CN102350380B - 一种透明单平面单极性数字微流体芯片及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微电子生物芯片技术领域，具体为一种透明单平面单极性数字微流体芯片及其控制方法。数字微流体芯片的结构从下至上依次为透明玻璃基板、第一电极阵列、硅绝缘层、第二电极阵列、表面绝缘层和疏水层。本发明采用透明材料和双层电极阵列，并采用单平面单极性电压的液滴控制方法，仅通过一块单极性的极板即可对液滴进行控制，并能够很好的保持液滴的球型表面，对于生物样本的光学检测，可保持良好的聚光特性。本发明大大拓展了在光学检测方面的应用范围。

Description

一种透明单平面单极性数字微流体芯片及其控制方法

技术领域

本发明属于微电子生物芯片技术领域，具体涉及一种数字微流体芯片及其控制方法。

背景技术

目前传统的二维数字微流体技术需要通过将液滴置于上下两个控制极板之间，加电压，使液滴在两极板之间运动，这种控制芯片，由于需要上下两层，使液滴夹在中间，使得系统复杂度较高，液滴运动阻力较大，且液滴不具备聚光效果。另外传统的微流体芯片需要一个接地电极，使接地电极与信号电极构成回路，从而实现对液滴的控制，但是接地电极往往会占用较大芯片面积，如果电极复用，又会造成电路的复杂度上升。

因此，如何简化微流控芯片结构，简化微流体芯片的液滴控制方式，同时又能有效提高液滴的光学检测特性，对于生物微流体芯片的应用具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种控制电路简单，液滴运动性能优越，可克服传统微流体芯片固有局限的新型数字微流体芯片及其控制方法。

本发明提供的数字微流体芯片，是一种透明单平面单极性数字微流体芯片，具体结构从下至上依次为透明玻璃基板42，覆盖在所述透明玻璃基板表面的且相互平行放置的第一电极阵列（电极1~电极19），电极材质为氧化铟锡（ITO），在所述第一电极阵列（如电极1~电极19）表面通过淀积的方法覆盖有一层透明的氮化硅或氧化硅绝缘层43，以实现电学的隔离。在所述绝缘层的表面淀积有相互平行放置的第二电极阵列（如电极20~电极40），电极材质为氧化铟锡（ITO）。第一电极阵列与第二电极阵列相互垂直。在所述第二电极阵列上淀积有一层表面绝缘层44，该表面绝缘层44可以由各种透明的金属氧化物或着氮化硅或着氧化硅构成，用以实现被控制液滴与控制电极的电学绝缘。在表面绝缘层44的表面还覆盖有一层疏水层45，用以减小液滴运动时的阻力及电极控制电压。

本发明中，第一电极阵列与第二电极阵列的电极数量没有限制，每个电极阵列一般可有10—40个电极。

本发明的每个电极阵列中，单个电极的宽度及2个相邻单个电极的间距远小于液滴的半径，见图1和图2所示。

本发明与其它发明的不同还在于对所述数字微流体芯片控制的方法，其具体步骤为：

S1：通过第二电极阵列（如电极20~电极40）从左（电极20）至右（电极40）施加电压信号于第二电极阵列中的单个电极，可以控制液滴从左（电极20）向右（电极40）运动。

S2：通过第一电极阵列从下（电极1）至上（电极19）施加电压信号于第一电极阵列中的单个电极，从而控制液滴从下（电极1）向上（电极19）运动。

S3：本发明的控制方式创新点还在于，利用周围的空气作为接地端，从而对液滴产生影响，所以不需要任何电极作为接地端。即控制信号只有单个电极，没有接地电极。

本发明的与传统微流体芯片相比，对于液滴的控制方式有很大的不同。传统芯片需要信号和地两个电极同时对液滴运动进行控制，而本发明只需要一个信号电极就可以实现对液滴的控制。由于创新的控制方式，使芯片的结构大大简化，只需要单平面即可实现对液滴的控制，保持了运动液滴的球型表面，实现了液滴的聚光性能。同时采用透明的芯片材料，大大提高了系统的光学性能。

附图说明

图1为本发明的二维条状控制电极阵列的平面图示。

图2为本发明的剖面结构图示。

图中标号：1—19为横向平行排列的第一电极阵列，20—40为纵向平行排列的第二电极阵列，41为液滴，42为透明玻璃基板，43为硅绝缘层，44为表面绝缘层，45为疏水层。

具体实施方式

如图1所示，是本发明的控制电极示意图，本发明所述的数字微流体芯片的控制电极由横竖交错的条形电极构成。本发明以横置电极19条，纵置电极20条为例，但本发明所述的电极数量不受本实施例所述电极数量限制。电极1~电极19置于下层，且相互平行放置，为第一电极阵列；20~电极40置于上层，相互平行放置，为第二电极阵列。每个电极阵列中，每个单个电极的宽度及2个相邻单个电极的间距远小于液滴的半径，见图1和图2所示。

本发明所述的单平面单极性的液滴控制方法可以如图1所示：由于电极1~电极40的宽度及其相邻间距都要远小于液滴41的半径，所以所述液滴41可以同时处在多个电极的上方。如图1所示，所述液滴位于电极2~电极5上，且同时位于电极21~电极24上，如需要使所述液滴向上方运动到电极6处，首先可以在电极5上施加控制信号，然后再将信号切换至电极6上，所述液滴即可向上移动到电极6上。这种方法仅需要给一个电极施加电压信号，而且不需要施加接地信号，本芯片即可以正常工作。同理，如需使所述液滴41向右方运动，只需先在电极24上施加信号，然后切换至电极25上，即可实现所述液滴41向右方运动。

如图2所示，为本实施例的剖面图，剖面方向沿电极30的方向。图中，本实施例的平面图形如图1所述，其剖面结构如图2所述，从下至上可分为透明玻璃基板42，覆盖在所述透明玻璃基板表面的且相互平行放置的所述电极1~电极19，电极材质为氧化铟锡（ITO），在所述电极1~电极19表面通过淀积的方法覆盖一层透明的氮化硅或氧化硅绝缘层43，以实现电学的隔离。然后在所述绝缘层的表面淀积氧化铟锡（ITO）电极20~电极40。在所述电极20~40上淀积一层薄的表面绝缘层44，可以由各种透明的金属氧化物或着氮化硅或着氧化硅构成，用以实现被控制液滴与控制电极的电学绝缘。在表面绝缘层44的表面还覆盖有一层疏水层45，用以减小液滴运动时的阻力及电极控制电压。

Claims (2)

1.一种透明单平面单极性数字微流体芯片，其特征在于：具体结构从下至上依次为透明玻璃基板；覆盖在所述透明玻璃基板表面的且相互平行放置的第一电极阵列；在所述第一电极阵列表面通过淀积的方法覆盖有一层透明的氮化硅或氧化硅绝缘层，以实现电学的隔离；在所述绝缘层的表面淀积有相互平行放置的第二电极阵列，第二电极阵列与第一电极阵列相互垂直；在所述第二电极阵列上淀积有一层表面绝缘层，该表面绝缘层由透明的金属氧化物或氮化硅或氧化硅构成，用以实现被控制液滴与控制电极的电学绝缘；在表面绝缘层的表面覆盖有一层疏水层，用以减小液滴运动时的阻力及电极控制电压；

每个电极阵列中，单个电极的宽度及2个相邻单个电极的间距远小于液滴的半径。

2.一种如权利要求1所述数字微流体芯片的控制方法，其特征在于具体步骤为：

S1：通过第二电极阵列从左至右施加电压信号于第二电极阵列中的单个电极，从而控制液滴从左向右运动；

S2：通过第一电极阵列从下至上施加电压信号于第一电极阵列中的单个电极，从而控制液滴从下向上运动；

S3：其中，控制信号利用周围的空气作为接地端。

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