CN102500436A - 基于电润湿的单面二维驱动数字微流控芯片 - Google Patents

Abstract

本发明属于数字微流控技术领域，具体为一种基于电润湿的单面二维驱动数字微流控芯片。该芯片是单面电极板结构，把条状驱动电极以及条状地电极集成在同一单面电极板上，其中地电极可以集成在驱动电极之上，也可以集成在驱动电极的电极间隙之间，液滴在单极板上驱动，上极板可有可无，实现了真正意义的单面二维驱动芯片。本发明大大提高了微流控芯片驱动性能及其功能的集成度，扩增了数字微流控领域的应用范围。

Description

基于电润湿的单面二维驱动数字微流控芯片

技术领域

本发明属于数字微流控技术领域，具体涉及一种单面二维驱动数字微流控芯片。

背景技术

作为芯片上实验室（LOC）自动化操控的重要部分，微流控芯片技术一直在不断发展，已经出现了基于各种驱动方式、各种结构的芯片，而基于电润湿效应的数字微流控芯片由于驱动方式简单、驱动力强、操控方便、自动化程度高等许多优点，在LOC领域中具有非常好的发展前景。

传统的基于电润湿效应的数字微流控芯片从结构上可以分为单面驱动结构和双面驱动结构。双面驱动结构即液滴置于上下两层电极板之间，两层电极板中均含有驱动条状电极，且上下极板的电极垂直布置，通过分别对上下极板施加驱动电压或接地从而驱动极板间液滴实现二维运动。这种芯片结构的电极用作驱动电极和地电极，因此每个电极至少需要两个控制信号，增加了外围电路的复杂性，而且由于芯片上下两面板均有电极，不利于芯片功能的集成。单面驱动结构又有两种类型：一是需要上极板作为接地板的单面结构；二是可以完全不用上极板的单面结构。第一种结构是将所有驱动电极置于下层电极板上，而上层电极板仅用作接地因而不需要特殊电极制作，液滴置于两层板之间，通过上极板接地，下极板施加驱动电压可以实现液滴二维运动。这种结构上极板没有驱动电极因而可以实现一定的芯片功能集成，例如上极板用透明的导电玻璃接地，可以透过上极板对液滴实现光学检测等。但是这种功能集成是有限的，其原因是上极板仍然需要具有接地功能且与驱动液滴接触，各种功能的集成必须以此为基础，具有一定的局限性。而第二种类型的单面芯片结构完全可以不需要上极板，其原理是把驱动电极和地电极均集成在下极板上，这样，液滴直接在下极板上运动，可以不用上极板，集成上比第一种结构有较高自由度，例如因为没有上极板阻碍可以有效地对液滴进行光学检测等。另外，上极板也可以集成各种功能后加在液滴上，如利用上极板做成加热和传感电极对液滴进行温控从而实现集成PCR芯片等。这种单面结构芯片具有较好的应用前景，但是目前基于这种结构提出的芯片都是采用分立型的驱动电极，即每一个电极做成分立的单个形状，充当驱动电极或地电极，这些结构的驱动电路复杂度随着电极数增加而倍增，其驱动能力不如用上极板接地的单面结构，更重要的是，目前只能实现一维的驱动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不需上极板的单面的且能实现二维高效驱动的微流控芯片。

本发明提供的单面的能实现二维驱动的数字微流控芯片，是将地电极和驱动电极集成在同一电极层上；为了增加驱动能力、减少驱动控制信号，本发明还将驱动电极和地电极功能分开，即只对驱动电极施加驱动信号而不会使之接地，而接地电极只用作接地；为了实现有效二维驱动，本发明采用双层条状电极结构代替传统分立电极。

具体而言，本发明提供的单面的能实现二维驱动的数字微流控芯片，其结构为：在基板上有两个相互垂直布置的由若干条状电极组成的驱动电极层，两个驱动电极层之间有第一介电层隔开；下面分2种情形：

第一种，在上层驱动电极层上有第二介电层，在第二介电层上制作有一由若干条状电极组成的接地电极层，在接地电极层上设有一疏水层；即本发明包括两个条状驱动电极层、两个介电层、一个接地电极层、一个疏水层，液滴在电极层上面实现驱动。另外，所述接地电极层的条状电极与两个驱动电极层中某一驱动电极层中的条状电极，在空间位置上一、一对应，比如是上下一、一对应。 

第二种，由若干条状电极组成的接地电极层与上层的驱动电极层集成在同一平面上，即把接地电极层的各单个条状电极依次布置在上层驱动电极层的各个单个条状电极之间空隙中；在接地电极层与上层的驱动电极层集成的平面上为第二介电层；在第二介电层上为有一疏水层；当第二介电层为疏水材料时，所述的疏水层省去；即本发明只包含两个条状驱动电极层（包括一个条状接地电极层）、两层介电层，或者一层疏水层（当最上层介电层为疏水时，额外的疏水层可以省去），简化了芯片实现的工艺步骤，而芯片的驱动方式不变。 

本发明中，为了保证有效接地，接地电极层的各个单个条状接地电极的宽度最好小于驱动电极层的各个单个条状电极的宽度。

本发明中，条状电极的宽度设计与位置布置满足如下条件：一定大小的液滴无论在芯片上任何位置、作何种运动，都能至少位于某一驱动电极层的相邻两个条状电极和接地电极层的一个条状电极上，从而使驱动信号能够顺利接地而无需额外的上极板接地，这是本发明关键点之一。实现这一要求，一般只要将驱动电极层中条状电极的宽度与间距满足：任何相邻的2个条状电极的中心距小于液滴的直径即可。

本发明中，每一个电极层（包括2个驱动电极层和接地电极层）中，所有单个电极均为平行布置；

本发明中，所述“液滴”是指能用于电润湿驱动的溶液滴，其成分可以是单一的生物样品、化学溶液等，也可以是多成分组成，如外面包裹着一层油膜的液滴等，其大小并不限定，可以为次微微升到若干毫升之间。

本发明中，所述“极板”或“电极板”是指微流控芯片中包含有介电层、电极层、疏水层或者其任意组合的一定器件结构部分。

本发明中，所述“条状电极”并不局限于矩形状的电极，可以理解为各个具有一定形状的分立电极连接在一起使整个外观形状上类似于条状。

本发明中，所述“在……上”或“位于……上”可以指某一部分直接位于另一部分上，两部分是接触的，也可以是指有某一部分在物理空间上位于另一部分上，两部分之间还有其它部分。

本发明中，所述“接地电极”是指芯片实施时对应电极的电压被置成0或与0足够接近，所述“驱动电极”是指芯片实施时对应电极的电压被置成不为0以使电润湿驱动能够发生。

本发明中，所述“电极宽度”可以认为是条状电极沿液滴驱动方向的尺度。

本发明提供的单面结构的数字微流控芯片，可以使用单层电极层对液滴实现二维操控。具体地，液滴位于单层极板上，通过采用一定的电极布置，使一定大小的液滴在任何时候都能至少位于某一维度上的两个驱动电极和一个接地电极上，驱动时，接地电极保持接地，通过对其下某一层驱动电极层上的条状电极依次施加驱动信号，其中，一小部分驱动信号直接由驱动电极通过介电层再经过接地电极直接接地，大部分驱动信号由驱动电极发出，经过介电层，通过液滴后再由接地电极接地，从而可以实现液滴的一维驱动。同理，在另一层驱动电极层上施加驱动电压可以使液滴在另一维度上运动，这样就可以实现二维的单面驱动。

通过这种驱动方式，对于具有M个乘以N个驱动电极的芯片，最多只需M加N个驱动控制信号及一个接地信号即可操控液滴，极大简化了控制系统。

本发明提供的单面结构最大的创新在于把接地电极与驱动电极集成在同一电极板上，并使驱动电极与接地电极功能分开，实现了真正意义上单面二维微流控芯片，而且利用条状电极的形式极大地简化了驱动控制电路。本发明的单面芯片较传统的单面结构有较好的自由度、较简单的控制以及较高的吞吐和并行操控能力，大大拓宽了数字微流控芯片的应用范围。

附图说明

图1（A）和图1（B）是根据本发明的单面芯片第一种结构的两个互成90°的芯片截面图。

图2（A）和图2（B）是根据本发明的单面芯片第二种结构的两个互成90°的芯片截面图。

图3是根据本发明的第一种结构单层极板上电极俯视平面示意图。

图4是根据本发明的第二种结构单层极板上电极俯视平面示意图。

具体实施方式

本发明的芯片结构如图1（A）、图1（B）所示，在基板101上有第一电极层（驱动电极）E7-E12。应当说明，用作基板的材料并不固定，只要绝缘即可，如可以为石英、玻璃、绝缘的硅片等；而电极（包括下面所述的接地电极）可以由任何材料组成，电极形状为上述的“条状”，其电极大小和间隔及具体电极的个数并不限定，本说明书仅以一定数目及规格的电极为例。在第一层电极上有第一层介电层102A，其上置有第二电极层E1-E6；在第二电极层E1-E6上为第二层介电层102B。每一个电极层中，所有单个电极平行布置；第二层电极层E1-E6与第一层电极层E7-E12相互垂直布置，以实现不同维度上的驱动；第一层介电层102A和第二层介电层102B可以使用相同介质材料和相同厚度，也可以不相同，具体材料为绝缘介质材料但并不限定，优选为介电常数较高、抗击穿能力较强的材料。在第二介电层上面是接地电极层G1-G6。为了有良好的驱动，每一条状接地电极分别与第二层电极层E1-E6或者第一层电极层E7-E12的条状电极相对应，且接地电极宽度最好小于驱动电极宽度，但其位置并不固定，如接地电极可以位于第一或第二电极层的电极正上方，也可以位于第一或第二电极层的电极间隙的上方。在接地电极上还有一层疏水层103以增加驱动能力，疏水层上是驱动液滴D。除了液滴D外，上述其它结构构成本发明的单面二维驱动电极板。

根据本发明的芯片电极示意图其驱动如图3所示。起始时，液滴位于横向排列的驱动电极E2、E3、E4和纵向排列的驱动电极E9、E10以及接地电极G3上，默认情况下驱动电极E1-E6、E7-E12是断开的，即不加任何驱动电压，而各接地电极统一接地。当电极E4上施加驱动电压时，电压信号从E4经过介质层102B、液滴D最后经过地电极G3接地，这样，位于电极E4上方的液滴部分接触角发生变化，从而使液滴发生横向向右运动，下一时刻位于横向驱动电极E3、E4、E5上而在纵向排列的驱动电极上位置不变，如图3虚线所示。通过对E1-E6等各驱动电极连续施加电压可以实现液滴一维的连续驱动。同理，对E7-E12等纵向排列驱动电极连续施加电压可以实现另一维度上液滴的运动，这样就可以实现了单面芯片的二维驱动。应当说明，通过电极结构的布置使一定大小的液滴无论在芯片上任何位置、作何种运动都能至少位于一个条状接地电极上，从而使驱动信号能够顺利接地而无需额外的上极板接地，这是本发明的关键点之一。

作为本发明芯片的第二种结构上如图2（A）、图2（B）所示，其结构与原来结构不同之处是将接地电极G1-G5集成在第二层电极层E1-E6的电极间隙之间，即省去了一层电极层。另外，当第二层介电层202B是疏水时还可以省去最上层的疏水层。根据本发明第二种结构的芯片电极示意图其驱动如图4所示。起始时，液滴位于驱动电极E2、E3、E4、E9、E10以及接地电极G2、G3上，默认情况下驱动电极E1-E6、E7-E12是断开的，即不加任何驱动电压，而各接地电极统一接地。当电极E4上施加驱动电压时，电压信号从E4经过介质层202B、液滴D、再经介质层202B最后经过地电极G2、G3接地，这样，位于电极E4上方的液滴部分接触角发生变化，从而使液滴向右运动，如图4虚线所示。通过对不同电极的连续驱动可以实现液滴在单面电极板上的二维运动。

Claims (4)

1.一种基于电润湿的单面二维驱动数字微流控芯片，其特征在于该芯片结构为：在基板上有两个相互垂直布置的若干条状电极组成的驱动电极层，两个驱动电极层之间有第一介电层隔开；下面分2种情形：

第一种，在上层驱动电极层上有第二介电层，在第二介电层上制作有一若干条状电极组成的接地电极层，在接地电极层上设有一绝缘的疏水层；

第二种，有一若干条状电极组成的接地电极层与上层的驱动电极层集成在同一平面上，即把接地电极层的各单个条状电极依次布置在上层驱动电极层的各个单个条状电极之间空隙中；在接地电极层与上层的驱动电极层集成的平面上为第二介电层；在第二介电层上为一绝缘的疏水层；当第二介电层为疏水材料时，所述的疏水层省去；

其中，所有条状电极的宽度设计与位置布置满足如下条件：一定大小的液滴无论在芯片上任何位置、作何种运动，至少位于驱动电极层的相邻两个条状电极和接地电极层的一个条状电极上。

2.根据权利要求1所述的基于电润湿的单面二维驱动数字微流控芯片，其特征在于所述的液滴为能用于电润湿驱动的溶液滴，其成分是单一的或多成分组成生物样品、或化学溶液。

3.根据权利要求1所述的基于电润湿的单面二维驱动数字微流控芯片，其特征在于所述的条状电极为矩形状的电极，或者为各个具有一定形状的分立电极连接在一起使整个外观形状上类似于条状的电极。

4.根据权利要求1所述的基于电润湿的单面二维驱动数字微流控芯片，其特征在于所述接地电极层的各个单个条状电极的宽度小于驱动电极层的各个单个条状电极的宽度。

Images