CN113811389B - 一种微流控芯片和微流控系统 - Google Patents

Abstract

一种微流控芯片和微流控系统。微流控芯片包括：相对设置的第一基板(1)和第二基板(2)，以及位于第一基板(1)和第二基板(2)之间的液滴容纳空间(3)。其中，液滴容纳空间(3)包括用于生成子液滴的工作区(S1)。第一基板(1)包括第一衬底(11)；多个驱动单元(12)，间隔设置在第一衬底(11)靠近第二基板(2)一侧，且设置在第一衬底(11)对应工作区(S1)的区域。第二基板(2)包括第二衬底(21)，能够随着温度的升高发生形变；多个温控单元(22)，其与驱动单元(12)一一对应，温控单元(22)用于使第二衬底(21)对应温度单元(22)所在处温度升高而产生形变，从而第二衬底(21)形变处挤压液滴容纳空间(3)中的液滴使其分裂为至少两个子液滴。微流控系统包含微流控芯片。

Description

一种微流控芯片和微流控系统

技术领域

本发明属于微液滴技术领域，具体涉及一种微流控芯片和微流控系统。

背景技术

微流控技术(Microfluidics)是一种精确控制微尺度流体的技术，通过此技术，微流控技术应用到各个领域中，例如微流控芯片。微流控芯片可以将液滴分割为多个子液滴，以供分析和检测。典型的微流控芯片通常采用三层结构，即受控液滴被夹在上基板和下基板之间。下基板自下而上由基底、微电极阵列、介质层以及疏液层构成。通过对微电极阵列中的电极加压，基于介电润湿原理，可以控制受控液滴在微电极阵列上移动，以及将受控分割为多个子液滴。

在现有微流控技术中，子液滴的生成普遍通过制作不同尺寸电极，仅仅利用介电润湿效应实现子液滴的生成，若想提高使受控液滴分割为子液滴的驱动力，通常采用升高电极的电压，和增大介电层的介电常数的方式。而当电极的电压过大时，容易导致介电层出现不可逆的热击穿。并且，若介电层的介电常数过大，会使受控液滴在移动过程中容易被极化，从而影响子液滴的生成。因此，微流控芯片中提高受控液滴分割为子液滴的驱动力的技术方案均面临着技术瓶颈。

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，提供一种微流控芯片和微流控系统。

第一方面，本发明实施例提供一种微流控芯片，包括：

相对设置的第一基板和第二基板，所述微流控芯片包括用于使液滴分裂的液滴分裂区，在所述液滴分裂区中，所述第一基板和所述第二基板之间包括液滴容纳空间；其中，所述液滴容纳空间包括用于生成子液滴的工作区；

所述第一基板包括：

第一衬底；

多个驱动单元，间隔设置在所述第一衬底靠近所述第二基板一侧，且设置在所述第一衬底对应所述工作区的区域；

所述第二基板包括：

第二衬底，能够随着温度的升高发生形变；

多个温控单元，其与所述驱动单元一一对应，所述温控单元用于使所述第二衬底对应所述温度单元所在处温度升高而产生形变，从而所述第二衬底形变处挤压所述液滴容纳空间中的液滴使其分裂为至少两个子液滴。

本发明实施例提供的微流控芯片，由于第二衬底能够随温度升高而产生形变，且在第二衬底中设置了多个温控单元，从而在液滴流过液滴容纳空间的工作区时，温控单元加热第二衬底对应温控单元所在处，使其温度升高而产生形变，从而第二衬底产生形变处将挤压液滴容纳空间中的液滴，使液滴分裂为至少两个子液滴。

可选地，所述温控单元在所述第一基板上的正投影被限定在与之对应的所述驱动单元在所述第一基板上的正投影内。

可选地，所述温控单元在所述第一基板上的正投影的中心区域，与所述驱动单元在第一基板上的正投影的中心区域重叠。

可选地，所述温控单元的形状为边长为0.12毫米的正方形；所述驱动单元的形状为边长为0.4毫米的正方形。

可选地，所述第一基板还包括：

介电层，设置在所述驱动单元靠近所述第二基板一侧；

第一疏液层，设置在所述介电层靠近所述第二基板一侧；

所述第二基板还包括：

第二疏液层，设置在所述第二衬底靠近所述液滴容纳空间的最外侧。

可选地，所述温控单元包括：升温器件和测温器件；

所述升温器件设置在所述第二衬底靠近所述第一基板一侧，用于加热所述第二衬底对应所述升温器件的位置；

所述测温器件设置在所述第二衬底背离所述第一基板一侧，用于检测所述第二衬底对应所述升温器件的位置的温度，以使所述第二衬底对应所述升温器件的位置达到预设的温度。

可选地，所述升温器件包括热电阻；所述测温器件包括热电偶。

可选地，所述升温器件在所述第二基板上的正投影的中心区域，与所述测温器件在所述第二基板上的正投影的中心区域重叠。

可选地，所述升温器件在所述第二基板上的正投影的面积，与所述测温器件在所述第二基板上的正投影的面积相同。

可选地，所述驱动单元包括第一电极，其通过电压驱动所述工作区中的液滴移动或分裂。

可选地，所述液滴容纳空间还包括用于储存所述液滴的储液区；

所述第一基板还包括多个第二电极，与所述第一电极同层设置在第一衬底靠近所述第二基板一侧，且设置在所述第一衬底对应所述储液区的区域，其通过电压驱动所述储液区中的液滴移动到所述工作区。

可选地，所述第二电极在所述第一基板上的正投影的面积，大于所述第一电极在所述第一基板上的正投影的面积。

可选地，所述第二基板还包括导电层，设置在所述第二衬底靠近所述第一基板一侧，所述导电层连接一公共电压端。

可选地，所述第二衬底的材料包括聚四氟乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯中的任一种。

第二方面，本发明实施例提供一种微流控系统，包括上述的微流控芯片。

可选地，上述微流控系统还包括：控制单元，其与所述微流控芯片中的驱动单元连接，用于控制所述微流控芯片中的每个所述驱动单元的电压；

所述控制单元还与所述微流控芯片中的温控单元相连，用于控制所述微流控芯片中的温控单元，将所述第二基板对应所述温控单元的位置加热至预设的温度。

可选地，上述微流控系统还包括：降温系统，与所述控制单元相连，用于降低所述微流控芯片中的第二基板的温度，消除所述第二基板的形变。

可选地，所述降温系统包括：降温器件和步进电机；

所述步进电机与所述降温器件以及所述控制单元相连，所述步进电机控制所述降温器件与所述第二基板相接触，以降低所述第二基板的温度。

可选地，上述微流控系统还包括：电路控制板，与所述控制单元相连，所述电路控制板具有多个接口，所述多个接口与所述微流控芯片中的多个驱动单元一一相连，所述控制单元通过所述电路控制板控制每个所述驱动单元的电压。

可选地，所述控制单元包括可编程电源和可编程逻辑控制器。

可选地，上述微流控系统还包括：

观测系统，其用于观测所述微流控芯片中子液滴的生成状态。

可选地，所述观测系统包括透明平台，所述微流控芯片设置在所述透明平台上；

所述观测系统还包括：依次设置在所述透明平台背离所述微流控芯片一侧的图像单元、滤光片、聚焦物镜，以及设置在所述微流控芯片背离所述透明平台一侧的背光源。

附图说明

图1为本发明实施例的一种微流控芯片的结构示意图。

图2为本发明实施例中操控液滴移动的原理示意图。

图3为本发明实施例的一种微流控芯片的结构示意图(俯视图)。

图4为本发明实施例中的微流控芯片生产子液滴的原理示意图。

图5为本发明实施例中操控液滴分裂为子液滴的原理示意图。

图6为图5中沿A-A′方向剖切的切面图。

图7为图5中沿B-B′方向剖切的切面图。

图8为本发明实施例的微流控芯片中温控单元和驱动单元在第二基板上的正头晕的关系示意图。

图9为本发明实施例的微流控芯片中温控单元的中心区域和驱动单元的中心区域的示意图。

图10为本发明实施例中微流控芯片的另一种实施例的示意图。

图11为本发明实施例中微流控芯片中第二衬底的热膨胀效应仿真结果示意图。

图12为本发明实施例提供的一种微流控系统的系统结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。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。

附图中各部件的形状和大小不反映真实比例，目的只是为了便于对本发明实施例的内容的理解。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“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。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“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。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

第一方面，如图1所示，本发明实施例提供一种微流控芯片，其包括相对设置的第一基板1和第二基板2。微流控芯片包括多个功能区，例如用于使液滴分裂的液滴分裂区，用于检测液滴的液滴检测区，用于混合液体的液滴混合区等。以下发明实施例和附图中皆以液滴分裂区进行说明。在液滴分裂区中，第一基板1和第二基板2之间限定出用于容纳液滴的液滴容纳空间3。

其中，液滴容纳空间3可以分为工作区S1和储液区S2，储液区S2用于储存待生成样品的液滴，工作区S1用于生成子液滴。液滴容纳空间3内可以容纳任意需要生成子液滴的流体，例如：水(H₂O)、血液。为了方便描述，本发明实施例中以液滴容纳空间3中容纳液滴31为例进行说明。

具体的，第一基板1可以包括第一衬底11和多个驱动单元12。其中，多个驱动单元12间隔设置在第一衬底11靠近第二基板2一侧，且多个驱动单元12设置在第一衬底11对应液滴容纳空间3的工作区S1的区域。多个驱动单元12可以分别连接外部电源，每个驱动单元12的电压可以被外部电源单独控制，基于介电润湿效应，驱动单元12被外部电源施加电压后可以驱动液滴31进行移动。

在一些实施例中，如图1、图2所示，第一基板1还可以包括介电层13，介电层13设置在驱动单元12靠近第二基板2一侧，若介电层13具有良好的疏液性，则液滴31与介电层13相接触。在驱动单元12不加压时，介电层13由于自身的疏液特性使液滴31具有较大的表面张力，液滴31与介电层13的接触角为初始接触角，通过给对应的驱动单元12施加电压，使介电层13对应被施加电压的驱动单元12的位置处聚集电荷，从而可以改变介电层13与附着于介电层13表面的液滴31之间的润湿特性,使液滴31与介电层13之间的接触角发生变化,从而使得液滴31发生形变,促使液滴31内部产生压强差,进而实现对液滴31的操控。

为了便于描述，如图2所示，以第一基板1中包括三个由左到右依次间隔设置的驱动单元12为例，对微流控芯片进行描述，当然，这并不构成对本发明实施例的限定。三个驱动单元12分别为第一驱动单元121，第二驱动单元122和第三驱动单元133。在驱动单元12没有被施加电压时，液滴31的形状呈对称分布(如图2中虚线所示)，液滴31与第一基板1的接触角为第一初始接触角θ₀，液滴31与第二基板2的接触角为第二初始接触角θ_t。若需要液滴向右移动，则给最右侧的第三驱动单元123施加电压，第一驱动单元121和第二驱动单元122不加电压或施加比第三驱动单元123的电压小的电压，由于介电润湿效应，液滴31与第三驱动单元123的位置相对应的右侧与第一基板1的接触角发生变化，由第一初始接触角θ₀减小为介电接触角θ_V，又由于电压几乎只作用于液滴31与第一基板1的接触面，因此液滴31与第二基板2的接触角(也即第二初始接触角θ_t)几乎没有发生变化，从而使液滴31产生不对称形变，并且液滴31内部产生压强差，从而使液滴31向靠近第三驱动单元123的位置移动。

同理，如图3所示，图3为图1中的微流控芯片的俯视图，图中未示出第二基板1中除温控22以外的结构，第一基板1上可以包括任意个驱动单元12，多个驱动单元12通过绑定区(bonding area)与外部电源相连，通过给对应的驱动单元12施加电压，可以使液滴31向相应的方向移动。

具体的，液滴31与介电层13的接触角与驱动单元12的电压的关系可以按照下式表示：

其中，ε₀为真空介电常数，ε_r为介电层13的相对介电常数，γ_lg为液气界面的表面张力系数，ΔV为介电层13靠近第一衬底11的下表面和靠近液滴容纳空间3的上表面之间的电势差，D为介电层13的厚度。

可选地，由上式可知，若介电层13的相对介电常数ε_r增大，则在驱动单元2被施加相同电压V的情况下，液滴31的介电接触角θ_V会增大，从而液滴31更容易被操控，但若介电层13的相对介电常数ε_r过大，则液滴在移动过程中容易被极化，从而使微流控芯片对液滴31的操控失效，因此本发明实施例中介电层13可以选取相对介电常数在预设范围内的材料制作，例如介电层13的相对介电常数ε_r的预设范围为[2.9,3.1]。

在一些实施例中，如图1所示，若介电层13采用不具有疏液性的材料制作，可以在第一基板1设置第一疏液层14，在第二基板2设置第二疏液层23，第一疏液层14设置在介电层13靠近第二基板2一侧，第二疏液层23设置在第二衬底21靠近液滴容纳空间3的最外侧。第一疏液层14和第二疏液层23与液滴容纳空间3中的液滴31相接触，使液滴31具有较大的表面张力。第一疏液层14和第二疏液层23的介电常数可以与介电层13一致，也可以不同，在此不做限定。

进一步地，如图1、图4所示，第二基板2还可以包括第二衬底21和多个温控单元22。其中，第二衬底21采用高热膨胀系数的材料制作，从而第二衬底21能够随着温度的升高发生形变。多个温控单元22设置在第二基板2中，温控单元22与第一基板1中的驱动单元12一一对应。温控单元22能够将第二衬底21对应该温控单元22所在处的温度加热至预设温度，使第二衬底21对应该温控单元22所在处发生形变，形变的方向沿近似垂直于第一基板1的方向上向第二衬底21的两侧延伸，从而第二衬底21形变处挤压液滴容纳空间3中的液滴31使液滴31分裂为多个子液滴。

为了便于描述，如图4所示，以第二基板2上的一个温控单元22为例，对微流控芯片进行描述，当然，这并不构成对本发明实施例的限定。温控单元22和与之对应的第一基板1上的驱动单元12相对设置，在温控单元22未工作时，如图4中(a)所示，第二衬底21未发生形变，液滴31与第二衬底21相接触面的表面张力分布较均匀。若需要将液滴31生成2个子液滴，则温控单元22将第二衬底21对应该温控单元22所在处的温度加热至预设温度，由于第二衬底21的材料具有高膨胀系数，因此如图4中(b)所示，第二衬底21上与该温控单元22对应处发生形变，形变的方向沿近似垂直于第一基板1的方向上向第二衬底21的两侧延伸，从而第二衬底21形变处对液滴31产生一个由第二衬底21指向第一基板1方向的压力F₁，且压力F₁作用在液滴31对应第二衬底21的形变处的位置。如图4中(c)所示，液滴31在压力F₁的作用下，使液滴31对应第二衬底21的形变处的位置产生凹陷，根据界面能最小原理，液滴31便会以凹陷处为分裂点，分裂为第一子液滴311和第二子液滴312。之后如图4中(d)所示，温控单元22停止加热，第二衬底21发生形变处在一段后随着温度下降而消除形变。重复上述(a)到(d)的过程，即可生成多个子液滴。同理，若第二衬底21上设置了多个温控单元22，通过控制每个温控单元22，即可完成子液滴的生成。

由于在第二衬底21上设置了多个温控单元22，第二衬底21能够随温度升高而产生形变，每个温控单元22所在处可以视作一个使液滴分裂的分裂点。若液滴流过液滴容纳空间3的工作区，通过对应的温控单元22加热第二衬底21上该温控单元22所在处，使其温度升高而产生形变，从而第二衬底21产生形变处将挤压液滴容纳空间3中的液滴，使液滴分裂为多个子液滴。本发明实施例提供的微流控芯片，能够稳定的产生液滴分裂的驱动力(即第二衬底21的形变处对液滴产生的压力)，且液滴具有一致的分裂点，因此能够提高子液滴生成的稳定性，且每个子液滴的尺寸较为一致。

在此需要说明的是，参考上述，基于介电润湿效应，本发明实施例提供的微流控芯片中，通过给驱动单元12施加电压可以控制液滴31进行移动以外，还可以通过给驱动单元12施加电压控制液滴31分裂为子液滴。

为了便于描述，如图5-图7所示，图6为沿图5中A-A′方向剖切的切面图，图7为沿图5中B-B′方向剖切的切面图，图5-图7中的黑色箭头表示水滴的运动趋势的方向，以第一基板1中包括三个由左到右依次间隔设置的驱动单元为例，对微流控芯片进行描述，当然，这并不构成对本发明实施例的限定。三个驱动单元12分别为第一驱动单元121，第二驱动单元122和第三驱动单元133。液滴31与介电层13对应第一驱动单元121、第二驱动单元122和第三驱动单元133的位置相接触，若要使液滴31分裂为2个液滴，则可以给三个驱动单元中位于两侧的第一驱动单元121和第三驱动单元123施加电压，而不给位于中间的第二驱动单元122施加电压，或给第二驱动单元122施加比给其他两个驱动单元小的电压，则介电层13与两侧的第一驱动单元121和第三驱动单元123相对应处的电荷聚集，使介电层13对应两侧的第一驱动单元121和第三驱动单元123处的亲水性增加，吸引着液滴31向两侧移动，导致液滴31与第一基板1的接触角θ_b2减小，液滴31曲率半径r₂增大。由于位于中间的第二驱动单元122没有被施加电压或施加的电压较小，且在整个液滴的运动过程中液滴31的体积是常数，因此液滴31两端将拉扯着中间部分向两侧移动，液滴31的中间部分逐渐变细，直到被拉断，从而向两侧带电的第一驱动单元121和第三驱动单元131的方向分裂为2个子液滴。同理，若第一基板1中包括多个驱动单元12，通过控制任意三个相邻的驱动单元12的电压，使中间的驱动单元12的电压小于两侧的驱动单元12的电压，即可生成子液滴。

在一些实施例中，如图1、图8所示，图8为第二基板2中的温控单元22与驱动单元12在第一基板1上的正投影的示意图，温控单元22在第一基板1上的正投影被限定在与之对应的驱动单元12在第一基板1上的正投影内，一温控单元22在第一基板1上的正投影的面积小于驱动单元12在第一基板上的正投影的面积。若仅通过驱动单元12的电压使液滴分裂为子液滴，液滴最终分裂的位置会随机分布在三个驱动单元12中位于中间的驱动单元上，而无法精确控制液滴的分裂位置。而本发明实施例通过温控单元22使具有高热膨胀系数的第二衬底21对应温控单元22所在处发生形变，从而第二衬底21的形变处会挤压液滴，在液滴与第二衬底21的形变处的接触面形成一个凹陷，根据界面能最小原理，液滴会从凹陷处分裂为子液滴。从而将温控单元22设置在第二衬底21上与驱动单元12对应的位置，即可精确地设置液滴的分裂点，避免液滴的分裂点随机分布在驱动电极上，造成子液滴尺寸大小不一的问题。且调整温控单元22相对应驱动单元12的位置，可以调整所需的液滴分裂的位置，提高了子液滴生成的精确性。并且，仅通过驱动单元12的电压可能会使驱动液滴分裂的驱动力较小，而无法成功生成子液滴，本发明实施例提供的微流控芯片，在给驱动单元12施加电压的同时，利用温控单元22使第二衬底21产生形挤压液滴以使液滴分裂，可以增大驱动液滴分裂的驱动力。

在一些实施例中，如图9所示，温控单元22在第一基板1上的正投影的中心区域，与驱动单元12在第一基板1上的正投影的中心区域重叠，则在生成子液滴时，通过温控单元22加热第二衬底12所产生的形变处对应于驱动单元12的中心区域，因此液滴容纳空间3的液滴的分裂点为液滴对应驱动单元12的中心区域的位置，从而可以使生成的多个子液滴的体积近似相同，进而可以提高生成子液滴的精确性。驱动单元12的中心区域为以驱动单元12在第一基板1上的正投影的几何中心p为圆心，预设半径R_t所限定出的圆形区域。温控单元22的中心区域为以温控单元22在第一基板1上的正投影的几何中心q为圆心，预设半径R_d所限定出的圆形区域。R_t例如可以为1um，R_d例如可以为0.1um，作为一种优选的方式，R_t＝R_d＝0um。R_t和R_d越小，则温控单元22在第一基板1上的正投影的几何中心与驱动单元12在第一基板1上的正投影的几何中心重叠度越高，则微流控芯片所生成的子液滴的精确性越高。

可选地，第二衬底21的材料可以包括多种具有高热膨胀系数的材料，例如：聚四氟乙烯(Poly Tetra Fluoroethylene，PTFE)，聚甲基丙烯酸甲酯(PolymethylMethacrylate，PMMA)中的任一种。当然，也可以是其他材料，在此不做限定。

具体的，第二衬底21随着温度升高所产生的形变可以根据下式固体的运动方程进行描述：0＝▽.S；

其中S为应力张量：S＝C/ε_el；

其中C为四阶弹性张量：C＝C(ε,υ)；

其中υ为泊松比，ε为总应变，可通过下式进行描述：

ε＝0.S*[(Vu)^r+(Vu)]

其中u为位移矢量，T为温度，ε_el可通过下式进行描述：

ε_el＝ε-ε_th

其中ε_th为热应变，可通过下式进行描述：

ε_th＝α(T-T_ref)

其中α为膨胀系数，T_ref为环境温度。通过以上公式便可以得出不同温度下，采用不同材料制作的第二衬底21随温度升高所产生的形变。

如图11所示，为通过有限元方法对本发明实施例提供的微流控芯片中第二衬底21的热膨胀效应仿真分析，其中以升温器件为热电阻为例，图11中(a)为仿真模型的俯视图，图11中(b)为仿真模型的立体图。在此模型中，第二衬底采用膨胀系数为12×10^-5的PTFE材料，热电阻的面积为0.4mm×0.4mm，预设要加热的温度为50℃，微流控芯片的盒厚为20um，第一衬底为玻璃基板，由于玻璃基板的热膨胀系数普遍在10^-6量级，因此在计算热膨胀效应时忽略了第一衬底所产生的形变。如图11所示，通过计算，第二衬底在靠近液滴的表面产生了形变M，M的形变量约为5um，微流控芯片对应热电阻所在位置的盒厚发生了变化，变为原盒厚的3/4。因此，本发明实施例的微流控芯片所产生的形变无疑会对液滴的产生压力，使得液滴分裂生成子液滴。

可选地，如图1所示，在本发明实施例中的微流控芯片，温控单元22可以包括升温器件221和测温器件222，升温器件221与测温器件222一一对应。升温器件221可以设置在第二衬底21靠近第一基板1一侧，升温器件221用于加热第二衬底21对应升温器件221的位置，使其发生形变。测温器件222设置在第二衬底21背离第一基板1一侧，测温器件222用于检测第二衬底21对应升温器件221的位置的温度，以使第二衬底21对应升温器件221的位置达到预设的温度。升温器件221作为热源，设置在第二衬底21靠近液滴的一侧，从而可以将升温器件221释放的热量集中在第二衬底21靠近液滴一侧，增大第二衬底21的形变量，从而也增大了第二衬底21的形变处对液滴造成的压力，使液滴更容易完成分裂。测温器件222作为温度反馈器件，检测第二衬底21对应升温器件221所在处的温度，以保证第二衬底21对应升温器件221所在处的温度可以达到预设温度，以保证第二衬底21对应升温器件221所在处发生所需的形变。

在一些实施例中，升温器件221包括热电阻，测温器件222包括热电偶，当然，升温器件221和测温器件222还可以是其他类型的器件，在此不做限定。热电阻为加热第二衬底21对应热电阻所在处的热源，热电偶用于检测并反馈第二衬底21对应热电阻处的温度。热电阻和热电偶尺寸与个数可根据需要进行设计，热电阻的尺寸越小，热电阻的温度场分布越接近高斯分布，从而能达到更好的加热效果。热电偶的尺寸越小，热电偶所检测到的温度越精准。例如，热电阻及热电偶尺寸均为0.12mm×0.12mm。由于温控单元22的热电阻和热电偶的尺寸小于驱动单元，若电阻及热电偶尺寸均为0.12mm×0.12mm，驱动单元12的尺寸可以大于0.12mm×0.12mm，例如驱动单元12的尺寸可以为0.4mm×0.4mm。

在一些实施例中，如图1所示，升温器件221在第二基板2上的正投影的中心区域，与测温器件222在第二基板2上的正投影的中心区域重叠，从而能使测温器件222测到的温度更准确，进而能够保证第二衬底21形变处的形变量的精确性。升温器件221的中心区域为以升温器件221在第二基板2上的正投影的几何中心为圆心，预设半径R_c所限定出的圆形区域。测温器件222的中心区域为以测温器件222在第二基板2上的正投影的几何中心为圆心，预设半径R_f所限定出的圆形区域。R_c例如可以为0.1um，R_f例如可以为0.1um，作为一种优选的方式，R_c＝R_f＝0um。R_c和R_f越小，则测温器件222在第二基板2上的正投影的几何中心与升温器件221在第二基板2上的正投影的几何中心重叠度越高，则测温器件222所测到的温度更准确。

在另一些实施例中，如图10所示，升温器件221和测温器件222也可以交错设置，只要升温器件221在第二基板2上的正投影，与测温器件222在第二基板2上的正投影存在重叠区域即可。图10中虚线框内即为升温器件221与测温器件222的俯视图，升温器件221在第二基板2上的正投影，与测温器件222在第二基板2上的正投影存在重叠区域C，从而测温器件222可以测量第二衬底21对应该升温器件221所在处的温度。重叠区域C的大小可以根据测量需要设置，在此不做限定。

在一些实施例中，如图1所示，升温器件221在第二基板2上的正投影的面积，与测温器件222在第二基板2上的正投影的面积相同，从而测温器件222的检测面与升温器件221的面积一致，从而能够使测温器件222所检测的第二衬底21对应升温器件221所在处的温度更准确。在一些实施例中，驱动单元21可以包括第一电极，第一电极被施加电压后，通过电压驱动液滴容纳空间3的工作区S1中的液滴移动或分裂。

在一些实施例中，如图1、图3、图8所示，第一基板1还可以包括多个第二电极15，与作为驱动单元12的第一电极同层设置在第一衬底11靠近第二基板2一侧，且第二电极15设置在第一衬底11对应液滴容纳空间3的储液区S2的区域，第二电极被施加电压后，通过电压驱动储液区S2中的液滴移动到工作区S1，具体的通过给第二电极施加电压操控液滴移动的方式，可以参考上述驱动单元操控液滴移动的描述。由于在弟弟衬底11靠近第二基板2一侧设置了多个第二电极15，从而给第二电极15施加电压后，介电层13对应第二电极15处聚集电荷，从而使液滴聚集在液滴容纳空间3对应第二电极15的区域，也即将液滴聚集在储液区S2中，以便后续生成子液滴。

在一些实施例中，如图1、图3、图8所示，第二电极15在第一基板1上的正投影的面积，大于作为驱动单元12的第一电极在第一基板1上的正投影的面积。第一电极和第二电极15的尺寸对应于各自驱动的液滴的尺寸，第二电极15设置在第一衬底11对应储液区S2的位置，作为驱动单元12的第一电极设置在第一衬底11对应工作区S1的位置，储液区S2中聚集的液滴为还未进行液滴分割的液滴，液滴体积较大，因此储液区S2中的液滴与第一基板1的接触面也较大，且更难被操控，因此需要较大面积的电极驱动储液区S2中的液滴。在第一电极15与第二电极相配合，让液滴由储液区S2向工作区S1流动后，工作区S1为生成子液滴的区域，子液滴的相较于储液区S2中的液滴的体积较小，无需大面积的电极对其进行驱动，因此第一电极的面积可以小于第二电极15的面积。例如，第二电极的尺寸为2mm×0.5mm，第一电极的尺寸为0.4mm×0.4mm。

在一些实施例中，如图1所示，第二基板2还可以包括导电层24，设置在第二衬底21靠近第一基板1一侧，导电层24可以连接一公共电压端，从而导电层24相当于零电势面，可以提高介电层13上下表面的电势差。

进一步地，导电层24上可以设置多个镂空部S，镂空部S与升温器件221一一对应，镂空部S用于容纳升温器件221，每个镂空部S中设置有一个升温器件221，且镂空部S在第二基板2上的正投影的面积，大于升温器件221在第二基板2上的正投影的面积，从而升温器件221设置在镂空部S中，且与镂空部S的边缘具有一定距离，以避免升温器件221受到导电层24上的电压的干扰，且避免导电层24受到第二衬底21形变处的挤压。

在一些实施例中，如图1所示，液滴容纳空间3中还可以加入具有润滑作用的流体，以减少液体在运动过程中的阻尼。例如可以加入硅油，当然，也可以是其他流体，在此不做限定。

第二方面，如图12所示，本发明实施例提供一种微流控系统，包括上述的微流控芯片。

可选地，如图12所示，上述微流控系统还可以包括控制单元001，控制单元001与微流控芯片中的驱动单元12连接，控制单元001控制微流控芯片中的每个驱动单元12的电压，以使液滴进行移动或分裂。

控制单元001还与微流控芯片中的温控单元22相连，控制单元001控制微流控芯片中的温控单元11，将第二基板1对应温控单元11的位置加热至预设的温度。根据需要，控制单元03可以按照各种次序控制对应温控单元22加热，例如，控制单元03控制微流控芯片中的所有温控单元22同时加热，则第二衬底21上会产生多个形变处，使液滴同时分裂为多个子液滴。当然，也可以控制液滴所流经的温控单元依次加热，使液滴在不同时间生成多个子液滴。具体的可以根据需要设定，在此不做限定。

可选地，如图12所示，控制单元包括可编程电源和可编程逻辑控制器，可以分别对每个驱动单元12的电压和每个温控单元22的工作状态进行控制。

可选地，如图12所示，上述微流控系统还可以包括电路控制板08，电路控制板08与控制单元001相连，电路控制板08具有多个接口，多个接口与微流控芯片中的多个驱动单元12一一相连，控制单元001通过电路控制板08控制每个驱动单元12的电压。例如，若要控制液滴移动，控制单元001可以通过电路控制板沿需要液滴移动的方向依次给路径上的驱动单元12施加电压，从而液滴在介电润湿效应下向介电层13对应于被施加电压的驱动单元处移动。并且，控制单元可以通过调整施加给驱动单元12的电压来控制液滴的移动速度。

可选地，如图12所示，上述微流控系统还可以包括温控表09，温控表08连接控制单元03与微流控芯片中的温控单元22，温控表08中预设了第二衬底发生形变所需的温度，若微流控芯片要生成子液滴，则控制单元03通过温控表08控制微流控芯片中对应的温控单元22中的升温器件221加热第二衬底21，测温器件222检测第二衬底21对应温控单元22所在处的温度，并将检测到的温度反馈给温控表08，温控表08判断检测到的温度是否达到预设的温度，若达到预设温度，则使升温器件221停止加热，若没有达到预设温度，则使升温器件221继续加热，测温器件222继续反馈所检测的温度。

可选地，上如图12所示，述微流控系统还可以包括降温系统002，降温系统002与控制单元001相连，降温系统002在微流控芯片中温控单元22工作后，降低微流控芯片中第二基板2的温度，以消除第二基板2的形变，从而微流控芯片才能重复生成子液滴。

可选地，如图12所示，降温系统002可以包括降温器件06和步进电机07。步进电机07与降温器件06以及控制单元03相连，降温系统002设置在微流控芯片靠近第二基板2一侧，在温控单元22完成加热后，第二基板2中的第二衬底21发生形变，步进电机07控制降温器件06向靠近第二基板2的方向下降，让降温器件06与第二基板2相接触，以让降温器件06降低第二基板2的温度，消除第二基板2上的形变。

可选地，降温器件06可以是半导体制冷片，半导体制冷片通过热传递降低第二基板2的温度。

可选地，上如图12所示，述微流控系统还可以包括观测系统003，观测系统003用于观测微流控芯片中子液滴的生成状态，以便对液滴生成的参数进行调整。

可选地，如图12所示，观测系统003包括一透明平台04，微流控芯片05设置在透明平台上，从而从透明平台04的两侧都可以观察到微流控芯片05。观测系统003还包括多个光学组件，例如：依次设置在透明平台04背离微流控芯片05一侧的图像单元01、滤光片02、聚焦物镜03，以及设置在微流控芯片05背离透明平台04一侧的背光源012。图像单元01、滤光片02、聚焦物镜03以及背光源012都按照在一刚性支架013上，以保证这些光学组件同轴准直，从而可以观测到微流控芯片05中子液滴的生成状况。

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 (22)

1.一种微流控芯片，其包括：相对设置的第一基板和第二基板；所述微流控芯片包括用于使液滴分裂的液滴分裂区，在所述液滴分裂区中，所述第一基板和所述第二基板之间包括液滴容纳空间；其中，所述液滴容纳空间包括用于生成子液滴的工作区；

所述第一基板包括：

第一衬底；

多个驱动单元，间隔设置在所述第一衬底靠近所述第二基板一侧，且设置在所述第一衬底对应所述工作区的区域；

所述第二基板包括：

第二衬底，能够随着温度的升高发生形变；

多个温控单元，其与所述驱动单元一一对应，所述温控单元用于使所述第二衬底对应所述温控单元所在处温度升高而产生形变，从而所述第二衬底形变处挤压所述液滴容纳空间中的液滴使其分裂为至少两个子液滴。

2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其中，所述温控单元在所述第一基板上的正投影被限定在与之对应的所述驱动单元在所述第一基板上的正投影内。

3.根据权利要求2所述的微流控芯片，其中，所述温控单元在所述第一基板上的正投影的中心区域，与所述驱动单元在第一基板上的正投影的中心区域重叠。

4.根据权利要求2所述的微流控芯片，其中，所述温控单元的形状为边长为0.12毫米的正方形；所述驱动单元的形状为边长为0.4毫米的正方形。

5.根据权利要求1所述的微流控芯片，其中，所述第一基板还包括：

介电层，设置在所述驱动单元靠近所述第二基板一侧；

第一疏液层，设置在所述介电层靠近所述第二基板一侧；

所述第二基板还包括：

第二疏液层，设置在所述第二衬底靠近所述液滴容纳空间的最外侧。

6.根据权利要求1所述的微流控芯片，其中，所述温控单元包括：升温器件和测温器件；

所述升温器件设置在所述第二衬底靠近所述第一基板一侧，用于加热所述第二衬底对应所述升温器件的位置；

所述测温器件设置在所述第二衬底背离所述第一基板一侧，用于检测所述第二衬底对应所述升温器件的位置的温度，以使所述第二衬底对应所述升温器件的位置达到预设的温度。

7.根据权利要求6所述的微流控芯片，其中，所述升温器件包括热电阻；所述测温器件包括热电偶。

8.根据权利要求6所述的微流控芯片，其中，所述升温器件在所述第二基板上的正投影的中心区域，与所述测温器件在所述第二基板上的正投影的中心区域重叠。

9.根据权利要求8所述的微流控芯片，其中，所述升温器件在所述第二基板上的正投影的面积，与所述测温器件在所述第二基板上的正投影的面积相同。

10.根据权利要求1所述的微流控芯片，其中，所述驱动单元包括第一电极，其通过电压驱动所述工作区中的液滴移动或分裂。

11.根据权利要求10所述的微流控芯片，其中，所述液滴容纳空间还包括用于储存所述液滴的储液区；

所述第一基板还包括多个第二电极，与所述第一电极同层设置在第一衬底靠近所述第二基板一侧，且设置在所述第一衬底对应所述储液区的区域，其通过电压驱动所述储液区中的液滴移动到所述工作区。

12.根据权利要求11所述的微流控芯片，其中，所述第二电极在所述第一基板上的正投影的面积，大于所述第一电极在所述第一基板上的正投影的面积。

13.根据权利要求1所述的微流控芯片，其中，所述第二基板还包括导电层，设置在所述第二衬底靠近所述第一基板一侧，所述导电层连接一公共电压端。

14.根据权利要求1所述的微流控芯片，其中，所述第二衬底的材料包括聚四氟乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯中的任一种。

15.一种微流控系统，其包括权利要求1-14任一所述的微流控芯片。

16.根据权利要求15所述的微流控系统，其中，还包括：控制单元，其与所述微流控芯片中的驱动单元连接，用于控制所述微流控芯片中的每个所述驱动单元的电压；

所述控制单元还与所述微流控芯片中的温控单元相连，用于控制所述微流控芯片中的温控单元，将所述第二基板对应所述温控单元的位置加热至预设的温度。

17.根据权利要求16所述的微流控系统，其中，还包括：降温系统，与所述控制单元相连，用于降低所述微流控芯片中的第二基板的温度，消除所述第二基板的形变。

18.根据权利要求17所述的微流控系统，其中，所述降温系统包括：降温器件和步进电机；

所述步进电机与所述降温器件以及所述控制单元相连，所述步进电机控制所述降温器件与所述第二基板相接触，以降低所述第二基板的温度。

19.根据权利要求16所述的微流控系统，其中，还包括：电路控制板，与所述控制单元相连，所述电路控制板具有多个接口，所述多个接口与所述微流控芯片中的多个驱动单元一一相连，所述控制单元通过所述电路控制板控制每个所述驱动单元的电压。

20.根据权利要求16所述的微流控系统，其中，所述控制单元包括可编程电源和可编程逻辑控制器。

21.根据权利要求15所述的微流控系统，其中，还包括：

观测系统，其用于观测所述微流控芯片中子液滴的生成状态。

22.根据权利要求21所述的微流控系统，其中，所述观测系统包括透明平台，所述微流控芯片设置在所述透明平台上；

所述观测系统还包括：依次设置在所述透明平台背离所述微流控芯片一侧的图像单元、滤光片、聚焦物镜，以及设置在所述微流控芯片背离所述透明平台一侧的背光源。

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