为了降低数字微流控芯片的驱动电压, 将传统的方形驱动电极结构设计为半月形, 并研究了不同参数的半月形驱动电极降低驱动电压的效果。首先, 根据介电湿润的基本原理分析了不同驱动电极形状对降低驱动电压的影响。然后, 通过流体体积法(VOF)对液滴的运动过程进行建模和数值仿真; 根据数值仿真结果对比分析了不同结构参数的半月形驱动电极随驱动时间的运动过程。最后, 设计了4种不同结构参数的半月形驱动电极芯片, 并对其驱动液滴的效果进行了试验验证。结果表明: 研制的4种半月形驱动电极微流控芯片中, 电极圆弧直径等于电极长度结构的芯片其驱动电压比其他3种电极结构的芯片的驱动电压至少降低了15.6%, 而且可以在16 V的驱动电压下使1 μＬ去离子水液滴的运动速度达到1.6 cm/s, 是设计为半月形驱动电极中的最优设计。实验数据证明了电极圆弧直径等于电极长度的半月形驱动电极结构可有效降低微流控芯片的驱动电压。

针对目前数字微流控芯片驱动电压比较高的问题，本文对比传统的驱动电极结构，研制了一种可以降低驱动电压的半月形驱动电极数字微流控芯片。首先，基于介电湿润原理，分析微液滴所受介电湿润力和微液滴接触圆上有效三相接触线所对应弦长的关系。接着，对比分析了传统的方形、叉齿形驱动电极与提出的半月形驱动电极上液滴有效三相接触线所形成的弦长大小; 分析得出3种驱动电极结构中半月形驱动电极所形成的有效弦长最大，从而表明半月形驱动电极的数字微流控芯片上介电驱动力最大。最后，利用设计制作的3种驱动电极介电湿润芯片分别实验验证驱动液滴的效果。结果表明，所研制的半月形驱动电极数字微流控芯片的最小驱动电压分别比方形和叉齿形驱动电极芯片降低了约37%和67%。另外，当有效驱动电压为60 V时，半月形驱动电极芯片上2 μL去离子水微液滴的速度约为10 cm/s，分别是方形与叉齿形驱动电极芯片上液滴速度的3倍和2倍。得到的实验数据证明了半月形驱动电极数字微流控芯片实现了降低芯片驱动电压的目的。