微流控基板及微全分析系统的制作方法

本发明属于生物检测技术领域，具体涉及一种微流控基板及微全分析系统。

背景技术：

微型全分析系统(micro-totalanalysissystem，微全分析系统)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。最终目标是实现分析实验室的“个人化”、“家用化”，从而使分析科学及分析仪器从化学实验室解放出来，进入千家万户。

在微全分析系统中，可以实现控制微量的液滴移动、分离、聚合、化学反应、生物侦测等行为。将液滴滴在疏液层上，并通过驱动电极移动到指定位置，而光源经过光波导分离出不同波长的垂直光，从指定位置出射，光敏传感器(也即感光单元)通过检测经过液滴之后的光来判断液滴位置、成分等。

发明人发现现有技术中至少存在如下问题：在现有的微全分析系统中，由于疏液层的材料通常采用特氟龙，该种材料的介电常数较小，因此导致驱动电极的驱动电压需要在40v以上，才能够驱动液滴的移动，导致微全分析系统的功耗较大。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种微流控基板及微全分析系统。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种微流控基板，包括：背板，位于所述背板上的驱动电极，位于所述驱动电极所在层上的疏液层，所述微流控基板还包括：位于所述驱动电极所在层与所述疏液层之间有机电介质层。

优选的是，所述背板包括：基底，位于所述基底上第一控制线、驱动电压写入线、开关单元；第二控制线、信号读取线、检测单元；其中，

所述开关单元，用于在所述第一控制线的控制下，将驱动电压写入线上所写入的驱动电压输出给驱动电极；

所述检测单元，用于在第二控制线的控制下，将对光信号进行检测，并通过读取线进行输出。

优选的是，所述开关单元包括第一开关晶体管；所述检测单元包括第二开关晶体管和感光元件；其中，

所述第一开关晶体管的第一极连接所述驱动电压写入线，第二极连接驱动电极，控制极连接第一控制线；

所述第二开关晶体管的第一极连接读取线，第二极连接所述感光元件的第一极，控制极连接第二控制线；所述感光元件的第二极连接固定电源电压端；

所述第一开关晶体管和/或所述第二开关晶体管包括低温多晶硅薄膜晶体管。

优选的是，所述背板上还包括位于所述基底上的驱动芯片；所述驱动芯片与所述第一控制线、所述驱动电压写入线、所述第二控制线、所述信号读取线绑定连接。

优选的是，所述微流控基板还包括：位于所述驱动电极所在层与有机电介质层之间的隔离层。

优选的是，所述隔离层的材料包括氮化硅。

优选的是，所述微流控基板还包括：位于所述隔离层上的粘结层；所述粘结层在于所述驱动电极对应的位置具有镂空区；所述有机电介质层填充所述镂空区。

优选的是，所述微流控基板还包括：位于所述驱动电极所在层与有机电介质层之间的粘结层。

优选的是，所述有机电介质层的材料包括：聚乙烯、聚偏氟乙烯、偏氟乙烯共聚物中的任意一种。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种微全分析系统，包括上述的微流控基板和光学单元。

附图说明

图1为本发明的实施例1的微流控基板的结构示意图；

图2为本发明的实施例2的微流控基板的结构示意图；

图3为本发明的实施例3的一种微流控基板的结构示意图；

图4为本发明的实施例3的另一种微流控基板的结构示意图。

其中附图标记为：1、背板；2、驱动电极；3、疏液层；4、有机电介质层；5、隔离层；6、粘结层。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

首先，对现有的微全分析系统的结构进行说明。

微全分析系统通常包括两大部分，也即微流控基板和光学单元。其中，微流控基板包括：背板，依次设置背板之上的驱动电极、平坦化层、疏水层；背板包括：基底，位于基底上第一控制线、驱动电压写入线、开关单元；第二控制线、信号读取线、检测单元；其中，开关单元用于在所述第一控制线的控制下，将驱动电压写入线上所写入的驱动电压输出给驱动电极，以驱动液滴的移动；检测单元用于在第二控制线的控制下，将对经过液滴的光信号进行检测，并通过读取线进行输出，以对液滴的状态进行检测。光学单元包括光源、光波导层、公共电极和疏液层；具体的，光源设置在所述光波导层的侧边，能够输出多路不同波长的光；共波导层上设置有公共电极层和疏液层；光波导层具有公共电极层的一侧与所述微流控基板相对设置。

其中，在液滴驱动和液滴检测时，液滴是位于微流控基板和光学单元之间的。具体的，通过控制施加在驱动电极上的电压值的大小以实现驱动液滴的移动，当液滴移动的某一位置时，液滴会遮挡一部分上方光源光线，导致感光单元接收的信号发生区域性变化，如此即可侦测到液滴的大小和位置信息。而不同的浓度，遮挡的光强信息不同，导致区域感光单元阵列的信号量不同，如此根据信号的大小即可读取出液滴的实时浓度信息。

发明人发现，由于与液滴接触的疏液层的材料通常采用聚四氟乙烯，该种材料介电常数小，导致在驱动液滴移动时，施加给驱动电极的电压要大于50v，也即需要较大的驱动电压才能够驱动液滴移动，因此会造成微全分析系统的功耗较大。

对此以下实施例中提供几种微流控基板及微全分析系统，以解决上述问题。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供一种微流控基板，其包括背板1，位于背板1上的间隔设置的多个驱动电极2，位于驱动电极2所在层上的有机电介质层4，位于有机电介质层4上的疏液层3。

由于本实施例的微流控基板，在驱动电极2所在层和疏液层3之间设置有机电介质层4，有机电介质层4的柔性好、介电损耗低、易于加工，与此同时可以提高介电层的电容，且有机电介质层4和疏液层3增加形成双电层的介质层的电荷的密度，根据同性电荷的互相排斥原理，电荷密度的增加，斥力变大，电解液的润湿性加大，接触角变小，从而可以降低器件的驱动电压，此时驱动电压小于20v，进而降低微流控基板的功耗。

其中，背板1包括：基底，位于基底上第一控制线、驱动电压写入线、开关单元；第二控制线、信号读取线、检测单元；其中，开关单元用于在所述第一控制线的控制下，将驱动电压写入线上所写入的驱动电压输出给驱动电极2；检测单元用于在第二控制线的控制下，将对光信号进行检测，并通过读取线进行输出。

具体的，开关单元包括第一开关晶体管；检测单元包括第二开关晶体管和感光元件；其中，第一开关晶体管的第一极连接所述驱动电压写入线，第二极连接驱动电极2，控制极连接第一控制线；第二开关晶体管的第一极连接读取线，第二极连接所述感光元件的第一极，控制极连接第二控制线；感光元件的第二极连接固定电源电压端。

在本实施例中，第一开关晶体管和/或第二开关晶体管包括低温多晶硅薄膜晶体管。为了便于背板1的制备，在本实施例中第一开关晶体管和第二开关晶体管均采用低温多晶体薄膜晶体管。而且，由于低温多晶体薄膜晶体管在制备时，可以利用连续沉积工艺，而无需缓冲层，因此可以大大提高背板1的迁移率。其中，感光元件优选采用pin光电二极管，将pin光电二极管嵌入背板1中形成感光元件，可以大大提高微流控基板的灵敏度。

本实施例的背板1的基底上还设置有驱动芯片，该驱动芯片与第一控制线、驱动电压写入线、第二控制线、信号读取线绑定连接。这样一来，可以达到系统整合、节省电路所占空间及降低驱动芯片的成本。

在本实施例中，有机电介质层4的材料包括聚乙烯、聚偏氟乙烯、偏氟乙烯共聚物，这些材料柔性好、介电损耗低、易于加工，与此同时可以提高介电层的介电常数，从而提高微流控基板上所形成的电容存储电荷的数量，也即增加了电荷密度，根据同性电荷的互相排斥原理，电荷密度的增加，斥力变大，电解液的润湿性加大，接触角变小，从而可以降低器件的驱动电压，进而降低微流控基板的功耗。当然，有机电介质层4也不局限于以上几种材料，介电常数在9至11左右的均可。

以下，以第一开关晶体管和第二开关晶体管采用n型薄膜晶体管为例，对微流控基板的工作过程进行说明。

液滴驱动阶段：

对于液滴的驱动，通过第一开关晶体管控制驱动电极2，给驱动电极2施加不同的电压值，此时驱动的电极的电压会引起位于驱动电极2上方的液滴与其所接触的面具有不同的接触角，如此可实现液滴的移动。

具体的，给第一控制线输入高电平信号，也即给第一开关晶体管的控制极输入高电平信号，第一开关晶体管打开，给驱动电压写入线输入第一电压，并传输给驱动电极2，驱动液滴移动。

液滴检测阶段：

给第二开关晶体管的控制极输入低电平信号，第二开关晶体管关断，pin光电二极管两端的压差使得当光照设置pin光电二极管时，pin光电二极管开始感光积分将光信号转换为电信号，当积分结束后，给第二开关晶体管的控制极输入高电平信号，第二开关晶体管打开，通过与第二开关晶体管的第一极连接的读取线读取pin光电二极管生成电信号，以确定液滴的状态。

在该步骤中，以pin光电二极管为阵列排布为例，液滴移动的某一位置时，液滴会遮挡一部分上方光源光线，导致pin光电二极管接收的信号发生区域性变化，如此即可侦测到液滴的大小和位置信息。而不同的浓度，遮挡的光强信息不同，导致区域pin光电二极管阵列的信号量不同，如此根据信号的大小即可读取出液滴的实时浓度信息。

实施例2：

如图2所示，本实施例提供一种微流控基板，该微流控基板与实施例1中的结构大致相同，区别在于，本实施例的微流控基板包括位于驱动电极2所在层与有机电介质层4之间的隔离层5，该隔离层5能够隔离水氧，以防止水氧腐蚀驱动电极2和背板1上的各个功能元件。

对于本实施例的微流控基板的其余结构，可以采用与实施例1中相同的结构，故在此不再重复描述。

其中，在本实施例中隔离层5的材料可以采用氮化硅(sinx)等材料。当然，隔离层5的材料也不局限于此，也可以根据具体结构，具体工艺采用不同的能够隔离水氧的材料。

实施例3：

本实施例提供一种微流控基板，该微流控基板可以包括实施例1或2中的微流控基板的各层结构，特别的是，在本实施例的微流控基板在驱动电极2背离基底的一侧设置有粘结层6，以防止有机电介质层4脱落。

具体的，如图3所示，当本实施例中的微流控基板包括实施例1中的各层结构时，粘结层6可以为面状结构，覆盖在驱动电极2之上，有机电介质层4则可以覆盖在粘结层6之上。该种结构制备工艺简单，且能够很好的防止有机电介质层4的脱落。

如图4所示，当本实施例中的微流控基板包括实施例2中的各层结构时，粘结层6则位于隔离层5之上，该粘结层6可以为网格结构，其中网格结构的镂空区对应驱动电极2，有机电介质层4由多个块状结构构成，每个块状结构填充一个镂空区，也即有机电介质层4填充所述镂空区，构成一平整表面。该种结构并不会增加微流控基板厚度，以实现微流控基板的轻薄化。

当然，即使微流控基板包括实施例2中的各层结构，其中的粘结层6和有机电介质层4也可以采用面状结构，以简化工艺步骤。

实施例4：

本实施例提供一种微全分析系统，包括实施例1-3中任意一种微流控基板。

由于本实施例中的微全分析系统包括实施例1-3中任意一种微流控基板，故其功耗较低。

当然，在本实施例的微全分析系统中还包括：光学单元；该光学单元包括光源、光波导层、公共电极和疏液层3；具体的，光源设置在所述光波导层的侧边，能够输出多路不同波长的光；共波导层上设置有公共电极层和疏液层3；光波导层具有公共电极层的一侧与所述微流控基板相对设置。

实施例5：

本实施例提供一种微流控基板的制备方法，其中，以微流控基板可以包括背板1，以及依次设置在背板1上的驱动电极2、隔离层5、粘结层6、有机电介质层4、疏水层为例进行说明。该方法具体可以包括如下步骤：

步骤一、制备背板1，并对背板1进行封装。

具体的，在该步骤中包括采用连续沉积的方式，在基底形成第一开关晶体管、第二开关晶体管、pin光电二极管等元件；其中，第一开关晶体管、第二开关晶体管可以是低温多晶硅薄膜晶体管，之后对背板1采用氮化硅进行封装。

步骤二、通过构图工艺，形成包括驱动电极2的图形。

具体的，在该步骤中沉积透明导电层，之后进行曝光、显影、刻蚀形成包括驱动电极2的图形。其中，透明导电层的材料包括ito等，透明导电层的膜厚在左右。

步骤三、形成隔离层5。

具体的，在该步骤中可以采用涂覆的方式，形成隔离层5。其中，隔离层5的材料可以包括氮化硅等。

步骤四、通过构图工艺形成包括粘结层6的图形。

具体的，在该步骤中，采用旋涂方式涂覆粘结材料层，之后通过曝光、显影工艺将粘结材料层中与之后要形成的驱动电极2对应的位置出的材料去除，之后进行固化形成粘结层6。其中，旋涂的转速在450rpm/30s左右；粘结层6的厚度在5μm左右；固化温度在230℃左右；固化时间在60min左右。

步骤五、通过构图工艺形成包括有机电介质层4的图形。

具体的，在该步骤中，采用旋涂的方式形成有机电介质层4，有机电介质层4填充所述镂空区，构成一平整表面，之后前烘，进行晶化，然后极化处理。其中，旋涂的转速在500rpm/30s左右；有机电致层的厚度在5μm左右；前烘的温度在135℃左右；前烘的时间在15min左右。

步骤六、形成疏液层3。

具体的，在该步骤中，采用旋涂的方式形成疏液层3，之后进行固化。其中，旋涂的转速在800rpm/10s左右；疏液层3的膜厚在0.5μm左右；固化温度在165℃左右；固化时间在15min左右。

由于本实施例的微流控基板的制备方法中，在驱动电极2所在层和疏液层3之间形成有机电介质层4，有机电介质层4的柔性好、介电损耗低、易于加工，与此同时可以提高介电层的电容，且有机电介质层4和疏液层3增加形成双电层的介质层的电荷的密度，根据同性电荷的互相排斥原理，电荷密度的增加，斥力变大，电解液的润湿性加大，接触角变小，从而可以降低器件的驱动电压，此时驱动电压小于20v，进而降低微流控基板的功耗。

相应的，在本实施例还提供一种微全分析系统的制备方法，包括上述的微流控基板的制备方法，同时还包括在光波导层上形成公共电极和疏液层3，以及在光波导层的侧边形成光源的步骤。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。