[发明专利]基于电润湿的单面二维驱动数字微流控芯片

说明书

技术领域

本发明属于数字微流控技术领域，具体涉及一种单面二维驱动数字微流控芯片。

背景技术

作为芯片上实验室（LOC）自动化操控的重要部分，微流控芯片技术一直在不断发展，已经出现了基于各种驱动方式、各种结构的芯片，而基于电润湿效应的数字微流控芯片由于驱动方式简单、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。

传统的基于电润湿效应的数字微流控芯片从结构上可以分为单面驱动结构和双面驱动结构。双面驱动结构即液滴置于上下两层电极板之间，两层电极板中均含有驱动条状电极，且上下极板的电极垂直布置，通过分别对上下极板施加驱动电压或接地从而驱动极板间液滴实现二维运动。这种芯片结构的电极用作驱动电极和地电极，因此每个电极至少需要两个控制信号，增加了外围电路的复杂性，而且由于芯片上下两面板均有电极，不利于芯片功能的集成。单面驱动结构又有两种类型：一是需要上极板作为接地板的单面结构；二是可以完全不用上极板的单面结构。第一种结构是将所有驱动电极置于下层电极板上，而上层电极板仅用作接地因而不需要特殊电极制作，液滴置于两层板之间，通过上极板接地，下极板施加驱动电压可以实现液滴二维运动。这种结构上极板没有驱动电极因而可以实现一定的芯片功能集成，例如上极板用透明的导电玻璃接地，可以透过上极板对液滴实现光学检测等。但是这种功能集成是有限的，其原因是上极板仍然需要具有接地功能且与驱动液滴接触，各种功能的集成必须以此为基础，具有一定的局限性。而第二种类型的单面芯片结构完全可以不需要上极板，其原理是把驱动电极和地电极均集成在下极板上，这样，液滴直接在下极板上运动，可以不用上极板，集成上比第一种结构有较高自由度，例如因为没有上极板阻碍可以有效地对液滴进行光学检测等。另外，上极板也可以集成各种功能后加在液滴上，如利用上极板做成加热和传感电极对液滴进行温控从而实现集成PCR芯片等。这种单面结构芯片具有较好的应用前景，但是目前基于这种结构提出的芯片都是采用分立型的驱动电极，即每一个电极做成分立的单个形状，充当驱动电极或地电极，这些结构的驱动电路复杂度随着电极数增加而倍增，其驱动能力不如用上极板接地的单面结构，更重要的是，目前只能实现一维的驱动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不需上极板的单面的且能实现二维高效驱动的微流控芯片。

本发明提供的单面的能实现二维驱动的数字微流控芯片，是将地电极和驱动电极集成在同一电极层上；为了增加驱动能力、减少驱动控制信号，本发明还将驱动电极和地电极功能分开，即只对驱动电极施加驱动信号而不会使之接地，而接地电极只用作接地；为了实现有效二维驱动，本发明采用双层条状电极结构代替传统分立电极。

具体而言，本发明提供的单面的能实现二维驱动的数字微流控芯片，其结构为：在基板上有两个相互垂直布置的由若干条状电极组成的驱动电极层，两个驱动电极层之间有第一介电层隔开；下面分2种情形：

第一种，在上层驱动电极层上有第二介电层，在第二介电层上制作有一由若干条状电极组成的接地电极层，在接地电极层上设有一疏水层；即本发明包括两个条状驱动电极层、两个介电层、一个接地电极层、一个疏水层，液滴在电极层上面实现驱动。另外，所述接地电极层的条状电极与两个驱动电极层中某一驱动电极层中的条状电极，在空间位置上一、一对应，比如是上下一、一对应。 

第二种，由若干条状电极组成的接地电极层与上层的驱动电极层集成在同一平面上，即把接地电极层的各单个条状电极依次布置在上层驱动电极层的各个单个条状电极之间空隙中；在接地电极层与上层的驱动电极层集成的平面上为第二介电层；在第二介电层上为有一疏水层；当第二介电层为疏水材料时，所述的疏水层省去；即本发明只包含两个条状驱动电极层（包括一个条状接地电极层）、两层介电层，或者一层疏水层（当最上层介电层为疏水时，额外的疏水层可以省去），简化了芯片实现的工艺步骤，而芯片的驱动方式不变。 

本发明中，为了保证有效接地，接地电极层的各个单个条状接地电极的宽度最好小于驱动电极层的各个单个条状电极的宽度。

本发明中，条状电极的宽度设计与位置布置满足如下条件：一定大小的液滴无论在芯片上任何位置、作何种运动，都能至少位于某一驱动电极层的相邻两个条状电极和接地电极层的一个条状电极上，从而使驱动信号能够顺利接地而无需额外的上极板接地，这是本发明关键点之一。实现这一要求，一般只要将驱动电极层中条状电极的宽度与间距满足：任何相邻的2个条状电极的中心距小于液滴的直径即可。