（物理电子学专业论文）su8微针执行器的研究.pdf

摘要 生化微系统是m e m s 的重要方向之，丽生化样品的微量取样和计量趋乍 化分析过程的重要环节，微针执行器的研究因此受到关注。本文总结了国内外哭 r 微针执行器的研究，提山了一种新的设计方案。 作者没计了种用于! 卜化样品的微量计量和采样的电磁驱动的微针执行器。 此微针执行器的结构包括微针、微通道、反应室、金电极以及永磁阵列组成的隔 膜执行器。通过外加电磁场，可以实现双向的驱动。整个执行器的尺寸为6 m m 8 r a m 6 0 9 m ，其针孔截面为2 0 9 i n ) ( 2 0 9 r n 。 作者利用m e m s 技术，以s u 一8 胶为材料制作了微针结构，利用电镀工艺 制作永磁阵列，并研制出雏形器件。文中对两种工艺的步骤和参数，进行了详细 的介绍，对其中出现的问题，也进行了实验和摸索，并提出了几种解决方案。 作者不仅提出了以s u 一8 胶为主要材料制作执行器的结构，并且提出了通 过永磁阵列实现电磁双向驱动。在工艺上，本文提出了“分层堆积，多次曝光， 一次显影”的方法来制作3 d 结构。新的设计方案，主要优点在于工艺简单，成 本低廉。新方案还在结构和工艺上有所创新。 关键词：微针；s u 一8 胶；m e m s a b s t r a c t b i o c h e m i c a lm i c r o s y s t e mi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf o c u s e so fm e m s ，a n d m i c r o s a m p l i n g a n d m e a s u r i n g i st h ec r u c i a l p r o c e s s o f a n a l y s i s t h e r e f o r e ， e m p h a s e sh a v eb e e np a i do f im i c r o n e e d l e a c t u a t o r au e wm i c r o n e e d l eac t u a t o rd r i v e nb ye l e c t r o m a g n e t i cf o r c ei sp r o v i d e d t h i s n e wa c t u a t o rm a i n l yf o c u s e so n s a m p l i n g a n d m e a s u r i n g o f b i o c h e m i c a ls a m p l e s i tc o n s i s t so fam i c r o n e e d l e ，am i c r o c h a n n a l ，ar e a c t i o nc h a m b e r , ac o u p l eo f a ue l e c t r o d e sa n dam e m b r a n ea c t u a t o ro fap e r m a n e n tm a g n e ta r r a y i tc a l lb e d r i v e nb i d i r e c t i o n a l l yb yt h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l do u t s i d e t h es i z eo ft h ea c t u a t o r i s6 m m 8 r n m 6 0 9 m a n di t sa p e r t u r es e c t i o ni s2 0 9 i nx 2 0 1 1 m t h em i c r o n e e d l ei sf a b r i c a t e d b ym e m st e c h n o l o g y w i t h s u 一8 ，a n d t h e p e r m a n e n tm a g n e ta r r a yi s f a b r i c a t e db ye l e c t r o p l a t i n gt e c h n o l o g y p r o c e s s e so f t h e s et w o t e c h n o l o g i e s a r ei n t r o d u c e di nd e t a i l s o m ep r o b l e m so c c u r r e di n f a b r i c a t i o npr o c e s sa r ee x p e r i m e n t a l l y te s t e da n dse v e r a lso l u t i o n sa r cg i v e n t h e a c t u a t o r p r o t o t y p e i ss c h e m a t i c a l l ys h o w e da n d a n a l y z e d t h en e wa c t u a t o rs t r u c t u r ei sm a i n l ym a d eo fs u 一8a n di tc a nb e b i - - d i r e c t i o n a l l y d r i v e n b ye l e c t r o m a g n e t i c f o r c ef r o m p e r m a n e n tm a g n e ta r r a y an e w3 d f a b r i c a t i o nm e t h o d ，w h i c hw ed e s c r i b eb r i e f l ya s “d e p o s i t i o ns t e pb ys t e p e x p o s u r e s e v e r a lt i m e sa n dd e v e l o p m e n to n c e ”，i s f i r s t l yp r o v i d e d t h en e wp r o j e c th a st h e a d v a n t a g e s o fe a s yf a b r i c a t i o n 1 0 wc o s ta n dt h ei n n o v a t i o ni n s t r u c t u r ea n d t e c h n i q u e s k e y w o r d s ：m i c r o n e c d l e ，s u 一8 ，m e m s 研究成果声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进 行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地 方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中国科学院电子学研究所或其它教育机构的学位或证书所使用 过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均己在 学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。 特此申明。 签名：豢宁 日期：阳一钲加 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中国科学院电子学研究所有关保留、使用学位论文的 规定，其中包括：电子所有权保管、并向有关部门送交学位论文的原 件与复印件：电子所可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存 学位论文：电子所可允许学位论文被查阅或借阅；电子所可以学术 交流为目的，复制赠送和交换学位论文；电子所可以公布学位论文的全 部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：番宁 导师签名：夏善乒 日期：妒，：7 fg 日期：2 。一年年7 月3 臼 第一章前言 1 1m e m s 技术简介 m e m s ，即微电子机械系统( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m s ) ，是二卜世 纪最重要的技术之。m e m s 技术特点可由3 个m 概括：即小尺寸 ( m i n i a t u r i z a t i o n ) 、多样化( m u l t i p l i c i t y ) 、微电子( m i c r oe l e c t r o n i c s ) 。m e m s 技术自二十世纪八十年代崛超以来发展极其迅速，被认为是继微电子之后又个 对国民经济和军事有重大影响的技术领域，将成为2 1 世纪新的国民经济增长点 和提高军事能力的重要技术途径，。2 ，1 。3 ，“1 。 、 m e m s 技术的主要技术途径有- - 0 0 ：一是以美国为代表的以集成电路加工 技术为基础的硅微j j i l i ( s i l i c o nm i c r o m a c h i n i n g ) 技术；二是以德国为代表的l i g a 技术( 包括x 射线深度光刻、微电铸、成型等加工工艺) ；三是以日本为代表的 精密加工技术( p r e c i s i o nm a c h i n i n g ) 。 m e m s 技术的基本特点包括。 ( 1 ) m e m s 器件体积小、重量轻、耗能低 ( 2 ) 批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上同时可制造出成百上千个微 型机电装置或完整的m e m s 批量生产可大大降低生产成本。 ( 3 ) 集成化：可以把不同功能、不同敏感方向的多个传感器或执行器集成 于一体、或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一 起，形成复杂的微系统件集成在一起可制造成可靠性、稳定性很高的m e m s 。 ( 4 ) 多学科交叉：m e m s 涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、 微传感器、微执行器和微电子器物理、化学和生物等多学科、并集约当今科学发 展的许多尖端成果。 早期的微电子机械系统几乎完全以硅材料为基础。硅m e m s 加工技术最早 出现于二卜世纪六十年代，所采用的主要技术是单晶硅( s i n g l ec r y s t a l s i l i c o n ， s c s ) 各向异性腐蚀技术( a n i s o t r o p i c s i l i c o ne t c h i n g ) 和体硅微机械加工技术( b u l k m i c r o m a c h i n i n g ) ，其代表产品是硅压力传感器。八十年代美国率先开发出以多l 轱 川为结构层、= 氧化碓为牺牲层的表面牺牲层技术( s u r f a c es a c r i f i c i a ll a y e r ) ( 表 阍微机械j 玎一r 技术) ( s u r f a c em i c r o m a c h i n i n g ) 。并， 。发蹦微娃静也马达，锼得 s u 一8 微针执行 i i 的 1 j 允 m e m s 技术得到质的b 跃发展。表面微机械加：【：技术与半导体集成电路技术最 为相近，其主要特点是在薄膜淀积的基础上，利用光刻、刻蚀等集成电路常用工 岂制备微机械结构，最终利用选择腐蚀技术释放结构单元，获得可微动结构。进 入九| - 年代，随着深槽刻蚀技术( d e e pr e a c t i v ei o ne t c h i n g ，d r i e ) 、键合技术 ( b e n d i n g ) 及其它关键技术的成功应用，体硅微机械加工又得到了飞速发展， 并发展出多种体硅工艺与表面微机械工艺相互结合的新工艺。特别是开发出利用 感应耦合等离子体( i n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m a ，i c p ) * r i l l 壁钝化( s i d ep l a n e p a s s i v a t i o n s p p ) 的先进硅刻蚀工艺( a d v a n c e ds i l i c o n e t c h i n g ，a s e ) ，可对硅材 料进行很大深宽比( h i g h a s p e c tr a t i o ，h a r ) b - - 鳓i ，其加工厚度可达几 百微米，侧壁垂直度可接近九十度。近几年来，随着高分子聚合材料( p d m s 聚 二甲基硅氧烷，聚酰亚胺，s u - 8 胶等) 的应用，使得加工高深宽比的复杂的三 维结构越发简单，m e m s 加工手段变得越来越丰富。这使得m e m s 技术不仅在 传感器领域的应用得到迅速发展，而且在光纤通信、微型化学分析系统及微型执 行器等领域的应用研究也得到空前发展。 如图1 1 所示，m e m s 基本模型一般由传感器( s e n s o r ) 、模拟信号处理 ( a n a n l o gs i g n a lp r o c e s s ) 、数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s ) 、执行器 ( a c t u a t o r ) 、通讯接口( c o m m u n i c a t i o ny o ) 组成。其输入的是自然信号( 力、 声、热、电、生物、化学等) ，通过传感器转换为电信号，然后是信号处理( 模 拟的和或数字的) ，通过执行器与外界作用。 卧 一 + 锇彳 一 传执 卧 固一感行 几m 匝研一 器器 厍i 卜 与其它系统的通讯，接廿 感盔量 控嗣量 倒1 1m e m s 基本模型示意邕r 2 1 m e m s 的戍圳非常，一泛在传感器府硒，包括了压力、气敏、热学传感器 等，存执行器方面，主要有光开关、r f 开关、约物释放执行器、智能药丸、取 样执行器、微喷、信号采集、微针等，应用领域涵括了通讯、医疗、! 卜物化学、 打印祝等各个领域。 1 2 微针的应用领域以及研究意义 微针作为一种精密而细小的一 具，一直以来都有很广泛的应用。 在微执行器方面n e c f 。5 1 等公司采用了静电式喷墨技术开发的喷墨打印机， 它的墨水从加压管口喷出分解成一颗颗极小墨珠，在经过相同电性的带电环境 时，出于同性相斥，墨珠分散成墨雾。其中的管口实际上就是根微针，直径约 为1 0 i5 p m 。 在物理研究领域，其中的显微操作技术就应用了微针。较早的力学型微针， 依靠针受力后的弯曲和硬度来测量微小的力；后来，原子力显微镜的探针，利用 针尖原子与样品表面原子之间的作用力来探测样品表面的信息。另外，纳米技术 中的扫描隧道显微加工技术中实现原子、分子的搬迁、去除、增添和排列重组， 实际上关键部件是纳米级的微型探针。1 9 9 0 年美国圣荷塞m m 阿尔马登研究所 的d m e i g l e r 等人，就利用探针针尖原子来吸引原子和分子，将它们移动到指定 位茕。他们曾把3 5 个x e 原子排成i b m 三个字母，又曾在铂单晶表面，将氧 化碳分子排列成身高仅5 r u n 的人形图样， 在生物技术中，例如目前的克隆技术，其中个重要步骤是将某个细胞的遗 传物质取出，并注入另一个细胞中，这里采用的显微注射技术就用到了微针，遗 传物质的转移和输送都是用毛鲴玻璃制成的微针完成的。 在医疗领域，基于微针的无痛采血检测技术和微量药物输送技术，改变了经 典的医疗技术和理念。传统的采血技术，一般是用普通针头扎入人体血管抽取血 液，或者鹂利器扎破手指挤出血液。这样的技术会对入体造成极大的不适和痛感， 损伤人体组织。而微针由于针头比普通针头尖而细，扎入人体时，能有效地减少 对人体的挤压和疼痛感，减小对组织的伤害，还降低了感染的可能。将微针采血 技术与馓黾检测技术结合就可咀随时盟测身体的状况，目前_ 巾场上已经推出针对 糖尿病人使用的m 糖峪测设备，其形状象块手发，戴在病人手l ，它自带的微 制刺入人体，把血液采集剑仪器巾，井把结果显示 ：隶，1 f 常方便。 s u 一8 微针执彳器的研究 以前痫人打针或服药，通常一次性的注入或服下大量的药物，然后让药效在 体内持续若干时间。这样的方式有明显的缺点：一次性输入大量药物，副作用大； 药物经过消化系统才到达患处，药效损失很人；传统方式不能根据病人身体的实 际情况而调整输送药物的浓度和速度；病人容易忘记定时打针和服药，这样会对 病情产生不好的影响。基于微针的微型药物输送系统将微针扎入患处或者毛细血 管附近，通过微针将药物直接送入人体，减少药效损失，并使药物能尽快起效； 微针可以持续缓慢的输送药物，避免了一次性输送大量药物带来的副作用；将微 量检测技术与微量药物输送技术结合起来，实时地监测身体的状况，同时将信息 反馈给药物流量控制系统，可以根据病情的实际需要控制输送药物的浓度和速 度；随身携带药物储存单元或者将其植入人体，可以长时间的保持药物供给而不 必定期打针或者服药，减少了病人的麻烦。 随着基于m e m s 技术的生物芯片、微型分析系统等的发展，需要一种相适 应的微量取样和计量装置。而利用带有双向驱动装置的微针，可以实现纳升级的 样品的采集和计量。 随着人们认知的领域的扩大，微观世界将成为人们研究和关注的重点，比如 目前流行的纳米技术和基因技术，研究对象就到了原子分子或者细胞的级别。微 针作为一种精密而细小的操作工具，在微观研究和应用领域将会发挥越来越大的 作用。 利用传统加工手段制作的微针直径很难突破3 0 0 9 m ，而采用m e m s 工艺， 却可以制作出比头发还要细的微针( 头发约6 0 肛m ) 。所以随着微针的操作对象越 来越小，m e m s 工艺将成为制作微针的主要技术。 1 3 国内外研究概况 国内还没有看到研究微针的报道，利用s u 一8 胶研究其他一些m e m s 器件 的有文献报道。国外在多年前就已经开始了这方面的研究。下面简单介绍一些国 外的一些大学和研究机构的研究结果。 i 3 1 氮化硅微壳构成的微针 加州伯克利大学的l i w e il i n1 1 - 7 , 1 - 8 教授报道了世界卜第1 个利用m e m s 技 术制造出的微针。l i n 利用在硅衬底表面1 ；：j 积层氮化硅微壳柬形成个流体通 第一市前罱 道( 图1 2 ) ，这层氮化硅壳是用来导引液体沿着针底长度方向流动。l i n 使用了 利表面和体硅加工相混合的微加工技术来构造微针。 微针的制作工艺过程如下f 图1 - 2 b ) ：首先在硅片上微针区域进行了重度扩硼， 扩散硼的厚度为1 2 微米，掺有大量硼的区域在e d p 腐蚀液中不会被腐蚀，也即 自停止技术。一层厚度约为8 微米的磷硅酸盐玻璃作为牺牲层沉淀在掺杂硅的区 域上。在牺牲层上沉淀2 5 微米氮化硅。将硅片浸泡在浓h f 溶液中，通过氮化 硅上所开的微通道，牺牲层被浓h f 溶液去除掉，这样微流路就形成了。然后通 过一定时间的e d p 腐蚀，去除硅片背面的多余的末掺杂的硅，只留下5 0 微米厚， 微针的形状在硅片正面显现出来。整个过程能够制作出锋利的微针，并且可以实 现预定的功能 ( d ) s u 一8 微针执行器的 i j f 究 图1 2 ：( a ) l i n 的微针示意剀。( b ) 制作r 艺详细说明。重掺硼z 后，阿沉积氧化干u 氮化层。使j = f jp s g 作为牺牲材料来形成流动性通道。氮化物用米构成流动性通道的埂壳。 e d p 被用米释放微针。( c ) 微针尖端近视图( d ) 微针剖面目显示了微通道。 但是这种方法的缺点是，以氮化硅为材料做成的流路壁不够结实；e d p 腐 蚀要求时间非常准确，所以成品率不高；长时间的e d p 腐蚀会导致边角效应r 针尖会变得很钝；微流路的容积相对于硅基底来说太小，限制了流量。 1 3 2 埋藏式通道结构的微针 在l i n 完善他的制作工艺的同时，密歇根大学的c h e n 和w i s e l l - 9 1 用另一种 方法制作出了微针( 图1 3 ，1 4 ) 。他们通过腐蚀硅片，在硅基片中制作出通道来， 最终形成微针，整个通道是埋藏在硅基片中的。他们的工艺也采用了e d p 腐蚀 液，这是因为e d p 拥有良好的各向异性的蚀刻能力，并且对重掺硼的硅片影响 较小。 图1 - 3 ：( 左) 制造掩埋通道的1 ：艺过程。( 右) ( a ) 去掉v 型图案底部后腐蚀过的通道 ( b ) 用热氧化和l p c v d 绝缘层覆盖后的通道。 他们的微针的制备工艺过程是：首先在硅片上重度扩散硼，厚度为2 微米， 然后利用反应离子蚀刻( r i e ) 方法，在被扩硼的硅片上蚀刻出一条条宽度为2 5 微米的沟道，这样使得下i 町未被扩硼的砖片暴露出来。这些沟道沿着睾1 的k 度方 向排成仃，图形类似十军人的v 宁型肩章结构。用e d p 腐蚀砖片， l 有那- 啦 第一章前言 在沟道底部未被扩硼的硅才会被去掉。因为e d p 腐蚀沿硅的c lll 晶向速度最 慢，所以蚀刻过程会把沟道下方未被扩硼的区域腐蚀掉，并形成一个连续的通道， 扩硼的图形在通道的e 面形成系列灼桥。再饮进行扩硼，在流动通道的内壁形 成一层厚度为1 5 微米的掺杂区。然后硅片被热氧化，引起其体积变化并且桥扩 张使得他们中间的裂缝合拢。f 一个步，利用l p c v d 沉积氧化物层，用来密封 通道。之后，在上面可以沉积一层物质或者镀一层金属。接着利用湿法各向同性 腐蚀硅片，使之变薄，最后用e d p 腐蚀释放微针。 此方法适于将电极和微流路与微针集成在一起。 图l - 4 ：( 左) c h e n 和w i s e 构建示意图( 右) 掩埋微通道的s e m 照片。 1 3 3s o i 构建的微针 k y l el e b o u i t z 1 。- 1 1 发展了一种用来构建微刀尖形式的微针的具有可选择 性的j l 二艺过程( 图1 5 ) 。在l e b o u i t z 工艺过程中微通道是用与w i s e 相似的方法 制作的。 微针是s 0 1 制作的，这种硅片在特定厚度下有一个掩埋的二氧化硅层。这层 特定的厚度决定了微针的厚度。先用氮化硅作掩膜定出微针的形状，在制作完微 通道后，用各向同性湿法腐蚀硅片的顶部，最后用h f 浸泡释放微针。 l e b o u i l z 的t 艺成品率接近1 0 0 ，并且微钊具有及其良好的外形，犬端半 s u 一8 微针执行鞯的研究 径小于0 1 微米。另外，剩余晶片可以被再利用生产更多地s o i 晶片，还避免了 使用e d p 腐蚀。但是用来输导液体的微通道只占了微针很小的部分，无法通 过大量的液体。 图1 - 5 由l e b o u i t z 生产工艺制造出来的微针的放大图 1 3 4 垂直硅片的微针阵列 乔治亚理工学院的h e n r y 和p r a u s n i t z t l 1 2 ，1 _ i 发展了一种制造比较短的、垂 直与基片的微针的工艺过程( 图1 6 ) 。这些微针大约1 5 0 微米长，是用s f 6 0 2 腐蚀单晶硅形成的，这样可以制造锋利的针尖，在药物缓释应用中，用来刺透皮 肤使得药物在皮肤周围扩散，提高治疗效果。这些微针很短是为了能够穿过皮肤 的角质层但又不用刺入很深，从而避免了刺激神经。这样的微针阵列在药物输送 方面适用性很好，但是它们在其他的应用上的设计灵活性是很受限制的。这些针 1 e 常的脆弱，不能够进行大剂量的注射，达不到临床治疗所需要的注射量。 p r a u s n i t z 还进一步研究，设计了金属微针阵列，他首先利用s u 一8 胶制作 了微针的模具，在模型中电铸镍铁合金形成金属微针阵列。但是这些针的尖端的 肜状杉的不规则，并e l 针擘很薄，承受不了大的机械压力。 图1 - 6 ：( 左) 硅微针阵列。( 右) 微针模型电镀在s u 8 上后产生的金属微针。 1 3 5 硅深刻蚀微针阵列 伯克力加州大学的b o r i ss t o e b e 一“1 4 1 。”1 在硅基片上研制了一种微针阵列( 图 1 7 ) 。这些针与p r a u s n i t z 制作的相比，体积稍大，密度稍小。这种设计可以通过 微针阵列直接注射药物。因为这些微针之间的空间间隔比较大，所以可以避免注 射时产生不舒服的感觉，能够比较容易的把针注射进皮肤里。这些微针是通过使 用d r i e 各向异性腐蚀。制造这些微针是通过在进行d r i e 各向异性腐蚀的同时 进行各向同性的腐蚀来完成的。各向异性蚀刻可以形成通道，而各向同性蚀刻会 形成微针的外形。两种腐蚀的图形的中心线稍稍错开一点，就会使得微针管口有 一个倾斜角，从而形成一个非常锐利的针尖。 制作工艺是：首先沉积一层氧化层，然后在预留的窗口中用d r i e 各向异性 腐蚀硅片，直到背面的二氧化硅。在腐蚀出的通道上沉积一层厚0 4 微米的氮化 硅，保护通道在后面的腐蚀中不被损害。使用k a r ls u s sm a 6 的双面光刻机，从 另一面用s f 。进行刻蚀。这是一种快速蚀刻，会造成硅片的表面变得非常的粗糙。 之后还要进行一次各向同性的湿法蚀刻才能完成整个过程，这次蚀刻的深度为 5 0 微米，目的是为了平滑微针的表面。当微针外形成型后，在h f 中腐蚀掉氮化 硅掩模层。 这个工艺过程可以生产高均匀阵列微针，并且晶片的成品率可达1 0 0 。但 是，尖端的直径稍微大一点，约有l o 微米。但是，这些微针与p r a u s n i t z 的工艺 制造的相比应该具有更好的机械强度。 s u 一8 微针执行器f 日研究 巾胁懋熊澍闷 一 。 蕊尊惑删憾 蚋 国) c ) 恻1 7 ：( a ) 制造均匀对称或平面尖角型微针的b o r i ss t o e b e r 处理：艺。 ( b ) 均匀对称型微针( c ) 尖角型微针 1 3 6 电镀钯微针 b r u f l of r a s i e r l l - 1 6 1 - 1 7 , 1 - 1 8 1 和他的同事们采用r 另种方法制作微纠。他f fj 使用 0 钯作为微针的结构材料，并用厚光刻胶来构建微针通道( 图1 8 ) 。通过电子束蒸 发作用沉积形成一层金属种子层，再镀上一层厚度为2 0 微米的钯。然后涂卜厚 度为2 0 微米的光刻胶，这层材料就成为了通道的牺牲层。最后，一层厚度为2 0 微米钯顶层会覆盖在光刻胶、卜。这层光刻胶会在丙酮和去离子水的持续冲沈下被 去除。这就使得金属针的几何外形具有多样性。但是，因为这些微针是被电镀过 的，所以它们的尖端非常的钝。另外电镀金属有变软的趋势，并且当微针插入的 时候在没有形变的情况下它承受不了机械压力。 h1 - 8 ：( 【：) b r u n of v a s i e r 金属微针制作i 艺的洋细l 剖解。( 1 、) 典型的惫褥微针h 1 3 7 用模具制作微针的研究 目前还有些使用模具来制作微针的方案1 。其中有一种以单晶硅为材料 制造模具，并通过沉淀多品硅来制作微针的方法。这种模具可以重复利用，其下 模是用s t s 深刻蚀机制成，上模是用氮化硅作掩膜，采用k o h 各向异性湿法腐 蚀制作。在两块模具上用多晶硅热氧化和l p c v d 沉积一层二氧化硅。将两块模 具结合在起，然后沉积多晶硅。外部的多晶硅用干法腐蚀去除后，将模具整个 放入浓h f 中直到它们分开。用这种方法制造的微针，内部空间很大，使得流阻 很小。 还有一种在模具中沉积p a r a l e n e 来制微针的方法【1 2 0 ，1 - 2 1 1 。先蒸发固态 d i p a r a - x y l y l e n e 直至它升华成气体，然后加热气体，使它分裂成p a r a x y l y l e n e ， 在室温下，又变成了p o l y - p a r a x y l y l e n e 。虽然这样制作的微针易变形，使得扎入 人体变得困难，然而，它也有明显的优点，比如，当微针折断，p a r y l e n e 能保持 微针不分裂，可以被完整的抽出来，不会残留体内；如果在硅微针外表加上一层 p a r a l e n e ，可以吸收很大的机械力。 1 4 小结 近年来人们对于用微制造技术生产高质量的微针的兴趣日益增加。以上描述 了一些已经被制造出来的典型的微针类型。有许多种不同的研制方法和使用不同 的材料的研究结果，这些材料和方法的有各自的优缺点。 总之，综述国际上对微针的研究可以看出，微针制作的工艺技术多种多样， 主要还是腐蚀或通过深刻蚀技术，形成微针的微通道；在材料方面，大部分是采 用硅基片，也有采用金属电镀成型的。各种方法和材料各有优缺点，大家都在探 索。普遍存在的问题是，微针的制作工艺复杂，微针的强度不够，微针离实用的 距离还很远。从上面的研究看，大家还没有考虑到微针的驱动问题。因此，微针 执行器的研究还有很长的路要走。 本文在前人的工作基础上，特别是参考了b r u n of r a s i e r 和他的同事们的工 作，结合实际的实验条件，提出了新的微针执行器的设计方案。新方案将选择 s u 一8 胶作为主要材料，加工周期短，成本低，同时加入微针的驱动部分，采用 永磁材利，进行双向的i 乜磁驱动发汁。 抑一学前 本文的第章是前言部分，介绍了m e m s 技术、微针的应用领域和研究意 义以及国内外的研究概况；第二章介绍了微针执行器的设计；第三章对具体的制 备f 艺作了详细的说明；第四章对设计和制备l ：艺作了一些技术分析，并给出了 图片；第五章总结了作者的成果和创新点，并展望了微针的发展。 参考文献 f 1 - 1 赵晓峰，温殿忠，m e m s 研究与发展前景，黑龙江大学自然科学学报，2 0 0 2 1 9 ( 1 ) ：6 4 6 9 。 1 2 吴国锋，陈希明，m e m s 光开关的优势和发展动态，光线新闻网， 2 0 0 3 一1 2 2 3 。 1 3 】刘青，2 l 世纪的关键技术微电子机械系统，航空制造工程，1 9 9 8 ，2 ： 6 7 。 【1 4 张海涛，张斌，微电子机械系统技术及其应用，电子元件与材料，2 0 0 2 ，4 ： 2 8 3 0 。 1 - 5 栾湘梅。喷墨技术新进展。影像材料，2 0 0 2 ，6 ：7 一l o 页。 f 1 - 6 j e f f r e yd a v i dz a h n m i c r o f a b r i c a t e dm i c m n e e d l e sf o rm i n i m a l l yi n v a s i v e d r u gd e l i v e r y , s a m p l i n g a n d a n a l y s i s p h dt h e s i s ，u n i v e r s i t yo f c a l i f o r n i a ， b e r k e l e ya n ds a nf r a n c i s c o s p r i n g 2 0 0 1 【1 7 l l i n s e l e c t i v e e n c a p s u l a t i o n o fm e m s ：m i c r oc h a n n e l s ，n e e d l e s ， r e s o n a t o r s ，a n de l e c t r o m e c h a n i c a lf i l t e r s p h ，d t h e s i s ，u n i v e r s i t y o f c a l i f o r n i a ，b e r k e l e y , c a ， 1 9 9 1 1 8 l l i n ，a pp i s a n o ，a n d r s m u l l e r s i l i c o np r o c e s s e dm i c r o n e e d l e s p r o c e e d i n g s7 t h n t e m a t i o n a lc o n f e r e n c eo ns o l i ds t a t es e n s o r sa n d a c t u a t o r s ( t r a n s d u c e r s 9 3 ) ，y o k o h a m a ，j a p a n ，p p 2 3 7 2 4 0 ，1 9 9 3 1 - 9 j c h e n ，a n dk d w i s e am u l t i c h a n n e ln e u r a lp r o b ef o rs e l e c t i v ec h e m i c a l d e l i v e r ya t t h ec e l l u l a rl e v e l s o l i ds t a t es e n s o ra n da c t u a t o rw o r k s h o p ， h i l t o nh e a d ，s c ，p p 2 5 6 2 5 9 ，j u n e ，1 9 9 4 ( 1 1 0 k s l e b o u i t z m e m s m i c r o s h e l l sf o rm i c r o n e e d l e s ，m i c r o s c a l ef l u i d v i s u a l i z a t i o n ，a n d v a c u u m p a c k a g i n g o fm i c r o d e v i c e s p h d t h e s i s ， s u 一8 微引执 t 器的谛究 u n i v e r s i t yo fc a l i f o r n i a ，b e r k e l e y , c a ，1 9 9 8 1 11 】k s l e b o u i t z ，a n da p p i s a n o m i c r o n e e d l e sa n dm i c r o l a n c e t sf a b r i c a t e d u s i n gs o iw a f e r sa n di s o t r o p i ce t c h i n g r o c e e d i n g sm i c r o s t r u e t u r e s a n d m i c r o f a b r i c a t i o ns y s t e m si v , 19 4 t hm e e t i n go ft h ee l e c t r o c h e m i c a ls o c i e t y , b o s t o n ，m a n o v 1 6 ，1 9 9 8 i 一1 2 】s h e n r y , d v - m c a u i s t e r , m a l l e n ，a n dm p r a u s n i t z m i c r o m a c h i n e d n e e d l e sf o rt h et r a n s d e r m a ld e l i v e r yo fd r u g s p r o c e e d i n g so ft h ei e e e e l e v e n t ha n n u a li n t e r n a t i o n a lw o r k s h o po nm e m s ，h e i d e l b e r g ，g e r m a n y , p p 4 9 4 4 9 8 ，j a n u a r y1 9 9 8 1 1 3 】d v m c a l l i s t e r , e c m s ，s p d a v i s ，l m m a t t a ，m r p r a u s n i t z ，a n d m g a l l e n ，t h r e e - d i m e n s i o n a lh o l l o wm i c r o n e e d l ea n dm i c r o t u b e a r r a y s p r o c e e d i n g s l o t hi n t e m a t i o n a lc o n f e r e n c eo ns o l i ds t a t es e n s o r sa n d a c t u a t o r s ( t r a n s d u c e r s 9 9 ) ，p p 1 0 9 8 1 1 0 1 ，1 9 9 9 1 1 4 】b s t o e b e r , a n dd l i e p m a n n f l u i d 删e c t i o nt h r o u g h o u t o f - p l a n e m i c r o n e e d l e s p r o c e e d i n g so f t h ef i r s ti e e e e m b ss p e c i a lt o p i c c o n f e r e n c e o n m i c r o t e e h n o l o g y i nm e d i c i n e & b i o l o g y , l y o n2 0 0 0 1 1 5 】b 。s t o e b e ra n dd l i e p m a n n t w od i m e n s i o n a la r r a y so fo u t - o f - p l a n e n e e d l e s p r o c e e d i n g so ft h ea s m em e m sd i v i s i o n , 2 0 0 0i m e c e ，v 0 1 1 p p 3 5 5 3 5 9 【1 一1 6 i e p a p a u t s k y , j d b r a z z l e ，h s w e r d l o w , a n da b f r a z i e r m i c r o m a c h i n e d p i p e t t ea r r a y s ( r c o a ) i e e ei n t e m a t i o n a l c o n f e r e n c eo ne n g i n e e r i n gi n m e d i c i n ea n d b i o l o g yc o n f e r e n c e ，c h i c a g o ，i l ，o c t o b e r , 1 9 9 7 ， 1 1 7 j b r a z z l e ，i p a p a u t s k y , a n da b f r a z i e r m i c m m a e h i n e d n e e d l ea r r a y sf o r d r u gd e l i v e r y o rf l u i de x t r a c t i o n i e e ee n g i n e e r i n gi nm e d i c i n ea n d b i o l o g ym a g a z i n e ，v 0 1 1 8 ，( n o 6 ) ，i e e e ，p p 5 3 5 8 ，n o v - d e c 1 9 9 9 1 1 8 jb r a z z l e ，d b a r t h o l o m e u s z ，r d a v i e s ，j a n d r a d e ，r a v a nw a g e m a n ，a n d ab f r a z i e r a c t i v em i c m n e e d l e sw i t h i n t e g r a t e df u n c t i o n a l i t y p r o c e e d i n g s2 0 0 0s o l i ds t a t es e n s m 。a n da c t u a t o rw o r k s h o p h i l t o nh e a d sc 4 第一章前l - - p p 1 9 9 2 0 2 ，j u n e2 0 0 0 【1 1 9 】nt a l b o t p o l y s i l i c o nm i c r o m o l d i n g o fc l o s e d f l o w p a s s a g e s f o rt h e f a b r i c a t i o no fm u l t i f u n c t i o n a l m i c r o n e e d l e s p h d t h e s i s ，u n i v e r s i t yo f c a l i f o r n i a ，b e r k e l e y , c a ，1 9 9 9 1 2 0 n t a l b o ta n d a pp i s a n o p o l y m o l d i n g ：t w ow a f e r m i c r o m o l d i n g o f c l o s e d f l o w p a s s a g e sf o rm i c r o n e e d l e sa n d m i c r o f l u i d i cd e v i c e s p r o c e e d i n g s1 9 9 8 s o l i ds t a t es e n s o ra n da c t u a t o r w o r k s h o p ，h i l t o nh e a ds c ，p p 2 6 5 2 6 8 ，j u n e 1 9 9 8 1 2 1 es t u p a r a n da ，ep i s a n o s i l i c