一种基于EWOD的二维蜂窝状电极阵列数字微流控芯片

摘要

本发明公开了一种基于EWOD的二维蜂窝状电极阵列数字微流控芯片，其包含若干层电极层，该电极层之间通过若干通孔纵向连通，该电极层由若干横向互连的驱动电极形成，该驱动电极呈正多边形，每个驱动电极大小形状相同，每个驱动电极与其相邻的电极电性相反、紧密排列，每个驱动电极与其相邻的驱动电极两两电气绝缘，不相邻的等效的驱动电极电气相连，等效的驱动电极连接一个控制电极。本发明提供的数字微流控芯片具有控制方式新颖精简，阵列规模可无限扩展而电信号数量无需增加，且制作工艺简单、驱动能力强，批量处理程度高，高通量操作等许多优点，弥补了传统数字微流控芯片的不足，极大地拓宽了数字微流芯片的实用功能及应用范围。

说明书

技术领域

本发明属于数字微流控技术领域，涉及一种数字微流控芯片，具体涉及一种基于介质上电润湿（ElectrowettingonDielectric,简称EWOD）驱动的二维蜂窝状电极阵列数字微流控芯片。

背景技术

数字微流控芯片是指以离散液滴为操作对象的微型化芯片，是片上实验室（LOC）自动化操控的重要部分。而基于介质上电润湿效应的数字微流控芯片主要包括驱动和接地电极、介质层、疏水层等部分，是以电压信号对液滴进行操控，因此具有驱动方式简单、驱动力强、操控方便、自动化程度高等许多优点，在LOC领域中具有非常好的发展前景。

对于数字微流控芯片，其批量处理及高通量是其重要功能指标，也是能否应用于芯片实验室的一个瓶颈。而基于介质上电润湿的数字微流控芯片是以电极为控制单元对液滴进行操控，因此需要大量的电极单元。传统的介质上电润湿数字微流控芯片主要有两种电极结构配置：一是分立型电极结构，二是条状电极结构。分立型电极结构是利用一定形状尺寸的分立电极对液滴进行单独操控，每一个分立电极为一个控制单元，需要一个控制信号，这样对于有M×N个控制单元的二维芯片需要M×N个控制信号，这对于多功能批量处理芯片是非常巨大的，而且电极的引线是一个瓶颈。而条状电极结构是利用两套条状的电极相互交叉组成控制单元对液滴进行操控，其优点是可以地大大减少了控制信号，如对于具有M×N个液滴控制单元的芯片只需要M+N个控制信号。但目前基于条状电极结构的数字微流芯片有两种芯片结构，一是两套条状电极均置于芯片的下极板，这样芯片制作困难，控制复杂，且存在易击穿等问题；二是两套条状电极分别置于上下极板，这虽然可以进行有效操控，但这种上极板有驱动电极的双平面芯片不易于光学检测及其它功能的集成、限制了芯片的应用范围。

因此，设计出能够实现单平面二维批量操控，但又具有较少驱动信号，且引线、制作方便的数字微流控芯片具有非常重要的意义，能够解决芯片实验室应用瓶颈以及大大拓宽其应用范围。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于液滴输运的二维数字微流控芯片，利用该芯片，可以用非常简便的引线方式和非常精简的驱动信号实现单平面二维驱动，具有制作简单、操控方便、批量处理程度高、扩展能力强等许多优点，弥补了目前数字微流控芯片的不足。

为达到上述目的，本发明提供了一种基于EWOD的二维蜂窝状电极阵列数字微流控芯片，该数字微流控芯片包含若干层电极层，该电极层之间通过若干通孔纵向连通，该电极层由若干横向互连的驱动电极形成，该驱动电极呈正多边形，每个驱动电极大小形状相同，每个驱动电极与其相邻的电极电性相反、紧密排列，每个驱动电极与其相邻的驱动电极两两电气绝缘，而不相邻（即，间隔）的同一方向的驱动电极电气相连，同一方向的驱动电极连接一个控制电极，等效的驱动电极是指连接一个控制电极，通过该控制电极能驱动液滴向同一方向运输的驱动电极。

所述的通孔是指在纵向上贯穿于多层之间，具备导电性的孔状结构。且，若干电极层之间纵向上的通孔的大小、位置完全相同。

所述的紧密排列是指相邻的正多边形驱动电极最靠近的两条边线平行，且两条边线的中心连线垂直于这两条边线。该间隔为一个统一的较小的尺寸（如30μm,数值并不做具体限定）。本发明中，所述“尺寸”一般指的是特征尺寸，如电极尺寸是指沿液滴驱动方向上有效驱动电极的对角线长度，而液滴尺寸指的是液滴的直径。

所述的驱动电极呈正六边形，每个驱动电极周围有6个驱动电极与其相邻，每个驱动电极与跟其相邻的6个驱动电极两两电气绝缘，而间隔的同一方向的驱动电极电气相连。

所述的电极层的驱动电极呈蜂窝状排列。

本发明的六边形电极的设计应当满足对于一定大小的圆形液滴，当其处于电极稳定位置时，液滴中心与所在驱动电极所在中心重合，液滴边界能够等量地覆盖周围6个驱动电极，以保证液滴能够被邻近6个电极驱动，而且在6个方向上的驱动效果是等效的。

所述的重合指的是在俯视的视角下，所述的液滴与驱动电极的形状轮廓、位置以及大小是完全一致的。

所述的覆盖指的是在芯片某一方向上，液滴的形状投影包含电极形状部分投影，而不是指液滴直接与电极接触；更为具体地，是指电极可以通过施加驱动信号对“覆盖”液滴部分进行操控。

所述的数字微流控芯片还包含：

基板，所述的电极层上设置在该基板上；

在每层电极层上还设置有介质层；及

设置在最外部与液滴直接接触的疏水层。

本发明提出了一种蜂窝型分布的电极结构，该结构可以使用7个控制信号同时控制多个液滴在二维平面上向6个方向运输。该结构整体形状如下：每个电极为正六边形，每个电极与周围6个电极紧密相邻，形成蜂窝状的排列。每个电极与相邻的6个电极电气绝缘，相隔的同一方向的电极以一定方式电气相连。为了形成这种相连方式，需采用多层电极互连的结构，每个驱动电极与一个通孔相连，使用2层导通电极将需要电气相连的通孔连接起来。这样，当蜂窝状电极阵列中无论有多少个六边形电极都只需7个控制信号进行控制，是目前为止，在二维大规模数字微流控芯片的驱动领域最为精简的控制方式。

本发明中，所述“液滴”是指能用于电润湿驱动的溶液滴，其成分可以是单一的生物样品、化学溶液等，也可以是多成分组成，如外面包裹着一层油膜的液滴等，其大小并不限定，可以为次微微升到若干毫升之间。

本发明中，所述“极板”或“电极板”或是指微流控芯片中包含有介电层、电极层、疏水层或者其任意组合的一定器件结构部分。

本发明中，所述“驱动电极”是指芯片实施时对应电极的电压被置成不为0以使电润湿驱动能够发生，所述“接地电极”是指芯片实施时对应电极的电压被置成0或与0足够接近。本发明中，所述“相应电极”是指对某电极加电后，与其相连通的所有驱动电极。

本发明中，所述“通孔”是指在纵向上贯穿于多层之间，具备导电性的孔状结构。

本发明中，所述“连通电极”是指在单层平面上，将不同的通孔相连通的电极。

本发明中，所述“任意路径”是指在二维平面上，将任意数量任意位置依次相邻的驱动电极中心相连后形成的一条不间断的路径。

本发明的最大创新在于设计了一种新型的蜂窝状的驱动电极阵列，利用通孔和多层连通电极将驱动电极以特定方式电气相连。无论驱动电极阵列规模多大，理论上均可使用7个控制信号对其进行完全控制，可实现多个液滴在二维平面上任意路径的驱动。

本发明提供的二维数字微流控芯片具有如下显著优势：

（a）极大地精简了控制信号，对于蜂窝状具有3N*（N+1）+1个液滴操控单元的芯片，其控制信号只需7个，与N的大小无关，是目前二维驱动芯片最为精简的控制方式。

（b）芯片的控制单元理论上可以无限扩展而无需增加驱动信号，可以实现液滴的大批量，高通量操控。

（c）芯片是单平面结构，即所有驱动电极是在芯片同一极板同一平面上，无需上极板结构。

附图说明

图1A、图1B是根据本发明的一种基于EWOD的二维蜂窝状电极阵列数字微流控芯片的两个互成90度的截面结构示意图。

图2A是根据本发明的基于EWOD的二维蜂窝状电极阵列数字微流控芯片在基板100上的第一层用作横向互连的电极层的俯视结构示意图；图2B为第二层横向互连的电极层的俯视结构示意图；图2C为本发明的一种基于介质上电润湿驱动的蜂窝状二维电极阵列数字微流控芯片的电极形状和排布设计以及液滴操控示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。

本发明提供的基于EWOD的二维蜂窝状电极阵列数字微流控芯片并不限定具体的结构配置方式，但优选为单极板单平面的二维芯片结构。应当指出，本实施方式是为了说明目的而提供，而不在意以任何方式限制本发明的范围。

本发明的一种基于介质上电润湿驱动的蜂窝状二维电极阵列数字微流控芯片结构如图1A、图1B所示，在基板100上为第一层用作横向互连的电极101，该电极层的俯视结构如图2A所示，通孔V1-V169通过图中的连通电极CE1-CE39相互连接，其中V1-V7又与控制加电的电极E1-E7相连。通孔可通过对介电层和电极的光刻或镶嵌工艺等方式形成。应当说明，用作基板的材料并不固定，只要绝缘即可，如可以为石英、玻璃、绝缘的硅片等；而电极（包括下面所述的接地电极）可以由任何导电材料组成，其电极大小和间隔及具体电极的个数并不限定，本说明书仅以一定数目及规格的电极为例。而且，本发明的附图只为芯片结构的示意，并不精确反应电极的位置及排布。在第一层电极层的驱动电极上有介质层101，其上有第二层横向互连的电极，其俯视图结构示意如图2B所示，其通孔的位置和大小是与第一层电极完全重合的，通孔V1-V169通过图中的连通电极CE40-CE78相互连接，两层电极间通过通孔进行相连，至此，所有的等效的驱动电极的通孔都与且只与一个控制电极导通，等效的驱动电极（即图2C中所示的具有相同的填充图案的驱动电极）是指共同连接一个控制电极，通过该控制电极能驱动液滴向同一方向运输的驱动电极。第二层电极上有介质层102，其上有第三层电极，即驱动电极，其与相应的电极之间通过通孔进行连接。再之上依次置有介质层103，疏水层104。应当指出，介质层应为绝缘介质材料但并不限定，优选为介电常数较高、抗击穿能力较强的材料。基板100、驱动电极、介质层101，102，103及疏水层104共同构成了器件201。在下极板上为驱动的液滴D，在本数字微流芯片中，通过对某一控制电极施加电压控制信号而将其他电极接地即可以对液滴D达到驱动作用，使之运动到最近的相应电极位置。

图2C是根据本发明的二维数字微流控芯片电极形状和排布设计以及液滴操控示意图。本发明的蜂窝状结构整体形状如下：每个电极为正六边形，每个电极与周围6个电极紧密相邻，形成蜂窝状的排列。每个电极与相邻的6个电极电气绝缘，相隔的等效的电极以一定方式电气相连，即由相同图案填充的六边形电极相互间电气相连。为了形成这种相连方式，需采用多层电极互连的结构，每个驱动电极与一个通孔相连，多层之间的通孔的位置和大小相同，使用2层导通电极将需要电气相连的通孔连接起来。这样，当蜂窝状电极阵列中无论有多少个六边形电极都只需7个控制信号进行控制，是目前为止，在二维大规模数字微流控芯片的驱动领域最为精简的控制方式。对于这样一个由169个驱动电极紧密排列组成的蜂窝状的电极阵列只需要7个控制信号，液滴在二维平面上可以朝0°，60°，120°，180°，240°及360°方向进行输运，实现液滴的二维控制。

满足一定尺寸的圆形液滴D处于某一个初始电极S7上稳定时，液滴的边界部分与周围S1-S6的电极有相同的覆盖面积。电极S1-S7分别与E1-E7电气相连的，而相互间电气绝缘。单对S1所连的E1电极加电而E2-E7置为0时。液滴会运动到S1电极的位置。同样的，我们对单E2-E6电极加电而其余电极置为0时，液滴也会运动到相应的S2-S6电极。这样我们实现了在一个位置上，液滴可以在6个方向上实现二维运动。

当液滴运动到S1电极后，若单E7电极加电而其余电极置为0，液滴会回到原始位置；若单E3电极加电而其余电极置为0，液滴会运动到S3电极处，与原先的运动路径相比有120°的转弯；若对E2电极加电，液滴会继续沿着原运动方向向右侧运动。那么，通过改变电极的加电顺序，可以各类液滴的驱动方式。如直线运输（如E1，E2，E3，E4，E5，E6，E7依次加电），往复（E1，E7依次循环加电），环形运输，以及任意路径的输运等。操控方式灵活多样，操作方法又十分简便，利于实现各类应用功能。

但几个液滴，如D，D’，位于相应的电极时，即其所在驱动电极是电气相连时，其受到完全一致的驱动控制，可以沿着相同的路径进行输运。因此本发明也可以实现液滴的批量运输。

通过以上操控，本发明提供的基于液滴单向输运的二维数字微流控芯片通过非常精简的控制方式即可以实现液滴的二维输运，使用7个电信号即可控制液滴在二维蜂窝状的电极阵列中以任意路径进行输运，而且能够同时驱动多个液滴向相同方向进行输运，实现液滴的批量运输。

综上所述，本发明的芯片通过多层电极复用、合理的电极排布以及精简的控制信号配置，组成单平面蜂窝状液滴控制单元，使用7个控制信号即可以控制3N*（N+1）+1（N可为无限大）个控制单元以实现液滴二维平面6个方向上驱动，是目前二维输运数字微流器件控制方式最为简便灵活的，具有非常显著的优点，解决了传统数字微流控芯片的问题，扩展了数字微流控芯片的应用。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。