微流控基板及其驱动方法、微全分析系统与流程

本发明涉及一种微流控基板及其驱动方法、微全分析系统。

背景技术

微型全分析系统(micro-totalanalysissystem，微全分析系统)

目的是通过化学分析设备的微型化与集成化，最大限度地把分析实验室的功能转移到便携的分析设备中，甚至集成到方寸大小的芯片上。最终目标是实现分析实验室的“个人化”、“家用化”，从而使分析科学及分析仪器从化学实验室解放出来，进入千家万户。

在微全分析系统中，可以实现控制微量的液滴移动、分离、聚合、化学反应、生物侦测等行为。将液滴通过驱动电极移动到指定位置，而光源经过光波导分离出不同波长的垂直光，从指定位置出射，光敏传感器(也即感光单元)通过检测经过液滴之后的光来判断液滴位置、成分等。

发明人发现现有技术中至少存在如下问题：在现有的微全分析系统中驱动液滴移动的驱动电极，以及判断液滴位置、成分等信息的光敏传感器分别需要与各自对应的开关单元(通常为开关晶体管)来实现工作状态的控制，而由于目前对液滴的大小以及浓度精度有更高的要求，所以需要实现高分辨率(ppi)的设计，但如前述内容由于存在两个开关晶体管，开关晶体管尺寸占用面积较大，因此，实现高分辨率就会受到限制。

综上，提供一种能够实现高分辨率的微全分析系统是亟需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种能够实现高分辨率的微流控基板及其驱动方法、微全分析系统。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种微流控基板，包括：基底，位于所述基底上的多个检测模块；每个所述检测模块包括：位于所述基底上的开关单元，以及与所述开关单元的信号输出端连接驱动电极；每个所述检测模块还包括位于所述基底上的感光单元；其中，

所述感光单元的第一极和第二极中的一者与所述开关单元的信号输出端连接。

优选的是，所述感光单元的第一极和第二极沿背离所述基底方向依次设置；每个所述检测模块中的所述驱动电极与所述感光单元的第二极分时复用。

进一步优选的是，每个所述检测模块中的所述开关单元、所述感光单元的第一极和半导体层、所述驱动电极四者叠置，且依次设置在所述基底上；其中，

在所述开关单元所在层与所述感光单元的第一极所在层之间设置有第一绝缘层；在所述感光单元的半导体层与所述驱动电极所在层之间设置有第二绝缘层；

所述开关单元的信号输出端通过贯穿所述第一绝缘层和所述第二绝缘层的第一过孔与所述驱动电极连接；

所述驱动电极通过贯穿所述第二绝缘层的第二过孔与所述感光单元的所述半导体层连接。

优选的是，所述开关单元包括开关晶体管；其中，

所述开关晶体管的源极用作所述开关单元的信号接收端，漏极用作所述开关单元的所述信号输出端。

进一步优选的是，所述检测模块呈阵列排布；其中，

位于同一行的所述开关晶体管的栅极连接同一条扫描线；

位于同一列的所述开关晶体管的源极连接同一条数据线。

优选的是，所述感光单元包括pin光电二极管；其中，

所述pin光电二极管的第一极用作所述感光单元的第一极，第二极用作所述感光单元的第二极。

进一步优选的是，所述pin光电二极管中的n型半导体层、i型半导体层、p型半导体层沿背离所述基底方向依次设置。

优选的是，所述微流控基板还包括位于所述驱动电极所在层上方的平坦化层，以及位于所述平坦化层上方的疏水材料层。

优选的是，所述微流控基板还包括第一电压供给单元和第二电压供给单元；其中，

所述第一电压供给单元通过所述开关单元的信号接收端与驱动电极和感光单元的一极连接；所述感光单元的另一极连接所述第二电压供给单元。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种上述微流控基板的驱动方法，其包括：

液滴驱动阶段：

控制开关单元打开，给开关单元的信号接收端输入第一电压，并传输至驱动电极；

控制开关单元关闭，驱动液滴的移动；

控制开关单元打开，给开关单元的信号接收端输入第二电压，将驱动电极上的第一电压释放；

液滴检测阶段：

控制开关单元保持打开，给开关单元的信号接收端输入第三电压，并传输至感光单元与开关单元的信号接收端连接的一极，给感光单元的另一极输入第四电压；其中，第四电压大于第三电压；控制开关单元关闭，感光单元积分将所接收到的光信号转换为电信号；

控制开关单元打开，通过给开关单元的信号接收端读取所述电信号，以确定液滴的状态。

优选的是，在液滴驱动阶段给所述开关单元的信号接收端输入第一电压的同时，给所述感光单元的第一极输入第一电压，或者控制所述感光单元的第一极浮接；

给所述开关单元的信号接收端输入第二电压的同时，给所述感光单元的第一极输入第二电压。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种微全分析系统，其包括上述微流控基板，以及光学单元；其中，

所述光学单元，被配置为形成照射至所述微流控基板上的驱动电极的光线。

优选的是，所述光学单元包括：光源和光波导层；其中，

所述光源设置在所述光波导层的侧边；

所述光波导层与所述微流控基板相对设置。

本发明具有如下有益效果：

本发明中的微流控基板上的每个检测模块中驱动电极和感光单元共用一个开关单元即可实现对液滴的驱动，以及液滴的浓度、位置等信息检测，而且，较现有技术而言，可以在单位面积的微流控基板上设置更多的检测模块，故有利于实现高分辨率的微流控基板。

附图说明

图1为本发明的实施例1的微流控基板的结构示意图；

图2为本发明的实施例1的微流控基板的俯视图；

图3为本发明的实施例1的微流控基板的液滴驱动阶段的时序图；

图4为本发明的实施例1的微流控基板的液滴检测阶段的时序图；

图5为本发明的实施例2的微全分析系统的结构示意图。

其中附图标记为：10、基底；1、开关晶体管；2、pin光电二极管；21、pin光电二极管的第一极、22、半导体层；221、n型半导体层；222、i型半导体层；223、p型半导体层；23、pin光电二极管的第二极；3、驱动电极；4、第一绝缘层；5、第二绝缘层；6、平坦化层；7、疏水材料层；8、光学单元、81、光源；82、波导层。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

本实施例提供一种微流控基板，包括：基底，位于基底上的多个检测模块；每个检测模块包括：位于基底上的开关单元、驱动电极、感光单元；其中，驱动电极连接开关单元的信号输出端，而且感光单元的第一极和第二极中的一者同样与开关单元的信号输出端连接。

由于在本实施例的微流控基板中，每个检测模块中的驱动电极、感光单元连接同一开关单元，因此，将该微流控基板应用至微全分析系统中，可以在液滴驱动阶段，控制开关单元打开，并给开关单元的信号接收端输入第一电压，并传输至驱动电极，之后控制开关单元关闭，驱动液滴的移动；最后，再次控制开关单元打开，给开关单元的信号接收端输入第二电压，将驱动电极上的第一电压释放(能将第一电压释放说明第二电压小于第一电压)；待驱动电极上的电压稳定之后，进入液滴检测阶段，控制开关单元保持打开，给开关单元的信号接收端输入第三电压，，并传输至感光单元与开关单元的信号接收端连接的一极，给感光单元的另一极输入第四电压；其中，第三电压小于第二电压，这样控制液滴不会发生移动，同时，第四电压大于第三电压，这样在之后，控制开光单元关闭，感光单元积分可以将所接收到的光信号转换为电信号，最后，再次控制开关单元打开，通过给开关单元的信号接收端读取所述电信号，以确定液滴的状态，也即获得液滴的浓度、位置等信息。可以看出的，本实施例中微流控基板上的每个检测模块中驱动电极和感光单元共用一个开关单元即可实现对液滴的驱动，以及液滴的浓度、位置等信息检测，而且，较现有技术而言，可以在单位面积的微流控基板上设置更多的检测模块，故有利于实现高分辨率的微流控基板。

其中，结合图1和2所示，在本实施例微流控基板中，感光单元的第一极和第二极沿背离基底10方向依次设置；每个检测模块100中的驱动电极3与感光单元(例如图1中的光电二极管2)的第二极分时复用。也就是说，每个检测模块100中的驱动电极3和感光单元的第二极是同一结构，只是在液滴驱动阶段和液滴检测阶段所输入的信号是不同的而已，这样以来，可以进一步的减小每一个检测模块100的尺寸，更加有利于实现高分辨率的设计。

进一步的，每个检测模块100中的开关单元、感光单元的第一极21和半导体层、驱动电极3四者叠置，且依次设置在所述基底10上；其中，在开关单元所在层与感光单元的第一极所在层之间设置有第一绝缘层4；在感光单元的半导体层与驱动电极3所在层之间设置有第二绝缘层5；开关单元的信号输出端通过贯穿第一绝缘层4和第二绝缘层5的第一过孔与驱动电极3连接；驱动电极3通过贯穿第二绝缘层5的第二过孔与所述感光单元的半导体层连接。由于，每个检测模块100中的开关单元、感光单元的第一极和半导体层、驱动电极3四者叠置，因此最大限度的减小了每个检测模块100的尺寸，从而进一步的提高了微流控基板的高分辨率。

其中，本实施例中的开关单元可以为开关晶体管1，其中，述开关晶体管1的源极用作开关单元的信号接收端，漏极用作开关单元的所述信号输出端。该开关晶体管1可以选用p型晶体管，可以选用n型晶体管，在本实施例中只是以n型进行管为例进行说明的。

进一步的，在本实施例中优选的将各个检测模块100呈阵列排布，为了更好的布线，将位于同一行的开关晶体管1的栅极连接同一条扫描线gate；位于同一列的开关晶体管1的源极连接同一条数据线data。

其中，在本实施例中感光单元可以为pin光电二极管2；其中，pin光电二极管2的第一极21用作感光单元的第一极21，第二极23用作所述感光单元的第二极23。其中，pin光电二极管2的半导体层22中的n型半导体层221、i型半导体层222、p型半导体层223沿背离所述基底10方向依次设置，也就是说p型半导体层223更靠近光源91，这样以来，有利于光信号的转换。当然，可以将p型半导体层223、i型半导体层222、n型半导体层221沿背离所述基底10方向依次设置。

其中，本实施例中的微流控基板还可以包括位于驱动电极3所在层上方的平坦化层6，以及位于平坦化层6上方的疏水材料层7；。优选的，疏水材料层7的材料包括特氟龙，当然也可以是采用其它绝缘性能的疏水材料，在此不一一列举。由于疏水材料层7对液体具有排斥力，从而有利于液滴的移动。

当然，在本实施例的微流控基板上还可以设置第一电压供给单元和第二电压供给单元；其中，第一电压供给单元通过开关单元的信号接收端与驱动电极3和感光单元的一极连接；感光单元的另一极连接所述第二电压供给单元。通过，第一电压供给单元和第二电压单元为驱动电极3和感光单元在液滴驱动阶段和检测阶段输出不同的电压信号，从而实现液滴的驱动以及状态的检测。

以下结合图1所示，以开关单元为开关晶体管1、感光单元为pin光电二极管2，驱动电极3和pin光电二极管2的第二极23共用为例进行说明。具体的，在基底10上开关晶体管1的栅极、有源层、源极和漏极依次设置，在源极和漏极所在层上方依次设置第一绝缘层4、pin光电二极管2的第一极21(第一极21连接vd)、n型半导体层221、i型半导体层222、p型半导体层223(在p型半导体层223还可以设置ito保护层)、第二绝缘层5、驱动电极3；开关晶体管1的漏极通过贯穿第一绝缘层4和第二绝缘层5的第一过孔与驱动电极3连接；驱动电极3通过贯穿第二绝缘层5的第二过孔与pin光电二极管2的p型半导体层223连接。以下对该微流控基板的驱动方法进行具体说明。

如图3所示，液滴驱动阶段：

对于液滴的驱动，通过开光晶体管1控制驱动电极3，给驱动电极3施加不同的电压值，此时驱动的电极3的电压会引起位于驱动电极上方的液滴与其所接触的面具有不同的接触角，如此可实现液滴的移动。

具体的，结合图3所示，给扫描线gate输入高电平信号，也即给开关晶体管1的栅极输入高电平信号，开关晶体管1打开，给数据线data输入第一电压，也即给开关晶体管1的源极输入第一电压(例如：高电压)，此时驱动电极3上被加载了第一电压，给开关晶体管1的栅极输入低电平信号，开关晶体管1关断，驱动液滴的移动，由于驱动电极3复用为pin光电二极管2的第二极23，在该阶段防止驱动电极3上加载的第一电压信号损坏pin光电二极管2，与此同时给pin光电二极管2的第二极23，也即vd端同样施加第一电压信号，或者控制vd端浮接(floating)。加载在驱动电极3上的第一电压保持一段时间后，将驱动电极3上的第一电压释放掉，此时给开关晶体管1的源极输入第二电压(例如：低电压)，与此同时，将给pin光电二极管2的第二极23，也即vd端同样施加第二电压信号，待驱动电极3上的第一电压释放掉之后，进入液滴的检测阶段。

如图4所示，液滴检测阶段：

给扫描线gate输入高电平信号，也即给开关晶体管1的栅极输入高电平信号，开关晶体管1打开，给数据线data输入第三电压，也即给开关晶体管1的源极输入第三电压(例如：低电压)，此时给pin光电二极管2的第二极23，也即vd端施加相较第三电压而言更高的电压，也即第四电压，之所以，给开关晶体管1的源极输入第三电压最好为低电压是因为，在液滴驱动阶段驱动电极3输入的高电压，也即高电压驱动液滴移动，而在该阶段液滴不能发生移动，因此，第三电压最好为低电压，当然只要是小于第一电压，不让液滴移动即可。此时，给开关晶体管1的栅极输入低电平信号，开关晶体管1关断，pin光电二极管2两端的压差使得当光照设置pin光电二极管2时，pin光电二极管2开始感光积分将光信号转换为电信号，当积分结束后，给开关晶体管1的栅极输入高电平信号，开关晶体管1打开，通过给开关晶体管1的源极读取pin光电二极管2生成电信号，以确定液滴的状态。

在该步骤中，以pin光电二极管2为阵列排布为例，液滴移动的某一位置时，液滴会遮挡一部分上方光源光线，导致pin光电二极管2接收的信号发生区域性变化，如此即可侦测到液滴的大小和位置信息。而不同的浓度，遮挡的光强信息不同，导致区域pin光电二极管2阵列的信号量不同，如此根据信号的大小即可读取出液滴的实时浓度信息。

在此需要说明的是，在上述实施例中只是以开关单元信号输出端与感光单元的第二极23连接为例进行说明的，实际上开关单元信号输出端与感光单元的第一极21连接也是可行的，只是在液滴检测阶段控制加载在感光单元的第一极21和第二电极上的电压即可。

实施例2：

结合图5所示，本实施例提供一种微全分析系统，其包括实施例1中的微流控基板，因此，本实施例中的微全分析系统能够实现高分辨率的设计。

当然，本实施例中的微全分析系统还包括光学单元8，被配置为形成照射至驱动电极3的光线。其中，该光学单元8包括：光源81和光波导层82；具体的，光源81设置在所述光波导层92的侧边，能够输出多路不同波长的光；光波导层82与所述微流控基板相对设置。

其中，在液滴驱动和液滴检测时，液滴是位于微流控基板和光学单元8之间的，正如图5所示。具体的，通过控制施加在驱动电极上的电压值的大小以实现驱动液滴的移动，当液滴移动的某一位置时，液滴会遮挡一部分上方光源光线，导致感光单元接收的信号发生区域性变化，如此即可侦测到液滴的大小和位置信息。而不同的浓度，遮挡的光强信息不同，导致区域感光单元阵列的信号量不同，如此根据信号的大小即可读取出液滴的实时浓度信息。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。