專利名稱：微針、微針陣列及其制造方法
微針、微針陣列及其制造方法 本發(fā)明涉及微針、微針陣列及其制造方法。微針有望作為標(biāo)準(zhǔn)注射針的替代和補(bǔ)充。微針具有幾十至幾百微米數(shù)量級(jí)的尺 寸。微針的細(xì)部如尖端具有例如幾微米至一個(gè)或多個(gè)納米的尺寸。作為它們相對(duì)小的尺寸 的結(jié)果，打算使微針基本上無(wú)疼痛地刺入皮膚并且不明顯損傷皮膚。針優(yōu)選盡可能尖銳以 通過(guò)保持將針推入到皮膚中所需的力盡可能小而使被注射的感覺(jué)最小化，其結(jié)果是在注射 時(shí)皮膚變形盡可能小。通過(guò)對(duì)微針長(zhǎng)度進(jìn)行選擇，可將醫(yī)藥產(chǎn)品等以預(yù)定深度引入皮膚表 面下。微針可使用半導(dǎo)體加工中已知的制造技術(shù)進(jìn)行制造。如N. Roxhed等人 在 文 章“Penetration-Enhanced Ultrasharp Microneedlesand Prediction on Skin Interact ion for Efficient Transdermal DrugDelivery", Journal of Microelectromechanical Systems, vol 16，No. 6，2007 年 12 月中所描述，微針基于所用制 造技術(shù)分為兩類。第一類由從基材(substrate)面以直角延伸的針(面外針)構(gòu)成。第二 類由與基材面大致平行延伸的針(面內(nèi)針)構(gòu)成。由于針小，優(yōu)選同時(shí)使用許多微針用于 醫(yī)藥產(chǎn)品的注射。然而，實(shí)際上證明難以制造面內(nèi)針的兩維陣列。微針還分為中空微針和實(shí)心微針。可例如使用實(shí)心微針將施加到針表面的醫(yī)藥產(chǎn) 品預(yù)先引入作為涂覆層。中空微針具有通道(passage)或溝槽(channel)，使得可通過(guò)針的 溝槽將醫(yī)藥產(chǎn)品引入到表面之內(nèi)或之下。US-6533949-B1提供了在硅基材上產(chǎn)生中空面外微針的方法。通過(guò)在基材表面內(nèi) 蝕刻出近似V形的狹槽(slot)來(lái)形成針。在該V形內(nèi)還蝕刻出孔洞(hole)。該V形可以 是滾圓的。然后通過(guò)給所述孔洞和狹槽提供保護(hù)層而將它們鈍化。在施加保護(hù)層之后，通 過(guò)選擇性各向異性蝕刻加工來(lái)蝕刻基材表面。在該加工期間，從基材表面選擇性地除去硅， 突起物沿著保留在狹槽內(nèi)的<111>晶面留下來(lái)。接著是保護(hù)層的隨后去除，其中具有孔隙 (aperture)的突起物形成微針。然而，由于所用的蝕刻加工，根據(jù)US-6533949-B1的方法形成的針的圓周是不平 坦(uneven)的，其結(jié)果是在將微針推進(jìn)到皮膚中時(shí)損傷皮膚。圓周的不平坦性可在例如文 章"Silicon MicromachinedHollow Microneedles for Transdermal Liquid Transport，，， Journal ofMicroelectromechanical Systems, vol 12，No. 6，2003 年 12 月的圖 4 中看出。 此外，微針的長(zhǎng)度和銳度受制造方法限制。作為針的受限制的長(zhǎng)度和/或銳度的結(jié)果，陣列 中并非所有針都刺入到皮膚中，這可以導(dǎo)致泄漏，換言之，當(dāng)使用液體時(shí)，其通過(guò)沒(méi)有刺入 皮膚的針泄漏出。US-5928207提供了包含端部為尖端的狹長(zhǎng)軸(shaft)的面內(nèi)微針。各向同性地或 各向異性地蝕刻軸壁，而各向同性地蝕刻尖端。作為各向同性蝕刻的結(jié)果，尖端具有比軸平 坦得多且狹窄得多的尖銳端部。然而，在針的頂側(cè)，從尖端到軸的過(guò)渡部分相對(duì)陡，其結(jié)果 是當(dāng)針刺入皮膚時(shí)所述過(guò)渡部分損傷皮膚。除上述外，所有至今已知的微針也實(shí)際上似乎具有至多與如Popper&Sons，Inc.， New York(USA)提供的標(biāo)準(zhǔn)30G注入針的銳度相當(dāng)?shù)匿J度。然而，30G注入針的銳度不足以防治對(duì)皮膚的損傷。在使用中，用一定力將微針(其一部分)推入到皮膚中，產(chǎn)生“針外傷” 并且可感覺(jué)到注射。注射后皮膚損傷、發(fā)紅和/或過(guò)敏。此外，對(duì)于在相對(duì)軟的皮膚例如人 的腋下皮膚或臉上使用時(shí)，該銳度是不足的。本發(fā)明的目的是提供較尖銳的微針。根據(jù)本發(fā)明，該目的通過(guò)由單晶材料制造的面內(nèi)微針得以實(shí)現(xiàn)，所述微針包括-具有至少兩個(gè)壁的單晶材料軸，每個(gè)壁由該材料的相對(duì)緩慢蝕刻晶面形成；和-連接到所述軸的末端并且包含至少三個(gè)壁的尖端，每個(gè)壁由單晶材料的相對(duì)緩 慢蝕刻晶面形成。因此尖端通過(guò)單晶材料的緩慢蝕刻晶面形成。該制造方法的結(jié)果是，晶面可以大 致為原子級(jí)平坦，其結(jié)果是微針和皮膚之間的摩擦最小。尖端晶面彼此鄰接之處的邊或棱 是尖銳，換言之，其曲率半徑例如小于10 μ m，達(dá)到原子數(shù)量級(jí)的曲率半徑。尖端的端部(晶 面會(huì)聚之處)也是尖銳的并且具有例如小于10 μ m的曲率半徑。此外晶面的交線確保尖端 沿著其全部長(zhǎng)度刺入皮膚。尖端切削的結(jié)果是，將微針推入到皮膚中需要較小的力。然后 軸滑入到通過(guò)所述尖端切入在皮膚內(nèi)的孔洞中。與可以任選提供的中空內(nèi)部的不同之處在 于，微針完全可通過(guò)各向異性濕式蝕刻進(jìn)行制造。最終加工例如研磨等是多余的。優(yōu)選地，單晶材料為硅，因?yàn)橐汛嬖诠璧闹圃旒夹g(shù)。此外，硅是可大量獲得的相對(duì) 廉價(jià)的半導(dǎo)體。在一個(gè)實(shí)施方案中，尖端的兩個(gè)壁由與軸的兩個(gè)壁相同的晶面形成。兩個(gè)晶面一 起形成沿尖端和軸的長(zhǎng)度延伸的V形曲線。因此微針的軸和尖端都對(duì)皮膚具有切削作用。 因此將針推入到皮膚中的力較小并且將對(duì)皮膚的損傷限于尺寸對(duì)應(yīng)于微針圓周的切口。在另一個(gè)實(shí)施方案中，尖端的兩個(gè)壁(其由與軸的兩個(gè)壁相同的晶面形成)通過(guò) 相對(duì)緩慢蝕刻晶面形成。晶面以合適的銳角鄰接以獲得所需的切削作用。在又一個(gè)實(shí)施方案中，尖端的三個(gè)壁(其通過(guò)相對(duì)緩慢蝕刻晶面形成)由<111> 晶面形成。三個(gè)壁以原子級(jí)尖銳方式會(huì)聚在尖端的端部處。在該情況下，三個(gè)壁以約 70. 53°的內(nèi)角彼此鄰接。前述特性促成了尖端的銳度。當(dāng)使用微針時(shí)，大致原子級(jí)平坦的 晶面使尖端和皮膚之間的摩擦最小化。晶面在內(nèi)銳角處彼此鄰接。優(yōu)選地，將溝槽設(shè)置在軸和/或尖端中。溝槽例如是隱埋溝槽或敞開(kāi)溝槽。根據(jù)另一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種微針陣列，其包含-具有大致平坦端部的支架(holder)；-安裝在支架端部的一個(gè)或多個(gè)微針。一個(gè)或多個(gè)微針包含例如上述微針。根據(jù)本發(fā)明的微針陣列使得使用任意數(shù)目的 任意兩維構(gòu)造的面內(nèi)微針成為可能。如引言中提及的N. Roxhed等人的文章中所描述，至今 就算是有但也幾乎不使用面內(nèi)微針，因?yàn)橹炼鄡H能夠使用單排微針。因?yàn)槊鎯?nèi)微針可包含 軸，對(duì)其長(zhǎng)度可任意選擇，使得比面外微針能夠較深地刺入皮膚中。優(yōu)選地，支架包含熱塑性物。支架包含例如具有平坦和圓形端部的柱形支架。在打 算用于微針的位置處的端部中提供有孔隙。例如通過(guò)加熱微針將微針熔合到所述孔隙中。 為此目的，支架優(yōu)選由熱塑性物例如PE、PP和/或POM制造。根據(jù)另一個(gè)方面，本發(fā)明提供了用于制造如上所述微針的方法。將參照附圖描述本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)和特性，其中
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圖Ia顯示了根據(jù)本發(fā)明的微針的實(shí)施方案的透視底視圖；圖Ib顯示了圖Ia的微針的透視頂視圖；圖加顯示了根據(jù)本發(fā)明的微針的另一個(gè)實(shí)施方案的透視底視圖；圖2b顯示了圖加的微針的透視頂視圖；圖3a顯示了根據(jù)本發(fā)明的微針的又一個(gè)實(shí)施方案的透視底視圖；圖北顯示了圖3a的微針的透視頂視圖；圖3c顯示了圖3a的微針的變體的透視底視圖；圖如顯示了根據(jù)本發(fā)明的微針的又一個(gè)實(shí)施方案的透視底視圖；圖4b顯示了圖如的微針的透視頂視圖；圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明的微針陣列的實(shí)施方案的透視底視圖；圖6顯示了圖5的微針陣列的透視頂視圖；圖7A-7F顯示了用于制造

圖1的微針的連續(xù)加工步驟的透視頂視圖；圖8A-8F顯示了對(duì)應(yīng)于圖7A-7F的加工步驟的透視底視圖；圖9A-9E顯示了用于制造微針的另一個(gè)實(shí)施方案的連續(xù)加工步驟的透視頂視圖； 和圖10A-10E顯示了對(duì)應(yīng)于圖9A-9E的加工步驟的透視底視圖。在圖Ia和Ib中所示的實(shí)施方案中，微針10由單晶硅<100>的基材形成。微針10 包含與軸14 一體形成的尖端12。任選地，所述軸的相對(duì)端部具有加寬截面或基底16。參 見(jiàn)例如圖5，基底16例如用于操作微針和/或?qū)⑵渑c其它構(gòu)件連接。為此目的，該基底可具 有任何所需的形狀且因此將不以任何更為詳細(xì)的方式加以描述。軸14具有橫截面為大致三角形的形狀，具有至少三個(gè)彼此鄰接的壁18、20、22。面 18 (正如同基底16的面24)對(duì)應(yīng)于基材表面且因此如實(shí)施方案中所描述是<100>晶面。面 20和22為硅的<111>晶面。尖端12包含三個(gè)鄰接壁20、22和25。面20和22還形成軸的側(cè)壁。面25為<111> 晶面，其從與面18的交線沈，沿著尖端12的突起端28的方向傾斜延伸。軸14的外部圓周 具有的橫截面等于在交線26位置處的尖端12的最寬部分的橫截面。任選地，在微針10中提供溝槽30，可通過(guò)其輸送例如醫(yī)藥產(chǎn)品和液體。基底(其面32與面M相對(duì))的面32還形成基材表面的一部分。因此，面32為 <100>面。面25相對(duì)于面32成約54. 74°的內(nèi)角并且還相對(duì)于壁20、22的交線34成內(nèi)角。在圖加和2b中所示的另一個(gè)實(shí)施方案中，微針110由單晶硅<211>的基材形成。 微針110包含由與軸114 一體形成的尖端112。因?yàn)槲⑨?10仍與產(chǎn)生該微針的基材111 的其余部分連接，所以軸可仍具有基底116。在由基材111的面1M、132形成的范圍內(nèi)，可 以使該基底具有按照可進(jìn)行微制造的任何形狀。在橫截面中，軸114為大致梯形。在頂視圖或底視圖中，從與尖端112的分界線 1 觀察，軸114變寬。軸114包含四個(gè)壁118、120、122和123。壁118和123對(duì)應(yīng)于基材 表面，并且在本實(shí)施方案中為<211>晶面。壁120、122為<111>晶面，其相對(duì)于壁118、123
成一定角度。尖端112包含三個(gè)鄰接壁120、122、125和壁123的一部分。壁120和122還形成 軸的側(cè)壁。面125為<111>晶面，其從與面118的交線126，沿著尖端112的突起端128的方向傾斜延伸。壁125與壁123成約19. 47°的內(nèi)角。因此可通過(guò)使用在表面上具有一定 晶體取向的基材作為起始材料對(duì)該角度進(jìn)行選擇。為了可對(duì)其加以使用，將再次使圖加和2b中所示的微針110與基材脫離。在圖3a和北中所示的實(shí)施方案中，微針210由單晶硅<100>的基材形成。微針 210包含與軸214 —體形成的尖端212。任選地，所述軸的相對(duì)末端具有加寬截面或基底 216。參見(jiàn)例如圖5，基底216例如用于操作微針和/或?qū)⑵渑c其它構(gòu)件連接。該基底將不 再加以描述。在橫截面中，軸214大致具有五邊形的形狀，具有彼此鄰接的壁218、220、222、 223,224和225。正如同基底216的面217，面218對(duì)應(yīng)于基材表面且因此在所描述的實(shí)施 方案中為<100>晶面。面223也是<100>晶面且其位于與218平行。面225、220、222、224 和226為硅的<111>晶面。尖端212 包含壁 218、220、222、223、224、225 和 226。面 226 是鄰接著面 218、225、 220、223、222、2M的<111>晶面并且其從與面218的交線沿突起端方向傾斜延伸，在此處其 鄰接壁223。該實(shí)施方案的優(yōu)點(diǎn)可能是該針就橫截面而言具有有利的圓周。其結(jié)果是，對(duì)于以 一定環(huán)流(circulation)的一定溝槽尺寸而言刺入所需的力是有限的。此外，還限制了根 據(jù)該實(shí)施方案的微針導(dǎo)致的皮膚切口。圖3c顯示了如何可將溝槽230任選地設(shè)置在微針210中，可通過(guò)所述溝槽輸送例 如醫(yī)藥產(chǎn)品和液體。溝槽230可以具有菱形的橫截面并且可以與狹槽231連接。該狹槽231 可如所描述的保持敞開(kāi)，或者可通過(guò)M. J. De Boer, JOURNAL OFMICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS,VOL. 9,NO. LMARCH 2000的隱埋溝槽技術(shù)進(jìn)行封閉。如果溝槽保持敞開(kāi)，換言之， 如果狹槽不封閉，則溝槽沿縱向保持敞開(kāi)。即使對(duì)于敞開(kāi)溝槽，仍可將液體注入皮膚，這是 因?yàn)楫?dāng)將微針完全插入皮膚時(shí)皮膚封閉了溝槽。在圖如和4b中所示的另一個(gè)實(shí)施方案中，微針410由單晶硅<110>的基材形成。 微針410包含與軸414 一體形成的尖端412。軸414可以具有基底416。在橫截面中，軸 414大致具有正方形形狀。軸414包含四個(gè)壁418、420、422和423。壁418和423對(duì)應(yīng)于基材表面，并且在本 實(shí)施方案中為<110>晶面。在本實(shí)施方案中，壁420和422為緩慢蝕刻的<111>晶面。尖端412包含五個(gè)彼此鄰接的壁418、420、422、423和425(即軸的所有面)以及 <111>面425。壁420和422為緩慢蝕刻的<111>面并且還形成軸的側(cè)壁。面425為<111> 晶面，其從與面422的交線沿尖端412的突起端的方向傾斜延伸。該實(shí)施方案的優(yōu)點(diǎn)可以是微針具有相對(duì)小的孔隙角，其結(jié)果是與具有相對(duì)大的角 的針相比，刺入所需的力較小。在本上下文中，這稱作較尖銳的針或尖端。因?yàn)樯鲜鑫⑨樖敲鎯?nèi)針，參見(jiàn)圖7-10，本發(fā)明提供了一種同時(shí)使用任意數(shù)目的任 意兩維構(gòu)造的微針的方法。圖5和6顯示了微針陣列200，其包含提供有柱形壁204的支架202，所述壁具有 大致圓形的平坦端部206。端部206在每個(gè)需要微針的地方具有孔隙208。每個(gè)孔隙208 具有例如微針10。以舉例方式，顯示了圖Ia的微針10，但是還可將任何其它所需的微針設(shè) 置在孔隙208中。此外，每個(gè)孔隙208可以安裝不同的微針，例如不同長(zhǎng)度的微針。由于面內(nèi)微針可以包含軸，其長(zhǎng)度可以任意選擇，使得與面外微針相比能夠較深地刺入皮膚中。優(yōu)選地，支架202包含熱塑性物(thermalplastic)，例如PE和/或PP。例如將微 針熔合到孔隙中。熔合可通過(guò)加熱微針直到在其中設(shè)置微針的孔隙的周?chē)Ъ芩芰暇植咳?化來(lái)實(shí)現(xiàn)。然后通過(guò)讓各自的微針冷卻，熔化的塑料再次固化并且在微針和支架之間形成 水密封和氣密封的連接?？梢岳缫圆唤佑|方式借助于聚焦在微針上的光束或激光束加熱 微針。通過(guò)不接觸地加熱微針，顯著簡(jiǎn)化組裝并且使損傷的風(fēng)險(xiǎn)最小化。下面描述上述微針的制造。在該描述中，使用半導(dǎo)體材料例如硅的加工中的 常規(guī)術(shù)語(yǔ)。為了詳細(xì)地描述所用術(shù)語(yǔ)，參考M.Elwenspoek，H. V. Jansen的“Silicon Micromachining，，，Cambridge UniversityPress 1998。根據(jù)本發(fā)明的微針由具有對(duì)應(yīng)于一定晶面的表面的單晶材料例如半導(dǎo)體的基材 制成。微針的形狀取決于基材中晶面的取向。本發(fā)明通過(guò)在具有一定取向的單晶基材中蝕 刻去(etch free) 一定晶面提供較尖銳的微針。本發(fā)明中使用的(兩維QD)光刻)制造技術(shù)基于單晶基材。該基材從基本上包含 單晶的本體材料鋸解。通常，基材為圓盤(pán)或晶片。鋸解后在基材表面上產(chǎn)生的面決定了相 對(duì)于基材表面的晶體方向。因?yàn)榛谋砻嬗射徑夥较虼_定，所以相對(duì)于基材中的晶體方向 可以對(duì)在基材表面處的晶面任意選擇。該表面通常是晶面。按照Miller指數(shù)例如<100>、 <110>、<111>面來(lái)提及晶面。晶面是其中原子形成重復(fù)圖案的晶體中的任意面。特別按照 表面的晶面例如<100>取向的硅基材，或者簡(jiǎn)單地稱作<100>硅或硅<100>來(lái)提及基材。然 而，還可以是任何其它任意晶面例如<211>或<310>。對(duì)基材表面的晶面的選擇部分地確定了微針尖端的內(nèi)角。在基材表面上進(jìn)行操作，例如制造光刻圖像、蝕刻掉材料和沉積材料，其結(jié)果是在 基材表面上和/或在基材本體中產(chǎn)生結(jié)構(gòu)。單晶基材包含可以具有相互不同的蝕刻速度(所謂的各向異性蝕刻加工)的晶 面。因此在各向異性蝕刻加工期間相對(duì)緩慢蝕刻晶面形成原子級(jí)平坦晶面。作為特定選擇、 2D光刻步驟的順序和蝕刻加工的結(jié)果，給出其實(shí)例，但本發(fā)明不受其限制，這些晶面形成根 據(jù)本發(fā)明的微針的原子級(jí)平坦的壁?；谋砻嫱ㄟ^(guò)機(jī)械和/或化學(xué)拋光進(jìn)行精加工以確保一定的平坦性。該表面通常 不進(jìn)行緩慢蝕刻，但是通過(guò)基材表面的精加工處理，后者通常平坦到原子級(jí)平坦，可接近至 少原子平坦性。可拋光基材的頂部和底部側(cè)面。還由此標(biāo)明(designate)基材并且還標(biāo)明平坦度。單晶硅為優(yōu)選的材料，但本發(fā)明不限于硅。單晶硅形成立方體晶體，其中原子形成 與金剛石相仿的結(jié)構(gòu)或四面體。其它合適的基材包含例如單晶半導(dǎo)體或石英。圖7-10描述了從硅<100>基材開(kāi)始的微針制造，換言之，將大致如圖Ia和Ib中 所示獲得微針。使用相同的制造步驟，但是以具有不同基材取向且具有適于所述取向的光 刻設(shè)計(jì)(兩維掩模設(shè)計(jì))的硅開(kāi)始，可獲得其它微針，參見(jiàn)例如圖加和2b。尖端的最小內(nèi) 角在該情形中可以較小，這是因?yàn)榛谋砻嫔系木?<211>)和相對(duì)緩慢蝕刻面(<111>) 之間的最小角度較小。與<211>的最小角度為約20度(<211>基材表面和<111>面之間的 角度)，而不是與<100>的約55度(<100>面和<111>面之間的角度)。然而，基材材料在所有情形中是相同的單晶材料。如果需要，包含半導(dǎo)體的基材可以是P-摻雜或者η-摻雜 的。在一個(gè)實(shí)施方案(圖7Α、8Α)中，起始材料是在所有側(cè)面上具有鈍化層的基材300。 鈍化層是對(duì)基材材料例如硅的蝕刻劑具有抵抗性的保護(hù)層。鈍化層或保護(hù)層包含例如氮化 硅或二氧化硅。如所提及的，基材由<100>硅構(gòu)成，使得表面3Μ和332為<100>晶面。在第一步驟中，將隱埋溝槽30提供在待產(chǎn)生微針的位置處(圖7Β、8Β)。還可在 其它步驟期間、之后或之前提供隱埋溝槽30。為了描述在半導(dǎo)體基材中提供隱埋溝槽的加
Meint J. deBoer ^AWMicromachining of Buried Micro Channels in Silicon，，，Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 9, No. 1, March2000o 在所 述文章中，例如，表1描述了四種在基材中提供隱埋溝槽的可能方法。取決于所選擇的基材 (例如P-型或η-型硅、抵抗性、晶體取向)，可選擇合適的方法。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方 案，隱埋溝槽30保留在基材中以形成用于最終微針的通道。還可使溝槽敞開(kāi)，沿溝槽的縱 向形成狹槽，使得溝槽沿縱向敞開(kāi)。然后其中引入微針的皮膚將溝槽封閉，其結(jié)果是可通過(guò) 該溝槽注射液體?？梢园葱枰獙㈦[埋溝槽設(shè)置在基材的表面3 或表面332的側(cè)部。然而，如果將 隱埋溝槽30設(shè)置在表面324的側(cè)部則是優(yōu)選的。在隨后步驟中(圖7C、8C)，首先在基材300的頂部提供保護(hù)層。在該保護(hù)層中， 提供狹長(zhǎng)孔隙(未示出)，該孔隙平行于隱埋溝槽30。在所述孔隙的位置處，基材沒(méi)有被覆 蓋。隨后，將基材300進(jìn)行各向異性蝕刻。選擇性地蝕刻硅的氫氧化鉀(KOH)是合適的各向異性濕式蝕刻劑。KOH沿<100> 晶面方向蝕刻硅的速度是沿<111>面方向的約400倍。換言之，與其它晶面相比<111>面蝕 刻得較為緩慢。另一種合適的蝕刻劑是EDP (乙二胺和鄰苯二酚的水溶液)。EDP沿<100> 晶面方向相比于沿<111>面方向蝕刻P-摻雜硅的比率為約50 3。還可使用四甲基氫氧 化銨(TMAH)，但是<100>和<111>面之間的選擇性與EDP相比較差。因?yàn)镵OH進(jìn)行蝕刻的 選擇性最大，所以其對(duì)于本發(fā)明是優(yōu)選的。蝕刻劑穿過(guò)保護(hù)層中的孔隙蝕刻掉硅，在該過(guò)程中相對(duì)緩慢蝕刻的<111>面變得 顯見(jiàn)。一旦達(dá)到基材其它側(cè)3 上的保護(hù)層則終止蝕刻步驟。<111>晶面20、350、352和 3M—起在基材中形成狹長(zhǎng)井356(圖7C)，在基材中的井(圖8C)底部處已產(chǎn)生狹槽或孔 隙358。所述狹槽358被保護(hù)層其余部分形成的膜封閉，換言之，不是敞開(kāi)的。在接下來(lái)的步驟中(圖7D、8D)，首先在基材300的頂部提供保護(hù)層。在該保護(hù)層 中，在隱埋溝槽30的另一側(cè)上接著井356提供狹長(zhǎng)孔隙(未示出)。在該孔隙的位置，基材 未被覆蓋。隨后，將基材300進(jìn)行各向異性蝕刻。蝕刻劑穿過(guò)保護(hù)層中的孔隙蝕刻掉硅，在該過(guò)程中相對(duì)緩慢蝕刻的<111>面變得 顯見(jiàn)。一旦達(dá)到基材其它側(cè)3 上的保護(hù)層則終止蝕刻步驟。<111>晶面22、360、362和 364 —起在基材中形成狹長(zhǎng)井366(圖7D)，在基材中井的底部處產(chǎn)生狹槽或孔隙368(圖 8D)。所述狹槽368被保護(hù)層其余部分形成的膜封閉，換言之，不是敞開(kāi)的。在接下來(lái)的步驟中(圖7E、8E)，首先在基材的頂部提供保護(hù)層。在該保護(hù)層中，在 基材的底側(cè)3M上提供孔隙(未示出)，其中所述基材未就蝕刻尖端12進(jìn)行覆蓋。隨后， 使用蝕刻劑(例如Κ0Η)穿過(guò)孔隙將基材硅進(jìn)行各向異性蝕刻，在該過(guò)程中相對(duì)緩慢蝕刻的
9<111>晶面25變得顯見(jiàn)。在接下來(lái)的步驟中(圖7F，8F)，首先除去保護(hù)層的剩余部分。此外，在該過(guò)程中從 尖端12除去隱埋溝槽突起的材料部分。隨后，使微針10與基材脫離。可例如通過(guò)蝕刻(圖Ia和Ib中所示的結(jié)果)、通過(guò) 鋸解(圖7F，8F中所示的結(jié)果)或者破斷將微針10從基材取下。對(duì)于蝕刻，首先在基材的頂部提供保護(hù)層。在該保護(hù)層中，在基材的底側(cè)3M或 頂側(cè)332上提供孔隙，其中所述基材未就蝕刻基底16進(jìn)行覆蓋。然后，使用蝕刻劑(例如 Κ0Η)穿過(guò)孔隙對(duì)基材的硅進(jìn)行各向異性蝕刻，直到基底16保留下來(lái)。在圖9和10中顯示了根據(jù)本發(fā)明制造微針的另一個(gè)較簡(jiǎn)單的方法。圖9A、9B、9D、9E中所示的步驟分別與上文參考圖7A、7B、7E、7F所描述的步驟相 同?？砂葱枰诨牡谋砻?M或表面332的側(cè)上設(shè)置隱埋溝槽30。然而，如果在表面3M 側(cè)上設(shè)置隱埋溝槽30則是優(yōu)選的。差異涉及圖9C、10C中所示的步驟。對(duì)基材30在所有側(cè)上提供保護(hù)層，其中在該 實(shí)施方案中，隱埋溝槽任一側(cè)上兩個(gè)孔隙保持敞開(kāi)。所述孔隙被保護(hù)層的薄帶所隔開(kāi)。所 述帶的寬度取決于用來(lái)限定該帶的光刻方法，為例如ι μ m-ioo μ m。隨后，將基材300進(jìn)行各向異性蝕刻。蝕刻劑通過(guò)保護(hù)層中的兩個(gè)孔隙將硅蝕刻 掉，在該過(guò)程中緩慢蝕刻的<111>面變得顯見(jiàn)。一旦達(dá)到基材其它側(cè)3M上的保護(hù)層則終止 蝕刻步驟。<111>晶面20、350、352、3M—起在基材中形成狹長(zhǎng)井356(圖9C)，在基材中于 井的底部上產(chǎn)生狹槽或孔隙358(圖9C)。同時(shí)，接著井356產(chǎn)生由<111>面22、360、362、 364形成的井366。在井366的底部上，在基材中產(chǎn)生狹槽或孔隙368(圖9C)。狹槽358和 狹槽368均被保護(hù)層其余部分形成的膜封閉。根據(jù)圖9和10的方法制造的微針包含面20、22之間的面23。面23是基材表面 332的其余部分，其在井356和366的各向異性蝕刻期間存在于保護(hù)層的上述帶下。面23 具有與該帶的寬度相應(yīng)的寬度，即例如約1 μ m-100 μ m。根據(jù)圖9和10(圖9E、10E)方法制造的微針的尖端12因此被四個(gè)壁20、22、23和 25包圍。壁20、22和25是硅的<111>晶面。壁23是基材表面332的其余部分。在所描述 的實(shí)施方案中，壁23是<100>晶面。根據(jù)本發(fā)明尖端12由包含基材晶面的壁形成。所述壁在交線處彼此鄰接，逐漸變 細(xì)成為端部觀。所述交線和端部大致為原子級(jí)尖銳，換言之，端部觀以及/或者壁20、22、 23和/或25之間的交線的曲率半徑具有大約原子半徑的曲率半徑。該曲率半徑為例如約 Ι-lOOnm。由于該小的曲率半徑，微針是尖銳的。由于另外沿著尖端12的整個(gè)長(zhǎng)度延伸的 交線的小曲率半徑，微針的整個(gè)尖端切入到皮膚中。因此，與就微針?biāo)阎那樾蜗啾?，?入皮膚中需要更小的力。因?yàn)檩S14還具有在交線處彼此鄰接的晶面的壁，該軸對(duì)皮膚也具 有切削作用。微針的壁18、20、22、23和25大約對(duì)應(yīng)于硅的晶面，并且可以是大致原子級(jí)平 坦的。原子級(jí)平坦的壁與較粗糙的壁相比對(duì)皮膚產(chǎn)生較小的摩擦，其結(jié)果是根據(jù)本發(fā)明的 微針經(jīng)歷來(lái)自皮膚的較小反作用力并且對(duì)皮膚損傷程度較小。下面描述了可產(chǎn)生圖3a和北中所示微針的微針制造方法的實(shí)施方案。第一步 驟可以類似于參考圖7A-7D/8A-8D或9A-9D/10A-10D所描述的步驟，其中在基材第一側(cè)上 蝕刻兩個(gè)井。然后，作為另外的中間步驟，蝕刻基材的另一個(gè)相對(duì)側(cè)。在該情形中，還在該其它側(cè)中以類似方式蝕刻兩個(gè)井，使得基材一側(cè)中的井對(duì)應(yīng)于沿某些截面基材其它側(cè)上的 井。該方法的隨后步驟對(duì)應(yīng)于參考圖7E/8E或9E/10E所描述的步驟?？僧a(chǎn)生圖如和4b中所示微針的另一種微針制造方法以從基材蝕刻出具有方形橫 截面的微針為開(kāi)始，其中軸包含兩個(gè)對(duì)應(yīng)于基材<110>側(cè)的側(cè)部。兩個(gè)其它側(cè)與其成直角 并且是<111>面。然后，各向異性地蝕刻掉部分微針，如圖如和4b中面425所示，其結(jié)果 是<111>面形成微針的尖端。在制造微針后，還可以在其外表面施加涂覆層以允許該微針更容易地滑入皮膚 中。涂覆層包含例如硅油?？衫缤ㄟ^(guò)將微針浸沒(méi)在硅油浴中施加硅油。此外，可以將微 針帶入室中，在該室中將硅油以蒸氣形式或者借助于細(xì)霧或噴霧進(jìn)行施加。本發(fā)明不限于其上述實(shí)施方案，其允許許多在所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的修改。
權(quán)利要求
1.由單晶材料制造的面內(nèi)微針，包含-具有至少兩個(gè)壁的軸，每個(gè)壁由單晶材料的相對(duì)緩慢蝕刻晶面形成；和 -連接到所述軸的端部并包含至少三個(gè)壁的尖端，每個(gè)壁由單晶材料的相對(duì)緩慢蝕刻 晶面形成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的微針，其中所述尖端的壁中的兩個(gè)由與所述軸的兩個(gè)壁相同的晶 面形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的微針，其中由與所述軸的兩個(gè)壁相同的晶面形成的所述尖端的兩 個(gè)壁由相對(duì)緩慢蝕刻晶面形成。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的微針，其中所述尖端的3個(gè)壁由相對(duì)緩慢蝕刻晶面形成。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的微針，其中所述相對(duì)緩慢蝕刻晶面不彼此平行。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的微針，其中所述尖端包含與制成微針的單晶材料的基材表面相同 的第四壁。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的微針，其中所述尖端的壁中的三個(gè)由與所述軸的三個(gè)壁相 同的晶面形成。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的微針，其中所述尖端的三個(gè)壁以大致原子級(jí)尖銳的方式會(huì)聚在一端。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的微針，其中所述三個(gè)壁以70°量級(jí)的內(nèi)角彼此鄰接。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的微針，其中該微針由單晶硅基材形成，所述單晶硅基材具 有與所需尖端的銳度匹配的一定晶體取向的表面。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的微針，其中所述單晶材料是下面中的一種單晶硅 <100>，單晶硅<211>或單晶硅<110>。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的微針，其中在所述軸和/或尖端中具有溝槽。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的微針，其中所述溝槽沿縱向是敞開(kāi)的。
14.由單晶材料制造的微針，包含-包含至少三個(gè)壁的尖端，所述三個(gè)壁由單晶材料的相對(duì)緩慢蝕刻的晶面形成。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的微針， -其中所述單晶材料是硅，和-其中由相對(duì)緩慢蝕刻晶面形成的尖端的3個(gè)壁是由硅的<111>晶面形成。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15的微針，其中所述相對(duì)緩慢蝕刻的晶面不彼此平行。
17.微針陣列，包含-具有大致平坦端部的支架；-一個(gè)或多個(gè)與所述支架的端部裝配的根據(jù)前述權(quán)利要求之一的微針。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的微針陣列，其中所述支架包含熱塑性物。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的微針陣列，其中所述熱塑性物包含PE、PP和/或POM。
20.根據(jù)權(quán)利要求17-19之一的微針陣列，其中所述微針以任意構(gòu)造與所述支架的端 部裝配。
21.根據(jù)權(quán)利要求17-20之一的微針陣列，其中所述一個(gè)或多個(gè)微針熔合到所述支架 端部的材料中。
22.制造微針的方法，包括步驟i)提供具有第一表面和與該第一面平行的第二表面的單晶材料的基材；ii)通過(guò)保護(hù)層的第一孔隙將基材的第一表面各向異性蝕刻用以形成第一井，該第一 井在其中心具有第一狹槽；iii)通過(guò)保護(hù)層的第二孔隙將基材的第一表面各向異性蝕刻用以形成第二井，該第二 井在其中心具有第二狹槽；iv)通過(guò)保護(hù)層的第三孔隙將基材的第二表面各向異性蝕刻用以形成微針的尖端；和 ν)將所述微針從所述基材分離。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，包括步驟vi)在基材中設(shè)置溝槽。
24.根據(jù)權(quán)利要求22或23的方法，其中步驟ii)和iii)同時(shí)進(jìn)行。
25.根據(jù)權(quán)利要求22或23方法，其中步驟ii)在步驟iii)之前進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明提供了微針，該微針包含具有至少三個(gè)壁的單晶材料軸，所述三個(gè)壁由單晶材料的晶面形成；連接到所述軸的端部并且包含至少三個(gè)壁的尖端，所述三個(gè)壁由材料晶面形成。所述材料優(yōu)選是硅。所述尖端的壁中的兩個(gè)由與所述軸的兩個(gè)壁相同的晶面形成。這兩個(gè)壁由晶面形成。優(yōu)選地，所述尖端的三個(gè)壁由晶面形成。
文檔編號(hào)A61M37/00GK102123759SQ200980128625
公開(kāi)日2011年7月13日 申請(qǐng)日期2009年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月24日
發(fā)明者J·M·維辛特, J·W·貝倫肖特, M·J·德博伊爾, N·R·塔斯 申請(qǐng)人:U型針控股有限責(zé)任公司