MEMS微针制备及其应用研究的进展

    微型化、集成化、智能化是科技发展的主要趋势之一。微电子机械系统(MEMS)是实现仪器设备微型化、集成化、智能化的重要手段,因此,MEMS技术成为科技界的研究热点。就MEMS技术的众多技术方向而言,生物MEMS是MEMS研究中应用潜力较大,技术优势较为显著的研究方向之一,其中基于MEMS微针的微系统是MEMS生物医学应用研究的典型器件。

    微针是直径为几十微米,长度在100μm以上的针状结构[1]。微针在生物医学领域有广泛应用。采用微针阵列给药或采样,不仅具有微量、无痛的特点,且可使生化检验的精度、可靠性和效率大幅度提高。微针和MEMS中的微流体、微分析系统相结合,可实现生化检测分析的微型化和集成化。

    有关微针的制备方法和应用研究的报道^[2-5]较多,随着近年来相关研究的进一步深入,又有一些新型的微针制备方法被陆续开发,尤其在应用研究方面取得了长足进步。本文简要介绍和分析了微针在制备和应用两方面所取得的新进展。

    1　微针的制备

    1.1　金属微针

    金属材料具有良好的机械物理特性,因此金属微针的力学性能易于确保,工作有效性好,适合批量化制备,金属是微针应用的理想材料。目前加工金属微针的主要方法有激光切割、电镀和超精密机械加工[2]。

    Kabseog Kim等[6]在UV-LIGA技术的基础上开发了基于背面衍射曝光制作金属微针阵列的新方法,如图1所示。本文成功地将微针阵列和流体集成在一起,并对流体的流速进行了测试。

    采用该法可制备带储液池的中空金属微针阵列,微流控芯片与其相集成所构成的微系统在生物医学采样、分析与诊断方面具有独特的作用。该法的不足是微针的倾斜可调范围十分有限;同时,SU-8胶去除困难,现有的去胶方法都对金属存在一定的损伤。

    1.2　Si和二氧化硅(SiO2)微针

    Si材料具有良好的机电、传感特性,资源丰富,且硅微细加工技术已成熟,所以硅微针受到人们的格外青睐。

    Si微针主要利用各向同性和各向异性刻蚀工艺来制备^[3],刻蚀过程的控制一直是一个难点。N.Wilke等人[7]利用计算机软件对刻蚀进行了模拟,优化了微针制作工艺。

    Takayuki Shibata等人^[8]利用深层反应离子刻蚀的冲孔效应制作出了顶部为半球形的空心SiO2微针阵列,如图2所示。图3为制备微针的工艺流程。首先通过湿法氧化在Si片两面形成SiO2层,对正面的SiO2层进行图形化(见图3(a));接着进行深反应离子刻蚀,当Si片被刻穿时,SiO2层阻止了刻蚀,刻蚀只能向其他方向进行,从而形成半球形结构,这就是冲孔效应(见图3(b));再对Si片进行氧化,去除底部的SiO2层(见图3(c)),最后刻蚀Si片得到微针阵列(见图3(d))。该法充分利用Si深刻蚀能力及硅和SiO2两种材料间的选择性加工得到批量化中空SiO2微针阵列,剩余的Si成为SiO2微针的支撑体,并可进一步与微流体系统键合集成。该法需进一步验证SiO2的力学性能及生物相容性。