CN110681421A - 一种数字微流控系统 - Google Patents

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苏阳
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Abstract

本申请适用于微流控技术领域，提供了一种数字微流控系统。所述数字微流控系统包括微流控芯片和控制电路，所述微流控芯片包括底部电极板，所述底部电极板包含多个电极。所述控制电路用于分别控制每个电极接地或接通电源，以及用于控制接地的电极的总面积至少为接通电源的电极的总面积的5倍。如此，足以形成能够驱动液滴的电势差，且通过开关控制电极接地而无需将顶盖接地或在底部电极阵列中设置较小的接地电极，进而降低了数字微流控系统的封装难度。

Description

一种数字微流控系统
技术领域
本申请属于微流控技术领域，尤其涉及一种数字微流控系统。
背景技术
在专利EP3210010B1中介绍了两种数字微流控系统的结构。
图1所示为其中含顶盖的数字微流控系统的截面结构。该含顶盖的数字微流控系统包括顶盖25、底部电极板15和控制电路。顶盖25包括依次连接的基底24、导电层22和疏水层20，底部电极板15包括依次连接的疏水层18、介电层16和基底12，以及嵌设于介电层16和基底12之间的电极阵列14(包括多个电极)。疏水层20和疏水层18之间形成液滴移动空间30。所述控制电路包括多个开关28和电源26，一个开关连接于一个电极和电源26的高电势端之间，电源26的接地端和导电层22均接地。如此，当任一开关处于开启状态时，连接于该开关的电极(称为“开启电极”)因与电源26的接通而处于高电势，同时顶盖25的导电层22因接地而处于低电势，从而在开启电极和导电层22之间形成一定的电势差。该电势差可以改变介电层表面在该开启电极位置处的疏水性，进而可以改变介电层表面在该开启电极位置处与液滴的接触角，该电势差足够大时可以形成促使液滴42移动的切向力(如箭头所示方向)。
图2所示为其中无顶盖的数字微流控系统的截面结构。该无顶盖的数字微流控系统包括底部电极板和控制电路。所述底部电极板包括依次连接的疏水层18、介电层16和基底12，以及嵌设于介电层16和基底12之间的电极阵列。该电极阵列包括呈阵列排布的多个电极14且电极14间设置有较小的接地电极52。所述控制电路包括多个开关28和电源。一个开关连接于一个电极14和该电源的高电势端之间，电源26的接地端接地。如此，当任一开关处于开启状态时，连接于该开关的电极14(称为“开启电极”)因与电源的接通而处于高电势，并且接地电极52因接地而处于低电势，从而在开启电极和接地电极52之间形成一定的电势差。该电势差可以改变介电层表面在该开启电极位置处的疏水性，进而可以改变介电层表面在该开启电极位置处与液滴的接触角，该电势差足够大时可以形成促使液滴42移动的切向力。
在含顶盖的数字微流控系统中需要将顶盖导电层接地，在无顶盖的数字微流控系统中需要在与开关连接的电极间设置较小的接地电极，两者都使得数字微流控系统的封装工艺较为复杂。
因此，目前需要提供一种易于封装的数字微流控系统。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例提供了含顶盖的微流控芯片和无顶盖的微流控芯片，以解决现有技术中由于在含顶盖的微流控芯片中需要将顶盖导电层接地，在无顶盖的微流控芯片中需要在与开关连接的电极间设置较小的接地电极，使得微流控芯片的封装工艺较为复杂的问题。
本申请实施例的第一方面提供了一种数字微流控系统，所述数字微流控系统包括微流控芯片和控制电路，所述微流控芯片包括底部电极板，所述底部电极板包含多个电极，所述控制电路用于分别控制每个电极接地或接通电源，以及用于控制接地的电极的总面积至少为接通电源的电极的总面积的5倍。
在一些实施例中，所述多个电极包括呈阵列排布的控制电极，所述控制电路包括多个开关，所述开关与控制电极一一对应，每一所述开关包括接地的第一连接位置和与电源连接的第二连接位置。
在一些实施例中，所述开关包括复位选择器和/或光耦。
在一些实施例中，所述电源包括信号发生器、电压/电平转换装置或功率转换装置。
在一些实施例中，所述多个电极还包括接地电极，所述接地电极始终接地。
在一些实施例中，所述接地电极环绕于呈阵列排布的控制电极外部。
在一些实施例中，微流控芯片为无顶盖微流控芯片。
在一些实施例中，所述微流控芯片还包括顶盖，所述顶盖和所述底部电路板之间形成液滴移动空间，所述顶盖包括顶盖导电层，所述顶盖导电层处于电压悬浮状态。
在一些实施例中，所述顶盖导电层的尺寸不小于所述底部电极板上铺设电极的尺寸。
在一些实施例中，所述电源可以提供电压信号或电流信号。
本申请实施例可能具有的有益效果包括：
本申请实施例提供一种数字微流控系统。所述数字微流控系统包括微流控芯片和控制电路，所述微流控芯片包括底部电极板，所述底部电极板包含多个电极，所述控制电路用于分别控制每个电极接地或接通电源，以及用于控制接地的电极的总面积至少为接通电源的电极的总面积的5倍。如此，足以形成能够驱动液滴的电势差，且通过开关控制电极接地而无需将顶盖接地或在底部电极阵列中设置较小的接地电极，进而降低了数字微流控系统的封装难度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术中一种含顶盖的数字微流控系统的截面结构示意图；
图2是现有技术中一种无顶盖的数字微流控系统的截面结构示意图；
图3是本申请实施例提供的数字微流控系统中接地电极与呈阵列排布的多个控制电极的相对位置示意图；
图4是本申请实施例提供的一种含顶盖的数字微流控系统的截面结构示意图；
图5是图4所示含顶盖的数字微流控系统的工作示意图；
图6示出了在液滴位于初始位置电极和目标位置电极之间的情况下基于含顶盖的数字微流控系统建立的等效电路模型；
图7示出了当顶盖的导电层接地且对目标位置电极施加电压Vext时的等效电路图以及当顶盖导电层悬浮且对目标位置电极施加电压Vext时的等效电路；
图8示出了本申请实施例提供的含顶盖的数字微流控系统和现有技术中含顶盖的数字微流控系统在电压观测线上的电压仿真曲线图；
图9是本申请实施例提供的一种无顶盖的数字微流控系统的截面结构示意图；
图10是图9所示无顶盖的数字微流控系统的工作示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本申请一路的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。
本申请实施例提供一种数字微流控系统，所述数字微流控系统包括微流控芯片和控制电路。所述微流控芯片包括底部电极板，所述底部电极板包含多个电极。所述控制电路用于分别控制每个电极接地或接通电源，以及用于控制接地的电极的总面积至少为接通电源的电极的总面积的5倍。如此，足以形成能够驱动液滴的电势差，且通过开关控制电极接地而无需将顶盖接地或在底部电极阵列中设置较小的接地电极，进而降低了数字微流控系统的封装难度。
在一些实施例中，所述多个电极可以包括呈阵列排布的控制电极，所述控制电路包括多个开关，所述开关与控制电极一一对应，每一所述开关包括接地的第一连接位置和与电源连接的第二连接位置。可选地，所述开关可以包括复位选择器、光耦等或其任意组合。在一些实施方式中，每一所述控制电极的面积可以均相等。在又一些实施方式中，各控制电极的面积也可以不相等。
在一些实施例中，为了提高接地电极的总面积，所述多个电极还可以包括始终接地的接地电极。可选地，如图4所示，所述接地电极可以环绕于呈阵列排布的控制电极的外部。
在一些实施例中，所述电源可以包括信号发生器、电压/电平转换装置或功率转换装置。可选地，所述电源可以提供电压信号或电流信号。
下面分别介绍本申请实施例提供的两种数字微流控系统的具体结构。
请参照图4，图4是本申请实施例提供的一种含顶盖的数字微流控系统的截面结构示意图。如图4所示，该含顶盖的数字微流控系统包括含顶盖的微流控芯片和控制电路。其中，所述含顶盖的微流控芯片包括顶盖25和底部电极板，顶盖25包括依次连接的基底24、导电层22和疏水层20，所述底部电极板包括依次连接的疏水层18、介电层16和基底12，以及嵌设于介电层16和基底12之间的电极阵列34。疏水层20和疏水层18之间形成液滴移动空间。所述控制电路包括电源26和多个开关38，电极阵列34包括多个控制电极。
所述开关与所述控制电极一一对应连接。其中，所述开关至少具有两种连接位置，当所述开关处于第一连接位置时，与其连接的控制电极接通电源26，当所述开关处于第二连接位置时，与其连接的控制电极接地。所述顶盖的导电层不接地，处于电压悬浮状态。
请参照图5，图5是图4所示含顶盖的微流控芯片的工作示意图。如图5所示，通过设置各开关的连接位置，一个控制电极(称为“开启电极”)与电源26接通而处于高电势，其他控制电极(称为“未开启电极”)接地而处于低电势。
在一些实施例中，当未开启电极的数量足够多时，底部的所有未开启电极与顶部的导电层22之间形成足够大的电容，使得底部的所有未开启电极与顶部的导电层22间的电压近似为零。换言之，顶部的导电层22的电势接近未开启电极的接地电势(低电势)。因此，在处于高电势的开启电极和接近接地电势的导电层22之间形成一定的电势差，该电势差足够大时可以促使液滴42移动。在一些实施例中，未开启电极的总面积与开启电极的总面积之比不小于5时，可以使得顶盖的导电层电压低于电源标准电压的20％，进而有效控制液滴移动。进一步地，可以将电极阵列中的控制电极设计成等面积的，从而通过控制处于可选地，为了尽量形成足够大的电容，还可以将顶盖25的导电层22的尺寸配置成不小于底部电极板上铺设电极的尺寸，例如，顶盖25可以完全覆盖电极阵列34。
请结合参照图6和图7，图6示出了在液滴位于初始位置电极1和目标位置电极2之间的情况下基于含顶盖的数字微流控系统建立的等效电路模型，图7示出了当顶盖的导电层接地且对目标位置电极2施加电压Vext时的等效电路图以及当顶盖导电层悬浮且对目标位置电极2施加电压Vext时的等效电路。其中，每个电极的面积均相等。电容3(Cd1)为初始位置电极1上方液滴部分的等效电容，电容4(Cd2)为目标位置电极2上方液滴部分的等效电容。电容5(Cdl)为初始位置电极1上方介电层的等效电容，电容6(Cdl)为目标位置电极2上方介电层的等效电容，且两者相等(由于电容5与电容6完全相同，因此使用同样的标示)。电容7为初始位置电极1(Cm1)上方包裹液滴的介质部分的等效电容，电容8(Cm2)为目标位置电极2上方包裹液滴的介质部分的等效电容。当顶盖的导电层接地且对目标位置电极2施加电压Vext时的等效电路如图7a所示，电容6两端的电压(Veff)决定了液滴能否被成功驱动。当顶盖导电层悬浮且对目标位置电极2施加电压Vext时等效电路如图7b所示，电容6两端的电压(Veff’)决定了液滴能否被成功驱动。
其中，Veff的计算公式如公式为：
Figure BDA0002225418840000071
Veff’的计算公式如公式为：
Figure BDA0002225418840000072
当未开启电极数目是开启电极数目的κ倍时，Veff’的计算公式变为：
Figure BDA0002225418840000073
因此当κ足够大时Veff’≈Veff，即顶盖电压悬浮与顶盖接地的数字微流控系统效果近似相同。
请结合参照图5和图8，图8示出了本申请实施例提供的含顶盖(电压悬浮，即未接地)的微流控芯片和现有技术中含顶盖(接地)的微流控芯片在电压观测线上的电压仿真曲线图。具体地，在仿真时，采用等面积的控制电极，将一个控制电极接通，其他控制电极均接地，通过改变控制电极阵列中接地的控制电极的数量，获得两种含顶盖的微流控芯片在不同接地控制电极数量下电压观测线上的电压变化曲线。如图5所示，电压观测线可以选取于介电层16朝向顶盖25的表面(箭头所指)，该电压观测线上的电压能够决定液滴42是否能够移动。可以看出，随着控制电极数量的增加，本申请实施例提供的含顶盖的微流控芯片和现有技术中含顶盖的微流控芯片在电压观测线上的电压曲线越来越接近，即表明随着控制电极数量的增加本申请实施例提供的含顶盖的微流控芯片的顶盖电压越来越接近于接地电压。因此，可以证明本申请实施例提供的含顶盖的微流控芯片在接地的控制电极总面积足够大时能够有效实现液滴的移动。并且，本申请实施例提供的含顶盖的微流控芯片可以通过开关控制底部电极接地，无需将顶盖接地，减小了封装难度。
在一些实施例中，还可以在电极阵列34外部环设接地的外围电极，以提高底部接地电极的总面积。实际测试中，分别设计了边长1.39毫米和边长1.90毫米的正方形电极阵列进行测试，电极阵列被面积较大的接地外围电极包围，。将单个液滴在单行五个电极之间循环移动并通过改变每一步移动的时间间隔分别研究顶盖接地与悬浮状态的液滴连续移动成功率。随着时间间隔的逐渐增大，顶盖接地与悬浮状态下的液滴连续移动成功率逐渐提高。经实验验证在边长1.39毫米的电极阵列中，当顶盖接地且时间间隔为0.24秒时液滴连续移动成功率为100％，当顶盖悬浮且时间间隔为0.26秒时液滴连续移动成功率为100％。在边长1.90毫米的电极阵列中，当顶盖接地且时间间隔为0.31秒时液滴连续移动成功率为100％，当顶盖悬浮且时间间隔为0.32秒时液滴连续移动成功率为100％。因此可以证明当外围接地电极面积足够大时，顶盖悬浮与顶盖接地的数字微流控系统效果近似相同。
请参照图9，图9是是本申请实施例提供的一种无顶盖的数字微流控系统的截面结构示意图。该无顶盖的数字微流控系统包括底部电极板和控制电路，所述底部电极板包括依次连接的疏水层18、介电层16和基底12，以及嵌设于介电层16和基底12之间的电极阵列34。所述控制电路包括电源26和多个开关38。电极阵列34包括多个控制电极，所述开关与所述控制电极一一对应连接。所述开关至少具有两种连接位置，当所述开关处于第一连接位置时，用于控制与其连接的控制电极接通电源26，当所述开关处于第二连接位置时，用于控制与其连接的控制电极接地。
请参照图10，图10是图9所示无顶盖的微流控芯片的工作示意图。如图8所示，通过设置各开关的连接位置，一个控制电极(称为“开启电极”)与电源26接通而处于高电势，其他控制电极(称为“未开启电极”)接地而处于低电势。开启电极与未开启电极之间形成一定的电势差，该电势差足够大时可以促使液滴42移动。本申请实施例提供的无顶盖的微流控芯片可以通过开关控制底部电极接地，无需在与开关连接的电极间增设较小的接地电极，减小了封装难度。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种数字微流控系统，所述数字微流控系统包括微流控芯片和控制电路，所述微流控芯片包括底部电极板，所述底部电极板包含多个电极，其特征在于，所述控制电路用于分别控制每个电极接地或接通电源，以及用于控制接地的电极的总面积至少为接通电源的电极的总面积的5倍。
2.根据权利要求1所述的数字微流控系统，其特征在于，所述多个电极包括呈阵列排布的控制电极，所述控制电路包括多个开关，所述开关与控制电极一一对应，每一所述开关包括接地的第一连接位置和与电源连接的第二连接位置。
3.根据权利要求2所述的数字微流控系统，其特征在于，所述开关包括复位选择器和/或光耦。
4.根据权利要求2所述的数字微流控系统，其特征在于，所述电源包括信号发生器、电压/电平转换装置或功率转换装置。
5.根据权利要求2所述的数字微流控系统，其特征在于，所述多个电极还包括接地电极，所述接地电极始终接地。
6.根据权利要求5所述的数字微流控系统，其特征在于，所述接地电极环绕于呈阵列排布的控制电极外部。
7.根据权利要求2所述的数字微流控系统，其特征在于，所述微流控芯片为无顶盖微流控芯片。
8.根据权利要求1所述的数字微流控系统，其特征在于，所述微流控芯片还包括顶盖，所述顶盖和所述底部电路板之间形成液滴移动空间，所述顶盖包括顶盖导电层，所述顶盖导电层处于电压悬浮状态。
9.根据权利要求8所述的数字微流控系统，其特征在于，所述顶盖导电层的尺寸不小于所述底部电极板上铺设电极的尺寸。
10.根据权利要求1所述的数字微流控系统，其特征在于，所述电源可以提供电压信号或电流信号。
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