專利名稱：基于數(shù)字微流芯片的通用電極結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于數(shù)字微流技術領域，具體涉及一種基于介質上電潤濕的數(shù)字微流芯片的通用電極結構。
背景技術：
基于介質電潤濕效應的數(shù)字微流技術，是指通過在介質結構上施加電壓改變液滴在介質表面的潤濕性能從而改變液滴與界面接觸角以進一步對離散液滴進行操控的微流技術，它具有驅動方式簡單、驅動力強、操控方便、自動化程度高等許多優(yōu)點，是數(shù)字微流領域的主流技術，在LOC領域中具有非常好的發(fā)展前景。基于電潤濕效應的數(shù)字微流芯片從結構上可以分為需要上極板的單面驅動芯片、雙面驅動芯片以及不需要上極板的單面驅動芯片。但其基本結構都是一定的電極配置以及相應的介質層結構。目前的基于介質上電潤濕數(shù)字微流控芯片主要有兩種電極結構配置一是分立型電極結構，二是條狀電極結構。分立型電極結構是利用一定形狀尺寸的分立電極對液滴進行單獨操控，每一個分立電極為一個控制單兀，需要一個控制信號，這樣對于有MXN個控制單元的芯片需要MXN個控制信號。而條狀電極結構是利用條狀的電極結構對液滴進行操控，其優(yōu)點是極大地減少了控制信號，如對于具有MXN個液滴控制單元的芯片只需要M+N個控制信號。一般來說，對于分立型電極結構和條狀電極結構，其電極形狀基本都是規(guī)整的矩形，但也有根據(jù)特殊應用而設計的其它形狀，如能夠增加驅動力的新月形電極、有利于連續(xù)驅動的邊緣鋸齒電極等。但無論是何種電極形狀，傳統(tǒng)的數(shù)字微流控芯片都是專用型的，即一旦電極尺寸設計好后，只能對基本固定大小的液滴進行操控，特別是液滴的產生和輸運，電極的尺寸對液滴的大小有一定的限制，這樣大大減少了數(shù)字微流器件的實現(xiàn)功能及適用范圍。雖然也有報道可以利用微細電極組合及微小條狀電極簇可以對不同大小液滴進行操控，但是這些電極結構首先是由于需要較多的微細電極，因而芯片需要較復雜的控制信號；更為重要的是，這些電極結構的芯片都是非自動控制的，即必須確定液滴的大小才能確定信號的控制方式進而對液滴進行操控，這樣違背了電潤濕數(shù)字微流技術操控方便、自動化程度高的原則，也限制了其具體使用范圍。因此，設計一種通用型的電極結構，能夠對不同大小液滴進行方便、自動操控具有重要意義，這能夠較大拓寬電潤濕數(shù)字微流芯片的實用功能及應用范圍。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的在于提供一種通用電極結構，具有這種電極結構配置的數(shù)字微流器件能夠對一定范圍內不同大小的液滴進行簡單、方便、自動化操控。傳統(tǒng)的電極結構只能驅動尺寸與其相當?shù)囊旱危湓蚴钱斠旱纬叽绫入姌O尺寸小時，液滴位于某一驅動電極上而不能接觸到鄰近驅動電極，因此不能通過鄰近電極加驅動信號將液滴驅動。而本發(fā)明的通用電極結構是在傳統(tǒng)電極結構基礎上，利用叉指電極形式，能夠實現(xiàn)對尺寸比電極尺寸小的不同大小的液滴進行操控。具體的，是將傳統(tǒng)規(guī)則形狀、電極設計成具有較顯著的叉指結構，即鄰近驅動電極通過較長的叉指相互嵌套，當液滴位于一個電極上時，由于鄰近電極的叉指嵌套，它也能接觸到鄰近電極上，這樣當鄰近電極施加驅動信號時，液滴由于接觸到鄰近電極從而被驅動。通過這樣的叉指嵌套，即使液滴的尺寸比電極尺寸小，液滴也能通過接觸鄰近電極的叉指而接觸到鄰近電極，從而能夠對液滴進行操控。本發(fā)明提出的基于介質上電潤濕的數(shù)字微流芯片的通用電極結構，是對原有電極結構的改進。具體來說，電極的中央部分為條形，中央部分的兩側以若干個脈沖形式向外延伸，相鄰兩電極之間，向外延伸部分為相互嵌合，猶如兩手的手指交叉嵌套，故稱該電極為叉指結構電極。本發(fā)明中，所述向外延伸部分為矩形脈沖形式(見圖2所 示)，也可以是三角形脈沖形式(見圖3所示)，或者其它脈沖形式。
本發(fā)明中，通過對電極尺寸的設計，使一定尺寸范圍內不同大小的液滴都能同時接觸到至少三個驅動電極，這樣就可實現(xiàn)一定電極結構能夠對不同大小液滴進行操控。本發(fā)明旨在提供一種通用的電極結構配置使能夠實現(xiàn)對不同大小液滴進行驅動的數(shù)字微流控器件，主要是利用叉指嵌套，這是本發(fā)明的關鍵點之一，但本發(fā)明并不局限于具體的芯片實施結構。如從電極結構上，通用的叉指電極可以設計成分立叉指電極，也可以設計成條狀叉指電極，實現(xiàn)一維或二維的通用驅動；而從驅動結構上，通用驅動電極既可以設置在下極板上，也可以同時設置在上、下極板上，以實現(xiàn)單面或雙面驅動。本發(fā)明提供的通用電極結構所指的驅動不同大小的液滴是相對于電極尺寸來說的，即其大小是以電極尺寸為衡量的，電極尺寸改變后，所能驅動的液滴大小范圍也相應改變。本發(fā)明中，叉指電極的設計應滿足如下條件對于能驅動的最小尺寸液滴，當其位于某一驅動電極中央時，其必須能夠接觸到左右鄰近電極的叉指；當其部分或全部位于驅動電極的叉指上時，必須能夠通過驅動使其最終位于驅動電極中央。本發(fā)明中，所述“叉指”指的是驅動電極的一部分，它是驅動電極延伸出來的細小部分，其形狀并不固定，目的是實現(xiàn)電極間的嵌套；所述的“叉指嵌套”指的是相鄰驅動電極的叉指部分相間排布。本發(fā)明中，所述“尺寸” 一般指的是特征尺寸，如電極尺寸是指沿液滴驅動方向上有效驅動電極寬度，而液滴尺寸指的是液滴的直徑。本發(fā)明中，所述“液滴”是指能用于電潤濕驅動的溶液滴，其成分可以是單一的生物樣品溶液、化學溶液等，也可以是多成分組成，如外面包裹著一層油膜的液滴等，其大小并不限定，可以為次微微升到若干毫升之間。本發(fā)明中，所述“極板”或“電極板”是指微流控芯片中包含有介電層、電極層、疏水層或者其任意組合的一定器件結構部分。本發(fā)明中，所述“驅動電極”是指芯片實施時對應電極的電壓被置成不為0以使電潤濕驅動能夠發(fā)生，所述“接地電極”是指芯片實施時對應電極的電壓被置成0或與0足夠接近。本發(fā)明的最大創(chuàng)新在于利用顯著的叉指形式實現(xiàn)電極間的嵌套，使不同大小液滴在一定情況下能夠接觸三個比液滴尺寸大的驅動電極從而實現(xiàn)不同大小液滴的通用驅動，更為重要的是，不需要檢測液滴大小，直接采用一種通用驅動方式即可實現(xiàn)對不同大小液滴進行操控。本發(fā)明提供的通用電極結構配置具有如下顯著優(yōu)勢
(a)利用傳統(tǒng)的電極結構進行改進，實現(xiàn)簡單，可以配置于傳統(tǒng)的各種芯片結構，適用范圍廣。(b)除了能像傳統(tǒng)結構對一般液滴進行操控外，還能操控尺寸比電極尺寸小的不同大小的液滴。(C)操控大小不同的液滴的范圍可以通過電極尺寸的設計進行改變，可以方便滿 足實際需要。(d)電極的驅動不需要任何改變，無需檢測液滴的大小，直接按照傳統(tǒng)驅動方式即可自動操控大小不同的液滴。


圖I是根據(jù)本發(fā)明的通用電極結構配置的一種單面驅動芯片結構示意圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明的通用電極結構的一種矩形叉指配置方式示意圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明的通用電極結構的一種三角形叉指配置方式示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供的通用電極結構，可以有多種配置方式，可以配置于各種數(shù)字微流芯片實現(xiàn)一維或二維驅動。本實施方式只列舉兩種通用電極結構在一個方向上驅動示意以及一種具體的基于本發(fā)明的通用微流芯片結構。應當指出，本實施方式是為了說明目的而提供，而不在意以任何方式限制本發(fā)明的范圍?；诒景l(fā)明通用電極結構配置的一種微流芯片結構如圖I所示，在基板100上為本發(fā)明的通用電極E1-E8。應當說明，用作基板的材料并不固定，只要絕緣即可，如可以為石英、玻璃、絕緣的硅片等；而電極(包括下面所述的接地電極)可以由任何導電材料組成，其電極大小和間隔及具體電極的個數(shù)并不限定，本說明書僅以一定數(shù)目及規(guī)格的電極為例。在通用電極上有介質層101，其上置有疏水層102。應當指出，介質層應為絕緣介質材料但并不限定，優(yōu)選為介電常數(shù)較高、抗擊穿能力較強的材料?；?00、通用電極E1-E8、介質層101及疏水層102共同構成了器件下極板201。在下極板上為驅動的液滴D，液滴之上為疏水層103，疏水層上置有接地電極104，其上為絕緣基板105。疏水層103、地電極104、上基板105共同構成了器件的上極板202。在本微流芯片中，通過對通用電極E1-E8施加電壓控制信號可以對上下極板間的液滴D達到驅動作用。圖2是根據(jù)本發(fā)明的通用電極結構的一種矩形叉指配置方式示意圖。E1-E5為通用驅動電極，它們以矩形叉指的方式相鄰嵌套，D1-D4為通用電極上的驅動液滴?？梢钥粗罥J，各種不同大小的液滴當位于一個驅動電極中央之上時，都能夠接觸到旁邊兩個驅動電極，這樣鄰近的驅動電極就能對液滴進行操控。如以液滴D3為例，它起始時位于驅動電極E3中央之上，由于本發(fā)明的通用嵌套電極結構，雖然液滴D3尺寸小于電極尺寸，但它也能同時接觸到鄰近電極E2、E4，當通用電極E4施加電壓信號時，液滴D3就會往右運動，最終到達E4位置，從而達到驅動操控目的。應當指出，本通用電極并不是能夠驅動任意小的液滴，液滴的大小必須滿足比嵌套的叉指的尺寸要大，否則，當液滴運動到電極叉指部分的時候，由于液滴左右受力一樣從而發(fā)生滯留不能驅動。圖3是根據(jù)本發(fā)明的通用電極結構的一種三角型叉指配置方式示意圖。E1-E5為通用驅動電極，它們以三角形叉指的方式相鄰嵌套，D1-D4為通用電極上的驅動液滴。與圖2配置方式一樣，本方式同樣能驅動大小不同液滴，如以液滴D3為例，它起始時位于驅動電極E3中央之上，當通用電極E4施加電壓信號時，液滴D3就會往右運動，最終到達E4位置，從而達到驅動操控目的。本配置方式與前一種最大的不同是采用了三角形的叉指配置方式，這種方式的優(yōu)點是能驅動更小尺寸的液滴，因為當小液滴位于三角形叉指電極之上時， 由于液滴左右受力不會平衡，液滴也能驅動，所以液滴尺寸不需要比叉指尺寸小，這種配置方式大大增加了本發(fā)明通用電極驅動大小液滴的范圍。
權利要求
1.一種基于介質電潤濕數(shù)字微流芯片的通用電極結構，其特征在于該電極的中央部分為條形，中央部分的兩側以若干個脈沖形式向外延伸，相鄰兩電極之間，向外延伸部分相互嵌合。
2.根據(jù)權利要求I所述的基于介質電潤濕數(shù)字微流芯片的通用電極結構，其特征在于所述向外延伸部分為矩形脈沖形式，或者為三角形脈沖形式。
3.根據(jù)權利要求I所述的基于介質電潤濕數(shù)字微流芯片的通用電極結構，其特征在于該電極尺寸大小滿足不同大小的液滴都能同時接觸到三個電極。
4.根據(jù)權利要求I所述的基于介質電潤濕數(shù)字微流芯片的通用電極結構，其特征在于該電極為分立通用電極，或者為條狀通用電極，以實現(xiàn)一維或二維驅動。
5.根據(jù)權利要求I所述的基于介質電潤濕數(shù)字微流芯片的通用電極結構，其特征在于該電極設置在下極板上，以實現(xiàn)單面驅動；或者同時設置在上、下極板上，以實現(xiàn)雙面驅動。
6.根據(jù)權利要求I所述的基于介質電潤濕數(shù)字微流芯片的通用電極結構，其特征在于所述的液滴為能用于電潤濕驅動的溶液滴，其成分是單一的或多成分組成生物樣品溶液、或化學溶液。
全文摘要
本發(fā)明屬于數(shù)字微流控技術領域，具體為一種基于介質電潤濕數(shù)字微流芯片的通用電極結構。該電極的中央部分為條形，中央部分的兩側以若干個脈沖形式向外延伸，相鄰兩電極之間，向外延伸部分相互嵌合，成叉指嵌套的方式。該電極結構可增加液滴與鄰近電極的接觸，即使液滴的尺寸比電極尺寸小也能夠被驅動，以此實現(xiàn)自動操控大小不同液滴的通用功能。本發(fā)明具有簡單、方便、自動化程度高等優(yōu)點，極大地拓寬了介質電潤濕數(shù)字微流芯片的實用功能及應用范圍。
文檔編號B01L3/00GK102698822SQ20121019015
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月11日 優(yōu)先權日2012年6月11日
發(fā)明者周嘉, 李嘉, 陳建鋒 申請人:復旦大學