CN103406161A - 一种能产生精确液滴的数字微流芯片 - Google Patents

Abstract

本发明属于数字微流控技术领域，具体为一种能产生精确液滴的数字微流芯片。本发明基于传统的双极板数字微流芯片，在传统芯片的液滴产生部分，在常规方块驱动电极和蓄液池电极中间增加一组微细驱动电极，形成哑铃状结构；其中，微细驱动电极组负责液滴的产生和分裂；在微细驱动电极之上，芯片的双极板之间，设置有平行侧墙，与芯片上下极板一起构成液滴流动的微管道，微管道的内径等于或小于细长电极的宽度，以使管道中液滴能被细长电极有效驱动。本发明芯片能够大大提高液滴产生的精准度，对实现数字微流芯片实验室和其商业化应用具有重大意义。

Description

一种能产生精确液滴的数字微流芯片

技术领域

本发明属于数字微流技术领域，具体涉及基于介质电润湿的上极板数字微流芯片，进一步涉及能产生精确液滴的数字微流芯片。

背景技术

作为微分析芯片的载体，数字微流控技术是指以单个液滴为操控对象的技术，是芯片实现微量和自动化的关键。而基于介质上电润湿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对离散液滴进行操控的微流技术。常规介质电润湿的数字微流芯片通常包括四个部分，施加驱动信号的电极层、充当电容作用的介质层、降低表面能量的疏水层以及操控对象液滴。其中，驱动电极是芯片功能中非常灵活的一部分，通过不同的电极排布、形状、尺寸等设计可以满足不同的液滴驱动功能。

在数字微流体技术中，由于操控对象是微尺度液滴，所以对液滴的量的控制有较高要求，特别是在具体的生物化学应用中，液滴大小的准确性直接关系到反应检测的结果，是数字微流体芯片商业化应用非常重要的一个环节。而在基于介质电润湿的数字微流体芯片中，普通方法的液滴产生并不能非常精准，液滴的大小往往有10%以内的误差，这主要受以下因素影响：驱动信号通过电极对液滴驱动时，由于流体特性，液滴尺寸往往大于固定电极的尺寸，使得固定尺寸的电极却得不到固定大小的液滴；另外，在传统芯片中，液滴从蓄液池中被拉出发生分裂时，液滴的分裂位置不能确定，而且快速的分裂给液滴造成较大扰动从而使其体积发生变化，这些都导致每次产生的液滴大小不一致，这种缺陷严重影响了芯片的功能。

虽然有文章报道可以加上连续微流精准控制泵给数字微流芯片提供精确液滴，但这显然不符合芯片实验室的集成性和便携性，另外也有文章报道可以在芯片上集成电容检测技术，实时检测液滴的大小以辅助精确液滴产生，但这种方法也增加了芯片制作和控制的复杂度，且其精准度也不够高。因此，如何使用简单的技术，提高介质电润湿数字微流芯片液滴产生的精确性是一个亟需解决的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种实现简单、操作性强，能产生精确液滴的数字微流芯片。

本发明提供的能够产生精确液滴的数字微流芯片，是基于介质上电润湿数字微流控双极板芯片，除了能实现普通芯片通用功能外，还可以实现精确大小的液滴产生。为实现该功能，本发明包含两个关键部分：一是在液滴产生处采用特殊的驱动电极；二是在液滴产生处，芯片两极板之间置有可供液滴流动的微管道。本发明芯片是对目前现有的数字微流芯片的改进，其改进之处在于，在液滴产生部分，在常规的方块驱动电极和蓄液池电极中间增加设置一组微细驱动电极和微管道，形成哑铃状结构。

具体地说，在液滴分裂产生处，设置一组微细驱动电极，每个微细电极的宽度比长度小得多，因此为细长电极，且按长度方向排布，负责液滴的产生和分裂。在微细驱动电极之上，芯片的双极板之间，设置有平行侧墙，与芯片上下极板一起构成液滴流动的微管道，微管道的内径等于或小于细长电极的宽度，以使管道中液滴能被细长电极有效驱动。

当需要液滴产生时，在细长电极施加驱动信号下，蓄液池中的液滴通过微管道到达驱动电极上，通过微管道下微细驱动电极处时，微细驱动电极由内而外“去电”（即先将中间微细电极“去电”，再将旁边微细电极“去电”）使液滴在管道中分裂，实现精确液滴产生。

本发明通过微细管道将液滴限制在管道中而避免液滴尺寸比驱动电极大而产生的体积误差，其次通过微细驱动电极组控制使液滴分裂发生在管道中间，这样由于管道内液滴体积相比驱动电极上液滴要小的多，故管道内的液滴不会对最终液滴体积有太大的影响，而且，利用管道内的缓慢分裂，也避免了传统芯片中液滴快速分裂对最终液滴造成的干扰。这是本发明实现精确液滴产生的关键之处

本发明中，侧墙的作用是与上下极板一起形成液滴产生的微细管道，但在双极板芯片中，侧墙同样可以作为芯片上下极板支撑的间隙，因此侧墙高度与芯片极板间隙一致，在芯片制作过程中，侧墙并不需要额外复杂的工艺，只需和极板间隙支撑物一起形成即可。

本发明中，微细驱动电极组中每个细长电极的宽度及管道的内径相对于驱动电极尺寸越小时，液滴产生的体积误差越小，但细长电极宽度过小时会导致其对液滴驱动能力不足。本发明中，优选细长电极宽度为常规驱动电极宽度的十分之一到五十分之一；而且本发明中，细长电极的长度及个数并不限定，原则上，细长电极长度越长、其个数越多，越有利于增加液滴产生的准确度，但也会增加芯片面积和驱动力需求。本发明微细驱动电极组中，优选为3-5个细长电极，更有选为3个细长电极，其总长度与常规驱动电极长度相当。 

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“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“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。

本发明的创新在于在液滴产生模块处引入微细管道及微细驱动电极，除了能将产生的液滴限制在管道内减少误差，还可以通过微细驱动电极施加电压操控使液滴在管道中心平稳分裂，使得每次产生的液滴大小一致，这样，通过芯片尺寸的设计就可以精确产生需要的液滴。本发明具有设计新颖、实现简单、可操作性强等优点，解决了传统领域芯片的瓶颈，将对介质电润湿数字微流芯片的商业化应用具有重大推动作用。

附图说明

图1是本发明的一种产生精确液滴的数字微流芯片驱动电极和侧墙配置图示。

图2是本发明的一种产生精确液滴的数字微流芯片实现结构图示。

图3是本发明的一种精确液滴产生的数字微流芯片实现具体的精确液滴产生过程图示。

具体实施方式

本发明提供一种产生精确液滴的数字微流控芯片，本发明基于传统介质电润湿数字微流控双极板芯片，通过特定的结构设计和操作可以实现液滴的准确产生。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。

基于本发明的一种精确液滴产生的数字微流芯片驱动电极和侧墙配置示意图如图1所示，蓄液池电极E1，驱动电极E3、E4与传统芯片中的一致；分裂电极E2是本发明的关键部分，它由三个长条状细长电极E21-E23组成，细长电极电气绝缘，其作用是牵引液滴进入管道，并使液滴在管道中间分裂。在细长电极上边缘为侧墙T，其作用是限制液滴在管道中从而减少其体积误差，而且让液滴在微细管道中分裂从而减少分裂误差。当驱动电极E1-E3施加信号时，液滴D形成哑铃状，而当细长电极E2去掉驱动信号时，液滴在管道中央分裂，实现液滴的产生。

基于本发明的精确液滴产生技术的一种芯片实现结构示意图如图2所示，在基板101上为本发明的蓄液池电极E1、常规驱动电极E3、E4和特殊的微细驱动电极组E2，组成电极层。在电极层上有介质层102，其上置有疏水层103。基板101、电极层E1-E4、介质层102及疏水层103共同构成了器件下极板201。在下极板上为驱动的液滴D以及侧墙T，其上为疏水层104，疏水层上置有接地电极105，其上为绝缘基板106。疏水层104、地电极105、上基板106共同构成了器件的上极板202。应当指出，本实施方案只截取了芯片中关键的液滴产生部分，芯片的其它部分可与目前芯片结构一致，根据需要实现各种功能。

本发明的一种精确液滴产生的数字微流芯片一种可实施的制备工艺如下，

下极板：

（a）绝缘衬底上采用旋涂、蒸发、溅射等工艺形成导电薄膜，可为铬金金属层或氧化铟锡等化合物，通过一步光刻及其后的金属刻蚀、剥离等方法形成数字微流驱动电极；

（b）通过旋涂、物理溅射、化学气相沉积等方法制备绝缘介质层，优选为介电常数高、抗击穿能力强的绝缘材料，如氧化铝，五氧化二钽等；

（c）通过旋涂光刻的方法制备侧墙和极板间隙支撑，如采用SU8负胶进行一步光刻既可以完成；

（d）通过旋涂、蒸发、溅射等成膜方法制备表面疏水层，如选用Teflon、Cytop等材料；

上极板：

（a）绝缘衬底采用旋涂、蒸发、溅射等工艺形成导电薄膜，优选为透光率高的薄膜层，如氧化铟锡和掺铝的氧化锌等化合物

（b）通过旋涂、蒸发、溅射等成膜方法制备上极板表面疏水层，如选用Teflon、Cytop等材料；

上下极板成型后通过平行对准将其组合在一起最后封装即可以完成芯片的制作。

图3为基于本发明的一种精确液滴产生的数字微流芯片实现具体的精确液滴产生过程示意图。开始时，蓄液池电极E1施加驱动信号使液滴稳定在其上（图3a）；其后细长电极E21-E23依次施加驱动信号将液滴牵引进微细管道（图3b）；再给驱动电极E3施加信号使液滴经过管道到达驱动电极E3上（图3c）；完成了液滴拉出功能后，先去掉细长电极E22上的驱动信号，使管道中的液滴从中心开始收缩（图3d）；接着同时去掉细长电极E21、E23上的驱动信号使液滴在管道中心分裂，管道内部分液滴回流到蓄液池，另一部分位于E3电极的液滴上（图3e）；当最后去掉蓄液池电极E1和常规驱动电极E3的信号后完成液滴的完整产生过程（图3f）。通过侧墙形将液滴限制在管道中，并且通过三个细长电极辅助液滴分裂，这样保证了液滴分裂的确定性和稳定性，利用本发明的这种方法可以极大提高液滴产生的精确度。

Claims (3)

1. 一种能产生精确液滴的数字微流控芯片，基于传统介质电润湿数字微流控双极板芯片，其特征在于在传统芯片的液滴产生部分，在常规的方块驱动电极和蓄液池电极中间增加一组微细驱动电极和微管道，形成哑铃状结构；其中，微细驱动电极组的每个电极为细长电极，按长度方向排布，负责液滴的产生和分裂；在微细驱动电极之上，芯片的双极板之间，设置有平行侧墙，与芯片上下极板一起构成液滴流动的微管道，微管道的内径等于或小于细长电极的宽度，以使管道中液滴能被细长电极有效驱动。

2. 根据权利要求1所述的数字微流控芯片，其特征在于，所述微细驱动电极组中细长电极的个数为3-5个，细长电极宽度为常规驱动电极宽度的十分之一到五十分之一，其总长度与常规驱动电极长度相当。

3. 根据权利要求1所述的数字微流控芯片，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。

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