具有自供电功能的微流控芯片及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有自供电功能的微流控芯片及其制作方法，具体涉及一种基于压电发电效应的自供电微流控芯片的制作方法，属无机纳米功能材料及微流控技术领域。
【背景技术】
[0002]微流控技术又称芯片实验室。利用该技术可将生物化学领域中所涉及的样品制备、反应、分离和检测等基本操作集成在几平方厘米甚至更小的芯片上。相比于传统的分析测试平台，微流控芯片的优势在于功能的集成、低检测样品的消耗和快速的样品检测等。半导体纳米线的电输运特性对生物分子和重金属离子非常敏感，可在微流控芯片中进行上述目标物的检测。例如，Tian等人在微流控芯片中利用低掺杂硅的多根纳米线场效应晶体管进行蛋白质的探测(“Ultrasensitive protein detect1n using lithographicallydefined Si mult1-nanowire field effect transistors，，，〈〈Lab Chip〉〉，11:1952-1961(2011))。Kin等人则直接在微流体器件中生长ZnO纳米线，并验证了这种纳米线集成的微流控芯片能够用来进行离子捕获和PH探测(“Direct synthesis and integrat1n offunct1nal nanostructures in microfluidic devices，，，〈〈Lab Chip〉〉，11:1946-1951(2011))。然而，这些微流控传感器仍需外部供电，不利于器件的微型化与集成化。
[0003]压电一维纳米材料可采集环境中微小的机械能并将其转换为电能，本申请人2014年10月14日申请的发明专利《一种铌酸钾钠压电纳米纤维柔性发电元件的制备方法》(申请号:201410543111.7)，就是通过铌酸钾钠(KNN)前躯体的配制、采用静电纺丝法大面积制备铌酸钾钠纳米纤维、铌酸钾钠纳米纤维的转移与器件组装三个主要步骤，得到铌酸钾钠压电纳米纤维柔性发电元件，该元件良好的柔性能够增加纳米纤维在特定外力作用下的机械形变，从而提高了对外部机械能的采集效率。
[0004]微流控芯片中存在丰富的流体机械能，将压电一维纳米材料引入到微流控芯片领域，通过微通道中微流体的流动来驱动压电材料的形变发电，进而构建自供电微流控芯片，为微流控芯片的小型化、集成化以及市场化提供一个有效的解决方法。这种在微流控芯片中利用压电材料发电的设想及实践，未见于已公开的文献或专利技术中。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是针对【背景技术】提出的问题，提供一种具有自供电功能的微流控芯片及其制作方法，是利用压电一维纳米材料可采集环境中微小的机械能并将其转换为电能，从而组建带自供电功能的微流控芯片方法。所述微流控芯片分为四层，最下面一层为石英玻璃基片，石英基片上有一层探测电极，所述探测电极上是一层KNN纳米纤维，最上面一层是带PDMS微通道的盖板。所述微流控芯片制作方法是:先在基片上通过光刻、溅射以及剥离工艺制作探测电极，再采用静电纺丝法在探测电极上大面积制备铌酸钾钠纳米纤维，然后将PDMS微通道与基片键合。通过在微流控通道中采集和转换流体的机械能成电势能，并将该电势能输出供给敏感单元，形成完整的具有自供电能力的微流控芯片。
[0006]为了达到上述目的，本发明采用以下方案:
具有自供电功能的微流控芯片，其特征在于:包括自下而上依次分布的基片、探测电极、KNN纳米纤维和PDMS盖板；所述基片是石英玻璃板，所述探测电极是在所述基片上通过光刻、溅射及剥离工艺制作的导电电极；所述KNN纳米纤维是在探测电极上采用静电纺丝法大面积制备的铌酸钾钠纳米纤维；所述PDMS盖板下有PDMS微通道，所述PDMS微通道是通过在载波片上光刻制备微流通道母版、再利用PDMS预聚物和PDMS固化剂混合搅拌均匀后的混合物在微流通道母版上沉积、固化及分离工艺制成；
所述PDMS微通道包括干流通道和支流通道，所述干流通道的首端有进气口及进气通道、末端有流体出口 ；所述支流通道有进液口及进液通道，支流通道的位置靠近干流通道的首端，且:支流通道与干流通道T型交汇，所述支流通道宽度小于干流通道宽度；
所述基片上有十字对准标志，所述PDMS盖板上相应的也有十字对准标志；
所述PDMS微通道的自T型交汇处之后至流体出口之间的干流通道部分，对应的位于KNN纳米纤维上，所述PDMS盖板通过十字对准标志，将PDMS微通道及KNN纳米纤维压紧并键合在基片的探测电极上。
[0007]其有益效果是:微流控芯片中存在丰富的流体机械能，将压电一维纳米材料(本申请中选择铌酸钾钠KNN—维纳米纤维)在微流控芯片中组装，通过采集和转换流体的机械能并将电输出供给敏感单元，可获得一种自供电的微流控芯片，为微流控芯片的小型化、集成化以及市场化提供一个有效的解决方法，具有广阔的应用前景。
[0008]一种如上所述的具有自供电功能的微流控芯片的制作方法，包括:探测电极的制备、KNN纳米纤维制备、微流通道的制备和器件组装；所述探测电极的制备工艺包括:在长宽均为10?30mm，厚度I?3mm的石英玻璃基片上，通过公知的光刻及溅射工艺，制备一层厚度为10?10nm的铂或金质探测电极；在所述基片上，还光刻有十字对准标志；其特征在于:
所述KNN纳米纤维制备工艺包括:引用【背景技术】所述的已公开专利《一种铌酸钾钠压电纳米纤维柔性发电元件的制备方法》(申请号:201410543111.7)中的技术方案进行铌酸钾钠前躯体的配制，和:
引用【背景技术】所述的已公开专利《一种铌酸钾钠压电纳米纤维柔性发电元件的制备方法》(申请号:201410543111.7)中的技术方案，在已制备的探测电极的基片上，采用静电纺丝法大面积制备铌酸钾钠纳米纤维，再用棉签擦去覆盖在电极之外的多余部分纳米纤维，制成带KNN纳米纤维的基片；
所述微流通道的制备工艺包括:
⑴制备载波片:切取长宽均为10?30mm、厚度I?3mm的方形载玻片，将切好的载玻片依次放入丙酮、酒精、去离子水中分别进行超声波清洗，每次清洗时间10?12min，清洗完后将载波片浸入干净的去离子水中；
⑵涂覆光刻胶:自去离子水中取出载玻片一氮气吹干一放置50?80°C环境中烘烤8?12min —取出冷却10?12 min —在匀胶机上涂覆光刻胶一放置60?65°C环境中烘烤15?18min —升温至90?95°C烘烤110?130min —取出冷却10?12min ;所述涂覆光刻胶的匀胶机转速为850?950r.p.m，涂覆时间设定为35?45s ；
⑶制备微流通道母版:将设定尺寸的微流通道掩膜板放在上述已涂覆光刻胶的载玻片上，再将载玻片放入光刻机中曝光18?22s —取出并放置60?65°C环境中烘烤15?18min —升温至90?95°C烘烤40?45 min —取出冷却10?12min —在显影液中显影5?15min —取出后用异丙醇冲洗氮气吹干一放置135°C环境中坚膜110?130min，制成微流通道母版；所述设定尺寸的微流通道掩膜板的干流通道宽度为100?500 μ m，支流通道的宽度为50?100 μ m ;所述载波片上，也光刻有与基片上的十字对准标志位置对应的十字对准标志；
⑷制备PDMS混合物:按8:1?12:1的质量比例，取聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚物和固化剂进行混合并搅拌均匀，制成PDMS混合物；
(5)制备带PDMS微通道的PDMS盖板:将所述微流通道母版水平放置在培养皿中一往培养皿中倒入所述PDMS混合物一静置至培养皿中的气泡全部排出一取出并放至80?100°C环境中烘烤90?150min —取出冷却至室温一从微流通道母版上揭下已固化的PDMS混合物一按设定尺寸切取所需要的微流通道，制成带PDMS微通道的PDMS盖板；所述微流通道母版放置在培养皿中时，已涂覆光刻胶的一面朝上；
所述器件组装工艺包括:
⑴将制成的带KNN纳米纤维的基片和带PDMS微通道的PDMS盖板同时放在功率为16?18W、波长为254nm的紫外灯箱中照射2.5?3.5h后取出；
⑵对准PDMS盖板上的十字对准标志与基片上的十字对准标志，将基片与PDMS微通道贴合后压紧，且保持12?18h，使PDMS微通道及KNN纳米纤维压紧并键合在基片的探测电极上，制成完整的具有自供电能力的微流控芯片。
[0009]本发明的有益效果是:
⑴所述微流通道有二个进口、一个出口，其中一个进口泵入液体，另外一个进气体，所述液体和气体交汇后，交汇处形成液滴，该液滴压动压电材料(KNN纳米纤维)并产生形变，由此产生脉冲电压。
[0010]⑵本发明是将压电材料引入到微流控芯片领域，通过微通道中微流体的流动来驱动压电材料的形变发电，也就是说，通过在微流控通道中采集和转换流体的机械能成电势能，并将该电势能输出供给敏感单元，形成完整的具有自供电能力的微流控芯片。
【附图说明】
[0011]图1是本发明实施例提供的KNN纳米纤维显微示意图；
图2是做探测电板所用的掩膜板示意图；
图3是做微流通道所用的掩膜板示意图；
图4是基片及基片上的探测电极示意图；
图5是盖板及盖板上的PDMS微通道不意图；
图6是基片、KNN纳米纤维、盖板及PDMS微通道之间位置示意图；
图7是本发明实施例键合完成并组装好的自供电微流控芯片器件示意图；
图8是本发明实施例1中，对器件进行测试显示的电极两端电压随时间变化曲线图； 图9是本发明实施例2中，对器件进行测试显示的电极两端电压随时间变化曲线图； 图10是本发明实施例3中，对器件进行测试显示的电极两端电压随时间变化曲线图。
[0012]图中的标记说明:I一基片，2—探测电极，3— PDMS盖板，4一进气口，5—进液口， 6—探测电极接线孔，7—流体出口，8—KNN纳米纤维，9一十字对准标志。
【具体实施方式】
[0013]以下结合附图对本发明实施例作进一步说明:
如附图2?7所示，本发明具有自供电功能的