隨著科技的快速發(fā)展，微傳感器的應(yīng)用越來越普遍，然而，微傳感器產(chǎn)品上的元器件需要在惡劣環(huán)境和酷熱或者低溫環(huán)境中工作，因此，需要特殊的防護(hù)工藝來幫助其產(chǎn)品提升防護(hù)作用。

Parylene薄膜具有柔韌的特性, 而且有較好的機(jī)械特性、低成本、易制作等優(yōu)點(diǎn)。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。Parylene是在真空氣相沉積工藝下沉積而成, 透明且具有良好的機(jī)械強(qiáng)度, 材料無應(yīng)力,與集成電路制造工藝相兼容, 同時(shí)具有很好的生物相容性。隨著MEMS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,Parylene鍍膜工藝以其特有的優(yōu)點(diǎn)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。同時(shí), 微傳感器(MEMS)的發(fā)展要求使用生物相容性的材料,這更促進(jìn)了Parylene在可植入微系統(tǒng)等微傳感器(MEMS)上的應(yīng)用。

以下，百騰小編就來簡(jiǎn)單介紹Parylene在微傳感器(MEMS)方面的應(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)應(yīng)用。

什么是Parylene？ 

聚對(duì)二甲苯 (Poly-para-xylylene 簡(jiǎn)稱 parylene是一種高分子聚合物，又稱為"派瑞林"。根據(jù)分子結(jié)構(gòu)的不同，派瑞林原料C型、N型、D型、F型、AF4型，（Parylene Powder、聚對(duì)二甲苯）。

Parylene 通過真空氣相沉積工藝，其Parylene原材料可以經(jīng)由活潑的單體氣體，聚合與物體表面上，不同于一般由液體涂層的方法制備。Parylene是以活性分子在真空的條件下與物件表面聚合一層完全披覆的薄膜，可涂裝到任何形狀的表面，且不產(chǎn)生死角，包括尖銳的棱角、隙縫內(nèi)部與極細(xì)微的針孔中，膜厚可一致性的被覆在產(chǎn)品的任何部位，薄膜厚度由0.001mm-0.05mm。

 百騰科技派瑞林真空鍍膜工藝原理圖示

由于Parylene 具有許多良好的功能特色，例如鍍膜環(huán)境在抽真空狀態(tài)鍍膜(鍍膜后產(chǎn)品無殘留殘?jiān)?/span>)、其鍍膜工藝可精密的控制薄膜厚度與均勻性、抗酸堿、介電特性良好、無色高透明度等，因此被廣泛應(yīng)用與印刷電路板之電性隔絕、感測(cè)器或醫(yī)療儀器的防潮保護(hù)、以及金屬鍍膜的防蝕等。抽真空狀態(tài)鍍膜的特性使parylene 成為可配搭光阻犧牲層的結(jié)構(gòu)鍍膜材料。

在沉積過程中, 氣態(tài)單體進(jìn)入沉積腔室, 首先擴(kuò)散至沉積表面附近, 吸附到各個(gè)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。通過真空氣相沉積鍍膜工藝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(shí)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(gè)操作過程簡(jiǎn)單, 沉積厚度由其應(yīng)用所決定, 范圍從幾十個(gè)納米到數(shù)十微米。

Parylene在微傳感器(MEMS)領(lǐng)域的應(yīng)用, 大多作為結(jié)構(gòu)材料來使用。對(duì)于Parylene的涂形化, 為了與標(biāo)準(zhǔn)的表面微加工和體微加工技術(shù)兼容, 一般都采用干法刻蝕。像大多數(shù)聚合物一樣, Parylene采用氧等離子體刻蝕。利用氧氣和鈍化氣體等離子體刻蝕Parylene,從而獲得具有很好形貌的Parylene高深寬比結(jié)構(gòu)。

Parylene在微傳感器(MEMS)的應(yīng)用

以下主要對(duì)基于Parylene的微閥、微泵、微通道器件在近年來的發(fā)展作一介紹。

1.Parylene在微閥領(lǐng)域應(yīng)用

閥門是實(shí)現(xiàn)流體控制的基本元件, 傳統(tǒng)的微型閥可以分為被動(dòng)閥和主動(dòng)閥兩種。閥座、硅樹脂橡膠Parylene薄膜、加熱芯片和后背板。閥座的設(shè)計(jì)能夠防止微粒引起的泄漏, 選擇合適的工作液體。微閥在進(jìn)口壓力為165 kPa時(shí), 61mW的功率能夠產(chǎn)生N2 1. 1 L /min的流速。

在進(jìn)口壓力為483 kPa時(shí), 微閥沒有任何的損壞。在輸入功率為100 mW時(shí), 膜產(chǎn)生了大于120μm的偏轉(zhuǎn)。由硅樹脂橡膠和Parylene薄膜組成的復(fù)合物膜, 有效地防止了蒸氣的泄漏, 同時(shí)保證了薄膜具有較大的沖程。

Parylene薄膜的高性能止回閥。微閥具有扭曲型的Parylene膜, 當(dāng)有流體順流時(shí), Parylene薄膜抬起, 允許流體通過; 當(dāng)有流體逆時(shí),Parylene薄膜封住了通道阻止其流動(dòng)。該結(jié)構(gòu)的微閥順流沖破壓力小于0. 5 kPa, 逆流的制止壓力達(dá)600 kPa以上, 同時(shí)具有較低的反向泄漏, 性能非常好。由于Parylene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(gè)微閥和微通道都是由Parylene C制成的, 其結(jié)構(gòu)為在圓形閥座上的一個(gè)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(qiáng)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Parylene薄膜的氣相沉積來實(shí)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。此種結(jié)構(gòu)的微閥的順流沖破壓力為20～40 kPa, 在逆流壓力為270 kPa也不會(huì)出現(xiàn)可見的泄露現(xiàn)象。

另一種能用熱氣驅(qū)動(dòng)和靜電驅(qū)動(dòng)的微閥, 微閥薄膜采用Parylene制成, 相對(duì)于只有靜電驅(qū)動(dòng)的微閥, 驅(qū)動(dòng)電壓從幅值180 V降為45 V, 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。

2.Parylene在微泵領(lǐng)域應(yīng)用

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

另一種單向閥型壓電驅(qū)動(dòng)微泵, 通過石蠟成型技術(shù)將隔膜設(shè)計(jì)為拱形, 同時(shí)微閥和隔膜由聚合物Parylene制成, 保證了隔膜較大的形變以產(chǎn)生較大的泵送效率。微泵采用壓電薄膜來驅(qū)動(dòng)Parylene拱形隔膜, 以此驅(qū)動(dòng)兩個(gè)Parylene微止回閥來實(shí)現(xiàn)泵送流體。實(shí)驗(yàn)表明, 該泵具有功率低(如對(duì)于5. 5 mm直徑的隔膜, 工作頻率在30 kHz, 泵送水速度為1μL /min, 功率僅為1 mW) 和批量加工的優(yōu)點(diǎn), 對(duì)于懸臂梁式微閥的微泵, 在400 Pa時(shí), 有較小的泄漏產(chǎn)生, 而對(duì)于橋式微閥的微泵, 在反向壓力為800 Pa時(shí), 幾乎沒有泄漏產(chǎn)生。

3.Parylene在微通道中的應(yīng)用

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Parylene C在硅微通道上, 同時(shí)Parylene沉積在純鐵片上, 在其上制作金電極, 在200 ℃真空箱內(nèi)將Parylene鍵合, 剝?nèi)ゼ冭F片以及采用特殊工藝釋放Parylene 微通道。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(shí)也可以制作多層結(jié)構(gòu)微通道。用此方法制作的各種微通道(所有微通道的內(nèi)徑為8 0 μm 寬、5 0 μm 深、壁厚為1 0 μm) 。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(shí)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。

4.Parylene可植入微系統(tǒng)

Parylene作為可植入材料, 主要是由于材料本身良好的生物相容性。生物體內(nèi)復(fù)雜的體液環(huán)境,會(huì)腐蝕大多數(shù)的在微傳感器(MEMS)和微電子材料, 然而卻不會(huì)影響Parylene, 這是由于Parylene不會(huì)在體液環(huán)境下被水降解。Parylene作為植入微電極陣列和微器件的包裝材料, 實(shí)驗(yàn)證明具有很好的生物性容性和生物穩(wěn)定性, 能夠長(zhǎng)期植入生物體中, 此外, 由于其良好的防滲透性, 能夠很好地保護(hù)微器件不被腐蝕。同時(shí), Parylene對(duì)細(xì)胞有很小的毒性,這使它有可能成為細(xì)胞生長(zhǎng)的平臺(tái)。Parylene以其優(yōu)異的生物相容性(美國(guó)FDA V I級(jí)認(rèn)證) 和生物穩(wěn)定性, 作為體內(nèi)長(zhǎng)期植入使用的生物醫(yī)用材料, 已經(jīng)被用于心臟起搏器、腦電極、植入式傳感器和高頻手術(shù)刀等微型電子醫(yī)療器械和可植入微系統(tǒng)中。

5.Parylene人工耳蝸領(lǐng)域的鍍膜應(yīng)用

人工耳蝸是由植入人體的電極、接收器以及攜帶在人體外的言語處理器、麥克風(fēng)及傳送器等組成。外界聲音由麥克風(fēng)接收轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后傳送至言語處理器將信號(hào)放大、過濾, 并由傳送器傳送到接收器, 再產(chǎn)生電脈沖傳送到相應(yīng)植入微電極, 從而引起聽神經(jīng)纖維興奮并將聲音信息傳人大腦, 使耳聾患者重新獲得聽覺。人工耳蝸是較早應(yīng)用成功的可植入器件。據(jù)統(tǒng)計(jì), 全球現(xiàn)在約有3萬多耳聾患者使用了人工耳蝸, 同時(shí), 人工耳蝸技術(shù)也在不斷地發(fā)展和完善。

采用Parylen封裝的用于人工耳蝸植入的電極陣列, 由于Parylene 較低的楊氏模量, 使得電極探針具有很好的硬度和韌性, 同時(shí)可通過調(diào)整硅襯底的厚度來調(diào)整電極的柔軟性, 為制備的Parylene包裹的硅微電極陣列(探針臂為8 mm且分為8個(gè)部分, 每個(gè)部分有1個(gè)電極點(diǎn)) 。Parylene所具有的透明性, 使得在植入試驗(yàn)中能很好地監(jiān)測(cè)探針植入深度, 同時(shí),電極被Parylene 包裹, 即使電極破碎, 外層Parylene也將碎片連在一起, 從而減小手術(shù)傷害和植入傷害。整個(gè)裝置集成了位置傳感器和Parylene包裹的傳輸線, 實(shí)驗(yàn)表明, 該裝置能夠提高人工耳蝸聲音識(shí)別能力和位置的準(zhǔn)確性。在制作多通道聽覺假體時(shí), 變長(zhǎng)度的神經(jīng)刺激電極陣列也采用Parylene作為刺激電極的包裹材料, 從而提高植入器件的生物相容性。

6.Parylene視網(wǎng)膜假體領(lǐng)域鍍膜應(yīng)用

全球視覺殘疾者有1. 4億人, 其中4 500萬為盲人, 全世界平均每5 s出現(xiàn)一個(gè)盲人, 失明已經(jīng)是影響人類生活質(zhì)量較嚴(yán)重的一種殘疾。原發(fā)性視網(wǎng)膜色素變性及老年性黃斑變性，由于視網(wǎng)膜外層進(jìn)行性變性, 引起光感受器退化, 是導(dǎo)致失明的主要原因。實(shí)驗(yàn)表明, 即使原發(fā)性視網(wǎng)膜色素變性和老年性黃斑變性導(dǎo)致的光感受器完全變性, 大部分的視網(wǎng)膜神經(jīng)細(xì)胞是保持完好的, 通過電刺激神經(jīng)細(xì)胞的方法可以獲得視覺。這提供了一種方法即避開受損的光感受器直接刺激視網(wǎng)膜從而獲得視覺信息。目前, 用刺激視網(wǎng)膜方法獲得視覺的研究可分為兩類: 視網(wǎng)膜下植入技術(shù)和視網(wǎng)膜表面植入技術(shù)。

視網(wǎng)膜上型是由圖像處理芯片將攝像機(jī)獲得的圖像轉(zhuǎn)化為相關(guān)信息, 通過編碼發(fā)射器發(fā)射到眼內(nèi)編碼接收器并將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為微小電流, 通過視網(wǎng)膜表面芯片電極刺激神經(jīng)節(jié)細(xì)胞。而視網(wǎng)膜下型是通過芯片直接從外界環(huán)境中接收光信號(hào), 并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào), 直接刺激殘余的視細(xì)胞, 產(chǎn)生不同程度的視覺效果。采用聚合物Parylene制作了用于視網(wǎng)膜上型植入的柔性微電極陣列。采用單層工藝制作了密度為256的視網(wǎng)膜鈦/鉑電極陣列,電極直徑為125 μm, 線寬為12 μm。為了增大電極密度, 發(fā)展了一種新的雙層工藝, 電極個(gè)數(shù)為1 024, 間距為60 μm。通過Parylene2Parylene的退火工藝, 防止了兩層Parylene薄膜之間的分層, 在加速試驗(yàn)中證明了電極壽命將超過一年。用相同工藝制作的測(cè)試電極生物試驗(yàn)表明, 基于Parylene的微電極陣列對(duì)組織或是生物體都有很小的機(jī)械傷害, 在動(dòng)物模型的脊柱刺激試驗(yàn)中證明了刺激電極的有效性。

隨著技術(shù)的發(fā)展，一種用于視網(wǎng)膜上型植入的能量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐耆踩胧骄€圈, 采用Parylene作為包裹材料。用于植入眼內(nèi)的微線圈, 線圈有10 匝, 較外層線圈直徑為9. 5 mm, 整個(gè)線圈厚度小于11 μm。相比于傳統(tǒng)的眼內(nèi)植入式線圈, 采用Parylene包裹的這種方法制作的線圈是非常柔性的和可折疊性的,證明了這種線圈的柔韌性。實(shí)驗(yàn)證明了線圈能量傳輸?shù)挠行?/span>, 通過熱處理的方法來增加線圈的壽命, 加速試驗(yàn)表明在人體環(huán)境下線圈的壽命可長(zhǎng)達(dá)20年。

綜上所述，Parylene由于其優(yōu)異的性能, 逐漸成為在微傳感器(MEMS)領(lǐng)域青睞的聚合物材料。Parylene通過CVD真空氣鍍膜技術(shù), 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。Parylene鍍膜工藝廣泛應(yīng)用在MEMS領(lǐng)域中：微結(jié)構(gòu)、微傳感器和微驅(qū)動(dòng)器上, 相信將來Parylene將更多地應(yīng)用到完全集成微系統(tǒng)。

百騰Penta精耕鍍膜行業(yè)30年，我們將會(huì)持續(xù)為大家提供Parylene真空氣鍍膜技術(shù)行業(yè)資訊和相關(guān)問題解答，百騰Penta開發(fā)的PVD真空鍍膜機(jī)，CVD真空鍍膜機(jī)，XeF2二氟化氙蝕刻機(jī)，真空脫氣爐，二氟化氙材料、派瑞林材料，提供派瑞林(Parylene)納米涂層加工。并可根據(jù)不同需求設(shè)計(jì)定制派拉倫（parylene）真空鍍膜設(shè)備和與其配套的相關(guān)設(shè)備系統(tǒng)，幫助企業(yè)產(chǎn)品提升更好防護(hù)品質(zhì)。