电润湿方法技术

一种用于移动水性小滴的方法，其包括提供电动装置，所述电动装置包括具有电极矩阵的第一基板，其中矩阵电极中的每一个耦合至薄膜晶体管，并且其中所述矩阵电极涂覆有功能涂层，所述功能涂层包括：与所述矩阵电极接触的介电层、与所述介电层接触的保形层和与所述保形层接触的疏水层；包括顶电极的第二基板；设置在所述第一基板和第二基板之间并限定电动工作空间的间隔件；和可操作地耦合至所述矩阵电极的电压源。该方法还包括在第一矩阵电极上设置水性小滴；和用电压源在第一矩阵电极和第二矩阵电极之间提供差分电势，从而移动水性小滴。从而移动水性小滴。从而移动水性小滴。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电润湿方法
专利

[0001]本专利技术属于流体电动力学领域：电介质上电润湿(EWoD)和介电泳(DEP)；以及使用这些现象的装置。本专利技术涉及通过在电介质或绝缘体堆的顶部上涂覆保形层增强装置寿命和操作的性能和耐久性。
[0002]背景
[0003]可以在覆盖有绝缘体或电介质或一系列绝缘体或电介质的电极上通过施加电势来实现小滴的操纵。作为施加电势结果的小滴操纵被称为电润湿。电动发生是由于影响介电液体的流体静力平衡(介电泳或DEP)的非均匀电场或液体在固体表面上的接触角的变化(电介质上电润湿或EWoD)的结果。DEP还可用于在可极化粒子上产生力以诱导它们的运动。电信号可传输至离散电极、晶体管、晶体管阵列或其电学性质可通过光信号调制的半导体膜片。
[0004]当小滴在覆盖有疏水绝缘体或电介质的两个平行电极之间被驱动时，发生EWoD现象。电极
‑
电解质界面处的电场诱导表面张力的变化，这由于小滴接触角的变化而导致小滴运动。可以使用Young
‑
Lippmann方程对电润湿效应进行定量处理：
[0005]cosθ
‑
cosθ0＝(1/2γLG)c.V2[0006]其中θ0是界面层上电场为零时的接触角，γLG是液气张力，c是比电容(以ε
r
.ε0/t给出，其中ε
r
是绝缘体/电介质的介电常数，ε0是真空的介电常数，t是厚度)，V是施加的电压或电势。因此，接触角的变化(诱导小滴移动)是表面张力、电势、电介质厚度和介电常数的函数。
[0007]当小滴被EWoD驱动时，有两组相反的力作用在其上：由电场诱导的电润湿力以及包括小滴与填料介质相互作用产生的拖拽力和接触线摩擦力(参考)的抵抗力。为平衡电润湿力与所有拖拽力之和而施加的最小电压(阈值电压)由绝缘体/电介质的厚度与电介质接触比(t/ε
r
)
1/2
可变地确定。因此，为了降低驱动电压，需要减小(t/ε
r
)
1/2
(即，增加介电常数或减小绝缘体/电介质厚度)。为了实现低电压驱动，必须使用薄绝缘体/介电层。然而，高质量薄绝缘体/介电层的沉积是一项技术挑战，在达到足够大以驱动小滴的期望电润湿接触角之前，这些薄层很容易被损坏。因此，大多数学术研究报道在易于制造的厚介电膜(>3μm)上使用＞100V的高得多的电压以实现电润湿。
[0008]然而，具有厚介电膜的基于高压EWoD的装置很大程度上由于它们有限的小滴复用能力而具有有限的工业适用性。包括薄膜晶体管(TFT)和光激活非晶硅层(a
‑
Si)的低压装置的使用为基于EWoD的装置的工业应用铺平了道路，因为它们在以高度复用方式寻址电信号方面的更大灵活性。TFT或光激活a
‑
Si的驱动电压低(通常<15V)。制造和因此采用低压装置的瓶颈一直是沉积高质量薄膜绝缘体/电介质的技术挑战。因此，一直特别需要改善薄膜绝缘体/电介质装置的制造和组成。
[0009]一般，用于EWoD的电极(或阵列元件)覆盖有(i)亲水绝缘体/电介质和疏水涂层，或(ii)疏水绝缘体/电介质。常用的疏水涂层包含含氟聚合物诸如Teflon AF 1600或CYTOP。作为电介质上的疏水涂层的该材料的厚度通常＜100nm，并且可能具有针孔或多孔
结构形式的缺陷；因此，特别重要的是，绝缘体/电介质无针孔以避免电短路。Teflon也一直被用作绝缘体/电介质，但由于其低介电常数和使其无针孔所需的厚度，它具有更高的电压要求。其他疏水绝缘体/电介质材料可包括基于聚合物的电介质诸如基于硅氧烷、环氧树脂(例如SU
‑
8)或聚对二甲苯(例如，聚对二甲苯N、聚对二甲苯C、聚对二甲苯D或聚对二甲苯HT)的那些电介质。由于最小的接触角滞后和与水溶液的较高接触角，Teflon仍被用作这些绝缘体/介电聚合物的疏水面漆。然而，可靠地制备<1微米的无针孔聚对二甲苯或SU
‑
8涂层存在困难；因此，这些材料的厚度一般保持在2
‑
5微米，代价是增加的电润湿电压要求。也有报道称，使用聚对二甲苯C的传统EWoD装置容易损坏且对于使用细胞培养基的重复小滴操纵不稳定。沉积有金属氧化物和聚对二甲苯C膜的多层绝缘体装置已被用于制备更坚固的绝缘体/电介质，并能够以较低的施加电压操作。在CMOS工业中通常被用作“栅极电介质”的诸如金属氧化物和半导体氧化物的无机材料，已被用作EWoD装置的绝缘体/电介质。它们提供利用标准洁净室工艺进行薄膜沉积(<100nm)的优势。这些材料本质上是亲水的，需要另外的疏水涂层，并且由于薄膜层沉积工艺而易于形成针孔。连同EWoD对较低电压操作的需求，最近的开发工作集中在(1)使用具有改善的介电性质的材料(例如，使用高介电常数绝缘体/电介质)，(2)优化制造工艺以使绝缘体/电介质无针孔以避免介电击穿。
[0010]EWoD装置的操作遭受接触角饱和和滞后，这被认为是由以下这些现象之一或组合引起的：(1)电荷在疏水膜或绝缘体/电介质界面中的截留，(2)离子的吸附，(3)热力学接触角不稳定性，(4)介电层的介电击穿，(5)电极
‑
电极
‑
绝缘体界面电容(由双层效应引起)，以及(6)表面的污染(fouling)(诸如被生物大分子)。该滞后的不利影响之一是减少的基于EWoD的装置的工作寿命。
[0011]接触角滞后被认为是多次操作后在界面处或在疏水绝缘体内的电荷积累的结果。由于这种充电现象，所需的驱动电压增加，导致最终灾难性的介电击穿。最可能的解释是绝缘体/电介质处的针孔可能使液体与电极接触，引起电解。易于形成针孔或多孔疏水绝缘体进一步促进电解。
[0012]大多数用于理解EWoD上的接触角滞后的研究一直都是在短时间尺度和用低电导率溶液进行的。长时间驱动(例如，>1小时)和高电导率溶液(例如，1M NaCl)可能产生除电解之外的几种影响。溶液中的离子(在施加的电场下)可渗透通过疏水涂层并与下面的绝缘体/电介质相互作用。离子渗透可导致(1)由于电荷俘获(其与界面充电不同)引起的介电常数变化和(2)pH敏感金属氧化物的表面电势变化。两者都可导致用以操纵水性小滴的电润湿力的降低，导致接触角滞后。本专利技术人已经发现，来自高电导率溶液的损害通过在施加电场时抑制接触角的调制来减少或禁用电极上的电润湿。
[0013]因此，本专利技术的目的是提供一种用于防止接触角饱和和滞后的方法。
[0014]专利技术概述
[0015]根据本专利技术，提供一种用于移动水性小滴的方法，其包括提供电动装置，所述电动装置包括具有电极矩阵的第一基板，其中矩阵电极中的每一个耦合至薄膜晶体管，并且其中所述矩阵电极涂覆有功能涂层，所述功能涂层包括：与所述矩阵电极接触的介电层，与所述介电层接触的保形层，和与所述保形层接触的疏水层；包括顶电极的第二基板；设置在所述第一基板和第本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于移动水性小滴的方法，所述方法包括：提供电动装置，所述电动装置包括：具有电极矩阵的第一基板，其中每个矩阵电极耦合至薄膜晶体管，并且其中所述矩阵电极涂覆有功能涂层，所述功能涂层包括：与所述矩阵电极接触的包含氮化硅、氧化铪或氧化铝的一个或多个介电层，与所述介电层接触的包含聚对二甲苯的保形层，和与所述保形层接触的疏水层；包括顶电极的第二基板；设置在所述第一基板和所述第二基板之间并限定电动工作空间的间隔件；和可操作地耦合至所述矩阵电极的电压源；在第一矩阵电极上提供水性小滴；和用所述电压源在所述第一矩阵电极和第二矩阵电极之间提供差分电势，从而在所述第一矩阵电极和第二矩阵电极之间移动所述水性小滴。2.权利要求1所述的方法，其中，所述水性小滴具有大于0.1M的离子强度。3.权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述水性小滴具有大于1.0M的离子强度。4.前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述介电层包括多个层。5.前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述介电层为10nm至100μm厚。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，层状电介质包括：包含氧化铝或氧化铪的第一层，所述第一层的厚度为9nm至80nm；包含氧化钽或氧化铪的第二层，所述第二层的厚度为40nm至250nm；和包含氧化钽或氧化铪的第三层，所述第三层的厚度为5nm至60nm，其中所述第二层设置在所述第一层和第三层之间。7.前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述包含聚对二甲苯的保形层为10nm至100μm厚。8.前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述疏水层包括含氟聚合物涂层、氟化硅烷涂层、氧化锰聚苯乙烯纳米复合材料、氧化锌聚苯乙烯纳米复合材料、沉淀碳酸钙、碳纳米管结构、二氧化硅纳米涂层或光滑注液多孔涂层。9.前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述功能涂层包括包含氮化硅的介电层、包含聚对二甲苯的保形层和包含无定形含氟聚合物的疏水层。10.前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述电动装置还包括控制器以调节提供至单个矩阵电极的电压。11.权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
申请(专利权)人：核酸有限公司，
类型：发明
国别省市：