烯等聚合物材料或其共聚物構(gòu)成的有機鐵電薄膜，液滴4位于鐵電 薄膜7之上，液滴4可以是去離子，或是導(dǎo)電性鹽水，例如含有Kcl、 Nacl、 NaS04的去離子 水等，還可以是各種生物有機溶液，在液滴4與鐵電薄膜7之間還可以增加一層很薄的疏水 層，例如聚四氟乙烯等薄膜，圖中省略未畫出疏水層，第二電極6與液滴4直接接觸。兩個 第一電極2之間連接有電源，第二電極6與兩個第一電極2分別通過第一開關(guān)10和第二開 關(guān)15連接。該多穩(wěn)態(tài)電潤濕結(jié)構(gòu)的原理是首先在兩個第一電極2之間加載電壓，去除加 載在第一電極2上的電壓后，鐵電薄膜7在兩個電極位置產(chǎn)生極性相反的極化電荷，從而在 左右兩邊產(chǎn)生不同的潤濕特性。還可以在去除第一電極2上的電壓后，液滴4接通第一開 關(guān)10，或第二開關(guān)15，從而液滴4與鐵電薄膜7表面帶有不同極性的電荷，進一步增強液滴 4與鐵電薄膜7表面的潤濕力。上述結(jié)構(gòu)只畫出了兩個第一電極2，本領(lǐng)域的研究人員可以 根據(jù)需要增加更多的第一電極2，并將第一電極2設(shè)計成各種圖案。 圖11所示是本發(fā)明提出的多穩(wěn)態(tài)電潤濕結(jié)構(gòu)的第四優(yōu)選示意圖。 一種多穩(wěn)態(tài)微 流控器件，包括一塊第一基板l，第一基板1上設(shè)有鐵電薄膜7，鐵電薄膜7上設(shè)有多個第三 電極8，第三電極8上有液滴4，液滴4上設(shè)有第二電極6。第一基板1通常是一個二維平 面板，可以是玻璃、透明樹脂、聚酰亞胺、或PET等材料，第一基板1上是一層鐵電薄膜7，可 以是鈦酸鋇、鈦酸鋰等材料或其混合物構(gòu)成的無機鐵電薄膜，也可以是聚偏氟乙烯等聚合 物材料或其共聚物構(gòu)成的有機鐵電薄膜，在鐵電薄膜7上是多個第三電極8，第三電極8可 以是鋁、銅等金屬電極，也可以是IT0等透明導(dǎo)電電極，液滴4位于第三電極8之上，液滴4 可以是去離子，或是導(dǎo)電性鹽水，例如含有Kcl、Nacl、NaS04的去離子水等，還可以是各種生 物有機溶液，在液滴4與第三電極8之間還可以增加一層很薄的疏水層，例如聚四氟乙烯等 薄膜，圖中省略未畫出疏水層，第二電極6與液滴4直接接觸。兩個第三電極8之間連接有 電源，第二電極6與兩個第三電極8分別通過第一開關(guān)10和第三開關(guān)16連接。該多穩(wěn)態(tài) 電潤濕結(jié)構(gòu)的原理與圖10類似，加載在第三電極8上的電壓使鐵電薄膜7表面產(chǎn)生極化電 荷，從而改變鐵電薄膜7表面的潤濕特性，第一開關(guān)10和第三開關(guān)16分別與第三電極8導(dǎo) 通，進一步增強電潤濕力。上述結(jié)構(gòu)只畫出了兩個第三電極8，本領(lǐng)域的研究人員可以根據(jù) 需要增加更多的第三電極8，并將第三電極8設(shè)計成各種圖案。 上面所述的實施例僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行描述，并非對本發(fā)明的構(gòu) 思和范圍進行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計構(gòu)思前提下，本領(lǐng)域中普通工程技術(shù)人員對本發(fā) 明的技術(shù)方案作出的各種變型和改進，均應(yīng)落入本發(fā)明的保護范圍，本發(fā)明請求保護的技 術(shù)內(nèi)容已經(jīng)全部記載在權(quán)利要求書中。
權(quán)利要求
一種多穩(wěn)態(tài)微流控器件，包括至少一塊第一基板(1)，其特征是在第一基板(1)上設(shè)有一個以上第一電極(2)，第一電極(2)上設(shè)有鐵電薄膜(7)，鐵電薄膜(7)上設(shè)有一個以上第三電極(8)，第三電極(8)上有液滴(4)，液滴(4)上設(shè)有第二電極(6)；或者第一基板(1)上設(shè)有多個第一電極(2)，第一電極(2)上設(shè)有鐵電薄膜(7)，鐵電薄膜(7)上設(shè)有液滴(4)，液滴(4)上設(shè)有第二電極(6)；或者第一基板(1)上設(shè)有鐵電薄膜(7)，鐵電薄膜(7)上設(shè)有多個第三電極(8)，第三電極(8)上有液滴(4)，液滴(4)上設(shè)有第二電極(6)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多穩(wěn)態(tài)微流控器件，其特征是第三電極(8)上設(shè)有疏水層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多穩(wěn)態(tài)微流控器件，其特征是第一基板(1)和/或鐵電薄 膜(7)上有隔斷(12)，隔斷(12)分割出獨立的像素單元，獨立的像素單元內(nèi)包含至少一個 第一電極(2)和/或至少一個第三電極(8)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多穩(wěn)態(tài)微流控器件，其特征是第一電極(2)和第三電極(8) 為二維矩陣、圓形或品字狀排列的六邊形、圓形、半圓形或扇形。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的多穩(wěn)態(tài)微流控器件，其特征是在第一電極(2)上有薄膜晶 體管陣列。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的多穩(wěn)態(tài)微流控器件，其特征是還包括側(cè)壁(14)，側(cè)壁(14) 設(shè)置在第一基板(1)與第一電極(2)之間或者側(cè)壁(14)設(shè)置在第一基板(1)與鐵電薄膜 (7)之間。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的多穩(wěn)態(tài)微流控器件，其特征是側(cè)壁(14)是對稱圓柱形、六 邊形、半球形或碗形。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的多穩(wěn)態(tài)微流控器件，其特征是側(cè)壁(14)為網(wǎng)狀孔結(jié)構(gòu)，網(wǎng) 狀孔的孔呈矩陣排列或品字狀排列。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的多穩(wěn)態(tài)微流控器件，其特征是還包括第二基板(13)，第二基 板(13)上有第二電極(6)，或與第一基板(1)結(jié)構(gòu)相同。
全文摘要
一種多穩(wěn)態(tài)微流控器件，包括至少一塊第一基板(1)，其特征是在第一基板(1)上設(shè)有第一電極(2)，第一電極(2)上設(shè)有鐵電薄膜(7)，鐵電薄膜(7)上設(shè)有第三電極(8)，第三電極(8)上有液滴(4)，液滴(4)上設(shè)有第二電極(6)，加載在第一電極(2)和第三電極(8)上的電壓使鐵電薄膜(7)極化，利用鐵電薄膜(7)的極化場強使微流控器件中的液滴長期保持一種接觸角狀態(tài)，無需消耗額外的能量，該結(jié)構(gòu)簡單，且可以實現(xiàn)柔性的結(jié)構(gòu)。
文檔編號B01L3/00GK101773814SQ20101001827
公開日2010年7月14日 申請日期2010年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月21日
發(fā)明者高婧 申請人:高婧