[发明专利]一种微流控芯片的磁耦合谐振式无线电能传输装置

说明书

本发明公开了一种微流控芯片的磁耦合谐振式无线电能传输装置，包括：谐振模块和电源模块，谐振模块位于电源模块正上方；电源模块用于产生高频激励源，为谐振模块供电，同时可通过调节电源和线路阻抗参数进行电源匹配，产生不同频率、不同幅值的信号，以适应各种不同的生物磁性微粒对电磁场强度的要求；谐振模块用于产生磁耦合谐振实现无线电能高效传输。本发明将磁耦合谐振式无线电能传输与微流控芯片结合，从结构上实现有线向无线的跨越，在保证产生高梯度磁场的同时，完全消除了有线式充电对微流控芯片产生的外部磁场干扰，克服了以往磁驱动型微电流芯片线路结构繁冗、微电极制造成本高昂的问题。

技术领域

本发明属于微电子领域，更具体地，涉及一种微流控芯片的磁耦合谐振式无线电能传输(Wireless-Power-Transmission，WPT)装置。

背景技术

微尺度下，通过操纵电磁场来诱导生物磁微/纳米微粒进行聚拢和分离，具有很强的可控性和灵活性。与传统技术相比，磁泳型微流控芯片具有样品需样量低、高检测速度、高精细化和可控化等优势，已逐渐发展成为进行生物分离技术研究的重要手段。

目前的微电流陷阱一般倚赖外部充电式线圈产生激励，经由导线连接至芯片上固定的微电极。常用线圈类型包括迂回型、矩阵型、单线圈型、螺旋形等，基本能够满足部分磁性生物微粒进行重新分布的最低能量要求，使其在外加磁场作用下产生相互磁作用力从而发生分离或团聚。但是这种由外充式线圈供能的微流控芯片应用范围窄，操作难度大，主要存在以下几个问题：

(1)为了提高流体中磁性微粒在低磁场力作用下的捕获效率，必须在磁微/纳米尺寸下产生较大梯度磁场力。现有的微流控技术中选择线圈参数时，一方面要使电流最小值仍然足以产生驱使生物微粒移动的磁场力，必须加绕线圈或提高微电流幅值，另一方面又受限于线圈体积的阈值，以及热效应对于生物微粒对象的影响，难以确保微电流最大值不超过线圈电阻发热的极限；

(2)微电极与外部电源连接时由于存在进出线，在微流控芯片板上往往不是一个闭合形状，两端走线长度有时会达到中心线圈的数十倍，其激发的外部磁场必定对芯片中央生物微粒分离产生一定影响，使中心磁场梯度分布不均，不利于开展高精度生物粒子分离研究；

(3)微流控芯片尺寸通常在微米级别，其线圈从芯片板上引出的正负电源线线径极细，体积极小，导致外界对其充放电都相当不方便，难以妥善保管。

为了提高微流控芯片分离效率，我单位曾于2016公开中国专利CN205538421U“一种基于微流控芯片的磁分离装置”，其中提出一种基于双层亥姆霍兹线圈的微流控芯片磁分离装置，其采用磁场叠加的方式以增强梯度磁场，但两线圈必须依赖微电极外接电信号，由此带来的接触电阻、电导线的热效应和磁效应等问题，对于装置绝缘和散热性能提出了较高的要求；针对微电极加工工艺复杂、成本高昂的问题，中国专利CN108479875A公开了一种以磁性驱动方式代替电驱动方式的数字微流控芯片平台，通过顶杆调节磁体与芯片距离来控制磁力大小，但机械结构较为复杂，且通过该方法产生磁场的方向可控性较差；某些特殊的生物微粒涉及到必须使用离心力驱动微流控芯片，在传统的有线充电方式下，电源与快速转动的微流控芯片之间的连接难以满足需求，经过科研人员研究，提出了用外部供电线圈作为转动的微流控环形线圈激励源的无线电能传输思路，供电线圈端连有交变电源以产生交变电磁场，类似技术见中国专利CN105717186A“回转式介电电泳微流控分析装置”，但无线电能传输方法中传输效率是一个关键性问题，该专利并未就此问题作出阐述。当前，如何保证电磁能量在微流控芯片中的高效传输成为构建无线充电式微流控芯片装置的技术难点。

综上所述，在微流控领域，磁泳控制式微流控芯片由于其性能优越、应用广泛，已经成为目前研究的热点问题。当前普遍采用电极外接电源驱动式微电子系统，加工难度大，成本高，其引线对集成芯片产生的电磁噪声影响已经成为微流控实验中的误差源之一。

发明内容