基于SU-8胶的微针执行器的研制

　　1　引　　言[1]

　　生化微系统一直是BioMEMS研究的热点,而生化样品的采样和计量是其中重要的环节之一。设计和制作了一种微针执行器,可用于生化样品的采集和计量。微针的结构主要由SU-8胶构成,采用MEMS加工工艺制作。SU-8胶是一种负性的、还氧树脂型的、近紫外的光刻胶,它具有良好的力学特性、抗化学腐蚀性和热稳定性,而且不导电,由SU-8胶制成的结构深宽比好。因此,SU-8胶经常被用于制作电铸的模具。所介绍的微针执行器,不仅用SU-8胶来制作电铸模具,而且把它作为整体结构的主要材料,工艺简单,在几何形状和力学特性上都较传统加工手段有很大的改进。下面将详细地介绍此微针执行器的结构、原理和制作工艺。

　　2　微针总体结构和原理[1,2]

　　微针结构如图1所示,以SU-8胶为主要材料,利用MEMS技术制作微针、微通道和反应室;微针伸出在硅基片外,通过微通道与反应室相连,三者连成一体;硅基片上沉积有氮化硅绝缘层;在反应室的上部制作有一层金膜,其上是一层SU-8胶薄膜,在这层薄膜的缝隙里,通过金膜铸有CoNiMnP微型永磁阵列。利用外部可控的电磁场对微型永磁阵列作用,可实现隔膜的上下运动,达到控制反应室的体积发生变化,实现微量取样和送样的目的。

　　3　微针工艺设计方案

　　整个工艺过程共分为10步。

　　第1步,在硅片上沉积一层3000 氮化硅,再涂一层20μm的SU-8胶作为绝缘层。

　　第2步,在绝缘层上蒸一层金,并刻出图形,作为电铸的种子层。

　　第3步,涂一层20μm厚的SU-8胶,并制作出如图2所示的结构,既作为电铸的模具,又是微针结构的一部分。

　　第4步,在制作好的模具里电铸CoNiMnP作为牺牲层,如图3所示。

　　第5步,再蒸一层金,并刻出图形,作为电铸永磁阵列的种子层。

　　第6步,再涂一层20μm厚的SU-8胶,并制作出如图4所示的结构。

　　第7步,在图4所示的缝隙中,电铸CoNiMnP作为永磁阵列[3]。

　　第8步,在永磁阵列上涂一层3000 的负胶,作为永磁阵列的保护层,以免在下一步去除金属牺牲层的过程中被损害。

　　第9步,用稀硝酸去除第四步电铸的金属牺牲层。

　　第10步,腐蚀掉针尖下方的硅,使针尖伸出于基片外,整个微针成型,如图5所示。

　　4　工艺特点和难点

　　该设计的工艺流程方案具有以下特点。

　　(1)采用SU-8胶作为主要加工材料,SU-8胶制作的结构既可以用作电铸的模具,又是微针的主要组成部分,一举两得。

　　(2)用电铸的CoNiMnP作为牺牲层,经过多次试验,发现这种牺牲层,不仅非常平整致密,而且在稀硝酸的作用下能够很快的去除,没有残留。