專利名稱：一種數(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)明屬于生物芯片技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種數(shù)字微流控技術(shù)的電化學(xué)傳感器
-H-· I I心片。
背景技術(shù)：
基于微流控技術(shù)和電化學(xué)檢測(cè)的集成芯片是目前非常熱門的研究領(lǐng)域。這種集成芯片可以充分利用微加工和集成技術(shù)的優(yōu)勢(shì)并結(jié)合各種分析檢測(cè)原理，從而實(shí)現(xiàn)微小型的分析儀器，具有體積小、功耗低、靈敏度高、便攜等優(yōu)勢(shì)，可以廣泛應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)和化學(xué)的檢測(cè)，并且在國家安全、免疫檢測(cè)、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。電化學(xué)檢測(cè)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(cè)信號(hào)為電信號(hào)，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)”(y-TAS)或“芯片上實(shí)驗(yàn)室” (Lab-on-a-chip)的途徑之一。基于之前的一個(gè)發(fā)明專利《一種基于數(shù)字微流控技術(shù)的電化學(xué)傳感器芯片》申請(qǐng)?zhí)?01010553307. 6。在這份發(fā)明專利中，公開了一種重要的電化學(xué)傳感器芯片，該芯片能夠?qū)崿F(xiàn)檢測(cè)所需的多種液體樣本的輸送，并實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)。該發(fā)明中的核心部件三電極系統(tǒng)設(shè)計(jì)在一個(gè)方形的控制電極上，可以大大降低制備工藝的復(fù)雜度。但是由此帶來了檢測(cè)靈敏度的下降。因?yàn)楹诵牟考姌O系統(tǒng)與液滴相比，尺寸越大，檢測(cè)靈敏度越高，但是為了不影響控制電極對(duì)液滴的控制，所以該發(fā)明中三電極系統(tǒng)的大小不能大于下方的方形控制電極。這將對(duì)進(jìn)一步提高檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度帶來了很大的局限。因此，如何提高電化學(xué)傳感器芯片的靈敏度，對(duì)于生化檢測(cè)有著積極而重要的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了一種靈敏度高，工藝簡(jiǎn)單，可克服原有電化學(xué)傳感器的固有局限的新型數(shù)字微流控電化學(xué)傳感器芯片。本發(fā)明中電化學(xué)電極組單獨(dú)設(shè)計(jì)在一個(gè)電化學(xué)單元中，這樣的設(shè)計(jì)使電化學(xué)電極組的大小不受控制單元大小的限制，可以通過增加反應(yīng)電極與液滴的接觸面積，從而增加該系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度。本發(fā)明提供的電化學(xué)傳感器芯片，包括一個(gè)液滴控制單元、一個(gè)電化學(xué)單元和夾在上述兩個(gè)單元中間的一個(gè)液滴通道三部分。其中
所述液滴控制單元，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 ；
所述電化學(xué)單元在所述液滴控制單元的上方，從下到上依次為電化學(xué)電極組、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(shí)，第一絕緣層2和第三絕緣層8省去；
所述電化學(xué)電極組包括對(duì)電極13、工作電極14和參比電極15，且所述電化學(xué)電極組覆蓋在第二疏水層的下表面；
微流控器件的驅(qū)動(dòng)電壓施加在電極層3和電極層7之間，電化學(xué)檢測(cè)的電學(xué)信號(hào)和檢測(cè)信號(hào)由對(duì)電極13、工作電極14和參比電極15分別施加和輸出。所述電化學(xué)電極組的制備流程為先在第二襯底9上淀積第三絕緣層8，然后在第三絕緣層8上淀積第二電極層7，第二電極層7作為所述電化學(xué)傳感器芯片的負(fù)電極，然后在第二電極層7的表面淀積第二疏水層6，最后在第二疏水層6的表面制作電化學(xué)電極組， 電化學(xué)電極組由對(duì)電極13、工作電極14和參比電極15構(gòu)成。所述液滴控制單元的制備流程為先在第一襯底1上淀積第一絕緣層2，然后在第一絕緣層2上淀積第一電極層3，第一電極層3形狀和布置可根據(jù)需要改變。第一電極層3 作為所述電化學(xué)傳感器芯片的正電極，然后在第一電極層3的表面淀積第二絕緣層4，在第二絕緣層4的表面淀積第一疏水層5。所述液滴控制單元和所述電化學(xué)電極組之間保留一定的間隙，作為液滴通道。數(shù)字微流控器件可以在外部驅(qū)動(dòng)電路的作用下按照需要輸送被測(cè)樣本和所需試劑，并實(shí)現(xiàn)混合后送到三電極器件所在位置，由三電極體系的外部測(cè)試電路進(jìn)行相關(guān)測(cè)試和數(shù)據(jù)輸出。測(cè)試完畢的液滴繼續(xù)由數(shù)字微流控器件轉(zhuǎn)移至下一步所需位置，進(jìn)行下一步電化學(xué)檢測(cè)或排出芯片。


圖1是數(shù)字微流控技術(shù)的電化學(xué)傳感器剖面結(jié)構(gòu)圖。圖2是液滴控制單元的平面結(jié)構(gòu)圖。圖3是電化學(xué)單元的平面結(jié)構(gòu)圖
圖中標(biāo)號(hào)1為第一襯底，2為第一絕緣層(當(dāng)襯底為導(dǎo)電材料時(shí)需要)，3.為第一電極層，4為第二絕緣層，5為第一疏水層。6為第二疏水層，7為第二電極層，8為第三絕緣層(當(dāng)襯底為導(dǎo)電材料時(shí)需要)，9為第二襯底。10、12表示微流控液滴的輸送狀態(tài)，11為液滴在電化學(xué)器件上的檢測(cè)狀態(tài)。13為對(duì)電極(或稱輔助電極)，14為工作電極，15為參比電極。
具體實(shí)施例方式下面根據(jù)圖1一圖3給出本發(fā)明一個(gè)較好實(shí)施例并予以詳細(xì)描述，以便更好地說明本發(fā)明而不是用來限制本發(fā)明的范圍。根據(jù)圖1所示，本發(fā)明具體實(shí)施的步驟如下 液滴控制單元
1)襯底1的制備
襯底1可以為任意材料，包括柔性襯底。如果襯底為導(dǎo)電材料，則應(yīng)該首先淀積一層絕緣層2，淀積絕緣層的工藝可以采用熱氧化、化學(xué)氣相淀積CVD或物理氣相淀積PVD等工藝。 例如襯底為硅材料，可采用二氧化硅絕緣層。2)電極層3的淀積，并圖形化。
電極3可以為金屬、導(dǎo)電聚合物或?qū)щ娧趸锏?，電極層淀積采用旋涂退火、物理濺射或蒸發(fā)工藝。圖形化可以采用a)光刻后刻蝕(干法或者濕法)，也可以采用剝離 (lift-off)工藝；b)硬掩膜(hard mask)結(jié)合電極材料物理濺射或蒸發(fā)工藝。3)絕緣層4的制備
絕緣層4的材料包括各種介質(zhì)，特別是各種高介電常數(shù)的介質(zhì)材料。采用化學(xué)氣相淀積CVD或物理氣相淀積PVD工藝制備絕緣層4。4)疏水層5的制作
疏水層5的疏水材料可以是商用產(chǎn)品，如杜邦公司(Dupont TeflonO)，采用旋涂和退火工藝制作，也可以采用化學(xué)氣相淀積CVD工藝C-F類疏水層薄膜。 電化學(xué)單元 1)襯底9的制備
襯底9的材料可以為任意材料，包括柔性襯底。如果襯底9為導(dǎo)電材料，則應(yīng)該首先淀積一層絕緣層8，淀積絕緣層的工藝可以采用熱氧化、化學(xué)氣相淀積CVD和等工藝。例如襯底為硅材料，可采用二氧化硅絕緣層。2)電極層7的淀積
電極層7的材料可以為金屬、導(dǎo)電聚合物或?qū)щ娧趸锏?，電極層7淀積采用旋涂退火、物理濺射或蒸發(fā)工藝。3)疏水層6的制備
疏水層6的疏水材料可以是商用產(chǎn)品，如杜邦公司(Dupont TeflonO)，采用旋涂和退火工藝制作，也可以采用化學(xué)氣相淀積CVD工藝C-F類疏水薄膜。4)電化學(xué)電極組的淀積，并圖形化
電化學(xué)電極組即對(duì)電極13、工作電極14和參比電極15可以同時(shí)制作，采用同一種金屬材料(如金或鉬金)，也可分別采用兩種(如對(duì)電極13、工作電極14為金或鉬金，參比電極 15為銀)，或采用三種材料(如對(duì)電極13為鉬金、工作電極14為金，參比電極15為銀)制作。 該電極層淀積采用物理濺射或蒸發(fā)工藝。圖形化可以采用a)光刻后刻蝕(干法或者濕法)， 也可以采用剝離(lift-off)工藝；b)硬掩膜(hard mask)結(jié)合電極材料物理濺射或蒸發(fā)工藝。如圖2所示為液滴控制單元的平面結(jié)構(gòu)圖，液滴控制電極3的末端設(shè)計(jì)成方形，當(dāng)正電壓按一定的方向順序加在各個(gè)控制電極上時(shí)，液滴控制單元表面的液滴就會(huì)按照一定的方向運(yùn)動(dòng)。如圖中，若正電壓從左到右依次加在各個(gè)電極上，液滴位置便會(huì)依次從10運(yùn)動(dòng)到11，再運(yùn)動(dòng)到12。如圖3所示為電化學(xué)單元的平面結(jié)構(gòu)圖，其中的電化學(xué)電極組的尺寸不會(huì)受到控制電極3的大小限制，所以可以根據(jù)需要調(diào)正大小，提高檢測(cè)靈敏度。圖中電極7覆蓋電化學(xué)單元的整個(gè)平面，并始終接電源的負(fù)電壓。電化學(xué)電極組在工作時(shí)，對(duì)電極13和工作電極14之間接測(cè)試電壓源，參比電極15保持一個(gè)固定的參考電壓。待測(cè)液滴通過液滴控制單元，從其他位置運(yùn)動(dòng)到位置11處進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試完畢再通過液滴控制單元運(yùn)動(dòng)到其他位置。
權(quán)利要求
1. 一種數(shù)字微流控技術(shù)的電化學(xué)傳感器芯片，其特征在于包括一個(gè)液滴控制單元、一個(gè)電化學(xué)單元和夾在上述兩個(gè)單元中間的一個(gè)液滴通道三部分；其中所述液滴控制單元，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)；所述電化學(xué)單元在所述液滴控制單元的上方，從下到上依次為電化學(xué)電極組、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(shí)，第一絕緣層(2 )和第三絕緣層(8 )省去；電化學(xué)電極組包括對(duì)電極(13)、工作電極(14)和參比電極(15)，該電化學(xué)電極組覆蓋在第二疏水層的下表面；微流控器件的驅(qū)動(dòng)電壓施加在電極層(3 )和電極層(7 )之間，電化學(xué)檢測(cè)的電學(xué)信號(hào)和檢測(cè)信號(hào)由對(duì)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)明屬于生物芯片技術(shù)領(lǐng)域,具體為一種新型數(shù)字微流控技術(shù)的電化學(xué)傳感器芯片。該芯片由三部分構(gòu)成從下至上依次為液滴控制單元、液滴通道、電化學(xué)單元。其中液滴控制單元從下到上由第一襯底、第一絕緣層、第一電極層、第二絕緣層和第一疏水層構(gòu)成；電化學(xué)單元從下到上依次為電化學(xué)電極組、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(shí)，第一絕緣層和第三絕緣層省去；電化學(xué)電極組包括對(duì)電極、工作電極和參比電極，且所述電化學(xué)電極組覆蓋在第二疏水層的下表面；液滴通道為液滴控制單元和電化學(xué)單元中的空氣間隙。本發(fā)明結(jié)合了數(shù)字微流控技術(shù)和電化學(xué)傳感器技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，為生化分析提供了一種新型的微分析器件，減少樣品需求量，提高了檢測(cè)速度，可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)所需的多種液體樣本的輸送，并實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01N27/416GK102175744SQ20111000165
公開日2011年9月7日 申請(qǐng)日期2011年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月6日
發(fā)明者周嘉, 曾祥宇, 楊盛 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)