一种双极板结构数字微流控芯片研制

随着微机电系统(MEMS)的发展，用于微液滴操控的数字微流控芯片正广泛应用于生物、医学及分析化学等领域[：l ]～携带细胞、蛋白质、DNA或其他试剂的微液滴经过输运、分离及合并等过程，可在厘米级平面芯片上实现常规生物医学实验室各种分析和检测功能。其优势是检测时间短且试剂消耗量少，灵敏度高且能精确的定量控制。

介电层的介电常数及厚度直接影响着微液滴操控电压的高低L5]￠电层越薄，则其被击穿导致微液滴发生电解的可能性就越大。因此，高介电常数、致密性和光滑性好且加工工艺简单的介电层对数字微流控芯片尤为重要。然而目前国内外各学者研制的数字微流控芯片中，介电层大多为单-材料。为了降低驱动电压并增强介电层的抗击穿能力，本文结合 Si。N 的介电常数高及 Si0 介电强度好的优点，采用微机械加工工艺研制 S N -SiO 层状复合结构数字为流控芯片。

单极板结构的输运和混合速度快且有利于对微液滴的操纵和光学检测，但无法完成分离功能[6。 ；双极板结构数字微流控芯片弥补了单极板结构的缺点，能实现对微液滴的生成、输运、分离及合并 4个基本操控功能[8]。然而，目前国内外各学者所研制的双极板结构数字微流控芯片均是将上极板作为零电极。该结构阻碍了其功能的扩展，如难以再在上极板上设计介电泳电极阵列，很难在同-块芯片中实现介电润湿和介电泳的有效结合。本文将双极板结构数字微流控芯片中的零电极设计为介电层表面的直线电极，并利用 Comsol有限元软件对该结构进行数值仿真分析。本文所设计结构的优点是可进-步在上极板上设计基于介电泳的电极阵列以完成更收稿日期：2012-03-30基金项目：国家八六三”计划基金资助项 目(2009AA043703)作者简介：凌明祥(1986-)，男，云南昭通人，助理工程师，硕士，主要从事多学科建模与仿真的研究。陈立国(1974-)，男，辽宁葫芦岛人，教授，博士生导师，主要从事微操作及微驱动技术研究。

第 1期 凌明祥等：-种双极板结构数字微流控芯片研制 89微流控芯片可实现对微液滴的连续往返输运操控。

此外，1号驱动电极单元施加电压后微液滴移动返回到原驱动电极单元，说明所研制的数字微流控芯片中，微液滴接触角滞后不影响对其的操控，否则微液滴不可能继续返回到原驱动电极单元。

3 结束语本文基于介电润湿效应，将双极板结构数字微流控芯片中的零电极设计为介电层表面宽为 50 m的直线电极，并利用 Comsol有限元软件数值计算传统的将上极板作为零电极结构与本文所设计结构中微液滴表面的电动力。仿真结果表明两种结构中的电动力处于同-数量级；此外，多物理愁合仿真结果表明本文所设计的数字微流控芯片中由焦耳热效应引起的温度变化极小，可忽略不计。

为了降低微液滴操控电压并增强介电层的抗击穿能力，本文利用微机械加工工艺加工出 S N -SiO 层状复合介电层结构数字微流控芯片。在30 V外加直流电压作用下，利用所研制的数字微流控芯片实现了对 0.5 L去离子水微液滴的连续往返输运操控；且在100 V以内直流电压作用时，均未出现介电层击穿现象。实验结果表明所研制的双极板结构数字微流控芯片可行。