[發明專利]具有深亞微米孔結構的數字微液滴驅動器及制作方法

有效

• 申請號: 200910051290.1
• 申請日: 2009-05-15
• 公開（公告）號: CN101559914A
• 公開（公告）日: 2009-10-21
• 發明（設計）人: 李鐵;皋華敏;劉翔;周萍;王躍林
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: B81B7/02
• 分類號: B81B7/02;B81C1/00;B81C3/00;B81C5/00;G01N33/50
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司
• 代理人: 潘振甦

技術領域

本發明涉及一種具有深亞微米孔結構的數字微液滴驅動器及制作方法，屬于微機電系統和微全分析系統技術領域。

技術背景

芯片實驗室(Lab-On-Chip，LOC)是90年代初由Manz等人提出的生化分析概念，是把生化領域中涉及的樣品制備、生化反應、分離檢測等基本操作單位集成或基本集成在一塊幾平方厘米的芯片上，完成不同的生物或化學反應過程，并對其產物進行分析的一種方法。由于具有微型化、自動化、集成化與便攜化的特點，LOC近年來發展迅速，在生物檢測、醫療診斷等方面顯現出良好的應用前景。

作為LOC中最關鍵的部分，微流體芯片是完成樣品制備、輸運、分離等操作的重要組成部分。早期的微流體芯片研究都是基于微管道結構的連續流形式，存在著需要復雜的微管道和微泵、溶液消耗量大、管道間易產生相互干擾等缺點。近年來，采用液滴操控實現的數字微流芯片(DigitalMicrofluidic?Chip)由于沒有可動部件、不需要微管道結構、控制簡單、溶液利用率高、兼容性好等優點，得到了國際上的廣泛關注。

目前，國際上利用靜電驅動實現的數字微流芯片主要包括介質上的電潤濕(Electrowetting?On?Dielectric，EWOD)驅動和庫侖力(CoulombForce)驅動。EWOD驅動通過改變液滴與介質膜下電極之間的電勢差來控制液滴對介質膜的表面潤濕性，使液滴左右對介質膜的潤濕性發生變化，從而驅動液滴移動。庫侖力驅動利用液滴本身自帶的電荷，通過施加一定的電場驅動液滴移動。這兩種靜電驅動都存在著的共同問題是驅動電壓過大，通常所需要的驅動電壓在80V左右。

當前，國際上降低驅動電壓主要有兩種方法，一是采用介電常數更大和厚度更薄的介質層，二是提高芯片膜層的疏水性能，降低液滴移動的阻力。第一種方法中過薄的介質層往往會帶來易擊穿的問題。據報道，CJ?Kim等人利用極薄的高介電常數BST介質層成功地將驅動電壓降為15V，但介質層擊穿問題限制了器件的實際應用。(Hyejin?Moon，Sung?Kwon?Cho?and?Robin?L.Garrell?et?a1..Low?voltage?electrowetting-on-dielectric，Journal?ofApplied?Physics，2002，92(7)：4080-4087)第二種方法目前普遍采用低表面能的材料修飾器件表面，如Teflon和碳氟聚合物等，同時還有采用亞微米到毫米量級的微凸結構來增強表面的疏水性能，降低液滴移動的阻力。據報道，清華大學的周兆英等人利用微米級的微凸結構來增強器件表面的疏水性能，獲得了低電壓的驅動能力。(專利“一種低電壓的微液滴控制器件”，申請號200410057319.4)但是，微凸結構在增強表面疏水性能的同時使得介質層厚度增加，容易抵消降低驅動電壓的作用。此外，亞微米和毫米量級的微凸結構加工困難，絕緣性能差，難于實現批量生產。

發明內容

本發明的目的在于提出一種具有深亞微米孔結構的數字微液滴驅動器結構及其制作方法，以實現可批量生產的低電壓驅動液滴芯片。本發明的數字微液滴驅動器包括雙極板和單極板兩種結構。其中雙極板結構如圖1(a)所示，其下層極板由絕緣襯底1、驅動電極陣列2、介質層3、深亞微米孔結構4和疏水膜層5構成，上層極板包括絕緣基板6、參考電極層7、深亞微米孔結構4和疏水膜層5，上下極板由支撐結構9進行連接。驅動電極2呈陣列狀均布于絕緣襯底1上，介質層3覆蓋在驅動電極陣列2上，防止驅動電極2和液滴8直接接觸產生電解現象。深亞微米孔結構4和疏水膜層5共同組成超疏水膜層，覆蓋在介質層3上。工作時，液滴8在上下極板間隨電極電壓的驅動而發生運動。由于深亞微米孔結構4和疏水膜層5形成超疏水能力，可以大大降低液滴的驅動電壓。本微液滴驅動器的單極板結構如圖1(b)所示，其結構與雙極板結構中的下層極板結構相同。本發明中的深亞微米孔結構4具體結構如圖2所示，其孔徑在深亞微米量級，孔的形狀可以是規則的圓形、方形、多邊形也可以是不規則的圖形，孔的排布可以是規則的也可以是不規則的。其材料可以是多孔氧化鋁、多孔氧化硅等多孔材料，加工工藝可以是陽極氧化、干法刻蝕、濕法腐蝕等。