專利名稱：：一種多功能介電泳操控微電極片上系統(tǒng)及其制作方法一種多功能介電泳操控微電極片上系統(tǒng)及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種多功能介電泳操控微電極片上系統(tǒng)及其制作方法，屬于片上實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和微加工制造
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：介電泳技術(shù)是通過在預(yù)先設(shè)計(jì)的電極間施加一定幅度和頻率的交流信號(hào)，在電極間產(chǎn)生非均勻電場，使在其間的被操控對象獲得一定的正(負(fù))介電泳力，從而向強(qiáng)(弱)電場區(qū)域移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對微納米材料的操控。它是一種很有潛力的微納米級材料的操控技術(shù)，這種操控不受材料本身導(dǎo)電特性，材料形狀等的限制，適用于所有的微納米結(jié)構(gòu)(如納米材料，生物粒子等).因此，介電泳技術(shù)越來越受到的關(guān)注，不僅具有很重要的科學(xué)研究價(jià)值，還具有巨大的商業(yè)生產(chǎn)潛力，特別是在納米材料和生物高分子操控領(lǐng)域。但目前還存在很多問題要解決。如(1)這種操控受很多種微觀作用因素的影響，如，所選用的溶劑種類、懸浮液的濃度、微電極的形貌和間距、外加操控信號(hào)的幅度和頻率等。對于一種具體微納米粒子，這些因素都要通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)方式來進(jìn)行的探索。在實(shí)驗(yàn)中需要很多實(shí)驗(yàn)條件的轉(zhuǎn)換，尤其是不同形貌和間距的微電極轉(zhuǎn)換。(2)在生產(chǎn)和研究中，有時(shí)需要通過介電泳技術(shù)對某些材料進(jìn)行進(jìn)行各種操作，如搬運(yùn)、排列、定位、分離和篩選等。這就要求有搭建一個(gè)操控系統(tǒng)，其中電極的設(shè)計(jì)和制作是很關(guān)鍵和復(fù)雜的步驟。(3)隨著生命科學(xué)和納米科技的高速發(fā)展，新型的生物粒子和納米材料不斷涌現(xiàn)，要了解和應(yīng)用它們，就需要能對其進(jìn)行各種操作、觀察和測試。不同介電常數(shù)，形貌和尺寸的材料在通過介電泳操控對微電極的要求都會(huì)不同，所以要根據(jù)材料來設(shè)計(jì)和制作相應(yīng)的電極結(jié)構(gòu)，這將會(huì)是很復(fù)雜的重復(fù)性工作。如果能有個(gè)能預(yù)先制作好的能滿足各種形貌和間距需求的微電極片上系統(tǒng)，將會(huì)給以上生產(chǎn)和研究方面問題的解決帶來極大的方便。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的發(fā)明目的為了提供一種多功能介電泳操控微電極片上系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù)的上述問題。本發(fā)明的另一目的是為了提供上述介電泳操控微電極片上系統(tǒng)的制作方法。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)。一種多功能介電泳操控微電極片上系統(tǒng)，它通過微加工技術(shù)在一個(gè)片上系統(tǒng)里面制作出一系列的不同形貌和間距的電極及陣列，為各種不同的待操控材料提供所需要的不同形貌和間距的微電極及陣列設(shè)計(jì)。所述的片上系統(tǒng)所包含電極及陣列的種類如下1)點(diǎn)線型系列，包括不同尖角角度三角對平板型和小圓點(diǎn)對平板型；這種結(jié)構(gòu)是產(chǎn)生大電場梯度，獲得較大介電泳力的最簡單的一種電極設(shè)計(jì)，一直以來，人們都習(xí)慣用它來研究介電泳現(xiàn)象。三角型尖角電極周圍的電場度可以由尖角的大小準(zhǔn)確控制。因?yàn)橹車妶鍪怯呻姌O向四周發(fā)散的，如果增大尖角的角度，可以使更多的材料在最小間距處聚集和電極間的跨接。如果減小尖角角度，介電泳區(qū)域會(huì)縮小，但在尖端四周會(huì)產(chǎn)生很大的電場梯度。2)點(diǎn)點(diǎn)型系列，包括不同尖角角度三角對三角型和小圓點(diǎn)對小圓點(diǎn)；這種電極將介電泳效應(yīng)限制在電極四周很小的區(qū)域，在電極尖端處最強(qiáng)。這種電極可以用于少量或單根材料的定位操作。在單根材料的特性研究和器件中的應(yīng)用領(lǐng)域，這種電極設(shè)計(jì)有著廣泛的應(yīng)用前景。3)線線型系列，包括平行平板型和圓弧對圓??；這也是一種常用的電極結(jié)構(gòu)。當(dāng)電極間距很小時(shí)，可以獲得大的場強(qiáng)，可以獲得很大的介電泳力。兩電極之間電場呈現(xiàn)高度的一致性，用它可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)材料的整齊排列和跨接。4)叉指系列，包括同指間距和不同指間距；這種電極可以實(shí)現(xiàn)大量材料的整齊排列和跨接，在傳感器等集體效應(yīng)電學(xué)系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。不同指間距還可以用來進(jìn)行同樣條件下的不同間距操控效果的對比。5)城墻垛系列，包括交叉型和正對型；這種電極可以使大量材料在鄰近處的排列和跨接，它是材料的分離，提純，排列，集體效應(yīng)測試等操作最常用的電極陣列類型。6)四電極陷阱結(jié)構(gòu)系列，包括四個(gè)圓型、四個(gè)不同尖角角度三角型和四個(gè)方型；這種電極可以用來對材料進(jìn)行平面四方定位，同時(shí)輸入兩種信號(hào)，進(jìn)行操控和同步測量。7)封閉式交叉逼近型系列，包括回子型和圓形；這種電極也是大量材料排列，定位，測試中理想的電極類型。本發(fā)明采用的引線電路設(shè)計(jì)為以下兩種方式1)采用引腳電極引出；引腳采用圓形或方型設(shè)計(jì)，依次排布在片上系統(tǒng)單元的四個(gè)邊上，一般采用單層或交叉雙層結(jié)構(gòu)。片子內(nèi)部部分電極的引出電路采用總線結(jié)構(gòu)，這樣可以簡化引出電路。2)不用引腳電路，采用探針引出方式。這種多功能介電泳操控微電極片上系統(tǒng)的制作方法，包括以下步驟通過在直徑為①-2inch的硅片表面氧化生長一層二氧化硅絕緣層，在絕緣層上分別以蒸鍍的方式先沉積一層Ti再沉積一層Au，然后旋涂正(光刻)膠，依次經(jīng)過前烘、光刻、顯影和后烘堅(jiān)膜工序，再進(jìn)行Au、Ti的腐蝕，完成微電極及陣列的制作。根據(jù)以上技術(shù)方案制成一種多功能介電泳操控微電極片上系統(tǒng)，這種設(shè)計(jì)和制作的微電極片上系統(tǒng)有以下用途和優(yōu)點(diǎn)l.用途第一，介電泳技術(shù)是一種簡單而高效的微納米操控技術(shù)，可以很好的完成微納米粒子在應(yīng)用中的操作問題，如納米材料在電學(xué)器件應(yīng)用中的定位問題，生物粒子的排列等。在生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域都將有廣泛的應(yīng)用。但是這種操控會(huì)受到很多因素的影響。通過這個(gè)平臺(tái)，我們可以方便生產(chǎn)和研究提供多種電極設(shè)計(jì)的選擇，通過實(shí)驗(yàn)的方式來研究某種材料的介電泳操控的影響因素，找到比較合適的操控參數(shù)，同時(shí)，也可以用這個(gè)平臺(tái)來檢驗(yàn)理論計(jì)算的結(jié)果。所以它是一個(gè)實(shí)驗(yàn)研究某種材料介電泳操控特性和參數(shù)的平臺(tái)。第二，通過這個(gè)平臺(tái)，可以選擇合適的微電極或陣列，對各種待操控對象進(jìn)行各種所需要的，搬運(yùn)、排列、定位、分離和篩選等操作。例如，可以對通過混合材料的不同成分在操控過程中的受力大小不同，對材料進(jìn)行分離、純化。如通過金屬性和半導(dǎo)性碳納米管的介電常數(shù)與介質(zhì)介電常數(shù)的關(guān)系不同，可以實(shí)現(xiàn)一種被電極吸引，而另一種被電極排斥，從而實(shí)現(xiàn)兩種不同電性納米管的分離操作。第三，隨著微納米技術(shù)不斷的進(jìn)步，材料的制備技術(shù)的發(fā)展，新的微納米材料層出不窮，要了解它們的各個(gè)方面的性質(zhì)，可以通過介電泳方式，將它們定位到指定的位置，通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成某種材料的性能測量。如，將微納米材料跨接和排布到兩個(gè)電極之間，實(shí)現(xiàn)電接觸，進(jìn)行所需要的電學(xué)特性測量。所以，它也是一種材料特性的測試平臺(tái)。2.優(yōu)點(diǎn)第一，通過標(biāo)準(zhǔn)微加工工藝大批量生產(chǎn)，成本很低。第二，該片上微電極系統(tǒng)包含了生產(chǎn)和研究中所需要的常用電極形貌和尺寸，具有廣泛的適用性。圖l微電極設(shè)計(jì)2微電極實(shí)物3負(fù)介電泳操控4正介電泳操控5四個(gè)圓型陷阱結(jié)構(gòu)電極操控6回字形交叉電極操控圖圖7叉指電極定位和跨接操控圖圖8城墻垛電極定位和跨接操控圖具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)?，F(xiàn)在通過一個(gè)2.1X2.3cm2的微電極片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制作及測試進(jìn)一步描述本發(fā)明。一、設(shè)計(jì)綜合考慮微電極形貌與間距、材料與電極尺寸比例等對操控電場的影響，設(shè)計(jì)出不同形狀和間距的微電極及陣列系列，通過細(xì)微加工技術(shù)在硅材料上制作出各種電極及陣列系列。微電極及陣列設(shè)計(jì)如圖l所示，1、間距分別為200，100，50，30，20，10微米平行平板型電極對、尖角角度分別為90、60、30度的三角對平板型電極對、尖角角度分別為90、60、30的對三角型電極對、叉指電極、城墻垛電極陣列；2、不同間距的不同半徑圓形、三種尖角角度三角形四電極組；3、間距從IO—300微米的10微米遞增和間距從5—100微米的5微米遞增叉指電極；4、間距從10—150微米的10微米遞增的多引線叉指電極；5、50和100微米間距的回字形交叉電極等。引線設(shè)計(jì)主要采用外圍單層正方形引腳結(jié)構(gòu)，對于四電極陷阱設(shè)計(jì)采用探針引出方式。二、制作制作過程通過氧化在直徑為①二2inch的硅片表面生長一層二氧化硅絕緣層，在絕緣層上分別以蒸鍍的方式先沉積一層Ti再沉積一層Au，然后旋涂正(光刻)膠、前烘、光刻、顯影、后烘堅(jiān)膜，再進(jìn)行Au、Ti的腐蝕，完成微電極及陣列的制作。所制作的片上系統(tǒng)如圖2所示。通過ZnO納米材料作為操控對象對所設(shè)計(jì)和制作的片上實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行簡單的測試。1.操控材料的制備與描述所采用的ZnO納米結(jié)構(gòu)采用溶液法生長，所生長的納米棒直徑在200nm，長度在10,。2.用所制備的納米材料對片上實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行簡單的測試介電泳操作首先將待操控的ZnO棒溶入去離子水中，然后將懸浮液放入超聲清洗機(jī)(型號(hào)SK1200H，工作頻率59KHz)超聲5分鐘。然后用移液器取少量懸浮液移入電極中間區(qū)。用DDS任意波形發(fā)生器施加正弦交流信號(hào)，在室溫下直至溶劑完全揮發(fā)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)在超凈室中完成。1)介電泳操控特性的摸索對于一種給定的微納米級材料，要完成它的某種特定的操作，它的介電泳特性包括所選用的溶劑、制備懸浮液的濃度、的電極(形貌和間距)設(shè)計(jì)、外加操控信號(hào)的幅度和頻率等。在這里我們簡單研究下ZnO納米材料的正負(fù)介電泳操控頻率問題。通過變化實(shí)驗(yàn)中的操控信號(hào)的頻率的大小，在一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)正負(fù)介電泳的頻率條件的摸索。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，我們得出，對于我們制備的氧化鋅棒，置于去離子水中，正負(fù)介電泳效應(yīng)的分界頻率大約在100KHz左右，頻率小于lOOKHz發(fā)生負(fù)介電泳現(xiàn)象，如圖3所示；頻率高于lOOKHz發(fā)生正介電泳現(xiàn)象，如圖4所示；頻率點(diǎn)為5KHz左右時(shí)負(fù)介電泳現(xiàn)象尤為明顯，當(dāng)頻率點(diǎn)在200KHz左右時(shí)正介電泳現(xiàn)象表現(xiàn)明顯。2)各種定位、排列、搬運(yùn)、分離等操作這里采用四電極陷阱結(jié)構(gòu)和回字型結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖5和圖6所示。圖5是正介電泳結(jié)果。圖6是負(fù)介電泳結(jié)果。從圖5中可以看到四個(gè)電極中間存在一個(gè)陷阱，可以實(shí)現(xiàn)對材料的捕捉定位。從圖6中可以看到在材料在整齊排列在電極之間的弱電場區(qū)域。3)對材料的性能測試一般材料特性的測量，都采用叉指、城墻垛等陣列結(jié)構(gòu)來跨接和排列很多材料，測量它們的集體效應(yīng)；對于個(gè)體特性的測量，一般采用單個(gè)的點(diǎn)對點(diǎn)型或點(diǎn)對線型電極，在操控的同時(shí)，外加一個(gè)材料跨接判斷電路來控制實(shí)驗(yàn)的時(shí)間。這種操控比較復(fù)雜一點(diǎn)。這里采用叉指和城墻垛電極對進(jìn)行材料的正電泳操控，完成材料在電極間的定位和跨接，結(jié)果如圖7和圖8所示。從圖中可以看到，在正介電泳力作用下，材料則沿著電場線方向排布，很多個(gè)材料首尾連接，出現(xiàn)較明顯的電極間的跨接，簡單而有效的完成納米材料應(yīng)用中的定位問題。如果換用尺寸更小的電極結(jié)構(gòu)，單根材料就可以直接跨接在電極兩端。在兩端加測試信號(hào)，就可以實(shí)現(xiàn)對材料的某些特性的測量了。例如，將它們作為濕度傳感結(jié)構(gòu)來測量所制備的納米材料的濕敏特性等。Zn0納米結(jié)構(gòu)對濕度具有很好的吸附和解吸附性能，是一種很好的濕敏材料。為了檢驗(yàn)這種納米結(jié)構(gòu)的濕敏特性和本電極系統(tǒng)對被操控材料的測試效果，對圖8所示的城墻垛電極陣列結(jié)構(gòu)進(jìn)行相對濕度測試。實(shí)驗(yàn)中所需要的標(biāo)準(zhǔn)濕度通過鹽的飽和溶液法產(chǎn)生。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，實(shí)驗(yàn)溫度為25"C時(shí),取相對濕度值分別為97.6%，84。34%，75.29%，57.57%，43.16%5種飽和鹽溶液，將傳感結(jié)構(gòu)兩個(gè)接入端連接到LCR電橋阻抗測量儀進(jìn)行交流阻抗測量。在lVrms、10kHz條件下，先按相對濕度遞增的順序，切換不同相對濕度的樣品環(huán)境，記錄六個(gè)測量值。再按相對濕度遞減的順序測量，往返測量3次，取得6組測量值。分別取頻率為lkHz、100Hz，重復(fù)上面的操作。將同一測量條件下對應(yīng)于每個(gè)相對濕度值的多次測量值加以平均，求出三個(gè)正反行程的實(shí)測平均值，并進(jìn)行線性擬合，我們可以得到在三個(gè)不同頻率下，交流阻抗隨相對濕度變化的擬合直線，表1是三個(gè)不同頻率下的傳感結(jié)構(gòu)的靈敏度分析。表1三個(gè)不同頻率下的傳感結(jié)構(gòu)的靈敏度分析'<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>從表l中可以看到，在不同的測試頻率下，各條擬合直線的斜率都是負(fù)值，說明傳感結(jié)構(gòu)的交流阻抗隨著測試環(huán)境相對濕度的增大而明顯地逐漸減小。擬合直線的斜率的絕對值即為傳感結(jié)構(gòu)的靈敏度?？梢钥吹诫S著測試頻率的降低，擬合直線的斜率的絕對值變大，說明傳感結(jié)構(gòu)對相對濕度的靈敏度增高；同時(shí)，相關(guān)系數(shù)大小隨測試頻率的變化有微小波動(dòng)，但總體數(shù)值較高，說明傳感結(jié)構(gòu)在不同測試頻率條件下都具有較好的穩(wěn)定性。另外我們還作了濕滯及響應(yīng)時(shí)間測試，在1Vrms、lKHz的條件下，先按相對濕度值遞增的順序測試一次，再按相反的濕度遞減方向測試一次。對于同一個(gè)濕度測試點(diǎn)，在正行程中的測量值總是稍高于在反行程中的測量值，并且在正行程中的響應(yīng)時(shí)間總是要比在反行程中響應(yīng)時(shí)間短，可能是由于吸濕比脫濕容易的原因。在同一個(gè)測試行程中，無論是正行程還是反行程，低濕度時(shí)吸濕與脫濕都較快，而高濕度時(shí)，開始吸濕很快，接近飽和吸濕變慢，這與多層吸附理論一致。從上面的測試結(jié)果，可以看到，通過本電極系統(tǒng)可以很好的完成對材料的性能測試工作。權(quán)利要求1、一種多功能介電泳操控微電極片上系統(tǒng)，其特征在于綜合考慮微電極形貌與間距、材料與電極尺寸比例對操控電場分布的影響和生產(chǎn)研究的各種介電泳操控需求，通過微加工技術(shù)在一個(gè)片上系統(tǒng)里面制作出一系列的不同形貌和間距的電極及陣列，為各種不同的待操控材料提供所需要的不同形貌和間距的微電極及陣列設(shè)計(jì)。2、根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種多功能介電泳操控微電極片上系統(tǒng)，其特征在于所述的片上系統(tǒng)所包含電極及陣列的種類如下1)點(diǎn)線型系列，包括不同尖角角度三角對平板型和小圓點(diǎn)對平板型；2)點(diǎn)點(diǎn)型系列，包括不同尖角角度三角對三角型和小圓點(diǎn)對小圓點(diǎn)；(3)線線型系列，包括平行平板型和圓弧對圓??；(4)叉指系列，包括同指間距和不同指間距；(5)城墻垛系列，包括交叉型和正對型；(6)四電極陷阱結(jié)構(gòu)系列，包括四個(gè)圓型、四個(gè)不同尖角角度三角型和四個(gè)方型；(7)封閉式交叉逼近型系列，包括回子型和圓形。3、根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種多功能介電泳操控微電極片上系統(tǒng)，其特征在于本發(fā)明的引線電路設(shè)計(jì)選自兩種方式l)采用引腳電極引出；引腳采用圓形或方型設(shè)計(jì)，依次排布在片上系統(tǒng)單元的四個(gè)邊上，一般采用單層或交叉雙層結(jié)構(gòu)；片子內(nèi)部部分電極的引出電路采用總線結(jié)構(gòu)，這樣可以簡化引出電路；2)不用引腳電路，采用探針引出方式。4、權(quán)利要求1所述的一種多功能介電泳操控微電極片上系統(tǒng)的制作方法，包括如下步驟通過在直徑為0)-2inch的硅片表面氧化生長一層二氧化硅絕緣層，在絕緣層上分別以蒸鍍的方式先沉積一層Ti再沉積一層Au，然后旋涂正(光刻)膠，依次經(jīng)過前烘、光刻、顯影和后烘堅(jiān)膜工序，再進(jìn)行Au、Ti的腐蝕，完成微電極及陣列的制作。全文摘要本發(fā)明公開了一種多功能介電泳操控微電極片上系統(tǒng)及其制作方法，其特征是綜合考慮微電極形貌與間距、材料與電極尺寸比例對操控電場分布的影響和生產(chǎn)研究的各種介電泳操控需求，通過微加工技術(shù)在一個(gè)片上系統(tǒng)里面制作出一系列的不同形貌和間距的電極及陣列，為各種不同的待操控材料提供所需要的不同形貌和間距的微電極及陣列設(shè)計(jì)。通過上述方法設(shè)計(jì)而成的產(chǎn)品具有以下優(yōu)點(diǎn)第一，通過標(biāo)準(zhǔn)微加工工藝大批量生產(chǎn)，成本很低。第二，該片上微電極系統(tǒng)包含了生產(chǎn)和研究中所需要的常用電極形貌和尺寸，具有廣泛的適用性。文檔編號(hào)B81B7/02GK101307481SQ20081003644公開日2008年11月19日申請日期2008年4月22日優(yōu)先權(quán)日2008年4月22日發(fā)明者劉偉景,唐曉東,王玉才,蔣珂瑋,許修兵申請人:華東師范大學(xué)