专利名称：微纳米流体系统及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种微纳米流体系统及其制备方法。
技术背景 随着微纳流体在物理、化学、生物等领域的研究发展和广泛应用，自然学科对 微纳流芯片的要求也越来越高，尤其是近年来纳流体学(在特征尺度为IOOnm的物体内 部或周围的流体的研究及应用)因其尺度效应明显，可实现单分子的分析、研究而备受 关注。目前生物、化学领域已在微量物质反应、分析方面借助微纳体系做出一定贡献， 但可以预见的是微纳流体系还有更长远的发展，我们甚至可以在该系统上实现对化学、 生物现象中的离子输运行为的模拟和观测，对推动相关学科发展都将产生难以估量的价 值和贡献，这在国内甚至国际都是出于前沿水平的研究。微纳米流体系统在生物、化学已有比较成熟的发展，芯片实验室 (Lab-on-a-chip) (A.Manz, et al.，Miniaturized total chemical analysis systems a novel concept for chemical sensing, Sensors and Actuators B, 1(1990), 244)及微全系统(micro total analytical system) (Weiwei Gong, Shengyong Xu，et al., Room temperature synthesis of K2Mo3O10 ‘ 3H20 nanowires in minutes, Nanotechnology，20(2009), 215603)已为业界所 熟知，但现阶段此类系统主要通过MEMS工艺进行制备，且功能较为单一，控制性能较 弱、表征手段有限，而涉及纳流体方面更是因为学科新兴的缘故，许多基础问题还未得 到明确结论。
发明内容
本发明的目的是提供一种微纳米流体系统(器件)及其制备方法。本发明提供的微纳米流体系统，由上至下依次为保护层、微纳米通道层、绝缘 层b、场调制层、绝缘层a、薄膜热电偶阵列层和基底。上述微纳米流体系统中，构成所述基底的材料为玻璃；构成所述绝缘层a的材料为SiO2或Si3N4 ；构成所述场调制层的材料为Au或Cr，优选Cr ；构成所述绝缘层b的材料为SiO2或Si3N4 ；构成所述微纳米通道层的材料为水溶性钼酸盐纳米线；所述水溶性钼酸盐纳米 线的长度为10微米至200微米，优选60微米至140微米，直径为20纳米至200纳米， 优选40纳米至160纳米；所述薄膜热电偶阵列层由相互嵌合的&薄膜层和Ni薄膜层组成；所述薄膜热电 偶阵列层的厚度为80-120nm,优诛IOOnm ；所述绝缘层a的厚度为30-100纳米，优选50纳米；所述场调制层的厚度为20-60nm，优选50nm ；所述绝缘层b的厚度为30-100纳米，优选50纳米；
所述微纳米通道层的厚度为0.18-12 μ m，优选0.24 μ m。本发明提供的制备微纳米流体系统的方法，包括如下步骤1)在基底上制备薄膜热电偶阵列，得到薄膜热电偶阵列层；2)在所述步骤1)制备得到的薄膜热电偶阵列层上制备一层绝缘层a，并在所述 绝缘层a之上制备一层场调制层；3)在所述步骤2)制备得到的场调制层上制备一层绝缘层b，并将所述绝缘层b 上制备一层微纳米通道层，封装后得到所述微纳米流体系统。上述方法的步骤1)中，构成所述基底的材料为玻璃；所述薄膜热电偶阵列层由 相互嵌合的Cr薄膜层和Ni薄膜层组成；所述薄膜热电偶阵列层的厚度为80-120nm，优 选 1OOnm ；所述制备薄膜热电偶阵列层中Cr薄膜层的方法为在所述基底上制备一层光刻 胶层，干燥后，利用掩膜板进行紫外曝光，显影后，溅射一层Cr薄膜层，剥离后得到所 述薄膜热电偶阵列层中的Cr薄膜层；所述制备薄膜热电偶阵列层中Ni薄膜层的方法为 在已制备得到Cr薄膜层的基底上制备一层光刻胶层，干燥后，利用掩膜板进行紫外曝 光，显影后，溅射一层Ni薄膜层，剥离后得到所述薄膜热电偶阵列层中的Ni薄膜层；其中，上述制备Cr薄膜层和Ni薄膜层的方法中，所述制备光刻胶层的方法为 旋涂法，所述旋涂步骤中，转速为3500-4500rpm，优选4000rpm，时间为50s_80s，优 选1分钟；所述光刻胶为5350型光刻胶，所述光刻胶层的厚度为800ηιη-1.5μιη，优选 Iym;所述干燥步骤中，温度为100-110°C，优选105°C，时间为25-35分钟，优选30 分钟；所述紫外曝光步骤中，紫外光强度为260-350W，优选300W，时间为2.3-2.6秒， 优选2.5秒；所述显影步骤中，显影液为由AR300-26显影液与水组成的混合液，所述 AR300-26显影液与水的体积比为1 5或1 7，优选由体积比为1 7的AR300-26 显影液与水组成的混合液，时间为50s-70s，优选为1分钟；所述溅射一层Cr薄膜层步 骤中，所述溅射方法为磁控溅射法，其中，背景真空为5e-6T0rr-le-7T0rr，优选1 e-7Torr， 溅射气体为Ar气，溅射气压为3mTorr-3.5mTorr，优选3mTorr，溅射时间根据不同仪器 速率而定；所述Cr薄膜层的厚度为95-105nm，优选lOOnm，所述Ni薄膜层的厚度为 95-105nm,优选lOOnm。该步骤中薄膜热电偶阵列层制备过程中所用掩膜板，是根据步 骤3)微纳米通道层的具体结构设计而得，不局限于某种掩膜板结构。所述步骤2)中，构成所述绝缘层a的材料为SiO2或Si3N4。为保证热电偶层与 步骤3)中所提及的在热电偶层正上方的微纳流体通道层能有较好的温度传递，所述绝缘 层a的厚度为30-100nm，优选50nm。构成所述场调制层的材料为Au或Cr，优选Cr， 所述场调制层的厚度为20-60nm，优选50nm。制备所述绝缘层a的方法为磁控溅射法，其中，背景真空度为 5e-6Torr-Ie -7Torr,优选le-7Torr，溅射气体为Ar气，溅射气压为3mTorr-3.5mTorr，优选 3mTorr,溅射时间根据不同仪器速率而定。制备所述场调制层的方法为在所述绝缘层a上制备一层光刻胶层，干燥后，利 用掩膜板进行紫外曝光，显影后，溅射一层Cr薄膜层，剥离后得到所述场调制层；所 述制备光刻胶层的方法为旋涂法，所述光刻胶为5350型光刻胶，所述光刻胶层的厚度为 800nm-1.5ym,优选1 μ m ；所述溅射一层Cr薄膜层步骤中，所述溅射方法为磁控溅射法，其中，背景真空度为5e-6T0rr-le-7T0rr，优选l^Torr，溅射气体为Ar气，溅射气压为 3mTorr-3.5mTorr,优选3mT0rr，溅射时间根据不同仪器速率而定；所述Cr薄膜层的厚度 为 20-60nm，优选 50nm。所述步骤3)中，构成所述绝缘层b的材料为SiO2或Si3N4，所述绝缘层b的厚 度为30-100nm，优选50nm。该绝缘层b的设置是用于防止金属栅与通道溶液接触。构 成所述微纳米通道层的材料为Micr0Chem公司的负胶SU-83010，并利用水溶性钼酸盐 纳米线作为牺牲材料形成纳米通道，构成所述微纳米通道层的材料为水溶性钼酸盐纳米 线；所述水溶性钼酸盐纳米线的长度为10微米至200微米之间，优选60微米至140微 米，直径为20纳米至200纳米，优选40纳米至160纳米。所述微纳米通道层的厚度为 0.18-12ym,优选0.24μιη。微纳米通道层的厚度取决于所选材料，使用SOG时厚度为 0.18-0.22 μ m,优选 0.2 μ m，使用 SU-8 时厚度为 8-12 μ m，优选 10 μ m。制备所述绝缘层b的方法为磁控溅射法；制备所述微纳米通道层的方法为紫外 光刻、薄膜蒸镀、刻蚀。制备所述绝缘层b步骤中，背景真空度为5e-6T0rr-le-7T0rr，优 选Ie-7Torr,溅射气体为Ar气，溅射气压为3mTorr-3.5mTorr，优选3mTorr，溅射时间根 据不同仪器速率而定。所述步骤3)封装步骤中，封装所用材料为聚二甲基硅氧烷。该步骤中，制备微 纳米通道层的方法，可选用各种常用的微纳米通道制备方法，例如，可采用SOG(Spin0n glass)结合电感耦合等离子体蚀刻(Inductively coupled plasma，简称ICP)方法实现深度为 5微米以内的沟槽刻蚀，或选用厚度可调的负胶SU8结合传统的光刻工艺制作微纳米通道。上述方法的步骤3)中，用于制备微纳米通道层的水溶性钼酸盐纳米线可按照如 下方法制备而得通过四水合七钼酸铵在水中和钾离子反应得到。该方法中，在所述反 应前将所述反应的反应物通过水浴加热至30°C到90°C的温度范围内，优选加热至70°C， 所述反应在所述水浴温度下进行，所述四水合七钼酸铵和钾离子的反应可在上述水浴条 件下进行，持续4-5分钟；也可在水浴加热后的自然降温过程中进行，持续3-5分钟。 所述四水合七钼酸铵和钾离子之间的物质的量比为1 10到3 1，优选1 3。所述 钾离子来自于选自由氯化钾、硝酸钾、15硫酸钾、溴化钾、碘化钾和硫化钾组成的集合 中的一种或多种。优选地，可对获得的三水合三钼酸钾纳米线进行多次清洗，并在清洗过程中使用离心和/或抽滤的方法，其中离心的清洗效果更佳。另外，本发明提供的微纳米流体系统在制备测温器件或控温器件中的应用，也 属于本发明的保护范围。本发明利用Seebeck效应即温度差电动势，通过测量电压来反推出温度，这是热 电偶测温的基本原理。所述薄膜热电偶阵列可按测试密度制备5x5或10x10的微米尺度 和纳米尺度的薄膜热电偶阵列，从而实现测试在二维平面上的温度分布点阵，通过建模 分析该温度点阵，可精确计算出待测局域地区的温度。该薄膜热电偶作为测温单元，需 要有很高的测试精度及测试温度性，从热电偶的工作原理AV = -SAT中可以看出，若 要获得较高的温度灵敏度，需要在保持电压精度一定的情况下尽可能选择Seebeck系数之 差较大的热电偶材料，以保证S值大一些。选用纳伏表(Keithley 2182)用于测量热电偶 输出的电压信号，其电压测试灵敏度为0.1 μ V。目前采用工艺成熟的金属材料，可实现稳定度高且重复性强的20 μ V/K的测温精度。同时，Bi2Te3材料与本发明提供的制备工 艺兼容，该材料的Seebeck系数在室温下高达-86 μ V/K，并且可与金属Cr/Ni形成欧姆 接触，其中Ni(镍)的Seebeck系数为-14 μ V/K，可按现有工艺实现70 μ V/K的测温精度。
本发明制作的微纳米流体系统，以微纳米尺度的薄膜电阻加热器和级联热电偶 的Peltier效应来实现作为系统底层的局域测温和控温元件，可达到0.05K的测温灵敏度 和10微米的测温空间分辨率。本发明制作的微纳米流体系统以金属薄膜电极作为系统 中心部位的栅压调制层，上下均铺设50纳米左右厚度的绝缘材料，即可保证稳定、有效 的热传导性，又可防止金属电极与溶液的接触。本发明系统顶层的微纳流体核心部分可 利用水溶性钼酸盐纳米线制备截面、壁面材料可控的纳米通道，能够进行小信号的交流 测量，并在高频测量(直到IGHz)有较大的发展前景。系统还可外接光纤，实现光电测 量。本发明提供的微纳米流体系统，功能多样，结构紧凑，测试精度较高，能够实现局 域地区的精确测温、控温，并结合直流和高频信号的调制及测量对微纳流体系统的离子 输运行为进行综合分析，能为物理、化学、生物、工程等相关领域的研究提供有价值的 信息和实验依据，特别是对研究生物信号传递过程中的离子响应机制意义重大，具有很 大的基础研究和应用价值。
图1为本发明提供的微纳米流体系统的结构示意图，其中，总装系统VII为微纳 米流体系统，I为保护层，II为微纳米通道层，III为绝缘层b，IV为场调制层，V为绝 缘层a，VI为薄膜热电偶阵列层。图2为实施例1中热电偶阵列掩模版的示意图，其中，图A为制备Cr薄膜层的 掩膜版A，图B为制备Ni薄膜层的掩膜版B，图C为热电偶阵列掩膜版的局部放大图， 图D为掩膜版A和掩膜版B叠加后的热电偶阵列掩模版的示意图。图3为实施例1中用两组3*3热电偶阵列测温得到的各测温点所测量得到的时 间-温度曲线图。图4为实施例2中微纳米通道掩膜版的示意图。图5为实施例2中O.OlmM KCl溶液的伏安特性检测图。
具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。 下述实施例中所述方法如无特别说明，均为常规方法。实施例中所用基质硅酮和固化剂 硅酮树脂均购自道康宁公司。下述实施例中所用水溶性钼酸盐纳米线是按照中国专利申 请201010133186X中提供的方法制备而得，具体方法如下1)将 1.2 克(NH4)6Mo7O24 · 4H20(纯度99.999 % )和 0.4 克 KCl (纯度 99.999% )放入烧杯中，加入去离子水8毫升，在室温下混合溶解；2)置于70°C的水浴槽中，过30秒左右溶液从混浊变澄清；到60秒左右，澄清 溶液开始出现混浊，表示开始生成目标产物；3)从水浴槽中取出烧杯，置于室温条件下冷却，冷却过程中，溶液从澄清变为浑浊，整个过程为3-5分钟，这个过程即是纳米线的生长过程； 4)晃动混浊液体，出现絮状物聚集成团的现象，与澄清部分相分离；过滤或离 心获得此絮状物即得到K2Mo3Oltl · 3H20纳米线粗产物。在此粗产物中，除了 K2Mo3Oltl · 3H20纳米线(占粗产物总质量的40% )夕卜， 还含有K+、NH4+、Mo3O1广等杂质，最好对其作常规后处理以进一步纯化产物，去除杂 质。其中进一步的清洗处理较为必要，否则所得的纳米线会被片晶所板结。采用下述清洗方法用去离子水少量、快速洗涤上述粗产物，保证洗涤时间控 制在大多数纳米线还处于溶胀阶段，以防流失大量纳米线，同时达到清洗的目的；洗涤 后离心回收不溶于水WK2Mo3Oici · 3H20纳米线；对离心后获得的K2Mo3Oltl · 3H20纳 米线按照上述步骤重新提纯，经6次离心后，得到的K2Mo3Oltl ·3Η20纳米线产物占总质 量的95%。实施例11)设计制备掩模版A和B并利用掩膜版A和B制备薄膜热电偶阵列层按照薄膜热电偶阵列层的如下要求设计掩膜版A和B 该热电偶阵列层由薄膜 热电偶阵列组成，该阵列为3*3(每列3个薄膜热电偶，共3列)阵列；每个热电偶有两条 臂，每条臂主体部分宽度均为50 μ m，而每个热电偶的两条臂之间的距离均为60 μ m， 相邻两热电偶之间的距离均为3_;每个热电偶两条臂的交叠区域作为热端，均为 20μιηΧ20μιη的正方形，靠近热端的热电偶臂宽度均由50 μ m变为20 μ m ；热电偶的另 一端作为冷端，每个热电偶的两条臂分别引出至两个大小为ImmXlmm的引出电极，用 于和外部电路相连接。按照上述要求所得掩膜板的结构示意图如图2所示，其中，图A 为用于制备Cr薄膜层的掩膜版A，图B为用于制备Ni薄膜层的掩膜版B，图C为热电偶 阵列掩膜版的局部放大图，图D为掩膜版A和掩膜版B叠加后的热电偶阵列掩模版的示 意图。利用上述设计所得掩模版A和B，通过两次光刻(包括一次套刻)和镀膜、剥 离等步骤制备由Cr薄膜层和Ni薄膜层组成的薄膜热电偶阵列层。具体操作为采用厚 度为0.5mm的玻璃基片，选择5350型号光刻胶(购自德国ALLRESIST公司)，经过勻 胶机4000rpm转速下勻胶1分钟使光刻胶均勻附着在玻璃基片表面，该光刻胶层厚度为 Ιμιη,并在105 °C烘烤30分钟。之后，利用图2A所示掩模版A，使用SUSSMicroTec公 司生产的MJB4光刻机，在300W汞灯功率强度下，曝光2.5s，再使用由体积比为1 7 的AR300-26显影液(购自德国ALLRESIST公司)与去离子水组成的混合液显影60秒。 在Kurt J.Lesker公司生产的PVD75磁控溅射镀膜仪中，溅射厚度为IOOnm的Cr薄膜层， 其中，背景真空为SfTorr，溅射气体Ar气，气压3mT0rr，溅射时间为15分钟，再在丙 酮中放置15分钟后剥离，完成热电偶阵列中Cr薄膜层的制备。Ni薄膜层的制备步骤与Cr薄膜层的制备相同，仅将图2A所示掩膜版A替换为 图2B所示掩膜版B。按照上述方法制备所得薄膜热电偶阵列层的厚度为lOOnm。2)将步骤1)所得薄膜热电偶阵列层放置在KurtLLesker公司的PVD75磁控溅射 镀膜仪中，选用SiO2靶，在背景真空为Se-7Torn溅射气体Ar气，气压3mT0rr，溅射时 间为75分钟，镀膜厚度为50nm，得到绝缘层a。该层既可实现绝缘，又可保证良好的温度传递。该绝缘层a的厚度为50nm。3)在绝缘层a上选用步骤1)中的光刻方法，选用5350光刻胶，勻胶厚度1 μ m， 在105°C下烘烤3min，选用制作栅极调制层的掩膜版曝光2.5s，再用由体积比为1 7的 AR300-26显影液(购自德国ALLRESIST公司)与去离子水组成的混合液显影60秒。通 过磁控溅射仪溅射厚度为50nm的&金属膜，设置参数进行溅射(溅射条件为背景真 空为Se-7Torn溅射气体Ar气，气压3mT0rr，溅射时间为15分钟)，剥离后得到场调制 层。该场调制层的厚度为50nm。4)在步骤3)所得场调制层之上，重复步骤2)中制备绝缘层a的步骤，铺设50nm 厚度的SiO2层，得到绝缘层b，该绝缘层b的厚度为50nm。5)在步骤4)所得绝缘层b上放置一根新制的钼酸盐纳米线(长度100 μ m,直径 150nm)后，按照下述步骤a_步骤e制备微纳米通道层a、选用Honeywell公司出售的SOG(spin-on-glass)胶， 用旋涂法制备SOG胶 层，勻胶参数为转速3000rpm，旋涂时间为20s，在已放置钼酸盐纳米线的绝缘层b上旋 涂得到厚度为200nm的SOG胶层；b、将步骤a所得SOG胶层在425°C下退火1小时，然后在SOG层上使用5350 型号光刻胶经过勻胶机4000rpm转速下勻胶1分钟，得到厚度为Iym的胶层，在105°C 烘烤30分钟，利用图4所示明场掩膜版在光刻机下曝光2.5s，再使用由体积比为1 7 的AR300-26显影液(购自德国ALLRESIST公司)与去离子水组成的混合液显影60秒。 再用磁控溅射仪溅射一层厚度为50nm的Cr层(溅射条件为背景真空为S^Torr，溅 射气体Ar气，气压3mT0rr，溅射时间为15分钟)，再在其上用磁控溅射仪溅射一层厚 度为50nm的Au层作为掩膜(溅射条件为背景真空为S^Torr，溅射气体Ar气，气压 3mTorr,溅射时间为15分钟)，再在丙酮中放置15分钟后剥离。经过ICP刻蚀(腔体压 力为35mTorr，刻蚀气体为025sccm和CF450sccm，在80nm/min的刻蚀速度下刻蚀3min) 得到厚度为240nm的微纳米通道层；C、用0.46mol/L的硝酸铈铵(分子式为Ce (NH4) 2 (NO3) 6)水溶液与高氯酸按体 积比为50 3混勻后洗去步骤b制备所得Cr层和Au层，由于纳米线亦为水溶性，经过 上述处理后，钼酸盐纳米线亦被洗去，与步骤b所得微纳米通道层相通；d、按照道康宁公司关于PDMS制备的说明书(所需原料基质硅酮与固化剂硅酮 树脂均购自道康宁公司)，在步骤c处理完毕的SOG层表面制备厚度为2mm的PDMS胶 层，该PDMS胶层同时覆盖步骤c所得微纳米通道层；e、在步骤d处理完毕的SOG层和PDMS层表面打氧等离子体(气腔氧气通入量 为400mL/min，电压700V，电流IOOmA) 30秒后，SOG层表面与PDMS层表面发生键 合，完成步骤c所得微纳米通道的封装，得到本发明提供的微纳米流体系统。上述本发明提供的微纳米流体系统VII的结构示意图如图1所示，该微纳米流体 系统由上至下依次为保护层I、微纳米通道层II、绝缘层bill、场调制层IV、绝缘层aV、 薄膜热电偶阵列层VI和基底，其中基底在图中未标示。构成基底的材料为玻璃；该薄 膜热电偶阵列层VI由相互嵌合的Cr薄膜层和Ni薄膜层组成；构成绝缘层a的材料为 SiO2,厚度为50纳米；构成场调制层的材料为Cr，厚度为50nm ；构成绝缘层b的材料 为SiO2,厚度为50nm ；构成微纳米通道层的材料为长度100 μ m、直径150nm的水溶性钼酸盐纳米线；薄膜热电偶阵列层的厚度为IOOnm ；微纳米通道层的厚度为0.24 μ m。
对上述制备所得微纳米流体系统进行温度测量以3*3热电偶阵列为例，将热电偶阵列冷端的电极通过点焊等方式连接到外接 电路板上，经过多信道程控开关控制器(Keithley 7001)与小信号电压测量仪器相连(型 号为2182，购自Keithley公司)，对热电偶进行电压测量。在已知热电偶热电动势系数 (Seebeck系数)的情况下(本实例中热电偶室温下系数为24 μ V/°C )，可以通过所测得 电压除以该系数得到热电偶热端(Cr、Ni薄膜交叠区)的温度。对每个热电偶轮流进行 实时的温度测量(间隔时间小于lms)，即可实时得到平面上各点的温度值，所得结果见 附图3。图3为将一个靠近基片的点热源由开始加温至稳定的过程中，使用同一基片上的 两组3*3热电偶阵列(共18个测温点)进行实时测量得到的各测温点所测温度随时间变 化的曲线。图中18条颜色不同的曲线代表18个测温点，在任意时刻从不同曲线上可以 取得得到各点的温度值，很明显，温度读数越高的点，其距离热源位置越近。如果采用 插值法对数据平滑处理，则可以得到任意时刻的基片平面上的温度分布。
实施例2按照与实施例1中的步骤1)-步骤4)完全相同的步骤进行步骤1)-步骤4)；5)在步骤4)所得绝缘层b上放置一根新制的钼酸盐纳米线(长度为100 μ m，直 径为150nm)后，按照下述步骤a_步骤e制备微纳米通道层a、选用MicroChem公司出售的型号为3010的负胶SU_8，用旋涂法制备SU_8 胶层，勻胶参数为转速3000rpm，旋涂时间为30s，在已放置钼酸盐纳米线的绝缘层b上 旋涂得到厚度为10 μ m的SU-8胶层；b、将步骤a所得SU-8胶层先在95 °C烘干3min，曝光15s后再烘干2min后，再 使用SU-8显影剂显影3min，由于纳米线为水溶性，经过上述显影步骤后，干燥即得到厚 度为10 μ m的微纳米通道层；C、按照道康宁公司关于PDMS制备的说明书(所需原料基质硅酮与固化剂硅酮 树脂均购自道康宁公司)，在步骤b处理完毕的SU-8胶层表面制备厚度为2mm的PDMS 胶层，该PDMS胶层同时覆盖步骤b所得微纳米通道层；该步骤中所用基质和固化剂均购自道康宁公司；e、在SU-8胶层和PDMS层表面打氧等离子体(气腔氧气通入量为400mL/ min,电压700V，电流IOOmA) 30秒后，置于70°C下烘烤50分钟，SU_8胶层表面与 PDMS层表面发生键合，完成步骤b所得微纳米通道层的封装，得到本发明提供的微纳米 流体系统。上述本发明提供的微纳米流体系统VII的结构示意图如图1所示，该微纳米流体 系统由上至下依次为保护层I、微纳米通道层II、绝缘层bill、场调制层IV、绝缘层aV、 薄膜热电偶阵列层VI和基底，其中基底在图中未标示。构成基底的材料为玻璃；该薄 膜热电偶阵列层VI由相互嵌合的Cr薄膜层和Ni薄膜层组成；构成绝缘层a的材料为 SiO2,厚度为50纳米；构成场调制层的材料为Cr，厚度为50nm ；构成绝缘层b的材料 为SiO2,厚度为50nm ；构成微纳米通道层的材料为长度100 μ m、直径150nm的水溶性 钼酸盐纳米线；薄膜热电偶阵列层的厚度为IOOnm ；微纳米通道层的厚度为0.24 μ m。对上述制备所得微纳米流体系统进行电导测量
电导测量以附图4的掩 膜版制备的通道为例，图案中心处为纳米线连接处， 横向将微米通道贯穿，采用半导体分析仪(Keithley 4200)，与插入通道两端储液池中的 钼丝相连，测试通道中的离子导通特性。通入通道内的溶液为浓度为O.OlmM的KCl溶 液，采用Keithley 4200的V-I模式得到伏安曲线，结果见附图5。由图5可知，对于 O.OlmM的KCl溶液在较低电压测试时，表现为良好的线性，从O到7V的测试区间，得 到电流从O到3.5纳安呈线性增长。
权利要求
1.一种微纳米流体系统，由上至下依次为保护层、微纳米通道层、绝缘层b、场调制 层、绝缘层a、薄膜热电偶阵列层和基底。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于构成所述基底的材料为玻璃；构成所述绝缘层a的材料为SiO2或Si3N4 ；构成所述场调制层的材料为Au或Cr，优选Cr;构成所述绝缘层b的材料为SiO2或Si3N4 ；构成所述微纳米通道层的材料为水溶性钼酸盐纳米线；所述水溶性钼酸盐纳米线的 长度为10微米至200微米，优选60微米至140微米，直径为20纳米至200纳米，优选 40纳米至160纳米；所述薄膜热电偶阵列层由相互嵌合的Cr薄膜层和Ni薄膜层组成；所述薄膜热电偶阵 列层的厚度为80-120nm，优选IOOnm ；所述绝缘层a的厚度为30-100纳米，优选50纳米；所述场调制层的厚度为20-60nm，优选50nm ；所述绝缘层b的厚度为30-100纳米，优选50纳米；所述微纳米通道层的厚度为0.18-12 μ m，优选0.24 μ m。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于所述微纳米流体系统是按照权利要 求4-10任一所述方法制备而得。
4.一种制备权利要求1-3任一所述微纳米流体系统的方法，包括如下步骤1)在基底上制备薄膜热电偶阵列，得到所述薄膜热电偶阵列层；2)在所述步骤1)制备得到的薄膜热电偶阵列层上制备一层所述绝缘层a，并在所述 绝缘层a之上制备得到所述场调制层；3)在所述步骤2)制备得到的所述场调制层上制备一层所述绝缘层b，并将所述绝缘 层b上制备一层微纳米通道层，封装后得到所述微纳米流体系统。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述步骤1)中，构成所述基底的材料 为玻璃；所述薄膜热电偶阵列层由相互嵌合的Cr薄膜层和Ni薄膜层组成；所述步骤2)中，构成所述绝缘层a的材料为SiO2或Si3N4，构成所述场调制层的材料 为Au或Cr，优选Cr;所述步骤3)中，构成所述绝缘层b的材料为SiO2或Si3N4，构成所述微纳米通道层的 材料为水溶性钼酸盐纳米线；所述水溶性钼酸盐纳米线的长度为10微米至200微米，优 选60微米至140微米，直径为20纳米至200纳米，优选40纳米至160纳米。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于所述步骤1)中，所述薄膜热电偶 阵列层的厚度为80-120nm，优选IOOnm ；所述步骤2)中，所述绝缘层a的厚度为30-100纳米，优选50纳米，所述场调制层 的厚度为20-60nm，优选50nm ；所述步骤3)中，所述绝缘层b的厚度为30-100纳米，优选50纳米，所述微纳米通 道层的厚度为0.18-12 μ m，优选0.24 μ m。
7.根据权利要求5-6任一所述的方法，其特征在于所述步骤1)中，所述制备薄膜 热电偶阵列层中Cr薄膜层的方法为在所述基底上制备一层光刻胶层，干燥后，利用掩 膜板进行紫外曝光，显影后，溅射一层Cr薄膜层，剥离后得到所述薄膜热电偶阵列层中的Cr薄膜层；所述制备薄膜热电偶阵列层中Ni薄膜层的方法为在已制备得到Cr薄膜层的基底上 制备一层光刻胶层，干燥后，利用掩膜板进行紫外曝光，显影后，溅射一层Ni薄膜层， 剥离后得到所述薄膜热电偶阵列层中的Ni薄膜层；所述步骤2)中，制备所述绝缘层a的方法为磁控溅射法；制备所述场调制层的方法 为在所述绝缘层a上制备一层光刻胶层，干燥后，利用掩膜板进行紫外曝光，显影后，溅 射一层Cr薄膜层，剥离后得到所述场调制层；所述步骤3)中，制备所述绝缘层b的方法为磁控溅射法；制备所述微纳米通道层的 方法为紫外光刻、薄膜蒸镀、刻蚀。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述步骤1)制备薄膜热电偶阵列层中 Cr薄膜层中，所述制备光刻胶层的方法为旋涂法，所述光刻胶为5350型光刻胶，所述光 刻胶层的厚度为800ηιη-1.5μιη，优选1 μ m ；所述溅射一层Cr薄膜层步骤中，所述溅射 方法为磁控溅射法，所述Cr薄膜层的厚度为95-105nm，优选IOOnm ；所述步骤1)制备薄膜热电偶阵列层中Ni薄膜层中，所述制备光刻胶层的方法为旋涂 法，所述光刻胶为5350型光刻胶，所述光刻胶层的厚度为800ηιη-1.5μιη，优选1 μ m ； 所述溅射一层Ni薄膜层步骤中，所述溅射方法为磁控溅射法，所述Ni薄膜层的厚度为 95-105nm,优选 IOOnm ；所述步骤2)制备所述绝缘层a步骤中，采用磁控溅射镀膜方法，背景真空度为 5e_6Torr-le_7Torr，优选 le_7Torr，溅射气体为 Ar 气，溅射气压为 3mTorr-3.5mTorr，优选 3mTorr ；制备所述场调制层步骤中，所述制备光刻胶层的方法为旋涂法，所述光刻胶为 5350型光刻胶，所述光刻胶层的800ηιη-1.5μιη，优选1 μ m ；所述溅射一层Cr薄膜层步 骤中，所述溅射方法为磁控溅射法，所述Cr薄膜层的厚度为20-60nm，优选50nm ；所述步骤3)制备所述绝缘层b步骤中，采用磁控溅射镀膜方法，背景真空度为 5e_6Torr-le_7Torr，优选 le_7Torr，溅射气体为 Ar 气，溅射气压为 3mTorr-3.5mTorr，优选 3mTorr。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述步骤1)制备Cr薄膜层和Ni薄膜 层中，所述旋涂步骤中，转速为3500-4500rpm，优选4000rpm，时间为50-70秒，优选 1分钟；所述干燥步骤中，温度为100-110°C，优选105°C，时间为25-35分钟，优选30 分钟；所述紫外曝光步骤中，紫外光强度260-350W，优选300W，时间为2.3-2.6秒， 优选2.5秒；所述显影步骤中，显影液为由AR300-26显影液与水组成的混合液，所述 AR300-26显影液与水的体积比为1 5或1 7，优选由体积比为1 7的AR300-26显 影液与水组成的混合液，时间为50s-70s，优选为1分钟；所述溅射一层Cr薄膜层步骤中，背景真空度为5e-6T0rr-le-7T0rr，优选1 ^Torr，溅射 气体为Ar气，溅射气压为3mTorr-3.5mTorr，优选3mTorr ；所述溅射一层Ni薄膜层步骤中，背景真空度为5e_6T0rr-le_7T0rr，优选le_7T0rr，溅射 气体为Ar气，溅射气压为3mTorr-3.5mTorr，优选3mTorr ；所述步骤2)制备所述场调制层步骤中，所述溅射一层Cr薄膜步骤中，背景真空度为 5e_6Torr-le_7Torr，优选 le_7Torr，溅射气体为 Ar 气，溅射气压为 3mTorr-3.5mTorr，优选 3mTorr。
10.权利要求1-3任一所述微纳米流体系统在制备测温器件或控温器件中的应用。
全文摘要
本发明公开了一种制备微纳米流体系统的方法。该方法，包括如下步骤1)在基底上制备薄膜热电偶阵列，得到薄膜热电偶阵列层；2)在所述步骤1)制备得到的薄膜热电偶阵列层上制备一层绝缘层a，并在所述绝缘层之上制备一层场调制层；3)在所述步骤2)制备得到的场调制层上制备一层绝缘层b，并将所述绝缘层b上制备一层微纳米通道层，封装后得到所述微纳米流体系统。本发明制作的微纳米流体测试系统带有局域温度测量与控制、可进行直流及高频电磁测量。该系统功能多样、结构紧凑且测试精度高，在物理、化学、生物等研究领域都有很好的应用前景。
文档编号G01R27/02GK102009941SQ201010500889
公开日2011年4月13日 申请日期2010年10月9日 优先权日2010年10月9日
发明者刘海啸, 吴修栋, 孙伟强, 庄虔伟, 薛炯微, 许胜勇, 龚巍巍 申请人:北京大学