CN116984042A - 一种防液滴漂移的液滴驱动结构制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防液滴漂移的液滴驱动结构制备方法，包括在衬底上形成绝缘层和导电层交错堆叠的层叠结构；利用光刻方法对所述层叠结构中的导电层进行图形化处理，并配合干法刻蚀或者湿法腐蚀形成驱动电极；对层叠结构中的绝缘层进行局部曝光和固化处理；在经过固化处理后的绝缘层通过退火工艺进行平坦化处理，以在所述绝缘层上形成凹坑结构；在层叠结构最上层的绝缘层上涂覆疏水层并在最上层绝缘层上位于下方绝缘层的凹坑结构的垂直投影位置保形形成用于稳定液滴位置的稳定结构。本发明通过绝缘层上形成凹坑结构并适应性的在疏水层上形成液滴稳定结构，在液滴稳定结构限位作用下稳定液滴位置，能够避免随着时间推移，液滴发生位置偏移的问题。

Description

一种防液滴漂移的液滴驱动结构制备方法

技术领域

本发明涉及微流控技术领域，特别涉及一种改善液滴偏移的液滴驱动结构制备方法。

背景技术

片上实验室(Lab on a Chip,LOC)研究的终极目标，是将功能各异的多个单元或模块，在微尺度上连接并存，并协同完成样品制备、生物与化学反应、分离检测等一系列复杂的生化分析工作。最终可以把生物和化学等领域中所涉及的所有功能模块集成在一块几平方厘米的芯片上，直接应用于生物化学检测、环境快速检测等。但是，现有已经逐步开展应用的片上实验室，其核心的关键功能实现——微流体驱动，主要以压力驱动、热驱动等方式进行，需要从外界提供动力，驱动的流体量相对较大，流道驱动组件多、功耗高，且驱动方式不具有不同器件间的通用性，无法发挥作为微流体基本操作单元“液滴”的有效功能。因此，形成一种有效、易于操作的微流体平台级液滴操控方法，对后续片上实验室的发展，具有至关重要的作用。

基于介质上的电润湿效应(Electrowetting-On-Dielectric，EWOD)是在金属电极与液体之间加入一层绝缘层薄膜，当在液体和电极之间施加一定的电压后，液固表面张力会发生可逆性的变化，这表现为液滴在固体表面接触角的变化。当液滴接触角发生对称均匀变化时，液滴在宏观上表现出从球形液滴铺展为液膜的过程。而如果接触角发生非对称变化时，就会出现两侧液滴两侧接触线处的表面张力出现梯度，进而使得液滴的发生迁移和运动，这也是在片上实验室中进行液滴操控的理论基础。

数字微流控是利用电信号调控驱动器件表面液滴的表面张力，从而实现液滴迁移的驱动力。然而，当液滴处于器件表面时，当长时间驱动或者长时间去掉驱动信号时，液滴并不能稳定处于所驱动器件的上方，而随着时间的推移，液滴出现位置的飘移。现有微流控芯片上液滴漂移控制通常是通过对电极做特殊设计，或者是通过施加脉冲信号对液滴的位置进行驱动，从而实现液滴位置的限制，但上述方案均不适于不加电的状态下稳定液滴位置，并且长期加电驱动存在因高压导致击穿，能耗高等问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种能够稳定液滴位置，便于液滴驱动的液滴驱动结构制备方法。

为实现上述目的，本发明提供一种防液滴漂移的液滴驱动结构制备方法，包括：

在衬底上形成绝缘层和导电层交错堆叠的层叠结构；其中，所述层叠结构由至少一层导电层和至少一层绝缘层堆叠形成；

利用光刻方法对所述层叠结构中的导电层进行图形化处理，并配合干法刻蚀或者湿法腐蚀形成驱动电极；

对所述层叠结构中的绝缘层进行图形化和固化处理；

在经过固化处理后的绝缘层通过退火工艺进行平坦化处理，以在所述层叠结构中的至少部分绝缘层上形成凹坑结构；

在层叠结构最上层的绝缘层上涂覆疏水层并在最上层绝缘层上位于下方绝缘层的凹坑结构的垂直投影位置保形形成用于稳定液滴位置的稳定结构。

进一步，所述在衬底上形成绝缘层和导电层交错堆叠的层叠结构包括：

在衬底上淀积第一导电层；

利用光刻方法对所述第一导电层进行图形化，并配合干法刻蚀或者湿法腐蚀形成第一驱动电极；

在所述第一导电层上覆盖第一绝缘层；

对所述第一绝缘层进行图形化和固化处理以将所述第一导电层局部形成连接窗口；

在经过图形化处理后的第一绝缘层通过退火工艺进行平坦化处理，以在所述第一绝缘层上形成凹坑结构；

在所述第一绝缘层上淀积第二导电层，并利用光刻法对所述第二导电层进行图形化，并配合干法刻蚀或者湿法腐蚀形成第二驱动电极，使得所述第二驱动电极透过所述连接窗口与所述第一驱动电极连接并覆盖连接窗口的凹坑结构；

在所述第二导电层上覆盖第二绝缘层，利用低温工艺热固化或者高温快速退火的热固化进行平坦化处理，以在第一绝缘层的凹坑结构上方的所述第二绝缘层上保形形成凹坑结构。

进一步，所述在衬底上形成绝缘层和导电层交错堆叠的层叠结构包括：

在衬底上淀积第一导电层；

利用光刻方法对所述第一导电层进行图形化，并配合干法刻蚀或者湿法腐蚀形成第一驱动电极；

在所述第一导电层上覆盖第一绝缘层；

对所述第一绝缘层进行图形化和固化处理以将所述第一导电层局部形成第一连接窗口；

在经过图形化处理后的第一绝缘层通过退火工艺进行平坦化处理，以在所述第一绝缘层上形成凹坑结构；

在所述第一绝缘层上淀积第二导电层，并利用光刻法对所述第二导电层进行图形化，并配合干法刻蚀或者湿法腐蚀形成第二驱动电极，使得所述第二驱动电极透过所述连接窗口与所述第一驱动电极连接；

在所述第二导电层上覆盖第二绝缘层；

对所述第二绝缘层进行图形化和固化处理以将所述第二导电层局部形成第二连接窗口；

在经过图形化处理后的第二绝缘层通过退火工艺进行平坦化处理，以在第一绝缘层的凹坑结构上方的所述第二绝缘层上形成凹坑结构；

在所述第二绝缘层上淀积第三导电层，并利用光刻法对所述第三导电层进行图形化，并配合干法刻蚀或者湿法腐蚀形成第三驱动电极，使得所述第三驱动电极透过所述第二连接窗口与所述第二驱动电极连接并覆盖第二连接窗口的凹坑结构；

在所述第三导电层上覆盖第三绝缘层，利用低温工艺热固化或者高温快速退火的热固化进行平坦化处理，以在所述第二绝缘层的凹坑结构上方的所述第三绝缘层上保形形成凹坑结构。

进一步，利用低温退火工艺进行平坦化处理的温度为180～230℃，退火时间为10-30min。

进一步，利用高温退火工艺进行平坦化处理的温度为200～300℃，退火时间为10s。

进一步，对所述层叠结构中的绝缘层进行局部曝光和固化处理之后还包括：

对所述层叠结构中的绝缘层通过退火工艺进行平坦化处理，以在所述连接窗口的边缘形成弧形坡度，以降低所述第一驱动电极和所述第二驱动电极连接的接触电阻。

进一步，导电层和绝缘层形成方法包括溅射法、真空蒸镀、基于导电溶液的旋转涂覆或者狭缝涂布。

进一步，所述导电层的材料包括有机聚合物导电材料或无机聚合物导电材料；所述无机聚合物导电材料包括铟錫氧化物、钛、铬、铝、钼、钽、钨和铜。

进一步，所述绝缘层的材料包括聚合物单体、交联剂、光引发剂、表面活性剂和溶剂；所述聚合物单体包括环氧树脂、丙烯酸树脂中的至少一种以及苯乙烯材料。

进一步，还包括：对涂覆的疏水层在大于120℃的温度下进行高温处理。

本发明利用退火工艺在绝缘层上形成凹坑结构，同时在疏水层与凹坑结构垂直投影位置形成液滴稳定结构，利用液滴稳定结构限位作用将液滴驱动结构中稳定液滴位置，能够避免随着时间推移，液滴发生位置偏移的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1A为本发明一实施例的液滴驱动结构制备方法的流程框图

图1B-1C为本发明一实施例的液滴驱动结构的示意图；

图2为本发明一实施例的液滴驱动结构的制备方法的工艺流程图；

图3为本发明一实施例的微流控芯片的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图1A所示，本发明一实施例的防液滴漂移的液滴驱动结构制备方法，包括如下步骤：

步骤S110：在衬底上形成绝缘层和导电层交错堆叠的层叠结构；其中，所述层叠结构由至少一层导电层和至少一层绝缘层堆叠形成；

步骤S120：利用光刻方法对所述层叠结构中的导电层进行图形化处理，并配合干法刻蚀或者湿法腐蚀形成驱动电极；

步骤S130：对所述层叠结构中的绝缘层进行图形化和固化处理；

步骤S140：在经过固化处理后的绝缘层通过退火工艺进行平坦化处理，以在所述层叠结构中的至少部分绝缘层上形成凹坑结构。例如，层叠结构中如有多层绝缘层时，可以在形成每一层绝缘层时均通过退火工艺进行平坦化处理以在每层绝缘层上都形成凹坑结构，或者仅在多层绝缘层中的部分绝缘层形成过程进行退火工艺进行平坦化处理形成凹坑结构。

步骤S150：在层叠结构最上层的绝缘层上涂覆疏水层并在最上层绝缘层上位于下方绝缘层的凹坑结构的垂直投影位置保形形成用于稳定液滴位置的稳定结构。

利用上述制备方法制备的一实施例的液滴驱动结构如图1B-1C所示，包括衬底层、层叠结构和疏水层。其中，层叠结构由至少一层导电层和至少一层绝缘层堆叠形成。层叠结构中至少在最上层绝缘层通过退火工艺形成凹坑结构，同时在最上层绝缘层上方形成的疏水层上保形形成稳定结构。位于疏水层之上设置有被驱动的液滴，通过驱动电极驱动，从而改变液滴的表面张力，从而实现液滴的电学驱动。其中，液滴可以为纯水、水溶液以及其他可以被驱动的极性液滴，例如可以是全血检体、细菌性细胞悬浮液、蛋白质、核酸溶液、抗体溶液以及各种的缓冲液、盐溶液、清洗液等。

在液滴之外，被非极性液体或空气填充，可以为但不限于癸烷、十二烷、十六烷、十一烷等碳化氢系溶剂、硅油、氟碳系溶剂，或者这些液体的混合液。

衬底由绝缘基板形成，其材料可以为但不限于玻璃、玻璃纤维、塑料、纸张等绝缘材料形成的具有支撑性的基板。可以为一种或者多种材料的复合材料或者叠层材料。

在本发明一实施例中，如图2所示，步骤S110在衬底上形成绝缘层和导电层交错堆叠的层叠结构包括：

(a)在所述衬底上淀积第一导电层；其中，淀积方法可使用溅射法、真空蒸镀、基于导电溶液的旋转涂覆、狭缝涂布等。可以为有机聚合物导电材料或者无机聚合物材料。其中，无机聚合物材料包括用ITO(Indium Tin Oxide：铟錫氧化物)、钛(Ti)、铬(Cr)、铝(Al)、钼(Mo)、钽(Ta)、钨(W)、铜(Cu)等金属或由这些金属的合金构成的导电膜的单层膜或层压膜等公知的电极、金属布线材料，如钼\铝\钼叠层等。

(b)利用光刻方法对所述第一导电层进行图形化处理，并配合干法刻蚀或者湿法腐蚀形成第一驱动电极；

(c)-(d)在所述第一导电层上覆盖第一绝缘层并通过固化和图形化处理，其中图形化处理包括局部曝光、显影、固化等步骤，在所述第一导电层局部形成连接窗口；覆盖第一绝缘层方法可使用CVD法、真空蒸镀法、溅射等干式工艺、旋转涂布法、狭缝涂布、丝网印刷等湿法方法；其中，第一绝缘层材料包括聚合物单体、交联剂、光引发剂、热引发剂、表面活性剂和溶剂。

(e)在经过图形化处理后的第一绝缘层通过退火工艺进行平坦化处理，以在所述第一绝缘层上形成凹坑结构；

(f)在所述第一绝缘层上淀积第二导电层并通过图形化处理形成第二驱动电极，所述第二驱动电极透过所述连接窗口与所述第一驱动电极连接；

(g)在所述第二导电层上覆盖第二绝缘层。覆盖第二绝缘层可使用CVD法、真空蒸镀法、溅射等干式工艺、旋转涂布法、狭缝涂布、丝网印刷等湿法方法。其中，在第二层导电层之上和未被第二层导电层覆盖的第一层绝缘层之上，覆盖第二层绝缘层，该绝缘层可以和第一绝缘层为相同结构(厚度等结构参数)和相同材料的绝缘层，也可以为结构(厚度)不同、材料不同的绝缘层。该绝缘层为树脂材料、无机材料或者这两者的复合材料。例如，所述第二绝缘层材料包括聚合物单体、交联剂、热引发剂，表面活性剂和溶剂；所述聚合物单体包括环氧树脂、丙烯酸树脂中的至少一种以及苯乙烯材料。第二绝缘层作为最上层的绝缘层由于不需要光刻图形化处理，其可以省略第一绝缘层中的光引发剂，树脂材料的其他组成描述如第一层绝缘层材料在此不再赘述。第二层绝缘层应当从涂覆工艺方面保证其具备一定的保形性，将第一层绝缘层的凹陷传递到顶部的结构。从工艺上，可以采用快速退火(200-300℃，10s)、低温长时间退火等方法(180-230℃，10-30min)，避免第二层绝缘层过度的的平坦化流动，或者通过调整树脂材料的组成成分，提高树脂材料的粘度，从而降低平坦化流动，从而在电极顶部形成凹陷。凹陷最深处介于300微米至1微米之间的效果最佳。

在本发明一实施例中，对所述层叠结构中的绝缘层进行局部曝光、显影和固化处理之后还包括：

对所述层叠结构中的绝缘层通过退火工艺进行平坦化处理，以在所述连接窗口的边缘形成弧形坡度，以降低所述第一驱动电极和所述第二驱动电极连接的接触电阻，并且便于在第二驱动电极与第一驱动电极连接处形成凹坑结构。

本实施例中绝缘层所采用的树脂材料具有良好的流动特性，在加热固化过程中可实现自流平，凹坑结构可以一次形成，不需要光刻工艺，相较于其他现有技术的在绝缘层上刻意形成凹坑结构，节约了工序和成本。此外，在图形化和退火处理后在连接窗口的边缘可以形成一定弧形坡度的缓坡，有利于第一导电层的第一驱动电极和第二导电层的第二驱动电极的连接，降低第二层导电材料的厚度，降低接触电阻，同时，减少边缘处的电场集中效应，提高耐压能力。需要说明的是，本实施例中仅以层叠结构包括两层绝缘层和两层导电层为例进行说明，然而本发明层叠结构中导电层和绝缘层的数量并不局限于此，其也可以重复上述步骤，实现多层导电层和多层绝缘层的复杂结构。此外，在电极引出区，第一层导电层和第二层导电层可以通过第一层绝缘层和第二层绝缘层的光刻图形，而裸露在外面，以方便与外部驱动电路连接，实现电信号的输入。

此外，由于光固化树脂材料具有良好的流动特性，在加热固化过程中，可实现自流平，在所述凹坑结构的边缘形成弧形坡度。有利用于上下层驱动电极之间的连接，降低导电层的厚度和接触电阻。同时，减少边缘处的电场集中效应，提高耐压能力。在本实施凹坑结构边缘的弧形坡度小于45°。然而，凹坑结构边缘弧形坡度角度大小仅是举例说明，本发明并不以此为限制。

在本发明一实施例中，上述实施例中退火工艺的温度不低于120℃，时间不低于1分钟。在此工艺条件下连接窗口边缘形成的弧形坡度小于45°，可以进一步提高耐压能力。

在本发明一实施例中，还包括对涂覆的疏水层在大于120℃的温度下进行高温处理，以增强疏水特性。

在本发明一实施例中，所述层叠结构中的至少部分绝缘层包括光固化树脂材料，所述光固化树脂材料包括聚合物单体、交联剂、光引发剂、热引发剂、表面活性剂和溶剂。利用光固化树脂材料的自流平特性，可以在绝缘层上自然形成凹坑结构，节约了工序和成本。此外，绝缘层上自然形成的凹坑结构，也更适于在其上稳定液滴形状以及液滴在其上各个方向顺畅的移动、分解、旋转等操作。

在本发明一实施例中，所述层叠结构中包括多个绝缘层和多个导电层，所述多个导电层和所述多个绝缘层层叠交错设置，并且所述多个导电层通过图形化形成驱动电极阵列，所述多个绝缘层中最上层绝缘层形成有所述凹坑结构。通过在层叠结构中设置叠交错设置的多个绝缘层和多个导电层可以形成立体式驱动电极阵列，在一定程度上可以降低液滴驱动结构的尺寸。此外，为了简化工艺和降低成本，本实施例可以只在与疏水层相邻的最上层绝缘层上形成凹坑结构，通过距离疏水层最近的绝缘层上形成凹坑结构，在该绝缘层上形成疏水层时可以在其垂直投影位置保形而形成液滴稳定结构。需要说明的是，也可以在层叠结构中所有绝缘层或者部分绝缘层均形成凹坑结构，本发明并不以此为限制。

在本发明一实施例中，在制备上述液滴驱动结构后还包括：

在顶盖上形成顶部导电层；

在顶部导电层上形成顶部疏水层；

在将上述形成的盖板盖封在液滴驱动结构得到微流控芯片，制备的微流控芯片如图3所示。

综上本发明相比于现有技术具有以下优点：

1、通过OC材料的自流平特点一次形成，相较于其他现有技术的在绝缘层上刻意形成凹形结构，节约了工序和成本；

2、通过OC材料自流平所形成的凹形，基于材料的“流动”所自然形成，相较于其他工艺形成的凹形结构，更为适于在其上保持液滴的“标准”形状，也更适于驱动液滴在其上向各个方向顺畅的移动、分解、旋转等操作。

3、通过调整OC材料的组分或者退火参数，即可方便的调整凹坑的形状，并始终与底部驱动电极及电场的形状保持很好的适配，驱动效果更佳。

4、避免了“模压”的凹坑形成工艺中的粘连现象，也避免了其他额外引入的凹坑形成工艺在凹陷上形成的匚型或者带尖锐角度的形状的现象，从而导致液滴的残留、滞留、卡滞等现象。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种防液滴漂移的液滴驱动结构制备方法，其特征在于，包括：

在衬底上形成绝缘层和导电层交错堆叠的层叠结构；其中，所述层叠结构由至少一层导电层和至少一层绝缘层堆叠形成；

利用光刻方法对所述层叠结构中的导电层进行图形化处理，并配合干法刻蚀或者湿法腐蚀形成驱动电极；

对所述层叠结构中的绝缘层进行图形化和固化处理；

在经过固化处理后的绝缘层通过退火工艺进行平坦化处理，以在所述层叠结构中的至少部分绝缘层上形成凹坑结构；

在层叠结构最上层的绝缘层上涂覆疏水层并在最上层绝缘层上位于下方绝缘层的凹坑结构的垂直投影位置保形形成用于稳定液滴位置的稳定结构。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述在衬底上形成绝缘层和导电层交错堆叠的层叠结构包括：

在衬底上淀积第一导电层；

利用光刻方法对所述第一导电层进行图形化，并配合干法刻蚀或者湿法腐蚀形成第一驱动电极；

在所述第一导电层上覆盖第一绝缘层；

对所述第一绝缘层进行图形化和固化处理以将所述第一导电层局部形成连接窗口；

在经过图形化处理后的第一绝缘层通过退火工艺进行平坦化处理，以在所述第一绝缘层上形成凹坑结构；

在所述第一绝缘层上淀积第二导电层，并利用光刻法对所述第二导电层进行图形化，并配合干法刻蚀或者湿法腐蚀形成第二驱动电极，使得所述第二驱动电极透过所述连接窗口与所述第一驱动电极连接并覆盖连接窗口的凹坑结构；

在所述第二导电层上覆盖第二绝缘层，利用低温工艺热固化或者高温快速退火的热固化进行平坦化处理，以在第一绝缘层的凹坑结构上方的所述第二绝缘层上保形形成凹坑结构。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述在衬底上形成绝缘层和导电层交错堆叠的层叠结构包括：

在衬底上淀积第一导电层；

利用光刻方法对所述第一导电层进行图形化，并配合干法刻蚀或者湿法腐蚀形成第一驱动电极；

在所述第一导电层上覆盖第一绝缘层；

对所述第一绝缘层进行图形化和固化处理以将所述第一导电层局部形成第一连接窗口；

在经过图形化处理后的第一绝缘层通过退火工艺进行平坦化处理，以在所述第一绝缘层上形成凹坑结构；

在所述第一绝缘层上淀积第二导电层，并利用光刻法对所述第二导电层进行图形化，并配合干法刻蚀或者湿法腐蚀形成第二驱动电极，使得所述第二驱动电极透过所述连接窗口与所述第一驱动电极连接；

在所述第二导电层上覆盖第二绝缘层；

对所述第二绝缘层进行图形化和固化处理以将所述第二导电层局部形成第二连接窗口；

在经过图形化处理后的第二绝缘层通过退火工艺进行平坦化处理，以在所述第二绝缘层上形成凹坑结构；

在所述第二绝缘层上淀积第三导电层，并利用光刻法对所述第三导电层进行图形化，并配合干法刻蚀或者湿法腐蚀形成第三驱动电极，使得所述第三驱动电极透过所述第二连接窗口与所述第二驱动电极连接并覆盖第二连接窗口的凹坑结构；

在所述第三导电层上覆盖第三绝缘层，利用低温工艺热固化或者高温快速退火的热固化进行平坦化处理，以在所述第二绝缘层的凹坑结构上方的所述第三绝缘层上保形形成凹坑结构。

4.权利要求2或3所述的制备方法，利用低温退火工艺进行平坦化处理的温度为180～230℃，退火时间为10-30min。

5.如权利要求2或3所述的制备方法，利用高温退火工艺进行平坦化处理的温度为200～300℃，退火时间为10s。

6.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，对所述层叠结构中的绝缘层进行局部曝光和固化处理之后还包括：

对所述层叠结构中的绝缘层通过退火工艺进行平坦化处理，以在所述连接窗口的边缘形成弧形坡度，以降低所述第一驱动电极和所述第二驱动电极连接的接触电阻。

7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述导电层和绝缘层的形成方法包括溅射法、真空蒸镀、基于导电溶液的旋转涂覆或者狭缝涂布。

8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述导电层的材料包括有机聚合物导电材料或无机聚合物导电材料；所述无机聚合物导电材料包括铟錫氧化物、钛、铬、铝、钼、钽、钨和铜。

9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述绝缘层的材料包括聚合物单体、交联剂、光引发剂、表面活性剂和溶剂；所述聚合物单体包括环氧树脂、丙烯酸树脂中的至少一种以及苯乙烯材料。

10.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，还包括：对涂覆的疏水层在大于120℃的温度下进行高温处理。