專利名稱：一種基于液滴單向輸運的二維數(shù)字微流控芯片的制作方法
一種基于液滴單向輸運的二維數(shù)字微流控芯片技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于數(shù)字微流控技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于液滴單向輸運的二維數(shù)字微流控芯片。
背景技術(shù)：
數(shù)字微流控芯片是指以離散液滴為操作對象的微型化芯片，是片上實驗室(LOC)自動化操控的重要部分。而基于介質(zhì)上電潤濕效應(yīng)的數(shù)字微流控芯片主要包括驅(qū)動和接地電極、介質(zhì)層、疏水層等部分，是以電壓信號對液滴進行操控，因此具有驅(qū)動方式簡單、驅(qū)動力強、操控方便、自動化程度高等許多優(yōu)點，在LOC領(lǐng)域中具有非常好的發(fā)展前景。
對于數(shù)字微流控芯片，其批量處理及高通量是其重要功能指標(biāo)，也是能否應(yīng)用于芯片實驗室的一個瓶頸。而基于介質(zhì)上電潤濕的數(shù)字微流控芯片是以電極為控制單元對液滴進行操控，因此需要大量的電極單元。傳統(tǒng)的介質(zhì)上電潤濕數(shù)字微流控芯片主要有兩種電極結(jié)構(gòu)配置:一是分立型電極結(jié)構(gòu)，二是條狀電極結(jié)構(gòu)。分立型電極結(jié)構(gòu)是利用一定形狀尺寸的分立電極對液滴進行單獨操控，每一個分立電極為一個控制單元，需要一個控制信號，這樣對于有MXN個控制 單元的二維芯片需要MXN個控制信號，這對于多功能批量處理芯片是非常巨大的，而且電極的引線是一個瓶頸。而條狀電極結(jié)構(gòu)是利用兩套條狀的電極相互交叉組成控制單元對液滴進行操控，其優(yōu)點是可以地大大減少了控制信號，如對于具有MXN個液滴控制單元的芯片只需要M+N個控制信號。但目前基于條狀電極結(jié)構(gòu)的數(shù)字微流芯片有兩種芯片結(jié)構(gòu)，一是兩套條狀電極均置于芯片的下極板，這樣芯片制作困難，控制復(fù)雜，且存在易擊穿等問題；二是兩套條狀電極分別置于上下極板，這雖然可以進行有效操控，但這種上極板有驅(qū)動電極的雙平面芯片不易于光學(xué)檢測及其它功能的集成、限制了芯片的應(yīng)用范圍。
因此，設(shè)計出能夠?qū)崿F(xiàn)單平面二維批量操控，但又具有較少驅(qū)動信號，且引線、制作方便的數(shù)字微流控芯片具有非常重要的意義，能夠解決芯片實驗室應(yīng)用瓶頸以及大大拓寬其應(yīng)用范圍。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)單平面二維驅(qū)動，且制作簡單、操控方便、擴展能力強的基于液滴單向輸運的二維數(shù)字微流控芯片。
在本發(fā)明之前，申請人曾提出一種限制數(shù)字微流控芯片液滴單向輸運的方法申請?zhí)?201210073446.8，利用該方法，能夠使用兩個驅(qū)動信號即能實現(xiàn)液滴單向輸運，極大地精簡了引線及驅(qū)動信號。本發(fā)明是在上述單向輸運的基礎(chǔ)上的改進。
本發(fā)明提出的基于液滴單向輸運的二維數(shù)字微流控芯片，由若干單向驅(qū)動電極組成行電極，通過精簡的信號配置和合理的電極排布實現(xiàn)液滴單平面二維驅(qū)動；其中: 單向驅(qū)動電極為“月缺”形狀，在一個方向上，電極互對兩個邊界為平行直線；在另一個垂直方向上，電極一側(cè)邊界為凹狀圓弧，另一側(cè)為凸?fàn)顖A??； 單向驅(qū)動電極凹凸相對，相互嵌套，正對緊密排列成行電極； 在行電極方向上，相鄰的單向驅(qū)動電極電氣絕緣，而間隔的單向驅(qū)動電極電氣相連，每個行電極只需兩個控制信號； 相鄰行電極左右相反、正對緊密排列，以組成棋盤狀芯片二維驅(qū)動單元。
本發(fā)明中，鄰近電極邊界凹凸相對，相互嵌套排列成行電極，相鄰電極電氣絕緣，而相間電極電氣相連。這樣，當(dāng)行電極上無論有多少個分立的“月缺”電極都只需兩個控制信號，也就是說，只需兩個控制信號即可以控制行電極上的控制單元。而當(dāng)一定尺寸的液滴位于該行電極上時，通過對兩個控制信號端輪流施加電壓信號即可以控制液滴沿著電極的由凸至凹的方向?qū)崿F(xiàn)單向輸運。這樣實現(xiàn)了精簡信號控制使液滴能夠在一個維度一個方向上運動。那么要實現(xiàn)液滴二維多方向上運動，只需要將上述的行電極一行行正對緊密排列起來，形成棋盤狀電極控制單元。在行電極垂直方向上(列方向)，各個“月缺”電極是正對排列，并不存在錯位，因此在該方向上，液滴的控制與傳統(tǒng)分立電極的數(shù)字微流控芯片一致。為了增加液滴運動自由度及簡化控制，相鄰行電極左右相反，因為行電極的單向性，鄰近行電極液滴的單向輸運方向是相反的，這樣芯片就可以在行電極上實現(xiàn)兩個方向運動。這樣的電極排布，其優(yōu)勢非常明顯:在列電極方向上，與常規(guī)數(shù)字微流芯片一樣，可以實現(xiàn)液滴雙向輸運，以及產(chǎn)生、分裂、合并等多個功能；而在行電極方向上，在某一行實現(xiàn)液滴的單向輸運，而在整體上實現(xiàn)液滴的雙向操控，而且每行控制信號可以精簡為兩個，這使得電極內(nèi)引線非常簡便，對于具有M*N個控制單元的數(shù)字微流控芯片，而無論N的值為多大，都只需2M個控制信號，最大化地精簡了控制信號，是目前為止，數(shù)字微流控芯片領(lǐng)域最為精簡的控制方式。
本發(fā)明中，“月缺”形電極的設(shè)計滿足:對于一定大小的圓形液滴，當(dāng)其處于電極穩(wěn)定位置時，液滴部分邊界應(yīng)當(dāng)與所處“月缺”電極凸?fàn)罨【€邊界重合，而其余邊界應(yīng)當(dāng)部分覆蓋“月缺”電極凹狀弧線邊界以及直線邊界，以保證液滴能夠被鄰近三個電極驅(qū)動。
本發(fā)明中，液滴對電極的“覆蓋”指的是在芯片某一方向上，液滴的形狀投影包含電極形狀部分投影，而不是指液滴直接與電極接觸，更為具體，指電極可以通過施加驅(qū)動信號對“覆蓋”液滴部分進行操控。
本發(fā)明中，所述“正對緊密排列”包括兩層含義:一是正對的電極中心均處于同一中軸線上；二是電極之間除了電氣隔離的同一尺寸間隙外再無其它空隙。
本發(fā)明中，所述“尺寸” 一般指的是特征尺寸，如電極尺寸是指沿液滴驅(qū)動方向上有效驅(qū)動電極寬度，而液滴尺寸指的是液滴的直徑。
本發(fā)明中，所述“液滴”是指能用于電潤濕驅(qū)動的溶液滴，其成分可以是單一的生物樣品、化學(xué)溶液等，也可以是多成分組成，如外面包裹著一層油膜的液滴等，其大小并不限定，可以為次微微升到若干毫升之間。
本發(fā)明中，所述“極板”或“電極板”或是指微流控芯片中包含有介電層、電極層、疏水層或者其任意組合的一定器件結(jié)構(gòu)部分。
本發(fā)明中，所述“單平面數(shù)字微流控芯片”是指排除接地電極外的所有驅(qū)動電極均位于同一極板上的數(shù)字微流控芯片。
本發(fā)明中，所述“驅(qū)動電極”是指芯片實施時對應(yīng)電極的電壓被置成不為O以使電潤濕驅(qū)動能夠發(fā)生，所述“接地電極”是指芯片實施時對應(yīng)電極的電壓被置成O或與O足夠接近。
本發(fā)明設(shè)計了一種具有特定形狀的液滴單向輸運電極，一種合理的電極排布以及一種精簡的控制信號配置，組成棋盤狀液滴控制單元以實現(xiàn)二維驅(qū)動。
本發(fā)明提供的二維數(shù)字微流控芯片具有如下顯著優(yōu)勢: Ca)極大地精簡了控制信號，對于棋盤狀具有M*N個液滴操控單元的芯片，其控制信號最多只需2M個，與N的大小無關(guān)，是目前二維驅(qū)動芯片最為精簡的控制方式。
(b)芯片的控制單元理論上可以無限擴展而不顯著增加驅(qū)動信號，可以實現(xiàn)液滴的大批量，高通量操控。
(C)芯片是單層單平面結(jié)構(gòu)，即所有驅(qū)動電極是在芯片同一極板同一平面上，是目前精簡驅(qū)動信號的數(shù)字微流控芯片中最為簡單的芯片結(jié)構(gòu)。
(d)獨特的電極形狀設(shè)計及排布可以提高液滴的驅(qū)動能力。
圖1是本發(fā)明的一種基于液滴單向輸運的二維數(shù)字微流控芯片橫向截面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的一種基于液滴單向輸運的二維數(shù)字微流控芯片縱向截面結(jié)構(gòu)示意圖。圖1與圖2芯片互為90度。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的二維數(shù)字微流控芯片電極形狀和排布設(shè)計以及液滴操控示意圖。
具體實施方式
本發(fā)明提供的基于液滴單向輸運的二維數(shù)字微流控芯片并不限定具體的結(jié)構(gòu)配置方式，但優(yōu)選為單極板單平面的二維芯片結(jié)構(gòu)。應(yīng)當(dāng)指出，本實施方式是為了說明目的而提供，而不在意以任何方式限制本發(fā)明的范圍。
基于本發(fā)明的一種基于液滴單向輸運的二維數(shù)字微流控芯片結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，在基板100上為本發(fā)明的“月缺”形驅(qū)動電極。應(yīng)當(dāng)說明，用作基板的材料并不固定，只要絕緣即可，如可以為石英、玻璃、絕緣的硅片等；而電極(包括下面所述的接地電極)可以由任何導(dǎo)電材料組成，其電極大小和間隔及具體電極的個數(shù)并不限定，本說明書僅以一定數(shù)目及規(guī)格的電極為例。而且，本圖只為芯片結(jié)構(gòu)的示意，并不精確反應(yīng)電極的位置及排布。在驅(qū)動電極上有介質(zhì)層101，其上置有疏水層102。應(yīng)當(dāng)指出，介質(zhì)層應(yīng)為絕緣介質(zhì)材料但并不限定，優(yōu)選為介電常數(shù)較高、抗擊穿能力較強的材料。基板100、驅(qū)動電極、介質(zhì)層101及疏水層102共同構(gòu)成了器件下極板201。在下極板上為驅(qū)動的液滴D，液滴之上為疏水層103，疏水層上置有接地電極104，其上為絕緣基板105。應(yīng)當(dāng)指出，接地電極104的材料并不限定，但為了擴展芯片功能集成，優(yōu)選為導(dǎo)電透明材料，如氧化銦錫(ΙΤ0)、摻鋁的氧化鋅(AZO)等。疏水層103、地電極104、上基板105共同構(gòu)成了器件的上極板202。在本數(shù)字微流芯片中，通過對驅(qū)動電極施加電壓控制信號而接地電極接地即可以對上下極板間的液滴D達到驅(qū)動作用。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的二維數(shù)字微流控芯片電極形狀和排布設(shè)計以及液滴操控示意圖?！霸氯薄毙坞姌O凹凸相對，相互嵌套緊密排列，間隔電極電氣相連形成行電極E1-E1’、E2-E2’、E3-E3’、E4-E4’、E5-E5’、E6-E6’。行電極一行行正對緊密排列起來，形成棋盤狀電極控制單元。這樣對于“6行10列”共60個控制單元的芯片只需要12個控制信號，而且在Y軸方向，液滴的運動與常規(guī)芯片一致，可實現(xiàn)二維操控，而在X軸方向，液滴在具體行上時單向輸運，而在整體上也可以實現(xiàn)二維操控。
滿足一定尺寸的圓形液滴D處于某一個初始電極SO上穩(wěn)定時，液滴右側(cè)部分邊界剛好與初始電極SO凸?fàn)顖A弧邊界吻合，這樣液滴D不能覆蓋到該測的鄰近電極S2，而在左偵牝由于初始電極SO邊界為凹狀圓弧，而鄰近電極SI為凸?fàn)钋短?，這樣液滴左側(cè)就能覆蓋到該側(cè)鄰近電極SI。電極S1、S2是電氣相連的，當(dāng)它們共同施加電壓信號時，液滴就會受到電極SI控制而向SI方向運動，最終靜止在SI的穩(wěn)定位置。當(dāng)液滴D所處的行電極E4-E4’輪流施加電壓信號時，液滴就會一直向負X軸方向單向運動。而對于行電極E4-E4’的鄰近行電極E3-E3’和E5-E5’，它們的電極排布方向與行電極E4-E4’左右相反，故液滴在行電極E3-E3’和E5-E5’上是向正Y軸方向單向運動的。上述說明了液滴D處于SO位置時可以向負X軸方向運動到SI位置。在Y方向上，由于液滴D邊緣覆蓋到鄰近行電極E3-E3’和E5-E5’，當(dāng)對行電極電極E3-E3’共同施加電壓信號時，液滴就會從SO位置運動到S3位置穩(wěn)定，實現(xiàn)液滴沿負Y軸方向運動，同理，對行電極電極E3-E3’共同施加電壓信號，液滴可以實現(xiàn)沿正Y軸方向運動到S4位置。要使液滴D從SO位置運動到S2位置實現(xiàn)正X軸方向運動，只需進行如下操作:對行電極E3-E3’共同施加電壓信號使液滴從SO位置運動到S3位置，斷開電極E3驅(qū)動信號而只對電極E3’施加電壓信號使液滴從S3位置運動到S5位置，再對行電極E4-E4’共同施加電壓信號即可使液滴從S5位置運動到S2位置。同理，可以使液滴沿著SO到S4到S6再到S2位置運動也可以實現(xiàn)液滴D從SO位置運動到S2位置實現(xiàn)正X軸方向運動。這樣我們實現(xiàn)了在一個位置上，液滴可以向前后左右四個方向上實現(xiàn)二維運動。
此外，通過在Y軸方向上對液滴的進行操控也可以實現(xiàn)液滴的產(chǎn)生、分裂、合并等基本功能。如當(dāng)液滴D處于SO位置時，由于同時覆蓋到上下電極S3、S4，只需同時對行電極E3-E3’和E5-E5’同時施加電壓信號，而斷開行電極E4-E4’的電壓信號時即可實現(xiàn)液滴D的分裂，形成兩個小液滴最終分別處于S3、S4電極位置上。相反地，斷開行電極E3-E3’和E5-E5’的驅(qū)動信號，而對行電極E4-E4’施加電壓信號即可實現(xiàn)處于S3、S4電極位置上兩個液滴的合并最終液滴處于SO位置。而芯片的液滴產(chǎn)生功能與液滴分裂類似，只需在芯片上加上蓄液單元即可。
通過以上操控，本發(fā)明提供的基于液滴單向輸運的二維數(shù)字微流控芯片通過非常精簡的控制方式即可以實現(xiàn)液滴的二維輸運，以及液滴產(chǎn)生、合并、分裂等功能，具有非常顯著的優(yōu)點，解決了傳統(tǒng)數(shù)字微流控芯片的問題，擴展了數(shù)字微流控芯片的應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種基于液滴單向輸運的二維數(shù)字微流控芯片，其特征在于由若干單向驅(qū)動電極組成行電極，通過精簡的信號配置和合理的電極排布實現(xiàn)液滴單平面二維驅(qū)動；其中: 單向驅(qū)動電極為“月缺”形狀，在一個方向上，電極互對兩個邊界為平行直線；在另一個垂直方向上，電極一側(cè)邊界為凹狀圓弧，另一側(cè)為凸?fàn)顖A??； 單向驅(qū)動電極凹凸相對，相互嵌套，緊密排列成行電極； 在行電極方向上，相鄰的單向驅(qū)動電極電氣絕緣，而間隔的單向驅(qū)動電極電氣相連，每個行電極只需兩個控制信號； 相鄰行電極左右相反、正對緊密排列，以組成棋盤狀芯片二維驅(qū)動單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液滴單向輸運的二維數(shù)字微流控芯片，其特征在于所述“月缺”形狀電極的設(shè)計滿足:對于一定大小的圓形液滴，當(dāng)液滴處于電極穩(wěn)定位置時，液滴部分邊界與所處“月缺”電極凸?fàn)罨【€邊界重合，而液滴其余邊界應(yīng)當(dāng)部分覆蓋“月缺”電極凹狀弧線邊界以及直線邊界，以保證液滴能夠被鄰近三個電極驅(qū)動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液滴單向輸運的二維數(shù)字微流控芯片，其特征在于所述的液滴為用于電潤濕驅(qū)動的溶液滴，其成分是單一的或多成分組成的生物樣品或化學(xué)溶液。
全文摘要
本發(fā)明屬于數(shù)字微流控技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于液滴單向輸運的二維數(shù)字微流控芯片。該芯片是通過“月缺”形狀的液滴單向輸運電極、合理的電極排布以及精簡的控制信號配置，組成單平面棋盤狀液滴控制單元，使用2*M個控制信號即可以控制M*N(N可為無限大)個控制單元以實現(xiàn)液滴二維驅(qū)動。本發(fā)明提供的數(shù)字微流控芯片具有控制方式新穎精簡、制作工藝簡單、驅(qū)動能力強，批量處理程度高，高通量操作等優(yōu)點，彌補了傳統(tǒng)數(shù)字微流控芯片的不足，極大地拓寬了數(shù)字微流芯片的實用功能及應(yīng)用范圍。
文檔編號B01L3/00GK103143406SQ20131007447
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月10日
發(fā)明者陳建鋒, 余玉華, 李嘉, 周嘉 申請人:復(fù)旦大學(xué)