專利名稱：一種電滲流可控輸藥芯片電滲驅(qū)動單元的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，具體涉及微型機電系統(tǒng)(micro electromechanical system,以下簡稱為MEMS)范疇內(nèi)的植入式電滲流可控輸藥芯片及其制備方法。
背景技術(shù)：
藥物傳輸系統(tǒng)(Drug Delivery Systems, DDS)是指人們在防治疾病的過程中所采用的各種治療藥物的不同給藥形式。理想的藥物傳輸系統(tǒng)不僅應(yīng)具有良好的生物相容性， 較高的載藥率和包封率，良好的細胞或組織特異性一即靶向性；還應(yīng)具有在達到目標(biāo)病灶部位之前不釋放藥物分子，到達病灶部位后才以適當(dāng)?shù)乃俣柔尫懦鏊幬锓肿拥奶匦?。隨著MEMS技術(shù)的進步，具有不同功能的微型元器件和顯微機電元件能夠規(guī)?；a(chǎn)。將MEMS同藥物傳遞系統(tǒng)結(jié)合，有助于改善現(xiàn)有多種藥物的臨床治療效果，并在新藥研發(fā)中扮演重要作用。MEMS用于藥物控釋系統(tǒng)主要包括藥物控釋芯片、滲透壓驅(qū)動微型藥物釋放系統(tǒng)、植入式智能藥物釋放系統(tǒng)、遙控透皮給藥系統(tǒng)、微型泵、納米微粒包和系統(tǒng)、微型注射針管陣列給藥系統(tǒng)、微型藥物輸液給藥裝置、體腔內(nèi)微型監(jiān)測器械、高溫微型閥、用于微液流標(biāo)記的三維微陣列管道系統(tǒng)、皮下微型針刀等。其中，微型泵是藥物傳輸系統(tǒng)中十分重要的部分。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻的檢索，N.A. A. Nisar, Banchong Mahaisavariya, AdisornTuantranont 等在《Sensors and Actuators B》2007 (130) p917_942 撰文"MEMS-basedmicropumps in drug delivery and biomedical applications, 〃(“基于MEMS技術(shù)的微型泵在藥物傳輸系統(tǒng)和生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用”)。文中提到，實現(xiàn)驅(qū)動流體的微型泵有各種驅(qū)動原理靜電機械式，氣壓式，記憶合金式，雙金屬層式，電磁式，相變式，壓電陶瓷式，電滲式等。其中，電滲式流體驅(qū)動因其具有不需要移動的機械部件，器件將不受摩擦而提高穩(wěn)定性以及能源利用率等優(yōu)勢，受到了各國學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前，國內(nèi)外已研制出許多電滲流芯片，主要應(yīng)用于生物質(zhì)的分離，利用電滲流現(xiàn)象驅(qū)動器件內(nèi)微管道中的流體，以達到傳質(zhì)的目的。但卻很少涉及電滲流在微量藥物的持續(xù)輸送方面的應(yīng)用，原因主要是由于電滲流的輸出效率受電場強度的影響大，而一般電滲流芯片由于泳道長，需要施加高壓才能達到一定效果。同時，高壓產(chǎn)生的電流在芯片內(nèi)形成并釋放出大量的焦耳熱，嚴(yán)重影響電滲效果，所以必須采取降溫措施而使其不能長時間持續(xù)工作。此外，電滲過程中由于高壓會使泳道內(nèi)的液體發(fā)生電解產(chǎn)生氣泡，也會嚴(yán)重影響器件的工作效果。目前利用極低電壓驅(qū)動的電滲流芯片主要采用交流(AC)電壓控制的方式。這種設(shè)計在泳道上依次排列許多平面的正負電極對，利用控制不同電極對泳道內(nèi)流體實現(xiàn)接力式驅(qū)動。但該器件結(jié)構(gòu)和控制都較復(fù)雜，并且驅(qū)動的電滲流不夠穩(wěn)定，很難實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有植入式微型電滲流可控輸藥芯片技術(shù)的不足，提供一種植入式微型藥物輸送芯片及其制備方法，該芯片的生產(chǎn)工藝簡單，生產(chǎn)成本低，易于大規(guī)模生產(chǎn)。該芯片可實現(xiàn)極低電壓直流(DC)驅(qū)動，藥物輸出量微量、穩(wěn)定、可控，不會產(chǎn)生液體電解和大量焦耳熱。為實現(xiàn)本發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種植入式微型電滲流可控輸藥芯片，特點在于其構(gòu)成包括主流道，在該主流道的兩端各連接一個電滲驅(qū)動單元陣列。所述的電滲驅(qū)動單元陣列是由2個以上單一的驅(qū)動單元串連構(gòu)成,每個電滲驅(qū)動單元的結(jié)構(gòu)是對稱的，在兩端設(shè)有流體的入口和出口，所述的入口連接前方來流方向的主通道，所述的出口連接后方出流的主通道，所述的主通道和電滲驅(qū)動單元的截面形狀均為矩形，在入口和出口處仿照圓形簡擴管和簡縮管呈45°夾角的流道寬度漸變區(qū)；所述的驅(qū) 動單元的寬度大于主通道，以便具有更多的空間實現(xiàn)電滲驅(qū)動；在硅基驅(qū)動單元內(nèi)部刻蝕出矩形分流道，在整個驅(qū)動單元內(nèi)部刻蝕多個分流道以加強電滲流的強度；每個分流道的長度按照流道寬度漸變區(qū)的夾角設(shè)定，分流道之間柵欄的兩端與前后流道寬度漸變區(qū)的側(cè)壁保持相同距離；所述的流道寬度漸變區(qū)的側(cè)壁外側(cè)實施離子注入，使那一部分的硅材料成為導(dǎo)體，離子注入?yún)^(qū)與單元內(nèi)部被刻蝕的部分保持微小的距離，目的是利用二氧化硅絕緣離子注入?yún)^(qū)與驅(qū)動單元內(nèi)部的電解質(zhì)溶液。所述的主流道呈折疊狀，主流道的長度由背壓與流阻的平衡決定經(jīng)過理論推導(dǎo)計算出單一電滲驅(qū)動單元所產(chǎn)生的背壓與一定截面形狀主流道的沿程壓力損失，并按照背壓與總輸出量的關(guān)系設(shè)定主流道的長度，以達到背壓與流阻的平衡。所述的電滲驅(qū)動單元陣列是將單一驅(qū)動單元順著主流道的方向排列，驅(qū)動單元之間，即前驅(qū)動單元的出口與后驅(qū)動單元的入口之間的距離不超過5um，所有驅(qū)動單元串聯(lián)放置，在同一直線上的前后兩驅(qū)動單元，連接電源正極的離子注入?yún)^(qū)應(yīng)該以相同的方向指向連接負極的區(qū)域，同一直線上放置2個以上單一的驅(qū)動單元，形成陣列后連接主流道，不同直線上驅(qū)動單元按對齊的原則布置，間隔距離為一個單一驅(qū)動單元兩個對稱軸上較長的跨度。上述的植入式微型電滲流可控輸藥芯片的主要由電滲驅(qū)動單元組成，下面給出單個電滲驅(qū)動單元制備方法，包括如下步驟(I)把單晶硅兩面拋光，在硅片的一面氧化成二氧化硅層，硅在芯片的另一面甩膠光刻，所述的單晶娃厚度3 16um ；(2)光刻芯片，形成4個深溝道；(3)氧化上表面，形成的二氧化硅層厚度應(yīng)大于I. 5um,同時所述的4個深溝道也利用氧化層的形成而填滿；(4)刻蝕上表面氧化層，在被二氧化硅填滿的深溝道之間刻蝕出一定寬度的缺Π ；(5)對所述的缺口所對應(yīng)區(qū)域進行離子注入；(6)上表面拋光并將二氧化硅層留至Ium厚；
(7)在上表面濺射鋁，厚度3 lum，按照連接相同一個電極的布線方案刻蝕鋁；(8)在上表面生長二氧化硅層，拋光磨平；(9)對連接相反電極的離子注入?yún)^(qū)進行刻蝕，濺射鋁，按照布線方案刻蝕鋁，鋁層的平均厚度應(yīng)大于4um ；( 10)在上表面生長二氧化硅層，使二氧化硅層的厚度能將埋入的鋁線全部包裹覆蓋，并且在鋁線周圍二氧化硅層最薄處也能起到良好的絕緣效果；(11)在芯片的另一面甩膠，光刻出六個分流道的光刻膠圖形；(12)深度光刻使形成六個分流道，除去光刻膠層，在上表面氧化形成二氧化硅層，最后封裝整個芯片。

所述的步驟(I)中余下的單晶硅厚度為蘭16um，分流道的寬度為3um，間隔9um。在步驟(3)中的二氧化硅層厚為蘭1.5um，步驟(7)中濺射的鋁層厚蘭lum，步驟
(9)中濺射的鋁層平均厚度3 4um，在步驟(12)中的二氧化硅層厚為O. 5um。步驟(5)中選取的注入離子為硼離子。所采用的封裝材料為玻璃薄膜。本發(fā)明的技術(shù)效果如下本發(fā)明植入式微型電滲流可控輸藥芯片的結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，制備生產(chǎn)工藝簡單，生產(chǎn)成本低，易于大規(guī)模生產(chǎn)，本發(fā)明芯片可以實現(xiàn)極低電壓直流(DC)驅(qū)動，藥物輸出量微量、穩(wěn)定、可控，不會產(chǎn)生液體電解和大量焦耳熱。


圖I為本發(fā)明的電滲驅(qū)動單元俯視圖。圖2為本發(fā)明的電滲驅(qū)動單元陣列與主流道俯視圖。圖3為本發(fā)明芯片的電滲驅(qū)動單元工藝流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了具體的實施方法，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。如圖1、2、3所示，本實施例主要對電滲驅(qū)動單元、主流道及驅(qū)動單元陣列和芯片器件制備的工藝流程進行說明。圖I為本發(fā)明的電滲驅(qū)動單元俯視圖，由圖可見，本發(fā)明的電滲驅(qū)動單元(I)電滲驅(qū)動單元對稱，在兩端設(shè)有流體的入口和出口，一個連接前方來流方向的主通道，另一個連接后方出流的主通道。主通道和電滲驅(qū)動單元的截面形狀均為矩形。在入口和出口處仿照圓形簡括管和簡縮管呈45°夾角的流道寬度漸變區(qū)。(2)按上述設(shè)計理念連接兩端的流道漸變區(qū)，使驅(qū)動單元的寬度大于主通道以便具有更多的空間實現(xiàn)電滲驅(qū)動。在24um深的硅基驅(qū)動單元內(nèi)部刻蝕出3um寬的矩形分流道，在整個驅(qū)動單元內(nèi)部共刻蝕六個分流道以加強電滲流的強度。每個分流道的長度按照流道寬度漸變區(qū)的夾角設(shè)定，分流道之間的柵欄的兩端與前后流道寬度漸變區(qū)的側(cè)壁保持相同距離。(3)在上述流道寬度漸變區(qū)的側(cè)壁外側(cè)實施離子注入，使那一部分的硅材料成為導(dǎo)體。離子注入?yún)^(qū)與單元內(nèi)部被刻蝕的部分保持微小的距離，目的是利用二氧化硅絕緣離子注入?yún)^(qū)與驅(qū)動單元內(nèi)部的電解質(zhì)溶液。請參閱圖2，圖2為本發(fā)明的電滲驅(qū)動單元陣列與主流道俯視圖。由圖可見本發(fā)明植入式微型電滲流可控輸藥芯片，包括主流道，在該主流道的兩端各連接一個電滲驅(qū)動單元陣列。(I)經(jīng)過理論推導(dǎo)計算出單一電滲驅(qū)動單元所產(chǎn)生的背壓與一定截面形狀主流道的沿程壓力損失，并按照背壓與總輸出量的關(guān)系設(shè)定主流道的長度，以達到背壓與流阻的平衡，主流道呈折疊狀，連接兩端的驅(qū)動單元陣列。(2)將單一驅(qū)動單元順著主流道的方向排列，驅(qū)動單元之間，即前驅(qū)動單元的出口與后驅(qū)動單元的入口之間的距離不超過5um，所有驅(qū)動單元串聯(lián)放置，在同一直線上的前后兩驅(qū)動單元，連接電源正極的離子注入?yún)^(qū)應(yīng)該以相同的方向指向連接負極的區(qū)域，同一直線上放置2個及2個以上單一的驅(qū)動單元，形成陣列后連接主流道。不同直線上驅(qū)動單元 按對齊的原則布置，間隔距離為一個單一驅(qū)動單元兩個對稱軸上較長的跨度。 圖3為本發(fā)明芯片的電滲驅(qū)動單元工藝流程圖。由圖可見，本實施例關(guān)于芯片的制造工藝步驟如下(I)把單晶硅片兩面拋光，在硅片的一面采用熱粘合法氧化2um 二氧化硅層，并保證余下的單晶硅厚度為24um。在芯片的另一面甩膠光刻，并在光刻膠層上刻上4個3um寬的槽口。(2)用深反應(yīng)離子刻蝕方法光刻芯片，形成4個24um深，3um寬的深溝道。(3)氧化上表面，使形成I. 5um厚二氧化硅層，同時之前刻蝕的4個深溝道也利用氧化層的形成而填滿。(4)刻蝕上表面氧化層，在被二氧化硅填滿的深溝道之間用HF清洗，刻蝕出兩個9um寬的缺口。(5)對前一步驟缺口所對應(yīng)區(qū)域進行硼離子注入。(6)上表面拋光并將二氧化硅層留至Ium厚。(7)在上表面濺射2um厚的鋁，按照連接相同一個電極的布線方案刻蝕鋁。(8)用PECVD (等離子體增強化學(xué)汽相沉積)技術(shù)在上表面生長二氧化硅層，拋光磨平，使上表面與埋入的鋁線(除了與離子注入?yún)^(qū)接觸的部分)之間間隔lum。(9)對連接相反電極的離子注入?yún)^(qū)進行刻蝕，濺射4um厚的鋁，按照布線方案刻蝕招。(10)用PECVD技術(shù)在上表面生長二氧化硅層，使二氧化硅層的厚度能將埋入的鋁線全部包裹覆蓋，并且在鋁線周圍二氧化硅層最薄處也能起到良好的絕緣效果。(11)在芯片的另一面甩膠，光刻出六個寬4um，間隔2um的分流道的光刻膠圖形。(12)深度光刻使形成六個分流道，除去光膠層，在上表面氧化形成O. 5um厚的二氧化硅層，以用來產(chǎn)生電滲透現(xiàn)象。最后，用細的玻璃薄膜封裝整個芯片，這樣有利于誘導(dǎo)產(chǎn)生電滲透現(xiàn)象。本實施例生產(chǎn)工藝簡單,生產(chǎn)成本低，易于大規(guī)模生產(chǎn)。實驗表明，本發(fā)明芯片可以極低電壓直流(DC)驅(qū)動，藥物輸出量微量、穩(wěn)定、可控，不會產(chǎn)生液體電解和大量焦耳熱。本發(fā)明提供的植入式微型電滲流可控輸藥芯片可廣泛用于藥物傳輸系統(tǒng)和生物醫(yī)學(xué) 的研究中。
權(quán)利要求
1.一種電滲流可控輸藥芯片電滲驅(qū)動單元的制備方法，其特征在于，該方法包括如下步驟 (1)把單晶硅兩面拋光，在硅片的一面氧化成二氧化硅層，硅在芯片的另一面甩膠光亥1J，所述的單晶娃厚度3 16um ； (2)光刻芯片，形成4個深溝道； (3)氧化上表面，形成的二氧化硅層厚度應(yīng)大于I.5um,同時所述的4個深溝道也利用氧化層的形成而填滿； (4)刻蝕上表面氧化層，在被二氧化硅填滿的深溝道之間刻蝕出一定寬度的缺口； (5)對所述的缺口所對應(yīng)區(qū)域進行離子注入； (6)上表面拋光并將二氧化硅層留至Ium厚； (7)在上表面濺射鋁，厚度3lum，按照連接相同一個電極的布線方案刻蝕鋁； (8)在上表面生長二氧化硅層，拋光磨平； (9)對連接相反電極的離子注入?yún)^(qū)進行刻蝕，濺射鋁，按照布線方案刻蝕鋁，鋁層的平均厚度應(yīng)大于4um ； (10)在上表面生長二氧化硅層，使二氧化硅層的厚度能將埋入的鋁線全部包裹覆蓋，并且在鋁線周圍二氧化硅層最薄處也能起到良好的絕緣效果； (11)在芯片的另一面甩膠，光刻出六個分流道的光刻膠圖形； (12)深度光刻使形成六個分流道，除去光刻膠層，在上表面氧化形成二氧化硅層，最后封裝整個芯片。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電滲流可控輸藥芯片電滲驅(qū)動單元的制備方法，其特征在于，步驟(I)中余下的單晶娃厚度為蘭16um,分流道的寬度為3um,間隔9um。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電滲流可控輸藥芯片電滲驅(qū)動單元的制備方法，其特征在于，在步驟(3)中的二氧化硅層厚為會I. 5um，步驟(7)中濺射的鋁層厚會lum，步驟(9)中濺射的鋁層平均厚度3 4um，在步驟(12)中的二氧化硅層厚為O. 5um。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電滲流可控輸藥芯片電滲驅(qū)動單元的制備方法，其特征在于，步驟(5)中選取的注入離子為硼離子。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電滲流可控輸藥芯片電滲驅(qū)動單元的制備方法，其特征在于，采用的封裝材料為玻璃薄膜。
全文摘要
一種電滲流可控輸藥芯片電滲驅(qū)動單元的制備方法，該方法包括如下(1)在硅片的一面氧化成二氧化硅層，另一面甩膠光刻，(2)光刻芯片，形成4個深溝道等步驟，最后封裝整個芯片。本發(fā)明使芯片的生產(chǎn)工藝簡單，生產(chǎn)成本低，易于大規(guī)模生產(chǎn)，所設(shè)計的芯片可以實現(xiàn)極低電壓直流(DC)驅(qū)動，藥物輸出量微量、穩(wěn)定、可控，不會產(chǎn)生液體電解和大量焦耳熱。
文檔編號A61N1/30GK102872531SQ20121042136
公開日2013年1月16日 申請日期2011年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月28日
發(fā)明者張文光, 胡牧風(fēng), 吳棟棟 申請人:上海交通大學(xué)