盡管過去30年來芯片實驗室（LoC）技術平臺取得了長足進步，但仍缺乏標準化的微流控組件、真正的芯片自動化和流體電路先進功能的可擴展性。基于水凝膠的微流控芯片具有很高的擴展潛力，并可實現片上自動化，但其系統設計較為復雜。

據麥姆斯咨詢報道，基于此，德累斯頓工業大學（Technische Universit?t Dresden）半導體與微系統研究所的研究人員提出了一種用于平面微流控芯片架構的先進電路概念，其集成了基于半導體的電阻晶體管邏輯電路（RTL），以及用于邏輯門操作的基于水凝膠的化學體積相變晶體管（CVPT）。該電路概念（CVPT-RTL）設計穩健且簡單，適用于芯片實驗室技術的常用材料和制造技術，從而解決了目前芯片實驗室面臨的三個主要挑戰：污染問題、保持共源共柵級聯的信號一致性、化學信號逆變。相關研究成果以“Logic Circuits Based on Chemical Volume Phase Transition Transistors for Planar Microfluidics and Lab-on-a-Chip Automation”為題發表于Advanced Materials Technologies期刊。

平面化學體積相變晶體管

類似于雙極晶體管，CVPT是一個三端控制閥（圖1）。這三個端子分別稱為基極（B）、發射極（E）和集電極（C）。當作為控制信號的化學濃度低于閾值濃度時（圖1a：100wt% H2O，藍色染色-低信號），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，從而充當關閉閥門，而基極-發射極電流不受阻塞。將控制信號切換到高于閾值的濃度（圖1b：20wt%異丙醇（IPA），紅色染色-高信號），則導致水凝膠元件收縮，使晶體管進入增強狀態，從而充當開放閥門。

圖1 CVPT的特征行為

CVPT-RTL逆變器

如何利用CVPT來進行化學流體信號的逆變，是平面微流控邏輯電路中遇到的主要挑戰之一。如圖2a-b所示，CVPT（RCVPT）、電阻器（R1、R2、R3）和無源曲流混合器（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相同長度或電阻的管道相互連接。圖2c中的相應電路模型展示了CVPT在流體電路中的作用。其中，RCVPT代表集電極-發射極結處的流阻，由pNIPAAm凝膠的溶脹狀態決定。基極-發射極通道的輸入信號（X）可以根據需要使用壓力源和連接到閥門的多個儲液器進行實驗設置。

圖2 CVPT-RTL逆變器組件

圖2d中的簡圖展示了CVPT-RTL逆變器的開關行為。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10wt% IPA達到CVPT，通道電阻RCVPT就會因凝膠的體積收縮而顯著降低，從而導致集電極處的流量上升（紅色曲線）。同時，輸出端的流量因恒定高信號的流量缺失而減少（藍色曲線）。緊接著，下一個操作信息（濃度）由Y輸出端傳遞，該輸出來自恒定供應信號通道。因此，控制集電極和輸出流量對于共源共柵級聯門的信號傳輸至關重要。通過始終為來自恒定供應通道的輸出信號提供清晰的化學信號和信息，解決了系統中的污染問題和保持信號一致性問題。

而化學信號的逆變通過電路設計來解決。這個設想的最大缺點可能是系統中恒定信號供應的高消耗。因此，可以選擇低成本流體用于恒定供應。如有必要，可以通過與數字電路類似的恒定電源輸入處的流量的時間協調切換間隔（時鐘信號）來抵消這一缺點。圖2d中所展示的CVPT的響應時間約為4分鐘。水凝膠的反應時間由其體積和協同擴散系數決定。信號（化學流體刺激）對水凝膠表面的強度和可用性對于響應時間也會產生重要影響。因此，當基本信號僅接觸一側的水凝膠致動器時，CVPT的響應時間將延長。

CVPT-RTL與非門

通過將圖2c中逆變器的輸入X替換為圖3中的兩個輸入通道A和B，并在其后增加一個混合結構，可以在與CVPT-RTL逆變器相同的概念基礎上執行邏輯NAND操作。A和B可以是低或高信號，兩個輸入信號匯流（1:1）并傳輸到CVPT基極。當A和B的輸入信號都為低信號（<10wt% IPA），pNIPAAm凝膠就會膨脹，并且輸出端會出現邏輯高信號（1）（圖3a-b）。只有當兩個輸入信號都為高信號（>10wt% IPA）時，pNIPAAm凝膠才會收縮并打開集電極通道以在輸出端產生從高（1）到低（0）的開關（圖3c）。

圖3 基于CVPT-RTL的NAND門和相關真值表的電路模型

CVPT-RTL共源共柵級聯

將額外的CVPT（TCVPT,2）集電極通道連接到圖4a中原本的CVPT（TCVPT,1）的發射極通道構成類似于電路中晶體管排列的CVPT-RTL共源共柵級聯。當實施微流控電路時，CVPT-RTL共源共柵級聯在NAND操作的信號處理方面也顯示出顯著的性能提升。添加第二個晶體管的主要優點是來自TCVPT,1的發射極信號將通過TCVPT,2的集電極，同時因層流條件的存在，信號不會混合。當信號為低時，TCVPT,2中的水凝膠因為被來自基極和集電極的兩個低信號流包圍，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，并且通過兩步切換程序降低了水凝膠上的壓力并縮短了總反應時間。

圖4 a）CVPT-RTL共源共柵級聯用于與非門的自穩定性能；b）共源共柵級聯與非門的可靠性（24小時）測試。

微流控轉換器模型

為了更好地理解微流控電路，例如轉換器電路，研究人員利用計算機模型來模擬微流控網絡中各個組件的行為，并選擇了網絡與信號流描述相結合作為模擬策略，開發了如圖5所示的微流控轉換器模型。

圖5 基于三個與非門的轉換器電路的微流控網絡模型

而后，研究人員將模擬結果與實驗數據進行比較。如圖6所示，可以觀察到每個與非門的邏輯行為。如果儲液罐溶液是水，則所有“Y”輸出都為高電平，從而導致“1 1 1”信號。如果儲層溶液含有10wt% IPA，則檢測到“1 1 0”輸出，在15wt%時則輸出“1 0 0”，在20wt%時輸出結果為“0 0 0”。因此，該轉換器功能既可以通過真實的實驗實現，也可以通過仿真正確執行，實驗數據與模型數據具有良好的一致性。

圖6 實測與網絡模型的比較

綜上所述，研究人員將數字RTL電路集成到微流控化學體積相變晶體管（CVPT）器件，并結合了流體電路即共源共柵級聯概念，實現了非和與非等邏輯運算，并解決了如污染問題、保持共源共柵級聯性的信號一致性和化學信號逆變等主要挑戰。流體電路概念不僅限于該研究中所示的CVPT設計，而且基本上適用于大多數微流控開關元件。未來的一個研究重點將是實現生物真實案例場景的概念應用，同時，根據相應的化學流體信號，發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