專利名稱：基于介質(zhì)上電潤(rùn)濕效應(yīng)的數(shù)字微流控器件及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)字微流控技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種數(shù)字微流控器件及其控制方法。
背景技術(shù)：
過(guò)去十年以來(lái)，"芯片上實(shí)驗(yàn)室"(Lab-on-a-chip)的概念得到了飛速的發(fā)展和實(shí)現(xiàn)，它 是利用微加工和集成技術(shù)結(jié)合各種分析檢測(cè)原理而實(shí)現(xiàn)的微型分析儀器，具有體積小、功 耗低、靈敏度高、便攜等優(yōu)勢(shì)，可以廣泛應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)和化學(xué)檢測(cè)，在國(guó)家安全、免 疫檢測(cè)、環(huán)境保護(hù)、食品衛(wèi)生、基因篩選、疾病診斷等領(lǐng)域均有應(yīng)用潛力。
無(wú)論其分析檢測(cè)的對(duì)象如何，"芯片上實(shí)驗(yàn)室"的結(jié)構(gòu)構(gòu)成從功能上分，均由"樣本處 理"(如樣本輸入、混合、反應(yīng)、分離等)和"樣本檢測(cè)"兩個(gè)基本模塊組成，即"微流 控"和"傳感器"功能的集成。
從流動(dòng)形式來(lái)看，微流控技術(shù)分為兩種
(1) 連續(xù)微流控技術(shù)。
這種技術(shù)主要完成流體的輸送功能，即微泵的功能，要實(shí)現(xiàn)分析檢測(cè)所需的功能仍需 要其他微器件，如微流道、微閥、微混合器等。
早期采用類似于傳統(tǒng)流體驅(qū)動(dòng)方式，即由封閉的微流道、微機(jī)械泵和微閥等微器件組 成、利用液壓差連續(xù)流體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這種連續(xù)流動(dòng)系統(tǒng)控制容易，微設(shè)計(jì)加工技術(shù)相對(duì)成 熟，由于具有可動(dòng)的微機(jī)械部件，系統(tǒng)在可靠性、加工成本、封裝的復(fù)雜性及能效方面仍 存在很大的挑戰(zhàn)，同時(shí)由于所需驅(qū)動(dòng)力，即液壓差與器件橫向尺寸的二次方成反比，隨著 微流道截面尺寸的減小，液壓差可能會(huì)變得過(guò)大而使得液壓輸運(yùn)變?yōu)橐环N不現(xiàn)實(shí)的模式。
因而，研究人員探索其它更適合微流道的驅(qū)動(dòng)方式，特別是流體在電場(chǎng)作用下受到動(dòng) 電力(Electrokinetic force)的驅(qū)動(dòng)，如電泳驅(qū)動(dòng)、電滲驅(qū)動(dòng)和電濕潤(rùn)驅(qū)動(dòng)等[3]。其中，電 泳驅(qū)動(dòng)、電滲驅(qū)動(dòng)研究和應(yīng)用較為成熟和廣泛，國(guó)際國(guó)內(nèi)均有很多報(bào)道及產(chǎn)品。但是它們 通常需要極高的驅(qū)動(dòng)電壓(幾百伏特)，功耗大，發(fā)熱易于破壞樣本，且不利于實(shí)現(xiàn)IC集 成和微小型化，或是受到輸送樣本類型的限制(如必須導(dǎo)電等)。而利用電濕潤(rùn)效應(yīng)的新 型驅(qū)動(dòng)方式則越來(lái)越受到重視，它不需要微流道(繼而也消除了于微流道相關(guān)聯(lián)的邊界及 泄漏問(wèn)題)，而是利用微小尺度下迅速增加的表面效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的一種離散的液滴驅(qū)動(dòng)方式。
(2) 離散液滴微流控技術(shù) 這是一種利用表面張力作為微量流體液滴的驅(qū)動(dòng)力，由表面張力梯度來(lái)改變液滴在器件表面的濕潤(rùn)性(wettability)而實(shí)現(xiàn)的微流控技術(shù)。改變液滴在器件表面的濕潤(rùn)性的技術(shù) 有很多方式，如熱毛細(xì)管效應(yīng)、電化學(xué)梯度、非對(duì)稱表面結(jié)構(gòu)、光化學(xué)效應(yīng)、介質(zhì)電泳效 應(yīng)、介質(zhì)上的電濕潤(rùn)效應(yīng)(electro-wetting -on-dielectrics—EWOD)等，它們共同的優(yōu)勢(shì)在于 不需要任何可動(dòng)器件即可實(shí)現(xiàn)微流控，除產(chǎn)生液滴的功能之外，微流控芯片還具有分析測(cè) 試時(shí)樣本處理所需的輸送、混合、分離等多個(gè)功能。其中，基于介質(zhì)上電濕潤(rùn)效應(yīng)的微流 控技術(shù)，被視為最具潛力的方案。它所需工作電壓低，因而功耗小，適合應(yīng)用于多種流體 樣本的處理，包括人體所有體液，如血液、血漿、血清、尿液、唾液、汗和淚液，甚至汽 霧劑和爆炸物顆粒。同時(shí)，它還具有如下特點(diǎn)
(1) 優(yōu)秀的液滴控制能力和控制柔性，即通過(guò)改編軟件即可實(shí)現(xiàn)液滴流動(dòng)路徑及上述各 功能的轉(zhuǎn)換；
(2) 樣本液滴體積控制精確，給檢測(cè)提供了穩(wěn)定的基本條件；
(3) 結(jié)構(gòu)和制作工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)和其他微流控器件及IC控制電路的集成。 常規(guī)的數(shù)字微流控系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。液滴的驅(qū)動(dòng)壓力差為
h廣 S 「2
式中"G為液體在空氣中表面張力，&0、 ^分別為加電壓前后液滴與驅(qū)動(dòng)電極表面的 接觸角(外加電壓改變了液體的濕潤(rùn)性，即接觸角，是數(shù)字微流技術(shù)的核心)。^是介質(zhì)
材料(圖1中的3)的介電常數(shù)，t為該介質(zhì)材料層膜的厚度。
但是，目前的這種微流控器件中，驅(qū)動(dòng)液滴的電壓比較高，這不利于芯片與IC電路 的集成，而且制作工藝比較復(fù)雜，制作成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可降低液滴驅(qū)動(dòng)電壓、簡(jiǎn)化芯片制作工藝的數(shù)字微流控器 件及其控制方法。
本發(fā)明提出的數(shù)字微流控器件，其中間介質(zhì)層采用一種高介電常數(shù)的有機(jī)材料，即其 介電常數(shù)K〉3.9，如基于PVDF的有機(jī)薄膜材料等。單位面積電容增大，由(1)式可知， 工作電壓V因此可以降低。器件基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。最下面是硅襯底，其上面為絕緣層 (可用Si02， SisN4等)，防止金屬電極通過(guò)襯底短路。絕緣層上面是金屬電極層(可用 Au, Al， Pt或ITO等)，通過(guò)焊點(diǎn)與外部電源相接。金屬電極層上面是介質(zhì)層(如用SiCb， Si3N4、 PZT(鋯鈦酸鉛))，并且在電極圖形之間也為介質(zhì)層，該介質(zhì)層采用高介電常數(shù)的有 機(jī)薄膜，單位面積電容值只與介電常數(shù)與厚度有關(guān)，因而高介電常數(shù)可以在相同厚度情況下得到更高的單位面積電容。介質(zhì)層上面是疏水層(可用硅垸，特氟龍等)，液滴位于疏水 層上，通過(guò)對(duì)液滴與電極之間加電壓可以改變液滴的浸潤(rùn)或非浸潤(rùn)狀態(tài)，從而可以控制液 滴在表面的浸潤(rùn)狀態(tài)及運(yùn)動(dòng)。高介電常數(shù)材料作為介質(zhì)層的使用使得我們的驅(qū)動(dòng)電壓大大 降低。
本發(fā)明中，所述的有機(jī)薄膜材料為P(VDF-TrFE):即偏氟乙烯與三氟乙烯的共聚物。即 由聚偏氟乙烯(Polyvinylidene Fluorisde，簡(jiǎn)稱PVDF)與聚三氟乙烯(Trifluoroetthylene,簡(jiǎn)稱 TrFE)形成的鐵電高分子共聚物P(VDF-TrFE)。
本發(fā)明中，金屬電極圖形的特征尺寸為O. 5mm-2mm，兩鄰兩電極間距為0. 05-0. 2mm。 本發(fā)明的微流控器件采用了一種新型的結(jié)構(gòu)?；陔姌O層所加電壓正負(fù)極性不同而產(chǎn) 生的截然不同的液滴浸潤(rùn)程度的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，本發(fā)明采用了單層控制電極。
基于上述器件采用了液滴驅(qū)動(dòng)控制的新方法。即將液滴加于相鄰兩個(gè)電極的上方位置 的疏水層上，在同層兩個(gè)相鄰電極(一個(gè)正極， 一個(gè)負(fù)極)之間加上電壓，由于液滴在正負(fù) 極方的浸潤(rùn)程度截然不同，液滴將向更親水的一方移動(dòng)。如圖3所示，因?yàn)樗与妶?chǎng)極性 的不同，液滴在不同電極區(qū)上方浸潤(rùn)的程度也大大不同，液滴因而向更加浸潤(rùn)的方向移動(dòng)。 同步移動(dòng)所加電壓的正極與負(fù)極則可實(shí)現(xiàn)液滴的受控運(yùn)動(dòng)。這種新型微流控技術(shù)可以大大 降低工藝的復(fù)雜性，降低成本，微流控操作柔性大大增加。


圖1為基于介質(zhì)上電潤(rùn)濕效應(yīng)的傳統(tǒng)微流控器件基本原理圖，如圖所示，液滴位于上 下兩個(gè)極板之間，控制電壓V加在上下極板之間。
圖2為本發(fā)明所采用的新型微流控器件示意圖。液滴同時(shí)跨越兩個(gè)相鄰電極上方， 圖3為新型微流控器件控制液滴移動(dòng)的俯視示意圖。
圖4為新型微流控器件液滴驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)錄像截圖。其中，(a)為液滴從B電極向A電極 移動(dòng)，(b)為液滴從A電極向B電極移動(dòng)。
圖中標(biāo)號(hào)l為透明導(dǎo)電玻璃，2為疏水層，3為介質(zhì)層，4為金屬電極層，5為絕緣 層，6為襯底。7為疏水層，8為高介電常數(shù)介質(zhì)層，9為金屬電極層，10為絕緣層，11 為襯底。12為加電之前液滴位置，13為加電之后液滴位置。A， B為電極編號(hào)。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明僅需簡(jiǎn)單的四步工藝即可實(shí)現(xiàn)液滴的數(shù)字微流控功能，大大減少了工藝的步驟 與復(fù)雜度。工作電壓的降低也有利于與集成電路工藝的兼容，有助于實(shí)現(xiàn)與微檢測(cè)的系統(tǒng) 集成。
本發(fā)明微流控器件具體的工藝流程如下首先在硅襯底上熱氧化生成一層厚度為700-1000nm的二氧化硅層作為絕緣層；其次在絕緣層上蒸發(fā)淀積金屬Al層，厚度為 150-300nm，濕法腐蝕形成電極圖形；然后再旋涂一層高介電常數(shù)有機(jī)薄膜(如 P(VDF-TrFE)，轉(zhuǎn)速為800-1000轉(zhuǎn)/分，烘烤去除有機(jī)溶劑，形成穩(wěn)定介質(zhì)層，介電常數(shù)可 達(dá)35;最后旋涂一層疏水薄膜(如Dupont Teflon AF 2400)，轉(zhuǎn)速為4000-5000轉(zhuǎn)/分，使 器件表面常態(tài)下呈疏水態(tài)。對(duì)疏水膜進(jìn)行熱處理，110-12(TC烘焙8-10分鐘，再在240-250 烘焙8-10分鐘。
由于只有單層電極結(jié)構(gòu)，不需要透明上電極，故省去鍵合和對(duì)準(zhǔn)工藝，制作流程縮短， 工藝過(guò)程簡(jiǎn)化，成本下降。
實(shí)際使用時(shí)，在相鄰兩個(gè)電極之間加上電壓，同時(shí)跨越此兩個(gè)電極的液滴在正負(fù)電極 的浸潤(rùn)程度則截然不同，因而合理控制兩個(gè)相鄰電極之間所加電壓，即可實(shí)現(xiàn)液滴在多個(gè) 電極間的運(yùn)動(dòng)。
液滴驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)可以采用微量進(jìn)液器注射3 u L生理鹽水(含0.9%濃度NaCl)于兩相鄰 電極上方，同時(shí)覆蓋兩個(gè)電極一部分區(qū)域，所跨越的電極間距為lOOum。電壓源采用 LSP-305穩(wěn)壓電源，輸出電壓加在液滴下方兩個(gè)電極之間，如圖4所示。圖4中上方電極 為A，下方電極為B。先加15-20V電壓于A-B間，A端為正，B端為負(fù)，則液滴從B電 極向A電極移動(dòng)，如圖4 (a)所示。改變電場(chǎng)方向，15V-20V電壓加于A-B間，A端為 負(fù)，B端為正，則液滴反向，從A電極向B電極移動(dòng)，如圖4 (b)所示。
因此，同步移動(dòng)電壓正負(fù)極，即可實(shí)現(xiàn)液滴在整個(gè)電極陣列上的移動(dòng)。
權(quán)利要求
1、一種基于介質(zhì)層上電潤(rùn)濕效應(yīng)的數(shù)字微流控器件，其特征在于具體結(jié)構(gòu)從下到上依次為襯底、絕緣層、金屬電極層、高介電常數(shù)材料介質(zhì)層和疏水表面層；電極圖形之間填充為高介電常數(shù)材料；其中，所述高介電常數(shù)材料的介電常數(shù)K＞3.9。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字微流控器件，其特征在于所述的高介電常數(shù)材料為基 于PVDF的有機(jī)薄膜。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字微流控器件，其特征在于所述的金屬電極圖形的寬度 為0.5mm-2mm，相鄰兩電極之間的距離為0.05mm-0.2mm。
4、 一種基于如權(quán)利要1所述數(shù)字微電控器件的液滴驅(qū)動(dòng)控制方法，其特征在于液滴 加于同層兩相鄰電極的上方位置的疏水層上，在該兩個(gè)電極之間施加一個(gè)電壓，同步移動(dòng) 所加電壓的兩電極，即實(shí)現(xiàn)液滴的受控運(yùn)行。
全文摘要
本發(fā)明屬于數(shù)字微流控技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于介質(zhì)上電潤(rùn)濕效應(yīng)的數(shù)字微流控器件及控制方法。本發(fā)明器件結(jié)構(gòu)從下而上依次為襯底、絕緣層、金屬電極層、介質(zhì)層和疏水層，其中，介質(zhì)層采用高介電常數(shù)材料，如基于PVDF的有機(jī)薄膜等，電極采用單層控制電極?；谏鲜銎骷囊旱悟?qū)動(dòng)方法為將液滴加于同層兩鄰兩電極位置上方的疏水層表面，在兩電極間施加一個(gè)電壓，移動(dòng)該兩電極，即實(shí)現(xiàn)液滴的受控運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明大大降低了工藝的復(fù)雜性，降低成本，并增加了微流控操作的柔性。
文檔編號(hào)G01N35/00GK101294971SQ20081003858
公開(kāi)日2008年10月29日 申請(qǐng)日期2008年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月5日
發(fā)明者冉 劉, 嘉 周, 李寅青, 趙平安 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)