基于表面活性剂介导电去湿效应的有源矩阵数字微流控器件研究

《Lab on a Chip》：An active-matrix digital microfluidic device based on surfactant-mediated electro-dewetting

本文综述了一种基于表面活性剂介导电去湿（electro-dewetting）的新型有源矩阵（AM）数字微流控（DMF）器件。该技术通过低电压（25V）驱动含离子表面活性剂的液滴，成功实现了液滴传输、分裂和合并等操作。相比传统电润湿（EWOD）技术，该器件无需介电层和疏水层，解决了高电压需求和可靠性问题。采用铟锡锌氧化物（ITZO）薄膜晶体管（TFT）的4T2C单元电路设计，支持连续电流驱动，为高通量微流控应用提供了新方案。

　　

引言

微流控技术在生命科学、化学合成、生物化学动态过程和热力学问题中具有广泛应用。作为微流控技术的重要分支，数字微流控（DMF）通过独立操控离散液滴，为分子生物学和化学实验的小型化和自动化提供了独特优势。目前大多数DMF系统基于电介质上电润湿（EWOD）机制，但存在高电压需求、电充电和介电击穿等可靠性问题。

近年来发展的表面活性剂介导电去湿技术为DMF提供了新思路。该技术通过电场驱动离子表面活性剂分子在亲水基底上吸附，使表面疏水性增加，从而实现液滴排斥。与EWOD相比，电去湿技术仅需低电压（3-5V），且无需介电层和疏水层，但响应速度较慢（约2秒）。

有源矩阵电去湿DMF器件设计

传统1T1C单元电路无法满足电去湿DMF对连续电流的需求。本研究设计了4T2C单元电路，包含两个相同的2T1C子电路。每个子电路包含选址TFT（T₁₁/T₂₁）、驱动TFT（T₁₂/T₂₂）和存储电容（C₁/C₂）。通过扫描信号（V_SCANm）和数据信号（V_data1n/V_data2n）的配合，可实现电极的"高"、"低"和"开路"三种状态。当相邻电极分别设置为"高"和"低"时，电流从V_DD经驱动TFT、液滴流向V_SS，驱动阳离子表面活性剂（如DTAB）迁移，实现液滴运动。

器件制备与性能表征

采用顶栅自对准铟锡锌氧化物（ITZO）TFT工艺制备8×8有源矩阵阵列。器件制备过程包括：钼数据线图案化、SiN_y/SiO_x介电层沉积、ITZO有源层图案化、栅绝缘层形成、钼栅极图案化、自对准源漏形成、接触孔开口、钼/钛连接线制备和亲水层沉积。ITZO TFT表现出约40 cm²V^-1s^-1的场效应迁移率和良好的均匀性，在电流应力下保持稳定性能。

DMF操作实验验证

通过LabVIEW程序控制微控制器和驱动电路，实现了液滴传输、分裂和合并等基本操作。使用含1/64 CMC DTAB的去离子水（pH=4.5）进行实验，液滴传输平均速度达0.15 mm/s。在液滴分裂操作中，通过单列电极的"低"状态设置，使液滴在6秒内完成分裂；液滴合并操作约需15秒。实验中发现卫星液滴现象，可能与电极间ILD4层形成的"山丘"结构有关。

结论

本研究成功开发了基于表面活性剂介导电去湿的有源矩阵DMF器件，通过4T2C单元电路实现连续电流驱动，工作电压降至25V。该技术消除了对介电层和疏水层的依赖，为提高DMF系统可靠性和推动芯片实验室应用提供了新途径。未来需要进一步研究器件寿命、液滴体积一致性和并行多液滴操作等系统级性能。