專利名稱：以liga工藝制造聚合物微針陣列的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及以LIGA工藝制造微針陣列，更特別地，本發(fā)明涉及由對人體無害的聚合物制成的微針陣列的制造方法，其中通過采用傾斜曝光于X射線而改進了制造效率。
背景技術(shù)：
已有使用具有數(shù)毫米半徑的針或尖刀，用以從患者皮膚抽取血液或者將藥物輸注入患者。然而，該技術(shù)給待檢查的受試者留下了額外的疤痕并使受試者遭受疼痛。特別地，例如在諸如糖尿病的疾病中，需要頻繁檢查血液中含有的葡萄糖量。當采用諸如檢查葡萄糖量的裝置時，患者必須遭受皮膚的創(chuàng)傷以頻繁地測量其血液，由此患者會由于血液采集過程的疼痛而對測量產(chǎn)生厭惡。另外，在預(yù)定的時間間隔將藥物輸注入人體時，常規(guī)的針由于曝光于外部環(huán)境從而可引起患者身處危險，例如碰撞。
為了彌補這些缺點，如下研究論文中通過以陣列方式制造具有數(shù)百微米高度的微針，從而公開了能緩解痛點刺激的微針制造方法1.Boris Stoeber和Dorian Liepmann，“Fluid Injection ThroughOut-Of-Plane Microneedles”，lstAnnual International IEEE-EMBS SpecialTopic Conference，法國里昂，2000年10月12-14日，224-228頁；2.J.G.E.Gardeniers、J.W.Bernschot、M.J.deBoer、Y.Yeshurun、M.Hefetz、R.van′t Oever和A.Van den Berg，“Silicon MicromachinedHollow Microneedles for Transdermal Liquid Transfer”，MEMS，2002年第2卷，141-144頁；及3.Patrick Griss和Goron Stemme，“Novel，side opened out-of-plane microneedles for microfluidic transdermal interfacing”，Transducer，2002年第2卷，圖3a-3f，第467-470頁。
在這些論文中，微針的制造過程是通過采用硅或玻璃的半導(dǎo)體工藝而完成的。
然而，微針中含有用于半導(dǎo)體工藝的毒性化學(xué)物，從而可傷害人體。另外，如果尖針由于碰撞等原因而斷裂，則可能存在的一個嚴重問題是，斷裂的尖針片段會進入血流中并阻礙血液流動。此外，如果采用硅或玻璃，則存在的問題是制造工藝復(fù)雜且生產(chǎn)成本極高。
本發(fā)明公開內(nèi)容因而，本發(fā)明考慮解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題。本發(fā)明的目的是提供以LIGA工藝制造的聚合物微針陣列，所述LIGA工藝即，制備聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)鑄型和聚二甲基硅氧烷(PDMS)模具，并采用PDMS模具制造針陣列，從而改進制造效率并消除對人體的危害。
根據(jù)本發(fā)明，為了實現(xiàn)該目的，提供制造微針陣列的方法，所述方法包含如下步驟通過在基片上生成具有微針陣列構(gòu)造的吸收器，制備X射線掩膜；采用X射線掩膜，通過將PMMA曝露于垂直和傾斜的X射線，制備用于微針陣列的PMMA鑄型；通過將PDMS澆注至PMMA鑄型上，制備構(gòu)造與PMMA鑄型相反的柔性PDMS模具；以凝膠類型的聚合物填充PDMS模具上表面，得到期望厚度的聚合物；通過以紫外線輻照聚合物，將具有期望構(gòu)造的孔穴圖案化；分離PDMS模具，完成聚合物微針陣列。
在本發(fā)明優(yōu)選實施方案中，具有微針陣列構(gòu)造的X射線掩膜的制備步驟包含如下步驟通過在基片上生成氧化物層(SiO2)，形成絕緣層；通過將Cr/Au金屬層沉積于絕緣層上，形成用于電鑄的基礎(chǔ)基片；采用光敏聚合物，顯影劑和蝕刻劑，將微針陣列的構(gòu)造圖案化；通過采用圖案化的光敏聚合物電鑄Au層，并除去圖案化的光敏聚合物，生成X射線吸收器。
附圖簡述

圖1所示為本發(fā)明的微針陣列的剖視圖。
圖2a至2g為圖解本發(fā)明的X射線掩膜制備過程的視圖。
圖3a至3d為圖解本發(fā)明的PMMA鑄型制備過程的視圖。
圖4a至4d為圖解本發(fā)明的聚合物微針陣列制造過程的視圖。
本發(fā)明最優(yōu)實施方式此處將參考附圖詳細描述本發(fā)明的實施方案。
術(shù)語“LIGA”是德語單詞“Lithographie，Galvanoformung andAbformung”的縮寫，對應(yīng)于英文單詞“平版印刷，電鑄和模塑”。即，LIGA工藝是指通過使用X射線的平版印刷、電鑄及模塑過程制造微結(jié)構(gòu)的微加工技術(shù)。
LIGA工藝具有如下特征?？赏ㄟ^單步過程制造的結(jié)構(gòu)的高度所處范圍為數(shù)十微米至數(shù)厘米?？蓪崿F(xiàn)所制造結(jié)構(gòu)的垂直構(gòu)造，垂直壁表面的粗糙度為約數(shù)百埃。結(jié)構(gòu)的允許誤差可實現(xiàn)在1/10,000cm或更小。通過電鑄和(聚合物或陶瓷)模塑過程，可以選擇的材料非常多。由于可進行模塑，因而還可大批量生產(chǎn)非常精密的結(jié)構(gòu)。因而，生產(chǎn)的單位成本減少了。
特別地，在進行該LIGA工藝時，X射線曝光步驟和顯影步驟是重要的。為了使X射線曝光和顯影步驟過程中尺寸誤差最小化，用于控制X射線光源的選擇性透射率的X射線掩膜就顯得重要。即，X射線掩膜是在X射線平版印刷過程中置于光致抗蝕劑和X射線光源之間的裝置，用以選擇性傳輸X射線。
在LIGA工藝中，X射線掩膜應(yīng)在需要X射線輻照的部分能容易地傳輸X射線而無損失，而在無需X射線輻照的部分則應(yīng)能將X射線屏蔽至預(yù)定能量水平之下。
在當前用于LIGA工藝的X射線掩膜中，基片上生成有氮化硅制成的薄膜，薄膜上則生成有金(Au)制成的X射線吸收器。氮化硅膜基本上無損失地傳輸X射線，而在生成有X射線吸收器的部分則不能傳輸X射線。因而，在不存在X射線吸收器的部分，膜能容易地傳輸X射線，從而使PMMA6或光致抗蝕劑能曝光于X射線。
同時，在帶有曝光的PMMA或光致抗蝕劑的工件中，曝光部分通過顯影過程完全除去，從而可以露出基礎(chǔ)層或金屬表面。然后進行電鑄。
采用諸如Ni或NiP的金屬在帶有圖案的顯影部分上完成電鑄之后，除去PMMA或光致抗蝕劑。因而，通過單步過程，可將結(jié)構(gòu)的表面粗糙度控制到約數(shù)百埃。
圖1是本發(fā)明的微針陣列的(側(cè)面)剖視圖。如圖1中所示，本發(fā)明的微針陣列15包含能夠刺穿皮膚的尖端13，及能夠采集血液的通道14。優(yōu)選地，所形成的尖端13足夠尖銳，以使對皮膚結(jié)構(gòu)的傷害及疼痛最小。
圖2a至4d圖解的是通過本發(fā)明的LIGA工藝制造微針陣列的過程視圖。
圖2a至2g圖解的是通過在硅基片上生成具有微針陣列結(jié)構(gòu)的吸收器制造X射線掩膜的過程視圖。首先參閱圖2a，采用稀硫酸(H2SO4)溶液和過氧化氫(H2O2)以1∶2比例于120℃對硅基片1(100μm厚度，<100>取向，N型)或氮化硼基片清洗40分鐘，以除去作為污染物的金屬或有機殘留物。
參照圖2b，將硅基片1置于氧化爐中，然后以去離子(DI)水在100℃氧化6小時，形成厚度約1.2μm的氧化物層(二氧化硅；SiO2)。為了改進絕緣性能并生成薄膜，可在氧化物層生成之后，通過低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)工藝另外生成厚度為4,000埃的低應(yīng)力氮化物層。關(guān)于用于形成薄膜的低應(yīng)力氮化物層，該薄膜通過體蝕刻硅基片1而生成。
參照圖2c，為了在絕緣層2上生成用于電鑄的基片電極，采用熱蒸發(fā)器在絕緣層2上沉積Cr/Au金屬層3。采用55-60A的電流，以1/秒的沉積速率持續(xù)約2分鐘，將Cr沉積約200埃的總厚度，以改進Au對基片1的粘合性。然后，采用50-55A的電流，以1-1.5/秒的沉積速率持續(xù)約10-15分鐘，將Au沉積約2,000埃的總厚度。
參照圖2d，通過旋轉(zhuǎn)分配器施用厚度約23μm的AZ9260光敏聚合物(光致抗蝕劑)(于200rpm持續(xù)40秒，1,000rpm持續(xù)5秒)，然后于110℃軟烘焙120秒。為了將具有微針陣列構(gòu)造的掩模圖案化，采用紫外掩膜，將聚合物曝光于強度為8mW/cm2的紫外線4分鐘。然后，采用AZ400K顯影劑對聚合物進行15分鐘的顯影過程，以DI水清洗并采用N2氣干燥。
參照圖2e，采用圖案化的聚合物4，以1.5mA的電流強度對Au層5電鑄約6小時。參照圖2f，采用丙酮和甲醇除去圖案化的光敏聚合物4。此處，由于氧化物層2和硅基片1對應(yīng)于X射線穿透區(qū)域，而電鑄的Au層5成為吸收X射線的吸收器，因而提供了能夠使X射線選擇性穿透的X射線掩膜。
同時，對于覆蓋有低應(yīng)力氮化物層的硅基片，如圖2中所示，以KOH溶液蝕刻硅基片1，形成氮化物薄膜。
以此方式，通過圖2a至2g中圖解的過程，制備了LIGA工藝中使用的X射線掩膜。
圖3a至3d圖解的是采用以低應(yīng)力氮化物層覆蓋的X射線掩膜，通過使PMMA曝光于垂直和傾斜X射線，從而制備微針陣列的PMMA鑄型的制造過程視圖。參照圖3a至3d，將X射線掩膜20排列在PMMA6上，所述PMMA6曝光于垂直X射線7和傾斜X射線8。然后，將曝光于X射線的PMMA6部分顯影并除去。顯影后PMMA剩余的其他部分成為PMMA鑄型9。由此制得的PMMA鑄型9是將要通過隨后過程制備的聚二甲基硅氧烷(PDMS)模具10的鑄型，因而具有與PDMS模具相反的構(gòu)造。
圖4a至4d圖解的是采用PMMA鑄型制造聚合物微針陣列的過程。參照圖4a，為了得到微針陣列15，對PMMA鑄型9和基片1的表面進行硅烷化，從而使PDMS模具10固化后可容易地分離出。關(guān)于用于硅烷化的化學(xué)品，整個硅烷化過程所用化學(xué)品均通過將約10μl的三氯(3，3，3-三氟丙基)硅烷置于真空容器中8小時而得到。將單體與固化劑以10∶1的比例混合并去除泡沫制得PDMS，然后將所得PDMS澆注于前面制備的PMMS鑄型9上，制造PDMS模具10。將澆注過程中產(chǎn)生的泡沫從PDMS除去，所述PDMS于100℃熱處理約1小時，然后固化。當將固化的PDMS模具10從PMMS鑄型分離出時，即得到完成的用于制造聚合物微針陣列的柔性模具10。此時，由于PDMS模具10已被干凈地分離出，因而無需另外的過程可通過重復(fù)如下過程而容易地得到許多柔性模具澆注含有固化劑的PDMS，進行熱處理。
參照圖4b，將固化的PDMS模具10從PMMA鑄型9分離出。
參照圖4c，通過旋轉(zhuǎn)分配器或通過直接注射將聚合物11，SU-8(70重量％EPON，30重量％GBL)施用至PDMS模具10(200rpm持續(xù)5分鐘，1,000rpm持續(xù)35分鐘)，生成厚度約500μm的容器，然后在95℃預(yù)烘焙。由于SU-8是陰性光致抗蝕劑，采用紫外掩膜將其曝光于強度為3,000-4000mJ/cm2的365nm附近的光。然后，將聚合物于95℃進行后烘焙，隨后顯影并以丙二醇單甲醚乙酸酯(PGMEA)清洗15分鐘。清洗之后，將其于200℃硬烘焙。如果采用諸如紫外壓印或注射模塑的方法，則采用適合于模塑方法的聚合物。
參照圖4d，將聚合物12施用至PDMS模具10然后烘焙。根據(jù)孔穴16的期望構(gòu)造，將紫外線輻照于待曝光的聚合物上。然后，以顯影劑和蝕刻劑對微針陣列的孔穴16進行圖案化。然后，使聚合物(SU-8)12完全固化，以改進其機械性能。將由此制得的以固化聚合物12制成的微針陣列從柔性的PDMS模具10分離出。
從而，圖1中所示聚合物微針陣列15可通過如上所述的制造過程而制得。
工業(yè)實用性如上所述，本發(fā)明的聚合物微針陣列是通過采用模具而制得，所述模具采用LIGA工藝而制備得到。該微針陣列可與從皮膚抽取血液或通過皮膚遞送藥物的裝置一道使用。
另外，本發(fā)明的微針陣列由對人體無危害的聚合物制成，當其刺入皮膚時可容易地用于注射藥物或抽取血液，而無疼痛之感。采用模具制造微針陣列的方法使得減少了生產(chǎn)成本，并有助于微針陣列的批量生產(chǎn)。
權(quán)利要求
1.微針陣列的制造方法，包含如下步驟通過在基片上生成具有微針陣列構(gòu)造的吸收器，制備X射線掩膜；采用X射線掩膜，通過將PMMA曝光于垂直和傾斜的X射線，制備用于微針陣列的PMMA鑄型；通過將PDMS澆注于PMMA鑄型上，制備具有與PMMA相反構(gòu)造的柔性PDMS模具；以凝膠型聚合物填充PDMS模具的上表面，得到期望厚度的聚合物；通過在聚合物上輻照紫外線，將具有期望構(gòu)造的孔穴圖案化；和分離PDMS模具，完成聚合物微針陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中具有微針陣列構(gòu)造的X射線掩膜的制備步驟包含如下步驟通過在基片上生成氧化物層(SiO2)，形成絕緣層；通過將Cr/Au金屬層沉積于絕緣層上，形成用于電鑄的基礎(chǔ)基片；采用光敏聚合物、顯影劑和蝕刻劑，將微針陣列構(gòu)造圖案化；通過采用圖案化的光敏聚合物電鑄Au層，并除去圖案化的光敏聚合物，生成X射線吸收器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中基片包括硅基片、氮化硼(BN)基片或具有低應(yīng)力氮化物層的基片。
全文摘要
本發(fā)明涉及以X射線工藝制造微針陣列的方法。本發(fā)明提供了微針陣列的制造方法，包含的步驟為通過在基片上生成具有微針陣列構(gòu)造的吸收器，制備X射線掩膜；采用X射線掩膜，通過將PMMA曝光于垂直和傾斜的X射線，制備用于微針陣列的PMMA鑄型；通過將PDMS澆注于PMMA鑄型上，制備具有與PMMA相反構(gòu)造的柔性PDMS模具；以凝膠型聚合物填充PDMS模具的上表面，得到期望厚度的聚合物；通過在聚合物上輻照紫外線，將具有期望構(gòu)造的孔穴圖案代；以及分離PDMS模具，完成聚合物微針陣列。本發(fā)明的微針陣列由聚合物材料制成，可用于從皮膚抽取血液或?qū)⑺幬镒⑸淙肫つw。
文檔編號B81C1/00GK1738710SQ200480002378
公開日2006年2月22日 申請日期2004年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月16日
發(fā)明者李承燮, 文祥俊 申請人:李承燮