在一个超微结构或显微结构的表面上控制一种液体的运动用的方法和装置制造方法及图纸

公开一种方法和装置，其中设置在一个超微结构或显微结构的表面上的一个液滴的运动是取决于超微结构的特征图案的至少一个特征，或者液滴的至少一个特征。在一个实施例中，液滴的横向的运动取决于超微结构的特征图案的至少一个特征，这样使液滴在一个希望的方向上沿着一个超微结构的特征图案运动。在另一个实施例中，液滴的运动取决于或者超微结构特征图案的至少一个特征，或者液滴的至少一个特征，以这样一种方式使液滴在一个希望的区域渗透特征图案以及变成基本上不移动的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般地涉及在带有极微细的预定的表面特征的一个表面上设置的液体的运动，以及更具体地说，涉及在带有预定的超微结构或显微结构特征的一个表面上控制一种液体的运动。
技术介绍
在无数的用途之中许多有利的器件或结构至少部分地是以具有一种液体与至少一种固体表面相接触作为特征，例如，设置在表面上或沟槽内的液体小滴是许多显微流体器件，生物/化学传感器，化学反应器，光学部件，热散逸器件以及制图案用途的检验标记。许多这些器件和用途的特征在于，液体运动或引起运动，而这时与一个表面接触。由于液体和表面两者的特征确定了液体和表面之间的相互反应，它经常希望了解和控制这些特征，以达到控制液体与这些表面的相互反应。当这个用途由于怀疑含有较小数量的液体时这点就尤其重要。图1示出小液滴102放置在一个表面上的一个说明性的现有技术的实施例，其放置的方式使它形成一个液体的微距镜101。这种微距镜是下列同时待审的申请的主题美国专利申请系列号No.09/884,605，(申请日2001，7，19；专利技术名称“可调节的液体微距镜”)和美国专利申请系列号No.09/951,637，(申请日2001，9，13；专利技术名称“具有润滑辅助的电润湿的可调节的微距镜”)。此两文件的全部内容结合作为本申请的参考。图1的微距镜实施例可以有用地显示任何液体的小滴与放置它的表面之间的相互反应，无论小滴和表面是否是微距镜或其它用途的一部分。在图1中，小滴102是一种透明液体(如水)的小滴，典型地(但不是必需要)具有一个直径为数微米至数毫米。小滴设置在一个透明的基片103上，该基片典型地是憎水性的，包括一个憎水性涂层。小滴和基片之间的接触角θ取决于界面表面张力(也称为界面能“γ”，通常以mN/m(毫牛顿/米)测量。这里使用的γS-V是基片103和围绕基片的空气，气体和其它液体之间的界面张力，γL-V是液滴和围绕液滴的空气，气体或其它液体之间的界面张力，以及γS-L是基片103和液滴之间的界面张力。接触角θ可以由公式(1)确定公式(1)cosθ＝γS-V-γS-L/γL-V公式(1)使用于任何情况，其中液滴是设置在一个表面上，无论液滴是否用作一个微距镜。在图1的微距镜的实施例中以及在一种液体设置在一个表面上的其它的情况下，经常希望能够改变液滴的形状。图2示出一个现有技术的微距镜201，与图1的微距镜类似，其中电浸湿现象使用于改变液滴的形状，它借助可反向地改变一种导电的液体的液滴202和一个介电绝缘层203之间的接触角θ，介电绝缘层203具有一个厚度“d”和一个介电常数εr。一个电极(如一金属电极204)定位在介电层203的下面，以及借助此介电层与液滴202绝缘。液滴202可以是，例如一个水滴，以及介电绝缘层203可以是，例如聚四氟乙烯/聚对二甲苯(Teflon/Parylene)表面。当一个电压差存在于液滴202和电极204之间时，液滴202保持它的形状，取决于液滴的体积和接触角θ，其中θ1取决于界面张力γ，如以上所述。当一个电压V施加至电极204时，在电极204和液滴202之间的电压差引起液滴扩散。虚线205示出液滴202相对于电极204从它的中心位置相等地扩散跨过绝缘层203。特殊的是，当电压施加至电极204和液滴202之间时，接触角θ减小由θ1至θ2。借助使用位于液滴不同部分下面的单独的电极以及改变至这些单独的电极的电压，能够达到液滴的扩散，这样使液滴移动由中心位置至另一个希望的位置。这种运动在上述的、同时待审的美国专利申请09/884,605和09/951,637中说明。无论为了改变液滴的形状或它的位置，达到这种扩散需要的电压V可由数伏改变至数百伏。分散的数量，即由θ1和θ2的差别确定的，是施加电压V的一个函数。接触角θ2可以由公式(4)确定 公式(4)cos(V)＝cosθ(V＝0)+V2(εoεr)/(2dγL-V)式中cosθ(V＝0)是绝缘层203和液滴202之间的接触角，这时没有电压施加在液滴202和电极204之间；γL-V是上面所述的液滴界面张力；εr是绝缘层203的介电常数；以及ε。是8.85×10-12F/M一个真空的介电常数。在器件中，比如上述的液体微距镜中，当设置液滴的表面是憎水性的时，表面的特征是这样的，在液滴进入与表面接触的区域内，液滴显著地变平。因此，由于在表面和液滴之间最终的大的接触面积，一个显著数量的流动阻力存在于表面和液滴之间。这点在上述的微距镜中是希望的，因为如果这里有太小的流动阻力存在，液滴将自由地移动以及将变得不可能在没有其它器件用于控制液滴的情况下保持液滴在它的希望的静止位置或形状。然而，在许多情况下，经常希望减小一个表面上一种液体经受的流动阻力。因此，现在的用途是依赖于在此种表面上设置的液体，其中心的企图是减小液体经受的上述的流动阻力。许多器件，比如上述的那些器件能够由这种减小的流动阻力获益，这是因为这些器件的工作功率消耗的显著的降低。一种这样的用途在下列文件中说明“NanostructuredSurfaces for Dramatic Reduction of Flow Resistance inDropplet-based Microfluidics”，J.Kim and C.J.Kim，IEEEConf.MEMS，Las Vegas，NV，Jan，2002，PP.479-482。该文件整个内容结合本申请作为参考。此文件一般地说明如何借助使用带有预定的超微结构特征的表面使与表面接触的液体的流动阻力极大地减小。Kim的参考文件教导，借助于液体接触的表面的精细的图案化以及使用液体表面张力的上述的原理，有可能极大地减少表面和液体之间的接触面积。跟随的是在表面上的液体的流动阻力相应地减小。图3A-F示出非常不同的极精细的特征的显微结构和超微结构的表面图案导致的最终的表面和一种液体液滴之间不同的接触角。图3A和3B分别地示出一个显微线表面和一个显微柱表面。在图3A中每个线301为宽度约3-5μm，以及在图3B中每显微柱302在它们的最宽点为直径约3-5μm。对于设置在每个表面上一个给定尺寸的液滴对比显微线图案和显微柱图案，带有显微线图案的液滴的接触面积大于带有显微柱图案的液滴的接触面积。图3D和3E分别地示出相对于图3A的显微线表面和图3B的显微柱表面的一个液滴的接触角。在显微线图案上的液滴305的接触角303(～145°)小于带有显微柱图案的液滴306的接触角(～160°)。如以上所述，直接地跟随的是，被显微线图案施加在液滴上的流动阻力高于被显微柱图案施加在液滴上的流动阻力。图3C示出一个比显微线和显微柱图案还更精细的图案。尤其是，图3C示出一个超微柱图案，带有每个超微柱309具有直径小于1μm。虽然图3C示出的超微柱309形成为稍带锥形，其它的形状和尺寸也是可以达到的。事实上，已生产圆柱形的超微柱阵列，每个超微柱具有直径小于10nm。特别地，图4A-4E示出使用不同的方法生产的超微柱的说明性的排列，以及还示出这种不同直径的超微柱能够成形为不同的规律性程度。并且，这些图显示，有可能生产超微柱，具有不同的直径和不同的间距。一种生产超微柱的说明性的方法可在下列专利发现美国专利No.6,185,961，(20本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种装置，包括一个具有一个特征图案的表面，上述的表面包括：一组具有图案内特征的超微结构显微结构，至少一个上述的图案内特征适合产生在上述的表面上设置的一个液滴在一个预定的方向上的控制的运动。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿维诺姆科恩布利特，季莫费N克劳片金，玛丽L曼迪奇，托比亚斯M施奈德，约瑟夫A泰勒，杨澍，
申请(专利权)人：朗迅科技公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]