An electro wetting on dielectrics - system utilizing two different dielectric layers

Un électromouillage sur diélectriques - système utilisant deux couches diélectriques différentes

¹ Institute for Microelectronics and Microsensors, Johannes Kepler University Linz, Austria
² Institute for Microelectronics and Microsensors, Johannes Kepler University Linz, Austria
email : bernhard.jakoby@jku.at
³ Institute for Microelectronics and Microsensors, Johannes Kepler University Linz, Austria
email : wolfgang.hilber@jku.at

Abstract

Electrowetting on dielectrics is an established actuation principle in digital microfluidics. The Lippmann-Young equation describes the dependence of the contact angle to applied voltages. At high voltages the changes of the contact angle diminish and the contact angle saturates. Several theories try to explain that phenomenon. Amongst others, trapped charges and leak currents were proposed as the mechanisms behind the contact angle saturation. In this paper, we will combine these two theories to a common one and show that leak current and dielectric breakdown causes trapped charges and leads to a deviation of the Lippmann-Young equation and to a non-constant but oscillating contact angle at increasing voltages.

The thermodynamic derivation takes into account the electrostatic energy of a perfect capacitor, consisting of a homogeneous or a layered dielectric isolation. In our contribution, we show that isolation layers consisting of real materials with non-zero conductivities and, especially in the case of dielectric breakdown in one of these layers, display electrostatic energies different from that of an ideal capacitor. Thus, the contribution to the surface energies changes and the wetting contact angle differs from the Lippmann-Young prediction. It turns out, that the change of the surface energy of a solid to liquid interface differs depending on the order of the applied dielectric layers.

Résumé

L’électromouillage sur diélectrique est un principe d’actionnement établi en microfluidique digitale. L’équation de Lippmann-Young décrit la dépendance de l’angle de contact avec les tensions appliquées. À des tensions élevées les changements de l’angle de contact diminuent et l’angle de contact sature. Plusieurs théories tentent d’expliquer ce phénomène. Entre autres, des charges piégées et des courants de fuite ont été proposés comme cause de la saturation l’angle de contact. Dans cet article, nous combinons ces deux théories en une théorie unique et montrons que le courant de fuite et la rupture diélectrique provoquent des charges piégées et conduisent à un écart vis-à-vis de l’équation de Lippmann-Young et à un angle de contact non constant, mais oscillant lorsque les tensions augmentent.

La dérivation thermodynamique tient compte de l’énergie électrostatique d’un condensateur parfait, constitué d’une isolation diélectrique homogène ou en couches. Dans notre contribution, nous montrons que les couches d’isolation comprenant des matériaux réels ayant une conductivité non nulle et, en particulier dans le cas de rupture diélectrique dans une de ces couches, affichent des énergies électrostatiques différentes de celle d’un condensateur idéal. Ainsi, la contribution aux énergies de surface change et l’angle de contact de mouillage diffère de la prédiction de Lippmann-Young. Il s’avère que le changement de l’énergie de surface à l’interface solide - liquide varie en fonction de l’ordre des couches diélectriques appliquées.