專(zhuān)利名稱(chēng)：用于在印刷電路板上操作液滴的裝置和方法
用于在印刷電路板上操作液滴的裝置和方法相關(guān)申請(qǐng)本發(fā)明與2002年9月24日提交的序列號(hào)為No. 10/253， 342的美 國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)和2005年1月28日提交的序列號(hào)為No. 60/648， 051的美 國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)相關(guān)；其公開(kāi)內(nèi)容在此全部并入作為參考。發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明公開(kāi)的主題一般地涉及用于在印刷電路板(PCB)基板上 執(zhí)行對(duì)液滴的微操作的裝置和方法。特別地，本發(fā)明公開(kāi)的主題涉及 基于傳統(tǒng)PCB技術(shù)制造和操作基于液滴的微流體系統(tǒng)的裝置和方法， 在傳統(tǒng)PCB技術(shù)中通過(guò)對(duì)定義在PCB上的電極應(yīng)用電勢(shì)而在PCB表面 上驅(qū)動(dòng)液滴。本發(fā)明公開(kāi)的主題還描述了用于液滴操作的作為電極絕 緣體的焊接掩模的使用，以及使其它傳統(tǒng)PCB層和材料適用于基于液 滴的微流體的技術(shù)。
背景技術(shù)：
微流體學(xué)是涉及亞微升流體研究的快速發(fā)展的領(lǐng)域。微流體器件 逐漸被生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、藥物發(fā)明和消費(fèi)電子產(chǎn)品等許 多領(lǐng)域所應(yīng)用和接受。傳統(tǒng)器件的微型化，特別是分析器件的微型化， 預(yù)計(jì)可引起許多效益，包括試劑和樣品的縮減的消耗(和成本)、較 高的生產(chǎn)量和較好的自動(dòng)控制、較快的分析時(shí)間，以及更可靠、廉價(jià) 和輕便的儀器設(shè)備。當(dāng)更多的性能被嵌入這些器件時(shí)，全集成微全分 析系統(tǒng)(UTAS)或芯片實(shí)驗(yàn)室(labs-on-a-chip)將變成現(xiàn)實(shí)，并 且它們將變得日益重要。芯片實(shí)驗(yàn)室是 一 個(gè)新興范例，其目的是將流體處理 (fluid-handling)微型化并集成到芯片上。芯片實(shí)驗(yàn)室應(yīng)當(dāng)能夠分 配流體、傳輸流體、混合流體、培養(yǎng)(inculation)流體、探測(cè)/分 離流體和處理廢液，以使其成為真正的自足式裝置。微流體芯片實(shí)驗(yàn) 室系統(tǒng)可大體分為連續(xù)流系統(tǒng)和離散流系統(tǒng)。連續(xù)流系統(tǒng)是自我描述 性的，而在離散流系統(tǒng)內(nèi)，流體被離散化為液滴。連續(xù)流系統(tǒng)的普遍 局限是流體傳輸被物理地限制于固定通道，而基于液滴(或離散流) 系統(tǒng)可被限制于物理通道或可在平坦無(wú)通道系統(tǒng)上操作。 一般用于連 續(xù)流系統(tǒng)的傳輸裝置為利用外部泵壓力驅(qū)動(dòng)或利用高電壓電動(dòng)驅(qū)動(dòng)。 連續(xù)流系統(tǒng)可帶來(lái)復(fù)雜溝道效應(yīng)，并需要外部閥形式或電源形式的大 型支持設(shè)備。在基于通道的系統(tǒng)的另一個(gè)方法中，離心力驅(qū)使流體在 通道內(nèi)單向流動(dòng)。連續(xù)流微流體范例在通用性方面具有局限性，這使得其很難實(shí)現(xiàn)功能的高度集成和高度控制。離散流或基于液滴的微流體系統(tǒng)一直在穩(wěn)定發(fā)展以實(shí)現(xiàn)芯片實(shí) 驗(yàn)室概念的希望，所述概念即操作所有分析步驟，包括取樣、樣品制 備、包括傳輸、混合和培養(yǎng)的樣品加工、探測(cè)和廢液處理。這些步驟 被設(shè)計(jì)為在芯片上執(zhí)行，而無(wú)需明顯的芯片外支持系統(tǒng)。最近，開(kāi)發(fā) 了幾種離散流方法，其用于基于多層軟光刻、水力多相流、連續(xù)電潤(rùn)濕(electrowetting)、 電介質(zhì)上電潤(rùn)濕(electrowetting - on -dielectric) (EWOD)、雙向電泳、靜電和表面聲波而操作液滴。上述 技術(shù)中的某些技術(shù)在物理限制的通道內(nèi)操作液滴或未蒸發(fā)的燃料液 滴(slugs),同時(shí)其它技術(shù)允許在無(wú)任何物理限制的通道的平坦表面 上操作液滴。因流體被分散，并且經(jīng)過(guò)可編程操作，所以該無(wú)通道、 基于液滴的方法被稱(chēng)為"數(shù)字微流控"?；谝旱蔚姆桨?protocols)與一般還在離散量的流體上執(zhí)行 的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模生物化學(xué)方案非常相似。因此，所制定的方案可容易地 適用于數(shù)字微流體形式。數(shù)字微流體系統(tǒng)的一些顯著特征包括可重 構(gòu)性(通過(guò)軟件控制面板選擇液滴操作和路徑，以使得用戶能夠即時(shí) 創(chuàng)造微流體操作的任何組合)；軟件可編程性還使得設(shè)計(jì)靈活，其中 為了不同應(yīng)用，可對(duì)一類(lèi)微流體處理芯片設(shè)計(jì)和程序重調(diào)；因?yàn)槊恳?微流體操作可在計(jì)算機(jī)的直接控制下執(zhí)行以允許最大操作靈活性，所 以可執(zhí)行條件執(zhí)行步驟(conditinal execution steps);因僅存在 虛擬意義上的通道，所以可通過(guò)軟件即時(shí)重新配置多向液滴傳輸；小
的液滴體積(〈1UL);不使用外部泵或外部閥的完整電子操作；多個(gè) 液滴的同時(shí)操作和獨(dú)立操作；以及無(wú)通道操作(其中不需要起動(dòng)(priming))。許多現(xiàn)有芯片實(shí)驗(yàn)室技術(shù)r包括連續(xù)流和離散流裝置)較不靈活，并且被設(shè)計(jì)成僅執(zhí)行單個(gè)測(cè)定或非常相似的一小組測(cè)定。由于現(xiàn)有微 流體芯片的固定布局，每個(gè)應(yīng)用都需要新芯片設(shè)計(jì)，這使得開(kāi)發(fā)新應(yīng) 用的費(fèi)用高昂。此外，使用來(lái)自半導(dǎo)體集成電路制造的昂貴的微細(xì)加 工技術(shù)制造許多個(gè)這樣的器件。因此，由于用于每種特定應(yīng)用的新器 件的開(kāi)發(fā)需要成本和努力，用于微流體器件的應(yīng)用的發(fā)展較慢。雖然 在大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)批量制造使微細(xì)加工的器件價(jià)格低廉，但由于與標(biāo)準(zhǔn) 半導(dǎo)體微細(xì)加工技術(shù)有關(guān)的過(guò)高成本和微細(xì)加工長(zhǎng)周轉(zhuǎn)時(shí)間，使得新 設(shè)備的開(kāi)發(fā)可能過(guò)于昂貴且費(fèi)時(shí)。為了擴(kuò)大應(yīng)用范圍和微流體在醫(yī) 學(xué)、藥品發(fā)明、環(huán)境和食品監(jiān)控和包括消費(fèi)電子產(chǎn)品的其它領(lǐng)域內(nèi)的 影響，對(duì)于提供更多可重構(gòu)、靈活的集成電路器件的微流體方法以及 用于廉價(jià)、快速地開(kāi)發(fā)和制造這些芯片的技術(shù)，長(zhǎng)期以來(lái)都有求。在過(guò)去的幾年中，根據(jù)通過(guò)直接電控制操作單個(gè)納升尺寸的液滴 而將不同方法應(yīng)用到微流體，己有進(jìn)展。這樣的系統(tǒng)的范例可在 Pamula等(并共同轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人)的美國(guó)專(zhuān)利No. 6， 911， 132 和美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)No. 2004/0058450中找到，其公開(kāi)內(nèi)容在此并入 作為參考。這些技術(shù)在如上所述的數(shù)字微流體范例的實(shí)施方面提供了 許多優(yōu)點(diǎn)，但是用于制造這些微流體芯片的現(xiàn)有制造技術(shù)仍然依賴于 非常復(fù)雜和昂貴的制造技術(shù)。目前，微細(xì)加工廠利用基于通常用于集 成電路(IC)制造工業(yè)的半導(dǎo)體加工技術(shù)的昂貴加工步驟來(lái)制造這些 微流體芯片。除了半導(dǎo)體制造技術(shù)的成本高以外，不容易進(jìn)入半導(dǎo)體 制造廠，并且其一般不提供像24小時(shí)一樣快的制造或原型制作周轉(zhuǎn) 時(shí)間。通常，使用基于傳統(tǒng)半導(dǎo)體微細(xì)加工過(guò)程的普通工藝制造微流體 芯片。通過(guò)薄膜沉積和使用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)的圖案化的重復(fù)步驟在玻璃 基板上制造器件。通常，除了兩個(gè)或三個(gè)絕緣層以外，還需要至少兩 個(gè)金屬層(一層用于電極， 一層用于布線)，以及用于在頂板和底板之間形成間隙(standoff)的層。由于光掩模制造和芯片制造的高成 本，用于制造多達(dá)100個(gè)器件的單個(gè)原型制作可能花費(fèi)多達(dá)10000美 元，并且根據(jù)光刻的水平需要三個(gè)月時(shí)間完成該單個(gè)原型制作。此外， 因工藝流程是非標(biāo)準(zhǔn)化的，在第一次制造一些新設(shè)計(jì)的幾個(gè)嘗試過(guò)程 中，器件的成品率非常低。原型制作所需費(fèi)用和時(shí)間是開(kāi)發(fā)和最優(yōu)化基于液滴微流體系統(tǒng) 的嚴(yán)重障礙。此外，預(yù)計(jì)高芯片成本和快速定制或提高器件設(shè)計(jì)的困 難將阻礙該多用技術(shù)的商業(yè)前景。就眼前來(lái)說(shuō)，需要更快、更可靠和 低成本的制造技術(shù)，以促進(jìn)這些器件的開(kāi)發(fā)和用戶接受度。因微流體 系統(tǒng)傾向于結(jié)構(gòu)較大，并且很少檢測(cè)半導(dǎo)體制造技術(shù)的限制，所以應(yīng) 當(dāng)考慮低分辨率、低成本的批量制造方法。特別是，印刷電路板(PCB)技術(shù)提供許多性能，并且提供與傳 統(tǒng)半導(dǎo)體微細(xì)加工相似的材料，盡管其分辨率非常低。沉積，光刻圖 像化導(dǎo)體層和絕緣體層，并將它們堆疊在一起以形成復(fù)雜的多層結(jié) 構(gòu)。對(duì)于制造數(shù)字微流體系統(tǒng)而言，可知PCB技術(shù)在分辨率、有效性、 制造的成本和容易性方面提供極好的平衡。還可知，使用PCB作為基 板的另外的優(yōu)點(diǎn)是，用于傳感、控制或分析的電子器件能夠以非常低 的成本容易地集成。通常，在PCB工藝中，用密耳(25.4lam)為單位測(cè)量銅線寬和 線距，其為比通常在半導(dǎo)體制造過(guò)程中獲得的亞微米特征量高的量 級(jí)。通常，PCB工藝不需要如半導(dǎo)體IC制造所需的昂貴的超凈環(huán)境。 此外，與在半導(dǎo)體制造過(guò)程中使用硅或玻璃作為制造微流體器件的基板相比較而言，板一般由增強(qiáng)塑料、玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂、特氟綸 (TEFLON) 、聚酰亞胺等制成。此外，對(duì)于PCB工藝，通?？墒謩?dòng) 執(zhí)行對(duì)準(zhǔn)，以代替半導(dǎo)體掩模對(duì)準(zhǔn)器。使用由透明片或聚酯薄板制成 的廉價(jià)掩模代替用于半導(dǎo)體制造的昂貴的玻璃上鉻(chrome-on glass)光掩模。在PCB工藝中，機(jī)械鉆過(guò)孔或用激光鉆過(guò)孔，然后 進(jìn)行電鍍，來(lái)代替蝕刻和需要真空工藝的用于半導(dǎo)體工藝的氣相沉 積。通常，通過(guò)將逐一圖案化的單個(gè)板連接到一起而獲得多層布線層， 這與在半導(dǎo)體制造過(guò)程中使用單個(gè)基板堆疊多重層或結(jié)合晶片而獲
得多層布線層相反?？偠灾?，即使高級(jí)PCB工藝向采用一些半導(dǎo)體 工藝(例如物理氣相沉積)發(fā)展，上述這些還是PCB制造工藝和半導(dǎo) 體制造工藝之間的主要差別。在現(xiàn)今的激烈競(jìng)爭(zhēng)的商業(yè)環(huán)境下，迫使產(chǎn)品快速并且成本高效地 投入市場(chǎng)，特別是消費(fèi)電子產(chǎn)品和醫(yī)學(xué)診斷業(yè)。本發(fā)明的主題涉及廣 泛可用的、可靠的、價(jià)格低廉的、定義完善的印刷電路板(PCB)制 造技術(shù)的利用。通過(guò)利用可靠、易實(shí)現(xiàn)、低成本的制造技術(shù)制造可重 構(gòu)微流體平臺(tái)，用于生物醫(yī)學(xué)和其它領(lǐng)域方面的許多潛在應(yīng)用的芯片 實(shí)驗(yàn)室裝置的幵發(fā)和認(rèn)可將更為普及和迅速。作為用于開(kāi)發(fā)微流體系統(tǒng)的價(jià)格低廉的、設(shè)置好的、靈活的并且 易實(shí)現(xiàn)的制造工藝的PCB技術(shù)，其吸引力已被使用較傳統(tǒng)連續(xù)流微流 體系統(tǒng)工作的研究人員所認(rèn)可。例如，之前，研究人員展示了許多連 續(xù)流式微流體器件，其基于包含氣泡探測(cè)器、pH值調(diào)節(jié)系統(tǒng)、微泵 和電容式壓力傳感器的PCB技術(shù)。最近，還報(bào)道了通過(guò)雙向電泳操作 和分析單個(gè)單元的PCB器件，其具有混合方法，其中PCB用于單塊集 成硅基微流體器件。然而，依然長(zhǎng)期需要用于離散流操作液滴的價(jià)格 低廉的、靈活的、可重構(gòu)系統(tǒng)。發(fā)明內(nèi)容在此所公開(kāi)的裝置和方法包括利用在標(biāo)準(zhǔn)電路板(PCB)工藝中 制造的基板操作數(shù)字微流體液滴的新方式。此設(shè)置好的PCB工藝的非 常規(guī)使用結(jié)合了許多新的方面，包括(1)在PCB上使用銅跡線和焊 盤(pán)作為用于液滴操作的電極，其中通過(guò)電方式(與放置電子構(gòu)件和發(fā) 射電子信號(hào)相反)在PCB基板的外表面上規(guī)定了液滴形式的流體的路 線(例如，傳輸)；(2)使用阻焊掩模材料作為電極電介質(zhì)以作為用 于電場(chǎng)感應(yīng)液滴操作的絕緣體(與使用阻焊掩模相反，如其名稱(chēng)的含 意，是用于防止銅線被焊接)；(3)使用可感光成像液體或干式阻焊 掩模，以使物理結(jié)構(gòu)固定流體；(4)在PCB內(nèi)使用過(guò)孔，用于使得液 滴控制電極彼此電連接或使其與焊盤(pán)接觸；(5)在PCB內(nèi)的電極內(nèi)部 使用填充了阻焊劑的過(guò)孔，以允許緊密組裝液滴控制電極；(6)在用
導(dǎo)電環(huán)氧樹(shù)脂填充在電極內(nèi)部的過(guò)孔，以允許緊密組裝電極，并不損失電極的導(dǎo)電面積；(7)用光透明環(huán)氧樹(shù)脂填充在電極內(nèi)部的過(guò)孔， 用于透過(guò)液滴進(jìn)行光學(xué)測(cè)量；(8)在PCB的相同表面上，在電極附近 使用銅跡線，以提供共同參考電勢(shì)(共面排列)；(9)在電介質(zhì)層上 使用銅嵌入控制電極內(nèi)，以作為參考電極；(10)在用于流體接口的 PCB上使用鉆孔，以允許流體流到和流出PCB;以及(11)使用銅線作為加熱元件。根據(jù)本發(fā)明的主題提供了用于操作液滴的裝置。在一個(gè)實(shí)施例中，提供一種用于操作液滴的裝置，其包括含有第 一側(cè)表面和第二側(cè)表面的印刷電路板基板。將一組電極配置在基板的 第一側(cè)表面上，將電介質(zhì)層配置在基板的第一側(cè)表面上，并將其圖案 化以覆蓋電極。還包含電極選擇器，其用于動(dòng)態(tài)產(chǎn)生一連串陣列電極 激活作用，從而電操作配置在基板的第一側(cè)表面上的液滴。在另一個(gè)實(shí)施例中，提供一種用于操作液滴的裝置，其包括含有 第一側(cè)表面和第二側(cè)表面的印刷電路板基板。將一組驅(qū)動(dòng)電極配置在 基板的第一側(cè)表面上，并且配置一個(gè)或多個(gè)可設(shè)定到共同參考電位的 參考元件的陣列使其至少與驅(qū)動(dòng)電極陣列基本上成共面關(guān)系。將介電 質(zhì)層配置在基板的第一側(cè)表面上，并將其圖案化以覆蓋驅(qū)動(dòng)電極。還 包含電極選擇器，其用于動(dòng)態(tài)產(chǎn)生一連串陣列電極激活作用，從而電 操作配置在基板的第一側(cè)表面上的液滴。在另一個(gè)實(shí)施例中，提供一種用于操作液滴的裝置，其包括含有 第一側(cè)表面和第二側(cè)表面的印刷電路板基板。將驅(qū)動(dòng)電極陣列配置在 基板的第一側(cè)表面上，并且提供細(xì)長(zhǎng)的參考元件使其基本平行于基板 的第一側(cè)表面，并且與基板的第一側(cè)表面間隔一定距離，以確定參考 元件和基板第一側(cè)表面之間的間隔，其中該距離足夠容納配置在該間 隔內(nèi)的液滴。介電質(zhì)層配置在基板的第一側(cè)表面上，并且被圖案化以 覆蓋驅(qū)動(dòng)電極。還包含電極選擇器，其用于動(dòng)態(tài)產(chǎn)生一連串陣列電極 激活作用，從而電操作配置在基板的第一側(cè)表面上的液滴。在另一個(gè)實(shí)施例中，提供一種用于操作液滴的裝置，其包括含有 第一側(cè)表面和第二側(cè)表面的第一印刷電路板，配置在第一印刷電路板
基板的第一側(cè)表面上的驅(qū)動(dòng)電極陣列，和配置在第一印刷電路板基板 的第一側(cè)表面上的被圖案化以覆蓋驅(qū)動(dòng)電極的介電質(zhì)層。該裝置還包 括含有第一側(cè)表面和第二側(cè)表面的第二印刷電路板基板，該第二印刷 電路板基板基本平行于第一印刷電路板基板，并且與第一印刷電路板 基板間隔一定距離，以確定第二印刷電路板基板的第二側(cè)表面和第一 印刷電路板基板的第一側(cè)表面之間的間隔，其中該距離足夠包含配置 在該間隔內(nèi)的液滴。驅(qū)動(dòng)電極的陣列和一個(gè)或多個(gè)參考元件的陣列配 置在第二印刷電路板基板的第二側(cè)表面上。該裝置還包含電極選擇 器，其用于動(dòng)態(tài)產(chǎn)生一連串陣列電極激活作用，從而電操作配置在第 一印刷電路板基板的第一側(cè)表面和第二印刷電路板基板的第二側(cè)表 面之間的液滴。根據(jù)本發(fā)明的主題還提供了用于驅(qū)動(dòng)(actuating)液滴的方法。 在一個(gè)實(shí)施例中，提供一種用于驅(qū)動(dòng)液滴的方法，其包括在印刷 電路板基板的表面上提供液滴的步驟。該表面包括電極的陣列，并且 最初，液滴配置在電極中的第一個(gè)上，并且其鄰近于由第一間隔與第 一電極隔開(kāi)的第二個(gè)電極。該方法還包括將第一電極偏置到第一電 壓，并且將第二電極偏置到不同于第一電壓的第二電壓的步驟，因此 液滴向第二電極移動(dòng)。在另一個(gè)實(shí)施例中，提供一種用于驅(qū)動(dòng)液滴的方法，其包括在印刷電路板基板的表面上提供液滴的步驟。該表面包括驅(qū)動(dòng)電極的陣列 和至少基本共面的一個(gè)或多個(gè)參考元件的陣列，并且液滴配置在第一個(gè)驅(qū)動(dòng)電極上。該方法還包括偏置第一驅(qū)動(dòng)電極以將液滴從第一驅(qū)動(dòng) 電極移動(dòng)到第二驅(qū)動(dòng)電極。在另一個(gè)實(shí)施例中，提供一種用于驅(qū)動(dòng)液滴的方法，其包括在印 刷電路板基板的表面和基本平行于印刷電路板表面，并以固定間隔與 印刷電路板表面分開(kāi)的細(xì)長(zhǎng)的參考元件之間提供液滴的步驟。該印刷 電路板表面包括驅(qū)動(dòng)電極陣列，并且液滴配置在驅(qū)動(dòng)電極的第一個(gè) 上。該方法還包括偏置第一驅(qū)動(dòng)電極，以將液滴從第一驅(qū)動(dòng)電極移到 第二驅(qū)動(dòng)電極。在另一個(gè)實(shí)施例中，提供一種用于驅(qū)動(dòng)液滴的方法，其包括在第
一印刷電路板基板的表面和基本平行于第一印刷電路板，并以固定間 隔與第一印刷電路板分開(kāi)的第二印刷電路板的表面之間提供液滴的 步驟。該第一印刷電路板的表面包括驅(qū)動(dòng)電極陣列，并且液滴配置在 驅(qū)動(dòng)電極的第一個(gè)上，第二印刷電路板的表面包括驅(qū)動(dòng)電極的陣列和 一個(gè)或多個(gè)參考元件的陣列。該方法還包括偏置第一驅(qū)動(dòng)電極，以將 液滴從第一驅(qū)動(dòng)電極移動(dòng)到第二驅(qū)動(dòng)電極的步驟。在另 一個(gè)實(shí)施例中，在無(wú)任何物理性質(zhì)不同的參考元件的印刷電 路板的表面上的驅(qū)動(dòng)電極陣列上，提供一種用于驅(qū)動(dòng)液滴的方法，其 中液滴配置在第一個(gè)驅(qū)動(dòng)電極上，并且該液滴朝向第二或第三個(gè)驅(qū)動(dòng) 電極移動(dòng)。該方法還包括偏置第二和第三驅(qū)動(dòng)電極，由于應(yīng)用在第二 和第三電極之間的電場(chǎng)不均勻，從而將驅(qū)使液滴朝向第二或第三電極 中任何一個(gè)移動(dòng)或遠(yuǎn)離第二或第三電極中任何一個(gè)。在這種情況下， 液滴可能不以逐步方式移動(dòng)，即從一個(gè)電極移動(dòng)到該電極的鄰近電 極，而是可能利用被稱(chēng)為是雙電泳的現(xiàn)象以非均勻電場(chǎng)梯度朝向或遠(yuǎn) 離目標(biāo)電極而連續(xù)移動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明的主題還提供了用于將兩個(gè)或更多的液滴合并為--個(gè)液滴，并將一個(gè)液滴分離為兩個(gè)或更多液滴的方法。在一個(gè)實(shí)施例中，提供一種用于將兩個(gè)或更多的液滴合并為一個(gè) 液滴的方法，其包括在印刷電路板基板的表面上提供第一和第二液滴 的步驟。該表面包括電極陣列，其中該電極陣列包括包含第一外電極、 鄰近第一外電極的中間電極和鄰近中間電極的第二外電極的至少三 個(gè)電極。該第一液滴配置在第一外電極上，并且其鄰近于中間電極， 該第二液滴配置在第二外電極上，并且其鄰近于中間電極。該方法還 包括選擇三個(gè)電極中的一個(gè)作為目標(biāo)電極，并選擇三個(gè)電極中的兩個(gè) 或更多，以根據(jù)目標(biāo)電極的選擇而激活和停用。此方法還包括激活和 停用所選擇的電極，以移動(dòng)第一和第二液滴中的一個(gè)，使其朝向另一 個(gè)液滴移動(dòng)或使第一和第二液滴朝向彼此移動(dòng)，因此在目標(biāo)電極上， 第一和第二液滴合并，以形成結(jié)合的液滴。在另一個(gè)實(shí)施例中，提供一種用于將一個(gè)液滴分離為兩個(gè)或更多 液滴的方法，其包括在印刷電路板基板的表面上提供初始液滴的步
驟。該表面包括一組電極，其中該電極陣列包括包含第一外電極、鄰 近第一外電極的中間電極和鄰近中間電極的第二外電極的至少三個(gè) 電極。最初，初始液滴配置在三個(gè)電極中的至少一個(gè)上，并且其鄰近 于三個(gè)電極中的至少另一個(gè)。此方法還包括將三個(gè)電極的每一個(gè)偏置 到第一電壓，以在三個(gè)電極上定位初始液滴。此方法還包括將中間電 極偏置到不同于第一電壓的第二電壓，以將初始液滴分離為第一和第 二分裂液滴，因此在第一外電極上形成第一分裂液滴，在第二外電極 上形成第二分裂液滴。在另一個(gè)實(shí)施例中，提供一種用于將一個(gè)液滴分離為兩個(gè)或更多 液滴的方法，其包括在印刷電路板基板的表面上提供初始液滴的步 驟。該表面包括電極，其中該電極陣列包括包含第一外電極、鄰近第 一外電極的中間電極和鄰近中間電極的第二外電極的至少三個(gè)電極。 最初，初始液滴配置在三個(gè)液滴中的至少一個(gè)上，并且至少部分覆蓋 三個(gè)電極中的至少另一個(gè)。該方法還包括將中心電極偏置到第一電 壓，以定位初始液滴，因此初始液滴至少部分覆蓋三個(gè)電極。該方法 還包括將中間電極偏置到第二電壓并將第一、第二外電極中至少--個(gè) 偏置到第三電壓，第二和第三電壓不同于第--電壓，以將初始液滴分 離成第一和第二分裂液滴，因此在第一外電極上形成第一分裂液滴， 在第二外電極上形成第二分裂液滴。因此，本發(fā)明的主題的目的是提供用于基于傳統(tǒng)印刷電路板(PCB)技術(shù)制造和操作基于液滴的微流體系統(tǒng)的裝置和方法，其中 通過(guò)對(duì)定義在PCB上的電極施加電壓而在PCB表面上驅(qū)動(dòng)液滴。以上描述了本發(fā)明的主題的目的，其通過(guò)本發(fā)明的主題全面或部 分地被說(shuō)明，其它目的在與下面詳細(xì)描述的附圖結(jié)合的描述過(guò)程中將 變得明了。


圖1A是本發(fā)明的實(shí)施例的俯視圖，圖1B-1D是其剖面圖，其示 出了具有在電極內(nèi)的填充或未填充的過(guò)孔的PCB上的嚴(yán)格共面設(shè)置； 圖2A是本發(fā)明的實(shí)施例的俯視圖，圖2B是其剖面圖，其示出了
具有在電極內(nèi)的填充或未填充的過(guò)孔的PCB上的基本共面設(shè)置；圖3A是本發(fā)明的實(shí)施例的俯視圖，圖3B是其剖面圖，其示出了 具有在電極內(nèi)的填充或未填充的過(guò)孔的PCB上的嵌入式共面設(shè)置；圖4A是本發(fā)明的實(shí)施例的俯視圖，圖4B是其剖面圖，其示出了 具有在電極內(nèi)的填充或未填充的過(guò)孔的PCB上的平行板或雙平面設(shè) 置；圖5是定位在根據(jù)本發(fā)明用于操作液滴的PCB上的具有過(guò)孔的電 極密集陣列上的液滴的透視圖(未示出貯液器)；圖6是示出根據(jù)本發(fā)明用于檢測(cè)不同形狀和不同尺寸的驅(qū)動(dòng)電 極的液滴運(yùn)輸性能的PCB芯片的正面的照片；圖7A-7D是示出根據(jù)本發(fā)明的各種電極形狀的照片；圖8A-8B是分別示出特征為三相液滴運(yùn)輸裝置和用于分散、存儲(chǔ) 和混合液滴的其它結(jié)構(gòu)的PCB芯片設(shè)計(jì)的正反面圖的本發(fā)明的實(shí)施 例的照片；圖9A-9B是分別示出特征為三相液滴運(yùn)輸裝置和用于分散、存儲(chǔ) 和混合液滴的其它結(jié)構(gòu)的PCB芯片設(shè)計(jì)的正反面圖的本發(fā)明的另一 個(gè)實(shí)施例的照片；圖IO是示出根據(jù)本發(fā)明的不同形狀的1.5mm電極的液滴運(yùn)輸特性(頻率對(duì)閾值電壓)的曲線圖；圖11是示出根據(jù)本發(fā)明的不同形狀的l.Omm電極的液滴運(yùn)輸特 性(頻率對(duì)閾值電壓)的曲線圖；圖12是示出根據(jù)本發(fā)明的液滴運(yùn)輸?shù)碾妷旱臅r(shí)間穩(wěn)定性的曲線圖；圖13是示出根據(jù)本發(fā)明的在給定切換頻率下運(yùn)輸液滴的最小電 壓需求的曲線圖；圖14A-14D是示出說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的液滴運(yùn)輸?shù)难訒r(shí)圖象和混 合的照片。
具體實(shí)施方式
印刷電路板(PCB)，有時(shí)候也被稱(chēng)為印刷線路板(PWB)，其是用
于使用在基板上圖案化的導(dǎo)電焊盤(pán)和跡線而互連電子組件的基板。通 常，PCB是通過(guò)如下方式制造將銅層附著在整個(gè)基板上，有時(shí)附著在兩側(cè)(稱(chēng)為制造"空PCB")，然后在應(yīng)用臨時(shí)掩模之后去除不需要的銅(例如通過(guò)在酸內(nèi)蝕刻)，僅剩下所需要的銅跡線。在基板的相 對(duì)面之間的電連接("通孔")可通過(guò)穿過(guò)基板，機(jī)械鉆孔或使用激光 鉆孔，并且將鉆孔的內(nèi)部金屬化以在兩面之間提供連續(xù)的電連接而形 成。多層板可通過(guò)將單個(gè)處理基板粘結(jié)到一起而形成。通常，在銅層內(nèi)的電極線是通過(guò)在減成工藝中從空PCB蝕刻銅而定義，而一些鑄造 工廠使用半加成和全加成工藝，其中通過(guò)電鍍或其它技術(shù)在基板上設(shè) 置銅。如上述所述，數(shù)字微流體系統(tǒng)是一種微流體方法，其中在包含電 極陣列的基板上電操作流體的離散液滴。在通常使用的結(jié)構(gòu)中，液滴 被夾在兩個(gè)平行板之間，其中頂板物理地限制液滴，底板包含電絕緣 的可單獨(dú)尋址的驅(qū)動(dòng)或控制電極(或元件)陣列。通常，還需要一個(gè) 或多個(gè)參考電極(或元件)來(lái)控制液滴的電勢(shì)?？蓪⒖茧姌O配置在 與驅(qū)動(dòng)電極相同的基板上(共面)或相對(duì)的平板上(雙平面)。環(huán)繞 液滴的兩個(gè)板之間的空間一般是打開(kāi)的，并且其可由空氣或者不互溶 流體填充以防止蒸發(fā)?？杀挥糜诤旱蔚牟换ト芰黧w的例子包含硅 酮油、氟硅酮油或碳化氫油。當(dāng)參考電極和驅(qū)動(dòng)電極配置在相同的基 板上時(shí)，相對(duì)板不用作電路部分，而僅用作蓋板以物理地包含流體， 并且對(duì)于器件操作可不需要該相對(duì)板。通過(guò)將電勢(shì)應(yīng)用到參考電極和一個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)電極之間實(shí)現(xiàn)液 滴驅(qū)動(dòng)。所應(yīng)用的電勢(shì)可以是DC或AC，參考電極的不必物理地區(qū)別 于驅(qū)動(dòng)電極。鄰近于激活的控制電極的微流體將變得被引向該控制電 極，并且朝該控制電極移動(dòng)。使用用戶定義圖案(可能使用電極選擇 器)可順序激活控制電極，以沿由連續(xù)控制電極定義的任意路徑傳輸 液滴。除了傳輸以外，基于控制電極的設(shè)計(jì)和激活圖案，可完成包括 液滴的合并、分離、混合、變形和分配的其它操作。數(shù)字微流體處理器主要由具有一個(gè)或多個(gè)參考電極的控制電極 陣列組成。完整的芯片可能包括許多其它類(lèi)型結(jié)構(gòu)，包括通道、貯液
器、頂板、傳感器、輸入口、輸出口，等等。此電極陣列需要互連， 以將某些電極電連接在一起，并且將電極連接到用于連接外電路的接 觸焊盤(pán)。以前，使用薄膜沉積和從羋導(dǎo)體制造借鑒來(lái)的光刻技術(shù)，在 玻璃或硅基板上制造數(shù)字微流體芯片。通過(guò)在單個(gè)初始基板上沉積和 圖案化導(dǎo)體和絕緣體的連續(xù)層而構(gòu)成用于布線的多層電互聯(lián)。本發(fā)明 是關(guān)于裝置和方法的，因此可在與傳統(tǒng)基于玻璃或硅的工藝相反的標(biāo)準(zhǔn)PCB工藝內(nèi)有利地構(gòu)造數(shù)字微流體處理器。本發(fā)明利用了與基于玻璃或硅的工藝相比在PCB工藝內(nèi)產(chǎn)生多 層導(dǎo)體更容易的優(yōu)點(diǎn)。這主要是因?yàn)樵赑CB工藝過(guò)程中，在分離的基 板上制造金屬層，在最后將這些基板層壓到一起，而不是在單個(gè)基板 上順序積層。PCB數(shù)字微流體芯片，如本發(fā)明所設(shè)想的，可具有一個(gè)或多個(gè)布 線層。通過(guò)減成電鍍、板電鍍、圖案電鍍或加成電鍍，將導(dǎo)體布線圖 案轉(zhuǎn)移PCB基板上。當(dāng)僅使用一個(gè)布線層時(shí)，在不需要任何過(guò)孔的單 面板上制造用于操作液滴的所有電極和用于電輸入/輸出連接的焊 盤(pán)。 一般，將需要兩個(gè)或更多布線層，用于有必要使用多層板的復(fù)雜 的液滴控制操作。通過(guò)粘結(jié)幾個(gè)雙面板或利用無(wú)需機(jī)械鉆孔的積層 (build-up) /連續(xù)的板(例如，化學(xué)蝕刻過(guò)孔或激光鉆孔，然后經(jīng) 化學(xué)鍍)而裝配多層板。通過(guò)定義，雙面板在板的兩面具有布線，所 述板可進(jìn)一步分類(lèi)為未經(jīng)通孔金屬化的板和經(jīng)過(guò)通孔金屬化的板。經(jīng) 過(guò)通孔金屬化的板進(jìn)一步分類(lèi)為電鍍通孔金屬化的板和填充通孔金 屬化的板。在電鍍的通孔金屬化的板內(nèi)，通過(guò)銅鍍(例如，電鍍或化 學(xué)鍍或其組合)金屬化孔，在填充的通孔金屬化的板內(nèi)，可用例如銅 膠、銀膠、導(dǎo)電環(huán)氧樹(shù)脂等的導(dǎo)電性膠填充孔。在數(shù)字微流體芯片內(nèi)，鉆通孔(或過(guò)孔)，使其穿過(guò)在多層板的 一面上的驅(qū)動(dòng)電極，以在板的相對(duì)面實(shí)現(xiàn)電連接。液滴的印跡由驅(qū)動(dòng) 電極的區(qū)域所定義。為了獲得小液滴體積，必須最小化驅(qū)動(dòng)電極的區(qū) 域。因穿過(guò)驅(qū)動(dòng)電極鉆出過(guò)孔，所以最小化包括焊盤(pán)/連接盤(pán)直徑的 過(guò)孔的直徑是重要的。因此，過(guò)孔在定義可在PCB工藝內(nèi)獲得的液滴 的最小體積方面起重要作用。因不同的原因，即避免阻礙線布設(shè)通道，
和最大化可用于跡線的PCB表面面積，PCB工業(yè)驅(qū)使過(guò)孔尺寸下降。 許多積層工藝使用通過(guò)使用準(zhǔn)分子激光器穿通而形成的小通孔。有許 多用于PCB工業(yè)的各種積層工藝，包括，但是不限于，表面層合電路 板(SLC)，其中通孔是光致形成的；DYCOstrate ,其中通孔是經(jīng)水 平干等離子體蝕刻的；薄膜再分布層(FRL)，其中最外層電介質(zhì)是光 敏的，同時(shí)內(nèi)層構(gòu)成常規(guī)多層板；導(dǎo)電粘結(jié)撓性板(Conductive Adhesive Bonded Flex) (Z-link);積層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)(Build-up Structure System) (IBSS)，其中電介質(zhì)是光敏的；連續(xù)結(jié)合中心 (Sequential Bonding Core) /任意層內(nèi)部過(guò)孔(Any-Layer Inner Via-Hole) (ALIVH)，其中CO2激光器用于鉆通孔，然后用銀膠填充孔； 載體形成電路(Carrier Formed Circuit),其中在不銹鋼載具上預(yù) 備分立電路，然后將其層壓在FR-4預(yù)浸材料上；巻板積層(Ro11 Sheet Buildup),其中通過(guò)軋制熱量和壓力而層壓?jiǎn)蚊姝h(huán)氧樹(shù)脂覆蓋的金屬 薄片；和薄板組合，其與巻板組合相似，但是層壓雙面或多層電路。 在對(duì)數(shù)字微流體芯片使用組合板(Z-Link)的一個(gè)實(shí)施例中，可將由 聚酰亞胺背封的包覆銅組成的若干撓性板層壓在一起，然后層壓在剛 性板上以形成多層板。因此，可在每個(gè)撓性層內(nèi)穿孔、激光鉆孔或者 等離子體鉆孔。然后，可由導(dǎo)電粘合劑填充互連各種層的孔。一般實(shí)施例參考圖1A-1D、圖2A-2B、圖3A-3B、圖4A-4B和圖5，下面更詳 細(xì)地討論使經(jīng)PCB加工的基板適用于對(duì)液滴操作的要求。如下面將進(jìn) 一步詳細(xì)地討論，圖1A-ID涉及包括在具有電極內(nèi)的填充或未填充的 過(guò)孔的PCB上的嚴(yán)格共面配置的PCB數(shù)字微流體芯片10;圖2A-2B 涉及包括在具有電極內(nèi)的填充或未填充的過(guò)孔的PCB上的基本共面 配置的PCB數(shù)字微流體芯片20;圖3A-3B涉及包括在具有電極內(nèi)的 填充或未填充的過(guò)孔的PCB上的嵌入式共面配置的PCB數(shù)字微流體芯 片30;圖4A-4B涉及包括在具有電極內(nèi)的填充或未填充的過(guò)孔的PCB 上的平行板或雙平面配置的PCB數(shù)字微流體芯片40;圖5示出位于 用于液滴操作的PCB上的具有過(guò)孔的電極密集陣列上的液滴。圖5 — 般地示出本發(fā)明的原理，其中流體樣品可被數(shù)字化為離散的液滴D， 之后可獨(dú)立地分配、傳遞、培養(yǎng)、檢測(cè)該離散的液滴D或使其與其它 液滴反應(yīng)("數(shù)字微流體系統(tǒng)"的方法)。在圖1A-1D、圖2A-2B、圖3A-3B和圖4A-4B所示的每個(gè)實(shí)施例 中，如在下面將更詳細(xì)地各自描述這些實(shí)施例，提供了 PCB基板板 12，該板具有頂部第一側(cè)表面13和底部第二側(cè)表面14。例如銅跡線 驅(qū)動(dòng)電極等的驅(qū)動(dòng)控制電極(或元件)16可配置在PCB12的頂面13 上，并且例如銅跡線參考電極或平行板參考電極等的參考電極(或元 件)18也可配置成多種用于液滴操作的構(gòu)造。通常，例如可液態(tài)感 光成像(LPI)阻焊掩模等的阻焊掩模用于傳統(tǒng)PCB工藝，作為外層 以防止在設(shè)置電子組件的過(guò)程中銅線被蝕刻或電鍍或焊接。然而，在 該外層用于根據(jù)本發(fā)明驅(qū)動(dòng)液滴過(guò)程中，該外層是用于將液滴與施加 在驅(qū)動(dòng)和參考電極16、 18上的電勢(shì)絕緣的絕緣體22。驅(qū)動(dòng)電極16 完全被絕緣體22絕緣，該絕緣體優(yōu)選LPI阻焊掩?；虬R時(shí)阻焊 掩模的某種其它電介質(zhì)。完全絕緣意味著驅(qū)動(dòng)電極16的所有面包括 邊緣都被覆蓋。使用包括幕式淋涂、旋涂、噴涂或絲網(wǎng)印刷的但不限 于這些的傳統(tǒng)工藝應(yīng)用該絕緣體22 (LPI阻焊掩模)。如果需要參考 電極18，可暴露一些銅結(jié)構(gòu)，并且不絕緣這些銅結(jié)構(gòu)，以為液滴提 供直接參考電勢(shì)。該暴露部分按通過(guò)銅功能部件的分辨率以及阻焊掩 模的分辨率和阻焊掩模層和銅層的重合定義的PCB工藝所允許的那 樣，接近于驅(qū)動(dòng)電極16。參考電極18的被暴露區(qū)可能具有可選的導(dǎo) 電表面加工，其上通常包括浸銀(immersion silver)、浸金 (immersion gold)禾口浸鎳(electroless nickel) /浸金(ENIG)?；宀牧先缟纤?，本發(fā)明的靜電微流體器件包括可在幾乎任何通常用于 制造PCB的板材料上制造的基板12。這些材料包括FR-2、FR-4、FR-5、 聚酰亞胺、Kapton 、 Rogers, BuroidTM、 BT、氰酸酯和特氟隆(PTFE)， 但是不限于此。剛性、剛-撓性或撓性基板可用作制造這些器件的基 底材料12。
電極形成將PCB的最外導(dǎo)電銅層圖案化，以形成通過(guò)電場(chǎng)操作液滴所需的 驅(qū)動(dòng)電極。驅(qū)動(dòng)電極16根據(jù)特殊應(yīng)用取各種形狀和形式。例如，可 使用矩形電極陣列、圓形電極陣列、六邊形電極陣列、星形電極陣列， 和其它聯(lián)鎖或交指型電極陣列，以及細(xì)長(zhǎng)的電極結(jié)構(gòu)。還可在相同的 基板(共面)上的相同的導(dǎo)電層內(nèi)或分離的導(dǎo)電層內(nèi)圖案化參考電極 18，或者可將參考電極18配置在分離基板上(雙平面)。在如圖1A-1D所示的一個(gè)實(shí)施例中，可在與驅(qū)動(dòng)控制電極16相 同的導(dǎo)電銅層內(nèi)圖案化參考電極18，其中從參考電極18部分上方去 除絕緣體22，以暴露下面的導(dǎo)電層。該圖案允許參考電極18和液滴 之間的同時(shí)電接觸。在該實(shí)施例中，參考電極18可能鄰近驅(qū)動(dòng)控制 電極16或在驅(qū)動(dòng)控制電極16之間設(shè)置。在如圖2A-2B所示的另一個(gè)實(shí)施例中，可將參考元件18形成為 在絕緣體22頂上直接圖案化的分離導(dǎo)電層。導(dǎo)電層可以是由真空處 理、化學(xué)鍍、電鍍、層壓或其它方法沉積的薄金屬膜，并且該導(dǎo)電層 被圖象化以形成參考元件18。參考元件18可采用各種形狀和形式， 并且其可位于驅(qū)動(dòng)元件16的正上方和/或位于驅(qū)動(dòng)元件16的側(cè)面(即 參考元件18不需要與驅(qū)動(dòng)控制元件16精確對(duì)準(zhǔn))。在一種設(shè)置中， 參考元件18可形成層疊在驅(qū)動(dòng)元件16上的導(dǎo)線柵格或網(wǎng)格。在該設(shè) 置內(nèi)，參考元件18能夠電屏蔽控制電極16，其中它們重疊，所以當(dāng) 相對(duì)于驅(qū)動(dòng)控制元件16調(diào)整參考元件18的尺寸，并定位該參考元件 18時(shí)，理論上應(yīng)當(dāng)將重疊最小化。在另一個(gè)設(shè)置中，選取柵格的節(jié) 距小于電極間距，但不是電極間距的整數(shù)因子?？墒褂迷诮^緣體22 上沉積金屬的加成金屬PCB工藝實(shí)現(xiàn)該分離的導(dǎo)電層設(shè)置，或者可使 用在薄撓性電路基板的相反面上形成參考元件18和驅(qū)動(dòng)元件16的減 成工藝實(shí)現(xiàn)該分離的導(dǎo)電層設(shè)置。在后一情況中，撓性電路基板用作 驅(qū)動(dòng)控制元件16的絕緣層，并且撓性電路板可被層壓在剛性基板上， 以提供機(jī)械剛性，并且提供用于電極的電互連。在如圖3A-3B所示的另一個(gè)實(shí)施例中，可將參考元件18配置在
驅(qū)動(dòng)控制元件16內(nèi)的嵌入式共面設(shè)置內(nèi)。在這樣的設(shè)置中，在沒(méi)有 被絕緣體22覆蓋的區(qū)域內(nèi)，具有被覆金屬26的過(guò)孔25可起到參考 元件18的作用。此外，還可配置具有被絕緣體22覆蓋的被覆金屬 24的其他過(guò)孔24，其作用如下所述。在如圖4A-4B所示的另一個(gè)實(shí)施例中，可將參考元件18配置在 分離的基板上作為平行板。通常，將包含驅(qū)動(dòng)電極16的基板和包含 參考元件18的基板設(shè)為彼此相對(duì)，并且在它們之間具有間距G以包 含液體，從而形成夾層結(jié)構(gòu)。附加平行板設(shè)置可包括兩個(gè)相反的表面， 這兩個(gè)相反的表面就其本身而言是靜電PCB微流體器件(上"板"可 能是具有頂部第一側(cè)表面13'和底部第二側(cè)表面14，的PCB)，并且 在這兩個(gè)表面上都具有驅(qū)動(dòng)元件16，并且在至少一個(gè)表面上具有參 考元件18。因?yàn)閷?duì)用于基于電場(chǎng)的液滴操作的驅(qū)動(dòng)電極16充電需要極小電 流，所以形成電極的導(dǎo)體材料的電阻性可充分地比PCB應(yīng)用一般可以 接受的電阻性更強(qiáng)。因此，除了銅以外，還可使用廣泛的不同類(lèi)型的 導(dǎo)體。這包括一般認(rèn)為不適合于在PCB上形成焊盤(pán)和跡線的導(dǎo)體。同 樣，該導(dǎo)電層可充分地比PCB通常優(yōu)選的導(dǎo)電層的厚度更薄。理論上， 該導(dǎo)電層應(yīng)當(dāng)盡量薄，以最小化導(dǎo)電功能部件的形貌，隨后該導(dǎo)電結(jié) 構(gòu)必定被絕緣層所覆蓋。此外，最小化導(dǎo)體厚度提高PCB表面的平面 度，對(duì)于在表面恒定不變、可靠地操作液滴，提高PCB表面的平面度 是所期望的。通過(guò)使用具有最小導(dǎo)體厚度的初始基板(例如，l/4oz. 或5nm的銅覆蓋層)或者通過(guò)增加拋光或蝕刻步驟以在沉積絕緣體 之前減小導(dǎo)體厚度，可最小化導(dǎo)體厚度。電極互連和過(guò)孔PCB基板12上的導(dǎo)電跡線用于電連接驅(qū)動(dòng)電極16和參考元件 18。每個(gè)驅(qū)動(dòng)電極16或每個(gè)參考元件18可與一個(gè)或多個(gè)其它驅(qū)動(dòng) 電極16或參考電極18、在相同PCB基板12上的其它電子組件或用 于外部連接的焊盤(pán)連接。在一個(gè)設(shè)置中，沿PCB的邊緣配置用于外 部連接的焊盤(pán)，并且該P(yáng)CB適合用于板邊接線插座28(見(jiàn)圖8A-8B)。
在另一個(gè)設(shè)置中，將焊盤(pán)陣列配置在PCB的表面上，并且使用彈簧 式管腳、測(cè)試用線夾或各向異性導(dǎo)電材料帶29接觸這些焊盤(pán)(見(jiàn)圖 9A)。在另一設(shè)置中，排針、接插件或其它離散電子組件連接到PCB， 以促進(jìn)與外電路的連接。如圖1A-1D、圖2A-2B、圖3A-3B和圖4A-4B所示，可通過(guò)本領(lǐng) 域所公知的PCB方法實(shí)現(xiàn)在基板12的不同導(dǎo)電層之間的電連接，由 此孔或過(guò)孔24是從在基板12的任何一面上的兩個(gè)待電連接的導(dǎo)電區(qū) 域(頂面13和底面14)經(jīng)鉆孔穿過(guò)基板12的。雖然圖中示為圓形， 可以理解的是過(guò)孔24可以是任何形狀的，例如矩形、橢圓形等，該 通孔可形成在基板材料12內(nèi)。還可通過(guò)化學(xué)鍍或電鍍或使用其它方 法形成被覆金屬26而金屬化孔24的內(nèi)部(鍍通孔金屬化)，因此在 過(guò)孔位置處的兩個(gè)相對(duì)面之間建立電連續(xù)性。如上所述，導(dǎo)電膠(填 充通孔金屬化)也可用于代替鍍通孔金屬化以建立電連續(xù)性。為了在電極和跡線之間建立電連接，幾個(gè)方法是可用的。在一個(gè) 方法中，從在PCB的相同面上的電極向外引出導(dǎo)線或跡線，然后如果 需要，可在遠(yuǎn)離電極的過(guò)孔位置處穿過(guò)基板規(guī)定導(dǎo)線路線。在另一個(gè) 方法中，在電極內(nèi)制備過(guò)孔。在此情況下，可能需要提供一種用于填 充或覆蓋鉆孔的方法以防止液體通過(guò)鉆孔進(jìn)入或蒸發(fā)。使用化學(xué)鍍或 電鍍可將過(guò)孔24鍍覆使其封閉，或者可使用各種技術(shù)和各種材料(導(dǎo) 電環(huán)氧樹(shù)脂、不導(dǎo)電環(huán)氧樹(shù)脂、透明環(huán)氧樹(shù)脂或任何其它材料)填充 或覆蓋過(guò)孔24。在用任何這些填充材料填充該過(guò)孔之后，然后可通 過(guò)化學(xué)鍍或電鍍用銅覆蓋PCB表面，以完全遮蔽該過(guò)孔，以使液滴在 表面上移動(dòng)。在一種方法中，使得孔足夠小，從而防止例如傳統(tǒng)液態(tài)阻焊掩模 材料等的以液體形式沉積的絕緣體，通過(guò)粘性效應(yīng)或表面張力效應(yīng)滲 入孔中，或者可使得孔足夠大，從而液態(tài)阻焊掩?？蛇M(jìn)入過(guò)孔，從而 形成阻焊掩模填充的過(guò)孔24'(見(jiàn)圖1B)?；蛘?，可增加附加工藝步 驟，以在沉積絕緣體之前用環(huán)氧樹(shù)脂或類(lèi)似的材料填充鉆孔，從而形 成環(huán)氧樹(shù)脂填充過(guò)孔24"(見(jiàn)圖1C)，或透明的環(huán)氧樹(shù)脂填充過(guò)孔24"' (見(jiàn)圖1D)。另一個(gè)方法是使用"遮蓋"鉆孔的干膜絕緣體材料有效覆蓋鉆孔，并密封芯片表面。這幾個(gè)方法的可能的缺點(diǎn)是它們導(dǎo)致在 導(dǎo)電電極的邊緣內(nèi)形成不導(dǎo)電區(qū)域，這減小了可用于產(chǎn)生電場(chǎng)的電極 的區(qū)域。為了解決這個(gè)問(wèn)題，幾種技術(shù)可用于產(chǎn)生導(dǎo)電填充，包括使 用導(dǎo)電環(huán)氧樹(shù)脂填充孔，和使用化學(xué)鍍或電鍍?cè)诓粚?dǎo)電填充材料上提 供導(dǎo)電表面涂層。另一個(gè)可供選擇的方法是電鍍鉆孔，使得該鉆孔完 全由金屬所填充。該方法可能需要整平步驟以去除由較大量電鍍沉積 在基板表面上的多余金屬。在此情況下，通過(guò)使用僅在環(huán)繞過(guò)孔的區(qū)域內(nèi)添加附加金屬的"鈕扣電鍍(button-plating)"工藝，可簡(jiǎn)化 在基板表面上的整平和導(dǎo)體厚度控制。所得"鈕扣(button)"之后 可通過(guò)拋光PCB表面而被去除。在該方法中，在鉆孔內(nèi)可沉積大量金 屬，而不增加在PCB表面上的金屬的最終厚度。電極絕緣進(jìn)一步參考圖1A-1D、圖2A-2B、圖3A-3B和圖4A-4B，驅(qū)動(dòng)電 極16通常被絕緣體22所電絕緣，以防止當(dāng)將DC電勢(shì)施加到驅(qū)動(dòng)電 極時(shí)，在電極和導(dǎo)電液體之間流通直流電流。應(yīng)當(dāng)注意的是，AC電 勢(shì)也可施加于驅(qū)動(dòng)電極以便使能電場(chǎng)誘導(dǎo)的液滴操作。雖然可以使用 任何電介質(zhì)，阻焊掩模通常用于傳統(tǒng)的PCB工藝以保護(hù)在PCB上的銅 線，并僅暴露在最終焊接電子組件處的銅。用于將驅(qū)動(dòng)電極16絕緣 的最直接的方法是使用阻焊掩模材料(或其它電介質(zhì))作為電絕緣體 22。液體和干膜阻焊掩模都適合于用作電絕緣體22。因?yàn)楦泄庾韬?掩?？扇菀椎乇粓D案化以對(duì)參考元件18或在絕緣體22下的接觸焊盤(pán)提供電輸入，所以優(yōu)選感光阻焊掩模?？刹捎脙煞N阻焊掩模液態(tài)感光(LPI)或干膜阻焊掩模(DFSS)。 LPI不是正形的。DFSS提供近垂直側(cè)壁，并且已有其用于制造電鍍模， 密封流體通道，以及作為用于微通道的粉末噴砂的掩模的報(bào)道。然而， DFSS未曾用于形成貯液器或作為襯墊材料以在兩個(gè)平行板之間提供 間隙(standoff)和密封，如在本發(fā)明中設(shè)想的那樣。在一些應(yīng)用中，可能不存在具有理想的熱、機(jī)械、電或光特性的 組合的焊接掩模材料。在這些情況下，可用其它類(lèi)型的絕緣材料代替
阻焊掩模材料或與阻焊掩模材料結(jié)合。例如，對(duì)PCB基板可應(yīng)用旋涂 材料，如聚酰亞胺，可浸涂或可旋涂或可噴涂或可刷涂材料，如 TEFLON AF和CytopTM，氣相沉積或?yàn)R射材料，如二氧化硅，以及例如 聚對(duì)二甲苯(parylene)等的聚合物。作為用于絕緣體22的阻焊掩模的替換物，聚對(duì)二甲苯的薄層可 在物理氣相沉積(PVD)工藝中作為電介質(zhì)被沉積。聚對(duì)二甲苯是包 括聚對(duì)二甲苯C、 D和N的聚對(duì)二甲苯基聚合物族的總稱(chēng)。如用于此 情況內(nèi)，聚對(duì)二甲苯指任何聚對(duì)二甲苯的組合物及其混合物。使用聚 對(duì)二甲苯的主要優(yōu)點(diǎn)是其可被沉積為正形層，并且厚度比LPI和DFSS 的厚度小很多。在PCB方法中，可涂覆薄達(dá)0.5mil (lmil=25.4um) 的LPI，而可涂覆薄達(dá)0.5um的無(wú)針孔的聚對(duì)二甲苯。這樣薄的絕 緣體降低了驅(qū)動(dòng)液滴所需電勢(shì)。在某些應(yīng)用中，將必須將電介質(zhì)圖象 化以暴露銅電極。可通過(guò)反應(yīng)離子蝕刻、等離子灰化、化學(xué)蝕刻或通 過(guò)激光燒蝕將聚對(duì)二甲苯圖案化?；蛘撸蹖?duì)二甲苯還可通過(guò)利用窄 帶(例如，3M Mask Plus II Water Soluble Wave Solder Tape No. 5414，其用于在波峰焊過(guò)程中掩蔽在PCB上的金手指)掩蔽需要暴露的區(qū)域而被選擇性地沉積。其它可用作電介質(zhì)的材料代表性例子 包括硅酮、聚亞安酯、丙烯酸樹(shù)脂和其它可旋涂或可沉積電介質(zhì)。 通常，為了降低驅(qū)動(dòng)流體所需電壓，希望最小化絕緣體22的厚度。間隙層還設(shè)想了可沉積和圖案化阻焊掩模的附加層，以在PCB表面上形 成物理結(jié)構(gòu)，例如用于聚集或?qū)蛞后w流的井和通道(未示出)。附加工藝減成工藝和加成工藝的組合在另一個(gè)實(shí)施例中，減成工藝和加成工藝的組合可用于制造本發(fā) 明的PCB液滴操作板。減成工藝可用于制造多層板，該多層板定義所 有到液滴控制電極的電布線和電互連。然后可應(yīng)用可圖案化的電介質(zhì)
層。可通過(guò)激光鉆孔或光刻法在該電介質(zhì)內(nèi)圖案化過(guò)孔。在一個(gè)實(shí)施例中，可使用LPI作為電介質(zhì)。可選地鍍覆暴露在孔內(nèi)的電極焊盤(pán)， 以使得其與電介質(zhì)表面在同一平面上。在此時(shí)，可使用加成工藝以使用銅化學(xué)沉積定義所有電極，因?yàn)榭梢垣@得較小行的間距。 后加工成品器件可包括標(biāo)準(zhǔn)PCB工藝和非標(biāo)準(zhǔn)工藝的組合。例如，可將 單步疏水涂層應(yīng)用到成品PCB，以促進(jìn)液滴的傳輸。此外，對(duì)于某些 應(yīng)用，使用阻焊掩模作為電介質(zhì)可能不可取，在此情況下，隨后可以 使用不可用于標(biāo)準(zhǔn)PCB工藝的特殊材料涂覆未絕緣的PCB。然而，在 此情況下，使用PCB作為初始基板，并且使用PCB工藝以形成導(dǎo)電跡 線，依然提供全PCB兼容工藝的許多(如果不是大部分)有利之處。在一個(gè)實(shí)施例中，可在多層PCB上制造所有電布線所需導(dǎo)線。然 后可通過(guò)拋光或化學(xué)蝕刻去除一些或所有銅外層。然后包含操作液滴 所需的所有電導(dǎo)線的該P(yáng)CB可以作為用于進(jìn)一步加工的基板，以將具 有較細(xì)行間距的驅(qū)動(dòng)電極和參考電極圖案化。為了獲得細(xì)行間距，可 以使用包括薄膜沉積和光刻的半導(dǎo)體加工技術(shù)將控制電極圖案化。共面參考元件的電鍍?cè)趨⒖茧姌O18也在與驅(qū)動(dòng)電極16相同的層內(nèi)被圖案化的實(shí)施例 中(見(jiàn)，例如圖IA-ID)，當(dāng)LPI阻焊掩模僅覆蓋驅(qū)動(dòng)電極，并且使 參考電極暴露時(shí)，在LPI阻焊掩模內(nèi)可能具有明顯的微坑。因液滴可 能不和參考元件接觸，該微坑可能會(huì)影響操作的可靠性。在此情況下， 可電鍍參考電極，使得參考元件的表面與LPI阻焊掩模(未示出)在 同一個(gè)平面。可在用銅或鎳終飾表面之前執(zhí)行該電鍍步驟。在外表面上的參考電極在一個(gè)實(shí)施例中，在如上所述形成所有銅電極之后，然后可使用 LPI涂層作為中間層電介質(zhì)，并且可在LPI上將另一銅層圖案化以作 為參考電極。該電介質(zhì)也可以是在典型多層結(jié)構(gòu)中的薄(2mil以下)
預(yù)浸PCB板或者其可為具有作為在最外層上的參考電極的銅功能部 件的撓性板。恰好在該最外銅層下面的銅層具有定義驅(qū)動(dòng)電極的銅功 能部件。電子器件的集成和PCB上的檢測(cè)在另一個(gè)實(shí)施例中，設(shè)想了本發(fā)明的PCB還可由在不用于液體操 作的區(qū)域內(nèi)的電子組件組成。電子組件可包括微控制器、繼電器、高 壓多路復(fù)用器、電壓轉(zhuǎn)換器(DC-DC用于逐漸增加電壓，DC-AC， AC-DC 等)、例如LED的電光元件、光電二極管、光電倍增管(PMT)、加熱 元件、熱敏電阻器、電阻式溫度器件(RTD)和其它用于電化學(xué)測(cè)量 電極。銅跡線還可用于液滴的阻抗測(cè)量。通過(guò)曲折銅跡線可實(shí)現(xiàn)電阻 加熱元件，并且電阻加熱特性將依賴于銅線的尺寸。在一個(gè)實(shí)施例中， 包含例如PMT或光電二極管的光探測(cè)器的PCB可用作平行板，以形成 具有液滴操作PCB板的夾層結(jié)構(gòu)。在另一個(gè)實(shí)施例中，在標(biāo)準(zhǔn)PCB工 藝中獲得的金涂覆電極可用于電化學(xué)測(cè)量。用于流體輸入/輸出的鉆孔PCB上機(jī)械地鉆得的孔通常用于將板附著或固定于另一個(gè)表面。 進(jìn)一步設(shè)想在本發(fā)明的PCB微流體芯片內(nèi)，這些鉆孔可用作流體輸入 /輸出口用于將流體添加到PCB基板表面和從PCB基板表面去除流體。 進(jìn)一步設(shè)想這些鉆孔可與液體源匹配，該液體源包括撓性管、注射器、 吸管、玻璃毛細(xì)管、內(nèi)部靜脈線或微量滲析腔，但并不限于此。在這 些管內(nèi)的流體可通過(guò)壓力或任何其它方法驅(qū)動(dòng)。來(lái)自管道的液體的連 續(xù)流可通過(guò)這些鉆孔與PCB連接，并且其可直接從液流被離散化成液 滴或者通過(guò)在PCB上的中間貯液器離散化成液滴。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，金屬化鉆孔(見(jiàn)，例如圖9A-9B中的鉆 孔32)可設(shè)置在鄰近于控制電極的位置，以作為用于在電極表面上 安置和去除液體的流體輸入/輸出口。在另一個(gè)實(shí)施例中，可配置未 金屬化鉆孔(見(jiàn)，例如圖9A-9B中的鉆孔34)用于流體輸入和輸出， 并且該鉆孔可與在阻焊掩模內(nèi)蝕刻的通道連接，之后該通道導(dǎo)向貯液 器(未示出)。該貯液器可具有電極，該電極用于例如通過(guò)使用電場(chǎng) 調(diào)節(jié)的液滴分配技術(shù)等分配。在另一實(shí)施例中，可以用電介質(zhì)覆蓋所 提供的用于流體輸入/輸出的金屬化的鉆孔，此外其還具有環(huán)繞鉆孔 的電極的同心環(huán)。在此情況下，通過(guò)壓制流體穿過(guò)孔，然后使用電場(chǎng) 在電極上分配液滴，而可在孔外徑向地分配液滴。在另一個(gè)實(shí)施例中， 通過(guò)收集在孔區(qū)域內(nèi)的液滴，并使得液滴利用重力滴進(jìn)放置在孔下面 的容器內(nèi)，鉆孔可用于輸出液體使其進(jìn)入廢液貯液器內(nèi)或任何其它的 片外容器。從過(guò)孔提取脫離平面的液滴通常，在具有一個(gè)或兩個(gè)包括PCB的板的夾層結(jié)構(gòu)內(nèi)的水平面內(nèi) 操作在本發(fā)明的裝置上移動(dòng)的液滴。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，在PCB上 鉆出的孔可用于從在垂直平面內(nèi)的夾層結(jié)構(gòu)提取出液滴?？梢远喾N方 法通過(guò)孔提取液滴。在一種在被限定在夾層結(jié)構(gòu)內(nèi)的液滴和大孔之間 利用壓強(qiáng)差的方法中，可通過(guò)恰好將液滴置于孔下面而被動(dòng)地推進(jìn)液 滴使其穿過(guò)具有大于液滴半徑的直徑的孔。還可通過(guò)電方法提取液 滴，其中添加另一個(gè)板到夾層結(jié)構(gòu)，并且通過(guò)應(yīng)用電勢(shì)而可從夾層結(jié) 構(gòu)引出液滴并使其進(jìn)入新形成的夾層結(jié)構(gòu)。在此情況下，為了簡(jiǎn)化提 取工藝，可在共面PCB基板和具有電極的另一個(gè)基板之間形成夾層結(jié) 構(gòu)。當(dāng)這些板都形成平行板設(shè)置時(shí)，液滴將僅接觸共面PCB基板，并 當(dāng)在另一個(gè)基板上應(yīng)用電勢(shì)以從平面內(nèi)引出液滴時(shí)，該液滴垂直移動(dòng) 到另一個(gè)基板上。還可以利用重力垂直移動(dòng)液滴以沖壓在另一板上。 用于這樣垂直驅(qū)動(dòng)液滴的應(yīng)用包括DNA或蛋白質(zhì)沖壓應(yīng)用。從這些孔 提取的液滴還可用于增加吸光率測(cè)量用光程，并且傳輸?shù)搅硪粋€(gè)夾層 結(jié)構(gòu)使得能夠在另一個(gè)層內(nèi)傳輸。生物化學(xué)合成和分析通過(guò)如本發(fā)明所公開(kāi)的在PCB基板上操作液滴，可執(zhí)行許多生物 化學(xué)反應(yīng)。如在此所公開(kāi)的那樣，本發(fā)明提供一種用于通過(guò)光和電探 測(cè)方法探測(cè)在樣品溶液內(nèi)的目標(biāo)分析物的裝置。樣品溶液可包括任何 數(shù)量的物品，包括體液(包括實(shí)際上任何生物體的血液、汗液、淚水、 尿液、血漿、血清、淋巴液、唾液、肛門(mén)和陰道分泌物、精液，并且 優(yōu)選哺乳動(dòng)物的樣品，特別優(yōu)選人類(lèi)樣品，但不限于此)；食物和環(huán) 境樣品(包括空氣樣品、農(nóng)用樣品、水樣品和土樣品，但不限于此)； 生物戰(zhàn)劑樣品；研究樣品；純化樣品，例如純化染色體組DNA、 RNA、 蛋白質(zhì)、細(xì)胞，等等；原始樣品(細(xì)菌、病毒、真菌，等等)，但不 限于此?？稍谌邕@里所公開(kāi)的PCB基板上執(zhí)行的測(cè)定類(lèi)型包括酶法測(cè) 定、DNA等溫或熱循環(huán)放大測(cè)定、包括夾層和均勻設(shè)置的免疫測(cè)定和 具有光和電探測(cè)方法的基于細(xì)胞的測(cè)定。在生理樣品內(nèi)測(cè)定的分析物 包括代謝物、電解液、氣體、蛋白質(zhì)、荷爾蒙、細(xì)胞因子(cytokines)、 肽、DNA和RNA。在一個(gè)實(shí)施例中，可將人類(lèi)生理樣品輸入到PCB上的貯液器內(nèi)。 該貯液器可由干膜阻焊掩模所限定。然后可將樣品分配成液滴，該液 滴將與提供在PCB上或輸入到PCB上的適當(dāng)?shù)脑噭┮旱位旌?。然后?光學(xué)(例如通過(guò)吸光、反射、熒光和發(fā)光)監(jiān)控某些些酶法測(cè)定。在 吸光的情況下，可將過(guò)孔填滿光學(xué)透明材料，因此光可穿過(guò)位于這些 過(guò)孔中的一個(gè)上的液滴，用于測(cè)量吸光率。在另一個(gè)實(shí)施例中，可使用這里所述的液滴操作技術(shù)將生物化學(xué) 樣品合成在PCB基板上。例如，在PCB上，從貯液器可分配許多蛋白質(zhì)液滴，這些液滴與不同試劑混合，并且培養(yǎng)其使其自動(dòng)達(dá)到條件以 結(jié)晶化蛋白質(zhì)。側(cè)壁傳輸在進(jìn)一步實(shí)施例中，可使用厚度與液滴高度具有相同數(shù)量級(jí)的銅 跡線，使得液滴被包含在位于相同基板上的跡線之間，并且由絕緣體 所覆蓋。通過(guò)基本在基板平面內(nèi)應(yīng)用而不是垂直于基板應(yīng)用的電場(chǎng)驅(qū) 動(dòng)液滴。不同于共面設(shè)置，其中液滴位于共面的驅(qū)動(dòng)電極和參考電極 和平行板設(shè)置上，其中液滴被夾在基板上的驅(qū)動(dòng)電極和平行基板的共 同參考電極之間，在該結(jié)構(gòu)中，液滴被夾在共面的驅(qū)動(dòng)電極和參考電 極之間。
具體實(shí)施方式
在上面已討論了本發(fā)明的一般實(shí)施例和工藝，現(xiàn)在將討論用于操 作微量液體樣品的裝置的制造的更加具體的實(shí)施例，其中該裝置包括 印刷電路板基板。在優(yōu)選實(shí)施例中，在FR-4基板的兩面層壓a7,0z ( 9jim)包 覆銅。穿過(guò)基板鉆出8mil的過(guò)孔。然后用銅電鍍這些過(guò)孔，并用阻 焊掩?；颦h(huán)氧樹(shù)脂填充這些過(guò)孔。優(yōu)選地，將過(guò)孔鈕扣鍍 (button-plated)使其達(dá)到約5um的厚度，其中特定地鍍過(guò)孔，而 其余板被掩模所覆蓋。機(jī)械整平鈕扣狀物，然后用阻焊掩模或不導(dǎo)電 環(huán)氧樹(shù)脂填充過(guò)孔。在處理完過(guò)孔之后，執(zhí)行閃熔電鍍步驟至小于 5um的厚度。在需要未填充過(guò)孔的情況下，可執(zhí)行另一鉆孔步驟， 以獲得未填充孔，并且如果需要，執(zhí)行電鍍。暫時(shí)，通過(guò)穿過(guò)掩模蝕 刻而將設(shè)計(jì)的電極圖案轉(zhuǎn)移到具有2mil的最小行間距的銅上。將LPI 圖案化，并覆蓋其使其達(dá)約0.5mil的厚度。最后，層壓和圖案化干 膜阻焊掩模，以形成用于保持液體的物理結(jié)構(gòu)(例如井和/或通道)，， 并且還作為間隙材料。在另一個(gè)實(shí)施例中，還可通過(guò)使用多個(gè)LPI阻 焊掩模涂層中的一個(gè)或通過(guò)層壓和蝕刻包覆銅而獲得間隙層。試驗(yàn)測(cè)試和結(jié)果已執(zhí)行試驗(yàn)，其中用于電場(chǎng)調(diào)節(jié)液滴操作器的兩層單板設(shè)計(jì)被提 交給商業(yè)可用電子PCB制造商，并經(jīng)測(cè)試。該設(shè)計(jì)包括用于傳遞和混 合液滴的不同控制電極的形狀系列以及用于從較大液體體積分配液 滴的專(zhuān)用電極形狀。利用在PCB表面上的相同的銅層內(nèi)所圖案化的導(dǎo) 電跡線，將電極與接觸焊盤(pán)連接。如果需要，使用在距控制電極的遠(yuǎn) 距離位置處的傳統(tǒng)過(guò)孔在板的兩面之間布置跡線。己測(cè)試了幾個(gè)不同 芯片設(shè)計(jì)和互連方案。一些芯片包括電極的單一線性陣列的若干副本，其中每個(gè)陣列副 本內(nèi)的相應(yīng)電極與相同電信號(hào)連接，因此可同時(shí)控制多個(gè)相同的陣 列。其它芯片包括電極"總線"或傳送器結(jié)構(gòu)，其中在控制電極的連
續(xù)線內(nèi)的每四個(gè)電極與相同控制信號(hào)連接。使用這樣的結(jié)構(gòu)允許使用 固定數(shù)量的控制信號(hào)控制任意長(zhǎng)的傳輸路徑?？蓪⒍鄠€(gè)液滴接入總線或與總線切斷，并且可將其同步傳輸。沿PCB側(cè)面排列接觸焊盤(pán)，并 設(shè)計(jì)使其接觸標(biāo)準(zhǔn)邊卡連接器或標(biāo)難SOIC試線夾。圖6、 7、 8A-8B和9A-9B示出因試驗(yàn)?zāi)康亩圃斓男酒膸讉€(gè)范 例。圖6示出用于測(cè)試不同形狀(圓形16a、矩形16b、小曲率的星 形16c、大曲率的星形16d)(見(jiàn)圖7)和不同尺寸的控制電極的液滴 傳輸性能的PCB芯片的正面(結(jié)果參考下面的圖10-12討論)。在圖 6中所示的芯片包括十六個(gè)不同的線性電極陣列。圖8A和8B是以三 相液滴傳輸器以及用于從片上貯液器分配、存儲(chǔ)和混合液滴的其它結(jié) 構(gòu)為特征的芯片設(shè)計(jì)的正視圖和背視圖。過(guò)孔24用于從PCB背面到 在PCB正面上的控制電極給電信號(hào)規(guī)定路線，并且穿過(guò)沿PCB的一面 定位的邊卡連接器的接頭28制成電觸點(diǎn)。圖9A和9B是以三相液滴 傳輸器以及用于從流體輸入/輸出口 32分配、存儲(chǔ)和混合液滴的其它 結(jié)構(gòu)為特征的另一個(gè)芯片設(shè)計(jì)的正視圖和背視圖。過(guò)孔24用于從PCB 背面到在PCB正面上的控制電極給電信號(hào)規(guī)定路線，并且穿過(guò)所設(shè)計(jì) 的使用S0IC測(cè)試芯片29接觸的焊盤(pán)陣列制成電觸點(diǎn)?？刂齐姌O陣列設(shè)計(jì)有1. 0mm或1. 5mm的節(jié)距和相鄰電極之間的額 定2mil的間距?；宀牧鲜蔷哂?厶oz.包覆銅的FR-4。將銅圖案化 以形成控制電路、跡線和接觸焊盤(pán)。該工藝所使用的額定最小的線寬 /間距是2mil/2 mil，其是在相鄰電極之間所使用的間距以及在控制 電極和接觸焊盤(pán)之間的跡線寬度。液態(tài)感光阻焊掩模材料， CARAPACE EMP 110 (可從Electra Polymer & Chemicals' Ltd.獲 得)用作電極絕緣體。阻焊掩模絕緣體的額定厚度是0.6mil。在從 制造商收到PCB之后，將TEFL0N AF薄疏水性涂層應(yīng)用到芯片的頂 面。通過(guò)在PCB表面上以3000rpm旋涂1%的FC-751溶液20秒，隨 后在150。C下固化30分鐘而應(yīng)用TEFLON AF。該P(yáng)CB被設(shè)置成具有銦錫氧化物(ITO)涂覆的玻璃頂板的夾層。 該頂板還涂覆有TEFL0N AF薄層，因此所有與液滴接觸的內(nèi)表面都 是疏水的。在頂板上的導(dǎo)電銦錫氧化物用作參考電極。PCB和頂板由
約為0.8mm的間隙所分隔。 一個(gè)或多個(gè)電解質(zhì)(0. 1MKC1)的液滴被 注入夾層結(jié)構(gòu)，并且被沉積在控制電極上。液滴體積足夠覆蓋單個(gè)電 極，并且對(duì)于1. 5mm間距的電極液滴體積約為2. 2u L，對(duì)于lmm電 極液滴體積約為1. lliL。兩板之間的剩余體積被空氣或低粘滯度 (lcSt.)硅酮油所填充。
關(guān)于圖6、 7和10-12，執(zhí)行了如在皆為Pamula等的美國(guó)專(zhuān)利 No. 6， 911， 132和美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公布No. 2004/0058450內(nèi)所描述的連 續(xù)激活控制電極而引起的液滴的傳輸方面的測(cè)試。使用與如圖6所示 相似的PCB，在兩個(gè)電極尺寸(l.Omm和1.5mm間距)中的每一個(gè)大 小的四個(gè)不同電極形狀(圓形16a、矩形16b、小曲率的星形16c、 較大曲率的星形16d)上執(zhí)行測(cè)試。
如圖10和11所示，對(duì)于每個(gè)電極尺寸和形狀，將在相鄰控制電 極之間可傳輸液滴的最高率確定作為應(yīng)用電壓的函數(shù)。在低于40V的 電壓(對(duì)1.0mm電極尺寸)下，以隨超過(guò)閾值的電壓增加的傳輸速度 成功傳輸液滴。由于使用較厚的阻焊掩模絕緣體，需要比在之前在其 它系統(tǒng)中介紹的電壓更高的電壓用于驅(qū)動(dòng)液滴。例如，阻焊掩模絕緣 體大約比用于先前的微細(xì)加工器件的絕緣體厚16倍，從而由于傳輸 機(jī)構(gòu)依靠靜電能(1/2CV2)，需要大約4倍高的電壓。
如預(yù)想的一樣，超出初始閾值電壓，傳輸速度和最終液滴可能被 轉(zhuǎn)換的最高速度隨電壓增加。經(jīng)測(cè)試的電壓范圍對(duì)于1. 5mm電極大概 是0-200V，對(duì)1. 0mm電極大概是0-100V，并且觀察到液滴傳輸率高 達(dá)24Hz。結(jié)果測(cè)試曲線顯示為預(yù)期普通的形狀一應(yīng)用電壓越高可能 的傳輸頻率越高。然而，1. 5mm電極的曲線(圖10)不是十分平滑的， 并且看起來(lái)具有電極形狀的顯著影響。或者，l.Omm電極的曲線(圖 11)是完全可預(yù)測(cè)的，并且不顯示出對(duì)電極形狀的大依賴性。此外， 具有尺度效應(yīng)，其中1. 0mm電極的閾值電壓在相應(yīng)頻率下的1. 5mni電 極的閾值電壓低10-20V。
如圖12所圖解示出，執(zhí)行進(jìn)一步的測(cè)試以確定液滴傳輸?shù)臅r(shí)間 穩(wěn)定性。在保持在4Hz或8Hz的轉(zhuǎn)換頻率下傳輸所需最小電壓下越過(guò) 四個(gè)1. 5mm矩形電極可編程地循環(huán)液滴。以5分鐘間隔測(cè)試和調(diào)節(jié)用
于連續(xù)傳輸?shù)淖钚‰妷骸?zhí)行了一個(gè)小時(shí)或以上的測(cè)試示出隨時(shí)間增 加的電壓需求量的一般趨勢(shì)，其大概歸因于絕緣體的降解和絕緣體表
面的污染。然而，在每個(gè)例子中，在試驗(yàn)過(guò)程中執(zhí)行超過(guò)20000個(gè)循 環(huán)的液滴操作。
參考圖13所示圖表，還執(zhí)行測(cè)試以確定以給定轉(zhuǎn)換頻率傳輸液 滴所需最小電壓。使用在PCB上的開(kāi)式結(jié)構(gòu)(即沒(méi)有頂板的共面結(jié)構(gòu)) 和限制結(jié)構(gòu)(即具有頂板的雙平面結(jié)構(gòu))的數(shù)字微流體芯片(分別見(jiàn) 圖1B和圖4B)。在銅內(nèi)將電極(1.5X1.5mm2)圖案化至最終厚度 25nm。在每個(gè)電極內(nèi)鉆出150um的過(guò)孔以為板的背面提供電接觸。 沿所有驅(qū)動(dòng)電極將接地軌圖案化以對(duì)液滴提供連續(xù)的接地連接，并且 將液態(tài)感光(LPI)阻焊掩模廣17ym)圖案化以作為絕緣體，僅暴 露接地軌。作為僅有的后續(xù)工藝步驟，刷涂TEFLON AF以形成表面 疏水性。在開(kāi)式(共面)和限制(雙平面)系統(tǒng)內(nèi)都傳輸可極化且導(dǎo) 電液體液滴(1MKC1)。對(duì)于開(kāi)式系統(tǒng)，每個(gè)液滴的體積為6ul，并 且添加硅酮油的小液滴(2ul)且看來(lái)環(huán)繞液滴。對(duì)于限制系統(tǒng)，每 個(gè)液滴的體積為2. 1，并且整個(gè)芯片填滿硅酮油以促進(jìn)傳輸。
對(duì)于每個(gè)系統(tǒng)，以在從1Hz到32Hz內(nèi)的轉(zhuǎn)換頻率范圍測(cè)量成功 傳輸液滴所需的最小驅(qū)動(dòng)電壓。如圖13所圖解示出，依賴于液滴的 轉(zhuǎn)換頻率，在限制(雙表面)和開(kāi)式(共面)系統(tǒng)內(nèi)的用于液滴的操 作電壓分別在范圍140-260V和125-220V內(nèi)。這似乎和易看出，可能 由于未限制液滴經(jīng)受減小的阻力，通過(guò)使用限制頂板促進(jìn)了液滴的驅(qū) 動(dòng)。使用LPI阻焊掩模作為絕緣體， 一般由絕緣體的不適當(dāng)覆蓋而引 起的液滴的電解直到350V的最大測(cè)試電壓都未觀察到。然而，超過(guò) 300V將發(fā)生絕緣體充電。
參考圖14A-14D，其為示出顯示了液滴傳輸和混合的不同次序的 延時(shí)圖象的俯視圖。圖14A-14B分別示出由頂板(600um)(雙平面) 限制的液滴的液滴傳輸和混合。圖14C-14D分別示出在開(kāi)式系統(tǒng)(共 面)內(nèi)的液滴的液滴傳輸和混合。在8Hz的轉(zhuǎn)換頻率下執(zhí)行混合，并 且對(duì)于兩個(gè)2. 5 u 1 "受限"液滴在5秒內(nèi)完成混合，對(duì)于兩個(gè)在"開(kāi) 式"系統(tǒng)內(nèi)的6ul液滴在1.8秒內(nèi)完成混合。因此，在開(kāi)式(共面)
系統(tǒng)內(nèi)觀察到的混合率(每單位時(shí)間內(nèi)體積)差不多比在限制(雙平 面)系統(tǒng)內(nèi)的混合率大七倍。因之前已經(jīng)顯示當(dāng)液滴變薄時(shí)循環(huán)變差， 該改良的混合可有助于在較厚液滴內(nèi)提高循環(huán)。
參考文獻(xiàn)
下面所列參考文獻(xiàn)通過(guò)參考—爭(zhēng)這樣的程度在此并入，即其在這里 應(yīng)用的技術(shù)和/或工藝進(jìn)行補(bǔ)充、解釋、提供背景或教授方法。在該 應(yīng)用中涉及到的所有引用的專(zhuān)利文獻(xiàn)和出版物以參考的方式明確地 合并到本發(fā)明中。
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可以理解的是，可改變本發(fā)明的不同細(xì)節(jié)，而不偏離這里公開(kāi)的
本發(fā)明的范圍。此外，上述說(shuō)明僅僅用于說(shuō)明目的，而不是用于限定 目的。
權(quán)利要求
1、 一種用于操作液滴的裝置，所述裝置包括(a) 包括第一側(cè)表面和第二側(cè)表面的印刷電路板基板；(b) 配置在所述基板第一側(cè)表面上的電極陣列；(C)配置在所述基板第一側(cè)表面上且被圖案化以覆蓋所述電極 的電介質(zhì)層；和(d)電極選擇器，其用于動(dòng)態(tài)產(chǎn)生一連串陣列電極激活作用，從而電操作配置在所述基板第一側(cè)表面上的液滴。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述印刷電路板基板包括被定義在其內(nèi)且從所述基板第一側(cè)表面延伸到所述基板第二側(cè)表面 的多個(gè)基板孔，并且每個(gè)電極包括電極孔，其中將每個(gè)電極孔與所述 多個(gè)基板孔中的一個(gè)對(duì)準(zhǔn)，以定義穿過(guò)所述裝置的多個(gè)過(guò)孔。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述過(guò)孔填滿介電質(zhì)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述過(guò)孔填滿樹(shù)脂。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述樹(shù)脂是導(dǎo)電環(huán)氧樹(shù)脂 或光透明環(huán)氧樹(shù)脂。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述基板定義鄰近所述電 極陣列的至少一個(gè)所述電極的至少一個(gè)液滴輸入口。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述至少一個(gè)液滴輸入口 與選自由撓性管、注射器、吸移管管理器、外部流體泵、玻璃毛細(xì)管、 內(nèi)部靜脈線和微量滲析腔組成的群組的液體流源連通。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述基板鄰近所述電極陣 列的至少一個(gè)所述電極定義了至少一個(gè)液滴輸出口。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所示的裝置，其中所述至少一個(gè)液滴輸出口 與選自由撓性管、注射器、吸移管管理器、外部流體泵、玻璃毛細(xì)管、 內(nèi)部靜脈線和微量滲析腔組成的群組的液體流源連通。
10、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其中所述介電質(zhì)是阻焊掩模材 料、旋涂材料、可浸涂材料、可刷涂或可噴涂、可氣相沉積或?yàn)R射材 料。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中所述阻悍掩模材料選自 由液態(tài)感光阻悍掩模(LPI)和干膜阻悍掩模(DFSS)組成的群組。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，還包括以操作方式連接到所述 印刷電路板基板的電子組件，所述電子組件選自由微控制器、繼電器、 高壓多路復(fù)用器、電壓轉(zhuǎn)換器、發(fā)光二極管(LED)、光電二極管、光 電倍增管(PMT)、加熱元件、熱敏電阻器、電阻溫度器件(RTD)和 電化學(xué)測(cè)量電極組成的群組。
13、 一種用于操作液滴的裝置，所述裝置包括(a) 包括第一側(cè)表面和第二側(cè)表面的印刷電路板基板；(b) 配置在所述基板第一側(cè)表面上的驅(qū)動(dòng)電極陣列；(c) 可設(shè)定到共同參考電勢(shì)的一個(gè)或多個(gè)參考元件的陣列，其 以與所述驅(qū)動(dòng)電極陣列至少基本上共面的關(guān)系配置；(d) 配置在所述基板第一側(cè)表面上且被圖案化以覆蓋所述驅(qū)動(dòng) 電極的介電質(zhì)層；以及(e) 電極選擇器，其用于動(dòng)態(tài)產(chǎn)生一連串陣列電極激活作用， 從而電操作配置在所述基板第一側(cè)表面上的液滴。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述印刷電路板基板包 括被定義在其內(nèi)的從所述基板第一側(cè)表面延伸到所述基板第二側(cè)表 面的多個(gè)基板孔，并且每個(gè)驅(qū)動(dòng)電極包括電極孔，其中將每個(gè)驅(qū)動(dòng)電 極孔與所述多個(gè)基板孔中的一個(gè)對(duì)準(zhǔn)，以定義穿過(guò)所述裝置的多個(gè)過(guò)孔。
15、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其中所述過(guò)孔填滿介電質(zhì)。
16、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其中所述過(guò)孔填滿樹(shù)脂。
17、 根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其中所述樹(shù)脂是導(dǎo)電環(huán)氧樹(shù) 脂或光透明環(huán)氧樹(shù)脂。
18、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述基板鄰近電極陣列 的至少一個(gè)電極定義至少一個(gè)液滴輸入口。
19、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其中所述至少一個(gè)液滴輸入 口與選自由撓性管、注射器、吸移管管理器、外部流體泵、玻璃毛細(xì) 管、內(nèi)部靜脈線和微量滲析腔組成的群組的液體流源連通。
20、 根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其中所述基板鄰近電極陣列 的至少一個(gè)電極定義了至少一個(gè)液滴輸出口 。
21、 根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中所述至少一個(gè)液滴輸出 口與選自由撓性管、注射器、吸移管管理器、外部流體泵、玻璃毛細(xì) 管、內(nèi)部靜脈線和微量滲析腔組成的群組的液體流源連通。
22、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述參考元件的陣列包 括細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的柵格。
23、 根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置，其中所述細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的柵格的高度至少等于配置在所述基板第一側(cè)表面上的所述液滴的高度。
24、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述介電質(zhì)是阻焊掩模 材料、旋涂材料、可浸涂材料、可刷涂或可噴涂、可氣相沉積或?yàn)R射 材料。
25、 根據(jù)權(quán)利要求24所述的裝置，其中所述阻焊掩模材料選自 由液態(tài)感光阻焊掩模(LPI)和干膜阻焊掩模(DFSS)組成的群組。
26、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其進(jìn)一步包括以操作方式連 接到所述印刷電路板基板的電子組件，所述電子組件選自由微控制 器、繼電器、高壓多路復(fù)用器、電壓轉(zhuǎn)換器、發(fā)光二極管(LED)、光 電二極管、光電倍增管(PMT)、加熱元件、熱敏電阻器、電阻溫度器 件(RTD)和電化學(xué)測(cè)量電極組成的群組。
27、 一種用于操作液滴的裝置，所述裝置包括(a) 包括第一側(cè)表面和第二側(cè)表面的印刷電路板基板；(b) 配置在所述基板第一側(cè)表面上的驅(qū)動(dòng)電極陣列；(c) 基本上平行于所述基板第一側(cè)表面的細(xì)長(zhǎng)的參考元件，其 所述參考元件以一定距離與所述基板第一側(cè)表面間隔，以在所述參考 元件和所述基板第一側(cè)表面之間定義一個(gè)空間，其中所述距離足夠包 含配置在所述空間內(nèi)的液滴；(d) 配置在所述基板第一側(cè)表面上且被圖案化以覆蓋所述驅(qū)動(dòng) 電極的介電質(zhì)層；以及(e) 電極選擇器，其用于動(dòng)態(tài)產(chǎn)生一連串陣列電極激活作用， 從而電操作配置在所述基板第一側(cè)表面上的液滴。
28、 根據(jù)權(quán)利要求27所述的裝置，其中所述印刷電路板基板包 括被定義在其內(nèi)且從所述基板第一側(cè)表面延伸到所述基板第二側(cè)表 面的多個(gè)基板孔，并且每個(gè)驅(qū)動(dòng)電極包括電極孔，其中將每個(gè)驅(qū)動(dòng)電極孔與多個(gè)基板孔中的一個(gè)對(duì)準(zhǔn)，以定義穿過(guò)所述裝置的多個(gè)過(guò)孔。
29、 根據(jù)權(quán)利要求28所述的裝置，其中所述過(guò)孔填滿介電質(zhì)。
30、 根據(jù)權(quán)利要求28所述的裝置，其中所述過(guò)孔填滿樹(shù)脂。
31、 根據(jù)權(quán)利要求30所述的裝置，其中所述樹(shù)脂是導(dǎo)電環(huán)氧樹(shù) 脂或光透明環(huán)氧樹(shù)脂。
32、 根據(jù)權(quán)利要求27所述的裝置，其中所述基板定義鄰近電極 陣列的至少一個(gè)電極的至少一個(gè)液滴輸入口。
33、 根據(jù)權(quán)利要求32所述的裝置，其中所述至少一個(gè)液滴輸入 口與選自由撓性管、注射器、吸移管管理器、外部流體泵、玻璃毛細(xì) 管、內(nèi)部靜脈線和微量滲析腔組成的群組的液體流源連通。
34、 根據(jù)權(quán)利要求32所述的裝置，其中所述基板鄰近電極陣列 的至少一個(gè)電極定義了至少一個(gè)液滴輸出口。
35、 根據(jù)權(quán)利要求34所述的裝置，其中所述至少一個(gè)液滴輸出 口與選自由撓性管、注射器、吸移管管理器、外部流體泵、玻璃毛細(xì) 管、內(nèi)部靜脈線和微量滲析腔組成的群組的液體流源連通。
36、 根據(jù)權(quán)利要求27所述的裝置，其中所述細(xì)長(zhǎng)參考元件是一 個(gè)或多個(gè)導(dǎo)線陣列。
37、 根據(jù)權(quán)利要求27所述的裝置，其中所述細(xì)長(zhǎng)參考元件是平板。
38、 根據(jù)權(quán)利要求37所述的裝置，其中所述參考元件平板包括面向所述基板表面的平板面，并且所述平板面是疏水性的。
39、 根據(jù)權(quán)利要求27所述的裝置，其中所述介電質(zhì)是阻焊掩模 材料、旋涂材料、可浸涂材料、可刷涂或可噴涂、可氣相沉積或?yàn)R射 材料。
40、 根據(jù)權(quán)利要求39所述的裝置，其中所述阻焊掩模材料選自 由液態(tài)感光阻焊掩模(LPI)和干膜阻焊掩模(DFSS)組成的群組。
41、 根據(jù)權(quán)利要求27所述的裝置，還包括以操作方式連接到所 述印刷電路板基板的電子組件，所述電子組件選自由微控制器、繼電 器、高壓多路復(fù)用器、電壓轉(zhuǎn)換器、發(fā)光二極管(LED)、光電二極管、 光電倍增管(PMT)、加熱元件、熱敏電阻器、電阻溫度器件(RTD) 和電化學(xué)測(cè)量電極組成的群組。
42、 一種用于操作液滴的裝置，所述裝置包括(a) 包括第一側(cè)表面和第二側(cè)表面的第一印刷電路板基板；(b) 配置在所述第一印刷電路板基板的第一側(cè)表面上的驅(qū)動(dòng)電 極陣列；(c) 配置在所述第一印刷電路板基板的第一側(cè)表面上并被圖案 化以覆蓋所述驅(qū)動(dòng)電極的介電質(zhì)層；(d) 包括第一側(cè)表面和第二側(cè)表面的第二印刷電路板基板，所 述第二印刷電路板基板基本上平行于所述第一印刷電路板基板，并且 以一定距離與所述第一印刷電路板基板間隔，以在所述第二印刷電路 板基板的第二側(cè)表面和所述第一印刷電路板基板的第一側(cè)表面之間 定義一個(gè)空間，其中所述距離足夠包含配置在所述空間內(nèi)的液滴；(e) 配置在所述第二印刷電路板基板的第二側(cè)表面上的驅(qū)動(dòng)電 極陣列和一個(gè)或多個(gè)參考元件的陣列；以及(f)電極選擇器，其用 于動(dòng)態(tài)產(chǎn)生一連串陣列電極激活作用，從而電操作配置在所述第一印 刷電路板基板的第一側(cè)表面和所述第二印刷電路板基板的第二側(cè)表面之間的液滴。
43、 一種用于驅(qū)動(dòng)液滴的方法，所述方法包括步驟(a) 在印刷電路板基板的表面上提供液滴，所述表面包括電極 陣列，其中所述液滴最初配置在所述電極的第一個(gè)上，并且所述液滴 鄰近于以第一間隔與第一個(gè)電極分隔的第二個(gè)電極；(b) 將所述第一個(gè)電極偏置到第一電壓，將所述第二個(gè)電極偏 置到不同于所述第一電壓的第二電壓，因此所述液滴朝向所述第二電 極移動(dòng)。
44、 根據(jù)權(quán)利要求43所述的方法，其中所述第二電壓是接地狀態(tài)。
45、 根據(jù)權(quán)利要求43所述的方法，其中所應(yīng)用的偏壓是DC或AC。
46、 一種用于驅(qū)動(dòng)液滴的方法，所述方法包括(a) 在印刷電路板基板的表面上提供液滴，所述表面包括驅(qū)動(dòng) 電極陣列和一個(gè)或多個(gè)參考元件的至少基本上共面的陣列，其中所述 液滴配置在所述驅(qū)動(dòng)電極的第一個(gè)上；以及(b) 偏置所述第一個(gè)驅(qū)動(dòng)電極，以將所述液滴從所述第一個(gè)驅(qū) 動(dòng)電極移動(dòng)到第二個(gè)驅(qū)動(dòng)電極。
47、 根據(jù)權(quán)利要求46所述的方法，其中所述第二個(gè)電極沿第一 方向鄰近于所述第一個(gè)電極，所述電極陣列包括一個(gè)或多個(gè)沿一個(gè)或 多個(gè)附加方向鄰近于所述第一個(gè)電極的附加電極，所述液滴鄰近于所 述一個(gè)或多個(gè)附加電極，所述方法包括步驟(a) 選擇所述第一方向作為預(yù)期方向，所述液滴將沿所述預(yù)期 方向移動(dòng)；和(b) 基于所述第一方向的選取選擇用于偏置的所述第二個(gè)電極。
48、 一種用于驅(qū)動(dòng)液滴的方法，所述方法包括(a) 在印刷電路板基板的表面和基本上平行于所述印刷電路板 表面并與所述印刷電路板表面間隔的細(xì)長(zhǎng)的參考元件之間提供液滴， 其中所述印刷電路板表面包括驅(qū)動(dòng)電極陣列，并且所述液滴配置在所 述驅(qū)動(dòng)電極的第一個(gè)上；以及(b) 偏置所述第一個(gè)驅(qū)動(dòng)電極，以將所述液滴從所述第一個(gè)驅(qū) 動(dòng)電極移動(dòng)到第二個(gè)驅(qū)動(dòng)電極。
49、 一種用于驅(qū)動(dòng)液滴的方法，所述方法包括(a) 在第一印刷電路板基板的表面和基本平行于所述印刷電路 板并與所述印刷電路板間隔的第二印刷電路板基板的表面之間提供 液滴，其中所述第一印刷電路板表面包括驅(qū)動(dòng)電極陣列且所述液滴配置在所述驅(qū)動(dòng)電極的第一個(gè)上，此外，其中所述第二印刷電路板表面 包括驅(qū)動(dòng)電極陣列和一個(gè)或多個(gè)參考元件的陣列；以及(b) 偏置所述第一個(gè)驅(qū)動(dòng)電極，以將所述液滴從所述第一個(gè)驅(qū) 動(dòng)電極移動(dòng)到第二個(gè)驅(qū)動(dòng)電極。
50、 一種用于將兩個(gè)或更多液滴合并成一個(gè)液滴的方法，包括步驟(a) 在印刷電路板基板的表面上提供第一和第二液滴，所述表 面包括電極陣列，其中所述電極陣列包括包含第一外電極、鄰近于所 述第一外電極的中間電極和鄰近于所述中間電極的第二外電極的至 少三個(gè)電極，所述第一液滴配置在所述第一外電極上，并且所述第一 液滴鄰近于所述中間電極，所述第二液滴配置在所述第二外電極上， 并且所述第二液滴鄰近于所述中間電極；(b) 選擇所述三個(gè)電極中的一個(gè)作為目標(biāo)電極；(c) 選擇所述三個(gè)電極中的兩個(gè)或更多用于基于所述目標(biāo)電極 的選取而激活和停用；和(d) 激活和停用所選電極以將所述第一和第二液滴中的一個(gè)液 滴移向另一個(gè)液滴或使所述第一和第二液滴朝向彼此移動(dòng)，因此所述 第一和第二液滴合并在一起，以在所述目標(biāo)電極上形成結(jié)合的液滴。
51、 一種用于將液滴分離成兩個(gè)或更多液滴的方法，包括步驟(a) 在印刷電路板基板的表面上提供初始液滴，所述表面包括電極陣列，其中所述電極陣列包括至少三個(gè)電極，所述至少三個(gè)電極包括第一外電極、鄰近于所述第一外電極的中間電極和鄰近于所述中間電極的第二外電極，并且所述初始液滴最初配置在所述三個(gè)電極中的至少一個(gè)上，并且所述初始液滴鄰近于所述三個(gè)電極中的至少另一 個(gè).(b) 將所述三個(gè)電極中的每一個(gè)偏置到第一電壓以在所述三個(gè) 電極上定位所述初始液滴；以及(c) 將所述中間電極偏置到不同于所述第一電壓的第二電壓， 以將所述初始液滴分離成第一和第二分裂液滴，因此在所述第一外電 極上形成所述第一分裂液滴，在所述第二外電極上形成所述第二分裂 液滴。
52、 一種用于將液滴分離成兩個(gè)或更多液滴的方法，包括步驟(a) 在印刷電路板基板的表面上提供初始液滴，所述表面包括 電極陣列，其中所述電極陣列包括包含第一外電極、鄰近于所述第一 外電極的中間電極和鄰近于所述中間電極的第二外電極的至少三個(gè) 電極，并且所述初始液滴最初配置在所述三個(gè)電極中的至少一個(gè)上， 并且所述初始液滴至少與所述三個(gè)電極中的另外一個(gè)部分交迭；(b) 將所述所述中間電極偏置到第一電壓以定位所述初始液滴， 因此所述初始液滴至少與所述三個(gè)電極部分交迭；和(c) 將所述中間電極偏置到第二電壓，并將所述第一和第二外 電極的至少一個(gè)偏置到第三電壓，所述第二和第三電壓不同于所述第 一電壓，以將所述初始液滴分離成第一和第二分裂液滴，因此在所述 第一外電極上形成所述第一分裂液滴，在所述第二外電極上形成所述 第二分裂液滴。
全文摘要
公開(kāi)了用于在印刷電路板(PCB)上操作液滴的裝置和方法。通過(guò)對(duì)定義在PCB上的電極應(yīng)用電勢(shì)而在印刷電路板基板的表面上驅(qū)動(dòng)液滴。還公開(kāi)了使用阻焊掩模作為用于液滴操作也用于使其它傳統(tǒng)PCB層和基于液滴的微流體系統(tǒng)適用的材料的技術(shù)的電極絕緣體。
文檔編號(hào)B01D57/00GK101146595SQ200680003222
公開(kāi)日2008年3月19日 申請(qǐng)日期2006年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月28日
發(fā)明者M·G·波拉克, R·B·費(fèi)爾, V·K·帕穆拉 申請(qǐng)人:杜克大學(xué)