范增華 榮偉彬 劉紫瀟 高軍 田業(yè)冰

1) (山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 淄博 255049)

2) (哈爾濱工業(yè)大學(xué), 機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150080)

操作液滴是液體介質(zhì)微操作機(jī)器人的先決條件, 研究單指微執(zhí)行器端面冷凝液滴的遷移特性, 對(duì)操作液滴的穩(wěn)定獲取具有重要指導(dǎo)意義. 首先分析基于冷凝液滴的微構(gòu)件柔順操作原理, 推導(dǎo)作用于微球上的液橋力方程. 建立單指微執(zhí)行器端面的冷凝液滴生長(zhǎng)模型, 包括單液滴生長(zhǎng)、液滴合并、溫度誘導(dǎo)和邊緣滯后, 分析影響端面冷凝液滴遷移的因素. 直徑130—400 μm 單指微執(zhí)行器的端面冷凝實(shí)驗(yàn)表明, 冷凝液滴經(jīng)過(guò)生長(zhǎng)合并后, 在端面形成單個(gè)液滴, 溫度梯度和邊緣效應(yīng)會(huì)影響所形成液滴的穩(wěn)定性. 在制冷片表面溫度–5 ℃,環(huán)境溫度24 ℃, 濕度37%的條件下, 直徑400 μm 的疏水執(zhí)行器末端最終獲取5.5 nL 的液滴, 且固著在端面.相對(duì)于未處理執(zhí)行器, 疏水處理后的微執(zhí)行器末端的冷凝液滴更穩(wěn)定. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的有效性.

1 引 言

微操作機(jī)器人是改變和探索微觀世界的重要途徑[1,2], 微操作對(duì)象的尺寸一般在納米至亞毫米之間, 具有質(zhì)量輕、質(zhì)地脆、易損傷的特點(diǎn). 柔順、無(wú)損式的微構(gòu)件操作方法是保證完備操作的關(guān)鍵,受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注.

液體介質(zhì)具有典型的柔順性, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者將液體作為一種“操作工具”, 用于微米級(jí)構(gòu)件的操控,并研制了基于液體介質(zhì)的微執(zhí)行器[3?5]. 操作液滴的獲取是實(shí)現(xiàn)柔順操作的先決條件, Wang 等[6]通過(guò)外源供液裝置連接毛細(xì)管, 利用外源壓力調(diào)節(jié)毛細(xì)管末端彎月面的形態(tài), 創(chuàng)造操作所需的液體介質(zhì). Fuchiwaki 和Kumagai[7]將操作探針穿過(guò)充滿液體的微細(xì)管道, 探針伸出管道后, 在探針末端獲取液滴, 改變探針的尺寸和形狀可調(diào)整獲取的液滴量. Obata 等[8]提出基于毛細(xì)力的微構(gòu)件操作方法, 操作探針蘸取液滴, 依靠與微構(gòu)件接觸后產(chǎn)生的液橋?qū)崿F(xiàn)操作對(duì)象抓取, 并且理論分析了所提出方案的有效性. 面向微構(gòu)件的自校準(zhǔn)釋放, Chang等[9,10]和Shah 等[11]利用超聲波加濕器噴灑微液滴, 創(chuàng)造輔助釋放的液滴條件. 張勤等[12]研制了多針式液滴微操作手, 由1 根毛細(xì)微管和環(huán)繞在其周圍的6 根鎢絲微棒組成, 向毛細(xì)微管注入液體, 可在機(jī)械手末端形成液滴. 毛細(xì)管的供液方式易造成微米對(duì)象的回吸, 超聲加濕器的液滴分配方式難以實(shí)現(xiàn)所需液滴量的精確控制.

冷凝是自然界和生產(chǎn)生活中的典型物理現(xiàn)象,一些學(xué)者研究冷凝液滴的潤(rùn)濕模型和傳熱特性[13],對(duì)滴狀冷凝散熱、表面自清潔等具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值. 蘭忠等[14]通過(guò)紅外熱成像儀實(shí)驗(yàn)分析液滴自由表面上溫度場(chǎng)的演化規(guī)律, 當(dāng)氣液間溫差超過(guò)過(guò)冷度臨界值時(shí)才能誘發(fā)持續(xù)冷凝. 劉天慶等[15]依據(jù)冷凝液滴生長(zhǎng)過(guò)程中能量增加最小的原理, 判斷納米結(jié)構(gòu)表面部分潤(rùn)濕的狀態(tài), 發(fā)現(xiàn)僅在納米柱較高、直徑間距比適宜的表面上, 部分潤(rùn)濕液滴合并后會(huì)誘發(fā)液滴彈跳. 面向微液滴在微納復(fù)合結(jié)構(gòu)表面的潤(rùn)濕狀態(tài)及轉(zhuǎn)化進(jìn)程, 吳兵兵等[16]基于熱力學(xué)方法, 依據(jù)最小自由能原理, 推導(dǎo)不同潤(rùn)濕狀態(tài)下的能量表達(dá)式與接觸角的數(shù)學(xué)方程, 通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證所建立模型的有效性. 周建臣等[17]利用高速相機(jī)觀測(cè)超疏水表面微液滴的動(dòng)態(tài)行為, 分析振動(dòng)頻率對(duì)接觸線移動(dòng)的影響, 在80—200 Hz的驅(qū)動(dòng)頻率范圍內(nèi), 接觸線存在固著-移動(dòng)現(xiàn)象. 國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)冷凝液滴在不同表面的潤(rùn)濕特性進(jìn)行了大量研究, 但對(duì)冷凝液滴在單指式微執(zhí)行器端面的生長(zhǎng)、遷移特性研究較少. 隨著冷凝控制作為一種液滴獲取方法用于單指式微操作機(jī)器人[18],可實(shí)現(xiàn)微構(gòu)件操作進(jìn)程中液滴的實(shí)時(shí)控制, 研究單指式微執(zhí)行器端面的冷凝液滴遷移特性有助于調(diào)控所需液滴的穩(wěn)定獲取.

為此, 本文從基于冷凝液滴的單指微執(zhí)行器的操作原理入手, 理論分析單指式微執(zhí)行器端面的冷凝液滴遷移特性, 實(shí)驗(yàn)研究端面冷凝液滴的生長(zhǎng)進(jìn)程, 探討影響冷凝液滴穩(wěn)定獲取的因素.

2 液體介質(zhì)柔順操作原理

圖1 微操作原理 (a) 液滴冷凝; (b) 拾取Fig. 1. Principle of micromanipulation: (a) Droplet condensation; (b) pick-up.

微尺度操作構(gòu)件具有顯著的黏著效應(yīng), 從主動(dòng)利用黏著力的角度, 基于液體介質(zhì)的毛細(xì)力可實(shí)現(xiàn)微尺度構(gòu)件的操控, 具有顯著的柔順性, 圖1 所示為基于冷凝液滴的微構(gòu)件操作原理. 在制冷片的作用下, 執(zhí)行器末端冷凝液滴, 如圖1(a)所示. 調(diào)節(jié)單指微執(zhí)行器, 使末端液滴與放置在基底上的微球接觸, 會(huì)在端面與操作對(duì)象間形成液橋, 產(chǎn)生的液橋力克服微球的重力以及微球與基底間黏著力, 實(shí)現(xiàn)柔順拾取, 如圖1(b)所示. 液體介質(zhì)可適合不同形狀微對(duì)象的配合抓取, 液體介質(zhì)的阻尼效應(yīng)可避免精密微器件的局部應(yīng)力集中.

作用在微球上的液橋力來(lái)源于兩部分, 一部分是液橋內(nèi)外壓差在微球上的毛細(xì)吸附; 另一部分是微球三相線處液橋側(cè)表面的表面張力在軸線方向上的分力. 液橋的內(nèi)外壓差(?P)可以用Young-Laplace 方程求解[19]:

其中,γ為液體表面張力系數(shù),r1和r2為兩主曲率半徑.

微球上, 表面張力在豎直方向的張力分量Fs為

其中r為三相線基圓的半徑,θ2為微球的表面接觸角,φ為潤(rùn)濕區(qū)域?qū)?yīng)的半圓心角.

聯(lián)立(1)式和(2)式, 得到冷凝液滴接觸微球后產(chǎn)生的液橋力Fc為

其中A為微球潤(rùn)濕區(qū)域的表面積.

在操作液滴獲取, 形成液橋接觸的基礎(chǔ)上, 改變液橋高度、接觸角、體積等參數(shù)可調(diào)整液橋力,進(jìn)而主導(dǎo)操作進(jìn)程.

3 端面冷凝液滴生長(zhǎng)模型

本文將微執(zhí)行器端面冷凝液滴的進(jìn)化劃分為3 個(gè)階段, 包括冷凝液滴生長(zhǎng)合并, 溫度梯度遷移和邊緣滯后.

3.1 冷凝液滴生長(zhǎng)與合并

執(zhí)行器端面的溫度低于所處環(huán)境的飽和溫度時(shí), 會(huì)在端面形成液滴冷凝, 圖2 為端面冷凝液滴生長(zhǎng)合并示意圖. 基于液滴生長(zhǎng)核化理論, 微液滴在形成進(jìn)程中, 表面伴隨著分子蒸發(fā), 只有當(dāng)液滴達(dá)到一定臨界尺寸時(shí), 微液滴才能繼續(xù)冷凝生長(zhǎng), 否則不能留存. 液滴繼續(xù)生長(zhǎng)的臨界半徑為[20]

其中Tsat為飽和溫度,Ts為執(zhí)行器端面溫度,Hlv為汽化潛熱.

圖2 液滴生長(zhǎng)模型Fig. 2. Model of droplet growth.

半徑大于Rc的微液滴繼續(xù)冷凝生長(zhǎng), 面向單個(gè)液滴生長(zhǎng), 本文基于單液滴傳熱機(jī)制, 將微液滴從執(zhí)行器端面至外部自由表面的傳熱損耗分解為三部分, 分別為液滴介質(zhì)熱阻、液滴曲率熱阻和氣-液相際熱阻產(chǎn)生的溫度損耗. 對(duì)于液體介質(zhì), 導(dǎo)熱系數(shù)為k的液滴形成的溫差 ?Tdro為

其中q為熱流量,θ為液滴在端面的接觸角,ri為微液滴半徑.

液滴輪廓曲率熱阻形成的溫差 ?Tcur為

其中 ?T=Ts?Tsat為過(guò)冷度.

氣-液相際熱阻形成的溫度損耗 ?Ts為

其中hs為氣-液界面的傳熱系數(shù). 根據(jù)傳熱機(jī)理, 單個(gè)液滴的傳熱量可表示為

聯(lián)立(5)—(8)式, 獲取液滴的冷凝生長(zhǎng)速率dri/dt為

在特定環(huán)境下, 過(guò)冷度恒定, 冷凝初始階段小液滴的生長(zhǎng)速率較大, 隨著液滴半徑的增大, 生長(zhǎng)速率逐步下降, 直至到0, 達(dá)到平衡狀態(tài). 單液滴直接生長(zhǎng)后期, 相鄰間的冷凝液滴發(fā)生合并, 如圖2所示. 微液滴合并的臨界條件是相鄰液滴的半徑之和大于微液滴的中心距離(Lij), 即Lij

3.2 溫度梯度誘導(dǎo)遷移

除了在生長(zhǎng)過(guò)程中伴隨著液滴間的合并移動(dòng),冷凝溫度場(chǎng)的非均勻分布也會(huì)誘導(dǎo)微液滴的遷移.溫度梯度驅(qū)使微液滴呈現(xiàn)由高溫區(qū)向低溫區(qū)移動(dòng)的趨勢(shì), 圖3 為溫度梯度下微液滴的遷移示意圖.

圖3 溫度梯度下液滴移動(dòng)Fig. 3. Droplet movement induced by temperature gradient.

高溫區(qū)與低溫區(qū)的溫度梯度( dT/dx)造成了表面潤(rùn)濕性差異, 對(duì)應(yīng)接觸角的差值為 d cosθ, 潤(rùn)濕梯度作用在微液滴上產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力Fd為

固體表面的滯后會(huì)限制微液滴的遷移, 臨界狀態(tài)下, 液滴兩端的接觸角分別對(duì)應(yīng)微液滴的前進(jìn)角θb和后退角θa, 產(chǎn)生的滯后阻力Fr為

溫度梯度產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力克服滯后阻力時(shí), 微液滴接觸線遷移, 液滴移動(dòng), 直至達(dá)到新的平衡位置.

3.3 端面邊緣滯后

不同于大尺度平面的冷凝, 隨著冷凝液滴的合并生長(zhǎng), 單指式執(zhí)行器端面的冷凝液滴會(huì)鋪展至整個(gè)端面. 端面邊緣阻礙冷凝液滴的遷移, 使冷凝液滴固著在執(zhí)行器端面繼續(xù)生長(zhǎng), 如圖4 所示. 冷凝液滴的三相線接觸線固定不變, 接觸角增大, 直至達(dá)到新的平衡.

圖4 邊緣滯后示意圖Fig. 4. Schematic of pinning effect.

假設(shè)微液滴在發(fā)生邊緣效應(yīng)之前的前進(jìn)角為θa0, 當(dāng)冷凝液滴接觸角達(dá)到邊緣前進(jìn)角θad時(shí), 微液滴才會(huì)發(fā)生側(cè)移, 執(zhí)行器的邊緣角α決定了邊緣前進(jìn)角, 如(12)式所示:

冷凝液滴前進(jìn)角和邊緣角越大, 則微液滴的邊緣前進(jìn)角越大, 微液滴更易固著在執(zhí)行器端面, 有助于創(chuàng)造穩(wěn)定的液滴條件, 利于微操作進(jìn)程中的液滴控制.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

在端面冷凝液滴生長(zhǎng)模型和遷移特性理論分析的基礎(chǔ)上, 實(shí)驗(yàn)分析單指執(zhí)行器端面的冷凝液滴形成進(jìn)程, 以及影響穩(wěn)定獲取的因素.

4.1 端面冷凝液滴生長(zhǎng)進(jìn)程

圖5 所示為直徑400 μm 執(zhí)行器端面冷凝液滴的進(jìn)化過(guò)程, 黃銅直絲作為單指式微執(zhí)行器, 并利用氟硅烷進(jìn)行疏水處理[21]. 制冷片設(shè)置在執(zhí)行器兩側(cè), 執(zhí)行器穿過(guò)制冷空間并伸出, 以便顯微鏡觀測(cè). 在制冷片表面溫度－5 ℃, 溫度24 ℃, 濕度37%的條件下, 端面溫度低于該環(huán)境露點(diǎn)(8 ℃)時(shí), 表面產(chǎn)生冷凝液滴. 在初始階段(t= 7 s), 冷凝出大量的微液滴, 且各自獨(dú)立生長(zhǎng). 隨著微液滴的長(zhǎng)大,相鄰的微液滴發(fā)生合并,t= 11 s 時(shí)的兩個(gè)小液滴,經(jīng)過(guò)2 s 后(t= 13 s)合并為1 個(gè)液滴, 該液滴在合并位置進(jìn)一步生長(zhǎng)(t= 50 s). 隨著冷凝進(jìn)程的進(jìn)行, 端面液滴持續(xù)發(fā)生合并, 小液滴數(shù)量減少,最終在端面合并為一個(gè)大液滴(t= 180 s).

圖5 冷凝液滴生長(zhǎng)進(jìn)程 (a) t = 7 s; (b) t = 11 s; (c) t =13 s; (d) t = 50 s; (e) t = 120 s; (f) t = 180 sFig. 5. Growth processes during droplet condensation: (a) t =7 s; (b) t = 11 s; (c) t = 13 s; (d) t = 50 s; (e) t = 120 s;(f) t = 180 s.

圖6所示為冷凝進(jìn)程中微液滴體積的變化, 初始小液滴生長(zhǎng)階段(0—1.5 min), 液滴量變化緩慢,但冷凝液滴的體積增長(zhǎng)率逐漸增大. 隨后, 微液滴體積量增多, 并逐步趨于平衡, 生長(zhǎng)速率逐步降低為0, 液滴停止生長(zhǎng). 初始小液滴偏向獨(dú)立冷凝生長(zhǎng), 大液滴則以合并為主, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與前述理論分析一致. 最終在直徑400 μm 執(zhí)行器端面形成單個(gè)液滴, 體積為5.5 nL, 創(chuàng)造了柔順操作的單液滴需求.

圖6 液滴體積隨時(shí)間變化Fig. 6. Droplet volume varying with time.

4.2 溫度誘導(dǎo)的冷凝液滴偏移特性

圖7 所示為環(huán)境溫度24 ℃、濕度37%下, 溫度誘導(dǎo)的端面冷凝進(jìn)程, 圖7(a)—(c)為單制冷片作用下的液滴生長(zhǎng)形態(tài). 結(jié)果表明, 端面液滴從初始形成階段便非均勻分布, 冷凝液滴集中分布于放置制冷片的一側(cè), 因?yàn)樵搮^(qū)域溫度低, 過(guò)冷度較大,冷凝液滴生長(zhǎng)較快. 圖7(b)所示的大液滴中心線距離探針軸線40 μm, 非對(duì)稱生長(zhǎng), 最終形成單個(gè)液滴. 由3.2 節(jié)理論分析可知, 由于溫度梯度的誘導(dǎo), 使得液滴相對(duì)于執(zhí)行器的軸線呈現(xiàn)非對(duì)稱形態(tài), 最終偏移量為13 μm, 如圖7(c)所示. 由于微尺度下冷凝液滴對(duì)環(huán)境的敏感性以及溫控誤差,5 次單制冷片作用的結(jié)果表明, 偏移量誤差在2 μm以內(nèi). 雙制冷片作用下, 冷凝液滴初始階段即在端面對(duì)稱生長(zhǎng), 如圖7(d)所示, 中心軸線處的液滴分布最少, 因?yàn)樵搮^(qū)域過(guò)冷度最低. 隨著冷凝進(jìn)程的進(jìn)行, 在端面形成兩個(gè)對(duì)稱的液滴, 如圖7(e)所示. 經(jīng)過(guò)合并生長(zhǎng), 最終在端面形成一個(gè)穩(wěn)定的液滴, 且相對(duì)于執(zhí)行器軸線對(duì)稱分布, 因?yàn)殡p制冷片作用下形成對(duì)稱的溫度場(chǎng).

圖7 冷凝進(jìn)程 (a) 非對(duì)稱初始生長(zhǎng); (b) 非對(duì)稱偏移40 μm;(c) 非對(duì)稱偏移13 μm; (d) 對(duì)稱初始生長(zhǎng); (e) 對(duì)稱雙液滴;(f) 對(duì)稱單液滴Fig. 7. Processes of droplet condensation: (a) Asymmetric growth in the initial stage; (b) 40 μm offset; (c) 13 μm offset; (d) symmetrical growth in the initial stage; (e) two symmetrical droplets; (f) one symmetrical droplet.

4.3 邊緣滯后的液滴移動(dòng)特性

冷凝液滴合并至端面邊緣時(shí), 由前述理論分析可知, 邊緣效應(yīng)會(huì)對(duì)冷凝液滴的遷移起到滯后作用. 在室溫24 ℃, 濕度42%環(huán)境下, 露點(diǎn)10 ℃條件下, 直徑137 μm 執(zhí)行器端面的冷凝液滴在邊緣滯后下的接觸角變化如圖8 所示, 經(jīng)過(guò)初始生長(zhǎng)與合并, 冷凝液滴在22 s 時(shí)鋪展至端面的邊緣. 隨后, 冷凝液滴以端面邊緣為三相線接觸線繼續(xù)生長(zhǎng), 液滴接觸角逐漸增大, 直至達(dá)到平衡狀態(tài), 最終形成的液滴接觸角為112°. 受限于空氣冷凝環(huán)境的低濕度, 端面冷凝液滴難以達(dá)到邊緣前進(jìn)角,限制了液滴的側(cè)移, 使其固著在端面.

圖8 邊緣滯后下接觸角變化Fig. 8. Contact angle change under pinning effect.

4.4 親疏水端面的液滴移動(dòng)特性

進(jìn)一步分析單指執(zhí)行器端面的親疏水特性對(duì)冷凝液滴遷移的影響, 在室溫24 ℃, 濕度37%環(huán)境下, 直徑150 μm 的未處理黃銅絲端面的冷凝液滴形成如圖9(a)所示. 隨著冷凝進(jìn)程的進(jìn)行, 冷凝液滴滑移至側(cè)面, 如圖9(b)所示. 未處理的執(zhí)行器以膜狀冷凝模式生長(zhǎng)為主, 圓柱側(cè)面液滴易與端面液滴發(fā)生合并, 使端面液滴遷移至側(cè)面, 端面尺寸越小越易誘導(dǎo)冷凝液滴遷移至側(cè)面. 通過(guò)化學(xué)刻蝕, 端面產(chǎn)生微納結(jié)構(gòu), 如圖9(c)所示, 并進(jìn)行氟硅烷涂層疏水處理, 獲取直徑130 μm 的單指微執(zhí)行器. 在相同的制冷環(huán)境下, 相對(duì)于未處理端面, 疏水端面可產(chǎn)生穩(wěn)定的液滴, 并固著在端面, 如圖9(d)和圖9(e)所示. 雖然疏水處理后執(zhí)行器的尺寸較小, 但相對(duì)于未處理端面形成的最大穩(wěn)定液滴(0.3 nL), 疏水端面能獲得更大的冷凝液滴(0.4 nL), 且不會(huì)發(fā)生側(cè)移. 因?yàn)橐旱卧谑杷砻鎿碛休^大的前進(jìn)角, 由(12)式可知, 其臨界邊緣前進(jìn)角更大, 微液滴越容易固著在端面. 執(zhí)行器側(cè)面也會(huì)產(chǎn)生冷凝液滴, 在所述實(shí)驗(yàn)條件下, 側(cè)面液滴不會(huì)越過(guò)端面邊緣. 因?yàn)? 疏水面冷凝以核化生長(zhǎng)為主, 且微尺度下表面張力相對(duì)于重力起到主導(dǎo)作用. 此外, 執(zhí)行器穿過(guò)制冷空間, 由于傳熱損耗, 從制冷空間至執(zhí)行器端面存在低溫到高溫的溫度梯度, 促使側(cè)面微液滴呈現(xiàn)遠(yuǎn)離端面的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì), 最終固著在側(cè)面上. 單指微執(zhí)行器端面冷凝液滴的移動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)表明, 通過(guò)調(diào)控端面溫度梯度、親疏水特性等因素, 可改變端面液滴的形態(tài), 實(shí)現(xiàn)液滴的穩(wěn)定獲取, 為微構(gòu)件的柔順操作創(chuàng)造了液滴條件.

圖9 親疏水端面冷凝 (a) 未處理端面冷凝; (b) 液滴側(cè)移; (c) 表面微結(jié)構(gòu); (d) 疏水端面冷凝; (e) 穩(wěn)定液滴Fig. 9. Droplet condensation on hydrophilic and hydrophobic surface: (a) Droplet condensation on the hydrophilic surface; (b) droplet sliding; (c) microstructures on hydrophobic surface; (d) and (e) a stable droplet is formed on the hydrophobic surface.

4.5 柔順操作實(shí)驗(yàn)

在單指微執(zhí)行器端面冷凝液滴遷移特性分析的基礎(chǔ)上, 獲取單個(gè)穩(wěn)定液滴, 以直徑200 μm 聚苯乙烯微球?yàn)闇y(cè)試對(duì)象, 進(jìn)行柔順操作實(shí)驗(yàn)(圖10).首先在直徑240 μm 微執(zhí)行器末端冷凝產(chǎn)生單個(gè)液滴, 如圖10(a)所示. 控制冷凝液滴與基底上的微球?qū)ο蠼佑|, 微液滴以液橋的形式存在于微球?qū)ο蠛蛨?zhí)行器末端之間, 所形成的液橋力克服微球?qū)ο蠛突组g的黏著力, 實(shí)現(xiàn)拾取, 如圖10(b)所示.由(3)式可知, 通過(guò)調(diào)整液橋的特征參數(shù)(如接觸角、液橋高度等)可控制液橋力, 測(cè)試實(shí)驗(yàn)為操作進(jìn)程的進(jìn)一步調(diào)控奠定了基礎(chǔ), 為繼續(xù)研制集成濕度控制的新型冷凝微執(zhí)行器起到重要指導(dǎo).

圖10 微操作實(shí)驗(yàn) (a) 液滴形成; (b) 拾取Fig. 10. Micromanipulation experiments: (a) Droplet formation; (b) pick-up.

5 結(jié) 論

本文研究了單指式微執(zhí)行器端面冷凝液滴的遷移特性, 包括冷凝液滴直接生長(zhǎng)合并、溫度誘導(dǎo)和邊緣滯后, 主要得到以下結(jié)論:

1)端面冷凝液滴經(jīng)過(guò)小液滴獨(dú)立生長(zhǎng), 大液滴合并后在端面形成單個(gè)液滴, 初始階段液滴生長(zhǎng)速率較大, 隨后冷凝液滴以合并長(zhǎng)大為主;

2)在環(huán)境溫度24 ℃, 濕度37%的條件下, 疏水處理的直徑400 μm 單指執(zhí)行器末端獲取5.5 nL的穩(wěn)定液滴, 并固著在端面;

3)冷凝液滴在低溫區(qū)域生長(zhǎng)較快, 微執(zhí)行器在具有溫度梯度的制冷空間中, 端面會(huì)形成單個(gè)非對(duì)稱液滴;

4)在室溫24 ℃和濕度42%環(huán)境下, 邊緣滯后使直徑137 μm 單指微執(zhí)行器端面形成的冷凝液滴的最終接觸角為112°;

5)疏水端面更易產(chǎn)生穩(wěn)定的液滴, 相對(duì)于直徑150 μm 未處理端面獲取的0.3 nL 穩(wěn)定液滴,130 μm 較小的疏水端面能獲取0.4 nL 的較大液滴.