CN108970658B - 一种有源矩阵数字微流控芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种有源矩阵数字微流控芯片，包括：控制电路、多个呈阵列排布的驱动单元，及与各驱动单元的位置一一对应的寻址单元；其中，控制电路，用于在驱动阶段，对各驱动单元依次施加驱动电压，来控制液滴在各驱动单元上按照预设路径运动；在检测阶段，对各寻址单元同时施加偏置电压后，检测各寻址单元的电荷损失量，并将电荷损失量与其他寻址单元不同的寻址单元对应的驱动单元所在区域确定为液滴的位置；其中，每个寻址单元的电荷损失量与其接收到的外界光线强度相关。由于控制电路不仅可以控制液滴运动，还通过光学寻址的方式实现了对液滴的定位，因此，在驱动液滴移动的同时实现了对液滴位置的准确定位。

Description

一种有源矩阵数字微流控芯片
技术领域
本发明涉及生物检测及生物芯片技术领域，尤其涉及一种有源矩阵数字微流控芯片。
背景技术
数字微流控技术能够精确操控液滴移动，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，数字微流控技术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。
现有有源矩阵数字微流控芯片通常包括控制电路和呈矩阵排列的驱动单元，其通过控制电路向驱动单元加载驱动电压，使得液滴按照预设路径进行运动。然而，在原材、工艺或环境问题导致驱动单元表面不平整或有杂质时，则会影响液滴运动状态。由于驱动时序已事先确定，如无液滴位置反馈机制，将影响后续进程。目前用于液滴定位的方法主要是基于传感器的反馈控制系统，常见的有利用电信号变化来确定液滴位置。但由于有源矩阵数字微流控芯片常用于检测生物化学反应，电信号可能十分微弱且液滴成分的变化会导致电信号的变化，故该方法精度不足。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种有源矩阵数字微流控芯片，用以在驱动液滴移动的同时实现对液滴位置的准确定位。
因此，本发明实施例提供的一种有源矩阵数字微流控芯片，包括：控制电路和多个呈阵列排布的驱动单元；其中，所述控制电路，用于在驱动阶段，对各所述驱动单元依次施加驱动电压，来控制液滴在各所述驱动单元上按照预设路径运动；还包括：与各所述驱动单元的位置一一对应的寻址单元；
所述控制电路，还用于在检测阶段，对各所述寻址单元同时施加偏置电压后，检测各所述寻址单元的电荷损失量，并将电荷损失量与其他所述寻址单元不同的所述寻址单元对应的所述驱动单元所在区域确定为液滴的位置；其中，每个所述寻址单元的电荷损失量与其接收到的外界光线强度相关。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述有源矩阵数字微流控芯片中，所述控制电路具体用于在驱动阶段，将液滴所在所述驱动单元对应的所述寻址单元的电荷变化量转换成驱动电压，并将驱动电压加载至预设运动路径上与液滴所在所述驱动单元相邻的下一所述驱动单元，使得液滴按照预设路径运动。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述有源矩阵数字微流控芯片中，每个所述驱动单元，包括：相对而置的上基板和下基板，依次位于所述下基板面向所述上基板一侧的驱动电极、第一绝缘层和第一疏水层，依次位于所述上基板面向所述下基板一侧的参比电极、第二绝缘层和第二疏水层，以及位于所述第一疏水层与所述第二疏水层之间的液滴容置空间。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述有源矩阵数字微流控芯片中，每个所述寻址单元包括：依次位于所述驱动电极面向所述下基板一侧的顶电极、光电转换层和底电极，其中所述顶电极为透明电极。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述有源矩阵数字微流控芯片中，所述寻址单元的顶电极复用为与该所述寻址单元对应的所述驱动单元的驱动电极。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述有源矩阵数字微流控芯片中，所述控制电路包括控制单元，开关单元，以及用于连接所述控制单元与所述开关单元的偏置电压线和读取线；
其中，所述控制单元包括栅极驱动电路和数据驱动电路；
所述开关单元包括：依次位于所述下基板面向所述上基板一侧同层设置的栅极和栅线，栅绝缘层，有源层，同层设置的源漏极和数据线，第三绝缘层；
所述栅极与所述偏置电压线同层设置，且通过所述栅线与所述栅极驱动电路连接；
所述源漏极与所述底电极、所述读取线同层设置，所述源漏极通过贯穿所述第三绝缘层的过孔与所述顶电极连接，且所述源漏极通过所述读取线与所述数据驱动电路连接；所述底电极通过贯穿所述栅绝缘层的过孔与所述偏置电压线连接，且所述偏置电压线与所述数据驱动电路或所述栅极驱动电路连接。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述有源矩阵数字微流控芯片中，所述数据线复用为所述读取线。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述有源矩阵数字微流控芯片中，各所述驱动单元的下基板为一体结构，各所述驱动单元的上基板为一体结构，各所述驱动单元的第一绝缘层为一体结构，各所述驱动单元的第二绝缘层为一体结构，各所述驱动单元的第一疏水层为一体结构，各所述驱动单元的第二疏水层为一体结构，各所述驱动单元的参比电极为一体结构。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述有源矩阵数字微流控芯片中，还包括：激光头；
所述激光头，用于按预设时序逐个照射预设路径上的各所述驱动单元；
所述控制电路，还用于控制至少两个液滴在相互交叉的至少两条预设路径上运动至所述至少两条预设路径的交叉位置并停留预设时间，且在检测到停留有单一液滴的所述驱动单元的拉曼光谱图与停留有所述至少两个液滴的所述驱动单元的拉曼光谱图不同时，确定所述至少两个液滴发生了反应。
本发明有益效果如下：
本发明实施例提供的一种有源矩阵数字微流控芯片，包括：控制电路，多个呈阵列排布的驱动单元，以及与各驱动单元的位置一一对应的寻址单元；其中，控制电路，用于在驱动阶段，对各驱动单元依次施加驱动电压，来控制液滴在各驱动单元上按照预设路径运动；控制电路，还用于在检测阶段，对各寻址单元同时施加偏置电压后，检测各寻址单元的电荷损失量，并将电荷损失量与其他寻址单元不同的寻址单元对应的驱动单元所在区域确定为液滴的位置；其中，每个寻址单元的电荷损失量与其接收到的外界光线强度相关。由于在本发明提供的有源矩阵数字微流控芯片中，控制电路不仅可以控制液滴运动，还通过光学寻址的方式实现了对液滴的定位，因此，在驱动液滴移动的同时实现了对液滴位置的准确定位。
附图说明
图1为本发明实施例提供的数字微流控芯片的结构示意图之一；
图2为本发明实施例提供的数字微流控芯片的结构示意图之二；
图3为本发明实施例提供的数字微流控芯片实现反馈控制的原理示意图；
图4为图2所示数字微流控芯片沿AA’与BB’的剖面结构示意图；
图5为本发明实施例提供的数字微流控芯片的结构示意图之三。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明实施例提供的有源矩阵数字微流控芯片的具体实施方式进行详细的说明。需要说明的是本说明书所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；并且在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合；此外，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供的一种有源矩阵数字微流控芯片，如图1和图2所示，包括：多个呈阵列排布的驱动单元001，与各驱动单元001的位置一一对应的寻址单元002，以及控制电路003；其中，控制电路003，用于在驱动阶段，对各驱动单元001依次施加驱动电压，来控制液滴在各驱动单元001上按照预设路径运动；在检测阶段，对各寻址单元002同时施加偏置电压后，检测各寻址单元002的电荷损失量，并将电荷损失量与其他寻址单元002不同的寻址单元 002对应的驱动单元001所在区域确定为液滴的位置；其中，每个寻址单元002 的电荷损失量与其接收到的外界光线强度相关。
在本发明实施例提供的上述有源矩阵数字微流控芯片中，由于液滴会对外界光线产生折射、散射等作用，使得液滴所在位置对应的寻址单元002接收到的外界光线强度与未被液滴覆盖的其他寻址单元002接收到的外界光线强度不同，且因各寻址单元002的电荷损失量与其接收到的外界光线强度相关，故通过检测各寻址单元002的电荷损失量即可以判断出液滴所在位置。又控制电路 003可以控制液滴移动，因此采用本发明实施例提供的上述有源矩阵数字微流控芯片实现驱动液滴移动功能的同时，实现了对液滴位置的准确定位。
进一步地，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。故在本发明实施例提供的上述有源矩阵数字微流控芯片中，控制电路003具体可以用于在驱动阶段，将液滴所在驱动单元001对应的寻址单元002的电荷变化量转换成驱动电压，并将驱动电压加载至预设运动路径上与液滴所在驱动单元001相邻的下一驱动单元001，使得液滴按照预设路径运动。如此，则实现了反馈控制，避免了液滴停滞对实验结果或实验产物的影响。
如图3所示，为本发明实施例提供的上述有源矩阵数字微流控芯片实现反馈控制的原理示意图。可以看出，在图3中液滴的预设运动路径为自左而右，即液滴自左向右逐渐移动。某一时刻液滴运动到左起第三个驱动单元001所在区域，则将与左起第三个驱动单元001对应的寻址单元002的电荷损失量经由控制电路003转换为驱动电压，并将该驱动电压加载至左起第四个驱动单元 001上，从而使得液滴由左起第三个驱动单元001所在区域，运动至左起第四个驱动单元001所在区域，由此通过反馈控制的方式，避免了液滴发生停滞造成的影响。
为更好地理解本发明的技术方案，下面对本发明实施例提供的上述有源矩阵数字微流控芯片的一种可能的具体结构进行详细说明。需要说明的是，该具体实施例仅是为了说明本发明的技术方案，并不限制本发明。
如图4所示，为本发明实施例提供的上述有源矩阵数字微流控芯片沿AA’与BB’的剖面结构示意图。具体地，在图4中，虚线左侧为沿AA’的剖面结构示意图，虚线右侧为沿BB’的剖面结构示意图。可以看出，每个驱动单元001，包括：相对而置的上基板101和下基板102，依次位于下基板102面向上基板 101一侧的驱动电极103、第一绝缘层104和第一疏水层105，依次位于上基板 101面向下基板102一侧的参比电极106、第二绝缘层107和第二疏水层108，以及位于第一疏水层105与第二疏水层108之间的液滴容置空间109。
且在实际应用时，为便于制作本发明实施例提供的上述有源矩阵数字微流控芯片，各驱动单元001的下基板102为一体结构，各驱动单元001的上基板 101为一体结构，各驱动单元001 的第一绝缘层104为一体结构，各驱动单元 001的第二绝缘层107为一体结构，各驱动单元001的第一疏水层105为一体结构，各驱动单元001的第二疏水层108为一体结构，各驱动单元001的参比电极106为一体结构。也就是说，在本发明实施例提供的上述有源矩阵数字微流控芯片中，各驱动单元001的驱动电极103均相互独立，而其他相同的部件均是一体结构，这样方便了有源矩阵数字微流控芯片的制作；同时因各驱动单元001的驱动电极103相互独立，使得控制电路003依然可以通过逐次对驱动电极103施加驱动电压，实现对驱动单元001的独立控制，进而可控制液滴移动。
并且，在本发明实施例提供的上述有源矩阵数字微流控芯片，如图4所示，每个寻址单元002包括：依次位于驱动电极103面向下基板102一侧的顶电极 201、光电转换层202和底电极203，其中为了保证光电转换层202能够接收外界光线顶电极201宜为半透明电极，进一步地，为了保证光电转换层202能够充分感受光强变化，顶电极201为透明电极，例如氧化铟锡(ITO)电极。在实际应用过程中，光电转换层202为PN结或PIN结等结构，通常可由p掺杂和n掺杂无定形硅制成。此外，为简化工艺，降低制作成本，寻址单元002的顶电极201可以复用为与该寻址单元002对应的驱动单元001的驱动电极103。
具体地，在本发明实施例提供的上述有源矩阵数字微流控芯片中，如图1、图2和图4所示，控制电路003包括控制单元031，开关单元032，以及用于连接控制单元031与开关单元032的偏置电压线033和读取线034；
其中，控制单元031包括栅极驱动电路(见图1中网格线填充的方框)和数据驱动电路(见图1中斜线填充的方框)；
开关单元032包括：依次位于下基板102面向上基板101一侧同层设置的栅极301和栅线301’，栅绝缘层302，有源层303，同层设置的源漏极304和数据线304’，第三绝缘层305，如图1、图2和图4所示；
栅极301与偏置电压线033同层设置，且通过栅线301’与栅极驱动电路连接，如图1和图4所示；
源漏极304与底电极203、读取线034同层设置，源漏极304通过贯穿第三绝缘层305的过孔与顶电极201连接，且源漏极304通过读取线034与数据驱动电路连接，使得可通过数据驱动电路读出经读取线034传输的每个寻址单元002的电荷损失量；底电极203通过贯穿栅绝缘层302的过孔与偏置电压线 033连接，且偏置电压线033与数据驱动电路或栅极驱动电路连接，使得在实际应用过程中，可通过数据驱动电路或栅极驱动电路经偏置电压线033向各寻址单元002的底电极203同时施加偏置电压。且为了便于数据驱动电路或栅极驱动电路向底电极203同时施加偏置电压，可与各寻址单元002的底电极203 分别相连的各偏置电压线033连接到一起。此外，为简化工艺，降低制作成本，数据线304’可以复用为读取线034；公共电极线可以复用为偏置电压线033。
由上述描述可知，本发明实施例提供的上述有源矩阵数字微流控芯片主要特点为：将驱动液滴移动的功能和实现液滴定位的功能(即寻址功能)在阵列基板的制作过程中集成。具体地，使用ITO等透明导电材料作为寻址单元002 的顶电极201，同时作为驱动单元001的驱动电极103，最终形成液滴驱动及定位兼备的单元阵列。该有源矩阵数字微流控芯片的时序分为液滴驱动时段和液滴检测时段：在液滴驱动时段，通过开关单元032控制驱动电极103按一定顺序充放电，使液滴移动；在液滴检测时段，给寻址单元002的底电极203加相同的偏置电压，当液滴移动到一些寻址单元002上方时，与未被液滴覆盖的寻址单元002相比，由于外界光线经过液滴的折射、散射等作用，使得寻址单元002中的光电转换层202接收的光强度发生变化，通过数据驱动电路读取每个寻址单元002的电荷损失量，即可得到液滴的实时位置及运动轨迹。进一步地，将得到的电荷损失量信号通过数据驱动电路的运算和处理，转化为下一驱动单元001的控制信号，继续驱动液滴移动，从而实现反馈控制。因此，本发明实施例提供的上述有源矩阵数字微流控芯片一方面，能够实现准确程度更高的液滴操作，有利于生物检测反应的精确操控；另一方面，无论是在整体结构还是寻址单元002的制作工艺上均容易实现，且成本低。
由于有源矩阵数字微流控芯片常用于检测生物化学反应，采用本发明实施例提供的上述有源矩阵数字微流控芯片可实现控制液滴移动及对液滴位置进行定位，但无法监控反应结果。于是，为实现对反应产物的检测，在本发明实施例提供的上述有源矩阵数字微流控芯片中，如图5所示，还可以包括：激光头004；
激光头004，用于按预设时序逐个照射预设路径上的各驱动单元001；
控制电路003，还用于控制至少两个液滴在相互交叉的至少两条预设路径上运动至至少两条预设路径的交叉位置并停留预设时间，且在检测到停留有单一液滴的驱动单元001的拉曼光谱图与停留有至少两个液滴的驱动单元001的拉曼光谱图不同时，确定至少两个液滴发生了反应。
具体地，以图5所示的有源矩阵数字微流控芯片检测两个液滴的反应为例。可以看出，在图5中，通过给第一预设运动路径上的各驱动单元001，以及第二预设运动路径上的各驱动单元001逐个施加驱动电压，使得两个液滴分别从 a口和b口进入第一预设运动路径与第二预设运动路径的交叉点d所在的驱动单元001，且两个液滴在交叉点d所在的驱动单元001上融合并停留预设时间再移动至c口；在此过程中，激光头004按照预设时序照射各驱动单元001。众所周知，拉曼散射是一种快速、无损、特异性强的检测手段，检测时间可短至1秒，不同物质的拉曼光谱图均不相同，是分子的“指纹谱”。因此，若两个液滴发生反应，生成了新的物质，则停留有单一液滴的驱动单元001的拉曼光谱图必然与停留有两个液滴的驱动单元001的拉曼光谱图不同。
并且，由上述描述可知，不同物质的拉曼光谱图均不相同，因此，覆盖有液滴的驱动单元001的拉曼光谱图与未覆盖有液滴的拉曼光谱图必然不同，因而采用激光头004照射驱动单元001，还可以实现对液滴位置的定位。
综上所述，采用图5所示的有源矩阵数字微流控芯片不仅可控制液滴移动，实现液滴定位，还可以检测反应产物，而且成本低，计算量小，高效迅速。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种有源矩阵数字微流控芯片，包括：控制电路和多个呈阵列排布的驱动单元；其中，所述控制电路，用于在驱动阶段，对各所述驱动单元依次施加驱动电压，来控制液滴在各所述驱动单元上按照预设路径运动；其特征在于，还包括：与各所述驱动单元的位置一一对应的寻址单元；
所述控制电路，还用于在检测阶段，对各所述寻址单元同时施加偏置电压后，检测各所述寻址单元的电荷损失量，并将电荷损失量与其他所述寻址单元不同的所述寻址单元对应的所述驱动单元所在区域确定为液滴的位置；其中，每个所述寻址单元的电荷损失量与其接收到的外界光线强度相关；
每个所述驱动单元，包括：相对而置的上基板和下基板，以及位于所述下基板面向所述上基板一侧的驱动电极；
每个所述寻址单元包括：依次位于所述驱动电极面向所述下基板一侧的顶电极和底电极，其中所述顶电极为透明电极；
所述寻址单元的顶电极复用为与该所述寻址单元对应的所述驱动单元的驱动电极；
所述控制电路包括控制单元，开关单元，以及用于连接所述控制单元与所述开关单元的偏置电压线和读取线；
其中，所述控制单元包括栅极驱动电路和数据驱动电路；
所述开关单元包括：依次位于所述下基板面向所述上基板一侧同层设置的栅极和栅线，栅绝缘层，有源层，同层设置的源漏极和数据线，第三绝缘层；
所述栅极与所述偏置电压线同层设置，且通过所述栅线与所述栅极驱动电路连接；
所述源漏极与所述底电极、所述读取线同层设置，所述源漏极通过贯穿所述第三绝缘层的过孔与所述顶电极连接，且所述源漏极通过所述读取线与所述数据驱动电路连接；所述底电极通过贯穿所述栅绝缘层的过孔与所述偏置电压线连接，且所述偏置电压线与所述数据驱动电路或所述栅极驱动电路连接；所述数据线复用为所述读取线。
2.如权利要求1所述的有源矩阵数字微流控芯片，其特征在于，所述控制电路具体用于在驱动阶段，将液滴所在所述驱动单元对应的所述寻址单元的电荷变化量转换成驱动电压，并将驱动电压加载至预设运动路径上与液滴所在所述驱动单元相邻的下一所述驱动单元，使得液滴按照预设路径运动。
3.如权利要求1所述的有源矩阵数字微流控芯片，其特征在于，每个所述驱动单元，还包括：依次位于所述驱动电极面向所述上基板一侧第一绝缘层和第一疏水层，依次位于所述上基板面向所述下基板一侧的参比电极、第二绝缘层和第二疏水层，以及位于所述第一疏水层与所述第二疏水层之间的液滴容置空间。
4.如权利要求3所述的有源矩阵数字微流控芯片，其特征在于，每个所述寻址单元还包括：位于所述顶电极与所述底电极之间的光电转换层。
5.如权利要求2-4任一项所述的有源矩阵数字微流控芯片，其特征在于，各所述驱动单元的下基板为一体结构，各所述驱动单元的上基板为一体结构，各所述驱动单元的第一绝缘层为一体结构，各所述驱动单元的第二绝缘层为一体结构，各所述驱动单元的第一疏水层为一体结构，各所述驱动单元的第二疏水层为一体结构，各所述驱动单元的参比电极为一体结构。
6.如权利要求1-4任一项所述的有源矩阵数字微流控芯片，其特征在于，还包括：激光头；
所述激光头，用于按预设时序逐个照射预设路径上的各所述驱动单元；
所述控制电路，还用于控制至少两个液滴在相互交叉的至少两条预设路径上运动至所述至少两条预设路径的交叉位置并停留预设时间，且在检测到停留有单一液滴的所述驱动单元的拉曼光谱图与停留有所述至少两个液滴的所述驱动单元的拉曼光谱图不同时，确定所述至少两个液滴发生了反应。
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