基于噴墨打印技術(shù)的在pdms基底上加工微電極的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種在PDMS上加工微電極。特別是涉及一種像素級的噴印方法和利用化學(xué)偶聯(lián)劑MPTMS對PDMS表面進(jìn)行修飾改善其表面疏水特性以及同銀電極的粘附性的基于噴墨打印技術(shù)的在PDMS基底上加工微電極的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]基于PDMS(聚二甲基硅氧烷)的微流控芯片已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生物大分子檢測、電化學(xué)傳感、醫(yī)療儀器制造和可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域。PDMS作為一種柔性材料，其無毒、透明、易加工以及生物兼容性好都使其成為制造集成化片上傳感系統(tǒng)的首選材料。但是在微流體通道中集成微電極形成功能化的生物傳感器仍然是科學(xué)界的一個挑戰(zhàn)，因?yàn)樵赑DMS上加工微電極一直是一個困擾整個學(xué)術(shù)界的技術(shù)難題。作為一種生物材料，PDMS與金屬的粘附性差，不利于金屬微電極附著，這嚴(yán)重制約了其在微流控和電化學(xué)傳感領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0003]目前在PDMS上加工微電極的方法主要有化學(xué)還原法、蒸鍍或?yàn)R射法、絲網(wǎng)印刷法以及模型轉(zhuǎn)印法等等。然而，化學(xué)還原法需要為含有金屬陽離子的溶液預(yù)先加工微管路，對化學(xué)溶液的濃度不易控制，而且電極的連續(xù)性和導(dǎo)電性差；而蒸鍍或者濺射法只針對簡單模型，復(fù)雜模型需要掩膜，而且需要大型真空設(shè)備；絲網(wǎng)印刷法加工出來的微電極厚度較大(5-10um)，使得在與其它PDMS層鍵合時(shí)層與層之間密封性較差，常常導(dǎo)致微管路中的液體樣品泄漏；模型轉(zhuǎn)印法是一種常用方法，其解決了微電極在PDMS表面附著的問題，但是需要把電極通過其他方法加工在其它基底上，所以工藝復(fù)雜，尤其是針對電極面積較大時(shí)，其加工時(shí)間長，效率低。噴墨打印技術(shù)作為一種近年來逐漸興起的加工技術(shù)使得在PDMS上加工微電極成為可能。噴墨打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了只在指定區(qū)域加工電極，無需掩膜，且電極厚度小于lOOnm，符合微流控芯片的鍵合要求。其自動化程度高，加工過程高效、省時(shí)，是一種在PDMS上加工微電極的理想方法。
[0004]圖la、圖1b展示了系統(tǒng)噴印時(shí)設(shè)置的液滴間距，而這個間距實(shí)際取決于不同基底上液滴的直徑，為了形成連續(xù)性較好、邊緣較整齊的銀電極層，液滴間距最好設(shè)置成液滴直徑的一半，這樣相鄰液滴能夠重疊形成質(zhì)量較高的電極層。
[0005]如圖2a、圖2b所示，PDMS表面極度疏水，導(dǎo)致液滴直徑較小，無法在基底上分散開來，這樣不利于液滴溶劑的蒸發(fā)，由于噴印系統(tǒng)的工作速率與液滴間距(由圖2a、圖2b可知，較小的液滴直徑需要設(shè)置較小的液滴間距)成正比，所以PDMS表面的疏水特性導(dǎo)致加工過程耗時(shí)較長。
[0006]如圖3所示，圖2a、圖2b所示的問題同樣導(dǎo)致了相鄰濕潤液滴間由于表面張力互相吸引、移位而形成了更大的圓形液滴，使得原噴印區(qū)域出現(xiàn)空白，這樣不利于連續(xù)性較好的電極形成。
[0007]所以需要改善PDMS表面的疏水特性并且克服相鄰液滴間的互相吸引、移位問題。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種加工過程簡單、高效，能夠?qū)崿F(xiàn)在PDMS上表面加工質(zhì)量較高、粘附性較好的銀電極的基于噴墨打印技術(shù)的在PDMS基底上加工微電極的方法
[0009]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種基于噴墨打印技術(shù)的在PDMS基底上加工微電極的方法，包括如下步驟:
[0010]I)首先是PDMS基底的準(zhǔn)備，把PDMS單體與固化劑按照質(zhì)量比10:1混合均勻，除去氣泡，將混有固化劑的PDMS均勻傾倒在拋光的硅片表面，然后在恒溫箱中放置2小時(shí)進(jìn)行固化；
[0011 ] 2)增加PDMS對金屬電極的粘附性，包括:
[0012](I)將固化后的PDMS從硅片表面剝離并切割成設(shè)定的形狀，作為電極加工的基底；
[0013](2)將MPTMS與乙醇以體積比1:200混合制成MPTMS的乙醇溶液；
[0014](3)將PDMS基底浸泡在MPTMS的乙醇溶液中；
[0015](4)將PDMS基底取出清洗吹干后，浸泡于0.1M的鹽酸溶液中0.7?1.2小時(shí)，取出后用去離子水清洗并空氣流烘干；
[0016]3)利用數(shù)字圖像處理的方法將原有電極圖形中的有效像素部分進(jìn)行拆分并重新組合，然后按照新圖形中的有效像素逐一進(jìn)行噴印。
[0017]步驟I)所述的除氣泡是在真空箱中除去氣泡。
[0018]步驟I)所述的恒溫箱為60?80°C的恒溫箱。
[0019]步驟2)中的第(3)步是將PDMS基底浸泡在MPTMS的乙醇溶液中0.6?1.2小時(shí)。
[0020]步驟2)中的第(4)步中是將浸泡在MPTMS乙醇溶液中PDMS基底取出后用乙醇清洗并于空氣流中吹干。
[0021]步驟3)中所述的將原有電極圖形中的有效像素部分進(jìn)行拆分并重新組合，是將原圖形文件橫向和縱向上分別以兩個有效像素為間隔，將在兩個方向上相距兩個像素點(diǎn)的像素點(diǎn)元素取出，重新組合成新的圖形文件，使原圖分割成9部分，這樣新圖形文件中的像素點(diǎn)之間的間隔就變成了 3個液滴間距，然后按照新圖形中的有效像素按順序依次逐一進(jìn)行噴印。
[0022]所述的將原有電極圖形中的有效像素部分進(jìn)行拆分并重新組合，具體包括:
[0023](I)確定圖像在橫向和縱向上的總像素值；
[0024](2)以橫向和縱向上的這兩個總像素值為基礎(chǔ)，循環(huán)獲取從位于圖像第一行第一列的像素點(diǎn)開始在橫向和縱向上所有相隔兩個像素的像素點(diǎn)；
[0025](3)將第(2)步獲取的所有的像素點(diǎn)存入一個背景色為白色的圖形文件；
[0026](4)從第一行第二列的像素點(diǎn)開始，按照橫向和縱向每隔兩個像素讀入一個像素點(diǎn)的原則，循環(huán)獲取像素點(diǎn)，然后存入新的圖像文件，依次類推，進(jìn)行九次循環(huán)，完成原圖像中所有像素點(diǎn)的拆分并重新組合，得到九個新的圖形文件。
[0027]在按照新圖形中的有效像素按順序依次逐一進(jìn)行噴印時(shí)，要等到前一個噴印的眾多液滴干燥以后，再進(jìn)行下一次噴印。
[0028]本發(fā)明的基于噴墨打印技術(shù)的在PDMS基底上加工微電極的方法，采用了獨(dú)特的像素級噴印方法，很好地克服了液滴由于表面張力的作用而導(dǎo)致的電極連續(xù)性差的問題，并首次運(yùn)用MPTMS對PDMS進(jìn)行化學(xué)修飾，不僅很好地改善了 PDMS表面的疏水特性，提高了加工效率，而且很好地解決了銀電極在PDMS表面粘附性差的問題。相比于以往在PDMS表面加工電極的方法，本發(fā)明高效簡捷，自動化程度高，加工出的電極在PDMS表面附著性好，質(zhì)量高，適合應(yīng)用于微流體芯片中進(jìn)行生物大分子檢測和電化學(xué)傳感。具有如下特點(diǎn):
[0029]1.本發(fā)明中的PDMS表面微電極的加工采用噴墨打印技術(shù)，與其他工藝相比，加工過程無需額外工具，流程簡單直接。
[0030]2.本發(fā)明中引進(jìn)了一種像素級的噴印方法，有效地克服了濕潤液滴之間由于表面張力相互吸引而導(dǎo)致的電極連續(xù)性差的問題。
[0031]3.本發(fā)明中首次引進(jìn)了化學(xué)偶聯(lián)劑MPTMS對PDMS表面進(jìn)行修飾，有效地改善了PDMS與金屬電極間的粘附性差的固有缺陷。
[0032]4.本發(fā)明中引進(jìn)的MPTMS化學(xué)修飾方法同時(shí)有效地改善了 PDMS表面的疏水特性，是的液滴在PDMS表面分散面積更大，加快了液滴溶劑的蒸發(fā)速度，提高了電極加工效率。
【附圖說明】
[0033]圖1a是噴印系統(tǒng)所噴出的液滴直徑和液滴間距之間的關(guān)系示意圖；
[0034]圖1b是為形成連續(xù)性較好的電極應(yīng)將液滴間距設(shè)置為液滴直徑一半的示意圖；
[0035]圖2a是液滴在疏水基底上附著的不意圖；
[0036]圖2b是液滴在親水基底上附著的示意圖；
[0037]圖3是濕潤液滴由于表面張力相互吸引而導(dǎo)致噴印的電極中出現(xiàn)空白的示意圖；
[0038]圖4是本發(fā)明在PDMS上加工微電極的工藝流程；
[0039]圖5是利用MPTMS對PDMS進(jìn)行化學(xué)修飾的流程示意圖；
[0040]圖6a是本發(fā)明中像素級的噴印方法中相同顏色的像素點(diǎn)的示意圖；
[0041]圖6b是本發(fā)明中像素級的噴印方法中原圖形文件被分成9部分的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042]下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明的基于噴墨打印技術(shù)的在PDMS基底上加工微電極的方法做出詳細(xì)說明。
[0043]本發(fā)明的基于噴墨打印技術(shù)的在PDMS基底上加工微電極的方法，是采用的是型號為Dimatix 2831，F(xiàn)ujifilm, Japan的能夠噴射銀納米顆粒溶液的噴墨打印機(jī)，由于噴嘴在噴印支撐桿上的左右移動以及底盤的前后移動，由噴嘴噴出的銀納米顆粒液滴便能夠加工二維結(jié)構(gòu)的銀層模型，底盤溫度為60°C，液滴溶劑蒸發(fā)后銀納米顆粒沉積聚集便形成連續(xù)銀層。由于系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)計(jì)的圖像文件進(jìn)行噴印，所以只在需要的地方沉積銀納米顆粒，無需掩膜，加工過程高效簡捷。
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