CN107790203A - 基于电频率控制的微液滴驱动装置及其驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电频率控制的微液滴驱动装置及其驱动方法，通过双基板微流控芯片的设计，采用调节施加在芯片电极上的电压频率而无需改变电压幅值的方法，实现芯片上微液滴的驱动。本发明的优点在于装置的电极结构简单，不需要采用独立寻址的微电极；操作方便，不需要改变上下基板间的电压幅值，通过控制频率就可以驱动液滴来回运动。

Description

基于电频率控制的微液滴驱动装置及其驱动方法
技术领域
本发明属于微流控技术领域，具体涉及一种基于电频率控制的微液滴驱动装置及其驱动方法。
背景技术
微流控技术是一种能够精确控制和操纵处理微米尺度流体的科学和技术。近年来，作为芯片实验室的代表，微流控芯片已经广泛的应用于分离分析、化学合成、医学诊断学、细胞生物学等研究领域。
在微流控芯片领域，应用比较广泛的液滴驱动方法有电润湿法、热毛细管法、声表面波法。其中，声表面波法的关键器件需要采用单晶材料，成本昂贵，且制作工艺要求精度高，条件苛刻；热毛细管法则不适合对微液滴内热不稳定物质如酶、蛋白质的分析；电润湿法可以实现对单个微液滴的操控，通常需要采用一系列独立寻址的微电极和可编程电极开关控制系统，使微液滴朝着加压电极的方向运动。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于电频率控制的微液滴驱动装置及其驱动方法，提出了一种全新的驱动模式，解决了稳定电压下的液滴定向驱动问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于电频率控制的微液滴驱动装置，包括下基板、第一电极、第二电极、介质层、第一疏水层、第二疏水层、第三电极、上基板和电容C0；下基板为二阶阶梯形，上基板平行设置在下基板的正上方，两者之间形成第一空腔和第二空腔，第一空腔的高度 D1与第二空腔的高度D2满足4D2<D1 <7D2，待驱动的微液滴位于第一空腔和第二空腔之间；位于第一空腔内的下基板顶面设置第一电极，位于第二空腔内的下基板顶面设置第二电极，第一电极和第二电极顶面涂覆均匀厚度的介质层，介质层顶面涂覆第一疏水层；上基板底面涂覆第三电极，第三电极底面涂覆第二疏水层，第二电极和电源之间连接电容C0。
所述的微液滴为单组分或多组分的导电性液体。
一种基于电频率控制的微液滴驱动装置的驱动方法，方法如下：当施加在第一电极、第二电极和第三电极上的电压频率在1kHz以下时，待驱动的微液滴向第一空腔运动，当施加在第一电极、第二电极和第三电极上的电压频率在50kHz以上时，待驱动的微液滴向第二空腔运动。
以上所述电压的有效值范围为50~200V。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：本发明与现有技术相比，其显著优点在于：采用的电极结构简单，不需要一系列独立寻址的微电极。液滴驱动的操作方便，不需要改变上下基板间的电压幅值，仅通过控制频率就可以驱动液滴来回运动。
附图说明
图1是本发明的基于电频率控制的微液滴驱动装置的结构图。
具体实施方式
一种基于电频率控制的微液滴驱动装置，通过双基板微流控芯片的设计，利用液滴在不同频率电压下的不同介电响应特性，采用调节施加在芯片电极上的电压频率而无需改变电压幅值的方法，实现芯片上微液滴的驱动。
结合图1，一种基于电频率控制的微液滴驱动装置，包括下基板1、第一电极2-1、第二电极2-2、介质层3、第一疏水层4-1、第二疏水层4-2、第三电极6、上基板7和电容C0；下基板1为二阶阶梯形，上基板7平行设置在下基板1的正上方，两者之间形成第一空腔9和第二空腔5，第一空腔9的高度 D1与第二空腔5的高度D2满足4D2<D1 <7D2，待驱动的微液滴8位于第一空腔9和第二空腔5之间；位于第一空腔9内的下基板1顶面设置第一电极2-1，位于第二空腔5内的下基板1顶面设置第二电极2-2，第一电极2-1和第二电极2-2顶面涂覆均匀厚度的介质层3，介质层3顶面涂覆第一疏水层4-1；上基板7底面涂覆第三电极6，第三电极6底面涂覆第二疏水层4-2，第二电极2-2和电源之间连接电容C0。
所述的微液滴8为单组分或多组分的导电性液体。
所述单组分的导电性液体，如盐溶液。
所述多组分的导电性液体，如细胞培养液。
基于电频率控制的微液滴驱动装置的驱动方法，方法如下：当施加在第一电极2-1、第二电极2-1和第三电极6上的电压频率在1kHz以下时，待驱动的微液滴8向第一空腔9运动，断电后，微液滴停止运动并静止在断电瞬间前的位置处。当施加在第一电极2-1、第二电极2-1和第三电极6上的电压频率在50kHz以上时，待驱动的微液滴8向第二空腔5运动。断电后，微液滴停止运动并静止在断电瞬间前的位置处。在微液滴8运动的过程中，控制不使微液滴8完全进入第一空腔9或第二空腔5，否则微液滴8将不能被再次驱动。
以上所述电压的有效值范围为50~200V。
本发明的基于电频率控制的微液滴驱动装置的制备工艺如下：
制备下基板1
1、采用玻璃板或绝缘性硅片作为下基板1的基底，利用湿法刻蚀的方法在下基板1一侧刻蚀出一个空槽，形成二阶阶梯形，得到下基板1。
2、采用磁控溅射或蒸镀等镀膜工艺在下基板1的上表面制备一层金属电极，如铝电极；通过光刻与湿法刻蚀的方法形成位于空槽内的第一电极2-1和位于空槽外的第二电极2-2，第二电极2-2和电源之间连接电容C0。
3、在第一电极2-1和第二电极2-2上面采用化学气相沉积或真空镀膜等镀膜方法涂覆一层均匀厚度的介质层3，优选介电常数高、抗击穿能力强的绝缘材料，如Parylene。
4、在介质层3上面采用旋涂的方法制备第一疏水层4-1，材料选用Teflon-AF或Cytop。
制备上基板7
1、以玻璃板为基板，采用PECVD（等离子体增强化学气相沉积）或蒸镀或溅射等工艺形成一层导电薄膜（第三电极6），优选透光率高的薄膜层材料，如氧化铟锡等。
2. 采用旋涂的方法在导电薄膜（第三电极6）上面制备第二疏水层4-2，材料选用Teflon-AF或Cytop。
在本发明中，采用的电极结构简单，不需要一系列独立寻址的微电极。液滴驱动的操作方便，不需要改变上下基板间的电压幅值，仅通过控制频率就可以驱动液滴来回运动。

Claims (4)

1.一种基于电频率控制的微液滴驱动装置，其特征在于：包括下基板（1）、第一电极（2-1）、第二电极（2-2）、介质层（3）、第一疏水层（4-1）、第二疏水层（4-2）、第三电极（6）、上基板（7）和电容C0；下基板（1）为二阶阶梯形，上基板（7）平行设置在下基板（1）的正上方，两者之间形成第一空腔（9）和第二空腔（5），第一空腔（9）的高度 D1与第二空腔（5）的高度D2满足4D2<D1 <7D2，待驱动的微液滴（8）位于第一空腔（9）和第二空腔（5）之间；位于第一空腔（9）内的下基板（1）顶面设置第一电极（2-1），位于第二空腔（5）内的下基板（1）顶面设置第二电极（2-2），第一电极（2-1）和第二电极（2-2）顶面涂覆均匀厚度的介质层（3），介质层（3）顶面涂覆第一疏水层（4-1）；上基板（7）底面涂覆第三电极（6），第三电极（6）底面涂覆第二疏水层（4-2），第二电极（2-2）和电源之间连接电容C0。
2.根据权利要求1所述的基于电频率控制的微液滴驱动装置，其特征在于：所述的微液滴（8）为单组分或多组分的导电性液体。
3.基于上述权利要求1-2中任意一项所述的基于电频率控制的微液滴驱动装置的驱动方法，其特征在于，方法如下：当施加在第一电极（2-1）、第二电极（2-1）和第三电极（6）上的电压频率在1kHz以下时，待驱动的微液滴（8）向第一空腔（9）运动，当施加在第一电极（2-1）、第二电极（2-1）和第三电极（6）上的电压频率在50kHz以上时，待驱动的微液滴（8）向第二空腔（5）运动。
4.根据权利要求3所述的基于电频率控制的微液滴驱动装置的驱动方法，其特征在于：以上所述电压的有效值范围为50~200V。
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