[發明專利]基于電潤濕的單面二維驅動數字微流控芯片

無效

• 申請號: 201110294646.1
• 申請日: 2011-09-28
• 公開（公告）號: CN102500436A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發明（設計）人: 陳建鋒;李嘉;周嘉
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: B01L3/00
• 分類號: B01L3/00
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

技術領域

本發明屬于數字微流控技術領域，具體涉及一種單面二維驅動數字微流控芯片。

背景技術

作為芯片上實驗室（LOC）自動化操控的重要部分，微流控芯片技術一直在不斷發展，已經出現了基于各種驅動方式、各種結構的芯片，而基于電潤濕效應的數字微流控芯片由于驅動方式簡單、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。

傳統的基于電潤濕效應的數字微流控芯片從結構上可以分為單面驅動結構和雙面驅動結構。雙面驅動結構即液滴置于上下兩層電極板之間，兩層電極板中均含有驅動條狀電極，且上下極板的電極垂直布置，通過分別對上下極板施加驅動電壓或接地從而驅動極板間液滴實現二維運動。這種芯片結構的電極用作驅動電極和地電極，因此每個電極至少需要兩個控制信號，增加了外圍電路的復雜性，而且由于芯片上下兩面板均有電極，不利于芯片功能的集成。單面驅動結構又有兩種類型：一是需要上極板作為接地板的單面結構；二是可以完全不用上極板的單面結構。第一種結構是將所有驅動電極置于下層電極板上，而上層電極板僅用作接地因而不需要特殊電極制作，液滴置于兩層板之間，通過上極板接地，下極板施加驅動電壓可以實現液滴二維運動。這種結構上極板沒有驅動電極因而可以實現一定的芯片功能集成，例如上極板用透明的導電玻璃接地，可以透過上極板對液滴實現光學檢測等。但是這種功能集成是有限的，其原因是上極板仍然需要具有接地功能且與驅動液滴接觸，各種功能的集成必須以此為基礎，具有一定的局限性。而第二種類型的單面芯片結構完全可以不需要上極板，其原理是把驅動電極和地電極均集成在下極板上，這樣，液滴直接在下極板上運動，可以不用上極板，集成上比第一種結構有較高自由度，例如因為沒有上極板阻礙可以有效地對液滴進行光學檢測等。另外，上極板也可以集成各種功能后加在液滴上，如利用上極板做成加熱和傳感電極對液滴進行溫控從而實現集成PCR芯片等。這種單面結構芯片具有較好的應用前景，但是目前基于這種結構提出的芯片都是采用分立型的驅動電極，即每一個電極做成分立的單個形狀，充當驅動電極或地電極，這些結構的驅動電路復雜度隨著電極數增加而倍增，其驅動能力不如用上極板接地的單面結構，更重要的是，目前只能實現一維的驅動。

發明內容

本發明的目的在于提供一種不需上極板的單面的且能實現二維高效驅動的微流控芯片。

本發明提供的單面的能實現二維驅動的數字微流控芯片，是將地電極和驅動電極集成在同一電極層上；為了增加驅動能力、減少驅動控制信號，本發明還將驅動電極和地電極功能分開，即只對驅動電極施加驅動信號而不會使之接地，而接地電極只用作接地；為了實現有效二維驅動，本發明采用雙層條狀電極結構代替傳統分立電極。

具體而言，本發明提供的單面的能實現二維驅動的數字微流控芯片，其結構為：在基板上有兩個相互垂直布置的由若干條狀電極組成的驅動電極層，兩個驅動電極層之間有第一介電層隔開；下面分2種情形：

第一種，在上層驅動電極層上有第二介電層，在第二介電層上制作有一由若干條狀電極組成的接地電極層，在接地電極層上設有一疏水層；即本發明包括兩個條狀驅動電極層、兩個介電層、一個接地電極層、一個疏水層，液滴在電極層上面實現驅動。另外，所述接地電極層的條狀電極與兩個驅動電極層中某一驅動電極層中的條狀電極，在空間位置上一、一對應，比如是上下一、一對應。?

第二種，由若干條狀電極組成的接地電極層與上層的驅動電極層集成在同一平面上，即把接地電極層的各單個條狀電極依次布置在上層驅動電極層的各個單個條狀電極之間空隙中；在接地電極層與上層的驅動電極層集成的平面上為第二介電層；在第二介電層上為有一疏水層；當第二介電層為疏水材料時，所述的疏水層省去；即本發明只包含兩個條狀驅動電極層（包括一個條狀接地電極層）、兩層介電層，或者一層疏水層（當最上層介電層為疏水時，額外的疏水層可以省去），簡化了芯片實現的工藝步驟，而芯片的驅動方式不變。?

本發明中，為了保證有效接地，接地電極層的各個單個條狀接地電極的寬度最好小于驅動電極層的各個單個條狀電極的寬度。

本發明中，條狀電極的寬度設計與位置布置滿足如下條件：一定大小的液滴無論在芯片上任何位置、作何種運動，都能至少位于某一驅動電極層的相鄰兩個條狀電極和接地電極層的一個條狀電極上，從而使驅動信號能夠順利接地而無需額外的上極板接地，這是本發明關鍵點之一。實現這一要求，一般只要將驅動電極層中條狀電極的寬度與間距滿足：任何相鄰的2個條狀電極的中心距小于液滴的直徑即可。