液体操作装置

技术领域

本发明涉及构成为利用静电力使液体移动的液体操作装置。

背景技术

在诸如生物、医疗、药物研发、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems：微电子机械系统)等各种技术领域中，利用静电力操作液体尤其是液滴的EWOD(Electro WettingOn Dielectric：介质上电润湿)得到了人们的关注。尤其是在生物、医疗以及药物研发的技术领域中，EWOD被寄望于用作针对稀少试剂、危险试剂等进行操作处理的技术。

典型的是，利用EWOD的装置(下称为“液体操作装置”)包括基板以及绝缘膜，所述基板具有多个电极，所述绝缘膜具有背面和表面，所述绝缘膜的背面配置并粘合于该基板的表面，所述绝缘膜的表面与其背面相对并且抑制了摩擦阻力，通过使基于向电极施加的电压的静电力发生变化，使液滴在绝缘膜的表面上以滑动方式移动(例如参照非专利文献1)。在前述的液体操作装置中，为了使液滴在抑制了摩擦阻力的绝缘膜的表面上停止于所需位置，适当地调节诸如静电力大小、绝缘膜疏水性以及摩擦阻力等环境条件是重要的。

但是，在适当调节这样的环境条件方面存在困难，并且液体操作装置的液滴控制性能变低。这成为妨碍EWOD普及的一个主要因素。因此，为了提高液滴控制性能，人们提出了各种液体操作装置。

例如，作为这种液体操作装置，可以举出如下的液体操作装置，其构成为具有基板、第一绝缘膜、第二绝缘膜以及第二电极；该基板包括多个第一电极；该第一绝缘膜具有背面和表面，该第一绝缘膜的背面配置并粘合于该基板的表面，该第一绝缘膜的表面与该背面相对并且抑制了摩擦阻力；所述第二绝缘膜，与该第一绝缘膜的表面以隔开间隔的方式配置，并且具有抑制了摩擦阻力的表面；该第二电极，相对于该第二绝缘膜位于与第一绝缘膜相反的一侧；通过使基于向第一电极和第二电极施加的电压的静电力发生变化，液滴在第一绝缘膜与第二绝缘膜之间的空间中沿着第一绝缘膜和第二绝缘膜的表面移动。

此外，具体而言，作为液体操作装置的一个例子，可以举出如下的液体操作装置：第一绝缘膜以及位于该第一绝缘膜与基板之间且由粘合剂构成的粘合层以与第一电极对应的方式配置且形成为具有从第一绝缘膜的表面凹陷下去的凹陷部，并且基板的表面以及沿着该基板的表面所配置的第一电极的表面形成为平坦。在这种液体操作装置中，当形成凹陷部时，以仅使第一绝缘膜和粘合层变形的方式将与凹陷部对应的模具的凸部以规定的加热温度以及以规定的压下时间施加压力推按第一绝缘膜的表面(例如参照专利文献1)。

作为液体操作装置的另一个例子，可以举出如下的液体操作装置：第一绝缘膜以具有从第一绝缘膜的表面凹陷的凹部的方式弯曲，基板具有与第一绝缘膜的凹部对应并贯通基板的孔(例如参照专利文献2)。

作为液体操作装置的又一个例子，可以举出如下的液体操作装置：在第二绝缘膜的表面形成有凹部和凸部，该凸部与第一电极对应配置，液滴在对第一电极施加电压的状态下停止于与该第一电极对应的凸部(例如参照专利文献3)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：美国专利申请公开第2012/261264号说明书

专利文献2：日本特开2007-212943号公报

专利文献3：国际公开第2008/007511号

非专利文献

非专利文献1：Hyojin Ko，另外7人，“Active Digital Microfluidic PaperChips with Inkjet-Printed Patterned Electrodes”，《ADVANCED MATERIALS》，第26卷，第15期，2014年4月16日，第2335至2340页

发明内容

发明要解决的问题

但是，在上述液体操作装置的一个例子中，当在第一绝缘膜形成凹陷部时，以仅使第一绝缘膜和粘合层变形的方式设定加热温度、压力、压下时间等加工条件。但是，适当地设定这样的加工条件是困难的。另外，在上述液体操作装置的另一个例子中，当在第一绝缘膜形成凹部时，在基板上形成孔的加工是必要的。这样在基板上形成孔的操作会使液体操作装置的制造效率降低。在上述液体操作装置的又一个例子中，由于液滴会从凸部向凹部移动，所以无法有效地使液滴停止于与第一电极对应的位置。因此，液滴的控制性能变低。

鉴于这样的实际情况，对于液体操作装置希望提高液体尤其是液滴的控制性能并且提高装置的制造效率。

解决问题的手段

为了解决上述问题，本发明一实施方式的液体操作装置配置如下：包括基板、多个电极以及绝缘膜，所述基板以具有柔性的方式形成为片状或膜状，所述多个电极配置于所述基板的表面上，所述绝缘膜以覆盖所述多个电极的方式配置于所述基板的表面上；所述绝缘膜具有背面和表面，所述绝缘膜的背面朝向所述基板的表面；所述绝缘膜的表面，相对于所述绝缘膜的背面位于所述绝缘膜的厚度方向的相反一侧，利用通过对至少一个所述电极施加电压而产生的静电力，使液体在所述绝缘膜的表面上移动；其中，所述绝缘膜具有多个凹坑，所述多个凹坑分别位于与所述多个电极对应的位置，并且以在从所述绝缘膜的表面朝向所述绝缘膜的背面的凹方向上凹陷的方式弯曲；各电极具有凹坑对应部，所述凹坑对应部跟位于与电极对应的位置的所述凹坑一起以在所述凹方向上凹陷的方式弯曲。

发明的效果

在本发明一实施方式的液体操作装置中，能够提高液体尤其是液滴的控制性能，并且能够提高制造效率。

附图说明

图1示意性地示出第一实施方式的液体操作装置的俯视图。

图2是图1的A-A线剖视图。

图3的(a)、(b)以及(c)是在沿着图1的B-B线切断的状态下分别示意性地示出液滴移动前、液滴移动中以及液滴移动后的液体操作装置的剖视图。

图4的(a)、(b)以及(c)是在沿着图1的A-A线切断的状态下分别示意性地示出凹坑形成加工前、凹坑形成加工中以及凹坑形成加工后的液体操作装置的剖视图。

图5是在沿着相当于图1的A-A线切断的状态下示意性地示出第二实施方式的液体操作装置的剖视图。

具体实施方式

针对第一实施方式和第二实施方式的液体操作装置进行说明。

在本发明的说明书中，“膜”是指具有约200μm(微米)以下的厚度的膜状物体，并且“片”是指具有超过约200μm的厚度的膜状物体。

“第一实施方式”

针对第一实施方式的液体操作装置进行说明。

“关于液体操作装置的概略说明”

首先，参照图1以及图2对本实施方式的液体操作装置示意性地进行说明。液体操作装置具有基板1，所述基板1以具有柔性的方式形成为片状或膜状。基板1具有背面1a以及表面1b，所述表面1b相对于所述背面1a位于基板1的厚度方向的相反一侧。

液体操作装置具有多个电极2，所述多个电极2配置于基板1的表面1b上。液体操作装置具有绝缘膜3，所述绝缘膜3以覆盖多个电极2的方式配置于基板1的表面1b上。液体操作装置能够利用对至少一个电极2施加电压而产生的静电力来使液体L尤其是液滴L在下面叙述的绝缘膜3的表面3b上移动。

在这样的液体操作装置中，绝缘膜3具有背面3a以及表面3b，背面3a朝向基板1的表面1b，表面3b相对于背面3a位于绝缘膜3的厚度方向的相反一侧。绝缘膜3还具有多个凹坑4，所述多个凹坑4在从绝缘膜3的表面3b朝向绝缘膜3的背面3a的凹方向上凹陷的方式弯曲。多个凹坑4以分别与多个电极2对应的方式配置。各电极2具有第一凹坑对应部5，所述第一凹坑对应部5跟位于与各电极2对应的位置的凹坑4一起以在上述凹方向上凹陷的方式弯曲。

此外，对于绝缘膜3的表面3b优选向外部开放。对于各电极2优选形成为大于与其对应的凹坑4。

“关于基板的详细说明”

参照图1及图2对基板1进行详细说明。即，对于基板1优选以下面的方式来构成。在图2中，基板1形成为以与电极2对应的方式具有凹陷的凹部1c。此外，基板1具有多个第二凹坑对应部6，所述多个第二凹坑对应部6分别与电极2的多个第一凹坑对应部5对应并在凹方向上凹陷。第二凹坑对应部6配置于凹部1c内。基板1的背面1a形成为平滑或平坦。但是，基板也可以在不具有凹部的一方具有第二凹坑对应部，例如可以使用喷墨打印机等印刷机使电极能够承载于所述基板上。

基板1优选使用纸、树脂等来构成。在此，“纸”是指通过使植物纤维、其它纤维等胶合制造而成的纸，可以添加多孔体等无机物、合成分子等有机分子。“树脂”是以天然和/或合成高分子化合物材料为主成分的树脂，可以是还包含纤维、无机物等的复合材料，特别优选为容易利用热进行加工的热塑性树脂。特别优选基板1能够弯曲，进一步优选基板1为使用剪刀、切刀等利器能够容易切断。

此外，以使基板1具有柔性的方式设定基板1的厚度。例如，在基板1使用纸构成或是纸的情况下，基板1的厚度可以约为100μm～200μm。在基板1是树脂或使用树脂构成的情况下，基板1可以是厚度为约200μm以下的膜，或者可以是其厚度大于约200μm的片。优选基板1不使用玻璃、硅来构成。但是，本发明的基板的材料及厚度的关系不限于此。另外，对于基板1的厚度可以设定为以使基板1具有柔性的同时能够使基板1的背面1a在后述用于形成凹坑4的凹坑形成加工后在第二凹坑对应部6处保持平滑或平坦的形状。

“关于电极的详细说明”

参照图1、图2及图3的(a)～图3的(c)，对电极2进行详细说明。即，电极2优选以下面的方式来构成。电极2由导电材料来构成。导电材料优选为金属、碳、金属氧化物、含有这些材料中的至少一种的材料等。电极2也形成为膜状。作为一个例子，可以利用导电墨形成电极。所述电极2的厚度设定成通过后述的凹坑形成加工能够使电极2与绝缘膜3一起塑性变形。

电极2具有背面2a以及表面2b，背面2a朝向基板1的表面1b，表面2b相对于背面2a位于电极2的厚度方向的相反一侧。电极2还具有外周部2c，外周部2c相对于第一凹坑对应部5位于外周侧。外周部2c沿着基板1的表面1b配置。

在图2中，电极2配置于基板1的凹部1c内，并且电极2的表面2b与基板1的表面1b大致一致。但是，如上所述，当基板在不具有凹部的一方以具有第二凹坑对应部的方式形成的情况下，电极的外周部可以在基板表面上以从基板表面突出的方式配置。

多个电极2在基板1的表面1b上彼此以隔开间隔的方式配置。此外，多个电极2在基板1的表面1b上配置成m行且n列的矩阵状(行列状)。另外，m为1以上的整数并且n为2以上的整数，或者m为2以上的整数并且n为1以上的整数。在图1中，作为一个例子，12个电极4配置成3行且4列的矩阵状。但是，多个电极的配置不限于矩阵状，多个电极只要配置成能够带来意欲使液体移动的所需移动路径即可。例如，多个电极可以配置成使它们的形状不限于大致六边形的蜂巢矩阵状。

如图3的(a)～图3的(c)所示，这样的多个电极2与电路C连接，电路C可以分别对多个电极2施加电压。在图1中，电路C配置于基板1的外部。但是，本发明不限于此，电路的至少一部分也可以配置于基板上。例如，作为电路的一部分的布线等也可以配置于基板上。

另外，在图3的(a)～图3的(c)中，为了说明分别对多个电极2施加电压的状态，作为一个例子，示意性地示出了包括开关、电源、接地等的电路C。但是，与多个电极连接的电路不限于图3(a)～图3(c)的电路C，只要能够分别对多个电极施加电压以能产生用于使液滴停止和移动的静电力，则电路C可以是任意构成方式。

“关于绝缘膜的详细说明”

参照图1以及图2，针对绝缘膜3进行详细说明。即，对于绝缘膜3优选以下面的方式来构成。绝缘膜3优选为具有电绝缘性，并且绝缘膜3尤其是绝缘膜3的表面3b优选具有疏水性。因此，绝缘膜3优选使用具有电绝缘性及疏水性的材料来构成。所述材料优选为例如氟系树脂等具有电绝缘性及疏水性的树脂等。另外，可以使用具有疏水性的材料或者具有电绝缘性及疏水性的材料来构成绝缘膜的表面，并且可以使用具有电绝缘性的材料来构成绝缘膜的表面以外的部分。

绝缘膜3的凹坑4具有开口部4a以及开口缘部4b，开口部4a在绝缘膜3的表面3b开口，开口缘部4b以包围开口部4a的方式位于开口部4a的周缘。开口缘部4b形成为大致圆形状。但是，开口缘部的形状不限于大致圆形状。例如，开口缘部可以形成为大致四边形状、大致六边形状等大致多边形状、大致椭圆形状等。另外，开口缘部也可以形成为具有弯曲的角。

凹坑4还具有底部4c，所述底部4c与开口部4a在绝缘膜3的厚度方向上相对并且相对于开口部4a位于绝缘膜3的背面3a侧。凹坑4具有周壁部4d，所述周壁部4d在开口缘部4b与底部4c之间延伸。底部4c形成为在凹方向上凹陷的大致圆弧形状。但是，底部的形状不限于大致圆弧形状。例如，底部可以形成为大致平坦形状。底部也可以形成为在凹方向上凹陷的大致锥体形状。

周壁部4d形成为随着从开口缘部4b去往底部4c而变窄。周壁部4d形成为在凹方向上凹陷的大致圆弧形状。但是，周缘部的形状不限于这样的大致圆弧形状。例如，周壁部可以形成为在开口缘部与底部之间大致直线状地延伸。

在这样的凹坑4中，在凹方向上凹陷的大致圆弧形状的底部4c以及周壁部4d的曲率实质上变成相等。但是，大致圆弧形状的底部以及周壁部的曲率也可以彼此不同。此外，将凹坑4的最大深度、凹坑4的开口缘部4b的大小、凹坑4的形状等确定为：能够在配置有凹坑4的位置定量地且稳定地保持液体L尤其是液滴L，另一方面能够使与凹坑4嵌合的液体L尤其是液滴L顺畅地移动。

“关于液体的移动操作”

参照图1以及图3的(a)～图3的(c)，针对本实施方式的液体操作装置的液滴L的移动操作进行说明。首先，如图1以及图3的(a)所示，液滴操作装置成为针对一个电极2施加电压并且对剩余的电极2或者该一个电极2周围的电极2施加比该一个电极2的电压低的电压或者不施加电压的第一电压施加状态。利用在第一电压施加状态产生的静电力以及液滴L和与上述一个电极2对应的一个凹坑4的嵌合，液滴L定量地且稳定地保持在配置有该一个凹坑4的第一停止位置。

接着，如图3的(b)所示，使液滴操作装置成为对与上述一个电极2相邻的另一个电极施加电压并且对剩余的电极2或者该另一个电极2周围的电极2施加比该另一个电极2的电压低的电压或者不施加电压的第二电压施加状态。此时，位于上述第一停止位置的液滴L被在第二电压施加状态下产生的静电力拉向配置有与上述另一个电极对应的另一个凹坑4的第二停止位置，并且从第一停止位置向第二停止位置移动。

其后，如图1以及图3的(c)所示，利用在第二电压施加状态下产生的静电力以及液滴L向上述另一个凹坑4的嵌合，液滴L可靠地停止在第二停止位置，并且定量地且稳定地保持在第二停止位置。尤其是，从第一停止位置去往第二停止位置的液滴L利用上述另一个凹坑4能够以对抗该液滴L的惯性力的方式可靠地停止在第二停止位置。另外，在图1中，液滴L用虚线即双点划线示出。

“关于凹坑的形成方法”

参照图4的(a)～图4的(c)针对本实施方式的液体操作装置的凹坑4的形成方法进行说明。首先，如图4的(a)所示，在凹坑4的形成前的液体操作装置中，在绝缘膜3、电极2以及基板1形成为大致平坦的状态下，将电极2配置于基板1上，将绝缘膜3以覆盖电极2的方式配置于基板1上。

接着，如图4的(b)所示，针对凹坑4的形成前的液体操作装置施行如下加工：使下模D与基板1的背面1a抵接，并且将上模U针对绝缘膜3的表面3b以规定的推按压力来施行规定的推按时间的推按施压加工(以下根据需要称为“凹坑形成加工”)。在所述的凹坑形成加工中，与基板1的背面1a抵接的下模D的抵接面d1形成为大致平坦，并且与凹坑4对应的凸部u2形成在与绝缘膜3的表面3b抵接的上模U的抵接面u1上。此外，优选在将上模U加热到规定的加热温度的状态下进行加工。凹坑形成加工的推按压力、推按时间以及加热温度优选调节成能够适当地塑性形成绝缘膜3的凹坑4及电极2的凹坑对应部5。所述的凹坑形成加工优选为模压加工，但是不限于此。

此外，如图4的(c)所示，经过规定的推按时间后，如果将上模U及下模D从液体操作装置分离，则绝缘膜3的凹坑4形成为以在凹方向上凹陷的方式弯曲的状态，并且电极2的凹坑对应部5形成为跟位于与其对应的位置的凹坑4一起以在凹方向上凹陷的方式弯曲的状态。另一方面，基板1的背面1a保持为平滑或平坦。

上面，在本实施方式的液体操作装置中，绝缘膜3具有多个凹坑4，所述多个凹坑4位于与多个电极2分别对应的位置，并且以在从绝缘膜3的表面3b朝向绝缘膜3的背面3a的凹方向上凹陷的方式弯曲，各电极2具有凹坑对应部5，所述的凹坑对应部5跟位于与各电极2对应的位置的凹坑4一起以在凹方向上凹陷的方式弯曲。因此，在绝缘膜3的表面3b上，利用凹坑4能够有效地使液体L停止于所需位置。因此，在液体操作装置中，能够提高液体L尤其是液滴L的控制性能。另外，由于各电极2形成为具有上述那样的凹坑对应部5，因此，为了形成凹坑4，在以容许电极2变形的方式施加强力的状态下，可以进行将绝缘膜3、电极2及基板1一体化地从绝缘膜3的表面3b挤出的凹坑形成加工，例如模压加工。其结果，能够容易地将凹坑4形成为所需形状，进而能够提高液体操作装置的加工精度。由此，能够提高液体操作装置的制造效率。

在本实施方式的液体操作装置中，绝缘膜3的表面3b向外部开放。因此，能够使绝缘膜3的表面3b侧的液体操作装置的构成变得简单，因而能够提高液体操作装置的制造效率。

在本实施方式的液体操作装置中，各电极2形成为比与其对应的凹坑4更大。因此，在通过凹坑形成加工例如模压加工在绝缘膜3上形成凹坑4时，能够一边压住位于比凹坑4更靠凹坑4的外周侧的电极2的外周部2c而一边仿照凹坑4来稳定地形成电极2的凹坑对应部5。因此，能够提高液体操作装置的制造效率。

“第二实施方式”

针对第二实施方式的液体操作装置进行说明。除了基板以外，本实施方式的液体操作装置与第一实施方式的液体操作装置同样地构成。对于这样的本实施方式的构成要素，在与第一实施方式的构成要素相同的情况下，赋予与该第一实施方式的构成要素相同的附图标记。

如图5所示，除了下面叙述的点以外，本实施方式的液体操作装置具有与第一实施方式的基板1相同构成的基板11。基板11具有与第一实施方式的基板1的背面1a、表面1b以及凹部1c分别相当的背面11a、表面11b以及凹部11c。基板11具有与第一实施方式的多个第二凹坑对应部6分别相当的多个第二凹坑对应部16。

基板11的各凹坑对应部16跟位于与其对应的位置的电极2的凹坑对应部5以及绝缘膜3的凹坑4一起以在所述凹方向上凹陷的方式弯曲。所述第二凹坑对应部16配置于凹部11c内。这样的基板11的背面11a以在第二凹坑对应部16突出的方式形成。此外，对于上述基板11的厚度设定为能够通过凹坑形成加工来使得基板11可与电极2及绝缘膜3一起塑性变形。

这样的本实施方式的液体操作装置的液滴L的移动操作与第一实施方式的液滴L的移动操作相同。另外，本实施方式的凹坑4的形成方法虽然没有特别地进行图示，但是如上所述，除了与突出的第二凹坑对应部对应地设置了向下模的抵接面凹陷的凹部这一点以外，与第一实施方式的凹坑的形成方法相同。

上面，在本实施方式的液体操作装置中，除了与第一实施方式的液体操作装置的作用效果相同的作用效果以外，还能够得到以下所述的作用效果。即，在本实施方式的液体操作装置中，基板11具有多个凹坑对应部16，所述多个凹坑对应部16位于与多个凹坑4分别对应的位置，基板11的各凹坑对应部16跟位于与其对应的位置的电极2的凹坑对应部5以及绝缘膜3的凹坑4一起以在凹方向上凹陷的方式弯曲。

因此，为了形成凹坑4，能够在以容许除了使电极2变形以外还使基板11变形的方式施加更强力的状态下进行将从绝缘膜3、电极2以及基板11从绝缘膜3的表面3b一体化地挤出的凹坑形成加工例如模压加工。其结果是，能够容易地将凹坑4形成为所需形状，进而能够提高液体操作装置的加工精度。由此，能够提高液体操作装置的制造效率。

至此为止，针对本发明的实施方式进行了说明，但是本发明不限于上述实施方式，可以基于本发明的技术思想进行变形及变更。

工业实用性

本发明的液体操作装置可以组装入便携性且一次性的自动批量式的设备、分析测定装置等中进行使用。作为这样的设备，例如可以举出试剂成分传感器、试剂配合处理装置、试剂成分自动选定机、微小封闭环境型无菌单离细胞培养器、按细胞种类个别配置的人工脏器合成器等，但是该设备不局限于这些。

附图标记说明

1、11：基板； 1b、11b：表面； 2：电极； 3：绝缘膜；

3a：背面； 3b：表面； 4：凹坑；

5：第一凹坑对应部； 16：第二凹坑对应部。