TW201843443A - 微流體晶片 - Google Patents

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Abstract

提供一種微流體裝置，其包括一基板以及嵌入基板中的微流體子晶片。一電場被施加在一對相鄰之微流體子晶片之間以將一流體液滴從該對相鄰之微流體子晶片中的一個移動到該對相鄰之微流體子晶片中的另一個。

Description

微流體晶片
本發明係有關於一種微流體晶片。
發明背景 數位微流體（DMF）是一種離散流體液滴在嵌入一基板中的微流體晶片上***作的技術。離散流體液滴的操作範圍為微升（10-6 L）至微微升（10-12 L）。流體液滴係使用管道或通道執行操作。然而，使用管道和通道產生大體積傳輸，從而導致浪費和時間效率低下。
依據本發明之一實施例，係特地提出一種裝置，包含：一基板；以及多個嵌入該基板中的微流體子晶片，其中一電場被施加在該等多個微流體子晶片中一對相鄰之微流體子晶片之間，以將一流體液滴從該對相鄰之微流體子晶片中的一個移動到該對相鄰之微流體子晶片中的另一個。
較佳實施例之詳細說明 本文揭露一例示微流體裝置（晶片），其使用電場促成離散流體液滴從一個微流體子晶片移動到另一個微流體子晶片。一般使用管道，通道，毛細管作用等使流體在微流體晶片之間移動。然而，藉由習用技術移動流體會產生大體積（怠體積），其增加了將流體在晶片間傳輸的時間從微流體晶片。另外，大量的傳輸流體通常導致流體浪費。本申請標的揭露藉由提供一微流體裝置克服這些缺點，該微流體裝置施加電場於被支持在一共同基板上的相鄰共面微流體子晶片之間的一間隙中，由此電場促進離散流體液滴從一微流體子晶片移動到另一個微流體子晶片。
圖1是促成離散流體液滴（在下文中稱為「液滴」）在相鄰微流體子晶片之間移動的例示微流體晶片（裝置）10的頂視圖。如本文中所使用，液滴可以是微流體範圍內的一體積之流體（例如，微升（10-6 升）至微微升（10-12 L））。微流體裝置10包括一基板（基層）12和多個微流體子晶片14。在一個實例中，基板12可以由聚合物材料製成，諸如環氧樹脂模塑化合物（EMC）。電場16被施加在相鄰的微流體子晶片14之間，使得電場16將離散流體液滴18沿著從一個微流體子晶片14延伸到另一個微流體子晶片14的一晶片間路徑穿過一間隙，如雙箭頭A所示。
圖2A和2B分別是另一例示微流體裝置（晶片）100的頂視圖和側視圖，該微流體裝置促成一離散流體液滴（在下文中稱為「液滴」）110在相鄰微流體子晶片之間的移動。微流體裝置100包括基板（基層）120和多個微流體子晶片140。一介電層180設置在微流體子晶片140上方並覆蓋基板120。因此，介電層180橋接相鄰微流體子晶片140之間的一傳輸間隙142。電介質層180可以被旋塗或濺鍍到基板120上。一疏水層200可以被提供並且被設置在電介質層180上。疏水層200可以被旋塗並且由聚合物材料，諸如但不限於由聚四氟乙烯（PTFE）及其衍生物製成，以促成液滴110沿其接觸表面的滑動。PTFE是由德拉瓦州威明頓的E.I.DuPont De Nemours＆Company以產品TEFLON® 銷售。
微流體子晶片140可以包括矽，（Si），玻璃，聚合物等，且包括一電極層，該電極層包括一傳輸電極144和設置在其第一表面148上的多個輸送電極146。在一些實例中，傳輸電極144比輸送電極146大，每個傳輸電極146沿著表面148具有正方形形狀。微流體子晶片140被嵌入在基板120中，使得微流體子晶片140的第一表面148且因此不同微流體子晶片140之間的電極144,146的第一表面150實質上彼此共面。如本文所使用，「實質上共面」是指將不同微流體子晶片140上的電極144,146的第一表面150相對互相對齊，使得離散流體液滴從一個微流體子晶片140移動到另一微流體子晶片140實質上不因高度變化而受到阻礙。相鄰的微流體子晶片140由間隙142隔開。下文將進一步解釋，一電場152被施加在電極之間跨越間隙142，使得該電場152沿著從一個微流體子晶片140延伸到另一個微流體子晶片140的一晶片間路徑移動液滳110跨越間隙142，即基於施加的電場從一個傳輸電極144到另一個傳輸電極144。
傳輸電極144係配置在微流體子晶片140的表面148上，使得傳輸電極144的鄰近邊緣154處於微流體子晶片140之鄰近邊緣156的一預定距離（例如10um）內。在另一個實例中，傳輸電極144的鄰近邊緣154也可以如圖所示與微流體子晶片140的鄰近邊緣156齊平。多個輸送電極146（1-N）之係從傳輸電極144的遠端158配置到微流體子晶片140的遠端160。電極144,146的形狀不限於本文揭露的具體構造。如本技術領域中具有通常知識者將理解的，電極144,146的形狀可以是圓形、矩形、三角形、具有一不規則形狀等。例如，如圖2C所示，傳輸電極144可以包括朝向微流體子晶片140的近端156延伸之突出/延伸部分162。輸送電極146可以包括指狀物164，其與相鄰輸送電極146上的指狀物164拼接。輸送電極146（1-N）由寬度小於間隙142之寬度W的傳輸間隙166隔開。因此，施加在輸送電極146（1-N）之間的電場強度或大小比對於一被應用之指定AC或DC輸入信號施加在微流體子晶片140之間的電場152的強度或大小為小（下文中進一步說明）。
相鄰微流體子晶片140之間的間隙142的寬度W是由來自一個相鄰微流體子晶片140之傳輸電極144的鄰近邊緣154測量到來自一相鄰微流體子晶片140之傳輸電極144的鄰近邊緣154。為了促成在微流體子晶片140之間輸送離散流體液滴，間隙142的寬度W小於傳輸電極144的長度L。例如，間隙142的寬度W可以為傳輸電極144長度L的5％-20％。在製造過程中，間隙142的寬度W基於微流體裝置100之應用來決定。一旦決定了間隙142，則傳輸電極144的長度L被決定。如上所述，每個傳輸電極144和輸送電極可以具有正方形形狀。
為了將液滴110從一個微流體子晶片140傳輸到另一個微流體子晶片140，傳輸液滴110（傳輸電極144T）的電極144係被接地且電壓（例如，正電壓V+）被施加到接收液滴110（接收電極144R）的電極144。在圖2A和2B所繪示的實例中，液滴110沿著箭頭A1的方向移動。因此，傳輸電極144T設置在傳輸微流體子晶片（晶片1）上且接收電極144R設置在接收微流體子晶片（晶片2）上。電場152在兩個微流體子晶片140（晶片1，晶片2）之間產生，使得電場152與傳輸電極和接收電極144T，144R兩者的鄰近邊緣154相交。電場152之力使液滴110沿著疏水層200從傳輸電極144T滑過間隙142滑動到接收電極144R。
電場152可以從一DC或AC源（信號發生器）產生。如果電場152由DC電源產生，則影響在液滴110下的雙層極化的場方向引導液滴110的移動。在電場152由AC電源產生的實例中，頻率約為10-20千赫。傳輸電極144的形狀決定電場梯度的方向，且液滴100的化學組成決定液滴110是向上移或是向下移動電場梯度。
電場152的大小是基於疏水層200的潔淨度等級和施加到傳輸電極144T的電壓。潔淨度等級是基於疏水層200之表面中的污染物之量。污染物可以是微尺寸（以及更小）粒子、非揮發性殘留物、金屬、有毒化學物質和沈積在疏水層200的表面上的其他雜質。疏水層200的潔淨度等級被設定為足以使得液滴110，諸如響應於以50-900伏之電壓施加以及AC電源為10-20kHz之頻率的電場，能夠在相鄰微流體子晶片140之間移動的等級。
電場152被施加在兩個微流體子晶片140之間，直到液滴110從傳輸電極144T移動到接收電極144R。監測液滴110的位置以確定液滴110是否已經移動可以藉由測量電接地導電蓋220與電極144,146之間的阻抗來執行。蓋220設置在疏水層200上方並覆蓋基板120。液滴110配置在疏水層200與蓋220之間。阻抗（例如，電容及/或電阻）或蓋220與每一個電極144,146之間沿著微流體裝置100的的其它電氣特性可被測量。基於流體的性質，裝置10可被校準來檢測液滴110之一預期阻抗。空氣（或另一種可填充裝置100的流體）的阻抗將具有與空氣阻抗加上液滴110阻抗不同的值。例如，當液滴110從傳輸電極144T移動到接收電極144R時，蓋220與傳輸電極144T之間的阻抗將從空氣阻抗加上液滴110之阻抗改變為空氣阻抗。類似地，蓋220與接收電極144R之間的阻抗將從空氣阻抗變為空氣和液滴110的總計阻抗。因此，液滴110的位置可以藉由檢測蓋220與每一個電極144T，144R之間的阻抗變化來測定。因此，可以藉由監測阻抗上的變化來檢測移動。
作為更進一步的實例，微流體子晶片140整合到基板120中經由包覆射出法來完成。包覆射出法確保微流體晶片140以及從而電極144彼此靠近（例如，＜50微米），使得可以施加合理的電壓來移動液滴110。另外，整合到同一基板中的不同微流體子晶片140微可由不同材料（例如，矽，玻璃，聚合物等）製成。更進一步地，整合到同一基板120中的不同微流體子晶片140可以執行不同的功能。例如，一個微流體子晶片140可以控制化學反應，而另一個微流體子晶片140可以控制溫度。其他實例可以包括光電檢測、光譜範圍讀數、環境控制等。包覆射出可以包括設置在蝕刻通道中的導線跡線，其將電極144,146附接到外部裝置。
圖3A-3C，圖3A和3B分別是另一例示微流體裝置（晶片）300的頂視圖和側視圖，其促成一離散流體液滴（在下文中稱為「液滴」）110在相鄰微流體子晶片140之間的移動。該微流體裝置300類似於如上所述且繪示在圖2A和2B中的微流體裝置100，惟添加一基板電極320。因此，所有同樣的特徵將包括相同的參考編號且不再重描述覆此諸特徵。
基板電極320也被嵌入在基板120中並駐留在一對相鄰之微流體子晶片140之間的間隙142中。因此，在傳輸電極144T的一相鄰邊緣154與基板電極320的第一邊緣324之間形成第一間隙322，且在基板電極320的第二邊緣328與接收電極144R的相鄰邊緣154之間形成第二間隙326。在圖3A和3B的實例中，基板電極320的形狀和尺寸與傳輸電極144在形狀和尺寸上相似。另外，第一和第二間隙322,326的寬度在尺寸上與上述間隙142相似。
基板電極320電連接到電源，以在液滴對電極往返移動過程中，諸如經由導電跡線或電線，向電極選擇性地提供電場。因此，類似於上述實例，為了將液滴110從一個微流體子晶片140傳輸到另一個微流體子晶片140，傳輸電極144T接地且從電源施加電位V+到基板電極320且從電源施加另一個更高的V++到接收電極144R。一第一電場152A在傳輸電極144T與基板電極320之間被產生，以在這些電極之間移動液滴。一第二電場152B在基板電極320的第二邊緣328與接收電極144R之間產生，以在這些電極之間移動液滴。電場152A，152B之力使液滴110沿著疏水層200越過第一和第二間隙322,326，從傳輸電極144T移動到基板電極320並接著到達接收電極144R。
在一個實例中，如圖3B所示，基板電極320的第一表面330可以與傳輸電極144T和接收電極144R兩者的第一表面150共面。在另一個實例中，如圖3C所示，基板電極320A的第一表面330可以設置在一與傳輸和接收電極144T，144R的第一表面150不同的平面上。因此在該實例中，基板電極320A橋接微流體子晶片140之間的間隙142。
在繪示於圖4中的另一個例示之微流體晶片300B中，基板電極320或320A可經由控制邏輯與一個或多個微流體子晶片140溝通。一連接臂340可被提供，其將基板電極320或320A電連接到實施在一個或多個微流體子晶片140上的電路。另外或可選替地，臂340可以將基板電極連接到晶片外電路，包括一電源。然後可藉由控制邏輯來控制信號發生器的啟動和停用及/或向電極144,146,320,320A中的一個或多個的電壓施加。如上所述，控制邏輯可以被實施在連接之晶片140上及/或晶片外（例如，一微控制器或處理器），後者 連接至微流體晶片裝置300,300A，300B。
圖5繪示具有位於不同軸（例如，X和Y軸）上之微流體子晶片510,520,530的例示微流體裝置500之一頂視圖。例示之微流體裝置500說明液滴110可以在更多相鄰之成對微流體子晶片之間傳輸。例如，液滴110可被輸送於不同軸上的微流體子晶片之間（例如，從一個微流體子晶片510或520到微流體子晶片530或從微流體子晶片530到微流體子晶片510或520或兩者同時）。例示微流體裝置500進一步繪示液滴110可從一共軸上的兩個微流體子晶片510,520同時輸送到一不同軸上的一個微流體子晶片530，或反之亦然。
微流體子晶片510,520,530具有與上文揭露的微流體子晶片相似的特徵。因此，微流體子晶片510,520,530的描述將不會重複。此外，在同一軸上的微流體子晶片（即，微流體子晶片510,520）之間傳輸液滴110與上文描述的傳輸類似且不再重複。然而，圖5中所繪示的實例進一步繪示微流體子晶片510,520,530可以在兩端包括一傳輸電極144以促成液滴沿著一連串微流體子晶片的移動。
此外，微流體裝置500可包括設置在微流體子晶片510與微流體子晶片530之間，及/或微流體子晶片520與微流體子晶片530之間的一間隙542中的狹縮結構540。狹縮結構540集中微流體子晶片510,520,530之間的電場544以促成液滴110的傳輸。
以與上述類似的方式施加電場544。為在微流體子晶片510,520,530之間傳輸液滴110，將微流體子晶片上傳輸液滴110的電極接地且將一電壓（例如，正電壓V+）施加到該微流體子晶片上接收液滴110的電極上。例如，為了將液滴110從一個微流體子晶片510及/或520傳輸到微流體子晶片530，在一個或兩個微流體子晶片510,520上傳輸液滴110的電極接地，且一電壓（例如，正電壓V+）被施加至接收該液滴110的微流體子晶片530。
鑑於上述的結構和功能特徵，根據本申請標的揭露的各個方面的一種如本文所說明，例如以流程圖形式說明的方法，將由參照圖6和圖7被進一步理解。雖然為了簡化說明，圖6和圖7被繪示與描述為連續執行，惟應理解及認知本申請標的揭露不受所示順序限制，依據本申請標的揭露的某些方面可能以不同順序發生及/或與本文所示與所述的其他方面同時發生。此外，並非所有繪示的特徵對於依據本申請標的揭露的一方面來實施方法皆為必要。
圖6是一流程圖，繪示將離散流體液滴（例如，液滴110）跨相鄰微流體子晶片（例如，子晶片140）的間隙（例如，間隙142）輸送的一例示方法600。在602處，液滴係配置在傳輸微流體子晶片（例如，晶片1）上的電極（例如，電極144,146）之上。在604處，在一電極（例如，傳輸電極144T）與另一電極（例如，接收電極144R）之間產生一電場（例如，電場152），如本文中所描述。在606處，該液滴響應於電場從傳輸電極跨越間隙輸送到接收電極。
圖7是跨越相鄰微流體子晶片（例如，微流體子晶片140）的間隙（例如，間隙142）輸送離散流體液滴（例如，液滴110）之一例示方法700。在702處，液滴係配置在傳輸微流體子晶片（例如，晶片1）上的電極（例如，電極144,146）之上。在704處，一電極（例如，傳輸電極144T）被接地。在706處，一電壓施加到配置在接收微流體子晶片（例如，晶片2）上的另一個電極（例如，接收電極144R）。在708，在傳輸電極與接收電極之間產生一電場（例如，電場152），如本文中所描述，。在710處，如果液滴初始配置在傳輸電極（例如傳輸電極146（N-1））上，則液滴沿著輸送電極被輸送到傳輸電極。在712處，液滴經由電場跨越間隙從傳輸電極輸送至接收電極，如本文中所描述。在714處，測量接地導體（例如，接地導電蓋220）與傳輸電極之間，以及接收電極與接地導體之間的阻抗，以確定液滴的位置。在716處，液滴從接收電極被輸送到輸送電極並沿著輸送電極。
本申請標的揭露相對於在微流體子晶片之間輸送液滴的習知手段具有數項優點。首先，液滴的運動可以很容易地控制和計時。傳輸期間沒有怠體積。本申請標的揭露允許構建多微流體晶片裝置，其中每個裝置可具有特定的功能。此導致了製造和設計方面的成本節省。此外，這些組件可以容易地重複使用並適用於新且不同的應用。
以上所描述者為本申請標的揭露的實例。當然，不可能為了描述本申請標的揭露而描述組件或方法每一種想得到的組合，但是本技術領域中具有通常知識者可以看出本申請標的揭露的許多進一步的組合和置換是可能的。因此，本申請標的揭露旨在涵蓋落入所附請求項的精神和範圍內的所有這些變更，修改和變化。此外，在揭露內容或請求項中引用「一（a/an）」，「第一」或「另一」元件 或其對應詞時，應解釋為包括一個或多於一個這樣的元件，既不要求也不排除兩個或更多這樣的元件。此外，就詳細說明或申請專利範圍中所使用之「包括」一詞而言，此一用詞意指與「包含」一詞當其被使用為請求項中的過渡用詞時被解釋的相似方式納入。最後，「基於」一詞被解釋為至少部分地基於。
10,100,500‧‧‧微流體裝置
12,120‧‧‧基板
14,510,520,530‧‧‧微流體子晶片
16,152,544‧‧‧電場
18,110‧‧‧流體液滴/液滴
140‧‧‧晶片
142‧‧‧傳輸間隙
144,144T‧‧‧傳輸電極
144R‧‧‧接收電極
146‧‧‧輸送電極
148‧‧‧微流體子晶片140的第一表面
150‧‧‧電極144,146的第一表面
152A‧‧‧第一電場
152B‧‧‧第二電場
154‧‧‧傳輸電極144的鄰近邊緣
156‧‧‧微流體子晶片140的鄰近邊緣
158‧‧‧傳輸電極144的遠端
160‧‧‧微流體子晶片140的遠端
162‧‧‧突出/延伸部分
164‧‧‧指狀物
166‧‧‧傳輸間隙
180‧‧‧介電層
200‧‧‧疏水層
220‧‧‧蓋
300,300A,300B‧‧‧微流體晶片裝置
320,320A‧‧‧基板電極
322‧‧‧第一間隙
324‧‧‧第一邊緣
326‧‧‧第二間隙
328‧‧‧第二邊緣
330‧‧‧基板電極320A的第一表面
340‧‧‧連接臂
540‧‧‧狹縮結構
542‧‧‧間隙
圖1繪示一例示微流體晶片的頂視圖。
圖2A和2B分別繪示另一例示微流體晶片的頂視圖和側視圖。
圖2C示說明一電極形狀的另一例示微流體晶片的頂視圖。
圖3A和3B分別繪示另一例示微流體晶片的頂視圖和側視圖。
圖3C繪示圖3A之微流體晶片的另一實例的側視圖。
圖4繪示包括設置在具有控制臂的基板上之電極的另一例示微流體晶片的頂視圖。
圖5繪示具有沿著相同或不同軸配置的微流體子晶片的一例示微流體裝置的頂視圖。
圖6是繪示在相鄰微流體子晶片之間輸送流體液滴的一例示方法的流程圖。
圖7是繪示在相鄰微流體子晶片之間輸送流體液滴的另一例示方法的流程圖。

Claims (15)

  1. 一種裝置，包含： 一基板；以及 多個嵌入該基板中的微流體子晶片， 其中一電場被施加在該等多個微流體子晶片中一對相鄰之微流體子晶片之間，以將一流體液滴從該對相鄰之微流體子晶片中的一個移動到該對相鄰之微流體子晶片中的另一個。
  2. 如請求項1的裝置，其中該等多個微流體子晶片中的每一個包括多個設置在其之一表面上的電極，該等多個設置在該等多個微流體子晶片中之不同微流體子晶片上的電極的每一者之一指定表面為共面。
  3. 如請求項2的裝置，其中該等多個電極中的每一者之一電極包括一傳輸電極，每一個傳輸電極具有一邊緣，其鄰接該傳輸電極被設置在其上的該微流體晶片的一邊緣，該傳輸電極之邊緣的長度是該對相鄰之微流體子晶片之間的間隙寬度的至少十倍。
  4. 如請求項1的裝置，進一步包含一介電層，其設置在該等多個微流體子晶片之上且覆蓋嵌入該微流體子晶片的該基板的一暴露表面。
  5. 如請求項4的裝置，進一步包含一設置在該介電層之上的疏水層，其中該流體液滴響應於該電場之施加，沿著該親水層從該對相鄰之微流體子晶片中的一個滑動到該對相鄰之微流體子晶片中的另一個。
  6. 如請求項5的裝置，進一步包含一與該疏水層隔開且上覆於該疏水層的接地導體，以使該接地導體與該等多個電極的每一個之間的阻抗測量能確定該液滴的位置。
  7. 如請求項1的裝置，其中在施加該電場時，一電壓被施加到接收該液滴的該對相鄰之微流體子晶片中的一個微流體子晶片，且傳輸液滴的該對相鄰之微流體子晶片中的另一個微流體子晶片接地。
  8. 如請求項1的裝置，其中該等多個微流體子晶片中的每一個包括設置在一共軸上的一對相鄰之微流體子晶片，該對相鄰之微流體子晶片中的每一個具有設置在其一表面上的一傳輸電極，以及設置在一不同軸上的至少一個微流體子晶片，該至少一個微流體子晶片具有設置在其一表面上的一傳輸電極，其中該對相鄰之微流體子晶片的傳輸電極及該至少一個微流體子晶片的傳輸電極相鄰以允許該電場將該流體液滴從該至少一個微流體子晶片移動到該對相鄰之微流體子晶片。
  9. 如請求項1的裝置，進一步包含設置在該對相鄰之微流體子晶片之間的一基板電極。
  10. 一種微流體裝置，包含： 一基板；以及 多個嵌入該基板中的微流體子晶片，該等多個微流體子晶片中的每一個包括多個設置在其一表面上的電極，設置在該等多個微流體子晶片之不同微流體晶片上的該等多個電極中的每一個的一指定表面為共面； 一介電層，設置在該等多個微流體子晶片之上且覆蓋其中嵌入該微流體子晶片之該基板的一暴露表面；以及 一設置在介電層之上的疏水層， 其中一電場被施加在該等多個微流體子晶片的一對相鄰之微流體子晶片之間，以將一流體液滴沿著該疏水層從該對相鄰之微流體子晶片中的一個移動到該對相鄰之微流體子晶片中的另一個。
  11. 如請求項10的微流體裝置，其中該等多個電極中每一者之一電極包括一傳輸電極，每一個傳輸電極具有一鄰接其被設置於其上之各自微流體子晶片之邊緣的邊緣，該邊緣的長度至少是該對相鄰之微流體子晶片之間間隙寬度的十倍。
  12. 如請求項10的微流體裝置，其中一基板電極設置在一對相鄰之微流體子晶片之間。
  13. 如請求項12的微流體裝置，其中該電場被施加在該對相鄰之微流體子晶片中的一個與該基板電極的第一邊緣之間，以及該基板電極的第二邊緣與該對相鄰之微流體子晶片中的另一個之間，以將一流體液滴從該對相鄰之微流體子晶片中的一個移動到該對相鄰之微流體子晶片中的另一個。
  14. 一種方法，包含： 將一流體液滴設置在嵌入該等多個微流體子晶片中的一個微流體子晶片之基板中的多個電極的傳輸電極上； 在該傳輸電極與嵌入該等多個微流體子晶片中的另一個微流體子晶片之基板中的另外多個電極中之一接收電極之間產生一電場；以及 響應於該電場，將該液滴從一個微流體子晶片移動到另一個微流體子晶片。
  15. 如請求項14的方法，其中該傳輸電極之一第一表面和該接收電極之一第一表面為共面。
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