明中電解電極必須裸露以使溶液能夠接觸電解電極進(jìn)行電解，即電解電極上方的102介質(zhì)層和103疏水層必須去掉。實(shí)際制備中，可采用光刻刻蝕或機(jī)械方法等同時(shí)去除兩層材料，也可以在制備疏水層103前先去除電解電極上的介質(zhì)層102，其后使用光刻刻蝕或剝離(lift-off)等方法去掉電解電極上的疏水層103。在本發(fā)明中，通過對(duì)驅(qū)動(dòng)電極施加電壓控制信號(hào)而接地電極接地即可對(duì)上下極板間的液滴D進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而將電解電極En和Ep引出即可進(jìn)行電解操作。
[0028]本發(fā)明的電極配置原理示意如圖2所示，傳統(tǒng)介質(zhì)層上電潤(rùn)濕結(jié)構(gòu)的相間隔驅(qū)動(dòng)電極上分別嵌入電解陰極與電解陽極(En，Ep),由這五個(gè)電極協(xié)作完成液滴分裂、電解與電解產(chǎn)物的隔離。通過輸運(yùn)過程使得電極E1-E3上方承載液滴，此時(shí)這三個(gè)驅(qū)動(dòng)電極均施加有效驅(qū)動(dòng)電壓，隨后在電解電極En和Ep上分別施加電性相反的電解電壓對(duì)液體進(jìn)行電解，當(dāng)電解過程結(jié)束后將電極E2接地使液體從中部斷裂從而形成分別含有還原產(chǎn)物與氧化產(chǎn)物的兩個(gè)液滴。應(yīng)當(dāng)指出，上述僅為本發(fā)明的原理性說明，允許在不影響其功能性的前提下對(duì)器件結(jié)構(gòu)及用途進(jìn)行改進(jìn)與拓展。
[0029]本發(fā)明中，所述驅(qū)動(dòng)電極施加電壓(加電)是指芯片實(shí)施液滴操控時(shí)對(duì)應(yīng)電極的電壓被置成不為O以使電潤(rùn)濕驅(qū)動(dòng)能夠發(fā)生。
[0030]本發(fā)明中，所述電解電極施加電壓(加電)是指芯片實(shí)施液滴操控時(shí)對(duì)應(yīng)電解電極的電壓被置成不為O以使電解過程能夠發(fā)生。
[0031]本發(fā)明中，所述“接地”是指芯片實(shí)施液滴操控時(shí)對(duì)應(yīng)電極的電壓被置成O或與O足夠接近。
[0032]結(jié)合圖1、圖2，本發(fā)明的電解集成數(shù)字微流控芯片的一種可實(shí)施的制備工藝如下:
步驟1，下極板絕緣第一襯底100上采用旋涂、蒸發(fā)、濺射等工藝形成金屬薄膜，通過光刻刻蝕方法形成驅(qū)動(dòng)電極和集成電解電極； 步驟2，通過旋涂、物理濺射、化學(xué)氣相沉積等方法制備絕緣介質(zhì)層，通過光刻刻蝕方法形成集成電化學(xué)電極上的“凹坑”以裸露電解電極。應(yīng)當(dāng)指出，如果介質(zhì)層材料為如SU-8等特殊材料，采用一步光刻成膜方法即可形成所需結(jié)構(gòu)；
步驟3，通過旋涂、蒸發(fā)、濺射成膜等方法制備疏水層，通過光刻刻蝕方法去掉電解電極表面的部分。此外，可以采用剝離工藝(lift off)，即先光刻圖形，其后形成疏水層，再通過剝離方法去掉不需要部分，也可以在薄膜制備過程中不對(duì)絕緣介質(zhì)層和疏水層進(jìn)行光刻刻蝕而在制備完成后使用機(jī)械手段使電解電極暴露；
步驟，4，上極板在絕緣第二襯底106上通過旋涂、蒸發(fā)、濺射等工藝形成金屬薄膜形成接地電極105，其后通過旋涂、濺射等方法制備第二疏水層104 ；
步驟5，將上極板、下極板組裝形成數(shù)字微流控芯片。自此，本發(fā)明的基于介質(zhì)層上電潤(rùn)濕原理的新型電解器件制備完成，將其與其他微流控器件相結(jié)合后，采用數(shù)字微流控操作方法即可自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)溶液的各種操作及傳感。
[0033]本申請(qǐng)的核心原創(chuàng)點(diǎn)在于將暴露的電極用于液體電解，且與EWOD(electrowetting-on-dielectrics，介質(zhì)上電潤(rùn)濕)液滴產(chǎn)生過程結(jié)合從而實(shí)現(xiàn)了電解產(chǎn)物的隔離。具體來說，本發(fā)明提供的電解器件的驅(qū)動(dòng)電極上覆蓋了絕緣介質(zhì)層和疏水層，而電解電極上方的介質(zhì)層和疏水層被去掉，以使得電解電極“裸露”;待電解液滴通過介質(zhì)層上電潤(rùn)濕原理經(jīng)驅(qū)動(dòng)電極輸運(yùn)到集成電解電極上方，接觸到電解電極進(jìn)行電解，生成的含有電解產(chǎn)物的液滴，隨后被運(yùn)輸離開電解電極，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操控。
[0034]本發(fā)明的電解器件同樣適用于不需隔離電解產(chǎn)物的用途，此時(shí)僅進(jìn)行電解過程而不進(jìn)行液滴分裂操作。
[0035]盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對(duì)于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于介質(zhì)層上電潤(rùn)濕原理的電解器件，其特征在于，該電解器件包含: 下極板(201)，該下極板(201)由第一襯底(100)、電極層(101)、介質(zhì)層(102)、第一疏水層(103)從下到上依次設(shè)置構(gòu)成；及 上極板(202)，該上極板(202)由第二襯底(106)、接地電極(105)和第二疏水層(104)從上到下依次設(shè)置構(gòu)成； 待電解液滴(D)置于第一疏水層(103)與第二疏水層(104)之間；其中，所述的電極層(101)包含若干電解電極和若干驅(qū)動(dòng)電極，電極兩兩之間電氣隔離；所述電解電極嵌入設(shè)置在驅(qū)動(dòng)電極中；所述的電解電極由電解陽極(Ep)和電解陰極(En)組成，并被若干驅(qū)動(dòng)電極隔開；所述電解陽極(Ep)和電解陰極(En)裸露設(shè)置，能與待電解液滴(D)直接接觸。
2.如權(quán)利要求1所述的電解器件，其特征在于，所述的電解電極和驅(qū)動(dòng)電極均為平面電極。
3.如權(quán)利要求2所述的電解器件，其特征在于，所述的電解電極和驅(qū)動(dòng)電極的上下表面均處于同一平面。
4.如權(quán)利要求1所述的電解器件，其特征在于，所述的第一襯底(100)、第二襯底(106)采用絕緣材料。
5.如權(quán)利要求1所述的電解器件，其特征在于，所述的介質(zhì)層(102)為高介電常數(shù)材料，選擇CEP、SU-8及五氧化二鉭中的任意一種。
6.如權(quán)利要求1所述的電解器件，其特征在于，所述的第一疏水層(103)、第二疏水層(104)為疏水材料，選擇特氟龍或氟樹脂等。
7.一種基于介質(zhì)層上電潤(rùn)濕原理的電解器件的制備方法，其特征在于，該方法包含: 步驟1，制備下極板(201):在第一襯底(100)制備包含若干驅(qū)動(dòng)電極和電解電極的電極層(101)，其中，電解電極嵌入在驅(qū)動(dòng)電極中；在電極層(101)上制備介質(zhì)層(102);在介質(zhì)層(102)上制備第一疏水層(103)，并使得電解電極裸露于介質(zhì)層(102)和第一疏水層(103)； 步驟2，制備上極板(202):在第二襯底(106)上制備接地電極(105)，再制備第二疏水層(104)； 步驟3，將上極板、下極板組裝形成所述的基于介質(zhì)層上電潤(rùn)濕原理的電解器件。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于介質(zhì)層上電潤(rùn)濕原理的電解器件及其制備方法，該電解器件包含：下極板，其由第一襯底、電極層、介質(zhì)層、第一疏水層從下到上依次設(shè)置構(gòu)成；及，上極板，其由第二襯底、接地電極和第二疏水層從上到下依次設(shè)置構(gòu)成；待電解液滴D置于第一疏水層與第二疏水層之間；該電極層包含若干電解電極和若干驅(qū)動(dòng)電極，電極兩兩之間電氣隔離；該電解電極嵌入設(shè)置在驅(qū)動(dòng)電極中。本發(fā)明通過對(duì)電解過程及液滴分裂過程的控制，得到含有特定濃度不同極性電解產(chǎn)物的液滴。本發(fā)明提供的電解器件具有設(shè)計(jì)新穎、控制簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高、輸出精度高等特點(diǎn)，極大地拓展了數(shù)字微流控及現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)等技術(shù)的應(yīng)用范圍。
【IPC分類】C25B15-08, C25B15-02
【公開號(hào)】CN104846400
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510196779
【發(fā)明人】王偉, 曾智, 周嘉
【申請(qǐng)人】復(fù)旦大學(xué)
【公開日】2015年8月19日
【申請(qǐng)日】2015年4月24日