CN103230754A - 一种单平面液滴自动混合芯片及其单电极控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于自动化化学生物仪器技术领域，具体为一种单平面液滴自动混合芯片及其单电极控制方法。本发明的单平面液滴自动混合芯片，包括电路相连的一液滴混合区和一信号输入区两大部分组成。通过将液滴控制电压依次施加在所述信号输入区的每个引线电极上，同时其余引线电极的电压保持悬空或者接地，从而使多个反应试剂液滴能够汇聚并进行混合并产生生物或化学反应。本芯片设计巧妙，结构非常简单，成本低廉，能够非常方便的滴入反应试剂，且试剂液滴用量少，节约生物化学试剂，降低检测费用。本发明可以广泛的应用于便携式自动化的化学生物检测仪器。

Description

一种单平面液滴自动混合芯片及其单电极控制方法

技术领域

本发明属于自动化化学生物仪器技术领域，具体涉及一种单平面液滴自动混合芯片及其单电极控制方法。

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。我们之前申请的一项透明单平面单极性数字微流体芯片专利（公开号CN102350380A），公开了一种单平面二维双层芯片的实现方法，上述芯片属于通用芯片，功能较多，但是结构也非常复杂。而在实际应用中，往往只需要一种单一功能，但是简单易行，可靠性高的专用芯片，所以设计一种结构简单，成本低廉，功能转换简便的专用芯片是非常重要的。

化学试剂的自动混合反应对于便携式或自动化的化学分析和生物检测仪器是非常重要的。传统的液滴混合方法（参见专利《自动混合液体输送装置》专利号：200820214694）需要使用密闭的水管、混合腔体以及压缩空气管或者液体泵之类的动力装置，这些方法由于使用了大量的机械组件，体积庞大，不适合用于便携式仪器。而传统的基于电湿润原理的基于电润湿数字微流体芯片的液滴混合单元（公开号CN102836653A），其控制方法需要上下两层芯片，反应液滴被夹在中间，系统结构复杂，且滴加反应试剂困难，亦不适合便携式仪器使用。

因此，如何设计一种可用于便携式仪器，结构简单、成本低廉的液滴自动混合芯片，对于便携式自动化化学分析仪或生物检测仪器具有重要的意义。 

发明内容

 本发明的目的在于提供一种结构简单，成本低廉，便于滴加反应试剂的新型单平面液滴自动混合芯片及其单电极控制方法，以克服现有技术中的不足。

本发明采用基于电湿润原理的芯片方案进行液滴的混合，体积小巧，可靠性高，以摆脱传统机械式或水泵式的液滴混合装置所带来的体积庞大，机械部件易损耗，成本高的缺点。

本发明使用单平面的电湿润芯片设计方法，用以摆脱最常用的双层电湿润芯片结构复杂，试剂滴加困难的缺点。

为了应用于试剂自动混合和反应，本发明创新性的对已有的单平面二维双层电湿润芯片进行了巧妙的改进，改变传统的“井”字形双层条状电极，提出单电极液滴驱动方法，由此设计出只有单层结构的，呈放射状分布的控制电极，以简易高效的实现化学试剂的自动混合与反应。 

除了创新的单层放射状控制电极结构，本发明的另一大创新点在于其特殊的单电极液滴驱动方法。目前国际上的基于电湿润原理的芯片，在驱动液滴运动时，均至少需要两个电极才能控制液滴运动。本发明首次发现利用仅将电源的信号端引入芯片中，接地端悬空，即仅在芯片上的一个电极加电，其余电极保持悬空，亦能顺利驱动液滴运动，只是驱动电压会略为升高。我们可以称之为单极性现象，该原理与电容式触摸传感器原理类似，均利用了空气耦合接地的原理形成回路。这种创新的单电极控制方式可以极大的简化外围电路和系统结构的设计。当然，在本发明的芯片结构中，当一个电极加电，其余电极不悬空，改为直接接地，本芯片亦能正常工作，顺利驱动液滴运动，只是外围电路需要加入接地控制器。

本发明提供的单平面液滴自动混合芯片，用于自动化地进行试剂混合并进行生物或化学反应，包括：电路相连的用于控制试剂进行混合的一液滴混合区，和用于引入液滴控制电压的一信号输入区两大部分，其中： 

所述液滴混合区由呈放射状分布的控制电极构成，相邻的控制电极间有缝隙相间隔；液滴可以从放射状外圈的各个控制电极上向放射状中心的控制电极运动，各个液滴运动到放射状中心的控制电极上时，进行混合并产生生物或化学反应；

所述液滴运动采用单电极控制方式，液滴仅受与液滴相邻且靠近所述放射状中心一侧的唯一的一控制电极的吸引力所吸引，所述单电极控制方式用以提高芯片液滴控制的灵活性，并极大的降低外围电路的复杂度；

所述信号输入区由与所述液滴混合区中的各个控制电极分别相连的方形引线电极构成，所述液滴控制电压依次施加在某个液滴所涉及的引线电极上，同时其余引线电极的电压保持悬空或者接地；

所述控制电极和所述引线电极之间通过导电材料进行连接；

所述控制电极和所述引线电极由导电材料构成，并位于一绝缘基板的上表面。

本发明中，有一绝缘介质层覆盖在所述控制电极和所述引线电极上，以实现电学的隔离。

本发明中，有一疏水层覆盖在所述绝缘介质层的表面，用以减小液滴运动时的阻力及电极控制电压；所述疏水层由特氟龙材料构成。

本发明中，所述呈放射状分布的控制电极可以由方形电极构成，这种形状设计可以实现最高的液滴控制的稳定性及最低廉的设计制作成本。

本发明中，所述呈放射状分布的控制电极还可以由方块梳子形电极构成，所述方块梳子形电极由一长方形电极两侧连接数个方块形的梳子齿电极构成，这种形状设计可以实现大的液滴驱动力。

本发明中，所述呈放射状分布的控制电极还可以由三角梳子形电极构成，所述三角梳子形电极由一长方形电极两侧连接数个三角形的梳子齿电极构成，这种形状设计可以扩大反应试剂的体积范围。

本发明中，所述液滴运动采用单电极控制方法，其具体过程归纳为： 

S1、将液滴控制电压依次施加在每个液滴所涉及的引线电极上，同时其余引线电极的电压保持悬空或者接地；

S2、所述液滴仅受与液滴相邻且靠近所述放射状中心一侧的唯一的一控制电极的吸引力所吸引；

S3、所述液滴从放射状外圈的各个所述控制电极上向放射状中心的所述控制电极运动，各个所述液滴运动到所述放射状中心的所述控制电极上，进行混合并产生生物或化学反应。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：第一，通过巧妙的设计，实现了非常简单的图形和结构，极大的降低了制备的难度，提高可靠性，成本低廉；第二，通过单平面的液滴混合图形设计，极大的方便了反应试剂的滴加，并实现了稳定的专一化的液滴混合操作；第三，液滴控制的方法采用控制电压依次施加在每个所述引线电极上，同时其余引线电极的电压保持悬空或者接地，这种方法极大的简化了液滴的控制方式，简化了外围电路的设计；第四，通过本芯片进行试剂液滴的自动混合和反应，试剂液滴用量少，可以极大的节约化学药品成本，降低检测费用。本发明可以被广泛的应用于便携式自动化的化学生物检测仪器。

附图说明

图1为本发明实施例1的液滴混合区剖面结构示意图。

图2为本发明实施例1的平面结构示意图。

图3为本发明实施例2的平面结构示意图。

图4为本发明实施例3的平面结构示意图。

图中标号：1为液滴混合区的各个控制电极，液滴混合区的每个控制电极均分别通过电路与信号输入区的各个引线电极E1—E5相连；2为绝缘基板；3为绝缘介质层；4为疏水层。

D1—D4为参与反应的各试剂液滴，D5为混合后的反应液滴；

E1—E5为实施例1中与方形控制电极相连的引线电极，

E1₂—E5₂为实施例2中与方块梳子形电极相连的引线电极，

E1₃—E5₃为实施例3中与三角梳子形电极相连的引线电极，

具体实施方式

下面根据图1和图2给出本发明一个较好的实施例，并予以详细描述，其中图1为液滴混合区的剖面图示意图，图2为实施例1的平面结构示意图。同时图3给出第二个实施例，其剖面图示意图与图1相似；图4给出第三个实施例，其剖面图示意图与图1相似。给出这3个实施例以便更好说明本发明，而不是用来限定本发明的范围。例如，第一个实施例中的液滴混合区中的控制电极呈“十”字放射状分布，用以进行4种反应试剂D1—D4的自动混合与反应。只要把“十”字放射状分布改成“米”字放射状分布，就可以用以进行最多8种反应试剂的自动混合。由于本发明的电极控制方法是创新性的单电极控制方法，所以电极布局的改变及复杂度的提高不会影响外围控制电路及电压施加的顺序及控制方法。如此，可见本发明适用范围之广。

下面仔细说明各个实施例：

实施例1：

如图1所示，为本发明实施例1的液滴混合区剖面图示意图，剖面方向沿纵向穿过液滴混合区中呈“十”字放射状分布控制电极的中心。从剖面结构来看，本发明的芯片结构从下至上可分为绝缘基板2，上述绝缘基板2通常可使用表面有氧化绝缘层的硅片或者玻璃基板等；覆盖在上述绝缘基板2表面的且呈放射状分布的控制电极1，其中每个控制电极1均分别通过电路与信号输入区的各个引线电极E1—E5相连，上述控制电极1和上述引线电极E1—E5材质通常为各类金属或者导电的金属氧化物；在上述控制电极1表面通过淀积或旋涂的方法覆盖一层绝缘介质层3，上述绝缘介质层3材质通常为各类高介电常数薄膜，比如氮化硅、氧化铝、SU-8等，以实现电学的隔离；在上述绝缘介质层3的表面还覆盖有一层疏水层4，由特氟龙材料构成，通常采用旋涂的方法淀积在上述绝缘介质层3的上表面，用以减小液滴运动时的阻力及电极控制电压。

图2是本发明实施例1的平面结构示意图。图中显示了在实施例1中的控制电极和引线电极及二者的连接电路的电极形状。图2中左侧的引线电极E1—E5，构成了实施例1中的用以引入液滴控制电压的信号输入区。

图2中，右侧的呈“十”字放射状分布的多个方形电极，构成了实施例1中的控制试剂进行混合的液滴混合区。他们分别与左侧的引线电极E1—E5，通过电路连接。这种方形电极设计可以实现最高的液滴控制的稳定性及最低廉的设计制作成本。

芯片工作时，通过在上述引线电极E1—E5上，依次施加直流或交流的液滴驱动控制电压，其他引线电极保持接地或悬空，液滴就会依次向中心运动。例如引线电极E1施加控制电压，则此时其他引线电极E2—E5则保持接地或悬空，此时液滴在上述引线电极E1所连接的控制电极上；接下来就是引线电极E2施加控制电压，则此时其他引线电极E1和E3—E5则保持接地或悬空，此时液滴就会从上述引线电极E1所连接的控制电极上运动到上述引线电极E2所连接的控制电极上，实现向放射中心聚集的运动；接着再将控制电压施加到引线电极E3，以此类推，最后将控制电压施加到引线电极E5，则可实现液滴D1—D4从与引线电极E1相连的控制电极上最终移动到与引线电极E5相连的放射状中心控制电极上，并实现试剂液滴的混合，形成一个大液滴D5，并产生生物或化学反应。

目前国际上的基于电湿润原理的芯片，在驱动液滴运动时，均至少需要两个电极才能控制液滴运动。而本发明创新的单电极液滴驱动方法，使液滴运动时仅需要液滴前端一个电极加电控制即可，其余电极可保持悬空。在外围电路连接上，我们可以简化为仅将电源的信号端引入芯片中，接地端悬空，即仅在芯片上的一个电极加电，其余电极保持悬空，就能顺利驱动液滴运动，只是驱动电压会略为升高。我们可以称之为单极性现象，该原理与电容式触摸传感器原理类似，均利用了室内空气耦合接地的原理形成回路。将这种创新的单电极液滴驱动方法和创新的单层放射状控制电极结构结合在一起，极大的简化了外围电路的设计，简化了外围系统结构的搭建。

当然，在本发明的芯片结构中，当一个电极加电时，把其余电极悬空改为直接接地，本芯片亦能正常工作，顺利驱动液滴运动，并可以降低驱动电压。只是外围电路需要加入一些接地控制器，增加一定的系统复杂性。

图3—图4是本发明实施例2—实施例3的平面结构示意图。图中显示了在实施例2—实施例3中的控制电极和引线电极及二者的连接电路的电极形状。图3中左侧的引线电极E1₂—E5₂，图4中左侧的引线电极E1₃—E5₃，分别构成了实施例2—实施例3中的用以引入液滴控制电压的信号输入区。

图3中，右侧的呈“十”字放射状分布的方块梳子形电极，构成了实施例2中的控制试剂进行混合的液滴混合区。他们分别与左侧的引线电极E1₂—E5₂，通过电路连接，其工作原理与实施例1相同。不同之处在于所述方块梳子形电极由一长方形电极两侧连接数个方块形的梳子齿电极构成，这种形状设计可以实现大的液滴驱动力。

图4中，右侧的呈“十”字放射状分布的三角梳子形电极，构成了实施例3中的控制试剂进行混合的液滴混合区。他们分别与左侧的引线电极E1₃—E5₃，通过电路连接，其工作原理与实施例1相同。不同之处在于所述三角梳子形电极由一长方形电极两侧连接数个三角形的梳子齿电极构成，这种形状设计可以扩大反应试剂的体积范围。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：第一，通过巧妙的设计，实现了非常简单的图形和结构，极大的降低了制备的难度，提高可靠性，成本低廉；第二，通过单平面的液滴混合图形设计，极大的方便了反应试剂的滴加，并实现了稳定的专一化的液滴混合操作；第三，液滴控制的方法采用控制电压依次施加在每个所述引线电极上，同时其余引线电极的电压保持悬空或者接地，这种方法极大的简化了液滴的控制方式，简化了外围电路的设计；第四，通过本芯片进行试剂液滴的自动混合和反应，试剂液滴用量少，可以极大的节约化学药品成本，降低检测费用。本发明可以被广泛的应用于便携式自动化的化学生物检测仪器。

Claims (5)

1. 一种单平面液滴自动混合芯片，用于自动化地进行试剂混合并进行生物或化学反应，包括一液滴混合区和一信号输入区两大部分，其特征在于：

所述液滴混合区由数个呈放射状分布的控制电极构成，相邻的控制电极间有缝隙相间隔；

所述信号输入区由与所述液滴混合区中的各个所述控制电极分别相连的方形引线电极构成；

所述控制电极和所述引线电极之间通过导电材料进行连接；

所述控制电极和所述引线电极由导电材料构成，并位于一绝缘基板的上表面；

一绝缘介质层覆盖在所述控制电极和所述引线电极上；一疏水层覆盖在所述绝缘介质层的表面，该疏水层由特氟龙材料构成。

2. 根据权利要求1所述的单平面液滴自动混合芯片，其特征在于所述呈放射状分布的控制电极由方形电极构成。

3. 根据权利要求1所述的单平面液滴自动混合芯片，其特征在于所述呈放射状分布的控制电极由方块梳子形电极构成。

4. 根据权利要求1所述的单平面液滴自动混合芯片，其特征在于所述呈放射状分布的控制电极由三角梳子形电极构成。

5. 一种如权利要求1所述的单平面液滴自动混合芯片的单电极控制方法，其特征在于具体过程为：

S1、将液滴控制电压依次施加在每个液滴所涉及的引线电极上，同时其余引线电极的电压保持悬空或者接地；

S2、所述液滴仅受与液滴相邻且靠近所述放射状中心一侧的唯一的一控制电极的吸引力所吸引；

S3、所述液滴从放射状外圈的各个所述控制电极上向放射状中心的所述控制电极运动，各个所述液滴运动到所述放射状中心的所述控制电极上，进行混合并产生生物或化学反应。

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