[發明專利]復合介質層數字微流控芯片及其制備方法

在審

• 申請號: 201710483950.8
• 申請日: 2017-06-23
• 公開（公告）號: CN109107619A
• 公開（公告）日: 2019-01-01
• 發明（設計）人: 王偉強;牛嘉琦
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: B01L3/00
• 分類號: B01L3/00
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 鄒偉紅;朱顯國

本發明公開了一種復合介質層數字微流控芯片及其制備方法，所述芯片包括上基板和下基板，上基板由上基底以及上基底上的接地電極和所述接地電極上方的疏水層構成；下基板由下基底以及下基底上的驅動電極和所述驅動電極上方的高介電常數納米顆粒/特氟龍復合薄膜構成。本發明采用高介電常數納米顆粒/特氟龍復合薄膜作為數字微流控器件中的介質層，兼具介質層和疏水層的功能，同時起到絕緣和疏水的作用，且可以顯著降低數字微流控芯片的驅動電壓和制備工藝的復雜度。

技術領域

本發明屬于數字微流控技術領域，具體涉及一種復合介質層數字微流控芯片及其制備方法。

背景技術

數字微流控技術是一種以獨立液滴為操控單元的流體控制技術。近年來，基于數字微流控的生化檢測芯片得到了廣泛的研究。在片上實驗室（Lab-on-a-Chip）的應用中，芯片上的液滴被用作功能性的媒介并實現多種流體操控，包括液滴的運輸、分裂、合并和配發等。

數字微流控芯片利用電潤濕機理實現液滴的片上驅動，基于電潤濕機理的電場驅動方法因使用直接程序控制而具有極大的操控靈活性。常用的數字微流控芯片具有平行雙基板結構，液滴置于上下基板之間形成類似三明治的結構，上基板由基底以及基底上的電極和電極上的疏水層構成，下基板由基底以及基底上的電極、電極上的介質層和疏水層構成。下基板介質層材料是數字微流控器件設計的關鍵部分，介質層的介電常數和厚度直接關系到工作電壓的大小和數字微流控器件的驅動可靠性。

根據Lippman-Young方程，在電潤濕效應下有效驅動芯片內的液滴所需要的最小電壓與絕緣層厚度的0.5次方成正比，與絕緣層介電常數的0.5次方成反比。因此，為了降低數字微流控芯片的驅動電壓，電介質材料應選用高介電常數的材料，并盡可能減小介質層的厚度。然而下基板絕緣層由介質層和疏水層共同構成，疏水層材料特氟龍是一種介電常數較低（ε_T = 1.93）的材料，疏水層的存在極大限制了絕緣層的等效介電常數，等效介電常數為

(1)

其中ε_d為介質層的介電常數，ε_T為疏水層的介電常數，d_d為介質層的厚度，d_T為疏水層的厚度。由式中可看出ε_eff < ε_T(d_d+d_T)/d_T，介質層的厚度一般較小，因此等效介電常數受到特氟龍介電常數的極大制約。

由于上述原因，現有的數字微流控器件通常需要同時具有介質層和疏水層，制備過程中需要多步鍍膜工藝，并且在驅動時需要較高的驅動電壓。

發明內容

本發明的目的是提供一種采用高介電常數納米顆粒/特氟龍復合薄膜作為介質層的數字微流控芯片，并提出了這種復合介質層數字微流控芯片的制備方法。

實現本發明目的的技術解決方案是：本發明的數字微流控芯片，包括上基板和下基板，所述上基板由上基底以及上基底上的接地電極和所述接地電極上方的疏水層構成；所述下基板由下基底以及下基底上的驅動電極和所述驅動電極上方的高介電常數納米顆粒/特氟龍復合薄膜構成。

進一步地，所述的高介電常數納米顆粒/特氟龍復合薄膜通過旋涂法涂覆在所述驅動電極上。

進一步地，所述接地電極為一層導電薄膜，如ITO薄膜、鋁薄膜等。

進一步地，所述疏水層通過旋涂法涂覆在上基板的接地電極上。

進一步地，所述驅動電極由導電薄膜通過光刻法制成，驅動電極個數大于等于1。

進一步地，所述高介電常數納米顆粒/特氟龍復合薄膜由如下步驟制備：