用于打印生化传感器敏感层的喷墨打印托盘及打印方法

摘要

本发明公开了一种用于打印生化传感器敏感层的喷墨打印托盘及打印方法，所述喷墨打印托盘包括硅片支架、设置在所述硅片支架上的定位滑块、紧定螺钉、一组纸宽传感器识别标记以及一组托盘安装定位标记，所述硅片支架用于承载待打印硅片，所述紧定螺钉用于调节所述定位滑块的位置，所述定位滑块用于固定待打印硅片，所述纸宽传感器识别标记用于供喷墨打印机上的纸宽传感器检测并确定打印的区域，所述托盘安装定位标记用于对位吻合到喷墨打印机上的插槽位置标记，以实现在将所述喷墨打印托盘插入喷墨打印机时的定位。本发明能提高打印的定位精度,且便于打印操作。

说明书

技术领域

本发明涉及硅基生化传感器制作领域，用于打印生化传感器敏感层的 喷墨打印托盘及打印方法。

背景技术

随着物联网发展的进程，包括生化传感器在内的各种传感器微型化、 集成化的趋势越来越明显，对各类微型传感器的性能要求也越来越高。现 阶段，普遍利用硅基材料和微加工技术来制作微型传感器。作为微传感器 的一个大类，微型生化传感器广泛地应用在医疗、环境监测等领域，该类 传感器主要由传感结构和生化敏感层组成。对于这类器件，如何在硅基表 面制备生化敏感层是一个研究难点，还没有很好的通行的方法。目前，在 传感器基底上制备化学敏感层的法主要有化学气相沉积法，溶胶-凝胶法、 分子自组装方法等。这些方法不能淀积特殊复杂形状薄膜或者将多种不同 薄膜集成在同一基底。采用喷墨打印的方式恰好能解决上述问题，也就是 将商用喷墨打印机进行改装使之能够在基底表面打印，并把生化敏感材料 调配成墨水，使之能够喷射在光波导基底上形成薄膜。在公开号为 CN103558196A，发明名称为“基于喷墨打印技术制备有机磷农药检测用可 视化生物传感器的方法”所公开的技术方案中，所述的敏感薄膜用喷墨打 印方法制备，但是没有涉及到喷墨打印机的改造。这种直接利用喷墨打印 机的制备方法，定位精度低。因此，在能够打印光盘的商用打印机的基础 上，设计一个能够装载需要打印的基底的喷墨打印托盘，实现高精度定位 打印功能是硅基生化传感器领域以及其他领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于打印生化 传感器敏感层的喷墨打印托盘及打印方法,提高打印的定位精度,且便于打 印操作。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于打印生化传感器敏感层的喷墨打印托盘，包括硅片支架、设 置在所述硅片支架上的定位滑块、紧定螺钉、一组纸宽传感器识别标记以 及一组托盘安装定位标记，所述硅片支架用于承载待打印硅片，所述紧定 螺钉用于调节所述定位滑块的位置，所述定位滑块用于固定待打印硅片， 所述纸宽传感器识别标记用于供喷墨打印机上的纸宽传感器检测并确定打 印的区域，所述托盘安装定位标记用于对位吻合到喷墨打印机上的插槽位 置标记，以实现在将所述喷墨打印托盘插入喷墨打印机时的定位。

进一步地：

所述硅片支架上设有用于放置待打印硅片的圆形凹槽，所述硅片支架 的上表面设有若干不规则的凹槽。

所述喷墨打印托盘的材料为ABS塑料，厚度为2～3mm，优选2.2mm。

所述圆形凹槽的直径为适于安置4寸硅片的直径，顶部距离竖直方向 的打印起始点10mm，左边距离水平方向的打印起始点13mm。

所述纸宽传感器识别标记有两对，其中沿水平方向设置的一对纸宽传 感器识别标记用于供纸宽传感器检测确定打印的水平方向的范围，沿竖直 方向设置的一对纸宽传感器识别标记用于供纸宽传感器检测确定打印的竖 直方向的范围。

一种生化传感器敏感层打印方法,包括以下步骤：

a.配制含有生物或化学敏感材料的喷射液作为喷墨打印的墨水；

b.使用所述的喷墨打印托盘将硅片载入喷墨打印机进行打印。

还包括：在打印之前，对硅片进行硅片表面亲水化处理。

所述硅片表面亲水化处理采用氧等离子体表面处理方法，射频功率为 100W，氧气流量为200mL/min，改性时间为0～15min，优选10min。

所述化学敏感材料为聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚乙 烯对苯二甲酸酯的至少一种，优选聚乙烯醇、聚苯乙烯和聚乙烯中的至少 一种，所述化学敏感材料的溶剂为水或无水乙醇，所述生物敏感材料为生 物活性分子的水溶液，优选蛋白质水溶液，并用磷酸盐缓冲液稀释，所述 生物或者化学敏感材料的喷射液根据打印墨水的粘度和表面张力配制，墨 水的表面张力为30～50mNm-1，粘度为1～3.0mPa.s。

本发明的有益效果：

本发明的喷墨打印托盘可以显著提高打印的定位精度,设置一组纸宽 传感器识别标记以及一组托盘安装定位标记，能够精准方便地定位出要打 印的范围，提高打印质量，并且十分便于用户进行打印操作，提高打印效 率；采定位滑块和紧定螺钉，实现以可调的方式固定硅片，适配性好，固 定性好，可靠性强。同时，喷墨打印托盘的空间布局紧凑、合理。优选实 施例能获得进一步的优点。例如，不规则的凹槽的设计增大其表面摩擦力， 使得喷墨打印托盘通过喷墨打印机驱动辊的时候不打滑，还能减轻喷墨打 印托盘的重量。在优选实施例中，所采用的氧等离子体对硅片进行表面亲 水化处理，可以达到超亲水效果。通过本发明制备的生物或化学敏感层均 匀，厚度可以通过打印次数来控制。总体来说，使用本发明，打印精度高， 重复性好，实现高精度定位打印，在波导生化传感器领域具有广泛的应用 前景和开发潜力。

附图说明

图1为本发明实施例的喷墨打印托盘的示意图；

图2为本发明实施例的喷墨打印托盘的定位滑块的示意图；

图3a和图3b为本发明实施例的打印误差分析；

图4为本发明实施例制备聚乙烯醇敏感薄膜的效果图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅 是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参见图1至图2，实施例提供用于安放硅片(4寸硅片)以进行喷墨 打印的喷墨打印托盘。使用时，可先进行硅片表面亲水化处理；基于喷墨 打印墨水的粘度和表面张力配制生物或化学敏感材料的喷射液；最后对硅 片进行喷墨打印，得到生物或化学敏感层。

如图1至图2所示，在一种实施例中，喷墨打印托盘包括4寸硅片支 架1、一组纸宽传感器识别标记2a-2d、一组托盘安装定位标记3a-3b、定 位滑块5和紧定螺钉6。其中，4寸硅片支架1包括放置4寸硅片的圆型凹 槽、若干不规则的凹槽、CDR光盘托盘传感器的接触点4及支架前端的斜 面。若干不规则的凹槽可增大其表面摩擦力，使得喷墨打印托盘通过喷墨 打印机驱动辊的时候不打滑，并减轻喷墨打印托盘的重量。支架前端的斜 面能够使得喷墨打印托盘能够在非手动情况下顺利进入喷墨打印机。纸宽 传感器识别标记2a-2d一共有4个，分别设置在4寸硅片支架1上。在进 行打印的时候，喷墨打印机喷头的纸宽传感器首先检测纸宽传感器识别标 记2a和2c确定打印的水平方向的范围，再检测纸宽传感器识别标记2b 和2d确定竖直方向的打印范围，从而确定了打印的区域。4寸硅片支架1 的圆型凹槽制作在该打印区域内，其直径略大于4寸硅片的直径，顶部距 离竖直方向的打印起始点10mm，左边距离水平方向的打印起始点13mm。其 深度要略大于硅片厚度，优选1.2mm。托盘安装定位标记3a-3b总共有2 个。打印的时候，可将喷墨打印托盘沿着压电式喷墨打印机(如EpsonR230 型)的CD/DVD导轨的底部插槽插入，直到打印托盘上的定位标记3a-3b 与CD/DVD导轨上标记的相吻合，这就实现了其定位功能。定位滑块5安装 在4寸硅片支架1上，通过紧定螺钉6夹紧硅片实现硅片的固定。喷墨打 印托盘的材料为ABS塑料，厚度为2～3mm，优选2.2mm。实施例可在具有 光盘打印功能的压电式喷墨打印机上工作。

硅片表面亲水化处理优选采用的是氧等离子体表面处理的方法。优选 地，选择射频功率80W～600w，更优选100w；氧气流量：100～300mL/min， 优选200mL/min；改性时间为0～15min，更优选10min。

化学敏感材料可选自聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚乙 烯对苯二甲酸酯的至少一种，优选聚乙烯醇、聚苯乙烯和聚乙烯中的至少 一种。所述化学敏感材料的溶剂选用水、乙醇。所述生物敏感材料可为生 物活性分子的水溶液，优选蛋白质水溶液，并用磷酸盐缓冲液稀释。所述 生物或者化学敏感材料的喷射液可根据市售喷墨打印墨水的粘度和表面张 力配制，墨水的表面张力为30～50mNm^-1，粘度为1～3.0mPa.s。

在一种实施例中，一种生化传感器敏感层打印方法,包括以下步骤：

a.配制含有生物或化学敏感材料的喷射液作为喷墨打印的墨水；

b.使用前述实施例的一种喷墨打印托盘将硅片载入喷墨打印机进行打 印。

在以下应用实例中，基于喷墨打印技术制备光波导生化传感器的生化 敏感层，包括如下流程：

步骤1：将进行过亲水化处理的4寸硅片放置于打印托盘上的圆形凹 槽中，通过调节所述紧定螺钉来调节所述定位滑块的位置，将4寸硅片定 位在圆形凹槽内；

步骤2：配制喷射液并清洗墨盒，将要打印的材料配制成喷射液注入 墨盒中；

步骤3：按照生化传感器敏感层所在位置和形状在AutoCAD上绘制图 案；

步骤4：将喷墨打印托盘沿着EpsonR230的CD/DVD导轨的底部插槽 插入，直到打印托盘上的定位标记与CD/DVD导轨上标记的相吻合，开始打 印。

实例1制备聚乙烯醇薄膜

参照图1至图2的设计制作喷墨打印托盘的手板并喷漆，按照设计将 定位滑块和紧定螺钉配合在4寸硅片支架。

选用EpsonR230喷墨打印机，将普通四寸硅片安装在喷墨打印托盘 上进行打印误差分析，水平方向和竖直方向的打印误差结果分别如图3a 和图3b所示。图3a示出水平方向的打印误差从-0.021mm到0.014mm；图 3b示出竖直方向的打印误差随着距离打印起始点的增大而增大，在硅片上 80mm的地方达到1.245mm。可见打印的水平方向的误差较小，竖直方向的 误差可以进行误差补偿，能够实现较高精度的定位打印。

将需要打印的硅片放在低压等离子体清洗机中，选择射频功率100w， 氧气流量200mL/min，进行表面处理10分钟。此时的硅片的接触角为5.4 °，接近于实现超亲水的效果。用AutoCAD软件制作在硅片上特定位置打 印的图形，并将该图形插入Word文档中。

将聚乙烯醇在80℃情况下溶解于去离子水，制备质量分数为1.5％的 溶液。在常温下冷却溶液，用无水乙醇调节聚乙烯醇溶液，使得其表面张 力和粘度接近于Epson墨水。然后用100μm的过滤器过滤。取出EpsonR230 喷墨打印机的墨盒用无水乙醇洗干净，将配好的溶液用注射器注入墨盒。

将经过表面处理的硅片固定在喷墨打印托盘上。将喷墨打印托盘沿着 EpsonR230的CD/DVD导轨的底部插槽插入，直到打印托盘上的定位标记 与CD/DVD导轨上标记的相吻合。按照常规的打印word文档的方法开始打 印。打印的效果如图4所示。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说 明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术 领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这 些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当 视为属于本发明的保护范围。