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基于介质上电润湿效应的数字微流控器件

作　者: 赵平安
导　师: 周嘉
学　校: 复旦大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 介质上电润湿数字微流控 P(VDF-TrFE) 电压极性相关电润湿单平面电极阵列
分类号: TN42
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 217次
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内容摘要

随着微电子技术的发展,工艺特征尺寸不断下降,表面张力在MEMS器件中的应用日益重要。利用表面张力实现液滴驱动成为微流控技术的一个重要分支,基于EWOD(Electrowetting on dielectric,介质上电润湿效应)的数字微流控技术即为其中一种重要的实现方法。鉴于其与传统IC芯片的系统集成的应用需求,有效地降低数字微流控器件的工作电压,兼顾与IC工艺的兼容性,成为一个亟待解决的难题。论文研究了一种基于电压极性相关EWOD的单平面电极阵列结构的数字微流控器件。创新地采用了一种新型的高K介质材料,设计了新型的器件结构,不仅有效降低了器件的工作电压,而且整个制作工艺流程与IC完全兼容。根据表面张力驱动液体的基本原理,论文比较分析了表面修饰对固-液接触角的影响。在理论推导的基础上,论文研究了不同介质材料的电润湿现象,最终选定一种高K(K=7.6-11.6)的铁电材料P(VDF-TrFE)作为器件中关键的绝缘介质层。在30V的外加电压下,液滴的接触角从118°下降到75°,足以驱动液滴。论文研究了以P(VDF-TrFE)为介质层的微流控器件的介质上电润湿效应,观察到电压极性相关的电润湿现象。利用该效应,微流控器件的工作电压最低可降至15V。根据研究发现的“电压极性相关的电润湿现象”,创新地设计了新型的单平面电极阵列结构的数字微流控器件,实现了20V驱动电压下3μL PBS液滴的往返运输。论文还设计并制作了数字微流控器件的外围控制平台,实现了液滴移动的自动控制。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-5
目录  5-7
图表目录  7-9
第一章引言  9-13
  1.1 芯片上实验室与微流控  9-10
  1.2 基于介质上电润湿效应的数字微流控技术  10-11
  1.3 论文的研究目标  11-12
  1.4 论文内容  12-13
第二章表面张力作用下的液滴驱动  13-21
  2.1 液滴的表面张力驱动  13-16
    2.1.1 表面张力  13-14
    2.1.2 表面张力驱动原理  14-15
    2.1.3 表面张力的控制  15-16
  2.2 器件表面修饰  16-20
    2.2.1 表面修饰剂  16-17
    2.2.2 Teflon~(?) AF旋涂实验  17-19
    2.2.3 Teflon~(?) AF 2400薄膜厚度与旋涂转速关系实验  19
    2.2.4 Teflon~(?) AF 2400薄膜表面与水接触角测量实验  19-20
  2.3 本章总结  20-21
第三章介质上电润湿研究  21-43
  3.1 介质上电润湿效应  21-24
    3.1.1 电润温  21-22
    3.1.2 介质上电润湿  22-23
    3.1.3 Lippman-Young方程的非理想因素  23-24
  3.2 电介质材料  24-26
    3.2.1 电介质材料的器件参数  24-25
    3.2.2 介质层材料选择  25-26
  3.3 P(VDF-TRFE)介质层  26-32
    3.3.1 P(VDF-TrFE)薄膜厚度与转速关系  28-29
    3.3.2 P(VDF-TrFE)电学特性测量  29-32
  3.4 基于P(VDF-TRFE)的介质上电润湿  32-37
    3.4.1 介质上电润湿样品制备  32-33
    3.4.2 接触角测试平台  33-34
    3.4.3 分质上电润湿现象  34-36
    3.4.4 接触角饱和现象  36-37
  3.5 电压极性相关介质上电润湿  37-42
    3.5.1 正负电压下非对称的电润湿现象  37-39
    3.5.2 电压极性相关介质上电润湿现象的进一步讨论  39-40
    3.5.3 关于电压极性相关介质上电润湿的解释  40-42
  3.6 本章总结  42-43
第四章数字微流控器件  43-60
  4.1 基于介质上电润湿效应的数字微流控器件  43-46
    4.1.1 数字微流控系统  43-45
    4.1.2 传统的数字微流控器件  45-46
  4.2 单平面电极阵列数字微流控器件  46-50
    4.2.1 单平面电极阵列数字微流控器件的设计  46-49
    4.2.2 单平面电极阵列数字微流控器件的制作  49-50
    4.2.3 单平面电极阵列数字微流控器件的测试  50
  4.3 微流控器件的优化  50-56
    4.3.1 电极层材料  50-53
    4.3.2 电极图形设计  53-56
  4.4 封装和控制平台  56-59
    4.4.1 微流控芯片的封装  56-58
    4.4.2 外围控制系统  58-59
  4.5 本章总结  59-60
第五章研究总结与展望  60-62
参考文献  62-65
致谢  65-66
硕士阶段科研成果  66-67
论文勘误  67-68

基于介质上电润湿效应的数字微流控器件

内容摘要

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