CN102698822A - 基于数字微流芯片的通用电极结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于数字微流控技术领域，具体为一种基于介质电润湿数字微流芯片的通用电极结构。该电极的中央部分为条形，中央部分的两侧以若干个脉冲形式向外延伸，相邻两电极之间，向外延伸部分相互嵌合，成叉指嵌套的方式。该电极结构可增加液滴与邻近电极的接触，即使液滴的尺寸比电极尺寸小也能够被驱动，以此实现自动操控大小不同液滴的通用功能。本发明具有简单、方便、自动化程度高等优点，极大地拓宽了介质电润湿数字微流芯片的实用功能及应用范围。

Description

基于数字微流芯片的通用电极结构

技术领域

本发明属于数字微流技术领域，具体涉及一种基于介质上电润湿的数字微流芯片的通用电极结构。

背景技术

基于介质电润湿效应的数字微流技术，是指通过在介质结构上施加电压改变液滴在介质表面的润湿性能从而改变液滴与界面接触角以进一步对离散液滴进行操控的微流技术，它具有驱动方式简单、驱动力强、操控方便、自动化程度高等许多优点，是数字微流领域的主流技术，在LOC领域中具有非常好的发展前景。

基于电润湿效应的数字微流芯片从结构上可以分为需要上极板的单面驱动芯片、双面驱动芯片以及不需要上极板的单面驱动芯片。但其基本结构都是一定的电极配置以及相应的介质层结构。目前的基于介质上电润湿数字微流控芯片主要有两种电极结构配置：一是分立型电极结构，二是条状电极结构。分立型电极结构是利用一定形状尺寸的分立电极对液滴进行单独操控，每一个分立电极为一个控制单元，需要一个控制信号，这样对于有M×N个控制单元的芯片需要M×N个控制信号。而条状电极结构是利用条状的电极结构对液滴进行操控，其优点是极大地减少了控制信号，如对于具有M×N个液滴控制单元的芯片只需要M+N个控制信号。一般来说，对于分立型电极结构和条状电极结构，其电极形状基本都是规整的矩形，但也有根据特殊应用而设计的其它形状，如能够增加驱动力的新月形电极、有利于连续驱动的边缘锯齿电极等。但无论是何种电极形状，传统的数字微流控芯片都是专用型的，即一旦电极尺寸设计好后，只能对基本固定大小的液滴进行操控，特别是液滴的产生和输运，电极的尺寸对液滴的大小有一定的限制，这样大大减少了数字微流器件的实现功能及适用范围。虽然也有报道可以利用微细电极组合及微小条状电极簇可以对不同大小液滴进行操控，但是这些电极结构首先是由于需要较多的微细电极，因而芯片需要较复杂的控制信号；更为重要的是，这些电极结构的芯片都是非自动控制的，即必须确定液滴的大小才能确定信号的控制方式进而对液滴进行操控，这样违背了电润湿数字微流技术操控方便、自动化程度高的原则，也限制了其具体使用范围。

因此，设计一种通用型的电极结构，能够对不同大小液滴进行方便、自动操控具有重要意义，这能够较大拓宽电润湿数字微流芯片的实用功能及应用范围。

发明内容

本发明目的在于提供一种通用电极结构，具有这种电极结构配置的数字微流器件能够对一定范围内不同大小的液滴进行简单、方便、自动化操控。

传统的电极结构只能驱动尺寸与其相当的液滴，其原因是当液滴尺寸比电极尺寸小时，液滴位于某一驱动电极上而不能接触到邻近驱动电极，因此不能通过邻近电极加驱动信号将液滴驱动。而本发明的通用电极结构是在传统电极结构基础上，利用叉指电极形式，能够实现对尺寸比电极尺寸小的不同大小的液滴进行操控。具体的，是将传统规则形状电极设计成具有较显著的叉指结构，即邻近驱动电极通过较长的叉指相互嵌套，当液滴位于一个电极上时，由于邻近电极的叉指嵌套，它也能接触到邻近电极上，这样当邻近电极施加驱动信号时，液滴由于接触到邻近电极从而被驱动。通过这样的叉指嵌套，即使液滴的尺寸比电极尺寸小，液滴也能通过接触邻近电极的叉指而接触到邻近电极，从而能够对液滴进行操控。 

本发明提出的基于介质上电润湿的数字微流芯片的通用电极结构，是对原有电极结构的改进。具体来说，电极的中央部分为条形，中央部分的两侧以若干个脉冲形式向外延伸，相邻两电极之间，向外延伸部分为相互嵌合，犹如两手的手指交叉嵌套，故称该电极为叉指结构电极。

本发明中，所述向外延伸部分为矩形脉冲形式（见图2所示），也可以是三角形脉冲形式（见图3所示），或者其它脉冲形式。  

本发明中，通过对电极尺寸的设计，使一定尺寸范围内不同大小的液滴都能同时接触到至少三个驱动电极，这样就可实现一定电极结构能够对不同大小液滴进行操控。

本发明旨在提供一种通用的电极结构配置使能够实现对不同大小液滴进行驱动的数字微流控器件，主要是利用叉指嵌套，这是本发明的关键点之一，但本发明并不局限于具体的芯片实施结构。如从电极结构上，通用的叉指电极可以设计成分立叉指电极，也可以设计成条状叉指电极，实现一维或二维的通用驱动；而从驱动结构上，通用驱动电极既可以设置在下极板上，也可以同时设置在上、下极板上，以实现单面或双面驱动。

本发明提供的通用电极结构所指的驱动不同大小的液滴是相对于电极尺寸来说的，即其大小是以电极尺寸为衡量的，电极尺寸改变后，所能驱动的液滴大小范围也相应改变。

本发明中，叉指电极的设计应满足如下条件：对于能驱动的最小尺寸液滴，当其位于某一驱动电极中央时，其必须能够接触到左右邻近电极的叉指；当其部分或全部位于驱动电极的叉指上时，必须能够通过驱动使其最终位于驱动电极中央。

本发明中，所述“叉指”指的是驱动电极的一部分，它是驱动电极延伸出来的细小部分，其形状并不固定，目的是实现电极间的嵌套；所述的“叉指嵌套”指的是相邻驱动电极的叉指部分相间排布。

本发明中，所述“尺寸”一般指的是特征尺寸，如电极尺寸是指沿液滴驱动方向上有效驱动电极宽度，而液滴尺寸指的是液滴的直径。

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溶液、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“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，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。

本发明的最大创新在于利用显著的叉指形式实现电极间的嵌套，使不同大小液滴在一定情况下能够接触三个比液滴尺寸大的驱动电极从而实现不同大小液滴的通用驱动，更为重要的是，不需要检测液滴大小，直接采用一种通用驱动方式即可实现对不同大小液滴进行操控。

本发明提供的通用电极结构配置具有如下显著优势：

（a）利用传统的电极结构进行改进，实现简单，可以配置于传统的各种芯片结构，适用范围广。

（b）除了能像传统结构对一般液滴进行操控外，还能操控尺寸比电极尺寸小的不同大小的液滴。

（c）操控大小不同的液滴的范围可以通过电极尺寸的设计进行改变，可以方便满足实际需要。

（d）电极的驱动不需要任何改变，无需检测液滴的大小，直接按照传统驱动方式即可自动操控大小不同的液滴。

附图说明

图1是根据本发明的通用电极结构配置的一种单面驱动芯片结构示意图。

图2是根据本发明的通用电极结构的一种矩形叉指配置方式示意图。

图3是根据本发明的通用电极结构的一种三角形叉指配置方式示意图。

具体实施方式

本发明提供的通用电极结构，可以有多种配置方式，可以配置于各种数字微流芯片实现一维或二维驱动。本实施方式只列举两种通用电极结构在一个方向上驱动示意以及一种具体的基于本发明的通用微流芯片结构。应当指出，本实施方式是为了说明目的而提供，而不在意以任何方式限制本发明的范围。

基于本发明通用电极结构配置的一种微流芯片结构如图1所示，在基板100上为本发明的通用电极E1-E8。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）可以由任何导电材料组成，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。在通用电极上有介质层101，其上置有疏水层102。应当指出，介质层应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。基板100、通用电极E1-E8、介质层101及疏水层102共同构成了器件下极板201。在下极板上为驱动的液滴D，液滴之上为疏水层103，疏水层上置有接地电极104，其上为绝缘基板105。疏水层103、地电极104、上基板105共同构成了器件的上极板202。在本微流芯片中，通过对通用电极E1-E8施加电压控制信号可以对上下极板间的液滴D达到驱动作用。

图2是根据本发明的通用电极结构的一种矩形叉指配置方式示意图。E1-E5为通用驱动电极，它们以矩形叉指的方式相邻嵌套，D1-D4为通用电极上的驱动液滴。可以看到，各种不同大小的液滴当位于一个驱动电极中央之上时，都能够接触到旁边两个驱动电极，这样邻近的驱动电极就能对液滴进行操控。如以液滴D3为例，它起始时位于驱动电极E3中央之上，由于本发明的通用嵌套电极结构，虽然液滴D3尺寸小于电极尺寸，但它也能同时接触到邻近电极E2、E4，当通用电极E4施加电压信号时，液滴D3就会往右运动，最终到达E4位置，从而达到驱动操控目的。应当指出，本通用电极并不是能够驱动任意小的液滴，液滴的大小必须满足比嵌套的叉指的尺寸要大，否则，当液滴运动到电极叉指部分的时候，由于液滴左右受力一样从而发生滞留不能驱动。

图3是根据本发明的通用电极结构的一种三角型叉指配置方式示意图。E1-E5为通用驱动电极，它们以三角形叉指的方式相邻嵌套，D1-D4为通用电极上的驱动液滴。与图2配置方式一样，本方式同样能驱动大小不同液滴，如以液滴D3为例，它起始时位于驱动电极E3中央之上，当通用电极E4施加电压信号时，液滴D3就会往右运动，最终到达E4位置，从而达到驱动操控目的。本配置方式与前一种最大的不同是采用了三角形的叉指配置方式，这种方式的优点是能驱动更小尺寸的液滴，因为当小液滴位于三角形叉指电极之上时，由于液滴左右受力不会平衡，液滴也能驱动，所以液滴尺寸不需要比叉指尺寸小，这种配置方式大大增加了本发明通用电极驱动大小液滴的范围。

Claims (6)

1. 一种基于介质电润湿数字微流芯片的通用电极结构，其特征在于该电极的中央部分为条形，中央部分的两侧以若干个脉冲形式向外延伸，相邻两电极之间，向外延伸部分相互嵌合。

2. 根据权利要求1所述的基于介质电润湿数字微流芯片的通用电极结构，其特征在于所述向外延伸部分为矩形脉冲形式，或者为三角形脉冲形式。

3. 根据权利要求1所述的基于介质电润湿数字微流芯片的通用电极结构，其特征在于该电极尺寸大小满足不同大小的液滴都能同时接触到三个电极。

4. 根据权利要求1所述的基于介质电润湿数字微流芯片的通用电极结构，其特征在于该电极为分立通用电极，或者为条状通用电极，以实现一维或二维驱动。

5. 根据权利要求1所述的基于介质电润湿数字微流芯片的通用电极结构，其特征在于该电极设置在下极板上，以实现单面驱动；或者同时设置在上、下极板上，以实现双面驱动。

6. 根据权利要求1所述的基于介质电润湿数字微流芯片的通用电极结构，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溶液、或化学溶液。

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