CN102095770A

CN102095770A - 一种基于数字微流控技术的电化学传感器芯片

Info

Publication number: CN102095770A
Application number: CN2010105533076A
Authority: CN
Inventors: 周嘉; 杨盛; 曾祥宇
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2010-11-22
Filing date: 2010-11-22
Publication date: 2011-06-15

Abstract

本发明属于微分析技术领域，具体为一种基于数字微流控技术的电化学传感器芯片。该传感器芯片由数字微流控器件上面叠加一个三电极电化学器件组成；其中：数字微流控器件由底层和上盖组成；底层从下到上依次为：第一衬底、第一绝缘层、第一电极层、第二绝缘层和第一疏水层；上盖从下到上依次为：第二疏水层，第二电极层，第三绝缘层和第二衬底；当第一衬底和第二衬底为绝缘材料时，第一绝缘层和第三绝缘层省去；三电极包括对电极、工作电极和参比电极；该三电极与第一疏水层在同一层面，并被第一疏水层包围，但不被第一疏水层覆盖；本发明可实现检测所需的多种液体样本的输送，并实现在线检测。

Description

一种基于数字微流控技术的电化学传感器芯片

技术领域

本发明属于微分析技术领域，具体涉及一种基于数字微流控技术的电化学传感器芯片。

背景技术

过去十年以来，“全微分析系统”（μ-TAS）或“芯片上实验室”（Lab-on-a-chip）的概念得到了飞速的发展和实现，它是利用微加工和集成技术结合各种分析检测原理而实现的微小型分析仪器，具有体积小、功耗低、灵敏度高、便携等优势，可以广泛应用于生物、医学和化学检测，在国家安全、免疫检测、环境保护、食品卫生、基因筛选、疾病诊断等领域均有应用潜力。

无论其分析检测的对象如何，“全微分析系统”或“芯片上实验室”的结构构成从功能上分，均由“样本处理”（如样本输入、混合、反应、分离等）和“检测”两个基本模块组成，即“微流控”和“传感器”功能模块。本发明即为一种实现上述两项功能的集成芯片。

生物、生化和化学检测的方法有很多种，目前最为成功的是各种光学检测，已经有不少基于连续流动驱动和光学检测的大型分析仪器产品。但是由于光学检测均需要庞大的光学系统，现有技术暂时无法实现与微流控技术的芯片集成。

基于电学性质的测量技术最有可能实现与微流控技术的芯片集成。电化学检测方法是研究电的作用和化学作用相互关系的技术，可以满足分析样本所需的（液体）环境，且检测信号为电信号，硬件手段为三电极系统，它与芯片制造技术兼容性高，因此是一种非常适合制作“全微分析系统”（μ-TAS）或“芯片上实验室”（Lab-on-a-chip）的途径之一。

1、电化学检测原理

电化学体系由三个电极组成：工作电极、对电极和参比电极。三个电极位于一个电解质体系中时，通过施加电信号可以调节工作电极上电子的能量，因而控制电解质溶液中发生的化学反应，而测量该化学反应产生的电信号即可提供相关溶液和电极的性质。

电化学在生物化学检测上的应用，根据检测电信号的不同，可以制作成a）电势传感器；b）电流传感器；c）电感传感器；d）电容传感器；和e）阻抗传感器。以上各项电信号均可以表达被测样本的性能。

利用微加工技术可以实现集成的三电极体系，即在一个芯片上集成三个电极，对于提高电化学体系的稳定性、可靠性、重复性、一致性及节省测试时间和降低操作难度有重要意义。

2、数字微流控原理

随着微纳技术的进步，微流控技术从早期流体的连续驱动向离散液滴驱动（数字微流）及离散和连续驱动混合发展。流体在电场作用下受到动电力（Electrokinetic force）的电湿润驱动不需要微流道，利用表面张力作为微量流体液滴的驱动力，由表面张力梯度来改变液滴在器件表面的湿润性（wettability）因而实现微流控。改变液滴在器件表面的湿润性的技术有很多方式，如热毛细管效应、电化学梯度、非对称表面结构、光化学效应、介质电泳效应、介质上的电湿润效应(electro-wetting -on-dielectrics—EWOD)等，它们共同的优势在于不需要任何可动器件即可实现微流控，除产生液滴的功能之外，微流控芯片还具有分析测试时样本处理所需的输送、混合、分离等多个功能。其中，基于介质上电湿润效应的微流控技术（又称为数字微流控技术），被视为最具潜力的方案。它所需工作电压低，因而功耗小，适合应用于多种流体样本的处理，包括人体所有体液，如血液、血浆、血清、尿液、唾液、汗和泪液，甚至汽雾剂和爆炸物颗粒。同时，它还具有1）优秀的液滴控制能力和控制柔性，即通过改编软件即可实现液滴流动路径及上述各功能的转换；2）样本液滴体积控制精确，给检测提供了稳定的基本条件；3）结构和制作工艺相对简单，易于实现和检测器件及IC控制电路的集成。

数字微流控系统的构成如图1所示。其驱动力的来源：

液滴的驱动压力差为：

Figure 2010105533076100002DEST_PATH_IMAGE001

（1）

式中，g _LG为液体在空气中表面张力，q _b0和q _b为加电压前后液滴与驱动电极表面的接触角（外加电压改变了液体的湿润性，即接触角，是数字微流技术的核心）。e _r是介质层的介电常数，t为介质层的厚度。

本发明采用叠加的数字微流控电极和电化学电极结构，可以实现检测所需的多种液体样本的输送，并实现在线检测。

发明内容

本发明的目的在于提出一种集成数字微流控技术和电化学技术的传感器芯片，以发挥两者优势，实现检测所需的多种液体样本的输送，并实现在线检测。

本发明提出的传感器芯片，由数字微流控器件上面叠加一个三电极电化学器件组成。其结构示意图见图2所示。其中：

数字微流控器件由底层和上盖组成；底层从下到上分别为：第一衬底1、第一绝缘层2（当衬底为导电材料时需要）、第一电极层3、第二绝缘层4和第一疏水层5；上盖从下到上分别为：第二疏水层6，第二电极层7，第三绝缘层8（当衬底为导电材料时需要）和第二衬底9；当第一衬底1和第二衬底9为非导电材料时，则第一绝缘层2和第三绝缘层8可以不用：

三电极电化学器件包括对电极（或称辅助电极）13、工作电极14和参比电极15；该三电极电化学器件与第一疏水层5在同一层面，并被第一疏水层5包围，但不被第一疏水层5覆盖；

微流控器件的驱动电压施加在电极层3和电极层7之间，电化学检测的电学信号和检测信号由对电极13、工作电极14和参比电极15分别施加和输出。

传感器芯片的制作步骤为：在衬底1上制作数字微流控所需要的电极3（如果衬底为导电材料则需要在衬底和电极之间淀积绝缘层2），电极形状和布置根据需要设计，图2中所示为矩形电极。在电极3之上再淀积绝缘层4，该层作为数字微流控电极和上层电化学三电极电化学器件之间的绝缘隔离，最后在最上层分别淀积数字微流控器件所需的疏水层5（疏水材料一般为

）和制作电化学三电极。而电化学三电极部分被疏水层5包围，但必须不被疏水材料覆盖。

与常规数字微流控器件相同，芯片需要还淀积有疏水层6（疏水材料一般为

）的上电极7，构成数字微流控的控制电路。

数字微流控器件可以在外部驱动电路的作用下按照需要输送被测样本和所需试剂，并实现混合后送到三电极器件所在位置，由三电极体系的外部测试电路进行相关测试和数据输出。测试完毕的液滴继续由数字微流控器件转移至下一步所需位置，进行下一步电化学检测或排出芯片。

由于整个芯片上只有电化学器件部分没有疏水材料，因此可以提供在该范围内进行非常稳定的电化学测试环境。

附图说明

图1是数字微流控技术的驱动原理图。

图2为集成了微流控技术的电化学传感器芯片的原理性结构示意图。

图中标号：1为第一衬底，2为第一绝缘层（当衬底为导电材料时需要），3.为第一电极层，4为第二绝缘层，5为第一疏水层。6为第二疏水层，7为第二电极层，8为第三绝缘层（当衬底为导电材料时需要），9为第二衬底。10、12表示微流控液滴的输送状态，11为液滴在电化学器件上的检测状态。13为对电极（或称辅助电极），14为工作电极，15为参比电极。

具体实施方式

根据图2所示，本发明具体实施的步骤如下：

底层

1）衬底1的制备。

衬底1可以为任意材料，包括柔性衬底。如果衬底为导电材料，则应该首先淀积一层绝缘层2，淀积绝缘层的工艺可以采用热氧化、化学气相淀积CVD或物理气相淀积PVD等工艺。例如衬底为硅材料，可采用二氧化硅绝缘层。

2）电极层3的淀积，并图形化。

电极3可以为金属、导电聚合物或导电氧化物等，电极层淀积采用旋涂退火、物理溅射或蒸发工艺。图形化可以采用a）光刻后刻蚀（干法或者湿法），也可以采用剥离（lift-off）工艺；b）硬掩膜（hard mask）结合电极材料物理溅射或蒸发工艺。

3）绝缘层4的制备。

绝缘层4的材料包括各种介质，特别是各种高介电常数的介质材料。采用化学气相淀积CVD或物理气相淀积PVD工艺制备绝缘层4。

4）三电极的淀积，并图形化。

三电极即对电极13、工作电极14和参比电极15可以同时制作，采用同一种金属材料（如金或铂金），也可分别采用两种（如对电极13、工作电极14为金或铂金，参比电极15为银），或采用三种材料（如对电极13为铂金、工作电极14为金，参比电极15为银）制作。该电极层淀积采用物理溅射或蒸发工艺。图形化可以采用a）光刻后刻蚀（干法或者湿法），也可以采用剥离（lift-off）工艺；b）硬掩膜（hard mask）结合电极材料物理溅射或蒸发工艺。

5）疏水层5的制作和图形化。

疏水层5的疏水材料可以是商用产品，如杜邦公司（Dupont

），采用旋涂和退火工艺制作，也可以采用化学气相淀积CVD工艺C-F类疏水层薄膜。图形化可采用a）光刻后刻蚀（干法或者湿法）；b）硬掩膜（hard mask）结合干法刻蚀。

上盖

1）衬底9的制备

衬底9的材料可以为任意材料，包括柔性衬底。如果衬底9为导电材料，则应该首先淀积一层绝缘层8，淀积绝缘层的工艺可以采用热氧化、化学气相淀积CVD和等工艺。例如衬底为硅材料，可采用二氧化硅绝缘层。

2）电极层7的淀积

电极层7的材料可以为金属、导电聚合物或导电氧化物等，电极层7淀积采用旋涂退火、物理溅射或蒸发工艺。

3）疏水层6的制备

疏水层6的疏水材料可以是商用产品，如杜邦公司（Dupont

），采用旋涂和退火工艺制作，也可以采用化学气相淀积CVD工艺C-F类疏水薄膜。

Claims

1.一种基于数字微流控技术的电化学传感器芯片，其特征在于由数字微流控器件上面叠加一个三电极电化学器件组成；其中：

数字微流控器件由底层和上盖组成；底层从下到上依次为：第一衬底（1）、第一绝缘层（2）、第一电极层（3）、第二绝缘层（4）和第一疏水层（5）；上盖从下到上依次为：第二疏水层（6），第二电极层（7），第三绝缘层（8）和第二衬底（9）；这里，第一衬底（1）和第二衬底（9）为导电材料；当第一衬底（1）和第二衬底（9）为绝缘材料时，第一绝缘层（2）和第三绝缘层（8）省去；

三电极包括对电极（13）、工作电极（14）和参比电极（15）；该三电极与第一疏水层（5）在同一层面，并被第一疏水层（5）包围，但不被第一疏水层（5）覆盖；

微流控器件的驱动电压施加在电极层（3）和电极层（7）之间，电化学检测的电学信号和检测信号由对电极（13）、工作电极（14）和参比电极（15）分别施加和输出。