专利名称：一种限制数字微流控芯片液滴单向输运的方法
技术领域：
本发明属于数字微流控芯片技术领域，具体涉及一种限制液滴单向输运的数字微流控芯片电极配置方法。
背景技术：
数字微流控芯片技术是一种对液滴样品进行制备，检测，反应，移动等步骤微缩在一块微米尺度芯片上的技术，它主要应用在化学，生物学和医学等领域。现阶段数字微流控芯片主要有如下两种结构1、不需要副电极，仅有驱动电极的数字微流控芯片(专利申请号200810038582. 7图2所示)；2、有固定副电极，其位于上极板，驱动电极位于下极板的结构，即传统微流控芯片结构(专利申请号200810038582. 7图 I所示)。副电极一般接地。以上两种芯片的电极与液滴之间均隔有介质层与疏水层，一些材料可兼作介质层与疏水层；对于第I种结构，若液滴上方存在盖板，则盖板与液滴之间隔有疏水层。应用上分数字微流控芯片可分为通用数字微流控芯片与专用数字微流控芯片。两者间区别与集成电路中FPGA与ASIC间的区别类似通用数字微流控芯片(EWOD Driving of Droplet on NxM Grid Using Single-Layer Electrode Patterns 一文中提到)自由度较高，液滴在芯片的二维平面上的运动路径可以实时地被外加控制信号改变，可以实时进行各种基本操作，如分离，合并，拉伸等，故一般适用于实验室等研发场所。专用数字微流控芯片是为特定应用，例如病毒检测而设计的微流控芯片，芯片上电极的结构与配置已事先规划好，结合外部驱动信号就确定液滴的输运路径。专用数字微流控芯片中，被处理的液滴会在芯片上被输运到各个不同地方经过各种处理(如加热，抗原抗体结合，添加其他物质等)，沿着事先规划好的路径走完一个流程后最终产出或作为废液收集。由于液滴在经过的路径上会留下残余，为了保证液滴不被脏污， 一般不允许被处理后的液滴重新回到运输未被处理液滴的路径上，此时液滴单一方向上的运动就变得很普遍。数字微流控芯片中的两个影响性能与成本的关键点
第一，各种环境包括外界振动以及微流控芯片本身的缺陷会导致液滴的错位，即外加驱动信号已施加，但液滴并没有移动，或者向反方向移动，甚至跑到其它不应该到达的位置。传统的纠错方法即为利用电容或摄像头实时检测液滴的位置，这无疑增加了设备成本， 而且对于手持式设备而言增大了研发的复杂程度。如果有一种电极配置能够使芯片在结构上已限制死液滴的运动方向，芯片对外界信号的依赖就会降低，芯片稳定性会增加，设备中液滴位置检测的部件会变得不重要甚至可以被去掉。第二，商业化的微流控芯片一般被设计成一次性消费品，成本是其产品能否打开市场的一个关键因素。常规的数字微流控芯片的电极配置需要对每个电极引出并进行控制 (参见 SOFT PRINTING OF DROPLETS DIGITIZED BY ELECTROWETTING—文中 figure4)，这样芯片引出电极数量会随着路径的加长，控制液滴的数量的增大而线性增长，为了布置复杂的引线有时会用到多块掩模版，从而增加芯片的复杂程度与成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种芯片稳定性好，成本低的能够限制数字微流控芯片液滴输运方向的方法。本发明提供的限制数字微流控芯片液滴单向输运的方法，具体步骤为
(1)沿液滴输运路径间隔排列两组驱动电极，分别标记为A组驱动电极，B组驱动电极； 两组驱动电极间的电学相通性满足相同标记的驱动电极间电学相通，不同标记的驱
动电极间绝缘；
两组驱动电极的结构满足各驱动电极形状相同或相近，单个驱动电极图形无垂直于液滴输运方向的对称轴；
(2)沿液滴输运路径放置副电极C，C电极与A、B两组驱动电极间绝缘；
(3)副电极C接恒定电压，外加电压信号使A、B两组驱动电极间在时间序列内间隔产生正电势差与负电势差，使液滴沿着路径移动。本发明所述控制液滴输运方向的方法适用于，但不局限于以下结构的微流控芯片副电极C位于上极板，驱动电极A、B位于下极板的结构，即传统微流控芯片结构(专利申请号 200810038582. 7 图 I 所示)。本发明中，所述在沿液滴输运路径间隔排列两组驱动电极，具体地，各驱动电极可以被置于芯片相同极板的同一层中，也可被置于芯片相同极板的不同层中，甚至可以被置于不同极板的不同层中(此种情况下上下极板均存在有驱动电极)。本发明中，所述电学相通，指两电极间存在固定的导电介质，结合具体微电子工艺，主要有，但不局限于以下几种形式(I)导电介质与驱动电极处在芯片的同一层；(2 )在驱动电极下制作通孔，将导电介质引到芯片的其他层后再进行互连；(3)导电介质被引出芯片，在芯片的基座上，如，但不局限于PCB上进行互连。本发明中，单个驱动电极图形无垂直于液滴输运方向的对称轴。具体地，图I中液滴输运方向为负Y轴方向，扇贝形电极图形有且仅有一个对称轴，但此对称轴平行于液滴输运方向，扇贝形电极图形没有对称轴与负Y轴垂直。本发明中，所述电势差值随芯片制造工艺参数和测试环境的不同会有所调整。 正电势差值在OV飞OOV范围内，择优取OV 100V ;负电势差值在-600疒OV范围内，择优取-100疒0V。本发明中，副电极C接恒定电压，择优接地电压。若将副电极C悬空或去掉副电极 C，液滴则始终停留在A，B电极的交界上，无法实现输运。本发明中，外加电压信号使A、B两组驱动电极间在时间序列内间隔产生正电势差与负电势差，即如果有一段时序内A、B两组驱动电极间电势差为正值，则之后有一段时序内A、B组驱动电极间电势为零，再接着下一段时序内A、B组驱动电极间电势差为负值。两电极间电势每反转一次，液滴平均运动一个电极位置，如此反复，液滴就会按电极布置的路径朝单一方向运动。实际操作时，为了加快液滴的运动速度，可以删去A组电极与B组电极间电势为零的时序段。接到A组电极上电压信号的波形图如图4 (a)，但不局限于图4 (a) 所示，B组电极上的电压信号与A组电极上电压信号相差180度相位。
本发明中，所述时间序列内交替将A、B两组驱动电极连接至一交流电压与地电压，指一段时序内A组驱动电极接交流电压，同时B组驱动电极接地电压；之后有一段时序内A、B组驱动电极间电势为零；再接着下一段时序内A组驱动电极接交流电压，同时B组驱动电极接地电压。实际操作时，为了加快液滴的运动速度，可以删去A组电极与B组电极间电势为零的时序段。接到A组电极上电压信号的波形图如图4 (b)，但不局限于图4 (b) 所示，B组电极上的电压信号与A组电极上电压信号相差180度相位。.0本发明中，路径上相邻两电极在水平方向上的间隙不超过O. 5mm。在保证相邻电极间绝缘的条件下，两电极在水平方向上的间隙越小越有利于液滴的输运。为了达到更好的输运效果，路径上相邻的电极可部分重叠，此情况下相邻的两电极不在芯片的同一层。本发明中，所述扇贝形，指由两段圆弧与两段直线构成的封闭二维图形。两段圆弧相对放置，两段直线相对放置，圆弧与直线间的交点处可以作导圆角处理。本发明中，所述缺月形，指不完整的圆与一条直线(图2所示)或圆弧(图3所示)构成的封闭二维图形。本发明的有益效果
本发明从数字微流控芯片结构上限制液滴的输运方向。传统微流控芯片电极配置中， 液滴的运动依赖于外加控制信号，通用微流控芯片更是如此。当液滴由于外界扰动或芯片的局部缺陷或者液滴自身原因(如体积过小)时，液滴会产生错位。这时如果这种错误没有被及时侦测并纠正，外界信号仍按原步骤执行，就有可能导致液滴往相反的方向移动，甚至出现更严重的，一个流水线上液滴互相融合的现象。本发明中，两组间隔放置的电极间交替产生高、低电势，电极结构上的不对称性使液滴受到指向一个方向的作用力，从而实现了单向运输。芯片上的液滴即使产生了错位，它也不会朝相反的方向移动。本发明降低了微流控芯片对外界控制信号的依赖，提高了芯片的稳定性，甚至可以去掉设备中的液滴位置检测单元。对于任意长液滴输运路径，芯片所需引出的驱动电极仅有两根，本发明降低了数字微流控芯片，特别是应用在高通量场合的数字微流控芯片连线的复杂程度与成本。
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图画电极C)。
I为本发明扇贝形电极配置的结构示意图。
2为本发明底边为直线的缺月形电极配置的结构示意图(未画电极C)。
3为本发明底边为圆弧的缺月形电极配置的结构示意图(未画电极C)。
4为外加电压信号波形图。
5为本发明应用到微流控芯片，构成一个液滴流水线的实施例结构示意图(未
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但本发明绝非仅局限于介绍的实施例。芯片由上极板，下极板以及夹在上下极板间的液滴所组成(参考专利，申请号为 200810038582. 7中图I所示)。A、B两组驱动电极及其连线在芯片下极板的同一平面内，电极间由介质层绝缘，电极与液滴间隔以介质层与疏水层；上极板含一整块电极，称此电极为副电极，此电极直接接地，与液滴间隔以介质层与疏水层。图I为本发明电极配置的结构示意图，其中1A、3A、6A为A组驱动电极，2B、4B为B组驱动电极，7C为C电极，4W为液滴。图 5中为将本发明应用于微流控芯片，构成一个液滴流水线的实施例结构示意图，其中9A为A 组驱动电极，IOB为B组驱动电极，7B为与B组驱动电极电学相通的引出电极，8A为与A组电极电学相通的引出电极，引出电极接外加驱动电压信号，12D为电极间的导电连接线，IlC 为液滴。芯片的制作过程为一、利用图5所示图形制作掩模版；二、白玻璃表面利用蒸发工艺镀一层铝，厚度为150nm;三、旋涂光刻胶；四、曝光显影；五、热磷酸腐蚀铝，形成电极图形；六、去光刻胶；七、旋涂SU-8作介质层，厚度Ium;八、旋涂Teflon作疏水层。到此步芯片的下极板已做好，上极板用ITO玻璃在ITO面旋涂Teflon疏水层制成。测试芯片时将上极板中副电极C接地，下极板中A组电极与B组电极接电压幅值为60V,周期为Is,占空比为45 %的方波电压信号，A组电极与B组电极间电压信号存在 180度的相位差。
权利要求
1.一种限制数字微流控芯片液滴单向输运的方法，其特征在于具体步骤为(1)沿液滴输运路径间隔排列两组驱动电极，分别标记为A组驱动电极，B组驱动电极；两组驱动电极间的电学相通性满足相同标记的驱动电极间电学相通，不同标记的驱动电极间绝缘；两组驱动电极的结构满足各驱动电极形状相同或相近，单个驱动电极图形无垂直于液滴输运方向的对称轴；(2)沿液滴输运路径放置副电极C，C电极与A、B组驱动电极间绝缘；(3)副电极C接恒定电压，外加电压信号使A、B两组驱动电极间产生随时间变化的电势差，使液滴沿路径移动。
2.根据权利要求I所述的限制数字微流控芯片液滴单向输运的方法，其特征在于所述电势差值在-600疒600V范围内。
3.根据权利要求I所述的限制数字微流控芯片液滴单向输运的方法，其特征在于所述A、B两组驱动电极间随时间变化的电势差，其形式为两组驱动电极在时间序列内间隔产生正电势差与负电势差。
4.根据权利要求I所述的限制数字微流控芯片液滴单向输运的方法，其特征在于所述A、B两组驱动电极间随时间变化的电势差，其形式为在时间序列内交替将A、B两组驱动电极连接至交流电压与地电压。
5.根据权利要求I所述的限制数字微流控芯片液滴单向输运的方法，其特征在于路径上相邻两电极在水平方向上的间隙不超过O. 5mm。
6.根据权利要求I所述的限制数字微流控芯片液滴单向输运的方法，其特征在于路径上相邻两电极部分重叠。
7.根据权利要求I所述的限制数字微流控芯片液滴单向输运的方法，其特征在于驱动电极形状与扇贝形相同或相近。
8.根据权利要求I所述的限制数字微流控芯片液滴单向输运的方法，其特征在于驱动电极形状与底边为直线的缺月形相同或相近。
9.根据权利要求I所述的限制数字微流控芯片液滴单向输运的方法，其特征在于驱动电极形状与底边为圆弧的缺月形相同或相近。
全文摘要
本发明属于数字微流控芯片技术领域，具体为一种限制数字微流控芯片液滴单向输运的方法。具体步骤为沿液滴输运路径间隔排列A、B两组驱动电极，两组驱动电极间的电学相通性满足相同标记的驱动电极间电学相通，不同标记的驱动电极间绝缘；结构满足各驱动电极图形相同或相近，单个驱动电极图形无垂直于液滴输运方向的对称轴；另一沿路径布置的电极C接恒定电压，外加电压信号使A、B两组驱动电极间产生随时间变化的电势差，使液滴沿着路径移动。本发明可降低数字微流控芯片对外界控制信号的依赖，提高芯片的稳定性，甚至可以去掉设备中的液滴位置检测单元。对于任意长液滴输运路径，芯片所需引出的驱动电极仅有两根，降低了数字微流控芯片的复杂程度与成本。
文档编号B01L3/00GK102600919SQ20121007344
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月20日 优先权日2012年3月20日
发明者周嘉, 方兴, 李嘉, 陈建锋 申请人:复旦大学