專利名稱：微流體裝置及其制造方法
技術領域：
本發明涉及具有導電性構件(feature)的微流體裝置及其制造方法。
背景技術：
微流體裝置是分析各種流體，包括化學和生物流體的有用工具。這些裝置主要由流體輸送通道——例如輸入和輸出通道，加上樣品診斷的結構區域組成。為了利用該裝置有效處理流體，要使流體可控地通過這些通道。 已知有各種類型的微流體裝置。微流體裝置的通道截面尺寸可以相差很大，可以從毫米級到納米級的任意值。本文中的提到的微流體裝置，并不局限于微米級裝置，而包括本領域常見的較大(毫米)和較小(納米)級的裝置。微流體裝置的一種基本形式是基于通過通道的相關流體的連續流動。該基本形式的發展使得活性流體在液滴中傳送通過通道，該液滴懸浮在功能惰性載液中。一般來說，本文所描述的大部分裝置是數字的，即基于液滴的微流體裝置。在這樣的裝置中，液滴形成第一液體一液滴液，不混溶地懸浮在第二液體一載液中。液滴液和載液，應選擇為在實現裝置的良好運轉所需的相關時間范圍內不混溶的，相關時間取決于例如輸送時間、儲存時間和裝置內的反應時間等因素。液滴一般呈球形，但在使用過程中液滴可能會被外力扭曲或受微流體裝置的通道或其他部位的邊界約束，所以也可能存在其他形狀。因此，在數字微流體裝置的上下文中，液滴是保持在載液中的接觸體積(contiguousvolume)的流體,其中該流體和載液互不相溶。微流體裝置可由各種基板材料制成，包括熱塑性塑料、玻璃和晶體。在熱塑性微流體裝置中，可以采用各種方法形成通道，包括注塑。已知微流體裝置的許多功能是由設置在流通通道內或附近的電極進行電子控制的。這些電極可以根據需要由交流電(AC)或直流電(DC)驅動。電極可通過已知的方法形成，如上面提到的正壓注射或噴墨打印。該技術包括使用導電油墨印刷圖案，導電油墨包括分散在溶劑中的導電顆粒，然后由燒結或固化過程蒸發溶劑使油墨干燥并融合導電顆粒，形成不中斷的金屬導電通路。W02007/081385A2公開了多種基于液滴的微流體裝置，其中，在流體上實施電氣功能的電極位于與流通通道相鄰的通道內。為了形成電極，通道內填滿了熔化的金屬合金。這可以用注射器向通道內正壓注射入熔化的金屬合金來實現。金屬合金隨后冷卻并凝固。它還公開了，微觀焊球或紫外線(UV)可固化的導電油墨用來形成流通通道與電極通道之間的屏障，以限定金屬合金組分的幾何形狀。現有技術還設想使用銦錫氧化物(ITO)或金屬(例如鉬)通過平版印刷圖案來形成電極。微流體裝置可以包括集成的金屬合金組分和導電圖案層的組合。例如，已經公開了電極對由第一電極和第二電極制成，第一電極由圖案化導電構件制成，第二電極由填滿了金屬合金的電極通道制成。在熱塑性材料上噴墨打印導電油墨是已知的，例如US 2009/0078915, WO2004/068389，US 2006/0065897 和 WO 2008/069565 所描述的。
已知的油墨組合物中含有非揮發性溶劑，特別是高沸點的多元醇，如甘油。這些多元醇的沸點通常是80-300°C，在一些實施例中為100-200°c。這些組分作為保濕劑，防止油墨在噴射噴嘴中過早干燥，以確保噴射過程的可靠性。燒結通常是一個加熱步驟，其蒸發掉導電油墨中的溶劑并融合金屬納米顆粒以形成導電軌道。高沸點液體的存在影響了燒結溫度，然而任何殘留的有機組分將阻礙導電通路，從而使生產的產品具有較低和更多變的電導率。較高的燒結溫度需要更大的能量輸入，并可能會損害熱塑性基板。致動和感應電極的精準位置是裝置性能的關鍵。例如，對于從流通通道終止控制的距離的電極類型，無論在準確度還是精確度方面，確定電極與流動通道的間隔距離的重現性是非常重要的。間隔距離可以在例如10-100微米的范圍內。優選的是，這種間隔能夠極好地控制以符合指定的距離。此外，還優選的是，電極與流動通道的間隔可以做得非常小，從而使電極可以非常接近流通通道放置。對于主動電極，即由外加電壓驅動的電極，電極越接近流通通道的邊緣，一般會使得使用更小的電壓就能在流通通道中獲得同樣的磁場梯度，即更低電壓實現相同的功能效果。此外，電極邊緣的放置位置的變化將導致電極邊緣距離流通通道的距離的變化，這反過來又會導致電場強度發生變化，電場強度由給定的外加電壓在流通通道內產生。此外，如果這種電極制造不當使得其蔓延到流通通道內會導致裝置失效，因為會有電線與通道間短路，而不是所期望的由熱塑性塑料，玻璃或其他基板材料提供的絕緣體分離。對于形成無源器件(如感應液滴傳感器)而設置的電極的準確性和靈敏度也適用類似要求，。需要準確又精確地界定電極相對流通通道的位置，這就是為什么W02007/081385A2建議將電極放置在各自的通道里的原因。然而，即使這么做，也缺少電極材料的防護殼以及難以實施不會使熱塑性基板(特別是在使用紫外光可固化的導電油墨的實施例中)損壞或變色的后續處理步驟。
發明內容
一方面，本發明提供了一種微流體裝置，包括具有微流體通道的基板；導電性構件，包括布置在底漆層(primer layer)上并參考微流體通道定位的導電層，其中該底漆層包括⑴有機聚合物，選自由以下組成的組(a)包含乙烯酰胺重復單元的均聚物或共聚物；(b)纖維素醚；(C)聚乙烯醇；以及(d)未改性或已改性的明膠；(ii)多孔顆粒材料，所述有機聚合物分散在該多孔顆粒材料中。在一些實施例中，本發明提供了一種微流體裝置包括具有微流體通道的基板；導電性構件，包括布置在底漆層上并參考微流體通道定位的導電層，其中底漆層包括(i)有機聚合物，選自由以下組成的組、
(a)包含乙烯酰胺重復單元的均聚物或共聚物；(b)纖維素醚；以及(C)聚乙烯醇；以及(ii)多孔顆粒材料，該有機聚合物分散在該多孔顆粒材料中。
在另一個方面，本發明提供了制造微流體裝置的方法，該方法包括(A)提供具有微流體通道的基板；(B)在基板上涂覆底漆層，底漆層包括(i)有機聚合物，選自由以下組成的組(a)包含乙烯酰胺重復單元的均聚物或共聚物；(b)纖維素醚；以及(C)聚乙烯醇；以及(ii)多孔顆粒材料，有機聚合物分散在多孔顆粒材料中；(C)參考微流體通道的位置，將導電油墨層涂覆到底漆層上，該導電油墨包括分散在保濕有機溶劑中的導電顆粒。另一方面，本發明提供了一種根據上述方法獲得的或可獲得的微流體裝置。 在涂覆導電層之前將底漆層涂覆到基板，改善了對導電層的物理和電子性能的控制。特別是可以看到以下的改善結果。導電層的電阻更加均衡。從裝置到裝置的電阻層的可重復性更好了。可以制得具有低電阻率，即較高的導電性的導電層。在導電油墨沉積后，能更好控制該導電層的干燥性能。特別是，可以更好地限定導電層的空間范圍，包括被更好界定的邊緣以及較少或沒有內部空隙。此外，導電油墨的導電材料分散在保濕有機溶劑，底漆層吸收了保濕有機溶劑中的非揮發性組分，使這些組分不再存在在于油墨中，而吸收到了底漆層中。如本文所表明的，底漆層的組合物作為導電油墨中不受歡迎的成分的篩子，將這些成分吸收到底漆層中。這允許最終燒結步驟在比現有技術更低的溫度下進行尤其當基板由熱塑性聚合物(特別是諸如環烯烴聚合物的聚烯烴)形成時，這是特別理想的。
現在結合下面的附圖以舉例的方式描述本發明。圖IA至IF是通過基板的截面圖顯示根據本發明實施例在通道中制造電極的系列步驟。圖2A是包括圖IF所示制造的電極對的微流體裝置的部分平面圖。圖2B是圖2A中沿AA線的截面。圖2C是圖2A沿BB線的截面，與圖IF—致。圖3是包括與圖2A相比具有另一種形狀的電極對的微流體裝置的部分平面圖。圖4是包括與圖2A中所示的相比具有另一種形狀的電極對的微流體裝置的部分平面圖。圖5是用于按需求產生液滴的微流體裝置元件的平面示意圖。圖6是用于匯合從第一和第二通道收集的液滴對的微流體裝置元件的平面示意圖。
圖7是用于在通道交匯口調度或分選液滴的微流體裝置元件的平面示意圖。圖8是另一個實施例的平面示意圖，其中電極在基板下側形成。圖9A是一張照片，顯示了在沒有用實施例的底漆預處理基板時，在通道中印刷電極的結果。圖9B是一張照片，顯示了在沒有用實施例的底漆預處理基板時，在非結構化表面印刷電極的結果。圖9C是與圖9A相對照的照片，顯示了在用實施例的底漆預處理基板后，在通道中印刷電極的結果。圖9D與圖9C相對照的照片，顯示了在用實施例的底漆預處理基板后，在非結構化表面印刷電極的結果。圖10是顯示了三批樣品的導電層的平均電阻的條形圖。圖11是在環烯烴聚合物模塑芯片中的電極測試通道的示意圖。
具體實施例方式定義在本說明書中，“烷基”是指直接或支鏈的飽和的脂肪烴基。優選地，所述“烷基”由1-12，通常為1-8，合適地1-6個碳原子組成。CV6烷基包括甲基，乙基，丙基，異丙基，丁基，叔丁基，2- 丁基,戍基，己基等。該燒基可以在本文提到的位置被取代。“環烷基”表示環形的飽和的脂肪烴基。環烷基組的例子有具有3-10，優選3-8個碳原子的基團，包括環丙基，環丁基，環戊基，環己基和環辛基。該環烷基可以在本文提到的位置被取代。“烷氧基”是指“烷基-O-”基團，其中“烷基”定義同上，可以是其廣義方面，也可以是其優選的方面。“苯基”是指-C6H5基團。該苯基可以在本文中提到的位置被取代。“羥基”是指-OH基團。“鹵代基”是指選自氟，氯，溴或碘的基團。“硝基”是指-NO2。在本發明的裝置中，導電圖案在具有流體通道的惰性基板上形成。本發明并不特別限定基板，只要其對底漆層和導電油墨是防滲的并且是惰性的。合適的基板的例子包括玻璃和熱塑性有機聚合物。在一個實施例中，基板是一種熱塑性有機聚合物。可以用作基板的合適的熱塑性有機聚合物包括但不限于，烯屬不飽和單體形成的聚合物，尤其是聚烯烴(聚烯烴纖維)，聚酰胺(尼龍)，聚酯，聚碳酸酯，聚酰亞胺及其混合物。
烯屬不飽和單體形成合適的聚合物舉例包括聚烯烴，其包括但不限于聚乙烯，聚丙烯，聚(I-丁烯) ’聚(甲基戊烯)。烯屬不飽和單體形成的聚合物的其他例子包括聚(氯乙烯) ’聚(丙烯腈) ’聚(四氟乙烯)(PTEF-Teflon )，聚(醋酸乙烯)，聚苯乙烯，聚(甲基丙烯酸甲酯)，乙烯-醋酸乙烯共聚物，乙烯甲基丙烯酸酯共聚物，苯乙烯-丙烯腈共聚物，環烯烴聚合物和共聚物，及其混合物和衍生物。合適的聚乙烯例如包括但不限于，低密度聚乙烯，線性低密度聚乙烯，高密度聚乙烯，超高分子量聚乙烯，及其衍生物。
合適的聚酰胺例如包括尼龍6-6，尼龍6-12和尼龍6。合適的聚酯例如包括聚對
苯二甲酸乙二醇酯，聚對苯二甲酸丁二醇酯，聚對苯二甲酸丙二醇酯，聚己二酸亞乙基酯，聚己酸內酯以及聚乳酸。在一些實施例中，熱塑性有機聚合物是一種聚烯烴，特別是，環烯烴均聚物或共聚物。在本說明書中術語“環烯烴均聚物”是指完全由環烯烴(環烯)單體形成的聚合物。通常，形成環烯烴均聚物的環烯烴單體具有3-14個碳原子，適當的4-12個，在一些實施例中5-8個環碳原子。通常，形成環烯烴均聚物的環烯烴單體具有1-5個碳-碳雙鍵，如1-3個，適當的I或2個，在一些實施例中I個碳-碳雙鍵。通常，形成環烯烴均聚物的環烯烴單體具有1-5個碳環，如1-3個，適當的I個或2個，在一些實施例中I個碳環。該碳環可被一個或多個取代基取代，通常為1-3個，適當的I個或2個，在一些實施例中I個取代基，該(一個或多個)取代基各自單獨選自由CV6烷基(通常為CV4烷基，特別是甲基或乙基)，C3_8環烷基(通常為C5_7環烷基，尤其是環戊或環己基)，苯基(可選擇地被1-5個選自C^6烷基，CV6烷氧基，齒代基和硝基的取代基取代)或齒代基。術語“環烯烴共聚物”是指由環烯烴和非環烯烴單體共同形成的聚合物。該單體可以是烴或具有其它的官能團的單體，只要它們含有烯屬不飽和(c = C)鍵。通常，形成環烯烴共聚物的環烯烴單體具有3-14個，適當的4-12個，在一些實施例中5-8個環碳原子。通常，形成環烯烴共聚物的環烯烴單體具有1-5個，如1-3個，適當的I或2個，在一些實施例中I個碳-碳雙鍵。通常，形成環烯烴共聚物的環烯烴單體具有1-3，適當的I或2，在一些實施例中I個碳環。該碳環可被一個或多個取代基取代，通常為1-3個，適當的I個或2個，在一些實施例中I個取代基，該(一個或多個)取代基各自單獨選自由Cp6燒基(通常為Cp4燒基，特別是甲基或乙基)，C3_8環燒基(通常為C5_7環燒基，尤其是環戊或環己基)，苯基(可選擇被1-5個選自CV6烷基，Ch6烷氧基，鹵代基和硝基的取代基取代)或鹵代基。與環烯烴發生共聚的非環烯烴例如包括乙烯；丙烯；1-丁烯；2_甲基戊烯；氯乙烯；丙烯腈；四氟乙烯；醋酸乙烯；苯乙烯；甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸甲酯，在一些實施例中為乙烯或丙烯，特別是乙烯。可用于本發明的市售環烯烴均聚物和共聚物例如那些基于單體8，8，10-三降冰片-2-烯(降冰片烯；雙環[2. 2. I]庚-2-烯)或 1，2，3，4，4a，5，8，8a-八氫-I，4 :5，8_ 二甲醇萘(四環十二烯)的那些。如Shin等在Pure Appl. Chem.，2005，77 (5)，801-814中所述，這些單體的均聚物可以通過開環移位聚合形成，共聚物通過上述單體與乙烯的鏈式共聚形成。因此，在一個實施例中，環烯烴聚合物是具有通式(A)的環烯烴均聚物
權利要求
1.一種微流體裝置，包括 具有微流體通道的基板； 導電性構件，包括布置在底漆層上并參考微流體通道定位的導電層，其中該底漆層包括: (i)有機聚合物，選自 由以下組成的組 (a)包含乙烯酰胺重復單元的均聚物或共聚物； (b)纖維素醚； (C)聚乙烯醇；以及 (d)未改性或已改性的明膠； (ii)多孔顆粒材料，所述有機聚合物分散在該多孔顆粒材料中。
2.一種微流體裝置的制造方法，該方法包括 (A)提供具有微流體通道的基板； (B)在基板上涂覆底漆層，底漆層包括 (i)有機聚合物，選自由以下組成的組 (a)包含乙烯酰胺重復單元的均聚物或共聚物； (b)纖維素醚； (C)聚乙烯醇；以及 (d)未改性或已改性的明膠； (ii)多孔顆粒材料，所述有機聚合物分散在該多孔顆粒材料中； (C)參考微流體通道的位置，將導電油墨層涂覆到底漆層上，該導電油墨包括分散在保濕有機溶劑中的導電顆粒。
3.根據權利要求2的方法，其中該基板進一步包括導電油墨通道，其中，在涂覆底漆層和/或涂覆導電油墨層的步驟中，底漆層和/或導電油墨層涂覆于導電油墨通道。
4.根據權利要求3的方法，其中，在涂覆底漆層和/或涂覆導電油墨層的步驟中，底漆層和/或導電油墨層在溶液中涂覆于導電油墨通道并通過毛細管作用貫穿分布到該導電油墨通道。
5.根據權利要求3或4的方法，其中導電油墨通道具有側壁部分，該側壁部分與基板的上表面在邊緣處連接，其中該導電油墨層涂覆到該導電油墨通道中，使得導電油墨通道的邊緣和導電油墨層的邊緣之間存在橫向分離。
6.根據權利要求3、4或5的方法，其中該微流體通道和該導電油墨通道形成在該基板的上表面上。
7.根據權利要求2至5任一項的方法，其中微流體通道形成在基板的上表面上，底漆層和導電油墨層形成在基板的下表面上。
8.根據權利要求2至7任一項的方法，其中所述有機聚合物是乙烯吡咯烷酮的均聚物或共聚物。
9.根據權利要求8的方法，其中所述有機聚合物是乙烯吡咯烷酮和甲基丙烯酸二甲氨乙酯的共聚物。
10.根據權利要求2至9任一項的方法，其中所述多孔顆粒材料選自由二氧化硅、氧化鋁、二氧化鈦、沸石、硫酸鋇組成的組。
11.根據權利要求2至10任一項的方法，其中涂覆在基板上的底漆層經親水性溶劑稀釋。
12.根據權利要求11的方法，其中親水性溶劑是乙二醇醚或其混合物。
13.根據權利要求2至12任一項的方法，其中導電油墨中的導電顆粒包括一種選自由鎳、銅、鈀、銀、鉬、金或其任何混合物組成的組中的金屬。
14.根據權利要求2至13任一項的方法，其中導電油墨中的保濕有機溶劑是多元醇。
15.根據權利要求2至14任一項的方法制造的微流體裝置。
全文摘要
本發明提供了一種微流體裝置及其制造方法。該微流體裝置包括具有微流體通道的基板，導電性構件，包括布置在底漆層上并參考微流體通道定位的導電層，其中底漆層包括(i)有機聚合物，選自由以下組成的組(a)包含乙烯酰胺重復單元的均聚物或共聚物；(b)纖維素醚；(c)聚乙烯醇；以及(d)未改性或已改性的明膠；和(ii)多孔顆粒材料，該有機聚合物分散在該多孔顆粒材料中。還提供了制造該微流體裝置的方法以及它們的多個應用。
文檔編號H03L7/23GK102641756SQ20121010029
公開日2012年8月22日 申請日期2012年2月17日 優先權日2011年2月21日
發明者安德魯·約翰·奈斯比, 沃夫岡·弗朗茲·雷特爾, 約瑟夫·古格勒, 麥奎爾·安杰·托雷洛·阿爾法羅 申請人:索尼達德克奧地利股份公司