CN222305840U - 一种微流控芯片以及基于该微流控芯片的温控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及微流控芯片技术领域，具体涉及一种微流控芯片以及基于该微流控芯片的温控系统，包括基层和顶层，所述基层和顶层之间间隔设置形成反应腔；所述基层中设有用于驱动液滴在反应腔中流动的驱动电极层，所述基层中设有导热件和为反应腔加热的电热丝；所述微流控芯片还包括用于检测反应腔温度的第一温度传感器，所述反应腔的温度通过导热件传导至第一温度传感器以实现对反应腔的温度检测；本实用新型能够实时检测反应腔的温度，几乎无迟滞性，而且本芯片在使用时能使反应腔能够快速的升温或降温。

Description

一种微流控芯片以及基于该微流控芯片的温控系统

技术领域

本实用新型涉及微流控芯片技术领域，具体涉及一种微流控芯片以及基于该微流控芯片的温控系统。

背景技术

数字微流控技术是一种精确控制和操控微尺度流体的技术，目前在生物医学检验、化学分析、药物筛选等领域得到广泛关注，并逐步产业化。

其主要是利用微流控芯片（也称数字微流控芯片）进行操作，具体的由电极层驱动液滴在微流控芯片的反应腔中移动、反应。

在生物医学检测中，由于特定反应体系试剂需要在不同的温度下实现反应目的，比如PCR（聚合酶链式反应）中变性、退火、延伸三个基本反应步骤需要在不同的温度下循环完成。

而现有的微流控芯片其自身不具备加热功能，在需要升温时，主要利用一加热器件加热导热块，使导热块升温，然后升温后的导热块迅速接触芯片底部以加热芯片，实现对芯片的升温，这种利用导热块作为中间热传导部件给芯片进行加热升温的方式，加热速度比较慢。

此外，现有的这种芯片无法直接通过温度传感器直接检测反应腔的实时温度，其主要是利用温度传感器来检测导热块的温度来得出芯片的温度，由于温度传感器并非直接检测芯片本身温度，而是检测导热块温度，这就会使得检测结果有一点的迟滞，因而不能实时反馈芯片的温度。

实用新型内容

为了解决背景技术中提到的至少一个技术问题，本实用新型的目的在于提供一种微流控芯片以及基于该微流控芯片的温控系统。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种微流控芯片，包括基层和顶层，所述基层和顶层之间间隔设置形成反应腔；所述基层中设有用于驱动液滴在反应腔中移动的驱动电极层，所述基层中设有导热件和为反应腔加热的电热丝；所述微流控芯片还包括用于检测反应腔温度的第一温度传感器，所述反应腔的温度通过导热件传导至第一温度传感器以实现对反应腔的温度检测。

作为优选，所述驱动电极层中设有铜块；所述导热件一端与铜块接触，另一端与温度传感器的检测端相接触。

作为优选，所述导热件为铜质。

作为优选，所述基层包括基础层和设于基础层上方的第一功能涂层；所述电热丝嵌设在基础层中。

作为优选，所述顶层包括上基板和设于上基板底壁上的第二功能涂层。

本实用新型还提供一种基于微流控芯片的温控系统，包括上述的微流控芯片以及温控模块，所述温控模块包括第二温度传感器，以及设于微流控芯片下方且能同步竖向升降的半导体制冷片和导热块；所述导热块设于半导体制冷片的工作面上，所述第二温度传感器用于检测导热块的温度值。

作为优选，所述半导体制冷片和导热块由一驱动机构驱动同步竖向升降。

作为优选，所述驱动机构为丝杠直线模组；所述丝杠直线模组上设有由丝杠直线模组驱动竖向升降的机架，所述半导体制冷片和导热块均固定在机架上。

较之现有技术，采用本方案的优点在于：

本方案所提供的微流控芯片中设置有电热丝，如此在需要对微流控芯片进行升温时，可以利用电热丝通电发热进行反应腔的加热，相当于是微流控芯片自带加热功能，相较之传统的通过加热器件加热导热块，再由导热块间接去加热微流控芯片的方式而言，本方案电热丝可以使反应腔更加快速地升温。

此外，本方案中对于微流控芯片的温度检测是通过第一温度传感器实现的，反应腔内的温度由导热件传导给第一温度传感器以供第一温度传感器检测；此时第一温度传感器基本上是相当于直接检测反应腔的温度，检测结果几乎没有迟滞性，如此便可实时反馈反应腔内的温度，以实现更好的温控和快速升温。

附图说明

图1为本实用新型微流控芯片的结构示意图；

图2为图1中电热丝位置的局部示意图；

图3为本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例的附图对本实用新型实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本实用新型的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。

在下文描述中，出现诸如术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或者位置关系的，仅是为了方便描述实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

实施例1

请参阅图1-图2所示，本实施例提供一种微流控芯片，包括基层1和顶层2，所述基层1和顶层2之间间隔设置形成反应腔3；所述基层1中设有用于驱动液滴在反应腔3中流动的驱动电极层4。

其中基层1包括基础层11和设于基础层11上方的第一功能涂层12。

顶层2包括上基板21和设于上基板21底壁上的第二功能涂层22；反应腔3位于第一功能涂层12和第二功能涂层22之间。试剂液滴在反应腔3中流动和反应。

第一功能涂层12和第二功能涂层22主要是为了保证试剂液滴的正常驱动，其在现有的微流控芯片中有具体的应用和说明，在此不做过多的赘述。

其中驱动电极层4主要由铜箔构成，主要用于驱动液滴在反应腔3中移动；本实施例中驱动电极层4设于基础层11第一功能涂层12之间。

所述基层1中设有导热件61和为反应腔3加热的电热丝5；所述微流控芯片还包括用于检测反应腔3温度的第一温度传感器6，所述反应腔3的温度通过导热件61传导至第一温度传感器6以实现对反应腔3的温度检测，具体的：

在驱动电极层4中还设有用于导热的铜块62，值得说明的是，铜块62并非作为驱动电极层4中的电极使用，而是作为导热部件使用，具体的，导热件61一端与铜块62接触，另一端与第一温度传感器6的检测端相接触。如此反应腔内的温度可以依次经过铜块62、导热件61传导给第一温度传感器6实现温度检测。

作为一种可选的实施方式，电热丝5嵌设在基础层11中，用于加热反应腔3，电热丝5可以是铜箔、石墨等，或者是高电阻率合金材料，例如铁铬铝合金系列和镍铬等。

在需要对微流控芯片进行升温时（也可理解为对反应腔3进行升温），可以通过内置在微流控芯片中的电热丝5发热进行直接加热的，如此相当于是直接加热微流控芯片本身，相较之传统的通过加热器件加热导热块73，再由导热块73间接去加热微流控芯片的方式而言，本方案电热丝5可以使微流控芯片更加快速地升温。

第一温度传感器6可以埋设于基层1中，也可以是安装在基础层11的底壁上，其可以是NTC热敏电阻。

导热件61主要是用于将反应腔3的温度传导给第一温度传感器6，以供第一温度传感器6进行温度检测，其中导热件61优选为铜，也可以是石墨/铝/铬/合金等导热材料等材料；由于铜的热传导效果极佳，而且热传导距离也短，并且第一功能涂层12厚度在50nm-50μm，较薄导热效果好，因而第一温度传感器6所检测到导热件61的温度基本上相当于是反应腔3的实时温度，可见，第一温度传感器6相当于是直接检测反应腔3内的实时温度，基本无迟滞现象。

实施例2

结合图1-图3所示，本实施例在实施例1的基础上进一步提供一种基于微流控芯片的温控系统，包括温控模块，以及实施例1中所述的微流控芯片。

如图3所示，温控模块包括第二温度传感器731，以及设于微流控芯片（如图3中M部所示）下方且能同步竖向升降的半导体制冷片72和导热块73，具体的，所述半导体制冷片72和导热块73由一驱动机构71驱动同步竖向升降，其中驱动机构71优选为丝杠直线模组，依靠丝杠直线模组驱动半导体制冷片72和导热块73同步竖向升降。

具体安装时，可以在丝杠直线模组上连接一个由丝杠直线模组驱动竖向升降的机架70，半导体制冷片72和导热块73均固定在机架70上，导热块73位于机架70的顶部；如此通过丝杠直线模组驱动机架70竖向升降，便可带动导热块73和半导体制冷片72同步竖向升降。

值得说明的是，半导体制冷片72也称TEC，半导体制冷片72的工作面既能实现加热，也可进行制冷，对于工作面是制冷还是加热，取决于给半导体制冷片72输入的电压方向，对于半导体制冷片72的工作原理在现有技术中有较多的说明和应用，故在此不做过多的赘述。

本实施例，半导体制冷片72的所述的工作面为其顶面；可以理解的是，因为半导体制冷片72的工作面在制冷时，半导体制冷片72需要被散热，因此，在半导体制冷片72的底部还设有为半导体制冷片72散热的散热器，散热器可以是风冷或水冷散热器。

选用半导体制冷片72作为温控模块的部分，如此使得温控模块既可以起到辅助电热丝5对反应腔3进行加热升温，也可使得温控模块可以对反应腔3进行制冷降温。

本实施例中，所述导热块73设于半导体制冷片72的工作面上，即设于半导体制冷片72的顶面上，所述第二温度传感器731用于检测导热块73的温度值。

利用本实施例对反应腔3进行升温的具体方法有两种，分别为加热方法一和加热方法二，以下分别说明；为了更好理解，本实施例中以需要反应腔3由温度T2升温至T1（T2＜T1）为例进行具体说明：

加热方法一：

完全由电热丝5加热反应腔3，即电热丝5通电加热反应腔3，当第一温度传感器6所检测到的温度值达到T1时，控制器控制电热丝5工作以使反应腔3的温度值保持在T1；具体的控制方法为，将T1设定为第一温度传感器6的检测阈值，如此，当第一温度传感器6检测到反应腔3内的温度值达到时，由控制器控制电热丝5调整功率，以使在电热丝5的作用下使反应腔3的温度保持在T1，即，电热丝55的功率基本要保证电热丝5的加热基本能够与反应腔3的自然降温相平衡，如此以使反应腔3温度保持在T1。

加热方法二：

由电热丝5和导热块73共同为反应腔3加热升温，具体的：

首先，在反应腔3需要升温前，控制半导体制冷片72的工作面（即顶面）发热以加热导热块73，导热块73受热升温；可以理解的是，在此过程中，导热块73是脱离芯片底部的。

导热块73在受热升温过程中，第二温度传感器731实时检测导热块73的温度，当第二天温度传感器所检测到的温度值达到T3时，控制器控制半导体制冷片72使导热块73的温度保持在T3，并且驱动机构71驱动导热块73上升接触基层1的底部，如此温度在T3的导热块73接触基层1底部便可对基层1底部进行加热，从而加热反应腔3。这里的T3指的是给第二温度传感器731设定的一个检测阈值，其中T3＞T1，或者0℃≤T1-T3≤10℃。

对于控制器控制半导体制冷片72使导热块73的温度保持在T3，其主要是通过控制器控制半导体制冷片72以设定功率进行加热，该设定功率能够满足导热块73的自然降温和升温处于平衡状态，从而使导热块73的温度基本保持在T3。

然后，电热丝5开始通电工作，电热丝5发热加热反应腔3，当第一温度传感器6的检测值达到T1时，控制导热块73下降并脱离基层1底部，并控制电热丝5工作使反应腔3温度保持在T1，即在电热丝5的加热作用下使反应腔3的温度保持在T1。

此外，在导热块73下降并脱离基层1底部的同时，控制器还控制半导体制冷片72的制冷面开始制冷以为导热块73降温；在降温过程中，当第二温度传感器731所检测到的温度值达到T4时，控制器控制半导体制冷片72工作使导热块73的温度值保持在T4；这里的T4指的是为第二温度传感器731设定的一个检测阈值，其中，T4≤T2，这里的T2指的是后续反应腔3降温时所需下降到的目标温度值。

通过上述设置，可以使得导热块73在脱离芯片底部后，处于一个低温状态，即T2；以为后续降温步骤做好准备，后续降温时，直接上升低温的导热块73接触芯片底部便可开始进行降温，如此设置，有利于节约后续降温步骤的时间，提高效率。

上述的两种加热方法，区别在于，加热方法一完全由电热丝5为反应腔3加热，加热方法二是电热块对反应腔3加热的同时，导热块73会辅助对反应腔3进行加热，因此反应腔3使用加热方法二比使用加热方法一升温更快。

当反应腔3需要由温度T1降温至T2时，其降温方法为：

首先，关闭电热丝5，控制在上述加热方法二中已经冷却降温至T4温度的导热块73上升接触基层1的底壁以对反应腔3进行降温；当第一温度传感器6所检测到的温度值达到T5时，控制导热块73下降脱离基层1的底部；其中T5指的是为第一温度传感器6设定的一个检测阈值，其中T4≤T5≤T2。

当第一温度传感器6所检测到的温度值达到T2时，电热丝5开始加热反应腔3，控制器通过控制电热丝5的发热功率使反应腔3的温度保持在T2。

以下，以T1=95℃，T2=65℃为例，对本实施例的升温控制方法和降温控制方法进行具体说明：

当要求反应腔3温度上升至95℃时：

采用前述的加热方法一进行加热升温：将95℃设定为第一温度传感器6的一个检测阈值，当第一温度传感器6检测到的温度达到95℃时，控制电热丝5的功率，使反应腔3的温度保持在95℃，也可理解为使第一温度传感器6所检测到的温度值保持在95℃。

采用前述的加热方法二进行加热升温：在需要升温之前通过半导体制冷片72将导热块73的温度控制在95℃以上，比如100℃；然后给电热丝通电工作的同时通过驱动机构71驱动导热块73上升接触芯片的底部，以起到辅助升温作用。最终通过电热丝将反应腔3的温度控制在95℃。

经测试，采用加热方法一升温到95℃，需要4秒；采用加热方法二升温到95℃需要3秒。

当需要使反应腔3温度由95℃下降至65℃时，提前将导热块73的温度控制在0℃（在加热方法二中进行，相当于T4=0℃）。需要降温时，通过驱动机构71控制导热块73上升接触芯片底部，以吸收芯片的热量使反应腔3的温度达到65℃，经测试，达到所需温度需要7秒。

此外，在升温控制方法中，当反应腔3的温度上升至T1后，顶层2的顶部上覆盖一保温块8；和/或在降温控制方法中，当反应腔3的温度下降至T2后，在顶层2的顶部上覆盖一保温块8。通过保温块8来降低微流控芯片的热量流失，以起到一定的保温作用。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。

Claims (8)

1.一种微流控芯片，包括基层和顶层，所述基层和顶层之间间隔设置形成反应腔；所述基层中设有用于驱动液滴在反应腔中移动的驱动电极层，其特征在于：所述基层中设有导热件和为反应腔加热的电热丝；所述微流控芯片还包括用于检测反应腔温度的第一温度传感器，所述反应腔的温度通过导热件传导至第一温度传感器以实现对反应腔的温度检测。

2.根据权利要求1所述的一种微流控芯片，其特征在于，所述驱动电极层中设有铜块；所述导热件一端与铜块接触，另一端与温度传感器的检测端相接触。

3.根据权利要求1所述的一种微流控芯片，其特征在于，所述导热件为铜质。

4.根据权利要求1所述的一种微流控芯片，其特征在于，所述基层包括基础层和设于基础层上方的第一功能涂层；所述电热丝嵌设在基础层中。

5.根据权利要求1所述的一种微流控芯片，其特征在于，所述顶层包括上基板和设于上基板底壁上的第二功能涂层。

6.一种基于微流控芯片的温控系统，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述的微流控芯片以及温控模块，所述温控模块包括第二温度传感器，以及设于微流控芯片下方且能同步竖向升降的半导体制冷片和导热块；所述导热块设于半导体制冷片的工作面上，所述第二温度传感器用于检测导热块的温度值。

7.根据权利要求6所述的一种基于微流控芯片的温控系统；其特征在于，所述半导体制冷片和导热块由一驱动机构驱动同步竖向升降。

8.根据权利要求7所述的一种基于微流控芯片的温控系统，其特征在于，所述驱动机构为丝杠直线模组；所述丝杠直线模组上设有由丝杠直线模组驱动竖向升降的机架，所述半导体制冷片和导热块均固定在机架上。