一种基于电润湿原理的管道状的微流控器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于电润湿原理的管道状的微流控器件及其制备方法，该微流控器件包含设置在衬底上的管状沟道，该管状沟道由衬底层、电极层、介质层、疏水层由下向上依次堆叠的薄膜堆叠结构卷曲构成；该管状沟道的内部作为液体的运输通道，其两端的开口分别作为液体的入口与出口。本发明专利技术通过环绕管道内壁分布的电极结构，提高了器件对液体的操控能力并拓展了适用性，具有设计新颖、制备容易、控制简单、自动化程度高、输出精度高等特点，极大地拓展了微流控技术及现场快速检测技术等的应用范围。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微流控
，涉及基于介质层上电润湿原理的微流控技术及液体的移动过程，具体涉及一种基于电润湿原理的管道状的微流控器件。
技术介绍
芯片实验室可简单定义为能够完成生物化学处理的各个过程、能自动完成传统实验室功能的微小化、集成化微电子机械系统，其目标是在单个器件上集成完全的分析过程，具有高集成度、高精度、低消耗、智能化等优点，在生物、化学等许多领域具有非常好的前景。作为芯片实验室的动力部分，微流控技术起着重要作用。介质上电润湿技术通过电压改变液滴在介质表面的润湿性能以对液体进行操控，具有驱动方式简单、驱动力强、自动化程度高等许多优点，但存在功能单一、集成度低、对液体驱动力较低等不足。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可以实现对小体积液体精确控制与传输的可以一次性大量制备的介质层上电润湿微流控器件，进而改进现有二维平面结构电润湿器件，扩大基于介质层上电润湿原理的微流控技术的应用范围。为达到上述目的，本专利技术提供了一种基于电润湿原理的管道状的微流控器件，该微流控器件包含设置在衬底上的管状沟道，该管状沟道由衬底层、电极层、介质层、疏水层由下向上依次堆叠的薄膜堆叠结构卷曲构成；该管状沟道的内部作为液体的运输通道，其两端的开口分别作为液体的入口与出口。其中，所述的衬底的作用是用于辅助制备过程，并对完成的管道状器件进行支撑，同时其表面也可制备其他器件，进而实现多部分的级联。所述的衬底层采用绝缘材料。所述的电极层包含若干驱动电极，电极两两之间电气隔离。所述的电极层中的驱动电极环绕分布于管道壁内。所述的驱动电极的上下表面在其未卷曲形成管状沟道前分别处于同一平面。所述驱动电极的形状、大小以及其排布形式并不严格规定，以实现其功能为设计准则，但电极尺寸应保证可以环绕管道内部的液体，从而增大驱动电极与液体的接触面积(驱动电极与液体的接触面积指的是二者沿管道半径方向的投影的交叠面积。电润湿原理对液体的驱动力与该交叠区域的包络线长度成正比，因此在交叠区域形状不变的情况下，接触面积越大，包络线长度越长，电极对液体的驱动能力越强)，以实现其作为环绕电极更加精准有效操纵液体的目的。所述的电极层的材料选择金属材料或导电透明的非金属材料，该非金属材料包含氧化铟锡和/或掺铝的氧化锌。所述的介质层材料选择具有一定介电常数与抗击穿能力的不导电物质，优选介电常数高且抗击穿能力强的物质，包括但不限于脂环族环氧树脂CEP、SU-8、二氧化硅、氧化钛、五氧化二钽等。所述的疏水层的材料选择能够降低液滴表面接触势的材料，包括但不限于特氟龙Teflon、氟树脂Cytop等。本专利技术还提供了一种根据上述的基于电润湿原理的管道状的微流控器件的制备方法，该方法包含：步骤1，制备牺牲层：根据需要的尺寸和形状，在衬底的表面制备牺牲层；该衬底的材料可选用硅等；牺牲层材料应与其他部分材料不同，且牺牲层材料的选取应保证其在最后移除时，不会对其他部分的材料造成损伤；步骤2，制备薄膜堆叠结构：在牺牲层上依次制备衬底层、电极层、介质层和疏水层，形成薄膜堆叠结构；该薄膜堆叠结构完全覆盖牺牲层且部分该薄膜堆叠结构直接与衬底接触；各层薄膜材料内部应有方向与大小一致的张应力，或方向与大小一致的压应力；原理上来说，应力可由材料及结构二者共同决定，本专利技术中主要通过薄膜材料生长过程控制，控制因素主要来自两方面：1、堆叠结构中各层薄膜的热膨胀系数不同，自上而下依次增大或减小，则在高温条件下生长的薄膜结构在降温时会向上或向下卷曲；2、在薄膜生长过程中，通过控制淀积过程中的温度、速率、氛围等参数，在薄膜内部引入张应力或压应力；步骤3，制备管状沟道：去除牺牲层，薄膜堆叠结构在应力作用下卷曲成为沟道结构。较佳地，步骤3中，去除牺牲层的方法为化学刻蚀法；化学刻蚀应选用仅与牺牲层材料反应而不与薄膜堆叠结构反应的试剂。所述的“液体”是指能用于介质层上电润湿驱动的液滴，其成分并不限定，可以是单一的生物样品，也可以是多成分组成；同时其大小也不限定，但应考虑到液滴驱动结构的限制并与之相适应。本专利技术以介质层上电润湿原理及薄膜结构在应力作用下的自发卷曲行为为基础，提出一种基于电润湿原理的管道状的微流控器件，通过环绕分布的驱动电极提高了对管道内液体的操纵能力。典型的基于介质上电润湿(EWOD)器件均为开放式结构，而本专利技术侧壁环绕驱动电极的管道能够更加精准地控制液滴并增加对于液滴的控制能力，因此可以在很大程度上解决常规电润湿器件对液体操控力不足的现象，更加可以利于精确操控更小的液滴(如飞升以下，1飞升＝10-15升)。这对于极小量高毒性的病灶处定点给药(如直接给癌细胞给药)重要意义。本专利技术提出的基于电润湿原理的管道状的微流控器件具有如下优势：1)全部制备过程都可通过薄膜工艺完成，管状结构由薄膜层叠结构在内部应力作用下自发形成，简化了制作工艺；2)液滴输运可以完全自动化，速度快，通量高，精度高，并实现对液滴行为的精准控制；3)器件尺寸小，操作及功能与传统微流控器件相兼容，有利于更多功能的集成及应用范围的拓展。附图说明图1是本专利技术的基于电润湿原理的管道状的微流控器件的结构示意图(纵向剖面图)。图2是本专利技术的基于电润湿原理的管道状的微流控器件的结构在制备薄膜堆叠结构时的示意图(纵向剖面图)。具体实施方式以下结合附图通过具体实施例对本专利技术作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本专利技术，并不是对本专利技术保护范围的限制。本专利技术提供的基于介质层上电润湿原理的管道状的微流控器件是通过结构设计和驱动信号控制来实现对液体的精准有效操控的，因此可以有多种配置方式，且可以配置于各种微流芯片中。本专利技术的基于介质层上电润湿原理的管道状的微流控器件的结构示意图(纵向剖面图)如图1所示，该微流控器件包含设置在衬底上100的管状沟道，该管状沟道由衬底层101、电极层102、介质层103、疏水层103自衬底起由下向上依次堆叠的薄膜堆叠结构卷曲构成；该管状沟道的内部作为液体的运输通道，其两端的开口分别作为液体的入口与出口。用作衬底层101的材料并不固定，只要绝缘即可；电极层102的材料原则上可以由任何导电材料组成，但为降低能耗与发热量，优选导电性好的金属材料；为了扩展芯片功能集成及便于观察，电极层102材料也可选为导电透明材料，如氧化铟锡(ITO)、掺铝的氧化锌(AZO)等；所有电极的大小、间隔及个数并不限定，本说明书仅以一定数目及规格的电极为例；附图只为原理性示意图，并不精确反应电极的位置及排布，亦不精确表示各部分间的尺寸比例。本专利技术在制备过程中必须使牺牲层105具有一定的形状，实际制备中，可采用光刻刻蚀或机械方法等实现。薄膜堆叠结构在制备时，其内部应有一定的应力，实际制备中，可采用控制薄膜淀积参数或退火等方式进行控制。牺牲层105在制备末期应被去除，以使薄膜堆叠结构能够因其内部应力卷曲成为管状，实际制备中，可采用湿法刻蚀等方式进行，并应注意控制其反应速度。在本专利技术中，通过控制对电极层102(驱动电极阵列)施加电压控制信号与接地的顺序即可对管道内液液体进行驱动。本专利技术中，所述驱动电极施加电压是指芯片实施液体操控时对应电极的电压被置成不为0以使电润湿驱动能够发生。本专利技术中，所述“接地”是指芯片实施液滴操控时对应电极的电压被置成0或与0足够接近本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于电润湿原理的管道状的微流控器件，其特征在于，该微流控器件包含设置在衬底上（100）的管状沟道，该管状沟道由衬底层（101）、电极层（102）、介质层（103）、疏水层（104）由下向上依次堆叠的薄膜堆叠结构卷曲构成；该管状沟道的内部作为液体的运输通道，其两端的开口分别作为液体的入口与出口。

【技术特征摘要】
1.一种基于电润湿原理的管道状的微流控器件，其特征在于，该微流控器件包含设置在衬底上（100）的管状沟道，该管状沟道由衬底层（101）、电极层（102）、介质层（103）、疏水层（104）由下向上依次堆叠的薄膜堆叠结构卷曲构成；该管状沟道的内部作为液体的运输通道，其两端的开口分别作为液体的入口与出口。2.如权利要求2所述的基于电润湿原理的管道状的微流控器件，其特征在于，所述的衬底层（101）采用绝缘材料。3.如权利要求1所述的基于电润湿原理的管道状的微流控器件，其特征在于，所述的电极层（102）包含若干驱动电极，电极两两之间电气隔离。4.如权利要求3所述的基于电润湿原理的管道状的微流控器件，其特征在于，所述的电极层（102）中的驱动电极环绕分布于管道壁内。5.如权利要求3所述的基于电润湿原理的管道状的微流控器件，其特征在于，所述的驱动电极的上下表面在其未卷曲形成管状沟道前分别处于同一平面。6.如权利要求1所述的基于电润湿原理的管道状的微流控器件，其特征在于，所述的电极层（102）的材料选择金属材料或导电透明的非金属材料，该非金属材料包含氧化铟锡和/或掺...

【专利技术属性】
技术研发人员：王伟，周嘉，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31