盡管過(guò)去30年來(lái)芯片實(shí)驗(yàn)室（LoC）技術(shù)平臺(tái)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但仍缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的微流控組件、真正的芯片自動(dòng)化和流體電路先進(jìn)功能的可擴(kuò)展性?；谒z的微流控芯片具有很高的擴(kuò)展?jié)摿Γ⒖蓪?shí)現(xiàn)片上自動(dòng)化，但其系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，基于此，德累斯頓工業(yè)大學(xué)（Technische Universit?t Dresden）半導(dǎo)體與微系統(tǒng)研究所的研究人員提出了一種用于平面微流控芯片架構(gòu)的先進(jìn)電路概念，其集成了基于半導(dǎo)體的電阻晶體管邏輯電路（RTL），以及用于邏輯門(mén)操作的基于水凝膠的化學(xué)體積相變晶體管（CVPT）。該電路概念（CVPT-RTL）設(shè)計(jì)穩(wěn)健且簡(jiǎn)單，適用于芯片實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的常用材料和制造技術(shù)，從而解決了目前芯片實(shí)驗(yàn)室面臨的三個(gè)主要挑戰(zhàn)：污染問(wèn)題、保持共源共柵級(jí)聯(lián)的信號(hào)一致性、化學(xué)信號(hào)逆變。相關(guān)研究成果以“Logic Circuits Based on Chemical Volume Phase Transition Transistors for Planar Microfluidics and Lab-on-a-Chip Automation”為題發(fā)表于Advanced Materials Technologies期刊。

平面化學(xué)體積相變晶體管

類似于雙極晶體管，CVPT是一個(gè)三端控制閥（圖1）。這三個(gè)端子分別稱為基極（B）、發(fā)射極（E）和集電極（C）。當(dāng)作為控制信號(hào)的化學(xué)濃度低于閾值濃度時(shí)（圖1a：100wt% H2O，藍(lán)色染色-低信號(hào)），球形活性聚N-異丙基丙烯酰胺（pNIPAAm）凝膠完全溶脹并阻塞集電極通道，從而充當(dāng)關(guān)閉閥門(mén)，而基極-發(fā)射極電流不受阻塞。將控制信號(hào)切換到高于閾值的濃度（圖1b：20wt%異丙醇（IPA），紅色染色-高信號(hào)），則導(dǎo)致水凝膠元件收縮，使晶體管進(jìn)入增強(qiáng)狀態(tài)，從而充當(dāng)開(kāi)放閥門(mén)。

圖1 CVPT的特征行為

CVPT-RTL逆變器

如何利用CVPT來(lái)進(jìn)行化學(xué)流體信號(hào)的逆變，是平面微流控邏輯電路中遇到的主要挑戰(zhàn)之一。如圖2a-b所示，CVPT（RCVPT）、電阻器（R1、R2、R3）和無(wú)源曲流混合器（Rmix）并排固定在PDMS微流控芯片的玻璃基片上。各種組件模塊分別通過(guò)相同長(zhǎng)度或電阻的管道相互連接。圖2c中的相應(yīng)電路模型展示了CVPT在流體電路中的作用。其中，RCVPT代表集電極-發(fā)射極結(jié)處的流阻，由pNIPAAm凝膠的溶脹狀態(tài)決定?；鶚O-發(fā)射極通道的輸入信號(hào)（X）可以根據(jù)需要使用壓力源和連接到閥門(mén)的多個(gè)儲(chǔ)液器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)置。

圖2 CVPT-RTL逆變器組件

圖2d中的簡(jiǎn)圖展示了CVPT-RTL逆變器的開(kāi)關(guān)行為。IPA在基極的濃度輸入以每10分鐘一次的頻率逐漸增加。一旦IPA濃度超過(guò)10wt% IPA達(dá)到CVPT，通道電阻RCVPT就會(huì)因凝膠的體積收縮而顯著降低，從而導(dǎo)致集電極處的流量上升（紅色曲線）。同時(shí)，輸出端的流量因恒定高信號(hào)的流量缺失而減少（藍(lán)色曲線）。緊接著，下一個(gè)操作信息（濃度）由Y輸出端傳遞，該輸出來(lái)自恒定供應(yīng)信號(hào)通道。因此，控制集電極和輸出流量對(duì)于共源共柵級(jí)聯(lián)門(mén)的信號(hào)傳輸至關(guān)重要。通過(guò)始終為來(lái)自恒定供應(yīng)通道的輸出信號(hào)提供清晰的化學(xué)信號(hào)和信息，解決了系統(tǒng)中的污染問(wèn)題和保持信號(hào)一致性問(wèn)題。

而化學(xué)信號(hào)的逆變通過(guò)電路設(shè)計(jì)來(lái)解決。這個(gè)設(shè)想的最大缺點(diǎn)可能是系統(tǒng)中恒定信號(hào)供應(yīng)的高消耗。因此，可以選擇低成本流體用于恒定供應(yīng)。如有必要，可以通過(guò)與數(shù)字電路類似的恒定電源輸入處的流量的時(shí)間協(xié)調(diào)切換間隔（時(shí)鐘信號(hào)）來(lái)抵消這一缺點(diǎn)。圖2d中所展示的CVPT的響應(yīng)時(shí)間約為4分鐘。水凝膠的反應(yīng)時(shí)間由其體積和協(xié)同擴(kuò)散系數(shù)決定。信號(hào)（化學(xué)流體刺激）對(duì)水凝膠表面的強(qiáng)度和可用性對(duì)于響應(yīng)時(shí)間也會(huì)產(chǎn)生重要影響。因此，當(dāng)基本信號(hào)僅接觸一側(cè)的水凝膠致動(dòng)器時(shí)，CVPT的響應(yīng)時(shí)間將延長(zhǎng)。

CVPT-RTL與非門(mén)

通過(guò)將圖2c中逆變器的輸入X替換為圖3中的兩個(gè)輸入通道A和B，并在其后增加一個(gè)混合結(jié)構(gòu)，可以在與CVPT-RTL逆變器相同的概念基礎(chǔ)上執(zhí)行邏輯NAND操作。A和B可以是低或高信號(hào)，兩個(gè)輸入信號(hào)匯流（1:1）并傳輸?shù)紺VPT基極。當(dāng)A和B的輸入信號(hào)都為低信號(hào)（<10wt% IPA），pNIPAAm凝膠就會(huì)膨脹，并且輸出端會(huì)出現(xiàn)邏輯高信號(hào)（1）（圖3a-b）。只有當(dāng)兩個(gè)輸入信號(hào)都為高信號(hào)（>10wt% IPA）時(shí)，pNIPAAm凝膠才會(huì)收縮并打開(kāi)集電極通道以在輸出端產(chǎn)生從高（1）到低（0）的開(kāi)關(guān)（圖3c）。

圖3 基于CVPT-RTL的NAND門(mén)和相關(guān)真值表的電路模型

CVPT-RTL共源共柵級(jí)聯(lián)

將額外的CVPT（TCVPT,2）集電極通道連接到圖4a中原本的CVPT（TCVPT,1）的發(fā)射極通道構(gòu)成類似于電路中晶體管排列的CVPT-RTL共源共柵級(jí)聯(lián)。當(dāng)實(shí)施微流控電路時(shí)，CVPT-RTL共源共柵級(jí)聯(lián)在NAND操作的信號(hào)處理方面也顯示出顯著的性能提升。添加第二個(gè)晶體管的主要優(yōu)點(diǎn)是來(lái)自TCVPT,1的發(fā)射極信號(hào)將通過(guò)TCVPT,2的集電極，同時(shí)因?qū)恿鳁l件的存在，信號(hào)不會(huì)混合。當(dāng)信號(hào)為低時(shí)，TCVPT,2中的水凝膠因?yàn)楸粊?lái)自基極和集電極的兩個(gè)低信號(hào)流包圍，而很容易膨脹。因此，TCVPT,2中的水凝膠將首先膨脹，這導(dǎo)致流向廢液池（例如R3+RCVPT,1+RCVPT,2）的總集電極管線中的阻力增加，從而降低了TCVPT,1上的壓力，并且通過(guò)兩步切換程序降低了水凝膠上的壓力并縮短了總反應(yīng)時(shí)間。

圖4 a）CVPT-RTL共源共柵級(jí)聯(lián)用于與非門(mén)的自穩(wěn)定性能；b）共源共柵級(jí)聯(lián)與非門(mén)的可靠性（24小時(shí)）測(cè)試。

微流控轉(zhuǎn)換器模型

為了更好地理解微流控電路，例如轉(zhuǎn)換器電路，研究人員利用計(jì)算機(jī)模型來(lái)模擬微流控網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)組件的行為，并選擇了網(wǎng)絡(luò)與信號(hào)流描述相結(jié)合作為模擬策略，開(kāi)發(fā)了如圖5所示的微流控轉(zhuǎn)換器模型。

圖5 基于三個(gè)與非門(mén)的轉(zhuǎn)換器電路的微流控網(wǎng)絡(luò)模型

而后，研究人員將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。如圖6所示，可以觀察到每個(gè)與非門(mén)的邏輯行為。如果儲(chǔ)液罐溶液是水，則所有“Y”輸出都為高電平，從而導(dǎo)致“1 1 1”信號(hào)。如果儲(chǔ)層溶液含有10wt% IPA，則檢測(cè)到“1 1 0”輸出，在15wt%時(shí)則輸出“1 0 0”，在20wt%時(shí)輸出結(jié)果為“0 0 0”。因此，該轉(zhuǎn)換器功能既可以通過(guò)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)仿真正確執(zhí)行，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)具有良好的一致性。

圖6 實(shí)測(cè)與網(wǎng)絡(luò)模型的比較

綜上所述，研究人員將數(shù)字RTL電路集成到微流控化學(xué)體積相變晶體管（CVPT）器件，并結(jié)合了流體電路即共源共柵級(jí)聯(lián)概念，實(shí)現(xiàn)了非和與非等邏輯運(yùn)算，并解決了如污染問(wèn)題、保持共源共柵級(jí)聯(lián)性的信號(hào)一致性和化學(xué)信號(hào)逆變等主要挑戰(zhàn)。流體電路概念不僅限于該研究中所示的CVPT設(shè)計(jì)，而且基本上適用于大多數(shù)微流控開(kāi)關(guān)元件。未來(lái)的一個(gè)研究重點(diǎn)將是實(shí)現(xiàn)生物真實(shí)案例場(chǎng)景的概念應(yīng)用，同時(shí)，根據(jù)相應(yīng)的化學(xué)流體信號(hào)，發(fā)掘各種不同刺激敏感水凝膠的多功能性。

論文鏈接：

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

審核編輯 ：李倩