[发明专利]基于喷墨打印技术的在PDMS基底上加工微电极的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在PDMS上加工微电极。特别是涉及一种像素级的喷印方法和利用化学偶联剂MPTMS对PDMS表面进行修饰改善其表面疏水特性以及同银电极的粘附性的基于喷墨打印技术的在PDMS基底上加工微电极的方法。

背景技术

基于PDMS(聚二甲基硅氧烷)的微流控芯片已经广泛应用于生物大分子检测、电化学传感、医疗仪器制造和可穿戴设备等领域。PDMS作为一种柔性材料，其无毒、透明、易加工以及生物兼容性好都使其成为制造集成化片上传感系统的首选材料。但是在微流体通道中集成微电极形成功能化的生物传感器仍然是科学界的一个挑战，因为在PDMS上加工微电极一直是一个困扰整个学术界的技术难题。作为一种生物材料，PDMS与金属的粘附性差，不利于金属微电极附着，这严重制约了其在微流控和电化学传感领域的应用。

目前在PDMS上加工微电极的方法主要有化学还原法、蒸镀或溅射法、丝网印刷法以及模型转印法等等。然而，化学还原法需要为含有金属阳离子的溶液预先加工微管路，对化学溶液的浓度不易控制，而且电极的连续性和导电性差；而蒸镀或者溅射法只针对简单模型，复杂模型需要掩膜，而且需要大型真空设备；丝网印刷法加工出来的微电极厚度较大(5-10um)，使得在与其它PDMS层键合时层与层之间密封性较差，常常导致微管路中的液体样品泄漏；模型转印法是一种常用方法，其解决了微电极在PDMS表面附着的问题，但是需要把电极通过其他方法加工在其它基底上，所以工艺复杂，尤其是针对电极面积较大时，其加工时间长，效率低。喷墨打印技术作为一种近年来逐渐兴起的加工技术使得在PDMS上加工微电极成为可能。喷墨打印技术实现了只在指定区域加工电极，无需掩膜，且电极厚度小于100nm，符合微流控芯片的键合要求。其自动化程度高，加工过程高效、省时，是一种在PDMS上加工微电极的理想方法。

图1a、图1b展示了系统喷印时设置的液滴间距，而这个间距实际取决于不同基底上液滴的直径，为了形成连续性较好、边缘较整齐的银电极层，液滴间距最好设置成液滴直径的一半，这样相邻液滴能够重叠形成质量较高的电极层。

如图2a、图2b所示，PDMS表面极度疏水，导致液滴直径较小，无法在基底上分散开来，这样不利于液滴溶剂的蒸发，由于喷印系统的工作速率与液滴间距(由图2a、图2b可知，较小的液滴直径需要设置较小的液滴间距)成正比，所以PDMS表面的疏水特性导致加工过程耗时较长。

如图3所示，图2a、图2b所示的问题同样导致了相邻湿润液滴间由于表面张力互相吸引、移位而形成了更大的圆形液滴，使得原喷印区域出现空白，这样不利于连续性较好的电极形成。

所以需要改善PDMS表面的疏水特性并且克服相邻液滴间的互相吸引、移位问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种加工过程简单、高效，能够实现在PDMS上表面加工质量较高、粘附性较好的银电极的基于喷墨打印技术的在PDMS基底上加工微电极的方法

本发明所采用的技术方案是：一种基于喷墨打印技术的在PDMS基底上加工微电极的方法，包括如下步骤：

1)首先是PDMS基底的准备，把PDMS单体与固化剂按照质量比10:1混合均匀，除去气泡，将混有固化剂的PDMS均匀倾倒在抛光的硅片表面，然后在恒温箱中放置2小时进行固化；

2)增加PDMS对金属电极的粘附性，包括：

(1)将固化后的PDMS从硅片表面剥离并切割成设定的形状，作为电极加工的基底；

(2)将MPTMS与乙醇以体积比1:200混合制成MPTMS的乙醇溶液；

(3)将PDMS基底浸泡在MPTMS的乙醇溶液中；

(4)将PDMS基底取出清洗吹干后，浸泡于0.1M的盐酸溶液中0.7～1.2小时，取出后用去离子水清洗并空气流烘干；

3)利用数字图像处理的方法将原有电极图形中的有效像素部分进行拆分并重新组合，然后按照新图形中的有效像素逐一进行喷印。

步骤1)所述的除气泡是在真空箱中除去气泡。

步骤1)所述的恒温箱为60～80℃的恒温箱。

步骤2)中的第(3)步是将PDMS基底浸泡在MPTMS的乙醇溶液中0.6～1.2小时。

步骤2)中的第(4)步中是将浸泡在MPTMS乙醇溶液中PDMS基底取出后用乙醇清洗并于空气流中吹干。