CN105233887B - 一种基于介电润湿的微液滴驱动器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于介电润湿的微液滴驱动器件，包括上下两层芯片，其中，上层芯片包括上基板及依次设置在上基板表面的参考电极层和疏水层；下层芯片包括下基板及依次设置在所述下基板表面的控制电极阵列和功能层，所述功能层的材质为CYTOP；上层芯片的疏水层与下层芯片的功能层相对设置，上下两层芯片之间由支撑物进行机械连接形成容纳微液滴的空间，参考电极层与控制电极阵列均通过导线与控制电路进行电连接。该微液滴驱动器件的结构简单，下层芯片中由一层CYTOP层替代现有技术中疏水层和介电层组成的两层结构，该微液滴驱动器件所需驱动电压低，可实现对微液滴的灵活操控。本发明还提供了该微液滴驱动器件的制备方法。

Description

一种基于介电润湿的微液滴驱动器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及微全分析系统与数字微流控技术领域，尤其涉及一种基于介电润湿的微液滴驱动器件及其制备方法。

背景技术

20世纪90年代初，A.Manz首次提出微全分析系统(μ-TAS)概念，其目标是通过化学分析仪器的微型化与集成化，最大限度地把分析实验室的功能转移到便携的分析设备中，甚至集成到方寸大小的芯片上，因此μ-TAS又称芯片实验室。目前μ-TAS已在DNA分析、临床检测、环境检测等领域有着广泛的应用。

对微量甚至痕量流体的操控是实现微全分析系统的基础，在众多的流体操控技术中(如微机械泵、介电电泳等)，介电润湿技术(electrowetting on dielectric，EWOD)因其独特优势成为微液滴操控最有效的方法。传统的基于介电润湿效应的微液滴控制器件的结构如图1所示，通常包括上下两层芯片，下层芯片通常由下基板、沉积在基板上的控制电极阵列、涂覆在电极阵列表面的介电层及最上层的疏水层组成，上层芯片通常由上基板、参考电极层及疏水层组成，上下两层芯片由支撑物进行机械连接，微液滴位于上下两层芯片之间。参考电极层和控制电极阵列通过控制电路进行电连接，在控制电路作用下，控制电极阵列提供微液滴移动的路径，介电层可阻止微液滴在电场中的电解，疏水层能够保证观察到接触角的变化。

然而，传统的基于介电润湿效应的介电润湿器件中，与微液滴接触的疏水层的材料多为Teflon(特氟龙)，Teflon价格昂贵且介电强度低，必须在其下沉积SiO₂或Si₃N₄作介电层，下层芯片中介电层和疏水层这两层材料层的使用，导致微液滴的驱动电压较高，且存在一定的漏电和击穿问题。

因此，有必要提供一种结构简单、驱动电压低的微液滴驱动器件。

发明内容

有鉴于此，本发明第一方面提供了一种基于介电润湿的微液滴驱动器件，所述微液滴驱动器件的结构简单，下层芯片中由一层CYTOP层替代现有技术中疏水层和介电层组成的两层结构，所述微液滴驱动器件所需驱动电压低，可实现对微液滴的灵活操控。

第一方面，本发明提供了一种基于介电润湿的微液滴驱动器件，所述微液滴驱动器件包括上下两层芯片，其中，所述上层芯片包括上基板及依次设置在所述上基板表面的参考电极层和疏水层；所述下层芯片包括下基板及依次设置在所述下基板表面的控制电极阵列和功能层，所述功能层的材质为CYTOP；

所述上层芯片的疏水层与所述下层芯片的功能层相对设置，所述上下两层芯片之间由支撑物进行机械连接形成容纳微液滴的空间，所述参考电极层与所述控制电极阵列均通过导线与控制电路进行电连接。

优选地，所述下层芯片中所述功能层的厚度为0.5-1μm。

优选地，所述上层芯片中所述疏水层的厚度为0.5-1μm。

优选地，所述上层芯片中所述疏水层的材质为CYTOP(无定形氟树脂)、特氟龙(Teflon)和派瑞林(Parylene)中的一种。

更优选地，所述上层芯片中所述疏水层的材质为CYTOP。

优选地，所述上下两层芯片之间的距离为150-220μm。

优选地，所述控制电极阵列中，电极为边长为0.5-1.5mm的正方形或叉指型电极。

优选地，所述控制电极阵列中，电极的间距为10-50μm。

优选地，所述上基板的材质包括对光透明的塑料、石英或玻璃，但不限于此。所述上基板的材质必须是透光的，以便对芯片内的微液滴进行观察。

所述下基板的材质包括硅片、塑料、石英或玻璃，但不限于此。

优选地，所述参考电极层的厚度为150-200nm。

优选地，所述参考电极层的材质包括导电金属或导电氧化物，所述导电金属包括Pt、Al、Ag和Cu中的一种，所述导电氧化物包括氧化铟锡(ITO)、掺铝氧化锌(AZO)、掺氟二氧化锡(FTO)和掺磷二氧化锡(PTO)中的一种。

更优选地，上基板及设置在所述上基板表面的参考电极层为带ITO透明导电玻璃。选用带ITO透明导电玻璃，可将所述基板与参考电极层集成起来使用。

优选地，所述控制电极阵列的材质包括导电金属或导电氧化物，所述导电金属包括Pt、Al、Ag和Cu中的一种，所述导电氧化物包括氧化铟锡(ITO)、掺铝氧化锌(AZO)、掺氟二氧化锡(FTO)和掺磷二氧化锡(PTO)中的一种。

优选地，所述支撑物包括金属片、胶带、薄玻璃片和毛细管，但不限于此。

优选地，所述微液滴包括纯水、待测物质的水溶液或氯化钠盐溶液，但不限于此。所述微液滴为水相溶液即可，微液滴只要是微流控芯片可操作的对象就行。

与现有技术相比，本发明实施例第一方面提供的基于介电润湿的微液滴驱动器件中，其中，无定形氟树脂CYTOP具有透明性、电绝缘性、防水防油性、脱膜性及防潮性等优异性能，下层芯片中CYTOP层同时发挥介电层和疏水层的功能，CYTOP层既能用作介电层以阻止微液滴在电场中的电解，又能作为疏水层保证观察到微液滴的接触角的变化。

本发明所述微液滴驱动器件的结构简单，可以重复使用，被操控的微液滴所需的驱动电压低，功耗低，可以在较低电压的情况下实现了对微液滴的移动、分裂及产生等基本操作。所适用的待检测的微液滴样品的体积小，检测时间短、检测效率高。所述微液滴驱动器件可以用于DNA、蛋白质的分析、临床检测、环境检测等领域。

第二方面，本发明提供了一种基于介电润湿的微液滴驱动器件的制备方法，包括以下步骤：

(1)下层芯片的制备：

提供一下基板并在所述下基板的表面制备控制电极阵列；

在所述控制电极阵列的表面制备功能层，得到下层芯片，其中，所述功能层的材质为CYTOP；

(2)上层芯片的制备：

提供一表面带有参考电极层的上基板，在所述参考电极层的表面制备一疏水层，得到上层芯片；

(3)上下层芯片的连接：

将所述上层芯片的疏水层与所述下层芯片的功能层相对设置，并将所述上下两层芯片通过支撑物进行机械连接形成容纳微液滴的空间，并将所述参考电极层与所述控制电极阵列均通过导线与控制电路进行电连接，得到基于介电润湿的微液滴驱动器件。

优选地，所述功能层是通过涂覆或浇灌的方式制备在所述控制电极阵列的表面，所述涂覆包括旋涂法。

优选地，所述疏水层是通过涂覆或浇灌的方式制备在所述参考电极层的表面，所述涂覆包括旋涂法。

优选地，所述提供一下基板并在所述下基板的表面制备控制电极阵列，是通过以下任一种方式获得：

提供一下基板，在所述一下基板的表面利用图形转移技术制作控制电极阵列的图形，再通过薄膜生长技术制备得到控制电极阵列；

或提供一下基板，在所述下基板的表面通过薄膜生长技术制备控制电极层，再采用图形转移技术制作控制电极阵列的图形，得到控制电极阵列；

或提供一带有控制电极层的下基板，再采用图形转移技术制作控制电极阵列的图形，得到控制电极阵列；

其中，所述薄膜生长技术包括电子束蒸发、脉冲激光沉积法、化学气相沉积法、电阻蒸发法、磁控溅射法或旋涂法；所述图形转移技术包括光刻、刻蚀或纳米压印。

优选地，所述一表面带有参考电极层的上基板是直接购买获得或通过以下方式获得：提供一上基板，在上基板的表面通过薄膜生长技术制备参考电极层，所述薄膜生长技术包括电子束蒸发、脉冲激光沉积法、化学气相沉积法、电阻蒸发法、磁控溅射法或旋涂法。

本发明实施例第二方面提供的基于介电润湿的微液滴驱动器件的制备方法，该方法简单易操作，下层芯片中选用CYTOP兼作疏水层和介电层，简化了工艺流程，降低了生产成本。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、所述基于介电润湿的微液滴驱动器件中，下层芯片中由一层CYTOP层兼作疏水层和介电层，替代现有技术中疏水层和介电层组成的两层结构，所述微液滴驱动器件的结构简单，被操控的微液滴所需的驱动电压低；

2、所述微液滴驱动器件的制备方法中，该制备方法简单易行，下层芯片中选用CYTOP兼作疏水层和介电层，简化了工艺，降低了投资成本；

3、所述基于介电润湿的微液滴驱动器件的功能多样且稳定性高，不会产生击穿和漏电，在较低驱动电压的情况下，可实现对微液滴的操控灵活，能耗小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。

图1是现有技术中基于介电润湿的微液滴驱动器件的结构示意图，1为下层芯片，2为上层芯片，3为连接1与2的支撑物，4为位于1与2之间的微液滴，11为下基板，12为控制电极阵列中的各电极，13为介电层，14为疏水层，21为上基板，22为参考电极层，23为疏水层；

图2是本发明实施例提供的基于介电润湿的微液滴驱动器件的结构示意图，1为下层芯片，2为上层芯片，3为连接1与2的支撑物，4为位于1与2之间的微液滴，11为下基板，12为控制电极阵列中的各电极，13为功能层，21为上基板，22为参考电极层，23为疏水层；

图3是本发明实施例提供的一种基于介电润湿的微液滴驱动器件的制备流程图；

图4是本发明实施例1中所述控制电极阵列的掩膜版；

图5是本发明实施例1的微液滴驱动器件的各电极与导线的连接方式；

图6是摄像机捕捉到的纯水微液滴在实施例1的基于介电润湿的微液滴驱动器件中的移动、分裂以及混合的图像；

图7是图6中微液滴的移动、分裂以及混合所对应的电压施加方式。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。应当指出，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

第一方面，本发明提供了一种基于介电润湿的微液滴驱动器件，所述微液滴驱动器件包括上下两层芯片，其中，所述上层芯片包括上基板及依次设置在所述上基板表面的参考电极层和疏水层；所述下层芯片包括下基板及依次设置在所述下基板表面的控制电极阵列和功能层，所述功能层的材质为CYTOP；

所述上层芯片的疏水层与所述下层芯片的功能层相对设置，所述上下两层芯片之间由支撑物进行机械连接形成容纳微液滴的空间，所述参考电极层与所述控制电极阵列均通过导线与控制电路进行电连接。

优选地，所述下层芯片中所述功能层的厚度为0.5-1μm。

一般而言，功能层CYTOP的厚度越厚越不容易被击穿，即击穿电压越高，但是驱动电压也会相应的变高，将所述下层芯片中功能层的厚度限定为0.5-1μm，具有以下好处：一是可保障CYTOP层不会被击穿，同时器件的驱动电压(即微液滴可以移动的最小电压)也足够小，同时驱动电压小于击穿电压。

进一步优选地，所述下层芯片中所述功能层的厚度为0.6μm。

优选地，所述上层芯片中所述疏水层的厚度为0.5-1μm。

优选地，所述上层芯片中所述疏水层的材质为CYTOP(无定形氟树脂)、特氟龙(Teflon)和派瑞林(Parylene)中的一种。

更优选地，所述上层芯片中所述疏水层的材质为CYTOP。

优选地，所述上层芯片中所述疏水层的厚度为0.5-1μm。

进一步优选地，所述上层芯片中所述疏水层的厚度为0.6μm。

本发明实施方式中，所述上层芯片中所述疏水层和下层芯片中所述功能层的厚度可以相同，也可以不同。

优选地，所述上下两层芯片之间的距离为150-220μm。

进一步优选地，所述上下两层芯片之间的距离为180μm。

优选地，所述控制电极阵列中，电极为边长为0.5-1.5mm的正方形电极。

所述电极的大小，与所要驱动的微液滴的体积相关，要驱动的微液滴体积越大，电极尺寸就要越大。

进一步优选地，所述控制电极阵列中，电极为边长为1.0mm的正方形电极。

优选地，所述控制电极阵列中，电极的间距为10-50μm。

将控制电极阵列中电极的间距限定为10-50μm，有以下好处：一是可避免因电极之间的距离太大而使微液滴就很难跨越到相邻电极上面，二是可避免因电极之间的距离太小而导致电极的制作工艺难度加大。

进一步优选地，所述控制电极阵列中，电极的间距为20μm。

优选地，所述上基板的材质包括对光透明的塑料、石英或玻璃，所述下基板的材质包括硅片、塑料、石英或玻璃，但不限于此。所述上基板、下基板分别用作上层芯片、下层芯片的承载基础。

优选地，所述参考电极层的材质包括具有导电性能的金属或透明导电氧化物，所述金属包括Pt、Al、Ag和Cu中的一种，所述透明导电氧化物包括氧化铟锡(ITO)、掺铝氧化锌(AZO)、掺氟二氧化锡(FTO)和掺磷二氧化锡(PTO)中的一种。

更优选地，上基板及设置在所述上基板表面的参考电极层为带ITO透明导电玻璃。选用带ITO透明导电玻璃，可将所述基板与参考电极层集成起来使用。

优选地，所述控制电极阵列的材质包括具有导电性能的金属或透明导电氧化物，所述金属包括Pt、Al、Ag和Cu中的一种，所述透明导电氧化物包括氧化铟锡(ITO)、掺铝氧化锌(AZO)、掺氟二氧化锡(FTO)和掺磷二氧化锡(PTO)中的一种。

优选地，所述支撑物包括金属片、胶带、薄玻璃片和毛细管，但不限于此。

优选地，所述微液滴包括纯水、待测物质的水溶液、氯化钠等盐溶液，但不限于此。所述微液滴为水相溶液即可。所述微液滴位于上层芯片的疏水层与下层芯片的功能层之间。

与现有技术相比，本发明实施例第一方面提供的基于介电润湿的微液滴驱动器件中，其中，无定形氟树脂CYTOP具有透明性、电绝缘性、防水防油性、脱膜性及防潮性等优异性能，下层芯片中CYTOP层兼作介电层和疏水层，CYTOP层既能用作介电层以阻止微液滴在电场中的电解，又能作为疏水层保证观察到微液滴的接触角的变化。

本发明所述微液滴驱动器件的结构简单，可以重复使用，被操控的微液滴所需的驱动电压低，功耗低，可以在低于60V电压的情况下实现了对微液滴的移动、分裂及产生等基本操作。所适用的待检测的微液滴样品的体积小，检测时间短、检测效率高。所述微液滴驱动器件可以用于DNA、蛋白质的分析、临床检测、环境检测等领域。

第二方面，本发明提供了一种基于介电润湿的微液滴驱动器件的制备方法，参见附图3的制备流程图，所述制备方法包括以下步骤：

S101、下层芯片的制备：

提供一下基板并在所述下基板的表面制备控制电极阵列；

在所述控制电极阵列的表面制备功能层，得到下层芯片，其中，所述功能层的材质为CYTOP；

S102、上层芯片的制备：

提供一表面带有参考电极层的上基板，在所述参考电极层的表面制备一疏水层，得到上层芯片；

S103、上下层芯片的连接：

将所述上层芯片的疏水层与所述下层芯片的功能层相对设置，并将所述上下两层芯片通过支撑物进行机械连接形成容纳微液滴的空间，并将所述参考电极层与所述控制电极阵列均通过导线与控制电路进行电连接，得到基于介电润湿的微液滴驱动器件。

优选地，所述下层芯片中所述功能层的厚度为0.5-1μm。

优选地，所述上层芯片中所述疏水层的厚度为0.5-1μm。

本发明实施方式中，所述上层芯片中所述疏水层和下层芯片中所述功能层的厚度可以相同，也可以不同。

优选地，所述功能层是通过涂覆或浇灌的方式制备在所述控制电极阵列的表面，所述涂覆包括旋涂法。

优选地，所述疏水层是通过涂覆或浇灌的方式制备在所述参考电极层的表面，所述涂覆包括旋涂法。

优选地，所述上层芯片中所述疏水层的材质为CYTOP(无定形氟树脂)、特氟龙(Teflon)和派瑞林(Parylene)中的一种。

更优选地，所述上层芯片中所述疏水层的材质为CYTOP。

优选地，所述上基板、下基板的材质包括石英、对光透明的塑料、玻璃或聚合物，但不限于此。

优选地，所述参考电极层的材质包括导电金属或导电氧化物，所述导电金属包括Pt、Al、Ag和Cu中的一种，所述导电氧化物包括氧化铟锡(ITO)、掺铝氧化锌(AZO)、掺氟二氧化锡(FTO)和掺磷二氧化锡(PTO)中的一种。

优选地，所述一表面带有参考电极层的上基板是直接购买获得或通过以下方式获得：提供一上基板，在上基板的表面通过薄膜生长技术制备参考电极层，所述薄膜生长技术包括电子束蒸发、脉冲激光沉积法、化学气相沉积法、电阻蒸发法、磁控溅射法或旋涂法。

更优选地，上基板及设置在所述上基板表面的参考电极层为带ITO透明导电玻璃。选用带ITO透明导电玻璃，可将所述基板与参考电极层集成起来使用。其中，上基板为玻璃，在覆盖有ITO的一面上制备疏水层。

优选地，所述控制电极阵列的材质包括导电金属或导电氧化物，所述导电金属包括Pt、Al、Ag和Cu中的一种，但不限于此；所述导电氧化物包括氧化铟锡(ITO)、掺铝氧化锌(AZO)、掺氟二氧化锡(FTO)和掺磷二氧化锡(PTO)中的一种，但不限于此。

如本发明所述的，所述参考电极层为未经过图形化刻蚀的整面电极。

如本发明所述的，所述控制电极阵列为采用图形转移技术制得的具有一定形状和分布的电极阵列，而非整面电极。

优选地，所述提供一下基板并在所述下基板的表面制备控制电极阵列，是通过以下任一种方式获得：

提供一下基板，在所述一下基板的表面利用图形转移技术制作控制电极阵列的图形，再通过薄膜生长技术制备得到控制电极阵列；

或提供一下基板，在所述下基板的表面通过薄膜生长技术制备控制电极层，再采用图形转移技术制作控制电极阵列的图形，得到控制电极阵列；

或提供一带有控制电极层的下基板，采用图形转移技术制作控制电极阵列的图形，得到控制电极阵列；

其中，所述薄膜生长技术包括电子束蒸发、脉冲激光沉积法、化学气相沉积法、电阻蒸发法、磁控溅射法或旋涂法；所述图形转移技术包括光刻-刻蚀或纳米压印。

优选地，所述图形转移技术为光刻-刻蚀技术。通过对控制电极层进行图形化刻蚀，形成具有一定形状和分布的控制电极阵列。

所述对带有控制电极层的下基板进行图形化刻蚀，包括以下步骤：旋涂光刻胶，利用一定形状的掩膜版进行曝光、显影，最后刻蚀控制电极层，除去光刻胶，得到控制电极阵列。

更优选地，所述提供一下基板并在所述下基板的表面制备控制电极阵列，是通过对带ITO透明导电玻璃经过图形化刻蚀获得。选用带ITO透明导电玻璃，可将上述下基板与控制电极层集成起来使用，其中，基板为玻璃，ITO为控制电极层，覆盖有ITO的一面再经图形化刻蚀即可得到带有控制电极阵列的下基板。

优选地，所述上下两层芯片之间的距离为150-220μm。

优选地，所述控制电极阵列中，电极为边长为0.5-1.5mm的正方形电极。

优选地，所述控制电极阵列中，电极的间距为10-50μm。

优选地，所述支撑物包括金属片、胶带、薄玻璃片和毛细管，但不限于此。

优选地，所述微液滴包括纯水、待测物质的水溶液或氯化钠盐溶液，但不限于此。所述微液滴为水相溶液即可。所述微液滴位于上层芯片的疏水层与下层芯片的功能层之间。

上下两层芯片之间的单个微液滴至少覆盖到两个相邻电极。当控制电极阵列按照一定规律交替施加电压时，通过外加电势改变微液滴局部接触角大小，造成微液滴非对称形变，从而产生压力差来驱动微液滴，使微液滴在静电力的驱动下向某个方向移动。

本发明实施例第二方面提供的基于介电润湿的微液滴驱动器件的制备方法，工艺简单、可操作性强、成本低廉，下层芯片中选用CYTOP兼作疏水层和介电层，简化了工艺流程，降低了生产成本。

本发明实施例中，原料CYTOP为购买自日本旭硝子株式会社(Asahi Glass Co.)的CTL-809M型号的产品。

实施例1

一种基于介电润湿的微液滴驱动器件，其结构示意图如图2所示，所述微液滴驱动器件包括上下两层芯片，所述上层芯片2包括上基板21及依次设置在所述上基板21表面的参考电极层22和疏水层23；所述下层芯片1包括下基板11及依次设置在所述下基板表面的控制电极阵列和功能层13，所述控制电极阵列由多个控制电极12组成，所述功能层13的材质为CYTOP^TM；所述上层芯片的疏水层23与所述下层芯片的功能层13相对设置，所述上下两层芯片之间由支撑物3进行机械连接形成容纳微液滴的空间，所述参考电极层22与所述控制电极阵列的各电极12均通过导线与控制电路进行电连接，所述上下层芯片之间形成的空间可用于容纳微液滴4。

本实施例中，上基板及设置在所述上基板表面的参考电极层为带ITO透明导电玻璃，参考电极层的厚度为200nm，所述疏水层的材质为CYTOP^TM，所述疏水层的厚度为0.6μm；下基板的材质为玻璃，控制电极阵列的材质为ITO，所述下基板及设置在所述下基板表面的控制电极阵列为带ITO的透明导电玻璃经过图形化刻蚀获得，所述控制电极阵列中，各电极为边长为1.0mm的正方形电极，各电极的间距为20μm，所述功能层的厚度为0.6μm；上下两层芯片之间通过60um厚胶带3层作支撑物对准后粘结在一起，上下两层芯片之间的距离为180μm。

参见附图3的基于介电润湿的微液滴驱动器件的制备方法流程图，本实施例一中的所述微液滴驱动器件是通过以下方法制得：

S101、下层芯片的制备：

提供一下基板并在所述下基板的表面制备控制电极阵列；

在所述控制电极阵列的表面制备功能层，得到下层芯片，其中，所述功能层的材质为CYTOP^TM；

S1011、提供一带ITO透明导电玻璃，其中基板为玻璃，控制电极层为ITO层，控制电极层的厚度为200nm，再采用光刻-刻蚀技术制作控制电极阵列的图形，包括以下步骤：旋涂光刻胶，利用一定形状的掩膜版进行曝光、显影，最后刻蚀控制电极层，除去光刻胶，得到控制电极阵列，具体如下：

(1)前处理：将带ITO透明导电玻璃分别用丙酮、乙醇、水依次清洗，用氮气吹干，再采用等离子体清洗机进行清洗，以便和光刻胶更好地结合；

(2)匀胶：然后将处理后的ITO透明导电玻璃置于匀胶机的旋转载物台上，使得ITO导电玻璃的中心与载物台轴心重合，用滴管在ITO导电玻璃的表面滴上AZ5214正性光刻胶，使其铺满整个ITO透明导电玻璃，设定匀胶机的旋转速度如下：第一段为500rpm低转速匀胶，持续10s，第二阶段为3000rpm高转速甩胶，持续30s；

(3)前烘：将ITO导电玻璃在烘片机上于135℃下烘烤1min，使光刻胶固化；

(4)曝光：利用设计好的掩膜版，采用光刻机对AZ5214光刻胶进行紫外曝光，曝光时间为25s，其中，曝光时间是与曝光机的曝光强度有关的，强度大所需时间就少，强度小所需时间就长；

(5)显影：之后将曝光后的ITO透明导电玻璃浸入显影液中25s，对曝光后的光刻胶进行显影，得到控制电极阵列图形；

(6)刻蚀：用浓盐酸腐蚀5min，并丙酮洗掉AZ5214光刻胶，烘干，得到带ITO控制电极阵列的导电玻璃。

本实施例1中，所用到的控制电极阵列的掩膜版的图形如图4所示。以图4所示的掩膜版作为模板来对控制电极层制作图案化的控制电极，旋涂完光刻胶后，把此掩膜板放在光刻胶上面，再进行紫外曝光，图4中黑色部分不会被光照射到，而透光部分会被光照射到，然后进行显影，被光照射到的部分的光刻胶就会被洗掉，图4中的黑色部分是有光刻胶保留的，然后用盐酸进行刻蚀，盐酸能把没有光刻胶保护的ITO部分腐蚀掉，有光刻胶的部分的ITO就保留下来了，最后洗掉光刻胶就得到有图案的ITO控制电极阵列。

本实施例中，所述ITO控制电极阵列中，各电极为1mm*1mm的正方形电极，各电极的间距为20μm。

S1012、在所述控制电极阵列的表面通过旋涂法制备一功能层，功能层的成分为CYTOP^TM，厚度为0.6μm，具体如下：

将上述带ITO控制电极阵列的导电玻璃用等离子体清洗，之后置于匀胶机的旋转载物台上，使得导电玻璃的中心与载物台轴心重合，用滴管在ITO导电玻璃的表面滴上M型CYTOP^TM，使其铺满整个导电玻璃，设定匀胶机的旋转速度如下：第一段为500rpm低转速匀胶，持续10s，第二阶段为3000rpm高转速甩胶，持续30s；然后将ITO导电玻璃在烘片机上于110℃下烘烤10min，再在180℃下烘烤1.5h，使CYTOP^TM固化，自然冷却到室温，制备得到功能层。

S102、上层芯片的制备：

提供一表面带有参考电极层的上基板，在所述参考电极层的表面制备一疏水层，得到上层芯片；

提供一带ITO透明导电玻璃，其中基板为玻璃，参考电极层为ITO层，ITO层的厚度为200nm，在其表面通过旋涂法制备一疏水层，疏水层的成分为CYTOP^TM，厚度为0.6μm，具体如下：

将ITO透明导电玻璃分别用丙酮、乙醇、水依次清洗，用氮气吹干，再采用等离子体清洗，然后将处理后的ITO透明导电玻璃置于匀胶机的旋转载物台上，使得ITO导电玻璃的中心与载物台轴心重合，用滴管在ITO导电玻璃的表面滴上M型CYTOP^TM，使其铺满整个ITO透明导电玻璃，设定匀胶机的旋转速度如下：第一段为500rpm低转速匀胶，持续10s，第二阶段为3000rpm高转速甩胶，持续30s；然后将ITO导电玻璃在烘片机上于110℃下烘烤10min，再在180℃下烘烤1.5h，使CYTOP^TM固化，自然冷却到室温，制备得到上基板。

S103、上下层芯片的连接：

将所述上层芯片的疏水层与所述下层芯片的功能层相对设置，并将所述上下两层芯片通过支撑物进行机械连接形成容纳微液滴的空间，并将所述参考电极层与所述控制电极阵列均通过导线与控制电路进行电连接，得到基于介电润湿的微液滴驱动器件。

本实施例中，先将上层芯片和下层芯片需要连接的导线连接好，然后固定好下层芯片，在下层芯片上放上用胶带制作的支撑物，大致对准后将上层芯片放到支撑物上，连接形成容纳微液滴的空间，上下两层芯片之间的距离由支撑物的厚度决定，本实施例中，上下极板之间的距离为180um。

然后将所述参考电极层与所述控制电极阵列均通过导线与控制电路进行电连接，得到基于介电润湿的微液滴驱动器件，具体如下：

将导线与焊盘连接(其中导线宽度是200μm，焊盘尺寸是2mm*6mm)，首先在焊盘上粘贴导电布胶带，然后导线与导电布胶带相连，这样可保证导线直接与外部控制电路相连接的可靠，通过导线把外部控制电路的电压施加到控制电极阵列的电极上面。将上层芯片的参考电极层接地，将下层芯片的控制电极阵列中的每个电极都对应引出了一条导线，需要施加电压的电极接电，而其他电极都接地，通过控制电路的开关对控制电极阵列程序施加正电压，实现微液滴的产生、移动、分裂以及混合等基本操作。图5为本实施例的微液滴驱动器件中各电极与导线的连接方式。

对本实施例1制得的微液滴驱动器件进行测试时，采用超纯水作为待研究的微液滴，用移液器将0.5μL的超纯水滴加到下层芯片上，然后将上层芯片放在支撑物上面。同时为了减少微液滴的挥发，在上下极板之间填充了油，所填充的油可以为矿物油或硅油，优选采用粘度小、不易挥发的矿物油来填充。

对本实施例1制得的微液滴驱动器件进行一系列性能测试，初始时刻微液滴与CYTOP^TM接触角是110度，当未施加电压时，微液滴跨在两个相邻的电极上，去离子水微液滴和上下层芯片中CYTOP^TM的接触角都相同，为110°。

当施加一定电压时，微液滴接触角的变化与所施加的电压之间遵循Young-Lippmann方式，即：

其中，γ_l-g为液-气界面张力，θ₀为未加电压时微液滴的初始接触角，ε₀为真空介电常数，ε_r为电介质的相对介电常数。

随着电压的增加微液滴的接触角不断变小，当加到70V直流电压时接触角不再减小，达到了接触角饱和状态，此时接触角为71°。这说明在70V直流电压的情况下，微液滴接触角能够从110°减小到71°，减少了39°；并且当去掉电压时，微液滴的接触角又可以恢复到初始状态110°，并且重复多次给电压去电压，都是有相同的效果，这说明本实施中的微液滴驱动器件的性能稳定，并且可以重复多次利用。

对比实施例1

为了突出本发明实施例的有益效果，采用PDMS作为本发明下层芯片中的功能层，结果发现，一来，PDMS很难形成致密且很薄的薄膜，采用旋涂法制备功能层时，即使是用9000rpm旋涂，PDMS功能层的厚度也在5μm以上，但功能层的厚度越厚就意味着所需要的驱动电压就会越高，不能实现低电压驱动微液滴，驱动电压约在200V左右。二来，即使将PDMS稀释后旋涂制得较薄的薄膜，但是由于PDMS是一种多孔材料，通电后微液滴很容易被电解，不便于实现对微液滴的基本操作。

对比实施例2

当采用Teflon(碳氟聚合物薄膜)作为下层芯片中的功能层时，由于Teflon的介电强度低，必须在其下沉积SiO₂或Si₃N₄作介电层，即下层芯片是由基板、沉积在基板上的控制电极阵列、涂覆在电极阵列表面的介电层及最上面的Teflon层组成，制作步骤复杂，且介电层的引入导致驱动电压升高。

另外，在其他条件相同的情况下，采用超纯水作为微液滴，对实施例1制得的微液滴驱动器件与对比实施例2制得的微液滴驱动器件分别施加70V电压，观察微液滴的接触角的变化，结果发现：Teflon作疏水层时、介电层为SiO₂时，对比实施例2的微液滴驱动器件，只能将超纯水的接触角从110°减小到85℃，即接触角减少了25°。

由实施例1与对比实施例1的对比可知，本发明实施例1中CYTOP^TM可以形成致密且比较薄的涂层，制得的微液滴驱动器件对微液滴所需的驱动电压低，降低能耗；由实施例1与对比实施例2的对比可知，本发明实施例的微液滴驱动器件的结构简单，可以省去下层芯片中由一层CYTOP^TM层兼作疏水层和介电层，替代现有技术中疏水层和介电层组成的两层结构，该器件所驱动的微液滴的接触角减小的程度更大，有利于液滴的移动等基本操作。如果接触角变化太小，很有可能液滴不能移动。

图6是摄像机捕捉到的纯水微液滴在功能层为CYTOP^TM时的基于介电润湿的微液滴驱动器件中(实施例1)的移动、分裂以及混合的图像。

本实施例1中，采用单片机控制电路而对控制电极阵列进行程序性的电压控制，对微液滴的移动、分裂以及混合等的控制均是采用直流电压，所施加的电压方式如图7所示，左列图中，高电平突出的位置表示施加电压，两条虚线之间表示电极，右列图中，方框表示控制电极单元，ON指电极加电压，OFF指未施加电压，箭头表示微液滴运动方向，其中：

微液滴的移动所施加电压的方式如图7a所示，当在一排电极上依次施加电压时，哪个电极施加电压微液滴就会运动到哪个电极上面，依次施加就可以实现微液滴的连续移动。微液滴移动，是由于控制电极阵列上施加的电压产生的不平衡力超过微液滴所受的阻力，微液滴就会沿着施加电压的电极的方向移动。微液滴沿施加电压驱动电极的方向移动，是为了使微液滴与功能层CYTOP^TM接触界面间的电容最大，从而使微液滴驱动器件内部的总能量最小。

微液滴的混合所施加电压的方式如图7b所示，两微液滴被输运到两相间的控制电极单元并均与中间的控制电极单元接触，此时给中间的电极施加电压，两个微液滴均会在介电润湿作用下向中间的电极运动，实现了两微液滴的混合。

微液滴的分裂所施加电压的方式如图7c所示，微液滴位于中间驱动电极单元上，且与左右两相间的控制电极单元接触，当在滴加有微液滴的电极的两侧的电极同时施加电压而中间的控制电极单元断开(悬空或接地)时，微液滴受到来自施加两侧电极上的作用力，微液滴左右两侧接触角会减小，因此将向两边铺展开来形成“橄榄球”形状，导致微液滴有分裂的趋势，继续增大电压，微液滴所受的力就会继续增大，在中间凹陷形成“瓶颈状”，继而最终分离形成两个体积较小的微液滴。

实施例2

一种基于介电润湿的微液滴驱动器件，所述微液滴驱动器件包括上下两层芯片，所述上层芯片包括上基板及依次设置在所述上基板表面的参考电极层和疏水层；所述下层芯片包括下基板及依次设置在所述下基板表面的控制电极阵列和功能层，所述控制电极阵列由多个控制电极组成，所述功能层的材质为CYTOP^TM；所述上层芯片的疏水层与所述下层芯片的功能层相对设置，所述上下两层芯片之间由支撑物进行机械连接形成容纳微液滴的空间，所述参考电极层与所述控制电极阵列的各电极均通过导线与控制电路进行电连接。

本实施例中，上基板及设置在所述上基板表面的参考电极层为带ITO透明导电玻璃，参考电极层的厚度为180nm，所述疏水层的材质为CYTOP^TM，所述疏水层的厚度为0.5μm；下基板的材质为玻璃，控制电极阵列的材质为ITO，所述下基板及设置在所述下基板表面的控制电极阵列为带ITO的透明导电玻璃经过图形化刻蚀获得，所述控制电极阵列中，各电极为边长为0.5mm的正方形电极，各电极的间距为10μm，所述功能层的厚度为0.5μm；上下两层芯片之间通过薄玻璃作支撑物对准后粘结在一起，上下两层芯片之间的距离为150μm。

实施例3

一种基于介电润湿的微液滴驱动器件，所述微液滴驱动器件包括上下两层芯片，所述上层芯片包括上基板及依次设置在所述上基板表面的参考电极层和疏水层；所述下层芯片包括下基板及依次设置在所述下基板表面的控制电极阵列和功能层，所述控制电极阵列由多个控制电极组成，所述功能层的材质为CYTOP^TM；所述上层芯片的疏水层与所述下层芯片的功能层相对设置，所述上下两层芯片之间由支撑物进行机械连接形成容纳微液滴的空间，所述参考电极层与所述控制电极阵列的各电极均通过导线与控制电路进行电连接。

本实施例中，上基板及设置在所述上基板表面的参考电极层为带ITO透明导电玻璃，参考电极层的厚度为160nm，所述疏水层的材质为CYTOP^TM，所述疏水层的厚度为0.6μm；下基板的材质为玻璃，控制电极阵列的材质为ITO，所述下基板及设置在所述下基板表面的控制电极阵列为带ITO的透明导电玻璃经过图形化刻蚀获得，所述控制电极阵列中，各电极为边长为1.5mm的正方形电极，各电极的间距为50μm，所述功能层的厚度为1.0μm；上下两层芯片之间通过毛细管作支撑物对准后粘结在一起，上下两层芯片之间的距离为220μm。

实施例4

一种基于介电润湿的微液滴驱动器件，所述微液滴驱动器件包括上下两层芯片，所述上层芯片包括上基板及依次设置在所述上基板表面的参考电极层和疏水层；所述下层芯片包括下基板及依次设置在所述下基板表面的控制电极阵列和功能层，所述控制电极阵列由多个控制电极组成，所述功能层的材质为CYTOP^TM；所述上层芯片的疏水层与所述下层芯片的功能层相对设置，所述上下两层芯片之间由支撑物进行机械连接形成容纳微液滴的空间，所述参考电极层与所述控制电极阵列的各电极均通过导线与控制电路进行电连接。

本实施例中，上基板及设置在所述上基板表面的参考电极层为带FTO透明导电玻璃，参考电极层的厚度为150nm，所述疏水层的材质为Teflon，所述疏水层的厚度为1.0μm；下基板的材质为硅片，控制电极阵列的材质为Pt，所述控制电极阵列通过将沉积有控制电极层为金属Pt的表面经过图形化刻蚀获得，所述控制电极阵列中，各电极为边长为1.0mm的正方形电极，各电极的间距为20μm，所述功能层的厚度为0.6μm；上下两层芯片之间通过胶带作支撑物对准后粘结在一起，上下两层芯片之间的距离为180μm。

需要说明的是，本申请所提供的实施例仅仅是示意性的。所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。在本发明实施例、权利要求以及附图中揭示的特征可以独立存在也可以组合存在。

Claims (9)

1.一种基于介电润湿的微液滴驱动器件，其特征在于，所述微液滴驱动器件包括上下两层芯片，其中，所述上层芯片包括上基板及依次设置在所述上基板表面的参考电极层和疏水层；所述下层芯片包括下基板及依次设置在所述下基板表面的控制电极阵列和功能层，所述功能层的材质为CYTOP，所述功能层的厚度为0.5-1μm；

所述上层芯片的疏水层与所述下层芯片的功能层相对设置，所述上下两层芯片之间由支撑物进行机械连接形成容纳微液滴的空间，所述参考电极层与所述控制电极阵列均通过导线与控制电路进行电连接。

2.如权利要求1所述的微液滴驱动器件，其特征在于，所述上层芯片中所述疏水层的厚度为0.5-1μm。

3.如权利要求1所述的微液滴驱动器件，其特征在于，所述上层芯片中所述疏水层的材质为CYTOP、特氟龙和派瑞林中的一种。

4.如权利要求1所述的微液滴驱动器件，其特征在于，所述上下两层芯片之间的距离为150-220μm。

5.如权利要求1所述的微液滴驱动器件，其特征在于，所述控制电极阵列中，电极为边长为0.5-1.5mm的正方形电极，电极的间距为10-50μm。

6.如权利要求1所述的微液滴驱动器件，其特征在于，所述上基板的材质包括对光透明的塑料、石英或玻璃，所述下基板的材质包括硅片、塑料、石英或玻璃。

7.一种基于介电润湿的微液滴驱动器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)下层芯片的制备：

提供一下基板并在所述下基板的表面制备控制电极阵列；

在所述控制电极阵列的表面制备功能层，得到下层芯片，其中，所述功能层的材质为CYTOP，所述功能层的厚度为0.5-1μm；

(2)上层芯片的制备：

提供一表面带有参考电极层的上基板，在所述参考电极层的表面制备一疏水层，得到上层芯片；

(3)上下层芯片的连接：

将所述上层芯片的疏水层与所述下层芯片的功能层相对设置，并将所述上下两层芯片通过支撑物进行机械连接形成容纳微液滴的空间，并将所述参考电极层与所述控制电极阵列均通过导线与控制电路进行电连接，得到基于介电润湿的微液滴驱动器件。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述功能层是通过涂覆或浇灌的方式制备在所述控制电极阵列的表面，所述涂覆包括旋涂法。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述提供一下基板并在所述下基板的表面制备控制电极阵列，是通过以下任一种方式获得：

提供一下基板，在所述一下基板的表面利用图形转移技术制作控制电极阵列的图形，再通过薄膜生长技术制备得到控制电极阵列；

或提供一下基板，在所述下基板的表面通过薄膜生长技术制备控制电极层，再采用图形转移技术制作控制电极阵列的图形，得到控制电极阵列；

或提供一带有控制电极层的下基板，再采用图形转移技术制作控制电极阵列的图形，得到控制电极阵列；

其中，所述薄膜生长技术包括电子束蒸发、脉冲激光沉积法、化学气相沉积法、电阻蒸发法、磁控溅射法或旋涂法；所述图形转移技术包括光刻、刻蚀或纳米压印。