EP1937409A1 - Dispositif de controle du deplacement d'un volume liquide entre deux ou plusieurs substrats solides et procede de deplacement - Google Patents

Dispositif de controle du deplacement d'un volume liquide entre deux ou plusieurs substrats solides et procede de deplacement

Info

Publication number
EP1937409A1
EP1937409A1 EP06762782A EP06762782A EP1937409A1 EP 1937409 A1 EP1937409 A1 EP 1937409A1 EP 06762782 A EP06762782 A EP 06762782A EP 06762782 A EP06762782 A EP 06762782A EP 1937409 A1 EP1937409 A1 EP 1937409A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
voltage
electrode
liquid
volume
electrodes
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06762782A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Maxime Roux
Jean-Luc Immeuble le Brasilia ACHARD
Yves Fouillet
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Commissariat a lEnergie Atomique CEA filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP1937409A1 publication Critical patent/EP1937409A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502769—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by multiphase flow arrangements
    • B01L3/502784—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by multiphase flow arrangements specially adapted for droplet or plug flow, e.g. digital microfluidics
    • B01L3/502792—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by multiphase flow arrangements specially adapted for droplet or plug flow, e.g. digital microfluidics for moving individual droplets on a plate, e.g. by locally altering surface tension
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F33/00—Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
    • B01F33/30—Micromixers
    • B01F33/302—Micromixers the materials to be mixed flowing in the form of droplets
    • B01F33/3021—Micromixers the materials to be mixed flowing in the form of droplets the components to be mixed being combined in a single independent droplet, e.g. these droplets being divided by a non-miscible fluid or consisting of independent droplets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F33/00—Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
    • B01F33/30—Micromixers
    • B01F33/3031—Micromixers using electro-hydrodynamic [EHD] or electro-kinetic [EKI] phenomena to mix or move the fluids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502769—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by multiphase flow arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/002—Electrostatic motors
    • H02N1/004—Electrostatic motors in which a body is moved along a path due to interaction with an electric field travelling along the path
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0809—Geometry, shape and general structure rectangular shaped
    • B01L2300/0819—Microarrays; Biochips
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/089—Virtual walls for guiding liquids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0403—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B01L2400/0415—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces electrical forces, e.g. electrokinetic

Definitions

  • the present invention relates to the movement and control of conductive and possibly polar micro-drops in a liquid, dielectric or weakly conductive medium and immiscible with the drops using electrohydrodynamic forces, between two or more positions which may correspond to zones specific contact on solid substrates.
  • EWOD Electro Wetting On Dielectric
  • the devices based on this technique consist of a matrix of electrodes isolated and covered with a hydrophobic layer, the wetting of which exhibits a very low hysteresis.
  • the drops to be displaced are placed on this hydrophobic surface and in contact with a bare electrode which polarizes them.
  • the displacement of a drop above an isolated electrode adjacent to the drop is achieved by applying a voltage between the electrode in question and the electrode which polarizes the drop.
  • This technique is very robust but the quality of the hydrophobic surface in contact with the drops to be displaced is a critical point to be mastered in the manufacture of the systems.
  • Another technique for the displacement of drops relies on dielectrophoretic forces.
  • the device is similar to that used to move the drops by electrowetting but does not include a bare electrode in contact with the drops, the electric potential of the drops is therefore not fixed.
  • the displacement is caused by the application of electrical voltages between the electrodes of the matrix to create non-uniform field areas.
  • the drops displaced according to this technique can once again be in contact with a solid surface and the quality of this surface remains a critical point, or else in suspension at the interface between two immiscible fluids. In this case, the drops are levitating. In the latter case, it is necessary to maintain the fluid / fluid interface, along which the drop moves, parallel to the matrix of electrodes; which amounts to imposing as a condition that the micro-system remains horizontal.
  • Particles or cells can also be manipulated using electric fields by dielectrophoresis.
  • the particles are trapped in electrostatic potential wells.
  • the particles can be kept levitating, out of contact with a solid surface, by this technique.
  • the electric fields used are alternating, of fairly high frequency.
  • Patent LJS 5,486,337 A describes a device for moving drops from one electrode to another by applying a voltage between the two electrodes. On contact with the first and under the effect of the electric field, the drop to be displaced charges then leaves, under the effect of the electrostatic force undergone, the electrode to go towards the second.
  • the disadvantage of this method is once again the prolonged contact with solid elements, in particular wetting elements.
  • the objective of the present invention is therefore to find a method making it possible to overcome the constraints weighing on the quality of solid surfaces.
  • An additional problem relates to the displacement of drops, certain constituents of which could cling to solid surfaces.
  • the present invention therefore relates to a device for moving a volume of liquid under the effect of an electric voltage, comprising
  • first substrate with a first electrode ii) a second substrate with a second electrode, located opposite (generally above) the first substrate iii) means for imposing a first voltage between the first and the second electrode, one of the two electrodes essentially comprising a matrix consisting of a plurality of microelectrodes and having means for applying a second voltage between at least two microelectrodes.
  • the present invention also relates to a method of moving a volume of liquid, wherein said volume is initially in contact with a first substrate with the first electrode, comprising the following steps:
  • the amplitude of the first voltage (3) is such that the electrostatic forces exerted on the volume of liquid (1) to be moved allow it to be detached from the first electrode and the half-period ⁇ of the first voltage (3) is less at the time of flight T v of the volume of liquid (1) between the two electrodes (4, 5).
  • the volume of liquid is generally immersed in a dielectric medium.
  • the voltage between the first and the second electrode is generally alternating.
  • FIG. 1 illustrates a device and a method according to the present invention.
  • FIG. 2 illustrates another device and a method according to the present invention.
  • FIG. 3 illustrates the principle of vertical displacement of a volume of liquid under the effect of an electric voltage and depending on the electric voltage.
  • FIG. 4 illustrates an arrangement of microelectrodes and a possible displacement of a drop above this matrix.
  • FIG. 5 illustrates an arrangement of microelectrodes and a possible displacement of a drop above this matrix.
  • FIG. 6 illustrates an arrangement of microelectrodes and a possible displacement of a drop above this matrix.
  • FIG. 7 illustrates an exemplary embodiment according to the present invention using dyes to make a display device.
  • FIG. 8 illustrates the principle of coalescence of two drops.
  • FIG. 1 illustrates a device and a method according to the present invention.
  • 1 refers to a volume of liquid (here, a conductive drop), 2 to a liquid dielectric medium, 3 to a first alternating voltage between an electrode 4 and an array of electrodes 5 spaced apart by a distance greater than the diameter of the drop to be moved and then the application of a second voltage 6.
  • FIG. 1 illustrates an exemplary embodiment of the present invention where the lower support comprising the matrix of electrodes 5 is a printed circuit.
  • the electrodes 4 or 5 are made of a conductive material.
  • the conductive material is preferably copper or another metal. No surface treatment is necessary.
  • the surface of the electrodes in particular the lower ones, is advantageously textured. These surfaces can, for example, be formed by studs or a network of low walls.
  • the surface of the lower substrate is advantageously hydrophobic. A very thin layer (a few hundred angstroms) of Teflon is for example deposited.
  • the gap between electrodes 4 and 5 is greater than the diameter of a drop and can vary in the present invention. In general, the gap between the microelectrodes is less than the diameter of the volume of liquid (of the drops) to be displaced. It is preferred in the present invention that the distance between the microelectrodes is from 1 to 500 ⁇ m.
  • the upper electrode 4 is advantageously made of glass or of polycarbonate covered with a transparent conductive film such as ITO.
  • the texture advantageously has studs or a network of low walls.
  • the dielectric 2 generally has a lower density and close to the liquid 1 to be displaced, thus reducing the amplitude of the first voltage. It is advantageous that the difference in density between the liquid 1 and the liquid dielectric 2 is approximately 0.1.
  • Figure 2 illustrates a device and a method according to the present invention where 1 refers to a volume of liquid (here, a conductive drop), 2 to a liquid dielectric medium, 3 to a first alternating voltage between an electrode 4 and a matrix electrodes 5 spaced apart by a distance greater than the diameter of the drop to be moved and then to the application of a second voltage 6.
  • Figure 2 differs from Figure 1 in that the positions of the electrode 4 and the electrode array 5 are exchanged. Unlike the embodiment of FIG. 1, the electrode 4 is located here below the array of electrodes 5.
  • the second voltage, applied between 2 or more electrodes of the matrix makes it possible to move the drop sideways. It is, for example, of equal or close frequency to the first voltage and its phase is adjustable with respect to that of the first voltage.
  • the electrodes of the matrix are, for example, spaced so that a drop cannot overlap two electrodes at different potentials. the same time. It is also possible to avoid electrolysis by taking care not to place an electrode adjacent to that above which a drop hops at a potential different from the potential of the electrode above which the drop hops.
  • FIG. 3 illustrates the principle of vertical displacement of a volume of liquid under the effect of an electric voltage and depending on the electric voltage.
  • the amplitude of the first voltage Ui is such that the electrostatic forces exerted on the drop to be displaced allow to take it off from the first electrode and the half-period ⁇ of this voltage is less than the time of flight of the drop between the two electrode systems. As soon as this first voltage is imposed, the drop continues to take off from an electrode and return to it: the electrostatic forces oppose the wetting and the drop is therefore hardly ever in contact with a solid surface.
  • Figures 4 to 6 show various interesting arrangements of electrodes. We also present the projection of the possible trajectories of a drop.
  • FIG. 4 illustrates a possible displacement of a small volume of liquid 1 on a line of electrodes 5 under the effect of a voltage 6 applied between at least two electrodes of the matrix 5.
  • FIG. 5 illustrates a possible displacement of a small volume of liquid 1 on a central electrode 5a under the effect of a voltage 6 applied between at least one electrode of the matrix 5b and the central electrode 5a.
  • FIG. 6 illustrates a possible displacement of a small volume of liquid 1 on a central electrode 5a under the effect of a voltage 6 applied between at least one electrode of the matrix 5b and the central electrode 5a.
  • FIG. 7 illustrates an exemplary embodiment according to the present invention using dyes to make a display device.
  • the oil (used as a dielectric) can be colored to be dark in color with a dye which does not migrate in an aqueous phase such as Solvent Blue 59 sold by Ald ⁇ ch Chemical Company and the water drops can be colored in others. colors.
  • the drops 1 form the pixels 7 of a display whose window 8 can be the glass cover described in the example of realization.
  • the horizontal displacement allows the distribution of the drops and their maintenance at the various predefined positions for the pixels of the display device. Vertical movement allows the color of the glass to change.
  • Figure 8 illustrates the principle of coalescence of two drops 1 and 9 where 3 refers to a first alternating voltage between an electrode 4 and one or more microelectrodes of the matrix 5, 6 to another alternating voltage between an electrode 4 and a microelectrode of the matrix 5.
  • the first voltage 3 allows the incessant vertical displacement of a drop 1.
  • the second voltage 6 makes it possible to bring an electrode of the matrix 5 to a potential different from that imposed by 3.
  • This second voltage 6 is here of same frequency as 3, but of opposite phase.
  • the two drops 1 and 9 acquire opposite charges on contact with the electrodes of the matrix 5. The then attractive electric force which is exerted between the drops leads to their coalescence.
  • the device of the present invention advantageously comprises a dielectric liquid between the first and the second substrate, the density of the dielectric preferably being close to the liquid to be displaced.
  • the supports of the device of the present invention can be made of different materials. It is preferable that the microelectrode array is a printed circuit.
  • the electrodes are made of a metal. It is preferred in the device of the present invention that one of the supports consists essentially of glass or of a polymeric material. More particularly, the electrode made on this support should be transparent.
  • the array of electrodes can extend in one or two dimensions.
  • the second voltage is of frequency equal to or close to the first voltage.
  • the phase and / or the amplitude of the second voltage is adjustable with respect to that of the first voltage.
  • the volume of liquid is, after displacement towards the second substrate, maintained against the second electrode.
  • the present invention provides several specific advantages.
  • a volume of liquid (drop) displaced according to the method of the present invention is almost never in contact with a solid surface and therefore the surface states are much less critical than in the devices of the prior art.
  • the lateral displacement of a drop takes place during a phase of flight, during which only inertial forces and viscous forces oppose the movement; the states of solid surfaces have little influence.
  • the device and the method of the present invention are very easy to coalesce two drops during a protocol. It suffices for the two drops in question to have opposite charges when they are brought together.
  • the device and the method of the present invention are compatible with the French patent application FR 0450276 (corresponding to the European patent application 05101090-8) which proposes a device for 3D displacement of conductive drops by electrostatic forces.
  • the array of electrodes can be produced on a printed circuit, the distance between the electrodes being of the order of 200 ⁇ m.
  • the printed circuit is covered with a very thin layer of Teflon (a few tens of nanometers).
  • the cover is made of glass covered successively with a thin conductive layer made of ITO (indium tin oxide) (140 nm), a dielectric layer of Si 3 N 4 (300 nm), a dry photosensitive film ( 100 ⁇ m) in which can be etched structures, wells for example) and finally a thin layer of a hydrophobic material deposited by plasma.
  • the cover is spaced from the array of electrodes by 2 to 4 mm.
  • the dielectric used is for example a mineral oil whose density is close to 0.9 and the displaced drops of water or milk with a volume of 1 ⁇ l.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Electrochromic Elements, Electrophoresis, Or Variable Reflection Or Absorption Elements (AREA)
  • Devices For Indicating Variable Information By Combining Individual Elements (AREA)

Abstract

Dispositif de déplacement d'un volume de liquide (1) sous l'effet d'une tension électrique, comprenant iv) un premier substrat avec une première électrode (4,5) v) un second substrat avec une seconde électrode (4,5), situé en regard du premier substrat vi) moyens pour imposer une première tension (3) entre la première et la seconde électrode, une des deux électrodes comportant essentiellement une matrice (5) consistant d'une pluralité des microélectrodes et présentant des moyens pour appliquer une seconde tension entre au moins deux microélectrodes, et procédé de déplacement d'un volume de liquide (1) .

Description

Dispositif de contrôle du déplacement d'un volume liquide entre deux ou plusieurs substrats solides et procédé de déplacement
Domaine technique et art antérieur
La présente invention concerne le déplacement et le contrôle de micro-gouttes conductrices et éventuellement polaires dans un milieu liquide, diélectrique ou faiblement conducteur et non miscible avec les gouttes à l'aide de forces électrohydrodynamiques, entre deux ou plusieurs positions pouvant correspondre à des zones de contact spécifique sur des substrats solides.
Une technique, souvent rencontrée, pour déplacer des gouttes à l'aide de forces électrostatiques est l' électromouillage sur diélectrique (Electro Wetting On Dielectric, EWOD) . Les dispositifs basés sur cette technique sont constitués d'une matrice d'électrodes isolées et recouvertes d'une couche hydrophobe dont le mouillage présente une hystérésis très faible. Les gouttes à déplacer sont posées sur cette surface hydrophobe et en contact avec une électrode nue qui les polarise. Le déplacement d'une goutte au-dessus d'une électrode isolée adjacente à la goutte est réalisé en appliquant une tension entre l'électrode en question et l'électrode qui polarise la goutte. Cette technique est très robuste mais la qualité de la surface hydrophobe en contact avec les gouttes à déplacer est un point critique à maîtriser dans la fabrication des systèmes.
Une autre technique permettant le déplacement de gouttes repose sur les forces diélectrophorétiques . Le dispositif est similaire à celui employé pour déplacer les gouttes par électromouillage mais ne comporte pas d'électrode nue en contact avec les gouttes, le potentiel électrique des gouttes n'est donc pas fixé. Le déplacement est provoqué par application de tensions électriques entre les électrodes de la matrice pour créer des zones de champ non uniformes. Les gouttes déplacées selon cette technique peuvent être encore une fois en contact avec une surface solide et la qualité de cette surface reste un point critique, ou bien en suspension à l'interface entre deux fluides non miscibles. Dans ce cas, les gouttes sont en lévitation. Dans ce dernier cas il est nécessaire de maintenir l'interface fluide/fluide, le long de laquelle la goutte se déplace, parallèle à la matrice d'électrodes; ce qui revient à imposer comme condition que le micro-système reste horizontal.
Des particules ou des cellules peuvent être aussi manipulées à l'aide de champs électriques par diélectrophorèse . Les particules sont piégées dans des puits de potentiels électrostatiques. Les particules peuvent être maintenues en lévitation, hors de tout contact avec une surface solide, par cette technique. Les champs électriques employés sont alternatifs, de fréquence assez élevée.
Le brevet LJS 5,486,337 A décrit un dispositif pour déplacer des gouttes d'une électrode à une autre en appliquant une tension entre les deux électrodes. Au contact de la première et sous l'effet du champ électrique, la goutte à déplacer se charge puis quitte, sous l'effet de la force électrostatique subie, l'électrode pour aller vers la seconde. L'inconvénient de cette méthode réside encore une fois dans les contacts prolongés avec des éléments solides, en particulier des éléments mouillants.
Une technique intéressante pour déplacer sans contact des gouttes consiste à les faire flotter à l'interface entre deux fluides superposés dont les densités encadrent celle de la goutte. Une matrice d'électrodes permet d'exercer des forces électrostatiques sur les gouttes pour les déplacer (Orlin D. Velev, Nature, 4 décembre 2003) . Cependant cette technique est délicate à mettre en œuvre. Il est nécessaire que l'interface entre les deux fluides soit horizontale et parallèle aux électrodes de la matrice.
L'objectif de la présente invention est donc de trouver un procédé permettant de s'affranchir des contraintes pesant sur la qualité des surfaces solides.
Un problème supplémentaire concerne le déplacement de gouttes dont certains constituants pourraient s'accrocher aux surfaces solides .
Description de l'invention
La présente invention concerne donc un dispositif de déplacement d'un volume de liquide sous l'effet d'une tension électrique, comprenant
i) un premier substrat avec une première électrode ii) un second substrat avec une seconde électrode, situé en regard (en général au-dessus) du premier substrat iii) moyens pour imposer une première tension entre la première et la seconde électrode, une des deux électrodes comportant essentiellement une matrice consistant d'une pluralité de microélectrodes et présentant des moyens pour appliquer une seconde tension entre au moins deux microélectrodes .
La présente invention concerne également un procédé de déplacement d'un volume de liquide, dans lequel ledit volume est initialement en contact avec un premier substrat avec la première électrode, comprenant les étapes suivantes:
a) l'application d'une première tension entre la première et la seconde électrode
b) l'application d'une seconde tension entre au moins deux microélectrodes d' une matrice consistant en une pluralité de microélectrodes
l'amplitude de la première tension (3) est telle que les forces électrostatiques exercées sur le volume de liquide (1) à déplacer permettent de le décoller de la première électrode et la demi-période τ de la première tension (3) est inférieure au temps du vol Tv du volume de liquide (1) entre les deux électrodes (4 , 5) .
Le volume de liquide est généralement plongé dans un milieu diélectrique .
La tension entre la première et la seconde électrode est en général alternative.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, en référence aux figures des dessins annexés. Les exemples de réalisation décrits avec référence aux dessins ci-annexés ne sont nullement limitatifs . La figure 1 illustre un dispositif et un procédé selon la présente invention.
La figure 2 illustre un autre dispositif et un procédé selon la présente invention.
La figure 3 illustre le principe de déplacement vertical d'un volume de liquide sous l'effet d'une tension électrique et dépendant de la tension électrique.
La figure 4 illustre un agencement de microélectrodes et un déplacement possible d'une goutte au-dessus de cette matrice.
La figure 5 illustre un agencement de microélectrodes et un déplacement possible d'une goutte au-dessus de cette matrice.
La figure 6 illustre un agencement de microélectrodes et un déplacement possible d'une goutte au-dessus de cette matrice.
La figure 7 illustre un exemple de réalisation selon la présente invention en utilisant des colorants pour réaliser un dispositif d' affichage.
La figure 8 illustre le principe de coalescence de deux gouttes.
Dans les figures, des indices de référence identiques sont utilisés pour la désignation de parties identiques.
La figure 1 illustre un dispositif et un procédé selon la présente invention. Dans la figure 1, 1 fait référence à un volume de liquide (ici, une goutte conductrices) , 2 à un milieu diélectrique liquide, 3 à une première tension alternative entre une électrode 4 et une matrice d'électrodes 5 distantes d'une distance supérieure au diamètre de la goutte à déplacer puis à l'application d'une seconde tension 6. La figure 1 illustre un exemple de réalisation de la présente invention où le support inférieur comportant la matrice d'électrodes 5 est un circuit imprimé. Les électrodes 4 ou 5 sont constituées d'un matériau conducteur. Le matériau conducteur est préférablement du cuivre ou un autre métal. Aucun traitement de surface n'est nécessaire.
Cependant la surface des électrodes, notamment inférieures, est avantageusement texturée. Ces surfaces peuvent, par exemple, être constituées par des plots ou un réseau de murets. De plus la surface du substrat inférieur est avantageusement hydrophobe . Une couche très mince (quelques centaines d'angstrόms) de Téflon est par exemple déposée.
Le gap entre les électrodes 4 et 5 est supérieur au diamètre d'une goutte et peut varier dans la présente invention. En général, l'écart entre les microélectrodes est inférieur au diamètre du volume de liquide (des gouttes) à déplacer. Il est préféré dans la présente invention que l'écart entre les microélectrodes soit de 1 à 500 μm.
L'électrode supérieure 4 est avantageusement en verre ou en polycarbonate recouvert d'un film conducteur transparent comme l' ITO.
Un traitement de surface n'est pas nécessaire. Cependant il pourrait avantageux que la ou les surfaces des électrodes soient texturées. La texture présente avantageusement des plots ou un réseau des murets.
Le diélectrique 2 a en général une densité inférieure et proche du liquide 1 à déplacer, réduisant ainsi l'amplitude de la première tension. Il est avantageux que la différence de densité entre le liquide 1 et le diélectrique liquide 2 soit environ de 0,1. La figure 2 illustre un dispositif et un procédé selon la présente invention où 1 fait référence à un volume de liquide (ici, une goutte conductrice) , 2 à un milieu diélectrique liquide, 3 à une première tension alternative entre une électrode 4 et une matrice d'électrodes 5 distantes d'une distance supérieure au diamètre de la goutte à déplacer puis à l'application d'une seconde tension 6.
La figure 2 diffère donc de la figure 1 en ce que les positions de l'électrode 4 et de la matrice d'électrodes 5 sont échangées. A la différence de la réalisation de la figure 1, l'électrode 4 se trouve ici en dessous de la matrice d'électrodes 5.
La seconde tension, appliquée entre 2 ou plusieurs électrodes de la matrice, permet de déplacer latéralement la goutte. Elle est, par exemple, de fréquence égale ou voisine de la première tension et sa phase est ajustable par rapport à celle de la première tension.
Dans une configuration où les gouttes déplacées viennent au contact de la matrice d'électrode, pour éviter l' électrolyse, les électrodes de la matrice sont, par exemple, espacées de telle façon qu'une goutte ne puisse chevaucher deux électrodes à des potentiels différents en même temps. Il est également possible d'éviter l' électrolyse en prenant garde de ne pas mettre une électrode adjacente à celle au-dessus de laquelle une goutte sautille à un potentiel différent du potentiel de l'électrode au-dessus de laquelle la goutte sautille .
La figure 3 illustre le principe de déplacement vertical d' un volume de liquide sous l'effet d'une tension électrique et dépendant de la tension électrique.
L'amplitude de la première tension Ui est telle que les forces électrostatiques exercées sur la goutte à déplacer permettent de la décoller de la première électrode et la demi-période τ de cette tension est inférieure au temps de vol de la goutte entre les deux systèmes d'électrodes. Dès que cette première tension est imposée, la goutte ne cesse de décoller d'une électrode et d'y revenir : les forces électrostatiques s'opposent au mouillage et la goutte n'est donc quasiment jamais en contact avec une surface solide.
Les figures 4 à 6 présentent différents agencements intéressants d'électrodes. On présente également la projection des trajectoires possibles d'une goutte.
La figure 4 illustre un déplacement possible d'un petit volume de liquide 1 sur une ligne d'électrodes 5 sous l'effet d'une tension 6 appliquée entre au moins deux électrodes de la matrice 5.
La figure 5 illustre un déplacement possible d'un petit volume de liquide 1 sur une électrode centrale 5a sous l'effet d'une tension 6 appliquée entre au moins une électrode de la matrice 5b et l'électrode centrale 5a.
La figure 6 illustre un déplacement possible d'un petit volume de liquide 1 sur une électrode centrale 5a sous l'effet d'une tension 6 appliquée entre au moins une électrode de la matrice 5b et l'électrode centrale 5a.
La figure 7 illustre un exemple de réalisation selon la présente invention en utilisant des colorants pour réaliser un dispositif d'affichage. L'huile (utilise comme diélectrique) peut être colorée pour être de couleur sombre avec un colorant qui ne migre pas dans une phase aqueuse comme le Solvent Blue 59 commercialisé par Aldπch Chemical Company et les gouttes d'eau peuvent être colorées dans d'autres couleurs. Dans cette réalisation les gouttes 1 forment les pixels 7 d'un afficheur dont la vitre 8 peut être le capot en verre décrit dans l'exemple de réalisation. Le déplacement horizontal permet la répartition des gouttes et leur maintien aux différentes positions prédéfinies pour les pixels du dispositif d'affichage. Le déplacement vertical permet le changement de couleur de la vitre.
La figure 8 illustre le principe de coalescence de deux gouttes 1 et 9 où 3 fait référence à une première tension alternative entre une électrode 4 et une ou plusieurs microélectrodes de la matrice 5, 6 à une autre tension alternative entre une électrode 4 et une microélectrode de la matrice 5. La première tension 3 permet le déplacement vertical incessant d'une goutte 1. La seconde tension 6 permet de porter une électrode de la matrice 5 à un potentiel différent de celui imposer par 3. Cette seconde tension 6 est ici de même fréquence que 3, mais de phase opposée. Les deux gouttes 1 et 9 acquièrent au contact des électrodes de la matrice 5 des charges opposées. La force électrique alors attractive qui s'exerce entre les gouttes conduit à leur coalescence.
Le dispositif de la présente invention comprend avantageusement un liquide diélectrique entre le premier et le second substrat, la densité du diélectrique étant préférablement proche du liquide à déplacer.
Les supports du dispositif de la présente invention peuvent être constitués de différents matériaux. Il est préférable que la matrice de microélectrodes soit un circuit imprimé.
Il est préférable que les électrodes soient constituées d' un métal . II est préféré dans le dispositif de la présente invention que l'un des supports soit constitué essentiellement de verre ou d'un matériau polymérique . Plus particulièrement, l'électrode réalisée sur ce support devrait être transparente .
La matrice d'électrodes peut s'étendre selon une ou deux dimensions .
En général, la seconde tension est de fréquence égale à ou proche de la première tension. La phase et / ou l'amplitude de la seconde tension est ajustable par rapport à celle de la première tension.
Préférablement, le volume de liquide est, après déplacement vers le second substrat, maintenu contre la seconde électrode .
Il est possible que le potentiel appliqué à deux microélectrodes adjacentes soit égal.
Dans le procédé selon la présente invention, il est avantageusement possible de faire coalescer deux volumes de liquide à déplacer en imposant des charges opposées lors de leur rapprochement .
La présente invention apporte plusieurs avantages spécifiques.
Un volume de liquide (goutte) déplacé selon le procédé de la présente invention n'est presque jamais en contact avec une surface solide et donc les états de surface sont beaucoup moins critiques que dans les dispositifs de l'art antérieur. En particulier, le déplacement latéral d'une goutte a lieu pendant une phase de vol, durant laquelle seule des forces d'inertie et des forces visqueuses s'opposent au mouvement; les états des surfaces solides ont peu d'influence. Le dispositif et le procédé de la présente invention présentent une grande facilité pour faire coalescer deux gouttes lors d'un protocole. Il suffit en effet que les deux gouttes en question possèdent des charges opposées lors de leur rapprochement .
En outre, le dispositif et le procédé de la présente invention sont compatibles avec la demande de brevet français FR 0450276 (correspondant à la demande de brevet européen 05101090-8) qui propose un dispositif de déplacement 3D de gouttes conductrices par des forces électrostatiques .
Les exemples de réalisation suivantes ne sont nullement limitatifs. La réalisation décrite peut être utilisée dans des applications biologiques et/ou chimiques.
Exemples de réalisation
La matrice d'électrodes peut être réalisée sur un circuit imprimé, l'écart entre les électrodes étant de l'ordre de 200 μm. Le circuit imprimé est recouvert d'une couche très mince de Téflon (quelques dizaines de nanomètres) . Le capot est en verre recouvert successivement d'une couche mince conductrice réalisée en ITO (oxide d'indium étain) (140 nm) , d'une couche diélectrique en Si3N4 (300 nm) , d'un film sec photosensible (100 μm) dans lequel peuvent être gravé des structures, des puits par exemple) et enfin une couche mince d'un matériau hydrophobe déposé par plasma. Le capot est distant de la matrice d'électrodes de 2 à 4 mm. Le diélectrique employé est par exemple une huile minérale dont la densité est proche de 0,9 et les gouttes déplacées d'eau ou de lait d'un volume de 1 μl.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de déplacement d'un volume de liquide (1) sous l'effet d'une tension électrique, comprenant
i) un premier substrat avec une première électrode (4,5) ii) un second substrat avec une seconde électrode (4,5), situé en regard du premier substrat iii) moyens pour imposer une première tension (3) entre la première et la seconde électrode,
une des deux électrodes comportant essentiellement une matrice (5) consistant d'une pluralité des microélectrodes et présentant des moyens pour appliquer une seconde tension entre au moins deux microélectrodes.
2. Dispositif selon la revendication 1, comprenant un liquide diélectrique (2) entre le premier et le second substrat .
3. Dispositif selon la revendication 2, la densité du diélectrique (2) étant inférieure ou proche du liquide (1) à déplacer .
4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, le premier support étant un circuit imprimé.
5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, la première électrode consistant essentiellement d'un métal.
6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, le second support consistant essentiellement de verre ou d'un matériau polymérique.
7. Dispositif selon la revendication 6, la seconde électrode étant transparente.
8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, l'écart entre les microélectrodes étant inférieur au diamètre du volume de liquide à déplacer.
9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, la ou les surfaces des électrodes étant texturées.
10. Dispositif selon la revendication 9, la texture présentant des plots ou un réseau des murets.
11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, la matrice d'électrodes (5) s ' étendant suivant une ou deux dimensions .
12. Procédé de déplacement d'un volume de liquide (1), dans lequel ledit volume est initialement en contact avec un premier substrat avec la première électrode (4, 5), comprenant les étapes suivantes:
a) l'application d'une première tension entre la première et la seconde électrode (4, 5)
b) l'application d'une seconde tension entre au moins deux microélectrodes d'une électrode,
l'amplitude de la première tension est telle que les forces électrostatiques exercées sur le volume de liquide à déplacer permettent de le décoller de la première électrode et la demi-période τ de la première tension étant inférieure au temps du vol Tv du volume entre les deux électrodes .
13. Procédé selon la revendication 12, la seconde tension étant de fréquence égale ou voisine de la première tension .
14. Procédé selon la revendication 13, la phase et/où l'amplitude de seconde tension est ajustable par rapport à celle de la première tension.
15. Procédé selon l'une des revendications 12 à 14, le volume de liquide étant, après déplacement vers le second substrat, maintenu contre la seconde électrode.
16. Procédé selon l'une des revendications 12 à 15, le potentiel appliqué à deux microélectrodes adjacentes étant égal .
17. Procédé selon l'une des revendications 12 à 16 pour faire coalescer deux volumes de liquide à déplacer en imposant des charges opposées lors de leur rapprochement.
EP06762782A 2005-08-02 2006-07-24 Dispositif de controle du deplacement d'un volume liquide entre deux ou plusieurs substrats solides et procede de deplacement Withdrawn EP1937409A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR0508220A FR2889515B1 (fr) 2005-08-02 2005-08-02 Dispositif de controle du deplacement d'un volume liquide entre deux ou plusieurs substrats solides et procede de deplacement
PCT/EP2006/007281 WO2007014669A1 (fr) 2005-08-02 2006-07-24 Dispositif de controle du deplacement d'un volume liquide entre deux ou plusieurs substrats solides et procede de deplacement

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP1937409A1 true EP1937409A1 (fr) 2008-07-02

Family

ID=36579418

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP06762782A Withdrawn EP1937409A1 (fr) 2005-08-02 2006-07-24 Dispositif de controle du deplacement d'un volume liquide entre deux ou plusieurs substrats solides et procede de deplacement

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20090134009A1 (fr)
EP (1) EP1937409A1 (fr)
FR (1) FR2889515B1 (fr)
WO (1) WO2007014669A1 (fr)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7329545B2 (en) 2002-09-24 2008-02-12 Duke University Methods for sampling a liquid flow
US6911132B2 (en) 2002-09-24 2005-06-28 Duke University Apparatus for manipulating droplets by electrowetting-based techniques
DK1859330T3 (da) 2005-01-28 2012-10-15 Univ Duke Apparater og fremgangsmåder til håndtering af små dråber på et trykt kredsløbskort
US8268246B2 (en) 2007-08-09 2012-09-18 Advanced Liquid Logic Inc PCB droplet actuator fabrication
FR2930457B1 (fr) * 2008-04-24 2010-06-25 Commissariat Energie Atomique Procede de fabrication de microcanaux reconfigurables
US12458185B2 (en) 2021-05-05 2025-11-04 Kohler Co. Hydrophobic field

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3279253A (en) * 1963-12-03 1966-10-18 Douglas Aircraft Co Inc Dielectrophoretic propellant orientation system
WO1999017883A1 (fr) * 1997-10-06 1999-04-15 California Institute Of Technology Transport electrostatique de particules
US6942776B2 (en) * 1999-05-18 2005-09-13 Silicon Biosystems S.R.L. Method and apparatus for the manipulation of particles by means of dielectrophoresis
IT1309430B1 (it) * 1999-05-18 2002-01-23 Guerrieri Roberto Metodo ed apparato per la manipolazione di particelle per mezzo delladielettroforesi

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
None *

Also Published As

Publication number Publication date
FR2889515B1 (fr) 2007-11-02
US20090134009A1 (en) 2009-05-28
WO2007014669A1 (fr) 2007-02-08
FR2889515A1 (fr) 2007-02-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1773497B1 (fr) Dispositif de deplacement et de traitement de volumes de liquide
US8357282B2 (en) Optoelectronic separation of biomolecules
Murade et al. Electrowetting driven optical switch and tunable aperture
EP3405428B1 (fr) Procédés et dispositifs de manipulation de fluide par électrodémouillage
US6958132B2 (en) Systems and methods for optical actuation of microfluidics based on opto-electrowetting
EP1714700A1 (fr) Dispositif et procédé microfluidique de transfert de matière entre deux phases immiscibles
Raj et al. Ion and liquid dependent dielectric failure in electrowetting systems
Jiang et al. Light-driven 3D droplet manipulation on flexible optoelectrowetting devices fabricated by a simple spin-coating method
Krupenkin et al. Tunable liquid microlens
US8287708B2 (en) Microfluidic system and method for creating an encapsulated droplet with a removable shell
CA2769194C (fr) Systeme electrochrome transparent
JP5042865B2 (ja) 表示装置
TW201040644A (en) Electro-optical display
US20090127123A1 (en) Making a two-phase liquid/liquid or gas system in microfluidics
WO2010004014A1 (fr) Procede et dispositif de manipulation et d'observation de gouttes de liquide
EP2143948A2 (fr) Dispositif microfluidique de déplacement de liquide
Zhao et al. Large area and low power dielectrowetting optical shutter with local deterministic fluid film breakup
EP1937409A1 (fr) Dispositif de controle du deplacement d'un volume liquide entre deux ou plusieurs substrats solides et procede de deplacement
Guo et al. Asymmetrical electrowetting on dielectrics induced by charge transfer through an Oil/Water interface
US20120248229A1 (en) Marangoni stress-driven droplet manipulation on smart polymers for ultra-low voltage digital microfluidics
He et al. Droplet three-dimension manipulation in parallel liquid-infused membrane plates configuration
EP1796843B1 (fr) Dispositif pour realiser la separation dielectrophoretique de particules contenues dans un fluide
Ren et al. Voltage-expandable liquid crystal surface
Rummaneethorn et al. Dielectric charge injection (DCI)-enabled contactless droplet wetting modulation for droplet-surface material interchange
Li et al. Electrodewetting on transparent substrate: device fabrication and demonstration

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20080226

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IS IT LI LT LU LV MC NL PL PT RO SE SI SK TR

17Q First examination report despatched

Effective date: 20090518

RAP1 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

Owner name: COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES

Owner name: CNRS

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20181123