一种液滴传输装置

技术领域

本发明涉及微流控技术领域，特别涉及一种液滴传输装置。

背景技术

近20年来，随着芯片实验室(lab-on-chip,LOC)概念的提出，微流控技术对分析科学发展产生了巨大的推动作用。其中，以介电润湿为代表的数字微流控技术(digitalmicrofluidics,DMF)克服了管道、微泵、微阀和微混合器等元件的限制，可以直接利用编程控制对微小液滴进行操控和反应，极大地推进了检测技术的发展和应用。

介电润湿驱动的数字微流控模块一般包括电极列阵，通过程序控制对电极阵列上方的液滴依次施加电压激励，从而驱动液滴沿芯片表面上的既定路径运动，能够实现单一平面上液滴的产生、传输、混合和分割。然而，由于液滴贴着芯片表面运动时会反复通过同一路径，因此现有的平面数字微流控技术无法避免地产生了交叉污染的问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种液滴传输装置，能够实现液滴脱离微流控表面进行传输，减小了出现交叉污染的概率。

根据本发明的第一方面实施例的一种液滴传输装置，包括：

至少两个间隔设置的微流控模块，每个所述微流控模块包括基板和设于基板上的电极阵列，并且相邻的两个所述微流控模块上的电极阵列相互朝向，所述电极阵列能够在脉冲信号的激励下驱动液滴从一个微流控模块运动到另一微流控模块；

驱动控制模块，与所述电极阵列连接以向所述电极阵列发送脉冲信号。

根据本发明实施例的一种液滴传输装置，至少具有如下有益效果：

根据本发明实施例的液滴传输装置，包括至少两个间隔设置的微流控模块、驱动控制模块，每个微流控模块包括基板和设于基板上的电极阵列，并且相邻的两个微流控模块上的电极阵列相互朝向，电极阵列与驱动控制模块连接。驱动控制模块可以向任一微流控模块的电极阵列发送脉冲信号，则电极阵列可以在脉冲信号的激励下产生电场，进而，该微流控模块上的液滴在电场的作用下快速变形，并在脉冲信号结束时迅速回缩，则液滴变形时获得的表面能转化为动能并引发液滴弹跳一定高度，故液滴可以脱离该微流控模块运动到另一间隔设置的微流控模块，实现了液滴在不同微流控模块之间的垂直传输，因此液滴不会因贴着单一表面运动而反复通过同一路径，减小了出现交叉污染的概率。

根据本发明的一些实施例，所述微流控模块还包括介电层，所述介电层设于所述电极阵列上。

根据本发明的一些实施例，所述介电层包括派瑞林、电路板油墨、光刻胶和金属氧化物中的一种或多种。

根据本发明的一些实施例，所述微流控模块还包括疏水层，所述疏水层设于所述介电层上。

根据本发明的一些实施例，所述疏水层包括石蜡、聚四氟乙烯、氟树脂、八氟环丁烷和超疏水层中的一种或多种。

根据本发明的一些实施例，所述微流控模块还包括电容检测模块，所述电容检测模块与所述电极阵列连接以检测电容变化，所述驱动控制模块与所述电容检测模块连接以根据电容变化向所述电极阵列发送脉冲信号。

根据本发明的一些实施例，所述电极阵列包括驱动电极和参照电极，所述驱动电极和所述参照电极在所述基板上交叉排列；所述驱动控制模块与所述驱动电极连接以向所述驱动电极发送脉冲信号，使得所述驱动电极与所述参照电极之间产生电势差。

根据本发明的一些实施例，所述驱动电极采用铜箔、铬、氧化铟锡和导电高分子的一种或多种，所述参照电极采用透明导电材料。

根据本发明的一些实施例，所述驱动控制模块包括供压单元和控制单元，所述供压单元与所述驱动电极连接，所述供压单元能够生成脉冲信号，所述控制单元与所述供压单元连接以控制所述供压单元工作。

根据本发明的一些实施例，所述驱动电极为多个，所述驱动控制模块还包括电极选择单元，所述电极选择单元分别与所述供压单元和各个所述驱动电极连接以控制所述供压单元与各个所述驱动电极之间的通断，所述控制单元与所述电极选择单元连接以控制所述电极选择单元工作。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例中一种液滴传输装置的原理结构框图；

图2为本发明实施例中液滴在相邻微流控模块之间垂直传输的示意图；

图3为本发明实施例中微流控模块驱动液滴弹跳的应用示意图；

图4为本发明实施例中一种液滴传输装置的结构示意图；

图5为本发明实施例中一种微流控模块的结构及电路连接示意图；

图6为本发明实施例中液滴接触微流控模块时产生电容变化的应用示意图；

图7为本发明实施例中液滴弹跳高度与脉冲信号长度的关系示意图。

附图标记：

微流控模块100、基板110、电极阵列120、驱动电极121、参照电极122、电极间距123、介电层130、疏水层140、驱动控制模块200、供压单元210、控制单元220以及电极选择单元230。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-7所示，根据本发明实施例的一种液滴传输装置，包括至少两个间隔设置的微流控模块100和驱动控制模块200。每个微流控模块100包括基板110和设于基板110上的电极阵列120，相邻的两个微流控模块100上的电极阵列120相互朝向，驱动控制模块200与电极阵列120连接以向电极阵列120发送脉冲信号，则电极阵列120能够在脉冲信号的激励下驱动液滴从一个微流控模块100运动到另一微流控模块100。

其中，电极阵列120可以包括多个按阵列排布于基板110上的电极，且电极阵列120具体可采用印刷电极阵列120，对此不做限定。如图2所示，上方微流控模块100的电极阵列120可设于上方基板110的下表面，而下方微流控模块100的电极阵列120可设于下方基板110的上表面，故两个微流控模块100的电极阵列120相对朝向，使得液滴可以在相对朝向的电极阵列120的作用下，保持在两个微流控模块100之间往返运动，实现对液滴在两个微流控模块100之间垂直传输的可控性。

此外，可以根据实际需求调节相邻两个微流控模块100之间的间距，再通过粘性媒介(比如胶)将相邻两个微流控模块100粘接。如图3所示，相邻两个微流控模块100相互平行且间隔设置，则两个微流控模块100之间形成了液滴运动空间。具体的，两个微流控模块100之间还可封装有用于填充液滴运动空间的填充介质，填充介质可以为空气，或者硅油等液体介质，不做具体限定。

如图3所示，当电极阵列120未接收脉冲信号激励时，液滴位于电极阵列120上，液滴与电极阵列120的接触面积较小，且表面能较低。当电极阵列120接收脉冲信号激励，电润湿驱动液滴发生扩展变形，使得液滴的质心下降且表面积增加。当对电极阵列120的脉冲信号结束，液滴回缩变形并质心升高，通过表面能转换为动能驱动液滴弹跳一定高度，故液滴可以脱离该微流控模块100。进而，当液滴的弹跳高度达到相邻两个微流控模块100之间的间距，则液滴可以从一个微流控模块100运动到另一微流控模块100。可见，采用本发明实施例中的液滴传输装置，能够实现液滴在不同微流控模块100之间的垂直传输，因此液滴不会因贴着单一表面运动而反复通过同一路径，无需引入传输管道，即可减小出现交叉污染的概率。

此外，驱动控制模块200还可以通过向驱动阵列中的不同电极依次发送脉冲信号，使得液滴在不同电极的驱动作用下沿着微流控模块100的表面路径运动。以图4为例进行说明，如图4所示，驱动控制模块200先向下方电极阵列120上的一个电极发送一定长度的脉冲信号，则该电极上的液滴会在脉冲信号结束时向上弹跳至上方电极阵列120。之后，驱动控制模块200再依次向上方电极阵列120上从左至右排列的三个电极发送脉冲信号，则液滴可以在这三个电极的电场作用下沿着相应的右行路径移动。最终，当输入上方电极阵列120的脉冲信号均结束，液滴又可以通过形变弹跳至下方电极阵列120。

可见，该液滴传输装置同时实现了液滴在不同微流控模块100之间的垂直传输，以及液滴在同一微流控模块100上的二维平面传输，故提供了更加多样化的三维传输路径，降低了液滴传输路径的重复性。并且，在涉及传热和温控的应用中，具有三维传输功能的微流控模块100还可以实现更高效的热交换，从而缩短反应时间和测试时间。

在本发明的一些实施例中，如图5所示，微流控模块100还可以包括介电层130，介电层130设于电极阵列120上。可选的，介电层130可以包括派瑞林、电路板油墨、光刻胶和金属氧化物中的一种或多种。具体的，当液滴接触微流控模块100的表面时，液滴底面、介电层130和电极阵列120可以构成电容传感器，并随着液滴底面和电极阵列120的重叠面积变化发生电容变化，进而起到变面积式电容传感的效果。

如图6所示，当液滴未接触微流控模块100表面时，液滴底面与电极阵列120没有重叠，此时电容为零。当液滴接触微流控模块100表面，液滴底面与电极阵列120的重叠面积(图6中涂黑部分)增加，则电容也增大，且在液滴达到最大扩展半径时电容达到最大值。

进一步的，在本发明的一些实施例中，微流控模块100还可以包括电容检测模块，电容检测模块与电极阵列120连接以检测电容变化，驱动控制模块200与电容检测模块连接以根据电容变化向电极阵列120发送脉冲信号。也就是说，通过检测电极阵列120上的电容变化可以精准识别液滴与微流控模块100的接触状态，并及时触发对电极阵列120的脉冲信号激励，从而驱使液滴脱离微流控模块100，或者将液滴吸附在微流控模块100表面以便后续控制操作。

在一种实现方式中，电容检测模块可以包括电阻和脉冲计数器，且电极阵列120、电阻和脉冲计数器相互串联。在液滴接触微流控模块100的表面时，相互串联的电极阵列120、电阻和脉冲计数器构成电阻-电容电路(resistor-capacitance circuit，RC电路)，该RC电路可确定基本振荡频率。而，RC电路的电容变化可导致振荡频率变化，且RC电路的振荡频率随电容的增加而减小。基于此，利用脉冲计数器测量液滴分别未接触以及接触微流控模块100表面时的频率差，即可确定液滴接触微流控模块100表面时对应的电容值。在其他实现方式中，电容检测模块还可以采用基于电容器放电量或者放电时间比率的电容测量电路，不做具体限定。

在本发明的一些实施例中，如图5所示，微流控模块100还包括疏水层140，疏水层140设于介电层130上。可选的，疏水层140包括石蜡、聚四氟乙烯、氟树脂、八氟环丁烷和超疏水层140中的一种或多种。还可选的，疏水层140可以与疏水层140接触的填充介质相关。比如，如果填充介质为液体介质，则疏水层140可以包括石蜡、聚四氟乙烯、氟树脂、八氟环丁烷中的一种或多种；如果填充介质为空气，则疏水层140可以采用超疏水层140，便于空气中的液滴脱离微流控模块100的表面。

具体的，超疏水层140可以通过对疏水涂层增加物理粗糙度和表面疏水修饰的方式获得，物理粗糙度的尺寸可以为0.5微米至10微米，而疏水涂层的厚度可以为100纳米至500纳米。此外，由于液滴在超疏水层140的表面容易滑动，因此输入电极阵列120的脉冲信号的电压最小值要超过预设电压值(稍大于0V)，从而保证电极阵列120产生的电场可以起到对液滴的吸附作用。

在本发明的一些实施例中，如图5所示，电极阵列120包括驱动电极121和参照电极122，驱动电极121和参照电极122在基板110上交叉排列。驱动电极121和参照电极122的数目可以为一个或一个以上，且相邻两个驱动电极和参照电极122之间具有电极间距123，对电极数目及间距不做具体数值限定。驱动控制模块200与驱动电极121连接以向驱动电极121发送脉冲信号，使得驱动电极121与参照电极122之间产生电势差。其中，参照电极122可以接地，从而采用了共面参照电极122复合式设计，不需要另外设置接地电极面板。可选的，驱动电极121可以采用铜箔、铬、氧化铟锡和导电高分子的一种或多种，而参照电极122可以采用透明导电材料。

如图6所示，液滴底面在同时接触驱动电极121和参照电极122时，液滴、驱动电极121和参照电极122构成串联电容。具体的，该串联电容的计算公式可满足：

其中，A

在本发明的一些实施例中，驱动控制模块200包括供压单元210和控制单元220，供压单元210与驱动电极121连接，供压单元210能够生成脉冲信号，控制单元220与供压单元210连接以控制供压单元210工作。其中，控制单元220可以以由微控制单元220(microcontroller unit，MCU)或者中央处理器(central processing unit，CPU)及其外围电路构成，不做具体限定。具体来说，控制单元220与电容检测模块连接，控制单元220从电容检测模块获取电容传感信号，并生成控制指令，再将控制指令发送给供压单元210，使得供压单元210按照控制指令指示的脉冲长度生成交流脉冲信号。

进一步来看，液滴在交流脉冲信号的激励下存在衰减的正弦震荡，而对液滴的交流脉冲激励可对应于液滴的特定变形，即对应于驱动液滴垂直传输的表面能。在一些实现方式中，交流脉冲信号长度与液滴弹跳高度有关。如图7所示，y轴表示液滴弹跳高度，y轴的正方向表示液滴弹跳高度增加；x轴表示脉冲信号长度，x轴的正方向表示脉冲信号长度增加。图7中，对原始液滴施加形状a所对应的脉冲长度将液滴变形到形状a，就可以将液滴输送到指定高度y1；对原始液滴施加形状b所对应的脉冲长度将液滴变形到形状b，就可以将液滴输送到指定高度y2，以此类推，形状c、d、e和f分别对应于指定高度y3、y4、y5和y6。可见，通过控制交流脉冲信号长度，即可控制液滴弹跳高度。

需要说明的是，液滴弹跳高度可以满足：

其中，h为液滴弹跳高度，E

具体的，控制单元220可以根据相邻两个微流控模块100之间的间距确定液滴弹跳高度，再基于液滴弹跳高度计算出交流脉冲信号长度，以此生成控制指令，从而实现了对液滴弹跳高度的精准控制，保证液滴运动到另一微流控模块100上。其中，液滴弹跳高度可以大于或等于相邻两个微流控模块100之间的间距，且液滴弹跳高度和交流脉冲信号长度满足：

其中，H为液滴弹跳高度，h

再进一步的，在本发明的一些实施例中，驱动电极121为多个，驱动控制模块200还可以包括电极选择单元230，电极选择单元230分别与供压单元210和各个驱动电极121连接以控制供压单元210与各个驱动电极121之间的通断，控制单元220与电极选择单元230连接以控制电极选择单元230工作，因此，控制单元220可以同时控制对多个驱动电极121的脉冲激励状态，灵活选择并控制驱动电极121向至少一个指定的驱动电极121发送脉冲信号。可选的，电极选择单元230可以包括多个可控开关，且多个可控开关与多个驱动电极121一一对应。如图3所示，控制单元220可以控制可控开关在第一位置和第二位置之间切换，当可控开关处于第一位置时供压单元210与可控开关对应的驱动电极121连通，而当可控开关处于第二位置时供压单元210与可控单元对应的驱动电极121不连通。

在一种实现方式中，控制单元220可以先通过电容检测模块定位电极阵列120上产生电容变化的驱动电极121，再通过电极选择单元230控制产生电容变化的驱动电极121与供压单元210接通，而未产生电容变化的驱动电极121与供压单元210断开，使得供压单元210向产生电容变化的驱动电极121发送交流脉冲信号，因此电场激励的位置与液滴在微流控模块100表面的接触位置相匹配，实现精准的液滴驱动控制。

在另一种实现方式中，控制单元220也可以通过电极选择单元230控制液滴未接触的其他驱动电极121与供压单元210接通，使得液滴在其他驱动电极121的电场激励下朝着其他驱动电极121所在方向移动。

上述微流控模块100和控制单元200均可分别集成于芯片中，获得微流控芯片和控制芯片，而微流控芯片与供压单元之间、以及供压单元与控制芯片之间均可以通过芯片引脚阵列电连接。进一步的，至少两个微流控模块100还可以集成为整个数字微流控芯片，便于实际应用。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。