电润湿设备的制作方法

xiaoxiao2020-7-2  2

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专利名称:电润湿设备的制作方法
技术领域
本发明涉及包括一个或者多个单元的电润湿设备,每个单元包括(a)包括第一和第二不混溶流体的电润湿组分(composition),第一流体是电解液,(b)第一电极,由电介质与电润湿组分分开,以及(c)电压源,用于在第一电极和电解液之间施加运行电压差,以运行电润湿设备。本发明还涉及用于制造和运行上述电润湿设备的方法。
背景技术
电润湿是液体和固体之间接触角的静电控制。施加到导电液体和导电底板之间的电压差减少了界面能,这增加了由液体润湿基板的程度。电润湿可以被施加来移动和成形液体的体积。例如,当小水滴呈现在疏水表面上时,两者之间的接触面积被最小化。然而,当合适的电压差施加到存在于疏水表面下面的第一电极和置于小水滴中的第二电极之间时, 小水滴遍布在疏水表面上(换句话说,表面的疏水特性看起来降低)。当电压差消除时,小水滴返回到其原始状态。电润湿设备是一种在运行中使用电润湿效应的设备。电润湿设备在广泛的应用范围中使用,包括变焦透镜(例如,变焦接触透镜)、电子显示器、用于光纤的开关、以及微电子机械系统(例如,微流设备和芯片上实验室设备)。电润湿设备典型地包括单元,其中,包括两种不混溶流体的电润湿组分(其中一个是极性的和/或导电的)可以通过在两个电极之间施加电压差来操控。为了防止电润湿组分(composition)的电解,一个电极可以通过电介质媒介(在本文的剩余部分简称为电介质)与电润湿组分分开。这种电润湿设备通常被称为电介质上的电润湿(EWOD)设备。其它的电极可以与极性的和/或导电的液体直接接触,或者其可以与该液体电容性耦合。EffOD设备典型地具有电介质,其包括非结晶的含氟聚合物(例如,Teflon AF), 二氧化硅(Si02)、或者聚对二甲苯(可以通过化学气相沉积来沉积的(聚对苯二亚甲基)聚合物),或者这些层的堆叠,其具有微米数量级的厚度,以使得要求比较高的电压差(100V的数量级)来运行这些设备。为了减小设备尺寸和/或功耗,以及能够使用标准的电子元件,需要能够在较低电压时运行的EWOD设备。所要求的EWOD设备的运行电压可以通过增加介电常数和/或减少电介质的厚度来减小,由此增加电介质的电容。减小电介质的厚度导致了较低的运行电压,而且也导致了电介质内部的较大电场,以及导致了电介质中出现针孔的更高可能性。在某一最小层厚以下,电介质的电击穿 (也称为电介质击穿)出现在获得理想的电润湿效应之前。在US-2006/0221458和US-2008/0100905中分别公开了可以在较小的电压时运行的EWOD设备。这些已知的EWOD设备包括具有导电的或者极性的液体材料的容器,以及用于将电压通过电介质施加到导电的或者极性的液体材料的第一电极。电介质是通过阳极氧化第一电极形成的金属氧化物层。电介质的厚度可以通过调整阳极氧化工艺(process)期间所施加的电压来容易且精确地调整。而且,比较高介电常数的金属氧化物可以通过阳极氧化铝和钽来形成。而且,这种金属氧化物可以制成无针孔层。已知EWOD设备的缺陷在于,随着时间推移仍然可能出现电介质击穿,例如,由于设备寿命中的机械应力、电介质疲劳、或者流体的离子注入。

发明内容
本发明的目的是提供一种电润湿设备,其可以在低电压时运行,并且具有改进的
可靠性。本发明的另一个目的是提供一种用于制造这种电润湿设备的方法。本发明的又一个目的是提供一种用于运行这种电润湿设备的方法。根据本发明的第一方面,目的是通过根据公开段落的电润湿设备来实现,其中,第一电极包括电子管金属(valve metal),以及其中,电解液能够阳极氧化电子管金属,以在运行电压差时形成金属氧化物。本质上,根据本发明的电润湿设备包括电解电容器。电容器包括由电介质分开的两个导电板,并且在电解电容器中,一个“板”是金属阳极,而另一个是电解液。电解液是电解质在溶剂中的溶液,电解质是当溶解在溶剂中时离解成带电离子的化学组分(例如, 盐、酸、或者碱)。电解液(也称为电解的溶液、离子溶液、或者仅仅是电解)是电的离子导体。在电解电容器中,电解液能够阳极氧化金属阳极。通常,电解电容器的电介质是在阳极氧化工艺中从金属阳极产生的金属氧化物。在该阳极氧化工艺中,电流从金属阳极穿过含电解阳极氧化溶液的槽(bath)流到阴极槽。电流的流动使得绝缘的金属氧化物生长到金属阳极表面外部和内部。该绝缘的金属氧化物层的厚度、结构和组分确定其电介质强度。出于该目的,阳极必须包括电子管金属,其是在电解单元中阳极氧化条件下形成氧化物的金属。电子管金属包括镁、铝、钛、钒、铬、锌、锆、铌、锑、铪、钽、钨和铋。在根据本发明的电润湿设备中,电解电容器通过由电介质分开的第一电极和电解液形成,其中,电解液(电润湿组分的第一流体)是电解的阳极氧化溶液。在电解电容器中,电解的阳极氧化溶液能够按照要求局部地修复和增厚电介质, 工艺由其在运行时所汲取的电容器漏电流驱动。相似的自修复(或者复原)机制应用在根据本发明的电润湿设备中,从而导致了设备的改进可靠性。在根据本发明的电润湿设备中,电介质可以是单层,或者多层结构(堆叠)。电介质可以是在阳极氧化工艺中从金属阳极产生的金属氧化物,但是这不必必须这样。基本上, 可以使用任何电介质,只要第一电极和电润湿组分的结合为电润湿设备提供有上述自修补功能。这意味着根据本发明的电润湿设备甚至在使用不是通过阳极氧化第一电极来获得的电介质(例如,比如,电介质包括聚对二甲苯或者聚酯(例如,聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET)))时具有改进的可靠性。使用聚酯(例如,PET)的优点在于,其是易于利用准分子激光器来构造的便宜材料。因此,其很适合在低成本一次性应用中使用,例如,在芯片实验室应用中使用。在根据本发明的电润湿设备中,电润湿组分的第一流体是电解的阳极氧化溶液,其能够阳极氧化第一电极的电子管金属,以在运行电压差时形成金属氧化物。换句话说,第一流体易受电场的影响。与第一流体不混溶的电润湿设备的第二流体比第一流体易受电场更少的影响。第二流体可以是油,例如,硅树脂油,或者空气。电解的阳极氧化溶液可以是如电解电容器中所使用的任何这种溶液,因为这些溶液提供了如上所述的自修复(或者复原)机制,同时维持电解质的整体性。此外,对于在根据本发明的电润湿设备中的使用,电解的阳极氧化溶液不必符合与电解电容器相同的传导要求,因为不要求比较高的导电性。通常,电解的阳极氧化溶液中离子浓度越低,电介质击穿的可能性越低,以及电润湿设备的可靠性越高。电解的阳极氧化溶液优选地包括极性溶剂,例如,水。除了水之外,还可以使用几种其它的极性溶剂,例如,多元醇、、丁内酯(GBL)、二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基吡咯烷酮 (NMP )、氨基化合物、聚吡咯、熔盐以及这些的任何结合。特别优选的电解的阳极氧化溶液是导致基本上非多孔(或者无针孔)的阳极氧化的金属氧化物层的溶液。这种溶液的实例是柠檬酸、酒石酸和硼酸溶液,并且还可以是硼酸铵、酒石酸铵和磷酸铵溶液。在根据本发明的电润湿设备中,电压差由电压源施加在第一电极和电解液(电润湿组分的第一流体)之间。显然,这可以通过将电压源的一端与第一电极连接,以及将另一端与第二电极连接来完成,所述第二电极直接与电解液耦合,或者经由中间绝缘层电容性華禹合。第二电极优选地相对于电解的阳极氧化溶液(电润湿组分的第一流体)是惰性的。 例如,第二电极可以是不锈钢电极。为了获得化学稳定性和内在电阻之间的合适平衡,第一流体(电解的阳极氧化溶液)可以包括例如糖和/或乙烯乙二醇的添加剂。在根据本发明的电润湿设备中,电介质可以是层的堆叠,其中,堆叠包括与电润湿组分接触的疏水层。优选地,疏水层包括非结晶的含氟聚合物,例如,Teflon 。电介质可以包括通过阳极氧化第一电极的电子管金属已经形成的金属氧化物层。电解的阳极氧化溶液可以是酸溶液或者碱溶液。当电润湿设备包括Teflon 层时,使用酸溶液是优选的,因为实验已经示出碱性溶液引起Teflon 层表面的负电荷,这是由于氢氧基离子(0H-)在水合氢离子(H30+)上的优选吸收。酸性溶液比碱性溶液含有更少的氢氧基离子,由此减少了氢氧基离子的吸收可能性。当电解的阳极氧化溶液是酸性溶液时,其可以包括有机酸。有机酸可以是脂肪族的或者芬芳族的有机酸。脂肪族有机酸具有直链、支链或者非芬芳环。合适的脂肪族有机酸的实例是单羟基有机酸醋酸、丙酸、丙烯酸和丁酸。这种有机酸可以单独使用,或者与例如硼酸铵、硼砂、酒石酸钠钾、磷酸铵、醋酸钠或者醋酸铵的盐结
I=I O也可以使用单羟基有机酸的衍生物,例如,乳酸、羟基丙烯酸、巴豆酸、羟丙酸、二羟基丙酸、异丁酸、二乙基醋酸、异戊基醋酸和异丁基醋酸。接着单羟基有机酸,也可以使用多羟基有机酸,例如,二羟基有机酸酒石酸和三羟基柠檬酸。
合适的芬芳有机酸的实例是creyulic酸(甲酚)和碳酸(苯酚)。接着有机酸,也可以单独地或者与有机酸相结合地使用无机酸。合适的无机酸的实例是硼酸。优选的酸从由柠檬酸、酒石酸和硼酸构成的组中选择,因为包括这种酸的电解的阳极氧化溶液导致基本上非多孔的(或者无针孔)阳极氧化的金属氧化物层。在根据本发明的电润湿设备中,电润湿组分的第一流体可以包括盐,优选地,是从由硼酸盐、酒石酸盐、柠檬酸盐和磷酸盐构成的组中选择的盐,因为它们导致了基本上非多孔的(或者无针孔)阳极氧化的金属氧化物层。在根据本发明的电润湿设备中,第一电极的电子管金属可以从由镁、铝、钛、钒、 铬、锌、锆、铌、锑、铪、钽、钨和铋构成的组中选择。在电介质中针孔的情况下,自修复机制将启动。在该工艺过程中,在阳极(第一电极)上生成氢气。小量的该气体可以溶解,但是更大的量将增加压力,并且可以干扰电润湿设备的功能,特别是在设备具有透镜功能时。该问题可以通过制成减压阀或者通过增加吸氢剂到电解液来解决。合适的吸氢剂的实例是硝基芳烃和胺盐,典型地,浓度是1%。根据本发明的第二方面,目的通过制造以上电润湿设备的方法来实现,包括通过阳极氧化第一电极的电子管金属来形成电介质的步骤。根据本发明的第三方面,目的通过运行以上电润湿设备的方法来实现,包括将电压差施加到第一电极和第二电极之间,以使得时间平均的净余正电压施加到第一电极上的步骤。运行方法优选地使用DC电压,而第一电极具有正极性以实现阳极氧化。而且,在电介质包括金属氧化物的情况下,使用DC电压防止金属氧化物溶解。然而,也可以使用AC电压,以便于防止对电解质充电。如果执行AC驱动以使得平均来说净余正电压施加到第一电极,电介质中所包括的金属氧化物应不溶解。用于向根据本发明的电润湿设备施加AC电压的可选择方法是以创建所谓的“背对背”配置的这种方式,使用与设备串联的电容器。换句话说,除了电压源之外,电容器插在电极和电润湿组分之间。对于利用AC电压驱动电解电容器,该方法是已知的。


图Ia和Ib示出了可以包括在根据本发明的电润湿设备中的单元的横截面。图加和2b示出了根据本发明以变焦透镜形式的电润湿设备实例的横截面。
具体实施例方式图1和2示出了可以包括在根据本发明的电润湿设备中的几个单元的横截面。在图1中,单元100包括第一流体110和第二流体120的电润湿组分。第一流体 110和第二流体120不混溶。而且,第一流体110是电解液。单元100还包括以铝层130 为形式(铝是电子管金属)的第一电极,并且其由以包括聚对二甲苯层140和疏水涂层150 的堆叠的形式的电介质与电润湿组分分离,其中,后者与电润湿组分接触。单元100还包括以电池160为形式的DC电压源,其正端与铝层130连接,并且负端与第一流体110连接。在图Ia中,没有施加电压,而在图Ib中,在铝层130和第一流体110 之间施加运行电压差。因此,如由第一流体110和第二流体120之间界面的改变所图示的,获得电润湿效应,其由电气机械力引起,从而导致疏水涂层150疏水特性的明显改变。在该运行电压差时,是电解液的第一流体110能够阳极氧化铝层130的招,以形成氧化铝。可替代地,例如图1中所示出的单元可以具有电介质,代替聚对二甲苯层140,其包括金属氧化物层,优选地通过阳极氧化铝层130所得到氧化铝层,或者聚对苯二甲酸乙二酯(PET)层。而且,铝层130可以设置在载体上,例如,玻璃载体或者硅载体。图2示出了变焦透镜200的横截面,其是根据本发明的电润湿设备的实例。变焦透镜200包括第一透明基板210、第二透明基板220、以及将第一透明基板 210和第二透明基板200分隔开的金属隔板230。第一透明基板210、第二透明基板220、以及金属隔板230构成含有电润湿组分的单元,其包括含水的电解液240和油250,两者具有不同的光学特性。金属隔板230是变焦透镜200的第一电极,其包括电子管金属,并且其涂覆有以金属氧化物层231为形式的电介质,其将金属隔板230与电润湿组分分开。第一透明基板210 涂覆有以亲水性透明导电涂层211为形式的另一个电极。暴露到电润湿组分的第二透明基板220的区域和金属氧化物层231的区域涂覆有疏水性透明涂层221。疏水性透明涂层221也应用到第二基板220上,以便于防止任何导电液在第二基板220上冷凝。变焦透镜200还包括以电池260为形式的DC电压源,其正端与金属隔板230连接,并且负端与亲水性导电涂层211连接。负端优选地接地,以便于保持电解液240在与周围环境相同的电势处,由此,防止电解液240和周围环境之间的电势差使流体-流体界面变形。在图加中,没有施加电压,而在图2b中,运行电压差施加在金属隔板230和亲水性导电涂层211之间。因此,如所图示的,通过改变含水电解液240和油250之间的界面获得电润湿效应,这通过改变疏水性涂层221的疏水特性来引起。在该运行电压压差时,电润湿组分的含水电解液240能够阳极氧化金属隔板230的电子管金属,以形成金属氧化物。根据本发明的电润湿设备可以如下来制造。铝基板放置在8%柠檬酸和0. 5%磷酸的水溶液中。阳极氧化铝基板通过在水溶液和铝基板之间施加电压差来执行,同时,铝基板形成阳极,而阴极由不锈钢板组成。电流密度是大约lOmA/cm2,起始的阳极氧化电压低于150V,以及结束的阳极氧化电压是150V。在几小时之后,具有2 IOnm厚度的氧化铝层已经在铝基板上生长。优选地,柠檬酸水溶液的pH值增加,以在没有电压施加到设备上时防止铝和氧化铝的蚀刻,同时维持阳极氧化能力和良好的电润湿性能。柠檬酸水溶液的PH值可以通过加氢氧化铵溶液来增加。例如,一升8%的柠檬酸水溶液的pH值可以通过加0. 18升5M氢氧化铵溶液来增加,以获得6. 68的pH值。因为通过阳极氧化所得到的电介质层可以是多孔的,所以在阳极氧化之后,可以执行密封工艺以使得电介质层没有针孔。氧化铝层然后借助于在FC-75 (四氢呋喃的衍生物碳氟化合物,具有化学分子式C8F16O)中的1%的TeflOn AF-1600溶液中浸涂来涂覆有IOnm的非结晶的含氟聚合物 Teflon AF-1600层。非结晶的含氟聚合物涂层在200°C退火10分钟,以蒸发任何残留的溶剂。涂层的沉积还可以利用气态阳极氧化(通过使用氧等离子体)来完成或者利用原子层沉积来完成。
接下来,一滴8%的柠檬酸水溶液(由硅树脂油所包围)被提供在非结晶的含氟聚合物涂层上。以上已经导致了根据本发明的电润湿设备,其中,电润湿组分的第一流体是以8% 柠檬酸水溶液形式的电解液,以及电润湿组分的第二流体是硅树脂油,两个流体不混溶。第一电极是铝基板,其通过以210nm厚的氧化铝层和IOnm厚的Teflon AF-1600层的堆叠的形式的电介质与电润湿组分(composition)分开。当铝基板与电压源的正端连接,并且由硅树脂油所包围的8%的柠檬酸水溶液滴与电压源的负端连接时,获得OV到20V之间的运行电压,结果是这些电压差清楚地示出了电润湿效应,因为当电压差增加时滴进一步扩大。甚至故意在层堆叠中制成划痕之后,穿透整个堆叠,电润湿效应继续,而没有电介质击穿。相似的设备还可以由包括镁、铝、钛、钒、铬、锌、锆、铌、锑、铪、钽、钨和铋的基板制造,在所述基板上,对应的金属氧化物层可以通过阳极氧化来生长。电介质可以通过喷射、蒸发、退火糊、来自气态前体的原子层沉积、化学蒸汽沉积、 热氧化、eloxation或者阳极氧化来提供。在阳极氧化过程中,所施加的电压差确定了电解质的厚度。例如,对于氧化铝层, 可获得的厚度是1. 4nm/V,并且对于氧化钽层是2 nm/V。发明人已经认识到对于某一厚度的电介质,用来运行电润湿设备的电压比通过阳极氧化第一电极来生长电介质所需要电压更低。这意味着在运行电润湿设备过程中,电介质不生长。仅仅在电介质失效的情况下,生长过程将开始,但是电介质绝对不会变得比最初设计更厚。例如,包括以IOOnm氧化钽层形式的电介质的电润湿设备典型地在10V运行电压时运行,同时,氧化钽层在50V时已经生长。对于更厚的电介质,与电介质厚度与阳极氧化电压线性相关相比,由于电润湿驱动电压与电介质厚度的平方根相关,差变得甚至更大。特别地,当电介质包括金属氧化物层时,根据本发明的电润湿设备优选地利用DC 电压来运行,其第一电极具有正极性,以实现阳极氧化,从而防止金属氧化物层的溶解。然而,为了防止对电介质充电,有益的是使用AC电压。AC驱动优选地被执行,以使得平均来说净余正电压施加到第一电极,以防止电介质溶解。电荷增长已经可以通过扫除高正值(工作点)和低值(放电点)(例如,OV)之间的电压来防止。使用AC驱动以使得平均来说净余正电压施加到第一电极的第一种方法是通过将正电压偏移加到AC驱动电压。通过将正偏移加到AC电压上,平均电压可以是正的,而增长的电荷可以利用负电压来去除。施加正电压过程中的阳极氧化工艺与施加负电压过程中的溶解工艺之间可能存在竞争。这些工艺取决于所施加电压的持续时间和量级。当正偏移太低时,溶解工艺可能赢并且阳极氧化层可能被破坏。或者,在还不存在阳极氧化层的情况下(例如,在铝上沉积穿孔的聚对二甲苯的情况下),没有任何阳极氧化层将被形成。当正偏移太高时,阳极氧化工艺可能赢,但是通过施加负电压来去除电荷可能较少有效。实验已经示出阳极氧化工艺正好击败溶解工艺处的偏移是频率相关的,而较低频率要求更高的DC偏移,以达到溶解和阳极氧化工艺等强的点。例如,通过在铝上沉积、具有30nm厚度的穿孔的聚对二甲苯-C涂层上使用由硅树脂油所包围的含水的8%的柠檬酸溶液来执行实验。表1给出了溶解和阳极氧化工艺等强时的DC偏移(DC偏移阈值),其作为AC驱动频率的函数。在表1中,DC偏移也被给出作为最大电压幅值的百分比,在该实验中,其是7V。 表1 对于在铝上沉积、具有30nm厚度的穿孔的聚对二甲苯-C涂层上使用由硅树脂油所包围的含水的8%的柠檬酸溶液的设备,DC偏差阈值作为AC驱动频率函数。
权利要求
1.电润湿设备(200),其包括一个或者多个单元,每个单元包括-电润湿组分,其包括第一(240)和第二(250)不混溶流体,第一流体(240)是电解液,-第一电极(230),其由电介质(231)与电润湿组分分开,以及-电压源(260),用于在第一电极(230)和电解液(MO)之间施加运行电压差,以运行电润湿设备(200),其特征在于-第一电极包括电子管金属,以及-电解液(240)能够阳极氧化电子管金属,以在运行电压差时形成金属氧化物。
2.如权利要求1的电润湿设备(200),其中,电介质(231)是堆叠,堆叠包括与电润湿组分接触的疏水层(221)。
3.如权利要求2的电润湿设备(200),其中,疏水层(221)包括非结晶的含氟聚合物。
4.如权利要求1至3中任何一项的电润湿设备(200),其中,电介质(231)包括通过阳极氧化第一电极(230)的电子管金属形成的金属氧化物层。
5.如权利要求1至3中任何一项的电润湿设备(200),其中,电介质(231)包括聚对二甲苯。
6.如权利要求1至5中任何一项的电润湿设备(200),其中,电解液(240)包括酸。
7.如权利要求6的电润湿设备(200),其中,酸是有机酸。
8.如权利要求6的电润湿设备(200),其中,酸从由柠檬酸、酒石酸和硼酸构成的组中选择。
9.如权利要求1至5中任何一项的电润湿设备(200),其中,电解液(240)包括盐。
10.如权利要求9的电润湿设备(200),其中,盐从由硼酸盐、酒石酸盐、柠檬酸盐和磷酸盐构成的组中选择。
11.如权利要求1至10中任何一项的电润湿设备(200),其中,电子管金属从由镁、铝、 钛、钒、铬、锌、锆、铌、锑、铪、钽、钨和铋构成的组中选择。
12.如权利要求1至11中任何一项的电润湿设备(200),其中,电解液(240)包括吸氢剂。
13.制造如权利要求1至12中任何一项的电润湿设备(200)的方法,包括通过阳极氧化第一电极(230)的电子管金属来形成电介质(231)的步骤。
14.运行如权利要求1至12中任何一项的电润湿设备(200)的方法,包括将电压差施加到第一电极(230)和电解液(240)之间,以使得时间平均的净余正电压施加到第一电极 (230)上的步骤。
全文摘要
本发明涉及电介质上电润湿设备(200)。这是包括一个或者多个单元的电润湿设备,其中,每个单元包括第一和第二不混溶流体的电润湿组分,第一流体是电解液(240),第一电极(230),由电介质(231)与电润湿组分分开,以及电压源(260),用于在第一电极(230)和电解液之间施加运行电压差,以运行电润湿设备。根据本发明,电介质上电润湿(electrowetting-on-dielectric)设备(200)的第一电极包括电子管金属,并且电解液(240)能够阳极氧化电子管金属,以在运行电压差时形成金属氧化物。这提供了具有自修复特性由此防止电介质击穿的电介质上电润湿设备(200)。因此,电润湿设备可以在低电压时被运行,并且它具有改进的可靠性。
文档编号G02B3/14GK102576096SQ201080045238
公开日2012年7月11日 申请日期2010年9月29日 优先权日2009年10月6日
发明者J.W.维坎普, S.库伊珀 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司

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