原创数字微流控芯片的基本组成

 2023-7-7 11:09  571 3 3 分类: 工业电子

数字微流控芯片（Digital microfluidic chip）主要有两种结构：一种是开放式结构（单平板）；另一种是封闭式结构（双平板）。在开放式结构中，驱动电极和地电极处于同一基板上；而在封闭式结构中，由上、下两板组成，通常上板作为地电极，一般由氧化铟锡（ITO）组成，下板作为驱动电极，包含一系列电极阵列。

图1 不同装置结构的数字微流控芯片

（左）开放式结构；（右）封闭式结构

数字微流控芯片一般由四个基本部分组成：基底、电极层、介质层和疏水层，需要根据实验需求选择合适的材料。

1、基底

基底作为芯片的支架，对芯片的加工过程以及电极阵列的设计有很大的影响，可以选作芯片基底的材料一般包括玻璃、硅、印刷电路板(PCB)以及其他柔性材料，表1列出了目前数字微流控芯片常用的基底。

表1 数字微流控芯片基底材料及优缺点

其中，玻璃基底由于化学性能稳定、芯片加工精度高，且具有优良的光学特性、耐高温性和电绝缘性被广泛使用。然而由于其加工过程复杂且价格昂贵，在推广应用中受到了一定的限制。近年来，印刷电路板由于价格低廉、易加工且易批量生产受到众多研究人员的推崇。且随着一次性芯片概念的提出，近年来发展一次性芯片的数字微流控设备成为一大热点。

纸是芯片制造中最常见的一次性基底，虽然在纸上制备电极层有一定的难度，但是其成本低并且易批量生产，能够满足芯片的一次性使用，使得纸基芯片越来越受欢迎。大部分研究中通过丝网印刷在纸基基底上制备电极，后期为了提高电极的分辨率以及使得制备过程得以自动化，采用注射打印的方法制备。除此之外，聚酯薄膜以及其他一些柔性材料也可以用作数字微流控的基底。

2、电极层

电极层材料需满足导电性能好、能很好地附着于基底上，并且能与微加工技术兼容等条件。

一般常用的电极层材料有重掺杂多晶硅、金属及其氧化物。

重掺杂多晶硅通常采用化学气相沉积方法制备，并经过刻蚀工艺形成所需要的驱动微电极，该方法能与微加工技术兼容，但是由于制备工艺复杂、过程烦琐等原因，限制了重掺杂多晶硅的使用。

金属材料通常采用Au、Cu、Al、Pt等化学性质稳定并且有很强导电性的重金属，为了使重金属和基底之间可以更好地黏合在一起，一般需要在重金属和基底之间增加一层金属过渡层。Au作为最早使用的电极层材料，具有良好的化学稳定性，使用Au作电极层材料时具体制作工艺为：首先蒸发沉积一层Au/Cr层，其中Cr作为黏附层以增加Au与基底的黏附。电极图形可以采用表面剥离法或刻蚀法形成。Au作为电极层材料的缺点是加工微图案困难，而且价格相对较高。Cu也是一种常用的电极材料，其负载电流的能力强，制作工艺成熟并且价格比较低，但高温情况下易被氧化。Al也是一种常用的电极层材料，通常使用蒸发沉积法制备。Al金属层的制备工艺成熟，成本低廉，可以与微加工技术兼容，但是研究发现其重复性比较差，经过几次施压之后，电极表面容易击穿，影响芯片的实际使用。Pt由于化学惰性，是非常理想的电极层材料。但是，Pt电极图形加工困难，成本昂贵。ITO具有高的电导率、机械性能好、可见光透过率高、化学稳定性强且价格便宜，但制作电极图案较复杂（表2）。

表2数字微流控芯片电极层材料及优缺点

3、介质层

介质层主要是用于积累电荷，使液滴在操纵过程中可以防止电极击穿，在液滴操纵过程中所需的电压与介质层材料的介电常数密切相关，并且呈反比关系，即当介质层的介电常数越高时，其驱动液滴所需要的电压就越低，因此为了降低电压，应尽量使用介电常数高的材料作为介质层。此外，为了防止在施加高压或长时间驱动液滴时造成介质层击穿的现象，可以对介质层厚度进行优化。

常用介质层材料有SiO2、Si3N4、Al2O3、聚二甲基硅氧烷（PDMS）和SU-8光刻胶、聚对二甲苯（parylene）材料等。

其中SiO2具有很好的电绝缘性、加工工艺成熟并且它的电学性能很好，形成的薄膜均匀性好。但是SiO2的介电常数只有2.7，当使用二氧化硅作为介电润湿中介质层的时候需要足够大的电压才能驱动微液滴。

Si3N4具有非常好的绝缘性能和机械耐磨性，耐高温性好，其介电常数为7.8，拥有相当高的介电强度，但制备的氮化硅薄膜上有较多的颗粒而且均匀性不好，容易发生漏电使介质层击穿。

Al2O3具有良好的黏结性、电绝缘性好、很好的抗高温性能，是作为介质层非常好的一种材料，但是其加工复杂。

PDMS是一种无毒、不易燃、制作简单且快速的有机硅高分子化合物，与玻璃片之间具有良好的黏附性，化学惰性、绝缘性都非常好，因此成为一种广泛应用于微加工领域的聚合物材料，目前很多学者使用PDMS进行了基于介质上电润湿的研究。

SU-8光刻胶是近几年应用非常广泛的新型光刻胶材料。由于其具有良好的力学性能、绝缘性能、光学性能、化学性能等特点，可以用来作为介质层。

Parylene材料，电学性能好、耐热性强，具有非常好的化学稳定性，是一种具有对二甲苯结构的聚合物薄膜，一般使用化学气相沉积法制备得到。采用真空热解气相堆积工艺制备得到非常薄的薄膜，通常作为涂层被使用。Parylene薄膜的形成过程如下：①在150℃下固态环二体吸热升华，形成气态环二体并进入裂解炉；②裂解炉中的温度在680℃左右，气态环二体在高温下C-C键断开，裂解为稳定的单分子，每个单分子都带有两个游离基团；③单分子吸附在真空沉积室内的目标基底上，两个游离基团单分子通过电子配对作用吸引从而聚集，最终聚合形成线形高分子聚合物。

表3数字微流控芯片介质层材料介电常数

4、疏水层

疏水层主要用于降低液滴驱动阻力以及增大液滴的接触角。通常选择Teflon-AF和CYTOP。Teflon-AF具有良好的化学稳定性、透光性、电学特性等，被广泛应用在介电润湿的研究中。它的主要成分是4,5-二氟-双-（三氟甲基）-1,3-二氧唑(PDD)和四氟乙烯(TFE)，通常与FC-40混合配制不同质量分数的Teflon-AF1600溶液。在介电润湿中形成的薄膜疏水性非常高，微液滴的接触角能达到110°~120°。CYTOP材料具有高透过率、良好的电气特性、高透明性等性质，有研究表明，以CYTOP疏水材料作为疏水层，其接触角能够达到106°~112°。表4列出了不同疏水材料相关性能指标。