CN109107619A - 复合介质层数字微流控芯片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合介质层数字微流控芯片及其制备方法，所述芯片包括上基板和下基板，上基板由上基底以及上基底上的接地电极和所述接地电极上方的疏水层构成；下基板由下基底以及下基底上的驱动电极和所述驱动电极上方的高介电常数纳米颗粒/特氟龙复合薄膜构成。本发明采用高介电常数纳米颗粒/特氟龙复合薄膜作为数字微流控器件中的介质层，兼具介质层和疏水层的功能，同时起到绝缘和疏水的作用，且可以显著降低数字微流控芯片的驱动电压和制备工艺的复杂度。

Description

复合介质层数字微流控芯片及其制备方法
技术领域
本发明属于数字微流控技术领域，具体涉及一种复合介质层数字微流控芯片及其制备方法。
背景技术
数字微流控技术是一种以独立液滴为操控单元的流体控制技术。近年来，基于数字微流控的生化检测芯片得到了广泛的研究。在片上实验室（Lab-on-a-Chip）的应用中，芯片上的液滴被用作功能性的媒介并实现多种流体操控，包括液滴的运输、分裂、合并和配发等。
数字微流控芯片利用电润湿机理实现液滴的片上驱动，基于电润湿机理的电场驱动方法因使用直接程序控制而具有极大的操控灵活性。常用的数字微流控芯片具有平行双基板结构，液滴置于上下基板之间形成类似三明治的结构，上基板由基底以及基底上的电极和电极上的疏水层构成，下基板由基底以及基底上的电极、电极上的介质层和疏水层构成。下基板介质层材料是数字微流控器件设计的关键部分，介质层的介电常数和厚度直接关系到工作电压的大小和数字微流控器件的驱动可靠性。
根据Lippman-Young方程，在电润湿效应下有效驱动芯片内的液滴所需要的最小电压与绝缘层厚度的0.5次方成正比，与绝缘层介电常数的0.5次方成反比。因此，为了降低数字微流控芯片的驱动电压，电介质材料应选用高介电常数的材料，并尽可能减小介质层的厚度。然而下基板绝缘层由介质层和疏水层共同构成，疏水层材料特氟龙是一种介电常数较低（εT = 1.93）的材料，疏水层的存在极大限制了绝缘层的等效介电常数，等效介电常数为
(1)
其中εd为介质层的介电常数，εT为疏水层的介电常数，dd为介质层的厚度，dT为疏水层的厚度。由式中可看出εeff < εT(dd+dT)/dT，介质层的厚度一般较小，因此等效介电常数受到特氟龙介电常数的极大制约。
由于上述原因，现有的数字微流控器件通常需要同时具有介质层和疏水层，制备过程中需要多步镀膜工艺，并且在驱动时需要较高的驱动电压。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用高介电常数纳米颗粒/特氟龙复合薄膜作为介质层的数字微流控芯片，并提出了这种复合介质层数字微流控芯片的制备方法。
实现本发明目的的技术解决方案是：本发明的数字微流控芯片，包括上基板和下基板，所述上基板由上基底以及上基底上的接地电极和所述接地电极上方的疏水层构成；所述下基板由下基底以及下基底上的驱动电极和所述驱动电极上方的高介电常数纳米颗粒/特氟龙复合薄膜构成。
进一步地，所述的高介电常数纳米颗粒/特氟龙复合薄膜通过旋涂法涂覆在所述驱动电极上。
进一步地，所述接地电极为一层导电薄膜，如ITO薄膜、铝薄膜等。
进一步地，所述疏水层通过旋涂法涂覆在上基板的接地电极上。
进一步地，所述驱动电极由导电薄膜通过光刻法制成，驱动电极个数大于等于1。
进一步地，所述高介电常数纳米颗粒/特氟龙复合薄膜由如下步骤制备：
（1）将高介电常数纳米颗粒与一定浓度的特氟龙溶液按一定的比率混配制成含有纳米颗粒的悬浊液；
（2）将所述的悬浊液搅拌、超声分散、静置；
（3）再旋涂在加工好驱动电极的基底上方，烘烤，即可制得所述的高介电常数纳米颗粒/特氟龙复合薄膜。
优选的，步骤（1）中，高介电常数纳米颗粒指介电常数为3.7以上的纳米颗粒，如钛酸钡纳米颗粒、锆钛酸铅纳米颗粒、钛酸锶钡纳米颗粒等。
优选的，步骤（1）中，特氟龙溶液的质量浓度为1%-10%；高介电常数纳米颗粒在悬浊液中的质量浓度为1%-10%。
优选的，步骤（2）中，搅拌时间不少于1小时；超声分散时间不少于10分钟；静置时间不少于1小时。
优选的，步骤（3）中，烘烤时间不少于5分钟；烘烤温度为75摄氏度以上。
本发明与现有数字微流控芯片相比，其显著优点在于：
（1）将传统数字微流控器件中需要分开制备的介质层和疏水层使用纳米颗粒/特氟龙复合薄膜代替，使数字微流控器件的制备工艺得到简化。
（2）高介电常数纳米颗粒/特氟龙复合薄膜具有优良的介电性能和疏水性能。复合薄膜的介电常数一般在10以上，明显高于传统数字微流控器件中介质层和疏水层的等效介电常数（一般小于3），因此可有效降低芯片的驱动电压。同时复合薄膜具有与单独特氟龙疏水层相同的表面疏水性能，能同时起到绝缘和疏水的作用。
（3）高介电常数纳米颗粒/特氟龙复合薄膜的制备工艺简单，并且与数字微流控芯片加工中的其他半导体加工工艺具有良好的相容性。
附图说明
图1为本发明的复合介质层数字微流控芯片的上基板结构侧视图。
图2为本发明的复合介质层数字微流控芯片的下基板结构侧视图。
图3为本发明的复合介质层数字微流控芯片的结构示意图。
图4为本发明的高介电常数纳米颗粒/特氟龙复合薄膜的制备方法流程图。
具体实施方法
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述。
本发明采用高介电常数纳米颗粒/特氟龙复合介质层结构的数字微流控芯片利用纳米颗粒/特氟龙复合薄膜代替传统数字微流控芯片的介质层和疏水层，复合薄膜具有高的等效介电常数，不受特氟龙的介电常数限制，因此可有效降低芯片驱动电压。纳米颗粒/特氟龙复合薄膜也兼具疏水性能，并将传统数字微流控芯片制备中的介质层和疏水层两层镀膜工艺简化为一层镀膜工艺，有效简化了数字微流控芯片的制备工艺。
如图3所示，本发明所述的复合介质层数字微流控芯片包括上基板1和下基板2，上基板1和下基板2之间设有可供液滴4移动的间隙3。如图1，所述的上基板1由上基底1-3，以及上基底1-3上方的接地电极1-2，接地电极1-2上方的疏水层1-1组成。如图2，所述的下基板2由下基底2-2，以及下基底2-2上方设置的驱动电极，以及涂覆在驱动电极上方的纳米颗粒/特氟龙复合薄膜2-1组成，其中，驱动电极由导电薄膜通过光刻法制成，驱动电极由第一驱动电极2-3，第二驱动电极2-4和第三驱动电极2-5并排组成的电极组结构。纳米颗粒/特氟龙复合薄膜2-1作为提供基于介电润湿技术的数字微流控芯片中所需的介电和疏水功能的介质层，具有优良的疏水和介电性能，使得所述的复合介质层数字微流控芯片具有结构简单、驱动电压低和制备难度低的优势。
如图4，按照本发明，所述的新型复合介质层数字微流控芯片的制备方法包括：
（1）所述数字微流控芯片上基板1的制备方法为首先在上基底1-3上制备一层导电薄膜（接地电极1-2），之后在上基底1-3上接地电极1-2的上方通过旋涂的方法制备一层疏水层1-1。
（2）所述数字微流控芯片下基板2的制备方法为首先在下基底2-2上制备所需个数的驱动电极，之后在驱动电极（由第一驱动电极2-3，第二驱动电极2-4和第三驱动电极2-5并排组成的电极组结构）的上方制备一层纳米颗粒/特氟龙复合薄膜2-1。
按照本发明所述的高介电常数纳米颗粒/特氟龙薄膜2-1的具体制备方法为：
（1）将高介电常数纳米颗粒与一定浓度的特氟龙溶液以一定的比率混合配置为含有纳米颗粒的悬浊液。
（2）将配置好的悬浊液使用磁力搅拌器搅拌若干时间。
（3）将搅拌好的悬浊液使用超声波仪超声若干时间。
（4）将超声处理过的悬浊液静置若干时间。
（5）使用匀胶机将静置过后的悬浊液旋涂在加工好电极的基底上。
（6）将旋涂好的基底在恒温热板上烘烤若干时间。
即可制得所述的纳米颗粒/特氟龙复合薄膜2-1。
所述高介电常数纳米颗粒/特氟龙复合薄膜2-1的具体制备方法中特氟龙溶液的浓度为1%-10%，高介电常数纳米颗粒与特氟龙溶液混合后纳米颗粒的重量比率为1%-10%，磁力搅拌器的搅拌时间为不少于1小时，超声波仪超声的时间为不少于10分钟，静置的时间为不少于1小时，恒温热板烘烤的时间为不少于5分钟。
下面通过具体的实施例详细说明本发明的具体制备方法。
（1）在下基底2-2（基底材料可为玻璃基片或其他绝缘材料）上采用PECVD（等离子体增强化学气相沉积）、蒸镀、溅射等工艺制备导电薄膜，可为铬、铝等金属层或氧化铟锡等化合物，通过光刻及其后的金属刻蚀等方法形成驱动电极组（第一驱动电极2-3，第二驱动电极2-4，第三驱动电极2-5等）。
（2）在驱动电极组（第一驱动电极2-3，第二驱动电极2-4，第三驱动电极2-5等）的上方旋涂制备钛酸钡纳米颗粒/特氟龙薄膜2-1。纳米颗粒的材料也可为其他高介电常数的无机或有机材料。
（3）在下基底1-3（基底材料可为玻璃基片或其他绝缘材料）上采用PECVD（等离子体增强化学气相沉积）、蒸镀、溅射等工艺形成导电薄膜（接地电极1-2），优选为透光率高的薄膜层，如氧化铟锡等。
（4）通过旋涂方法制备上基板1表面的第一疏水层1-1，材料选用Teflon-AF或Cytop。
（5）上基板1、下基板2制成后通过平行对准将其用垫片组合在一起即完成新型复合介质层数字微流控芯片的制备。
钛酸钡纳米颗粒/特氟龙复合薄膜2-1的具体制备方法实例为：
所述复合薄膜制备使用6%浓度Teflon-AF 1600特氟龙溶液和粒径为100nm钛酸钡纳米颗粒。
（1）配置纳米颗粒重量比为5%的BaTiO3/特氟龙悬浊液。
（2）将配置好的悬浊液使用磁力搅拌器搅拌12个小时。
（3）将搅拌后的悬浊液使用超声波仪超声30分钟。
（4）将悬浊液静置3天。
（5）将静置过后的悬浊液使用匀胶机以2000rpm的转速旋涂在制备好电极的基底2-2上，旋涂时间为30秒。
（6）将旋涂好的基底放置在恒温热板上以110摄氏度烘烤30分钟。
即可制得钛酸钡纳米颗粒/特氟龙复合薄膜。
综上所述，高介电常数纳米颗粒/特氟龙复合薄膜具有优良的疏水性能和介电性能，有效弥补了传统数字微流控器件中由疏水层和介质层组成的等效绝缘层介电常数低的缺点，可明显降低芯片驱动电压。高介电常数纳米颗粒/特氟龙薄膜作为介质层，同时具有表面疏水的性能，取代传统数字微流控器件中的疏水层和介质层，简化了制备工艺。
因此相对于传统数字微流控芯片，本发明所述的采用复合介质层的新型数字微流控芯片具有结构简单、驱动电压低和制备方法简单等优势。

Claims (10)

1.复合介质层数字微流控芯片，包括上基板和下基板，其特征在于，所述上基板由上基底以及上基底上的接地电极和所述接地电极上方的疏水层构成；所述下基板由下基底以及下基底上的驱动电极和所述驱动电极上方的高介电常数纳米颗粒/特氟龙复合薄膜构成。
2.如权利要求1所述的芯片，其特征在于，上基板和下基板之间设有供液滴移动的间隙。
3.如权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述的高介电常数纳米颗粒/特氟龙复合薄膜通过旋涂法涂覆在所述驱动电极上。
4.如权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述接地电极为ITO薄膜或铝薄膜。
5.如权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述疏水层通过旋涂法涂覆在所述接地电极上。
6.如权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述驱动电极由导电薄膜通过光刻法制成，驱动电极个数大于等于1。
7.如权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述高介电常数纳米颗粒/特氟龙复合薄膜由如下步骤制备：
（1）将高介电常数纳米颗粒与一定浓度的特氟龙溶液按一定的比率混配制成含有纳米颗粒的悬浊液；
（2）将所述的悬浊液搅拌、超声分散、静置；
（3）再旋涂在加工好驱动电极的基底上方，烘烤，即可制得所述的高介电常数纳米颗粒/特氟龙复合薄膜。
8.如权利要求7所述的芯片，其特征在于，步骤（1）中，高介电常数纳米颗粒指介电常数为3.7以上的纳米颗粒；特氟龙溶液的质量浓度为1%-10%；高介电常数纳米颗粒在悬浊液中的质量浓度为1%~10%。
9.如权利要求7所述的芯片，其特征在于，步骤（2）中，搅拌时间不少于1小时；超声分散时间不少于10分钟；静置时间不少于1小时。
10.如权利要求7所述的芯片，其特征在于，步骤（3）中，烘烤时间不少于5分钟；烘烤温度为75摄氏度以上。
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