[發明專利]液滴驅動器件

在審

• 申請號: 202010470654.6
• 申請日: 2020-05-28
• 公開（公告）號: CN111992260A
• 公開（公告）日: 2020-11-27
• 發明（設計）人: 劉立濱;許諾;臧金良;張涵;李平
• 申請（專利權）人: 北京機械設備研究所
• 主分類號: B01L3/00
• 分類號: B01L3/00
• 代理公司: 北京云科知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11483
• 代理人: 張飆

本申請揭示了一種液滴驅動器件，包括m行×n列的陣列電極，對于任意相鄰的兩行電極，第一行的第一類預定位的電極均連接至第一行向引線上，第二行的第二類預定位的電極均連接至第二行向引線上；對于任意相鄰的兩列電極，第一列的第一類預定位的電極均連接至第一列向引線上，第二列的第二類預定位的電極均連接至第二列向引線上；每個電極僅連接至行向引線和列向引線中的一種；其中，第一類預定位為奇數位或偶數位中的一種，第二類預定位為奇數位或偶數位中的另一種。本申請通過設置陣列化電極，并使多個電極復用引線，能夠大幅度降低陣列化驅動電極的引線數量、系統復雜程度和工藝制作難度，進而降低成本、降低控制復雜度。

技術領域

本發明屬于微流體驅動技術領域，涉及一種液滴驅動器件。

背景技術

片上實驗室(Lab on a Chip,LOC)研究的終極目標，是將功能各異的多個單元或模塊，在微尺度上連接并存，并協同完成樣品制備、生物與化學反應、分離檢測等一系列復雜的生化分析工作。最終可以把生物和化學等領域中所涉及的所有功能模塊集成在一塊幾平方厘米的芯片上，直接應用于生物化學檢測、環境快速檢測等。但是，現有已經逐步開展應用的片上實驗室，其核心的關鍵功能實現——微流體驅動，主要以壓力驅動、熱驅動等方式進行，需要從外界提供動力，驅動的流體量相對較大，流道驅動組件多、功耗高，且驅動方式不具有不同器件間的通用性，無法發揮作為微流體基本操作單元“液滴”的有效功能。因此，形成一種有效、易于操作的微流體平臺級液滴操控方法，對后續片上實驗室的發展，具有至關重要的作用。

基于介質上的電潤濕效應(Electrowetting-On-Dielectric，EWOD)是在金屬電極與電解液之間加入一層絕緣層薄膜，當在液體和電極之間施加一定的電壓后，液固表面張力會發生可逆性的變化，這表現為液滴在固體表面接觸角θ的變化，如圖1(a)。當液滴接觸角θ發生對稱均勻變化時，液滴在宏觀上表現出從球形液滴鋪展為液膜的過程，如圖1(b)。而如果接觸角θ發生非對稱變化時，就出出現兩側液滴兩側接觸線處的表面張力出現梯度，進而使得液滴的發生遷移和運動，如圖1(c)，這也是在片上實驗室中進行液滴操控的理論基礎。

由原理可知，利用電潤濕效應，通過電極的電壓操作，可以在芯片上實現微小液滴的操控，具體的操控形成有遷移(如圖2(1)所示)、分割(如圖2(2)所示)、混合(如圖2(3)所示)和震蕩(如圖2(4)所示)等，圖2中的方塊為驅動電極。通過這些功能的組合，可以將各種生物、化學試驗流程遷移到芯片上，從而實現片上實驗室系統，圖3中示出了液滴在電極的驅動下進行路徑規劃和遷移。生物、化學試驗流程是較為復雜的過程，每一個過程都需要很多電極來實現，因此，片上實驗室芯片實現的關鍵技術之一就是形成數量龐大的驅動電極，并按照要求給出驅動信號，用于驅動液滴按照要求進行操作。

針對液滴驅動的大規模電極陣列的驅動方式主要有兩種：

第一種，如圖4所示，電極陣列中的每個電極獨立驅動控制，即每一個電極都由一個引線，并且獨立與一個電壓源進行連接，該方案的優點是陣列設計非常簡單，控制算法設計復雜度低，驅動效果最佳。然而，該方案最突出的問題就是：引線數量隨陣列規模呈指數增高，例如，對于m行、n列的電極陣列，需要的引線數量為m×n，當m＝n＝20時，引線數量為400，這對于大多數驅動系統來說是無法實現的，而且對于驅動接口的設計也是一個挑戰。