專利名稱：一種基于聚合體薄膜微型細胞夾持器及制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是用于細胞操作的新型微夾持器，具體地說是一種基于聚合體(NAFION)薄膜微型細胞夾持器及制備工藝。
背景技術(shù)：
生物實體的微操作是當今生物技術(shù)研究中提出的一項重要需求。目前對生物細胞進行的操作(如抓取和物質(zhì)注入)仍然主要是利用傳統(tǒng)的微吸管吸附，細胞壁容易因吸力過大被損壞，而且微吸管吸附無法實現(xiàn)細胞的旋轉(zhuǎn)。然而，現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展已要求在細胞注入時選擇注入路徑并實現(xiàn)注入物(如RNA)在細胞中的定位，從而控制細胞的相應(yīng)反應(yīng)，這就對細胞微操作提出了更高的要求，即抓持細胞的同時必須旋轉(zhuǎn)細胞。微吸管操作的不足使人們致力于研究極具潛力取而代之的MEMS微執(zhí)行器，它最終可以和成熟的機器人技術(shù)集成為先進而易于操作的系統(tǒng)。但是，現(xiàn)有的MEMS微執(zhí)行器因輸出力、位移和工作環(huán)境的局限，只能應(yīng)用于很小的特定范圍。靜電、壓電、熱和電磁等各種致動原理的執(zhí)行器都有各自的弊端，例如，靜電和壓電致動位移有限(如彎曲范圍在π/10弧度)。電磁致動的執(zhí)行器要求有一個很大的磁場驅(qū)動，目前還難以獲得一個可集成的能產(chǎn)生很大磁場的微磁體來實現(xiàn)這種微執(zhí)行器。而熱致動可產(chǎn)生大的力和形變，卻需要較大功率，因而可能影響環(huán)境溫度。更重要的是，大多數(shù)現(xiàn)有的MEMS執(zhí)行器只能在干燥的環(huán)境中進行操作，不適合用于液體中生物微操作。雖然熱致動的執(zhí)行器可以工作在液體環(huán)境，但由于熱損失，因而會對環(huán)境和操作對象產(chǎn)生影響，并需要較大的功耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種可用于細胞的微操作、小體積、低功耗的水中電壓驅(qū)動的基于聚合物微型細胞夾持器及制備工藝。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下所述基于聚合物微型細胞夾持器具有多個懸臂梁，用以實現(xiàn)細胞的抓取和夾持，每個懸臂梁均為兩層金膜材料之間加設(shè)一層聚合體膜材料的三層結(jié)構(gòu)，其一端作為固定端與基底連接；在基底與金膜材料之間設(shè)有氧化層；所述聚合體為NAFION；另外，在氧化層與金膜材料之間加設(shè)二氧化硅和/或M層，其中M為鉻或鈦；其中所述基底為硅材料；所述懸臂梁個數(shù)3～5為佳。
其制備工藝1)采用熱氧化技術(shù)，在硅基底上生長1～2微米的氧化層作為絕緣層；2)蒸發(fā)或濺射鋁，并用化學(xué)濕法刻蝕獲得微圖形作為犧牲層；厚度為0.5～1微米；3)采用濺射法沉積金膜作為下電極，利用Lift-off懸浮技術(shù)同時實現(xiàn)圖形微加工；厚度為0.05～0.15微米；4)采用涂覆工藝制備NAFION膜，厚度由涂覆的旋轉(zhuǎn)速度和溶液的濃度決定，可以為0.2～0.5微米；NAFION溶液采用DupontSE-5012，將溶劑自然揮發(fā)可達到提高溶液濃度的目的；5)采用濺射法沉積金膜作為上電極，利用化學(xué)濕法刻蝕進行圖形微加工；厚度為80～100納米；6)采用氧等離子體刻蝕技術(shù)、以上電極為掩膜對NAFION薄膜進行微圖形加工；7)利用化學(xué)濕法刻蝕(可在磷酸室溫條件下)去犧牲層，最后經(jīng)CriticalDryer工藝獲得空氣中的金/NAFION/金夾層懸臂梁結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明夾持器工藝和結(jié)構(gòu)的改進1.在步驟3)前采用電子束蒸發(fā)(e-beam evaporation)技術(shù)依次沉積二氧化硅和/或M層(其中M為鉻或鈦)，步驟3)利用Lift-off(懸浮)技術(shù)同時實現(xiàn)氧化層及鉻或鈦層兩層薄膜的微圖形加工；其中二氧化硅層的厚度0.5～1微米，主要用來增加懸臂梁的固定端與基底的接觸面并增加其機械強度；鉻或鈦作為改善金和二氧化硅之間的粘附層，厚度為200～500納米；2.步驟6)以光刻膠AZ5214作為掩膜，采用氧等離子體刻蝕技術(shù)進行微圖形加工；在步驟7)前沉積PARYLENEN-C薄膜于電極及其連線上，0.4～0.6微米，目的在于保護其覆蓋的電極及連線免受溶液的侵蝕。
本發(fā)明的優(yōu)點在于1.本發(fā)明采用涂覆的NAFION材料薄膜，其厚度小于1微米，使相應(yīng)的微型細胞夾持器可集成，具有體積小、功耗低等優(yōu)點。
2.可在液體工作環(huán)境中用于細胞的微操作。為了使電極及相應(yīng)連線免受溶液的侵蝕，本發(fā)明特別設(shè)計的PARYLENE材料薄膜鍍層起保護作用。
3.本發(fā)明的微型細胞夾持器無需磁場(只需要外加電場驅(qū)動)，驅(qū)動電壓低，電致動位移量大，懸臂梁自由端可與初始位置呈90度，遠遠大于現(xiàn)有其他技術(shù)的微執(zhí)行器。另外，輸出力也大，可實現(xiàn)安全、可靠和柔性操作。
4.通過改變?nèi)芤旱膒H值可以使本發(fā)明的夾持器產(chǎn)生夾持動作。
5.應(yīng)用范圍寬。本發(fā)明中的NAFION聚合體執(zhí)行器可在液體中工作，它不僅且對液體工作環(huán)境無特殊要求，適用于細胞的微操作，還可應(yīng)用于基于化學(xué)和用于藥品輸送的微流閥，并可以作為力和pH傳感器。


圖1為本發(fā)明實施例1的夾持器截面圖。
圖2為本發(fā)明實施例1的夾持器工藝步驟圖。
圖3為本發(fā)明實施例1整體結(jié)構(gòu)俯視示意圖。
圖4為本發(fā)明實施例2夾持器截面圖。
圖5為本發(fā)明實施例3夾持器截面圖。
圖6為本發(fā)明實施例4夾持器截面圖。
圖7為本發(fā)明實施例5夾持器截面圖。
具體實施例方式
如圖1、3所示，本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)為4個可集成于硅基底的NAFION微懸臂梁(金/NAFION/金的夾層結(jié)構(gòu)組成)，具體為在兩層金膜2之間加設(shè)一層NAFION膜3構(gòu)成單個懸臂梁，構(gòu)成可用于細胞抓取的微型細胞夾持器；其中每層金膜2的厚度為0.1微米，NAFION膜3為0.2微米。
為了順應(yīng)細胞微操作的發(fā)展趨勢，微型化的NAFION執(zhí)行器必須采用新的薄膜材料(小于1微米)。NAFION微型細胞夾持器的制備采用MEMS平面光刻工藝。其中微型細胞夾持器的電極采用濺射金膜2，NAFION膜3涂覆的熱處理在濺射上電極的過程中完成。采用氧等離子體刻蝕技術(shù)實現(xiàn)對NAFION膜3的圖形加工，并以濕法刻蝕的上金膜2電極作為掩膜。最后的PARYLENE保護層沉積在除電極引線和微執(zhí)行器懸臂梁之外的整個芯片上。本發(fā)明可采用MEMS加工工藝制備，具體操作如下(參見圖2)1)采用已知熱氧化技術(shù)，在硅基底4上生長2微米的氧化層7(SiO2)作為絕緣層；
2)蒸發(fā)鋁，并用已知化學(xué)濕法刻蝕獲得微圖形作為犧牲層8；厚度為1微米；3)采用濺射法沉積金膜2作為下電極，利用已知Lift-off懸浮技術(shù)同時實現(xiàn)圖形微加工；厚度為0.1微米；4)采用涂覆工藝制備NAFION膜3，厚度由涂覆的旋轉(zhuǎn)速度和溶液的濃度決定，本實施例為0.2微米；其NAFION溶液為DupontSE-5012，將溶劑自然揮發(fā)可達到提高溶液濃度的目的；5)采用濺射法沉積金膜2作為上電極，利用已知化學(xué)濕法刻蝕進行圖形微加工；厚度為100納米；6)采用氧等離子體刻蝕技術(shù)、以上電極為掩膜對NAFION膜3進行微圖形加工；7)利用已知化學(xué)濕法刻蝕(磷酸、室溫，磷酸的加入方法為現(xiàn)有技術(shù))去犧牲層，最后經(jīng)已知Critical Dryer工藝獲得空氣中的金/NAFION/金夾層懸臂梁結(jié)構(gòu)。
芯片的封裝使夾持器一面在液體環(huán)境，而電壓驅(qū)動部分則被隔離為干燥環(huán)境，便于夾持器系統(tǒng)的集成。
本發(fā)明技術(shù)指標結(jié)構(gòu)尺寸總厚度400納米(其中每層金膜2的厚度為0.1微米，NAFION膜3為0.2微米)，寬度200、300微米，長寬比為5∶1。
在水中驅(qū)動工作電壓≤5V，最大為5V。
本發(fā)明工作原理基于NAFION的離子導(dǎo)電特性，在電場作用下，沿電場方向移動的離子同時攜帶薄膜中的部分水分子，從而形成沿電場方向分布的應(yīng)力梯度并產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變。NAFION聚合體薄膜微夾持器具有工作電壓低、變形大、無需特殊液體工作環(huán)境等特點，因而可望被應(yīng)用于細胞微操作相關(guān)的很多場合?，F(xiàn)有的NAFION商用厚膜執(zhí)行器由于薄膜的厚度較大(200微米)，不便于實現(xiàn)器件的微型化；而其他材料的微執(zhí)行器大都工作在干燥環(huán)境或富離子液體中，不便用于細胞的微操作。本發(fā)明新型的、在低溫和弱電場條件下工作的、可應(yīng)用于細胞捕獲和旋轉(zhuǎn)操作的聚合體材料微細胞夾持器。
另外，改變它所在液體環(huán)境的pH值，NAFION微夾持器也可驅(qū)動。
本發(fā)明中的NAFION聚合體夾持器可在液體中工作，只需要外加電場驅(qū)動，具有相對大的位移和輸出力，可實現(xiàn)安全、可靠和柔性操作。
實施例2與實施例1不同之處在于(參見圖4)1)在硅基底4上生長1微米的氧化層7作為絕緣層；2)濺射鋁，厚度為0.5微米；3)采用濺射法沉積金膜2作為下電極，利用已知Lift-off懸浮技術(shù)同時實現(xiàn)圖形微加工；厚度為0.5微米；4)NAFION膜3厚度為0.5微米；其中在步驟3)前采用電子束蒸發(fā)(e-beam evaporation)技術(shù)依次沉積二氧化硅層5及鉻(或鈦)層6，步驟3)利用Lift-off(懸浮)技術(shù)同時實現(xiàn)二氧化硅、鉻(或鈦)及下電極薄膜的微圖形加工；其中二氧化硅層5主要用來增加懸臂梁的固定端與基底的接觸面并增加其機械強度，鉻(或鈦)作為改善金和二氧化硅之間的粘附層，鉻(或鈦)厚度為500納米。
實施例3與實施例3不同之處在于(參見圖5)1)在硅基底4上生長2微米的氧化層7作為絕緣層；2)濺射鋁，厚度為0.7微米；3)采用濺射法沉積金膜2作為下電極，利用已知Lift-off懸浮技術(shù)同時實現(xiàn)圖形微加工；厚度為0.15微米；4)NAFION膜3厚度為0.3微米；其中在步驟7)前，在室溫下沉積PARYLENEN-C膜1于上下電極及其與上下電極相連的連線上，厚為0.5微米，目的在于保護其覆蓋的電極及連線免受溶液的侵蝕；步驟6)以光刻膠AZ5214作為掩膜，采用氧等離子體刻蝕技術(shù)進行微圖形加工。
實施例4與實施例3不同之處在于如圖6所示，本發(fā)明在步驟3)前采用電子束蒸發(fā)(e-beam evaporation)技術(shù)單獨沉積二氧化硅層5、鉻或鈦層6，本實施例單獨沉積二氧化硅層5；且2個硅基底的NAFION微懸臂梁(金/NAFION/金的夾層結(jié)構(gòu))。
實施例5與實施例1不同之處在于在步驟7)前，在室溫下沉積PARYLENEN-C膜1于上下電極及其與上下電極相連的連線上，厚為0.6微米(參見圖7)。
權(quán)利要求
1.一種基于聚合體薄膜微型細胞夾持器，其特征在于具有多個懸臂梁，每個懸臂梁均為兩層金膜材料之間加設(shè)一層聚合體膜材料的三層結(jié)構(gòu)，其一端作為固定端與基底連接；在基底與金膜材料之間設(shè)有氧化層；所述聚合體為NAFION。
2.按照權(quán)利要求1所述基于聚合體薄膜微型細胞夾持器，其特征在于在氧化層與金膜材料之間加設(shè)二氧化硅和/或M層，其中M為鉻或鈦。
3.按照權(quán)利要求1或2所述基于聚合體薄膜微型細胞夾持器，其特征在于其中所述基底為硅材料。
4.按照權(quán)利要求1或2所述基于聚合體薄膜微型細胞夾持器，其特征在于所述懸臂梁個數(shù)3～5為佳。
5.一種基于聚合體薄膜微型細胞夾持器的制備工藝，其特征在于按如下步驟操作1)采用熱氧化技術(shù)，在硅基底上生長1～2微米的氧化層作為絕緣層；2)蒸發(fā)或濺射鋁，并用化學(xué)濕法刻蝕獲得微圖形作為犧牲層；厚度為0.5～1微米；3)采用濺射法沉積金膜作為下電極，利用Lift-off懸浮技術(shù)同時實現(xiàn)圖形微加工；厚度為0.05～0.15微米；4)采用涂覆工藝制備NAFION膜，厚度為0.2～0.5微米；5)采用濺射法沉積金膜作為上電極，利用化學(xué)濕法刻蝕進行圖形微加工；厚度為80～100納米；6)采用氧等離子體刻蝕技術(shù)、以上電極為掩膜對NAFION膜進行微圖形加工；7)利用化學(xué)濕法刻蝕去犧牲層，最后經(jīng)Critical Dryer工藝獲得空氣中的金/NAFION/金夾層懸臂梁結(jié)構(gòu)。
6.按照權(quán)利要求5所述基于聚合體薄膜微型執(zhí)行器的制備工藝，其特征在于在步驟3)前采用電子束蒸發(fā)技術(shù)依次沉積二氧化硅和/或M層，其中M層為鉻或鈦；步驟3)利用Lift-off懸浮技術(shù)同時實現(xiàn)二氧化硅和/或M層及下電極兩層薄膜的微圖形加工；其中二氧化硅的厚度0.5～1微米，鉻或鈦厚度為200～500納米，下電極厚度為0.05～0.15微米。
7.按照權(quán)利要求5或6所述基于聚合體薄膜微型執(zhí)行器的制備工藝，其特征在于步驟6)以光刻膠AZ5214作為掩膜，采用氧等離子體刻蝕技術(shù)進行微圖形加工；在步驟7)前沉積PARYLENEN-C薄膜于電極及其連線上，0.4～0.6微米。
8.按照權(quán)利要求5所述基于聚合體薄膜微型執(zhí)行器的制備工藝，其特征在于步驟4)采用涂覆工藝制備NAFION膜所采用的NAFION溶液為DupontSE-5012。
9.按照權(quán)利要求5所述基于聚合體薄膜微型執(zhí)行器的制備工藝，其特征在于所述懸臂梁個數(shù)目以3-5為佳。
全文摘要
本發(fā)明提出一種MEMS工藝制備的用于細胞夾持的基于聚合體薄膜微型細胞夾持器。該夾持器可具有多個懸臂梁結(jié)構(gòu)(類同手爪結(jié)構(gòu))。每個懸臂梁使用涂覆工藝構(gòu)成由金/NAFION/金的三層結(jié)構(gòu)，懸臂梁一端作為固定端與基底連接。它可以工作在普通的水溶液中。在電極及連線上使用PARYLENE C薄膜作為保護，使被其覆蓋的結(jié)構(gòu)免受周圍溶液的侵蝕。相比目前商用的NAFION膜構(gòu)成的微執(zhí)行器及其他現(xiàn)有技術(shù)構(gòu)成的微夾持器，本微夾持器不僅體積小(結(jié)構(gòu)尺寸約為200μm×800μm×200nm)，致動位移大(可卷曲)，而且工作電壓低、功耗小。
文檔編號C12M1/00GK1710056SQ20041002077
公開日2005年12月21日 申請日期2004年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月16日
發(fā)明者李文榮, 周文利 申請人:中國科學(xué)院沈陽自動化研究所