一种基于电润湿的共形光传感集成的数字微流芯片的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及极低样品的生化检测的技术领域，具体涉及基于电润湿效应的高灵敏 度、高精度、全片上的共形数字微流光传感检测系统。
【背景技术】
[0002] 基于电湿润（Electrowetting on Dielectric, EW0D)原理对离散微型液滴进行传 输、分离、合并等操控的技术被称为数字微流控技术（Digital Microfluidic，DMF)。通常 由基底、金属电极、绝缘层和疏水层四部分组成典型的数字微流控芯片结构，通过对电润湿 的金属电极施加一定大小的电压（AC或DC)，接近通电电极方向液滴的湿润性发生改变，接 触角减小，当施加电压超过电润湿操作的阈值电压，液滴内部力平衡状态被打破，使液滴沿 着带电电极方向移动，如果对一列或者一个阵列的电润湿电极，按照预定的规则施加一定 时序的电压，就能实现液滴的传输至指定位置、同一液滴进行分离、不同液滴进行合并等操 作，对液滴的具体操作取决于对电润湿的编程处理，该技术与生化检测相结合，高灵敏度、 可并行、极低样品消耗的特性非常适合于偏远欠发达地区或者只能实验室进行、试剂昂贵、 费时的应用领域。片上的液滴样品稀释、指定体积大小液滴的精确分离以及检测等过程的 是实现全自动化生化检测的关键。于是越来越多的研究者开始研究如何利用高精度、高灵 敏度的传感技术来实现全自动的数字微流生化检测过程，提高生化检测效率与降低检测相 关的成本。
[0003] 目前常用的检测方式根据传感信号方式大致可以分为三类：1)电容、电阻抗等电 学类型检测方式；2)电化学；3)光学传感。传统基于电容等电学属性的检测方式，由于无需 复杂的外设结构、容易实现的优点，成为当前液滴浓度属性检测的有效方式，但是，这种方 式容易受环境以及寄生电容的影响，测试结果精度低、离散程度高、重复性差，只适用于低 精度检测应用场合；相比于电容等检测方式，电化学传感更容易集成与电润湿芯片内部，利 用电化学的伏安特性，实现全片上检测，检测结果精确、灵敏度高，但是集成工艺复杂，成本 高，其检测精度只能满足中高等精度的检测。
[0004] 近年来，基于光学传感的高灵敏度、高精度与高可靠性的数字微流检测系统得到 了很多学者的关注。2009年，Lidija Malic等人将表面等离子成像（Surface plasmon resonance imaging, SPRI)应用在基于数字微流的基因分析应用，2011年，该研究小组通过 通过一种新的纳米结构实现了 200%的SPRI信号的增强，对180nL的DNA样品实现了 500pM 超低浓度的DNA检测。SPR虽然能实现无标记、单分子水平的超高灵敏度检测，但是需要复 杂的外部光学结构，因此，在不需要单分子级别检测精度的应用中，基于光纤或者光波导结 构的光学传感提供了一种跟便捷与更高性价比的实现方式。2013年，Frederik Ceyssens 等人在电润湿电极上通过粘附2根125um的光纤，实现光的激励与接收，通过检测光学吸收 等特性达到检测的目的，然而粘附光纤与疏水涂层需要较强的粘附力，容易损坏疏水层，同 时对液滴的运动带来了 一定的阻碍。
【发明内容】
[0005] 本发明提出一种基于电润湿的、并集成有共形光传感功能的数字微流芯片，所述 的微流芯片结构通过在电润湿的相邻电极间的隙嵌入一个亚波长尺度的光传感结构，在结 构上保持与电润湿结构疏水层共一个平面的共形结构为主要特征，不仅可实时追踪液滴反 应过程中的折射率微小变化所导致的光传感结构的光场发生变化，实现对微液滴成份及位 置的测定，而且可以根据光传感信号的变化实现片上液滴精确位置寻址传输、精确液滴分 离与合并等操作以及自动故障检测效果，进而实现全片上的自动智能化生化检测效果。
[0006] 上述系统中，数字微流控芯片采用开放式结构，基底表面依次覆盖电极层、光传感 结构缓冲层、绝缘层和光传感共形的疏水层，其中，液滴位于疏水层表面，结构如图2所示。
[0007] 上述系统中，将光传感结构集成在两个相邻极板的间隙之间，并填充光传感用的 缓冲材料。
[0008] 上述系统中，光传感结构的内核层与电润湿的绝缘层共用一个层，包括材料属性、 厚度尺寸等。
[0009] 上述系统中，集成的光传感结构位于两个金属电极间隙之间，高度与电极高度保 持一致，通过光传感结构中的缓冲材料填充，消除由于传统电润湿的制作工艺等原因所造 成的相邻电极之间所存在的沟壑，确保电润湿的疏水层与基板表面保持平行，利于液滴在 电润湿的疏水表面无阻碍滚动，提升电润湿的操控性能。
[0010] 上述系统中，电润湿结构的疏水层对液滴产生疏水特性，对光传感构成液滴样品 与光传感的内核上层缓冲层，可以实现疏水与传感的双重功能。
[0011] 上述系统中，当液滴位于光传感区域时，由于折射率的变化，导致光传感结构的光 场发生改变，可以实现液滴所携带的物质信息探测。
[0012] 上述系统中，当液滴位于光传感区域时，光传感结构的光场发生改变，可以实现液 滴的任一位置追踪、结合外部驱动电路，可以实现液滴的自动寻址、自动故障检测、液滴主 动壁障等功能。
[0013] 上述系统中，通过检测光传感区域的电场模式的变化，实施包含不同物质含量的 液滴与不同试剂液滴等分布操作的生化检查中分布式动态监测，实现对整个生化检测过程 的全程动态监测，而不仅仅只针对最终反应物进行检测。
[0014] 上述系统中，加工工艺简单，兼容CMOS工艺，只需在电润湿的制作工程中增加缓 冲层，与电润湿加工工艺基本一致，有效降低了加工工艺的难度。
[0015] 上述系统中，所述的光传感尺寸为亚波长级别，部分结构与电润湿结构功能高度 复用，实现对光场的束缚与模式转换，从而容易实现与电润湿的集成与制作。
[0016] 上述系统中，与光传感相匹配的接收装置可以是，光谱仪、单光电探测器以及其阵 列等光接收与转换装置。
[0017](三）有益效果和创新之处
[0018] 1、本发明所述的基于电润湿的、并集成有共形光传感功能的数字微流芯片，不改 变电润湿原有结构，充分利用电润湿电极间隙的空间，并将电润湿的绝缘层和光传感的内 核层复用，实现最简便的传感与绝缘功能复合体，具有结构简单、功能复用、无需额外工艺 和材料消耗。
[0019] 2、本发明所述的嵌入光传感结构，嵌入电润湿的相邻电极间隙并填平由于传统的 电润湿加工工艺限制所产生的电极间隙之间沟壑的问题，使得疏水层与基底层保持平行的 表面，有利于提升电润湿的操控性能，只需在原有电润湿制作工艺的基础上增加一道常规 沉积工艺，且兼容CMOS半导体工艺，成本低，容易实现。
[0020] 3、本发明所述系统的设计简单、易于集成、功耗低、适用性广、可靠性高，对于系统 的实际应用以及大规模集成非常有利。
[0021] 4、本发明所述的器件非常容易与智能手机等移动智能终端技术相结合，组成智能 移动生化检测系统，对于欠发达或者偏远地区或者传统上需要昂贵试剂、费时的且只能在 实验室内的应用是一个有利的补充。
【附图说明】
[0022] 以下，结合附图来详细说明本发明的实例，其中：
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