一種基于EWOD的二維蜂窩狀電極陣列數字微流控芯片制造技術

本發明專利技術公開了一種基于EWOD的二維蜂窩狀電極陣列數字微流控芯片，其包含若干層電極層，該電極層之間通過若干通孔縱向連通，該電極層由若干橫向互連的驅動電極形成，該驅動電極呈正多邊形，每個驅動電極大小形狀相同，每個驅動電極與其相鄰的電極電性相反、緊密排列，每個驅動電極與其相鄰的驅動電極兩兩電氣絕緣，不相鄰的等效的驅動電極電氣相連，等效的驅動電極連接一個控制電極。本發明專利技術提供的數字微流控芯片具有控制方式新穎精簡，陣列規模可無限擴展而電信號數量無需增加，且制作工藝簡單、驅動能力強，批量處理程度高，高通量操作等許多優點，彌補了傳統數字微流控芯片的不足，極大地拓寬了數字微流芯片的實用功能及應用范圍。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于數字微流控
，涉及一種數字微流控芯片，具體涉及一種基于介質上電潤濕（ElectrowettingonDielectric,簡稱EWOD）驅動的二維蜂窩狀電極陣列數字微流控芯片。
技術介紹
數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。而基于介質上電潤濕效應的數字微流控芯片主要包括驅動和接地電極、介質層、疏水層等部分，是以電壓信號對液滴進行操控，因此具有驅動方式簡單、驅動力強、操控方便、自動化程度高等許多優點，在LOC領域中具有非常好的發展前景。對于數字微流控芯片，其批量處理及高通量是其重要功能指標，也是能否應用于芯片實驗室的一個瓶頸。而基于介質上電潤濕的數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。傳統的介質上電潤濕數字微流控芯片主要有兩種電極結構配置：一是分立型電極結構，二是條狀電極結構。分立型電極結構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M×N個控制單元的二維芯片需要M×N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。而條狀電極結構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，其優點是可以地大大減少了控制信號，如對于具有M×N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構的數字微流芯片有兩種芯片結構，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，但這種上極板有驅動電極的雙平面芯片不易于光學檢測及其它功能的集成、限制了芯片的應用范圍。因此，設計出能夠實現單平面二維批量操控，但又具有較少驅動信號，且引線、制作方便的數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用瓶頸以及大大拓寬其應用范圍。
技術實現思路
本專利技術目的在于提供一種基于液滴輸運的二維數字微流控芯片，利用該芯片，可以用非常簡便的引線方式和非常精簡的驅動信號實現單平面二維驅動，具有制作簡單、操控方便、批量處理程度高、擴展能力強等許多優點，彌補了目前數字微流控芯片的不足。為達到上述目的，本專利技術提供了一種基于EWOD的二維蜂窩狀電極陣列數字微流控芯片，該數字微流控芯片包含若干層電極層，該電極層之間通過若干通孔縱向連通，該電極層由若干橫向互連的驅動電極形成，該驅動電極呈正多邊形，每個驅動電極大小形狀相同，每個驅動電極與其相鄰的電極電性相反、緊密排列，每個驅動電極與其相鄰的驅動電極兩兩電氣絕緣，而不相鄰（即，間隔）的同一方向的驅動電極電氣相連，同一方向的驅動電極連接一個控制電極，等效的驅動電極是指連接一個控制電極，通過該控制電極能驅動液滴向同一方向運輸的驅動電極。所述的通孔是指在縱向上貫穿于多層之間，具備導電性的孔狀結構。且，若干電極層之間縱向上的通孔的大小、位置完全相同。所述的緊密排列是指相鄰的正多邊形驅動電極最靠近的兩條邊線平行，且兩條邊線的中心連線垂直于這兩條邊線。該間隔為一個統一的較小的尺寸（如30μm,數值并不做具體限定）。本專利技術中，所述“尺寸”一般指的是特征尺寸，如電極尺寸是指沿液滴驅動方向上有效驅動電極的對角線長度，而液滴尺寸指的是液滴的直徑。所述的驅動電極呈正六邊形，每個驅動電極周圍有6個驅動電極與其相鄰，每個驅動電極與跟其相鄰的6個驅動電極兩兩電氣絕緣，而間隔的同一方向的驅動電極電氣相連。所述的電極層的驅動電極呈蜂窩狀排列。本專利技術的六邊形電極的設計應當滿足對于一定大小的圓形液滴，當其處于電極穩定位置時，液滴中心與所在驅動電極所在中心重合，液滴邊界能夠等量地覆蓋周圍6個驅動電極，以保證液滴能夠被鄰近6個電極驅動，而且在6個方向上的驅動效果是等效的。所述的重合指的是在俯視的視角下，所述的液滴與驅動電極的形狀輪廓、位置以及大小是完全一致的。所述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；更為具體地，是指電極可以通過施加驅動信號對“覆蓋”液滴部分進行操控。所述的數字微流控芯片還包含：基板，所述的電極層上設置在該基板上；在每層電極層上還設置有介質層；及設置在最外部與液滴直接接觸的疏水層。本專利技術提出了一種蜂窩型分布的電極結構，該結構可以使用7個控制信號同時控制多個液滴在二維平面上向6個方向運輸。該結構整體形狀如下：每個電極為正六邊形，每個電極與周圍6個電極緊密相鄰，形成蜂窩狀的排列。每個電極與相鄰的6個電極電氣絕緣，相隔的同一方向的電極以一定方式電氣相連。為了形成這種相連方式，需采用多層電極互連的結構，每個驅動電極與一個通孔相連，使用2層導通電極將需要電氣相連的通孔連接起來。這樣，當蜂窩狀電極陣列中無論有多少個六邊形電極都只需7個控制信號進行控制，是目前為止，在二維大規模數字微流控芯片的驅動領域最為精簡的控制方式。本專利技術中，所述“液滴”是指能用于電潤濕驅動的溶液滴，其成分可以是單一的生物樣品、化學溶液等，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。本專利技術中，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構部分。本專利技術中，所述“驅動電極”是指芯片實施時對應電極的電壓被置成不為0以使電潤濕驅動能夠發生，所述“接地電極”是指芯片實施時對應電極的電壓被置成0或與0足夠接近。本專利技術中，所述“相應電極”是指對某電極加電后，與其相連通的所有驅動電極。本專利技術中，所述“通孔”是指在縱向上貫穿于多層之間，具備導電性的孔狀結構。本專利技術中，所述“連通電極”是指在單層平面上，將不同的通孔相連通的電極。本專利技術中，所述“任意路徑”是指在二維平面上，將任意數量任意位置依次相鄰的驅動電極中心相連后形成的一條不間斷的路徑。本專利技術的最大創新在于設計了一種新型的蜂窩狀的驅動電極陣列，利用通孔和多層連通電極將驅動電極以特定方式電氣相連。無論驅動電極陣列規模多大，理論上均可使用7個控制信號對其進行完全控制，可實現多個液滴在二維平面上任意路徑的驅動。本專利技術提供的二維數字微流控芯片具有如下顯著優勢：（a）極大地精簡了控制信號，對于蜂窩狀具有3N*（N+1）+1個液滴操控單元的芯片，其控制信號只需7個，與N的大小無關，是目前二維驅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無需增加驅動信號，可以實現液滴的大批量，高通量操控。（c）芯片是單平面結構，即所有驅動電極是在芯片同一極板同一平面上，無需上極板結構。附圖說明圖1A、圖1B是根據本專利技術的一種基于EWOD的二維蜂窩狀電極陣列數字微流控芯片的兩個互成90度的截面結構示意圖。圖2A是根據本專利技術的基于EWOD的二維蜂窩狀電極陣列數字微流控芯片在基板100上的第一層用作橫向互連的電極層本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于EWOD的二維蜂窩狀電極陣列數字微流控芯片，其特征在于，該數字微流控芯片包含若干層電極層，該電極層之間通過若干通孔縱向連通，該電極層由若干橫向互連的驅動電極形成，該驅動電極呈正多邊形，每個驅動電極大小形狀相同，每個驅動電極與其相鄰的電極電性相反、緊密排列，每個驅動電極與其相鄰的驅動電極兩兩電氣絕緣，而不相鄰的等效的驅動電極電氣相連，等效的驅動電極是指連接一個控制電極，通過該控制電極能驅動液滴向同一方向運輸的驅動電極。

【技術特征摘要】
1.一種基于EWOD的二維蜂窩狀電極陣列數字微流控芯片，其特征在于，該數字微流控芯片包含若干層電極層，該電極層之間通過若干通孔縱向連通，該電極層由若干橫向互連的驅動電極形成，該驅動電極呈正多邊形，每個驅動電極大小形狀相同，每個驅動電極與其相鄰的電極電性相反、緊密排列，每個驅動電極與其相鄰的驅動電極兩兩電氣絕緣，而不相鄰的等效的驅動電極電氣相連，等效的驅動電極是指連接一個控制電極，通過該控制電極能驅動液滴向同一方向運輸的驅動電極。
2.如權利要求1所述的基于EWOD的二維蜂窩狀電極陣列數字微流控芯片，其特征在于，所述的通孔是指在縱向上貫穿于多層之間，具備導電性的孔狀結構。
3.如權利要求1所述的基于EWOD的二維蜂窩狀電極陣列數字微流控芯片，若干電極層之間縱向上的通孔的大小、位置完全相同。
4.如權利要求1所述的基于EWOD的二維蜂窩狀電極陣列數字微流控芯片，其特征在于，所述的緊密排列是指相鄰的正多邊形驅動電極最靠近的兩條邊線平行，且兩條邊線的中心連線垂直于這兩條邊線。
5.如權利要求1所述的基于EWOD的二維蜂窩狀電極陣列數字微流控芯片，其特征在于，所述的驅動電極呈正六邊形，每個驅動電極周圍有6個驅動電極與其相鄰，每個驅動電極...

【專利技術屬性】
技術研發人員：章凱迪，潘暕，周嘉，
申請(專利權)人：復旦大學，
類型：發明
國別省市：上海;31