專利名稱：基于介質層上電潤濕的微液滴驅動器的制作方法
技術領域：
本發明屬于微全分析系統和微機電系統范圍，特別涉及一種基于介質層上電潤濕的微液滴驅動器。
背景技術：
自從Manz和Widmer于20世紀90年代初首次提出微全分析系統(miniaturized total analysis system，μTAS)的概念以來，在短短的十余年中已發展成為當前世界上最前沿的科技領域之一。μTAS的目的是通過化學分析設備的微型化與集成化，最大限度地把分析實驗室的功能轉移到便攜的分析設備中，甚至集成到方寸大小的芯片上。因此，μTAS又被稱為芯片實驗室(LOC)。目前，μTAS在化學分析、生化檢測、藥物輸運、分子分離、核酸分子的放大、排序或合成、環境檢測以及其他方面都有廣泛的應用前景。
對微量甚至痕量液體的操縱與控制是實現微全分析系統的基礎和必須解決的關鍵問題。根據微全分析系統中對液體的操作方式，可以將微全分析系統分為連續流系統和離散流系統兩種。目前，已經報道過的微全分析系統大多基于連續流系統，液體在充滿了樣品或化學試劑水溶液的封閉溝道中流動，并利用微泵和微閥等器件來產生和控制流體的流動。但是，連續流系統的缺點在于(1)由于電極和溶液直接接觸，會產生一些電化學反應；(2)需要微泵和微閥等器件，制作工藝復雜，可靠性差；(3)雖然可以通過減小溝道尺寸來減少溝道內殘余的液體，但“死區”現象不可避免；(4)液體的連續性限制了對液體的操作，溝道之間的相互影響嚴重。為了解決上述問題，近年來對離散化微液滴的操縱與控制在國際上日益成為研究的重點。由于與生化分析實驗室中傳統的操作概念非常類似，離散化微液滴系統可將現有的生化分析規程直接應用于芯片實驗室中。與連續微流體不同，它只需要極少或不需要外加的液體來預處理或填充微管道，從而會大幅度提高對樣品和試劑的利用率。目前采用氣動、介電電泳(Dielectrophoresis)、介質上電潤濕(electrowetting on dielectric，EWOD)等方法已能實現離散化微液滴的產生和輸運，但只有EWOD(即通過改變介質膜下面微電極陣列的電勢來控制上面液體與介質膜表面的潤濕性)真正實現了液滴的產生、輸運、融合和分割這四個基本操作的一體化和自動化，從而為制造基于微液滴的芯片實驗室奠定了堅實的基礎。
目前，國外基于EWOD驅動的微液滴系統都是由具有微電極陣列的玻璃襯底和帶有氧化銦錫(ITO)透明導電玻璃蓋板組成，液滴夾在它們之間；與液體接觸的關鍵高厭水性介質膜材料都是采用TeflonAF1600(特氟隆)，利用旋轉涂敷法制備成薄膜結構。由于TeflonAF1600的價格非常昂貴(約為黃金的6倍)并且消耗量較大，將其用于微全分析系統的研究和芯片實驗室的產業化無疑會遇到很大的阻礙。另外，由于TeflonAF1600的介電強度很低，必須在其下首先淀積SiO2等其它介質薄膜，而玻璃不耐高溫，制備這些介質膜只能在較低的溫度下進行，勢必會造成介質膜結構比較疏松而絕緣性能較差，從而存在一定的漏電和擊穿問題。
發明內容
本發明的目的在于提出一種基于介質層上電潤濕的微液滴驅動器。基于介質層上電潤濕(EWOD)的微液滴驅動器利用EWOD效應，在介質層下的一個或多個微電極上施加電勢來改變此處液體和介質層表面的表面張力，從而改變兩者之間的接觸角。這個非對稱的接觸角變化在液滴兩端形成了一個壓力差，從而驅動液滴運動。
所述微液滴驅動器的結構是在硅襯底1上有一層熱氧化SiO22作為下極板襯底，在SiO2襯底上為Ti/Pt下電極陣列3，一層薄膜介質層4覆蓋在上面，碳氟聚合物薄膜厭水層5覆蓋在介質層4上，帶厭水層5和ITO層6的上極板玻璃片7由支撐物8支撐在下電極陣列3的上方，下電極陣列3與外部引線9連接。
所述薄膜介質層為Si3N4薄膜或SiO2薄膜。
所述硅襯底為單晶硅或低阻多晶硅。
實現微液滴驅動器的結構有兩種方案方案1在單晶硅上熱氧化生長一層SiO2作為下極板的襯底；在襯底上分別濺射金屬Ti和Pt薄膜，并經過光刻和刻蝕形成Ti/Pt下電極陣列；在下電極上用低壓化學氣相淀積(LPCVD)工藝淀積Si3N4薄膜作為介質層；最后用ICP-CVD工藝淀積碳氟聚合物薄膜作為厭水層。上極板為帶有ITO的玻璃片，并用ICP-CVD工藝淀積碳氟聚合物薄膜作為厭水層。
方案2在低阻多晶硅表面用熱氧化方法生成SiO2薄膜作為下極板的襯底；并以低阻多晶硅代替Ti/Pt下電極陣列；在方案1的工藝中將Si3N4薄膜介質層用在低阻多晶硅表面熱氧化生成SiO2薄膜代替，其余工藝相同。
本發明的有益效果是基于EWOD的微液滴驅動器采用單晶硅作為襯底，氣體感應耦合等離子體化學氣相淀積(ICP-CVD)工藝淀積的碳氟聚合物薄膜作為厭水層，具有液滴驅動電壓低、制作工藝簡易、成本低、可進一步將液體的其他操作集成在一個芯片上的特點。
圖1.我微液滴驅動器的結構示意圖。
圖2.攝像機捕捉到的在EWOD作用下去離子水液滴運動的圖像(電壓為35V，頻率為2Hz，占空比為1∶1)。
具體實施例方式
根據本發明提出的基于EWOD的微液滴驅動器，結合實施例及附圖詳細說明如下基于EWOD的微液滴驅動器的結構如圖1所示，本實施例采用Ti和Pt作為下電極、下電極陣列3與外部引線9連接。LPCVD淀積的Si3N4薄膜作為介質層。去離子水的液滴10被夾在兩個平板電極中間，上電極作為地電極，而下電極由多個可獨立控制的微電極陣列組成。每個電極為方形，電極之間的間距為20μm。兩個電極之間采用叉指狀結構，使液滴能夠更容易從一個電極運動到另一個電極。為了避免液體和電極之間的接觸和獲得良好的擊穿特性，在下電極表面都覆蓋有一層作為介質層的Si3N4薄膜。為了能夠順利地驅動液滴，調整上下極板的間距及液滴的大小，使得初始的液滴至少跨在三個相鄰的電極之上，并同時使液滴和上極板接觸。為了避免液滴的揮發和減少液滴運動時的阻力，液滴周圍是另外一種與其互不相溶的液體，本實施例中為硅油。
基于EWOD的微液滴驅動控制器利用EWOD原理，通過在介質層下的一個或多個微電極上施加電勢來改變此處液體和介質層表面的表面張力，從而改變兩者之間的接觸角。初始時刻，去離子水液滴和帶有碳氟聚合物薄膜的上下極板表面的接觸角都相同，為110°，這里忽視重力對于液滴的影響。根據Lippmann方程，固體-液滴之間的接觸角θ由介質層上施加的電勢V決定，cosθ(V)=cosθ(0)+121γdrop-oilCV2]]>其中γoil-drop為油-液滴之間的表面張力，C為介質層單位面積的電容。但是由于電容分壓和接觸角飽和等因素的影響，實際接觸角變化所需要的電壓大于理論值。假設施加一定電勢后，兩者之間的接觸角變為85°。
如圖1中所示，當液滴跨在三個相鄰的電極上，當在液滴右側對應電極上施加電勢，而液滴中間和左側對應電極接地時，施加的電勢使液滴和固體之間的接觸角從110°變為85°。而液滴左側由于沒有電勢作用，和固體表面的接觸角保持不變，仍然為110°。因此，液滴的這種非對稱形變在液滴的兩側產生了一個壓力差，使液滴向著右側帶電電極方向運動。
本實施例的制備工藝為1.采用單晶硅作為下極板的襯底。
2.在1050℃條件下熱氧化生長6000的SiO2。
3.濺射200厚的鈦和1800厚的鉑作為下電極，并利用正膠剝離工藝制作微電極陣列的圖形。每個電極大小為1.4×1.4mm2，電極之間的間距為20μm；在方案2中以多晶硅下電極，替代方案1中的Ti/Pt電極。
4.在微電極陣列上利用LPCVD工藝覆蓋一層2800厚的Si3N4薄膜作為介質層。
5.利用ICP-CVD，在室溫條件下在Si3N4薄膜上淀積一層200厚的碳氟聚合物薄膜作為厭水層。淀積時采用英國STS公司的Mesc Multiples ICP設備，C4F8作為反應氣體，流量為80sccm，壓力為9Pa，射頻功率為600W。
6.上極板的襯底為帶有透明導電薄膜ITO的玻璃片。在上述相同的工藝條件下，用ICP-CVD在ITO上淀積一層200厚的碳氟聚合物薄膜作為厭水層。
7.在下極板上用雙面膠帶制作支撐物，把上極板放在支撐物上，上下極板之間的間隙由雙面膠帶制作的支撐物厚度決定，厚度為150μm。
測試時，將去離子水液滴用注射器滴到下極板的電極表面，然后將上極板放到支撐物上，液滴的體積為2μL。為了減小介質層被擊穿的可能性，我們在電極上施加頻率和占空比可調的脈沖信號。采用我們自己研發的單片機系統來控制電極上的電壓信號，該系統由幅值可調的直流電源、光電繼電器、單片機及外圍電路組成。單片機輸出頻率和占空比都可調的脈沖信號，再通過該信號控制光電繼電器打開或關斷電極和電源或地之間的通路，在電極上施加合適的電壓脈沖信號。當電壓脈沖信號的頻率為2Hz，占空比為1∶1時，可以獲得良好的驅動效果。
實驗結果表明，去離子水液滴在本實施例中測試時，當電壓加到5V時，可以觀察到明顯的電潤濕現象，此時液滴振動頻率和所加的電壓脈沖信號的頻率相同；當電壓超過30V時，可以觀察到迅速并且可重復的液滴運動。更高的電壓可以使液滴的運動更加迅速，但是也使得Si3N4薄膜介質層更容易擊穿。圖2中給出了在35V，頻率為2Hz，占空比為1∶1的條件下，用攝像機捕捉到的去離子水液滴在EWOD作用下運動的圖像。
權利要求
1.一種基于介質層上電潤濕的微液滴驅動器，其特征在于所述微液滴驅動器的結構是在硅襯底(1)上有一層熱氧化SiO2(2)下極板襯底，在SiO2襯底上為Ti/Pt下電極陣列(3)，一層薄膜介質層(4)覆蓋在上面，碳氟聚合物薄膜厭水層(5)覆蓋在介質層(4)上，帶厭水層(5)和ITO層(6)的上極板玻璃片(7)由支撐物(8)支撐在下電極陣列(3)的上方，下電極陣列(3)與外部引線(9)連接。
2.根據權利要求1所述基于介質層上電潤濕的微液滴驅動器，其特征在于所述薄膜介質層為Si3N4薄膜或SiO2薄膜。
3.根據權利要求1所述基于介質層上電潤濕的微液滴驅動器，其特征在于所述下電極陣列(3)在第二方案中以低阻多晶硅代替Ti/Pt下電極陣列(3)。
全文摘要
本發明公開了屬于微全分析系統和微機電系統范圍的一種基于介質層上電潤濕的微液滴驅動器。在單晶硅上有一層熱氧化SiO
文檔編號B81B7/00GK1587023SQ200410080348
公開日2005年3月2日 申請日期2004年9月30日 優先權日2004年9月30日
發明者岳瑞峰, 曾雪鋒, 吳建剛, 胡歡, 劉理天 申請人:清華大學