CN100485024C

CN100485024C - 一种基于聚合体薄膜微型细胞夹持器及制备工艺

Info

Publication number: CN100485024C
Application number: CNB2004100207728A
Authority: CN
Inventors: 李文荣; 周文利
Original assignee: Shenyang Institute of Automation of CAS
Current assignee: Shenyang Institute of Automation of CAS
Priority date: 2004-06-16
Filing date: 2004-06-16
Publication date: 2009-05-06
Anticipated expiration: 2024-06-16
Also published as: CN1710056A

Abstract

本发明提出一种MEMS工艺制备的用于细胞夹持的基于聚合体薄膜微型细胞夹持器。该夹持器可具有多个悬臂梁结构(类同手爪结构)。每个悬臂梁使用涂覆工艺构成由金/NAFION/金的三层结构，悬臂梁一端作为固定端与基底连接。它可以工作在普通的水溶液中。在电极及连线上使用PARYLENE C薄膜作为保护，使被其覆盖的结构免受周围溶液的侵蚀。相比目前商用的NAFION膜构成的微执行器及其他现有技术构成的微夹持器，本微夹持器不仅体积小(结构尺寸约为200μm×800μm×200nm)，致动位移大(可卷曲)，而且工作电压低、功耗小。

Description

一种基于聚合体薄膜微型细胞夹持器及制备工艺

技术领域

本发明是用于细胞操作的新型微夹持器，具体地说是一种基于聚合体(NAFION)薄膜微型细胞夹持器及制备工艺。

背景技术

生物实体的微操作是当今生物技术研究中提出的一项重要需求。目前对生物细胞进行的操作(如抓取和物质注入)仍然主要是利用传统的微吸管吸附，细胞壁容易因吸力过大被损坏，而且微吸管吸附无法实现细胞的旋转。然而，现代生物技术的发展已要求在细胞注入时选择注入路径并实现注入物(如RNA)在细胞中的定位，从而控制细胞的相应反应，这就对细胞微操作提出了更高的要求，即抓持细胞的同时必须旋转细胞。微吸管操作的不足使人们致力于研究极具潜力取而代之的MEMS微执行器，它最终可以和成熟的机器人技术集成为先进而易于操作的系统。但是，现有的MEMS微执行器因输出力、位移和工作环境的局限，只能应用于很小的特定范围。静电、压电、热和电磁等各种致动原理的执行器都有各自的弊端，例如，静电和压电致动位移有限(如：弯曲范围在π/10弧度)。电磁致动的执行器要求有一个很大的磁场驱动，目前还难以获得一个可集成的能产生很大磁场的微磁体来实现这种微执行器。而热致动可产生大的力和形变，却需要较大功率，因而可能影响环境温度。更重要的是，大多数现有的MEMS执行器只能在干燥的环境中进行操作，不适合用于液体中生物微操作。虽然热致动的执行器可以工作在液体环境，但由于热损失，因而会对环境和操作对象产生影响，并需要较大的功耗。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处，提供一种可用于细胞的微操作、小体积、低功耗的水中电压驱动的基于聚合物微型细胞夹持器及制备工艺。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

所述基于聚合物微型细胞夹持器：具有多个悬臂梁，用以实现细胞的抓取和夹持，每个悬臂梁均为两层金膜材料之间加设一层聚合体膜材料的三层结构，其一端作为固定端与基底连接；在基底与金膜材料之间设有氧化层；所述聚合体为NAFION；

另外，在氧化层与金膜材料之间加设二氧化硅和/或M层，其中M为铬或钛；其中所述基底为硅材料；所述悬臂梁个数3～5为佳。

其制备工艺：

1)采用热氧化技术，在硅基底上生长1～2微米的氧化层作为绝缘层；

2)蒸发或溅射铝，并用化学湿法刻蚀获得微图形作为牺牲层；厚度为0.5～1微米；

3)采用溅射法沉积金膜作为下电极，利用Lift-off悬浮技术同时实现图形微加工；厚度为0.05～0.15微米；

4)采用涂覆工艺制备NAFION膜，厚度由涂覆的旋转速度和溶液的浓度决定，可以为0.2～0.5微米；NAFION溶液采用

SE-5012，将溶剂自然挥发可达到提高溶液浓度的目的；

5)采用溅射法沉积金膜作为上电极，利用化学湿法刻蚀进行图形微加工；厚度为80～100纳米；

6)采用氧等离子体刻蚀技术、以上电极为掩膜对NAFION薄膜进行微图形加工；

7)利用化学湿法刻蚀(可在磷酸室温条件下)去牺牲层，最后经CriticalDryer工艺获得空气中的金/NAFION/金夹层悬臂梁结构。

本发明夹持器工艺和结构的改进：

1.在步骤3)前采用电子束蒸发(e-beam evaporation)技术依次沉积二氧化硅和/或M层(其中M为铬或钛)，步骤3)利用Lift-off(悬浮)技术同时实现氧化层及铬或钛层两层薄膜的微图形加工；其中二氧化硅层的厚度0.5～1微米，主要用来增加悬臂梁的固定端与基底的接触面并增加其机械强度；铬或钛作为改善金和二氧化硅之间的粘附层，厚度为200～500纳米；

2.步骤6)以光刻胶AZ5214作为掩膜，采用氧等离子体刻蚀技术进行微图形加工；在步骤7)前沉积PARYLENEN-C薄膜于电极及其连线上，0.4～0.6微米，目的在于保护其覆盖的电极及连线免受溶液的侵蚀。

本发明的优点在于：

1.本发明采用涂覆的NAFION材料薄膜，其厚度小于1微米，使相应的微型细胞夹持器可集成，具有体积小、功耗低等优点。

2.可在液体工作环境中用于细胞的微操作。为了使电极及相应连线免受溶液的侵蚀，本发明特别设计的PARYLENE材料薄膜镀层起保护作用。

3.本发明的微型细胞夹持器无需磁场(只需要外加电场驱动)，驱动电压低，电致动位移量大，悬臂梁自由端可与初始位置呈90度，远远大于现有其他技术的微执行器。另外，输出力也大，可实现安全、可靠和柔性操作。

4.通过改变溶液的pH值可以使本发明的夹持器产生夹持动作。

5.应用范围宽。本发明中的NAFION聚合体执行器可在液体中工作，它不仅且对液体工作环境无特殊要求，适用于细胞的微操作，还可应用于基于化学和用于药品输送的微流阀，并可以作为力和pH传感器。

附图说明

图1为本发明实施例1的夹持器截面图。

图2为本发明实施例1的夹持器工艺步骤图。

图3为本发明实施例1整体结构俯视示意图。

图4为本发明实施例2夹持器截面图。

图5为本发明实施例3夹持器截面图。

图6为本发明实施例4夹持器截面图。

图7为本发明实施例5夹持器截面图。

具体实施方式

如图1、3所示，本发明的基本结构为4个可集成于硅基底的NAFION微悬臂梁(金/NAFION/金的夹层结构组成)，具体为在两层金膜2之间加设一层NAFION膜3构成单个悬臂梁，构成可用于细胞抓取的微型细胞夹持器；其中：每层金膜2的厚度为：0.1微米，NAFION膜3为0.2微米。

为了顺应细胞微操作的发展趋势，微型化的NAFION执行器必须采用新的薄膜材料(小于1微米)。NAFION微型细胞夹持器的制备采用MEMS平面光刻工艺。其中：微型细胞夹持器的电极采用溅射金膜2，NAFION膜3涂覆的热处理在溅射上电极的过程中完成。采用氧等离子体刻蚀技术实现对NAFION膜3的图形加工，并以湿法刻蚀的上金膜2电极作为掩膜。最后的PARYLENE保护层沉积在除电极引线和微执行器悬臂梁之外的整个芯片上。本发明可采用MEMS加工工艺制备，具体操作如下(参见图2)：

1)采用已知热氧化技术，在硅基底4上生长2微米的氧化层7(SiO₂)作为绝缘层；

2)蒸发铝，并用已知化学湿法刻蚀获得微图形作为牺牲层8；厚度为1微米；

3)采用溅射法沉积金膜2作为下电极，利用已知Lift-off悬浮技术同时实现图形微加工；厚度为0.1微米；

4)采用涂覆工艺制备NAFION膜3，厚度由涂覆的旋转速度和溶液的浓度决定，本实施例为0.2微米；其NAFION溶液为

SE-5012，将溶剂自然挥发可达到提高溶液浓度的目的；

5)采用溅射法沉积金膜2作为上电极，利用已知化学湿法刻蚀进行图形微加工；厚度为100纳米；

6)采用氧等离子体刻蚀技术、以上电极为掩膜对NAFION膜3进行微图形加工；

7)利用已知化学湿法刻蚀(磷酸、室温，磷酸的加入方法为现有技术)去牺牲层，最后经已知Critical Dryer工艺获得空气中的金/NAFION/金夹层悬臂梁结构。

芯片的封装使夹持器一面在液体环境，而电压驱动部分则被隔离为干燥环境，便于夹持器系统的集成。

本发明技术指标：

结构尺寸：总厚度400纳米(其中每层金膜2的厚度为：0.1微米，NAFION膜3为0.2微米)，宽度200、300微米，长宽比为5:1。

在水中驱动工作电压≤5V，最大为5V。

本发明工作原理：

基于NAFION的离子导电特性，在电场作用下，沿电场方向移动的离子同时携带薄膜中的部分水分子，从而形成沿电场方向分布的应力梯度并产生相应的应变。NAFION聚合体薄膜微夹持器具有工作电压低、变形大、无需特殊液体工作环境等特点，因而可望被应用于细胞微操作相关的很多场合。现有的NAFION商用厚膜执行器由于薄膜的厚度较大(200微米)，不便于实现器件的微型化；而其他材料的微执行器大都工作在干燥环境或富离子液体中，不便用于细胞的微操作。本发明新型的、在低温和弱电场条件下工作的、可应用于细胞捕获和旋转操作的聚合体材料微细胞夹持器。

另外，改变它所在液体环境的pH值，NAFION微夹持器也可驱动。

本发明中的NAFION聚合体夹持器可在液体中工作，只需要外加电场驱动，具有相对大的位移和输出力，可实现安全、可靠和柔性操作。

实施例2

与实施例1不同之处在于(参见图4)：

1)在硅基底4上生长1微米的氧化层7作为绝缘层；

2)溅射铝，厚度为0.5微米；

3)采用溅射法沉积金膜2作为下电极，利用已知Lift-off悬浮技术同时实现图形微加工；厚度为0.5微米；

4)NAFION膜3厚度为0.5微米；

其中：在步骤3)前采用电子束蒸发(e-beam evaporation)技术依次沉积二氧化硅层5及铬(或钛)层6，步骤3)利用Lift-off(悬浮)技术同时实现二氧化硅、铬(或钛)及下电极薄膜的微图形加工；其中二氧化硅层5主要用来增加悬臂梁的固定端与基底的接触面并增加其机械强度，铬(或钛)作为改善金和二氧化硅之间的粘附层，铬(或钛)厚度为500纳米。

实施例3

与实施例3不同之处在于(参见图5)：

1)在硅基底4上生长2微米的氧化层7作为绝缘层；

2)溅射铝，厚度为0.7微米；

3)采用溅射法沉积金膜2作为下电极，利用已知Lift-off悬浮技术同时实现图形微加工；厚度为0.15微米；

4)NAFION膜3厚度为0.3微米；

其中：在步骤7)前，在室温下沉积PARYLENEN-C膜1于上下电极及其与上下电极相连的连线上，厚为0.5微米，目的在于保护其覆盖的电极及连线免受溶液的侵蚀；步骤6)以光刻胶AZ5214作为掩膜，采用氧等离子体刻蚀技术进行微图形加工。

实施例4

与实施例3不同之处在于：

如图6所示，本发明在步骤3)前采用电子束蒸发(e-beam evaporation)技术单独沉积二氧化硅层5、铬或钛层6，本实施例单独沉积二氧化硅层5；且2个硅基底的NAFION微悬臂梁(金/NAFION/金的夹层结构)。

实施例5

与实施例1不同之处在于：在步骤7)前，在室温下沉积PARYLENEN-C膜1于上下电极及其与上下电极相连的连线上，厚为0.6微米(参见图7)。

Claims

1.一种基于聚合体薄膜微型细胞夹持器，其特征在于：具有多个悬臂梁，每个悬臂梁均为两层金膜材料之间加设一层聚合体膜材料的三层结构，其一端作为固定端与基底连接；在基底与金膜材料之间设有氧化层；所述聚合体为NAFION。

2.按照权利要求1所述基于聚合体薄膜微型细胞夹持器，其特征在于：在氧化层与金膜材料之间加设二氧化硅和/或M层，其中M为铬或钛。

3.按照权利要求1或2所述基于聚合体薄膜微型细胞夹持器，其特征在于：其中所述基底为硅材料。

4.按照权利要求1或2所述基于聚合体薄膜微型细胞夹持器，其特征在于：所述悬臂梁个数3～5。

5.一种基于聚合体薄膜微型细胞夹持器的制备工艺，其特征在于按如下步骤操作：

4)采用涂覆工艺制备NAFION膜，厚度为0.2～0.5微米；

6)采用氧等离子体刻蚀技术、以上电极为掩膜对NAFION膜进行微图形加工；

7)利用化学湿法刻蚀去牺牲层，最后经Critical Dryer工艺获得空气中的两个金属夹层之间加设一层聚合体膜材料的夹层悬臂梁结构；所述聚合体膜材料为NAFION。

6.按照权利要求5所述基于聚合体薄膜微型夹持器的制备工艺，其特征在于：在步骤3)前采用电子束蒸发技术依次沉积二氧化硅和/或M层，其中M层为铬或钛；步骤3)利用Lift-off悬浮技术同时实现二氧化硅和/或M层及下电极两层薄膜的微图形加工；其中二氧化硅的厚度0.5～1微米，铬或钛厚度为200～500纳米，下电极厚度为0.05～0.15微米。

7.按照权利要求5或6所述基于聚合体薄膜微型夹持器的制备工艺，其特征在于：步骤6)以光刻胶AZ5214作为掩膜，采用氧等离子体刻蚀技术进行微图形加工；在步骤7)前沉积PARYLENE-C薄膜于电极及其连线上，厚度为0.4～0.6微米。

8.按照权利要求5所述基于聚合体薄膜微型夹持器的制备工艺，其特征在于：步骤4)采用涂覆工艺制备NAFION膜所采用的NAFION溶液为SE-5012。

9.按照权利要求5所述基于聚合体薄膜微型夹持器的制备工艺，其特征在于：所述悬臂梁个数目为3-5。