[发明专利]复合介质层数字微流控芯片及其制备方法

说明书

本发明公开了一种复合介质层数字微流控芯片及其制备方法，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电极和所述接地电极上方的疏水层构成；下基板由下基底以及下基底上的驱动电极和所述驱动电极上方的高介电常数纳米颗粒/特氟龙复合薄膜构成。本发明采用高介电常数纳米颗粒/特氟龙复合薄膜作为数字微流控器件中的介质层，兼具介质层和疏水层的功能，同时起到绝缘和疏水的作用，且可以显著降低数字微流控芯片的驱动电压和制备工艺的复杂度。

技术领域

本发明属于数字微流控技术领域，具体涉及一种复合介质层数字微流控芯片及其制备方法。

背景技术

数字微流控技术是一种以独立液滴为操控单元的流体控制技术。近年来，基于数字微流控的生化检测芯片得到了广泛的研究。在片上实验室（Lab-on-a-Chip）的应用中，芯片上的液滴被用作功能性的媒介并实现多种流体操控，包括液滴的运输、分裂、合并和配发等。

数字微流控芯片利用电润湿机理实现液滴的片上驱动，基于电润湿机理的电场驱动方法因使用直接程序控制而具有极大的操控灵活性。常用的数字微流控芯片具有平行双基板结构，液滴置于上下基板之间形成类似三明治的结构，上基板由基底以及基底上的电极和电极上的疏水层构成，下基板由基底以及基底上的电极、电极上的介质层和疏水层构成。下基板介质层材料是数字微流控器件设计的关键部分，介质层的介电常数和厚度直接关系到工作电压的大小和数字微流控器件的驱动可靠性。

根据Lippman-Young方程，在电润湿效应下有效驱动芯片内的液滴所需要的最小电压与绝缘层厚度的0.5次方成正比，与绝缘层介电常数的0.5次方成反比。因此，为了降低数字微流控芯片的驱动电压，电介质材料应选用高介电常数的材料，并尽可能减小介质层的厚度。然而下基板绝缘层由介质层和疏水层共同构成，疏水层材料特氟龙是一种介电常数较低（ε_T = 1.93）的材料，疏水层的存在极大限制了绝缘层的等效介电常数，等效介电常数为

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其中ε_d为介质层的介电常数，ε_T为疏水层的介电常数，d_d为介质层的厚度，d_T为疏水层的厚度。由式中可看出ε_eff < ε_T(d_d+d_T)/d_T，介质层的厚度一般较小，因此等效介电常数受到特氟龙介电常数的极大制约。

由于上述原因，现有的数字微流控器件通常需要同时具有介质层和疏水层，制备过程中需要多步镀膜工艺，并且在驱动时需要较高的驱动电压。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用高介电常数纳米颗粒/特氟龙复合薄膜作为介质层的数字微流控芯片，并提出了这种复合介质层数字微流控芯片的制备方法。

实现本发明目的的技术解决方案是：本发明的数字微流控芯片，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电极和所述接地电极上方的疏水层构成；所述下基板由下基底以及下基底上的驱动电极和所述驱动电极上方的高介电常数纳米颗粒/特氟龙复合薄膜构成。

进一步地，所述的高介电常数纳米颗粒/特氟龙复合薄膜通过旋涂法涂覆在所述驱动电极上。

进一步地，所述接地电极为一层导电薄膜，如ITO薄膜、铝薄膜等。

进一步地，所述疏水层通过旋涂法涂覆在上基板的接地电极上。

进一步地，所述驱动电极由导电薄膜通过光刻法制成，驱动电极个数大于等于1。

进一步地，所述高介电常数纳米颗粒/特氟龙复合薄膜由如下步骤制备：