微流控装置及其驱动方法与流程

本发明涉及微流控领域，更具体地，涉及一种微流控装置及其驱动方法。

背景技术：

微流控(micro-fluidic)技术是一种以在微米尺度空间对流体进行操控为主要特征的技术。该技术已经与化学、生物学、工程学和物理学等诸学科形成交叉，展示出了广泛的应用前景。

在微流控技术应用于生物检测或化学检测时，为了同时进行多个化学反应从而进行快速检测，微流控装置中会设置多个液滴通道，液滴通道的数量越多，微流控装置中用于设置液滴通道所需的空间越大，不利于微流控装置轻便化设计的趋势。同时，现有的微流控装置通过通道分离液滴的方式存在着分离效率低和分离精度差等问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种微流控装置及其驱动方法，可有效减少通道数量，且可快速、精准的对液滴进行分裂。

第一方面，本发明提供一种微流控装置，包括：衬底基板和位于衬底基板一侧的电极层；电极层包括第一电极、第二电极和第三电极；多个通道，通道至少包括一个第一电极、两个第二电极、一个第三电极和一个壁垒；同一通道中，两个第二电极位于第一电极的同一侧，且两个第二电极沿第一方向排列；壁垒与电极层位于衬底基板的同一侧，壁垒为t字型结构，且壁垒包括沿第一方向延伸的第一分部和沿第二方向延伸的第二分部；壁垒包括位于第一电极和第二电极之间的第一壁垒，第一壁垒的第一分部位于第一电极和第二电极之间，第一壁垒的第二分部位于两个第二电极之间，其中，第一方向和第二方向相交；第三电极沿第一方向延伸，第三电极在衬底基板所在平面的垂直投影位于第一壁垒的第一分部在衬底基板所在平面的垂直投影内。

第二方面，本发明提供一种微流控装置的驱动方法，应用于本发明提供的微流控装置，包括：第一阶段，给第一电极通低电位信号，给第三电极通高电位信号，驱动液滴沿第一电极移动到壁垒中的第一分部上；第二阶段，给第三电极通低电位信号，给两个第二电极通相同电位的高电位信号，驱动所液滴的两端由第一分部朝向两个第二电极的两个方向移动并进行分裂。

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

微流控装置包括多个通道，一个通道包括一个第一电极、两个第二电极、一个第三电极和一个壁垒，位于第一电极和第二电极之间的壁垒为第一壁垒，第一壁垒的第一分部位于第一电极和第二电极之间，第一壁垒的第二分部位于两个第二电极之间，第三电极在衬底基板所在平面的垂直投影位于第一壁垒的第一分部在衬底基板所在平面的垂直投影内。给第一电极和第三电极通不同信号的电位时，第一电极和第三电极之前会形成穿过液滴的电场，驱动液滴在第一电极移动并爬上第一壁垒的第一分部上；给第二电极和第三电极通不同信号的电位时，第三电极和两个第二电极之间均形成电场，液滴的两端由第一分部朝向两个第二电极的两个方向移动，当液滴受到的两个方向的电场力均大于液滴内的张力时，液滴进行分裂形成两个小液滴并移动到两个第二电极上。第一壁垒中第一分部沿第一方向x延伸，受附着力的影响，液滴的形状会随着第一分部的形状做相应的改变，可通过调整第一分部的形状来调整液滴的形状，使液滴调整为更利于分裂的形状，从而有效提高液滴的分裂效率。第一壁垒中第二分部位于两个第二电极之间，且第二分部沿第二方向y延伸，在通过电场力对液滴进行分裂后，第二分部有效防止已经分裂的两个小液滴再次发生结合。同时，微流控装置中，一个通道可对应于两列驱动电极，液滴通过通道移动并分裂成两个小液滴后，两个分裂的小液滴可移动到到与其对应的驱动电极上进行后续的反应和检测，有效减少了微流控装置中通道的数量，从而减小了微流控装置中用于设置通道所需的空间，有利于微流控装置轻便化设计的趋势。

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是本发明提供的一种微流控装置的平面结构示意图；

图2是本发明提供的一种通道的平面结构示意图；

图3是图2所述的通道沿a-a’的剖面结构示意图；

图4是图2所述的通道沿b-b’的剖面结构示意图；

图5是本发明提供的另一种通道的平面结构示意图；

图6是图5所述的通道沿c-c’的剖面结构示意图；

图7是图5所述的通道沿d-d’的剖面结构示意图；

图8是本发明提供的又一种通道的平面结构示意图；

图9是本发明提供的又一种通道的平面结构示意图；

图10是图9所述的通道沿e-e’的剖面结构示意图；

图11是本发明提供的另一种微流控装置的平面结构示意图；

图12是本发明提供的又一种微流控装置的平面结构示意图；

图13是本发明提供的一种微流控装置的驱动方法的流程示意图；

图14是本发明提供的一种微流控装置的驱动方法下液滴的变化示意图。

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。

图1是本发明提供的一种微流控装置的平面结构示意图，图2是本发明提供的一种通道的平面结构示意图，图3是图2所述的通道沿a-a’的剖面结构示意图，图4是图2所述的通道沿b-b’的剖面结构示意图，参考图1-图4，本实施例提供一种微流控装置，包括：衬底基板10和位于衬底基板一侧的电极层20；

电极层20包括第一电极21、第二电极22和第三电极23；

多个通道30，通道30至少包括一个第一电极21、两个第二电极22、一个第三电极23和一个壁垒40；

同一通道30中，两个第二电极22位于第一电极21的同一侧，且两个第二电极22沿第一方向x排列；

壁垒40与电极层20位于衬底基板10的同一侧，壁垒40为t字型结构，且壁垒40包括沿第一方向x延伸的第一分部41和沿第二方向y延伸的第二分部42；

壁垒40包括位于第一电极21和第二电极22之间的第一壁垒43，第一壁垒43的第一分部41位于第一电极21和第二电极22之间，第一壁垒43的第二分部42位于两个第二电极22之间，其中，第一方向x和第二方向y相交；

第三电极23沿第一方向x延伸，第三电极23在衬底基板10所在平面的垂直投影位于第一壁垒43的第一分部41在衬底基板10所在平面的垂直投影内。

具体的，继续参考图1-图4，本实施例提供的微流控装置包括多个通道30，一个通道30包括一个第一电极21、两个第二电极22、一个第三电极23和一个壁垒40，第一电极21、第二电极22和第三电极23均位于电极层20。位于第一电极21和第二电极22之间的壁垒40为第一壁垒43，第一壁垒43的第一分部41位于第一电极21和第二电极22之间，第一壁垒43的第二分部42位于两个第二电极22之间，第三电极23在衬底基板10所在平面的垂直投影位于第一壁垒43的第一分部41在衬底基板10所在平面的垂直投影内。给第一电极21和第三电极23通不同信号的电位时，第一电极21和第三电极23之前会形成穿过液滴的电场，液滴为具有导电性的液体，液滴会由于电场作用而受力不均匀，液滴在第一电极21移动并爬上第一壁垒43的第一分部41上；给第二电极22和第三电极23通不同信号的电位时，第三电极23和两个第二电极22之间均形成电场，液滴的两端由第一分部41朝向两个第二电极22的两个方向移动，当液滴受到的两个方向的电场力均大于液滴内的张力时，液滴进行分裂形成两个小液滴并移动到两个第二电极22中。

第一壁垒43中第一分部41沿第一方向x延伸，受附着力的影响，液滴的形状会随着第一分部41的形状做相应的改变，可通过调整第一分部41的形状来调整液滴的形状，使液滴调整为更利于分裂的形状，从而有效提高液滴的分裂效率。示例性的，与正常状态相比，液滴在第二方向y上的宽度会减小，在第一方向x上的长度会增加，这种形状的液滴更便于发生分裂。可以理解的是，在本发明其他实施例中，还可通过调整第一分部41的形状来调整液滴变为其他形状，本发明不再一一赘述。

第一壁垒43中第二分部42位于两个第二电极22之间，且第二分部42沿第二方向y延伸，在通过电场力对液滴进行分裂后，第二分部42有效防止已经分裂的两个小液滴再次发生结合。

与现有技术的微流控装置中每列驱动电极均对应设置有一个通道相比，本实施例提供的微流控装置中，一个通道30可对应于两列驱动电极60，液滴通过通道30移动并分裂成两个小液滴后，两个分裂的小液滴可移动到到与其对应的驱动电极60上进行后续的反应和检测，有效减少了微流控装置中通道30的数量，从而减小了微流控装置中用于设置通道30所需的空间，有利于微流控装置轻便化设计的趋势。

需要说明的是，本实施例中示例性示出了第一电极21、第二电极22和第三电极23均为矩形，在本发明其他实施例中，第一电极21、第二电极22和第三电极23还可以根据实际生产需要设计为其他形状，本发明不再一一赘述。

继续参考图2、图3和图4，可选的，其中，壁垒40在衬底基板10所在平面的垂直投影图案为轴对称图形，第三电极23在衬底基板10所在平面的垂直投影图案也为轴对称图形，且两者的对称轴相同；

两个第二电极22的形状和大小均相同，两个第二电极22与第三电极23之间的间距相同，且两个第二电极22与第二分部42之间的间距相同。

具体的，壁垒40为t字型结构，且其在衬底基板10所在平面的垂直投影图案为轴对称图形，第一分部41和第二分部42均为轴对称图形，第三电极23在衬底基板10所在平面的垂直投影图案也为轴对称图形，第一分部41、第二分部42和第三电极23的对称轴相同，两个第二电极22与第二分部42之间的间距相同，两个第二电极22沿壁垒40的对称轴相对称设置，两个第二电极22与第三电极23之间的间距相同，且两个第二电极22的形状和大小均相同，因此在给两个第二电极22通相同的电信号，且给第三电极23与第二电极22通不同的电信号时，两个第二电极22与第三电极23形成的电场接近相同，使得液滴能更精准的进行均匀分裂，液滴分裂成的两个小液滴接近相同，从而可实现液滴的大小可控。

继续参考图2、图3和图4，可选的，其中，在垂直于衬底基板10所在平面的方向上，壁垒40的高度大于第一电极21的高度，且大于第二电极22的高度。

具体的，在垂直于衬底基板10所在平面的方向上，壁垒40的高度大于第一电极21的高度，液滴由第一电极21朝向第三电极23的方向移动时，液滴会爬上第一壁垒43的第一分部41；在垂直于衬底基板10所在平面的方向上，壁垒40的高度大于第二电极22的高度，液滴的两端由第一分部41朝向两个第二电极22的两个方向移动时，第二分部42还可以对液滴进行物理分割，进一步提高液滴的分裂效率。

继续参考图2、图3和图4，可选的，其中，第三电极23位于第一分部41远离衬底基板10的一侧。

具体的，壁垒40位于衬底基板10和电极层20之间，在制作时，先在衬底基板的一侧形成多个壁垒40，然后形成电极层20，其中，第三电极23位于壁垒40种第一分部41远离衬底基板10的一侧，工艺制程简单。

图5是本发明提供的另一种通道的平面结构示意图，图6是图5所述的通道沿c-c’的剖面结构示意图，图7是图5所述的通道沿d-d’的剖面结构示意图，参考图5-图7，可选的，其中，第一分部41包括通孔411，第三电极23位于通孔411内。

具体的，壁垒40中第一分部41中设有通孔411，第三电极23设置于通孔411内，液滴在第一电极21内移动并爬上第一壁垒43的第一分部41上时，液滴移动到第一分部41的通孔411内的第三电极23上，液滴在通孔411内时，液滴的形状会随着通孔411的形状发生改变，可通过调节通孔411的形状来调节液滴的形状，使液滴调整为更利于分裂的形状，便于液滴发生分裂，从而进一步提高液滴的分裂效率。

图8是本发明提供的又一种通道的平面结构示意图，参考图8，可选的，其中，第一分部41包括围绕通孔411的侧壁412，侧壁412包括沿第二方向y相对设置的第一侧壁413和第二侧壁414，第一侧壁413和第二侧壁414均沿第一方向x延伸，且第二侧壁414和第二分部42相连接；

第一侧壁413上设有一个第一缺口415，第二侧壁414上设有两个第二缺口416，两个第二缺口416沿第一方向x相对设置于第二分部42的两侧。

具体的，第一分部41包括通孔411和围绕通孔411的侧壁412，第三电极23位于通孔411内，第一分部41中第一侧壁413上设有一个第一缺口415，液滴在第一电极21上移动并通过第一缺口415进入第一壁垒43的第一分部41中，第一缺口415有利于液滴更方便的移动到第一分部41的通孔411内的第三电极23上。第二侧壁414上设有两个第二缺口416，且两个第二缺口416沿第一方向x相对设置于第二分部42的两侧，液滴的两端由第一分部41朝向两个第二电极22的两个方向移动时，两个第二缺口416有利于液滴分裂并移动到两个第二电极22上。

图9是本发明提供的又一种通道的平面结构示意图，图10是图9所述的通道沿e-e’的剖面结构示意图，参考图9和图10，可选的，其中，电极层20还包括第四电极24和第五电极25；

壁垒40还包括第二壁垒44；

通道30还包括四个第四电极24、两个第五电极25和两个第二壁垒44；

每个第二电极22和两个第四电极24对应设置，与同一第二电极22相对应的两个第四电极24位于第二电极22的同一侧，且两个第四电极24沿第一方向x排列

壁垒40还包括两个第二壁垒44，每个第二电极22和与其相对应的两个第四电极24之间均设有一个第二壁垒44，第二壁垒44的第一分部41a位于第二电极22和第四电极24之间，第二壁垒44的第二分部42a位于两个第四电极24之间；

第五电极25和第二壁垒44一一对应设置，第五电极25沿第一方向x延伸，第五电极25在衬底基板10所在平面的垂直投影位于与其相对应的第二壁垒44的第一分部41a在衬底基板10所在平面的垂直投影内。

具体的，每个第二电极22和与其相对应的两个第四电极24之间均设有一个第二壁垒44，第二壁垒44的第一分部41a位于第二电极22和第四电极24之间，第二壁垒44的第二分部42a位于两个第四电极24之间，第五电极25在衬底基板10所在平面的垂直投影位于与其相对应的第二壁垒44的第一分部41a在衬底基板10所在平面的垂直投影内，给第二电极22和第五电极25通不同信号的电位时，经过一次分裂形成的小液滴在第二电极22上移动并爬上第二壁垒44的第一分部41a上；给第五电极25和第四电极24通不同信号的电位时，经过一次分裂形成的小液滴的两端由第一分部41a朝向两个第四电极24的两个方向移动，当小液滴受到的两个方向的电场力均大于小液滴内的张力时，小液滴再次进行分裂形成两个更小的液滴并移动到两个第四电极24上，通过通道30可将液滴分裂成四个更小的液滴。

本实施例提供的微流控装置中，一个通道30可对应于四列驱动电极(图9和图10中未示出)，进一步减少了微流控装置中通道30的数量，从而减小了微流控装置中用于设置通道30所需的空间，有利于微流控装置轻便化设计的趋势。

需要说明的是，本实施例实例性的示出了微流控装置中的通道30可将液滴分裂成四个小液滴，在本发明其他实施例中，微流控装置中的通道30可根据实际生产需求进行设计，将液滴分裂成更多的小液滴，具体的结构设计可参考本实施例中通道30的结构，本发明不再一一赘述。

图11是本发明提供的另一种微流控装置的平面结构示意图，参考图11，可选的，微流控装置还包括溶液池50和呈阵列排布的多个驱动电极60，溶液池50包括初始电极51，初始电极51和驱动电极60均位于电极层20；

通道30的一端与溶液池50相连接，通道30的另一端与在第二方向y上和其最接近的驱动电极60相连接。

具体的，继续参考图11，微流控装置还包括溶液池50，溶液池50包括初始电极51，通道30的一端与溶液池50相连接，给初始电极51和第一电极21通不同信号的电位时，初始电极51和第一电极21之间形成电场，驱动液滴从溶液池50中移动到第一电极21上。

微流控装置还包括呈阵列排布的多个驱动电极60，通道30的另一端与在第二方向y上和其最接近的驱动电极60相连接，给第二电极22和与在第二方向y上和其最接近的驱动电极60通不同信号的电位时，两者之间形成电场，驱动经过通道30分裂得到的小液滴移动到相应的驱动电极60所对应的反应通道(图11中未示出)上，以进行后续的移动和反应。

现有技术的微流控装置中设置有和驱动电极的列数相同数量的通道，用于液滴从溶液池中移动到相应的驱动电极上。与现有技术提供的微流控装置相比，本实施例提供的微流控装置中，一个通道30可对应于两列驱动电极60，溶液池50中的液滴通过通道30移动并分裂成两个小液滴后，两个分裂的小液滴可移动到到与其对应的驱动电极60上进行后续的反应和检测，有效减少了微流控装置中通道30的数量，从而减小了微流控装置中用于设置通道30所需的空间，有利于微流控装置轻便化设计的趋势。

图12是本发明提供的又一种微流控装置的平面结构示意图，参考图12，可选的，溶液池50靠近通道30的一侧设有多个第三缺口52，多个第三缺口52和多个通道30一一对应设置，第三缺口52方便液滴从溶液池50移动到通道30中。

可选的，继续参考图1，微流控装置不包括溶液池50，可通过直接滴定的方式将液滴滴在第一电极21上。

继续参考图5-图7，可选的，微流控装置还包括位于电极层20远离衬底基板10一侧的绝缘疏水层70，绝缘疏水层70覆盖电极层20和壁垒40。

具体的，绝缘疏水层70形成在电极层20远离衬底基板10的一侧，绝缘疏水层70覆盖电极层20和壁垒40，通过绝缘疏水层70可防止液滴渗透进微流控装置内部，减少液滴的损耗，并有助于液滴在通道30上移动。绝缘疏水层70还具有绝缘的作用，由此可以使得第一电极21、第二电极22、第三电极23与液滴电绝缘。绝缘疏水层70还可以起到平坦层的作用，以使得通道30较为平坦。示例性的，绝缘疏水层70可通过特氟龙(teflon)形成，绝缘疏水层70还可以通过无机绝缘材料或有机绝缘材料形成，例如通过树脂形成，本发明对此不进行限制。

继续参考图2-图4，可选的，其中，壁垒40的材料为有机膜。

具体的，有机膜具有单位膜面积制造成本低、膜组件装填密度大的优点，为微流控装置中常用的材料，壁垒40的材料为有机膜，有效减少生产成本。需要说明的是，在本发明其他实施例中，壁垒40还可以采用其他材料制成，本发明在此不再赘述。

图13是本发明提供的一种微流控装置的驱动方法的流程示意图，参考图13，本实施例提供一种微流控装置的驱动方法，应用于上述微流控装置，包括：

步骤101、第一阶段，给第一电极通低电位信号，给第三电极通高电位信号，驱动液滴沿第一电极移动到壁垒中的第一分部上；

步骤102、第二阶段，给第三电极通低电位信号，给两个第二电极通相同电位的高电位信号，驱动液滴的两端由第一分部朝向两个第二电极的两个方向移动并进行分裂。

图14是本发明提供的一种微流控装置的驱动方法下液滴的变化示意图，参考图14，第一阶段，给第一电极21通低电位信号，给第三电极23通高电位信号，第一电极21和第三电极23之前会形成穿过液滴的电场，液滴为具有导电性的液体，液滴会由于电场作用而受力不均匀，从而驱动液滴沿第一电极21移动到壁垒40中的第一分部41上。第二阶段，给第三电极23通低电位信号，给两个第二电极22通相同电位的高电位信号，第三电极23和两个第二电极22之间形成两个相同的电场，从而驱动液滴的两端由第一分部41朝向两个第二电极22的两个方向移动并进行分裂。

继续参考图14，可选的，其中，第一阶段，给两个第二电极22通相同电位的高电位信号；

第二阶段，给第一电极21通低电位信号。

具体的，第一阶段，给第一电极21通低电位信号，给第三电极23通高电位信号的同时，给给两个第二电极22通相同电位的高电位信号，第一电极21和两个第二电极22之间也形成电场，有利于驱动液滴沿第一电极21移动到壁垒40中的第一分部41上。第二阶段，在给第三电极23通低电位信号，给两个第二电极22通相同电位的高电位信号的同时，给第一电极21通低电位信号，第一电极21和两个第二电极22之间也形成电场，进一步驱动液滴的两端由第一分部41朝向两个第二电极22的两个方向移动并进行分裂。

继续参考图11，可选的，其中，微流控装置包括溶液池50，溶液池50包括初始电极51；

驱动方法还包括：

准备阶段，给初始电极51通低电位信号，给第一电极21通高电位信号，驱动液滴从溶液池50中移动到第一电极21上。

具体的，微流控装置包括溶液池50，液滴存储于溶液池50中，溶液池50包括初始电极51。本实施例提供的驱动方法在第一阶段前还包括准备阶段，在准备阶段，给初始电极51通低电位信号，给第一电极21通高电位信号，从而初始电极51和第一电极21之间形成电场，驱动液滴从溶液池50中移动到第一通电极21上。

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

微流控装置包括多个通道，一个通道包括一个第一电极、两个第二电极、一个第三电极和一个壁垒，位于第一电极和第二电极之间的壁垒为第一壁垒，第一壁垒的第一分部位于第一电极和第二电极之间，第一壁垒的第二分部位于两个第二电极之间，第三电极在衬底基板所在平面的垂直投影位于第一壁垒的第一分部在衬底基板所在平面的垂直投影内。给第一电极和第三电极通不同信号的电位时，第一电极和第三电极之前会形成穿过液滴的电场，驱动液滴在第一电极移动并爬上第一壁垒的第一分部上；给第二电极和第三电极通不同信号的电位时，第三电极和两个第二电极之间均形成电场，液滴的两端由第一分部朝向两个第二电极的两个方向移动，当液滴受到的两个方向的电场力均大于液滴内的张力时，液滴进行分裂形成两个小液滴并移动到两个第二电极上。第一壁垒中第一分部沿第一方向x延伸，受附着力的影响，液滴的形状会随着第一分部的形状做相应的改变，可通过调整第一分部的形状来调整液滴的形状，使液滴调整为更利于分裂的形状，从而有效提高液滴的分裂效率。第一壁垒中第二分部位于两个第二电极之间，且第二分部沿第二方向y延伸，在通过电场力对液滴进行分裂后，第二分部有效防止已经分裂的两个小液滴再次发生结合。同时，微流控装置中，一个通道可对应于两列驱动电极，液滴通过通道移动并分裂成两个小液滴后，两个分裂的小液滴可移动到到与其对应的驱动电极上进行后续的反应和检测，有效减少了微流控装置中通道的数量，从而减小了微流控装置中用于设置通道所需的空间，有利于微流控装置轻便化设计的趋势。

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。