專利名稱：一種單向液滴輸運(yùn)的數(shù)字微流芯片電極配置的制作方法
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)上電潤濕的數(shù)字微流技術(shù)的ー種單向液滴輸運(yùn)的芯片電極配置。
背景技術(shù)：
數(shù)字微流技術(shù)是指通過熱、電壓、表面聲波等多種驅(qū)動(dòng)方式對單個(gè)液滴進(jìn)行操控的技木。而基于介質(zhì)上電潤濕的數(shù)字微流技術(shù)，是指通過電壓信號改變介質(zhì)上液滴的接觸角從而達(dá)到液滴驅(qū)動(dòng)的ー項(xiàng)技木。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)展前景的技木?；诮橘|(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。從電極配置上，傳統(tǒng)的數(shù)字微流芯片主要由兩種方式ー是分立電極配置，該配置每個(gè)獨(dú)立電極作為ー個(gè)控制單元對液滴進(jìn)行單獨(dú)控制；ニ是條狀電極配置，該配置利用 條狀電極行列交叉作為控制單元對液滴進(jìn)行控制。第一種配置方式雖然操控靈活但是需要非常多的控制信號，不利于大規(guī)模集成及應(yīng)用。而第二種方式雖然從配置上大大減少了控制信號，但是當(dāng)對于大規(guī)模芯片，也需要較多的信號，而且這種配置方式在實(shí)際應(yīng)用中不夠靈活，不利于專用功能的集成。而且在傳統(tǒng)的數(shù)字微流芯片中，對液滴的控制運(yùn)動(dòng)都是雙向的，即可以使液滴往前或往后運(yùn)動(dòng)。而在實(shí)際應(yīng)用中，更多時(shí)候液滴的操控并不需要雙向，如對液滴的輸運(yùn)，一般只是讓液滴經(jīng)歷一定路徑到達(dá)目的地。這樣，液滴的雙向輸運(yùn)就顯得多余，反而會(huì)增加控制復(fù)雜度，因此需要一種單向的液滴輸運(yùn)方式以滿足實(shí)際應(yīng)用要求。另外，在傳統(tǒng)的電極配置方式中，液滴操控的自動(dòng)化及可靠性并不高。即對液滴的控制必須是首先知道液滴的位置，而且一旦液滴受到外部干擾而離開電極控制位置時(shí)，液滴將失去控制，芯片將會(huì)失效，這是數(shù)字微流芯片商品化的ー個(gè)很重要的障礙。雖然也有一些芯片可以集成液滴位置檢測功能，但卻大大增加了芯片的成本及復(fù)雜性。因此，需要ー種單向性的，控制簡単、靈活，自動(dòng)化及可靠性高的電潤濕數(shù)字微流芯片以滿足數(shù)字微流領(lǐng)域的應(yīng)用要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明g在提供一種基于電潤濕數(shù)字微流芯片的電極結(jié)構(gòu)配置，使用該電極配置，能夠?qū)崿F(xiàn)液滴的單向、快速、可靠輸運(yùn)。在傳統(tǒng)的基于電潤濕的數(shù)字微流芯片中，液滴的輸運(yùn)是這樣的即液滴在平衡靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，液滴會(huì)覆蓋三個(gè)驅(qū)動(dòng)電極，這三個(gè)電極分別由不同驅(qū)動(dòng)信號單獨(dú)控制；以中間電極為基準(zhǔn)，當(dāng)前(后)驅(qū)動(dòng)電極單獨(dú)施加電壓控制信號吋，液滴相應(yīng)會(huì)往前(后)運(yùn)動(dòng)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)液滴雙向輸運(yùn)，若前后驅(qū)動(dòng)電極同時(shí)施加電壓信號，液滴的運(yùn)動(dòng)將會(huì)不確定。因此一種實(shí)現(xiàn)單向可靠液滴輸運(yùn)的方法是讓液滴在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，只覆蓋兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電極，只對前進(jìn)電極加電使液滴向前輸運(yùn)。本發(fā)明正是基于這種方式實(shí)現(xiàn)液滴的單向輸運(yùn)。
本發(fā)明提供的單向液滴輸運(yùn)的數(shù)字微流芯片電極配置，其設(shè)計(jì)包括兩大部分一是分立的電極形狀；ニ是電極間的連接配置方式。電極形狀是不對稱的分立電極；該電極分為3個(gè)部分一是呈短棒狀且頂端為圓弧的電極頭部E41，該部分主要用來在開始時(shí)牽引鄰近電極液滴到該電極上，頂端為圓弧形其目的是增加液滴驅(qū)動(dòng)カ；ニ是帶有圓型缺ロ的電極中部E42，該部分是液滴開始接觸驅(qū)動(dòng)電極到液滴穩(wěn)定在驅(qū)動(dòng)電極的過度部分，圓形缺ロ的主要作用是增加液滴驅(qū)動(dòng)能力及單向性；三是方塊圓弧狀且尾部有缺ロ的電極尾部E43，該部分主是液滴在驅(qū)動(dòng)電極上的穩(wěn)定部分，尾部缺ロ是為了和鄰近電極的頭部嵌套。整體的電極結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)滿足如下條件對于一定大小的液滴，無論其處于電極上任何位置，只要能有效覆蓋電極某一部分，對電極施加驅(qū)動(dòng)信號，它都能最終到達(dá)電極尾部的穩(wěn)定部分，這是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。
電極間的連接配置方式將第一部分的不對稱電極首尾相靠、相互嵌套，并將間隔電極相連，得到2組驅(qū)動(dòng)電極，記為電極組A，電極組B ;這樣對于液滴的一條單向驅(qū)動(dòng)路線，無論包含有多少驅(qū)動(dòng)電極，只需要兩個(gè)外加驅(qū)動(dòng)信號即可以實(shí)現(xiàn)液滴單向輸運(yùn)。
應(yīng)當(dāng)指出，本發(fā)明提供的電極形狀的一些邊界部分是圓弧結(jié)構(gòu)，其目的是優(yōu)化液滴驅(qū)動(dòng)，但本發(fā)明電極的具體邊界形狀并不局限于圓弧形，也可以為矩形或鋸齒形等形狀。本發(fā)明提供的電極整體尺寸并不限定，電極的各部分尺寸比例也并沒有嚴(yán)格界定，具體可以根據(jù)液滴尺寸及所需功能來優(yōu)化。本發(fā)明中，電極的相互嵌套是指相鄰電極存在部分的幾何圖形重疊，其重疊部分大小并不限定，但其間有間隙，相鄰電極并不電氣相連。本發(fā)明中，具體電極數(shù)目并不限定，本發(fā)明只以4個(gè)為例，其數(shù)目可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用而改變，但必須滿足間隔電極相連以使全部電極只需兩個(gè)驅(qū)動(dòng)信號即可控制。本發(fā)明中，電極的排布方式并不局限于直線形式，電極也可以曲線排布以實(shí)現(xiàn)曲線單向液滴輸運(yùn)。本發(fā)明的最大創(chuàng)新之處在于使用特定不對稱的電極形狀實(shí)現(xiàn)液滴單向、高速、自動(dòng)、可靠驅(qū)動(dòng)，而且相間電極電氣相鄰可以實(shí)現(xiàn)最小驅(qū)動(dòng)信號的使用，極大簡化了控制系統(tǒng)。本發(fā)明提供的電極配置具有如下顯著優(yōu)勢
I.能實(shí)現(xiàn)液滴的單向快速輸運(yùn)，有利于數(shù)字微流芯片的專用功能實(shí)現(xiàn)。2.電極連接方式配置使得無論電極數(shù)目為多少，都只需要兩個(gè)驅(qū)動(dòng)信號。3.得能實(shí)現(xiàn)液滴的自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)，即只需在兩組驅(qū)動(dòng)電極輪流施加驅(qū)動(dòng)信號，液滴即能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)單向驅(qū)動(dòng)，無需事先知道液滴位置。4.能實(shí)現(xiàn)液滴可靠驅(qū)動(dòng)，即使液滴偏離驅(qū)動(dòng)電極也能最終回到驅(qū)動(dòng)電極并實(shí)現(xiàn)單向驅(qū)動(dòng)。5.電極的整體尺寸可以比液滴尺寸大，因此在實(shí)際應(yīng)用中可以減少電極數(shù)目。6.不僅能進(jìn)行直線單向驅(qū)動(dòng)，通過合理的配置還可以進(jìn)行曲線單向驅(qū)動(dòng)。


圖I是根據(jù)本發(fā)明的一種單向液滴輸運(yùn)的數(shù)字微流芯片電極配置示意圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明電極配置的ー種數(shù)字微流芯片結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供的單向液滴輸運(yùn)的數(shù)字微流芯片電極配置可以有多種具體的芯片實(shí)現(xiàn)方式，本實(shí)施方式只列舉ー種常見的芯片結(jié)構(gòu)以說明其實(shí)施原理。應(yīng)當(dāng)指出，本實(shí)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發(fā)明的范圍?；诒景l(fā)明的一種單向液滴輸運(yùn)的數(shù)字微流芯片電極配置如圖I所示，E1-E4為本發(fā)明的不對稱驅(qū)動(dòng)電扱，它們以首尾相靠，相互嵌套的形式排布，并且相間電極電氣相連以使最終得到驅(qū)動(dòng)電極組A、電極組B。D為置于電極上的液滴，其大小應(yīng)滿足當(dāng)液滴處于電極穩(wěn)定位置時(shí)，如液滴D1，其能有效接觸到鄰近電極頭部以實(shí)現(xiàn)液滴向前驅(qū)動(dòng)。當(dāng)液滴處于電極穩(wěn)定位置吋，如D1，若本電極撤銷驅(qū)動(dòng)信號而鄰近電極施加驅(qū)動(dòng)信號，即電極組A不施加電壓信號而電極組B施加電壓信號時(shí)，液滴Dl由于接觸到電極E2而向左運(yùn)動(dòng)。當(dāng)液滴處于電極中部位置時(shí)，如D2，由于本電極的設(shè)計(jì)使得液滴前后與電極接觸線長度不一致從而使液滴能繼續(xù)向前驅(qū)動(dòng)，最終液滴會(huì)達(dá)到E2電極的穩(wěn)定位置。其后改換成電極組A施加電壓信號而電極組B不施加電壓信號，液滴會(huì)繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)到達(dá)El電極，如此在電極組A、電極組B間輪流施加信號可以實(shí)現(xiàn)液滴單向驅(qū)動(dòng)。 圖2為基于本發(fā)明電極配置的ー種數(shù)字微流芯片結(jié)構(gòu)示意圖。在襯底11上為本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)電極E1-E4，應(yīng)當(dāng)說明，示意圖的驅(qū)動(dòng)電極的間隙只是說明電極是電氣隔離的，并不詳細(xì)代表芯片結(jié)構(gòu)；另外，用作基板的材料并不固定，只要絕緣即可，如可以為石英、玻璃、絕緣的硅片等；而電極(包括下面所述的接地電極)可以由任何導(dǎo)電材料組成，其電極大小和間隔及具體電極的個(gè)數(shù)并不限定，本說明書僅以一定數(shù)目及規(guī)格的電極為例。電極E1-E4上為介質(zhì)層12，其上為疏水層13。應(yīng)當(dāng)指出，介質(zhì)層應(yīng)為絕緣介質(zhì)材料但并不限定，優(yōu)選為介電常數(shù)較高、抗擊穿能力較強(qiáng)的材料。襯底11、驅(qū)動(dòng)電極E1-E4、介質(zhì)層12、疏水層13共同構(gòu)成了芯片的下極板I。在下極板上為驅(qū)動(dòng)液滴D，其上為上極板2。上極板2由襯底21、接地電極22及疏水層23構(gòu)成。當(dāng)在下極板驅(qū)動(dòng)電極E1-E4按要求施加電壓信號，而上極板接地電極接地時(shí)，夾在上下基本間的液滴就會(huì)受到驅(qū)動(dòng)力作用而運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)單向輸運(yùn)。
權(quán)利要求
1.一種單向液滴輸運(yùn)的數(shù)字微流芯片電極配置，其特征在于包括兩大部分一是電極形狀設(shè)計(jì)，二是電極間連接配置方式設(shè)計(jì)；其中 電極形狀是不對稱的分立電極，每個(gè)電極分為3個(gè)部分一是呈短棒狀且頂端為圓弧的電極頭部(E41)，該部分用來在開始時(shí)牽引鄰近電極液滴到該電極上，頂端為圓弧形，以增加液滴驅(qū)動(dòng)力；二是帶有圓型缺口的電極中部(E42 )，該部分是液滴開始接觸驅(qū)動(dòng)電極到液滴穩(wěn)定在驅(qū)動(dòng)電極的過度部分，圓形缺口的作用是增加液滴驅(qū)動(dòng)能力及單向性；三是方塊圓弧狀且尾部有缺口的電極尾部(E43)，該部分是液滴在驅(qū)動(dòng)電極上的穩(wěn)定部分，尾部缺口是便于和相鄰電極的頭部嵌套；整體的電極結(jié)構(gòu)滿足如下條件對于一定大小的液滴，無論其處于電極上任何位置，只要能有效覆蓋電極某一部分，對電極施加驅(qū)動(dòng)信號，它都能最終到達(dá)電極尾部的穩(wěn)定部分； 電極間連接配置方式將所述不對稱的分立電極首尾相靠、相互嵌套，將相互間隔的電極相連，得到2組驅(qū)動(dòng)電極，記為電極組A和電極組B ;這樣對于液滴的一條單向驅(qū)動(dòng)路線，無論包含有多少驅(qū)動(dòng)電極，只需要兩個(gè)外加驅(qū)動(dòng)信號即可以實(shí)現(xiàn)液滴單向輸運(yùn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述電極配置，其特征在于電極的尾部尺寸大于頭部尺寸。
3.如權(quán)利要求I所述電極配置在單極板驅(qū)動(dòng)、雙極板驅(qū)動(dòng)的數(shù)字微流芯片中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明屬于數(shù)字微流控技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種單向液滴輸運(yùn)的數(shù)字微流芯片電極配置。該配置包括獨(dú)特的電極形狀及精簡的電極連接方式配置。通過不對稱形狀的電極首尾相靠、相互嵌套實(shí)現(xiàn)液滴的單向驅(qū)動(dòng)，通過使相間電極相互連接使得只需兩個(gè)驅(qū)動(dòng)信號即可控制整個(gè)單向芯片。本發(fā)明具有設(shè)計(jì)新穎，驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)、控制簡單、可靠性好、專用性強(qiáng)及自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，極大地?cái)U(kuò)展了介質(zhì)電潤濕數(shù)字微流芯片的實(shí)用功能及應(yīng)用范圍。
文檔編號B01L3/00GK102824933SQ20121035044
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月20日
發(fā)明者李嘉, 陳建鋒, 周嘉 申請人:復(fù)旦大學(xué)