具有自供電功能的微流控芯片及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有自供電功能的微流控芯片及其制作方法，具體涉及一種基于壓電發(fā)電效應(yīng)的自供電微流控芯片的制作方法，屬無機(jī)納米功能材料及微流控技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]微流控技術(shù)又稱芯片實(shí)驗(yàn)室。利用該技術(shù)可將生物化學(xué)領(lǐng)域中所涉及的樣品制備、反應(yīng)、分離和檢測等基本操作集成在幾平方厘米甚至更小的芯片上。相比于傳統(tǒng)的分析測試平臺，微流控芯片的優(yōu)勢在于功能的集成、低檢測樣品的消耗和快速的樣品檢測等。半導(dǎo)體納米線的電輸運(yùn)特性對生物分子和重金屬離子非常敏感，可在微流控芯片中進(jìn)行上述目標(biāo)物的檢測。例如，Tian等人在微流控芯片中利用低摻雜硅的多根納米線場效應(yīng)晶體管進(jìn)行蛋白質(zhì)的探測(“Ultrasensitive protein detect1n using lithographicallydefined Si mult1-nanowire field effect transistors，，，〈〈Lab Chip〉〉，11:1952-1961(2011))。Kin等人則直接在微流體器件中生長ZnO納米線，并驗(yàn)證了這種納米線集成的微流控芯片能夠用來進(jìn)行離子捕獲和PH探測(“Direct synthesis and integrat1n offunct1nal nanostructures in microfluidic devices，，，〈〈Lab Chip〉〉，11:1946-1951(2011))。然而，這些微流控傳感器仍需外部供電，不利于器件的微型化與集成化。
[0003]壓電一維納米材料可采集環(huán)境中微小的機(jī)械能并將其轉(zhuǎn)換為電能，本申請人2014年10月14日申請的發(fā)明專利《一種鈮酸鉀鈉壓電納米纖維柔性發(fā)電元件的制備方法》(申請?zhí)?201410543111.7)，就是通過鈮酸鉀鈉(KNN)前軀體的配制、采用靜電紡絲法大面積制備鈮酸鉀鈉納米纖維、鈮酸鉀鈉納米纖維的轉(zhuǎn)移與器件組裝三個(gè)主要步驟，得到鈮酸鉀鈉壓電納米纖維柔性發(fā)電元件，該元件良好的柔性能夠增加納米纖維在特定外力作用下的機(jī)械形變，從而提高了對外部機(jī)械能的采集效率。
[0004]微流控芯片中存在豐富的流體機(jī)械能，將壓電一維納米材料引入到微流控芯片領(lǐng)域，通過微通道中微流體的流動來驅(qū)動壓電材料的形變發(fā)電，進(jìn)而構(gòu)建自供電微流控芯片，為微流控芯片的小型化、集成化以及市場化提供一個(gè)有效的解決方法。這種在微流控芯片中利用壓電材料發(fā)電的設(shè)想及實(shí)踐，未見于已公開的文獻(xiàn)或?qū)＠夹g(shù)中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對【背景技術(shù)】提出的問題，提供一種具有自供電功能的微流控芯片及其制作方法，是利用壓電一維納米材料可采集環(huán)境中微小的機(jī)械能并將其轉(zhuǎn)換為電能，從而組建帶自供電功能的微流控芯片方法。所述微流控芯片分為四層，最下面一層為石英玻璃基片，石英基片上有一層探測電極，所述探測電極上是一層KNN納米纖維，最上面一層是帶PDMS微通道的蓋板。所述微流控芯片制作方法是:先在基片上通過光刻、濺射以及剝離工藝制作探測電極，再采用靜電紡絲法在探測電極上大面積制備鈮酸鉀鈉納米纖維，然后將PDMS微通道與基片鍵合。通過在微流控通道中采集和轉(zhuǎn)換流體的機(jī)械能成電勢能，并將該電勢能輸出供給敏感單元，形成完整的具有自供電能力的微流控芯片。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下方案:
具有自供電功能的微流控芯片，其特征在于:包括自下而上依次分布的基片、探測電極、KNN納米纖維和PDMS蓋板；所述基片是石英玻璃板，所述探測電極是在所述基片上通過光刻、濺射及剝離工藝制作的導(dǎo)電電極；所述KNN納米纖維是在探測電極上采用靜電紡絲法大面積制備的鈮酸鉀鈉納米纖維；所述PDMS蓋板下有PDMS微通道，所述PDMS微通道是通過在載波片上光刻制備微流通道母版、再利用PDMS預(yù)聚物和PDMS固化劑混合攪拌均勻后的混合物在微流通道母版上沉積、固化及分離工藝制成；
所述PDMS微通道包括干流通道和支流通道，所述干流通道的首端有進(jìn)氣口及進(jìn)氣通道、末端有流體出口 ；所述支流通道有進(jìn)液口及進(jìn)液通道，支流通道的位置靠近干流通道的首端，且:支流通道與干流通道T型交匯，所述支流通道寬度小于干流通道寬度；
所述基片上有十字對準(zhǔn)標(biāo)志，所述PDMS蓋板上相應(yīng)的也有十字對準(zhǔn)標(biāo)志；
所述PDMS微通道的自T型交匯處之后至流體出口之間的干流通道部分，對應(yīng)的位于KNN納米纖維上，所述PDMS蓋板通過十字對準(zhǔn)標(biāo)志，將PDMS微通道及KNN納米纖維壓緊并鍵合在基片的探測電極上。
[0007]其有益效果是:微流控芯片中存在豐富的流體機(jī)械能，將壓電一維納米材料(本申請中選擇鈮酸鉀鈉KNN—維納米纖維)在微流控芯片中組裝，通過采集和轉(zhuǎn)換流體的機(jī)械能并將電輸出供給敏感單元，可獲得一種自供電的微流控芯片，為微流控芯片的小型化、集成化以及市場化提供一個(gè)有效的解決方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0008]一種如上所述的具有自供電功能的微流控芯片的制作方法，包括:探測電極的制備、KNN納米纖維制備、微流通道的制備和器件組裝；所述探測電極的制備工藝包括:在長寬均為10?30mm，厚度I?3mm的石英玻璃基片上，通過公知的光刻及濺射工藝，制備一層厚度為10?10nm的鉑或金質(zhì)探測電極；在所述基片上，還光刻有十字對準(zhǔn)標(biāo)志；其特征在于:
所述KNN納米纖維制備工藝包括:引用【背景技術(shù)】所述的已公開專利《一種鈮酸鉀鈉壓電納米纖維柔性發(fā)電元件的制備方法》(申請?zhí)?201410543111.7)中的技術(shù)方案進(jìn)行鈮酸鉀鈉前軀體的配制，和:
引用【背景技術(shù)】所述的已公開專利《一種鈮酸鉀鈉壓電納米纖維柔性發(fā)電元件的制備方法》(申請?zhí)?201410543111.7)中的技術(shù)方案，在已制備的探測電極的基片上，采用靜電紡絲法大面積制備鈮酸鉀鈉納米纖維，再用棉簽擦去覆蓋在電極之外的多余部分納米纖維，制成帶KNN納米纖維的基片；
所述微流通道的制備工藝包括:
⑴制備載波片:切取長寬均為10?30mm、厚度I?3mm的方形載玻片，將切好的載玻片依次放入丙酮、酒精、去離子水中分別進(jìn)行超聲波清洗，每次清洗時(shí)間10?12min，清洗完后將載波片浸入干凈的去離子水中；
⑵涂覆光刻膠:自去離子水中取出載玻片一氮?dú)獯蹈梢环胖?0?80°C環(huán)境中烘烤8?12min —取出冷卻10?12 min —在勻膠機(jī)上涂覆光刻膠一放置60?65°C環(huán)境中烘烤15?18min —升溫至90?95°C烘烤110?130min —取出冷卻10?12min ;所述涂覆光刻膠的勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速為850?950r.p.m，涂覆時(shí)間設(shè)定為35?45s ；
⑶制備微流通道母版:將設(shè)定尺寸的微流通道掩膜板放在上述已涂覆光刻膠的載玻片上，再將載玻片放入光刻機(jī)中曝光18?22s —取出并放置60?65°C環(huán)境中烘烤15?18min —升溫至90?95°C烘烤40?45 min —取出冷卻10?12min —在顯影液中顯影5?15min —取出后用異丙醇沖洗氮?dú)獯蹈梢环胖?35°C環(huán)境中堅(jiān)膜110?130min，制成微流通道母版；所述設(shè)定尺寸的微流通道掩膜板的干流通道寬度為100?500 μ m，支流通道的寬度為50?100 μ m ;所述載波片上，也光刻有與基片上的十字對準(zhǔn)標(biāo)志位置對應(yīng)的十字對準(zhǔn)標(biāo)志；
⑷制備PDMS混合物:按8:1?12:1的質(zhì)量比例，取聚二甲基硅氧烷(PDMS)預(yù)聚物和固化劑進(jìn)行混合并攪拌均勻，制成PDMS混合物；
(5)制備帶PDMS微通道的PDMS蓋板:將所述微流通道母版水平放置在培養(yǎng)皿中一往培養(yǎng)皿中倒入所述PDMS混合物一靜置至培養(yǎng)皿中的氣泡全部排出一取出并放至80?100°C環(huán)境中烘烤90?150min —取出冷卻至室溫一從微流通道母版上揭下已固化的PDMS混合物一按設(shè)定尺寸切取所需要的微流通道，制成帶PDMS微通道的PDMS蓋板；所述微流通道母版放置在培養(yǎng)皿中時(shí)，已涂覆光刻膠的一面朝上；
所述器件組裝工藝包括:
⑴將制成的帶KNN納米纖維的基片和帶PDMS微通道的PDMS蓋板同時(shí)放在功率為16?18W、波長為254nm的紫外燈箱中照射2.5?3.5h后取出；
⑵對準(zhǔn)PDMS蓋板上的十字對準(zhǔn)標(biāo)志與基片上的十字對準(zhǔn)標(biāo)志，將基片與PDMS微通道貼合后壓緊，且保持12?18h，使PDMS微通道及KNN納米纖維壓緊并鍵合在基片的探測電極上，制成完整的具有自供電能力的微流控芯片。
[0009]本發(fā)明的有益效果是:
⑴所述微流通道有二個(gè)進(jìn)口、一個(gè)出口，其中一個(gè)進(jìn)口泵入液體，另外一個(gè)進(jìn)氣體，所述液體和氣體交匯后，交匯處形成液滴，該液滴壓動壓電材料(KNN納米纖維)并產(chǎn)生形變，由此產(chǎn)生脈沖電壓。
[0010]⑵本發(fā)明是將壓電材料引入到微流控芯片領(lǐng)域，通過微通道中微流體的流動來驅(qū)動壓電材料的形變發(fā)電，也就是說，通過在微流控通道中采集和轉(zhuǎn)換流體的機(jī)械能成電勢能，并將該電勢能輸出供給敏感單元，形成完整的具有自供電能力的微流控芯片。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的KNN納米纖維顯微示意圖；
圖2是做探測電板所用的掩膜板示意圖；
圖3是做微流通道所用的掩膜板示意圖；
圖4是基片及基片上的探測電極示意圖；
圖5是蓋板及蓋板上的PDMS微通道不意圖；
圖6是基片、KNN納米纖維、蓋板及PDMS微通道之間位置示意圖；
圖7是本發(fā)明實(shí)施例鍵合完成并組裝好的自供電微流控芯片器件示意圖；
圖8是本發(fā)明實(shí)施例1中，對器件進(jìn)行測試顯示的電極兩端電壓隨時(shí)間變化曲線圖； 圖9是本發(fā)明實(shí)施例2中，對器件進(jìn)行測試顯示的電極兩端電壓隨時(shí)間變化曲線圖； 圖10是本發(fā)明實(shí)施例3中，對器件進(jìn)行測試顯示的電極兩端電壓隨時(shí)間變化曲線圖。
[0012]圖中的標(biāo)記說明:I一基片，2—探測電極，3— PDMS蓋板，4一進(jìn)氣口，5—進(jìn)液口， 6—探測電極接線孔，7—流體出口，8—KNN納米纖維，9一十字對準(zhǔn)標(biāo)志。
【具體實(shí)施方式】
[0013]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步說明:
如附圖2?7所示，本發(fā)明具有自供電功能的