一種數(shù)字式微流控芯片及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種數(shù)字式微流控芯片及其控制方法。本發(fā)明的數(shù)字式微流控芯片包括基片、電極、電極引線、涂層、蓋片、端口、進(jìn)液池（或進(jìn)液接口）、出液池（或出液接口）。電極固定于基片內(nèi)部或朝向蓋片一側(cè)的表面，其形狀為矩形、圓形、三角形、六邊形以及其它多邊形中的一種或多種；電極引線與對(duì)應(yīng)的電極、端口分別電氣連接；基片、固定于基片表面的電極、蓋片與液體接觸的一側(cè)分別有若干層涂層，基片與蓋片在保證一定間距的前提下平行固定；蓋片與液體接觸的一側(cè)具有導(dǎo)電特性；控制方法為：通過端口將電信號(hào)分別施加在微流控芯片的若干電極上，實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片內(nèi)液滴的控制。
【專利說明】一種數(shù)字式微流控芯片及其控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種數(shù)字式微流控芯片及其控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)今國民經(jīng)濟(jì)中，藥品研發(fā)、醫(yī)學(xué)檢測(cè)、食品開發(fā)、生物催化、化工實(shí)驗(yàn)等過程復(fù)雜而漫長，涉及的學(xué)科門類眾多，而實(shí)際的研發(fā)、生產(chǎn)以及實(shí)驗(yàn)過程中，仍然采用傳統(tǒng)方法，包括使用取液器、取液槍、試劑盒等工具，多采用人工或半人工的方式進(jìn)行，自動(dòng)化程度不高，效率低下，并且整個(gè)過程樣品、原料使用量偏高，浪費(fèi)嚴(yán)重，使得相關(guān)的材料、人力、管理等成本居高不下。隨著科技的進(jìn)步以及時(shí)代的發(fā)展，很多復(fù)雜的檢測(cè)、實(shí)驗(yàn)都可以在幾平方厘米甚至更小的芯片上實(shí)現(xiàn)，這就是微流控系統(tǒng)，又稱芯片實(shí)驗(yàn)室，是一種以在微小尺度空間對(duì)流體進(jìn)行操控為主要特征的一種前沿科學(xué)技術(shù)，它被稱為“改變世界”的七種技術(shù)之一。
[0003]微流控芯片是實(shí)現(xiàn)微流控技術(shù)的物質(zhì)載體，具有將生物、化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的基本功能微縮到一個(gè)幾平方厘米甚至更小尺寸的芯片上的能力，使得藥品研發(fā)、醫(yī)學(xué)檢測(cè)、生物及化學(xué)實(shí)驗(yàn)的成本大幅降低，效率顯著提高，并兼具智能性、便捷性。
[0004]當(dāng)前微流控系統(tǒng)主要以模擬控制為主，表現(xiàn)為在封閉的微通道或微管路內(nèi)，通過微泵和微閥改變液流的流速、壓力等參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)液體的定向移動(dòng)。這種微流控技術(shù)當(dāng)前得到了一些應(yīng)用，其實(shí)質(zhì)是一種在微小的空間里對(duì)模擬量的控制，整個(gè)液流空間實(shí)現(xiàn)密閉并不容易，尤其在驅(qū)動(dòng)液體流動(dòng)時(shí)，微泵加壓時(shí)極易引起液體泄漏，并具有控制精度低、試劑消耗量大、研制成本高、重復(fù)利用性差等很多缺點(diǎn)。
[0005]在科技高速發(fā)展的過程中，微流控領(lǐng)域也出現(xiàn)一些新的技術(shù)，主要采用高壓電力驅(qū)動(dòng)下的電泳、電滲原理，相比之前的技術(shù)方案，對(duì)微通道內(nèi)液流的控制精度有了顯著的提高，但高電壓對(duì)很多試劑、樣本都有不同程度的破壞作用，即使純凈的蒸餾水，也會(huì)產(chǎn)生分解作用產(chǎn)生氣體，影響實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。除此之外，過大的功耗、液體發(fā)熱、適用試劑類型較少等也是這項(xiàng)技術(shù)沒有被廣泛推廣應(yīng)用的重要原因。
[0006]本發(fā)明以數(shù)字控制(又稱邏輯控制)為主要特征，舍棄了以往微流控系統(tǒng)中大量使用的微通道、微泵和微閥，在液滴運(yùn)動(dòng)載體表層貼覆極小的電極陣列，每個(gè)電極可通過引線接入電信號(hào)，利用液體的電濕潤原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)或多個(gè)液滴的位置、運(yùn)動(dòng)的控制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的數(shù)字式微流控芯片包括基片、電極、電極引線、涂層、蓋片、端口，還包括進(jìn)液池與進(jìn)液接口中的一種或多種，以及出液池與出液接口中的一種或多種。
[0008]其中，進(jìn)液池、進(jìn)液接口、出液池以及出液接口等可選擇的位置包括但不限于:基片上、蓋片上、基片與蓋片之間，進(jìn)液池或進(jìn)液接口、出液池或出液接口以通孔的方式實(shí)現(xiàn)液滴或液流在芯片內(nèi)外部之間移動(dòng)。
[0009]本發(fā)明的數(shù)字式微流控芯片中，進(jìn)液池包含樣品池類型，進(jìn)液接口包含樣品液接口類型；出液池中包括成品池、廢液池類型，出液接口中包括成品液接口、廢液接口類型。
[0010]若干路液體經(jīng)由進(jìn)液池或進(jìn)液接口進(jìn)入芯片，在芯片中進(jìn)行一定時(shí)間的反應(yīng)與操作之后，經(jīng)由出液池或出液接口流出芯片。
[0011]本發(fā)明的數(shù)字式微流控芯片的電極固定于基片內(nèi)部或朝向蓋片一側(cè)的表面，不同電極之間絕緣，電極弓丨線與對(duì)應(yīng)的電極、端口分別電氣連接，連接不同電極的電極弓I線之間絕緣。
[0012]本發(fā)明中針對(duì)每一個(gè)電極與對(duì)應(yīng)端口的引線可以有一根，也可以有多根，其中，單個(gè)電極與對(duì)應(yīng)端口的引線為多根的情況，針對(duì)當(dāng)前實(shí)際應(yīng)用中生產(chǎn)制造工藝有缺陷或誤差，以及使用中導(dǎo)線容易斷裂的現(xiàn)象，可大大增強(qiáng)芯片的可靠性，并在系統(tǒng)布線與接線方面更具便捷性。
[0013]本發(fā)明的數(shù)字式微流控芯片包括若干涂層，涂層功能包括但不限于:絕緣、潤滑、疏水、疏油，涂層的位置包括:基片朝向蓋片的一側(cè)以及位于其表面的電極上、蓋片朝向基片的一側(cè)，另外，蓋片朝向基片的一側(cè)包括一層導(dǎo)電層，該層位于蓋片與涂層之間，與液體絕緣，但導(dǎo)電層自身上任何兩點(diǎn)都是電氣導(dǎo)通的。
[0014]本發(fā)明的數(shù)字式微流控芯片在實(shí)際應(yīng)用中，可以選擇如下結(jié)構(gòu)形式中的一種:
1.蓋片與固定有電極的基片在保證一定距離的前提下平行固定，二者邊緣位置通過填充物密封銜接，使液滴或液流只能通過進(jìn)液池(或進(jìn)液接口)以及出液池(或出液接口)在芯片內(nèi)外部之間移動(dòng)。
[0015]2.蓋片與固定有電極的基片在保證一定距離的前提下平行固定，二者沒有通過填充物密封或部分區(qū)域通過填充物密封銜接，使液滴或液流除通過進(jìn)液池(或進(jìn)液接口)、出液池(或出液接口)外，還可從其他位置在芯片內(nèi)外部之間移動(dòng)。
[0016]本發(fā)明的數(shù)字式微流控芯片的電極形狀可以選擇下述形狀中的一種或多種:
1.矩形。
[0017]2.在矩形輪廓基礎(chǔ)上的改形:包括把矩形的若干條邊改為折線、曲線或其它不規(guī)則線；在矩形輪廓基礎(chǔ)上的改形也包括在邊緣增加若干凸齒或缺口，該凸齒及缺口的形狀包括但不限于矩形、梯形、三角形、圓形、扇形、其它多邊形以及不規(guī)則形狀。
[0018]3.圓形。
[0019]4.扇形。
[0020]4.三角形。
[0021]5.除矩形外的其它四邊形。
[0022]6.五邊形。
[0023]7.六邊形。
[0024]8.其它多邊形。
[0025]9.不規(guī)則形狀。
[0026]10.下述若干種形狀的組合或拼接:圓形、扇形、三角形、四邊形、五邊形、六邊形、其它多邊形以及不規(guī)則形狀。
[0027]11.在如下若干種形狀的輪廓基礎(chǔ)上的改形:矩形、圓形、扇形、三角形、四邊形、五邊形、六邊形、其它多邊形以及不規(guī)則形狀，改形方式包括但不限于:把若干條邊改為直線、折線、曲線或其它不規(guī)則線，以及在邊緣增加若干凸齒或缺口，該凸齒及缺口的形狀包括但不限于矩形、梯形、三角形、圓形、扇形、其它多邊形以及不規(guī)則形狀。
[0028]本發(fā)明的數(shù)字式微流控芯片中，基片與蓋片可選擇的材質(zhì)類型包括但不限于:陶瓷、玻璃、石英、單晶硅、多晶硅、亞克力、CMOS工藝的集成電路、印刷電路板、高分子聚合物，其中玻璃類型中尤其包含ΙΤ0玻璃，高分子聚合物的類型包括但不限于:聚二甲基硅氧烷(PDMS)、環(huán)氧樹脂、聚氨酯、聚甲基烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚乙烯、水凝膠、丙烯酸、橡膠、氟塑料。
[0029]本發(fā)明的數(shù)字式微流控芯片設(shè)計(jì)方案中，具有多布線層的印刷電路板作為微流控芯片的基片或蓋片，非常適合電極數(shù)量較多應(yīng)用情形:在這種情況，內(nèi)側(cè)電極的引線不在基片或蓋片的表層設(shè)計(jì)，防止了液體在電極之間移動(dòng)時(shí)位于表層電極之間帶電引線的干擾。
[0030]本發(fā)明的數(shù)字式微流控芯片控制方法為:通過端口將特定參數(shù)的電信號(hào)分別施加在若干電極上，實(shí)現(xiàn)對(duì)微流控芯片內(nèi)液滴的控制，該控制的目的包括但不限于:
1.移動(dòng)。
[0031]2.合并。
[0032]3.拆分。
[0033]4.震蕩。
[0034]5.加熱。
[0035]6.催化。
[0036]本發(fā)明的數(shù)字式微流控芯片控制方法中，在電極上施加的電信號(hào)的類型包括但不限于如下所述中的一種或多種:
1.直流信號(hào)。
[0037]2.方波。
[0038]3.正弦波。
[0039]4.三角波。
[0040]5.梯形波。
[0041]6.不規(guī)則波。
[0042]本發(fā)明的數(shù)字式微流控芯片控制方法中，施加的電信號(hào)的類型也包括上述6種類型中若干種信號(hào)的疊加以及函數(shù)運(yùn)算的結(jié)果。
[0043]本發(fā)明的數(shù)字式微流控芯片控制方法中，施加的非直流周期型電信號(hào)的頻率范圍為:50赫茲?1千兆赫茲。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0044]圖1為本發(fā)明實(shí)施例一的數(shù)字式微流控芯片分層結(jié)構(gòu)示意圖。
[0045]圖2為本發(fā)明實(shí)施例一的數(shù)字式微流控芯片整體結(jié)構(gòu)頂視圖。
[0046]圖3為本發(fā)明實(shí)施例二的具有三角形電極的數(shù)字式微流控芯片基片示意圖。
[0047]圖4為本發(fā)明實(shí)施例三的具有六邊形電極的數(shù)字式微流控芯片基片示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0048]以下每個(gè)實(shí)施例都屬于本發(fā)明具體形式中的一種，給出的目的是更詳細(xì)的描述本發(fā)明，而不是限制本發(fā)明的范圍，也不是限定本發(fā)明的應(yīng)用形式。
[0049]實(shí)施例一本實(shí)施例如圖1?圖2所示。
[0050]本實(shí)施例一的數(shù)字式微流控芯片分層結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，芯片具體包括:
1.標(biāo)號(hào)I所示的微流控芯片的基片；
2.標(biāo)號(hào)2所示的微流控芯片的電極；
3.標(biāo)號(hào)3所示的微流控芯片的基片上頂層電極引線(該引線與電極位于基片的同一側(cè))；
4.標(biāo)號(hào)4所示的微流控芯片的基片上底層電極引線(該引線與電極分別位于基片的兩側(cè))；
5.標(biāo)號(hào)5所示的微流控芯片的絕緣作用的基片涂層；
6.標(biāo)號(hào)6所示的微流控芯片的潤滑作用的基片涂層；
7.標(biāo)號(hào)7所示的微流控芯片的端口；
8.標(biāo)號(hào)8所示的微流控芯片的密閉填充物；
9.標(biāo)號(hào)9所示的微流控芯片的蓋片涂層；
10.標(biāo)號(hào)10所示的微流控芯片的蓋片；
11.標(biāo)號(hào)11所示的微流控芯片的進(jìn)液池；
12.標(biāo)號(hào)12所示的微流控芯片的成品池；
13.標(biāo)號(hào)13所示的微流控芯片的廢液池。
[0051]本實(shí)施例一的數(shù)字式微流控芯片整體結(jié)構(gòu)頂視圖如圖2所示，芯片具體包括:
1.標(biāo)號(hào)I所示的微流控芯片的基片；
2.標(biāo)號(hào)2所示的微流控芯片的電極；
3.標(biāo)號(hào)3所示的微流控芯片的基片上頂層電極引線(該引線與電極位于基片的同一側(cè))；
4.標(biāo)號(hào)4所示的微流控芯片的基片上底層電極引線(該引線與電極不再基片的同一側(cè))；
5.標(biāo)號(hào)7所示的微流控芯片的端口；
6.標(biāo)號(hào)8所示的微流控芯片的密閉填充物；
7.標(biāo)號(hào)10所示的微流控芯片的蓋片；
8.標(biāo)號(hào)11所示的微流控芯片的進(jìn)液池；
9.標(biāo)號(hào)12所示的微流控芯片的成品池；
10.標(biāo)號(hào)13所示的微流控芯片的廢液池。
[0052]本實(shí)施例一的數(shù)字式微流控芯片控制方法為:通過端口將特定參數(shù)的電信號(hào)分別施加在若干電極上，實(shí)現(xiàn)對(duì)微流控芯片內(nèi)液滴的控制，該控制可以對(duì)液滴實(shí)現(xiàn)的操作包括:
1.移動(dòng)；
2.合并；
3.拆分；
4.震蕩；
5.靜置反應(yīng)并實(shí)時(shí)觀察。
[0053]本發(fā)明的數(shù)字式微流控芯片控制方法中，在電極上施加的電信號(hào)為電壓為24V、頻率為200Hz的方波。
[0054]實(shí)施例二
本發(fā)明實(shí)施例二的具有三角形電極的數(shù)字式微流控芯片基片示意圖如圖3所示，具體包括:
1.標(biāo)號(hào)I所示的微流控芯片的基片；
2.標(biāo)號(hào)2所示的微流控芯片的電極；
3.標(biāo)號(hào)3所示的微流控芯片的基片上頂層電極引線(該引線與電極位于基片的同一側(cè));
4.標(biāo)號(hào)4所示的微流控芯片的基片上底層電極引線(該引線與電極不再基片的同一側(cè))；
5.標(biāo)號(hào)7所示的微流控芯片的端口；
本發(fā)明實(shí)施例二的電極為三角形，這種形狀的電極對(duì)于液滴的聚合、拆分、變形等操作更具有優(yōu)勢(shì)，本發(fā)明實(shí)施例二的其它組成部分以及控制方法與本發(fā)明的實(shí)施例一相似。
[0055]實(shí)施例三
本發(fā)明實(shí)施例三的具有六邊形電極的數(shù)字式微流控芯片基片示意圖如圖4所示，具體包括:
1.標(biāo)號(hào)I所示的微流控芯片的基片；
2.標(biāo)號(hào)2所示的微流控芯片的電極；
3.標(biāo)號(hào)4所示的微流控芯片的基片上底層電極引線；
4.標(biāo)號(hào)7所示的微流控芯片的端口；
本發(fā)明實(shí)施例三的電極為六邊形，這種形狀的電極對(duì)于液滴的斜向多方向運(yùn)動(dòng)、聚合、拆分等操作更具有優(yōu)勢(shì)，尤其適合液滴需要斜向運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合；另外，該實(shí)施例中的所有引線不在基片的頂層，這樣的布線設(shè)計(jì)可以避免液滴在微流控芯片的基片頂層移動(dòng)時(shí)受到引線上電信號(hào)的影響，使控制更加可靠。本發(fā)明實(shí)施例三的其它組成部分以及控制方法與本發(fā)明的實(shí)施例一相似。
[0056]本發(fā)明包含業(yè)內(nèi)具有革命性特征與功能的產(chǎn)品，具有較高的推廣價(jià)值。
【權(quán)利要求】
1.一種數(shù)字式微流控芯片，其特征在于包括基片、電極、電極引線、涂層、蓋片、端口、進(jìn)液池(或進(jìn)液接口)、出液池(或出液接口)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字式微流控芯片，其特征在于電極固定于基片內(nèi)部或朝向蓋片一側(cè)的表面，不同電極之間絕緣，電極引線與對(duì)應(yīng)的電極、端口分別電氣連接，連接不同電極的電極引線之間絕緣，針對(duì)每一個(gè)電極與對(duì)應(yīng)端口的引線可以有一根，也可以有多根，單個(gè)電極與對(duì)應(yīng)端口的引線為多根的情況，可增強(qiáng)芯片的可靠性，并在接線方面具有便捷性。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的數(shù)字式微流控芯片，其特征在于包括若干涂層，涂層功能包括但不限于:絕緣、潤滑、疏水、疏油，涂層的位置包括:基片朝向蓋片的一側(cè)以及位于其表面的電極上、蓋片朝向基片的一側(cè)，另外，蓋片朝向基片的一側(cè)包括一層導(dǎo)電層，該層位于蓋片與其它涂層之間，并與液體絕緣，但導(dǎo)電層自身上任何兩點(diǎn)都是電氣導(dǎo)通的。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的數(shù)字式微流控芯片，其特征在于進(jìn)液池(或進(jìn)液接口)、出液池(或出液接口)可選擇的位置包括但不限于:基片上、蓋片上、基片與蓋片之間，進(jìn)液池(或進(jìn)液接口)、出液池(或出液接口)以通孔的方式實(shí)現(xiàn)液滴或液流在芯片內(nèi)外部之間移動(dòng)，其中進(jìn)液池包含樣品池類型，進(jìn)液接口包含樣品液接口類型；出液池中包括成品池、廢液池類型，出液接口中包括成品液接口、廢液接口類型。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的數(shù)字式微流控芯片，其特征在于基片與蓋片可選擇的材質(zhì)類型包括但不限于:陶瓷、玻璃、石英、單晶硅、多晶硅、亞克力、CMOS工藝的集成電路、印刷電路板、高分子聚合物，其中玻璃類型中尤其包含ITO玻璃，高分子聚合物的類型包括但不限于:聚二甲基硅氧烷(PDMS)、環(huán)氧樹脂、聚氨酯、聚甲基烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚乙烯、水凝膠、丙烯酸、橡膠、氟塑料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的數(shù)字式微流控芯片，其特征在于本發(fā)明的數(shù)字式微流控芯片控制方法為:通過端口將特定參數(shù)的電信號(hào)分別施加在若干電極上，實(shí)現(xiàn)對(duì)微流控芯片內(nèi)液滴或液流的控制，該控制的目的包括但不限于:移動(dòng)、合并、拆分、震蕩、加熱、催化，施加的電信號(hào)的類型包括但不限于如下所述中的一種或多種:直流信號(hào)、方波、正弦波、三角波、梯形波、不規(guī)則波，施加的電信號(hào)的類型也包括前述類型中若干種信號(hào)的變形、疊加以及函數(shù)運(yùn)算的結(jié)果，其中，施加的非直流周期型電信號(hào)的頻率范圍為:50Hz?1GHz。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的數(shù)字式微流控芯片，其特征在于蓋片與固定有電極的基片在保證一定距離的前提下平行固定，二者邊緣位置通過填充物密封銜接，使液滴或液流只能通過進(jìn)液池(或進(jìn)液接口)以及出液池(或出液接口)在芯片內(nèi)外部之間移動(dòng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的數(shù)字式微流控芯片，其特征在于蓋片與固定有電極的基片在保證一定距離的前提下平行固定，二者沒有通過填充物密封或通過填充物局部密封，使液滴或液流除通過進(jìn)液池(或進(jìn)液接口)、出液池(或出液接口)外，還可從其他位置在芯片內(nèi)外部之間移動(dòng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至權(quán)利要求8所述的數(shù)字式微流控芯片，其特征在于電極的形狀為矩形以及在矩形輪廓基礎(chǔ)上的改形:包括把矩形的若干條邊改為折線、曲線或其它不規(guī)則線；在矩形輪廓基礎(chǔ)上的改形也包括在邊緣增加若干凸齒或缺口，該凸齒及缺口的形狀包括但不限于如下形狀的一種或多種:矩形、梯形、三角形、圓形、扇形、其它多邊形以及不規(guī)則形。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至權(quán)利要求8所述的數(shù)字式微流控芯片，其特征在于電極的形狀包括但不限于如下形狀的全部或局部:圓形、扇形、三角形、四邊形、五邊形、六邊形、其它多邊形以及不規(guī)則形狀；電極的形狀也包括但不限于下述若干種形狀的組合或拼接:圓形、扇形、三角形、四邊形、五邊形、六邊形、其它多邊形以及不規(guī)則形狀；電極的形狀還包括在如下若干種形狀的輪廓基礎(chǔ)上的改形:圓形、扇形、三角形、四邊形、五邊形、六邊形、其它多邊形以及不規(guī)則形狀，改形方式包括但不限于:把若干條邊改為直線、折線、曲線或其它不規(guī)則線，以及在邊緣增加若干凸齒或缺口，該凸齒及缺口的形狀包括如下形狀的一種或多種:矩形、梯形、三角形、圓形、扇形其它多邊形以及不規(guī)則形。
【文檔編號(hào)】B01L3/00GK104248997SQ201310264549
【公開日】2014年12月31日 申請(qǐng)日期:2013年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月27日
【發(fā)明者】李木 申請(qǐng)人:李木