第三章 第三章
第三章 新式在開放表面 新式在開放表面 新式在開放表面以非對稱電濕潤 新式在開放表面 以非對稱電濕潤 以非對稱電濕潤 以非對稱電濕潤輸送液珠之方法 輸送液珠之方法 輸送液珠之方法 輸送液珠之方法
3-1 文獻回顧
以電濕潤控制液珠的設計中，除了前面第一章提到，兩層板的設計之外，另一種是 單板的設計，也就是將原來上板的接地電極換到下板，放在下板控制電極旁，使電濕潤 效應發生在兩電極之間，這樣的設計稱之為共平面電極（co-planar electrode）。驅動的時 候，同時針對液珠下面兩個電極施加電壓，一個電極接正極；另一個接負極，以改變液 珠的接觸角，進而驅動液珠前進。這樣的設計，好處是元件的結構簡單，不需要元件上 下板的組裝，液珠接觸面積也較小，減少流體中物質附著的機會，而且使用上可搭配光 學量測，不會因為隔一片上板而影響量測結果，最後在使用上也較為方便，液珠可直接 滴在元件表面。
早在 2001 年的時候，芬蘭赫爾新基科技大學的研究團隊提出共平面電極的設計 [75]，參考下圖 3-1(a)，利用長條狀的電極，在液珠底部由接地狀態切換成通電狀態，
使得液珠往該電極移動，最後再切回接地狀態，通下一組電極，反覆操作進而驅動液珠 移動。兩年後，在該團隊 A. Torkkeli 的博士論文中[76]，提出他們最新第四代的設計，
結合液珠的產生以及操控的平台，可將高分子球利用液珠在該平台傳送，參考下圖 3-1(b)。
圖 3-1 長條狀共平面電極示意圖[76]
(a)長條狀共平面電極設計 (b)整合式流體平台
2006 年的時候，加州大學洛杉磯分校的團隊，也提出方形共平面電極的設計[49]，
將 2~6 個長方形電極排列，組成一方形的電極組，驅動液珠的時候，對這些電極分別交 叉接正極及接地極，使電濕潤現象產生在這些電極之間，進而驅動液珠移動，並且提出 在此設計下的雙板及單板架構。下圖 3-2 為兩個長方形電極組示意圖，左圖為雙板架構；
右圖為單板架構。在雙板架構下，上板無 ITO 電極僅塗佈 Teflon，液珠可在元件中進行 輸送、切割與結合的操作，而在單板架構下，液珠也可以在元件上進行輸送。
圖 3-2 方形共平面電極示意圖[49]
而在 2007 年的時候，多倫多大學的團隊以 Polyimide 為基板；銅箔為電極，以及二 甲基矽氧烷（PolyDiMethylSiloxane，PDMS）為絕緣層，製作出可撓式單板架構的元件 [52]，在扭曲以及倒立的形況下，還能正常操作，參考下圖 3-3。
圖 3-3 可撓式共平面電極元件[52]
單板設計有著結構簡單的好處，在 2006 年的時候，交通大學王祖德等人[77]，首次 提出應用「非對稱電濕潤現象」，在開放表面（單板設計）驅動液珠的設計，具有電路 佈局簡單，和不需複雜控制電路等好處。而這裡將進一步針對這現象進行基礎的研究。
雙板架構 單板架構
斜坡 樓梯
扭曲 倒立
3-2 原理與分析 2.5 µl 的去離子水（de-ionized water），黑色線是將實際的物理參數，代入理論公式所繪 出的線。由圖中可以看出實驗值（白色圓圈）與理論線在電壓+25 V 以上的時候，出現 偏差分離的現象，最後維持一個穩定的角度差；而在負電壓的那一側，卻與理論線十分 吻合，使得此關係圖變得不對稱，這樣的現象稱為「非對稱電濕潤」（Asymmetric EWOD，
AEWOD）效應。
（dioxole monomer）會造成這樣的現象。由於溶液中的氫氧根（hydroxide ion）離子，
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會被表面的這些雙氧單體所吸附，因而會影響實際作用在界面的能量，造成接觸角變化 的偏差。
然而 SU-8 是一種負光阻，其製程後的結構下圖 3-5(a)所示，而在原先未經過製程 的光阻劑中，除了溶劑 GBL 之外，還有樹脂（resin）、感光劑（sensitizer or photoinitiator）， 以及一些添加劑（additive）。下圖 3-5(b)為 SU-8 陽離子光聚合反應過程圖（cationic photopolymerization），當一開始曝光的時候，光阻中的感光劑（triarylsulfonium salts）[80]
會先分解並釋出路易斯酸（Lewis acids），這會促進環氧樹脂結構打開（ring opening of the epoxies），最後形成高度交鏈結的網狀結構（highly cross-linked network），並又再釋出路 易斯酸，進而又會促進反應的進行[81]。這類會造成連鎖反應的光阻，稱之為化學放大 型光阻（chemically-amplified resists），好處是高敏感度，有較快的曝光反應，以及較高 的對比度，可以得到較好的解析度[82]。因此這類光阻須進行曝後烤程序（post-exposure
bake，PEB），以便藉由溫度來促進該連鎖反應的進行，對於 SU-8 來說也是，若不進行
PEB，則 SU-8 結構很容易在顯影程序中被溶解，只殘留少部分完全交鏈結的結構在試 片表面。
圖 3-5 SU-8 結構與其高分子聚合反應 對於 SU-8 結構來說，由於感光劑分解會產生 SbF6
-，在完全聚合反應之後，則會有 大量的 SbF6-存在於結構之中，根據 Sikanen 等人的研究顯示[83]，SbF6-會造成 SU-8 表 面帶負電性（negative surface charge），因此可以推測陽離子會比較容易吸附在 Teflon 表
(b) SU-8 陽離子光聚合反應[81]
(a) SU-8 分子結構式[80]
面，或是捕捉進入 SU-8 結構之中，尤其是有外加電場（液珠為正；電極為負）的時候，
更會把陽離子射入 SU-8 絕緣層；反之（液珠為負；電極為正）則因為互斥作用，離子 反而不會進入絕緣層中，因此電壓與接觸角的關係會符合理論公式。值得注意的是，由 於 Teflon 與 SU-8 所吸引的離子不同，電濕潤實驗中非對稱的部份也就會剛好相反，以 相同實驗設置來看，SU-8 會在正電壓的區域；而 Teflon 則會在負電壓的區域與理論線 偏差分離[79]。
3-2-2 共平面電極接觸角量測
為了觀察在共平面電極上，施加電壓後液珠接觸角的變化，是否也會有 AEWOD 的 現象，因此設計兩條 500 µm 寬的共平面電極，用於施加 DC 電壓，以及一個工字型電 極，用於滴定液珠時對準用（原本是要施加電壓，使液珠因電濕潤現象而自我對準電極，
但為防止表面帶電，因而改為顯微鏡下手動對準），實驗設置如下圖 3-6 所示，其結構 尺寸與前面電濕潤實驗一樣，而液珠為 4 µl 的去離子水。在長條狀電極上施加電壓，會 使液珠底部與電極的接觸線發生電濕潤現象－接觸角改變，而電極以外的部份，則會保 持原來斥水性狀態，由於前面第二章提到的遲滯阻力，會阻礙液珠的移動，只要控制電 濕潤的力量小於遲滯阻力，則液珠會停在原地不動，如此便能拍攝到靜態的接觸角變 化。量測時，以 DC 電源供應器施加 0 ~ 120 VDC的電壓，同時用接觸角量測儀記錄液珠 左右兩側接觸角（θL及θR）的變化。
圖 3-6 共平面電極接觸角量測實驗架設
液珠接觸線
V
500 µm
上視圖 θL θR
V 正視圖
量測結果如下圖 3-7 所示，一開始兩邊的接觸角差不多，當電壓增加到 30 VDC的時 候，兩邊開始出現偏差分離。當增加到 70 VDC 的時候，兩個角度的差異達到最大值 8.98°，而在 80 VDC的時候，出現θL=96.51°（斥水性）；θR=88.1°（親水性）的現象，也 就是液珠一邊親水一邊斥水，參考下圖 3-7(c)。隨著電壓繼續上升，兩邊接觸角的差異 越來越小，最後施加到 110 VDC以上的時候，兩邊接觸角趨向一致（參考圖 3-7(d)），同 時也進入接觸角飽和區（contact angle saturation）。
圖 3-7 共平面電極接觸角量測結果
為 1.5 µl 去離子水。一開始的時候，將左邊電極接+70 V；右邊接地，則液珠朝左邊移 動，參考下圖 3-8(a)，其中白色虛線方框為電極的輪廓。當左邊電極切換到-70 V 的時候，
液珠則會朝右邊移動，如下圖 3-8(b)所示，可看出液珠的位置，與白色虛線所指液珠在 (a)圖位置，有著很明顯的位移。若是+70 V 與-70 V 快速切換的時候，也就是輸入一個 方波的訊號，則液珠會在兩電極之間來回振盪，參考下圖 3-8(c)，其輸入的方波為 70 Vp 頻率 15 Hz。
圖 3-8 共平面電極驅動結果
由於液珠來回振盪的速度很快，用一般的攝影機（30~60 fps）無法清楚拍攝到液珠 側面的影像，因此跟廠商（漢翔）借來高速攝影機 Phantom v7 展示拍攝（其規格簡列 於下表 3-1），用來初步觀察液珠在振盪時候的瞬間狀態。下圖 3-9 為拍攝到的影像，液 珠大小約為 3 µl，方波為 70 Vp 頻率 10 Hz，拍攝速度為 400 fps。
圖 3-9 高速攝影機拍攝液珠振盪的連續照片
一開始液珠在最右邊電極上方，當方波切換時瞬間電壓的變化，使得液珠的接觸角 (c)
70 V -70 V
(a) (b) 1 mm
70 Vp, 15 Hz
(a) θL=105.76° (b) θL=76.48° (c) θL=104.45° (d) θR=81.84°
(e) θR=85.75° (f) θR=82.53° (g) θR=108.89° (h) θL=103.18°
θL突然改變，由 105.76°瞬間變成 76.48°，參考上圖 3-9(b)，隨後液珠才因表面張力作用 而被向前拉伸（(c)圖），之後本體才跟著往前移動（(d)圖）。由於慣性力與流體內聚力作 用，會使得抵達電極邊緣而停止的液珠在原地搖擺晃動（(d)-(f)圖），因此接觸角會因搖 擺而有些微的改變。最後，方波再一次切換時，液珠會被拉回到原來的位置。
表 3-1 Phantom v7 高速攝影機規格
感測器型式 SR-CMOS 影像解析度 800 x 600 pixels 顏色解析度 8 bits
拍攝速度
6,688 fps（800 x 600）
10,101 fps（640 x 480）
33,057 fps（320 x 240）
11,527 fps（512 x 512）
190,476 fps（32 x 32）
感光度 ISO 4800（灰階）
ISO 1200（彩色）
資料來源：Vision Research
至於液珠來回振盪的位移（最左至最右的距離），可經由攝影機的拍攝，之後再分 析影片中液珠的位置得到。下圖 3-10 為兩次實驗的結果，隨著方波振幅的提高，液珠 的位移也會增加。但是，可以發現實驗一的位移，呈線性的增加，在 40 Vp 的時候，就 已經可以達到將近 100 µm；而此時的實驗二，只有些微的移動，直到 60 Vp 以上的時 候，才開始有明顯的位移。不過，到最大 100 Vp 左右的時候，兩實驗的位移都差不多 達到 350 µm。這樣的差異，是由於液珠起始的位置不一樣，實驗一的液珠比較偏離中 央，所以一開始低振幅時，會有比較大的力量，但是振幅到一定程度的時候，就有足夠 的力量驅動液珠，使其偏離中央，所以到後來兩實驗的位移會慢慢接近。而方波振幅再 上去的時候，液珠就被甩出兩電極的範圍之內，因而無法量測。
經由正方形共平面電極的測試，得知液珠可以在兩電極間，會因 AEWOD 的現象和 正負切換的方波訊號，而開始來回振盪。下面將以理論分析液珠在方形電極上，AEWOD 的驅動力，以及影響液珠運動的效應有那些。
圖 3-10 液珠位移與方波振幅關係圖
T 珠，會同時有：(1)AEWOD 的效應，使液珠偏離中央、(2)EWOD 的效應，面積不同導 致接觸角不同，以及(3)液珠慣性的效應，使液珠偏離中央更多。因而，液珠的大小會直 接影響慣性力的作用；方波振幅的高低，會直接影響 EWOD 和 AEWOD 的作用，以及
T 珠，會同時有：(1)AEWOD 的效應，使液珠偏離中央、(2)EWOD 的效應，面積不同導 致接觸角不同，以及(3)液珠慣性的效應，使液珠偏離中央更多。因而，液珠的大小會直 接影響慣性力的作用；方波振幅的高低，會直接影響 EWOD 和 AEWOD 的作用，以及