數字微流控芯片（Digital microfluidic chip）主要有兩種結構：一種是開放式結構（單平板）；另一種是封閉式結構（雙平板）。在開放式結構中，驅動電極和地電極處于同一基板上；而在封閉式結構中，由上、下兩板組成，通常上板作為地電極，一般由氧化銦錫（ITO）組成，下板作為驅動電極，包含一系列電極陣列。

圖1 不同裝置結構的數字微流控芯片

（左）開放式結構；（右）封閉式結構

數字微流控芯片一般由四個基本部分組成：基底、電極層、介質層和疏水層，需要根據實驗需求選擇合適的材料。

1、基底

基底作為芯片的支架，對芯片的加工過程以及電極陣列的設計有很大的影響，可以選作芯片基底的材料一般包括玻璃、硅、印刷電路板(PCB)以及其他柔性材料，表1列出了目前數字微流控芯片常用的基底。

表1 數字微流控芯片基底材料及優缺點

其中，玻璃基底由于化學性能穩定、芯片加工精度高，且具有優良的光學特性、耐高溫性和電絕緣性被廣泛使用。然而由于其加工過程復雜且價格昂貴，在推廣應用中受到了一定的限制。近年來，印刷電路板由于價格低廉、易加工且易批量生產受到眾多研究人員的推崇。且隨著一次性芯片概念的提出，近年來發展一次性芯片的數字微流控設備成為一大熱點。

紙是芯片制造中最常見的一次性基底，雖然在紙上制備電極層有一定的難度，但是其成本低并且易批量生產，能夠滿足芯片的一次性使用，使得紙基芯片越來越受歡迎。大部分研究中通過絲網印刷在紙基基底上制備電極，后期為了提高電極的分辨率以及使得制備過程得以自動化，采用注射打印的方法制備。除此之外，聚酯薄膜以及其他一些柔性材料也可以用作數字微流控的基底。

紙片上的電濕潤

2、電極層

電極層材料需滿足導電性能好、能很好地附著于基底上，并且能與微加工技術兼容等條件。

一般常用的電極層材料有重摻雜多晶硅、金屬及其氧化物。

重摻雜多晶硅通常采用化學氣相沉積方法制備，并經過刻蝕工藝形成所需要的驅動微電極，該方法能與微加工技術兼容，但是由于制備工藝復雜、過程煩瑣等原因，限制了重摻雜多晶硅的使用。

金屬材料通常采用Au、Cu、Al、Pt等化學性質穩定并且有很強導電性的重金屬，為了使重金屬和基底之間可以更好地黏合在一起，一般需要在重金屬和基底之間增加一層金屬過渡層。Au作為最早使用的電極層材料，具有良好的化學穩定性，使用Au作電極層材料時具體制作工藝為：首先蒸發沉積一層Au/Cr層，其中Cr作為黏附層以增加Au與基底的黏附。電極圖形可以采用表面剝離法或刻蝕法形成。Au作為電極層材料的缺點是加工微圖案困難，而且價格相對較高。Cu也是一種常用的電極材料，其負載電流的能力強，制作工藝成熟并且價格比較低，但高溫情況下易被氧化。Al也是一種常用的電極層材料，通常使用蒸發沉積法制備。Al金屬層的制備工藝成熟，成本低廉，可以與微加工技術兼容，但是研究發現其重復性比較差，經過幾次施壓之后，電極表面容易擊穿，影響芯片的實際使用。Pt由于化學惰性，是非常理想的電極層材料。但是，Pt電極圖形加工困難，成本昂貴。ITO具有高的電導率、機械性能好、可見光透過率高、化學穩定性強且價格便宜，但制作電極圖案較復雜（表2）。

表2數字微流控芯片電極層材料及優缺點

3、介質層

介質層主要是用于積累電荷，使液滴在操縱過程中可以防止電極擊穿，在液滴操縱過程中所需的電壓與介質層材料的介電常數密切相關，并且呈反比關系，即當介質層的介電常數越高時，其驅動液滴所需要的電壓就越低，因此為了降低電壓，應盡量使用介電常數高的材料作為介質層。此外，為了防止在施加高壓或長時間驅動液滴時造成介質層擊穿的現象，可以對介質層厚度進行優化。

常用介質層材料有SiO2、Si3N4、Al2O3、聚二甲基硅氧烷（PDMS）和SU-8光刻膠、聚對二甲苯（parylene）材料等。

其中SiO2具有很好的電絕緣性、加工工藝成熟并且它的電學性能很好，形成的薄膜均勻性好。但是SiO2的介電常數只有2.7，當使用二氧化硅作為介電潤濕中介質層的時候需要足夠大的電壓才能驅動微液滴。

Si3N4具有非常好的絕緣性能和機械耐磨性，耐高溫性好，其介電常數為7.8，擁有相當高的介電強度，但制備的氮化硅薄膜上有較多的顆粒而且均勻性不好，容易發生漏電使介質層擊穿。

Al2O3具有良好的黏結性、電絕緣性好、很好的抗高溫性能，是作為介質層非常好的一種材料，但是其加工復雜。

PDMS是一種無毒、不易燃、制作簡單且快速的有機硅高分子化合物，與玻璃片之間具有良好的黏附性，化學惰性、絕緣性都非常好，因此成為一種廣泛應用于微加工領域的聚合物材料，目前很多學者使用PDMS進行了基于介質上電潤濕的研究。

SU-8光刻膠是近幾年應用非常廣泛的新型光刻膠材料。由于其具有良好的力學性能、絕緣性能、光學性能、化學性能等特點，可以用來作為介質層。

Parylene材料，電學性能好、耐熱性強，具有非常好的化學穩定性，是一種具有對二甲苯結構的聚合物薄膜，一般使用化學氣相沉積法制備得到。采用真空熱解氣相堆積工藝制備得到非常薄的薄膜，通常作為涂層被使用。Parylene薄膜的形成過程如下：①在150℃下固態環二體吸熱升華，形成氣態環二體并進入裂解爐；②裂解爐中的溫度在680℃左右，氣態環二體在高溫下C-C鍵斷開，裂解為穩定的單分子，每個單分子都帶有兩個游離基團；③單分子吸附在真空沉積室內的目標基底上，兩個游離基團單分子通過電子配對作用吸引從而聚集，最終聚合形成線形高分子聚合物。

表3數字微流控芯片介質層材料介電常數

4、疏水層

疏水層主要用于降低液滴驅動阻力以及增大液滴的接觸角。通常選擇Teflon-AF和CYTOP。Teflon-AF具有良好的化學穩定性、透光性、電學特性等，被廣泛應用在介電潤濕的研究中。它的主要成分是4,5-二氟-雙-（三氟甲基）-1,3-二氧唑(PDD)和四氟乙烯(TFE)，通常與FC-40混合配制不同質量分數的Teflon-AF1600溶液。在介電潤濕中形成的薄膜疏水性非常高，微液滴的接觸角能達到110°~120°。CYTOP材料具有高透過率、良好的電氣特性、高透明性等性質，有研究表明，以CYTOP疏水材料作為疏水層，其接觸角能夠達到106°~112°。表3列出了不同疏水材料相關性能指標。

表4不同疏水材料相關性能指標

審核編輯：劉清