专利名称：一种基于数字微流控技术的电化学传感器芯片的制作方法
技术领域：
本发明属于微分析技术领域，具体涉及一种基于数字微流控技术的电化学传感器芯片。
背景技术：
过去十年以来，“全微分析系统”(μ -TAS)或“芯片上实验室”(Lab-on-a-chip) 的概念得到了飞速的发展和实现，它是利用微加工和集成技术结合各种分析检测原理而实 现的微小型分析仪器，具有体积小、功耗低、灵敏度高、便携等优势，可以广泛应用于生物、 医学和化学检测，在国家安全、免疫检测、环境保护、食品卫生、基因筛选、疾病诊断等领域 均有应用潜力。无论其分析检测的对象如何，“全微分析系统”或“芯片上实验室”的结构构成从功 能上分，均由“样本处理”(如样本输入、混合、反应、分离等)和“检测”两个基本模块组成， 即“微流控”和“传感器”功能模块。本发明即为一种实现上述两项功能的集成芯片。生物、生化和化学检测的方法有很多种，目前最为成功的是各种光学检测，已经有 不少基于连续流动驱动和光学检测的大型分析仪器产品。但是由于光学检测均需要庞大的 光学系统，现有技术暂时无法实现与微流控技术的芯片集成。基于电学性质的测量技术最有可能实现与微流控技术的芯片集成。电化学检测方 法是研究电的作用和化学作用相互关系的技术，可以满足分析样本所需的(液体)环境，且 检测信号为电信号，硬件手段为三电极系统，它与芯片制造技术兼容性高，因此是一种非常 适合制作“全微分析系统”(μ-TAS)或“芯片上实验室”(Lab-on-a-chip)的途径之一。1、电化学检测原理
电化学体系由三个电极组成工作电极、对电极和参比电极。三个电极位于一个电解质 体系中时，通过施加电信号可以调节工作电极上电子的能量，因而控制电解质溶液中发生 的化学反应，而测量该化学反应产生的电信号即可提供相关溶液和电极的性质。电化学在生物化学检测上的应用，根据检测电信号的不同，可以制作成a)电势传 感器；b)电流传感器；C)电感传感器；d)电容传感器；和e)阻抗传感器。以上各项电信号 均可以表达被测样本的性能。利用微加工技术可以实现集成的三电极体系，即在一个芯片上集成三个电极，对 于提高电化学体系的稳定性、可靠性、重复性、一致性及节省测试时间和降低操作难度有重 要意义。2、数字微流控原理
随着微纳技术的进步，微流控技术从早期流体的连续驱动向离散液滴驱动(数字微流) 及离散和连续驱动混合发展。流体在电场作用下受到动电力(Electrokinetic force)的 电湿润驱动不需要微流道，利用表面张力作为微量流体液滴的驱动力，由表面张力梯度来 改变液滴在器件表面的湿润性(wettability)因而实现微流控。改变液滴在器件表面的湿 润性的技术有很多方式，如热毛细管效应、电化学梯度、非对称表面结构、光化学效应、介质电泳效应、介质上的电湿润效应(electro-wetting -on-dielectrics—EffOD)等，它们共同 的优势在于不需要任何可动器件即可实现微流控，除产生液滴的功能之外，微流控芯片还 具有分析测试时样本处理所需的输送、混合、分离等多个功能。其中，基于介质上电湿润效 应的微流控技术(又称为数字微流控技术)，被视为最具潜力的方案。它所需工作电压低，因 而功耗小，适合应用于多种流体样本的处理，包括人体所有体液，如血液、血浆、血清、尿液、 唾液、汗和泪液，甚至汽雾剂和爆炸物颗粒。同时，它还具有1)优秀的液滴控制能力和控制 柔性，即通过改编软件即可实现液滴流动路径及上述各功能的转换；2)样本液滴体积控制 精确，给检测提供了稳定的基本条件；3)结构和制作工艺相对简单，易于实现和检测器件及 IC控制电路的集成。数字微流控系统的构成如

图1所示。其驱动力的来源
液滴的驱动压力差为
权利要求
1. 一种基于数字微流控技术的电化学传感器芯片，其特征在于由数字微流控器件上面 叠加一个三电极电化学器件组成；其中数字微流控器件由底层和上盖组成；底层从下到上依次为第一衬底(1)、第一绝缘 层(2)、第一电极层(3)、第二绝缘层(4)和第一疏水层(5);上盖从下到上依次为第二疏水 层(6)，第二电极层(7)，第三绝缘层(8)和第二衬底(9);这里，第一衬底(1)和第二衬底(9) 为导电材料；当第一衬底(1)和第二衬底(9)为绝缘材料时，第一绝缘层(2)和第三绝缘层 (8)省去；三电极包括对电极(13)、工作电极(14)和参比电极(15)；该三电极与第一疏水层(5) 在同一层面，并被第一疏水层(5 )包围，但不被第一疏水层(5 )覆盖；微流控器件的驱动电压施加在电极层(3)和电极层(7)之间，电化学检测的电学信号 和检测信号由对电极(13)、工作电极(14)和参比电极(15)分别施加和输出。
全文摘要
本发明属于微分析技术领域，具体为一种基于数字微流控技术的电化学传感器芯片。该传感器芯片由数字微流控器件上面叠加一个三电极电化学器件组成；其中数字微流控器件由底层和上盖组成；底层从下到上依次为第一衬底、第一绝缘层、第一电极层、第二绝缘层和第一疏水层；上盖从下到上依次为第二疏水层，第二电极层，第三绝缘层和第二衬底；当第一衬底和第二衬底为绝缘材料时，第一绝缘层和第三绝缘层省去；三电极包括对电极、工作电极和参比电极；该三电极与第一疏水层在同一层面，并被第一疏水层包围，但不被第一疏水层覆盖；本发明可实现检测所需的多种液体样本的输送，并实现在线检测。
文档编号G01N27/416GK102095770SQ20101055330
公开日2011年6月15日 申请日期2010年11月22日 优先权日2010年11月22日
发明者周嘉, 曾祥宇, 杨盛 申请人:复旦大学