CN204768769U - 一种具有自供电功能的微流控芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种具有自供电功能的微流控芯片，是利用压电一维纳米材料可采集环境中微小的机械能并将其转换为电能，并将该电势能输出供给敏感单元，从而组建成带自供电功能的微流控芯片。所述微流控芯片分为四层，最下面一层为石英玻璃基片，石英基片上有一层探测电极，所述探测电极上是一层KNN纳米纤维，最上层是带PDMS微通道的PDMS盖板。所述微流控芯片制作方法是：先在基片上通过光刻、溅射以及剥离工艺制作探测电极，再采用静电纺丝法在探测电极上大面积制备铌酸钾钠纳米纤维，然后将PDMS微通道与基片键合。

Description

一种具有自供电功能的微流控芯片

技术领域

本实用新型涉及一种具有自供电功能的微流控芯片，具体涉及一种基于压电发电效应的自供电微流控芯片，属无机纳米功能材料及微流控技术领域。

背景技术

微流控技术又称芯片实验室。利用该技术可将生物化学领域中所涉及的样品制备、反应、分离和检测等基本操作集成在几平方厘米甚至更小的芯片上。相比于传统的分析测试平台，微流控芯片的优势在于功能的集成、低检测样品的消耗和快速的样品检测等。半导体纳米线的电输运特性对生物分子和重金属离子非常敏感，可在微流控芯片中进行上述目标物的检测。例如，Tian等人在微流控芯片中利用低掺杂硅的多根纳米线场效应晶体管进行蛋白质的探测（“UltrasensitiveproteindetectionusinglithographicallydefinedSimulti-nanowirefieldeffecttransistors”，《LabChip》，11：1952-1961（2011））。Kin等人则直接在微流体器件中生长ZnO纳米线，并验证了这种纳米线集成的微流控芯片能够用来进行离子捕获和PH探测（“Directsynthesisandintegrationoffunctionalnanostructuresinmicrofluidicdevices”，《LabChip》，11：1946-1951（2011））。然而，这些微流控传感器仍需外部供电，不利于器件的微型化与集成化。

压电一维纳米材料可采集环境中微小的机械能并将其转换为电能，本申请人2014年10月14日申请的发明专利《一种铌酸钾钠压电纳米纤维柔性发电元件的制备方法》（申请号：201410543111.7），就是通过铌酸钾钠(KNN)前躯体的配制、采用静电纺丝法大面积制备铌酸钾钠纳米纤维、铌酸钾钠纳米纤维的转移与器件组装三个主要步骤，得到铌酸钾钠压电纳米纤维柔性发电元件，该元件良好的柔性能够增加纳米纤维在特定外力作用下的机械形变，从而提高了对外部机械能的采集效率。

微流控芯片中存在丰富的流体机械能，将压电一维纳米材料引入到微流控芯片领域，通过微通道中微流体的流动来驱动压电材料的形变发电，进而构建自供电微流控芯片，为微流控芯片的小型化、集成化以及市场化提供一个有效的解决方法。这种在微流控芯片中利用压电材料发电的设想及实践，未见于已公开的文献或专利技术中。

发明内容

本实用新型的目的是针对背景技术提出的问题，提供一种具有自供电功能的微流控芯片，是利用压电一维纳米材料可采集环境中微小的机械能并将其转换为电能，从而组建带自供电功能的微流控芯片。所述微流控芯片分为四层，最下面一层为石英玻璃基片，石英基片上有一层探测电极，所述探测电极上是一层KNN纳米纤维，最上层是带PDMS微通道的PDMS盖板。所述微流控芯片制作方法包括：先在基片上通过光刻、溅射及剥离工艺制作探测电极，再采用静电纺丝法在探测电极上大面积制备铌酸钾钠纳米纤维，然后将PDMS微通道与基片键合。通过在微流控通道中采集和转换流体的机械能成电势能，并将该电势能输出供给敏感单元，形成完整的具有自供电能力的微流控芯片。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下方案：

一种具有自供电功能的微流控芯片，其特征在于：

包括自下而上依次分布的基片、探测电极、KNN纳米纤维和PDMS盖板；所述基片是石英玻璃板，所述探测电极是在所述基片上通过光刻、溅射及剥离工艺制作的导电电极；所述KNN纳米纤维是在探测电极上采用静电纺丝法大面积制备的铌酸钾钠纳米纤维；所述PDMS盖板下有PDMS微通道，所述PDMS微通道是通过在载波片上光刻制备微流通道母版、再利用PDMS预聚物和PDMS固化剂混合搅拌均匀后的混合物在微流通道母版上沉积、固化及分离工艺制成；

所述PDMS微通道包括干流通道和支流通道，所述干流通道的首端有进气口及进气通道、末端有流体出口；所述支流通道有进液口及进液通道，支流通道的位置靠近干流通道的首端，且：支流通道与干流通道T型交汇，所述支流通道宽度小于干流通道宽度；

所述基片上有十字对准标志，所述PDMS盖板上相应的也有十字对准标志；

所述PDMS微通道的自T型交汇处之后至流体出口之间的干流通道部分，对应的位于KNN纳米纤维上，所述PDMS盖板通过十字对准标志，将PDMS微通道及KNN纳米纤维压紧并键合在基片的探测电极上。

其有益效果是：微流控芯片中存在丰富的流体机械能，将压电一维纳米材料（本申请中选择铌酸钾钠KNN一维纳米纤维）在微流控芯片中组装，通过采集和转换流体的机械能并将电输出供给敏感单元，可获得一种自供电的微流控芯片，为微流控芯片的小型化、集成化以及市场化提供一个有效的解决方法，具有广阔的应用前景。

如上所述的具有自供电功能的微流控芯片的制作方法包括探测电极的制备、KNN纳米纤维制备、微流通道的制备和器件组装；所述探测电极的制备工艺包括：在长宽均为10～30mm，厚度1～3mm的石英玻璃基片上，通过公知的光刻及溅射工艺，制备一层厚度为10～100nm的铂或金质探测电极；在所述基片上，还光刻有十字对准标志；所述KNN纳米纤维制备工艺包括：引用背景技术所述的已公开专利《一种铌酸钾钠压电纳米纤维柔性发电元件的制备方法》（申请号：201410543111.7）中的技术方案进行铌酸钾钠前躯体的配制，和引用背景技术所述的已公开专利《一种铌酸钾钠压电纳米纤维柔性发电元件的制备方法》（申请号：201410543111.7）中的技术方案，在已制备的探测电极的基片上，采用静电纺丝法大面积制备铌酸钾钠纳米纤维，再用棉签擦去覆盖在电极之外的多余部分纳米纤维，制成带KNN纳米纤维的基片。

所述微流通道的制备工艺包括：

⑴制备载波片：切取长宽均为10～30mm、厚度1～3mm的方形载玻片，将切好的载玻片依次放入丙酮、酒精、去离子水中分别进行超声波清洗，每次清洗时间10～12min，清洗完后将载波片浸入干净的去离子水中。

⑵涂覆光刻胶：自去离子水中取出载玻片→氮气吹干→放置50～80℃环境中烘烤8～12min→取出冷却10～12min→在匀胶机上涂覆光刻胶→放置60～65℃环境中烘烤15～18min→升温至90～95℃烘烤110～130min→取出冷却10～12min；所述涂覆光刻胶的匀胶机转速为850～950r.p.m，涂覆时间设定为35～45s。

⑶制备微流通道母版：将设定尺寸的微流通道掩膜板放在上述已涂覆光刻胶的载玻片上，再将载玻片放入光刻机中曝光18～22s→取出并放置60～65℃环境中烘烤15～18min→升温至90～95℃烘烤40～45min→取出冷却10～12min→在显影液中显影5～15min→取出后用异丙醇冲洗氮气吹干→放置135℃环境中坚膜110～130min，制成微流通道母版；所述设定尺寸的微流通道掩膜板的干流通道宽度为100～500μm，支流通道的宽度为50～100μm；所述载波片上，也光刻有与基片上的十字对准标志位置对应的十字对准标志。

⑷制备PDMS混合物：按8:1～12:1的质量比例，取聚二甲基硅氧烷（PDMS）预聚物和固化剂进行混合并搅拌均匀，制成PDMS混合物。

⑸制备带PDMS微通道的PDMS盖板：将所述微流通道母版水平放置在培养皿中→往培养皿中倒入所述PDMS混合物→静置至培养皿中的气泡全部排出→取出并放至80～100℃环境中烘烤90～150min→取出冷却至室温→从微流通道母版上揭下已固化的PDMS混合物→按设定尺寸切取所需要的微流通道，制成带PDMS微通道的PDMS盖板；所述微流通道母版放置在培养皿中时，已涂覆光刻胶的一面朝上。

所述器件组装工艺包括：

⑴将制成的带KNN纳米纤维的基片和带PDMS微通道的PDMS盖板同时放在功率为16～18W、波长为254nm的紫外灯箱中照射2.5～3.5h后取出。

⑵对准PDMS盖板上的十字对准标志与基片上的十字对准标志，将基片与PDMS微通道贴合后压紧，且保持12～18h，使PDMS微通道及KNN纳米纤维压紧并键合在基片的探测电极上，制成完整的具有自供电能力的微流控芯片。

本实用新型的有益效果还包括：

⑴所述微流通道有二个进口、一个出口，其中一个进口泵入液体，另外一个进气体，所述液体和气体交汇后，交汇处形成液滴，该液滴压动压电材料（KNN纳米纤维）并产生形变，由此产生脉冲电压。

⑵本发明是将压电材料引入到微流控芯片领域，通过微通道中微流体的流动来驱动压电材料的形变发电，也就是说，通过在微流控通道中采集和转换流体的机械能成电势能，并将该电势能输出供给敏感单元，形成完整的具有自供电能力的微流控芯片。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的KNN纳米纤维显微示意图；

图2是做探测电板所用的掩膜板示意图；

图3是做微流通道所用的掩膜板示意图；

图4是基片及基片上的探测电极示意图；

图5是盖板及盖板上的PDMS微通道示意图；

图6是基片、KNN纳米纤维、盖板及PDMS微通道之间位置示意图；

图7是本实用新型实施例键合完成并组装好的自供电微流控芯片器件示意图；

图8是本实用新型实施例1中，对器件进行测试显示的电极两端电压随时间变化曲线图；

图9是本实用新型实施例2中，对器件进行测试显示的电极两端电压随时间变化曲线图；

图10是本实用新型实施例3中，对器件进行测试显示的电极两端电压随时间变化曲线图。

图中的标记说明：1—基片，2—探测电极，3—PDMS盖板，4—进气口，5—进液口，6—探测电极接线孔，7—流体出口，8—KNN纳米纤维，9—十字对准标志。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型实施例作进一步说明：

如附图2～7所示，本实用新型具有自供电功能的微流控芯片，包括自下而上依次分布的基片1、探测电极2、KNN纳米纤维8、带PDMS微流通道的PDMS盖板3。基片1是石英玻璃板、探测电极2是在石英玻璃板上通过光刻、溅射以及剥离技术制作的导电电极、KNN纳米纤维8是在探测电极2上采用静电纺丝法大面积制备的铌酸钾钠纳米纤维、带PDMS微流通道的PDMS盖板3是通过在载波片上光刻制备微流通道母版、再利用PDMS预聚物和PDMS固化剂混合搅拌均匀后形成的混合物在微流通道母版上沉积、固化及分离制成。图1是KNN纳米纤维层在扫瞄式电子显微镜下观测到的结构图。

如图5及图7所述，PDMS微通道3包括干流通道和支流通道，所述干流通道的首端有进气口4及进气通道、末端有流体出口7；所述支流通道有进液口5及进液通道，支流通道的位置靠近干流通道的首端，支流通道与干流通道为T型90度交汇，由图5可以看出，支流通道宽度a小于干流通道宽度b。分别自进液口5及进气口4泵入的气液流体在T型交汇处形成液滴，该液滴在干流通道中经KNN纳米纤维层后再向流体出口7处并被导出。

如图4、图5所示，基片1上有十字对准标志9，PDMS盖板3上相应的也有十字对准标志9。

如图7所示，PDMS盖板3上的干流通道末端部分对应的位于KNN纳米纤维8上，PDMS盖板3通过十字对准标志9，将位于PDMS盖板3下部的PDMS微通道及KNN纳米纤维压紧并键合在基片1的探测电极2上。

本实用新型具有自供电功能的微流控芯片的制作方法说明如下：探测电极2的制备、KNN纳米纤维8制备、微流通道的制备和器件组装。其中探测电极2的制备工艺是在长宽均为10～30mm，厚度1～3mm的石英玻璃基片1上，通过公知的光刻及溅射工艺，制备一层厚度为10～100nm的铂或金质探测电极。基片1上还光刻有十字对准标志9。KNN纳米纤维制备工艺引用背景技术所述的已公开专利《一种铌酸钾钠压电纳米纤维柔性发电元件的制备方法》（申请号：201410543111.7）中的技术方案进行铌酸钾钠前躯体的配制，和引用背景技术所述的已公开专利《一种铌酸钾钠压电纳米纤维柔性发电元件的制备方法》（申请号：201410543111.7）中的技术方案，在已制备的探测电极的基片1上，采用静电纺丝法大面积制备铌酸钾钠纳米纤维8，再用棉签擦去覆盖在电极2之外的多余部分纳米纤维，制成带KNN纳米纤维的基片。

将上述制成的带KNN纳米纤维的基片1和PDMS盖板3同时放在紫外灯箱中照射2.5～3.5h后取出。再对准基片1与PDMS盖板3上的十字对准标志，将基片1与PDMS盖板3贴合后压紧，且保持12～18h，使得位于PDMS盖板下部的PDMS微通道及KNN纳米纤维压紧并键合在基片1的探测电极2上，制成完整的具有自供电能力的微流控芯片。以下分三个具体实施例分别详细的介绍其制作工艺，并依次给出实际测量出的脉冲电压波形图。

实施例一：

图2是做电极所用的掩膜板示意图，电极长度为3mm，电极间的间距为100μm，掩膜板外形尺寸是长宽均为30mm。图3是做微流通道所用的掩膜板示意图，图中干流通道宽度为b=100μm，支通道宽度为a=50μm，掩膜板外形尺寸是长宽均为30mm；干流通道与支流通道间的夹角为90度。

实施例二：

设定做电极所用的掩膜板参考图2，电极长度为3mm，电极间的间距为100μm，掩膜板外形尺寸是长宽均为30mm。做微流通道所用的掩膜板参考图3，设定干流通道宽度为b=200μm，支通道宽度为a=50μm，掩膜板外形尺寸是长宽均为30mm；干流通道与支流通道间的夹角为90度。

实施例三：

设定做电极所用的掩膜板参考图2，电极长度为3mm，电极间的间距为200μm，掩膜板外形尺寸是长宽均为30mm。做微流通道所用的掩膜板参考图3，设定干流通道宽度为b=300μm，支通道宽度为a=50μm，掩膜板外形尺寸是长宽均为30mm；干流通道与支流通道间的夹角为90度。

上述三个实施例制成的具有不同自供电功能的微流控芯片，实际在试验台上对所述芯片测量过程是：

取组装好的微流控芯片，分别在微通道气液进出口（4、5、7）以及电极6的引线处扎上小孔，用提前做好的测试平台将微流控芯片固定在测试平台上，并在电极6两端压上压针并连接到测试电表上，在PDMS微通道进出口插上针管并用微泵从气液进口往微通道中注入气体和液体。电表测试的电压数据通过LabVIEW软件实时的显示并记录在电脑上。

通过对该三个器件测试，分别得到了如附图8～10所示的电极两端电压随时间的变化曲线。比较三个实施例可以看出，不同尺寸电极间的间距，以及不同尺寸干流通道宽度，制得的器件测试结果也不相同，当液滴还没有进入该芯片时电极两端电压基本保持在0V附近，一旦液滴进入芯片电压值马上会发生变化，最大电压随着电极间距、以及干流通道宽度的增大而增加。

以上仅为本实用新型的实施例，但并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本实用新型的权利要求范围之内。

Claims (1)

1.一种具有自供电功能的微流控芯片，其特征在于：

包括自下而上依次分布的基片、探测电极、KNN纳米纤维和PDMS盖板；所述基片是石英玻璃板，所述探测电极是在所述基片上通过光刻、溅射及剥离工艺制作的导电电极；所述KNN纳米纤维是在探测电极上采用静电纺丝法大面积制备的铌酸钾钠纳米纤维；所述PDMS盖板下有PDMS微通道，所述PDMS微通道是通过在载波片上光刻制备微流通道母版、再利用PDMS预聚物和PDMS固化剂混合搅拌均匀后的混合物在微流通道母版上沉积、固化及分离工艺制成；

所述PDMS微通道包括干流通道和支流通道，所述干流通道的首端有进气口及进气通道、末端有流体出口；所述支流通道有进液口及进液通道，支流通道的位置靠近干流通道的首端，且：支流通道与干流通道T型交汇，所述支流通道宽度小于干流通道宽度；

所述基片上有十字对准标志，所述PDMS盖板上相应的也有十字对准标志；

所述PDMS微通道的自T型交汇处之后至流体出口之间的干流通道部分，对应的位于KNN纳米纤维上，所述PDMS盖板通过十字对准标志，将PDMS微通道及KNN纳米纤维压紧并键合在基片的探测电极上。