[發(fā)明專利]一種基于大小液滴操控的數(shù)字微流芯片

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310074479.9
• 申請日: 2013-05-06
• 公開（公告）號: CN103170384A
• 公開（公告）日: 2013-06-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳建鋒;余玉華;周嘉
• 申請（專利權(quán)）人: 復(fù)旦大學(xué)
• 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(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于數(shù)字微流技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于介質(zhì)上電潤濕數(shù)字微流體技術(shù)的一種基于大小液滴操控的數(shù)字微流芯片。

背景技術(shù)

數(shù)字微流技術(shù)是指通過光、熱、電壓、表面聲波等多種驅(qū)動(dòng)方式對單個(gè)液滴進(jìn)行操控以完成微流體液滴取樣、混合、輸運(yùn)、檢測等功能的技術(shù)。而基于介質(zhì)上電潤濕的數(shù)字微流技術(shù)，是指在含有絕緣介質(zhì)的芯片上，通過施加電壓信號可以改變介質(zhì)上液滴的接觸角，使液滴發(fā)生不對稱形變，從而產(chǎn)生內(nèi)部力來達(dá)到液滴操控的一項(xiàng)技術(shù)。該技術(shù)由于具有實(shí)現(xiàn)簡單、操控方便、可控性好、驅(qū)動(dòng)能力高的許多優(yōu)點(diǎn)，正受到越來越多的關(guān)注，被認(rèn)為是微流領(lǐng)域最有發(fā)展前景的技術(shù)。

基于介質(zhì)電潤濕原理的數(shù)字微流芯片，其結(jié)構(gòu)主要由電極、介質(zhì)層、疏水層等重要部分組成。從結(jié)構(gòu)上，可以分為需要上極板的單面驅(qū)動(dòng)芯片、雙面驅(qū)動(dòng)芯片以及不需要上極板的單面驅(qū)動(dòng)芯片。

根據(jù)介質(zhì)電潤濕數(shù)字微流芯片驅(qū)動(dòng)原理，液滴的操控需要電極的電壓信號，因此，電極的尺寸決定著操控液滴的尺寸。傳統(tǒng)的數(shù)字微流芯片都是專用型的，即一旦電極尺寸設(shè)計(jì)好后，只能對基本固定大小的液滴進(jìn)行操控，若液滴大小偏離要求范圍，即出現(xiàn)液滴“失控”，而目前，在介質(zhì)電潤濕數(shù)字微流芯片領(lǐng)域，液滴的產(chǎn)生不能十分精準(zhǔn)，而且在液滴混合、分裂等操作后又會出現(xiàn)大小不一致的液滴，這樣給芯片的穩(wěn)定性帶來一定問題，因此最好是有一種數(shù)字微流芯片，能夠?qū)Υ笮〔煌囊旱味寄懿倏兀皇遣倏貑我怀叽绲囊旱危@樣可以解決目前芯片問題，而且大小液滴操控的數(shù)字微流芯片比傳統(tǒng)芯片會有更多的潛在應(yīng)用。

雖然有報(bào)道可以利用微細(xì)電極組合及微小條狀電極簇可以對不同大小液滴進(jìn)行操控，但是這些電極結(jié)構(gòu)首先是由于需要較多的微細(xì)電極，因而芯片需要較復(fù)雜的控制信號；更為重要的是，這些電極結(jié)構(gòu)的芯片都是非自動(dòng)控制的，即必須確定液滴的大小才能確定信號的控制方式進(jìn)而對液滴進(jìn)行操控，這樣違背了電潤濕數(shù)字微流技術(shù)操控方便、自動(dòng)化程度高的原則，也限制了其具體使用范圍。

因此，我們曾設(shè)計(jì)了基于數(shù)字微流芯片的通用電極結(jié)構(gòu)（專利申請?zhí)枺篊N201210190156.1），通過一定的電極形狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對大小不同液滴的簡便、自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)，具有非常顯著的優(yōu)勢。但是，該通用電極結(jié)構(gòu)只解決了大小不同液滴的通用驅(qū)動(dòng)問題，還未實(shí)現(xiàn)大小不同液滴的產(chǎn)生、分裂、特別是不同尺寸液滴的篩選，而這些都是數(shù)字微流芯片實(shí)際應(yīng)用中非常重要的功能。因此，需要設(shè)計(jì)一種基于通用電極結(jié)構(gòu)的數(shù)字微流芯片，實(shí)現(xiàn)大小不同液滴的各種操控以滿足數(shù)字微流芯片實(shí)際應(yīng)用要求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于提供一種基于大小液滴操控的數(shù)字微流芯片，能夠?qū)σ欢ǚ秶鷥?nèi)不同大小的液滴進(jìn)行簡單自動(dòng)化產(chǎn)生、分裂、合并、以及不同尺寸液滴篩選等操控。

本發(fā)明提供的基于大小液滴操控的數(shù)字微流芯片，以通用電極結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，配合條狀電極結(jié)構(gòu)，并集成電容檢測技術(shù)，構(gòu)成基于上下極板雙面驅(qū)動(dòng)的“三明治”結(jié)構(gòu)，其具體配置如下：在第一絕緣襯底上為第一驅(qū)動(dòng)電極層，在第一驅(qū)動(dòng)電極層上為第一介質(zhì)層，再其上為第一疏水層，上述結(jié)構(gòu)構(gòu)成芯片的下極板；構(gòu)成芯片的上極板的，從下往上依次為第二疏水層、第二介質(zhì)層、第二驅(qū)動(dòng)電極層和第二絕緣襯底；芯片上極板、下極板中間夾著驅(qū)動(dòng)液滴，共同構(gòu)成本發(fā)明的數(shù)字微流芯片；其中，第一驅(qū)動(dòng)電極層和第二驅(qū)動(dòng)電極層的位置可以互換。

本發(fā)明中，第一驅(qū)動(dòng)電極層與第二驅(qū)動(dòng)電極層都是基于條狀通用電極結(jié)構(gòu)，并結(jié)合普通的矩形條狀電極結(jié)構(gòu)。其中：

第一驅(qū)動(dòng)電極層（或第二驅(qū)動(dòng)電極層）分為兩部分，主要部分為叉指嵌套的條狀通用電極陣列，其余部分為在電極層邊緣的對應(yīng)尺寸的幾個(gè)條狀矩形電極；與此對應(yīng)的第二驅(qū)動(dòng)電極層（或第一驅(qū)動(dòng)電極層）是由特殊的條狀電極陣列排布而成，每一條狀電極主體為通用電極結(jié)構(gòu)，而電極一端則為普通的矩形電極結(jié)構(gòu)。

第一驅(qū)動(dòng)電極層和第二驅(qū)動(dòng)電極層以一定的方式互呈90度垂直排布，使數(shù)字微流芯片主體部分為垂直交叉的通用電極結(jié)構(gòu)以滿足大小不同液滴的驅(qū)動(dòng)，而邊緣部分為傳統(tǒng)的條狀交叉電極結(jié)構(gòu)，用來實(shí)現(xiàn)液滴產(chǎn)生、分裂等功能。

本發(fā)明利用電容檢測方法，通過對第一、第二電極層的驅(qū)動(dòng)電極間的電容進(jìn)行檢測,從而檢測液滴大小對液滴進(jìn)行篩選。即當(dāng)液滴處于某一通用驅(qū)動(dòng)單元上時(shí)，通過對通用電極結(jié)構(gòu)部分上、下極板對應(yīng)的電極進(jìn)行傳感即可檢測出液滴電容，從而可以確定其尺寸進(jìn)行液滴的篩選。