CN107971049B - 微流控芯片及其驱动方法、微流控器件和生物传感器 - Google Patents

微流控芯片及其驱动方法、微流控器件和生物传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN107971049B
CN107971049B CN201710912397.5A CN201710912397A CN107971049B CN 107971049 B CN107971049 B CN 107971049B CN 201710912397 A CN201710912397 A CN 201710912397A CN 107971049 B CN107971049 B CN 107971049B
Authority
CN
China
Prior art keywords
electrode
layer
photoelectric conversion
microfluidic chip
conversion layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710912397.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107971049A (zh
Inventor
庞凤春
蔡佩芝
耿越
古乐
车春城
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BOE Technology Group Co Ltd
Beijing BOE Optoelectronics Technology Co Ltd
Original Assignee
BOE Technology Group Co Ltd
Beijing BOE Optoelectronics Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BOE Technology Group Co Ltd, Beijing BOE Optoelectronics Technology Co Ltd filed Critical BOE Technology Group Co Ltd
Priority to CN201710912397.5A priority Critical patent/CN107971049B/zh
Priority to US15/922,084 priority patent/US20190099756A1/en
Publication of CN107971049A publication Critical patent/CN107971049A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107971049B publication Critical patent/CN107971049B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502769—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by multiphase flow arrangements
    • B01L3/502784—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by multiphase flow arrangements specially adapted for droplet or plug flow, e.g. digital microfluidics
    • B01L3/502792—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by multiphase flow arrangements specially adapted for droplet or plug flow, e.g. digital microfluidics for moving individual droplets on a plate, e.g. by locally altering surface tension
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/50273—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by the means or forces applied to move the fluids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F33/00—Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
    • B01F33/30—Micromixers
    • B01F33/302—Micromixers the materials to be mixed flowing in the form of droplets
    • B01F33/3021—Micromixers the materials to be mixed flowing in the form of droplets the components to be mixed being combined in a single independent droplet, e.g. these droplets being divided by a non-miscible fluid or consisting of independent droplets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502746—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by the means for controlling flow resistance, e.g. flow controllers, baffles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502753—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by bulk separation arrangements on lab-on-a-chip devices, e.g. for filtration or centrifugation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502769—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by multiphase flow arrangements
    • B01L3/502784—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by multiphase flow arrangements specially adapted for droplet or plug flow, e.g. digital microfluidics
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L9/00—Supporting devices; Holding devices
    • B01L9/52—Supports specially adapted for flat sample carriers, e.g. for plates, slides, chips
    • B01L9/527—Supports specially adapted for flat sample carriers, e.g. for plates, slides, chips for microfluidic devices, e.g. used for lab-on-a-chip
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G01N33/54366—Apparatus specially adapted for solid-phase testing
    • G01N33/54373—Apparatus specially adapted for solid-phase testing involving physiochemical end-point determination, e.g. wave-guides, FETS, gratings
    • G01N33/5438—Electrodes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2200/00—Solutions for specific problems relating to chemical or physical laboratory apparatus
    • B01L2200/06—Fluid handling related problems
    • B01L2200/0673—Handling of plugs of fluid surrounded by immiscible fluid
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/06—Auxiliary integrated devices, integrated components
    • B01L2300/0627—Sensor or part of a sensor is integrated
    • B01L2300/0636—Integrated biosensor, microarrays
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/06—Auxiliary integrated devices, integrated components
    • B01L2300/0627—Sensor or part of a sensor is integrated
    • B01L2300/0645—Electrodes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0887—Laminated structure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/16—Surface properties and coatings
    • B01L2300/161—Control and use of surface tension forces, e.g. hydrophobic, hydrophilic
    • B01L2300/165—Specific details about hydrophobic, oleophobic surfaces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/16—Surface properties and coatings
    • B01L2300/168—Specific optical properties, e.g. reflective coatings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0403—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0403—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B01L2400/0415—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces electrical forces, e.g. electrokinetic
    • B01L2400/0427—Electrowetting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0403—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B01L2400/0454—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces radiation pressure, optical tweezers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502715—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by interfacing components, e.g. fluidic, electrical, optical or mechanical interfaces

Abstract

本发明公开了一种微流控芯片及其驱动方法、微流控器件和生物传感器，包括光电转换层、相对设置的第一电极和第二电极，所述第一电极与光电转换层之间留有用于放置液滴的通道，所述光电转换层位于所述第二电极的靠近第一电极的一侧，用于将入射光转换为电荷信号，从而驱动所述通道中的液滴移动。本发明通过在第一电极、第二电极之间施加外电场，并通过光照射光电转换层，使得光电转换层产生负电荷和正电荷，从而在光电转换层与第一电极之间产生电场，继而改变液滴的疏水状态(由疏水状态变为亲水状态)，驱动液滴移动。

Description

微流控芯片及其驱动方法、微流控器件和生物传感器
技术领域
本发明涉及微流控技术领域，特别是指一种微流控芯片及其驱动方法、微流控器件和生物传感器。
背景技术
数字微流控技术是指实现对离散液滴进行操控的微流控技术，其包括液滴产生和液滴操作两个部分。液滴产生部分负责产生从纳米尺度到微米尺度的微量液滴，耗时非常短。液滴操作包括基本的产生、运输、混合、分离等处理，数字微流控技术可以同时实现对多个液滴的不同操作，从而在芯片上实验室中实现大规模的液滴并行处理和检测分析，极大地提高了工作效率。
数字微流控技术可以将生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，并自动完成分析全过程。由于其可以降低成本，且具有检测时间短、灵敏度高等优点，已经在生物、化学、医学等领域展现巨大前景。
近年来，基于介电润湿技术的数字微流控技术可以操控离散的液滴，其具有消耗试剂少、节约成本、无交叉污染、对液滴可单独操控、易实现集成便携式系统等优点，已经成为科研界的研究热点。
但是，目前的微流控芯片需要将驱动电极与外界电路连接，增加了制作电极走线的步骤，而且驱动电路的设计较为繁琐，导致制作成本较高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种微流控芯片及其驱动方法、微流控器件和生物传感器，以解决制作工艺复杂、制作成本高的技术问题。
基于上述目的，在本发明的第一方面，本发明提供了一种微流控芯片，包括光电转换层、相对设置的第一电极和第二电极，所述第一电极与光电转换层之间留有用于放置液滴的通道，所述光电转换层位于所述第二电极的靠近第一电极的一侧，用于将入射光转换为电荷信号，从而驱动所述通道中的液滴移动。
在本发明的一些实施例中，所述光电转换层为PIN光电半导体层。
在本发明的一些实施例中，所述PIN光电半导体层包括依次层叠的P型半导体层、I型半导体层和N型半导体层，所述N型半导体层位于所述第二电极的靠近第一电极的一侧。
在本发明的一些实施例中，所述P型半导体层为P型非晶硅层，所述I型半导体层为I型非晶硅层，所述N型半导体层为N型非晶硅层。
在本发明的一些实施例中，所述微流控芯片还包括介质层，所述介质层位于所述光电转换层的靠近第一电极的一侧，所述通道位于第一电极与介质层之间。
在本发明的一些实施例中，所述介质层选自氮化硅、二氧化硅和铁电共聚物中的至少一种。
在本发明的一些实施例中，所述微流控芯片还包括第一疏水层和第二疏水层，所述第一疏水层位于所述第一电极的靠近第二电极的一侧，所述第二疏水层位于所述介质层的靠近第一电极的一侧，所述通道位于第一疏水层与第二疏水层之间。
在本发明的一些实施例中，所述微流控芯片还包括第三电极，所述第三电极位于介质层和光电转换层之间。
在本发明的一些实施例中，所述第三电极为电极阵列。
在本发明的一些实施例中，所述第一电极为面电极；和/或，所述第二电极为面电极。
在本发明的第二方面，本发明提供了一种微流控芯片的驱动方法，包括：
在第一电极和第二电极之间施加电压；
将光入射至光电转换层，所述光电转换层将入射光转换为电荷信号，从而驱动位于通道中的液滴移动。
在本发明的第三方面，本发明提供了一种微流控器件，包括上述任意一个实施例中所述的微流控芯片。
在本发明的第四方面，本发明提供了一种生物传感器，包括上述任意一个实施例中所述的微流控器件。
本发明实施例提供的微流控芯片及其驱动方法、微流控器件和生物传感器通过在第一电极、第二电极之间施加外电场，并通过光照射光电转换层，使得光电转换层产生负电荷和正电荷，从而在光电转换层与第一电极之间产生电场，在液滴表面感应出大量的负电荷，继而改变液滴的疏水状态(由疏水状态变为亲水状态)，驱动液滴移动。因此，本发明实施例提供的微流控芯片利用光驱动液滴移动，无需将驱动电极与外界电路连接，也就无需进行引线，方便进行大规模电极设计和大面积数字微流控芯片的制作，减少了电极走线对液滴的影响。而且，由于只需给第一电极和第二电极施加负压和正压，因此，无需复杂的电路驱动设计和高压电源，可以有效节省成本，简化制作工序。
附图说明
图1为现有技术中的微流控芯片在不加电场时的结构示意图；
图2为现有技术中的微流控芯片在外加电场时的结构示意图；
图3为本发明一个实施例的微流控芯片的结构示意图；
图4为本发明一个实施例的微流控芯片在光照射下的结构示意图；
图5为本发明另一个实施例的微流控芯片的结构示意图；
图6为本发明再一个实施例的微流控芯片的结构示意图；
图7为本发明又一个实施例的微流控芯片的结构示意图；
图8为本发明另一个实施例的微流控芯片的结构示意图；
图9为本发明另一个实施例的微流控芯片在光照射下的结构示意图；
图10为本发明另一个实施例的微流控芯片的在光驱动下移动的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
目前，数字微流控芯片主要采用基于电润湿技术的数字微流控技术，其基本结构如图1所示，是一种双平面三明治结构，包括上基板11、下基板17，上基板11和下基板17上分别设置有上电极12和下电极16，上电极12是一层面电极，下电极16是一个个可以单独控制的电极或者电极阵列，下电极16上还设置有介质层15，进一步地，上电极12上还旋涂有一层上疏水层13，介质层15上还旋涂有一层下疏水层14。所述上疏水层13与下疏水层14之间留有用于放置液滴3的通道10。液滴被夹在两个平板电极中间，上电极12整体作为地电极，而下电极16由多个可独立控制的微电极阵列组成。
当没有施加外加电场时，液滴保持疏水状态，液滴不动，如图1所示。忽略重力的影响，液滴在固体表面的接触角θ(0)可以由Young方程表示：
Figure BDA0001425221980000041
其中，γsol-gas、γsol-liq和γgas-liq分别是固体-气体、固体-液体和气体-液体之间的表面张力系数。
当给下电极16施加正电压V，上电极12接地后，上基板11、下基板17之间产生电场，改变液滴右下侧疏水状态，由疏水状态变为亲水状态，从而打破液滴的平衡，驱动液滴向右侧移动，如图2所示。
液滴在固体表面的接触角θ(V)由Young-Lippmann方程给出：
Figure BDA0001425221980000042
其中εr是介质层的相对介电常数，ε0是真空中的绝对介电常数，d是介质层的厚度。由Young-Lippmann方程可知，接触角变化和外加电势有关，随着外加电势增大，接触角变化可以持续增大。
可见，目前的微流控芯片需要将驱动电极(即下电极)与外界电路连接，以驱动不同的驱动电极，从而驱动液滴移动，这增加了制作电极走线的步骤，而且驱动电路的设计较为繁琐，导致制作成本较高。
为了解决上述问题，本发明实施例提出了一种微流控芯片及其驱动方法、微流控器件和生物传感器。
如图3所示，其为本发明一个实施例的微流控芯片的结构示意图。作为本发明的一个实施例，所述微流控芯片包括光电转换层22、相对设置的第一电极21和第二电极23，所述第一电极21与光电转换层22之间留有用于放置液滴3的通道20，所述光电转换层22位于所述第二电极23的靠近第一电极21的一侧，用于将入射光转换为电荷信号，从而驱动所述通道20中的液滴移动。
如图4所示，将液滴3放入通道20中，在第一电极21和第二电极23之间施加电压，将光4入射至光电转换层22，使得所述光电转换层22将入射光4转换为电荷信号，从而驱动位于通道20中的液滴3移动。具体地，在入射光4的照射下，光电转换层22中产生大量的负电荷和正电荷，其中，负电荷向第二电极23运动，正电荷向第一电极21运动，从而在第一电极21与光电转换层22之间产生电场。若入射光4照射在液滴3的右侧，则会在液滴3右下侧(靠近第二电极的一侧)表面感应出大量负电荷，改变液滴3右下侧的表面张力，使得液滴3右下侧由疏水状态变为亲水状态，从而打破液滴3的平衡状态，驱动液滴3向右侧移动。同样地，若入射光4照射在液滴3的左下侧(靠近第二电极的一侧)，则会改变液滴3左下侧的疏水状态，从而驱动液滴3向左侧移动。
需要指出的是，在该实施例中，所述第一电极21和第二电极23可以是面电极，通过入射光照射所述光电转换层22的不同位置而驱动液滴移动。而且，所述第二电极23为透明电极，以防止第二电极23影响照射光对光电转换层22的照射。可选地，所述第一电极21和/或第二电极23为铟锡氧化物半导体透明导电膜(ITO)。为了提高对入射光4照射位置的准确控制，所述入射光4可以是激光，从而准确地控制液滴的移动。
因此，本发明实施例提供的微流控芯片通过在第一电极、第二电极之间施加外电场，并通过光照射光电转换层，使得光电转换层产生负电荷和正电荷，从而在光电转换层与第一电极之间产生电场，继而改变液滴的疏水状态(由疏水状态变为亲水状态)，驱动液滴移动。因此，本发明实施例提供的微流控芯片利用光驱动液滴移动，无需将驱动电极与外界电路连接，也就无需进行引线，方便进行大规模电极设计和大面积数字微流控芯片的制作，减少了电极走线对液滴的影响。而且，由于只需给第一电极和第二电极施加负压和正压，因此，无需复杂的电路驱动设计和高压电源，可以有效节省成本，简化制作工序。
在本发明的一些实施例中，所述光电转换层22可以为PIN(Positive Intrinsic-Negative)光电半导体层。因此，当入射光4照射PIN光电半导体层22时，在PIN光电半导体层内产生光电子和空穴，同时在反向偏压的作用下，光电子朝着第二电极23的方向运动，空穴朝着第一电极21的方向运动，在第一电极21与光电转换层22之间产生电场，改变液滴的疏水状态，被光照射的液滴表面由疏水状态变为亲水状态，打破了液滴的平衡，驱动液滴移动。
作为本发明的另一个实施例，如图5所示，所述PIN光电半导体层22包括依次层叠的P型半导体层221、I型半导体层222和N型半导体层223，所述N型半导体层223位于所述第二电极23的靠近第一电极21的一侧。即所示P型半导体层221远离第二电极23。因此，当入射光4照射PIN光电半导体层22时，在PIN光电半导体层22内产生光电子和空穴，同时在反向偏压的作用下，光电子向N型半导体层223运动，空穴向P型半导体层221运动，从而在第一电极21与P型半导体层221之间产生电场，从而在液滴表面感应出大量的负电荷，改变液滴该处的表面张力，使得液滴该处由疏水状态变为亲水状态，从而打破液滴的平衡状态，驱动液滴移动。
作为本发明的又一个实施例，所述P型半导体层221为P型非晶硅层，所述I型半导体层222为I型非晶硅层，所述N型半导体层223为N型非晶硅层，以产生大量的光电子和空穴，并使光电子和空穴分别向述N型半导体层、P型非晶硅层运动。
如图6所示，其为本发明再一个实施例的微流控芯片的结构示意图。作为本发明的再一个实施例，所述微流控芯片还包括介质层24，所述介质层24位于所述光电转换层22的靠近第一电极21的一侧，所述通道20位于第一电极与介质层之间。那么，在保证液滴与介质层之间发生电润湿的同时，防止液滴3和光电转换层22之间的直接接触，防止液滴被电解。所述介质层由绝缘材料制成，可以阻止电荷的交换,在承受着高电场强度的情况下,形成界面电荷的再分布。因而在初始疏水的界面上，可以获得一个较大的接触角变化量，从而获得较大的驱动力。
在本发明的一些实施例中，所述介质层可以选自氮化硅、二氧化硅和铁电共聚物中的至少一种，也可以是树脂，以使液滴与介质层之间发生电润湿，改变液滴与介质层的接触角，从而电驱动液滴移动。可以备选的介质层材料还有Paxylene C，PzT，P(VDF-TrFE)。Parylene C同时具有优良的电、化学、机械性能。PZT(Pb(ZrxTi(l-x))O3，压电陶瓷锆钛酸铅)是一种性能优良的压电、铁电材料，具有很高的介电常数。P(VDF-TrFE)是一种有机高分子铁电材料和压电材料，具有较高的介电常数和优良的机械性能和绝缘性能，更重要的是，它对可见光的透射率高，方便全集成硅基生物传感器的检测信号传递给底层的光敏传感系统。
如图7所示，其为本发明又一个实施例的微流控芯片的结构示意图。作为本发明的又一个实施例，所述微流控芯片还包括第一疏水层25和第二疏水层26，所述第一疏水层25位于所述第一电极21的靠近第二电极23的一侧，所述第二疏水层26位于所述介质层24的靠近第一电极21的一侧，所述通道20位于第一疏水层25与第二疏水层26之间，以便固-液接触角初始值较大，形成一个较大的变化区间，从而获得较大的驱动力。
可选地，所述第一疏水层25和/或第二疏水层26可以为Teflon(特氟龙)、CYTOP氟涂层等，以增大液滴与第一电极之间的接触角，以增大液滴与介质层的接触角。因此，可以给固-液接触角预留一个较大的变化范围，产生较大的表面张力梯度，以便获得较大的驱动力，也可以减少液滴与固体表面的接触面积，进而减小液滴的流动阻力。
参见图8，其为本发明另一个实施例的微流控芯片的结构示意图。在本发明的一些实施例中，所述微流控芯片还包括第三电极27，所述第三电极27位于介质层24和光电转换层22之间，使得第三电极27与液滴3之间产生电场。在本发明的一些实施例中，所述第三电极27为电极阵列，以使仅在光照射位置所对应的电极与第一电极之间产生电场，从而提高对液滴的可控性。因此，本发明实施例提供的微流控芯片可以通过对光照位置的精确定位，独立控制不同区域的界面张力。可选地，所述第三电极可以为铟锡氧化物半导体透明导电膜(ITO)。
作为本发明的又一个实施例，所述微流控芯片还可以包括第一基板28和第二基板29，所述第一基板28位于所述第一电极21背离第二电极23的一侧，所述第二基板29位于所述第二电极23背离第一电极21的一侧，所述第一基板28和第二基板29起到支撑和保护微流控芯片的作用。可选地，所述第二基板29为透明基板，以防止第二基板29影响照射光对光电转换层22的照射。
参见图9，其为本发明另一个实施例的微流控芯片在光照射下的结构示意图。给第一电极21施加负电压，给第二电极23施加正电压，当光4照射第二基板29时，光4透过第二基板29照射至PIN光电半导体层22，PIN光电半导体层22内产生光电子和空穴，同时在反向偏压的作用下，光电子向N型半导体层223运动，空穴向P型半导体层221运动，从而在第一电极21与P型半导体层221之间产生电场，从而在液滴表面感应出大量的负电荷，改变液滴该处的表面张力，使得液滴该处由疏水状态变为亲水状态，从而打破液滴的平衡状态，驱动液滴移动，如图10所示。
具体地，若入射光照射在液滴的右侧，则会在液滴右下侧(靠近第二电极的一侧)表面感应出大量负电荷，改变液滴右下侧的表面张力，使得液滴右下侧由疏水状态变为亲水状态，从而打破液滴的平衡状态，驱动液滴向右侧移动。如果光持续照射液滴的右下侧，则可以是液滴连续地向右移动，如图10所示。同样地，若入射光照射在液滴的左下侧(靠近第二电极的一侧)，则会改变液滴左下侧的疏水状态，从而驱动液滴向左侧移动。
作为本发明的又一个实施例，本发明还提供了一种微流控芯片的驱动方法，包括：
在第一电极和第二电极之间施加电压；
将光入射至光电转换层，所述光电转换层将入射光转换为电荷信号，从而驱动位于通道中的液滴移动。
具体地，在入射光的照射下，光电转换层中产生大量的负电荷和正电荷，其中，负电荷向第二电极运动，正电荷向第一电极运动，从而在第一电极与光电转换层之间产生电场，并在液滴表面感应出大量的负电荷，继而改变液滴的疏水状态。
因此，本发明实施例提供的微流控芯片通过在第一电极、第二电极之间施加外电场，并通过光照射光电转换层，使得光电转换层产生负电荷和正电荷，从而在光电转换层与第一电极之间产生电场，在液滴表面感应出大量的负电荷，继而改变液滴的疏水状态(由疏水状态变为亲水状态)，驱动液滴移动。因此，本发明实施例提供的微流控芯片利用光驱动液滴移动，无需将驱动电极与外界电路连接，也就无需进行引线，方便进行大规模电极设计和大面积数字微流控芯片的制作，减少了电极走线对液滴的影响。而且，由于只需给第一电极和第二电极施加负压和正压，因此，无需复杂的电路驱动设计和高压电源，可以有效节省成本，简化制作工序。
作为本发明的另一个实施例，本发明还提供了一种微流控器件，包括上述任意一个实施例中所述的微流控芯片。所述微流控器件通过在第一电极、第二电极之间施加外电场，并通过光照射光电转换层，使得光电转换层产生负电荷和正电荷，从而在光电转换层与第一电极之间产生电场，继而改变液滴的疏水状态(由疏水状态变为亲水状态)，驱动液滴移动。
作为本发明的再一个实施例，本发明提供了一种生物传感器，包括上述任意一个实施例中所述的微流控器件。所述生物传感器利用光驱动液滴移动，无需将驱动电极与外界电路连接，也就无需进行引线，方便进行大规模电极设计和大面积数字微流控芯片的制作，减少了电极走线对液滴的影响。而且，由于只需给第一电极和第二电极施加负压和正压，因此，无需复杂的电路驱动设计和高压电源，可以有效节省成本，简化制作工序。
由此可见，本发明实施例提供的微流控芯片及其驱动方法、微流控器件和生物传感器通过在第一电极、第二电极之间施加外电场，并通过光照射光电转换层，使得光电转换层产生负电荷和正电荷，从而在光电转换层与第一电极之间产生电场，在液滴表面感应出大量的负电荷，继而改变液滴的疏水状态(由疏水状态变为亲水状态)，驱动液滴移动。因此，本发明实施例提供的微流控芯片利用光驱动液滴移动，无需将驱动电极与外界电路连接，也就无需进行引线，方便进行大规模电极设计和大面积数字微流控芯片的制作，减少了电极走线对液滴的影响。而且，由于只需给第一电极和第二电极施加负压和正压，因此，无需复杂的电路驱动设计和高压电源，可以有效节省成本，简化制作工序。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微流控芯片，其特征在于，包括光电转换层、相对设置的第一电极和第二电极，所述第一电极与光电转换层之间留有用于放置液滴的通道，所述光电转换层位于所述第二电极的靠近第一电极的一侧，用于将入射光转换为电荷信号，从而驱动所述通道中的液滴移动；
所述微流控芯片还包括介质层和第三电极，所述介质层位于所述光电转换层的靠近第一电极的一侧，所述通道位于第一电极与介质层之间，所述第三电极为电极阵列且位于介质层和光电转换层之间，在入射光照射位置的所述电极阵列中的电极与所述第一电极之间产生电场，以提高对液滴的可控性。
2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述光电转换层为PIN光电半导体层。
3.根据权利要求2所述的微流控芯片，其特征在于，所述PIN光电半导体层包括依次层叠的P型半导体层、I型半导体层和N型半导体层，所述N型半导体层位于所述第二电极的靠近第一电极的一侧。
4.根据权利要求3所述的微流控芯片，其特征在于，所述P型半导体层为P型非晶硅层，所述I型半导体层为I型非晶硅层，所述N型半导体层为N型非晶硅层。
5.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述介质层选自氮化硅、二氧化硅和铁电共聚物中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，还包括第一疏水层和第二疏水层，所述第一疏水层位于所述第一电极的靠近第二电极的一侧，所述第二疏水层位于所述介质层的靠近第一电极的一侧，所述通道位于第一疏水层与第二疏水层之间。
7.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述第一电极为面电极；和/或，所述第二电极为面电极。
8.一种如权利要求1-7任意一项中所述的微流控芯片的驱动方法，其特征在于，包括：
在第一电极和第二电极之间施加电压；
将光入射至光电转换层，所述光电转换层将入射光转换为电荷信号，从而驱动位于通道中的液滴移动。
9.一种微流控器件，其特征在于，包括权利要求1-7中任意一项所述的微流控芯片。
10.一种生物传感器，其特征在于，包括权利要求9所述的微流控器件。
CN201710912397.5A 2017-09-29 2017-09-29 微流控芯片及其驱动方法、微流控器件和生物传感器 Active CN107971049B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710912397.5A CN107971049B (zh) 2017-09-29 2017-09-29 微流控芯片及其驱动方法、微流控器件和生物传感器
US15/922,084 US20190099756A1 (en) 2017-09-29 2018-03-15 Micro-fluidic chip, driving method thereof, micro-fluidic element and biosensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710912397.5A CN107971049B (zh) 2017-09-29 2017-09-29 微流控芯片及其驱动方法、微流控器件和生物传感器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107971049A CN107971049A (zh) 2018-05-01
CN107971049B true CN107971049B (zh) 2020-07-31

Family

ID=62012303

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710912397.5A Active CN107971049B (zh) 2017-09-29 2017-09-29 微流控芯片及其驱动方法、微流控器件和生物传感器

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20190099756A1 (zh)
CN (1) CN107971049B (zh)

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108816299B (zh) * 2018-04-20 2020-03-27 京东方科技集团股份有限公司 微流控基板及其驱动方法、微全分析系统
CN108620143B (zh) * 2018-06-28 2020-05-05 京东方科技集团股份有限公司 数字微流控芯片及其驱动方法
CN108970658B (zh) 2018-07-27 2020-03-06 京东方科技集团股份有限公司 一种有源矩阵数字微流控芯片
CN109234158B (zh) * 2018-10-08 2021-08-06 北京京东方技术开发有限公司 生物芯片及其制造方法、操作方法、生物检测系统
CN109340467B (zh) * 2018-10-17 2020-06-30 京东方科技集团股份有限公司 微流控管道、微流控管道的控制方法和制作方法
CN109737022A (zh) * 2019-01-14 2019-05-10 陈春 一种基于液体表面张力的动力驱动装置
WO2020210981A1 (en) * 2019-04-16 2020-10-22 Boe Technology Group Co., Ltd. Micro-channel device and manufacturing method thereof and micro-fluidic system
CN110064447B (zh) * 2019-04-25 2020-04-21 电子科技大学 一种采用电场控制的数字微流控制装置及控制方法
EP4322409A3 (de) * 2019-05-15 2024-04-17 TDK Electronics AG Ferroelektrischer sensor
CN110193386B (zh) * 2019-06-04 2021-07-20 香港理工大学深圳研究院 一种基于介电电泳/电浸润效应的微流芯片
CA3159444A1 (en) * 2019-11-26 2021-06-03 Regents Of The Unviversity Of Minnesota Low-voltage microfluidic devices
CN111001452B (zh) 2019-12-20 2022-04-05 京东方科技集团股份有限公司 一种微型全分析器件及其制作方法
TW202137942A (zh) * 2020-04-14 2021-10-16 國立中正大學 用於辨別癌細胞部位及病變程度的生物感測晶片及方法
CN114126760A (zh) * 2020-05-13 2022-03-01 京东方科技集团股份有限公司 微流控芯片及其加液方法、微流控系统
CN112718028B (zh) * 2020-12-24 2022-11-01 深圳先进技术研究院 一种光操控液滴运动材料及其制备方法和应用
CN114146739A (zh) * 2021-12-17 2022-03-08 北京理工大学 一种dmf介电层覆膜方法、系统及数字微流控芯片
WO2024060198A1 (zh) * 2022-09-23 2024-03-28 京东方科技集团股份有限公司 数字微流控装置及其检测方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102081335A (zh) * 2010-11-18 2011-06-01 北京航空航天大学 光电协同诱导各向异性浸润的液体图案化器件及制备方法
CN102360009A (zh) * 2011-07-22 2012-02-22 南开大学 用于生理体液多指标联合检测的半导体芯片及系统
CN105510615A (zh) * 2015-12-30 2016-04-20 河北工业大学 一种基于y切铌酸锂晶片的微液滴输运方法
CN106255888A (zh) * 2014-04-25 2016-12-21 伯克利照明有限公司 在同一微流体装置的不同部分中的dep力控制和电润湿控制

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6184456B1 (en) * 1996-12-06 2001-02-06 Canon Kabushiki Kaisha Photovoltaic device
WO2005100541A2 (en) * 2004-04-12 2005-10-27 The Regents Of The University Of California Optoelectronic tweezers for microparticle and cell manipulation
CN107607475B (zh) * 2017-09-06 2020-05-26 京东方科技集团股份有限公司 微全分析系统及方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102081335A (zh) * 2010-11-18 2011-06-01 北京航空航天大学 光电协同诱导各向异性浸润的液体图案化器件及制备方法
CN102360009A (zh) * 2011-07-22 2012-02-22 南开大学 用于生理体液多指标联合检测的半导体芯片及系统
CN106255888A (zh) * 2014-04-25 2016-12-21 伯克利照明有限公司 在同一微流体装置的不同部分中的dep力控制和电润湿控制
CN105510615A (zh) * 2015-12-30 2016-04-20 河北工业大学 一种基于y切铌酸锂晶片的微液滴输运方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN107971049A (zh) 2018-05-01
US20190099756A1 (en) 2019-04-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107971049B (zh) 微流控芯片及其驱动方法、微流控器件和生物传感器
CN108169966B (zh) 液滴控制检测器件及液滴控制检测方法
CN107607475B (zh) 微全分析系统及方法
CN108620143B (zh) 数字微流控芯片及其驱动方法
KR100991752B1 (ko) 단일 평면 광전자 소자를 이용한 미세입자 구동장치 및구동방법
CN107497509B (zh) 微流控系统及其驱动方法
Chiou et al. Droplet manipulation with light on optoelectrowetting device
CN108816299B (zh) 微流控基板及其驱动方法、微全分析系统
JP2005531409A (ja) 光・電気濡れに基づくマイクロフルイディクスの光学的駆動のための装置と方法
US20200147612A1 (en) Microfluidic device, method of using microfluidic device and micro total analysis system
US20200319135A1 (en) Microfluidic chip and manufacturing method thereof and integrated microfluidic chip system
US11691147B2 (en) Digital microfluidic chip and digital microfluidic system
US11383238B2 (en) Microfluidic apparatus, and method of detecting substance using microfluidic apparatus
Caputo et al. Amorphous silicon photosensors integrated in microfluidic structures as a technological demonstrator of a “true” Lab-on-Chip system
KR100921561B1 (ko) 전극일체형 광전자적 미세입자 구동장치
CN108844900B (zh) 微流体检测装置及方法
CN109894168B (zh) 微流控基板及微全分析系统
Xu et al. Digital Microfluidic Lab-on-a-Chip on a TFT Glass Substrate Enabling Point-of-Care Testing
CN212167470U (zh) 基于cmos图像传感的光波导微流体芯片
Caputo et al. Amorphous silicon photosensors for on-chip detection in digital microfluidic system
CN109873053A (zh) 阵列基板、其制备方法及数字微流控芯片
US20230204025A1 (en) Electronic device
Schafer et al. Microfluidics meets thin-film electronics: a new approach toward an integrated intelligent lab-on-a-chip
CN212167472U (zh) 基于cmos图像传感的光栅波导微流体芯片
KR100841021B1 (ko) 평판 디스플레이 및 렌즈를 이용한 미세입자 구동장치 및구동방법

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant