[发明专利]一种电致热驱动微执行器及制备工艺

说明书

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