專利名稱：一種基于數(shù)字微流控技術(shù)的電化學(xué)傳感器芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微分析技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于數(shù)字微流控技術(shù)的電化學(xué)傳感器芯片。
背景技術(shù)：
過去十年以來，“全微分析系統(tǒng)”(μ -TAS)或“芯片上實驗室”(Lab-on-a-chip) 的概念得到了飛速的發(fā)展和實現(xiàn)，它是利用微加工和集成技術(shù)結(jié)合各種分析檢測原理而實 現(xiàn)的微小型分析儀器，具有體積小、功耗低、靈敏度高、便攜等優(yōu)勢，可以廣泛應(yīng)用于生物、 醫(yī)學(xué)和化學(xué)檢測，在國家安全、免疫檢測、環(huán)境保護(hù)、食品衛(wèi)生、基因篩選、疾病診斷等領(lǐng)域 均有應(yīng)用潛力。無論其分析檢測的對象如何，“全微分析系統(tǒng)”或“芯片上實驗室”的結(jié)構(gòu)構(gòu)成從功 能上分，均由“樣本處理”(如樣本輸入、混合、反應(yīng)、分離等)和“檢測”兩個基本模塊組成， 即“微流控”和“傳感器”功能模塊。本發(fā)明即為一種實現(xiàn)上述兩項功能的集成芯片。生物、生化和化學(xué)檢測的方法有很多種，目前最為成功的是各種光學(xué)檢測，已經(jīng)有 不少基于連續(xù)流動驅(qū)動和光學(xué)檢測的大型分析儀器產(chǎn)品。但是由于光學(xué)檢測均需要龐大的 光學(xué)系統(tǒng)，現(xiàn)有技術(shù)暫時無法實現(xiàn)與微流控技術(shù)的芯片集成?；陔妼W(xué)性質(zhì)的測量技術(shù)最有可能實現(xiàn)與微流控技術(shù)的芯片集成。電化學(xué)檢測方 法是研究電的作用和化學(xué)作用相互關(guān)系的技術(shù)，可以滿足分析樣本所需的(液體)環(huán)境，且 檢測信號為電信號，硬件手段為三電極系統(tǒng)，它與芯片制造技術(shù)兼容性高，因此是一種非常 適合制作“全微分析系統(tǒng)”(μ-TAS)或“芯片上實驗室”(Lab-on-a-chip)的途徑之一。1、電化學(xué)檢測原理
電化學(xué)體系由三個電極組成工作電極、對電極和參比電極。三個電極位于一個電解質(zhì) 體系中時，通過施加電信號可以調(diào)節(jié)工作電極上電子的能量，因而控制電解質(zhì)溶液中發(fā)生 的化學(xué)反應(yīng)，而測量該化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電信號即可提供相關(guān)溶液和電極的性質(zhì)。電化學(xué)在生物化學(xué)檢測上的應(yīng)用，根據(jù)檢測電信號的不同，可以制作成a)電勢傳 感器；b)電流傳感器；C)電感傳感器；d)電容傳感器；和e)阻抗傳感器。以上各項電信號 均可以表達(dá)被測樣本的性能。利用微加工技術(shù)可以實現(xiàn)集成的三電極體系，即在一個芯片上集成三個電極，對 于提高電化學(xué)體系的穩(wěn)定性、可靠性、重復(fù)性、一致性及節(jié)省測試時間和降低操作難度有重 要意義。2、數(shù)字微流控原理
隨著微納技術(shù)的進(jìn)步，微流控技術(shù)從早期流體的連續(xù)驅(qū)動向離散液滴驅(qū)動(數(shù)字微流) 及離散和連續(xù)驅(qū)動混合發(fā)展。流體在電場作用下受到動電力(Electrokinetic force)的 電濕潤驅(qū)動不需要微流道，利用表面張力作為微量流體液滴的驅(qū)動力，由表面張力梯度來 改變液滴在器件表面的濕潤性(wettability)因而實現(xiàn)微流控。改變液滴在器件表面的濕 潤性的技術(shù)有很多方式，如熱毛細(xì)管效應(yīng)、電化學(xué)梯度、非對稱表面結(jié)構(gòu)、光化學(xué)效應(yīng)、介質(zhì)電泳效應(yīng)、介質(zhì)上的電濕潤效應(yīng)(electro-wetting -on-dielectrics—EffOD)等，它們共同 的優(yōu)勢在于不需要任何可動器件即可實現(xiàn)微流控，除產(chǎn)生液滴的功能之外，微流控芯片還 具有分析測試時樣本處理所需的輸送、混合、分離等多個功能。其中，基于介質(zhì)上電濕潤效 應(yīng)的微流控技術(shù)(又稱為數(shù)字微流控技術(shù))，被視為最具潛力的方案。它所需工作電壓低，因 而功耗小，適合應(yīng)用于多種流體樣本的處理，包括人體所有體液，如血液、血漿、血清、尿液、 唾液、汗和淚液，甚至汽霧劑和爆炸物顆粒。同時，它還具有1)優(yōu)秀的液滴控制能力和控制 柔性，即通過改編軟件即可實現(xiàn)液滴流動路徑及上述各功能的轉(zhuǎn)換；2)樣本液滴體積控制 精確，給檢測提供了穩(wěn)定的基本條件；3)結(jié)構(gòu)和制作工藝相對簡單，易于實現(xiàn)和檢測器件及 IC控制電路的集成。數(shù)字微流控系統(tǒng)的構(gòu)成如

圖1所示。其驅(qū)動力的來源
液滴的驅(qū)動壓力差為
權(quán)利要求
1. 一種基于數(shù)字微流控技術(shù)的電化學(xué)傳感器芯片，其特征在于由數(shù)字微流控器件上面 疊加一個三電極電化學(xué)器件組成；其中數(shù)字微流控器件由底層和上蓋組成；底層從下到上依次為第一襯底(1)、第一絕緣 層(2)、第一電極層(3)、第二絕緣層(4)和第一疏水層(5);上蓋從下到上依次為第二疏水 層(6)，第二電極層(7)，第三絕緣層(8)和第二襯底(9);這里，第一襯底(1)和第二襯底(9) 為導(dǎo)電材料；當(dāng)?shù)谝灰r底(1)和第二襯底(9)為絕緣材料時，第一絕緣層(2)和第三絕緣層 (8)省去；三電極包括對電極(13)、工作電極(14)和參比電極(15)；該三電極與第一疏水層(5) 在同一層面，并被第一疏水層(5 )包圍，但不被第一疏水層(5 )覆蓋；微流控器件的驅(qū)動電壓施加在電極層(3)和電極層(7)之間，電化學(xué)檢測的電學(xué)信號 和檢測信號由對電極(13)、工作電極(14)和參比電極(15)分別施加和輸出。
全文摘要
本發(fā)明屬于微分析技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于數(shù)字微流控技術(shù)的電化學(xué)傳感器芯片。該傳感器芯片由數(shù)字微流控器件上面疊加一個三電極電化學(xué)器件組成；其中數(shù)字微流控器件由底層和上蓋組成；底層從下到上依次為第一襯底、第一絕緣層、第一電極層、第二絕緣層和第一疏水層；上蓋從下到上依次為第二疏水層，第二電極層，第三絕緣層和第二襯底；當(dāng)?shù)谝灰r底和第二襯底為絕緣材料時，第一絕緣層和第三絕緣層省去；三電極包括對電極、工作電極和參比電極；該三電極與第一疏水層在同一層面，并被第一疏水層包圍，但不被第一疏水層覆蓋；本發(fā)明可實現(xiàn)檢測所需的多種液體樣本的輸送，并實現(xiàn)在線檢測。
文檔編號G01N27/416GK102095770SQ20101055330
公開日2011年6月15日 申請日期2010年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月22日
發(fā)明者周嘉, 曾祥宇, 楊盛 申請人:復(fù)旦大學(xué)