一种多功能介电泳操控微电极片上系统及其制作方法.pdf

本发明公开了一种多功能介电泳操控微电极片上系统及其制作方法，其特征是：综合考虑微电极形貌与间距、材料与电极尺寸比例对操控电场分布的影响和生产研究的各种介电泳操控需求，通过微加工技术在一个片上系统里面制作出一系列的不同形貌和间距的电极及阵列，为各种不同的待操控材料提供所需要的不同形貌和间距的微电极及阵列设计。通过上述方法设计而成的产品具有以下优点：第一，通过标准微加工工艺大批量生产，成本很低。第二，该片上微电极系统包含了生产和研究中所需要的常用电极形貌和尺寸，具有广泛的适用性。

1、  一种多功能介电泳操控微电极片上系统，其特征在于：综合考虑微电极形貌与间距、材料与电极尺寸比例对操控电场分布的影响和生产研究的各种介电泳操控需求，通过微加工技术在一个片上系统里面制作出一系列的不同形貌和间距的电极及阵列，为各种不同的待操控材料提供所需要的不同形貌和间距的微电极及阵列设计。

2、  根据权利要求1所述的一种多功能介电泳操控微电极片上系统，其特征在于：所述的片上系统所包含电极及阵列的种类如下：
1)点线型系列，包括不同尖角角度三角对平板型和小圆点对平板型；
2)点点型系列，包括不同尖角角度三角对三角型和小圆点对小圆点；
3)线线型系列，包括平行平板型和圆弧对圆弧；
4)叉指系列，包括同指间距和不同指间距；
5)城墙垛系列，包括交叉型和正对型；
6)四电极陷阱结构系列，包括四个圆型、四个不同尖角角度三角型和四个方型；
7)封闭式交叉逼近型系列，包括回子型和圆形。

3、  根据权利要求1所述的一种多功能介电泳操控微电极片上系统，其特征在于：本发明的引线电路设计选自两种方式：
1)采用引脚电极引出；引脚采用圆形或方型设计，依次排布在片上系统单元的四个边上，一般采用单层或交叉双层结构；片子内部部分电极的引出电路采用总线结构，这样可以简化引出电路；
2)不用引脚电路，采用探针引出方式。

4、  权利要求1所述的一种多功能介电泳操控微电极片上系统的制作方法，包括如下步骤：通过在直径为Φ＝2inch的硅片表面氧化生长一层二氧化硅绝缘层，在绝缘层上分别以蒸镀的方式先沉积一层Ti再沉积一层Au，然后旋涂正(光刻)胶，依次经过前烘、光刻、显影和后烘坚膜工序，再进行Au、Ti的腐蚀，完成微电极及阵列的制作。

一种多功能介电泳操控微电极片上系统及其制作方法
技术领域
一种多功能介电泳操控微电极片上系统及其制作方法，属于片上实验平台的设计和微加工制造技术领域。
背景技术
介电泳技术是通过在预先设计的电极间施加一定幅度和频率的交流信号，在电极间产生非均匀电场，使在其间的被操控对象获得一定的正(负)介电泳力，从而向强(弱)电场区域移动，从而实现对微纳米材料的操控。它是一种很有潜力的微纳米级材料的操控技术，这种操控不受材料本身导电特性，材料形状等的限制，适用于所有的微纳米结构(如纳米材料，生物粒子等).因此，介电泳技术越来越受到的关注，不仅具有很重要的科学研究价值，还具有巨大的商业生产潜力，特别是在纳米材料和生物高分子操控领域。但目前还存在很多问题要解决。如：
(1)这种操控受很多种微观作用因素的影响，如，所选用的溶剂种类、悬浮液的浓度、微电极的形貌和间距、外加操控信号的幅度和频率等。对于一种具体微纳米粒子，这些因素都要通过理论计算和实验方式来进行的探索。在实验中需要很多实验条件的转换，尤其是不同形貌和间距的微电极转换。
(2)在生产和研究中，有时需要通过介电泳技术对某些材料进行进行各种操作，如搬运、排列、定位、分离和筛选等。这就要求有搭建一个操控系统，其中电极的设计和制作是很关键和复杂的步骤。
(3)随着生命科学和纳米科技的高速发展，新型的生物粒子和纳米材料不断涌现，要了解和应用它们，就需要能对其进行各种操作、观察和测试。不同介电常数，形貌和尺寸的材料在通过介电泳操控对微电极的要求都会不同，所以要根据材料来设计和制作相应的电极结构，这将会是很复杂的重复性工作。
如果能有个能预先制作好的能满足各种形貌和间距需求的微电极片上系统，将会给以上生产和研究方面问题的解决带来极大的方便。
发明内容
本发明的发明目的为了提供一种多功能介电泳操控微电极片上系统，以解决现有技术的上述问题。
本发明的另一目的是为了提供上述介电泳操控微电极片上系统的制作方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现。
一种多功能介电泳操控微电极片上系统，它通过微加工技术在一个片上系统里面制作出一系列的不同形貌和间距的电极及阵列，为各种不同的待操控材料提供所需要的不同形貌和间距的微电极及阵列设计。
所述的片上系统所包含电极及阵列的种类如下：
1)点线型系列，包括不同尖角角度三角对平板型和小圆点对平板型；
这种结构是产生大电场梯度，获得较大介电泳力的最简单的一种电极设计，一直以来，人们都习惯用它来研究介电泳现象。三角型尖角电极周围的电场梯度可以由尖角的大小准确控制。因为周围电场是由电极向四周发散的，如果增大尖角的角度，可以使更多的材料在最小间距处聚集和电极间的跨接。如果减小尖角角度，介电泳区域会缩小，但在尖端四周会产生很大的电场梯度。
2)点点型系列，包括不同尖角角度三角对三角型和小圆点对小圆点；
这种电极将介电泳效应限制在电极四周很小的区域，在电极尖端处最强。这种电极可以用于少量或单根材料的定位操作。在单根材料的特性研究和器件中的应用领域，这种电极设计有着广泛的应用前景。
3)线线型系列，包括平行平板型和圆弧对圆弧；
这也是一种常用的电极结构。当电极间距很小时，可以获得大的场强，可以获得很大的介电泳力。两电极之间电场呈现高度的一致性，用它可以实现多个材料的整齐排列和跨接。
4)叉指系列，包括同指间距和不同指间距；
这种电极可以实现大量材料的整齐排列和跨接，在传感器等集体效应电学系统中有着广泛的应用。不同指间距还可以用来进行同样条件下的不同间距操控效果的对比。
5)城墙垛系列，包括交叉型和正对型；
这种电极可以使大量材料在邻近处的排列和跨接，它是材料的分离，提纯，排列，集体效应测试等操作最常用的电极阵列类型。
6)四电极陷阱结构系列，包括四个圆型、四个不同尖角角度三角型和四个方型；
这种电极可以用来对材料进行平面四方定位，同时输入两种信号，进行操控和同步测量。
7)封闭式交叉逼近型系列，包括回子型和圆形；
这种电极也是大量材料排列，定位，测试中理想的电极类型。
本发明采用的引线电路设计为以下两种方式：
1)采用引脚电极引出；引脚采用圆形或方型设计，依次排布在片上系统单元的四个边上，一般采用单层或交叉双层结构。片子内部部分电极的引出电路采用总线结构，这样可以简化引出电路。
2)不用引脚电路，采用探针引出方式。
这种多功能介电泳操控微电极片上系统的制作方法，包括以下步骤：通过在直径为Φ＝2inch的硅片表面氧化生长一层二氧化硅绝缘层，在绝缘层上分别以蒸镀的方式先沉积一层Ti再沉积一层Au，然后旋涂正(光刻)胶，依次经过前烘、光刻、显影和后烘坚膜工序，再进行Au、Ti的腐蚀，完成微电极及阵列的制作。
根据以上技术方案制成一种多功能介电泳操控微电极片上系统，这种设计和制作的微电极片上系统有以下用途和优点：
1.用途：
第一，介电泳技术是一种简单而高效的微纳米操控技术，可以很好的完成微纳米粒子在应用中的操作问题，如纳米材料在电学器件应用中的定位问题，生物粒子的排列等。在生产和科学研究领域都将有广泛的应用。但是这种操控会受到很多因素的影响。通过这个平台，我们可以方便生产和研究提供多种电极设计的选择，通过实验的方式来研究某种材料的介电泳操控的影响因素，找到比较合适的操控参数，同时，也可以用这个平台来检验理论计算的结果。所以它是一个实验研究某种材料介电泳操控特性和参数的平台。
第二，通过这个平台，可以选择合适的微电极或阵列，对各种待操控对象进行各种所需要的，搬运、排列、定位、分离和筛选等操作。例如，可以对通过混合材料的不同成分在操控过程中的受力大小不同，对材料进行分离、纯化。如通过金属性和半导性碳纳米管的介电常数与介质介电常数的关系不同，可以实现一种被电极吸引，而另一种被电极排斥，从而实现两种不同电性纳米管的分离操作。
第三，随着微纳米技术不断的进步，材料的制备技术的发展，新的微纳米材料层出不穷，要了解它们的各个方面的性质，可以通过介电泳方式，将它们定位到指定的位置，通过这个实验平台完成某种材料的性能测量。如，将微纳米材料跨接和排布到两个电极之间，实现电接触，进行所需要的电学特性测量。所以，它也是一种材料特性的测试平台。
2.优点：
第一，通过标准微加工工艺大批量生产，成本很低。
第二，该片上微电极系统包含了生产和研究中所需要的常用电极形貌和尺寸，具有广泛的适用性。
附图说明
图1微电极设计图
图2微电极实物图
图3负介电泳操控图
图4正介电泳操控图
图5四个圆型陷阱结构电极操控图
图6回字形交叉电极操控图
图7叉指电极定位和跨接操控图
图8城墙垛电极定位和跨接操控图
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例进一步阐述本发明的技术特点。
现在通过一个2.1×2.3cm²的微电极片上系统设计和制作及测试进一步描述本发明。
一、设计
综合考虑微电极形貌与间距、材料与电极尺寸比例等对操控电场的影响，设计出不同形状和间距的微电极及阵列系列，通过细微加工技术在硅材料上制作出各种电极及阵列系列。
微电极及阵列设计如图1所示，1、间距分别为200，100，50，30，20，10微米平行平板型电极对、尖角角度分别为90、60、30度的三角对平板型电极对、尖角角度分别为90、60、30的对三角型电极对、叉指电极、城墙垛电极阵列；2、不同间距的不同半径圆形、三种尖角角度三角形四电极组；3、间距从10-300微米的10微米递增和间距从5-100微米的5微米递增叉指电极；4、间距从10-150微米的10微米递增的多引线叉指电极；5、50和100微米间距的回字形交叉电极等。
引线设计主要采用外围单层正方形引脚结构，对于四电极陷阱设计采用探针引出方式。
二、制作：
制作过程：通过氧化在直径为Φ＝2inch的硅片表面生长一层二氧化硅绝缘层，在绝缘层上分别以蒸镀的方式先沉积一层Ti再沉积一层Au，然后旋涂正(光刻)胶、前烘、光刻、显影、后烘坚膜，再进行Au、Ti的腐蚀，完成微电极及阵列的制作。
所制作的片上系统如图2所示。
三、测试：
通过ZnO纳米材料作为操控对象对所设计和制作的片上实验系统进行简单的测试。
1.操控材料的制备与描述
所采用的ZnO纳米结构采用溶液法生长，所生长的纳米棒直径在200nm，长度在10μm。
2.用所制备的纳米材料对片上实验系统进行简单的测试
介电泳操作：首先将待操控的ZnO棒溶入去离子水中，然后将悬浮液放入超声清洗机(型号SK1200H，工作频率59KHz)超声5分钟。然后用移液器取少量悬浮液移入电极中间区。用DDS任意波形发生器施加正弦交流信号，在室温下直至溶剂完全挥发。整个实验在超净室中完成。
1)介电泳操控特性的摸索
对于一种给定的微纳米级材料，要完成它的某种特定的操作，它的介电泳特性包括所选用的溶剂、制备悬浮液的浓度、的电极(形貌和间距)设计、外加操控信号的幅度和频率等。在这里我们简单研究下ZnO纳米材料的正负介电泳操控频率问题。通过变化实验中的操控信号的频率的大小，在一个实验系统中实现正负介电泳的频率条件的摸索。经实验，我们得出，对于我们制备的氧化锌棒，置于去离子水中，正负介电泳效应的分界频率大约在100KHz左右，频率小于100KHz发生负介电泳现象，如图3所示；频率高于100KHz发生正介电泳现象，如图4所示；频率点为5KHz左右时负介电泳现象尤为明显，当频率点在200KHz左右时正介电泳现象表现明显。
2)各种定位、排列、搬运、分离等操作
这里采用四电极陷阱结构和回字型结构实验，结果如图5和图6所示。图5是正介电泳结果。图6是负介电泳结果。从图5中可以看到四个电极中间存在一个陷阱，可以实现对材料的捕捉定位。从图6中可以看到在材料在整齐排列在电极之间的弱电场区域。
3)对材料的性能测试
一般材料特性的测量，都采用叉指、城墙垛等阵列结构来跨接和排列很多材料，测量它们的集体效应；对于个体特性的测量，一般采用单个的点对点型或点对线型电极，在操控的同时，外加一个材料跨接判断电路来控制实验的时间。这种操控比较复杂一点。
这里采用叉指和城墙垛电极对进行材料的正电泳操控，完成材料在电极间的定位和跨接，结果如图7和图8所示。
从图中可以看到，在正介电泳力作用下，材料则沿着电场线方向排布，很多个材料首尾连接，出现较明显的电极间的跨接，简单而有效的完成纳米材料应用中的定位问题。如果换用尺寸更小的电极结构，单根材料就可以直接跨接在电极两端。在两端加测试信号，就可以实现对材料的某些特性的测量了。例如，将它们作为湿度传感结构来测量所制备的纳米材料的湿敏特性等。
ZnO纳米结构对湿度具有很好的吸附和解吸附性能，是一种很好的湿敏材料。为了检验这种纳米结构的湿敏特性和本电极系统对被操控材料的测试效果，对图8所示的城墙垛电极阵列结构进行相对湿度测试。实验中所需要的标准湿度通过盐的饱和溶液法产生。在一个标准大气压下，实验温度为25℃时，取相对湿度值分别为97.6％，84。34％，75.29％，57.57％，43.16％5种饱和盐溶液，将传感结构两个接入端连接到LCR电桥阻抗测量仪进行交流阻抗测量。
在1Vrms、10kHz条件下，先按相对湿度递增的顺序，切换不同相对湿度的样品环境，记录六个测量值。再按相对湿度递减的顺序测量，往返测量3次，取得6组测量值。分别取频率为1kHz、100Hz，重复上面的操作。将同一测量条件下对应于每个相对湿度值的多次测量值加以平均，求出三个正反行程的实测平均值，并进行线性拟合，我们可以得到在三个不同频率下，交流阻抗随相对湿度变化的拟合直线，表1是三个不同频率下的传感结构的灵敏度分析。
表1三个不同频率下的传感结构的灵敏度分析