本发明专利技术公开了一种石墨烯电极数字微流控芯片，包括带有石墨烯电极的基板与上盖板，带有石墨烯电极的基板中包括带有石墨烯电极的基底，该石墨烯电极通过激光烧蚀基底诱导生成，具有如下结构之一：A)包括驱动电极阵列、连接导线与接口电极阵列，三者均匀排布于所述基底的上表面；B)包括驱动电极阵列与贯穿电极阵列，驱动电极阵列均匀排布于基底的上表面，贯穿电极阵列垂直贯穿基底，单个驱动电极与单个贯穿电极间垂直连接；C)包括驱动电极阵列、贯穿电极阵列、连接导线与接口电极阵列。本发明专利技术公开的石墨烯电极数字微流控芯片，制作工艺简单、加工效率高、制作周期短；还可构建多层电极结构，大幅提高电极阵列的密度，实现高通量；且环境友好。环境友好。环境友好。
【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯电极数字微流控芯片及其制备方法
[0001]本专利技术涉及数字微流控芯片
，尤其涉及一种石墨烯电极数字微流控芯片。
技术介绍
[0002]数字微流控(Digitalmicrofluidics，DMF)是微流控领域中一种新兴的液滴操控技术。该技术可以实现液滴的生成、移动、分裂、融合等操作，具有结构简单、操控灵活等优点。目前，数字微流控技术已被广泛应用于化学、生物学、医学等领域。
[0003]对于DMF的绝大多数应用场景而言，如核酸检测、蛋白质检测、单细胞分析等，为了避免样品间的交叉污染，每一块芯片都应当是“一次性的”。与此同时，即时检验(Point
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caretesting，POCT)等实际应用还对芯片的成本与制备周期提出了较高的要求。此外，在芯片上进行液滴分裂、融合、试样混合等操作时，往往需要多个电极配合，因此驱动电极的密度越大，芯片处理液滴的能力就越强，从而有利于芯片进行多路复用、并行分析等操作。然而，现有的DMF芯片技术在成本、电极密度、制作简便性、以及环境友好性等方面仍然存在着诸多限制。
[0004]传统的DMF芯片主要采用光刻、蚀刻或者溅射等技术在玻璃基底上加工金属图案化电极。这类芯片的成本高，制作工艺复杂，通量低，对于加工环境与设备也有严格要求，因此仅适用于实验室研究，而不适合大规模应用。此外，受工艺所限，此类芯片的驱动电极、连接导线以及接口电极等均位于同一平面上，因此无法大幅度提高驱动电极的密度和数量。
[0005]另一类较为常见的DMF芯片是基于印刷电路板(Printed circuit board,PCB)技术。这类芯片的加工工艺成熟，同时还可以通过多层设计集成更密、更多的驱动电极。尽管芯片成本也比玻璃基底的芯片有所降低，但其最终价格仍取决于生产规模，这对于实验室研究以及小规模应用显然是不友好的。此外，作为一种典型的电子器件，基于PCB的DMF芯片在大规模应用时(例如临床检测)，势必会产生大量的电子垃圾。因此，如何回收处理这些电子垃圾也将成为限制此类芯片大范围应用的重大挑战之一。
[0006]为了解决DMF芯片的上述问题，部分研究选择了将纸作为DMF芯片的基底。这类芯片是利用喷墨打印或丝网印刷等方式，将导电油墨印刷在基底上，作为图案化电极阵列。纸基DMF芯片的成本更为低廉，制作工艺也比较简单。然而，在其加工过程中，通常需要额外提供导电墨水，对于作为基底的纸张也有着较高的要求。此外，纸基DMF芯片的驱动电极、连接导线以及接口电极等也位于同一平面上，因此也无法大幅度提高驱动电极的密度和数量。
[0007]综上所述，目前尚无可以同时满足成本低，制作简单、通量高，电极密度大，环境友好等要求的DMF芯片。因此，亟需发展新型的DMF芯片及其加工技术，以全面解决上述这些问题。
技术实现思路
[0008]针对以上问题，本专利技术公开了一种石墨烯电极数字微流控芯片，制作工艺简单、加
工效率高、制作周期短，可大幅降低芯片的成本；通过特殊工艺还可构建多层电极结构，可大幅提高电极阵列的密度，实现高通量；且带有石墨烯电极的基板原料选自常见聚合物材料，不涉及金属材料，不产生电子垃圾，更加环境友好。
[0009]具体技术方案如下：
[0010]一种石墨烯电极数字微流控芯片，包括带有石墨烯电极的基板与上盖板：
[0011]所述带有石墨烯电极的基板，由下至上包括带有石墨烯电极的基底，覆盖于所述石墨烯电极上的功能层，所述功能层选自单独的介质层和疏水层，或者是复合疏水介质层；
[0012]所述石墨烯电极具有如下结构之一：
[0013]A)包括驱动电极阵列、连接导线与接口电极阵列，三者均匀排布于所述基底的上表面，驱动电极阵列通过连接导线与接口电极阵列相连，再通过接口电极阵列与外部控制电路相连；
[0014]B)包括驱动电极阵列与贯穿电极阵列，所述驱动电极阵列均匀排布于所述基底的上表面，所述贯穿电极阵列垂直贯穿所述基底，单个驱动电极与单个贯穿电极间垂直连接，并通过贯穿电极与外部控制电路相连；
[0015]C)包括驱动电极阵列、贯穿电极阵列、连接导线与接口电极阵列，所述驱动电极阵列均匀排布于所述基底的上表面，所述贯穿电极阵列垂直贯穿所述基底，单个驱动电极与单个贯穿电极间垂直连接，再通过连接导线与接口电极阵列及外部控制电路相连；
[0016]所述石墨烯电极通过激光烧蚀基底诱导生成。
[0017]本专利技术公开的制备方法通过激光直接烧蚀基底诱导生成石墨烯来制作电极，可以大大简化加工工艺，提高加工效率，缩短制作周期；并且根据不同的应用场景，石墨烯电极具有三种可选择的结构。
[0018]当应用场景中对电极密度或电极数量要求不高时，石墨烯电极按方案A)布置，省去双面加工步骤，简化制作工艺；
[0019]当应用场景中需要使用高密度或高数量的电极时，且驱动电极阵列下方不需集成其它设备，石墨烯电极按方案B)布置，双层电极结构的设置可大幅提高电极阵列的密度，实现高通量，并省去连接导线与接口电极阵列加工步骤，简化加工工艺；
[0020]若驱动电极阵列下方需要集成其它设备，如温控设备或电磁铁等，石墨烯电极按方案C)布置，为上述设备提供空间。
[0021]方案B)与方案C)中，优选的，所述贯穿电极阵列中单个贯穿电极的面积小于或等于驱动电极阵列中单个驱动电极的面积。
[0022]所述上盖板，包括从下至上依次设置的疏水层、选择性嵌入的导电层、以及上支撑层。
[0023]所述石墨烯电极中：
[0024]优选的：驱动电极阵列、贯穿电极阵列、连接导线与接口电极阵列中，单个电极或单条导线的方阻均选自5～300Ω；
[0025]试验发现，无法通过调整参数加工出过薄的石墨烯电极；当石墨烯电极高度过高时，易在加工介质层或复合疏水介质层时，在驱动电极阵列相邻电极的间隔处产生表面不平整的现象，从而导致液滴无法正常运动。
[0026]优选的：驱动电极阵列、连接导线与接口电极阵列中，单个电极或单条导线的高度
h均选自10～70μm；进一步优选为15～35μm。
[0027]试验发现，当电极间距过小时，相邻电极之间连通的风险增大，这将导致芯片在使用过程中出现击穿或短路现象；当电极间距过大时，会影响液滴的正常移动与分裂等功能。
[0028]优选的，所述驱动电极阵列中相邻电极的最小间距d选自70～150μm；进一步优选为90～110μm。
[0029]试验发现，当连接导线宽度过小时，其电阻将大幅增加，且加工过程中存在导线断路的风险；当连接导线宽度过大时，可能会使导线牵引液滴，影响液滴的运动，同时还将占用较大面积，不利于芯片表面布线。
[0030]优选的，所述连接导线的宽度w选自300～500μm，进一步优选为300～400μm。
[0031]所述驱动电极阵列中单个驱动电极的面积由芯片上待处理的液体体积决定。
[0032]所述本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种石墨烯电极数字微流控芯片，包括带有石墨烯电极的基板与上盖板，其特征在于：所述带有石墨烯电极的基板，由下至上包括带有石墨烯电极的基底，覆盖于所述石墨烯电极上的功能层，所述功能层选自单独的介质层和疏水层，或者是复合疏水介质层；所述石墨烯电极具有如下结构之一：A)包括驱动电极阵列、连接导线与接口电极阵列，三者均匀排布于所述基底的上表面，驱动电极阵列通过连接导线与接口电极阵列相连，再通过接口电极阵列与外部控制电路相连；B)包括驱动电极阵列与贯穿电极阵列，所述驱动电极阵列均匀排布于所述基底的上表面，所述贯穿电极阵列垂直贯穿所述基底，单个驱动电极与单个贯穿电极间垂直连接，并通过贯穿电极与外部控制电路相连；C)包括驱动电极阵列、贯穿电极阵列、连接导线与接口电极阵列，所述驱动电极阵列均匀排布于所述基底的上表面，所述贯穿电极阵列垂直贯穿所述基底，单个驱动电极与单个贯穿电极间垂直连接，再通过连接导线与接口电极阵列及外部控制电路相连；所述石墨烯电极通过激光烧蚀基底诱导生成。2.根据权利要求1所述的石墨烯电极数字微流控芯片，其特征在于，所述上盖板，包括从下至上依次设置的疏水层、选择性嵌入的导电层、以及上支撑层。3.根据权利要求1所述的石墨烯电极数字微流控芯片，其特征在于，所述石墨烯电极中：驱动电极阵列、贯穿电极阵列、连接导线与接口电极阵列中，单个电极或单条导线的方阻均选自5～300Ω；驱动电极阵列、连接导线与接口电极阵列中，单个电极或单条导线的高度h均选自10～70μm；所述驱动电极阵列中相邻驱动电极的最小间距d选自70～150μm；所述连接导线的宽度w选自300～500μm。4.根据权利要求1所述的石墨烯电极数字微流控芯片，其特征在于：所述基底选自薄膜、薄板、胶带或纸，材质选自聚酰亚胺、酚醛树脂、聚砜、聚醚砜、聚亚苯基砜中的一种或多种；所述带有石墨烯电极的基板，最下方还选择性设有下支撑层。5.根据权利要求1所述的石墨烯电极数字微流控芯片，其特征在于：所述介质层为具有高介电常数的薄层，厚度选自10～120μm，相对介电常数选自3～10；所述介质层的厚度大于所述驱动电极阵列的高度h；所述带有石墨烯电极的基板中的疏水层为具有疏水性的薄层；所述疏水性的薄层的水接触角大于105
°
【专利技术属性】
技术研发人员：张涛，刘科，何宇，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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