一种用于平面微流控芯片架构的先进电路概念

尽管过去30年来芯片实验室（LoC）技术平台取得了长足进步，但仍缺乏标准化的微流控组件、真正的芯片自动化和流体电路先进功能的可扩展性。基于水凝胶的微流控芯片具有很高的扩展潜力，并可实现片上自动化，但其系统设计较为复杂。

据麦姆斯咨询报道，基于此，德累斯顿工业大学（Technische Universität Dresden）半导体与微系统研究所的研究人员提出了一种用于平面微流控芯片架构的先进电路概念，其集成了基于半导体的电阻晶体管逻辑电路（RTL），以及用于逻辑门操作的基于水凝胶的化学体积相变晶体管（CVPT）。该电路概念（CVPT-RTL）设计稳健且简单，适用于芯片实验室技术的常用材料和制造技术，从而解决了目前芯片实验室面临的三个主要挑战：污染问题、保持共源共栅级联的信号一致性、化学信号逆变。相关研究成果以“Logic Circuits Based on Chemical Volume Phase Transition Transistors for Planar Microfluidics and Lab-on-a-Chip Automation”为题发表于Advanced Materials Technologies期刊。

平面化学体积相变晶体管

类似于双极晶体管，CVPT是一个三端控制阀（图1）。这三个端子分别称为基极（B）、发射极（E）和集电极（C）。当作为控制信号的化学浓度低于阈值浓度时（图1a：100wt% H2O，蓝色染色-低信号），球形活性聚N-异丙基丙烯酰胺（pNIPAAm）凝胶完全溶胀并阻塞集电极通道，从而充当关闭阀门，而基极-发射极电流不受阻塞。将控制信号切换到高于阈值的浓度（图1b：20wt%异丙醇（IPA），红色染色-高信号），则导致水凝胶元件收缩，使晶体管进入增强状态，从而充当开放阀门。

图1 CVPT的特征行为

CVPT-RTL逆变器

如何利用CVPT来进行化学流体信号的逆变，是平面微流控逻辑电路中遇到的主要挑战之一。如图2a-b所示，CVPT（RCVPT）、电阻器（R1、R2、R3）和无源曲流混合器（Rmix）并排固定在PDMS微流控芯片的玻璃基片上。各种组件模块分别通过相同长度或电阻的管道相互连接。图2c中的相应电路模型展示了CVPT在流体电路中的作用。其中，RCVPT代表集电极-发射极结处的流阻，由pNIPAAm凝胶的溶胀状态决定。基极-发射极通道的输入信号（X）可以根据需要使用压力源和连接到阀门的多个储液器进行实验设置。

图2 CVPT-RTL逆变器组件

图2d中的简图展示了CVPT-RTL逆变器的开关行为。IPA在基极的浓度输入以每10分钟一次的频率逐渐增加。一旦IPA浓度超过10wt% IPA达到CVPT，通道电阻RCVPT就会因凝胶的体积收缩而显著降低，从而导致集电极处的流量上升（红色曲线）。同时，输出端的流量因恒定高信号的流量缺失而减少（蓝色曲线）。紧接着，下一个操作信息（浓度）由Y输出端传递，该输出来自恒定供应信号通道。因此，控制集电极和输出流量对于共源共栅级联门的信号传输至关重要。通过始终为来自恒定供应通道的输出信号提供清晰的化学信号和信息，解决了系统中的污染问题和保持信号一致性问题。

而化学信号的逆变通过电路设计来解决。这个设想的最大缺点可能是系统中恒定信号供应的高消耗。因此，可以选择低成本流体用于恒定供应。如有必要，可以通过与数字电路类似的恒定电源输入处的流量的时间协调切换间隔（时钟信号）来抵消这一缺点。图2d中所展示的CVPT的响应时间约为4分钟。水凝胶的反应时间由其体积和协同扩散系数决定。信号（化学流体刺激）对水凝胶表面的强度和可用性对于响应时间也会产生重要影响。因此，当基本信号仅接触一侧的水凝胶致动器时，CVPT的响应时间将延长。

CVPT-RTL与非门

通过将图2c中逆变器的输入X替换为图3中的两个输入通道A和B，并在其后增加一个混合结构，可以在与CVPT-RTL逆变器相同的概念基础上执行逻辑NAND操作。A和B可以是低或高信号，两个输入信号汇流（1:1）并传输到CVPT基极。当A和B的输入信号都为低信号（<10wt% IPA），pNIPAAm凝胶就会膨胀，并且输出端会出现逻辑高信号（1）（图3a-b）。只有当两个输入信号都为高信号（>10wt% IPA）时，pNIPAAm凝胶才会收缩并打开集电极通道以在输出端产生从高（1）到低（0）的开关（图3c）。

图3 基于CVPT-RTL的NAND门和相关真值表的电路模型

CVPT-RTL共源共栅级联

将额外的CVPT（TCVPT,2）集电极通道连接到图4a中原本的CVPT（TCVPT,1）的发射极通道构成类似于电路中晶体管排列的CVPT-RTL共源共栅级联。当实施微流控电路时，CVPT-RTL共源共栅级联在NAND操作的信号处理方面也显示出显著的性能提升。添加第二个晶体管的主要优点是来自TCVPT,1的发射极信号将通过TCVPT,2的集电极，同时因层流条件的存在，信号不会混合。当信号为低时，TCVPT,2中的水凝胶因为被来自基极和集电极的两个低信号流包围，而很容易膨胀。因此，TCVPT,2中的水凝胶将首先膨胀，这导致流向废液池（例如R3+RCVPT,1+RCVPT,2）的总集电极管线中的阻力增加，从而降低了TCVPT,1上的压力，并且通过两步切换程序降低了水凝胶上的压力并缩短了总反应时间。

图4 a）CVPT-RTL共源共栅级联用于与非门的自稳定性能；b）共源共栅级联与非门的可靠性（24小时）测试。

微流控转换器模型

为了更好地理解微流控电路，例如转换器电路，研究人员利用计算机模型来模拟微流控网络中各个组件的行为，并选择了网络与信号流描述相结合作为模拟策略，开发了如图5所示的微流控转换器模型。

图5 基于三个与非门的转换器电路的微流控网络模型

而后，研究人员将模拟结果与实验数据进行比较。如图6所示，可以观察到每个与非门的逻辑行为。如果储液罐溶液是水，则所有“Y”输出都为高电平，从而导致“1 1 1”信号。如果储层溶液含有10wt% IPA，则检测到“1 1 0”输出，在15wt%时则输出“1 0 0”，在20wt%时输出结果为“0 0 0”。因此，该转换器功能既可以通过真实的实验实现，也可以通过仿真正确执行，实验数据与模型数据具有良好的一致性。

图6 实测与网络模型的比较

综上所述，研究人员将数字RTL电路集成到微流控化学体积相变晶体管（CVPT）器件，并结合了流体电路即共源共栅级联概念，实现了非和与非等逻辑运算，并解决了如污染问题、保持共源共栅级联性的信号一致性和化学信号逆变等主要挑战。流体电路概念不仅限于该研究中所示的CVPT设计，而且基本上适用于大多数微流控开关元件。未来的一个研究重点将是实现生物真实案例场景的概念应用，同时，根据相应的化学流体信号，发掘各种不同刺激敏感水凝胶的多功能性。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/admt.202200185

审核编辑 ：李倩