本发明涉及数字微流控芯片的，尤其涉及一种垂直激励数字微流控装置及其应用。
背景技术：
1、数字微流控(digital microfluidics，dmf)是一种基于介电润湿效应的新兴液滴处理技术，通过对芯片上的电极阵列施加电信号，即可对离散液滴进行精确操作，实现液滴生成、移动、分裂与融合等功能，具有可编程，操控灵活，易于自动化、集成化等优势。凭借上述特点，dmf已经成为了微流体操控的理想平台，广泛应用于生物医学研究、临床诊断、即时检测(point-of-care testing，poct)等领域。
2、dmf芯片从结构上主要可以分为两类：平面激励芯片与垂直激励芯片。平面激励芯片主要包括利用标准光刻技术加工的玻璃基底芯片，以及利用喷墨打印、丝网印刷等方法加工的纸基或薄膜基底dmf芯片等。这类芯片的驱动电极阵列、连接导线、以及接口电极阵列等全部分布在同一平面上，致使芯片面积的有效利用率低，无法集成更多数量、更高密度的驱动电极。然而，当利用dmf芯片进行液滴分裂、融合等操作，或多样本并行分析时，往往需要更多电极的配合。总体上，驱动电极的密度越高、数量越多，芯片处理液滴的能力就越强，但受限于芯片结构，平面激励dmf显然难以满足这些需求。
3、垂直激励芯片由于不需要在驱动电极周围排布导线与接口，因此能够集成更高密度、更多数量的驱动电极。最为常见的垂直激励芯片为印刷电路板(printed circuitboard，pcb)dmf芯片。它有着相对较低的成本，同时加工工艺也非常成熟。然而，标准pcb芯片存在一个严重的缺点，即，相邻电极间存在着“沟槽”。这种不平整的表面形态会使液滴的驱动变得不可靠。同时，pcb的最终成本往往受限于加工精度和生产规模，对于产品开发和应用并不友好。另一类新兴的垂直激励dmf芯片为基于薄膜晶体管(thin filmtransistors，tft)的dmf芯片。这类芯片通常可以集成上千个电极，每个电极均可独立寻址。然而，tft的制造通常涉及一系列先进的半导体加工技术，如多次光刻、蚀刻、溅射、沉积等，导致其可获得性和成本面临诸多挑战。此外，部分研究还采用了电流体双面印刷的方式加工纸基垂直激励dmf芯片，或者采用标准光刻工艺加工薄膜基垂直激励dmf芯片。前者对于加工设备的要求较高，且多次印刷使得加工过程变得更加繁琐；后者工艺复杂，需要洁净环境，成本较高，并且芯片连接控制电路时需要使用真空泵进行辅助，大大增加了外围设备的复杂度。
4、申请公布号为cn 116618104 a的中国专利文献中公开了一种石墨烯电极数字微流控芯片及其制备方法，利用激光诱导石墨烯技术的灵活性，通过引入贯穿电极阵列，使驱动电极阵列、连接导线和接口电极阵列位于基底材料的两面，形成了垂直激励结构的dmf芯片。然而，该芯片仍涉及了多次重复的电极加工，并且在双面加工过程中需要对两面的位置进行精确对准，因此加工工艺相对繁琐。在基底一侧加工连接导线等结构时，需要严格控制激光功率等参数，以避免与另一侧的驱动电极连通，因此芯片的加工难度同样较大。此外，柔性的基底材料与硬质的控制电路(pcb板)连接时也存在不稳固的风险。
5、综上所述，目前仍缺少可以同时满足成本低廉、制作工艺简单、表面平整度高、连接便捷的垂直激励dmf芯片。因此，亟需开发一种新型的垂直激励dmf芯片，以全面解决上述问题。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的上述问题，本发明公开了一种垂直激励数字微流控装置，在满足更高电极密度需求的同时，具有成本低廉，制作工艺简便、效率高，适合批量生产等优势。此外，芯片与外部电路的连接更加方便、可靠，使得终端应用更加便利。
2、具体技术方案如下：
3、一种垂直激励数字微流控装置，包括垂直激励数字微流控芯片和连接电路板；
4、所述垂直激励数字微流控芯片包括芯片顶板和芯片底板；
5、所述芯片底板包括介电层和连接层；
6、所述介电层的下表面加工有驱动电极阵列；
7、所述连接层设有与所述驱动电极阵列对应的贯穿孔阵列；
8、所述连接电路板包括基板和基板上设有的连接器阵列，所述连接器阵列通过所述连接层中的贯穿孔阵列与所述驱动电极阵列相连接。
9、本发明公开的垂直激励数字微流控芯片直接利用高介电常数的薄膜作为驱动电极阵列的基底，同时薄膜本身也充当介电层，大大简化了芯片制备流程，降低了芯片成本；同时通过在介电层与连接电路板间增设了连接层，可以保证柔性的介电层与刚性的连接电路板间稳固连接，实现了芯片主体与控制电路的完全分离。
10、本发明中：
11、所述介电层为具有高介电常数的薄层，相对介电常数为2.5～10；
12、所述介电层的材质选自塑胶，光固化材料、有机聚合物、金属氧化物、光刻胶中的一种或多种。
13、优选的，所述介电层的材质选自聚偏氟乙烯(pvdf)薄膜、聚酰亚胺(pi)薄膜、聚酯(pet)、聚碳酸酯(pc)薄膜、聚对二甲苯(parylenec)薄膜、氧化铝薄膜、硫醇-烯(thiol-ene)光固化薄膜、丙烯酸酯光固化薄膜中的一种或多种。
14、所述介电层的厚度选自10～120μm。
15、所述驱动电极阵列通过喷墨打印、丝网印刷、激光诱导石墨烯、光刻、蚀刻中的一种或多种方法进行加工；
16、制备所述驱动电极阵列的材料选自导电金属氧化物、金属、导电油墨、导电墨水、导电聚合物、石墨烯中的一种或多种。
17、当通过喷墨打印或丝网印刷等方法加工驱动电极阵列时，所述驱动电极阵列的材质选自导电油墨或导电墨水。优选的，所述介电层的厚度为10～95μm；厚度过高时，液滴驱动受到严重影响。
18、当通过激光诱导石墨烯方法加工驱动电极阵列时，所述介电层材料的材质选自聚酰亚胺(pi)薄膜或聚碳酸酯(pc)薄膜。优选的，所述介电层的厚度为35～120μm；经试验发现，当介电层的厚度过低时，容易在烧蚀过程中出现损坏，无法提供稳定支撑；当介电层的厚度过高时，液滴驱动受到严重影响。
19、优选的，所述贯穿孔阵列中填充有导电填充材料；
20、由于介电层采用的材质多为具有一定柔性的高分子材料，厚度较低时形变明显，若为了降低形变需要介电层具有足够的厚度，但厚度增加会导致液滴驱动受到严重影响。经试验发现，通过在贯穿孔阵列中填充导电填充材料，所述连接器阵列通过导电填充材料间接与所述驱动电极阵列相连接时，会明显改善介电层的形变。
21、优选的，所述导电填充材料选自金属、导电胶、导电油墨、导电墨水中的一种或多种。所述金属选自铜、铝、镓、铟、锡、铋中的一种或多种；所述导电胶选自但不限于导电银胶、导电石墨胶等。
22、所述连接层为绝缘平板，材质选自玻璃、硅片、塑料板、橡胶板、光固化树脂板中的一种或多种；
23、当所述连接层的材质选自塑料板、橡胶板、光固化树脂板中的一种或多种时，所述连接层应与所述连接电路板的基板接触。试验发现，当连接层未与连接电路板基板时，所述介电层易产生形变，且部分连接器可能无法与驱动电极稳固连接，从而影响液滴驱动。
24、当所述连接层的材料选自玻璃、硅片等材料时，所述连接层的厚度≥0.5mm。
25、优选的，所述贯穿孔阵列中，贯穿孔的直径大于等于0.3mm，小于等于驱动电极的尺寸；进一步优选，贯穿孔的直径选自0.3～2.5mm；当贯穿孔的直径过小时，不利于连接器穿过或者导电填充材料的注入。
26、所述连接电路板的基板为印刷电路板(pcb)，表面设有与驱动电极阵列图案对应的连接器阵列；所述连接器优选为弹簧探针(例如，pogo pin)，以提供一定弹性，保证连接器与驱动电极的紧密电气连接。
27、所述连接电路板上还设有电源接口。
28、所述芯片顶板由上至下包括支撑层、导电层和上疏水层；
29、本发明对于芯片顶板支撑层的材料无特殊要求，一般为透明的玻璃、塑料板、弹性支撑体等。
30、所述导电层的材质选自导电金属氧化物、金属、导电聚合物、石墨烯中的一种或多种；优选的，所述导电层的方阻选自5～150ω。
31、所述上疏水层为具有疏水性的薄层，材质选自特氟龙、疏水性修饰试剂、疏水性光固化试剂、含氟硅烷偶联剂中的一种或多种。
32、优选的，所述上疏水层的水接触角大于105°，厚度选自0.1～50μm。
33、所述芯片底板还包括下疏水层，为具有疏水性的薄层；
34、所述下疏水层的材质选自特氟龙、疏水性修饰试剂、疏水性光固化试剂、含氟硅烷偶联剂中的一种或多种。
35、优选的，所述下疏水层的水接触角大于105°，厚度选自0.1～50μm。
36、所述下疏水层位于所述介电层的上方；
37、所述下疏水层可以是单独层，也可以是与所述介电层组成的复合层，形成复合层可以进一步简化芯片加工流程；所述复合层的材料由介电层材料和疏水层材料混合而成。
38、所述芯片顶板还可以选择性设置通道结构，形成垂直激励集成流道数字微流控芯片。通道结构的加工可以参考专利cn202210446632.5。所述通道结构包括但不限于流体通道、微柱、微井、腔室等。通道结构的引入使得该垂直激励数字微流控芯片同时具有驱动离散液滴与连续流体的能力，芯片功能更为丰富。
39、所述垂直激励数字微流控装置可通过如下方法进行制备：
40、a)取可作为介电层的原料薄膜，在其下表面加工驱动电极阵列；取可作为连接层的原料板，在其内部加工贯穿孔阵列，所述贯穿孔阵列与所述驱动电极阵列相对应；将贯穿孔阵列与驱动电极阵列一一对准并将连接层与介电层进行封接；通过旋涂等方式在介电层的上表面制备下疏水层，制备得到芯片底板；
41、b)在支撑层上制备导电层，或者直接选择带有导电层的玻璃、塑料板、弹性支撑体等；通过旋涂等方式在导电层上制备上疏水层，制备得到芯片顶板；
42、c)在带有电源接口和焊点阵列的连接电路板上，焊接连接器形成连接器阵列，连接器阵列与驱动电极阵列相对应；
43、d)将芯片顶板、芯片底板与连接电路板进行组合得到垂直激励数字微流控装置；
44、可以是，先将所述芯片顶板与所述芯片底板经封接形成垂直激励数字微流控芯片，具体可以通过双面胶进行粘结；再将所述垂直激励数字微流控芯片固接在所述连接电路板上，固接方式可以是通过螺丝或夹具进行固定；当通过螺丝将芯片与连接电路板固定时，还应在芯片和连接电路板上设置数个固定孔。
45、也可以是，先通过螺丝或夹具将芯片底板与连接电路板进行固定，再通过双面胶与芯片顶板进行组装。
46、本发明还公开了所述垂直激励数字微流控装置在生物分子检测、微生物检测、微生物分离、微生物培养、细胞检测、细胞分离、细胞培养领域的应用。
47、与现有技术相比，本发明具有如下优点：
48、本发明公开了一种垂直激励数字微流控装置，包括垂直激励数字微流控芯片，该芯片具有垂直激励的结构，无需在驱动电极阵列平面上排布导线或接口，因此可以集成更多数量、更高密度的驱动电极，满足高通量的需求，具有处理更为复杂的液滴驱动任务的能力。
49、芯片加工方面，本发明公开的垂直激励数字微流控芯片有效避免了光刻、蚀刻、溅射或沉积等成本高、耗时长、要求洁净环境的工艺。与传统dmf芯片先在基底上加工驱动电极阵列，再在上方覆盖介电层的加工方法相比，本发明的垂直激励数字微流控芯片直接利用高介电常数的薄膜作为驱动电极阵列的基底，同时薄膜本身也充当介电层，大大简化了芯片制备流程，降低了芯片成本，因此更加有利于批量生产及大规模应用。本发明公开的垂直激励数字微流控芯片的成本远低于目前的pcb芯片，其表面相较于pcb芯片也更为平整，可以有效避免液滴卡顿的现象。此外，具有贯穿孔阵列的连接层的引入，不但可以为介电层提供支撑，还可以使芯片与外部电路的连接更加方便，直接通过连接器(如pogo pin)即可实现与控制电路相连，无需其他辅助设备。通过在贯穿孔阵列中填充导电填充材料，使得电气连接更为可靠。连接层可以通过螺丝或夹具与连接电路板进行固定，并通过贯穿孔阵列实现对准，因此，芯片的安装也非常简便、可靠，使得终端应用更加便利。这一结构设计也使得复杂且成本较高的控制电路彻底与芯片主体分离，因而更加适合于作为次抛芯片用于生物医学应用与poct检测。
50、本发明公开的垂直激励数字微流控装置同时具备了成本低廉、制作工艺简单、表面平整度高、连接便捷等优势，可广泛应用于生物分子检测、生物医学研究、即时检测等领域。
1.一种垂直激励数字微流控装置，其特征在于，包括垂直激励数字微流控芯片和连接电路板；
2.根据权利要求1所述的垂直激励数字微流控装置，其特征在于：
3.根据权利要求1所述的垂直激励数字微流控装置，其特征在于：
4.根据权利要求1所述的垂直激励数字微流控装置，其特征在于：
5.根据权利要求1所述的垂直激励数字微流控装置，其特征在于：
6.根据权利要求1所述的垂直激励数字微流控装置，其特征在于：
7.根据权利要求1所述的垂直激励数字微流控装置，其特征在于：
8.根据权利要求1所述的垂直激励数字微流控装置，其特征在于：
9.根据权利要求1所述的垂直激励数字微流控装置，其特征在于：
10.一种根据权利要求1～9任一项所述的垂直激励数字微流控装置在生物分子检测、微生物检测、微生物分离、微生物培养、细胞检测、细胞分离、细胞培养领域的应用。
