[发明专利]基于硅纳米柱阵列的微流体单向阀门器件的制备方法

摘要

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种基于“二面神”硅纳米柱阵列的微流体单向阀门器件的制备方法。我们的方法涉及以改良的微模塑技术结合等离子刻蚀技术在硅片表面制备硅纳米柱阵列，再通过倾斜的沉积技术及选择性修饰的方法来制备具有“两面神”结构的硅纳米柱阵列并将其用于微流体单向阀门器件。整个过程操作简便，过程低耗清洁，并且所制备的“两面神”硅纳米柱阵列具有很好的稳定性。通过与聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流体孔道结合，实现了水在孔道中的单向流动的调控。通过改变流体的流量或者孔道的截面积进而调控流体的压强可以实现所制备的单向阀门的开关。利用我们的方法制备的单向阀门器件，无论在科学研究中还是在微流体体系的实际应用中都具有重要的意义。

主权项

1.一种基于硅纳米柱阵列的微流体单向阀门器件的制备方法，其步骤如下：1）取10～20mL浓度为1～5wt%的二氧化硅胶体微球的乙醇分散液，超声10～20min使其分散均匀，然后在亲水基底表面滴加0.2～0.5mL上述分散液，常温静止8～10h直至乙醇挥发完全，从而通过自组装的方法在亲水基底表面得到多层紧密堆积的二氧化硅胶体晶体；2）将聚二甲基硅氧烷PDMS预聚体与固化剂按质量比10：0.5～1.0的比例混合均匀，真空脱气10～30min后旋涂到氟化处理过的疏水玻璃片表面，在60～100℃固化3～10h；冷却后将固化好的厚度为50～500μm的PDMS薄膜从玻璃片上小心地揭下，再将其覆盖到步骤1）得到的多层紧密堆积的二氧化硅胶体晶体上，60～120℃加热2～5h，使PDMS薄膜与胶体晶体表面充分牢固接触，然后揭起PDMS薄膜，并在体积比为1：1～3的甲苯和乙醇混合溶液中超声10～60s，即可在PDMS薄膜上得到单层紧密堆积的二维二氧化硅胶体晶体；3）将该PDMS薄膜浸泡到甲苯中1～2min，使PDMS薄膜充分溶胀，从而使PDMS薄膜上的二维胶体晶体变为非紧密堆积，再将这些经过溶胀的非紧密堆积的二维二氧化硅微球与表面旋涂有水溶性聚合物膜层的平整基底紧密接触，在1×10⁴～2×10⁴Pa压力下60～120℃加热3～5h，然后揭去PDMS薄膜后，非紧密堆积的二维二氧化硅微球被固定在旋涂有水溶性聚合物膜层的平整基底上；将所得到的固定在平整基底上的二维非紧密堆积胶体晶体用100W～200W的O₂等离子体清洗10～30s使其表面带有羟基，再通过化学气相沉积使其表面氟化，就得到了表面氟化了的二维二氧化硅非紧密堆积胶体晶体；4）将聚二甲基硅氧烷PDMS预聚体与固化剂按质量比10：0.5～1.0的比例混合均匀，真空脱气10～30min后，旋涂到步骤3）中得到的表面氟化了的二维二氧化硅非紧密堆积胶体晶体上，在60～100℃固化3～10h；冷却后将固化好的厚度为50～500μm的PDMS薄膜从二维二氧化硅非紧密堆积胶体晶体上揭下，便可得到PDMS球型纳米井阵列模板，将该模板沿一个方向拉伸至伸长率为100%～200%，并将其压到旋涂有一层油溶性聚合物的硅片表面，在1×10⁴～2×10⁴Pa压力下100～150℃加热3～6h后降到室温，然后揭去PDMS模板后，从而在硅片表面留下聚合物椭球阵列；5）以上述聚合物椭球阵列为掩膜版，通过两次等离子刻蚀对硅片进行刻蚀，最后将其在300～600℃下煅烧3～5h，除去聚合物掩膜版，从而在硅片上得到椭圆硅柱阵列；6）将步骤5）制得的样品置于氧等离子体清洗机中清洗5～10min，使其表面带有羟基，再通过化学气相沉积等方法使椭圆硅柱阵列表面接枝上疏水分子，便可以的到表面修饰有疏水分子的椭圆硅柱阵列；7）再将其置于真空蒸发镀膜设备的样品台上，样品法线与沉积方向的夹角为10°～80°，在5×10^-4～1×10^-3Pa的真空度下进行热蒸发沉积金属、金属氧化物或非金属氧化物，沉积速度为，沉积厚度为10～60nm；沉积完毕后将样品置于亲水分子的溶液中；从而得到在沉积金属、金属氧化物或非金属氧化物的区域上修饰有亲水分子，在没有沉积金属、金属氧化物或非金属氧化物的区域上修饰有疏水分子的“两面神”硅纳米柱阵列；8）将聚二甲基硅氧烷PDMS预聚体与固化剂按质量比10：0.8～1.0的比例混合均匀，真空脱气10～30min后，倾倒至微流体孔道模板表面，60～100℃下固化3～10h，然后将其揭起，从而得到PDMS微流体孔道；将微流体孔道与步骤7）制备的“两面神”硅纳米柱阵列压到一起便得到了基于“两面神”硅纳米柱阵列的微流体单向阀门器件。