ITTO20120121A1 - Dispositivo electrowetting-on-dielectric superidrofobico provvisto di una configurazione di elettrodi multipli - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Dispositivo ElectroWetting-On-Dielectric superidrofobico provvisto di una configurazione di elettrodi multipli"
DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo di controllo del moto di fluidi mediante electrowetting, comprendente:
- un substrato;
- almeno uno strato isolante (10) di materiale dielettrico disposto su detto substrato; e
- mezzi di controllo del moto di una quantità di fluido disposta a contatto con una faccia libera dello strato isolante, detti mezzi di controllo includendo una pluralità di elettrodi complanari disposti su una seconda faccia dello strato isolante, i quali sono attivabili e disattivabili secondo una sequenza di comando prestabilita per provocare uno spostamento della quantità di fluido lungo detta faccia libera dello strato isolante.
Il principio dell’electrowetting à ̈ basato sull’attivazione di un campo elettrico che modifica il comportamento di wetting (bagnabilità ) di una goccia di liquido polarizzabile/conduttiva a contatto con un elettrodo isolato. La legge che governa tale tipo di fenomeno à ̈ l’equazione di Lippmann-Young. L’attivazione di una tensione elettrica provoca una diminuzione dell’angolo di contatto locale.
È stato recentemente rivolto un grande interesse alla produzione di dispositivi basati su tale principio, con l’utilizzo di differenti materiali (Si, materie plastiche) e geometrie (dispositivi chiusi a canale od aperti in aria).
Uno scopo dell’invenzione à ̈ quello di rendere disponibile un dispositivo fluidico aperto basato su electrowetting, in cui la mobilità e più in generale il trattamento delle gocce di liquido siano facilitati.
In vista di tale scopo, costituisce oggetto dell’invenzione un dispositivo del tipo definito all’inizio, in cui detta faccia libera dello strato isolante à ̈ micro- o nano-strutturata in modo tale da essere superidrofobica.
La superficie superidrofobica permette una più facile manipolazione e movimentazione di gocce di liquido, in particolare liquido acquoso, a causa della ridotta interazione fra la superficie solida ed il liquido. D’altra parte, l’architettura complanare degli elettrodi permette di ottenere una messa a massa della goccia con una configurazione completamente priva di ostacoli, il che permette a sua volta un agevole monitoraggio della manipolazione del liquido.
Forma inoltre oggetto dell’invenzione un procedimento per la fabbricazione di un dispositivo di controllo del moto di fluidi mediante electrowetting, comprendente i seguenti passi:
- predisporre un substrato;
- realizzare un pluralità di elettrodi complanari; e
- disporre almeno uno strato isolante su detto substrato, in modo tale che detto strato isolante comprenda una faccia libera destinata a ricevere una quantità di fluido da manipolare, ed una seconda faccia in corrispondenza della quale sono disposti detti elettrodi complanari;
in cui detto procedimento comprende inoltre dotare detta faccia libera dello strato isolante di una micro- o nano-strutturazione tale da renderla superidrofobica.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi del dispositivo secondo l'invenzione risulteranno evidenti dalla descrizione dettagliata che segue, effettuata con riferimento ai disegni annessi, forniti a puro titolo di esempio non limitativo, in cui:
- le figure 1 e 2 sono rappresentazioni schematiche rispettivamente in sezione ed in pianta di un dispositivo fluidico secondo l’invenzione; e
- la figura 3 illustra una sequenza operativa di un dispositivo secondo l’invenzione, configurato per realizzare una specifica funzione di manipolazione di gocce di liquido, fornita a titolo di esempio.
Con riferimento alle figure, un dispositivo di controllo del moto di fluidi mediante electrowetting à ̈ indicato complessivamente con 1.
Il dispositivo 1 comprende un substrato 3, almeno uno strato isolante 5, 7, e mezzi di controllo per controllare il moto di una quantità di fluido D disposta a contatto con una faccia libera 8 dello strato isolante 5, 7. Tali mezzi di controllo includono una pluralità di elettrodi 9 complanari disposti su una seconda faccia 11 dello strato isolante 5, 7; nell’esempio illustrato, tale seconda faccia 11 à ̈ costituita da un’interfaccia fra lo strato isolante 5, 7 ed il substrato 3.
Preferibilmente, il substrato 3 à ̈ di materiale trasparente alla radiazione luminosa dello spettro visibile ed infrarosso, ad esempio di vetro, quarzo o CaF2. Gli elettrodi 9 sono preferibilmente anch’essi di materiale trasparente alla radiazione luminosa dello spettro visibile ed infrarosso, ad esempio ossido di indio e stagno (ITO). In questo modo il dispositivo 1 sarebbe complessivamente trasparente e quindi utile per indagini spettroscopiche di un campione.
Secondo un ulteriore modo di realizzazione, il substrato può essere di materiale polimerico flessibile, in particolare dello stesso materiale dello strato isolante 5, 7. Tale costituzione à ̈ utile per costituire dispositivi non planari, adatti ad convogliare le gocce di soluzione in posizioni prestabilite attraverso una modulazione tridimensionale (su dimensioni macroscopiche) della superficie del dispositivo.
I mezzi di controllo suddetti comprendono inoltre linee di connessione elettrica 9a e contatti di connessione esterna (pad) 9b predisposti per collegare gli elettrodi 9 ad una sorgente di tensione esterna, i quali sono a loro volta collegati agli elettrodi 9 attraverso le linee di connessione elettrica 9a. Linee di connessione e contatti sono complanari con gli elettrodi, e sono disposti in modo tale che i contatti occupino una regione periferica disposta attorno ad una regione centrale occupata dagli elettrodi.
Gli elettrodi 9 sono attivabili e disattivabili secondo una sequenza di comando prestabilita per provocare uno spostamento della quantità di fluido D lungo la faccia libera 8 dello strato isolante 5, 7. Un esempio di funzionamento di un dispositivo secondo l’invenzione à ̈ rappresentato in figura 3, dove l’attivazione di una differenza di potenziale V fra una coppia di elettrodi provoca lo spostamento di due gocce di liquido D l’una contro l’altra e la conseguente fusione/miscelazione di esse. La specifica disposizione degli elettrodi 9 e la specifica funzione del dispositivo 1 non formano tuttavia oggetto della presente invenzione.
La faccia libera 8 dello strato isolante 5, 7 à ̈ micro- o nano-strutturata in modo tale da essere superidrofobica. Ai fini della presente invenzione, una superficie à ̈ definita “superidrofobica†se l’angolo di contatto di una quantità di liquido (goccia) su tale superficie à ̈ maggiore di 150°. Per “superficie micro-strutturata†si intende che la superficie presenta formazioni sporgenti, in particolare formazioni ad isola aventi altezza maggiore delle altre dimensioni, distribuite in modo sostanzialmente uniforme sulla superficie e presentanti dimensioni minori di 100 µm. Per “superficie nano-strutturata†si intende che la superficie presenta formazioni sporgenti, in particolare formazioni ad isola aventi altezza maggiore delle altre dimensioni, distribuite in modo sostanzialmente uniforme sulla superficie e presentanti dimensioni minori di 1 µm.
È noto che realizzando una superficie che presenta una distribuzione di micro- o nano-sporgenze ed avvallamenti (in cui le sporgenze possono essere disposte in modo random oppure secondo una disposizione regolare) sufficientemente densa, in cui le sporgenze sono quindi sufficientemente ravvicinate, à ̈ possibile aumentare in modo considerevole la sua idrofobicità , ed ottenere quindi condizioni di superidrofobicità .
Nell’esempio illustrato lo strato isolante 5, 7 comprende uno strato propriamente isolante 5 di materiale dielettrico, ed uno strato idrofobico 7 di materiale polimerico. In questo caso lo strato idrofobico à ̈ micro- o nano-strutturato in modo tale da presentare la faccia libera 8 superidrofobica.
Secondo un esempio di realizzazione non illustrato, à ̈ invece lo strato propriamente isolante a presentare la faccia libera destinata a ricevere la quantità di liquido, e di conseguenza la micro- o nano-strutturazione à ̈ ricavata direttamente su di esso. In questo caso non à ̈ quindi necessario prevedere uno strato idrofobico aggiuntivo sullo strato isolante.
Gli inventori hanno realizzato sperimentalmente un dispositivo secondo l’invenzione, con una configurazione di elettrodi come quella rappresentata nelle figure 2 e 3. Si descrive ora a titolo di esempio la procedura di fabbricazione utilizzata per tale dispositivo sperimentale.
Come substrato à ̈ stato utilizzato un wafer di Si orientato <100> con uno strato base di SiO2dello spessore di 100 nm.
Per ricavare gli elettrodi à ̈ stata dapprima realizzata una maschera di poliimmide, mediante un tecnica di ablazione laser. Tale maschera presentava un pattern di aperture corrispondente al pattern desiderato per gli elettrodi e le relative connessioni elettriche e pad, rappresentato in figura 2. Nell’esempio in questione vi erano tre coppie di elettrodi (ciascuna coppia comprendendo un elettrodo, destinato ad essere alimentato con una tensione di attuazione, ed un controelettrodo a massa). La realizzazione di controelettrodi interdigitati, complanari con gli elettrodi di attivazione, ha permesso di evitare cavi di massa, consentendo di avere un dispositivo stand-alone ed evitare qualunque ostruzione fisica attorno alla goccia.
La maschera suddetta à ̈ stata quindi utilizzata per depositare direttamente sul substrato, mediante deposizione fisica da vapore (p=5×10<-6>mbar), gli elettrodi, le connessioni elettriche ed i pad (in Au, con uno spessore di 300 nm) a partire da un primo strato di crescita di Ti (20 nm).
L’uso della maschera ha permesso di evitare la necessità di una tecnica di litografia ottica, velocizzando sensibilmente l’intero processo. Un processo di litografia ottica per il patterning degli elettrodi avrebbe infatti richiesto almeno 7 passi (deposizione dello strato metallico, spinning del photoresist, cottura, esposizione agli UV, sviluppo chimico del resist, etching delle parti metalliche non desiderate, rimozione del resist) per ottenere le strutture finali, mentre con la maschera la realizzazione del pattern di elettrodi richiede un solo passo procedimentale (deposizione metallica attraverso le aperture della maschera).
In seguito, il chip così ottenuto (ad eccezione dei pad di connessione esterna) à ̈ stato isolato con uno strato dielettrico di SiO2(200 nm) mediante deposizione chimica da vapore assistita da plasma (PECVD: 300°C, 1400 W, 800 mT).
Per ottenere elevati angoli di contatto, e garantire quindi una bassa adesione fra la goccia e il supporto e, di conseguenza, una più agevole manipolazione della goccia, à ̈ stato sviluppato un processo di microfabbricazione per rivestire il chip di Si con uno strato idrofobico di PMMA regolabile in spessore (lo spessore di partenza di tale strato era di 1 µm).
PMMA liquido à ̈ stato quindi depositato sul chip mediante spinning, successivamente cotto ed infine sottoposto ad un attacco con plasma di ossigeno per ottenere una superficie libera di PMMA nanostrutturata superidrofobica sul chip di Si contenente gli elettrodi. Infine la superficie libera di PMMA à ̈ stata ulteriormente rivestita con uno strato di teflon, mediante un processo di deposizione assistita da plasma.
Misurazioni dell’angolo di contatto di gocce d’acqua su strati sottili di PMMA così ottenuti hanno confermato angoli di contatto superidrofobici (171,3°).
L’impiego di una tecnica di attacco al plasma consente di avere un miglioramento in termini di resa di produzione rispetto alle tecniche laser già utilizzate per produrre micro- o nanostrutturazioni, grazie alla possibilità di trattare più chip contemporaneamente all’interno della camera al plasma.
Le capacità del chip sono state testate in laboratorio applicando segnali a bassa tensione in corrente alternata. La miscelazione delle gocce à ̈ stata monitorata utilizzando una videocamera ultraveloce PCO DMAX a 5000 fps. Come riferimento, applicando un segnale sinusoidale di 45Vac @ 1kHz la miscelazione delle gocce à ̈ stata raggiunta dopo 23 ms.
Il chip à ̈ stato inoltre testato con successo su soluzioni organiche ed inorganiche quali colloidi di PMMA, e soluzioni di CaCl2e Na2CO3.
Grazie alla quasi assenza di contatto (170° di angolo di contatto) che riduce l’adesione della goccia alla superficie, con il dispositivo secondo l’invenzione à ̈ possibile movimentare gocce d’acqua con tensioni commerciali (attorno ai 40 Vac) e più facilmente rispetto ai dispositivi planari noti. È inoltre possibile studiare l’essiccazione della goccia dopo miscelazione in una condizione di velocità di evaporazione estremamente omogenea (condizione fondamentale per campioni di soluzioni organiche ed inorganiche). È altresì possibile effettuare analisi di diffrazione a raggi X o spettroscopiche direttamente sui campioni grazie alla configurazione aperta del dispositivo ed alla disposizione complanare degli elettrodi.
Claims (9)
- RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di controllo del moto di fluidi mediante electrowetting, comprendente: - un substrato (3); - almeno uno strato isolante (5, 7); e - mezzi di controllo del moto di una quantità di fluido (D) disposta a contatto con una faccia libera (8) dello strato isolante, detti mezzi di controllo includendo una pluralità di elettrodi (9) complanari disposti su una seconda faccia (11) dello strato isolante, i quali sono attivabili e disattivabili secondo una sequenza di comando prestabilita per provocare uno spostamento della quantità di fluido lungo detta faccia libera dello strato isolante; caratterizzato dal fatto che detta faccia libera dello strato isolante à ̈ micro- o nano-strutturata in modo tale da essere superidrofobica.
- 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui detto strato isolante comprende uno strato propriamente isolante (5) di materiale dielettrico, ed uno strato idrofobico (7) di materiale polimerico, detto strato idrofobico essendo micro- o nanostrutturato in modo tale da presentare detta faccia libera superidrofobica.
- 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detti mezzi di controllo comprendono inoltre una pluralità di contatti di connessione esterna (9b) predisposti per collegare detti elettrodi ad una sorgente di tensione esterna, ed una pluralità di linee di connessione elettrica (9a) che collegano detti elettrodi a detti contatti di connessione esterna, detti contatti di connessione esterna e linee di connessione elettrica essendo complanari con detti elettrodi.
- 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 3, in cui detta pluralità di contatti di connessione esterna à ̈ disposta perifericamente attorno a detta pluralità di elettrodi.
- 5. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detto substrato e detto strato isolante sono di materiale polimerico flessibile.
- 6. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detto substrato e detti elettrodi sono di materiale trasparente alla radiazione luminosa dello spettro visibile.
- 7. Procedimento per la fabbricazione di un dispositivo per il controllo del moto di fluidi mediante electrowetting, comprendente i seguenti passi: - predisporre un substrato (3); - realizzare un pluralità di elettrodi (9) complanari; e - disporre almeno uno strato isolante (5, 7) su detto substrato, in modo tale che detto strato isolante comprenda una faccia libera (8) destinata a ricevere una quantità di fluido (D) da manipolare, ed una seconda faccia (11) in corrispondenza della quale sono disposti detti elettrodi complanari; caratterizzato dal fatto che detto procedimento comprende inoltre dotare detta faccia libera dello strato isolante di una micro- o nano-strutturazione tale da renderla superidrofobica.
- 8. Procedimento secondo la rivendicazione 7, in cui detto strato isolante comprende uno strato propriamente isolante (5) di materiale dielettrico ed uno strato idrofobico (7) di materiale polimerico, ed in cui detto strato idrofobico viene dotato della micro- o nano-strutturazione per presentare detta faccia libera superidrofobica.
- 9. Procedimento secondo la rivendicazione 8, in cui detta micro- o nano-strutturazione dello strato idrofobico à ̈ ottenuta sottoponendo detto strato idrofobico ad una rimozione indotta da plasma di detto materiale polimerico.
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| IT000121A ITTO20120121A1 (it) | 2012-02-13 | 2012-02-13 | Dispositivo electrowetting-on-dielectric superidrofobico provvisto di una configurazione di elettrodi multipli |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ITTO20120121A1 true ITTO20120121A1 (it) | 2013-08-14 |
Family
ID=46001459
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| IT000121A ITTO20120121A1 (it) | 2012-02-13 | 2012-02-13 | Dispositivo electrowetting-on-dielectric superidrofobico provvisto di una configurazione di elettrodi multipli |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| IT (1) | ITTO20120121A1 (it) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001056771A2 (en) * | 2000-01-31 | 2001-08-09 | Walter Schmidt | Method for fabricating micro-structures with various surface properties in multilayer body by plasma etching |
| WO2008147568A1 (en) * | 2007-05-24 | 2008-12-04 | Digital Biosystems | Electrowetting based digital microfluidics |
| WO2011046615A2 (en) * | 2009-10-15 | 2011-04-21 | The Regents Of The University Of California | Digital microfluidic platform for radiochemistry |
| WO2011131795A1 (en) * | 2010-04-23 | 2011-10-27 | Celoxio Ab | Microfluidic systems with electronic wettability switches |
-
2012
- 2012-02-13 IT IT000121A patent/ITTO20120121A1/it unknown
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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