ITTO20130757A1 - Circuito microfluidico integrato con funzionamento basato sull'elettrobagnabilita' e relativo sistema microfluidico - Google Patents

Circuito microfluidico integrato con funzionamento basato sull'elettrobagnabilita' e relativo sistema microfluidico

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ITTO20130757A1
ITTO20130757A1 IT000757A ITTO20130757A ITTO20130757A1 IT TO20130757 A1 ITTO20130757 A1 IT TO20130757A1 IT 000757 A IT000757 A IT 000757A IT TO20130757 A ITTO20130757 A IT TO20130757A IT TO20130757 A1 ITTO20130757 A1 IT TO20130757A1
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dielectric
fluid
dielectric layer
electrode
circuit
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Alessandro Paolo Bramanti
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St Microelectronics Srl
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Description

DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo: “CIRCUITO MICROFLUIDICO INTEGRATO CON FUNZIONAMENTO BASATO SULL'ELETTROBAGNABILITA' E RELATIVO SISTEMA MICROFLUIDICO”
La presente invenzione è relativa ad un circuito microfluidico integrato con funzionamento basato sul fenomeno cosiddetto della “elettrobagnabilità” (electrowetting), e ad un relativo sistema microfluidico.
È noto il crescente utilizzo di circuiti microfluidici integrati, ad esempio fabbricati con materiali semiconduttori e le tecniche dei MEMS (“Micro Electro Mechanical Systems”), per la realizzazione dei cosiddetti “lab-on-chip” (“laboratori su chip”).
Dispositivi microfluidici di analisi “lab-on-chip” vengono utilizzati per eseguire reazioni chimiche su quantità estremamente ridotte di sostanze, ad esempio, ma non solo, in campo medicale, nell’ambito della diagnostica e del “follow-up”.
Alcuni vantaggi di tali dispositivi consistono nel notevole contenimento delle dimensioni e dei costi rispetto a soluzioni di analisi tradizionali in laboratorio, nella velocità di risposta e nella riduzione delle quantità di campioni che devono essere analizzati.
Circuiti microfluidici integrati utilizzati in dispositivi lab-on-chip includono ad esempio circuiti di trasporto, circuiti a flusso controllato, circuiti di confinamento, circuiti di miscelazione di fluidi, o, in generale, circuiti di azionamento di uno o più fluidi.
È noto inoltre che una delle maggiori difficoltà nella realizzazione di circuiti microfluidici integrati risiede nella integrazione di opportuni attuatori per il movimento dei fluidi, quali valvole, pompe, o dispositivi di azionamento in generale.
A tal fine, alcune soluzioni note prevedono l’impiego di attuatori micromeccanici, basati cioè su deformazioni e movimenti meccanici su scala micrometrica o sub micrometrica; tali soluzioni non risultano tuttavia del tutto soddisfacenti, in particolare per quanto riguarda la complessità realizzativa e le difficoltà nel contenimento dei costi e delle dimensioni.
Al fine di superare tali problemi, altre soluzioni che sono state proposte prevedono di sfruttare il fenomeno cosiddetto della “elettrobagnabilità”, ovvero la proprietà di un campo elettrico di modificare la tensione superficiale di un liquido, introducendo un termine di energia elettrostatica nel bilancio energetico del sistema costituito dal liquido e dalla superficie di materiale solido con cui lo stesso liquido è a contatto.
In maggiore dettaglio, e con riferimento alla figura 1a, in assenza di un campo elettrico, la superficie di contatto tra un materiale di appoggio, indicato con 2, ed una data quantità di liquido 3, risulta idrofobica; in altre parole, l’angolo di contatto θ tra il liquido e la superficie risulta maggiore di 90°.
In seguito all’applicazione di un campo elettrico E, figura 1b, il raggiungimento di una migliore condizione, in termini dell’equilibrio energetico, comporta una riduzione del valore dell’angolo di contatto θ; nel caso in cui lo stesso angolo di contatto θ risulti inferiore a 90°, la superficie di contatto 2 diventa idrofilica, determinando un “appiattimento” della quantità di liquido 3 sulla superficie di contatto 2, tanto più marcato quanto minore è il valore dello stesso angolo di contatto θ.
Circuiti microfluidici integrati basati sul fenomeno appena descritto prevedono in generale l’impiego di un insieme di elettrodi adiacenti, individualmente controllabili dal punto di vista elettrico.
Gli elettrodi definiscono, sulla superficie di un substrato di supporto a cui sono accoppiati, percorsi fluidici, lungo i quali vengono trasportate gocce (o “pacchetti”) di fluido, mediante l’accensione o spegnimento selettivo di elettrodi adiacenti. Infatti, la generazione locale di campi elettrici mediante l’accensione degli elettrodi consente di attivare o disattivare le caratteristiche di elettrobagnabilità delle porzioni di substrato disposte in corrispondenza degli stessi elettrodi, che vengono di volta in volta rese idrofobiche o idrofiliche, in tal modo attirando o respingendo le gocce o pacchetti di fluido.
Soluzioni di trasporto fluidico di questo genere vengono spesso definite come soluzioni di “microfluidica digitale”, data la caratteristica on/off (acceso/spento) della modalità di trasporto realizzata.
Una descrizione particolareggiata di tali soluzioni si può trovare ad esempio all’indirizzo internet: http://microfluidics.ee.duke.edu, ad opera della Duke University, Durham, NC.
Anche tali soluzioni non risultano tuttavia esenti da difetti e problemi.
In particolare, la risoluzione (in termini della quantità minima di fluido che può essere movimentata) di un circuito microfluidico realizzato in tal modo è dettata dalla dimensione minima degli elettrodi, che rappresentano in generale il “pixel” o unità elementare di movimentazione del fluido, determinando dunque la quantità e la risoluzione spaziale del circuito stesso.
Inoltre, ciascun elettrodo deve essere collegato ad una sorgente di alimentazione elettrica mediante un opportuno elemento di collegamento elettrico; ciò comporta una notevole complessità dei collegamenti elettrici risultanti, un incremento nell’occupazione di area, la presenza di vincoli geometrici ed eventualmente la necessità di uno strato metallico addizionale.
Di conseguenza, risulta difficile la realizzazione di design complessi per i circuiti microfluidici (ad esempio per la preparazione di campioni da analizzare in chip aventi dimensioni ridotte), ed in ogni caso tali circuiti presentano occupazione di area elevata.
Inoltre, nell’ipotesi in cui con la soluzione descritta venga realizzato un miscelatore di fluidi, la composizione del fluido miscelato risulta funzione del rapporto di un certo numero intero m di gocce (o pacchetti) di un primo fluido, e di un rispettivo numero intero n di gocce (o pacchetti) di un secondo fluido.
In particolare, la quantità minima di fluido che può essere miscelata con rapporto di miscelazione m:n è pari a (m+n)∙d, dove d è il volume di una singola goccia (o pacchetto) di fluido, che è funzione, come precedentemente evidenziato, delle caratteristiche degli elettrodi.
Di conseguenza, la miscelazione dei fluidi può essere eseguita solamente in maniera discreta, non finemente regolabile, in funzione del volume d del singolo pacchetto di fluido che può essere movimentato.
Recenti studi sembrano anche indicare che lo stesso volume di fluido trasportabile da ciascun pixel o unità elementare di elettrodo non sia sempre ripetibile, preciso e costante nel tempo, con conseguenti possibili imprecisioni nella movimentazione e gestione dei fluidi.
È dunque sentita l’esigenza di fornire un circuito microfluidico integrato, che consenta di superare gli svantaggi e le limitazioni associati a soluzioni note.
Scopo della presente invenzione è quello di soddisfare tale esigenza.
Secondo la presente invenzione vengono pertanto forniti un circuito microfluidico integrato ed un relativo sistema, come definiti nelle rivendicazioni allegate.
Per una migliore comprensione della presente invenzione, ne vengono ora descritte forme di realizzazione preferite, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- le figure 1a e 1b mostrano rappresentazioni schematiche di una quantità di fluido su una superficie di supporto, che evidenziano il fenomeno della elettrobagnabilità;
- la figura 2 è una sezione di un circuito microfluidico secondo una forma di realizzazione dell’invenzione;
- le figure 3a, 3b e 4 mostrano grafici di grandezze relative al circuito microfluidico di figura 2;
- la figura 5 è una sezione del circuito microfluidico di figura 2, in una differente condizione operativa;
- le figure 6a-6c mostrano sezioni, relative a differenti condizioni operative, di una forma di realizzazione di un dispositivo microfluidico;
- la figura 7a è una vista in pianta schematica di una ulteriore forma di realizzazione di un dispositivo microfluidico;
- le figure 7b e 7c sono sezioni del dispositivo di figura 7a, prese rispettivamente lungo l’asse orizzontale y e lungo l’asse orizzontale x;
- la figura 8 è una vista in pianta schematica di una ulteriore forma di realizzazione di un dispositivo microfluidico;
- le figure 9a-9c mostrano grafici di grandezze relative al dispositivo microfluidico di figura 8;
- la figura 10 mostra uno schema a blocchi di un sistema microfluidico di analisi, secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione;
- la figura 11 è una sezione di un circuito microfluidico secondo una ulteriore forma di realizzazione dell’invenzione;
- la figura 12 è una sezione di un circuito microfluidico secondo ancora una ulteriore forma di realizzazione dell’invenzione;
- la figura 13 mostra schematicamente l’andamento di linee di campo nel circuito microfluidico di figura 12;
- la figura 14 è una sezione di un circuito microfluidico secondo ancora una ulteriore forma di realizzazione dell’invenzione;
- la figura 15 è una vista schematica in esploso di un circuito microfluidico simile al circuito microfluidico mostrato in figura 12;
- la figura 16 è una vista prospettica di uno strato dielettrico del circuito microfluidico, secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione;
- la figura 17 è una rappresentazione schematica di un circuito microfluidico avente funzione di miscelatore;
- le figure 18a e 18b mostrano differenti sezioni relative al circuito microfluidico di figura 17;
- le figure 19a e 19b sono grafici di grandezze relative al circuito microfluidico di figura 17; e
- la figura 20 è una vista schematica in prospettiva di un dispositivo microfluidico secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione.
Con riferimento alla figura 2, viene ora descritta una prima forma di realizzazione di un circuito microfluidico, indicato in generale con 10, realizzato in maniera integrata con le tecniche dell’industria dei semiconduttori.
Il circuito microfluidico 10 presenta un ingresso IN, in corrispondenza del quale riceve una prima quantità (ad esempio una goccia o un “pacchetto”) di un fluido F1da movimentare, ed un’uscita OUT, in corrispondenza della quale fornisce selettivamente ed in maniera controllata una seconda quantità desiderata dello stesso fluido F1.
In dettaglio, il circuito microfluidico 10 comprende una struttura dielettrica 12, ed una struttura di elettrodo 14, accoppiata alla struttura dielettrica 12, in modo tale da generare, in corrispondenza della stesa struttura dielettrica 12, un desiderato campo elettrico E.
La struttura dielettrica 12 comprende, nella forma di realizzazione illustrata in figura 2, un singolo strato dielettrico 18, costituito ad esempio di PFTE (Teflon), SiO2idrofobico, Al2O3(ALD – Atomic Layer Deposited Aluminum oxide), Parilene; lo strato dielettrico 18 presenta proprietà di elettrobagnabilità.
In particolare, lo strato dielettrico 18 presenta una conformazione spazialmente variabile, in corrispondenza di una sua prima superficie, nell’esempio una superficie superiore 18a, opposta (lungo un asse verticale z) ad una superficie inferiore 18b, posta a contatto della struttura di elettrodo 14. In uso, il fluido F1è disposto al di sopra della superficie superiore 18a dello strato dielettrico 18.
La struttura dielettrica 12 presenta dunque un profilo (o gradiente) dielettrico spazialmente variabile in corrispondenza di una regione funzionale, o di azionamento, della superficie superiore 18a dello strato dielettrico 18, ovvero di una regione in cui si desidera generare un movimento del fluido F1. In generale, il profilo dielettrico risulta variabile lungo la direzione in cui si desidera generare il movimento del fluido F1stesso.
In particolare, la superficie superiore 18a è costituita da una prima e da una seconda porzione sostanzialmente piane 18a', 18a" (in un piano orizzontale xy, ortogonale all’asse verticale z e definito da assi orizzontali x e y), raccordate da una porzione inclinata, posta ad un certo angolo desiderato rispetto al piano orizzontale xy ed all’asse verticale z.
Lo strato dielettrico 18 presenta così un primo spessore d1, in corrispondenza della prima porzione 18a' della superficie superiore 18a, ed un secondo spessore d2, maggiore del primo spessore d1, in corrispondenza della seconda porzione 18a".
La struttura di elettrodo 14 comprende un primo elettrodo di controllo 19, sostanzialmente planare (nel piano orizzontale xy), disposto a contatto della superficie inferiore 18b dello strato dielettrico 18; ed un elettrodo di riferimento (o contro-elettrodo) 20, anch’esso sostanzialmente planare (nel piano orizzontale xy), disposto a distanza dalla superficie superiore 18a dello stesso strato dielettrico 18, in modo da definire un gap 21, includente ad esempio aria, all’interno del quale si trova, e si muove in uso, il fluido F1.
Nel circuito microfluidico 10, il campo elettrico E risulta dunque temporalmente e spazialmente variabile.
In particolare, la variabilità temporale è data dalla corrispondente variabilità di una differenza di potenziale ΔV(t) applicata alla struttura di elettrodo 14 (mediante un opportuno generatore di segnali, non illustrato), tra il primo elettrodo di controllo 19 e l’elettrodo di riferimento 20 (che, ad esempio, può essere collegato ad un potenziale di riferimento, quale la massa elettrica del circuito).
La variabilità spaziale è invece definita dalla conformazione spazialmente variabile della struttura dielettrica 12, che definisce, nella forma di realizzazione illustrata in figura 2, un profilo o gradiente dielettrico lungo l’asse orizzontale x.
Le caratteristiche di elettrobagnabilità della superficie superiore 18a dello strato dielettrico 18 risultano, in maniera corrispondente, variabili sia nel tempo che nello spazio.
Vantaggiosamente, la suddetta elettrobagnabilità risulta dunque regolabile finemente e con precisione, grazie alla possibilità di modulare opportunamente la differenza di potenziale ΔV(t) applicata, sulla base della conformazione della struttura dielettrica 12.
In maggiore dettaglio, nella forma di realizzazione illustrata in figura 2, la conformazione della struttura dielettrica 12 definisce sostanzialmente due condensatori a facce piane e parallele (definiti rispettivamente in corrispondenza della prima porzione 18a' e della seconda porzione 18a" della superficie superiore 18a dello strato dielettrico 18). Inoltre, anche in corrispondenza della porzione inclinata della stessa superficie superiore 18a, può essere applicata una teoria a parametri concentrati, approssimando l’effetto del dielettrico come una capacità planare variabile localmente.
Utilizzando l’equazione di Young, in seguito all’applicazione della differenza di potenziale ΔV(t), si può dimostrare che l’angolo di contatto θ (che definisce le caratteristiche di elettrobagnabilità) varia in funzione della seguente espressione:
dove θ0indica l’angolo di contatto iniziale (ad esempio, nel caso in cui il fluido sia costituito da acqua deionizzata e il dielettrico sia costituito da Al2O3, θ0è pari a 90°); εr1è la permettività relativa dello strato dielettrico 18; γLVè la tensione liquido-vapore del fluido F1, pari ad esempio a 0,072 Jm-2 nel caso dell’acqua; d(x) rappresenta lo spessore dello strato dielettrico 18, variabile in funzione della posizione lungo l’asse orizzontale x; e E(x,t) è il campo elettrico che agisce sullo stesso strato dielettrico 18 e che viene avvertito dal fluido F1, anch’esso dipendente dalla posizione lungo l’asse orizzontale x ed inoltre dal tempo, in virtù della dipendenza dalla differenza di potenziale ΔV(t), approssimativamente secondo l’espressione E(x,t)=ΔV(t)/d(x), ed il cui valore è ottenibile punto per punto mediante simulazione numerica, ad esempio agli elementi finiti (FEM).
Si noti che i materiali elettrobagnabili presentano, generalmente, valore limite dell’angolo di contatto (cosiddetto “angolo di saturazione”) compreso tra 30º e 80º, di cui l’equazione precedente non tiene conto. Per le considerazioni seguenti, l’angolo di saturazione sarà ignorato, o, equivalentemente, si assumerà che il campo elettrico E non sia tale da saturare la bagnabilità e che, di conseguenza, si rimanga in regime di validità dell’equazione stessa. Tale assunzione semplifica l’interpretazione dei risultati e svincola da ipotesi particolari sul materiale, senza per questo inficiare le conclusioni che si possono trarre dagli stessi risultati.
Le figure 3a e 3b mostrano l’andamento dell’angolo di contatto θ al variare della posizione lungo l’asse orizzontale x (con 0 che indica la posizione di ingresso IN), rispettivamente in presenza di una differenza di potenziale ΔV pari a 5,5 V e a 7 V.
L’angolo di contatto θ risulta sempre minore in corrispondenza dalla prima porzione 18a' della superficie superiore 18a dello strato dielettrico 18, rispetto alla seconda porzione 18a"; tuttavia, al crescere del valore della differenza di potenziale ΔV, l’angolo di contatto θ diminuisce notevolmente (in particolare, nell’esempio, diventa minore di 60°) in corrispondenza di entrambe le porzioni 18a', 18a", che divengono perciò entrambe molto bagnabili.
In un modello che tenesse conto dell’angolo di saturazione del materiale, si potrebbe determinare un valore di campo elettrico E tale da portare l’angolo di bagnabilità a saturazione in entrambe le porzioni, ossia da renderle entrambe massimamente bagnabili.
La figura 4 mostra l’andamento dell’angolo di contatto θ in corrispondenza della prima porzione 18a' e, rispettivamente, della seconda porzione 18a" della superficie superiore 18a dello strato dielettrico 18, al variare del valore della differenza di potenziale ΔV.
Risulta dunque evidente che la bagnabilità della superficie dello strato dielettrico 18 può essere controllata con precisione in funzione del valore della differenza di potenziale ΔV(t) applicata alla struttura di elettrodo 14, ed inoltre della conformazione spaziale dello stesso strato dielettrico 18.
In particolare, l’andamento spaziale del valore di bagnabilità corrisponde alla conformazione spaziale della struttura dielettrica 12, che definisce dunque la regione di trasporto per il fluido F1al di sopra della superficie superiore 18a dello strato dielettrico 18 (in altre parole, definendo una sorta di regione di “confinamento” o di canale nel quale può essere movimentato il fluido F1con caratteristiche desiderate). Si sottolinea che tale confinamento è da intendere non in senso fisico, ma energetico, in quanto originato dalla variabilità spaziale del valore del campo elettrico E e dalla selettività spaziale delle risultanti proprietà di elettrobagnabilità.
Il circuito microfluidico 10 può essere ad esempio utilizzato per realizzare il trasporto di una quantità desiderata di fluido lungo l’asse orizzontale x.
Nella figura 5, viene mostrata in linea tratteggiata una prima condizione operativa in cui una goccia (o pacchetto) di fluido F1si trova in corrispondenza della prima porzione 18a' della superficie superiore 18a dello strato dielettrico 18, in presenza di un primo valore ΔV1della differenza di potenziale ΔV(t).
In linea continua viene invece mostrata una seconda condizione operativa (successiva alla prima), in cui la differenza di potenziale ΔV(t) è stata incrementata ad un secondo valore ΔV2, maggiore del primo valore ΔV1. Per effetto del minore valore assunto dall’angolo di contatto θ, la superficie superiore 18a dello strato dielettrico 18 diventa più bagnabile, e la goccia di fluido F1si espande, si allarga, al di sopra della stessa superficie, anche in corrispondenza della seconda porzione 18a" della stessa superficie superiore 18a (oltrepassandone la porzione inclinata).
La figura 6a mostra, in una prima condizione operativa, un dispositivo microfluidico 26, che include il circuito microfluidico 10, per la realizzazione di una valvola di flusso finemente regolabile.
Il dispositivo microfluidico 26 comprende inoltre un secondo elettrodo di controllo 28, disposto a contatto della superficie inferiore 18b dello strato dielettrico 18, affiancato ad una certa distanza al primo elettrodo di controllo 19 lungo l’asse orizzontale x; il secondo elettrodo di controllo 28 si trova in corrispondenza di un prolungamento della seconda porzione 18a" della superficie superiore 18a dello strato dielettrico 18.
Il secondo elettrodo di controllo 28 è selettivamente posto ad una tensione di controllo Vco ad una tensione di riferimento (massa), mediante l’apertura/chiusura di un elemento interruttore 29. Il secondo elettrodo di controllo 28 forma con lo stesso elettrodo di riferimento 20 un condensatore a facce piane e parallele.
In uso, la differenza di potenziale ΔV, applicata tra il primo elettrodo di controllo 19 e l’elettrodo di riferimento 20, viene progressivamente incrementata da un valore ΔV1fino ad un valore ΔV2, in modo da allargare la goccia di fluido F1, come precedentemente illustrato (giungendo ad una seconda condizione operativa, mostrata in figura 6b).
Quindi, il secondo elettrodo di controllo 28 viene posto alla tensione di controllo Vc, in modo tale da “attrarre” una parte del fluido F1in corrispondenza del prolungamento della seconda porzione 18a" della superficie superiore 18a dello strato dielettrico 18 (condizione operativa mostrata in figura 6c, in cui la differenza di potenziale ΔV è inoltre riportata al valore ΔV1, così che la parte rimanente del fluido F1torna verso la prima porzione 18a' della superficie superiore 18a dello strato dielettrico 18).
Il dispositivo microfluidico 26 implementa dunque una valvola, che consente il passaggio selettivo di una quantità controllata di fluido F1dall’ingresso IN all’uscita OUT; in particolare, il valore del volume di fluido F1che attraversa la valvola in seguito alla sua apertura è controllabile finemente in funzione della conformazione spaziale dello strato dielettrico 18 e del valore della differenza di potenziale ΔV(t) applicata alla struttura di elettrodo 14 del circuito microfluidico 10. Incrementando il valore ΔV2della differenza di potenziale ΔV, si incrementa in maniera corrispondente il volume di fluido F1che attraversa la valvola.
Le figure 7a, 7b e 7c mostrano in maniera schematica, rispettivamente in una vista dall’alto, in una prima vista in sezione presa lungo l’asse orizzontale y ed in una seconda vista in sezione presa lungo l’asse orizzontale x, una ulteriore forma di realizzazione di un dispositivo microfluidico, nuovamente indicato con 26, avente in questo caso funzione di miscelatore.
La superficie superiore 18a dello strato dielettrico 18 presenta in tal caso, nella sezione presa lungo l’asse orizzontale y, una terza porzione 18a''', sostanzialmente planare, contigua alla seconda porzione 18a", ed avente spessore d1sostanzialmente pari allo spessore della prima porzione 18a'.
Inoltre, il dispositivo microfluidico 26 comprende un terzo elettrodo di controllo 30, disposto a contatto della superficie inferiore 18b dello strato dielettrico 18, affiancato al secondo elettrodo di controllo 28 lungo l’asse orizzontale x (come visibile nella sezione presa lungo l’asse orizzontale x).
In uso, l’applicazione di una opportuna differenza di potenziale ΔV al primo elettrodo di controllo 19 consente ad una quantità desiderata di un primo fluido, indicato nuovamente con F1, di superare la “barriera” energetica definita dal valore spazialmente variabile del campo elettrico E e di raggiungere, in seguito all’applicazione di una tensione opportuna al secondo elettrodo di controllo 28, la zona corrispondente alla terza porzione 18a''' della stessa superficie superiore 18a. Si noti dunque che si definisce in tal modo un primo canale per il trasporto del primo fluido F1.
Allo stesso tempo, o in un tempo successivo, l’applicazione di una opportuna tensione al terzo elettrodo di controllo 30 consente ad una quantità prefissata di un secondo fluido F2di raggiungere la zona corrispondente della superficie superiore 18a dello strato dielettrico 18, per poi raggiungere la terza porzione 18a''' della stessa superficie superiore 18a, in seguito all’applicazione di una opportuna tensione al secondo elettrodo di controllo 28. Si noti dunque che si definisce in tal modo un secondo canale per il trasporto del secondo fluido F2, con differenti proprietà di elettrobagnabilità dello strato dielettrico 18, rispetto al primo canale.
Si realizza pertanto una miscelazione con la quantità prefissata del secondo fluido F2di un’opportuna quantità del primo fluido F1, controllabile in maniera accurata, mediante un’opportuna conformazione dello strato dielettrico 18 ed un’opportuna scelta dei valori di tensione applicati agli elettrodi di controllo.
È evidente che la differenza di potenziale ΔV(t) applicata alla struttura di elettrodo 14 può presentare varie forme d’onda, ed il controllo può agire sulla ampiezza, sulla frequenza, sul duty cycle, o su differenti ed ulteriori parametri delle forme d’onda.
Come illustrato in figura 8, una variante realizzativa del dispositivo microfluidico 26, avente nuovamente funzione di miscelazione, può prevedere l’utilizzo di un unico elettrodo di controllo, qui indicato con 19, che si estende al di sotto dello strato dielettrico 18, in corrispondenza del primo e del secondo canale precedentemente definiti.
Le figure 9a, 9b, 9c illustrano esempi di forme d’onda per la differenza di potenziale ΔV(t) applicata a tale unico elettrodo di controllo 19, per realizzare rispettivamente: un controllo impulsivo (figura 9a) del primo canale, con gocce, o pacchetti, del primo fluido F1che vengono, con periodicità determinata dal duty cycle della forma d’onda, miscelate al secondo fluido F2(il secondo canale risulta in tal caso sempre aperto); un controllo in regime sinusoidale (figura 9b) del secondo canale, con il primo canale nuovamente controllato ad intermittenza, in tal modo ottenendo una miscelazione con rapporto controllato di pacchetti del primo e del secondo fluido F1, F2; ed un controllo in frequenza (figura 9c), con rapporto variabile nel tempo delle quantità miscelate del primo e del secondo fluido F1, F2.
In generale, la possibilità di regolazione offerta attraverso il controllo della differenza di potenziale ΔV(t) si presta inoltre all’implementazione di un controllo retroazionato ad anello chiuso.
La figura 10 illustra, a questo riguardo, uno schema a blocchi semplificato di un possibile sistema microfluidico 32, avente funzioni di analisi, che include il dispositivo microfluidico 26 precedentemente illustrato ed un circuito di controllo 34, ad anello chiuso.
In dettaglio, il circuito di controllo 34 comprende: un primo generatore di segnale 35a, atto a generare un primo segnale di controllo S1per il controllo del primo canale di miscelazione; un secondo generatore di segnale 35b, atto a generare un secondo segnale di controllo S2per il controllo del secondo canale di miscelazione; un’unità di combinazione 36, per la combinazione del primo e del secondo segnale di controllo S1, S2e la generazione del segnale di differenza di potenziale ΔV(t), che viene applicato all’unico elettrodo di controllo 19 (qui non illustrato) del circuito microfluidico 10.
Il circuito di controllo 34 comprende inoltre: un elemento sensore 38, ad esempio un sensore di pH, nel caso in cui si richieda alla miscela del primo e del secondo fluido F1, F2di avere un pH controllato, l’elemento sensore 38 essendo atto a misurare il pH della miscela di fluidi; ed un’unità di controllo 39, ad esempio di tipo PID (Proporzionale Integrale Derivativo), ricevente le misure rilevate dall’elemento sensore 38 ed atta a controllare il primo ed il secondo generatore di segnale 35a, 35b in funzione dello scostamento del pH misurato rispetto ad un valore obiettivo pH , realizzando in tal modo un controllo in retroazione ad anello chiuso.
Con riferimento alla figura 11, viene ora mostrata una differente forma di realizzazione del circuito microfluidico, indicato nuovamente con 10, in cui la conformazione spazialmente variabile dello strato dielettrico 18 è determinata dal profilo spazialmente variabile della superficie inferiore 18b dello stesso strato dielettrico 18, mentre la superficie superiore 18a è sostanzialmente planare nel piano orizzontale xy.
Di conseguenza, il primo elettrodo 19 della struttura di elettrodo 14 presenta anch’esso una corrispondente conformazione spazialmente variabile.
Considerazioni del tutto analoghe si applicano anche in questo caso in merito alla variabilità della elettrobagnabilità in funzione della differenza di potenziale ΔV(t) applicata alla struttura di elettrodo 14 e del profilo spazialmente variabile dello strato dielettrico 18.
In particolare, si noti come in tal caso, al di sopra della superficie superiore 18a sostanzialmente planare dello strato dielettrico 18, si definisca una regione di canale e confinamento “virtuale” per il fluido F1, con elettrobagnabilità variabile in accordo con la conformazione spazialmente variabile della superficie inferiore 18b dello stesso strato dielettrico 18.
In figura 12 viene mostrata una ulteriore forma di realizzazione del circuito microfluidico, nuovamente indicato con 10.
In questa variante, la struttura dielettrica 12 del circuito microfluidico 10 comprende inoltre un ulteriore strato dielettrico 40 ed un eventuale strato di supporto 15, anch’esso di materiale dielettrico.
Lo strato dielettrico 18 presenta una prima permettività relativa εr1, e l’ulteriore strato dielettrico 40 presenta una seconda permettività relativa εr2, differente, ad esempio minore, rispetto alla prima permettività relativa εr1.
La conformazione spazialmente variabile della struttura dielettrica 12 è data in questo caso dalla superficie di contatto, o di interfaccia, tra lo strato dielettrico 18 e l’ulteriore strato dielettrico 40, avente profilo spazialmente variabile.
Tale superficie di contatto coincide, nella forma di realizzazione illustrata in figura 12, con la superficie superiore 18a dello strato dielettrico ed inoltre con una rispettiva superficie inferiore 40b dell’ulteriore strato dielettrico 40. Sia la superficie inferiore 18b dello strato dielettrico 18, sia una rispettiva superficie superiore 40a dell’ulteriore strato dielettrico 40 sono sostanzialmente planari, parallelamente al piano orizzontale xy.
La superficie inferiore 18b dello strato dielettrico 18 è a contatto con il primo elettrodo di controllo 19, mentre la superficie superiore 40a dell’ulteriore strato dielettrico 40 è in questo caso a contatto dello strato di supporto 15, avente caratteristiche di elettrobagnabilità e definente la zona di trasporto del fluido.
Si noti che lo strato di supporto 15 può eventualmente non essere presente, nel caso in cui l’ulteriore strato dielettrico 40 includa materiale elettrobagnabile.
Nella forma di realizzazione illustrata in figura 12, la suddetta superficie di contatto tra gli strati dielettrici 18 e 40 presenta un andamento planare continuo, in un piano inclinato di un certo angolo non nullo rispetto al piano orizzontale xy, definendo dunque una linea a pendenza costante nella sezione raffigurata nella stessa figura 12.
Si noti dunque che il condensatore risultante definito tra il primo elettrodo di controllo 19 e l’elettrodo di riferimento 20 è solo apparentemente un condensatore piano, in quanto la superficie di contatto tra gli strati dielettrici non è parallela al piano degli elettrodi.
Facendo anche riferimento alla figura 13, si nota come gli strati dielettrici 18, 40 presentino un rispettivo primo e secondo spessore d1(x), d2(x), variabili punto a punto con continuità in funzione della posizione lungo l’asse orizzontale x.
Inoltre, si nota come le linee del campo elettrico E si incurvino in corrispondenza della superficie di contatto, per soddisfare la condizione di interfaccia:
εr1 ·E1,� = ε r2 · E2 ,�
in cui E1,� ed E2,� sono le componenti di campo elettrico ortogonali alla superficie di contatto, che insistono rispettivamente sull’ulteriore strato dielettrico 40 e sullo strato dielettrico 18 (le componenti parallele essendo invece uguali tra di loro).
Nell’esempio illustrato, vale inoltre la condizione: E1,� < E2 ,�
in quanto εr 1 > εr 2.
Inoltre, si osserva che le capacità per unità di area degli strati dielettrici 18, 40, indicate rispettivamente con C1e C2, variano lungo l’asse orizzontale x.
Per stimare l’intensità del campo elettrico E, si può utilizzare l’approssimazione dei condensatori planari; ad esempio, il campo elettrico E1sull’ulteriore strato dielettrico 40, che determina le proprietà di elettrobagnabilità nei confronti del liquido, è dato dall’espressione:
risultando evidentemente variabile nel tempo, per effetto della variabilità della differenza di potenziale ΔV(t), e nello spazio, per la conformazione spazialmente variabile della struttura dielettrica 12.
Si noti che la suddetta equazione non tiene conto della presenza dello strato di supporto 15, per comodità di illustrazione; tuttavia, considerazioni del tutto analoghe si applicano anche in quest’ultimo caso.
Nuovamente, risulta dunque possibile controllare con precisione le caratteristiche di elettrobagnabilità sulla superficie, e dunque le caratteristiche di movimentazione del fluido F1quando presente sullo strato di supporto 15 o sulla superficie superiore 40a dell’ulteriore strato dielettrico 40 (nel caso lo stesso strato dielettrico sia bagnabile), in funzione della differenza di potenziale ΔV(t) applicata alla struttura di elettrodo 14, ed in funzione dei parametri geometrici della conformazione spazialmente variabile della struttura dielettrica 12.
Nella forma di realizzazione illustrata nelle figure 12 e 13, il campo elettrico avvertito dal fluido F1per valori crescenti della differenza di potenziale ΔV(t) applicata alla struttura di elettrodo 14 è tale per cui l’elettrobagnabilità cresca progressivamente, risultando in ogni caso minore verso l’uscita OUT del circuito microfluidico 10. Di conseguenza, al crescere del valore di tensione, il fluido F1occupa progressivamente il canale virtuale formatosi sulla superficie superiore, spostandosi dall’ingresso IN verso l’uscita OUT.
La forma di realizzazione appena illustrata presenta il vantaggio che anche la superficie di trasporto del fluido risulta planare, favorendo la possibile crescita di eventuali altre strutture sulla stessa superficie di trasporto.
Risulta evidente che possono parimenti essere previste ulteriori forme di realizzazione, che presentano diversi profili spazialmente variabili della superficie di contatto tra il primo ed il secondo strato dielettrico 18, 40 (ad esempio un profilo a gradino, come illustrato in figura 14), e/o un numero maggiore di elettrodi di controllo (come illustrato nella stessa figura 14) e/o un numero differente di strati dielettrici sovrapposti atti a formare nel loro complesso la struttura dielettrica 12.
In figura 15 viene illustrato schematicamente ed in prospettiva un dispositivo microfluidico, indicato nuovamente con 26, che include il circuito microfluidico 10 di figura 12.
In particolare, tale figura 15 mostra, con linea tratteggiata, il canale virtuale che si forma sulla superficie dello strato di supporto 15 (o, qualora non sia presente, sulla superficie superiore 40a dell’ulteriore strato dielettrico 40, avente in tal caso proprietà di elettrobagnabilità); la struttura a rampa in rilievo, qui indicata con 42, formata in corrispondenza della superficie superiore 18a dello strato dielettrico 18, e la corrispondente cavità o recesso 43 che si forma in corrispondenza della superficie inferiore 40b dell’ulteriore strato dielettrico 40, al fine di definire la conformazione spazialmente variabile della struttura dielettrica 12; e la sottostante struttura di elettrodo 14, in questo caso formata da un primo e da un secondo elettrodo di controllo 19, 28, atti a controllare rispettive zone funzionali, o regioni di trasporto di fluido, del dispositivo microfluidico 26.
In particolare, in maniera analoga a quanto illustrato in precedenza, il primo elettrodo di controllo 19 può essere controllato (ad esempio con un circuito retroazionato ad anello chiuso) per realizzare un trasporto controllato del fluido F1dall’ingresso IN all’uscita OUT del circuito microfluidico 10; ed il secondo elettrodo di controllo 28 può essere azionato per realizzare il trasferimento del fluido F1dall’uscita OUT del circuito microfluidico 10 verso una ulteriore regione funzionale del dispositivo microfluidico 26, ad esempio verso un ulteriore circuito microfluidico (non illustrato), una camera di analisi (non illustrata), o un serbatoio (anch’esso non illustrato).
La figura 16 mostra, in una vista prospettica semplificata, una ulteriore possibile forma di realizzazione, relativamente al solo ulteriore strato dielettrico 40, in cui sono definite tre distinte cavità, una prima cavità, indicata nuovamente con 43, ed una seconda ed una terza cavità 44, 45, aventi differente pendenza ed inclinazione rispetto al piano orizzontale xy, e destinate a definire differenti conformazioni spaziali variabili della struttura dielettrica 12 per corrispondenti regioni funzionali del dispositivo microfluidico 26.
Ad esempio, la conformazione illustrata può essere utilizzata per realizzare un dispositivo miscelatore (in maniera alternativa a quanto discusso in precedenza con riferimento alle figure 7a-7c e 8), il cui schema a blocchi è illustrato schematicamente in figura 17.
La prima e la seconda cavità 43, 44 possono dunque definire, mediante le rispettive conformazioni spazialmente variabili, rispettivamente un primo ed un secondo canale per il trasporto controllato di un primo e di un secondo fluido, indicati nuovamente con F1e F2, provenienti da un rispettivo ingresso del dispositivo microfluidico 26; mentre la terza cavità 45 può definire una regione di raccolta per la miscelazione dei due fluidi F1e F2ed il trasporto del risultante fluido miscelato verso un’uscita Out del dispositivo microfluidico 26.
Le figure 18a e 18b illustrano a titolo di esempio possibili conformazioni spazialmente variabili della struttura dielettrica 12 rispettivamente del primo e del secondo canale, qui indicati con Ch1e Ch2, del dispositivo microfluidico 26, che differiscono in questo caso per il differente spessore dei rispettivi strati dielettrici 18, 40, per l’inclinazione della superficie di contatto, e/o per i diversi valori delle permettività dielettriche degli stessi strati dielettrici 18, 40.
A parità di differenza di potenziale ΔV(t) applicata ad uno stesso primo elettrodo di controllo 19 (che può essere in comune per il primo ed il secondo canale Ch1e Ch2), le proprietà di elettrobagnabilità del primo e del secondo canale differiscono dunque in funzione della differente conformazione spaziale della relativa struttura dielettrica 12, determinando dunque differenti modalità di trasporto (ad esempio, in termini di una relativa quantità di fluido trasportato) per i fluidi F1, F2, ed un desiderato rapporto di miscelazione in corrispondenza della regione di raccolta, qui indicata con A.
Un unico elettrodo di controllo 19 può essere accoppiato alla superficie inferiore dello strato dielettrico 18 (comune ad entrambi i canali).
Come mostrato nelle figure 18a, 18b, in questa forma di realizzazione, lo strato di supporto 15 e presenta centralmente una porzione rialzata; nuovamente, la struttura dielettrica è conformata in modo da definire una barriera energetica per il movimento dei fluidi F1, F2verso l’area di raccolta. In particolare, l’applicazione di un campo elettrico di valore sufficiente e controllato consente ai fluidi di superare la barriera energetica e miscelarsi in corrispondenza dell’area di raccolta A.
In figura 19a viene mostrato a titolo di esempio un possibile andamento nel tempo della differenza di potenziale ΔV(t) applicata all’unico elettrodo di controllo 19.
Il segnale di tensione può presentare un andamento impulsivo, avente un duty cycle controllabile, e può assumere un primo valore, maggiore di una prima tensione di soglia VAe minore di una seconda tensione di soglia VB, ed un secondo valore, maggiore della seconda tensione di soglia VB.
In particolare, la prima tensione di soglia VAè sufficiente ad originare l’elettrobagnabilità dello strato di supporto 15 in corrispondenza del primo canale Ch1(che risulta sempre aperto), ma non del secondo canale Ch2, che risulta elettrobagnabile solo al superamento della seconda soglia VB(ed è dunque aperto/chiuso ad intermittenza).
La figura 19b illustra un ulteriore possibile andamento della differenza di potenziale ΔV(t) applicata all’unico elettrodo di controllo 19, in questo caso con controllo ad intermittenza di entrambi i canali Ch1e Ch2.
È evidente dunque come sia possibile controllare con precisione il mescolamento dei due fluidi F1, F2, in proporzioni variabili e desiderate, mediante il controllo dell’ampiezza e del duty cycle del segnale di differenza di potenziale ΔV(t) applicato al singolo elettrodo di controllo 19.
Il procedimento di fabbricazione della struttura dielettrica 12 del circuito microfluidico 10 precedentemente descritto può prevedere in generale di:
- depositare lo strato dielettrico 40, e successivamente sagomare opportunamente tale strato per la realizzazione della prima cavità 43 (ed eventualmente di ulteriori cavità, quali la seconda e la terza cavità 44, 45, di forma, dimensioni e posizione desiderate);
- depositare lo strato dielettrico 18, in modo tale da riempire la prima cavità 43 (ed eventualmente le ulteriori cavità), e definire nella struttura dielettrica 12 risultante un profilo dielettrico spazialmente variabile; e - nel caso sia presente, depositare lo strato di supporto 15 al di sopra della superficie superiore 40a dell’ulteriore strato dielettrico 40.
In una possibile forma di realizzazione, l’ulteriore strato dielettrico 40 può essere composto da un primo materiale polimerico, o polimerico-ceramico; la fase di sagomare può essere realizzata secondo una delle seguenti tecniche: soft lithography; incisione con punte micro- o nanometriche riscaldate e movimentate; incisione mediante Fascio Ionico Focalizzato (“Focused Ion Beam”).
Tra i materiali possibili vi sono le termoplastiche note come poliarileterchetoni, caratterizzate da una buona resistenza alla temperatura. Un altro esempio è costituito dal bis-benzo-ciclobutene silossano, che possiede ottime caratteristiche di stabilità termica e dielettrica; o dal Poli-dimetil-silossano (PDMS).
Come precedentemente indicato, nel caso in cui non sia previsto lo strato di supporto 15, il materiale dell’ulteriore strato dielettrico 40 presenta caratteristiche di elettrobagnabilità.
Lo strato dielettrico 18 può essere composto da un secondo materiale polimerico, o polimerico-ceramico, avente una temperatura di transizione vetrosa o reticolazione (laddove la “reticolazione” è anche detta formazione di cross-legami, o indurimento, o vulcanizzazione, o “curing”) inferiore alla temperatura di fusione del primo materiale polimerico. Inoltre, è conveniente che il secondo materiale polimerico abbia costante dielettrica sufficientemente diversa del primo.
Le condizioni di reticolazione per il secondo materiale polimerico, in termini di temperatura utilizzata e durata, tengono conto del fatto che, generalmente, il primo materiale, quando sia polimerico, può subire già a temperature inferiori a quella di fusione un aumento di viscosità (transizione vetrosa) che, pur non rappresentando una transizione di stato vera e propria, può portare a modifiche dei profili precedentemente incisi. Tenendo conto di ciò, per la reticolazione del secondo materiale sono preferiti processi di durata più lunga e temperature più basse. Qualora si sia verificato sperimentalmente che la reticolazione del secondo materiale modifichi comunque, almeno parzialmente, la superficie incisa del primo materiale, è possibile compensare anticipatamente tali modifiche, tenendone conto nella predisposizione del primo strato, ad esempio producendo incisioni più profonde e/o di profilo parzialmente differente rispetto al risultato finale voluto (che risulterà successivamente, dopo la reticolazione del secondo materiale).
Un esempio di secondo materiale polimerico è costituito dal benzo-ciclobutene, in cui siano state disperse nanoparticelle di titanato di bario.
Il secondo materiale polimerico può essere dunque depositato in stato liquido al di sopra ed in contatto con la superficie incisa dello strato dielettrico 40, ad esempio mediante tecniche di “sputtering” (o spruzzamento); successivamente, si può operare una reticolazione alla rispettiva temperatura di reticolazione, per ottenere lo strato dielettrico 18.
I vantaggi della soluzione descritta emergono in maniera evidente dalla discussione precedente.
In particolare, la movimentazione del fluido nel circuito fluidico viene controllata con maggiore risoluzione ed accuratezza, grazie al controllo ed alla regolazione della tensione applicata agli elettrodi, in funzione del profilo spazialmente variabile della struttura dielettrica.
La risoluzione spaziale con cui si realizza tale profilo è elevata, così come è elevata la precisione con cui si realizza il controllo di tensione, ampiezza, frequenza e/o di altri parametri della forma d’onda della differenza di potenziale applicata.
Inoltre, risulta agevole implementare un controllo in retroazione ad anello chiuso, basato su uno o più parametri rilevabili del fluido, per incrementare ulteriormente la precisione del sistema microfluidico.
La possibilità di controllare con un unico elettrodo il circuito microfluidico consente una notevole riduzione nella complessità dei cablaggi.
In generale, le dimensioni e la complessità realizzativa del circuito microfluidico risultano notevolmente ridotte rispetto a soluzioni tradizionali, e ne consentono l’agevole realizzazione integrata in chip (eventualmente, insieme a circuiti di controllo e/o ulteriori dispositivi e sensori).
A questo riguardo, la figura 20 mostra schematicamente il dispositivo microfluidico 26 integrato in una piastrina 50 includente materiale semiconduttore.
Il primo elettrodo di controllo 19 (e, ove presenti, ulteriori elettrodi di controllo) è accoppiato ad un substrato 52 della piastrina 50, e piste di collegamento elettrico 54 consentono la polarizzazione della struttura di elettrodo 14 da parte di un circuito di polarizzazione (non illustrato) del dispositivo microfluidico 26, eventualmente integrato nella stessa piastrina 50, o in una differente piastrina (non illustrata).
L’elettrodo di riferimento 20 può essere integrato in una differente piastrina, oppure nella stessa piastrina 50, opportunamente sospeso al di sopra del substrato 52, mediante una struttura di sospensione meccanica (non illustrata).
Risulta infine chiaro che a quanto qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall’ambito di protezione della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.
In particolare, si sottolinea nuovamente come la effettiva realizzazione del profilo dielettrico spazialmente variabile della struttura dielettrica 12 del circuito microfluidico 10 possa variare rispetto alle forme di realizzazione illustrate, in funzione delle specifiche esigenze di progetto, ad esempio per quanto riguarda i materiali utilizzati, il numero di strati dielettrici e la conformazione geometrica degli stessi singoli strati dielettrici.
In generale, il profilo dielettrico spazialmente variabile della struttura dielettrica 12 può essere determinato da una qualunque combinazione di uno o più dei seguenti, o di altri fattori qui non elencati ma che saranno evidenti ad un tecnico del settore: una conformazione spazialmente variabile della struttura dielettrica 12 (ad esempio definita da un profilo spazialmente variabile di una o più superfici del singolo e/o dell’ulteriore strato dielettrico 18, 40); un gradiente spaziale della permettività dielettrica della struttura dielettrica 12.
Inoltre, anche il numero e la disposizione degli elettrodi di controllo può variare rispetto a quanto illustrato.
Quanto precedentemente descritto si può inoltre applicare a circuiti fluidici integrati aventi scala dimensionale inferiore, ad esempio scala nanometrica.

Claims (23)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Circuito fluidico integrato (10) comprendente: una superficie di supporto (18a; 40a; 15) atta a supportare, in corrispondenza di una sua prima regione funzionale, un primo fluido (F1) che deve essere movimentato; una struttura dielettrica (12), definente la superficie di supporto (18a; 40a; 15); ed una struttura di elettrodo (14), operativamente accoppiata alla struttura dielettrica (12) per generare un campo elettrico (E) in corrispondenza della prima regione funzionale, atto a modificare proprietà di elettrobagnabilità (“electrowetting”) dell’interfaccia tra il primo fluido (F1) e la superficie di supporto (18a; 40a; 15), caratterizzato dal fatto che la struttura dielettrica (12) presenta un primo profilo dielettrico spazialmente variabile in corrispondenza della prima regione funzionale, atto a determinare un corrispondente profilo spazialmente variabile di detto campo elettrico (E), e, di conseguenza, di dette proprietà di elettrobagnabilità dell’interfaccia tra il primo fluido (F1) e la superficie di supporto (18a; 40a; 15).
  2. 2. Circuito secondo la rivendicazione 1, in cui detta struttura dielettrica (12) presenta conformazione spazialmente variabile in corrispondenza della prima regione funzionale.
  3. 3. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta struttura dielettrica (12) comprende un primo strato dielettrico (18) avente una prima superficie principale (18a; 18b) con profilo spazialmente variabile in corrispondenza della prima regione funzionale.
  4. 4. Circuito secondo la rivendicazione 3, in cui detta struttura di elettrodo (14) include un primo elettrodo (20; 19), avente estensione principale in un piano orizzontale (xy); ed in cui la prima superficie principale (18a; 18b) del primo strato dielettrico (18) definisce un gradino, o una rampa inclinata, rispetto a detto piano orizzontale (xy).
  5. 5. Circuito secondo la rivendicazione 4, in cui detta struttura di elettrodo (14) include un secondo elettrodo (19), avente estensione nel piano orizzontale (xy); ed in cui la prima superficie principale (18a) del primo strato dielettrico (18) definisce detta superficie di supporto; ed il primo strato dielettrico (18) presenta una seconda superficie principale (18b), avente estensione planare in detto piano orizzontale (xy), opposta alla prima superficie principale (18a) ed in contatto con il secondo elettrodo (19).
  6. 6. Circuito secondo la rivendicazione 4, in cui detta struttura di elettrodo (14) include un secondo elettrodo (19), a contatto della prima superficie principale (18b) del primo strato dielettrico (18); ed in cui il primo strato dielettrico (18) presenta una seconda superficie principale (18a), avente estensione planare in detto piano orizzontale (xy), opposta alla prima superficie principale (18b) e che definisce detta superficie di supporto.
  7. 7. Circuito secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui detta struttura dielettrica (12) comprende un secondo strato dielettrico (40) avente una rispettiva prima superficie principale (40b) con profilo spazialmente variabile, a contatto della prima superficie principale (18a) del primo strato dielettrico (18).
  8. 8. Circuito secondo la rivendicazione 7, in cui il secondo strato dielettrico (40) presenta una rispettiva seconda superficie principale (40a), avente estensione planare in detto piano orizzontale (xy), opposta alla rispettiva prima superficie principale (40b) e definente detta superficie di supporto; ed in cui il primo strato dielettrico (18) presenta una seconda superficie principale (18b), avente estensione planare in detto piano orizzontale (xy), opposta alla prima superficie principale (18a) ed a contatto con il primo elettrodo (19).
  9. 9. Circuito secondo la rivendicazione 7 o 8, in cui detti primo (18) e secondo (40) strato dielettrico presentano un rispettivo valore di permettività dielettrica, ed un rispettivo spessore, considerato in una prima direzione (z) ortogonale a detto piano orizzontale (xy), variabile lungo una seconda direzione (x) appartenente a detto piano orizzontale.
  10. 10. Circuito secondo la rivendicazione 7, in cui detta struttura dielettrica (12) comprende inoltre uno strato di supporto (15), avente caratteristiche di elettrobagnabilità, accoppiato a detto secondo strato dielettrico (40) e definente detta superficie di supporto.
  11. 11. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta struttura di elettrodo (14) è atta a ricevere un segnale di differenza di potenziale (ΔV(t)), variabile nel tempo, così che il campo elettrico (E) generato risulta temporalmente, oltre che spazialmente, variabile.
  12. 12. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta superficie di supporto (18a; 40a; 15) presenta almeno una seconda regione funzionale, e detta struttura dielettrica (12) presenta un secondo profilo dielettrico spazialmente variabile in corrispondenza della seconda regione funzionale, differente dal primo profilo dielettrico spazialmente variabile; ed in cui detta struttura di elettrodo (14) comprende un unico elettrodo di controllo (19), atto a ricevere un segnale di differenza di potenziale (ΔV(t)), per generare un rispettivo profilo spazialmente variabile del campo elettrico (E) in corrispondenza della prima e della seconda regione funzionale, in funzione del primo e, rispettivamente, del secondo profilo dielettrico spazialmente variabile.
  13. 13. Circuito secondo la rivendicazione 12, in cui detta superficie di supporto (18a; 40a; 15) è atta a supportare un secondo fluido (F2) in corrispondenza di detta seconda regione funzionale, destinato a miscelarsi al primo fluido (F1), in seguito all’applicazione del campo elettrico (E).
  14. 14. Circuito secondo la rivendicazione 13, in cui detta struttura dielettrica (12) è conformata in modo da definire una barriera energetica lungo il movimento del primo (F1) e/o del secondo (F2) fluido da miscelare verso un’area di miscelazione (A).
  15. 15. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta struttura di elettrodo (14) comprende un primo elettrodo (19), accoppiato alla struttura dielettrica (12), ed un secondo elettrodo (20), avente funzione di riferimento, disposto a distanza al di sopra della superficie di supporto (18a; 40a; 15).
  16. 16. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, integrato in una piastrina (52) includente materiale semiconduttore.
  17. 17. Sistema microfluidico (32), comprendente il circuito fluidico integrato (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, ed un circuito elettronico di controllo (34), accoppiato al circuito microfluidico integrato (10) per controllare la movimentazione di detto primo fluido (F1); in cui detto circuito elettronico di controllo (34) è configurato per fornire un segnale di differenza di potenziale (ΔV(t)) a detta struttura di elettrodo (14), per generare detto campo elettrico (E).
  18. 18. Sistema secondo la rivendicazione 17, in cui detto circuito elettronico di controllo (34) è configurato per controllare il valore di detto segnale di differenza di potenziale (ΔV(t)) sulla base di detto primo profilo dielettrico spazialmente variabile, per ottenere un desiderato profilo spazialmente variabile di dette proprietà di elettrobagnabilità dell’interfaccia tra primo fluido (F1) e superficie di supporto (18a; 40a; 15).
  19. 19. Sistema secondo la rivendicazione 18, in cui detto circuito elettronico di controllo (34) è configurato per controllare uno o più tra l’ampiezza, la frequenza e il duty cycle della forma d’onda di detto segnale di differenza di potenziale (ΔV(t)).
  20. 20. Sistema secondo la rivendicazione 18 o 19, in cui detto circuito elettronico di controllo (34) è configurato per realizzare un controllo in anello chiuso del valore di detto segnale di differenza di potenziale (ΔV(t)), sulla base di almeno una caratteristica misurata di detto primo fluido (F1).
  21. 21. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 17-20, in cui detto circuito microfluidico integrato (10) è atto a realizzare una valvola a flusso controllato, o un miscelatore di flussi controllati.
  22. 22. Metodo di azionamento di un fluido, per un circuito fluidico integrato (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-16, comprendente: fornire un segnale di differenza di potenziale (ΔV(t)) a detta struttura di elettrodo (14), per generare un campo elettrico (E) in corrispondenza della prima regione funzionale, tale da modificare proprietà di elettrobagnabilità dell’interfaccia tra il primo fluido (F1) e la superficie di supporto (18a; 40a; 15), caratterizzato dal fatto di comprendere la fase di controllare il valore del segnale di differenza di potenziale (ΔV(t)) sulla base di detto primo profilo dielettrico spazialmente variabile, per ottenere un desiderato profilo spazialmente variabile di dette proprietà di elettrobagnabilità dell’interfaccia tra il primo fluido (F1) e la superficie di supporto (18a; 40a; 15).
  23. 23. Metodo secondo la rivendicazione 22, in cui la fase di controllare il valore del segnale di differenza di potenziale (ΔV(t)) comprende controllare uno o più tra l’ampiezza, la frequenza e il duty cycle della forma d’onda di detto segnale di differenza di potenziale (ΔV(t)).
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6354114B1 (ja) * 2017-10-12 2018-07-11 秋田県 液滴移動装置及び液滴の移動方法
EP4061530B1 (en) 2019-11-20 2025-12-10 Nuclera Ltd Spatially variable hydrophobic layers for digital microfluidics
WO2021146573A1 (en) * 2020-01-17 2021-07-22 E Ink Corporation Spatially variable dielectric layers for digital microfluidics
WO2021154627A1 (en) 2020-01-27 2021-08-05 E Ink Corporation Method for degassing liquid droplets by electrowetting actuation at higher temperatures
WO2021168131A1 (en) 2020-02-18 2021-08-26 Nuclear Nucleics Ltd. Adaptive gate driving for high frequency ac driving of ewod arrays
TWI795730B (zh) 2020-02-19 2023-03-11 英商核酸有限公司 用於介電濕潤陣列之高頻交流電驅動的鎖存電晶體驅動
WO2021222061A1 (en) 2020-04-27 2021-11-04 Nuclera Nucleics Ltd. Segmented top plate for variable driving and short protection for digital microfluidics

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080169195A1 (en) * 2007-01-17 2008-07-17 University Of Rochester Frequency-addressable Apparatus and Methods for Actuation of Liquids
WO2009052354A2 (en) * 2007-10-17 2009-04-23 Advanced Liquid Logic, Inc. Droplet actuator structures
DE102008019585A1 (de) * 2008-04-18 2009-11-19 Advanced Display Technology Ag Flüssigkeitstransport durch Elektrobenutzung mittels effektiver Elektrodenanordnung

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6989234B2 (en) * 2002-09-24 2006-01-24 Duke University Method and apparatus for non-contact electrostatic actuation of droplets
US8658111B2 (en) * 2006-04-18 2014-02-25 Advanced Liquid Logic, Inc. Droplet actuators, modified fluids and methods
WO2008055256A2 (en) * 2006-11-02 2008-05-08 The Regents Of The University Of California Method and apparatus for real-time feedback control of electrical manipulation of droplets on chip
AU2008345138B2 (en) 2007-12-23 2014-05-29 Advanced Liquid Logic, Inc. Droplet actuator configurations and methods of conducting droplet operations
TWI385029B (zh) * 2009-12-18 2013-02-11 Univ Nat Chiao Tung 產生可移除外殼之包覆式液滴的微流體系統及方法
ITMI20122041A1 (it) 2012-11-29 2014-05-30 Dhitech Distretto Tecnologico H Igh Tech S C A R Dispositivo elettronico per la realizzazione di funzioni digitali mediante elementi funzionali molecolari.

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080169195A1 (en) * 2007-01-17 2008-07-17 University Of Rochester Frequency-addressable Apparatus and Methods for Actuation of Liquids
WO2009052354A2 (en) * 2007-10-17 2009-04-23 Advanced Liquid Logic, Inc. Droplet actuator structures
DE102008019585A1 (de) * 2008-04-18 2009-11-19 Advanced Display Technology Ag Flüssigkeitstransport durch Elektrobenutzung mittels effektiver Elektrodenanordnung

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