CN107983426A - 热驱动数字微流控芯片、制作方法及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微流控技术领域，提出一种热驱动数字微流控芯片、制作方法及工作方法。该热驱动数字微流控芯片包括：第一基板、第二基板、毛细通道、多个第一电热组件以及多个第一开关元件。第二基板与第一基板相对设置；毛细通道设置于第一基板和/或第二基板；多个第一电热组件设置于第一基板，且沿毛细通道延伸方向间隔分布；每个第一开关元件连接在一个第一电热组件所在的电流回路中，且接收控制信号，以控制多个第一电热组件所在电流回路的闭合。本发明可以在毛细通道内表面不设置疏水层的情况下，实现液滴在毛细通道内的定向移动，可以循环使用。同时，本发明通过加温改变液滴两端表面张力大小驱动液滴移动，驱动力较大。
Description
技术领域
本发明涉及微流控技术领域，尤其涉及一种热驱动数字微流控芯片、制作方法及工作方法。
背景技术
微流控芯片技术是将样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块厘米尺度的芯片上。该技术大大降低了样品成本，提高了检测效率。近年来备受追捧，广泛应用于生物、化学、医学等领域。
目前，主流的微流控芯片驱动方式为电极驱动，又叫电压式数字微流控。电压式数字微流控是将液滴放置在具有疏水层的毛细通道内，借助电润湿效应，通过在液滴与疏水层下的电极之间外加电压，增加电极所在位置液滴与疏水层之间的润湿性，从而形成液滴不对称形变并产生内部压强差，进而实现液滴定向移动以及混合。
然而，电压式数字微流控芯片为了获得足够的液滴驱动力，需要在毛细通道表面旋涂疏水材料或制成疏水结构。液滴不加电压时，不润湿于疏水层；液滴外加电压时，润湿于疏水层；从而获得较大的形变和内部压强差。因而，该芯片工艺难度大、成本高。同时，该芯片进行清洗时，容易损坏疏水层，不利于重复使用。
需要说明的是，在上述背景技术部分发明的信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热驱动数字微流控芯片、制作方法及工作方法。至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。
本发明的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本发明的实践而习得。
根据本发明的一个方面，提供一种热驱动数字微流控芯片，该热驱动数字微流控芯片包括：第一基板、第二基板、毛细通道、多个第一电热组件以及多个第一开关元件。第二基板与第一基板相对设置；毛细通道设置于第一基板和/或第二基板；多个第一电热组件设置于第一基板，且沿毛细通道延伸方向间隔分布；每个第一开关元件连接在一个第一电热组件所在的电流回路中，且接收控制信号，以控制多个第一电热组件所在电流回路的闭合。
本发明的一种示例性实施例中，还包括：多个第二电热组件和多个第二开关元件。多个第二电热组件位于所述第二基板，且沿所述毛细通道延伸方向间隔分布；每个所述第二开关元件连接在一个所述第二电热组件所在的电流回路中，且接收控制信号，以控制多个所述第二电热组件所在电流回路的闭合。
本发明的一种示例性实施例中，所述第一基板和/或所述第二基板键合面上设置有微流通道；所述第一基板与所述第二基板键合时，所述微流通道形成所述毛细通道。
本发明的一种示例性实施例中，所述第一开关元件设置在所述第一基板上；所述第二开关元件设置在所述第二基板上。
本发明的一种示例性实施例中，所述第一开关元件和所述第二开关元件为薄膜晶体管；所述薄膜晶体管表面覆盖有绝缘材料。
本发明的一种示例性实施例中，所述第一电热组件、第二电热组件以及所述薄膜晶体管表面绝缘材料上设置有隔液材料；所述隔液材料为导热材料。
根据本发明的一个方面，提供一种热驱动数字微流控芯片制作方法，该热驱动数字微流控芯片制作方法包括：
在对应设置的第一基板和/或所述第二基板上设置毛细通道；
在所述第一基板上设置多个第一电热组件，多个所述第一电热组件沿所述毛细通道延伸方向间隔分布；
在每个所述第一电热组件所在电流回路中设置第一开关元件，以控制多个所述第一电热组件所在电流回路的闭合。
本发明的一种示例性实施例中，还包括：
在所述第二基板上设置多个第二电热组件，所述第二电热组件沿所述毛细通道延伸方向间隔分布；
在每个所述第二电热组件所在电流回路中设置第二开关元件，以控制多个所述第二电热组件所在电流回路的闭合。
本发明的一种示例性实施例中，所述在对应设置的第一基板和/或所述第二基板上设置毛细通道包括：
在所述第一基板和/或所述第二基板键合面上设置微流通道；
将所述第二基板与所述第一基板键合，所述微流通道形成所述毛细通道。
本发明的一种示例性实施例中，所述在每个所述第一电热组件所在电流回路中设置第一开关元件包括：在所述第二基板与所述第一基板键合前，
将所述第一开关元件设置在所述第一基板上；
所述在每个所述第二电热组件所在电流回路中设置第二开关元件包括：在所述第二基板与所述第一基板键合前，
将所述第二开关元件设置在所述第二基板上；
且所述第一开关元件和所述第二开关元件表面覆盖有绝缘层。
本发明的一种示例性实施例中，在所述第二基板与所述第一基板键合前，还包括：
在所述第一电热组件、所述第二电热组件以及所述第一开关元件、第二开关元件绝缘层上设置隔液材料。
根据本发明的一个方面，提供一种热驱动数字微流控芯片控制方法，包括：
通过改变所述热驱动数字微流控芯片内液滴两侧的温度，实现所述液滴在所述热驱动数字微流控芯片内的定向移动。
本发明的一种示例性实施例中，该热驱动数字微流控芯片控制方法，应用于一包括毛细通道、多个电热组件以及多个开关元件的热驱动数字微流控芯片；所述多个电热组件沿所述毛细通道延伸方向间隔分布，每个所述开关元件连接在一个所述电热组件所在的电流回路中；包括：
控制所述开关元件导通所述电热组件所在的电流回路，实现所述电热组件发热；
通过不同位置的所述电热组件对所述液滴的不同位置进行加热，实现所述液滴两侧的温度差。由上述技术方案可知，本发明的热驱动数字微流控芯片、制作方法及工作方法的优点和积极效果在于：
本发明一种示例性实施例所提供的热驱动数字微流控芯片、制作方法及工作方法，该热驱动数字微流控芯片通过改变芯片上毛细通道内液滴两侧的温度，改变液滴两侧的表面张力的大小，从而实现液滴在毛细通道内的定向移动。相比于相关技术，一方面，该热驱动数字微流控芯片不需要设置疏水层即可实现液滴的定向移动，结构简单、成本较低并且可以循环使用。另一方面，该热驱动数字微流控芯片驱动力较大。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明热驱动数字微流控芯片一种实施方式的结构示意图；
图2为本发明热驱动数字微流控芯片一种实施方式中沿毛细通道的截面图；
图3为本发明热驱动数字微流控芯片另一种实施方式中沿毛细通道的截面图；
图4为本发明热驱动数字微流控芯片制作方法的一种实施方式的流程图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例性实施方式。然而，示例性实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施例使得本发明将更加全面和完整，并将示例性实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。其他相对性的用语，例如“高”“低”“顶”“底”“左”“右”等也作具有类似含义。当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。
用语“一个”、“一”、“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。
本示例性实施例提供一种热驱动数字微流控芯片，如图1所示，为本发明热驱动数字微流控芯片一种实施方式的结构示意图。该热驱动数字微流控芯片包括：第一基板1、第二基板2、毛细通道3、多个第一电热组件4以及多个第一开关元件5。第二基板2与第一基板1相对设置；毛细通道3设置于第一基板和/或第二基板；多个第一电热组件4设置于第一基板1，且沿毛细通道延伸方向间隔分布；每个第一开关元件5连接在一个第一电热组件4所在的电流回路中，且接收控制信号，以控制多个第一电热组件所在电流回路的闭合。需要说明的是，第一开关元件5可以为场效应管，其包括漏极、源极以及栅极。当栅极电压达到导通电压时，源极和漏极之间导通；当栅极电压小于导通电压时，源极和漏极之间阻断。第一开关元件5的漏极和源极可以连接在第一电热组件4所在的电流回路中，栅极接收控制信号。控制信号可以使第一开关元件5源极和漏极导通，从而连通第一电热组件4所在的电流回路。
本示例性实施例所提供的热驱动数字微流控芯片、制作方法及工作方法。该热驱动数字微流控芯片通过改变芯片上毛细通道内液滴两侧的温度，改变液滴两侧的表面张力的大小，造成液滴两侧表面张力不平衡，从而实现液滴在毛细通道内的定向移动。相比于相关技术，一方面，该热驱动数字微流控芯片不需要设置疏水层即可实现液滴的定向移动，结构简单、成本较低并且可以循环使用。另一方面，该热驱动数字微流控芯片驱动力较大。
需要说明的是，加热液滴表面可以减小其表面张力的原理是：当液滴表面温度升高时，液滴表面的分子动能增大，分子间的吸引力较小；同时由于温度升高，液滴表面的分子浓度减小；因而当液滴表面温度升高时，液滴的表面张力会减小。由上述可知，本示例性实施例中，通过加热液滴表面减小其表面张力的技术方案中，液滴既可以润湿于毛细通道也可以不润湿于毛细通道，毛细通道内既可以设置疏水层也可以不设置疏水层。当毛细通道内表面不存在疏水层时，液滴可以润湿或不润湿于毛细通道，通过加热液滴表面均可以减小液滴表面的张力。当毛细通道内表面存在疏水层时，液滴同样可以润湿或不润湿于毛细通道，通过加热液滴表面仍可以减小液滴表面的张力。本示例性实施例中，疏水层可以增加液滴移动的平滑性。本示例性实施例以毛细通道内表面不设置疏水层为例进行说明。
本示例性实施例中，可以在第一基板1或第二基板2表面上预留进液口6，进液口6与毛细通道3连通，用于向毛细通道内输入液滴。第一电热组件4可以选择为电热阻丝，电热阻丝在导通状态下发热用以加热液滴。第一开关元件5可以选择是薄膜晶体管，薄膜晶体管的栅极可以与集成电路连接，集成电路可以同时向一个或者多个薄膜晶体管发送控制信号，控制一个或者多个薄膜晶体管的开启，以满足液滴不同移动状态的需求。毛细通道3可以根据具体需求设计成不同的形状及大小。本领域技术人员应该理解的是，第一电热组件4、第一开关元件5还可以有更多的选择方式，这些都属于本发明的保护范围。
本示例性实施例中，毛细通道形成的一种方式可以是：在所述第一基板1和/或所述第二基板2键合面上设置微流通道；所述第一基板1与所述第二基板2键合时，所述微流通道形成所述毛细通道3。该方式工艺简单，实现成本较低；同时该方式也可以方便第一开关元件和第一电热组件的布置。需要说明的是，毛细通道的形成仍有更多的方式可供选择，例如：一体成型技术等，这些变化应该理解皆属于本发明的保护范围。
本示例性实施例中，毛细通道的设置存在三种可实施的技术方案，包括：毛细通道3设置于第一基板1上；毛细通道3设置于第二基板2上；毛细通道3设置于第一基板1和第二基板2上。
本示例性实施例首先以毛细通道3设置于第二基板为例进行说明，如图2所示，为本发明热驱动数字微流控芯片一种实施方式中沿毛细通道的截面图。所述第一开关元件5设置在第一基板上，所述第一开关元件5表面覆盖有绝缘材料8；所述第一电热组件4、第一开关元件5表面绝缘材料上设置有隔液材料9；所述隔液材料9为导热材料。
需要说明的是，第一开关元件5可以与第一电热组件4同层设置，以提高芯片整体的紧凑型。绝缘材料8可以选择为聚氯乙稀树脂。隔液材料9可以选择为氧化铟锡。氧化铟锡具有良好的导热性，可以快速的将第一电热组件的热量传递给液滴。
本示例性实施例中，首先以液滴7润湿于毛细通道3内表面为例进行说明，当液滴7润湿于毛细通道3内表面时，液滴7位于毛细通道3的两侧形成凹形液面。两侧凹形液面的表面张力分别面向各自一侧方向。即左侧液面表面张力面向左方；右侧液面表面张力面向右方。当位于液滴左侧的第一电热组件4对液滴加热时，液滴左侧凹形液面的温度高于右侧凹形液面的温度，液滴左侧的表面张力小于右侧的表面张力，液滴在右侧的表面张力的作用下向右侧移动。
需要说明的是，当液滴不润湿于毛细通道时，液滴在毛细通道内的两侧形成凸形液面，凸形液面的表面张力面向液滴内部一侧，即左侧液面表面张力面向右方；右侧液面表面张力面向左方。当位于液滴左侧的第一电热组件对液滴加热时，液滴左侧凸形液面的温度高于右侧凸形液面的温度，液滴左侧的表面张力小于右侧的表面张力，液滴在右侧的表面张力的作用下向左侧移动。上述示例性实施例中，毛细通道3设置于第二基板2上，第一加热组件4设置于第一基板1上。第一基板1与第二基板2键合时会存在一定的误差，造成第一加热组件4不能严格沿毛细通道3延伸方向分布。本示例性实施例还提出一种毛细通道的设置方法：毛细通道3设置于第一基板1上。
需要说明的是，本示例性实施例可以在第一基板1上形成微流通道，在微流通道内设置第一电热组件4、第一开关元件5、绝缘材料以及隔液材料。当第二基板2与第一基板1键合时，所述微流通道形成毛细通道3。此时，电热组件4严格沿毛细通道3延伸方向分布。
上述示例性实施例中液滴7仅仅由第一基板1上分布的第一电热组件4加热，加热速度较慢。如图3所示，为本发明热驱动数字微流控芯片一种实施方式中沿毛细通道的截面图。本示例性实施例中，还可以包括：多个第二电热组件10和多个第二开关元件11。多个第二电热组件11可以位于所述第二基板2，且沿所述毛细通道3延伸方向间隔分布；每个所述第二开关元件11连接在一个所述第二电热组件10所在的电流回路中，且接收控制信号，以控制多个所述第二电热组件10所在电流回路的闭合。
需要说明的是，第二电热组件10也可以选择为电热阻丝，电热阻丝在导通状态下发热用以加热液滴。第二开关元件11可以选择为薄膜晶体管，设置于第二基板2上，且与第二电热组件同层设置，以提高芯片整体的紧凑型。第一开关元件5与第二开关元件11可以与同一集成电路连接。集成电路可以同时发送控制信号给第一开关元件5和第二开关元件11，以导通所述第一电热组件4和第二电热组件10所在电路。控制第一电热组件4和第二电热组件10同时发热，从而实现液滴的快速加热。所述第二开关元件11表面也可以覆盖有绝缘材料；所述第二电热组件10、第二开关元件11表面绝缘材料上也可以设置有隔液材料；所述隔液材料为导热材料。其中，绝缘材料可以选择为聚氯乙稀树脂。隔液材料可以选择为氧化铟锡。氧化铟锡具有良好的导热性，可以快速的将第一电热组件的热量传递给液滴。
需要说明的是，第二基板2上可以不设置微流通道也可以设置微流通道。第二基板2上不设置微流通道时，第二电热组件10可以直接设置在第二基板上，第二基板与第一基板上键合时，第一基板上的微流通道形成毛细通道；第二基板上设置有微流通道时，第二电热组件设置在微流通道上，第一基板和第二基板键合时，第一基板上的微流通道与第二基板上的微流通道相对，组合形成毛细通道。
本示例性实施例还提供一种热驱动数字微流控芯片制作方法，如图4所示，为本发明热驱动数字微流控芯片制作方法的一种实施方式的流程图。该热驱动数字微流控芯片制作方法包括：
步骤S1：在对应设置的第一基板和/或所述第二基板上设置毛细通道；
步骤S2：在所述第一基板上设置多个第一电热组件，多个所述第一电热组件沿所述毛细通道延伸方向间隔分布；
步骤S3：在每个所述第一电热组件所在电流回路中设置第一开关元件，以控制多个所述第一电热组件所在电流回路的闭合。
本示例性实施例中，还包括：
在所述第二基板上设置多个第二电热组件，所述第二电热组件沿所述毛细通道延伸方向间隔分布；
在每个所述第二电热组件所在电流回路中设置第二开关元件，以控制多个所述第二电热组件所在电流回路的闭合。
本示例性实施例中，所述在对应设置的第一基板和/或所述第二基板上设置毛细通道包括：
在所述第一基板和/或所述第二基板键合面上设置微流通道；
将所述第二基板与所述第一基板键合，所述微流通道形成所述毛细通道。
本示例性实施例中，所述在每个所述第一电热组件所在电流回路中设置第一开关元件包括：在所述第二基板与所述第一基板键合前，
将所述第一开关元件设置在所述第一基板上；
所述在每个所述第二电热组件所在电流回路中设置第二开关元件包括：在所述第二基板与所述第一基板键合前，
将所述第二开关元件设置在所述第二基板上；
且所述第一开关元件和所述第二开关元件表面覆盖有绝缘层。
本示例性实施例中，在所述第二基板与所述第一基板键合前，还包括：
在所述第一电热组件、所述第二电热组件以及所述第一开关元件、第二开关元件绝缘层上设置隔液材料。
需要说明的是，本示例性实施例提供的热驱动数字微流控芯片制作方法与本示例性实施例所提供的热驱动数字微流控芯片具有相同的结构，其工作原理及技术特征分析在热驱动数字微流控芯片中已经做出了详细的说明，此处不再赘述。
本示例性实施例还提供一种热驱动数字微流控芯片控制方法，包括：
通过改变所述热驱动数字微流控芯片内液滴两侧的温度，实现所述液滴在所述热驱动数字微流控芯片内的定向移动。
需要说明的是，该热驱动数字微流控芯片控制方法可以应用于一包括毛细通道、多个电热组件以及多个开关元件的热驱动数字微流控芯片；所述多个电热组件沿所述毛细通道延伸方向间隔分布，每个所述开关元件连接在一个所述电热组件所在的电流回路中；该控制方法包括：控制所述开关元件导通所述电热组件所在的电流回路，实现所述电热组件发热；通过不同位置的所述电热组件对所述液滴的不同位置进行加热，实现所述液滴两侧的温度差。
本领域技术人员在考虑说明书及实践后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
上述所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中，如有可能，各实施例中所讨论的特征是可互换的。在上面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组件、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明的各方面。
Claims (10)
1.一种热驱动数字微流控芯片，其特征在于，包括：
第一基板；
第二基板，与所述第一基板相对设置；
毛细通道，设置于所述第一基板和/或所述第二基板；
多个第一电热组件，设置于所述第一基板，且沿所述毛细通道延伸方向间隔分布；
多个第一开关元件，每个所述第一开关元件连接在一个所述第一电热组件所在的电流回路中，且接收控制信号，以控制多个所述第一电热组件所在电流回路的闭合。
2.根据权利要求1所述的热驱动数字微流控芯片，其特征在于，还包括：
多个第二电热组件，位于所述第二基板，且沿所述毛细通道延伸方向间隔分布；
多个第二开关元件，每个所述第二开关元件连接在一个所述第二电热组件所在的电流回路中，且接收控制信号，以控制多个所述第二电热组件所在电流回路的闭合。
3.根据权利要求2所述的热驱动数字微流控芯片，其特征在于，所述第一开关元件和/或所述第二开关元件为薄膜晶体管；所述薄膜晶体管表面覆盖有绝缘材料。
4.根据权利要求1或2所述的热驱动数字微流控芯片，其特征在于，所述第一基板和/或所述第二基板键合面上设置有微流通道；
所述第一基板与所述第二基板键合时，所述微流通道形成所述毛细通道。
5.根据权利要求3所述的热驱动数字微流控芯片，其特征在于，所述第一电热组件、第二电热组件以及所述薄膜晶体管表面绝缘材料上设置有隔液材料；
所述隔液材料为导热材料。
6.一种热驱动数字微流控芯片制作方法，其特征在于，包括：
在对应设置的第一基板和/或所述第二基板上设置毛细通道；
在所述第一基板上设置多个第一电热组件，多个所述第一电热组件沿所述毛细通道延伸方向间隔分布；
在每个所述第一电热组件所在电流回路中设置第一开关元件，以控制多个所述第一电热组件所在电流回路的闭合。
7.根据权利要求6所述的一种热驱动数字微流控芯片制作方法，其特征在于，还包括：
在所述第二基板上设置多个第二电热组件，所述第二电热组件沿所述毛细通道延伸方向间隔分布；
在每个所述第二电热组件所在电流回路中设置第二开关元件，以控制多个所述第二电热组件所在电流回路的闭合。
8.根据权利要求6或7所述的一种热驱动数字微流控芯片制作方法，其特征在于，所述在对应设置的第一基板和/或所述第二基板上设置毛细通道包括：
在所述第一基板和/或所述第二基板键合面上设置微流通道；
将所述第二基板与所述第一基板键合，所述微流通道形成所述毛细通道。
9.一种热驱动数字微流控芯片控制方法，其特征在于，包括：
通过改变所述热驱动数字微流控芯片内液滴两侧的温度，实现所述液滴在所述热驱动数字微流控芯片内的定向移动。
10.根据权利要求9所述的一种热驱动数字微流控芯片控制方法，应用于一包括毛细通道、多个电热组件以及多个开关元件的热驱动数字微流控芯片；所述多个电热组件沿所述毛细通道延伸方向间隔分布，每个所述开关元件连接在一个所述电热组件所在的电流回路中；其特征在于，所述方法具体包括：
根据液滴需要流动的方向，根据预设规则控制所述开关元件导通所述电热组件所在的电流回路，使不同位置的所述电热组件发热；
通过不同位置的所述电热组件对所述液滴的不同位置进行加热，实现所述液滴两侧的温度差，以控制所述液滴在所述热驱动数字微流控芯片内的定向移动。
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