CN103143406A - 一种基于液滴单向输运的二维数字微流控芯片 - Google Patents

Abstract

本发明属于数字微流控技术领域，具体为一种基于液滴单向输运的二维数字微流控芯片。该芯片是通过“月缺”形状的液滴单向输运电极、合理的电极排布以及精简的控制信号配置，组成单平面棋盘状液滴控制单元，使用2*M个控制信号即可以控制M*N（N可为无限大）个控制单元以实现液滴二维驱动。本发明提供的数字微流控芯片具有控制方式新颖精简、制作工艺简单、驱动能力强，批量处理程度高，高通量操作等优点，弥补了传统数字微流控芯片的不足，极大地拓宽了数字微流芯片的实用功能及应用范围。

Description

一种基于液滴单向输运的二维数字微流控芯片

技术领域

本发明属于数字微流控技术领域，具体涉及一种基于液滴单向输运的二维数字微流控芯片。

背景技术

数字微流控芯片是指以离散液滴为操作对象的微型化芯片，是片上实验室（LOC）自动化操控的重要部分。而基于介质上电润湿效应的数字微流控芯片主要包括驱动和接地电极、介质层、疏水层等部分，是以电压信号对液滴进行操控，因此具有驱动方式简单、驱动力强、操控方便、自动化程度高等许多优点，在LOC领域中具有非常好的发展前景。

对于数字微流控芯片，其批量处理及高通量是其重要功能指标，也是能否应用于芯片实验室的一个瓶颈。而基于介质上电润湿的数字微流控芯片是以电极为控制单元对液滴进行操控，因此需要大量的电极单元。传统的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个控制单元的二维芯片需要M×N个控制信号，这对于多功能批量处理芯片是非常巨大的，而且电极的引线是一个瓶颈。而条状电极结构是利用两套条状的电极相互交叉组成控制单元对液滴进行操控，其优点是可以地大大减少了控制信号，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。但目前基于条状电极结构的数字微流芯片有两种芯片结构，一是两套条状电极均置于芯片的下极板，这样芯片制作困难，控制复杂，且存在易击穿等问题；二是两套条状电极分别置于上下极板，这虽然可以进行有效操控，但这种上极板有驱动电极的双平面芯片不易于光学检测及其它功能的集成、限制了芯片的应用范围。

因此，设计出能够实现单平面二维批量操控，但又具有较少驱动信号，且引线、制作方便的数字微流控芯片具有非常重要的意义，能够解决芯片实验室应用瓶颈以及大大拓宽其应用范围。

发明内容

本发明目的在于提供一种能够实现单平面二维驱动，且制作简单、操控方便、扩展能力强的基于液滴单向输运的二维数字微流控芯片。

在本发明之前，申请人曾提出一种限制数字微流控芯片液滴单向输运的方法【申请号：201210073446.8】，利用该方法，能够使用两个驱动信号即能实现液滴单向输运，极大地精简了引线及驱动信号。本发明是在上述单向输运的基础上的改进。

本发明提出的基于液滴单向输运的二维数字微流控芯片，由若干单向驱动电极组成行电极，通过精简的信号配置和合理的电极排布实现液滴单平面二维驱动；其中：

单向驱动电极为“月缺”形状，在一个方向上，电极互对两个边界为平行直线；在另一个垂直方向上，电极一侧边界为凹状圆弧，另一侧为凸状圆弧；

单向驱动电极凹凸相对，相互嵌套，正对紧密排列成行电极；

在行电极方向上，相邻的单向驱动电极电气绝缘，而间隔的单向驱动电极电气相连，每个行电极只需两个控制信号；

相邻行电极左右相反、正对紧密排列，以组成棋盘状芯片二维驱动单元。

本发明中，邻近电极边界凹凸相对，相互嵌套排列成行电极，相邻电极电气绝缘，而相间电极电气相连。这样，当行电极上无论有多少个分立的“月缺”电极都只需两个控制信号，也就是说，只需两个控制信号即可以控制行电极上的控制单元。而当一定尺寸的液滴位于该行电极上时，通过对两个控制信号端轮流施加电压信号即可以控制液滴沿着电极的由凸至凹的方向实现单向输运。这样实现了精简信号控制使液滴能够在一个维度一个方向上运动。那么要实现液滴二维多方向上运动，只需要将上述的行电极一行行正对紧密排列起来，形成棋盘状电极控制单元。在行电极垂直方向上（列方向），各个“月缺”电极是正对排列，并不存在错位，因此在该方向上，液滴的控制与传统分立电极的数字微流控芯片一致。为了增加液滴运动自由度及简化控制，相邻行电极左右相反，因为行电极的单向性，邻近行电极液滴的单向输运方向是相反的，这样芯片就可以在行电极上实现两个方向运动。这样的电极排布，其优势非常明显：在列电极方向上，与常规数字微流芯片一样，可以实现液滴双向输运，以及产生、分裂、合并等多个功能；而在行电极方向上，在某一行实现液滴的单向输运，而在整体上实现液滴的双向操控，而且每行控制信号可以精简为两个，这使得电极内引线非常简便，对于具有M*N个控制单元的数字微流控芯片，而无论N的值为多大，都只需2M个控制信号，最大化地精简了控制信号，是目前为止，数字微流控芯片领域最为精简的控制方式。

本发明中，“月缺”形电极的设计满足：对于一定大小的圆形液滴，当其处于电极稳定位置时，液滴部分边界应当与所处“月缺”电极凸状弧线边界重合，而其余边界应当部分覆盖“月缺”电极凹状弧线边界以及直线边界，以保证液滴能够被邻近三个电极驱动。

本发明中，液滴对电极的“覆盖”指的是在芯片某一方向上，液滴的形状投影包含电极形状部分投影，而不是指液滴直接与电极接触，更为具体，指电极可以通过施加驱动信号对“覆盖”液滴部分进行操控。

本发明中，所述“正对紧密排列”包括两层含义：一是正对的电极中心均处于同一中轴线上；二是电极之间除了电气隔离的同一尺寸间隙外再无其它空隙。

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、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”或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“单平面数字微流控芯片”是指排除接地电极外的所有驱动电极均位于同一极板上的数字微流控芯片。

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。

本发明设计了一种具有特定形状的液滴单向输运电极，一种合理的电极排布以及一种精简的控制信号配置，组成棋盘状液滴控制单元以实现二维驱动。

本发明提供的二维数字微流控芯片具有如下显著优势：

（a） 极大地精简了控制信号，对于棋盘状具有M*N个液滴操控单元的芯片，其控制信号最多只需2M个，与N的大小无关，是目前二维驱动芯片最为精简的控制方式。

（b）芯片的控制单元理论上可以无限扩展而不显著增加驱动信号，可以实现液滴的大批量，高通量操控。

（c）芯片是单层单平面结构，即所有驱动电极是在芯片同一极板同一平面上，是目前精简驱动信号的数字微流控芯片中最为简单的芯片结构。

（d）独特的电极形状设计及排布可以提高液滴的驱动能力。

附图说明

图1是本发明的一种基于液滴单向输运的二维数字微流控芯片横向截面结构示意图。

图2是本发明的一种基于液滴单向输运的二维数字微流控芯片纵向截面结构示意图。图1与图2芯片互为90度。

图3是根据本发明的二维数字微流控芯片电极形状和排布设计以及液滴操控示意图。

具体实施方式

本发明提供的基于液滴单向输运的二维数字微流控芯片并不限定具体的结构配置方式，但优选为单极板单平面的二维芯片结构。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。

基于本发明的一种基于液滴单向输运的二维数字微流控芯片结构如图1、图2所示，在基板100上为本发明的“月缺”形驱动电极。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。而且，本图只为芯片结构的示意，并不精确反应电极的位置及排布。在驱动电极上有介质层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、驱动电极、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。应当指出，接地电极104的材料并不限定，但为了扩展芯片功能集成，优选为导电透明材料，如氧化铟锡（ITO）、掺铝的氧化锌（AZO）等。疏水层103、地电极104、上基板105共同构成了器件的上极板202。在本数字微流芯片中，通过对驱动电极施加电压控制信号而接地电极接地即可以对上下极板间的液滴D达到驱动作用。

图3是根据本发明的二维数字微流控芯片电极形状和排布设计以及液滴操控示意图。“月缺”形电极凹凸相对，相互嵌套紧密排列，间隔电极电气相连形成行电极E1-E1’、 E2-E2’、 E3-E3’、 E4-E4’、 E5-E5’、 E6-E6’。行电极一行行正对紧密排列起来，形成棋盘状电极控制单元。这样对于“6行10列”共60个控制单元的芯片只需要12个控制信号，而且在Y轴方向，液滴的运动与常规芯片一致，可实现二维操控，而在X轴方向，液滴在具体行上时单向输运，而在整体上也可以实现二维操控。

满足一定尺寸的圆形液滴D处于某一个初始电极S0上稳定时，液滴右侧部分边界刚好与初始电极S0凸状圆弧边界吻合，这样液滴D不能覆盖到该测的邻近电极S2，而在左侧，由于初始电极S0边界为凹状圆弧，而邻近电极S1为凸状嵌套，这样液滴左侧就能覆盖到该侧邻近电极S1。电极S1、S2是电气相连的，当它们共同施加电压信号时，液滴就会受到电极S1控制而向S1方向运动，最终静止在S1的稳定位置。当液滴D所处的行电极E4-E4’轮流施加电压信号时，液滴就会一直向负X轴方向单向运动。而对于行电极E4-E4’的邻近行电极E3-E3’和E5-E5’，它们的电极排布方向与行电极E4-E4’左右相反，故液滴在行电极E3-E3’和E5-E5’上是向正Y轴方向单向运动的。上述说明了液滴D处于S0位置时可以向负X轴方向运动到S1位置。在Y方向上，由于液滴D边缘覆盖到邻近行电极E3-E3’和E5-E5’，当对行电极电极E3-E3’共同施加电压信号时，液滴就会从S0位置运动到S3位置稳定，实现液滴沿负Y轴方向运动，同理，对行电极电极E3-E3’共同施加电压信号，液滴可以实现沿正Y轴方向运动到S4位置。要使液滴D从S0位置运动到S2位置实现正X轴方向运动，只需进行如下操作：对行电极E3-E3’共同施加电压信号使液滴从S0位置运动到S3位置，断开电极E3驱动信号而只对电极E3’施加电压信号使液滴从S3位置运动到S5位置，再对行电极E4-E4’共同施加电压信号即可使液滴从S5位置运动到S2位置。同理，可以使液滴沿着S0到S4到S6再到S2位置运动也可以实现液滴D从S0位置运动到S2位置实现正X轴方向运动。这样我们实现了在一个位置上，液滴可以向前后左右四个方向上实现二维运动。

此外，通过在Y轴方向上对液滴的进行操控也可以实现液滴的产生、分裂、合并等基本功能。如当液滴D处于S0位置时，由于同时覆盖到上下电极S3、S4，只需同时对行电极E3-E3’和E5-E5’同时施加电压信号，而断开行电极E4-E4’的电压信号时即可实现液滴D的分裂，形成两个小液滴最终分别处于S3、S4电极位置上。相反地，断开行电极E3-E3’和E5-E5’的驱动信号，而对行电极E4-E4’施加电压信号即可实现处于S3、S4电极位置上两个液滴的合并最终液滴处于S0位置。而芯片的液滴产生功能与液滴分裂类似，只需在芯片上加上蓄液单元即可。

通过以上操控，本发明提供的基于液滴单向输运的二维数字微流控芯片通过非常精简的控制方式即可以实现液滴的二维输运，以及液滴产生、合并、分裂等功能，具有非常显著的优点，解决了传统数字微流控芯片的问题，扩展了数字微流控芯片的应用。

Claims (3)

1. 一种基于液滴单向输运的二维数字微流控芯片，其特征在于由若干单向驱动电极组成行电极，通过精简的信号配置和合理的电极排布实现液滴单平面二维驱动；其中：

单向驱动电极为“月缺”形状，在一个方向上，电极互对两个边界为平行直线；在另一个垂直方向上，电极一侧边界为凹状圆弧，另一侧为凸状圆弧；

单向驱动电极凹凸相对，相互嵌套，紧密排列成行电极；

在行电极方向上，相邻的单向驱动电极电气绝缘，而间隔的单向驱动电极电气相连，每个行电极只需两个控制信号；

相邻行电极左右相反、正对紧密排列，以组成棋盘状芯片二维驱动单元。

2. 根据权利要求1所述的基于液滴单向输运的二维数字微流控芯片，其特征在于所述“月缺”形状电极的设计满足：对于一定大小的圆形液滴，当液滴处于电极稳定位置时，液滴部分边界与所处“月缺”电极凸状弧线边界重合，而液滴其余边界应当部分覆盖“月缺”电极凹状弧线边界以及直线边界，以保证液滴能够被邻近三个电极驱动。

3. 根据权利要求1所述的基于液滴单向输运的二维数字微流控芯片，其特征在于所述的液滴为用于电润湿驱动的溶液滴，其成分是单一的或多成分组成的生物样品或化学溶液。

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