CN104248997B - 一种数字式微流控芯片及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字式微流控芯片及其控制方法。本发明的数字式微流控芯片包括基片、电极、电极引线、涂层、盖片、端口、进液池（或进液接口）、出液池（或出液接口）。电极固定于基片内部或朝向盖片一侧的表面，其形状为矩形、圆形、三角形、六边形以及其它多边形中的一种或多种；电极引线与对应的电极、端口分别电气连接；基片、固定于基片表面的电极、盖片与液体接触的一侧分别有若干层涂层，基片与盖片在保证一定间距的前提下平行固定；盖片与液体接触的一侧具有导电特性；控制方法为：通过端口将电信号分别施加在微流控芯片的若干电极上，实现对芯片内液滴的控制。

Description

一种数字式微流控芯片及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种数字式微流控芯片及其控制方法。

背景技术

当今国民经济中，药品研发、医学检测、食品开发、生物催化、化工实验等过程复杂而漫长，涉及的学科门类众多，而实际的研发、生产以及实验过程中，仍然采用传统方法，包括使用取液器、取液枪、试剂盒等工具，多采用人工或半人工的方式进行，自动化程度不高，效率低下，并且整个过程样品、原料使用量偏高，浪费严重，使得相关的材料、人力、管理等成本居高不下。随着科技的进步以及时代的发展，很多复杂的检测、实验都可以在几平方厘米甚至更小的芯片上实现，这就是微流控系统，又称芯片实验室，是一种以在微小尺度空间对流体进行操控为主要特征的一种前沿科学技术，它被称为“改变世界”的七种技术之一。

微流控芯片是实现微流控技术的物质载体，具有将生物、化学实验室的基本功能微缩到一个几平方厘米甚至更小尺寸的芯片上的能力，使得药品研发、医学检测、生物及化学实验的成本大幅降低，效率显著提高，并兼具智能性、便捷性。

当前微流控系统主要以模拟控制为主，表现为在封闭的微通道或微管路内，通过微泵和微阀改变液流的流速、压力等参数，从而实现液体的定向移动。这种微流控技术当前得到了一些应用，其实质是一种在微小的空间里对模拟量的控制，整个液流空间实现密闭并不容易，尤其在驱动液体流动时，微泵加压时极易引起液体泄漏，并具有控制精度低、试剂消耗量大、研制成本高、重复利用性差等很多缺点。

在科技高速发展的过程中，微流控领域也出现一些新的技术，主要采用高压电力驱动下的电泳、电渗原理，相比之前的技术方案，对微通道内液流的控制精度有了显著的提高，但高电压对很多试剂、样本都有不同程度的破坏作用，即使纯净的蒸馏水，也会产生分解作用产生气体，影响实验的进行。除此之外，过大的功耗、液体发热、适用试剂类型较少等也是这项技术没有被广泛推广应用的重要原因。

本发明以数字控制（又称逻辑控制）为主要特征，舍弃了以往微流控系统中大量使用的微通道、微泵和微阀，在液滴运动载体表层贴覆极小的电极阵列，每个电极可通过引线接入电信号，利用液体的电湿润原理，实现对单个或多个液滴的位置、运动的控制。

发明内容

本发明的数字式微流控芯片包括基片、电极、电极引线、涂层、盖片、端口，还包括进液池与进液接口中的一种或多种，以及出液池与出液接口中的一种或多种。

其中，进液池、进液接口、出液池以及出液接口等可选择的位置包括但不限于：基片上、盖片上、基片与盖片之间，进液池或进液接口、出液池或出液接口以通孔的方式实现液滴或液流在芯片内外部之间移动。

本发明的数字式微流控芯片中，进液池包含样品池类型，进液接口包含样品液接口类型；出液池中包括成品池、废液池类型，出液接口中包括成品液接口、废液接口类型。

若干路液体经由进液池或进液接口进入芯片，在芯片中进行一定时间的反应与操作之后，经由出液池或出液接口流出芯片。

本发明的数字式微流控芯片的电极固定于基片内部或朝向盖片一侧的表面，不同电极之间绝缘，电极引线与对应的电极、端口分别电气连接，连接不同电极的电极引线之间绝缘。

本发明中针对每一个电极与对应端口的引线可以有一根，也可以有多根，其中，单个电极与对应端口的引线为多根的情况，针对当前实际应用中生产制造工艺有缺陷或误差，以及使用中导线容易断裂的现象，可大大增强芯片的可靠性，并在系统布线与接线方面更具便捷性。

本发明的数字式微流控芯片包括若干涂层，涂层功能包括但不限于：绝缘、润滑、疏水、疏油，涂层的位置包括：基片朝向盖片的一侧以及位于其表面的电极上、盖片朝向基片的一侧，另外，盖片朝向基片的一侧包括一层导电层，该层位于盖片与涂层之间，与液体绝缘，但导电层自身上任何两点都是电气导通的。

本发明的数字式微流控芯片在实际应用中，可以选择如下结构形式中的一种：

1.盖片与固定有电极的基片在保证一定距离的前提下平行固定，二者边缘位置通过填充物密封衔接，使液滴或液流只能通过进液池（或进液接口）以及出液池（或出液接口）在芯片内外部之间移动。

2.盖片与固定有电极的基片在保证一定距离的前提下平行固定，二者没有通过填充物密封或部分区域通过填充物密封衔接，使液滴或液流除通过进液池（或进液接口）、出液池（或出液接口）外，还可从其他位置在芯片内外部之间移动。

本发明的数字式微流控芯片的电极形状可以选择下述形状中的一种或多种：

1.矩形。

2.在矩形轮廓基础上的改形：包括把矩形的若干条边改为折线、曲线或其它不规则线；在矩形轮廓基础上的改形也包括在边缘增加若干凸齿或缺口，该凸齿及缺口的形状包括但不限于矩形、梯形、三角形、圆形、扇形、其它多边形以及不规则形状。

3.圆形。

4.扇形。

5.三角形。

6.除矩形外的其它四边形。

7.五边形。

8.六边形。

9.其它多边形。

10.不规则形状。

11.下述若干种形状的组合或拼接：圆形、扇形、三角形、四边形、五边形、六边形、其它多边形以及不规则形状。

12.在如下若干种形状的轮廓基础上的改形：矩形、圆形、扇形、三角形、四边形、五边形、六边形、其它多边形以及不规则形状，改形方式包括但不限于：把若干条边改为直线、折线、曲线或其它不规则线，以及在边缘增加若干凸齿或缺口，该凸齿及缺口的形状包括但不限于矩形、梯形、三角形、圆形、扇形、其它多边形以及不规则形状。

本发明的数字式微流控芯片中，基片与盖片可选择的材质类型包括但不限于：陶瓷、玻璃、石英、单晶硅、多晶硅、亚克力、CMOS工艺的集成电路、印刷电路板、高分子聚合物，其中玻璃类型中尤其包含ITO玻璃，高分子聚合物的类型包括但不限于：聚二甲基硅氧烷（PDMS）、环氧树脂、聚氨酯、聚甲基烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）、聚乙烯、水凝胶、丙烯酸、橡胶、氟塑料。

本发明的数字式微流控芯片设计方案中，具有多布线层的印刷电路板作为微流控芯片的基片或盖片，非常适合电极数量较多应用情形：在这种情况，内侧电极的引线不在基片或盖片的表层设计，防止了液体在电极之间移动时位于表层电极之间带电引线的干扰。

本发明的数字式微流控芯片控制方法为：通过端口将特定参数的电信号分别施加在若干电极上，实现对微流控芯片内液滴的控制，该控制的目的包括但不限于：

1.移动。

2.合并。

3.拆分。

4.震荡。

5.加热。

6.催化。

本发明的数字式微流控芯片控制方法中，在电极上施加的电信号的类型包括但不限于如下所述中的一种或多种：

1.直流信号。

2.方波。

3.正弦波。

4.三角波。

5.梯形波。

6.不规则波。

本发明的数字式微流控芯片控制方法中，施加的电信号的类型也包括上述6种类型中若干种信号的叠加以及函数运算的结果。

本发明的数字式微流控芯片控制方法中，施加的非直流周期型电信号的频率范围为：50赫兹～1千兆赫兹。

附图说明

图1为本发明实施例一的数字式微流控芯片分层结构示意图。

图2为本发明实施例一的数字式微流控芯片整体结构顶视图。

图3为本发明实施例二的具有三角形电极的数字式微流控芯片基片示意图。

图4为本发明实施例三的具有六边形电极的数字式微流控芯片基片示意图。

具体实施方式

以下每个实施例都属于本发明具体形式中的一种，给出的目的是更详细的描述本发明，而不是限制本发明的范围，也不是限定本发明的应用形式。

实施例一

本实施例如图1～图2所示。

本实施例一的数字式微流控芯片分层结构示意图如图1所示，芯片具体包括：

1.标号1所示的微流控芯片的基片；

2.标号2所示的微流控芯片的电极；

3.标号3所示的微流控芯片的基片上顶层电极引线（该引线与电极位于基片的同一侧）；

4.标号4所示的微流控芯片的基片上底层电极引线（该引线与电极分别位于基片的两侧）；

5.标号5所示的微流控芯片的绝缘作用的基片涂层；

6.标号6所示的微流控芯片的润滑作用的基片涂层；

7.标号7所示的微流控芯片的端口；

8.标号8所示的微流控芯片的密闭填充物；

9.标号9所示的微流控芯片的盖片涂层；

10.标号10所示的微流控芯片的盖片；

11.标号11所示的微流控芯片的进液池；

12.标号12所示的微流控芯片的成品池；

13.标号13所示的微流控芯片的废液池；

14.标号14所示的微流控芯片的导电层。

本实施例一的数字式微流控芯片整体结构顶视图如图2所示，芯片具体包括：

1.标号1所示的微流控芯片的基片；

2.标号2所示的微流控芯片的电极；

3.标号3所示的微流控芯片的基片上顶层电极引线（该引线与电极位于基片的同一侧）；

4.标号4所示的微流控芯片的基片上底层电极引线（该引线与电极不再基片的同一侧）；

5.标号7所示的微流控芯片的端口；

6.标号8所示的微流控芯片的密闭填充物；

7.标号10所示的微流控芯片的盖片；

8.标号11所示的微流控芯片的进液池；

9.标号12所示的微流控芯片的成品池；

10.标号13所示的微流控芯片的废液池。

本实施例一的数字式微流控芯片控制方法为：通过端口将特定参数的电信号分别施加在若干电极上，实现对微流控芯片内液滴的控制，该控制可以对液滴实现的操作包括：

1.移动；

2.合并；

3.拆分；

4.震荡；

5.静置反应并实时观察。

本发明的数字式微流控芯片控制方法中，在电极上施加的电信号为电压为24V、频率为200Hz的方波。

实施例二

本发明实施例二的具有三角形电极的数字式微流控芯片基片示意图如图3所示，具体包括：

1.标号1所示的微流控芯片的基片；

2.标号2所示的微流控芯片的电极；

3.标号3所示的微流控芯片的基片上顶层电极引线（该引线与电极位于基片的同一侧）；

4.标号4所示的微流控芯片的基片上底层电极引线（该引线与电极不再基片的同一侧）；

5.标号7所示的微流控芯片的端口；

本发明实施例二的电极为三角形，这种形状的电极对于液滴的聚合、拆分、变形等操作更具有优势，本发明实施例二的其它组成部分以及控制方法与本发明的实施例一相似。

实施例三

本发明实施例三的具有六边形电极的数字式微流控芯片基片示意图如图4所示，具体包括：

1.标号1所示的微流控芯片的基片；

2.标号2所示的微流控芯片的电极；

3.标号4所示的微流控芯片的基片上底层电极引线；

4.标号7所示的微流控芯片的端口；

本发明实施例三的电极为六边形，这种形状的电极对于液滴的斜向多方向运动、聚合、拆分等操作更具有优势，尤其适合液滴需要斜向运动的场合；另外，该实施例中的所有引线不在基片的顶层，这样的布线设计可以避免液滴在微流控芯片的基片顶层移动时受到引线上电信号的影响，使控制更加可靠。本发明实施例三的其它组成部分以及控制方法与本发明的实施例一相似。

本发明包含业内具有革命性特征与功能的产品，具有较高的推广价值。

Claims (10)

1.一种数字式微流控芯片，其特征在于：

包括基片、盖片、电极、电极引线、端口、进液池或进液接口、出液池或出液接口；

电极为阵列式，固定于基片表面的朝向盖片一侧或基片内部，不同电极之间绝缘，连接不同电极的电极引线之间绝缘；

电极引线与对应的电极、端口分别电气连接；

盖片的朝向基片的一侧设置一层导电层，该导电层自身上任何两点电气导通；

本发明的数字式微流控芯片包括若干涂层，涂层功能包括：绝缘、润滑、疏水或疏油，位置包括下述位置中的若干种：导电层的朝向基片一侧、基片表面的朝向盖片一侧，以及基片表面的电极上；

导电层通过上述涂层实现与液体绝缘；

基片与盖片的材质类型包括如下类型中的若干种：陶瓷、玻璃、石英、单晶硅、多晶硅、CMOS工艺的集成电路、印刷电路板、高分子聚合物，其中玻璃类型中包含ITO玻璃，高分子聚合物的类型包括：聚二甲基硅氧烷(PDMS)、环氧树脂、聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚乙烯、水凝胶、丙烯酸、橡胶、氟塑料；

电极的形状分为下述多种类别：

类别一：电极的形状为如下形状中的若干种：圆形、扇形、三角形、四边形、五边形、六边形、多于六条边的多边形；

类别二：电极的形状包括下述若干种形状的拼接：圆形、扇形、三角形、四边形、五边形、六边形、多于六条边的多边形，其中与类别一效果相同的情形除外；

数字式微流控芯片的控制方法为：通过端口在若干电极上分别施加电信号，利用液体的电湿润原理，实现对微流控芯片内液滴或液流的控制，针对目标物该控制能够实现下述操控中的若干种：移动、合并、拆分、震荡、加热、催化。

2.根据权利要求1所述的数字式微流控芯片，其特征在于电极的形状包括：在如下若干种形状的轮廓基础上的改形：圆形、扇形、三角形、四边形、五边形、六边形、多于六条边的多边形，改形方式为下述类别中的若干种：

除电极为圆形的情形，把若干条边改为直线、折线、曲线；

在圆形、扇形、三角形、四边形、五边形、六边形、多于六条边的多边形的轮廓基础上，在边缘增加若干凸齿或缺口，该凸齿及缺口的形状包括如下形状的一种或多种：矩形、梯形、三角形、圆形、扇形、除上述之外的其它多边形。

3.根据权利要求1所述的数字式微流控芯片，其特征在于：

电极上施加的电信号的类型为：直流信号、方波、正弦波、三角波、梯形波，或由直流信号、方波、正弦波、三角波、梯形波中若干类型经函数运算的结果，其中，施加的非直流周期型电信号的频率范围为：50Hz～1GHz；

针对每一个电极与对应端口的引线可以有一根，也可以有多根，单个电极与对应端口的引线为多根的情况，可增强芯片的可靠性，并在接线方面具有便捷性。

4.根据权利要求3所述的数字式微流控芯片，其特征在于：进液池或进液接口、出液池或出液接口可选择的位置包括：基片上、盖片上、基片与盖片之间，进液池或进液接口、出液池或出液接口以通孔的方式实现液滴或液流在芯片内外部之间移动，其中进液池包含样品池类型，进液接口包含样品液接口类型；出液池中包括成品池、废液池类型，出液接口中包括成品液接口、废液接口类型。

5.根据权利要求4所述的数字式微流控芯片，其特征在于：盖片与固定有电极的基片在保证一定距离的前提下平行固定，二者边缘位置通过填充物密封衔接，使液滴或液流只能通过进液池或进液接口以及出液池或出液接口在芯片内外部之间移动。

6.根据权利要求4所述的数字式微流控芯片，其特征在于：盖片与固定有电极的基片在保证一定距离的前提下平行固定，二者没有通过填充物密封或二者通过填充物局部密封，使液滴或液流除通过进液池或进液接口、出液池或出液接口外，还可从其他位置在芯片内外部之间移动。

7.根据权利要求1、权利要求3、权利要求5、权利要求6中任一权利要求所述的数字式微流控芯片，其特征在于：电极的形状为四边形以及在四边形轮廓基础上的改形：包括把四边形的若干条边改为折线、曲线或其它不规则线；在四边形轮廓基础上的改形也包括在边缘增加若干凸齿或缺口，该凸齿及缺口的形状包括如下形状的一种或多种：矩形、梯形、三角形、圆形、扇形、其它多边形。

8.根据权利要求1、权利要求3、权利要求5、权利要求6中任一权利要求所述的数字式微流控芯片，其特征在于：电极的形状为三角形以及在三角形轮廓基础上的改形：包括把三角形的若干条边改为折线、曲线；在三角形轮廓基础上的改形也包括在边缘增加若干凸齿或缺口，该凸齿及缺口的形状包括如下形状的一种或多种：矩形、梯形、三角形、圆形、扇形、其它多边形。

9.根据权利要求1、权利要求3、权利要求5、权利要求6中任一权利要求所述的数字式微流控芯片，其特征在于：电极的形状为六边形以及在六边形轮廓基础上的改形：包括把六边形的若干条边改为折线、曲线；在六边形轮廓基础上的改形也包括在边缘增加若干凸齿或缺口，该凸齿及缺口的形状包括如下形状的一种或多种：矩形、梯形、三角形、圆形、扇形、其它多边形。

10.根据权利要求1至权利要求6中任一权利要求所述的数字式微流控芯片，其特征在于：具有多布线层的印刷电路板作为微流控芯片的基片或盖片，在电极数量较多应用情形中具有优势：在这种情况，内侧电极的引线不在基片或盖片的表层设计，防止了液体在电极之间移动时位于表层电极之间带电引线的干扰。