[发明专利]利用基于PMDS的导电复合材料构建平面及三维微结构

说明书

本申请要求美国临时申请，申请号为60/860,713，提交于2006年 11月24日的权益。上述临时申请的公开在此全文通过引用结合进来。

技术领域

本专利主题涉及弹性的生物兼容的功能性微结构(microstructure) 的合成，其中所设计的电功能由混合导电性的纳米至微米颗粒与 PDMS凝胶而得，其中固体颗粒的临界体积分数经选择以确保良好的 导电性能、可靠的机械性能以及理想的热特性。通过采用这种复合材 料，我们开发了通过软光刻技术(soft-lithographic)构建平面和三维 微结构的方法。我们验证了下列应用，比如电极、导电条、用于电线 连接的二维和三维微结构、微加热器、微加热器阵列、柔性热致变色 显示器以及用于微流体器件的应用，所有这些器件在保持其功能的同 时具有经验证的弹性柔性和防摔的特点。所有结果均显示这种复合材 料在微制造，特别是生物芯片中具有的广阔应用前景。

背景技术

近年来，多功能微流体器件的制备有了很大进展，其目标为获得高 度集成的芯片实验室[1-3]。这些进展得益于微制造技术的发展，比如软 光刻技术[4]。聚二甲基硅氧烷(PDMS)在构建微结构中起了重要作用， 这得益于其性能，如透明、生物兼容以及良好的柔性[5]。通过采用 PDMS材料利用简单的制造技术比如微注模技术(micro molding)，可以 实现一些复杂的微器件(U.S.Pat.No.7,125,510；6,692,680和 6,679,471)。但是PDMS是不导电的聚合物，并且由于金属与PDMS 之间的弱粘附，所以非常难以进行金属性结构的图案化。因此，在PDMS 中集成导电结构成为关键问题，尤其是对于那些要求控制和信号检测 用电极的电动微泵、微型传感器、微加热器、ER驱动器等的应用[6-7]。

Gawron等[8]首次报道了在基于PDMS的微芯片中埋入细的碳纤维 以用于毛细管电泳检测。Lee等[9]报道了经由硅烷偶合剂介导的粘附化 学将金图案的薄膜转移并随后埋入PDMS中。Lim等[10]研制了通过使 用顺序的选择蚀刻技术将金属层转移并堆叠到PDMS基材上的方法。 如同美国专利号为6,323,659所示，包含基础材料和填充材料的电极 被用于测定材料中水的存在。其中，导电电极可由沉积炭黑到弹性体 表面上而形成，这是通过或者在干粉末上刮擦或者将所述弹性体暴露 于炭黑在溶剂中的悬浮体来进行的。另外，电极可通过在掺杂有导电 材料(也即，炭黑或细分金属颗粒)的弹性体之外构建整个层来形成。 但是，PDMS和金属间的不兼容通常导致制造工艺的失败，特别是两 种材料之间的结合方面。因此，选择具有良好的导电性、可靠的机械 性能以及所需的热特性的复合材料来构建微器件成为一个非常急迫 的问题。特别是，构建具有三维导电结构，比如三维布线和封装，的 微器件成为微制造中的难题。基于PDMS的导电复合材料可以是用于 微器件制造的具有很大前景的材料。

发明内容

本发明一般涉及微制造技术和PDMS复合材料。更具体而言，本 发明涉及弹性的生物兼容的功能性微结构的合成，其中，设计的电功 能由混合导电性纳米至微米颗粒与PDMS凝胶而成，其中，选择固体 颗粒的临界体积分数以保证良好的导电性、可靠的机械性能以及所需 的热特性。通过利用这种复合材料，我们研制了通过软光刻技术构建 平面和三维微结构的改进方法。本发明的复合材料可用于制造多种有 用的微结构。例如，本发明的特定实施方案可以包括电极、导电条、 用于电布线连接的二维和三维微结构、微加热器，微加热器阵列、柔 性热致变色显示器、以及用于微流体器件的应用。并且，采用本发明 的复合材料和/或方法制备的结构进一步显示出在保持其功能的同时 具有弹性柔性(elastic flexibility)和防摔(fall-proof)特性。