專利名稱：基于介質(zhì)層上電潤(rùn)濕的微液滴驅(qū)動(dòng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微全分析系統(tǒng)和微機(jī)電系統(tǒng)范圍，特別涉及一種基于介質(zhì)層上電潤(rùn)濕的微液滴驅(qū)動(dòng)器。
背景技術(shù)：
自從Manz和Widmer于20世紀(jì)90年代初首次提出微全分析系統(tǒng)(miniaturized total analysis system，μTAS)的概念以來(lái)，在短短的十余年中已發(fā)展成為當(dāng)前世界上最前沿的科技領(lǐng)域之一。μTAS的目的是通過(guò)化學(xué)分析設(shè)備的微型化與集成化，最大限度地把分析實(shí)驗(yàn)室的功能轉(zhuǎn)移到便攜的分析設(shè)備中，甚至集成到方寸大小的芯片上。因此，μTAS又被稱為芯片實(shí)驗(yàn)室(LOC)。目前，μTAS在化學(xué)分析、生化檢測(cè)、藥物輸運(yùn)、分子分離、核酸分子的放大、排序或合成、環(huán)境檢測(cè)以及其他方面都有廣泛的應(yīng)用前景。
對(duì)微量甚至痕量液體的操縱與控制是實(shí)現(xiàn)微全分析系統(tǒng)的基礎(chǔ)和必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。根據(jù)微全分析系統(tǒng)中對(duì)液體的操作方式，可以將微全分析系統(tǒng)分為連續(xù)流系統(tǒng)和離散流系統(tǒng)兩種。目前，已經(jīng)報(bào)道過(guò)的微全分析系統(tǒng)大多基于連續(xù)流系統(tǒng)，液體在充滿了樣品或化學(xué)試劑水溶液的封閉溝道中流動(dòng)，并利用微泵和微閥等器件來(lái)產(chǎn)生和控制流體的流動(dòng)。但是，連續(xù)流系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于(1)由于電極和溶液直接接觸，會(huì)產(chǎn)生一些電化學(xué)反應(yīng)；(2)需要微泵和微閥等器件，制作工藝復(fù)雜，可靠性差；(3)雖然可以通過(guò)減小溝道尺寸來(lái)減少溝道內(nèi)殘余的液體，但“死區(qū)”現(xiàn)象不可避免；(4)液體的連續(xù)性限制了對(duì)液體的操作，溝道之間的相互影響嚴(yán)重。為了解決上述問(wèn)題，近年來(lái)對(duì)離散化微液滴的操縱與控制在國(guó)際上日益成為研究的重點(diǎn)。由于與生化分析實(shí)驗(yàn)室中傳統(tǒng)的操作概念非常類似，離散化微液滴系統(tǒng)可將現(xiàn)有的生化分析規(guī)程直接應(yīng)用于芯片實(shí)驗(yàn)室中。與連續(xù)微流體不同，它只需要極少或不需要外加的液體來(lái)預(yù)處理或填充微管道，從而會(huì)大幅度提高對(duì)樣品和試劑的利用率。目前采用氣動(dòng)、介電電泳(Dielectrophoresis)、介質(zhì)上電潤(rùn)濕(electrowetting on dielectric，EWOD)等方法已能實(shí)現(xiàn)離散化微液滴的產(chǎn)生和輸運(yùn)，但只有EWOD(即通過(guò)改變介質(zhì)膜下面微電極陣列的電勢(shì)來(lái)控制上面液體與介質(zhì)膜表面的潤(rùn)濕性)真正實(shí)現(xiàn)了液滴的產(chǎn)生、輸運(yùn)、融合和分割這四個(gè)基本操作的一體化和自動(dòng)化，從而為制造基于微液滴的芯片實(shí)驗(yàn)室奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
目前，國(guó)外基于EWOD驅(qū)動(dòng)的微液滴系統(tǒng)都是由具有微電極陣列的玻璃襯底和帶有氧化銦錫(ITO)透明導(dǎo)電玻璃蓋板組成，液滴夾在它們之間；與液體接觸的關(guān)鍵高厭水性介質(zhì)膜材料都是采用TeflonAF1600(特氟隆)，利用旋轉(zhuǎn)涂敷法制備成薄膜結(jié)構(gòu)。由于TeflonAF1600的價(jià)格非常昂貴(約為黃金的6倍)并且消耗量較大，將其用于微全分析系統(tǒng)的研究和芯片實(shí)驗(yàn)室的產(chǎn)業(yè)化無(wú)疑會(huì)遇到很大的阻礙。另外，由于TeflonAF1600的介電強(qiáng)度很低，必須在其下首先淀積SiO2等其它介質(zhì)薄膜，而玻璃不耐高溫，制備這些介質(zhì)膜只能在較低的溫度下進(jìn)行，勢(shì)必會(huì)造成介質(zhì)膜結(jié)構(gòu)比較疏松而絕緣性能較差，從而存在一定的漏電和擊穿問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種基于介質(zhì)層上電潤(rùn)濕的微液滴驅(qū)動(dòng)器?；诮橘|(zhì)層上電潤(rùn)濕(EWOD)的微液滴驅(qū)動(dòng)器利用EWOD效應(yīng)，在介質(zhì)層下的一個(gè)或多個(gè)微電極上施加電勢(shì)來(lái)改變此處液體和介質(zhì)層表面的表面張力，從而改變兩者之間的接觸角。這個(gè)非對(duì)稱的接觸角變化在液滴兩端形成了一個(gè)壓力差，從而驅(qū)動(dòng)液滴運(yùn)動(dòng)。
所述微液滴驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)是在硅襯底1上有一層熱氧化SiO22作為下極板襯底，在SiO2襯底上為T(mén)i/Pt下電極陣列3，一層薄膜介質(zhì)層4覆蓋在上面，碳氟聚合物薄膜厭水層5覆蓋在介質(zhì)層4上，帶厭水層5和ITO層6的上極板玻璃片7由支撐物8支撐在下電極陣列3的上方，下電極陣列3與外部引線9連接。
所述薄膜介質(zhì)層為Si3N4薄膜或SiO2薄膜。
所述硅襯底為單晶硅或低阻多晶硅。
實(shí)現(xiàn)微液滴驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)有兩種方案方案1在單晶硅上熱氧化生長(zhǎng)一層SiO2作為下極板的襯底；在襯底上分別濺射金屬Ti和Pt薄膜，并經(jīng)過(guò)光刻和刻蝕形成Ti/Pt下電極陣列；在下電極上用低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)工藝淀積Si3N4薄膜作為介質(zhì)層；最后用ICP-CVD工藝淀積碳氟聚合物薄膜作為厭水層。上極板為帶有ITO的玻璃片，并用ICP-CVD工藝淀積碳氟聚合物薄膜作為厭水層。
方案2在低阻多晶硅表面用熱氧化方法生成SiO2薄膜作為下極板的襯底；并以低阻多晶硅代替Ti/Pt下電極陣列；在方案1的工藝中將Si3N4薄膜介質(zhì)層用在低阻多晶硅表面熱氧化生成SiO2薄膜代替，其余工藝相同。
本發(fā)明的有益效果是基于EWOD的微液滴驅(qū)動(dòng)器采用單晶硅作為襯底，氣體感應(yīng)耦合等離子體化學(xué)氣相淀積(ICP-CVD)工藝淀積的碳氟聚合物薄膜作為厭水層，具有液滴驅(qū)動(dòng)電壓低、制作工藝簡(jiǎn)易、成本低、可進(jìn)一步將液體的其他操作集成在一個(gè)芯片上的特點(diǎn)。


圖1.我微液滴驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2.攝像機(jī)捕捉到的在EWOD作用下去離子水液滴運(yùn)動(dòng)的圖像(電壓為35V，頻率為2Hz，占空比為1∶1)。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明提出的基于EWOD的微液滴驅(qū)動(dòng)器，結(jié)合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說(shuō)明如下基于EWOD的微液滴驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，本實(shí)施例采用Ti和Pt作為下電極、下電極陣列3與外部引線9連接。LPCVD淀積的Si3N4薄膜作為介質(zhì)層。去離子水的液滴10被夾在兩個(gè)平板電極中間，上電極作為地電極，而下電極由多個(gè)可獨(dú)立控制的微電極陣列組成。每個(gè)電極為方形，電極之間的間距為20μm。兩個(gè)電極之間采用叉指狀結(jié)構(gòu)，使液滴能夠更容易從一個(gè)電極運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)電極。為了避免液體和電極之間的接觸和獲得良好的擊穿特性，在下電極表面都覆蓋有一層作為介質(zhì)層的Si3N4薄膜。為了能夠順利地驅(qū)動(dòng)液滴，調(diào)整上下極板的間距及液滴的大小，使得初始的液滴至少跨在三個(gè)相鄰的電極之上，并同時(shí)使液滴和上極板接觸。為了避免液滴的揮發(fā)和減少液滴運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力，液滴周圍是另外一種與其互不相溶的液體，本實(shí)施例中為硅油。
基于EWOD的微液滴驅(qū)動(dòng)控制器利用EWOD原理，通過(guò)在介質(zhì)層下的一個(gè)或多個(gè)微電極上施加電勢(shì)來(lái)改變此處液體和介質(zhì)層表面的表面張力，從而改變兩者之間的接觸角。初始時(shí)刻，去離子水液滴和帶有碳氟聚合物薄膜的上下極板表面的接觸角都相同，為110°，這里忽視重力對(duì)于液滴的影響。根據(jù)Lippmann方程，固體-液滴之間的接觸角θ由介質(zhì)層上施加的電勢(shì)V決定，cosθ(V)=cosθ(0)+121γdrop-oilCV2]]>其中γoil-drop為油-液滴之間的表面張力，C為介質(zhì)層單位面積的電容。但是由于電容分壓和接觸角飽和等因素的影響，實(shí)際接觸角變化所需要的電壓大于理論值。假設(shè)施加一定電勢(shì)后，兩者之間的接觸角變?yōu)?5°。
如圖1中所示，當(dāng)液滴跨在三個(gè)相鄰的電極上，當(dāng)在液滴右側(cè)對(duì)應(yīng)電極上施加電勢(shì)，而液滴中間和左側(cè)對(duì)應(yīng)電極接地時(shí)，施加的電勢(shì)使液滴和固體之間的接觸角從110°變?yōu)?5°。而液滴左側(cè)由于沒(méi)有電勢(shì)作用，和固體表面的接觸角保持不變，仍然為110°。因此，液滴的這種非對(duì)稱形變?cè)谝旱蔚膬蓚?cè)產(chǎn)生了一個(gè)壓力差，使液滴向著右側(cè)帶電電極方向運(yùn)動(dòng)。
本實(shí)施例的制備工藝為1.采用單晶硅作為下極板的襯底。
2.在1050℃條件下熱氧化生長(zhǎng)6000的SiO2。
3.濺射200厚的鈦和1800厚的鉑作為下電極，并利用正膠剝離工藝制作微電極陣列的圖形。每個(gè)電極大小為1.4×1.4mm2，電極之間的間距為20μm；在方案2中以多晶硅下電極，替代方案1中的Ti/Pt電極。
4.在微電極陣列上利用LPCVD工藝覆蓋一層2800厚的Si3N4薄膜作為介質(zhì)層。
5.利用ICP-CVD，在室溫條件下在Si3N4薄膜上淀積一層200厚的碳氟聚合物薄膜作為厭水層。淀積時(shí)采用英國(guó)STS公司的Mesc Multiples ICP設(shè)備，C4F8作為反應(yīng)氣體，流量為80sccm，壓力為9Pa，射頻功率為600W。
6.上極板的襯底為帶有透明導(dǎo)電薄膜ITO的玻璃片。在上述相同的工藝條件下，用ICP-CVD在ITO上淀積一層200厚的碳氟聚合物薄膜作為厭水層。
7.在下極板上用雙面膠帶制作支撐物，把上極板放在支撐物上，上下極板之間的間隙由雙面膠帶制作的支撐物厚度決定，厚度為150μm。
測(cè)試時(shí)，將去離子水液滴用注射器滴到下極板的電極表面，然后將上極板放到支撐物上，液滴的體積為2μL。為了減小介質(zhì)層被擊穿的可能性，我們?cè)陔姌O上施加頻率和占空比可調(diào)的脈沖信號(hào)。采用我們自己研發(fā)的單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)控制電極上的電壓信號(hào)，該系統(tǒng)由幅值可調(diào)的直流電源、光電繼電器、單片機(jī)及外圍電路組成。單片機(jī)輸出頻率和占空比都可調(diào)的脈沖信號(hào)，再通過(guò)該信號(hào)控制光電繼電器打開(kāi)或關(guān)斷電極和電源或地之間的通路，在電極上施加合適的電壓脈沖信號(hào)。當(dāng)電壓脈沖信號(hào)的頻率為2Hz，占空比為1∶1時(shí)，可以獲得良好的驅(qū)動(dòng)效果。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，去離子水液滴在本實(shí)施例中測(cè)試時(shí)，當(dāng)電壓加到5V時(shí)，可以觀察到明顯的電潤(rùn)濕現(xiàn)象，此時(shí)液滴振動(dòng)頻率和所加的電壓脈沖信號(hào)的頻率相同；當(dāng)電壓超過(guò)30V時(shí)，可以觀察到迅速并且可重復(fù)的液滴運(yùn)動(dòng)。更高的電壓可以使液滴的運(yùn)動(dòng)更加迅速，但是也使得Si3N4薄膜介質(zhì)層更容易擊穿。圖2中給出了在35V，頻率為2Hz，占空比為1∶1的條件下，用攝像機(jī)捕捉到的去離子水液滴在EWOD作用下運(yùn)動(dòng)的圖像。
權(quán)利要求
1.一種基于介質(zhì)層上電潤(rùn)濕的微液滴驅(qū)動(dòng)器，其特征在于所述微液滴驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)是在硅襯底(1)上有一層熱氧化SiO2(2)下極板襯底，在SiO2襯底上為T(mén)i/Pt下電極陣列(3)，一層薄膜介質(zhì)層(4)覆蓋在上面，碳氟聚合物薄膜厭水層(5)覆蓋在介質(zhì)層(4)上，帶厭水層(5)和ITO層(6)的上極板玻璃片(7)由支撐物(8)支撐在下電極陣列(3)的上方，下電極陣列(3)與外部引線(9)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于介質(zhì)層上電潤(rùn)濕的微液滴驅(qū)動(dòng)器，其特征在于所述薄膜介質(zhì)層為Si3N4薄膜或SiO2薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于介質(zhì)層上電潤(rùn)濕的微液滴驅(qū)動(dòng)器，其特征在于所述下電極陣列(3)在第二方案中以低阻多晶硅代替Ti/Pt下電極陣列(3)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了屬于微全分析系統(tǒng)和微機(jī)電系統(tǒng)范圍的一種基于介質(zhì)層上電潤(rùn)濕的微液滴驅(qū)動(dòng)器。在單晶硅上有一層熱氧化SiO
文檔編號(hào)B81B7/00GK1587023SQ200410080348
公開(kāi)日2005年3月2日 申請(qǐng)日期2004年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月30日
發(fā)明者岳瑞峰, 曾雪鋒, 吳建剛, 胡歡, 劉理天 申請(qǐng)人:清華大學(xué)