CN110773247A - 一种微量样品的检测芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微量样品的检测芯片，包括：相对设置的第一基板和第二基板以及位于第二基板面向第一基板一侧的电极层；电极层包括多个电极单元，电极单元包括：间隔设置的驱动电极和参考电极；每一个电极单元中，驱动电极在第二基板的正投影的边缘和参考电极在第二基板的正投影的边缘之间的最小距离相同。本发明可以在驱动电压较低的情况下完成分离小液滴的功能，使检测芯片的功耗较低。并且，由于所需的驱动电压较低，可以使用集成芯片来提供驱动电压，从而可以实现集成小型化，使检测芯片可以量产。
Description
技术领域
本发明涉及检测技术领域，特别涉及一种微量样品的检测芯片。
背景技术
目前，可以将生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作集成到一块尺寸较小的检测芯片上，例如微米尺寸的检测芯片。一般检测样品为液体时，需要通过对驱动电极施加驱动电压以使液滴处于驱动电场中，将液滴拉长以完成液滴分离。
发明内容
本发明实施例提供一种微量样品的检测芯片，可以在驱动电压较低情况下完成液滴分离的功能。
因此，本发明实施例还提供了一种微量样品的检测芯片，包括：相对设置的第一基板和第二基板；所述微量样品的检测芯片包括：位于所述第二基板面向所述第一基板一侧的电极层；
所述电极层包括多个所述电极单元，所述电极单元包括：间隔设置的驱动电极和参考电极；每一个所述电极单元中，所述驱动电极在所述第二基板的正投影的边缘和所述参考电极在所述第二基板的正投影的边缘之间的最小距离相同。
可选地，每一个所述电极单元包括一个所述驱动电极和一个所述参考电极；
所述驱动电极在所述第二基板的正投影围绕所述参考电极在所述第二基板的正投影的至少部分边缘。
可选地，所述驱动电极在所述第二基板的正投影环形围绕所述参考电极在所述第二基板的正投影；或者，
所述驱动电极在所述第二基板的正投影与所述参考电极在所述第二基板的正投影沿第一方向交替排列。
可选地，每一个所述电极单元包括两个所述驱动电极和一个所述参考电极；
同一所述电极单元中，所述参考电极在所述第二基板的正投影位于两个所述驱动电极在所述第二基板的正投影之间。
可选地，每一个所述电极单元包括四个所述驱动电极和一个所述参考电极；
所述电极单元为矩形，一个所述驱动电极位于所述矩形的一个顶角对应的区域，所述参考电极位于所述电极单元的矩形的几何中心所在的区域。
可选地，所述微量样品的检测芯片还包括：位于所述电极层与所述第二基板之间的预设绝缘层，以及位于所述预设绝缘层与所述第二基板之间的参考电极线；
所述参考电极线通过贯穿所述预设绝缘层的过孔与所述参考电极电连接。
可选地，所述驱动电极阵列排布于所述电极层中；所述微量样品的检测芯片还包括：位于所述电极层与所述第二基板之间的多条数据线、多条扫描线以及多个开关晶体管；其中，一个所述开关晶体管对应一个所述驱动电极，一列所述驱动电极对应一条所述扫描线，一行所述驱动电极对应一条所述数据线，所述开关晶体管的栅极与所述扫描线电连接，所述开关晶体管的源极与所述数据线电连接，所述开关晶体管的漏极与对应的驱动电极电连接。
可选地，所述扫描线与所述参考电极线同层设置，或，所述数据线与所述参考电极线同层设置。
可选地，所述微量样品的检测芯片还包括：位于所述电极层与所述第二基板之间的多条驱动电极线，一条所述驱动电极线对应电连接一个所述驱动电极。
可选地，所述驱动电极线与所述参考电极线设置在同一层。
可选地，所述微量样品的检测芯片至少分为储液槽区域、通道区域以及检测区域；其中，所述储液槽区域通过所述通道区域与所述检测区域连通；
所述储液槽区域中的驱动电极的面积大于所述通道区域中的驱动电极的面积；和/或，
所述储液槽区域中的驱动电极的面积大于所述检测区域中的驱动电极的面积。
本发明有益效果如下：
本发明实施例提供的一种微量样品的检测芯片，包括：相对设置的第一基板和第二基板以及位于第二基板面向第一基板一侧的电极层；电极层包括多个电极单元，电极单元包括：间隔设置的驱动电极和参考电极；每一个电极单元中，驱动电极在第二基板的正投影的边缘和参考电极在第二基板的正投影的边缘之间的最小距离相同。由于电极层包括多个电极单元，电极单元包括间隔设置的驱动电极和参考电极，在检测芯片工作过程中，对驱动电极依次施加驱动电压时，可以对参考电极施加稳定的参考电压，例如可以将参考电极接地。由于每一个电极单元中，驱动电极在第二基板的正投影的边缘和参考电极在第二基板的正投影的边缘之间的最小距离相同，也即施加驱动电压的驱动电极与施加了稳定的参考电压的参考电极之间的距离并不会发生改变，那么在驱动电压和参考电压均不变时，可以保证驱动电场基本保持不变。这样相比通过提高驱动电压来维持驱动电场的大小，本发明实施例可以在驱动电压较低的情况下完成分离小液滴的功能，使检测芯片的功耗较低。并且，由于所需的驱动电压较低，可以使用集成芯片来提供驱动电压，从而可以实现集成小型化，使检测芯片可以量产。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种微量样品的检测芯片的俯视结构示意图；
图2为图1所示一种微量样品的检测芯片沿AA’方向的剖视结构示意图；
图3a为本发明实施例提供的一种电极单元的结构示意图；
图3b为本发明实施例提供的又一种电极单元的结构示意图；
图3c为本发明实施例提供的又一种电极单元的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种微量样品的检测芯片沿AA’方向的具体剖视结构示意图；
图5为本发明实施例提供的又一种微量样品的检测芯片沿AA’方向的具体剖视结构示意图；
图6为本发明实施例提供的第二基板的俯视结构示意图；
图7为本发明实施例提供的又一种微量样品的检测芯片的俯视结构示意图；
图8为本发明实施例提供的又一种电极单元的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的又一种电极单元的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
需要注意的是，附图中各图形的尺寸和形状不反映真实比例，目的只是示意说明本发明内容。并且自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。
微流控芯片技术(Microfluidics)可以把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。由于其可以降低成本，检测时间短，灵敏度高等优点，可以在生物、划线、医学领域展现巨大的前景。微流控芯片又可称为芯片实验室(lab-on-a-chip)，具有微型化、集成化等优点，可以将生物、化学等实验室的基本功能微缩到一个仅有几平方厘米的芯片上。本发明实施例提供的微量样品的检测芯片可以为微流控芯片。进一步地，微量样品可以为尺寸在纳米级或微米级的连续的流体，或者也可以为离散的液滴。下面以液滴作为微量样品为例进行说明。
一般地，微量样品的检测芯片具有储液槽区域、通道区域和检测区域，在这些区域中设置有驱动电极和疏水层，储液槽区域中存储有大液滴。微量样品的检测芯片工作时需要将储液槽区域中的大液滴分离出一部分移动到检测区域，一般的分离步骤为：先对通道区域中的驱动电极依次施加驱动电压，这样储液槽区域中的大液滴在驱动电场的作用下慢慢移动到通道区域中并被拉成长条状。然后对位于通道区域中的长条状液滴两端部分的驱动电极施加驱动电压，对储液槽区域中的驱动电极施加驱动电压，将长条状液滴中间部分的通道区域驱动电极接地，从而在驱动电场的作用下从大液滴中分离出一部分小液滴。
但在实际中，同一区域(例如储液槽区域、通道区域和检测区域)中，由于接地的驱动电极一般位于液滴的边缘处，而液滴覆盖的施加驱动电压的驱动电极较多，这样使得不同位置处施加驱动电压的驱动电极与边缘处接地的驱动电极的距离不同。例如，液滴覆盖区域中的中间处的施加驱动电压的驱动电极与接地的驱动电极距离较远，根据电容器原理E＝U/d，不改变驱动电压U时，距离d较大，其驱动电场E也就较小，不足以使液滴分离，因此只能通过提高驱动电压来维持驱动电场的大小。然而提高驱动电压会导致检测芯片的功耗提高，并存在击穿电极、电解液滴的风险。并且，由于所需的驱动电压较高，不能使用集成芯片来提供驱动电压，只能用分离元件组成的驱动系统来实现驱动，这样难以实现简化与缩小，也就难以量产。
本发明实施例提供的一种微量样品的检测芯片，结合图1至图3a所示，包括：相对设置的第一基板100和第二基板200以及位于第二基板200面向第一基板100一侧的电极层220；
电极层220包括多个电极单元221，电极单元221包括：间隔设置的驱动电极2211和参考电极2212；如图3a所示，每一个电极单元221中，驱动电极2211在第二基板200的正投影的边缘和参考电极2212在第二基板200的正投影的边缘之间的最小距离d相同。
本发明实施例提供的微量样品的检测芯片，由于电极层220包括多个电极单元221，电极单元221包括间隔设置的驱动电极2211和参考电极2212，在检测芯片工作过程中，对驱动电极2211依次施加驱动电压时，可以对参考电极2212施加稳定的参考电压，例如可以将参考电极2212接地。由于每一个电极单元221中，驱动电极2211在第二基板200的正投影的边缘和参考电极2212在第二基板200的正投影的边缘之间的最小距离d相同，也即施加驱动电压的驱动电极2211与施加了稳定的参考电压的参考电极2212之间的距离并不会发生改变，那么在驱动电压和参考电压均不变时，可以保证驱动电场基本保持不变。这样相比通过提高驱动电压来维持驱动电场的大小，本发明实施例可以在驱动电压较低的情况下完成分离小液滴的功能，使检测芯片的功耗较低。并且，由于所需的驱动电压较低，可以使用集成芯片来提供驱动电压，从而可以实现集成小型化，使检测芯片可以量产。
下面结合具体实施例，对本发明进行详细说明。需要说明的是，本实施例中是为了更好的解释本发明，但不限制本发明。
实施例一、
在具体实施时，在本发明实施例中，如图3a-3c所示，每一个电极单元221可以包括一个驱动电极2211和一个参考电极2212；其中，驱动电极2211在第二基板200的正投影围绕参考电极2212在第二基板200的正投影的至少部分边缘。
在具体实施时，在本发明实施例中，驱动电极2211与参考电极2212绝缘设置。
可选地，如图3a所示，驱动电极2211在第二基板200的正投影环形围绕参考电极2212在第二基板200的正投影。
可选地，如图3b所示，驱动电极2211在第二基板200的正投影具有从边缘向中心延伸的凹陷区域H，参考电极2212在第二基板200的正投影位于该凹陷区域中。
可选地，图3c所示，同一个电极单元221中，驱动电极2211在第二基板200的正投影与参考电极2212在第二基板200的正投影沿第一方向AB交替排列。
进一步地，在具体实施时，在本发明实施例中，如图1所示，驱动电极2211可以阵列排布于电极层220中。这样可使驱动电极2211均匀分布。
微量样品的检测芯片可以为有源器件，在具体实施时，在本发明实施例中，如图4和图5所示，微量样品的检测芯片还可以包括：位于电极层220与第二基板200之间的多条数据线600、多条扫描线500以及多个开关晶体管300；其中，如图6所示，一个开关晶体管300对应一个驱动电极2211，一列驱动电极2211对应一条数据线600，一行驱动电极2211对应一条扫描线500。
开关晶体管300包括：栅极330、与栅极330绝缘设置的有源层340、与栅极330绝缘设置且与有源层340电连接的源极310与漏极320。在实际应用中，开关晶体管300的漏极320与驱动电极2211通过过孔电连接，用于向驱动电极2211提供电压。示例性地，栅极330与有源层340之间设置栅绝缘层，以使栅极330与有源层340绝缘设置。栅极330与源极310和漏极320所在层之间设置第一层间绝缘层，以使栅极330与源极310和漏极320绝缘设置。源极310和漏极320所在层与驱动电极所在层之间设置第二层间绝缘层，以使源极310和漏极320所在层与驱动电极绝缘设置。
开关晶体管300的栅极330与扫描线500电连接，开关晶体管300的源极310与数据线600电连接，开关晶体管300的漏极320与对应的驱动电极2211电连接。
在具体实施时，驱动晶体管300在扫描线500的控制信号的控制下处于导通状态时，将数据线600的驱动电压提供给驱动电极2211。
在具体实施时，在本发明实施例中，如图4与图5所示，微量样品的检测芯片还包括：位于电极层220与第二基板200之间的预设绝缘层，以及位于预设绝缘层与第二基板200之间的参考电极线400；参考电极线400通过贯穿预设绝缘层的过孔与参考电极2212电连接。
在具体实施时，如图4与图5所示，扫描线500与栅极330同层同材质设置。数据线600与源极310、漏极320同层同材质设置。示例性地，如图4所示，可以将扫描线500与参考电极线400同层同材质设置，这样可以使上述预设绝缘层包括第一层间绝缘层和第二层间绝缘层。这样可以采用一次构图工艺得到其图形，从而简化制备工艺。
或者，如图5所示，也可以将数据线600与参考电极线400同层同材质设置，这样可以使上述预设绝缘层包括第二层间绝缘层。这样可以采用一次构图工艺得到其图形，从而简化制备工艺。
在具体实施时，在本发明实施例中，如图7所示，微量样品的检测芯片至少可以分为储液槽区域10、通道区域20以及检测区域30；其中，储液槽区域10通过通道区域20与检测区域30连通。
在具体实施时，如图7所示，储液槽区域10中的驱动电极2211的面积可以大于通道区域20中的驱动电极2211的面积。
在具体实施时，如图7所示，储液槽区域10中的驱动电极2211的面积可以大于检测区域30中的驱动电极2211的面积。
在具体实施时，在本发明实施例中，如图2所示，微量样品的检测芯片还包括：位于第一基板100面向第二基板200一侧的第一疏水层110，以及位于第二基板200面向第一基板100一侧的第二疏水层230。
在具体实施时，在本发明实施例中，如图2所示，第一基板100与第二基板200之间具有用于盛放液滴的缝隙，该缝隙可以采用隔垫物支撑第一基板100与第二基板200实现。
在具体实施时，在本发明实施例中，如图3a-图3c所示，参考电极2212可以为矩形，例如正方形、长方形。当然，在实际应用中，参考电极2212也可以为圆形、多边形或其他合适的形状，在此不做限定。
具体地，驱动液滴进行移动的工作原理为：依次对数据线600加载驱动电压，依次对扫描线500加载控制信号以使各开关晶体管300导通，从而依次对驱动电极2211加载驱动电压；对参考电极线400加载参考电压或将参考电极线400接地，从而对参考电极2212加载参考电压或将参考电极2212接地。由于在一个电极单元221中，驱动电极2211与参考电极2212之间存在电压差，也就会存在电场，处于电场中的液滴根据介电润湿原理在疏水层上进行移动。
具体地，对各数据线600加载的驱动电压大小可以相同，对各参考电极线400加载的参考电压大小也可以相同，因此在每一个电极单元221中产生的电场相同，也即，可以使液滴处于均匀电场中。
实施例二、
本发明实施例其针对上述实施例的部分实施方式进行了变形。下面仅说明本实施例与上述实施例的区别之处，其相同之处在此不作赘述。
在具体实施时，在本发明实施例中，如图8所示，每一个电极单元221可以包括两个驱动电极2211和一个参考电极2212；其中，参考电极2212在第二基板200的正投影位于两个驱动电极2211在第二基板200的正投影之间。
在具体实施时，如图8所示，同一电极单元221中的驱动电极2211的中心、参考电极2212的中心可以沿同一方向排列于一条直线上。
在具体实施时，如图8所示，驱动电极2211的长度和参考电极2212的长度可以相同。
实施例三、
本发明实施例其针对上述实施例的部分实施方式进行了变形。下面仅说明本实施例与上述实施例的区别之处，其相同之处在此不作赘述。
在具体实施时，在本发明实施例中，如图9所示，每一个电极单元221可以包括四个驱动电极2211和一个参考电极2212；电极单元221为矩形，一个驱动电极2211位于矩形的一个顶角对应的区域，参考电极2212位于所述电极单元221的矩形的几何中心C所在的区域，也即参考电极2212在第二基板200上的正投影应包含矩形的几何中心C。进一步地，参考电极2212在第二基板200上的正投影的几何中心与上述电极单元221形成的矩形的几何中心C重叠。需要说明的是，图9中示意出的黑点C代表电极单元221的矩形的几何中心。
实施例四、
本发明实施例其针对上述实施例的部分实施方式进行了变形。下面仅说明本实施例与上述实施例的区别之处，其相同之处在此不作赘述。
在具体实施时，在本发明实施例中，微量样品的检测芯片也可以为无源器件：微量样品的检测芯片还包括：位于电极层220与第二基板200之间的多条驱动电极线，一条所述驱动电极线对应电连接一个所述驱动电极2211。
在具体实施时，驱动电极线与参考电极线400可以同层设置。这样可以采用一次构图工艺得到其图形，从而简化制备工艺。
本发明实施例提供的一种微量样品的检测芯片，包括：相对设置的第一基板和第二基板以及位于第二基板面向第一基板一侧的电极层；电极层包括多个电极单元，电极单元包括：间隔设置的驱动电极和参考电极；每一个电极单元中，驱动电极在第二基板的正投影的边缘和参考电极在第二基板的正投影的边缘之间的最小距离相同。由于电极层包括多个电极单元，电极单元包括间隔设置的驱动电极和参考电极，在检测芯片工作过程中，对驱动电极依次施加驱动电压时，可以对参考电极施加稳定的参考电压，例如可以将参考电极接地。由于每一个电极单元中，驱动电极在第二基板的正投影的边缘和参考电极在第二基板的正投影的边缘之间的最小距离相同，也即施加驱动电压的驱动电极与施加了稳定的参考电压的参考电极之间的距离并不会发生改变，那么在驱动电压和参考电压均不变时，可以保证驱动电场基本保持不变。这样相比通过提高驱动电压来维持驱动电场的大小，本发明实施例可以在驱动电压较低的情况下完成分离小液滴的功能，使检测芯片的功耗较低。并且，由于所需的驱动电压较低，可以使用集成芯片来提供驱动电压，从而可以实现集成小型化，使检测芯片可以量产。
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 (11)
1.一种微量样品的检测芯片，包括：相对设置的第一基板和第二基板；其特征在于，所述微量样品的检测芯片包括：位于所述第二基板面向所述第一基板一侧的电极层；
所述电极层包括多个所述电极单元，所述电极单元包括：间隔设置的驱动电极和参考电极；每一个所述电极单元中，所述驱动电极在所述第二基板的正投影的边缘和所述参考电极在所述第二基板的正投影的边缘之间的最小距离相同。
2.如权利要求1所述的微量样品的检测芯片，其特征在于，每一个所述电极单元包括一个所述驱动电极和一个所述参考电极；
所述驱动电极在所述第二基板的正投影围绕所述参考电极在所述第二基板的正投影的至少部分边缘。
3.如权利要求2所述的微量样品的检测芯片，其特征在于，所述驱动电极在所述第二基板的正投影环形围绕所述参考电极在所述第二基板的正投影；或者，
所述驱动电极在所述第二基板的正投影与所述参考电极在所述第二基板的正投影沿第一方向交替排列。
4.如权利要求1所述的微量样品的检测芯片，其特征在于，每一个所述电极单元包括两个所述驱动电极和一个所述参考电极；
同一所述电极单元中，所述参考电极在所述第二基板的正投影位于两个所述驱动电极在所述第二基板的正投影之间。
5.如权利要求1所述的微量样品的检测芯片，其特征在于，每一个所述电极单元包括四个所述驱动电极和一个所述参考电极；
所述电极单元为矩形，一个所述驱动电极位于所述矩形的一个顶角对应的区域，所述参考电极位于所述电极单元的矩形的几何中心所在的区域。
6.如权利要求1所述的微量样品的检测芯片，其特征在于，所述微量样品的检测芯片还包括：位于所述电极层与所述第二基板之间的预设绝缘层，以及位于所述预设绝缘层与所述第二基板之间的参考电极线；
所述参考电极线通过贯穿所述预设绝缘层的过孔与所述参考电极电连接。
7.如权利要求6所述的微量样品的检测芯片，其特征在于，所述驱动电极阵列排布于所述电极层中；所述微量样品的检测芯片还包括：位于所述电极层与所述第二基板之间的多条数据线、多条扫描线以及多个开关晶体管；其中，一个所述开关晶体管对应一个所述驱动电极，一列所述驱动电极对应一条所述扫描线，一行所述驱动电极对应一条所述数据线，所述开关晶体管的栅极与所述扫描线电连接，所述开关晶体管的源极与所述数据线电连接，所述开关晶体管的漏极与对应的驱动电极电连接。
8.如权利要求7所述的微量样品的检测芯片，其特征在于，所述扫描线与所述参考电极线同层设置，或，所述数据线与所述参考电极线同层设置。
9.如权利要求6所述的微量样品的检测芯片，其特征在于，所述微量样品的检测芯片还包括：位于所述电极层与所述第二基板之间的多条驱动电极线，一条所述驱动电极线对应电连接一个所述驱动电极。
10.如权利要求9所述的微量样品的检测芯片，其特征在于，所述驱动电极线与所述参考电极线设置在同一层。
11.如权利要求1-10任一项所述的微量样品的检测芯片，其特征在于，所述微量样品的检测芯片至少分为储液槽区域、通道区域以及检测区域；其中，所述储液槽区域通过所述通道区域与所述检测区域连通；
所述储液槽区域中的驱动电极的面积大于所述通道区域中的驱动电极的面积；和/或，
所述储液槽区域中的驱动电极的面积大于所述检测区域中的驱动电极的面积。
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