專利名稱：用于操縱流體實體的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于操縱流體實體(特別是流體小滴)的系統(tǒng)。
這種用于操縱流體小滴的系統(tǒng)可以從美國專利申請US2002/0079219中獲知。
用于操縱流體小滴的已知系統(tǒng)涉及一種微流體性芯片(micro-fluidic chip)，其具有通過一個或多個微通道進行流體連接的貯液器(reservoir)。提供了充當控制電極的集成電極。每個所述集成電極被定位在其中一個貯液器中，以便與包含在該貯液器中的材料或介質(zhì)電接觸。提供一個電壓控制器，所述集成電極連接到該電壓控制器。通過向各集成電極施加電壓，所述材料或介質(zhì)的樣品被動電地(electrokinetically)驅(qū)動通過所述微通道，以便執(zhí)行生化處理。
本發(fā)明的一個目的是提供一種用于操縱流體小滴的系統(tǒng)，其中改進了對流體小滴的操縱的控制和可靠性。
該目的是通過一種根據(jù)本發(fā)明的用于操縱流體小滴的系統(tǒng)而實現(xiàn)的，該系統(tǒng)包括幾個控制電極，其中向所述控制電極施加一個可調(diào)節(jié)電壓；一個具有固定電壓的反電極，其被提供在所述流體小滴和其中一個控制電極之間，并且覆蓋對應的控制電極的表面的一部分，特別地，該反電極的寬度與所述控制電極的寬度的比值在從10-5到0.9的范圍內(nèi)。
所述流體實體例如具有流體小滴的形式，其包括具有極性和/或?qū)щ姷牡谝涣黧w材料。該流體實體在其一側(cè)鄰近一個固體壁。該小滴的其余部分由至少第二流體包圍，該第二流體可以是液體、氣體或者蒸汽，其比起該流體實體的第一流體具有較低的極性和/或電導率。該小滴及其周圍的一種或多種流體應當是不能融合的，也就是說它們應當分離成不同的流體實體。所述反電極和控制電極被提供在該流體小滴的面對固體壁的一側(cè)。通常來說，這些電極是該固體壁的一部分。由于該流體小滴與處于固定電壓下的反電極電接觸，所以該流體小滴被精確地維持在相同的固定電壓下。例如，該反電極被保持在固定的地電位，以便將該流體小滴維持在地電位。當鄰近該流體小滴的實際位置的一個控制電極被激活時，該流體小滴在電濕潤效應的影響下從一個控制電極向另一個控制電極移動。由于該流體小滴被維持在反電極的固定電壓下，因此使得導致流體小滴移動的電濕潤激活更為有效。應當注意，驅(qū)動該流體小滴進行位移的電位差被更為精確地控制。因此避免了下面的情況該流體小滴不經(jīng)意地獲得任何其中一個控制電極的電位，從而使其與用于操縱流體小滴的系統(tǒng)的其它結(jié)構(gòu)發(fā)生無心的、相對較緊密的電接觸。
此外，由于所述反電極和控制電極位于流體小滴的相同側(cè)，所以該流體小滴在其遠離反電極和控制電極的一側(cè)可被自由使用。因此，該流體小滴可被采用為一種對象載體，并且可以在流體小滴的可自由使用的一側(cè)上放置一個有效載荷。在流體小滴的可自由使用的一側(cè)，可以從流體小滴上卸載該有效載荷。
在所述反電極和對應的控制電極之間提供電絕緣。因此，反電極和任何已激活的控制電極之間的電位差可以被精確地維持。此外，比起與反電極的電絕緣，該流體小滴與控制電極的電絕緣更強，從而使得流體小滴的電位非常接近反電極的電位，并且可以在流體小滴和任何控制電極之間維持一個顯著的電位差。當在控制電極上的電絕緣的厚度遠大于反電極上的電絕緣的厚度時，該流體小滴將近似地獲得反電極的電位。因此，在流體小滴和已激活的控制電極之間的電位差被精確地維持，以便精確地控制由這些電位差驅(qū)動的流體小滴的位移。
優(yōu)選地，所述電絕緣朝向流體小滴具有一個厭水表面，例如在該電絕緣上布置一個流體接觸涂層。該流體接觸涂層對于流體實體的前進或者后退運動具有低滯后性(low-hysteresis)。當采用一個厭水涂層作為流體接觸涂層時獲得了良好的結(jié)果。舉例來說，將該厭水涂層布置為厭水單層，比如氟硅酸鹽單層。這種厭水單層的電絕緣允許流體小滴的電位緊密地逼近反電極的電位。因此，流體小滴與所述電絕緣的厭水表面接觸，該厭水表面支持流體小滴從一個控制電極到另一個控制電極的不受限制的移動。術(shù)語“厭水”在這里表明與所述固體壁、流體小滴的第一流體以及包圍第一流體的第二流體(分別用S、F1和F2表示)相關(guān)的界面能γαβ滿足以下條件
γSF2-γSF1γF1F2≤1]]>應當注意，該流體小滴與該厭水表面成一個超過45度的內(nèi)部平衡接觸角；當該接觸角在從70度到110度的范圍內(nèi)時獲得了非常好的結(jié)果。
優(yōu)選地，所述反電極具有厭水表面，例如在反電極的背離控制電極的一側(cè)上布置厭水涂層。相應地，減小了反電極和流體小滴之間的粘性，或者換句話說，流體小滴和反電極之間的接觸角相對較大，例如在從70度到110度的范圍內(nèi)。當反電極具有厭水表面時，避免了流體小滴粘在反電極上的情況，從而使流體小滴的位移更容易。當采用具有厭水表面的反電極時，發(fā)現(xiàn)所述電絕緣不必具有厭水表面。
在所有情況下，重要的是液體小滴的前進接觸角與其后退接觸角之間的差允許一個足夠的電濕潤效應，以便在保持流體實體位置和令其位移二者之間進行切換。這個角度差(稱為接觸角滯后)可以放置流體小滴在電濕潤效應下移動，這是通過使得流體小滴在發(fā)生了第一次接觸之后更為粘著在表面上。在實踐中，當前進接觸角和后退接觸角之間的角度差(或者滯后)不超過20度時獲得了流體實體的控制良好的位移。
當所述控制電極被安排在二維圖案中時，分別在反電極和/或電絕緣上布置厭水表面或厭水涂層的措施是特別有利的，從而使流體小滴的基本不受限制的二維位移成為可能。
下面將參照在從屬權(quán)利要求中限定的實施例來進一步詳述本發(fā)明的這些和其它方面。
下面將參照下述實施例并且參考附圖來闡明本發(fā)明的這些和其它方面，其中

圖1示出了用于操縱流體小滴的系統(tǒng)的一個實施例的示意截面圖；圖2示出了圖1的用于操縱流體小滴的系統(tǒng)的該實施例的示意頂視圖；圖3示出了用于操縱流體小滴的系統(tǒng)的一個實施例的示意截面圖；以及圖4示出了用于操縱流體小滴的系統(tǒng)的一個替換實施例的示意截面圖。
圖1示出了用于操縱流體小滴的系統(tǒng)的一個實施例的示意截面圖。特別地，圖1示出了沿圖2和3中所示的平面A-A的截面，該平面橫穿基板40的表面。在基板40上布置有控制電極33、34。此外還示出了反電極31。在反電極31和控制電極33、34之間提供電絕緣體32，其被形成為一個電絕緣層，例如含氮聚對二甲苯(parylene-N)。在該電絕緣層之上、并且優(yōu)選地也在反電極之上布置一個厭水涂層41，例如無定形氟聚合物AF-1600，其由Dupont提供。作為一個替換方案，該電絕緣層由諸如AF-1600的厭水絕緣體形成。所述反電極可以涂敷有單層厭水材料，例如氟化硅。
一個電控制系統(tǒng)電連接到所述控制電極。該電控制系統(tǒng)包括一個電壓源36和一組開關(guān)35。所述開關(guān)以受控方式操作，以便連續(xù)激活鄰近的控制電極?？梢圆捎萌魏伍_關(guān)機制；非常適用的開關(guān)例如是薄膜晶體管或者光耦合器。在圖1中，示出了激活控制電極33的情形。當前位于控制電極34處的流體小滴37將在電濕潤效應的影響下移位到鄰近控制電極33，如虛線所示。在實踐中，發(fā)生位移的小滴38在其前進側(cè)(圖的右邊)的接觸角小于在其后退側(cè)(圖的左邊)的接觸角。這個電壓影響載送流體小滴和基板表面之間的相互作用。應當注意，流體小滴和基板40上層疊的各層的接觸角的余弦近似地隨著該層疊(stack)相對于流體的電位的模數(shù)的平方而減小。也就是說，當施加一個電壓時，在電極區(qū)域中使得該層疊實際上更為親水。這一現(xiàn)象常被稱為“電濕潤”，并且在H.J.J.Verheijen和M.W.J.Prins的文章“Reversible electrowetting and trapping of chargeModel andExperiments”(Langmuir 19(1999)6616-6620的)作了更詳細的討論。
圖2示出了圖1的用于操縱流體小滴的系統(tǒng)的該實施例的示意頂視圖。應當注意，圖2示出反電極31比控制電極33、34更窄。特別地，反電極的寬度與控制電極的寬度的比值可以在從10-5到0.9的范圍內(nèi)；特別在從10-3到0.2的較窄范圍內(nèi)得到了良好的結(jié)果。同樣重要的是，反電極典型地不寬于所謂的毛細管長度(capillary length)lc的一半，其中l(wèi)c=γLVρg,]]>γLV是液體的表面張力，ρ是流體密度，而g是重力加速度。
在該流體由一個包圍流體所包圍的情形中，該毛細管長度與重力加速度無關(guān)。這保證了由反電極的濕潤造成的流體小滴擾動受到良好的控制。所述控制電極具有彼此相向的鋸齒形邊界。由于反電極比控制電極窄得多，因此控制電極的電場實際上影響流體小滴與電極層疊的粘性。反電極31比起控制電極與流體小滴具有好得多的電接觸，從而使得流體小滴37的電位保持與反電極的電位相等。
圖3示出了用于操縱流體小滴的系統(tǒng)的一個實施例的示意截面圖。特別地，圖3示出了沿著平面B-B的截面，該平面橫穿基板40的表面。從圖3可以明顯看出，反電極31比控制電極33、34更窄，并且流體小滴在控制電極上延伸。在電絕緣層32上施加厭水涂層41。作為一個替換方案，該電絕緣層可以由厭水材料形成，以便將電絕緣層32和厭水層41形成為單個厭水電絕緣層。
圖4示出了用于操縱流體小滴的系統(tǒng)的一個替換實施例的示意截面圖。在圖4所示的實施例中，厭水涂層41既覆蓋電絕緣層32也覆蓋反電極31。在反電極上的厭水涂層41比起在電絕緣層32上的厭水涂層要薄得多。該厭水涂層的厚度可以從1至幾nm的單層一直到幾百nm(例如200-700nm)的涂層。在反電極31上的厭水涂層41的較小厚度獲得了流體小滴37和反電極的電容性耦合。當采用厭水涂層41時，該電絕緣層本身不必是厭水的，并且例如由含氮聚對二甲苯制成。此外，如果反電極較薄，則它可以被布置在層41之上，在此之后，由部分地用電極31覆蓋的絕緣體32構(gòu)成的整個表面完全用均勻厚度的厭水層覆蓋。這提供了易于構(gòu)造的優(yōu)點。反電極例如可以是10nm的薄金屬層，其通過利用遮板(shadow mask)進行蒸發(fā)而被施加。
權(quán)利要求
1.一種用于操縱特別是流體小滴的流體實體(37)的系統(tǒng)，包括幾個控制電極(33，34)，其中向所述控制電極施加一個可調(diào)節(jié)電壓；一個具有固定電壓的反電極(31)，其被提供在所述流體實體和其中一個控制電極之間，并且覆蓋對應的控制電極的表面的一部分，特別地，該反電極的寬度與所述控制電極的寬度的比值在從10-5到0.9的范圍內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的用于操縱流體實體的系統(tǒng)，其中在所述反電極和對應的控制電極之間提供電絕緣。
3.如權(quán)利要求1所述的用于操縱流體實體的系統(tǒng)，其中所述電絕緣具有面向所述流體實體的厭水表面，特別是被布置在該電絕緣上的流體接觸涂層。
4.如權(quán)利要求1所述的用于操縱流體實體的系統(tǒng)，其中所述反電極具有面向所述流體實體的厭水表面，特別是被布置在該反電極上的厭水涂層。
5.如權(quán)利要求1所述的用于操縱流體實體的系統(tǒng)，其中在所述反電極上的厭水涂層比所述電絕緣薄得多，特別地，在反電極上的厭水涂層的厚度相對于該電絕緣的厚度的比值是在從10-3到1的范圍內(nèi)，特別是小于10-1。
6.如權(quán)利要求1所述的用于操縱流體實體的系統(tǒng)，其中所述控制電極被安排在一個空間二維圖案中。
7.如權(quán)利要求1所述的用于操縱流體實體的系統(tǒng)，其中在所述反電極和所述小滴之間的該層的電阻小于在所述控制電極和所述小滴之間的該層的電阻。
8.如權(quán)利要求1所述的用于操縱流體實體的系統(tǒng)，其包括一個電控制系統(tǒng)，以便通過將一個電壓施加到各個控制電極來激活控制電極，以及通過將各個去激活的控制電極電連接到地電位來去激活控制電極。
9.如權(quán)利要求1所述的用于操縱流體實體的系統(tǒng)，其中所述流體實體被一種或多種流體所包圍，所述一種或多種流體彼此之間不能融合，并且也不能與所述流體實體的流體融合。
全文摘要
一種用于操縱特別是流體小滴的流體實體的系統(tǒng)包括幾個控制電極，其中向所述控制電極施加一個可調(diào)節(jié)電壓以基于電濕潤效應來控制所述小滴的位移。在所述流體實體和其中一個控制電極之間有處于固定電壓下的反電極。此外，由于所述反電極和控制電極位于流體小滴的相同側(cè)，所以該流體小滴在其遠離反電極和控制電極的一側(cè)可被自由使用。因此，該流體小滴可被采用為一種對象載體，并且可以在流體小滴的可自由使用的一側(cè)上放置一個有效載荷。
文檔編號B01L3/00GK1882778SQ200480033823
公開日2006年12月20日 申請日期2004年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月17日
發(fā)明者M·M·J·德克爾, T·P·C·杜里茨, S·凱帕 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司