MEMS技术基于电润湿效应的液滴振动研究(2)
4.4 本章小结 22
结 论 23
致 谢 24
参考文献25
1 引言
1.1 本文背景
近几年来，MEMS技术随着微型加工技术、新型材料和微型处理器的发展而迅速崛起，微传感器、微执行器、微机械结构、微流控芯片等相继地出现，并在微电子、材料、力学、化学、生物科学分析和机械学等许多学科领域发挥了它的重要作用。对于MEMS技术的特征与原理的探究及探索，也就成为如今国内外商讨的重点。对于微型液滴的系统研究和探索是微流体系统中不可或缺的一部分。在此大背景下出现了一种新颖的微流体电润湿操控技术-电润湿，它很快吸引了人们越来越多的目光。
最近几年来，几组实验发现在交流电润湿作用下的水滴振动。水滴振动预计将与麦克斯韦应力的时间谐波分量集中在TCL有关。我们观察在交流电润湿下的水滴流动并发现水滴表面的形状振荡是流动的原因之一。它们表明振荡模式强烈依赖于受迫频率。巴雷特等人发现染料的混合可以明显加强水滴振动。他们研究了水滴相对于受迫频率的振荡特性。并且在电润湿的应用方面，彻底理解振动的性质将有助于帮助我们优化微流体的混合效率。
在下面的文章中，我们将进行实验来研究交流电润湿下的液滴振动和液滴在亲水表面和疏水表面上以及是否施加电压情况下蒸发的过程。
1.2 国内外发展综述
1.2.1 液滴的电润湿
1.2.1.1 液滴的电润湿效应
将一滴微型液滴放置于实验台基板上的芯片表面，微型液滴平衡时的形状跟基板芯片的表面能量、微型液滴的表面能量以及两者界面之间的能量，三者之间的平衡关系有关。当微型液滴达到平衡状态时它的总界面能量处于最小的状态，这个时候在固体、液体、气体三相的接触线处，气体液体相界面与固体液体相界面之间的夹角称为静态接触角 [23]。接触角是三相分子之间相互作用的结果，所以接触角的大小直接代表了该系统的润湿性。
杨[24]在1805年首先提出，忽略重力影响对于固体表面来说（均质、无限平坦）,推导出了微型液滴在平衡状态时三个相界面的张力与接触角之间的公式:
（1.1）
式中 -固/气相界面张力； -固/液相界面张力； -气/液相界面张力。
从（1.1）以看出，接触角是关于三个相界面的表面张力的函数。凡是能够改变三相界面表面张力的因素都能影响润湿性。由公式（1.1）可以出现以下润湿情况:在 s=00的情况下，称为完全润湿;在 <900的情况下，则为部分润湿或润湿(亲水表面)。在 =900的情况下，则为是否润湿的分界线。④ 在900到1800之间则称为不润湿(疏水表面);⑤在 s=1800情况下，此时液滴为完全不润湿。当接触角在某种材料表面时大于1500，那么这种材料就可以被称作为超级疏水材料。经实际观察，材料表面的亲水性和疏水性在改变材料表面的特征，覆盖表层或表面结构的情况下可发生改变。
1.2.2 液滴的电润湿效应
1.2.2.1 电润湿（EWOD）原理
润湿性的电动控制，称为电润湿，是一种多用途的用来处理微升和纳升液滴的工具。最常用的配置是所谓的介质上的电润湿（EWOD），其中一个薄的绝缘层被插入在液体和电极之间，以防止电解。电润湿可以作为一个非常快速有效的手段用相对低的电压和相对低的能耗来处理几乎任何类型的水滴。