CN109603939B - 极板及微流控芯片 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种极板及微流控芯片，其中，该极板包括：具有第一面的背板；设置在所述背板的第一面上的第一电极单元，所述第一电极单元包括多个间隔设置的电极；设置在所述背板的第一面和所述第一电极单元上的表面接触层，所述表面接触层包括多个交替布置的亲水区和超疏水区；该微流控芯片包括由如上所述的极板形成的第一极板和与所述第一极板相对设置的第二极板，所述第一极板和所述第二极板之间形成液体通道。本发明实施例中的极板驱动液滴移动时所需驱动电压较低。

Description

极板及微流控芯片
技术领域
本公开涉及微流控芯片技术领域，具体而言，涉及一种极板及应用该极板的微流控芯片。
背景技术
微流控是指受生物体结构和功能原理的启发,设计和开发具有仿生结构功能的微纳通道的流体器件.它是一门新兴的交叉学科,涉及材料学、化学、物理化学、界面科学、流体力学、生物技术及微纳米加工技术等众多学科领域,将为突破微流控技术瓶颈、推动其实际应用提供全新的设计思路。
数字微流控是通过改变液滴与绝缘基板之间电压，来改变液滴在基板上的润湿性，即改变接触角，使液滴发生形变、位移的现象。所谓润湿是指固体表面的一种流体被另一种流体所取代的过程。液体在固体表面能铺展，固液接触面有扩大的趋势，即液体对固体表面的附着力大于其内聚力，就是润湿。液体在固体表面不能铺展，接触面有收缩成球形的趋势，就是不润湿，不润湿就是液体对固体表面的附着力小于其内聚力。
数字微流控技术可将生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，并自动完成分析全过程。由于其可以降低成本，且具有检测时间短、灵敏度高等优点，已经在生物、化学、医学等领域展现巨大前景。但是，现有的微流控芯片的极板采用整面涂覆输水材料作为疏水层，驱动液滴移动时所需驱动电压较高，限制了基板的选型。
发明内容
鉴于现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种驱动液滴移动时所需驱动电压较低的极板及应用该极板的微流控芯片。
根据本公开的第一方案，提供了一种极板，其包括：
具有第一面的背板；
设置在所述背板的第一面上的第一电极单元，所述第一电极单元包括多个间隔设置的电极；
设置在所述背板的第一面和所述第一电极单元上的表面接触层，所述表面接触层包括多个交替布置的亲水区和超疏水区。
在一些实施例中，所述背板为低温多晶硅背板。
在一些实施例中，所述亲水区和所述超疏水区的宽度比为1:1。
在一些实施例中，所述亲水区采用树脂材质。
在一些实施例中，所述超疏水区采用聚四氟乙烯材质。
在一些实施例中，所述极板还包括结合层，所述结合层一面与所述表面接触层连接，另一面与所述背板的第一面和所述电极单元连接。
在一些实施例中，所述结合层为树脂层。
在一些实施例中，部分所述超疏水区向所述结合层延伸并嵌设在所述结合层内。
根据本公开的第二方案，提供了一种微流控芯片，其包括由如上所述的极板形成的第一极板和与所述第一极板相对设置的第二极板，所述第一极板和所述第二极板之间形成液体通道。
在一些实施例中，所述第二极板包括基板、位于所述基板上且靠近所述第一极板一侧的第二电极单元和位于所述第二电极单元上且靠近所述第一极板一侧的超疏水层。
应当理解，前面的一般描述和以下详细描述都仅是示例性和说明性的，而不是用于限制本公开。
本节提供本公开中描述的技术的各种实现或示例的概述，并不是所公开技术的全部范围或所有特征的全面公开。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本公开的一些实施例，而非对本公开的限制。
图1为本发明实施例涉及的极板的第一种实施例的结构示意图；
图2(a)-2(e)为本发明实施例涉及的极板的驱动液滴移动的原理示意图；
图3为本发明实施例涉及的极板的第二种实施例的结构示意图；
图4为本发明实施例涉及的极板的第三种实施例的结构示意图；
图5为本发明实施例涉及的微流控芯片的结构示意图；
图6为本发明实施例涉及的极板的制备方法的第一种实施例的流程示意图；
图7为本发明实施例涉及的极板的制备方法的第一种实施例的流程示意图。
附图标记：
1-背板；2-第一面；3-第一电极单元；4-电极；5-表面接触层；6-亲水区；7-超疏水区；8-结合层；9-液滴；10-第一极板；11-第二极板；12-液体通道；13-基板；14-第二电极单元；15-超疏水层；16-导电薄膜；17-亲水材料层；18-超疏水材料层；19-第一凹槽；20-第二凹槽；21-第三凹槽。
具体实施方式
为了使得本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
为了保持本公开实施例的以下说明清楚且简明，本公开省略了已知功能和已知部件的详细说明。
图1为本发明实施例的极板的第一种实施例的结构示意图，参见图1所示，本发明实施例的极板包括：背板1、第一电极单元3和表面接触层5，其中，背板1包括相对的第一面2和第二面(与第一面相对的另一面)；第一电极单元3设置在该背板1的第一面2上，该第一电极单元3包括多个间隔设置的电极4；表面接触层5设置在背板1的第一面2上和第一电极单元3上，该表面接触层5包括多个交替布置的亲水区6和超疏水区7。
介电润湿效应是通过改变液滴9与极板之间的电压，来改变液滴9与极板的接触角，施加的电压越大，液滴9与极板的接触角越小。当液滴9两侧的接触角差异较大时，液滴9向接触角较小一侧铺展的趋势会十分强烈，液滴9内部会出现一个非常大的压力差而导致液滴9内部形成不平衡力，当这个不平衡力比液滴9在极板上的摩擦阻力还大时，液滴9就会向接触角较小一侧移动。
采用本发明实施例的极板，当液滴9尺寸非常小，液滴9表面能较小，附着在亲水区6上，接触角较小，如图2(a)所示。随着液滴9的体积增加，液体逐渐附着在整个亲水区6上，并且液滴9在亲水区6的接触角逐渐变大，其表面张力越来越大，如图2(b)所示。当液滴9的表面能大于亲水区6的表面能时，液滴9就会向超疏水区7扩展，如图2(c)和图2(d)所示。再使液滴9逐渐增大后，当液滴9的表面张力一侧超过超疏水区7的表面能时，液滴9的一侧就会向亲水区6扩展，如图2(e)所示。此时，液滴9与超疏水区7接触一侧的接触角较大，而液滴9与亲水区6接触一侧的接触角较小，则液滴9向亲水区6一侧铺展的趋势十分强烈，液滴9内部会出现一个非常大的压力差而导致液滴9内部形成不平衡力，这个不平衡力会对液滴9内液体产生向亲水区6一侧的拉力。这样，该拉力可以形成一定的驱动力，就可以降低所需要的通过施加电压来产生的驱动力，进而可以降低极板在驱动液滴9时所需的电压。
在一些实施例中，该背板1可以采用低温多晶硅(LTPS)背板。LTPS背板利用连续沉积，无需缓冲层，相较于非晶硅(a-Si)背板，LTPS背板的硅晶排布更加有序，使得电子移动率相对提高100倍以上，从而大大提高了极板的检测灵敏度。其次，还可将PIN传感器嵌入背板1形成光敏传感器，能够进一步提高极板的检测灵敏度。与此同时，还可将外围驱动电路同时制作在该LTPS背板内，能够提高其系统整合度、节省电路所占空间、降低生产成本，另外，还可以减少背板1的外接点，增加其可靠度，使维护更简单，缩短组装制程时间及降低EMI特性，进而减少应用系统设计时程及扩大设计自由度。
在一些实施例中，该第一电极单元3包括多个间隔设置的电极4，该电极4可为掺锡氧化铟(ITO)电极。将电极4设计成间隔设置，以便于能够通过某一个或多个电极4向液滴9施加电压，使液滴9两侧形成不同的接触角。电极4的厚度可为400埃米至800埃米，电极4的宽度可为16μm～20μm。当然，电极4的宽度不仅限于上述范围，具体宽度可视其所要驱动的液滴9大小而定。ITO电极具有较高的导电率、较高的机械硬度和良好的化学稳定性。
在一些实施例中，所述亲水区6和所述超疏水区7的宽度比可为1:1。具体的，该亲水区6和超疏水区7的宽度可为8μm～10μm。其中，超疏水区7可采用聚四氟乙烯(Teflon)材质。亲水区6可采用树脂(Resin)材质，例如，聚酰胺树脂、酚醛树脂或其他类型树脂。液滴9在树脂和聚四氟乙烯上的润湿性差异较大，聚四氟乙烯具有超高的疏水性。以亲水区6和超疏水区7分别采用树脂和聚四氟乙烯材质且宽度均为10μm为例，当液滴9为2μL时，液滴9正好形成各向异性分布，在与亲水区6的接触角约为82°，与超疏水区7的接触角约为120°，能够形成较大的拉力，能够有效的降低极板在驱动液滴9时所需的电压。另外，由于树脂与聚四氟乙烯、LTPS背板、ITO电极均具有较好的粘附性，因此，采用聚四氟乙烯材质的超疏水区7能够通过树脂材质的亲水区6与LTPS背板和ITO电极结合在一起，不容易出现表面处理不良的现象。
图3为本发明实施例的极板的第二种实施例的结构示意图，参见图3所示，该第二种实施例与上述第一种实施例的区别在于：该极板还包括结合层8，所述结合层8一面与所述表面接触层5连接，另一面与所述背板1的第一面2和所述第一电极单元3连接，即该结合层8设置在表面接触层5与背板1和第一电极单元3之间。具体的，该结合层8可为树脂层。本发明实施例中超疏水区7不仅可以通过其两侧的亲水区6与ITO电极和LTPS背板结合在一起，还可以通过结合层8与背板1和第一电极单元3牢固的连接在一起，有易于提高该极板的整体性。
图4为本发明实施例的极板的第三种实施例的结构示意图，参见图4所示，该三种实施例与上述第二种实施例的区别在于：部分超疏水区7向结合层8延伸并嵌设在该结合层8内。这样，超疏水区7与结合层8结合的更加牢固，超疏水区7不容易出现表面处理不良的现象。
图5为本发明实施例的微流控芯片的结构示意图，参见图5所示，本发明实施例中的微流控芯片包括由如上所述的极板形成的第一极板10和与第一极板10相对设置的第二极板11，第一极板10和第二极板11之间形成液体通道12，第一极板10的表面接触层5位于靠近液体通道12一侧。这样就形成了一种双极板结构的微流控芯片，液体通道12位于第一极板10和第二极板11之间，该微流控芯片不仅能够驱动液滴9进行混合实验，还能够用于分离液滴9。由于如上所述的极板在驱动液滴9时所需的电压较低，所以，应用该极板的微流控芯片驱动液滴9时所需的电压也较低。当然，本发明实施例中的极板也可应用在单极板结构的微流控芯片上。
具体的，该第二极板11可包括基板13和依次设置在基板13靠近第一极板10一侧的第二电极单元14和超疏水层15。其中，该基板13可采用玻璃基板；第二电极单元14可如第一电极单元3一样包括多个间隔设置的电极，该第二电极单元14的电极可采用金属电极；该超疏水层15可为聚四氟乙烯层。当然该第二极板11不仅限于该结构，也可采用如上所述发明实施例中任一种极板。
图6为本发明实施例的极板的制备方法的第一种实施例的流程示意图，参见图6所示，本发明实施例的极板的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤11：在背板1的第一面2上形成包括多个间隔布置的电极4的第一电极单元3。其中，该背板1可为LTPS背板，该电极4可为ITO电极。
具体的，该步骤11可包括：
步骤111：在背板1的第一面2上采用例如磁控溅镀工艺形成一层ITO导电薄膜16，该导电薄膜16的厚度可为400埃米至800埃米。当然，该导电薄膜16的形成工艺不仅限于磁控溅镀，该导电薄膜16的厚度也不仅限于上述范围。
步骤112：对导电薄膜16进行图案化处理，以形成多个间隔布置的电极4。其中，对导电薄膜16进行图案化处理可采用光刻工艺。所形成电极4的宽度可为16μm～20μm。
步骤12：在背板1的第一面2和第一电极单元3上形成表面接触层5，该表面接触层5包括多个间隔布置的亲水区6和超疏水区7。
具体的，该步骤12可包括：
步骤121：在背板1的第一面2和第一电极单元3上形成亲水材料层17。该亲水材料层17可为例如聚氨酯树脂层，该聚氨酯树脂层可通过涂覆工艺形成与所述背板1的第一面2和第一电机单元上。该聚氨酯树脂层的厚度可为1μm～2μm。
步骤122：对该亲水材料层17进行图案化处理以形成间隔布置的亲水区6和第一凹槽19。对该亲水材料层17进行图案化处理可采用例如Half-Tone灰阶曝光工艺。亲水区6的宽度和间隔比可为1:1，亲水区6的宽度可为8μm～10μm。
步骤123：在第一凹槽19内形成超疏水区7。
其中，该步骤123具体可包括：
在该亲水区6和第一凹槽19上形成超疏水材料层18。该超疏水材料可为聚四氟乙烯，可采用涂覆工艺将聚四氟乙烯乳浊液涂覆在亲水区6和第一凹槽19上，涂覆厚度可为0.3μm～0.8μm。
对涂覆的超疏水材料层18进行流平处理。以使超疏水材料充分的填充在任意相邻两个亲水区6之间的第一凹槽19内，并使该超疏水材料层18形成平整表面。
对该超疏水材料层18进行固化处理。固化处理的温度可为230℃，固化处理的时间可为60分钟。该固化处理过程的温度和时间不仅限于上述数值，可根据实际需要调整。
对该超疏水材料层18进行剥离处理，以剥离该超疏水材料层18位于亲水区6之上的部分，保留该超疏水材料层18位于凹槽内的部分形成超疏水区7，并使该亲水区6和超疏水区7形成用于与液滴9接触的平整表面。该步骤中剥离处理可采用Ashing工艺。
图7为本发明实施例的极板的制备方法的第二种实施例的流程示意图，参见图7所示，本发明实施例的极板的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤21：在背板1的第一面2上形成包括多个间隔布置的电极4的第一电极单元3。其中，该背板1可为LTPS背板，该电极4可为ITO电极。
具体的，该步骤21可包括：
步骤211：在背板1的第一面2上采用例如磁控溅镀工艺形成一层ITO导电薄膜16，该导电薄膜16的厚度可为400埃米至800埃米。当然，该导电薄膜16的形成工艺不仅限于磁控溅镀，该导电薄膜16的厚度也不仅限于上述范围。
步骤212：对导电薄膜16进行图案化处理，以形成多个间隔布置的电极4。其中，对导电薄膜16进行图案化处理可采用光刻工艺。所形成电极4的宽度可为16μm～20μm。
步骤22：在背板1的第一面2和第一电极单元3上形成结合层8。其中，该结合层8可为树脂层，本实施例中采用的是酚醛树脂。
具体的，该步骤22可包括：
步骤221：在背板1的第一面2和第一电机单元上涂覆一层酚醛树脂，该酚醛树脂层的厚度可为0.5μm～0.8μm。
步骤222：对该酚醛树脂层进行固化处理以形成结合层8。固化时间可为60min，固化温度可为230℃。
步骤23：在结合层8上形成表面接触层5，该表面接触层5包括多个间隔布置的亲水区6和超疏水区7。
具体的，该步骤23可包括：
步骤231：在结合层8上形成超疏水材料层18。
该步骤231具体可包括：在结合层8上涂覆超疏水材料层18，该超疏水材料层18可为聚四氟乙烯层，该超疏水材料层18的涂覆厚度可为0.5μm～1.0μm。待该超疏水材料层18固化后，通过例如等离子处理工艺对其进行表面平整处理。
步骤232：对该超疏水材料层18进行图案化处理以形成间隔布置的超疏水区7和第二凹槽20。
该步骤232具体可包括：在该超疏水材料层18上涂覆遮挡层，该遮挡层可采用塑料橡胶材质，该遮挡层的厚度可为1.2μm。对该遮挡层进行图案化处理以形成间隔布置的遮挡区块，该遮挡区块宽度与相邻两个遮挡区块之间的间隔宽度比可设置成1:1，该遮挡区块的宽度可为8μm～10μm。对该超疏水材料层18进行刻蚀处理，去除该超疏水材料层18正对相连两个遮挡区块之间的间隔的部分以形成第二凹槽20，保留该超疏水材料层18正对遮挡区块的部分形成超疏水区7。对遮挡区块进行剥离处理。
步骤233：在该第二凹槽20内形成亲水区6。
该步骤233具体可包括：在该超疏水区7和第二凹槽20上涂覆亲水材料层17。该步骤中的亲水材料层17可采用聚酰胺树脂，该聚酰胺树脂的涂覆厚度可为0.5μm～1μm。对该亲水材料层17进行流平处理，以使亲水材料充分填充在第二凹槽20内，并使该亲水材料层17形成平整表面。对该亲水材料层17进行剥离处理，以剥离该亲水材料层17位于超疏水区7之上的部分，保留该亲水材料层17位于第二凹槽20内的部分形成亲水区6，并使该亲水区6和超疏水区7形成用于与液滴9接触的平整表面。
在一些实施例中，步骤22中的步骤222之后还可包括：
步骤223：对该结合层8进行图案化处理，以使该结合层8表面形成多个间隔布置的第三凹槽21。
这样在步骤231中在结合层8上形成超疏水材料层18时，部分超疏水材料填充与该第三凹槽21内，能够提高利用该超疏水材料层18形成的超疏水区7与该结合层8的结合力。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种极板，其特征在于，包括：
具有第一面的背板；
设置在所述背板的第一面上的第一电极单元，所述第一电极单元包括多个间隔设置的电极；
设置在所述背板的第一面和所述第一电极单元上的表面接触层，所述表面接触层包括多个交替布置的亲水区和超疏水区；
其中，所述第一电极单元用于改变置于所述表面接触层上的液滴和所述极板之间的电压，使液滴的两侧与所述极板的接触角产生差异，液滴内部的压力差导致液滴内部形成不平衡力，该不平衡力形成一驱动力；
液滴与所述超疏水区接触一侧的接触角大于液滴与亲水区接触一侧的接触角，使液滴形成向所述亲水区铺展的趋势，液滴内部的另一压力差导致液滴内部形成另一不平衡力，该另一不平衡力形成另一驱动力，该一驱动力和该另一驱动力驱动液滴向亲水区一侧移动。
2.根据权利要求1所述的极板，其特征在于，所述背板为低温多晶硅背板。
3.根据权利要求1所述的极板，其特征在于，所述亲水区和所述超疏水区的宽度比为1:1。
4.根据权利要求1所述的极板，其特征在于，所述亲水区采用树脂材质。
5.根据权利要求1所述的极板，其特征在于，所述超疏水区采用聚四氟乙烯材质。
6.根据权利要求1-5任一项所述的极板，其特征在于，所述极板还包括结合层，所述结合层一面与所述表面接触层连接，另一面与所述背板的第一面和所述电极单元连接。
7.根据权利要求6所述的极板，其特征在于，所述结合层为树脂层。
8.根据权利要求6所述的极板，其特征在于，部分所述超疏水区向所述结合层延伸并嵌设在所述结合层内。
9.一种微流控芯片，其特征在于，包括由权利要求1-8任一项所述的极板形成的第一极板和与所述第一极板相对设置的第二极板，所述第一极板和所述第二极板之间形成液体通道。
10.根据权利要求9所述的微流控芯片，其特征在于，所述第二极板包括基板、位于所述基板上且靠近所述第一极板一侧的第二电极单元和位于所述第二电极单元上且靠近所述第一极板一侧的超疏水层。
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