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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010062040.4 (22)申请日 2020.01.19 (71)申请人 电子科技大学中山学院 地址 528400 广东省中山市石岐区学院路1 号 (72)发明人 易子川水玲玲迟锋刘黎明 杨健君张智张崇富 (74)专利代理机构 广东中亿律师事务所 44277 代理人 杜海江 (51)Int.Cl. B01L 3/00(2006.01) (54)发明名称 一种数字微流控平台的拼接系统及方法 (57)摘要 本发明公开了一种数字微流控平台的拼接 系统及方法， 该系统包括至少两。
2、个数字微流控平 台和驱动装置， 数字微流控平台包括普通玻璃以 及由ITO玻璃组成的电极板， 电极板的正面涂附 有疏水绝缘层， 疏水绝缘层的表面放置有液滴， 电极板的侧面互相拼接， 电极板的背面贴合在普 通玻璃上， 驱动装置与电极板电连接； 通过探究 微流控平台之间的缝隙以及液滴的移动速度对 平台拼接的影响， 实验得到设置各个参数的最优 值， 从而实现平台拼接， 能够在数字微流控芯片 出现故障时作为模块进行替换， 避免报废整个芯 片， 且由于各个平台能够拼接， 也使得它们能够 根据实际情况对DMF芯片的可操作范围进行扩大 或是进行复杂功能集成， 具有灵活性高， 实用性 高等优点。 权利要求书2页。
3、 说明书9页 附图14页 CN 111229343 A 2020.06.05 CN 111229343 A 1.一种数字微流控平台的拼接系统， 其特征在于它包括至少两个拼接在一起的数字微 流控平台， 以及控制所述数字微流控平台的驱动装置， 所述数字微流控平台包括普通玻璃 以及由ITO玻璃组成的电极板， 所述电极板的正面涂附有疏水绝缘层， 所述疏水绝缘层的表 面放置有液滴， 所述电极板的侧面互相拼接， 形成拼接平台， 所述电极板的背面贴合在所述 普通玻璃上， 所述驱动装置的输出端与所述电极板的输入端电连接。 2.根据权利要求1所述的数字微流控平台的拼接系统， 其特征在于所述驱动装置包括 控制模块。
4、、 第一电源模块、 第二电源模块、 功能串口模块和驱动模块； 所述第一电源模块分 别与所述控制模块和驱动模块的输入端电连接， 所述控制模块的输出端分别与所述功能串 口模块和驱动模块的输入端电连接， 所述第二电源模块与所述驱动模块的输入端电连接， 所述驱动模块的输出端与电极板电连接。 3.根据权利要求1所述的数字微流控平台的拼接系统， 其特征在于所述控制模块为 STM32芯片。 4.根据权利要求1所述的数字微流控平台的拼接系统， 其特征在于所述驱动模块为 HV513芯片。 5.一种如权利要求1-4所述的拼接系统的拼接方法， 其特征在于， 它包括以下步骤： 步骤S1、 探究两个拼接的数字微流控平台。
5、之间的缝隙对液滴移动的影响， 并得到实验 数据； 步骤S2、 对液滴移动速度与液滴体积、 液滴与拼接平台的接触角、 驱动电压、 电极大小 和电极切换时间之间的关系进行探究， 并得到实验数据； 步骤S3、 通过观察所述步骤S1和步骤S2的实验数据和图表， 分析得到实验结论； 步骤S4、 选取不同的材料作为疏水绝缘层， 观测液滴跨越缝隙的情况， 选出最适合的材 料； 步骤S5、 调节液滴移动至缝隙边缘电极时的电极切换时间， 优化平台拼接的效果。 6.根据权利要求5所述拼接系统的拼接方法， 其特征在于所述步骤S1具体包括： 步骤S11、 采用不同类型的电极板替换原有的电极板， 观测不同类型的电极板与。
6、原有的 电极板的拼接缝隙对液滴移动的影响情况， 并得到实验数据； 步骤S12、 通过不断改变缝隙宽度， 观测在不同的缝隙宽度下， 驱动装置输出的驱动电 压， 液滴体积大小与缝隙宽度三者的关系， 并得到实验数据。 7.根据权利要求5所述拼接系统的拼接方法， 其特征在于所述步骤S2具体包括： 步骤S21、 选取具有相同阵列， 但电极尺寸不同的拼接平台， 在保持液滴体积和电极切 换时间均相同的实验条件下进行液滴驱动实验， 观测两种拼接平台上的液滴移动速度与驱 动电压的关系， 并得到实验数据； 步骤S22、 在其他参数不变的情况下， 探究液滴接触角与驱动电压的关系， 并得到实验 数据； 步骤S23、 。
7、在其他参数不变的情况下， 探究液滴移动速度与驱动电压和电极切换时间的 关系， 并得到实验数据； 步骤S24、 在两个电极尺寸不同的拼接平台上， 分别保持其他参数不变， 探究拼接平台 上液滴移动速度与液滴体积的关系， 并得到实验数据； 步骤S25、 在两个电极尺寸不同的拼接平台上， 探究电极切换时间与驱动电压的关系， 权利要求书 1/2 页 2 CN 111229343 A 2 并得到实验数据。 权利要求书 2/2 页 3 CN 111229343 A 3 一种数字微流控平台的拼接系统及方法 技术领域 0001 本发明涉及微流控领域， 特别是一种数字微流控平台的拼接系统及方法。 背景技术 000。
8、2 数字微流控技术(Digital microfluidics， DMF)是一类新型液滴操纵技术的统 称， 常见的驱动法有介电润湿、 介电泳、 声表面波、 静电力、 磁力等。 如今， 基于该项技术的数 字微流控平台在化学、 生物、 医学及其他各个领域， 均展现其巨大的发展潜力和应用前景， 如试剂检测、 即时诊断(Point of Care Testing， PoCT)， 在这些领域中数字微流控平台都 表现出了优异的性能。 介电润湿(Electrowetting-on-dielectric,EWOD)是指通过改变绝 缘基板电极上的电压， 来改变基板上液滴的润湿性(即改变接触角)， 使液滴发生形变。
9、、 位移 的现象， 基于介电润湿的数字微流控平台是一种微流体控制平台， 在平台中， 液体作为独立 的单位大小的液滴进行处理， 这些液滴可以从源头分配出来， 合并、 分裂或在需求点之间运 输。 这些装置可通过使用表面电极阵列或是通道来实现， 以通过电润湿效应来控制液滴的 形状和位置， 具有操作简单方便等优点； 但是， 这类数字微流控平台的灵活性较低， 仍存在 许多不足， 如： 1、 无法在DMF芯片出现故障时作为模块进行替换， 导致整个DMF模块化系统报废； 2、 无法根据实际情况对DMF芯片的可操作范围进行扩大； 3、 无法进行复杂功能集成。 0003 因此， 有必要开发设计一款实用性和灵活性。
10、高的数字微流控平台的拼接系统。 发明内容 0004 为了克服现有技术的不足， 本发明的第一个目的在于提供一种数字微流控平台的 拼接系统， 用于为微流控平台的拼接提供驱动控制。 0005 本发明的第二个目的在于提供一种数字微流控平台的拼接方法， 解决了现有的微 流控平台无法在DMF芯片出现故障时作为模块进行替换， 以及无法根据实际情况对DMF芯片 的可操作范围进行扩大和功能集成的技术问题。 0006 本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案是： 一种数字微流控平台的拼接系统， 包括至少两个拼接在一起的数字微流控平台， 以及 控制所述数字微流控平台的驱动装置， 所述数字微流控平台包括普通玻璃以及由。
11、ITO玻璃 组成的电极板， 所述电极板的正面涂附有疏水绝缘层， 所述疏水绝缘层的表面放置有液滴， 所述电极板的侧面互相拼接， 形成拼接平台， 所述电极板的背面贴合在所述普通玻璃上， 所 述驱动装置的输出端与所述电极板的输入端电连接。 0007 所述驱动装置包括控制模块、 第一电源模块、 第二电源模块、 功能串口模块和驱动 模块； 所述第一电源模块分别与所述控制模块和驱动模块的输入端电连接， 所述控制模块 的输出端分别与所述功能串口模块和驱动模块的输入端电连接， 所述第二电源模块与所述 驱动模块的输入端电连接， 所述驱动模块的输出端与电极板电连接； 所述控制模块为STM32 说明书 1/9 页 。
12、4 CN 111229343 A 4 芯片； 所述驱动模块为HV513芯片。 0008 本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案是： 一种数字微流控平台的拼接方法， 包括以下步骤： 步骤S1、 探究两个拼接的数字微流控平台之间的缝隙对液滴移动的影响， 并得到实验 数据。 0009 步骤S2、 对液滴移动速度与液滴体积、 液滴与拼接平台的接触角、 驱动电压、 电极 大小和电极切换时间之间的关系进行探究， 并得到实验数据。 0010 步骤S3、 通过观察所述步骤S1和步骤S2的实验数据， 分析得到实验结论。 0011 步骤S4、 选取不同的材料作为疏水绝缘层， 观测液滴跨越缝隙的情况， 选出最适合。
13、 的材料。 0012 步骤S5、 调节液滴移动至缝隙边缘电极时的电极切换时间， 优化平台拼接的效果。 0013 进一步地， 所述步骤S1具体包括： 步骤S11、 采用不同类型的电极板替换原有的电极板， 观测不同类型的电极板与原有的 电极板的拼接缝隙对液滴移动的影响情况， 并得到实验数据。 0014 步骤S12、 通过不断改变缝隙宽度， 观测在不同的缝隙宽度下， 驱动装置输出的驱 动电压， 液滴体积大小与缝隙宽度三者的关系， 并得到实验数据。 0015 进一步地， 所述步骤S2具体包括： 步骤S21、 选取具有相同阵列， 但电极尺寸不同的拼接平台， 在保持液滴体积和电极切 换时间均相同的实验条件。
14、下进行液滴驱动实验， 观测两种拼接平台上的液滴移动速度与驱 动电压的关系， 并得到实验数据。 0016 步骤S22、 在其他参数不变的情况下， 探究液滴接触角与驱动电压的关系， 并得到 实验数据。 0017 步骤S23、 在其他参数不变的情况下， 探究液滴移动速度与驱动电压和电极切换时 间的关系， 并得到实验数据。 0018 步骤S24、 在两个电极尺寸不同的拼接平台上， 分别保持其他参数不变， 探究拼接 平台上液滴移动速度与液滴体积的关系， 并得到实验数据。 0019 步骤S25、 在两个电极尺寸不同的拼接平台上， 探究电极切换时间与驱动电压的关 系， 并得到实验数据。 0020 本发明的有。
15、益效果是： 本发明通过探究微流控平台之间的缝隙以及液滴的移动速 度对平台拼接的影响， 通过实验得到设置各个参数的最优值， 从而实现平台拼接， 本发明能 够在数字微流控芯片出现故障时作为模块进行替换， 避免报废整个芯片， 且由于各个平台 能够拼接， 也使得它们能够根据实际情况对DMF芯片的可操作范围进行扩大或是进行复杂 功能集成， 具有灵活性高， 实用性高等优点。 附图说明 0021 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 0022 图1是本发明的数字微流控平台的拼接系统的结构框图； 图2是本发明的驱动装置的结构框图； 图3是本发明的拼接平台的结构示意图； 说明书 2/9 页 5 CN 111。
16、229343 A 5 图4是本发明的液滴移动的原理图； 图5是本发明的功能串口模块的工作原理图； 图6是本发明的缝隙边缘的结构示意图； 图7是本发明的缝隙宽度为200 m时， 驱动电压与液滴体积的关系图； 图8是本发明的缝隙宽度为320 m和440 m时， 驱动电压与液滴体积的关系图； 图9是本发明的缝隙宽度为560 m和680 m时， 驱动电压与液滴体积的关系图； 图10是本发明在静止状态下， 液滴在拼接平台上的示意图； 图11是本发明的拼接平台的缝隙宽度与可驱动的最大液滴的底面半径的关系曲线图； 图12是本发明的拼接平台上电极阵列的结构示意图； 图13是本发明的液滴在不同尺寸的电极上液滴移。
17、动速度与驱动电压关系图， 其中(a) 是大小为3mm2与1.5mm2的电极上驱动电压与液滴移动速度关系图； (b)是3mm2电极上驱动电 压与液滴移动速度关系图； 图14是本发明液滴接触角与驱动电压的关系图； 图15是本发明的1.5mm2电极上驱动电压电压与液滴移动速度的关系图， 其中， (a)是不 同电极切换时间下液滴驱动电压与液滴移动速度的关系图； (b)是电极切换时间分别为 0.4s、 0.6s时液滴驱动电压与液滴移动速度的关系图； 图16是本发明的电极切换时间与液滴移动的关系图， 其中， (a)是当电极切换时间慢于 液滴移动速度的关系图； (b)是电极切换时间快于液滴移动速度的关系图；。
18、 图17是本发明的两种不同大小的ITO电极上液滴体积与移动速度的关系图； 其中， (a) 是3mm2电极上液滴体积与移动速度的关系图； (b)是是1.5mm2电极上液滴体积与移动速度的 关系图； 图18是本发明的不同电极上电极切换时间与液滴所需最低驱动电压的关系图； 其中， (a)是3mm2电极上电极切换时间与液滴所需最低驱动电压的关系图； (b)是1.5mm2电极上电 极切换时间与液滴所需最低驱动电压的关系图； 图19是本发明的Parafilm膜上的液滴接触角以及驱动电压的关系图； 图20是本发明的Parafilm膜上液滴移动速度与相关因素的关系图； 其中(a)是驱动电 压于液滴移动速度的关。
19、系图； (b)是液滴体积与移动速度的关系图； 图21是本发明的拼接平台驱动液滴的流程图； 图22是本发明的液滴移动在拼接平台缝隙间发生停滞的结构示意图； 图23是本发明的系统拼接驱动优化方案液滴驱动过程图,； 图24是本发明的电压输出时序图， 其中(a)为平台1驱动系统的电压输出时序图； (b)为 平台2驱动系统的电压输出时序图。 具体实施方式 0023 参照图1至图5， 一种数字微流控平台的拼接系统， 包括至少两个拼接在一起的数 字微流控平台(下文提及的平台1和平台2即为两个数字微流控平台)， 以及控制所述数字微 流控平台的驱动装置， 所述数字微流控平台包括普通玻璃以及由ITO(氧化铟锡)玻。
20、璃组成 的电极板， 所述电极板的正面涂附有疏水绝缘层， 所述疏水绝缘层的表面放置有液滴， 所述 电极板的侧面互相拼接， 形成拼接平台， 所述电极板的背面贴合在所述普通玻璃上， 以确保 说明书 3/9 页 6 CN 111229343 A 6 拼接平台的平稳性， 所述驱动装置的输出端与所述电极板的输入端电连接； 本实施例中， 液 滴采用去离子水， 放置液滴的工具为移液枪； 在一开始的实验中， 所述疏水绝缘层采用AF溶 剂(是由特殊结构的氟硅树脂制成的一种含氟涂料， 是一种高性能的非晶体、 无定型含氟树 脂)作为疏水绝缘层， 其具有疏水性强(与去离子水的接触角大于105 ， 是实现液滴驱动的 基础。
21、要素)， 高透明度(有效透射率大于95， 使得驱动液滴的实验容易被观察， 方便实验的 进行以及结果记录)以及优异的耐化学性； 本实施例中， 当ITO玻璃拼接完成后， 通过旋涂机 (匀胶机)以转速为1800转/分钟， 旋涂时间为1分钟， 将AF溶剂均匀旋涂在ITO玻璃的表面， 然后再置于热板机上， 设置温度为85， 加热20分钟得到厚度约为800nm的AF疏水绝缘层。 0024 进一步地， 所述驱动装置包括控制模块、 第一电源模块、 第二电源模块、 功能串口 模块和驱动模块； 所述第一电源模块分别与所述控制模块和驱动模块的输入端电连接， 所 述控制模块的输出端分别与所述功能串口模块和驱动模块的输。
22、入端电连接， 所述第二电源 模块与所述驱动模块的输入端电连接， 所述驱动模块的输出端与电极板电连接； 所述控制 模块为STM32芯片； 所述驱动模块为HV513芯片； 本实施例中， 所述第一电源模块用于给所述 控制模块和驱动模块提供工作电源； 所述第二工作电源用于给所述驱动模块提供高压电 源， 驱动液滴移动； 本实施例中， 所述HV513芯片有两块， 所述HV513芯片之间级联通信， 单块 芯片具备8个可编辑高压输出口， 可输出范围5V-250V的电压； 所述驱动模块根据控制模块 发出的指令输出电压控制液滴移动； 由于拼接系统的工作环境需要高压输出， 所述HV513芯 片的内部内置高压保护电路。
23、以及短路检测电路， 可承受最高瞬时电压为275V； 当电路中产 生的巨大瞬间电流时可以及时将其疏导出去， 保护驱动芯片不被击穿损毁， 防止出现安全 问题等， 有效提供系统的稳定性； 且其无须增加外围电路进行配置， 可直接连接高压电源， 使得系统更加小型化和模块化， 有效缩小系统体积； 本实施例中， 所述功能串口模块有两 个， 分别为通信串口组1和通信串口组2， 所述控制模块可通过所述功能串口模块与PC机或 其他微流控平台的控制装置进行通讯， 所述控制模块根据PC机发出的信号， 发出指令控制 驱动模块， 并传输信号给其他微流控平台； 本实施例中， STM32芯片决定HV513芯片的工作模 块， 。
24、其使用一个16位二进制数， 与两块HV513芯片的16个输出口一一对应， 置1表示相对应的 电极上输出电压， 置0则表示输出近似0V的低压， 参照图4， 液滴移动的原理为： 在液滴触碰 两个电极时， 一个输出高电平， 一个输出低电平， 液滴向高电平方向移动(接触到高电平的 液滴部分， 由于电场作用， 接触角发生变化， 而低电平的部分接触角并没有发生很大的变 化， 导致液滴两边不对称变形产生内部的压强差， 最终实验液滴的操控， 使得液滴向高电平 方向移动)； 本实施例中， 对串口通信功能的通信协议作了规定， 参照图5， 协议包括： 指令识 别以及传递的形式、 功能指令的形式。 首先驱动系统在初始。
25、化之后开启串口中断， 然后进入 等待状态， 当串口收到外部指令进入时进行识别。 当指令不符合识别规则时， 根据协议规定 将指令继续传递至其他系统； 当指令被识别时， 执行指令的对应功能。 任务执行完毕后再根 据协议要求反馈指令或重新进入待命状态， 等待下一个指令。 0025 本实施例中， 提供有一种数字微流控平台的拼接方法， 主要对拼接平台的缝隙以 及液滴的移动速度进行探究， 得到实现平台拼接的各个参数， 它包括以下步骤： 步骤S1、 探究两个拼接的数字微流控平台之间的缝隙对液滴移动的影响， 并得到实验 数据； 本实施例中， 当电极板拼接完成后， 通过显微镜观测缝隙宽度， 测得数据为200 m。
26、， 并 对缝隙边缘处的形貌进行了观察， 可看到其边缘处的形貌会出现像 “树根” 状等各种形状的 说明书 4/9 页 7 CN 111229343 A 7 龟裂或缺口， 参照图6， 这会使得ITO拼接缝隙边缘不平整， 液滴所需要跨越的距离更远， 液 滴移动会止步于距离边缘更远的地方， 这给实现拼接驱动液滴带来阻碍(电极形状出现破 损， 液滴要跨越缝隙到下一个电极需要走更远的距离， 并且表面粗糙会导致液滴的移动阻 碍变大)； 为了进一步验证， 从两个方面探究缝隙对液滴移动的影响。 0026 步骤S11、 采用不同类型的电极板替换原有的电极板， 观测不同类型的电极板与原 有的电极板的拼接缝隙对液滴移。
27、动的影响情况， 并得到实验数据； 本实施例中， 采用由PCB 基板组成的电极板代替原来的ITO玻璃组成的电极板， 首先将液滴滴在由PCB基板组成的电 极板的拼接缝隙上， 并使液滴同时接触到两个平台上的电极， 再通过驱动装置， 驱动液滴移 动， 经观察得到， PCB基板上的液滴即使触碰到激活电极， 缝隙也会使其滞留， 妨碍实现连续 运动； 随后， 在ITO玻璃组成的电极板的拼接缝隙上滴加液滴， 并使液滴同时接触到缝隙两 边的电极， 随后通过驱动装置施加驱动电压， 驱动液滴移动， 通过观察， 液滴不会滞留于缝 隙之中， 能够翻越缝隙到另一微流控平台上， 证实了液滴拼接平台的可行性。 0027 步骤。
28、S12、 通过不断改变缝隙宽度， 观测在不同的缝隙宽度下， 驱动装置输出的驱 动电压， 液滴体积大小与缝隙宽度三者的关系， 并得到实验数据； 本实施例中， 在缝隙中插 入厚度为0.12mm的纸张， 通过增减纸张的数量， 来调节缝隙宽度， 本实施例中， 设置有5种缝 隙宽度， 分别为： 200 m(拼接平台中的ITO玻璃边缘完全紧贴， 没有夹入纸张的缝隙宽度)、 320 m、 440 m、 560 m以及680 m； 通过实验， 得到了在不同缝隙宽度条件下， 液滴的体积与所 需的最低驱动电压之间的关系曲线(驱动电压最小间隔为1V)， 参照图7至图9， 可以看出， 在 一定缝隙间距下， 随着液滴体。
29、积的增大， 所需最低驱动电压呈现阶梯式增长。 即当液滴超过 一定体积后， 其最低驱动电压迅速增大。 对于200-680 m这一范围的缝隙间距， 当液滴体积 为10 L时， 各个缝隙宽度下的最低驱动电压相同， 均为40V。 当液滴体积增大至60 L时， 最低 驱动电压可达到80V(此时缝隙间距为680 m)。 另外， 当缝隙间距为200 m时， 在液滴体积从 20 L增大到52 L的过程中， 最低驱动电压维持在50V不变。 0028 通过观察， 我们还可得到， 在缝隙宽度保持不变的条件下， 所能够驱动的液滴体积 随着电压上升而增大， 而且缝隙宽度越大， 出现电压突变的次数越多。 其中， 当缝隙宽。
30、度为 680 m时， 在电压从40V缓慢上升至80V的过程中， 分别在液滴体积为16 L、 22 L、 36 L以及50 L时出现电压突变。 这说明虽然拼接平台之间存在缝隙， 但在一定范围的缝隙宽度内， 能够 驱动同时接触到拼接平台两边的电极的液滴， 而且缝隙宽度越大， 所需的驱动电压就越大。 所以拼接平台的缝隙会阻碍液滴移动， 并且缝隙越宽， 阻碍越大。 0029 为了更直观得出拼接平台的缝隙宽度与所能被驱动的液滴体积的关系， 本实施例 中， 将液滴体积量化为液滴的底面半径， 并探究在不同电压条件下， 拼接平台缝隙与所能驱 动液滴体积的最大底面半径之间的关系， 借助球缺体公式计算出位于拼接平。
31、台上液滴的底 面半径： 其中， V为液滴体积； H为拼接平台上液滴的高度； R为液滴的半径； 参照图10， 为在静止 状态下， 液滴在拼接平台上的形状， 通过观察可得到静止状态下， 液滴的底面半径、 液滴半 径以及液滴与拼接平台的接触角之间的关系式： rR sin(180 - )； 说明书 5/9 页 8 CN 111229343 A 8 实验通过接触角测量仪测出的液滴与平台基板之间的接触角 ， 并代入上述公式可求 得液滴的底面半径r。 得到在一定电压范围内， 拼接平台的缝隙宽度与可驱动的最大液滴的 底面半径的关系曲线， 参照图11， 我们可以看到， 在拼接平台缝隙宽度保持不变的条件下， 能够。
32、被驱动的最大液滴的底面半径随着电压的升高而增大。 由图可得， 在保持同一电压条 件下， 随着拼接平台缝隙的宽度增加， 所能够驱动的最大液滴的半径越小。 其中， 当拼接平 台的缝隙宽度为440 m的情况下， 驱动电压从50V上升至60V时， 所能够驱动的最大液滴半径 从1.956mm增大至2.465mm。 另外， 当电压为40V， 缝隙宽度为200 m的条件下， 所能驱动的最 大液滴其底面半径约为1.77 m， 随着缝隙宽度增加到680 m时， 所能驱动的最大液滴的底面 半径则将降低至约为1.63 m。 这是由于拼接平台的缝隙会使液滴有一部分陷落在缝隙中， 保持液滴大小不变， 在一定的缝隙宽度范。
33、围内， 随着拼接平台的缝隙宽度增大， 液滴陷落在 缝隙中的部分就越多。 此时驱动液滴则需要有更大的驱动力将陷落在缝隙中的部分液体带 出， 这意味着液滴所需的驱动力就越大， 而驱动电压直接关系到液滴所受到驱动力的大小。 因此在输出相同电压的情况下， 随着拼接平台的缝隙宽度增大， 所能驱动的最大液滴体积 减小， 能被驱动的最大液滴底面半径就越小。 0030 步骤S2、 对液滴移动速度与液滴体积、 液滴与拼接平台的接触角、 驱动电压、 电极 大小和电极切换时间之间的关系进行探究， 并得到实验数据； 具体地， 所述步骤S2包括： 步骤S21、 选取具有相同阵列， 但电极尺寸不同的拼接平台， 在保持液滴。
34、体积和电极切 换时间均相同的实验条件下进行液滴驱动实验， 观测两种拼接平台上的液滴移动速度与驱 动电压的关系， 并得到实验数据； 本实施例中， 液滴的移动速度是通过视频记录装置记录液 滴移动视频， 通过分析视频计算出液滴的移动速度； 本实施例中， 为了让液滴能够产生较快 的移动速度去接触另一个平台， 参照图12， 申请人设计了一个具有四个电极大小不同的2*8 (两行八列)电极阵列， 使得平台具有一定的加速距离， 有利于控制液滴加速移动， 从左到 右， 各个电极阵列中的电极大小分别为1mm2、 1.2mm2、 1.5mm2和3mm2， 并选取1mm2和3mm2的电 极阵列进行实验， 本实施例中，。
35、 在保持液滴体积为20 L、 电极切换时间为0.2s的实验条件下 进行液滴驱动实验， 得到两种电极阵列上的液滴移动速度与电压关系， 参照图13(a)， 其中 3mm2电极上更详细的液滴移动速度变化趋势曲线图可参照图13(b)， 从图13(a)可观察到， 大小为1.5mm2的电极上液滴的移动速度总体大于3mm2电极上的移动速度。 在一定范围内的 液滴移动速度会随着电压增大呈现上升趋势， 经过一个临界值之后速度开始下降， 随着电 压继续增大下降趋势逐渐趋于平缓； 从图13(b)可观察到在3mm2电极上， 液滴驱动电压从 90V开始缓步上升至130V的过程中， 速度从12.32mm/s上升至最高速度。
36、15.56mm/s； 电压从 130V上升至190V过程中， 液滴速度开始下降并在190V降低至13.56mm/s。 0031 步骤S22、 在其他参数不变的情况下(指除被探究的参数以外， 步骤S2中提到的其 它参数不变， 文中其它地方记载与其相类似)， 探究液滴接触角与驱动电压的关系， 并得到 实验数据； 本实施例中， 根据电润湿原理， 液滴能够移动是因为在电压作用下的电场力减小 液滴的接触角， 产生的液滴形变带动液滴发生移动； 参照图14， 可知， 液滴初始接触角约在 106.5 ， 在驱动电压(无论是正向电压还是反向电压)上升至130V左右时出现接触角饱和， 并且随着驱动电压的不断增大，。
37、 可观察到， AF疏水绝缘层开始出现失效现象(电荷击穿AF疏 水绝缘层， 液滴出现小部分电解)， 随着电压继续增大， 液滴中出现明显气泡， 导致液滴移动 速度下降。 说明书 6/9 页 9 CN 111229343 A 9 0032 步骤S23、 在其他参数不变的情况下， 探究液滴移动速度与驱动电压和电极切换时 间的关系， 并得到实验数据； 本实施例中， 尺寸大小为1.5mm2电极比3mm2能够使液滴达到更 快的移动速度， 为此我们选择1.5mm2电极作为以下实验的驱动电极， 并对电极切换时间以 及驱动电压如何影响液滴移动速度的关系进行分析研究， 参照图15， 通过观察图15(a)可 知， 在。
38、相同的电极大小以及保持液滴体积不变的条件下， 所有速度曲线均呈现出随着电压 增大而上升， 当到达某一个临界值之后开始逐步下降并逐渐趋于平缓的趋势。 随着电极切 换时间的缩短， 液滴的移动速度随之上升。 而且， 电极切换时间越短， 液滴所需的最低驱动 电压越高。 其中， 当电极切换时间从0 .6s调整至0 .2s的情况下， 液滴最快移动速度从 8.03mm/s上升至15.56mm/s； 电极切换时间0.6s时所需最低驱动电压为50V， 而电极切换时 间为0.2s时所需最低驱动电压为90V； 观察图15(b)可知， 液滴移动速度随着电压上升在一 定范围内增加， 经过一个临界值之后开始下降。 综合上。
39、述可得， 在保持液滴体积大小不变的 前提下， 电压上升会致使液滴移动速度在一定范围内随之增加， 在经过一个临界值之后， 由 于液滴接触角开始趋于饱和以及AF疏水绝缘层的失效现象的出现， 液滴移动速度开始下 降， 该曲线趋势不受电极切换时间以及电极尺寸大小的影响； 参照图16， 为电极切换时间与 液滴移动的关系图， 图16(a)说明， 当电极切换时间慢于液滴移动速度时， 液滴会先到达下 一个电极并等待下一个电极切换周期到来， 这会使液滴在移动过程中产生短暂的停顿， 液 滴移动速度比电极切换越快， 液滴停顿的时间越明显； 图16(b)说明， 当电极切换时间快于 液滴移动速度时， 液滴与下一个电极的。
40、接触面积会相对于上一状态减少， 受到下一个电极 产生的电场力随之减小， 这会导致液滴速度减慢甚至跟不上电极切换而使得液滴停止移 动。 综上所述， 我们可以得出， 不适当的电极切换时间会减慢液滴的移动速度， 阻碍液滴通 过连续运动达到最快的移动速度。 0033 步骤S24、 在两个电极尺寸不同的拼接平台上， 分别保持其他参数不变， 探究拼接 平台上液滴移动速度与液滴体积的关系， 并得到实验数据； 参照图17， 在在一定的液滴体积 范围内， 液滴移动速度随着液滴体积的增大而上升， 当液滴体积增大至一个临界值之后， 液 滴移动速度开始降低， 其中， 图17(a)展示了当液滴体积从14 L增大至20 。
41、L时， 液滴移动速 度从11.82mm/s上升至15.13mm/s， 在液滴体积超过20 L并增大至25 L的过程中， 液滴移动 速度下降至12.51mm/s。 这是因为， 在保持驱动电压不变的条件下， 随着液滴体积增大， 液滴 与驱动电极的有效接触面积也随之增大， 这增加了液滴所受的驱动力从而提升了液滴的移 动速度； 当液滴增大到一定体积之后， 液滴与驱动电极的有效接触面积变化量基本持平， 液 滴所受到的电场驱动力增量变化不大甚至不变， 但是所需驱动的液滴体积却不断增大， 当 前的驱动电压已经不足以维持原来的移动速度， 从而导致移动速度下降， 当液滴体积相对 于驱动电极显得过于庞大时将无法驱。
42、动液滴。 因此我们可得出， 当保持驱动电压以及电极 切换时间不变时， 选取适当体积的液滴有利于实现驱动液滴达到最快速度； 再结合图17 (b)， 可知， 在一定液滴体积范围内， 1.5mm2电极上的液滴体积为7 L的条件下， 液滴最快的 移动速度可达到37.72mm/s， 尺寸为1.5mm2的电极相比于3mm2电极能提供更快的液滴移动。 0034 步骤S25、 在两个电极尺寸不同的拼接平台上， 探究电极切换时间与驱动电压的关 系， 并得到实验数据； 参照图18， 其中， 图18(a)中， 使用的电极大小为3mm2、 液滴体积为20 L、 最高驱动电压为200V； 图18(b)中， 使用的电极大。
43、小为1.5mm2、 液滴体积为10 L、 最高驱动 电压为150V； 从图18(a)和图18(b)可看出， 随着电极切换时间的缩短， 满足驱动要求的电压 说明书 7/9 页 10 CN 111229343 A 10 范围随之缩小， 同时驱动液滴所需的最小电压逐渐上升， 进一步地， 从图18(a)中看出， 当电 极切换时间为0.2s时， 液滴所需最低驱动电压为90V， 驱动电压的范围在90V-200V； 将电极 切换时间从0.2s增加到1.2s时， 液滴所需最低驱动电压则降低至50V； 相对于图18(b)， 液滴 所需最低驱动电压的变化幅度较为平缓， 随着电极切换时间从0.2s增大至1.2s的过。
44、程中， 液滴所需最低驱动电压由90下降至60V， 当电极切换时间为0.2s时， 驱动液滴的电压范围在 90V-150V； 通过分析可知， 缩短电极切换时间虽然可以提高液滴的移动速度， 但是液滴需要 具备更快的响应速度， 保持其他因素不变的情况下使用更高的电压进行驱动能让液滴在更 短的时间内完成相同量的接触角变化， 提升了液滴的响应速度。 0035 步骤S3、 通过观察所述步骤S1和步骤S2的实验数据， 分析得到实验结论； 本实施例 中， 由于只对1.5mm2和3mm2的电极进行实验， 因此我们选取1.5mm2的电极进行驱动， 通过分 析步骤S1和步骤S2， 我们可得到在一定范围内缩短电极切换时。
45、间以及适当地增大液滴的体 积能够提升液滴的移动速度。 但是， 随着电极切换时间减小， 对于液滴所需最低驱动电压的 要求也会随之上升， 这意味着要提升液滴的移动速度除了缩短电极切换时间以及适当增加 液滴体积之外， 还需要提高所需驱动电压， 从而缩短液滴的响应时间， 使得液滴获取更快的 移动速度； 通过该实验结论， 有利于我们在进行液滴驱动时选择合适的参数。 0036 步骤S4、 选取不同的材料作为疏水绝缘层， 观测液滴跨越缝隙的情况， 选出最适合 的材料； 本实施例中， 经过步骤S3后， 选择1.5mm2的电极， 并设置合适的参数进行液滴驱动， 发现液滴在驱动至缝隙边缘时无法跨越拼接平台的缝隙，。
46、 也没有滑落至拼接平台的缝隙中 接触到另一个平台的电极， 而是停止在缝隙边缘， 因此可以推断， 光是具备较快的移动速度 尚且不足以使得液滴接触到下一个平台的电极； 由于上面实验中， 我们观察到当驱动电压 大到一定值时， AF疏水绝缘层会出现失效现象， 影响液滴移动跨越缝隙， 为此， 我们考虑采 用贴附厚度为10 m的Parafilm膜， 并在Parafilm膜上涂附硅油， 以此替代之前实验的AF疏 水绝缘层， 通过实验， 我们对液滴接触角以及驱动电压的关系进行实验研究， 参照图19， 通 过观察可知， 在Parafilm膜上液滴接触角的变化趋势与在AF疏水绝缘层上相似， 随着驱动 电压的逐步升。
47、高， 液滴接触角逐步减小并在达到接触角饱和之后趋于平缓。 其中， 在施加正 向电压的条件下， 液滴的初始接触角约为103.7 ， 随着驱动电压缓步上升， 液滴接触角随之 减小并趋向于接触角饱和， 在250V时接触角约为56.9 ； 进一步地， 在Parafilm膜的拼接平 台电极上进行实验， 对影响液滴移动速度的液滴体积以及驱动电压之间的关系进行探究， 得到实验数据， 具体参照图20， 本实施例中， 在电极大小为1.5mm2、 电极切换时间设置为 0.8s、 驱动液滴体积为10 L的条件下， 驱动电压与液滴移动速度的关系图为图20(a)， 通过 观察， 我们可以看到随着电压的上升， 液滴的移动。
48、速度也随之上升， 并且速度增长趋势逐渐 趋于平缓。 相比于AF疏水绝缘层， 在Parafilm膜上驱动液滴产生连续运动所需的最低电压 高出很多， 为180V。 在驱动电压上升至240V的过程中， 液滴移动速度从2.33mm/s提高到 3.17mm/s。 这是因为Parafilm膜充当疏水绝缘层， 在高压环境下没有AF失效现象， 而且随着 电压的上升， 液滴接触角逐渐接近饱和， 因此液滴移动速度在一定范围内会呈现出上升趋 势并且增长趋势逐渐平缓； 图20(b)展示了了Parafilm膜上液滴体积与移动速度的关系， 由 图可得， 在电极大小为1.5mm2、 电极切换时间设置为0.8s、 驱动电压为。
49、240V的条件下， 在一 定液滴体积范围内， 液滴移动速度随着液滴体积的增大而上升， 经过一个临界值之后移动 速度开始下降， 其中， 液滴体积在7 L-15 L的范围中， 12 L的液滴能够达到最高的移动速 说明书 8/9 页 11 CN 111229343 A 11 度， 为3.11mm/s； 经过最终调试， 在电极大小为1.5mm2、 电极切换时间为0.8s、 驱动电压为 220V和液滴体积为12 L的情况下， 实现拼接平台驱动液滴， 具体可参照图21， 为这个驱动过 程， 拼接平台驱动液滴移动全程时长为2.11s， 移动距离为6.56mm， 可得到本次驱动的平均 速度为3.109mm/s。
50、。 基本符合前面测出的Parafilm膜上液滴体积、 驱动电压以及移动速度的 关系曲线。 0037 步骤S5、 调节液滴移动至缝隙边缘电极时的电极切换时间， 优化平台拼接的效果； 本实施例中， 虽然步骤S4已经实现拼接平台的液滴驱动， 但由于存在客观因素的影响， 如玻 璃缝隙存在误差， 本申请前面记载平台拼接后缝隙为200 m， 但由于缝隙边缘会龟裂或缺口 等情况， 会导致缝隙的实际距离增大， 申请人通过在多个拼接平台上驱动液滴， 发现在跨越 拼接平台缝隙的过程当中， 有时候会出现， 液滴在触碰不到另一个平台的情况下会停留在 缝隙位置， 影响拼接效果， 具体可参照图22， 为此， 申请人进行了。