CN101320934A - 流体驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流体驱动装置，包括基板、至少一电极组与控制单元。基板具有至少一板面。电极组设置在基板上，并包括第一电极、第二电极与第三电极，其中第二电极于该板面上的投射位置位于第一电极于该板面的投射位置与第三电极于该板面的投射位置之间。控制单元电学连接电极组，其各别驱动第一电极、第二电极与第三电极。当控制单元驱使第一电极与第三电极的极性相反，且第二电极的极性与第三电极的极性相同时，电极组形成的电场驱动基板上的流体由第一电极流向第三电极。

Description

流体驱动装置

技术领域

本发明涉及一种流体驱动装置，且特别涉及一种利用电渗透力的流体驱动装置。

背景技术

由于微机电工艺相关技术的发展，许多具微流道系统设计的生物芯片、生物碟片等概念逐渐受到瞩目。微流道设计通常需搭配微泵浦做为流体驱动的来源。

微机电领域所使用的微泵浦有气泡式泵浦、薄膜式泵浦、扩散式泵浦等。这些泵浦驱动流体的原理不外乎是利用其本身的机械元件来达到推动流体的目的。由于微流系统中若是架构复杂的机械元件，机械元件必须能够达到尺寸非常微细的要求，在技术上具有非常多的限制。

另外，由于微流道系统必须能够用于粒子的驱动与操控，仅具有驱动流体流动功能的微流道设计并无法实质地操控粒子于运动时改变方向。

发明内容

本发明涉及一种流体驱动装置，其利用可被独立驱动的电极或电极组产生电场，并使流体受电极极性影响而感应出电荷，由此造成电渗透力效应以驱动流体流动，更可进一步操控粒子的运动。

本发明提出一种流体驱动装置，此装置包括基板、至少一电极组与控制单元。基板具有至少一板面。电极组设置在基板上，并包括第一电极、第二电极与第三电极，其中第二电极于该板面上的投射位置位于第一电极于该板面上的投射位置与第三电极于该板面的投射位置之间。控制单元电学连接电极组，其各别驱动第一电极、第二电极与第三电极。当控制单元驱使第一电极与第三电极的极性相反，且第二电极的极性与第三电极的极性相同时，电极组形成的电场驱使基板上的流体由该第一电极流向第三电极。

为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下：

附图说明

图1A～1B绘示依照本发明实施例一的流体驱动装置的第一示意图。

图2A～2B绘示依照本发明实施例一的流体驱动装置的第二示意图。

图3A绘示依照本发明实施例二的流体驱动装置的示意图。

图3B绘示图3A流体驱动装置的局部剖面图。

图3C绘示图3A流体驱动装置的局部放大图。

图4A绘示图3C的第一电极组的剖面图。

图4B绘示图3C的第二电极组的剖面图。

图4C绘示图4B的第二电极组产生介电泳力的示意图。

图5A、5B绘示流体驱动装置具多边形电极组的示意图。

图5C、5D绘示图5A流体驱动装置的电极组彼此不相连的示意图。

图6绘示依照本发明实施例三的流体驱动装置的示意图。

图7A～7B绘示图6的部分电极组于驱动时的剖面图。

图8A～8C绘示图6流体驱动装置操控粒子的示意图。

附图标记说明

100、200、300、400、500：流体驱动装置

110、310、410、510：基板

110：板面

111、311：底材

113、313：绝缘层

120、321～329、421～423、421’～423’、513、523、533、534、535、542、

545、551～556、562、565：电极组

121、324A、325A、327A：第一电极

122、324B、325B、327B：第二电极

123、324C、325C、327C：第三电极

130：控制单元

221～224、421A～423A、421B～423B、421C～423C、421A’～423A’、421B’～423B’、421C’～423C’：电极

P：粒子

具体实施方式

实施例一

请参照图1A～1B，其绘示依照本发明实施例一的流体驱动装置的第一示意图。如图1A～1B所示，流体驱动装置100包括基板110、至少一电极组120与控制单元130。基板110具有至少一板面110A。电极组120设置在基板110上，并包括第一电极121、第二电极122与第三电极123，其中第二电极122在板面110A上的投射位置位于第一电极121在板面110A上的投射位置与第三电极123在板面110A上的投射位置之间。控制单元130电学连接电极组120，其各别驱动第一电极121、第二电极122与第三电极123。当控制单元130驱使第一电极121与第三电极123的极性相反，且第二电极122的极性与第三电极123的极性相同时，电极组120形成的电场驱使基板110上的流体由该第一电极121流向第三电极123。

其中，基板110包括底材111与绝缘层113，绝缘层113设置在底材111上。底材111的材料可以是硅或是玻璃。优选地，第二电极122位于底材111与绝缘层113之间，第一电极121与第三电极123则位于绝缘层113上，使第一电极121与第三电极123位于同一水平位置，而第二电极122位于该水平位置的下方。

控制单元130例如是提供交流电压至电极组120。在基板110上的流体可以是电解质水溶液。当控制单元130的交流电压的信号输入至第二电极122时，流体在绝缘层113与第二电极122上方会感应出电荷。若是再以相同频率的交流电压的信号输入至绝缘层113上方的第一电极121与第三电极123，第一电极121与第三电极123在特定瞬间将形成电场分布。此时前述被感应带有电荷的流体会受到此电场的影响，而产生电渗透力(electro-osmotic-force，EOF)而造成流体的运动。

如图1A所示，当控制单元130在第一时间驱动电极组120，使第一电极121与第三电极123的极性相反，第二电极122与第三电极123的极性相同，例如第一电极为负极，第三电极为正极。此时，在第二电极122上方的流体在靠近绝缘层113附近会感应出负电荷，使第一电极121与第三电极123形成的电场E驱使带有负电荷的流体朝第三电极123(正极)方向F1移动。

当下一瞬间，如图1B所示，使第一电极121与第三电极123的极性交换，即第一电极121为正极而第三电极123为负极，此时电场E的方向会与前一瞬间相反，而流体在绝缘层113附近会感应出正电荷，此带有正电荷的流体会朝向第三电极123(负极)的方向移动。如此一来，虽然于控制单元130的交流电压驱动下，各电极的极性会不停地切换，但仍会产生相同方向F1上的流体净流量。

第一电极121、第二电极122与第三电极123的面积可相同或不相同。在本实施例中虽然是以面积相同的电极做说明，但实际上可以使三个电极121～123具有不同面积，以在基板110上占有不同的面积大小。当施加电压至各电极时，便可以产生相应的电场大小以因应操纵流体的需求。

当然，在实际运用时，在基板110上可以布设更多个电极，以在基板110上的不同位置驱动流体，或是驱动不同范围的流体流动。请参照图2A～2B，其绘示依照本发明实施例一的流体驱动装置的第二示意图。流体驱动装置200包括多个电极，这些电极可以位于底材111上的绝缘层113中，且这些电极在基板110’上区分为上、下二层电极。

如图2A所示，在第一瞬间使上层的电极221、222的极性相反而产生电场E，并使靠近底材111的下层电极223、224的极性与电极222的极性相同。如此一来，电极223、224上方的流体会感应出负电荷，使流体朝电极222方向F2移动。

当下一瞬间，如图2B所示，使上层电极221、222的极性交换，由于流体仍感应出负电荷，此时带有负电荷的流体会朝电极221方向F1流动，与第一瞬间的流动方向相反。

当基板110上布设多个电极时，便可以在基板110上的任意位置驱动流体，或是驱动不同范围的流体流动。且由于每个电极皆具有独立操作的功能，如此一来可以通过电极的正负电信号差异及其造成的电场变化、流体感应电荷等，进一步操控基板110上方的流体于不同方向上流动。

实施例二

请参照图3A～3B，图3A绘示依照本发明实施例二的流体驱动装置的示意图，图3B绘示图3A流体驱动装置的局部剖面图。如图3A～3B所示，流体驱动装置300包括基板310与多个电极组321～329，这些电极组321～329以阵列的方式配置于基板310上。各个电极组的构造相同，在此先以电极组327说明。电极组327包括第一电极327A、第二电极327B与第三电极327C，其中第二电极327B对应第一电极327A的周围设置，而第三电极327C对应第二电极327B的周围设置。优选地，第二电极327B与第三电极327C皆为环状电极，使各个电极以同心圆方式配置于基板310上。

基板310包括底材311与绝缘层313，第一电极327A与第三电极327C设置在绝缘层313上，而第二电极327B设置在底材311与绝缘层313之间。各个电极组的各电极皆电学连接控制单元(未绘示)，控制单元可提供交流电压至各电极，以独立驱动各电极并控制电极的极性。每个电极皆具有独立操作的功能，通过电极的正负电信号的差异，驱使基板310上产生不同的电场效应。

本实施例是以电极组与324电极组325的作动说明流体的驱动方式，以及说明利用流体操控粒子运动。请参照图3C、4A～4B，图3C绘示图3A流体驱动装置的局部放大图，图4A绘示图3C的电极组324的剖面图，图4B绘示图3C的电极组325的剖面图。

如图4A所示，当控制单元在第一时间使电极组324上的第一电极324A为正极、第二电极324B与第三电极324C为负极时，在绝缘层313上的第一电极324A与第三电极324C会形成电场，而在第二电极324B上方的流体会感应出正电荷。此时带有正电荷的流体会受到电场E影响，朝第三电极324C的方向流去。对照图3C，此时在电极组324上是产生流体从内往外流动的现象，位于电极组324上的粒子P会随着流体移动到电极组324的外环处。

当粒子移出电极组324后，可先停止电极组324的驱动，并转而提供交流电压至电极组325。如图4B所示，当控制单元在第二时间驱使第一电极325A与第二电极325B为正极，而第三电极325C为负极时，在绝缘层313上的第一电极325A与第三电极325C同样会形成电场，而在第二电极325B上方的流体会感应出负电荷。此时带有负电荷的流体会受到电场影响，朝第一电极325A的方向流去。对照图3C，此时在电极组325上是产生流体从外向内流动的现象，位于电极组325外环的粒子P会随着流体移动到电极组325所处基板310的范围内。

为顺利将粒子P定位位以抓取粒子P，也可以透过控制电极组325的方式达成。举例来说，利用施加适当电压及频率于电极组325的特定电极上，以产生正介电泳(positive dielectrophoresis，Positive DEP)力去操纵粒子。

请参照图4C，其绘示图4B的电极组325产生介电泳力的示意图。如图4C所示，当粒子P移动到电极组325上之后，可保持第一电极325A与第三电极325C的极性，但是调整第二电极325B为零电位。另外，适度控制流体与粒子P的介电常数与电压的频率等，使粒子P的极化程度大于流体的极化程度，让粒子P朝电场较强的地方移动。由于第一电极325A上为电场强度大的地方，使粒子P受正介电泳力Fdep被稳固地定位于第一电极325A上。

由于电极组321～329是以阵列的形式配置于基板310上，透过基板310上不同位置的电极组其开启与关闭作用，能够适度地控制流体流动状态，如以一来，便可顺利地通过流体与电极操纵粒子。

当然，电极的形状并不限于前述的环状电极，也不限定以阵列的形式配置所有电极组。实际上运用时，可以将各个电极设计为多边结构。请参照图5A、5B，其绘示流体驱动装置具多边形电极组的示意图。如图5A所示，流体驱动装置400包括多个电极组421～423等，这些电极组421～423的形状为六边形。通过各电极组形状上的配合，使每个电极组421～423中最外环的电极421A～423A可以紧密地相接在一起，以减少电极组421～423间之间隙以节省基板410的面积。位于最内部的电极421C～423C则呈现整片六边形的结构，而位于电极421A～423A与电极421C～423C之间的电极421B～423B同样与最外部的电极421A～423A一样呈现六边形的环状结构。另外，在此以电极组423说明各电极的尺寸设计：在最内部的电极423C的宽度的二分之一以及最外部电极423A的宽度为W1，各电极的间距为G1，而中间的电极423B的宽度为W2，其中W2＞W1≥G1。优选地，W2≥2W1，W1＞2G1。实际运用时，如图5B所示，电极组421～423最内部的电极421C～423C也可设计为环状电极，其宽度为W1，而其他设计参数则可与前述的电极设计相同。

另外，请参照图5C、5D，其绘示图5A流体驱动装置的电极组彼此不相连的示意图。流体驱动装置400’的电极组421’～423’彼此相邻却不相连。电极组421’～423’中最内部的电极421C’～423C’可为整片六边形的结构，如图5C所示；电极421C’～423C’亦可为六边形的环状电极，如图5D所示。同样地以图5C的电极组423’为例说明各电极的尺寸设计：在最内部的电极423C’的宽度的二分之一以及最外部电极423A’的宽度为W1’，各电极组的间距为G1’，各电极的间距为G2’，而中间的电极423B’的宽度为W2’，其中W2’＞W1’≥G1’＞G2’。且优选地，W2’≥2W1’，W1’＞2G1’，而G1’＞2G2’。图5D中设计为环状结构的电极423C’的宽度亦为W1’。在此所设计的电极尺寸可类比至图3A中呈现同心圆电极结构的各电极组321～329的电极尺寸。

实施例三

请参照图6、7A～7B，图6绘示依照本发明实施例三的流体驱动装置的示意图，图7A～7B绘示图6的部分电极组在驱动时的剖面图。如图6所示，流体驱动装置500包括基板510与多个电极组，这些电极组以阵列的形式配置于基板510上，每个电极组亦包括多个以阵列形式排列的电极。本实施例是以四个电极为一组做说明。如图7A～7B所示，在基板510上的电极组区分为上、下二层，且上、下层的电极组是交错配置。以下层的电极组552为例，其相邻之上、下、左、右方的电极组542、562、551、553是位于基板510的上层；另外，上层的电极组555其相邻的电极组545、565、556、554则是位于基板510的下层。

每个电极组皆电学连接至控制单元(未绘示)。此控制单元可提供交流电压以独立驱动各电极，并适时改变各电极的极性。虽然本实施例是以四个电极为一组做说明，但由于每个电极皆独立地连接到控制单元，故实际上控制单元可以选择一次仅驱动一电极组内的单一电极或是同时驱动多个电极。

实际驱动流体运动时，可以利用上层电极形成电场E，并使流体于下层电极附近感应出电荷，带有电荷的流体便会受电场E影响而移动。在此以流体驱动装置500上的电极组551、552、553的作动说明，其剖面图如图7A～7B所示。其中电极组553是位于基板510下层，而电极组551、553则是位于基板510上层。

如图7A所示，当控制单元于第一时间驱动上层电极组551、553，使其部分电极具正、负极性时，受驱动的电极会在基板510上产生电场E。当控制单元驱使下层电极组552的电极具有负极的特性时，在其上方的流体会感应出正电荷，如此一来，流体就会受电渗透力的影响而往电极组553的方向流去。当下一瞬间，如图7B所示，虽然控制单元提供的交流电压会使电极的极性与前一瞬间相反，但由于电场方向会反向，且下层的电极其极性亦会改变，故仍会产生同一方向的流体净流量。

由于基板510上的电极以阵列方式排列，只要施加电压至特定的电极组或是各别的电极上，便可使流体以特定路径移动。

本实施例的流体驱动装置500可操纵粒子在基板510平面上的运动。请参照图8A～8C，其绘示图6流体驱动装置操控粒子的示意图。带有粒子P的流体位于基板510的电极组523上方，欲操控流体带着粒子P朝特定方向移动时，可使粒子P其移动路径上的部分电极组的电极极性相异。如图8A所示，使上层电极组513、533的部分电极其极性相反以构成电场，并使下层电极组523的电极其极性与电极组533的电极的极性相同，如此一来，感应出电荷的流体便会朝电极组533的方向流动，顺势将粒子P带走。

粒子P移动到电极组533上方后，可以再次改变控制单元驱动的电极组或电极的个数与位置，以操控粒子P朝不同方向移动。如图8B所示，此时是改由驱动电极组533的电极，并使另一上层电极组535的部分电极其极性与电极组533的极性相反以构成另一电场，而在下层的电极组534的极性则与上层电极组535的极性相同，使得流体操控粒子P朝电极组535的方向流动。如图8C所示，粒子P移动到电极组535上方后，控制单元可接着改变其所驱动的电极组535、545、555，以驱使粒子P朝其他方向移动。

以上实施例一、二或三的流体驱动装置100～500皆可搭配感测单元以随时监控粒子在基板上的位置，以辅助操控粒子的流程。感测单元于感测到粒子的位置后随即可传输信号到控制单元，控制单元可由此判断是否改变所驱动的电极组位置与个数，以进一步操控粒子在基板上的运动。另外，可在基板上架构出合适的微流道，搭配电极组的操作，皆有助于控制粒子的动作。亦可以有效地运用于生物、医学、纳米或微机电等领域的微粒子操作、分类与计数等流程。

本发明上述实施例所披露的流体驱动装置，利用控制电极的极性以形成电场分布，并使邻近电极处的流体感应出电荷以产生电渗透力的效应进而驱使流体流动。基板上布设的电极是以阵列或非阵列的形式配置，流体可由此在基板上沿着不同路径流动，并可驱动流体中的粒子运动。

综上所述，虽然本发明已以优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的为准。

Claims (13)

1.一种流体驱动装置，包括：

基板，具有至少一板面；

至少一电极组，设置在该基板上，该电极组包括至少一第一电极、第二电极与第三电极，该第二电极于该板面的投射位置位于该第一电极于该板面的投射位置与该第三电极于该板面的投射位置之间；以及

控制单元，电学连接该电极组，该控制单元各别驱动该第一电极、该第二电极与该第三电极，

其中，当该控制单元驱使该第一电极与该第三电极的极性相反，且该第二电极的极性与该第三电极的极性相同时，该电极组形成的电场驱使该基板上的流体由该第一电极流向该第三电极。

2.如权利要求1所述的流体驱动装置，其中该流体为电解质溶液。

3.如权利要求1所述的流体驱动装置，其中该第二电极对应该第一电极的周围设置，该第三电极对应该第二电极的周围设置。

4.如权利要求3所述的流体驱动装置，其中该第二电极与该第三电极是环状电极。

5.如权利要求4所述的流体驱动装置，其中该第一电极是环状电极。

6.如权利要求4所述的流体驱动装置，其中该第一电极、该第二电极与该第三电极是多边结构。

7.如权利要求1所述的流体驱动装置，其中该电极组还包括第四电极电学连接至该控制单元。

8.如权利要求7所述的流体驱动装置，其中该第一电极、该第二电极、该第三电极与该第四电极是以阵列形式配置于该基板上。

9.如权利要求1所述的流体驱动装置，还包括：

多个电极组，该些电极组是以阵列形式配置于该基板上。

10.如权利要求1所述的流体驱动装置，其中该第一电极与该第三电极位于该基板上同一水平位置，该第二电极的位置低于该水平位置。

11.如权利要求1所述的流体驱动装置，其中该基板包括底材与绝缘层，该绝缘层设置在该底材上。

12.如权利要求11所述的流体驱动装置，其中该第二电极位于该底材与该绝缘层之间，该第一电极与该第三电极位于该绝缘层上。

13.如权利要求1所述的流体驱动装置，其中该控制单元包括交流电源。

Images