專利名稱：一種介質(zhì)層上的電潤濕微液滴驅(qū)動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于微全分析和微機電裝置范圍，特別涉及一種介質(zhì)層上的電潤濕微液滴驅(qū)動器。
背景技術(shù)：
自從Manz和Widmer于20世紀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，在短短的十余年中已發(fā)展成為當前世界上最前沿的科技領(lǐng)域之一。μTAS的目的是通過化學分析設備的微型化與集成化，最大限度地把分析實驗室的功能轉(zhuǎn)移到便攜的分析設備中，甚至集成到方寸大小的芯片上。因此，μTAS又被稱為芯片實驗室(LOC)。目前，μFAS在化學分析、生化檢測、藥物輸運、分子分離、核酸分子的放大、排序或合成、環(huán)境檢測以及其他方面都有廣泛的應用前景。
對微量甚至痕量液體的操縱與控制是實現(xiàn)微全分析系統(tǒng)的基礎(chǔ)和必須解決的關(guān)鍵問題。根據(jù)微全分析系統(tǒng)中對液體的操作方式，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)報道過的微全分析系統(tǒng)大多基于連續(xù)流系統(tǒng)，液體在充滿了樣品或化學試劑水溶液的封閉溝道中流動，并利用微泵和微閥等器件來產(chǎn)生和控制流體的流動。但是，連續(xù)流系統(tǒng)的缺點在于(1)由于電極和溶液直接接觸，會產(chǎn)生一些電化學反應；(2)需要微泵和微閥等器件，制作工藝復雜，可靠性差；(3)雖然可以通過減小溝道尺寸來減少溝道內(nèi)殘余的液體，但“死區(qū)”現(xiàn)象不可避免；(4)液體的連續(xù)性限制了對液體的操作，溝道之間的相互影響嚴重。為了解決上述問題，近年來對離散化微液滴的操縱與控制在國際上日益成為研究的重點。由于與生化分析實驗室中傳統(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)程直接應用于芯片實驗室中。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預處理或填充微管道，從而會大幅度提高對樣品和試劑的利用率。目前采用氣動、介電電泳(Dielectrophoresis)、介質(zhì)上電潤濕(electrowetting on dielectric，EWOD)等方法已能實現(xiàn)離散化微液滴的產(chǎn)生和輸運，但只有EWOD(即通過改變介質(zhì)膜下面微電極陣列的電勢來控制上面液體與介質(zhì)膜表面的潤濕性)真正實現(xiàn)了液滴的產(chǎn)生、輸運、融合和分割這四個基本操作的一體化和自動化，從而為制造基于微液滴的芯片實驗室奠定了堅實的基礎(chǔ)。
目前，國外基于EWOD驅(qū)動的微液滴裝置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)除敷法制備成薄膜結(jié)構(gòu)。由于TeflonAF1600的價格非常昂貴(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)的研究和芯片實驗室的產(chǎn)業(yè)化無疑會遇到很大的阻礙。另外，由于TeflonAF1600的介電強度很低，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行，勢必會造成介質(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題。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于提出一種介質(zhì)層上的電潤濕微液滴驅(qū)動器，其特征在于所述微液滴驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)是在硅襯底1上的介質(zhì)層為下極板襯底2，在下極板襯底2上為Ti/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。
所述下極板襯底的介質(zhì)層為熱氧化SiO2或單晶硅。
所述下極板材料為Ti/Pt電極或多晶硅電極。
本實用新型的有益效果是基于EWOD的微液滴驅(qū)動器采用單晶硅作為襯底，氣體感應耦合等離子體化學氣相淀積(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)動電壓低、制作工藝簡易、成本低、可進一步將液體的其他操作集成在一個芯片上的特點。


圖1為微液滴驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為圖1的上極板玻璃片的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為微液滴驅(qū)動器的下極板部分結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
本實用新型提出了一種介質(zhì)層上的電潤濕微液滴驅(qū)動器。下面結(jié)合實施例及附圖對本實用新型予以詳細說明如下基于EWOD的微液滴驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，本實施例采用Ti和Pt或多晶硅作為下電極，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4覆蓋在下電極陣列3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(如圖2所示)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(如圖3所示)。去離子水的液滴10被夾在上電極、下電極陣列兩個平板電極中間，上電極作為地電極，而下電極由多個可獨立控制的微電極陣列組成。每個電極為方形，電極之間的間距為20μm。兩個電極之間采用叉指狀結(jié)構(gòu)，使液滴能夠更容易從一個電極運動到另一個電極。為了避免液體和電極之間的接觸和獲得良好的擊穿特性，在上、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相鄰的電極之上，并同時使液滴和上極板接觸。為了避免液滴的揮發(fā)和減少液滴運動時的阻力，液滴周圍是另外一種與其互不相溶的液體，本實施例中為硅油。
如圖1中所示，當液滴跨在三個相鄰的電極上，當在液滴右側(cè)對應電極上施加電勢，而液滴中間和左側(cè)對應電極接地時，施加的電勢使液滴和固體之間的接觸角從110°變?yōu)?5°。而液滴左側(cè)由于沒有電勢作用，和固體表面的接觸角保持不變，仍然為110°。因此，液滴的這種非對稱形變在液滴的兩側(cè)產(chǎn)生了一個壓力差，使液滴向著右側(cè)帶電電極方向運動。
本實施例的制備工藝為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。淀積時采用英國STS公司的Mesc Multiples ICP設備，C4F8作為反應氣體，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。
權(quán)利要求1.一種介質(zhì)層上的電潤濕微液滴驅(qū)動器，其特征在于所述微液滴驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)是在硅襯底(1)上的介質(zhì)層為下極板襯底(2)，在下極板襯底(2)上為Ti/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所述介質(zhì)層上的電潤濕微液滴驅(qū)動器，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所述介質(zhì)層上的電潤濕微液滴驅(qū)動器，其特征在于所述硅襯底為單晶硅或低阻多晶硅。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述介質(zhì)層上的電潤濕微液滴驅(qū)動器，其特征在于所述下極板襯底的介質(zhì)層為熱氧化SiO2或單晶硅。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述介質(zhì)層上的電潤濕微液滴驅(qū)動器，其特征在于所述下極板材料為Ti/Pt電極或多晶硅電極。
專利摘要本實用新型公開了屬于微全分析和微機電裝置范圍的一種介質(zhì)層上的電潤濕微液滴驅(qū)動器。在單晶硅上有一層熱氧化SiO
文檔編號G01N35/10GK2735342SQ20042011790
公開日2005年10月19日 申請日期2004年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月20日
發(fā)明者岳瑞峰, 曾雪鋒, 吳建剛, 胡歡, 劉理天 申請人:清華大學