专利名称：一种介质层上的电润湿微液滴驱动器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于微全分析和微机电装置范围，特别涉及一种介质层上的电润湿微液滴驱动器。
背景技术：
自从Manz和Widmer于20世纪90年代初首次提出微全分析系统(miniaturized total analysis system，μTAS)的概念以来，在短短的十余年中已发展成为当前世界上最前沿的科技领域之一。μTAS的目的是通过化学分析设备的微型化与集成化，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，μTAS又被称为芯片实验室(LOC)。目前，μFAS在化学分析、生化检测、药物输运、分子分离、核酸分子的放大、排序或合成、环境检测以及其他方面都有广泛的应用前景。
对微量甚至痕量液体的操纵与控制是实现微全分析系统的基础和必须解决的关键问题。根据微全分析系统中对液体的操作方式，可以将微全分析系统分为连续流系统和离散流系统两种。目前，已经报道过的微全分析系统大多基于连续流系统，液体在充满了样品或化学试剂水溶液的封闭沟道中流动，并利用微泵和微阀等器件来产生和控制流体的流动。但是，连续流系统的缺点在于(1)由于电极和溶液直接接触，会产生一些电化学反应；(2)需要微泵和微阀等器件，制作工艺复杂，可靠性差；(3)虽然可以通过减小沟道尺寸来减少沟道内残余的液体，但“死区”现象不可避免；(4)液体的连续性限制了对液体的操作，沟道之间的相互影响严重。为了解决上述问题，近年来对离散化微液滴的操纵与控制在国际上日益成为研究的重点。由于与生化分析实验室中传统的操作概念非常类似，离散化微液滴系统可将现有的生化分析规程直接应用于芯片实验室中。与连续微流体不同，它只需要极少或不需要外加的液体来预处理或填充微管道，从而会大幅度提高对样品和试剂的利用率。目前采用气动、介电电泳(Dielectrophoresis)、介质上电润湿(electrowetting on dielectric，EWOD)等方法已能实现离散化微液滴的产生和输运，但只有EWOD(即通过改变介质膜下面微电极阵列的电势来控制上面液体与介质膜表面的润湿性)真正实现了液滴的产生、输运、融合和分割这四个基本操作的一体化和自动化，从而为制造基于微液滴的芯片实验室奠定了坚实的基础。
目前，国外基于EWOD驱动的微液滴装置都是由具有微电极阵列的玻璃衬底和带有氧化铟锡(ITO)透明导电玻璃盖板组成，液滴夹在它们之间；与液体接触的关键高厌水性介质膜材料都是采用TeflonAF1600(特氟隆)，利用旋转除敷法制备成薄膜结构。由于TeflonAF1600的价格非常昂贵(约为黄金的6倍)并且消耗量较大，将其用于微全分析系统的研究和芯片实验室的产业化无疑会遇到很大的阻碍。另外，由于TeflonAF1600的介电强度很低，必须在其下首先淀积SiO2等其它介质薄膜，而玻璃不耐高温，制备这些介质膜只能在较低的温度下进行，势必会造成介质膜结构比较疏松而绝缘性能较差，从而存在一定的漏电和击穿问题。
发明内容
本实用新型的目的在于提出一种介质层上的电润湿微液滴驱动器，其特征在于所述微液滴驱动器的结构是在硅衬底1上的介质层为下极板衬底2，在下极板衬底2上为Ti/Pt下电极阵列3，一层薄膜介质层4覆盖在上面，碳氟聚合物薄膜厌水层5覆盖在介质层4上，带厌水层5和ITO层6的上极板玻璃片7由支撑物8支撑在下电极阵列3的上方，下电极阵列3与外部引线9连接。
所述薄膜介质层为Si3N4薄膜或SiO2薄膜。
所述硅衬底为单晶硅或低阻多晶硅。
所述下极板衬底的介质层为热氧化SiO2或单晶硅。
所述下极板材料为Ti/Pt电极或多晶硅电极。
本实用新型的有益效果是基于EWOD的微液滴驱动器采用单晶硅作为衬底，气体感应耦合等离子体化学气相淀积(ICP-CVD)工艺淀积的碳氟聚合物薄膜作为厌水层，具有液滴驱动电压低、制作工艺简易、成本低、可进一步将液体的其他操作集成在一个芯片上的特点。
图1为微液滴驱动器的结构示意图。
图2为图1的上极板玻璃片的结构示意图。
图3为微液滴驱动器的下极板部分结构示意图。
具体实施方式
本实用新型提出了一种介质层上的电润湿微液滴驱动器。下面结合实施例及附图对本实用新型予以详细说明如下基于EWOD的微液滴驱动器的结构如图1所示，本实施例采用Ti和Pt或多晶硅作为下电极，下电极阵列3与外部引线9连接。LPCVD淀积的Si3N4薄膜作为介质层4覆盖在下电极阵列3上面，碳氟聚合物薄膜厌水层5覆盖在介质层4上，带厌水层5和ITO层6的上极板玻璃片7(如图2所示)由支撑物8支撑在下电极阵列3的上方，下电极阵列3与外部引线9连接(如图3所示)。去离子水的液滴10被夹在上电极、下电极阵列两个平板电极中间，上电极作为地电极，而下电极由多个可独立控制的微电极阵列组成。每个电极为方形，电极之间的间距为20μm。两个电极之间采用叉指状结构，使液滴能够更容易从一个电极运动到另一个电极。为了避免液体和电极之间的接触和获得良好的击穿特性，在上、下电极表面都覆盖有一层作为介质层的Si3N4薄膜。为了能够顺利地驱动液滴，调整上下极板的间距及液滴的大小，使得初始的液滴至少跨在三个相邻的电极之上，并同时使液滴和上极板接触。为了避免液滴的挥发和减少液滴运动时的阻力，液滴周围是另外一种与其互不相溶的液体，本实施例中为硅油。
如图1中所示，当液滴跨在三个相邻的电极上，当在液滴右侧对应电极上施加电势，而液滴中间和左侧对应电极接地时，施加的电势使液滴和固体之间的接触角从110°变为85°。而液滴左侧由于没有电势作用，和固体表面的接触角保持不变，仍然为110°。因此，液滴的这种非对称形变在液滴的两侧产生了一个压力差，使液滴向着右侧带电电极方向运动。
本实施例的制备工艺为1.采用单晶硅作为下极板的衬底。
2.在1050℃条件下热氧化生长6000的SiO2。
3.溅射200厚的钛和1800厚的铂作为下电极，并利用正胶剥离工艺制作微电极阵列的图形。每个电极大小为1.4×1.4mm2，电极之间的间距为20μm；在方案2中以多晶硅下电极，替代方案1中的Ti/Pt电极。
4.在微电极阵列上利用LPCVD工艺覆盖一层2800厚的Si3N4薄膜作为介质层。
5.利用ICP-CVD，在室温条件下在Si3N4薄膜上淀积一层200厚的碳氟聚合物薄膜作为厌水层。淀积时采用英国STS公司的Mesc Multiples ICP设备，C4F8作为反应气体，流量为80sccm，压力为9Pa，射频功率为600W。
6.上极板的衬底为带有透明导电薄膜ITO的玻璃片。在上述相同的工艺条件下，用ICP-CVD在ITO上淀积一层200厚的碳氟聚合物薄膜作为厌水层。
7.在下极板上用双面胶带制作支撑物，把上极板放在支撑物上，上下极板之间的间隙由双面胶带制作的支撑物厚度决定，厚度为150μm。
权利要求1.一种介质层上的电润湿微液滴驱动器，其特征在于所述微液滴驱动器的结构是在硅衬底(1)上的介质层为下极板衬底(2)，在下极板衬底(2)上为Ti/Pt下电极阵列(3)，一层薄膜介质层(4)覆盖在上面，碳氟聚合物薄膜厌水层(5)覆盖在介质层(4)上，带厌水层(5)和ITO层(6)的上极板玻璃片(7)由支撑物(8)支撑在下电极阵列(3)的上方，下电极阵列(3)与外部引线(9)连接。
2.根据权利要求1所述介质层上的电润湿微液滴驱动器，其特征在于所述薄膜介质层为Si3N4薄膜或SiO2薄膜。
3.根据权利要求1所述介质层上的电润湿微液滴驱动器，其特征在于所述硅衬底为单晶硅或低阻多晶硅。
4.根据权利要求1所述介质层上的电润湿微液滴驱动器，其特征在于所述下极板衬底的介质层为热氧化SiO2或单晶硅。
5.根据权利要求1所述介质层上的电润湿微液滴驱动器，其特征在于所述下极板材料为Ti/Pt电极或多晶硅电极。
专利摘要本实用新型公开了属于微全分析和微机电装置范围的一种介质层上的电润湿微液滴驱动器。在单晶硅上有一层热氧化SiO
文档编号G01N35/10GK2735342SQ20042011790
公开日2005年10月19日 申请日期2004年10月20日 优先权日2004年10月20日
发明者岳瑞峰, 曾雪锋, 吴建刚, 胡欢, 刘理天 申请人:清华大学