一种基于介电润湿的微液滴驱动器件及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微全分析系统与数字微流控技术领域，尤其涉及一种基于介电润湿的 微液滴驱动器件及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 20世纪90年代初，A. Manz首次提出微全分析系统（μ -TAS)概念，其目标是通过 化学分析仪器的微型化与集成化，最大限度地把分析实验室的功能转移到便携的分析设备 中，甚至集成到方寸大小的芯片上，因此μ-TAS又称芯片实验室。目前μ-TAS已在DNA分 析、临床检测、环境检测等领域有着广泛的应用。
[0003] 对微量甚至痕量流体的操控是实现微全分析系统的基础，在众多的流体操控技术 中（如微机械栗、介电电泳等），介电润湿技术（electrowetting on dielectric，EWOD)因 其独特优势成为微液滴操控最有效的方法。传统的基于介电润湿效应的微液滴控制器件的 结构如图1所示，通常包括上下两层芯片，下层芯片通常由下基板、沉积在基板上的控制电 极阵列、涂覆在电极阵列表面的介电层及最上层的疏水层组成，上层芯片通常由上基板、参 考电极层及疏水层组成，上下两层芯片由支撑物进行机械连接，微液滴位于上下两层芯片 之间。参考电极层和控制电极阵列通过控制电路进行电连接，在控制电路作用下，控制电极 阵列提供微液滴移动的路径，介电层可阻止微液滴在电场中的电解，疏水层能够保证观察 到接触角的变化。
[0004] 然而，传统的基于介电润湿效应的介电润湿器件中，与微液滴接触的疏水层的材 料多为Teflon (特氟龙），Teflon价格昂贵且介电强度低，必须在其下沉积Si02s Si 3N4作 介电层，下层芯片中介电层和疏水层这两层材料层的使用，导致微液滴的驱动电压较高，且 存在一定的漏电和击穿问题。
[0005] 因此，有必要提供一种结构简单、驱动电压低的微液滴驱动器件。
【发明内容】
[0006] 有鉴于此，本发明第一方面提供了一种基于介电润湿的微液滴驱动器件，所述微 液滴驱动器件的结构简单，下层芯片中由一层CYT0P层替代现有技术中疏水层和介电层组 成的两层结构，所述微液滴驱动器件所需驱动电压低，可实现对微液滴的灵活操控。
[0007] 第一方面，本发明提供了一种基于介电润湿的微液滴驱动器件，所述微液滴驱动 器件包括上下两层芯片，其中，所述上层芯片包括上基板及依次设置在所述上基板表面的 参考电极层和疏水层；所述下层芯片包括下基板及依次设置在所述下基板表面的控制电极 阵列和功能层，所述功能层的材质为CYT0P ;
[0008] 所述上层芯片的疏水层与所述下层芯片的功能层相对设置，所述上下两层芯片之 间由支撑物进行机械连接形成容纳微液滴的空间，所述参考电极层与所述控制电极阵列均 通过导线与控制电路进行电连接。
[0009] 优选地，所述下层芯片中所述功能层的厚度为0. 5-1 μπι。
[0010] 优选地，所述上层芯片中所述疏水层的厚度为〇. 5-1 μm。
[0011] 优选地，所述上层芯片中所述疏水层的材质为CYT0P(无定形氟树脂）、特氟龙 (Teflon)和派瑞林（Parylene)中的一种。
[0012] 更优选地，所述上层芯片中所述疏水层的材质为CYT0P。
[0013] 优选地，所述上下两层芯片之间的距离为150-220 μ m。
[0014] 优选地，所述控制电极阵列中，电极为边长为0. 5-1. 5mm的正方形或叉指型电极。
[0015] 优选地，所述控制电极阵列中，电极的间距为10-50 μ m。
[0016] 优选地，所述上基板的材质包括对光透明的塑料、石英或玻璃，但不限于此。所述 上基板的材质必须是透光的，以便对芯片内的微液滴进行观察。
[0017] 所述下基板的材质包括硅片、塑料、石英或玻璃，但不限于此。
[0018] 优选地，所述参考电极层的厚度为150-200nm。
[0019] 优选地，所述参考电极层的材质包括导电金属或导电氧化物，所述导电金属包括 Pt、Al、Ag和Cu中的一种，所述导电氧化物包括氧化铟锡（ΙΤ0)、掺铝氧化锌（ΑΖ0)、掺氟二 氧化锡（FT0)和掺磷二氧化锡（ΡΤ0)中的一种。
[0020] 更优选地，上基板及设置在所述上基板表面的参考电极层为带ΙΤ0透明导电玻 璃。选用带ΙΤ0透明导电玻璃，可将所述基板与参考电极层集成起来使用。
[0021] 优选地，所述控制电极阵列的材质包括导电金属或导电氧化物，所述导电金属包 括Pt、Al、Ag和Cu中的一种，所述导电氧化物包括氧化铟锡（ΙΤ0)、掺铝氧化锌（ΑΖ0)、掺氟 二氧化锡（FT0)和掺磷二氧化锡（ΡΤ0)中的一种。
[0022] 优选地，所述支撑物包括金属片、胶带、薄玻璃片和毛细管，但不限于此。
[0023] 优选地，所述微液滴包括纯水、待测物质的水溶液或氯化钠盐溶液，但不限于此。 所述微液滴为水相溶液即可，微液滴只要是微流控芯片可操作的对象就行。
[0024] 与现有技术相比，本发明实施例第一方面提供的基于介电润湿的微液滴驱动器件 中，其中，无定形氟树脂CYT0P具有透明性、电绝缘性、防水防油性、脱膜性及防潮性等优异 性能，下层芯片中CYT0P层同时发挥介电层和疏水层的功能，CYT0P层既能用作介电层以阻 止微液滴在电场中的电解，又能作为疏水层保证观察到微液滴的接触角的变化。
[0025] 本发明所述微液滴驱动器件的结构简单，可以重复使用，被操控的微液滴所需的 驱动电压低，功耗低，可以在较低电压的情况下实现了对微液滴的移动、分裂及产生等基本 操作。所适用的待检测的微液滴样品的体积小，检测时间短、检测效率高。所述微液滴驱动 器件可以用于DNA、蛋白质的分析、临床检测、环境检测等领域。
[0026] 第二方面，本发明提供了一种基于介电润湿的微液滴驱动器件的制备方法，包括 以下步骤：
[0027] (1)下层芯片的制备：
[0028] 提供一下基板并在所述下基板的表面制备控制电极阵列；
[0029] 在所述控制电极阵列的表面制备功能层，得到下层芯片，其中，所述功能层的材质 为 CYT0P ;
[0030] (2)上层芯片的制备：
[0031] 提供一表面带有参考电极层的上基板，在所述参考电极层的表面制备一疏水层， 得到上层芯片；
[0032] (3)上下层芯片的连接：
[0033] 将所述上层芯片的疏水层与所述下层芯片的功能层相对设置，并将所述上下两层 芯片通过支撑物进行机械连接形成容纳微液滴的空间，并将所述参考电极层与所述控制电 极阵列均通过导线与控制电路进行电连接，得到基于介电润湿的微液滴驱动器件。
[0034] 优选地，所述功能层是通过涂覆或浇灌的方式制备在所述控制电极阵列的表面， 所述涂覆包括旋涂法。
[0035] 优选地，所述疏水层是通过涂覆或浇灌的方式制备在所述参考电极层的表面，所 述涂覆包括旋涂法。
[0036] 优选地，所述提供一下基板并在所述下基板的表面制备控制电极阵列，是通过以 下任一种方式获得：
[0037] 提供一下基板，在所述一下基板的表面利用图形转移技术制作控制电极阵列的图 形，再通过薄膜生长技术制备得到控制电极阵列；
[0038] 或提供一下基板，在所述下基板的表面通过薄膜生长技术制备控制电极层，再采 用图形转移技术制作控制电极阵列的图形，得到控制电极阵列；
[0039] 或提供一带有控制电极层的下基板，再采用图形转移技术制作控制电极阵列的图 形，得到控制电极阵列；
[0040] 其中，所述薄膜生长技术包括电子束蒸发、脉冲激光沉积法、化学气相沉积法、电 阻蒸发法、磁控溅射法或旋涂法；所述图形转移技术包括光刻、刻蚀或纳米压印。
[0041] 优选地，所述一表面带有参考电极层的上基板是直接购买获得或通过以下方式获 得：提供一上基板，在上基板的表面通过薄膜生长技术制备参考电极层，所述薄膜生长技术 包括电子束蒸发、脉冲激光沉积法、化学气相沉积法、电阻蒸发法、磁控溅射法或旋涂法。
[0042] 本发明实施例第二方面提供的基于介电润湿的微液滴驱动器件的制备方法，该方 法简单易操作，下层芯片中选用CYT0P兼作疏水层和介电层，简化了工艺流程，降低了生产 成本。
[0043] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0044] 1、所述基于介电润湿的微液滴驱动器件中，下层芯片中由一层CYT0P层兼作疏水 层和介电层，替代现有技术中疏水层和介电层组成的两层结构，所述