CN108355728A - 芯片基板及数字微流控芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种芯片基板及数字微流控芯片，属于数字液滴微流控技术领域，其可解决现有的数字微流控芯片无法确认液滴是否是按照预设路径进行移动的问题。本发明的芯片基板包括：基底，设置在所述基底上、且与控制区位置对应的驱动电极，所述驱动电极用于驱动液滴的移动，所述控制区中还包括：设置在所述基底上的压力检测模块，用于将液滴对基底的压力转换为电信号，以确定液滴的位置。

Description

芯片基板及数字微流控芯片
技术领域
本发明属于数字液滴微流控技术领域，具体涉及一种芯片基板及数字微流控芯片。
背景技术
数字微流控技术能够精确驱动液滴进行移动，实现液滴的融合、分离等操作，完成各种生物化学反应。同一般微流控技术相比，数字微流控对液体的操作能够精确到每个液滴，以更少的试剂量完成目标反应，对反应速率和反应进度的控制更为精确。因此，数字微流控技术在生物检测领域具有卓越的发展前景。随着人类生物化学及医学技术的发展，对生物分子的检测提出了更多样的要求，对于生物检测反应条件的限制更为精确。
但是现有的数字微流控芯片仅具有液滴驱动的功能，而无法对液滴位置和移动路径进行监控，也就是说，在实际实验过程中，数字微流控芯片无法确认液滴是否是按照预设路径进行移动的，而对于一些移动路径较复杂的反应，一旦出现液滴停滞等现象必然会影响最终实验产物或实验结果，不利于数字微流控产品和技术在复杂生化反应中的应用和推广。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种能够确定液滴位置的芯片基板及数字微流控芯片。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种数字微流控芯片用芯片基板，具有控制区，所述芯片基板包括：基底，设置在所述基底上、且与控制区位置对应的驱动电极，所述驱动电极用于驱动液滴的移动，所述控制区中还包括：
设置在所述基底上的压力检测模块，用于将液滴对基底的压力转换为电信号，以确定液滴的位置。
优选的，所述驱动电极具有开口，所述压力检测模块设置于所述开口中，且与所述驱动电极电连接。
进一步优选的，所述开口为四个，分别为相对设置的第一开口和第二开口，以及相对设置的第三开口和第四开口，且第一开口、第二开口、第三开口、第四开口环绕驱动电极的周边区域设置。
进一步优选的，所述压力检测模块包括四个压敏电阻，所述第一开口、第二开口、第三开口和第四开口中分别设置有一个压敏电阻。
进一步优选的，所述压敏电阻包括第一电阻条和第二电阻条，第一电阻条的延伸方向与第二电阻条的延伸方向垂直，多个所述第一电阻条与多个所述第二电阻条连接构成弓字型图案。
进一步优选的，第一开口和第二开口中的压敏电阻的延伸方向相同，第三开口和第四开口中的压敏电阻的延伸方向相同，且第一开口和第二开口中的压敏电阻的延伸方向垂直；
每个所述压敏电阻中，所述第一电阻条的延伸方向与所述压敏电阻的延伸方向垂直；所述第一电阻条的长度大于所述第二电阻条的长度。
优选的，所述控制区中还包括位于基底与驱动电极之间的第一支撑层和第二支撑层，所述第一支撑层相比所述第二支撑层更靠近所述基底；所述第一支撑层中设置有凹槽，所述第二支撑层覆盖所述凹槽；
第一开口、第二开口、第三开口和第四开口在所述基底上的正投影与所述凹槽在所述基底上的正投影的边缘区域至少部分重叠。
优选的，所述芯片基板还包括：
设置于所述驱动电极和压力检测模块远离所述基底一侧的介质层和疏水层。
所述电信号为电压信号；
所述芯片基板还包括：电压检测模块，与所述压力检测模块电连接，用于根据所述压力检测模块所转换的电压信号确定液滴的位置。
进一步优选的，所述电压检测模块包括惠斯通电桥。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种数字微流控芯片，包括上述任意一种芯片基板。
本发明的芯片基板可用于数字微流控芯片，该芯片基板包括多个控制区，每个控制区中设置有压力检测模块，能够将液滴对基底的压力转换为电信号，从而可以根据各控制区中电信号的变化确定液滴当前位于哪个控制区，也即可以确定液滴的位置以及移动路径，进而可以对液滴的下一步移动进行精准控制，有利于数字微流控产品和技术在复杂生化反应中的应用和推广。
附图说明
图1为本发明的实施例1的芯片基板的剖视结构示意图；
图2为本发明的实施例1的芯片基板的俯视结构示意图；
图3为本发明的实施例2的数字微流控芯片的剖视结构示意图；
图4为本发明的实施例3的芯片基板的制备方法的流程图；
其中附图标记为：1、基底；2、驱动电极；3、压力检测模块3；41、第一支撑层；42、第二支撑层；5、介质层；6、疏水层；7、对盒基底；8、参考电极；9、液滴；R1、第一电阻；R2、第二电阻；R3、第三电阻。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
如图1和图2所示，本实施例提供一种芯片基板，其可用于数字微流控芯片中驱动液滴9进行移动，实现液滴9的融合、分离等操作，完成各种生物化学反应。
该芯片基板具有控制区，其包括：基底1，设置在基底1上、且与控制区位置对应的驱动电极2，驱动电极2用于驱动液滴9的移动。当芯片基板应用于数字微流控芯片中时，向驱动电极2施加相应的电信号，液滴9由于电场作用而受力不平衡，会在芯片基板上发生运动，由一个控制区运动到另一个控制区，从而实现对液滴9的驱动。特别的是，本实施例中，控制区中还包括：设置在基底1上的压力检测模块3，用于将液滴9对芯片基板的压力转换为电信号，以确定液滴9的位置。
液滴9在芯片基板上无论处于静止或者运动状态，都会对位于其下方的芯片基板产生压力。本实施例中，在每个控制区中设置压力检测模块3，利用压力检测模块3检测液滴9对芯片基板的压力，将压力转换为电信号，从而可以根据各控制区中电信号的变化确定液滴9当前位于哪个控制区，也即可以确定液滴9的位置以及移动路径，进而可以对液滴9的下一步移动进行精准控制。
优选的，驱动电极2具有开口，压力检测模块3设置于开口中，且与驱动电极2电连接。也即，本实施例中，驱动电极2与压力检测模块3同层设置，且二者电连接。其中，同层设置指在芯片基板中，驱动电极2和压力检测模块3所处位置位于同一水平面中。可以理解的是，在控制区中，驱动电极2的面积越大越好，且驱动电极2应尽量靠近芯片基板接触液滴9的位置，以保证对液滴9的驱动效果，而由于液滴9对芯片基板的压力是比较微小的，故压力检测模块3的位置也应尽量靠近芯片基板接触液滴9的位置。因此，本实施例中，通过将压力检测模块3置于驱动电极2的开口中，让二者同层设置且电连接，实现在液滴9驱动阶段，压力检测模块3也可以作为驱动电极2的一部分，以确保对液滴9的驱动效果；而在液滴9检测阶段，驱动电极2可以作为检测电路的部分导线(或者电阻)，不会影响对液滴9的位置检测。
具体的，如图2所示，控制区中的驱动电极2为块状的驱动电极2片，具体可由铝(Al)、铜(Cu)、氧化铟锡(Indium tin oxide；ITO)等导电材料形成。本实施例中，可通过刻蚀等构图工艺在驱动电极2片中形成一个或者多个开口，开口中设置与驱动电极2电连接的压力检测模块3。
优选的，驱动电极2中的开口为四个，分别为相对设置的第一开口和第二开口，以及相对设置的第三开口和第四开口，且第一开口、第二开口、第三开口、第四开口环绕驱动电极2的周边区域设置。如图2所示，驱动电极2覆盖控制区中大部分区域，且驱动电极2的周边区域设有四个环绕驱动电极2中心区域的开口，压力检测模块3设置于其中。
具体的，压力检测模块3可包括四个压敏电阻，第一开口、第二开口、第三开口和第四开口中分别设置有一个压敏电阻。压敏电阻为一种能将机械力转换为电信号的特殊元件，其电阻值可随外加力大小而改变。本实施例中，压敏电阻可包括电阻应变片，例如金属应变片。当液滴9位于控制区中时，对位于其下方的压敏电阻及驱动电极2产生压力，由于压敏电阻位于驱动电极2的周边区域，故形变较为明显，从而使检测更准确。
进一步的，压敏电阻包括第一电阻条和第二电阻条，第一电阻条的延伸方向与第二电阻条的延伸方向垂直，多个第一电阻条与多个第二电阻条连接构成弓字型图案。也即如图2所示，本实施例中，压敏电阻的形状可为由第一电阻条和第二电阻条交错连接构成的弓字型图案，从而增大压敏电阻的形变量，进而使检测更加准确。
进一步的，第一开口和第二开口中的压敏电阻的延伸方向相同，第三开口和第四开口中的压敏电阻的延伸方向相同，且第一开口和第二开口中的压敏电阻的延伸方向垂直；且每个压敏电阻中，第一电阻条的延伸方向与压敏电阻的延伸方向垂直；第一电阻条的长度大于第二电阻条的长度。当液滴9位于控制区上方，位于控制区周边区域的压敏电阻的形变方向应为由控制区的周边区域朝向中心区域。如图2所示，本实施例中，通过上述的设置方式，使得四个压敏电阻中绝大多数第一电阻条的延伸方向近似于由控制区的周边区域朝向中心区域的方向，从而使压敏电阻的总形变更加明显。而进一步的，第一电阻条的长度大于第二电阻条的长度，以使单位面积的电阻应变片中，第一电阻条的面积占比更多，从而使电阻应变片的整体形变量更大，进而提高压力的检测精度。
优选的，控制区中还包括位于基底1与驱动电极2之间的第一支撑层41和第二支撑层42，第一支撑层41相比第二支撑层42更靠近基底1；第一支撑层41中设置有凹槽，第二支撑层42覆盖凹槽；第一开口、第二开口、第三开口和第四开口在基底1上的正投影与凹槽在基底1上的正投影的边缘区域至少部分重叠。
当液滴9位于其上时，压敏电阻由于受压产生形变，进而发生电阻变化。对应的，本实施例中，在压敏电阻的下方(靠近基底1的一侧)利用第二支撑层42和具有凹槽的第一支撑层41形成空腔，且空腔和压敏电阻二者在基底1上的投影至少部分重叠，从而利用空腔适应压敏电阻受力产生的形变。其中，由于空腔的受压形变时，其边缘部分的形变量最大，故优选的，本实施例中，四个开口的在基底1上的投影与空腔在基底1上的投影的边缘部分重叠，以使压敏电阻的形变更明显。其中，优选的，第一支撑层41和第二支撑层42的材料为硅，二者可采用硅的体微加工和面微加工工艺形成。
其中，芯片基板还可包括：设置于驱动电极2远离基底1一侧的介质层5和疏水层6，不同控制区中的驱动电极2通过介质层5隔开，疏水层6位于介质层5远离基底1的一侧，用以使液滴9移动更为流畅。
优选的，电信号为电压信号；芯片基板还包括：电压检测模块，与压力检测模块3电连接，用于根据压力检测模块3所转换的电压信号确定液滴9的位置。
具体的，电压检测模块可包括惠斯通电桥。如图1和图2所示，压力检测模块3可作为一个可变电阻接入电压检测模块中，与第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3构成惠斯通电桥，当控制区中没有液滴9时，电桥平衡，输出信号V为零；当控制区中有液滴9时，压力检测模块3受压导致电阻发生变化，电桥不平衡，输出信号V发生改变。因此可以根据惠斯通电桥的输出信号确定液滴9位于哪个控制区中，从而确定液滴9的位置。
本实施例提供一种用于数字微流控芯片的芯片基板，该芯片基板包括多个控制区，每个控制区中设置有压力检测模块3，能够将液滴9对基底1的压力转换为电信号，从而可以根据各控制区中电信号的变化确定液滴9当前位于哪个控制区，进而可以对液滴9的下一步移动进行精准控制。并且，本实施例中的压力检测模块3可以与驱动电极2同层设置，通过二者的电连接，使得压力检测模块3在液滴9驱动阶段可以作为驱动电极2使用，而驱动电极2在液滴9检测模块可以作为检测电路的电阻，从而在不影响驱动功能的情况下，尽量提高压力检测效果。
实施例2：
如图3所示，本实施例体提供一种数字微流控芯片，包括：实施例1中提供的任意一种芯片基板(第一芯片基板)以及与第一芯片基板相对设置的对盒基板。对盒基板和第一芯片基板之间形成液滴9容纳空间，对盒基板包括对盒基底7，对盒基底7上指向第一芯片基板的一侧依次设置有参考电极8、介质层5和疏水层6。数字微流控芯片还可包括驱动电路，其与参考电极8和驱动电极2与连接，通过向参考电极8和驱动电极2输入对应的控制信号，从而能够驱动液滴9移动。
优选的，数字微流控芯片还包括：控制单元，用于根据电压检测模块所检测出的电压信号确定液滴9的位置，并可根据液滴9位置变化分析确定液滴9的移动路径，同时还可依据液滴9的预设路径控制驱动电路，确定驱动电路的下一控制信号，以使精确驱动液滴9移动。
本实施例的数字微流控芯片中，包括多个控制区，以及与各控制区对应的检测电路、驱动电路。数字微流控芯片在工作时可分为液滴9驱动阶段和液滴9检测阶段。其中，液滴9驱动阶段：驱动电路向参考电极8和驱动电极2输入对应的控制信号，以驱动液滴9移动。液滴9检测阶段：液滴9所在控制区中的检测电路输出信号，控制单元根据该控制信号确定液滴9所在位置。同时，控制单元可以根据所确定的位置控制驱动电路工作，以驱动液滴9按照预设路径进行移动，实现对液滴9的精准控制，有助于生物检测反应的精确操控。
实施例3：
如图4所示，本实施例提供一种用于数字微流控芯片的芯片基板的制备方法，可用于制备实施例1中提供的芯片基板。
该芯片基板包括基底，基底分为多个控制区，把每个控制区中包括驱动电极和压力检测模块3。具体的，本实施例中以驱动电极和压力检测模块3同层设置，且压力传感模块包括压敏电阻为例进行说明。
该制备方法包括：
S1、在基底上形成空腔。
具体的，通过硅的体微加工和面微加工工艺在基底上形成第一支撑层和第二支撑层，其中，第二支撑层位于第一支撑层背离基底的一侧，且第一支撑层上靠近第二支撑层的一侧设置有多个凹槽，第一支撑层与第二支撑层配合形成多个空腔。其中，每个控制区中都对应设置有一个空腔。其中，基底可以为硅基底。
S2、在完成上述步骤的基底上形成驱动电极。
采用物理溅射、化学气相沉积等方式在基底上形成导电膜层，并通过构图工艺(成膜、曝光、显影、湿法刻蚀或干法刻蚀)在各控制区中形成驱动电极的图形。其中，导电材料可以为铝(Al)、铜(Cu)、氧化铟锡(Indium tin oxide；ITO)等。
其中，驱动电极的图案中更应当设置有开口，以使压力检测模块3能够与其同层。
S3、在基底上形成压敏电阻。
具体的，压敏电阻可为金属应变片。与形成驱动电极的方式类似的，本步骤中，可采用溅射、化学气相沉积等方式在基底上形成金属膜层，并通过构图工艺形成金属应变片的图形。其中，金属应变片应位于驱动电极的开口中，以实现二者的同层设置。
S4、在基底上依次形成介质层和疏水层。
可通过物理溅射、化学气相沉积等方式形成介质层，可通过旋涂等方式形成疏水层。
至此，完成用于数字微流控芯片的芯片基板的制备。
优选的，本实施例中还可包括对盒基板的制备方法。该对盒基板与前述形成的芯片基板对盒形成数字微流控芯片。对盒基板包括对盒基底、参考电极、介质层和疏水层。其中，对盒基可以为玻璃基底。对盒基板的制备方法中，各结构的制备步骤可参考上述内容，在此不再赘述。
本实施例提供一种用于数字微流控芯片的芯片基板的制备方法，利用该制备方法制备的芯片基板包括多个控制区，每个控制区中设置有压力检测模块3，能够将液滴对基底的压力转换为电信号，从而可以根据各控制区中电信号的变化确定液滴当前位于哪个控制区，进而可以对液滴的下一步移动进行精准控制。并且本实施例中的压力检测模块3可以与驱动电极同层设置，通过二者的电连接，使得压力检测模块3在液滴驱动阶段可以作为驱动电极使用，而驱动电极在液滴检测模块可以作为检测电路的电阻，从而在不影响驱动功能的情况下，尽量提高压力检测效果。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种数字微流控芯片用芯片基板，具有控制区，所述芯片基板包括：基底，设置在所述基底上、且与控制区位置对应的驱动电极，所述驱动电极用于驱动液滴的移动，其特征在于，所述控制区中还包括：
设置在所述基底上的压力检测模块，用于将液滴对基底的压力转换为电信号，以确定液滴的位置。
2.根据权利要求1所述的芯片基板，其特征在于，
所述驱动电极具有开口，所述压力检测模块设置于所述开口中，且与所述驱动电极电连接。
3.根据权利要求2所述的芯片基板，其特征在于，
所述开口为四个，分别为相对设置的第一开口和第二开口，以及相对设置的第三开口和第四开口，且第一开口、第二开口、第三开口、第四开口环绕驱动电极的周边区域设置。
4.根据权利要求3所述的芯片基板，其特征在于，
所述压力检测模块包括四个压敏电阻，所述第一开口、第二开口、第三开口和第四开口中分别设置有一个压敏电阻。
5.根据权利要求4所述的芯片基板，其特征在于，
所述压敏电阻包括第一电阻条和第二电阻条，第一电阻条的延伸方向与第二电阻条的延伸方向垂直，多个所述第一电阻条与多个所述第二电阻条连接构成弓字型图案。
6.根据权利要求5所述的芯片基板，其特征在于，
第一开口和第二开口中的压敏电阻的延伸方向相同，第三开口和第四开口中的压敏电阻的延伸方向相同，且第一开口和第二开口中的压敏电阻的延伸方向垂直；
每个所述压敏电阻中，所述第一电阻条的延伸方向与所述压敏电阻的延伸方向垂直；所述第一电阻条的长度大于所述第二电阻条的长度。
7.根据权利要求3所述的芯片基板，其特征在于，
所述控制区中还包括位于基底与驱动电极之间的第一支撑层和第二支撑层，所述第一支撑层相比所述第二支撑层更靠近所述基底；所述第一支撑层中设置有凹槽，所述第二支撑层覆盖所述凹槽；
第一开口、第二开口、第三开口和第四开口在所述基底上的正投影与所述凹槽在所述基底上的正投影的边缘区域至少部分重叠。
8.根据权利要求1所述的芯片基板，其特征在于，还包括：
设置于所述驱动电极和压力检测模块远离所述基底一侧的介质层和疏水层。
9.根据权利要求1所述的芯片基板，其特征在于，
所述电信号为电压信号；
所述芯片基板还包括：电压检测模块，与所述压力检测模块电连接，用于根据所述压力检测模块所转换的电压信号确定液滴的位置。
10.根据权利要求8所述的芯片基板，其特征在于，
所述电压检测模块包括惠斯通电桥。
11.一种数字微流控芯片，其特征在于，
包括权利要求1至9中任意一项所述的芯片基板。
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