近年來，新型的聚合物被廣泛應(yīng)用于MEMS微傳感器和微執(zhí)行器上。相比于硅、多晶硅等傳統(tǒng)的MEMS材料,聚合物不僅具有柔韌的特性,而且有較好的機械特性、低成本、易制作等優(yōu)點。常用到的聚合物材料有PDMS、SU28、PMMA、Parylene等其中,派瑞林（Parylene）以其優(yōu)良的電性能已經(jīng)廣泛應(yīng)用在微電子產(chǎn)業(yè)和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)中。

派瑞林（Parylene）是在室溫下沉積而成,透明且具有良好的機械強度,材料無應(yīng)力,與集成電路制造工藝相兼容,同時具有很好的生物相容性。隨著MEMS技術(shù)的進一步發(fā)展,Parylene以其特有的優(yōu)點越來越受到MEMS領(lǐng)域的青睞,應(yīng)用到從微結(jié)構(gòu)到集成微流體系統(tǒng)中。

本次就派瑞林（Parylene）在MEMS方面的應(yīng)用對近幾年的成果作一簡要的總結(jié),介紹了派瑞林（Parylene）薄膜材料,包括制備工藝和圖形化方法。著重介紹了派瑞林（Parylene）在MEMS的應(yīng)用,主要包括微閥、微泵和微通道等微流體系統(tǒng)以及人工耳蝸、視網(wǎng)膜假體等可植入微系統(tǒng)。

派瑞林（Parylene）介紹

派瑞林（Parylene）是一種對二甲苯的聚合物,最早由MichaelMojzeszSwarc在1947年發(fā)現(xiàn),1965年Wil2liamFGorham發(fā)展了一種可行的聚合物沉積系統(tǒng)之后,由美國UnionCarbide公司商業(yè)化的一種新的敷形涂層材料。派瑞林（Parylene）薄膜是一種無支鏈、高結(jié)晶、分子量超過50萬的聚合物。根據(jù)分子結(jié)構(gòu)的不同, 派瑞林（Parylene）可分為N、C、D、AF4型等多種類型,主要區(qū)別在于分子上取代基不同,分子式的不同也決定了其熱穩(wěn)定性能和絕緣性能等有所不同。其中,ParyleneC薄膜涂層是目前使用最廣泛的一種。Parylene薄膜具有防潮、絕緣、耐腐蝕、生物相容性、無針孔涂層、良好的機械性能和熱穩(wěn)定性,廣泛應(yīng)用在航空、航天、軍工、微電子、半導(dǎo)體、醫(yī)療、文物保護等領(lǐng)域。

派瑞林（Parylene）的主要特征

派瑞林（Parylene）的制備采用化學氣相沉積工藝(CVD),其原料是對二甲苯環(huán)二聚體(不同類型的Parylene對應(yīng)不同取代基的聚對二甲苯環(huán)二聚體原料)。制備的沉積過程大體可分為三步:首先在真空,150℃下將固態(tài)原料升華成氣態(tài);二聚體氣體進入裂解腔,在650℃下,二聚體的分子被斷開,裂解成具有反應(yīng)活性的單體;最后在室溫的真空沉積室里,派瑞林（Parylene）氣態(tài)單體在器件的表面上沉積并聚合。其他粉材如D、N、F、AF4型粉材類型的派瑞林（Parylene）制備過程類似。

在沉積過程中,氣態(tài)單體進入沉積腔室,首先擴散至沉積表面附近,吸附到各個表面后,開始聚合和結(jié)晶,直接形成固體,避免了液相的出現(xiàn),消除了涂層厚度不均勻和其中的缺陷。通過沉積能夠滲透和涂覆非常復(fù)雜的幾何圖形的物體,包括尖銳的棱邊、裂縫里和內(nèi)表面,實現(xiàn)均勻的涂層。Parylene薄膜能在室溫下涂覆,具有較低的熱應(yīng)力,整個操作過程簡單,沉積厚度由其應(yīng)用所決定,范圍從幾十個納米到數(shù)十微米。

派瑞林（Parylene）在MEMS的應(yīng)用

派瑞林（Parylene）在MEMS領(lǐng)域的應(yīng)用在90年代后期得到了快速的發(fā)展,派瑞林（Parylene）由于其特有的優(yōu)點,在微器件的制作中作為結(jié)構(gòu)材料使用,如基于派瑞林（Parylene）的加速度計和眼內(nèi)壓力傳感器等,也有報道將派瑞林（Parylene）處理后作為犧牲層使用。下面,主要對派瑞林（Parylene）作為結(jié)構(gòu)材料在微流體系統(tǒng)和可植入系統(tǒng)兩方面的應(yīng)用作一介紹。

1　微流體系統(tǒng)

微流體系統(tǒng)是MEMS的一個重要部分,近年來隨著生命科學的發(fā)展,進一步促進了微流體系統(tǒng)的快速發(fā)展,通過微加工工藝制作的微流體器件,廣泛應(yīng)用于生命科學領(lǐng)域,如微量配給、微量注射、微分析系統(tǒng)、芯片實驗室等。派瑞林由于其較低的楊氏模量和液/氣滲透率、無應(yīng)力均勻覆蓋性和化學惰性,廣泛應(yīng)用在微流體器件中,如派瑞林微閥、質(zhì)譜分析的派瑞林微噴嘴、自適應(yīng)流程控制的派瑞林撲翼、派瑞林電泳微通道、派瑞林氣相色譜柱、派瑞林微泵等。下面主要對基于派瑞林的微閥、微泵、微通道器件在近年來的發(fā)展作一介紹。

1.1　微閥

閥門是實現(xiàn)流體控制的基本元件,傳統(tǒng)的微型閥可以分為被動閥和主動閥兩種。X.Yang等人制成了采用熱驅(qū)動的微閥。它由4個部分組成:閥座、硅樹脂橡膠/派瑞林薄膜、加熱芯片和后背板。閥座的設(shè)計能夠防止微粒引起的泄漏,工作液體為Fluori2nertTMPF25060。微閥在進口壓力為165kPa時,61mW的功率能夠產(chǎn)生N21.1L/min的流速。在進口壓力為483kPa時,微閥沒有任何的損壞。在輸入功率為100mW時,膜產(chǎn)生了大于120μm的偏轉(zhuǎn)。由硅樹脂橡膠和派瑞林薄膜組成的復(fù)合物膜,有效地防止了蒸氣的泄漏,同時保證了薄膜具有較大的沖程。

由加州理工Y.C.Tai等人研制了兩種基于派瑞林薄膜的高性能止回閥。第一種為派瑞林扭曲膜微型止回閥。微閥具有扭曲型的派瑞林膜,當有流體順流時,派瑞林薄膜抬起,允許流體通過;當有流體逆時,派瑞林薄膜封住了通道阻止其流動。該結(jié)構(gòu)的微閥順流沖破壓力小于0.5kPa,逆流的制止壓力達600kPa以上,同時具有較低的反向泄漏,性能非常好。由于派瑞林較小的楊氏模量,產(chǎn)生了較大的變形,基本可以忽略由薄膜引起的流體阻抗。

第二種為單通道常閉微止回閥,整個微閥和微通道都是由派瑞林C制成的,其結(jié)構(gòu)為在圓形閥座上的一個圓形的密封板。密封板是固定在子腔薄膜的頂部中心,由于大氣壓強使子腔壓縮到底部,從而獲得微閥的閉合模式。這種新型的子腔結(jié)構(gòu)是通過犧牲層結(jié)構(gòu)的釋放和在真空條件下派瑞林薄膜的氣相沉積來實現(xiàn)的。通過減小密封板和閥座的重疊面積和濺射金屬金來減小靜摩擦力,從而減小順流沖破壓力。據(jù)報道,此種結(jié)構(gòu)的微閥的順流沖破壓力為20～40kPa,在逆流壓力為270kPa也不會出現(xiàn)可見的泄露現(xiàn)象。

K.S.Ryu等人發(fā)展了一種能用熱氣驅(qū)動和靜電驅(qū)動的微閥,微閥薄膜采用派瑞林制成,相對于只有靜電驅(qū)動的微閥,驅(qū)動電壓從幅值180V降為45V,通過增加電壓和減小電極之間的間距可以有效地減小反向泄漏。

1.2　微泵

微型泵是微流動系統(tǒng)的一個重要執(zhí)行器件。根據(jù)其有無可動閥片,微型泵可分為有閥微型泵和無閥微型泵。

G.H.Feng等人制作了一種單向閥型壓電驅(qū)動微泵,通過石蠟成型技術(shù)將隔膜設(shè)計為拱形,同時微閥和隔膜由聚合物派瑞林制成,保證了隔膜較大的形變以產(chǎn)生較大的泵送效率。微泵采用壓電ZnO薄膜來驅(qū)動Parylene拱形隔膜,以此驅(qū)動兩個派瑞林微止回閥來實現(xiàn)泵送流體。實驗表明,該泵具有功率低(如對于5.5mm）直徑的隔膜,工作頻率在30kHz,泵送水速度為1μL/min,功率僅為1mW)和批量加工的優(yōu)點,對于懸臂梁式微閥的微泵,在400Pa時,有較小的泄漏產(chǎn)生,而對于橋式微閥的微泵,在反向壓力為800Pa時,幾乎沒有泄漏產(chǎn)生。

C.L.Chen等人在Parylene襯底上制作的電液動力(EHD)微泵,電極采用鋸齒形,間距為20μm,電極寬度為10μm,微通道采用SU28制作。實驗表明,以異丙醇為工作液體,當施加電壓為20V時,液體流速為190mm/min,在施加電壓為30V時,泵送壓力為490Pa,同時具有較低的功率。

1.3微通道

H.S.Noh等人采用Parylene的熱鍵合工藝來制作Parylene微通道,首先采用深反應(yīng)離子刻蝕制作硅微通道,然后沉積派瑞林C在硅微通道上,同時Parylene沉積在純鐵片上,在其上制作金電極,最后在200℃真空箱內(nèi)將Parylene鍵合,剝?nèi)ゼ冭F片以及采用lift2off工藝釋放Parylene微通道。用這種方法,通過控制Parylene沉積的厚度,可以在相同的硅模微通道上制作不同深寬比的Parylene微通道,同時也可以制作多層結(jié)構(gòu)微通道。應(yīng)用此方法制作的各種微通道(所有微通道的內(nèi)徑為80μm寬、50μm深、壁厚為10μm)。通過此方法,可以快速低成本地制作Parylene微通道,并通過釋放工藝可以獲得很好的Parylene微通道,同時可以重復(fù)使用硅模,廣泛用于氣相色譜分析等微流體系統(tǒng)分析中。

以上是百騰小編分享的派瑞林鍍膜技術(shù)在微電子產(chǎn)業(yè)中的鍍膜防護應(yīng)用，派瑞林由于其優(yōu)異的性能,逐漸成為MEMS領(lǐng)域青睞的聚合物材料。派瑞林通過CVD真空鍍膜制備,材料具有無應(yīng)力、無針孔覆蓋和良好的生物相容性等優(yōu)異的特性。下期小編將會分享瑞林鍍膜技術(shù)在醫(yī)療產(chǎn)業(yè)中的鍍膜防護應(yīng)用。

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