CN102824933B - 一种单向液滴输运的数字微流芯片电极配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于数字微流控技术领域，具体为一种单向液滴输运的数字微流芯片电极配置。该配置包括独特的电极形状及精简的电极连接方式配置。通过不对称形状的电极首尾相靠、相互嵌套实现液滴的单向驱动，通过使相间电极相互连接使得只需两个驱动信号即可控制整个单向芯片。本发明具有设计新颖，驱动力强、控制简单、可靠性好、专用性强及自动化程度高等优点，极大地扩展了介质电润湿数字微流芯片的实用功能及应用范围。

Description

一种单向液滴输运的数字微流芯片电极配置方法

技术领域

本发明属于数字微流技术领域，具体涉及基于介质上电润湿的数字微流技术的一种单向液滴输运的芯片电极配置。 

背景技术

数字微流技术是指通过热、电压、表面声波等多种驱动方式对单个液滴进行操控的技术。而基于介质上电润湿的数字微流技术，是指通过电压信号改变介质上液滴的接触角从而达到液滴驱动的一项技术。该技术由于具有实现简单、操控方便、可控性好、驱动能力高的许多优点，正受到越来越多的关注，被认为是微流领域最有发展前景的技术。 

基于介质电润湿原理的数字微流芯片，其结构主要由电极、介质层、疏水层等重要部分组成。从电极配置上，传统的数字微流芯片主要由两种方式：一是分立电极配置，该配置每个独立电极作为一个控制单元对液滴进行单独控制；二是条状电极配置，该配置利用条状电极行列交叉作为控制单元对液滴进行控制。第一种配置方式虽然操控灵活但是需要非常多的控制信号，不利于大规模集成及应用。而第二种方式虽然从配置上大大减少了控制信号，但是当对于大规模芯片，也需要较多的信号，而且这种配置方式在实际应用中不够灵活，不利于专用功能的集成。 

而且在传统的数字微流芯片中，对液滴的控制运动都是双向的，即可以使液滴往前或往后运动。而在实际应用中，更多时候液滴的操控并不需要双向，如对液滴的输运，一般只是让液滴经历一定路径到达目的地。这样，液滴的双向输运就显得多余，反而会增加控制复杂度，因此需要一种单向的液滴输运方式以满足实际应用要求。 

另外，在传统的电极配置方式中，液滴操控的自动化及可靠性并不高。即对液滴的控制必须是首先知道液滴的位置，而且一旦液滴受到外部干扰而离开电极控制位置时，液滴将失去控制，芯片将会失效，这是数字微流芯片商品化的一个很重要的障碍。虽然也有一些芯片可以集成液滴位置检测功能，但却大大增加了芯片的成本及复杂性。 

因此，需要一种单向性的，控制简单、灵活，自动化及可靠性高的电润湿数字微流芯片以满足数字微流领域的应用要求。 

发明内容

本发明旨在提供一种基于电润湿数字微流芯片的电极结构配置，使用该电极配置，能够实现液滴的单向、快速、可靠输运。 

在传统的基于电润湿的数字微流芯片中，液滴的输运是这样的：即液滴在平衡静止状态时，液滴会覆盖三个驱动电极，这三个电极分别由不同驱动信号单独控制；以中间电极为基准，当前（后）驱动电极单独施加电压控制信号时，液滴相应会往前（后）运动，这样就可以实现液滴双向输运，若前后驱动电极同时施加电压信号，液滴的运动将会不确定。因此一种实现单向可靠液滴输运的方法是：让液滴在静止状态时，只覆盖两个驱动电极，只对前进电极加电使液滴向前输运。本发明正是基于这种方式实现液滴的单向输运。 

本发明提供的单向液滴输运的数字微流芯片电极配置，其设计包括两大部分：一是分立的电极形状；二是电极间的连接配置方式。 

电极形状是不对称的分立电极；该电极分为3个部分：一是呈短棒状且顶端为圆弧的电极头部E41，该部分主要用来在开始时牵引邻近电极液滴到该电极上，顶端为圆弧形其目的是增加液滴驱动力；二是带有圆型缺口的电极中部E42，该部分是液滴开始接触驱动电极到液滴稳定在驱动电极的过度部分，圆形缺口的主要作用是增加液滴驱动能力及单向性；三是方块圆弧状且尾部有缺口的电极尾部E43，该部分主是液滴在驱动电极上的稳定部分，尾部缺口是为了和邻近电极的头部嵌套。整体的电极结构应当满足如下条件：对于一定大小的液滴，无论其处于电极上任何位置，只要能有效覆盖电极某一部分，对电极施加驱动信号，它都能最终到达电极尾部的稳定部分，这是本设计的关键之一。  

电极间的连接配置方式：将第一部分的不对称电极首尾相靠、相互嵌套，并将间隔电极相连，得到2组驱动电极，记为电极组A，电极组B；这样对于液滴的一条单向驱动路线，无论包含有多少驱动电极，只需要两个外加驱动信号即可以实现液滴单向输运。 

应当指出，本发明提供的电极形状的一些边界部分是圆弧结构，其目的是优化液滴驱动，但本发明电极的具体边界形状并不局限于圆弧形，也可以为矩形或锯齿形等形状。 

本发明提供的电极整体尺寸并不限定，电极的各部分尺寸比例也并没有严格界定，具体可以根据液滴尺寸及所需功能来优化。 

本发明中，电极的相互嵌套是指相邻电极存在部分的几何图形重叠，其重叠部分大小并不限定，但其间有间隙，相邻电极并不电气相连。 

本发明中，具体电极数目并不限定，本发明只以4个为例，其数目可以根据实际应用而改变，但必须满足间隔电极相连以使全部电极只需两个驱动信号即可控制。 

本发明中，电极的排布方式并不局限于直线形式，电极也可以曲线排布以实现曲线单向液滴输运。 

本发明的最大创新之处在于使用特定不对称的电极形状实现液滴单向、高速、自动、可靠驱动，而且相间电极电气相邻可以实现最小驱动信号的使用，极大简化了控制系统。 

本发明提供的电极配置具有如下显著优势： 

1.能实现液滴的单向快速输运，有利于数字微流芯片的专用功能实现。

2.电极连接方式配置使得无论电极数目为多少，都只需要两个驱动信号。 

3.得能实现液滴的自动化驱动，即只需在两组驱动电极轮流施加驱动信号，液滴即能实现自动单向驱动，无需事先知道液滴位置。

4.能实现液滴可靠驱动，即使液滴偏离驱动电极也能最终回到驱动电极并实现单向驱动。 

5.电极的整体尺寸可以比液滴尺寸大，因此在实际应用中可以减少电极数目。 

6.不仅能进行直线单向驱动，通过合理的配置还可以进行曲线单向驱动。 

附图说明

图1是根据本发明的一种单向液滴输运的数字微流芯片电极配置示意图。 

图2是根据本发明电极配置的一种数字微流芯片结构示意图。 

具体实施方式

本发明提供的单向液滴输运的数字微流芯片电极配置可以有多种具体的芯片实现方式，本实施方式只列举一种常见的芯片结构以说明其实施原理。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。 

基于本发明的一种单向液滴输运的数字微流芯片电极配置如图1所示，E1-E4为本发明的不对称驱动电极，它们以首尾相靠，相互嵌套的形式排布，并且相间电极电气相连以使最终得到驱动电极组A、电极组B。D为置于电极上的液滴，其大小应满足当液滴处于电极稳定位置时，如液滴D1，其能有效接触到邻近电极头部以实现液滴向前驱动。当液滴处于电极稳定位置时，如D1，若本电极撤销驱动信号而邻近电极施加驱动信号，即电极组A不施加电压信号而电极组B施加电压信号时，液滴D1由于接触到电极E2而向左运动。当液滴处于电极中部位置时，如D2，由于本电极的设计使得液滴前后与电极接触线长度不一致从而使液滴能继续向前驱动，最终液滴会达到E2电极的稳定位置。其后改换成电极组A施加电压信号而电极组B不施加电压信号，液滴会继续向前运动到达E1电极，如此在电极组A、电极组B间轮流施加信号可以实现液滴单向驱动。 

图2为基于本发明电极配置的一种数字微流芯片结构示意图。在衬底11上为本发明的驱动电极E1-E4，应当说明，示意图的驱动电极的间隙只是说明电极是电气隔离的，并不详细代表芯片结构；另外，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。电极E1-E4上为介质层12，其上为疏水层13。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。衬底11、驱动电极E1-E4、介质层12、疏水层13共同构成了芯片的下极板1。在下极板上为驱动液滴D，其上为上极板2。上极板2由衬底21、接地电极22及疏水层23构成。当在下极板驱动电极E1-E4按要求施加电压信号，而上极板接地电极接地时，夹在上下基本间的液滴就会受到驱动力作用而运动，实现单向输运。 

Claims (3)

1.一种单向液滴输运的数字微流芯片电极配置方法，其特征在于包括两大部分：一是电极形状设计，二是电极间连接配置方式设计；其中：

电极形状是不对称的分立电极，每个电极分为3个部分：一是呈短棒状且顶端为圆弧的电极头部（E41），该部分用来在开始时牵引邻近电极液滴到该电极上，顶端为圆弧形，以增加液滴驱动力；二是带有圆型缺口的电极中部（E42），该部分是液滴开始接触驱动电极到液滴稳定在驱动电极的过度部分，圆形缺口的作用是增加液滴驱动能力及单向性；三是方块圆弧状且尾部有缺口的电极尾部（E43），该部分是液滴在驱动电极上的稳定部分，尾部缺口是便于和相邻电极的头部嵌套；整体的电极结构满足如下条件：对于一定大小的液滴，无论其处于电极上任何位置，只要能有效覆盖电极某一部分，对电极施加驱动信号，它都能最终到达电极尾部的稳定部分； 

电极间连接配置方式：将所述不对称的分立电极首尾相靠、相互嵌套，将相互间隔的电极相连，得到2组驱动电极，记为电极组A和电极组B；这样对于液滴的一条单向驱动路线，无论包含有多少驱动电极，只需要两个外加驱动信号即可以实现液滴单向输运。

2.根据权利要求1所述的数字微流芯片电极配置方法，其特征在于电极的尾部尺寸大于头部尺寸。

3.如权利要求1所述的数字微流芯片电极配置方法在单极板驱动、双极板驱动的数字微流芯片中的应用。