微流控芯片及其驱动方法、分析装置与流程

本发明涉及微流控技术领域，更具体地，涉及一种微流控芯片及其驱动方法、分析装置。

背景技术：

微流控(microfluidics)是使用微型分析装置处理或操纵微小流体的系统所涉及的科学和技术，是一门涉及化学、流体物理、微电子、新材料和生物医学工程的新兴交叉科学。微流控芯片在微流控技技术发展中发挥了极其重要的作用，因具有微型化、集成化和便携化的特征，微流控芯片集成了对样品的采样、反应、分离和检测等功能，在化学合成、生物医疗、环境监测等领域有巨大的发展潜力和广泛的应用前景

现有技术中，请参照图1所示，现有技术提供的微流控芯片包含基板2、绝缘层1和多个电极3，是单电极层结构，电场较弱，驱动液滴需要很高的压降，因此现有的微流控芯片具有能耗大，应用成本高，适用范围小等缺点。

除此之外，在具体操作过程中，液滴从原始位置开始行进时，每次行进液滴均会有微弱变形，这种变形将会带来两个问题：一是变形会带来液滴移位延迟，从而无法通过时间来精准获取液滴位置；二是液滴变形累计到一定程度将无法通过电极完全控制其行进。

如何降低微流控芯片的能耗，并且改善液滴的变形问题，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种微流控芯片及其驱动方法、分析装置。

一方面，本发明提供了一种微流控芯片，包括：相对设置的第一基板和第二基板；第一基板和第二基板之间形成液滴容置空间；第一基板包括：第一衬底、设置在第一衬底靠近第二基板一侧的第一电极层、第二电极层、疏水层；其中，第二电极层位于第一电极层靠近第二基板的一侧，且第一电极层和第二电极层之间设置有绝缘层；疏水层位于第一基板靠近第二基板的一侧表面；第二基板包括：第二衬底、设置在第二衬底靠近第一基板一侧的第三电极；其中，第一电极层包括多个第一电极块，第二电极层包括多个第二电极块；第一电极块和第二电极块在第一衬底上的正投影沿第一方向交错排列且互不重叠，在垂直于第一衬底所在平面的方向上，第三电极投影覆盖第二电极块。

另一方面，本发明提供了一种微流控芯片的驱动方法。微流控芯片包括：相对设置的第一基板和第二基板；第一基板和第二基板之间形成液滴容置空间；第一基板包括：第一衬底、设置在第一衬底靠近第二基板一侧的第一电极层、第二电极层、疏水层；其中，第二电极层位于第一电极层靠近第二基板的一侧，且第一电极层和第二电极层之间设置有绝缘层；疏水层位于第一基板靠近第二基板的一侧表面；第二基板包括：第二衬底、设置在第二衬底靠近第一基板一侧的第三电极；其中，第一电极层包括多个第一电极块，第二电极层包括多个第二电极块；第一电极块和第二电极块在第一衬底上的正投影沿第一方向交错排列且互不重叠，第三电极投影覆盖第二电极块；

驱动方法包括：将液滴设置在疏水层上；规划液滴的行进方向为第一方向；控制液滴的行进过程包括多个行进阶段；在行进阶段，向第一电极块提供第一电压v11，向第二电极块提供第二电压v21，向第三电极提供第三电压v31；其中，v21>v11，v21>v31。

又一方面，本发明提供了一种分析装置，包括上述的微流控芯片。

与现有技术相比，本发明提供的微流控芯片及其驱动方法、分析装置，至少实现了如下的有益效果：

微流控芯片中设置了三层电极，分别为第一电极块、第二电极块和第三电极，第二电极块可以分别和第一电极块、第三电极形成电场，共同驱动液滴往同一方向移动，一方面，在同等电压下，可以加快液滴的行进速率，节约操作时间，提高工作效率；另一方面，相对于现有技术，可以利用较小的电压驱动液滴保持大致相当的移动效率，有利于降低微流控芯片的功耗，降低使用成本，且能够适用于多种电学环境。除此之外，将三个电极层分别设置在液滴所在的容置空间的两侧，使液滴各个位置均匀地受到电场的作用，可以减少液滴在行进过程中的变形，可以改善液滴移位延迟的现象，并且防止液滴变形累计，从而更精确的控制液滴行进。

当然，实施本发明的任一产品不必特定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1是现有技术所述的微流控芯片的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种微流控芯片的剖面结构示意图；

图3是本发明实施例提供的另一种微流控芯片的平面结构示意图；

图4是本发明实施例提供的又一种微流控芯片的平面结构示意图；

图5是本发明实施例提供的又一种微流控芯片的平面结构示意图；

图6是本发明实施例提供的又一种微流控芯片的平面结构示意图；

图7是本发明实施例提供的一种微流控芯片的驱动方法的流程图；

图8是图7所示的驱动方法对应的微流控芯片的结构示意图；

图9是本发明实施例提供的又一种微流控芯片的驱动方法对应的微流控芯片的结构示意图；

图10是本发明实施例提供的一种分析装置的结构示意图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

请参考图2和图3，图2是本发明实施例提供的一种微流控芯片的剖面结构示意图；图3是本发明实施例提供的另一种微流控芯片的平面结构示意图；

本实施例提供了一种微流控芯片，包括：

相对设置的第一基板10和第二基板20；第一基板10和第二基板20之间形成液滴容置空间s；

第一基板10包括：第一衬底11、设置在第一衬底11靠近第二基板20一侧的第一电极层100、第二电极层200、疏水层12；其中，第二电极层200位于第一电极层100靠近第二基板20的一侧，且第一电极层100和第二电极层200之间设置有绝缘层13；疏水层12位于第一基板10靠近第二基板20的一侧表面；

第二基板20包括：第二衬底21、设置在第二衬底21靠近第一基板10一侧的第三电极300；

其中，第一电极层100包括多个第一电极块101，第二电极层200包括多个第二电极块201；第一电极块101和第二电极块201在第一衬底11上的正投影沿第一方向x交错排列且互不重叠，在垂直于第一衬底11所在平面的方向上，第三电极300投影覆盖第二电极块201。

其中，在垂直于第一衬底11所在平面的方向为图2中所示的z方向。

本实施例中，微流控芯片包括相对设置的第一基板10和第二基板20，二者之间形成液滴容置空间s，液滴设置于容置空间s中。由于液滴不直接暴露在空气中，因此本实施例提供的微流控芯片密封性较好，防止杂质污染液滴，降低微流控芯片的性能。

第一基板10和第二基板20中分别设置有电极用于驱动液滴。

具体的，第一基板10包括第一衬底11、第一电极层100、第二电极层200，第一衬底11用于承载第一电极层100、第二电极层200、疏水层12，第一衬底11的材料可以为玻璃或者树脂，本实施例对此不作具体限制。

第一电极层100包括多个第一电极块101，第二电极层200包括多个第二电极块201，第一电极层100和第二电极层200分别设置在不同的膜层，二者之间设置有绝缘层13。

第一电极块101和第二电极块201沿第一方向x交替设置，即为，第一电极块101和第二电极块201在第一衬底11上的正投影沿第一方向x交错排列且互不重叠。向第一电极块101和第二电极块201分别施加合适的电压后，二者之间可以形成电场用于驱动液滴行进。

需要说明的是，图3即为在垂直于第一衬底11所在平面的方向上观察第一基板10所得到的视图，因此在图3中，第一电极块101在第一衬底11上的正投影和第一电极块101是重合的，同理，第二电极块201在第一衬底11上的正投影和第二电极块201是重合的，图3中，对于第一电极块101在第一衬底11上的正投影、第二电极块201在第一衬底11上的正投影不再单独标记示意。

第一基板10还包括疏水层12，疏水层12使用疏水材料制作，疏水层12在光滑表面的状态下，静态水滴的接触角通常大于90°。将液滴设置在疏水层12表面，可以使液滴具有更高的行进速度。

第二基板20包括：第二衬底21和第三电极300，第二衬底21用于承载第三电极300。第二衬底21的材料可以为玻璃或者树脂，本实施例对此不作具体限制。

第三电极300设置在第二衬底21靠近第一基板10一侧，并且第三电极300投影覆盖第二电极块201。向第三电极300和第二电极块201分别提供合适的电压，第三电极300可以和第二电极块201形成电场，用于驱动液滴行进。

由于本实施例提供的微流控芯片中，设置了三层电极，分别为第一电极块101、第二电极块201和第三电极300，第二电极块201可以分别和第一电极块101、第三电极300形成电场，共同驱动液滴往同一方向移动，一方面，在同等电压下，可以加快液滴的行进速率，节约操作时间，提高工作效率；另一方面，相对于现有技术，可以利用较小的电压驱动液滴保持大致相当的移动效率，有利于降低微流控芯片的功耗，降低使用成本，且能够适用于多种电学环境。除此之外，将三个电极层分别设置在液滴所在的容置空间的两侧，使液滴各个位置均匀地受到电场的作用，可以减少液滴在行进过程中的变形，可以改善液滴移位延迟的现象，并且防止液滴变形累计，从而更精确的控制液滴行进。

本发明各实施例提供的微流控芯片中，第一电极块和第二电极块的形状可以有多种。下面，本发明在此示例性的对于第一电极块和第二电极块的形状进行说明。

在一些可选的实施例中，请继续参考图2和图3，第一电极块101和第二电极块201向第一衬底11的正投影均为正方形。

本实施例提供的微流控芯片中，第一电极块101和第二电极块201沿第一方向x交替排列成一个电极行112，微流控芯片在工作时，一个电极行112可以控制一滴液滴行进。

可选的，第一基板可以包括两个或者以上的电极行112，请结合参考图2和图4，图4是本发明实施例提供的又一种微流控芯片的平面结构示意图；第一电极块101和第二电极块201沿第一方向x交替排列成一个电极行112，第一基板中包括了三个电极行112。微流控芯片在工作时，每个电极行112可以控制一滴液滴行进，多个电极行112可以同时工作，同时控制多个液滴行进。

需要说明的是，图3和图4斤仅对于电极行的数量进行示例性的说明。在实际的应用中，电极行的具体数量可以灵活设置，本实施例对此不作具体限制。

可以理解的是，受限于制作工艺等原因，本实施例中，第一电极块101和第二电极块201向第一衬底11的正投影不必为标准的正方形。在本发明其他可选的实现方式中，第一电极块101和第二电极块201向第一衬底11的正投影可以为矩形、圆角矩形、或者其他近似正方形的图形，本实施例不再一一附图示意。

在一些可选的实现方式中，请结合参考图2和图5，图5是本发明实施例提供的又一种微流控芯片的平面结构示意图；

第一电极块101和第二电极块201均为沿第二方向y延伸的长条形状，其中，第二方向y和第一方向x相交。可选的，第二方向y和第一方向x垂直。

本实施例中，第一电极块101和第二电极块201均为沿第二方向y延伸的长条形状，微流控芯片在工作时，可以控制并列设置的两个或者以上的液滴同时行进，从而有利于提高微流控芯片的工作效率。

需要说明的是，图3至图5实施例所示的微流控芯片中，仅对于第一电极块101和第二电极块201的形状进行示例性的说明，第一电极块101和第二电极块201的形状还可以有多种，例如为不规则形状，本实施例不再一一赘述。

在一些可选的实施例中，请参考图6，图6是本发明实施例提供的又一种微流控芯片的平面结构示意图；

本实施例中，第一基板10包括：多条第一信号线l1和多条第二信号线l2；

第一信号线l1和第一电极块101电连接，第二信号线l2和第二电极块201电连接。

本实施例提供的微流控芯片中，第一信号线l1用于直接向第一电极块101传输电信号，第二信号线l2用于直接向第二电极块201传输电信号，即为，本实施例提供的微流控芯片为无源驱动。

在本发明其他可选的实现方式中，微流控芯片可以为有源驱动，即为，第一信号线l1通过开关元件和第一电极块101电连接，和/或第二信号线l2通过开关元件和第二电极块201电连接。

需要说明的是，第一信号线l1和第二信号线l2通常选用导电性、延展性良好的金属材料制作。第一信号线l1和第二信号线l2可以设置在第一衬底11上；或者，第一信号线l1和第二信号线l2可以设置在柔性电路板中，柔性电路板绑定在第一基板上以向第一电极块101和第二电极块201传输电信号。

在一些可选的实施例中，请继续参考图6，本实施例中，第一电极块101沿第一方向x的宽度为d1，0.5mm≤d1≤2mm；

第二电极块201沿第一方向x的宽度为d2，0.5mm≤d2≤2mm。

本实施例提供的微流控芯片中，第一电极块101和第二电极块201沿第一方向x的宽度不宜过小，小于0.5mm时相对于液滴的体积过小、或者大于2mm时相对于液滴的体积过大，均无法精确控制液滴的移动。

可选的，第一电极块101和第二电极块201沿第一方向x的宽度均为1mm。

可以理解的是，在实际应用中，第一电极块101和第二电极块201沿第一方向x的宽度可以根据液滴的体积灵活选择，本实施例对此不作具体限制。

在一些可选的实施例中，请继续参考图6，本实施例中，相邻的第一电极块101和第二电极块201向第一衬底11的正投影之间的间距为h，10μm≤h≤30μm。

本实施例提供的微流控芯片中，相邻的第一电极块101和第二电极块201向第一衬底11的正投影之间的间距h不宜过大或者过小，间距h小于10μm时，电场线沿第一方向x的分量过小，不利于驱动液滴行进。间距h大于30μm会导致相邻的第一电极块101和第二电极块201之间的电场减弱，同样不利于驱动液滴行进。

可选的，第一电极块101和第二电极块201向第一衬底11的正投影之间的间距h为20μm。

可以理解的是，在实际应用中，相邻的第一电极块101和第二电极块201向第一衬底11的正投影之间的间距h可以根据液滴的体积灵活选择，本实施例对此不作具体限制。

本发明实施例还提供了一种微流控芯片的驱动方法，用于驱动本发明上述任一实施例提供的微流控芯片。

请结合参考图7和图8，图7是本发明实施例提供的一种微流控芯片的驱动方法的流程图；图8是图7所示的驱动方法对应的微流控芯片的结构示意图；

微流控芯片包括：

相对设置的第一基板10和第二基板20；第一基板10和第二基板20之间形成液滴容置空间s；

第一基板10包括：第一衬底11、设置在第一衬底11靠近第二基板20一侧的第一电极层100、第二电极层200、疏水层12；其中，第二电极层200位于第一电极层100靠近第二基板20的一侧，且第一电极层100和第二电极层200之间设置有绝缘层13；疏水层12位于第一基板10靠近第二基板20的一侧表面；

第二基板20包括：第二衬底21、设置在第二衬底21靠近第一基板10一侧的第三电极300；

其中，第一电极层100包括多个第一电极块101，第二电极层200包括多个第二电极块201；第一电极块101和第二电极块201在第一衬底11上的正投影沿第一方向x交错排列且互不重叠，第三电极300投影覆盖第二电极块201；

驱动方法包括：

步骤s10：将液滴ld设置在疏水层12上；

步骤s20：规划液滴ld的行进方向为第一方向x；

步骤s30：控制液滴ld的行进过程包括多个行进阶段s1；

在行进阶段s1，向第一电极块101提供第一电压v11，向第二电极块201提供第二电压v21，向第三电极300提供第三电压v31；其中，v21>v11，v21>v31。

本实施例提供的驱动方法，针对本发明上述实施例提供的三层电极结构的微流控芯片。

微流控芯片中，第一电极块101和第二电极块201在第一衬底11上的正投影沿第一方向x交错排列且互不重叠，第一方向x即为液滴的行进方向。

控制液滴的行进过程可以包括多个行进阶段s1，在每个行进阶段s1中，控制液滴从相邻的第一电极块101和第二电极块201中的一者移动到另一者。具体而言，在行进阶段s1，向相邻的第一电极块101和第二电极块201中的第一电极块101提供第一电压v11，向相邻的第一电极块101和第二电极块201中的第二电极块201提供第二电压v21，向第三电极300提供第三电压v31；其中，v21>v11，v21>v31。第一电极块101和第二电极块201之间可以形成侧向电场控制液滴移动，同时，第二电极块201和第三电极300之间可以形成垂直电场控制液滴移动，第一电极块101、第二电极块201和第三电极300的共同作用以控制液滴行进，一方面，在同等电压下，可以加快液滴的行进速率，节约操作时间，提高工作效率；另一方面，相对于现有技术，可以利用较小的电压驱动液滴保持大致相当的移动效率，有利于降低微流控芯片的功耗，降低使用成本，且能够适用于多种电学环境。除此之外，将三个电极层分别设置在液滴所在的容置空间的两侧，使液滴各个位置均匀地受到电场的作用，可以减少液滴在行进过程中的变形，可以改善液滴移位延迟的现象，并且防止液滴变形累计，从而更精确的控制液滴行进。

在一些可选的实施例中，请参考图9，图9是本发明实施例提供的又一种微流控芯片的驱动方法对应的微流控芯片的结构示意图；

控制液滴的行进过程包括驻停阶段；

在驻停阶段，使第一电极块101浮置，向第二电极块201提供第二电压v22，向第三电极300提供第三电压v32；其中，v22>v32。

本实施例中提供的驱动方法中还设置了驻停阶段，在驻停阶段使液滴恢复原始形状。具体而言，在驻停阶段，使第一电极块101浮置，向第二电极块201提供第二电压v22，向第三电极300提供第三电压v32，其中，v22>v32，第三电极300和第二电极块201之间形成垂直电场，帮助液滴ld恢复原始的球面形状，从而改善液滴ld在行进中的变形问题，保证液滴在下一次行进阶段中的行进效率和精度。可选的，任意相邻的两个行进阶段之间均设置一个驻停阶段。即为，液滴每移动一次后，均进入驻停阶段以恢复原始形状，从而可以保证液滴每一次行进阶段中的行进效率和精度，进一步提升液滴移动的精确度。

本发明还提供了一种分析装置，包括本发明上述任一实施例提供的微流控芯片。可选的，请参考图10，图10是本发明实施例提供的一种分析装置的结构示意图，本实施例提供分析装置包括本发明上述任一实施例提供的微流控芯片，以及溶液池r，微流控芯片用于从溶液池r中获取液滴。

本实施例提供的分析装置，具有本发明实施例提供的微流控芯片的有益效果，具体可以参考本发明上述各实施例对于微流控芯片的说明，本实施例在此不再一一赘述。

通过上述实施例可知，本发明提供的微流控芯片及其驱动方法、分析装置，至少实现了如下的有益效果：

微流控芯片中设置了三层电极，分别为第一电极块、第二电极块和第三电极，第二电极块可以分别和第一电极块、第三电极形成电场，共同驱动液滴往同一方向移动，一方面，在同等电压下，可以加快液滴的行进速率，节约操作时间，提高工作效率；另一方面，相对于现有技术，可以利用较小的电压驱动液滴保持大致相当的移动效率，有利于降低微流控芯片的功耗，降低使用成本，且能够适用于多种电学环境。除此之外，将三个电极层分别设置在液滴所在的容置空间的两侧，使液滴各个位置均匀地受到电场的作用，可以减少液滴在行进过程中的变形，可以改善液滴移位延迟的现象，并且防止液滴变形累计，从而更精确的控制液滴行进。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。