一种微流体阵列控制器制造技术

本发明专利技术涉及一种微流体阵列控制器，属于微流体控制技术领域，解决了现有技术中不易实现大规模流体阵列控制的问题。本发明专利技术公开的微流体阵列控制器，包括由M×N个控制单元排列组合形成的M×N阵列、电源1和电源2，每个所述控制单元包括微流体通道器件、薄膜晶体管器件、电容。每个微流体通道器件内设置有液体，在对应的行控制信号和列控制信号的共同作用下，薄膜晶体管器件选通对应单元内的微流体通道器件，所述液体在该微流体通道器件的微通道内移动、分割、融合。本发明专利技术能够实现大规模的流体阵列控制，大幅度降低大规模微流体阵列控制难度，减少引线数量，为微流体控制芯片的实用化提供了一种新的技术途径。

A Microfluidic Array Controller

The invention relates to a microfluidic array controller, which belongs to the field of microfluidic control technology, and solves the problem that large-scale fluid array control is not easy to realize in the prior art. The microfluidic array controller disclosed by the invention comprises an M*N array formed by arrangement and combination of M*N control units, a power supply 1 and a power supply 2. Each control unit comprises a microfluidic channel device, a thin film transistor device and a capacitor. Each microfluidic channel device is equipped with a liquid. Under the combined action of the corresponding row control signal and the column control signal, the thin film transistor device switches on the microfluidic channel device in the corresponding unit. The liquid moves, divides and fuses in the microchannel of the microfluidic channel device. The invention can realize large-scale fluid array control, greatly reduce the difficulty of large-scale microfluidic array control, reduce the number of leads, and provide a new technical way for the practicality of microfluidic control chip.

【技术实现步骤摘要】
一种微流体阵列控制器
本专利技术涉及微流体控制
，尤其涉及一种微流体阵列控制器。
技术介绍
微流体控制是一种利用电压信号控制液滴的移动、分割、融合等操作的控制技术，它是实现微型电化学、化学、医疗和生物芯片的核心技术之一。微流体控制器一般使用阵列化的控制电极来实现微流体的控制。但现有的微流体控制器，受互连引线数量的限制，其电极阵列的规模远远达不到使用需求，严重阻碍了微流体控制芯片的推广应用。现有微流体阵列控制器的结构如图1所示，若阵列的规模为M×N，为了给每个微流体通道器件施加电压，需要引出M×N+1条引出线。采用这种结构，随着阵列规模的增大，引线数量呈几何倍数的增大，不仅使阵列制造难度增大，而且导致外围控制电路复杂，体积庞大。而且，微流体控制需要较高的电压，一般情况下需要大于50V，现有的微流体阵列控制技术无法满足要求。
技术实现思路
鉴于上述的分析，本专利技术实施例旨在提供一种微流体阵列控制器，用以解决现有技术不易实现大规模流体阵列控制器的问题。一方面，本专利技术实施例提供了一种微流体阵列控制器，包括由M×N个控制单元排列形成的M×N阵列、电源1和电源2；每个所述控制单元包括微流体通道器件、薄膜晶体管器件、电容；所述阵列中，每一行，所有薄膜晶体管器件的栅电极相连，并与对应的行控制信号连接；每一列，所有薄膜晶体管器件的源电极相连，并与对应的列控制信号连接；所有薄膜晶体管器件的漏电极通过对应的微流体通道器件与电源1连接，并通过对应的电容与电源2连接。上述技术方案的有益效果如下：通过行控制信号和列控制信号可以精确控制每个控制单元中微流体通道器件的工作状态，具体地，通过行方向的栅电极引线选通一行，再通过列方向的源电极引线向目标微流体通道器件内部写入电压值。通过栅引线的依次选通，实现整个阵列中电压值的设置，从而实现微流体控制。对于M×N阵列，其引线仅为M+N+2条，与
技术介绍
中所述现有微流体阵列控制器相比，引线数量明显降低。当M＝100和N＝100时，引线数量仅为202，远远小于现有微流体阵列控制方法中的10001条。显然，这种方法通过将微流体通道器件、薄膜晶体管器件、电容进行了创造性结合，能够实现大规模的微流体阵列控制，为微流体控制芯片的实用化提供新的技术途径。基于上述方案的另一个实施例中，所述微流体通道器件从上到下依次包括顶部电极、顶部疏水层、通道区、底部疏水层、绝缘层1和底部电极；所述通道区内设置有液体。上述技术方案的有益效果是：通过给顶部电极和底部电极施加电压，可以控制通道内液体的移动、分割、融合等操作。顶部疏水层和底部疏水层可以降低液体在微流体通道内运动的阻力。进一步，所述薄膜晶体管器件包括源电极、漏电极、半导体层、栅绝缘层和栅电极；所述栅绝缘层设置于所述栅电极上方；所述半导体层设置于所述栅绝缘层上方；所述源电极、漏电极设置于所述半导体层两侧，且与所述半导体层接触。上述进一步方案的有益效果如下：上述结构形成一个薄膜晶体管，薄膜晶体管能够起到开关的作用，降低不同控制单元之间的串扰。进一步，所述电容从上到下依次包括顶电极、绝缘层2、地电极；所述顶电极和地电极的材料为铝、铝硅合金、金、铂、钼、铜、钛、ITO中的至少一种；所述绝缘层2的材料为氧化硅、氧化铪、氧化铝、氧化钛、氮化硅中的至少一种。上述进一步方案的有益效果如下：由于微流体器件的工作电压较高，为了防止电容发生漏电甚至击穿，使用高介电常数的氧化硅、氧化铪、氧化铝、氧化钛、氮化硅等材质的绝缘层2，能够在增大介质耐压能力的前提下，同时提高电容的电容密度，使电容能够与微流体器件的电压和电流特性相匹配。进一步，所述薄膜晶体管器件的源电极、漏电极的材料分别为铝、铝硅合金、金、铂、钼、铜、钛、ITO中的至少一种；所述源电极、漏电极之间的距离为1～50μm；所述半导体层的材料为非晶硅、氧化铟镓锌、氧化锌、氧化锡、多晶硅中至少一种，其厚度小于200nm；所述栅绝缘层的材料为氧化硅、氧化铪、氧化铝、氧化钛、氮化硅、派瑞林、光刻胶、聚四氟乙烯中的至少一种，其厚度为50nm～1μm；所述栅电极的材料为铝、铝硅合金、金、铂、钼、铜、钛、ITO中的至少一种，其厚度为50～300nm。上述进一步方案的有益效果如下：为了提高薄膜晶体管的驱动能力，需要提高栅绝缘层的电容。微流体器件的工作电压较高，为了防止栅绝缘层发生漏电甚至击穿，需要提高介质层的介电常数来进一步提高栅绝缘层电容密度，因此，采用高介电常数的氧化铪、氧化铝、氮化硅、氧化硅、派瑞林、光刻胶、聚四氟乙烯等高介电常数的材料，可以提高栅绝缘层的介电性能。上述尺寸经试验测试能够实现薄膜晶体管器件的最佳性能。进一步，所述微流体通道器件顶部电极、底部电极的材料为透明导电材料ITO；所述顶部疏水层的材料为有机疏水材料或结构疏水材料，其厚度为1～200nm；所述顶部疏水层和底部疏水层之间的距离为1～200μm；所述通道区填充的液体为硅油、水或有机材料中的至少一种；所述底部疏水层材料为有机疏水材料或微纳尺度超疏水材料，厚度为1～200nm；所述绝缘层1的材料为氧化硅、氧化铪、氧化铝、氧化钛、氮化硅、派瑞林、光刻胶、聚四氟乙烯中的至少一种，其厚度为30nm～20μm。上述进一步方案的有益效果如下：通过设置高介电常数的绝缘层1，使得本方案的微流体控制电压降到20V左右，与现有技术的50V相比，控制电压明显降低，能够满足使用需求。与此同时，降低了微流体器件的漏电流，使之与薄膜晶体管器件性能相匹配。进一步，所述通道区边缘设置有亲水性绝缘材料的侧墙；所述亲水性绝缘材料的侧墙与顶部疏水层不接触；所述亲水性绝缘材料包括光刻胶、氧化物、派瑞林。上述进一步方案的有益效果如下：通过设置亲水性绝缘材料的侧墙，能够起到限制微流体器件内液体流动方式、流动位置以及定位液体的作用。进一步，所述电容的顶电极和地电极的宽度、长度分别为10～1500μm，厚度为50～300nm；所述绝缘层2的厚度为50nm～1μm。上述进一步方案的有益效果如下：通过设置上述尺寸，能够使薄膜晶体管器件的驱动能力与微流体器件相匹配，使得在该尺寸限制下，薄膜晶体管器件能够驱动对应单元的微流体器件。进一步，所述微流体阵列控制器还包括钝化层，所述薄膜晶体管器件、电容通过所述钝化层与所述微流体通道器件连接；所述薄膜晶体管器件、电容设置于所述微流体通道器件下方的两侧；在所述半导体层上方的微流体通道器件的顶部电极上设置一个与所述半导体层面积重叠的窗口。上述进一步方案的有益效果如下：通过上述方案，使得微流体阵列控制器可以进行集成。由于微流体通道器件的工作电压较高，当某控制单元工作时，较高的电压可能导致下方半导体层的导电性发生变化，导致电容存储电荷的泄漏以及上方微流体通道器件的失效，通过设置该窗口，根据电磁场传播原理，可以减小较高的操控电压对下方半导体层的影响，显著提高控制单元的控制性能。进一步，所述电容的顶电极与薄膜晶体管的漏电极相连；所述电容顶电极上方的钝化层设置有通孔，所述电容的顶电极与薄膜晶体管的漏电极通过所述通孔与微流体通道器件的顶部电极进行电气连接，所述电容的底电极与电源2相连。上述进一步方案的有益效果如下：通过设置电容与薄膜晶体管相连，可以利用电容的电荷存储能力，保持微流体通道器件内的电压，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微流体阵列控制器，其特征在于，包括由M×N个控制单元排列形成的M×N阵列、电源1和电源2；每个所述控制单元包括微流体通道器件、薄膜晶体管器件、电容；所述阵列中，每一行，所有薄膜晶体管器件的栅电极相连，并与对应的行控制信号连接；每一列，所有薄膜晶体管器件的源电极相连，并与对应的列控制信号连接；所有薄膜晶体管器件的漏电极通过对应的微流体通道器件与电源1连接，并通过对应的电容与电源2连接。

【技术特征摘要】
1.一种微流体阵列控制器，其特征在于，包括由M×N个控制单元排列形成的M×N阵列、电源1和电源2；每个所述控制单元包括微流体通道器件、薄膜晶体管器件、电容；所述阵列中，每一行，所有薄膜晶体管器件的栅电极相连，并与对应的行控制信号连接；每一列，所有薄膜晶体管器件的源电极相连，并与对应的列控制信号连接；所有薄膜晶体管器件的漏电极通过对应的微流体通道器件与电源1连接，并通过对应的电容与电源2连接。2.根据权利要求1所述的微流体阵列控制器，其特征在于，所述微流体通道器件从上到下依次包括顶部电极、顶部疏水层、通道区、底部疏水层、绝缘层1和底部电极；所述通道区内设置有液体。3.根据权利要求2所述的微流体阵列控制器，其特征在于，所述薄膜晶体管器件包括源电极、漏电极、半导体层、栅绝缘层和栅电极；所述栅绝缘层设置于所述栅电极上方；所述半导体层设置于所述栅绝缘层上方；所述源电极、漏电极设置于所述半导体层两侧，且与所述半导体层接触。4.根据权利要求3所述的微流体阵列控制器，其特征在于，所述电容从上到下依次包括顶电极、绝缘层2、地电极；所述顶电极和地电极的材料为铝、铝硅合金、金、铂、钼、铜、钛、ITO中的至少一种；所述绝缘层2的材料为氧化硅、氧化铪、氧化铝、氧化钛、氮化硅中至少一种。5.根据权利要求3或4所述的微流体阵列控制器，其特征在于，所述薄膜晶体管器件源电极、漏电极的材料分别为铝、铝硅合金、金、铂、钼、铜、钛、ITO中的至少一种；所述源电极、漏电极之间的距离为1～50μm；所述半导体层的材料为非晶硅、氧化铟镓锌、氧化锌、氧化锡、多晶硅中的至少一种，其厚度小于200nm；所述栅绝缘层的材料为氧化硅、氧化铪、氧化铝、氧化钛、氮化硅、派瑞林、光刻胶、聚四氟乙烯中的至少一种，其厚度为50nm～1μm；所述栅电极的材...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘立滨，许诺，臧金良，李平，刘宇航，
申请(专利权)人：北京机械设备研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11