一種基于液滴單向輸運的二維數字微流控芯片制造技術

本發明專利技術屬于數字微流控技術領域，具體為一種基于液滴單向輸運的二維數字微流控芯片。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）個控制單元以實現液滴二維驅動。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、制作工藝簡單、驅動能力強，批量處理程度高，高通量操作等優點，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】
一種基于液滴單向輸運的二維數字微流控芯片
本專利技術屬于數字微流控
，具體涉及一種基于液滴單向輸運的二維數字微流控芯片。
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能夠實現單平面二維驅動，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字微流控芯片。在本專利技術之前，申請人曾提出一種限制數字微流控芯片液滴單向輸運的方法申請號:201210073446.8，利用該方法，能夠使用兩個驅動信號即能實現液滴單向輸運，極大地精簡了引線及驅動信號。本專利技術是在上述單向輸運的基礎上的改進。本專利技術提出的基于液滴單向輸運的二維數字微流控芯片，由若干單向驅動電極組成行電極，通過精簡的信號配置和合理的電極排布實現液滴單平面二維驅動；其中: 單向驅動電極為“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，電極一側邊界為凹狀圓弧，另一側為凸狀圓弧； 單向驅動電極凹凸相對，相互嵌套，正對緊密排列成行電極； 在行電極方向上，相鄰的單向驅動電極電氣絕緣，而間隔的單向驅動電極電氣相連，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動單元。本專利技術中，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實現單向輸運。這樣實現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，液滴的控制與傳統分立電極的數字微流控芯片一致。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兩個方向運動。這樣的電極排布，其優勢非常明顯:在列電極方向上，與常規數字微流芯片一樣，可以實現液滴雙向輸運，以及產生、分裂、合并等多個功能；而在行電極方向上，在某一行實現液滴的單向輸運，而在整體上實現液滴的雙向操控，而且每行控制信號可以精簡為兩個，這使得電極內引線非常簡便，對于具有M*N個控制單元的數字微流控芯片，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，數字微流控芯片領域最為精簡的控制方式。本專利技術中，“月缺”形電極的設計滿足:對于一定大小的圓形液滴，當其處于電極穩定位置時，液滴部分邊界應當與所處“月缺”電極凸狀弧線邊界重合，而其余邊界應當部分覆蓋“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動。本專利技術中，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動信號對“覆蓋”液滴部分進行操控。本專利技術中，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寬度，而液滴尺寸指的是液滴的直徑。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“單平面數字微流控芯片”是指排除接地電極外的所有驅動電極均位于同一極板上的數字微流控芯片。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O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O或與O足夠接近。本專利技術設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二維驅動。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: 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，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不顯著增加驅動信號，可以實現液滴的大批量，高通量操控。(C)芯片是單層單平面結構，即所有驅動電極是在芯片同一極板同一平面上，是目前精簡驅動信號的數字微流控芯片中最為簡單的芯片結構。(d)獨特的電極形狀設計及排布可以提高液滴的驅動能力。附圖說明圖1是本專利技術的一種基于液滴單向輸運的二維數字微流控芯片橫向截面結構示意圖。圖2是本專利技術的一種基于液滴單向輸運的二維數字微流控芯片縱向截面結構示意圖。圖1與圖2芯片互為90度。圖3是根據本專利技術的二維數字微流控芯片電極形狀和排布設計以及液滴操控示意圖。具體實施方式本專利技術提供的基于液滴單向輸運的二維數字微流控芯片并不限定具體的結構配置方式，但優選為單極板單平面的二維芯片結構。應當指出，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專利技術的范圍。基于本專利技術的一種基于液滴單向輸運的二維數字微流控芯片結構如圖1、圖2本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于液滴單向輸運的二維數字微流控芯片，其特征在于由若干單向驅動電極組成行電極，通過精簡的信號配置和合理的電極排布實現液滴單平面二維驅動；其中：單向驅動電極為“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，電極一側邊界為凹狀圓弧，另一側為凸狀圓弧；單向驅動電極凹凸相對，相互嵌套，緊密排列成行電極；在行電極方向上，相鄰的單向驅動電極電氣絕緣，而間隔的單向驅動電極電氣相連，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動單元。

【技術特征摘要】
1.一種基于液滴單向輸運的二維數字微流控芯片，其特征在于由若干單向驅動電極組成行電極，通過精簡的信號配置和合理的電極排布實現液滴單平面二維驅動；其中: 單向驅動電極為“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，電極一側邊界為凹狀圓弧，另一側為凸狀圓弧； 單向驅動電極凹凸相對，相互嵌套，緊密排列成行電極； 在行電極方向上，相鄰的單向驅動電極電氣絕緣，而間隔的單向驅動電極電氣相連，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，...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳建鋒，余玉華，李嘉，周嘉，
申請(專利權)人：復旦大學，
類型：發明
國別省市：