CN101195472A - 一种电致热驱动微执行器及制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微机器人技术在细胞操作和分离方面的应用技术，具体地说是一种采用Parylene C聚合材料和电致热材料钛和铂构成的可在液体环境中实现细胞夹持操作的电致热驱动微执行器及制备工艺。该执行器为固定在硅基底上的多悬臂梁结构，每个悬臂梁为parylene C夹持电致热材料的三层结构。其加工工艺采用MEMS平面印刷技术。本发明具有可电热制动效果，parylene C作为热/电/液体隔离材料，可使电致热材料构成的加热器不暴露在液体里，因而具有良好的生物适用性和液体环境适应性；可以在控制温度的方式下实现对细胞的操作和分离，可为细胞的定位探测、注射和测量提供自动化操作应用。
Description
技术领域
本发明涉及微机器人技术在细胞操作和分离方面的应用技术，具体地说是一种采用Parylene C聚合材料和电致热材料钛和/或铂构成的电致热驱动微执行器及制备工艺，可在液体环境中通过低电压产生电致热实现细胞夹持操作。
背景技术
微机器人技术在细胞操作和分离方面的潜在应用已引起越来越多的关注。生物学家在将DNA或营养物注入细胞之前，常常使用吸管来进行细胞的分离。然而，这种方法受细胞尺寸的限制，例如，如果细胞与吸管的内径相比太小，那么一簇细胞会在不经意间被吸到吸管里。另外，吸管不能被用来旋转细胞，而这在细胞注射的过程中是很必要的。
在现有技术用于细胞操作的MEMS微执行器的应用中，由于位移、力的输出、工作环境等条件约束而受到限制，即当夹持器上的电势达到2V以上时水将电解，因此不适合用于液体环境；而目前微型磁执行器依然需要独立的磁源来驱动；另一方面，热执行器虽然可以产生大的力和位移，但会对周围环境的温度产生影响，现有的热执行器需要高达数伏的工作电压，工作温度大约为260℃，这样高的温度会杀死细胞，因此在实际细胞操作中受到很大限制。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的是提供一种能在液体的环境下以一种低散热、低电压的电致热驱动控制方式实现对细胞的操作和分离，可为细胞的定位探测，注射和测量提供自动化操作应用的电致热驱动微执行器(Micro Heating Drive Actuator)。
本发明技术方案如下：
所述电致热驱动微执行器为固定在硅基底上的多个悬臂梁结构，每个悬臂梁为Parylene C(一种聚合材料)夹持电致热材料的三层结构；所述两层parylene C沉淀厚度不同，一层为为0.35μm±0.01μm，另一层为paryleneC0.25μm±0.01μm；
所述电致热材料采用铂，沉淀厚度为0.2μm±0.005μm；所述悬臂梁个数为至少2个。
其电致热驱动微执行器的制备工艺：采用MEMS平面印刷技术，具体加工工艺如下：
1)首先在硅芯片上使用
光照条件生长氧化硅层作为基底；
2)涂光致抗蚀剂于硅基底所需部位上，这一层作为执行器的牺牲层；
3)第一层Parylene C沉淀在光致抗蚀剂制成的牺牲层上方，沉淀厚度为0.35μm±0.01μm，并用影印石版术定型，用氧化等离子体刻蚀；
4)将电致热材料喷溅到第一层上方，作为夹持器的第二层，即加热层；
5)再将作为第三层的Parylene C以步骤3所述方式定型于第二层的上方，沉淀厚度为0.25μm±0.01μm；
6)最后释放刻蚀光致抗蚀剂即可。
其中所述涂光致抗蚀剂涂敷厚度可以为1μm～1.8μm；所述Parylene C沉淀厚度分别为0.35μm±0.01μm和0.25μm±0.01μm；所述铂沉淀厚度可以为0.2μm±0.005μm。
本发明具有如下优点：
1.本发明是一种生物兼容的电致热驱动微执行器，采用Parylene C作为结构层，它适于作为热/电/液体隔离材料，使金属加热器不暴露在液体里，以减低散热。
2.本发明电致热驱动微执行器采用生物兼容的Parylene C作为结构层，具有相对大的热膨胀系数，因而较小能量可产生较大的位移输出。
3.由于本发明电致热驱动微执行器有相对低的扬氏模量，因此执行器不易破裂。
4.本发明电致热驱动微型执行器在水中的驱动电压小于等于2V，具有生物适用性；功耗小于100mW，工作温度小于70℃，在电离和非电离的环境下都可工作，适合应用于液体环境。
5.采用本发明可以在可控的方式下实现对细胞的操作和分离，可为细胞的定位探测、注射和测量提供自动化操作应用。
微执行器工作原理：铂的热膨胀系数为8.8×10-6/℃，而Parylene C的热膨胀系数为69×10-6/℃；当铂通电加热时，由于二者的热膨胀系数不一致，当铂通电致热时会产生很大的热应力，根据Hooke’s定律，该应力描述为
E是Parylene C的弹性模量，v是Parylene C的泊松比；εth＝∫(αf(T)-αs(T))dT是与材料的膨胀系数和温度变化量有关的热应变量。其中α是热膨胀系数。在设计加工中，铂两侧的两层Parylene C沉淀厚度不一样，在通电发热条件下可以产生不同的热膨胀力，因而悬臂梁会向应力小的一侧弯曲，两层加工厚度差可根据所需夹持运动的范围和灵敏度决定。设计中上层ParyleneC的薄膜主要用做绝缘层，因而设计加工比较薄，这样在悬臂梁通电加热时会向上弯曲，达到夹持细胞的作用。
附图说明
图1为本发明电致热驱动微型执行器悬臂梁结构示意图。
图2为图1中采用电致热材料的加热器层结构一个实施例示意图。
图3为图1中采用电致热材料的加热器层结构另一个实施例示意图。
图4为本发明一个实施例四指电致热驱动微型执行器俯视图。
图5为本发明热驱动微型执行器加工工艺步骤图。
图6为本发明热驱动微型执行器抓取螃蟹蛋进行操作的一个实施例使用状态图。
图7-1为本发明六指电致热驱动微执行器进行细胞捕获的一个使用状态图。
图7-2为本发明六指电致热驱动微执行器完成细胞捕获的一个使用状态图。
图8为本发明二指电致热驱动微执行器结构示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本发明电致热驱动微执行器具有可电热制动效果，可以设计加工成具有多个悬臂梁结构(手指)以完成构成细胞捕获、夹持等微操作。每个悬臂梁安装在硅基底上，为三层结构，以钛和铂为电阻发热材料，将钛和铂设于parylene C(一种聚合材料)之间；即由parylene C夹持钛和铂的三层结构构成一个悬臂梁。本实施例为4个悬臂梁(或手指)，参见图4。
其中：电阻发热材料可以为几字型结构或任何形状(参见图2、3)。
本发明热驱动微型执行器悬臂梁的最大工作温度为70℃，完全弯曲时的电压是2V。该微执行器可具有多个悬臂梁，用控制流经悬臂梁电流大小的方式实现夹持动作，完成对细胞的操作和分离。可应用于细胞的定位探测，注射和测量的自动化操作。其技术指标为：
水中的驱动电压(≤2V)，功耗(≤100mW)。
工作温度(≤70℃)。
具有生物适用性，在电离和非电离的环境下都可工作。
本发明热驱动微执行器加工工艺采用MEMS平面印刷技术，过程如下(如图5所示)：
先在硅芯片上使用
(可以
)的光照条件生长氧化硅作为基底1；
涂光致抗蚀剂(厚度为1μm～1.8μm，本实施例为1.4μm)于硅基底所需部位上，这一层作为执行器的牺牲层2；
将作为第一层3的parylene C(本实施例为0.35μm)，通过PDS 2010
2沉淀在光致抗蚀剂制成的牺牲层2上方，并用影印石版术定型，用氧化等离子体刻蚀；
将电致热材料钛和铂(分别沉积，总厚度为0.2μm，可以±0.005μm)喷溅到所述第一层3的上面，作为夹持器的第二层4(即电致热层)；
再将作为第三层3的parylene C以步骤3所述方式定型于第二层4(电致热材料，亦称电致热层)上方，厚度为0.25μm。
最后腐蚀掉牺牲层2的光致抗蚀剂即可。
用MEMS加工工艺，可以制作成四指微执行器，即4个悬臂梁结构。如图6所示，本发明电致热驱动微执行器可用于进行螃蟹蛋等微小细胞的抓取。它能以≤70℃的工作温度在水中可控驱动；即当电流流经电阻层时，电致热材料生热形成手指(悬臂梁)弯曲。在实施中可以对执行器的各手指实现电热控制。原理是：第一层和第三层的Parylene C设计加工厚度不一样，在电阻通电发热条件下可以产生不同的热膨胀力，因而悬臂梁会向应力小的一侧弯曲，两层加工厚度差可根据所需夹持运动的范围和灵敏度决定。上层(本实施例为第三层)的Parylene C的薄膜主要用做绝缘层，因而设计加工比较薄，在悬臂梁通电加热时会向上弯曲。同时parylene C作为热/电/化学隔离材料，可使电阻材料构成的加热器不暴露在液体里。因此，本发明可以安全完成更为柔性的细胞夹持动作，这在任何文章中都未见报道。
如图6所示，将本发明所述手指集成一个手爪，可以在加热条件下获得灵活的夹持动作，在细胞制备手术方面具有潜在的用途。
实施例2
本实施例为2个悬臂梁(或手指，参见图8)。其加工工艺与实施例1不同之处在于：
在硅芯片上使用的光照条件生长氧化硅作为基底1；涂光致抗蚀剂厚度为1.0μm于硅基底所需部位上；作为第一层3的parylene C厚度为0.35μm；电致热材料钛厚度为0.055μm，铂厚度为0.195μm。作为第三层3的parylene C厚度为0.24μm；
实施例3
本实施例为6个悬臂梁，其加工工艺与实施例1不同之处在于：
在硅芯片上使用的光照条件生长氧化硅作为基底1；涂光致抗蚀剂厚度为1.8μm于硅基底所需部位上；作为第一层3的parylene C厚度为0.35μm；电致热材料钛厚度为0.045μm，钛厚度为0.205μm。作为第三层3的parylene C厚度为0.26μm；
本实施例六指夹持器的两种使用状态如图7-1、7-2所示。本发明指数应根据实际应用而定。
Claims (7)
1.一种电致热驱动微执行器，其特征在于：为固定在硅基底上的多个悬臂梁结构，每个悬臂梁为paryleneC夹持电致热材料的三层结构；所述两层paryleneC沉淀厚度不同，一层为0.35μm±0.01μm，另一层为paryleneC0.25μm±0.01μm。
2.按照权利要求1所述电致热驱动微执行器，其特征在于：所述电致热材料采用金属铂和/或钛；沉淀厚度为0.2μm±0.005μm。
3.按照权利要求1所述电致热驱动微执行器，其特征在于：所述悬臂梁个数为至少2个。
4.一种电致热驱动微执行器的制备工艺，其特征在于：采用MEMS平面印刷技术，具体加工工艺如下：
1)首先在硅芯片上使用6000
±100
光照条件生长氧化硅层作为基底；
2)涂光致抗蚀剂于硅基底所需部位上，这一层作为执行器的牺牲层；
3)第一层paryleneC沉淀在光致抗蚀剂制成的牺牲层上方，沉淀厚度为0.35μm±0.01μm，并用影印石版术定型，用氧化等离子体刻蚀；
4)将金属铂和钛喷溅到第一层ParyleneC上方，作为夹持器的第二层，即电致热层；
5)再将作为第三层的paryleneC以步骤3所述方式定型于第二层的上方，沉淀厚度为0.25μm±0.01μm；
6)最后释放刻蚀光致抗蚀剂即可。
5.按照权利要求2所述电致热驱动微执行器的制备工艺，其特征在于：所述涂光致抗蚀剂涂敷厚度可以为1μm～1.8μm。
6.按照权利要求2所述电致热驱动微执行器的制备工艺，其特征在于：所述第一层paryleneC沉淀厚度为0.35μm±0.01μm，第二层paryleneC0.25μm±0.01μm。
7.按照权利要求2所述电致热驱动微执行器的制备工艺，其特征在于：所述钛和/或铂沉淀厚度为0.2μm±0.005μm。
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