CN110064447B - 一种采用电场控制的数字微流控制装置及控制方法 - Google Patents

一种采用电场控制的数字微流控制装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种采用电场控制的数字微流控制装置，包括液滴移动组件和液滴控制组件，所述液滴移动组件包括内部设有安装腔的壳体，所述壳体的安装腔内其中一端设有液滴移动电压调节器，所述壳体远离液滴移动电压调节器的一端端面设有内部设有液滴移动电极的液滴移动超疏水表面基板，所述壳体的安装腔内还设有液滴移动电压显示器、液滴移动升压装置和液滴移动供电组件，所述液滴移动升压装置、液滴移动电压调节器和液滴移动电极依次连接，所述液滴移动电压显示器与液滴移动电压调节器连接。本发明具有制作简单，液滴调控响应速度快、生物兼容性好、操作方便、可重复、节省能量的等优良性能。

Description

一种采用电场控制的数字微流控制装置及控制方法
技术领域
本发明属于微流控工程领域，具体涉及一种采用电场控制的数字微流控制装置及控制方法。
背景技术
开放式数字微流控作为一种新型基于单个液滴的分析技术，它具有对微流体能够复杂精确的控制，只需少量液体样品体积，不需要复杂的微泵微阀的结构来驱动液滴，系统灵活性高等优点而受到了越来越多的关注。其中，液滴在固体表面的行为控制是数字微流控中的一项关键技术。近年来，超疏水表面由于其优异的低粘附性和抗污染性能，在液滴控制方面得到了广泛的应用。但是目前所用疏水表面的性质在加工完成后都是确定的，其浸润性无法实时调控。因此，设计开发一种具有实时可调浸润性的超疏水表面在微流控领域有着重要的意义。
目前，对于调节超疏水表面浸润性的方法已经有一些报道，比如采用热、光、pH、磁场等。但这些方法存在控制复杂、不能够实时控制、表面接触等缺陷，大大限制了超疏水表面液滴控制中的应用。近年来，静电力开始用于疏水或超疏水表面浸润性的调控。但是只用电场力操控需要在液滴内加入电解质以及需要电极和液滴直接接触。这将限制液滴的可操控性，特别是需要防止液滴污染及需要静态和动态操控的时候。
发明内容
本发明所要解决的技术问题便是针对上述现有技术的不足，提供一种采用电场控制的数字微流控制装置及控制方法，制作简单，液滴调控响应速度快、生物兼容性好、操作方便、可重复、节省能量的等优良性能。
本发明所采用的技术方案是：一种采用电场控制的数字微流控制装置，包括液滴移动组件和液滴控制组件，
所述液滴移动组件包括内部设有安装腔的壳体，所述壳体的安装腔内其中一端设有液滴移动电压调节器，所述壳体远离液滴移动电压调节器的一端端面设有内部设有液滴移动电极的液滴移动超疏水表面基板，所述壳体的安装腔内还设有液滴移动电压显示器、液滴移动升压装置和液滴移动供电组件，所述液滴移动升压装置、液滴移动电压调节器和液滴移动电极依次连接，所述液滴移动电压显示器与液滴移动电压调节器连接，所述液滴移动供电组件分别与液滴移动电压调节器、液滴移动电压显示器和液滴移动升压装置连接；
所述液滴控制组件包括具有一定倾斜角度的且内部设有分布方式与被控制液滴运动轨迹匹配的液滴控制电极的液滴控制超疏水表面基板和与液滴控制电极连接的电压控制组件，所述电压控制组件包括液滴控制电压调节器、液滴控制电压显示器、液滴控制升压装置和液滴控制供电组件，所述液滴控制升压装置、液滴控制电压调节器和液滴控制电极依次连接，所述液滴控制电压显示器与液滴控制电压调节器连接，所述液滴控制供电组件分别与液滴控制电压调节器、液滴控制电压显示器和液滴控制升压装置连接。
其中一个实施例中，所述液滴移动电极和液滴控制电极均为叉指电极。
其中一个实施例中，所述液滴移动电极和液滴控制电极宽度均为40μm，厚度均为100nm。
其中一个实施例中，所述液滴控制超疏水表面基板位置较高的一端还设有为被控制液滴提供初始速度的初始速度通道，所述液滴控制超疏水表面基板位置较低的一端还设有可供被控制液滴通过的筛选通道。
本发明还公开了一种采用电场控制的数字微流控制方法，包括以下步骤：
a、在基板上通过刻蚀排列方式制备与被控制液滴运动轨迹匹配的叉指型图案；
b、在叉指型图案上镀膜，形成叉指电极基板；
c、在步骤b制备的叉指电极基板表面制备一层超疏水表面；
d、输入指定电压，通过液滴移动组件将液滴移动到液滴控制组件表面；
e、输入指定电压，控制液滴在超疏水表面的运动。
其中一个实施例中，步骤a中，基板材质为玻璃或硅片。
其中一个实施例中，步骤a中，叉指电极的排列采用光刻法进行排布，具体如下：
采用旋涂法在基板上涂上一层厚度适当且均匀的光刻胶，烘焙固化光刻胶，将光刻胶固化的基板放置在曝光机上采用设计好的与叉指电极的排列方式匹配的掩膜版进行曝光，曝光结束后采用显影液进行图案结构的显影。
其中一个实施例中，步骤b中，在叉指电极表面镀膜采用电子束蒸发法实现，具体如下：
将经过显影后的基板放入电子束蒸发镀膜机中，在真空环境下进行电子束蒸发镀膜，镀膜完成后清除剩余光刻胶。
其中一个实施例中，步骤c中，所述的超疏水表面可以采用喷涂法、液相沉积法或气相沉积法制得。
其中一个实施例中，制得的超疏水表面厚度5μm-15μm。
本发明的有益效果在于：该方法采用超疏水表面作为液滴的支撑平面，最大程度减小液固接触面积；同时采用采用电场的不均匀性调控液滴在超疏水表面的浸润性。改设计具有设备设计制作简单，液滴调控响应速度快、生物兼容性好、操作方便、可重复、节省能量的等优良性能。
附图说明
图1为本发明液滴移动组件结构示意图。
图2为本发明实施例1的液滴控制组件结构示意图；
图3为本发明实施例2的液滴控制组件结构示意图。
1、壳体；2、液滴移动电压调节器；3、液滴移动电压显示器；4、液滴移动控制电极；5、液滴移动超疏水表面基板；6、液滴移动升压装置；7、液滴移动供电组件；8、液滴控制超疏水表面基板；9、初始速度通道；10、筛选通道；11、液滴控制电极；12、被控制液滴。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
如图1、图2和图3所示，本发明所采用的技术方案是：一种采用电场控制的数字微流控制装置，包括液滴移动组件和液滴控制组件，
所述液滴移动组件包括内部设有安装腔的壳体1，所述壳体1的安装腔内其中一端设有液滴移动电压调节器2，所述壳体远离液滴移动电压调节器2的一端端面设有内部设有液滴移动电极4的液滴移动超疏水表面基板5，所述壳体1的安装腔内还设有液滴移动电压显示器3、液滴移动升压装置6和液滴移动供电组件7，所述液滴移动升压装置6、液滴移动电压调节器2和液滴移动电极4依次连接，所述液滴移动电压显示器3与液滴移动电压调节器2连接，所述液滴移动供电组件7分别与液滴移动电压调节器2、液滴移动电压显示器3和液滴移动升压装置6连接；
所述液滴控制组件包括具有一定倾斜角度的且内部设有分布方式与被控制液滴12运动轨迹匹配的液滴控制电极11的液滴控制超疏水表面基板8和与液滴控制电极11连接的电压控制组件，所述电压控制组件包括液滴控制电压调节器、液滴控制电压显示器、液滴控制升压装置和液滴控制供电组件，所述液滴控制升压装置、液滴控制电压调节器和液滴控制电极11依次连接，所述液滴控制电压显示器与液滴控制电压调节器连接，所述液滴控制供电组件分别与液滴控制电压调节器、液滴控制电压显示器和液滴控制升压装置连接。
本实施例中，所述液滴移动电极4和液滴控制电极11均为叉指电极。
本实施例中，所述液滴移动电极4和液滴控制电极11宽度均为40μm，厚度均为100nm。
本发明还公开了一种采用电场控制的数字微流控制方法，包括以下步骤：
步骤一、在基板上通过刻蚀排列方式制备与被控制液滴运动轨迹匹配的叉指型图案；
步骤二、在叉指型图案上镀膜，形成叉指电极基板；
步骤三、在步骤二制备的叉指电极基板表面制备一层超疏水表面；
步骤四、输入指定电压，通过液滴移动组件将液滴移动到液滴控制组件表面；
步骤五、输入指定电压，控制液滴在超疏水表面的运动。
本实施例中，步骤一中，基板材质为玻璃或硅片。
本实施例中，步骤一中，叉指电极的排列采用光刻法进行排布，具体如下：
采用旋涂法在基板上涂上一层厚度适当且均匀的光刻胶，烘焙固化光刻胶，将光刻胶固化的基板放置在曝光机上采用设计好的与叉指电极的排列方式匹配的掩膜版进行曝光，曝光结束后采用显影液进行图案结构的显影。
本实施例中，步骤二中，在叉指电极表面镀膜采用电子束蒸发法实现，具体如下：
将经过显影后的基板放入电子束蒸发镀膜机中，在真空环境下进行电子束蒸发镀膜，镀膜完成后清除剩余光刻胶。
本实施例中，步骤三中，所述的超疏水表面可以采用喷涂法、液相沉积法或气相沉积法制得。
本实施例中，制得的超疏水表面厚度5μm-15μm。
如图1和图2所示，当没有输入电压时，由于超疏水表面的低粘附性，被控制液滴12并不能吸附在该液滴移动组件上。当输入特定电压后，此电压根据待转移液滴尺寸确定。由于介电泳力的作用被控制液滴12部分液体将被拖入超疏水表面的多孔结构中形成较大的粘附力。此时，被控制液滴12可以根据实际要求转移。当输入电压再次降到零时，受被控制液滴12表面张力和重力的作用，被控制液滴12将从超疏水表面上脱落。
如图3所示，本实施例的液滴控制组件用于单独对被控制液滴12进行导向。该装置能够采用特定设计和排布的电极对被控制液滴12的运动方向进行调控。当输入特定电压后，在电极上方区域的表面粘附性将显著提高。当被控制液滴12在倾斜的液滴控制超疏水表面基板8滚动时，被控制液滴12将沿着高粘附区域进行滚动。
实施例2：
如图1、图2和图4所示，本发明所采用的技术方案是：一种采用电场控制的数字微流控制装置，包括液滴移动组件和液滴控制组件，
所述液滴移动组件包括内部设有安装腔的壳体1，所述壳体1的安装腔内其中一端设有液滴移动电压调节器2，所述壳体远离液滴移动电压调节器2的一端端面设有内部设有液滴移动电极4的液滴移动超疏水表面基板5，所述壳体1的安装腔内还设有液滴移动电压显示器3、液滴移动升压装置6和液滴移动供电组件7，所述液滴移动升压装置6、液滴移动电压调节器2和液滴移动电极4依次连接，所述液滴移动电压显示器3与液滴移动电压调节器2连接，所述液滴移动供电组件7分别与液滴移动电压调节器2、液滴移动电压显示器3和液滴移动升压装置6连接；
所述液滴控制组件包括具有一定倾斜角度的且内部设有分布方式与被控制液滴12运动轨迹匹配的液滴控制电极11的液滴控制超疏水表面基板8和与液滴控制电极11连接的电压控制组件，所述电压控制组件包括液滴控制电压调节器、液滴控制电压显示器、液滴控制升压装置和液滴控制供电组件，所述液滴控制升压装置、液滴控制电压调节器和液滴控制电极11依次连接，所述液滴控制电压显示器与液滴控制电压调节器连接，所述液滴控制供电组件分别与液滴控制电压调节器、液滴控制电压显示器和液滴控制升压装置连接，所述液滴控制超疏水表面基板8位置较高的一端还设有为被控制液滴12提供初始速度的初始速度通道9，所述液滴控制超疏水表面基板8位置较低的一端还设有可供被控制液滴12通过的筛选通道10。
本实施例中，所述液滴移动电极4和液滴控制电极11均为叉指电极。
本实施例中，所述液滴移动电极4和液滴控制电极11宽度均为40μm，厚度均为100nm。
本发明还公开了一种采用电场控制的数字微流控制方法，包括以下步骤：
步骤一、在基板上通过刻蚀排列方式制备与被控制液滴运动轨迹匹配的叉指型图案；
步骤二、在叉指型图案上镀膜，形成叉指电极基板；
步骤三、在步骤二制备的叉指电极基板表面制备一层超疏水表面；
步骤四、输入指定电压，通过液滴移动组件将液滴移动到液滴控制组件表面；
步骤五、输入指定电压，控制液滴在超疏水表面的运动。
本实施例中，步骤一中，基板材质为玻璃或硅片。
本实施例中，步骤一中，叉指电极的排列采用光刻法进行排布，具体如下：
采用旋涂法在基板上涂上一层厚度适当且均匀的光刻胶，烘焙固化光刻胶，将光刻胶固化的基板放置在曝光机上采用设计好的与叉指电极的排列方式匹配的掩膜版进行曝光，曝光结束后采用显影液进行图案结构的显影。
本实施例中，步骤二中，在叉指电极表面镀膜采用电子束蒸发法实现，具体如下：
将经过显影后的基板放入电子束蒸发镀膜机中，在真空环境下进行电子束蒸发镀膜，镀膜完成后清除剩余光刻胶。
本实施例中，步骤三中，所述的超疏水表面可以采用喷涂法、液相沉积法或气相沉积法制得。
本实施例中，制得的超疏水表面厚度5μm-15μm。
如图1和图2所示，当没有输入电压时，由于超疏水表面的低粘附性，被控制液滴12并不能吸附在该液滴移动组件上。当输入特定电压后，此电压根据被控制液滴12尺寸确定。由于介电泳力的作用被控制液滴12部分液体将被拖入超疏水表面的多孔结构中形成较大的粘附力。此时，被控制液滴12可以根据实际要求转移。当输入电压再次降到零时，受被控制液滴12表面张力和重力的作用，被控制液滴12将从超疏水表面上脱落。
如图4所示，本实施例的液滴控制组件在实施例1的基础上加上了初始速度通道9和筛选通道10，用于对被控制液滴12进行筛选。不通电压的情况下，叉指电极在超疏水表面产生粘附力不同，对滚动在其上的被控制液滴12进行调控。该装置通过液滴控制超疏水表面基板8的倾斜角度和初始速度通道9，可以为被控制液滴12提供水平的初速度。当被控制液滴12通过具有叉指电极排布的区域时，通过提供不同电压调控液滴在表面的粘滞力，被控制液滴12的水平速度将产生变化。受到重力的影响，被控制液滴12最终将滚到对应的筛选通道10中。
上述两个实施例中，叉指电极的厚度(要求小于1微米)和间隙(要求小于50微米)可根据实际工艺进行调控。叉指电极的对数，长度及其形状可根据实际工况进行调控。
同时，制备超疏水表面的工艺具体如下：喷涂法中可采用喷涂底胶和纳米颗粒(比如二氧化硅纳米球)，形成多孔结构后进行疏水化处理(比如氟化处理)得到超疏水表面；液相乘积法可采用提拉法在含有纳米微球的溶液中沉积一层含纳米微球的多孔结构，再进行疏水化处理；气相沉积法可采用沉积一层蜡烛灰为模板，利用气相乘积法镀二氧化硅得到多孔结果，再进行疏水化得到。
被控制液滴12转移和被控制液滴12控制时，输入电压可采用直流或者交流电。具体的，产生相同的粘附力，采用交流电所需要的电压比直流电小。所采用的交流电的波形可以用三角波、正弦波或方形波。输入电压大小根据实际工况确定，通常在60V就能产生较为明显的效果。具体的，在10微米的超疏水镀层时，采用50V电压的正弦波可以对液滴产生约20微牛的粘附力。
上述实施例中，液滴控制超疏水表面基板角度为30°。
上述实施例中，被控制液滴12可包含水性或非水性液体，被控制液滴12也可包含极性或非极性液体。同时本装置可与传感等装置结合使用，检测并控制特定被控制液滴12的行为。
本控制装置的由液滴控制电压调节器、液滴控制电压显示器、液滴控制升压装置和液滴控制供电组件组成的液滴控制组件的电压控制组件单独控制液滴控制电极11，由于其外接于液滴控制超疏水表面基板8，因此图上并未标出。但其连接方式和控制方式与液滴移动电极4一致。
本控制装置的液滴移动供电组件7和液滴控制供电组件为3.7V-5V锂电池；液滴移动升压装置6和液滴控制升压装置为爱科思工坊HIA4HV1200型升压模块；液滴移动电压调节器2和液滴控制电压调节器为旋转式电位器；液滴移动电压显示器3和液滴控制电压显示器为爱科思工坊VAMLED1.1HV型电压显示器。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种采用电场控制的数字微流控制装置，包括液滴移动组件，其特征在于，本控制装置还包括液滴控制组件，
所述液滴移动组件包括内部设有安装腔的壳体，所述壳体的安装腔内其中一端设有液滴移动电压调节器，所述壳体远离液滴移动电压调节器的一端端面设有内部设有液滴移动电极的液滴移动超疏水表面基板，所述壳体的安装腔内还设有液滴移动电压显示器、液滴移动升压装置和液滴移动供电组件，所述液滴移动升压装置、液滴移动电压调节器和液滴移动电极依次连接，所述液滴移动电压显示器与液滴移动电压调节器连接，所述液滴移动供电组件分别与液滴移动电压调节器、液滴移动电压显示器和液滴移动升压装置连接；
所述液滴控制组件包括具有一定倾斜角度的且内部设有分布方式与被控制液滴运动轨迹匹配的液滴控制电极的液滴控制超疏水表面基板和与液滴控制电极连接的电压控制组件，所述电压控制组件包括液滴控制电压调节器、液滴控制电压显示器、液滴控制升压装置和液滴控制供电组件，所述液滴控制升压装置、液滴控制电压调节器和液滴控制电极依次连接，所述液滴控制电压显示器与液滴控制电压调节器连接，所述液滴控制供电组件分别与液滴控制电压调节器、液滴控制电压显示器和液滴控制升压装置连接。
2.根据权利要求1所述的一种采用电场控制的数字微流控制装置，其特征在于，所述液滴移动电极和液滴控制电极均为叉指电极。
3.根据权利要求2所述的一种采用电场控制的数字微流控制装置，其特征在于，所述液滴移动电极和液滴控制电极宽度均为40μm，厚度均为100nm。
4.根据权利要求1所述的一种采用电场控制的数字微流控制装置，其特征在于，所述液滴控制超疏水表面基板位置较高的一端还设有为被控制液滴提供初始速度的初始速度通道，所述液滴控制超疏水表面基板位置较低的一端还设有可供被控制液滴通过的筛选通道。
5.一种采用电场控制的数字微流控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、在基板上通过刻蚀排列方式制备与被控制液滴运动轨迹匹配的叉指型图案；
b、在叉指型图案上镀膜，形成叉指电极基板；
c、在步骤b制备的叉指电极基板表面制备一层超疏水表面；
d、输入指定电压，通过液滴移动组件将液滴移动到液滴控制组件表面；
e、输入指定电压，控制液滴在超疏水表面的运动。
6.根据权利要求5所述的一种采用电场控制的数字微流控制方法，其特征在于，步骤a中，基板材质为玻璃或硅片。
7.根据权利要求5所述的一种采用电场控制的数字微流控制方法，其特征在于，步骤a中，叉指电极的排列采用光刻法进行排布，具体如下：
采用旋涂法在基板上涂上一层厚度适当且均匀的光刻胶，烘焙固化光刻胶，将光刻胶固化的基板放置在曝光机上采用设计好的与叉指电极的排列方式匹配的掩膜版进行曝光，曝光结束后采用显影液进行图案结构的显影。
8.根据权利要求5所述的一种采用电场控制的数字微流控制方法，其特征在于，步骤b中，在叉指电极表面镀膜采用电子束蒸发法实现，具体如下：
将经过显影后的基板放入电子束蒸发镀膜机中，在真空环境下进行电子束蒸发镀膜，镀膜完成后清除剩余光刻胶。
9.根据权利要求5所述的一种采用电场控制的数字微流控制方法，其特征在于，步骤c中，所述的超疏水表面可以采用喷涂法、液相沉积法或气相沉积法制得。
10.根据权利要求9所述的一种采用电场控制的数字微流控制方法，其特征在于，制得的超疏水表面厚度5μm-15μm。
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