CN115957835A - 一种含有超疏水结构的微流控芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种含有超疏水结构的微流控芯片，属于微流控芯片技术领域，在疏水区内设置超疏水结构实现超疏水功能，超疏水结构是在液滴驱动电极阵列上方的绝缘层上制备而成，是具有特定形状的表面微米阵列或纳米阵列。本发明还提供一种含有超疏水结构的微流控芯片的制备方法，采用光刻技术将特定形状的微米阵列或纳米阵列图形转移到绝缘层上。本发明的含有超疏水结构的微流控芯片及其制备方法，避免了现有技术中采用进口含氟疏水材料的方式，能完全实现国产化，不再受国际贸易因素影响，同时也节省了采购和工艺成本，具有重要意义，适用性更广泛。

Description

一种含有超疏水结构的微流控芯片及其制备方法

技术领域

本发明属于微流控芯片技术领域，涉及一种含有超疏水结构的微流控芯片及其制备方法。

背景技术

微流控是一种精确控制和操控微尺度流体，以在微纳米尺度空间中对流体进行操控为主要特征的科学技术，具有将生物、化学等实验室的基本功能诸如样品制备、反应、分离和检测等缩微到一个几平方厘米芯片上的能力，其基本特征和最大优势是多种单元技术在整体可控的微小平台上灵活组合、规模集成，是一个涉及了工程学、物理学、化学、微加工和生物工程等领域的交叉学科。为了实现微流体在芯片表面能够持续顺畅移动，芯片表面的超疏水功能是必不可少的，如何实现芯片表面的超疏水功能也成为该领域的关键技术之一。

现有技术中，通常在芯片表面涂覆一层含氟疏水材料，例如采用Cytop(一种非结晶高透明的含氟聚合物，Cytop是商品名，对应的材料名称叫perfluoro(1-butenyl vinylether)polymer)，但是该含氟疏水材料依赖进口，目前还未实现国产化，受原产国出口管制，采购成本高昂，并且制备超疏水薄膜工艺复杂，人力和时间成本均高。

因此，急需研究一种开创性的方法，将超疏水结构的制备过程集成到微流控芯片的流片工艺中，使生产成本降低、效率提高的同时，还能完全实现国产化，不再受国际贸易因素影响。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种含有超疏水结构的微流控芯片及其制备方法，对该绝缘层加以合理设计和工艺处理，在其表面制备具有特定形状的表面微米阵列或纳米阵列，使其实现绝缘功能的同时，还能实现超疏水功能。

为实现上述目的，本发明提供一种含有超疏水结构的微流控芯片，将芯片范围划分为液滴驱动有效区和非有效区，疏水区的范围包含所述液滴驱动有效区的全部范围和非有效区的部分范围，非有效区的另一部分范围为芯片的外围区域；

在所述液滴驱动有效区内设有液滴驱动电极阵列用于驱动液滴流动，在所述疏水区内设置超疏水结构实现超疏水功能，所述超疏水结构是在液滴驱动电极阵列上方的绝缘层上制备而成，是具有特定形状的表面微米阵列或纳米阵列，实现兼具绝缘和超疏水的功能。

进一步地，所述超疏水结构为绝缘层表面微柱阵列，或绝缘层表面微孔阵列，或绝缘层表面蜂窝阵列，或绝缘层表面网格阵列。

进一步地，具有特定形状的表面微米阵列或纳米阵列的深度小于绝缘层的厚度。

本发明还提供一种如上所述的含有超疏水结构的微流控芯片的制备方法，包括以下步骤：

在芯片基底上依次制作驱动电路、所述液滴驱动电极阵列和绝缘层；

采用光刻技术将特定形状的微米阵列或纳米阵列图形转移到绝缘层上。

进一步地，采用光刻技术将特定形状的微米阵列或纳米阵列图形转移到绝缘层上具体为：

在绝缘层上涂覆一层光刻胶；

采用具有特定形状的微米阵列或纳米阵列图形的掩膜版对光刻胶进行曝光、显影、清洗，将具有特定形状的微米阵列或纳米阵列图形转移到光刻胶层；

对绝缘层进行刻蚀处理，将具有特定形状的微米阵列或纳米阵列图形转移到绝缘层；

去除光刻胶层，清洗、烘干。

进一步地，光刻胶为正光刻胶或负光刻胶，光刻胶与掩膜版的图形搭配使得曝光显影后保留下来的光刻胶层图形为具有特定形状的微米阵列或纳米阵列图形。

进一步地，刻蚀处理采用干法刻蚀，通过刻蚀速率和刻蚀时间控制刻蚀深度，控制刻蚀深度小于绝缘层厚度。

进一步地，采用去胶液湿法去除光刻胶层。

进一步，当所述超疏水结构为绝缘层表面微柱阵列时，掩膜版上的单位圆图形的直径范围为1～5μm，单位圆图形之间的距离等于其直径，阵列图形围起来的范围等于疏水区的范围。

本发明采用上述技术方案的优点是：

本发明的含有超疏水结构的微流控芯片及其制备方法，对该绝缘层加以合理设计和工艺处理，在其表面制备具有特定形状的表面微米阵列或纳米阵列，微米阵列或纳米阵列的高度小于绝缘层的厚度，即绝缘层靠近液滴驱动电极的一面仍保留整面一定厚度的膜层，使其实现绝缘功能的同时，还能实现超疏水功能；将超疏水结构的制备过程集成到微流控芯片的流片工艺中，既降低了成本，又提高了效率；避免了现有技术中采用进口含氟疏水材料的方式，能完全实现国产化，不再受国际贸易因素影响，同时也节省了采购和工艺成本，具有重要意义，适用性更广泛。

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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明的含有超疏水结构的微流控芯片的范围划分示意图；

图2为本发明中绝缘层表面微柱阵列的立体示意图；

图3为本发明中采用光刻技术将特定形状的微米阵列或纳米阵列图形转移到绝缘层上的工艺流程示意图；

图4为本发明中制备绝缘层表面微柱阵列采用的掩膜版结构示意图；

附图标记说明：1-芯片；2-液滴驱动有效区2；3-非有效区；4-疏水区；11-芯片基底上；12-驱动电路；21-所述液滴驱动电极阵列；22-绝缘层；23-光刻胶；24-图形光刻胶层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种含有超疏水结构的微流控芯片，如图1所示，将芯片1范围划分为液滴驱动有效区2和非有效区3，疏水区4的范围包含所述液滴驱动有效区2的全部范围和非有效区3的部分范围，非有效区3的另一部分范围为芯片1的外围区域；

在所述液滴驱动有效区2内设有液滴驱动电极阵列21用于驱动液滴流动，在所述疏水区4内设置超疏水结构实现超疏水功能，所述超疏水结构是在液滴驱动电极阵列21上方的绝缘层上制备而成，是具有特定形状的表面微米阵列或纳米阵列，实现兼具绝缘和超疏水的功能。

其中，所述超疏水结构为绝缘层表面微柱阵列，或绝缘层表面微孔阵列，或绝缘层表面蜂窝阵列，或绝缘层表面网格阵列，研究来源于自然界的荷叶、蝴蝶翅膀、水黾的脚等具有表面疏水的结构，是仿生技术。另外，还需要控制具有特定形状的表面微米阵列或纳米阵列的深度小于绝缘层的厚度。在一些实施例中，所述超疏水结构为绝缘层表面微柱阵列，其立体示意图如图2所示。

本发明还提供一种如上所述的含有超疏水结构的微流控芯片的制备方法，包括以下步骤：

在芯片基底11上依次制作驱动电路12、所述液滴驱动电极阵列21和绝缘层22；

采用光刻技术将特定形状的微米阵列或纳米阵列图形转移到绝缘层上。

进一步地，如3所示，采用光刻技术将特定形状的微米阵列或纳米阵列图形转移到绝缘层上具体为：

在绝缘层22上涂覆一层光刻胶23；

采用具有特定形状的微米阵列或纳米阵列图形的掩膜版对光刻胶23进行曝光、显影、清洗，将具有特定形状的微米阵列或纳米阵列图形转移到光刻胶层24；

对绝缘层22进行刻蚀处理，将具有特定形状的微米阵列或纳米阵列图形转移到绝缘层22；

去除光刻胶层24，清洗、烘干。

其中，光刻胶23为正光刻胶或负光刻胶，光刻胶23与掩膜版的图形搭配使得曝光显影后保留下来的图形光刻胶层24为具有特定形状的微米阵列或纳米阵列图形。

其中，刻蚀处理采用干法刻蚀，通过刻蚀速率和刻蚀时间控制刻蚀深度，控制刻蚀深度小于绝缘层22的厚度，保证绝缘层22不被刻穿。绝缘层22的膜厚一般设置为0.5～1.5um，以1um为例，需控制刻蚀深度为0.8um，实际工艺制程中刻蚀深度会有正负波动，但可以保证刻蚀深度低于绝缘层22的厚度，即绝缘层22不会被刻穿。在一些实施例中，采用去胶液湿法去除光刻胶层。

其中，当所述超疏水结构为绝缘层表面微柱阵列时，掩膜版的图形如图4所示，掩膜版上的单位圆图形的直径D范围为1～5μm，单位圆图形之间的距离等于其直径D，阵列图形围起来的范围等于疏水区的范围，绝缘层表面微柱的位置与掩膜版的单位圆图形位置一一对应，由于曝光工艺会有角度阴影，所以制备出的微柱并未是绝对的圆柱形状，而是侧面有很小的锥度，如图2所示。

本发明采用上述技术方案的优点是：

本发明的含有超疏水结构的微流控芯片及其制备方法，对该绝缘层加以合理设计和工艺处理，在其表面制备具有特定形状的表面微米阵列或纳米阵列，微米阵列或纳米阵列的高度小于绝缘层的厚度，即绝缘层靠近液滴驱动电极的一面仍保留整面一定厚度的膜层，使其实现绝缘功能的同时，还能实现超疏水功能；将超疏水结构的制备过程集成到微流控芯片的流片工艺中，既降低了成本，又提高了效率；避免了现有技术中采用进口含氟疏水材料的方式，能完全实现国产化，不再受国际贸易因素影响，同时也节省了采购和工艺成本，具有重要意义，适用性更广泛。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种含有超疏水结构的微流控芯片，其特征在于，将芯片范围划分为液滴驱动有效区和非有效区，疏水区的范围包含所述液滴驱动有效区的全部范围和非有效区的部分范围，非有效区的另一部分范围为芯片的外围区域；

在所述液滴驱动有效区内设有液滴驱动电极阵列用于驱动液滴流动，在所述疏水区内设置超疏水结构实现超疏水功能，所述超疏水结构是在液滴驱动电极阵列上方的绝缘层上制备而成，是具有特定形状的表面微米阵列或纳米阵列，实现兼具绝缘和超疏水的功能。

2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述超疏水结构为绝缘层表面微柱阵列，或绝缘层表面微孔阵列，或绝缘层表面蜂窝阵列，或绝缘层表面网格阵列。

3.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，具有特定形状的表面微米阵列或纳米阵列的深度小于绝缘层的厚度。

4.一种如权利要求1所述的含有超疏水结构的微流控芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

在芯片基底上依次制作驱动电路、所述液滴驱动电极阵列和绝缘层；

采用光刻技术将特定形状的微米阵列或纳米阵列图形转移到绝缘层上。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，采用光刻技术将特定形状的微米阵列或纳米阵列图形转移到绝缘层上具体为：

在绝缘层上涂覆一层光刻胶；

采用具有特定形状的微米阵列或纳米阵列图形的掩膜版对光刻胶进行曝光、显影、清洗，将具有特定形状的微米阵列或纳米阵列图形转移到光刻胶层；

对绝缘层进行刻蚀处理，将具有特定形状的微米阵列或纳米阵列图形转移到绝缘层；

去除光刻胶层，清洗、烘干。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，光刻胶为正光刻胶或负光刻胶，光刻胶与掩膜版的图形搭配使得曝光显影后保留下来的光刻胶层图形为具有特定形状的微米阵列或纳米阵列图形。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，刻蚀处理采用干法刻蚀，通过刻蚀速率和刻蚀时间控制刻蚀深度，控制刻蚀深度小于绝缘层厚度。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，采用去胶液湿法去除光刻胶层。

9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，当所述超疏水结构为绝缘层表面微柱阵列时，掩膜版上的单位圆图形的直径范围为1～5μm，单位圆图形之间的距离等于其直径，阵列图形围起来的范围等于疏水区的范围。

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