随着科技的快速发展，微传感器的应用越来越普遍，然而，微传感器产品上的元器件需要在恶劣环境和酷热或者低温环境中工作，因此，需要特殊的防护工艺来帮助其产品提升防护作用。

Parylene薄膜具有柔韧的特性, 而且有较好的机械特性、低成本、易制作等优点。Parylene以其优良的电性能已经广泛应用在微电子产业和医疗产业中。Parylene是在真空气相沉积工艺下沉积而成, 透明且具有良好的机械强度, 材料无应力,与集成电路制造工艺相兼容, 同时具有很好的生物相容性。随着MEMS技术的进一步发展,Parylene镀膜工艺以其特有的优点越来越受到MEMS领域的青睐, 应用到从微结构到集成微流体系统中。同时, 微传感器(MEMS)的发展要求使用生物相容性的材料,这更促进了Parylene在可植入微系统等微传感器(MEMS)上的应用。

以下，百腾小编就来简单介绍Parylene在微传感器(MEMS)方面的应用，主要包括微阀、微泵和微通道等微流体系统以及人工耳蜗、视网膜假体等可植入微系统应用。

什么是Parylene？ 

聚对二甲苯 (Poly-para-xylylene 简称 parylene是一种高分子聚合物，又称为"派瑞林"。根据分子结构的不同，派瑞林原料C型、N型、D型、F型、AF4型，（Parylene Powder、聚对二甲苯）。

Parylene 通过真空气相沉积工艺，其Parylene原材料可以经由活泼的单体气体，聚合与物体表面上，不同于一般由液体涂层的方法制备。Parylene是以活性分子在真空的条件下与物件表面聚合一层完全披覆的薄膜，可涂装到任何形状的表面，且不产生死角，包括尖锐的棱角、隙缝内部与极细微的针孔中，膜厚可一致性的被覆在产品的任何部位，薄膜厚度由0.001mm-0.05mm。

 百腾科技派瑞林真空镀膜工艺原理图示

由于Parylene 具有许多良好的功能特色，例如镀膜环境在抽真空状态镀膜(镀膜后产品无残留残渣)、其镀膜工艺可精密的控制薄膜厚度与均匀性、抗酸碱、介电特性良好、无色高透明度等，因此被广泛应用与印刷电路板之电性隔绝、感测器或医疗仪器的防潮保护、以及金属镀膜的防蚀等。抽真空状态镀膜的特性使parylene 成为可配搭光阻牺牲层的结构镀膜材料。

在沉积过程中, 气态单体进入沉积腔室, 首先扩散至沉积表面附近, 吸附到各个表面后, 开始聚合和结晶, 直接形成固体, 避免了液相的出现, 消除了涂层厚度不均匀和其中的缺陷。通过真空气相沉积镀膜工艺能够渗透和涂覆非常复杂的几何图形的物体, 包括尖锐的棱边、裂缝里和内表面, 实现均匀的涂层。Parylene薄膜能在室温下涂覆, 具有较低的热应力, 整个操作过程简单, 沉积厚度由其应用所决定, 范围从几十个纳米到数十微米。

Parylene在微传感器(MEMS)领域的应用, 大多作为结构材料来使用。对于Parylene的涂形化, 为了与标准的表面微加工和体微加工技术兼容, 一般都采用干法刻蚀。像大多数聚合物一样, Parylene采用氧等离子体刻蚀。利用氧气和钝化气体等离子体刻蚀Parylene,从而获得具有很好形貌的Parylene高深宽比结构。

Parylene在微传感器(MEMS)的应用

以下主要对基于Parylene的微阀、微泵、微通道器件在近年来的发展作一介绍。

1.Parylene在微阀领域应用

阀门是实现流体控制的基本元件, 传统的微型阀可以分为被动阀和主动阀两种。阀座、硅树脂橡胶Parylene薄膜、加热芯片和后背板。阀座的设计能够防止微粒引起的泄漏, 选择合适的工作液体。微阀在进口压力为165 kPa时, 61mW的功率能够产生N2 1. 1 L /min的流速。

在进口压力为483 kPa时, 微阀没有任何的损坏。在输入功率为100 mW时, 膜产生了大于120μm的偏转。由硅树脂橡胶和Parylene薄膜组成的复合物膜, 有效地防止了蒸气的泄漏, 同时保证了薄膜具有较大的冲程。

Parylene薄膜的高性能止回阀。微阀具有扭曲型的Parylene膜, 当有流体顺流时, Parylene薄膜抬起, 允许流体通过; 当有流体逆时,Parylene薄膜封住了通道阻止其流动。该结构的微阀顺流冲破压力小于0. 5 kPa, 逆流的制止压力达600 kPa以上, 同时具有较低的反向泄漏, 性能非常好。由于Parylene较小的杨氏模量, 产生了较大的变形, 基本可以忽略由薄膜引起的流体阻抗。

第二种为单通道常闭微止回阀, 整个微阀和微通道都是由Parylene C制成的, 其结构为在圆形阀座上的一个圆形的密封板。密封板是固定在子腔薄膜的顶部中心, 由于大气压强使子腔压缩到底部, 从而获得微阀的闭合模式。这种新型的子腔结构是通过牺牲层结构的释放和在真空条件下Parylene薄膜的气相沉积来实现的。通过减小密封板和阀座的重叠面积和溅射金属金来减小静摩擦力, 从而减小顺流冲破压力。此种结构的微阀的顺流冲破压力为20～40 kPa, 在逆流压力为270 kPa也不会出现可见的泄露现象。

另一种能用热气驱动和静电驱动的微阀, 微阀薄膜采用Parylene制成, 相对于只有静电驱动的微阀, 驱动电压从幅值180 V降为45 V, 通过增加电压和减小电极之间的间距可以有效地减小反向泄漏。

2.Parylene在微泵领域应用

微型泵是微流动系统的一个重要执行器件。根据其有无可动阀片, 微型泵可分为有阀微型泵和无阀微型泵。

另一种单向阀型压电驱动微泵, 通过石蜡成型技术将隔膜设计为拱形, 同时微阀和隔膜由聚合物Parylene制成, 保证了隔膜较大的形变以产生较大的泵送效率。微泵采用压电薄膜来驱动Parylene拱形隔膜, 以此驱动两个Parylene微止回阀来实现泵送流体。实验表明, 该泵具有功率低(如对于5. 5 mm直径的隔膜, 工作频率在30 kHz, 泵送水速度为1μL /min, 功率仅为1 mW) 和批量加工的优点, 对于悬臂梁式微阀的微泵, 在400 Pa时, 有较小的泄漏产生, 而对于桥式微阀的微泵, 在反向压力为800 Pa时, 几乎没有泄漏产生。

3.Parylene在微通道中的应用

采用Parylene的热键合工艺来制作Parylene微通道, 首先采用深反应离子刻蚀制作硅微通道, 然后沉积Parylene C在硅微通道上, 同时Parylene沉积在纯铁片上, 在其上制作金电极, 在200 ℃真空箱内将Parylene键合, 剥去纯铁片以及采用特殊工艺释放Parylene 微通道。通过控制Parylene沉积的厚度,可以在相同的硅模微通道上制作不同深宽比的Parylene微通道, 同时也可以制作多层结构微通道。用此方法制作的各种微通道(所有微通道的内径为8 0 μm 宽、5 0 μm 深、壁厚为1 0 μm) 。通过此方法, 可以快速低成本地制作Parylene微通道, 并通过释放工艺可以获得很好的Parylene微通道, 同时可以重复使用硅模,广泛用于气相色谱分析等微流体系统分析中。

4.Parylene可植入微系统

Parylene作为可植入材料, 主要是由于材料本身良好的生物相容性。生物体内复杂的体液环境,会腐蚀大多数的在微传感器(MEMS)和微电子材料, 然而却不会影响Parylene, 这是由于Parylene不会在体液环境下被水降解。Parylene作为植入微电极阵列和微器件的包装材料, 实验证明具有很好的生物性容性和生物稳定性, 能够长期植入生物体中, 此外, 由于其良好的防渗透性, 能够很好地保护微器件不被腐蚀。同时, Parylene对细胞有很小的毒性,这使它有可能成为细胞生长的平台。Parylene以其优异的生物相容性(美国FDA V I级认证) 和生物稳定性, 作为体内长期植入使用的生物医用材料, 已经被用于心脏起搏器、脑电极、植入式传感器和高频手术刀等微型电子医疗器械和可植入微系统中。

5.Parylene人工耳蜗领域的镀膜应用

人工耳蜗是由植入人体的电极、接收器以及携带在人体外的言语处理器、麦克风及传送器等组成。外界声音由麦克风接收转换成电信号后传送至言语处理器将信号放大、过滤, 并由传送器传送到接收器, 再产生电脉冲传送到相应植入微电极, 从而引起听神经纤维兴奋并将声音信息传人大脑, 使耳聋患者重新获得听觉。人工耳蜗是较早应用成功的可植入器件。据统计, 全球现在约有3万多耳聋患者使用了人工耳蜗, 同时, 人工耳蜗技术也在不断地发展和完善。

采用Parylen封装的用于人工耳蜗植入的电极阵列, 由于Parylene 较低的杨氏模量, 使得电极探针具有很好的硬度和韧性, 同时可通过调整硅衬底的厚度来调整电极的柔软性, 为制备的Parylene包裹的硅微电极阵列(探针臂为8 mm且分为8个部分, 每个部分有1个电极点) 。Parylene所具有的透明性, 使得在植入试验中能很好地监测探针植入深度, 同时,电极被Parylene 包裹, 即使电极破碎, 外层Parylene也将碎片连在一起, 从而减小手术伤害和植入伤害。整个装置集成了位置传感器和Parylene包裹的传输线, 实验表明, 该装置能够提高人工耳蜗声音识别能力和位置的准确性。在制作多通道听觉假体时, 变长度的神经刺激电极阵列也采用Parylene作为刺激电极的包裹材料, 从而提高植入器件的生物相容性。

6.Parylene视网膜假体领域镀膜应用

全球视觉残疾者有1. 4亿人, 其中4 500万为盲人, 全世界平均每5 s出现一个盲人, 失明已经是影响人类生活质量较严重的一种残疾。原发性视网膜色素变性及老年性黄斑变性，由于视网膜外层进行性变性, 引起光感受器退化, 是导致失明的主要原因。实验表明, 即使原发性视网膜色素变性和老年性黄斑变性导致的光感受器完全变性, 大部分的视网膜神经细胞是保持完好的, 通过电刺激神经细胞的方法可以获得视觉。这提供了一种方法即避开受损的光感受器直接刺激视网膜从而获得视觉信息。目前, 用刺激视网膜方法获得视觉的研究可分为两类: 视网膜下植入技术和视网膜表面植入技术。

视网膜上型是由图像处理芯片将摄像机获得的图像转化为相关信息, 通过编码发射器发射到眼内编码接收器并将图像数据转化为微小电流, 通过视网膜表面芯片电极刺激神经节细胞。而视网膜下型是通过芯片直接从外界环境中接收光信号, 并将光信号转换为电信号, 直接刺激残余的视细胞, 产生不同程度的视觉效果。采用聚合物Parylene制作了用于视网膜上型植入的柔性微电极阵列。采用单层工艺制作了密度为256的视网膜钛/铂电极阵列,电极直径为125 μm, 线宽为12 μm。为了增大电极密度, 发展了一种新的双层工艺, 电极个数为1 024, 间距为60 μm。通过Parylene2Parylene的退火工艺, 防止了两层Parylene薄膜之间的分层, 在加速试验中证明了电极寿命将超过一年。用相同工艺制作的测试电极生物试验表明, 基于Parylene的微电极阵列对组织或是生物体都有很小的机械伤害, 在动物模型的脊柱刺激试验中证明了刺激电极的有效性。

随着技术的发展，一种用于视网膜上型植入的能量和数据传输的完全植入式线圈, 采用Parylene作为包裹材料。用于植入眼内的微线圈, 线圈有10 匝, 较外层线圈直径为9. 5 mm, 整个线圈厚度小于11 μm。相比于传统的眼内植入式线圈, 采用Parylene包裹的这种方法制作的线圈是非常柔性的和可折叠性的,证明了这种线圈的柔韧性。实验证明了线圈能量传输的有效性, 通过热处理的方法来增加线圈的寿命, 加速试验表明在人体环境下线圈的寿命可长达20年。

综上所述，Parylene由于其优异的性能, 逐渐成为在微传感器(MEMS)领域青睐的聚合物材料。Parylene通过CVD真空气镀膜技术, 材料具有无应力、无针孔覆盖和良好的生物相容性等优异的特性。Parylene镀膜工艺广泛应用在MEMS领域中：微结构、微传感器和微驱动器上, 相信将来Parylene将更多地应用到完全集成微系统。

百腾Penta精耕镀膜行业30年，我们将会持续为大家提供Parylene真空气镀膜技术行业资讯和相关问题解答，百腾Penta开发的PVD真空镀膜机，CVD真空镀膜机，XeF2二氟化氙蚀刻机，真空脱气炉，二氟化氙材料、派瑞林材料，提供派瑞林(Parylene)纳米涂层加工。并可根据不同需求设计定制派拉伦（parylene）真空镀膜设备和与其配套的相关设备系统，帮助企业产品提升更好防护品质。