CN107413264A - 三维数字微流体系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种三维数字微液滴系统，包括第一平板，具有第一电极；第二平板，具有第二电极；以及微流体液滴，位于所述第一电极与所述第二电极之间。电极能够被依次致动，从而微液滴能够被传送。本系统还可以包含桥接平板。

Description

三维数字微流体系统
本申请是2013年2月28日提出的申请号为201380001336.3的“三维数字微流体系统”的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请主张2012年2月29日提出，标题为“Three-Dimensional DigitalMicrofluidic System”的序号第61/604,910号美国临时专利申请案的优先权，该临时专利申请全部在此并入作为参考。
技术领域
本发明属于微流体领域，尤其涉及一种三维数字微流体系统，以提供较佳液滴绕送能力以及在已知区域内装配更多功能。本发明也关于执行多芯片系统整合的能力，该系统可用于建构芯片实验室(LOC，Lab-on-Chip)系统结构以及先进多芯片系统整合。
背景技术
根据介电质电湿润(EWOD，Electrowetting-on-dielectric)，典型数字微流体系统以二维架构为基础，包含(1)该液滴自由坐落在该开放式基板上的开放式系统，以及(2)该液滴局限在两平板之间的封闭式系统。
发明内容
在某些具体实施例中，本发明将二维传统数字微流体架构扩展成三维架构。本发明可在电湿润致动之下于开放式与封闭式区域之间前后动作的原理之下运作。
在某些具体实施例中，两个面对面平板形成该二层微流体运作的基本结构，并且一双开放/封闭复合式设计加入该中间层微流体连接，以完成该三维系统。
在某些具体实施例中，本发明建构结合二维系统的开放式与封闭式设置之三维架构，在一个系统内提供更好的绕送能力，并且提供将多个微流体系统桥接在一起的能力。
在某些具体实施例中，该三维数字微流体系统由两个面对面平板所建构。本说明书内揭示两个该三维微流体系统的范例。
该第一系统包含可让微流体在双层上运作的该双层系统。这提供较佳能力将液滴绕送至阻塞位置，或避免非所要的路径污染。
该第二系统为可具有内部芯片液滴运输能力的内部芯片桥接器。LOC系统可分割成较小的自给式模块(self-contained module)，并且由内部芯片桥接器连接。再者，使用不兼容制造的组件可在单一LOC系统内结合进行异质整合。
本发明的第一方面，三维数字微流体系统包含具有第一电极的第一平板、具有第二电极的第二平板以及在所述第一与所述第二电极之间的微流体液滴。在某些具体实施侧中，所述第一平板与所述第二平板平行。在其它具体实施例中，所述第一平板与所述第二平板不平行。在某些其它具体实施例中，所述第一平板面向所述第二平板。在某些具体实施例中，所述系统更包含所述第一平板与所述第二平板之间的间隙。在某些其它具体实施例中，所述间隙的范围为1μm至10cm。在某些具体实施例中，所述系统更包含位于所述第一平板与所述第二平板的第一侧上第一间隙，其大于第二侧的第二间隙。
在某些具体实施例中，每个所述第一电极与所述第二电极都包含至少一个液滴致动电极。在其它具体实施例中，通过依序致动一或两平板上的这些电极来操纵所述微流体液滴。在其它具体实施例中，所述微流体液滴与所述第一平板与所述第二平板之一者实体接触。在某些其它具体实施例中，所述微流体液滴与所述第一平板与所述第二平板两者实体接触。在某些具体实施例中，所述微流体液滴由所述第一平板、所述第二平板或这两者组合上的这些电极所致动。在其它具体实施例中，所述系统更包含一电湿润致动机构，用于控制所述微流体液滴的动作。在某些其它具体实施例中，每个所述第一平板包含第一本体，并且所述第二平板包含故此面对的第二本体，其中在所述第一与所述第二平板之间末端上的第一间隙大于在所述第一与所述第二平板之间相对末端上的第二间隙。在某些其它具体实施例中，所述系统更包含控制所述微流体液滴移动的控制单元，以便所述微流体液滴可移动至与所述第一平板或所述第二平板之一或两者实体接触。
本发明的第二方面，公开了一种三维数字微流体系统包含其有第一电极的第一平板、具有第二电极的第二平板以及具有第三电极面对所述第一和所述第二电极的桥接平板，其中所述桥接平板包含至少与所述第一平板重迭的第一部分以及至少与所述第二平板重迭的第二部分。在某些具体实施例中，所述系统更包含微流体渡滴。在某些其它具体实施例中，所述微流体液滴夹在所述第一平板与所述桥接平板之间。在某些具体实施例中，所述微流体液滴夹在所述第二平板与所述桥接平板之间。在其它具体实施例中，所述微流体液滴只与所述桥接平板实体接触。在某些其它具体实施例中，所述系统更包含在所述第一平板与所述桥接平板之间的第一间隙，以及在所述桥接平板与所述第二平板之间的第二间隙。在某些具体实施例中，所述第一间隙的大小等于所述第二间隙的大小。在其它具体实施例中，所述第一间隙大于所述第二间隙。
本发明的第三方面，公开了一种使用三维数字微流体系统的方法包含通过致动第一平板、第二平板或这两者上至少一个电极，在所述第一平板与所述第二平板之间移动微流体液滴，其中所述第一平板与所述第二平板上的这些电极彼此面对。在某些具体实施例中，所述方法更包含将所述微流体液滴从与所述第一平板和所述第二平板两者实体接触的三明治配置，移动为与所述第一平板或所述第二平板之一者实体接触的单一接触配置。在其它具体实施例中，所述方法更包含将所述微流体液滴从与所述第一平板或所述第二平板之一者实体接触的单一接触配置，移动为与所述第一平板和所述第二平板两者实体接触的三明治配置。在某些具体实施例中，所述第一平板与所述第二平板彼此并不平行。
根据本发明的第四方面，公开了一种使用三维数字微流体系统的方法包含通过桥接平板将微流体液滴从第一平板移动至第二平板，其中所述第一平板、所述第二平板以及所述桥接平板包含第一电极、第二电极以及桥接电极。在某些具体实施例中，所述方法更包含依序致动所述第一、所述桥接以及所述第二电极，以便所述微流体液滴从所述第一平板还轮到所述第二平板。在其它具体实施例中，所述第一与所述第二电极都面向所述桥接电极。
附图说明
图1为根据本发明某些具体实施侧的基本三维数字微流体系统图；
图2为根据本发明某些具体实施例的双层系统图；
图3为根据本发明某些具体实施例，双层系统内的液滴从一平板移动至另一平板之图式；
图4为根据本发明某些具体实施例的内部芯片桥接器之图式；
图5为根据本发明某些具体实施例，运用该微流体系统的方法之流程图。
具体实施方式
在某些具体实施例中，本发明基于EWOD的三维数字微流体系统包含两个面对面的平板，平板之间藉由间隙而分隔。通过平板上电极的一系列致动可操纵液滴来执行所要的功能。图1为根据本发明某些具体实施侧的基本三维数字微流体系统图。平板101和平板102由间隙距离105分隔。平板101和102上的电极106彼此面对。电极106的每一方框都可独立受控制，换言之每一方框都可为独立受控的电极。在某些具体实施例中，依序控制平板101上的多个电极106，以便通过致动平板101上的多个电极106，以预定方向、距离及/或速度移动微流体液滴。类似的功能原理也适用于平板102以及本说明书内所有平板。
在该三维数字微流体系统中，开放式设置包含坐落在平板102上，但未接触其它平板101的液滴103。在此设置中，由平板102上的电极致动液滴103。类似地，液滴107也位于开放式设置上，并且由平板101致动。封闭式设置为液滴104夹在平板101与平板102之间，并且液滴104可由平板101和/或平板102上的该等电极致动。
图2描述了双层系统。双层系统使用平板201与平板202这两平板建构，并且这两平板以角度203彼此面对。因为以一角度建构，则平板201与平板202之间的间隙距离在一边较小，另一边较大，此结构建立双开放式与封闭式设置。位置204和205内的液滴在封闭式设置内，夹在平板201与平板202之间靠近较小间隙距离209。位置206和207内的液滴在开放式设置内。
在某些具体实施例中，本发明在电湿润致动下，以开放式与封闭式区域之间前后动作的原理进行运作。该双层系统的微流体运作利用双开放式/封闭式复合设计的最佳部分，液滴的运输与混合都在该堆栈的双层系统之开放区域上执行，并且液滴建立与分离都在封闭区域上执行。
如图2所示，液滴205在封闭式设置下自储液槽所建立。在该封闭区域上，需要在该顶端与底部平板之间切换微流体致动的弹性。当液滴在顶端平板201上致动时，那么底部平板202设置成零电位平板，反之亦然。该间隙够宽时，液滴205至左边的顶端平板致动最终导致座滴207在该底部平板上破裂。类似地，底部平板致动导致该底部平板上的在位置206处的座滴。然后，提供该座滴的共平面致动，将该座滴移动至四周。
倾斜角度203可为间隙差异只沿着一轴(x轴或y轴)的一维度，或在x轴与y轴上都具有差异间隙的二维度。
图3示出了通过双层系统中内部层连接的液滴切换平板。双层系统使用平板301与平板302两平板建构，并且这两平板以角度303彼此面对。液滴原本在开放式设置内，靠近较大间隙距离307。间隙308包含小于间隙307的间隙。通过以从位置304到位置305的方向致动平板302上的电极，则位置304内的该液滴移动至右边，并且停留在封闭式设置内的位置305上。然后通过以位置305至306的方向致动平板301上的该等电极，则位置305内的该液滴切换到平板301，并且停留在位置306上。
图4描述了内部芯片的桥接运作。要将液滴从LOC系统402运输到其它LOC系统403，则使用内部芯片桥接器401。LOC系统402和LOC系统403并排放置，并且内部芯片桥接器401与两个LOC系统隔着间隙距离408面对面。间隙距离408足够小来建立封闭式设置给该液滴。LOC系统402上位置404内的液滴位于开放式设置内。通过从位置404到405的方向致动LOC系统402上的该等电极，则该液滴从位置404移动至位置405，并且此时该液滴位于封闭式设置内。然后通过以从位置405到位置407的方向致动内部芯片桥接器上的这些电极，则该液滴从位置405通过位置406到这位置407。根据两个LOC系统之间的分隔，该液滴会在通过位置406时位于开放式设置内。
图5根据本发明某些具体实施例运用该微流体系统的方法之流程图。方法500从步骤502开始。在步骤504上，供应三维数字微流体系统上的微流体液滴。在步骤506上，已致动该装置系统上的电极。在步骤508上，该微流体液滴往预定方向移动。方法500停止于步骤510。
在某些具体实施例中，本发明包含两个面对面平板，形成两层微流体运作以及双开放式/封闭式复合结构的基础。在某些具体实施例中，该内部层微流体连接包含在该三维系统内。在某些具体实施例中，在本发明的某些具体实施例中，包含二维系统的开放式与封闭式设置之结合，在一个系统内提供更好的绕送能力，并且提供将多个微流体系统桥接在一起的能力，本发明优于该传统二维系统。在某些具体实施例中，该三维数字微流体系统包含双层系统。在某些其它具体实施例中，该三维数字微流体系统包含内部芯片桥接器。
在某些具体实施例中，该三维度数字微流体系统包含两个面对面的平板，该等平板之间藉由一间隙而分隔。在其它具体实施例中，该两平板之上具有液滴致动电极。在某些其它具体实施例中，该两平板上的该等电极彼此面对。利用一或两平板上电极的一系列致动可操纵液滴来执行所要的功能。该间隙的范围为1μm至10cm。在某些具体实施例中，开放式设置为液滴坐落在平板上，但是未接触其它平板。该液滴可由液滴所在的平板上的电极所致动。在某些具体实施例中，封闭式设置为液滴接触两平板，并且夹在顶端平板与底部平板之间。该液滴可由该顶端平板和/或该底端平板上的该等电极所致动。在某些具体实施例中，该双层系统由两平板构造，并且这两平板以一角度彼此面对。因为以一角度构造，则两平板之间的间隙距离在一边上较小，而在相对边上较大。
该倾斜结构建立双开放式与封闭式设置。封闭式设置中的液滴夹在较小间隙距离附近的两平板之间。较宽间隙位置内的液滴位于开放式设置内。开放式或封闭式设置可取决于液滴的大小。开放区域与封闭区域之间的前后动作可在电湿润致动之下执行。该倾斜角度可为间隙差异只沿着一轴(x轴或y轴)的一维度，或在x轴与y轴上都具有差异间隙的二维度。
开放区域上的液滴可通过双层系统内的内部层连接，从一平板移动至另一平板。通过致动液滴所在的平板上的电极，将原来在该平板上开放式设置内的液滴往窄间隙方向移动，并且该液滴最终接触两平板并且进入封闭式设置内。然后往较宽问隙的方向致动该其它平板上的电极，该液滴从该封闭区域破裂并导致在该其它平板上的开放设置。
在某些具体实施例中，第一LOC系统与第二LOC系统都以运作表面朝向相同方向的方式并排布置。内部芯片桥接器放在两LOC系统之间，并且以和两LOC系统重叠的方式面向该两LOC系统，这形成封闭区域来运输液滴至/来自该内部芯片桥接器。间隙距离介于内部芯片桥接器与两LOC系统之间，该间隙随距离足够小来建立封闭式设置给该液滴。第一LOC系统与第二LOC系统都可为封闭式设置或开放式设置。
在第一LOC系统上的开放式设置内，该液滴最终接触内部芯片桥接器，并且通过往朝向该内部芯片桥接器的方向致动LOC系统上的电极，变成第一LOC系统上的封闭式设置。然后通过以朝向第二LOC系统的方向致动内部芯片桥接器上的电极，则液滴从第一LOC系统移动至第二LOC系统。当该液滴到达第二LOC系统侧时，其处于封闭式设置之下。若第二LOC系统在开放式设置内运作，则该液滴需要从封闭式设置移动进入开放式设置。
在某些具体实施例中，使用三维数字微流体系统的方法包含双层系统，可在双层上进行微流体运作，以及内部芯片桥接器，其具有内部芯片液滴运输能力。该双层系统提供将液滴绕送至阻塞位置，或避免非所需路径污染的较佳能力。LOC系统可分割成较小的自给式模组，并且该模组由内部芯片桥接器连接。使用不兼容制造的组件可在单一LOC系统内结合，通过该内部芯片桥接器进行异质整合。二或多个LOC系统可由该内部芯片桥接器连接来形成更大的系统。
该方法更包含超过一个双层系统，当成系统一起运作。可加人第三平板或第四平板到该双层系统的平板之一，形成多重双层系统。该方法更包含超过一个内部芯片桥接器，当成系统一起运作。可加人该第二或第三内部芯片桥接器到该系统，形成多重内部芯片桥接器系统。该方法更包含复合系统，其为组合式双层系统与内部芯片桥接器系统。该双层系统的微流体运作运用双开放式/封闭式复合设计的最佳部分，液滴的运输与混合都在该堆栈的双层系统之开放区域上执行，并且液滴建立与分离都在封闭区域上执行。
在运作上，该三维数字微流体系统可使用电吸引力来运输微流体液滴/流体。通过依序致动电极，微流体液滴可自该电极所产生的拉力/吸力来移动。
本发明可运用在制药工业上，用于制作药物输送系统。
本发明己用特定具体实施例合并细节来说明，帮助了解本发明的建构与操作原理。因此，本说明书内对于特定具体实施例以及细节的参考并非要限制申请专利范围范畴。精通技术人士将轻易了解，在不脱离申请专利范围所定义的本发明精神与范畴之前提下，可在选择用于例示的具体实施例中进行许多修改。

Claims (22)

1.一种三维数字微流体系统，包含：
a.第一平板，具有第一电极；
b.第二平板，具有第二电极，其中所述第一平板与所述第二平板平行；以及
c.微流体液滴，位于所述第一电极与所述第二电极之间。
2.如权利要求1所述的三维数字微流体系统，其中所述第一电极面对所述第二电极。
3.如权利要求1所述的三维数字微流体系统，更包含所述第一平板与所述第二平板之间的间隙。
4.如权利要求3所述的三维数字微流体系统，其中所述间隙的范围为1μm至10cm。
5.如权利要求1所述的三维数字微流体系统，其中每个所述第一电极与所述第二电极都包含至少一个液滴致动电极。
6.如权利要求1所述的三维数字微流体系统，其中通过依序致动一或两平板上的所述电极来操纵所述微流体液滴。
7.如权利要求1所述的三维数字微流体系统，其中所述微流体液滴与所述第一平板与所述第二平板之一实体接触。
8.如权利要求1所述的三维数字微流体系统，其中所述微流体液滴与所述第一平板与所述第二平板之两者实体接触。
9.如权利要求1所述的三维数字微流体系统，其中所述微流体液滴由所述第一平板、所述第二平板或这两者组合上的所述电极所致动。
10.如权利要求1所述的三维数字微流体系统，更包含电湿润致动机构，用于控制所述微流体液滴的动作。
11.如权利要求1所述的三维数字微流体系统，更包含控制所述微流体液滴移动的控制单元，以便所述微流体液滴可移动至与所述第一平板或所述第二平板之一或两者实体接触。
12.一种三维数字微流体系统，包含：
a.第一平板，具有第一电极；
b.第二平板，具有第二电极；
c.桥接平板，具有第三电极面对所述第一电极和所述第二电极，其中所述桥接平板包含与所述第一平板重迭的至少第一部分以及与所述第二平板重迭的至少第二部分；以及
d.在所述第一平板与所述桥接平板之间的第一间隙，以及在所述桥接平板与所述第二平板之间的第二间隙，其中所述第一间隙的大小等于所述第二间隙的大小。
13.如权利要求12所述的三维数字微流体系统，更包含微流体液滴。
14.如权利要求13所述的三维数字微流体系统，其中所述微流体液滴夹在所述第一平板与所述桥接平板之间。
15.如权利要求13所述的三维数字微流体系统，其中所述微流体液滴夹在所述第二平板与所述桥接平板之间。
16.如权利要求13所述的三维数字微流体系统，其中所述微流体液滴只与所述桥接平板实体接触。
17.一种使用三维数字微流体系统的方法，其包含
通过致动第一平板、第二平板或这两者上至少一个电极，在所述第一平板与所述第二平板之间移动微流体液滴，其中所述第一平板与所述第二平板上的所述电极彼此平行地面对。
18.如权利要求17所述的使用三维数字微流体系统的方法，更包含将所述微流体液滴从与所述第一平板和所述第二平板两者实体接触的三明治配置，移动为与所述第一平板或所述第二平板之一实体接触的单一接触配置。
19.如权利要求17所述的使用三维数字微流体系统的方法，更包含将所述微流体液滴从与所述第一平板或所述第二平板之一实体接触的单一接触配置，移动为与所述第一平板和所述第二平板两者实体接触的三明治配置。
20.一种使用三维数字微流体系统的方法，其包含
通过桥接平板将微流体液滴从第一平板移动至第二平板，其中所述第一平板、所述第二平板以及所述桥接平板包含第一电极、第二电极以及桥接电极。
21.如权利要求20所述的使用三维数字微流体系统的方法，更包含依序致动所述第一电极、所述桥接电极以及所述第二电极，以便所述微流体液滴从所述第一平板运输到所述第二平板。
22.如权利要求20所述的使用三维数字微流体系统的方法，其中所述第一电极和所述第二电极都面对所述桥接电极。
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