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王亚军, 刘景全, 杨春生, 沈做成, 郭忠元
(上海交大微结构科技进步研究所μm/纳米加工技术性国家重点实验室,塑料薄膜与细微技术性北京市重点实验室, 上海市 200030)
引言: 详细介绍了高聚物Parylene, 包含其制取加工工艺和Parylene塑料薄膜的图形界面。主要讲解了Parylene在微液体系统软件的运用, 包含微阀、微泵和微安全通道; 在可嵌入微系统中的运用, 包含人工耳蜗和视网膜鼻子假体。近期的研究表明, 根据Parylene的MEMS微元器件广泛运用在各种各样MEMS多孔结构、微感应器和微控制器上, Parylene在各种各样彻底集成化微系统运用里将具备更为诱惑的市场前景。
关键字: 聚对二甲苯; 微阀; 微泵; 微安全通道; 人工耳蜗; 视网膜鼻子假体; 微机电系统
中图分类号: TM211; TH703 文献标识码: A 文章编号: 1671- 4776 (2008) 07- 0403- 08
引 言
近些年, 高聚物做为构造原材料或者放弃层原材料, 广泛运用在MEMS微感应器和微电动执行器上。对比于硅、多晶硅等传统式的MEMS原材料, 高聚物不但具备柔韧性的特点, 并且有不错的机械设备特点、成本低、易制做等优势。常见到的高聚物原材料有PDMS、SU28、PMMA、Parylene、Polyimide 等, 在其中, Parylene因其优质的电气性能早已广泛运用在电子光学产业链和诊疗产业链中。Parylene是在常温下堆积而成, 全透明且具备较好的冲击韧性, 原材料无内应力,与电子器件生产制造技术相兼容, 与此同时具备不错的相溶性。伴随着MEMS技术性的进一步发展趋势,Parylene因其独有的优势愈来愈遭受MEMS行业的亲睐, 运用到从多孔结构到集成化微液体系统中。同
时, B ioMEMS的发展趋势规定应用相溶性的原材料,这更推动了Parylene在可嵌入微系统等Bio2MEMS上的运用。
文中就Parylene在MEMS层面的运用对近些年的成效作一简单的汇总, 详细介绍了Parylene 塑料薄膜原材料, 包含制取加工工艺和图形界面方式。主要讲解了Parylene在MEMS的运用, 包括微阀、微泵和微安全通道等微液体系统软件及其人工耳蜗、视网膜鼻子假体等可嵌入微系统。
1 Parylene详细介绍
Parylene是一种对二甲苯的高聚物, 最开始由MichaelMojzesz Swarc在1947年发觉, 1965年Wil2liam F Gorham发展趋势了一种行得通的高聚物堆积系统软件以后, 由英国Union Carbide公司商业化的的一种新的敷形镀层原材料[ 1 ] 。Parylene塑料薄膜是一种无碳键、高结晶体、相对分子质量超出50 万的高聚物。依据分子式的不一样, Parylene可分成N、C、D、HT型等多种不同, 关键差别取决于分子结构上官能团不一样, 化学式的差异也确定了其耐热性能和绝缘性能能等各有不同, 图1为Parylene的三种常见种类的化学式。在其中, C型聚对二甲苯( Parylene C) 塑料薄膜镀层是现阶段采用最普遍的一种。Parylene 塑料薄膜具备防水、绝缘层、抗腐蚀、相溶性、无针眼镀层、优良的性能和耐热性, 广泛运用在航空公司、航空航天、军用、电子光学、半导体材料、诊疗、文化遗产保护等行业, 表1为三种常见Parylene种类的首要特点。
Parylene 的测定选用化学气相沉积加工工艺(CVD) , 其原材料是对二甲苯环二聚体(不一样种类的Parylene相匹配不一样官能团的对二甲苯环二聚体原材料) 。制取的堆积全过程大致可分成三步: 最先在真空泵, 150 ℃下将固体原材料提升成汽态; 二聚体汽体进到裂化腔, 在650 ℃下, 二聚体的分子键被断掉, 裂化成具备反映活力的单个; 最终在室内温度的真空泵堆积室里, Parylene汽态单个在元器件的外表上堆积并汇聚。图2 是气相色谱堆积制取Parylene N的流程表, 其他类型的Parylene制取全过程相近。
表1 Parylene N, Parylene C和Parylene D的特点
Table 1 The properties of Parylene N, Parylene C and Parylene D
图2 气相色谱堆积制取Parylene流程表
Fig. 2 Schematic of vapor deposition of Parylene
在堆积全过程中, 汽态单个进到堆积腔室, 最先蔓延至堆积表层周边, 吸咐到每个表层后, 逐渐汇聚和结晶体, 立即产生固态, 防止了高效液相的发生, 清除了镀层薄厚不匀称和这其中的缺点。根据堆积可以渗入和涂敷比较复杂的几何图的物件, 包含锐利的棱边、缝隙里和内表层, 完成匀称的镀层。Parylene塑料薄膜能在常温下涂敷, 具备较低的内应力, 全部操作流程简易, 堆积薄厚由其运用所决策, 范畴从几十个纳米技术到数十μm。
Parylene在MEMS行业的运用, 大多数做为构造原材料来应用。针对Parylene的图形界面, 为了更好地与标的表层微生产加工和体微生产加工技术性兼容, 一般都选用干法刻蚀。像大部分高聚物一样, Parylene选用氧等离子离子注入。等离子离子注入Parylene[ 2 ] 、反映电子束离子注入( R IBE ) Parylene[ 3 ] 、反映正离子离子注入(R IE) Parylene[ 4 ] 、深层反映正离子离子注入(DR IE)Parylene[ 5 ]都曾有报导。J. T. C. Yeh等人[ 4 ]报导了在Parylene和规范光刻技术中间反映正离子离子注入的挑选比贴近于1。B. Ratier等人[ 3 ]选用反映电子束离子注入Parylene, 可以获得不错的表层外貌, 可是其离子注入速度极低(约1. 5 ～5. 5 nm /min ) 。S. Sel2varasah 等人[ 6 ] 选用超低温( 5 ℃ ) DR IE 离子注入Parylene C, 较大离子注入速度做到1. 7 μm /min, 深宽比做到8∶1。J. D. Zahn等人[ 7 ]报导了用氧做为离子注入汽体、C4 F8 做为钝化汽体离子注入PMMA可做到深宽比为20∶1。根据这种結果, 可以运用同样的方式即选用o2和钝化汽体等离子离子注入Parylene,进而得到具备非常好外貌的Parylene玄妙宽比构造。
2 Parylene在MEMS的运用
Parylene在MEMS行业的应用领域在90 时代末期获得了迅速的发展趋势, Parylene因为其独特的优势,在微元器件的制做中做为构造原材料应用, 如根据Parylene的加速度传感器[ 8 – 9 ]和眼球液位传感器[ 10 ]等,也是有报导将Parylene 解决后做为舍弃层应用[ 11 ] 。下边, 关键对Parylene做为构造原材料在微液体系统和可嵌入系统软件两层面的运用作一详细介绍。
2. 1 微液体系统软件
微液体系统软件是MEMS的一个关键一部分, 近些年伴随着生物科学的发展趋势, 进一步增进了微液体系统软件的迅速发展趋势, 根据微生产加工制作工艺的微液体元器件,广泛运用于生物科学行业, 如少量配发、少量注入、微数据分析系统、集成ic试验室等。Parylene因为其较低的杨氏模量和液/气覆盖率、无内应力匀称附着性和有机化学可塑性, 广泛运用在微液体元器件中, 如Parylene 微阀[ 12 – 13 ] 、质谱分析的Parylene 微喷头[ 14 ] 、响应式步骤操纵的Parylene 扑翼[ 15 ] 、Parylene电泳原理微安全通道[ 16 ] 、Parylene气相色谱柱[ 17 ] 、Parylene微泵[ 18 ]等。下边关键对根据Parylene的微阀、微泵、微安全通道元器件在近些年的发展趋势作一详细介绍。
2. 1. 1 微阀
闸阀是完成流体控制的基本上元器件, 传统式的小型阀可以分成处于被动阀和积极阀二种。X. Yang等人[ 19 ]做成了选用热推动的微阀, 基本上构造如下图3。它由4个一部分构成: 高压闸阀、有机硅树脂塑胶/Parylene塑料薄膜、加温集成ic和后侧板。高压闸阀的制定可以避免颗粒造成的泄露, 工作中液态为Fluori2nertTM PF25060。微阀在进口的工作压力为165 kPa时, 61mW的输出功率可以造成N2 1. 1 L /min的流动速度。在进口的工作压力为483 kPa时, 微阀没有的毁坏。在输入功率为100 mW时, 膜造成了超过120μm的偏移。由有机硅树脂塑胶和Parylene塑料薄膜构成的一氧化氮合酶膜, 合理地避免了蒸汽的泄露, 与此同时确保了塑料薄膜具备比较大的四冲程。
图3 热推动微阀的截面图
Fig. 3 Cross2section of the thermopneumatic microvalve
由加州理工Y. C. Tai等人[ 20 – 21 ]研制开发了二种根据Parylene 塑料薄膜的性能卓越逆止阀。第一种为Parylene歪曲膜小型逆止阀(图4 ) 。微阀具备歪曲型的Parylene膜, 当有液体顺水时, Parylene塑料薄膜伸出, 容许液体根据; 当有液体倒流时,Parylene塑料薄膜封死了安全通道阻拦其流动性。该构造的微阀顺水打破工作压力低于0. 5 kPa, 倒流的劝阻工作压力达600 kPa以上, 与此同时具备较低的反方向泄露, 特性很好。因为Parylene较小的杨氏模量, 造成了很大的形变, 基本上可以忽视由塑料薄膜造成的液体特性阻抗。
图4 新式Parylene歪曲膜小型止回阀原理图
Fig. 4 Schematics of a twist2up Parylene membrane micro check valve
第二种为单路常开常闭微逆止阀(图5 ) , 全部微阀和微安全通道全是由Parylene C做成的, 其构造为在环形高压闸阀上的一个圆形的密封性板。密封性板是确定在子腔塑料薄膜的顶端核心, 因为大气压强使子腔缩小到底端, 进而得到微阀的合闭方式。这类新式的子腔构造是根据放弃层构造的释放出来与在真空泵标准下Parylene塑料薄膜的液相堆积来完成的。根据减少密封性板和高压闸阀的相交总面积和磁控溅射金属材料金来减少滚动摩擦力, 进而减少顺水打破工作压力。据报道, 此类构造的微阀的顺水打破工作压力为20～40 kPa, 在倒流工作压力为270 kPa也不会发生由此可见的泄漏状况。
图5 单路常开常闭微逆止阀平面图
Fig. 5 Schematic of normally closed in2channel,Parylene check valve
K. S. Ryu等人[ 22 ]发展趋势了一种可用水蒸汽推动和静电感应推动的微阀, 微阀塑料薄膜选用Parylene做成, 相对性于仅有静电感应推动的微阀, 推动工作电压从幅度值180 V降至45 V, 根据提升工作电压和减少电级中的间隔可以合理地减少反方向泄露。图6为制做的微阀框架图。
图6 水蒸汽和静电感应推动微阀框架图
Fig. 6 Schematic of the microvalve with thermopneumaticand electrostatic actuation
2. 1. 2 微泵
微型泵是微流动性系统软件的一个关键实行元器件。依据其有没法动阀片, 微型泵可分成有阀微型泵和无阀微型泵。
G. H. Feng等人[ 23 ]制做了一种节流阀型压电式推动微泵, 根据石蜡成形技术性将膈膜设计方案为弧形, 与此同时微阀和膈膜由高聚物Parylene做成, 确保了膈膜比较大的变形以造成很大的水下混凝土高效率, 其构造如下图7。微泵选用压电式ZnO塑料薄膜来推动Parylene弧形膈膜, 为此推动2个Parylene微逆止阀来完成水下混凝土液体。试验表明, 该泵具备输出功率低(如针对5. 5 mm
直徑的膈膜, 输出功率在30 kHz, 水下混凝土水速率为1μL /min, 输出功率仅为1 mW) 和大批量生产加工的优势, 针对固支梁归园田居其一阀的微泵, 在400 Pa时, 有较小的泄露造成, 而针对桥归园田居其一阀的微泵, 在反方向工作压力为800 Pa时, 几乎沒有泄露造成。
图7 节流阀型压电式推动微泵剖视图
Fig. 7 Cross2sectional view of a p iezoelectric micropumpwith one2way Parylene valves
C. L. Chen等人[ 24 ]在Parylene衬底上制做的液压推杆驱动力( EHD) 微泵, 电级选用锯齿状, 间隔为20μm, 电级总宽为10 μm, 微安全通道选用SU28 制做, 构造如8。试验表明, 以丙酮为工作中液态, 当增加工作电压为20 V时, 液态流动速度为190 mm /min, 在增加工作电压为30 V时, 水下混凝土工作压力为490 Pa,与此同时具备较低的输出功率。
图8 液压推杆驱动力微泵框架图
Fig. 8 3D schematic of the flexible electrohydrodynamic micropump
2. 1. 3微安全通道
H. S. Noh等人[ 25 ]选用Parylene的热键合加工工艺来制做Parylene微安全通道, 最先选用深反映正离子离子注入制做硅微安全通道, 随后堆积Parylene C在硅微安全通道上, 与此同时Parylene堆积在纯钢片上, 在其上制做金电级, 最终在200 ℃真空干燥器内将Parylene引线键合, 剥开纯钢片及其选用lift2off加工工艺释放出来Parylene 微安全通道。用这类方式, 根据操纵Parylene堆积的薄厚,可以在同样的硅模微安全通道上制做不一样深宽比的Parylene微安全通道, 与此同时也能制做双层构造微安全通道(图9 ) 。图10 是运用此技术制做的各种各样微安全通道(全部微安全通道的公称直径为8 0 μm 宽、5 0 μm 深、壁厚为1 0 μm) 。根据此方式, 可以迅速成本低地制做Parylene微安全通道, 并根据释放出来加工工艺可以得到有效的Parylene微安全通道, 与此同时可以多次重复使用硅模,普遍用以气相色谱分析等微液体结构化分析中。
2. 2 可嵌入微系统
Parylene做为可嵌入原材料, 主要是因为原材料自身优良的相溶性。生物内繁杂的血液自然环境,会浸蚀大部分的MEMS和电子光学原材料, 殊不知却不容易危害Parylene, 这也是因为Parylene不容易在血液自然环境下被水溶解。Parylene做为嵌入微电极列阵和微元器件的包装制品, 试验报导具备不错的潜在性负载和生物体可靠性, 可以长期性嵌入生物中, 除此之外, 因为其优良的防透水性, 可以有效地维护微元器件不被浸蚀[ 26 – 29 ] 。与此同时, Parylene对体细胞有较小的毒副作用,这使它有可能变成细胞生长的服务平台[ 30 – 31 ] 。Parylene因其出色的相溶性(英国FDA V I级验证) 和生物体可靠性, 做为身体内长期性嵌入应用的生物体医用材料, 早已被用以心血管支架、脑电级、植入式感应器和高频率手术刀片等小型电子器件医疗设备和可嵌入微系统中。
2. 2. 1 人工耳蜗
人工耳蜗是由嵌入身体的电级、信号接收器及其带上在身体外的语言CPU、话筒及无线电发射器等构成。外部响声由话筒接受转化成电子信号后传输至语言CPU将数据信号变大、过虑, 并由无线电发射器传输到信号接收器, 再造成脉冲电流传输到相对应嵌入微电极, 进而造成听交感神经激动并将响声信息内容传承人脑, 使失聪病人再次得到听觉系统。人工耳蜗是最开始运用取得成功的可嵌入元器件。据调查, 全世界如今约有3万多元失聪病人应用了人工耳蜗, 与此同时, 人工耳蜗技术性也在不断发展趋势和健全。
J. B. Wang等人[ 32 ]制做了选用Parylene C封装形式的用以人工耳蜗嵌入的电级列阵, 因为Parylene C较低的杨氏模量, 促使电级探头具备不错的强度和延展性, 与此同时可根据调节硅衬底的薄厚来调整电级的柔韧度, 图11 为制取的Parylene包囊的硅微电极列阵(探头臂为8 mm且分成8个一部分, 每一个部位有1个电级点) 。Parylene所具备的透光性, 促使在嵌入实验里能非常好地检测探头嵌入深层, 与此同时,电级被Parylene 包囊, 即使电级粉碎, 表层Parylene也将残片连在一起, 进而降低手术治疗损害和嵌入损害。全部设备集成化了相位传感器和Parylene包囊的同轴电缆, 试验表明, 该设备可以提升人工耳蜗声音识别工作能力和部位的精确性。J. Wu等人[ 33 ]在制做多路听觉系统鼻子假体时, 变厚度的神经系统刺激性电级列阵也选用Parylene做为刺激性电级的包囊原材料, 进而提升嵌入元器件的相溶性。
图11 以Parylene包囊的硅电级列阵
Fig. 11 The front and back sides of a Parylene2coveredsilicon electrode array
2. 2. 2 视网膜鼻子假体
全世界视觉效果残疾者有1. 4亿人, 在其中4 500万为视障, 全球均值每5 s发生一个视障, 双目失明早已是危害人们生活品质最明显的一种残废。原发视网膜黑色素转性( retinitis p igmentosa, RP) 及老年黄斑病变( age2related macular degeneration,ARMD) 因为视网膜表层渐行性转性, 造成光感受器衰退, 是造成双目失明的首要缘故。试验表明, 即使原发视网膜黑色素转性和老年黄斑病变造成的光感受器彻底转性, 绝大多数的视网膜神经元细胞是维持完好无损的, 根据电刺激性神经元细胞的方式可以得到视觉效果[ 34 – 35 ] 。这给予了一种方式即绕开损伤的光感受器立即刺激性视网膜进而提升感觉信息内容。现阶段, 用刺激性视网膜方式得到视觉效果的科学研究可分成两大类: 视网膜下嵌入( subretinal imp lants) 技术性和视网膜表层嵌入( ep iretinal imp lants) 技术性。
视网膜上型是由图象处理集成ic将监控摄像头得到的图象转换为有关信息, 根据编号信号发射器发送到眼球编号信号接收器并将图象数据信息转换为细微电流量, 根据视网膜表层集成ic电级刺激性神经纤维体细胞。而视网膜下型是根据集成ic立即从外部自然环境中接受光信号, 并将光信号变换为电子信号, 立即刺激性残留的视体细胞, 造成不一样水平的视觉冲击。D. C. Rodger等人[ 36 ]选用高聚物Parylene制做了用以视网膜上型嵌入的软性微电极列阵。选用单
层制作工艺了相对密度为256的视网膜钛/铂电级列阵,电级直徑为125 μm, 线距为12 μm (图12 ) 。为了更好地扩大电级相对密度, 发展趋势了一种新的两层加工工艺, 电级数量为1 024, 间隔为60 μm (图13 ) 。根据Parylene2Parylene的退火工艺, 避免了双层Parylene塑料薄膜中间的分层次, 在加快实验中证实了电级使用寿命将超出一年。用同样制作工艺的检测电级生物体实验表明, 根据Parylene的微电极列阵对机构或者生物都是有不大的不安全行为, 在细胞模型的脊椎刺激性实验中证实了刺激性电级的实效性。
除此之外,W. L i等人[ 37 ]还进步了一种用以视网膜上型嵌入的动能和传输数据的彻底植入式电磁线圈, 选用Parylene做为包囊原材料。图14 是制做的用以嵌入眼球的微电磁线圈, 电磁线圈有10 匝, 最表层电磁线圈直徑为9. 5 mm, 全部电磁线圈薄厚低于11 μm。对比于传统式的眼球植入式电磁线圈, 选用Parylene包囊的这类方式制做的电磁线圈是十分软性的和折叠式性的, 图15证实了此定子的柔韧度。试验证实了电磁线圈动能传送的实效性, 根据热处理工艺的办法来提升电磁线圈的使用寿命, 加快实验表明在人体内自然环境下电感的使用寿命能长达20年。
S. R. Montezuma等人[ 38 ]报导了以不一样原材料做为视网膜下型植体的包囊原材料的相溶性科学研究。研究发现, 针对不一样的嵌入原材料, 都是会对视网膜造成一定的转性功效, 而针对常见的Parylene和Polyimide, Parylene相对性于Polyimide有更快的相溶性, 它做为包囊原材料相对性于Polyimide能造成更小病理学毁坏及其更小的植体周边的体细胞反映。
3 结 语
Parylene因为其优良的特性, 慢慢变成MEMS行业亲睐的高聚物原材料。Parylene通过CVD在常温下制取, 原材料具备无内应力、无针眼遮盖和保持良好的相溶性等出色的特点。文中关键详细介绍了Parylene在微液体系统软件, 包含微阀、微泵和微安全通道, 可嵌入系统软件包含人工耳蜗和视网膜鼻子假体的运用。近期的研究表明了Parylene MEMS广泛运用在各种各样MEMS多孔结构、微感应器和微控制器上, 坚信未来Parylene将越来越多地使用到彻底集成化微系统中。
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