一种喷墨打印数字微流控芯片的制造方法与流程

本发明属于数字微流控技术与印刷技术的交叉领域，具体涉及一种喷墨打印数字微流控芯片的制造方法。

背景技术：

微全分析系统，又称为芯片实验室，主要是将常规实验所涉及的样品制备、反应、分离、检测等操作集成于一个微米级的芯片上，是一个由微电子于流体物理、分析化学、生物医学等学科相互交叉而萌生的新兴研究领域。微流控，是微全分析系统中一个重要的支撑技术。是以微全分析系统(mems)技术为基础制备微流控芯片，实现分析系统的小型化、集成化、低成本和高效率。

微流控芯片是微流控领域中一个新兴的概念。广义指一系列新型的基于离散液滴操纵技术的统称，可以分为介电泳法、介电湿润法、磁力法、声表面波法等，狭义特指介电湿润的数字微流控技术。微流控芯片集成的单元部件越来越多，且集成的规模也归来越大，使微流控芯片有着强大的集成性。同时可以大量平行处理样品，具有高通量的特点，分析速度快、耗低，物耗少，污染小，分析样品所需要的试剂量仅几微升至几十个微升，被分析的物质的体积甚至在纳升级或皮升级。因此，微流控分析系统在生物医学研究、药物合成筛选、环境监测与保护、卫生检疫、司法鉴定、生物试剂的检测等众多领域的应用提供了极为广阔的前景。

传统的微流控芯片，利用mems微加工技术在芯片上集成微阀、微泵、微小电极和微小传感器等器件，同时在芯片表面刻蚀出微型沟道，通过流体在沟道中的流动完成分离、运输、检测等分析过程。微流控芯片又可分为连续微流控芯片和数字微流控芯片。其中连续微流控芯片的操控对象为连续流体，而数字微流控芯片的操控对象为单个独立的微液滴。

数字微流控芯片(dmf)的操控对象是单个或者多个独立的液滴，而液滴本身不需要隔断，所以数字微流控芯片避开了微阀的设计，且液滴的移动由电极阵列所释放的驱动电场完成，构造简易且易于实现集成化。相对于连续微流控芯片还具有如下优点：消耗样品剂量少，不易造成浪费，同时使样品处理更便捷省时；其可对任何样品进行操控，应用范围广泛。

最主流的数字微流控芯片的制作工艺是利用mems制造工艺制作。mems制作工艺一般使用单晶硅或者二氧化硅为基底材料。这种工艺可以实现叠层的电路、层厚极小的金属层以及间隙极小的阵列等设计。这些设计特点能够有效的提升数字微流控芯片的性能，具有良好效果，但是成本很高。pcb的制作工艺与mems制造工艺有一定相似性，都是采用光蚀刻，因pcb制作工艺是一种广泛使用的商业制造工艺，所以其在制作成本上有一定的优势，可以实现大规模生产，但是制作的数字微流控芯片性能较差。

最近几年出现了丝网印刷批量制作数字微流控芯片的工艺，这种工艺一般使用纸质、pet、pi等柔性基材，通过丝网印刷将银、铜、碳电阻油墨等导电油墨打印在基材上并且固化而制成电路。该工艺适合于批量生产，生产出的数字微流控芯片有柔软、一次性应用特点。通过丝网打印实现的数字微流控芯片虽有一定优势，但该工艺需要绷网、制版、晒版、印刷、清洗网版、回收网版等工艺过程复杂，同时精度低，墨层厚，电极间距明显，导致粗糙度不容忽视。

而相比上述工艺，喷墨打印具有简单、快速、灵活、高分辨率、高效批量生产，喷墨打印技术已经发展成熟为微小墨滴以皮升为单位，实现节省材料，降低成本，精确控制电极以及电极引脚线稳定性。

专利文献:cn201810422253.6公开了微流控芯片制造方法，提供了可实施的制备工艺如下：(a)下极板采用单层或双层pi薄膜作为介质层，一侧边缘制定定位孔；(b)通过蚀刻、湿蚀与丝网印刷工艺形成电极层和电路引线层；(c)针对多层电极和引线层的防短路情况，在电极和引线层间加入绝缘层，并在绝缘层上打孔，点导电胶。

以上制备步骤先制备介电层，后形成电极，避免了以往先制备电极再制备介电层等上层膜导致的介电层厚度随着电极层的凹凸而不够均匀平整，产生波形台阶，阻碍液体移动，影响电极电压以及芯片性能。同时提出利用增厚底部保护涂料(充当衬底功能)掩盖介电层上存在电极间的间隙，但并未描述清楚如何进行填充。另外，为了避开多层电极电线层的短路问题，额外采用pi薄膜作为绝缘层，隔开电极与电线，但是由于pi膜的物理强度较弱，极其容易破损，给加工工艺也会带来难度。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种喷墨打印数字微流控芯片的制造方法。

本发明提供了一种喷墨打印数字微流控芯片的制造方法，具有这样的特征，包括以下步骤：

步骤1，设计待打印的电极电路图形，并准备作为介电层的薄膜；

步骤2，根据电极电路图形，使用喷墨打印机在介电层的一面上喷墨打印纳米级导电墨来进行单层电路打印或复杂电路打印；

步骤3，在介电层的另一面上涂布疏水层。

在本发明提供的喷墨打印数字微流控芯片的制造方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤2中，进行单层电路打印时，在介电层上共层形成电极层和引线层，包括以下步骤：步骤s1，使用喷墨打印机在介电层上同时喷墨打印电极以及与电极对应连接的引线，使电极层和引线层共层形成一个单层的电极及引线层，并对电极及引线层进行固化；步骤s2，使用喷墨打印机打印水基普通墨来填充电极的间隙。

在本发明提供的喷墨打印数字微流控芯片的制造方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤2中，进行复杂电路打印时，在介电层上依次形成电极层、绝缘层以及引线层，包括以下步骤：步骤e1，使用喷墨打印机在介电层上喷墨打印电极形成电极层，并对电极层进行固化；步骤e2，将作为绝缘层的玻璃按照电极层中的电极的所在位置对应开设通孔；步骤e3，对电极与对应的通孔处进行点胶，并对绝缘层进行固化；步骤e5，在通孔处对应喷墨打印与电极连接的引线形成引线层，并对引线层进行固化，其中，电极层的厚度为0.1-50um，引线层的厚度为0.1-50um。

在本发明提供的喷墨打印数字微流控芯片的制造方法中，还可以具有这样的特征：其中，薄膜为聚乙烯薄膜。

在本发明提供的喷墨打印数字微流控芯片的制造方法中，还可以具有这样的特征：其中，纳米级导电墨为纳米银导电墨或碳纳米管导电墨。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的喷墨打印数字微流控芯片的制造方法，因为通过在介电层上喷墨形成微精度电路，避免了介电层/疏水层在不同厚度电极层上的凹凸波浪梯尺，既可以有效地避免电路和微液滴之间的电解现象，又可实现微细电极驱动可以提高液滴灵敏度，增加驱动速度和平滑度。并且本发明能够根据电极电路图形进行单层电路打印或复杂电路打印得到电路，且电极间距采用普通油墨喷印进行填充，墨层薄且能有效隔绝电极边缘，保证了介电层均匀平整，保证精度控制，工艺相对简单，成本低，便于操作；另外，在进行复杂电路打印时，通过喷墨打印的喷头以及纳米级导电墨可控的进行高精度输出，堆叠形成电极层与引线层，防止电极层与电线层共层容易发生短路，并在电极层与引线层之间设置绝缘层，采用玻璃通孔法将电极与引线连接，将外部电压通过引线层传给电极层中各个电极，从而使各电极都能够产生电压，保证微液滴能够准确向施加电压的方向移动，并且使用玻璃材料作为绝缘层，克服了绝缘薄膜容易破碎的瓶颈，玻璃通孔材料透明便于操作，可清洗并重复多次利用。另外，通过在介电层未形成电路的一面涂布疏水层，能够有效减小微液滴与芯片表面的接触面及摩擦阻力，使微液滴更容易被驱动，实现芯片对微液滴的灵活操控；同时有利于减少微液滴的挥发和污染，使芯片表面更光滑，减小了驱动微液滴所需克服的摩擦阻力。因此，本发明的一种喷墨打印数字微流控芯片的制造方法，利用喷墨打印机喷墨进行高精度分辨率的墨层控制，解决了电极间隙产生台阶，液体受阻的问题，以及电极与引线的分离问题，有效避免复杂电路设计中短路的影响，并且喷墨打印工艺相对简单，成本低，精度高，适合于研究领域的数字微流控芯片重复测试需求，能够大大提高数字微流控芯片的工作精度和效率，具有实用性。

附图说明

图1是本发明的实施例中的一种喷墨打印数字微流控芯片的制造方法的流程图；

图2是本发明的实施例中的进行复杂电路打印得到的数字微流控芯片的层级结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。

<实施例>

本实施例中，数字微流控芯片的基本功能是对微量液滴进行操控，液滴的量需要控制精准，存在各种各样的局限，为了增加芯片的灵活性和操控功能，需要对液滴量的操控精度和广度(大小不同液滴类型)进行提升。由于驱动液滴大小由驱动电极尺寸和极板间隙决定，本实施例在介电层上形成喷墨微精度电路，避免了介质层/疏水层在不同厚度电极层上的凹凸波浪梯尺，既可以有效地避免电路和微液滴之间的电解现象，又可实现微细电极驱动可以提高液滴灵敏度，增加驱动速度和平滑度。

图1是本发明的实施例中的一种喷墨打印数字微流控芯片的制造方法的流程图。

如图1所示，本实施例的一种喷墨打印数字微流控芯片的制造方法，包括以下步骤：

步骤1，设计待打印的电极电路图形，并准备作为介电层的薄膜。

薄膜为聚乙烯薄膜。

步骤2，根据电极电路图形，使用喷墨打印机在介电层的一面上喷墨打印纳米级导电墨来进行单层电路打印或复杂电路打印。

纳米级导电墨为纳米银导电墨或碳纳米管导电墨。

步骤2中，进行单层电路打印时，在介电层上共层形成电极层和引线层，包括以下步骤：

步骤s1，使用喷墨打印机在介电层上同时喷墨打印电极以及与电极对应连接的引线，使电极层和引线层共层形成一个单层的电极及引线层，并对电极及引线层进行固化；

步骤s2，使用喷墨打印机打印水基普通墨来填充电极的间隙。

本实施例中，在进行单层电路打印时，喷墨打印电极层与电线层共层，电极间距采用普通油墨喷印，墨层薄且有效隔绝电极边缘，并且通过先形成电极及引线层，再进行电极间隙的填充，确保了介电质层表面均匀平整，保证精度控制，工艺相对简单，成本低，便于操作，并且极板间隙减少除了增加表面阻力使液滴更稳定外，还可以降低液滴产生需要的驱动力，更容易实现分裂，液滴体积更精准。

步骤2中，进行复杂电路打印时，在介电层上依次形成电极层、绝缘层以及引线层，包括以下步骤：

步骤e1，使用喷墨打印机在介电层上喷墨打印电极形成电极层，并对电极层进行固化；

步骤e2，将作为绝缘层的玻璃按照电极层中的电极的所在位置对应开设通孔；

本实施例中，绝缘层的厚度为a4纸张的厚度。

步骤e3，对电极与对应的通孔处进行点胶，并对绝缘层进行固化；

步骤e5，在通孔处对应喷墨打印与电极连接的引线形成引线层，并对引线层进行固化，

其中，电极层的厚度为0.1-50um，引线层的厚度为0.1-50um，使引线能够承受足够的外部电压同时传输给电极层。

本实施例中，电极层由按需设计的多个单电极组成，对液滴有四个基本操控：液滴的产生、液滴的输运、液滴的分离及液滴的合并。微液滴位于三个电极上保持疏水平衡的状态，当a电极上不加驱动电压而b电极上施加电压，微液滴完成从a电极运动到b电极的过程。液滴就会顺着所加电压的方向逐渐移动，实现对微液滴的灵活操作与控制。

本实施例中，进行复杂电路打印时，电极层与引线层共层容易发生短路，通过喷墨打印的喷头以及纳米级导电墨进行高精度输出，使得电极层与电线层堆叠形成，层层之间喷墨采用普通水基墨水使两层隔离电极，并采用玻璃通孔法将电极与引线连接，在绝缘层上对应的各个电极部分都形成相应的穿孔，并使引线层中的各引线分别穿过穿孔与各电极连接，从而使各电极都能够产生电压，完善工艺流程，将外部电压通过引线层传给电极层中各个电极，能够保证微量液滴准确向施加电压的方向移动，并且克服了绝缘薄膜容易破碎的瓶颈，玻璃通孔材料透明便于操作，可清洗并重复多次利用。

步骤3，在介电层的另一面上涂布疏水层。

本实施例中，在介电层未形成电极层的一面涂布疏水层，能有效减小微液滴与芯片表面的接触面及摩擦阻力，使微液滴更容易被驱动，实现芯片对微液滴的灵活操控；同时有利于减少微液滴的挥发和污染，使芯片表面更光滑，减小了驱动微液滴所需克服的摩擦阻力。

图2是本发明的实施例中的进行复杂电路打印得到的数字微流控芯片的层级结构示意图。

如图2所示，通过复杂电路打印得到的数字微流控芯片包括介质层1、电极层2、绝缘层3、引线层4以及疏水层5，

介质层1的一面上依次堆叠电极层2、绝缘层3以及引线层4，绝缘层3上开设有多个通孔来保证电极层2中的各个电极与引线层4中的引线对应连接，从而保证外部电压能够通过引线传输至各个电极，疏水层5涂布在介质层1未打印电路的一面。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的喷墨打印数字微流控芯片的制造方法，因为通过在介电层上喷墨形成微精度电路，避免了介电层/疏水层在不同厚度电极层上的凹凸波浪梯尺，既可以有效地避免电路和微液滴之间的电解现象，又可实现微细电极驱动可以提高液滴灵敏度，增加驱动速度和平滑度。并且本实施例能够根据电极电路图形进行单层电路打印或复杂电路打印得到电路，且电极间距采用普通油墨喷印进行填充，墨层薄且能有效隔绝电极边缘，保证了介电层均匀平整，保证精度控制，工艺相对简单，成本低，便于操作；另外，在进行复杂电路打印时，通过喷墨打印的喷头以及纳米级导电墨可控的进行高精度输出，堆叠形成电极层与引线层，防止电极层与电线层共层容易发生短路，并在电极层与引线层之间设置绝缘层，采用玻璃通孔法将电极与引线连接，将外部电压通过引线层传给电极层中各个电极，从而使各电极都能够产生电压，保证微液滴能够准确向施加电压的方向移动，并且使用玻璃材料作为绝缘层，克服了绝缘薄膜容易破碎的瓶颈，玻璃通孔材料透明便于操作，可清洗并重复多次利用。另外，通过在介电层未形成电路的一面涂布疏水层，能够有效减小微液滴与芯片表面的接触面及摩擦阻力，使微液滴更容易被驱动，实现芯片对微液滴的灵活操控；同时有利于减少微液滴的挥发和污染，使芯片表面更光滑，减小了驱动微液滴所需克服的摩擦阻力。因此，本实施例的一种喷墨打印数字微流控芯片的制造方法，利用喷墨打印机喷墨进行高精度分辨率的墨层控制，解决了电极间隙产生台阶，液体受阻的问题，以及电极与引线的分离问题，有效避免复杂电路设计中短路的影响，并且喷墨打印工艺相对简单，成本低，精度高，适合于研究领域的数字微流控芯片重复测试需求，能够大大提高数字微流控芯片的工作精度和效率，具有实用性。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。