【摘 要】
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近年来,随着电子科技的高速发展,微电子技术的应用领域由传统的“计算机、通信和信息处理”三大领域逐渐向“能源型、健康型和环保型”转变,植入式器件随之应运而生。由于具有柔性、可弯曲、生物相容性等优点,植入式器件除了广泛应用于通信、可穿戴电子产品、及环境监测外,在生物、医疗和国防等领域亦发挥着愈来愈重要的作用。由于植入式器件长期位于生物体内,局部微环境的p H、温度、离子等变化均会影响器件性能。此外,植
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近年来,随着电子科技的高速发展,微电子技术的应用领域由传统的“计算机、通信和信息处理”三大领域逐渐向“能源型、健康型和环保型”转变,植入式器件随之应运而生。由于具有柔性、可弯曲、生物相容性等优点,植入式器件除了广泛应用于通信、可穿戴电子产品、及环境监测外,在生物、医疗和国防等领域亦发挥着愈来愈重要的作用。由于植入式器件长期位于生物体内,局部微环境的p H、温度、离子等变化均会影响器件性能。此外,植入式器件主要面向生物医疗,这就对其可控降解提出了新的要求。因此,选择合适的封装结构和封装技术,在保证植入式器件在生物体内发挥正常功能的同时又可以适时降解,就显得尤为关键。基于此,为了实现植入式器件的可控降解,本文着重介绍了硅纳米膜(Si NMs)、二氧化硅(Si O2)薄膜、氮化硅(Si3N4)薄膜和氧化铝(Al2O3)薄膜等四种封装层生长、制备的关键工艺和各种材料的降解特性;制备了Si3N4薄膜封装的镁电阻器,并针对电阻器的结构设计、关键制备工艺、电阻特性等展开研究,主要研究结果如下:通过反应扩散理论,求解扩散方程,得到了薄膜降解速率与溶液在封装层中的扩散率、封装层的摩尔质量、溶液的质量密度、溶液浓度、封装层每个原子反应的水分子数、及封装层厚度的关系。并分析了温度、p H对降解速率的影响,得到了温度越高,降解速率越快;碱性越强,硅纳米膜溶解速率越快的结论。通过对阿伦尼乌斯公式的分析,证实了可通过加速试验来求解生物体温下薄膜降解速率。基于降解速率的各类影响因素,本文提出了一种可控监测设计思路:通过不同环境温度、不同溶液类型来探究对外界因素对封装材料降解速率的影响;通过设计厚度和封装形状,研究材料本身因素对降解速率的影响。通过分析纳米膜的弯曲性、透光性和电阻性,对封装材料的厚度和形状进行了设计。设计了硅纳米膜干法刻蚀孔和用于固定纳米膜的“锚”结构,对湿法刻蚀埋氧层的HF和H2O的浓度进行比较得出纯HF为最佳选择,实验得到刻蚀埋氧层二氧化硅时间约1小时。并通过PDMS图章和粘性涂层相结合的方法成功地将硅纳米膜转印至玻璃衬底上。在PECVD制备Si O2薄膜中,通过对腔内压强和射频源功率对生长速率的探究,得到了PECVD制备Si O2薄膜最优选择工艺参数;通过分析气体流速比和射频功率对成膜质量的影响,得到了PECVD制备Si3N4薄膜的最优工艺参数。此外采用PEALD技术制备了Al2O3薄膜,粗糙度为0.35 nm,表面均匀度较好。在降解实验中,通过比较不同环境温度对降解速率的影响,发现硅纳米薄膜在p H为7.4的PBS溶液中表现出良好的降解特性,可以实现数小时到几十小时的可控降解。且温度越高,降解速率越快,这一实验现象与理论基础相符合。通过实验得到硅纳米膜在70℃的PBS溶液中降解速率为93nm/day,50℃时降解速率为20nm/day,通过计算得到硅纳米膜在37℃的PBS溶液中降解速率约为6.77nm/day。此外,进行了硅纳米膜在37℃的人工汗液中持续三周的降解实验,其表面形貌和厚度均未发生明显变化,证实了硅纳米膜在酸性溶液中几乎不发生降解。比较不同溶液类型对降解的速率的影响得到了HBSS溶液比PBS溶液更容易加速硅衬底的降解。通过比较不同封装形状对降解速率的影响,得到了条形比XD型更易加速衬底的降解。通过分析Al2O3薄膜的降解,得到了其在50℃的PBS溶液中降解速率为0.16nm/h。本文设计了降解实验实时监测方案,同时设计了镁电阻版图及用于降解实验的PDMS反应腔体,并通过电子束蒸发技术在柔性玻璃上制备了三种不同长度的镁电阻,采用氮化硅薄膜对镁电阻进行了封装。通过半导体参数分析仪测量了三种电阻的阻值,测量结果显示其电阻性能良好。这些研究为下一步的实时监测提供了很好的实践基础。
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