形成微结构的方法和装置的制作方法

专利名称：形成微结构的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明广泛地涉及用于微成型微结构阵列的方法和装置。
技术背景微结构例如微针被用于许多不同的技术领域。例如，由于皮下注射 和口服给药的快速性、有效性和直接性，它们是将药物施用给人体的最 常用的方法。这些方法的一些缺点包括初始峰值浓度、皮下注射引起的 外伤、口月艮施用药物时药物对消化道的损害、或在耙向器官外的身体其 他部分产生的并发症。另一方面，作为皮下注射或静脉输液的替代方案， 透皮药物递送是一种对人体施用药物的无痛途径。这种替代的药物递送 途径防止药物在消化道中被破坏或被肝脏立即吸收。用于透皮药物递送的常规产品通常以可以粘贴到人体上的贴剂(patch)的形式出现，用 于长时间的药物递送而不限制患者的运动.这些产品通常具有夹在防渗 背层和控制药物递送稳态速率的膜面之间的药物储层。 一些现有的透皮 药物递送应用包括用于防治晕动病的车莱菪碱、用于辅助戒烟的烟碱贴 剂、用于治疗心绞痛的硝化甘油、和用于荷尔蒙替代的雌激素。通常可以将透皮药物递送系统分为主动输送系统和被动扩散系统。 主动输送系统结合外用方法例如离子电渗、电穿孔和超声波以增加药物 通过皮肤屏障转移到人体中。这些方法通过电装置或通过高频电脉冲或 声波的应用增加药物向皮肤的扩散以改善药物的吸收。由于高昂的设备 和运行成本以及必须提供便携的电气设备的不方便性，用于实施上述方 法的常规装置还没取得商业成功。上述透皮贴剂是被动扩散系统的例子，其功能基于化学品进入和透 过皮肤的扩散，并且所述透皮贴剂依赖于诸如皮肤的孔隙率、药物分子 的大小和极性、穿过表皮角质层(人体皮肤的最外层)的浓度梯度等参 数。常规透皮贴剂通常存在药物从贴剂透过皮肤的低扩散速率的缺点。提高扩散速率的一种方法是通过破坏皮肤(表皮角质层)来破坏扩 散屏障。这可以通过使用实心的或空心的尖锐突起物例如微针阵列来刮
擦皮肤或者直接穿透皮肤来实现。这是一种用于克服或改善通常在透皮 药物递送中面临的低扩散问题的有效的和廉价的方法。
用于制造微针阵列的常规方法包括例如使用结合金属淀积的硅衬 底和注射成型。该方法涉及高生产成本和长生产时间，并不适于大规模 生产。

发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种微成型微结构阵列的方法，包括 使具有突起物阵列的冲头向置于在冲头和模具之间的材料板推进，每个 突起物成形为使材料板变形为对应的微结构；提供用于固定所述材料板 位置的固定器；和利用位于冲头上的突起物对材料板冲孔，以在材料板 上形成微结构阵列。
所述微结构可以是微针。
所述方法还包括在微成型过程中在各个微结构区域中的材料板上 提供基本恒定的反作用支撑。
所述基本恒定的反作用支撑可以通过所述模具提供。
所述模具可以是可变形模具。
可以选择所述冲头的长径比，使得对于给定厚度的材料板，在形成 微结构过程中降低或避免材料板中的平面应力。
每个微结构可以形成有实心尖端。 每个微结构可以在其尖端处形成有孔。
可以选择冲头的每个突起物的尖端曲率，使得对于给定厚度的材料 板，在微成型初期产生孔或裂缝，其中所述孔或裂缝在微成型过程中随 后扩张，并在每个微结构的尖端处形成开口。
所述可变形模具可以由变形后部分或基本恢复的材料制造。
所述材料可以包括半结晶性聚合物材料。
所述可变形模具可以由选自以下的材料制造高密度聚乙烯
(HOPE)、聚丙烯(PP)、特氟隆(聚四氟乙烯，PTFE)和聚对苯二 甲酸乙二醇酯(PET)。所述方法还包括将固体润滑剂应用于所述冲头。所述固体润滑剂可以包括四面体无定形碳(Ta-C)涂层。所述方法还可包括在每个微结构的内表面上涂覆以硬化所述微结构。所述涂覆步骤可以包括电镀过程。 所述电镀过程可以包括镀镍。所述材料板可以是选自以下的金属材料钢、铝1100和铜(99% )。根据本发明的第二方面，提供一种用于微成型微结构阵列的装置， 其包括具有突起物阵列的沖头；模具；和用于在微成型过程中回定所 述材料板位置的固定器，其中每个突起物成形为使材料板变形为对应的 微结构，并且其中利用所述突起物阵列对所述材料板冲孔以形成所述微 结构阵列。所述微结构可以是微针。在微成型过程中可以向各个微结构区域中的材料板提供基本恒定 的反作用支撑。所述基本恒定的反作用支撑通过所述模具提供。所述模具可以是可变形模具。可以选择所述冲头的长径比，使得对于给定厚度的材料板，在形成 微结构过程中降低或避免材料板中的平面应力。每个微结构可以形成有实心尖端。每个微结构可以在其尖端处形成有孔。可以选择冲头的每个突起物的尖端曲率，使得对于给定厚度的材料 板，在微成型初期产生孔或裂缝，其中所述孔或裂缝在微成型过程中随
后扩张，并在每个微结构的尖端处形成开口。所述可变形模具可以由变形后部分或基本恢复的材料制造。 所述材料可以包括半结晶性聚合物材料。所述可变形模具可以由选自以下的材料制造高密度聚乙烯 (HOPE)、聚丙烯(PP)、特氟隆(聚四氟乙烯，PTFE)和聚对苯二 甲酸乙二醇酯(PET)。可以将固体润滑剂应用于所述沖头。 所述固体润滑剂可以包括Ta-C涂层。所述装置还可包括用于在每个微结构的内表面上进行涂覆以硬化 所述微结构的装置。所述涂覆可以包括电镀过程。所述电镀过程包括镀镍。所述材料板可以是选自以下的金属材料钢、铝1100和铜(99% )。


根据以下仅作为实施例的说明并结合附图，本发明的实施方案将得 到更好的理解并且对于本领域普通技术人员将容易显而易见。图l(a)示出根据一个实施方案的用于形成微针的装置的分解透视图；图l(b)示出图l(a)装置的透视图；图2(a)示出根据另一个实施方案通过研磨制造的沖头；图2(b)示出多个图2(a)的沖头;图2(c)示出根据另一个实施方案通过EDM制造的冲头；图2(d)示出根据另一个实施方案通过精确线切割制造的6x6冲头阵列 的立体图；图2(e)示出图2(d)中的冲头阵列的侧视图3(a)-3(e)示出根据另一个实施方案通过微成型制造微针流程的示意 图；图4示出根据另一个实施方案的具有约1.2的长径比的微针的扫描电子 显微镜(SEM)显微图；图5是根据另一个实施方案的微针的SEM显微图；图6(a) ~ 6(e)是根据另一个实施方案通过微成型制造微针流程的示意 图；图7(a) ~ 7(e)是根据另一个实施方案通过微成型制造微针流程的示意 图；图8(a)是根据另一个实施方案的微针的SEM显微图； 图8(b)是图8(a)中的微针的放大图；图9(a)是示出根据另一个实施方案形成的微针阵列的照片；图9(b)是示出根据另一个实施方案形成的微针阵列的照片；图10(a)和10(b)分别是示出根据另 一个实施方案的微针的透视图和截面 图的照片；图ll(a)和ll(b)分别示出根据另一个实施方案的微针的透视图和截面图；图12(a)和12(b)分别示出根据另一个实施方案的微针的透视图和截面图；图13(a)和13(b)分别是根据另一个实施方案的微针的平面图和等视轴图 的照片；图14(a)和14(b)示出通过长径比为1到1.5的线切割沖头阵列形成的示 例性微针阵列；图15(a) 15(c)分别是示出根据另一个实施方案的完整微针、微针底部 和微针尖端(顶点)的横截面的SEM显微图16(a)是根据另一个实施方案的微针的横截面的SEM显微图；图16(b)是根据另一个实施方案的微针的横截面的SEM显微图；图17(a) 17(c)是使用不同厚度的铝板和冲头几何形状制造的示例性空 心微针的SEM显微图；图17(d)是图19(c)的空心微针的等视图；图18(a) 18(d)示出根据另一个实施方案制造微针的过程的示意图；图19(a)示出根据图18(a) 18(d)中的实施方案形成的微针阵列；图20(a) 20(c)分别示出通过微成型制造的微针的三种失效模式，即帽 式、冠式和弹坑式。
具体实施方式
所描述的实施方案通常涉及利用微成型来制造微结构，例如微针。 微针可以是阵列的形式并可以用于透皮药物递送系统，以将药物施用给 活生物体或从活生物体中提取体液。微成型可以被定义为通过亚毫米范围的至少两维金属成型来制造 部件或结构。微成型通常可以被看作规模缩小的常规金属成型方法，二 者可以通过四个主要部分来表征，即-涉及的材料、采用的工具、引入 的工艺和使用的设备。涉及的材料是重要的因素。与尺度缩小的常规金 属成型有关的材料相关问题与微型化本身有密切的关系(a)微结构例 如与工艺尺度无关；和(b)表面形态不变。这些因素导致所谓的尺寸 效应，其中部件尺寸与微结构参数如颗粒尺寸之比或表面随微型化而变 化。所有这些因素阻止或阻碍在微成型领域中应用常规金属成型方法的 技术。微成型的技术启示在于降低流动应力、垂直平均各向异性和延展 性，逐渐降低可成形性极限。研究也已经表明在用油润滑的情况下摩擦 力随微型化而增加。而在干成型情况下摩擦力与尺寸无关。用于微成型的装置IO的示例性实施方案如图l(a)和图1(b)所示。图 l(a)示出装置10的分解透视图。装置10包括沖头20、固定器30和模 具40。在本实施方案中，冲头20、固定器30和模具40是圆柱形的。
但是应该理解它们可以是任何其它形状。图1(b)示出当沖头20、固定器 30和模具40组合在一起时装置10的截面透视图。装置10可以通过各 种方式操作，例如冲压机或者甚至用手。作为替代方案，可以使用伺服 压机来操作装置10，从而以更精确的方式执行制造程序。祠服压机的示 例性操作范围可以是冲头负栽在5N 500N之间和冲头速度为 O.lmm/s ~ 35mm/s。冲头负栽和冲头速度可以根据所需微针阵列的尺寸 而增加。可以通过各种方法例如研磨、放电加工(EDM)或通过精确线切割 来制造冲头20和模具30。模具30可以例如通过线切割来制造，以在模 具中形成通孔。另一方面，如果在模具中不需要通孔，则可以通过EDM 来制造模具。图2(a)示出根据另一个实施方案通过研磨制造的具有圆锥状突起物 225的冲头220。观察到沖头200的表面光洁度对于一致性结果是令人 满意的，所述表面光洁度强烈依赖于在微针(或微结构)形成之后冲头的 回缩(retracting).例如，常规CNC研磨抛光获得的表面粗糙度(表面 光洁度)满足大多数具有较大尺度例如大于约500微米的应用。对于形 成例如小于约IOO微米的结构，观察到所需的平均表面粗糙度小于约O.I 微米。此外，如果使用固体润滑剂，则表面粗糙度要求可以放宽到小于 约0.5到0.1微米。在将沖头220固定到冲头固定器230之前，可以通 过分别研磨和修整每个冲头220来获得沖头220的阵列，如图2(b)所示。 在这个实施方案中，将四个冲头220固定到冲头固定器230，以形成沖 头220的2x2阵列，图2(c)示出根据另一个实施方案通过EDM制造的 冲头250。观察到由EDM制造的冲头250的表面光洁度与研磨或精确 线切割相比是适中的。图2(d)和2(e)分别示出根据另一个实施方案通过精确线切割制造的 6x6冲头阵列260的立体图和侧视图。利用三次(three passes)切割 制造冲头265,并且每一个冲头265的大致底部尺寸和高度分别是 0.25mm和0.75mm。根据所用金属丝的半径，线切割方法在冲头265 的底部因而也就是微针的底部(在图2(a) ~ 2(e)中未示出)赋予固有的有 限曲率。然而，在图21(b)中可见，在所述微针的外侧底部的这些周缘 (radius)通过避免尖锐边缘而增强沖头结构。在示例性实施方案中， 冲头(因此还有模具)具有允许沖头在微成型期间回缩的锥形壁。此外，
由于冲裁(blanking)和刺穿过程伴随成型一起发生，因此需要冲头壁 具有一定锥度以使材料塑性变形并符合冲头形状。在上述实施方案中，沖头具有基本圆形的横截面。但是，也可以根 据应用而具有多种形状例如三角形、矩形或八边形等。图3(a) ~ 3(e)是根据另 一个示例性实施方案通过微成型制造微针的 流程示意图。将金属板340置于沖头阵列320和固定模具330之间。将 固定器310置于金属板340顶部以防止金属板340在微成型期间移动和 防止金属板340起皱。可能有必要将金属板340额外夹持到固定模具330 上，以进一步限制金属板340，从而防止扭曲和起皱。可以由金属材料 例如钢304、铝1100和铜(99%)来制造金属板340。金属板340应该充 分掩盖并覆盖受影响的区域(模具330的直径)，使得金属板340的最小 长度超过模具330直径大约5倍。重锤350设置为以合适的速度落到冲头阵列上，随后在金属板340 上形成微针345的阵列，如图3(b)所示。在该实施方案中，冲头320具 有锥形突起物325的阵列，并且模具330具有对应于在冲头320上的锥 形突起物325的负片图案。形成的微针345的几何形状对应于沖头320 和模具330的几何形状。在金属板340上形成微针345之后，冲头320 通过重锤350缩回。可以缩回冲头320，以使具有所形成的微针345阵 列的金属板340保留在模具上，如图3(c)所示。作为替代方案，可以缩 回冲头320，以使固定器310和具有所形成的微针345阵列的金属板340 保留在冲头320上，如图3(d)所示。最后，可以将所形成的微针345与 冲头阵列320或固定模具330分开，这取决于设备的设计和变化(图 3(e))。应该注意的是对于较大的微针阵列可能需要较大的冲头负载。观 察到冲头负载的增加几乎与将形成的微针阵列中的微针数量成比例。摩擦力在沖头回缩中起重要作用，因为在回缩行程期间可能会损坏 所形成的微针345。为了防止由于沖头回缩引起的微针损坏，可以将润 滑涂层涂覆至沖头(未示出)。在另 一个示例性实施方案中，将固体润滑剂例如Ta-C应用于冲头， 所述Ta-C是具有约2微米厚度的类金刚石碳涂层。图4示出长径比为 约1.2的微针410的扫描电子显微镜(SEM)显微图，所述微针410使用 约6mm厚的高密度聚乙烯(HOPE)垫作为模具(未示出)微成型在约0.15mm厚的铝板(99%纯度)上。冲头(未示出)的底部直径是lmm，而 其高度是约1.5mm，得到约1.5的长径比(在圆整冲头的尖端之后，实际 高度是约1.45mm)。圆整冲头尖端能使获得的实心微针没有开口或者延 緩破裂和孔扩张过程。图5是根据另一个实施方案的微针510的SEM显微图，示出对于 微针510的底部周缘(radius)的反冲孔效应，所述底部周缘被强力刮 损留下过蚀刻的效果。使用约0.15mm厚的铝板(99%纯)经尺寸为底部 直径约0.5mm和高度约lmm的沖头(未示出)冲孔形成微针510。围绕 微针510内表面底部的带是在研磨过程中生成和聚集的毛口状的人工制 品。然后通过基本是锥形空腔的母冲头(未示出)对所形成的微针510反 沖孔。反沖孔步骤显著减小微针510的底部半径，并因此导致微针510 具有大约1.4的长径比。尽管尺寸显著减小，但是微针510的厚度足够 大，以在操作和皮肤穿透期间承受机械负载。这也说明微成型的微针如 何可以进一步在其侧面被图案化以利于皮肤穿透。例如，可以在每一个 微针的外表面上形成或雕刻使微针尖锐的波紋状细线或其它图案以利 于皮肤穿透。图6(a) ~ 6(e)是根据另 一个示例性实施方案通过微成型制造微针的 流程示意图。在这个实施方案中，将图3(a) 3(e)中的固定模具330替 换为可变形模具630。可变形模具630可以制造成由可变形软材料制成 的板材形式，所述软材料是例如半结晶性聚合物，如高密度聚乙烯 (HOPE)、聚丙烯(PP)、特氟隆(聚四氟乙烯，PTFE)和聚对苯二甲酸乙 二醇酯(PET)等，它们与无定形聚合物相比通常更坚固并且更加抗溶解 和受热软化。应该理解的是用于可变形模具630的材料在被冲头620穿 刺之后应该部分或基本恢复，以使可变形模具630能够重复使用。当冲 头620前进时，可变形模具630允许材料连续流动，因此在微成型过程 期间通过拉伸防止微针645颈缩。与图3(a) 3(e)中的固定模具330相 比，不需要在微成型之前在可变形模具630上形成冲头620上的突起物 625形状的负片 (negative of the shape )。可以用固体润滑剂例如Ta-C涂覆冲头620。将冲头620下移并冲压 位于可变形模具630上的金属板640，如图6(b)所示。同时，可变形模 具630被沖头620穿刺并形成对应于冲头620上的突起物625形状负片 的空腔635。当获得全部长度的微针645时，冲头620停止运动。类似 地，根据过程的设计和变化，可以将所形成的微针645与冲头620或可 变形模具630分离。移出所形成的微针645的容易程度取决于成型压力 和用于可变形模具630的聚合物材料以及金属板640的特性。虽然空腔 635永久形成在可变形模具630中，但是空腔635充分收缩和恢复，以 使可变形模具630能够重复使用。这归因于用于可变形模具630的材料 的特性。图7(a) ~ 7(e)是根据另一个示例性实施方案通过微成型制造微针的 流程示意图。在这个实施方案中，用固体润滑的冲头720冲压放置在聚 合物可变形模具730上的金属板740。在获得全部长度的微针745之后， 通过施加额外的压力使冲头720进一步前进以从残余的金属板740中切 割出所形成的微针阵列748，如图7(c)和7(d)所示。所形成的微针阵列 748可附着于缩回的冲头720(图7(c))或者保留在可变形模具730上(图 7(d))，这取决于过程的设计和变化，并因此移出得到如图7(e)所示的微 针阵列748。观察到模具在常规金属成型中起两个作用，即使坯体特别是在模具 肩部处变形为三维结构，和/或在成型过程中在结构的侧体处作为"爽 板"以通过凝烫效应确保精确减薄材料，这两个作用通常不应用于微成 型。观察到微针的成型取决于冲头的设计，特别是冲头的长径比和用于 形成微针的材料板的厚度。还观察到在形成过程中，材料板上的反作用 支撑延緩微针的过早破坏。通常，观察到与较厚的材料板相比，薄材料 板导致在微针外表面上与冲头几何形状成形一致性得到改进，尽管在微 成型期间，在冲头和材料板之间的接触面处，薄和厚材料板都严格地符 合冲头的几何形状。通常，如果冲头高度是材料板厚度的约5 10倍， 那么材料板被视为是薄的。在微成型期间，可以通过可变形模具630、 730提供对材料板的恒 定反作用支撑，例如图6(a) 6(e)和7(a) ~ 7(e)中的示例性实施方案所描 述的。图8(a)示出微针850的示例性实施方案的SEM显微图，所述微 针850使用长径比约等于3的冲头(未示出)并使用约0.2mm厚的铝板 (IIOO)形成(不缩回冲头)，图8(b)是具有所示大致尺寸的微针850的放大 照片。可以在冲头上涂覆固体润滑剂，如类金刚石碳涂层，例如四面体 无定形碳涂层，以降低在冲头缩回期间可能引起微针850损坏的摩擦力， 作为替代方案，可以改善沖头的表面粗糙度，以减小冲头和材料板之间
的摩擦力和接触，并最小化该材料和冲头之间的界面粘附力。在该示例性实施方案中，沖头由硬工具钢制造，并且用于形成微针850的板材料 由铝制造。冲头缩回时微针850破坏的 一个原因可能是在微成型期间材 料板经历高度变形。此外，使用可变形模具的优点在于它可以在稍微升高的压力例如成 型压力的约10%~50%的压力下被用作用于冲切目的的万用模具。图 9(a)和9(b)示出示例性微针阵列920、 930的照片，所述微针阵列使用可 变形聚合物模具(未示出)从约0.15mm厚的铝板冲切出来并形成。观察 到微针阵列920、 930表现出可变形模具比刚性模具优越的性能，尤其 是当需要具有复杂几何形状的所述单元模具的大阵列时，所述刚性模具 需要高制造成本。尺寸效应源于当按比例缩小工件时材料的微结构没有变化这一事 实。在样品的不同位置处，即在经历大范围拉伸的微针腰部(中间高度) 处和远离微针的没有经历变形的底部区域处检测用于微成型微针的板 料材微结构。变形和未变形区域的颗粒尺寸的观察结果指出可以进行这 种变形而不引起材料微结构的明显改变，所述微结构具有约十几个纳米 的典型平均颗粒尺寸。用于形成微针的材料厚度在获得具有高长径比的 微针中起到关键作用。例如，使用例如冲头高度与材料厚度之比小于约 4的非常厚的材料板将不能形成界限明确的微针，或者使用与冲头尺寸 相比过薄的板，例如冲头高度与材料厚度之比大于约20的板，将导致 发生刺穿或冲裁过程时的平面应力现象，从而仅形成孔洞而不是微针。 观察到当减小冲头尺寸时，材料板的厚度也需要减小，但是这种尺度缩 减是线性的。观察到存在最优的材料厚度范围，在其中具有特定几何形 状的冲头利用可变形模具的支撑可以形成令人满意的微针。图10(a)、 10(b)、 ll(a)、 ll(b)、 12(a)和12(b)示出由约50微米厚的 铝板得到的微针的示例性实施方案。图10(a)和10(b)分别是示出微针 1020的透视图和截面图的照片，并且微针1020使用具有lmm底部直 径和l.5mm高(即长径比为1.5)的冲头(未示出)形成。观察到微针l(UO 的壁厚1022减小到约大于初始板厚1024的一半。图ll(a)和ll(b)分别 示出微针1120的透视图和截面图，微针1120由具有约为2的长径比和 约lmm底部的冲头(未示出)形成。在截面的底部处由于研磨形成毛口 状的鳍1125。图12(a)和12(b)分别示出微针1220的透视图和截面图，
微针1220由底部直径约0.5mm和高度约lmm(即，长径比约为2)的冲 头(未示出)形成。微针1220的尖端(顶点)和平均壁厚分别大致在20~30 和15~30微米范围内。当所形成的针的壁厚可以降到初始坯厚的二分之一至五分之一之 间的时候，为制造更小微针而要求更薄材料板对所形成的微针壁厚赋予 下限值，使得所述针不适于实用目的。如果所需的微针尺寸非常小，例 如底部尺寸小于约150微米，那么所需要的最优材料厚度将非常薄。这 产生可能经历弯曲和变形的微针阵列的软平台(soft platform)。这种尺 寸和厚度的降低导致不可靠的薄弱微针。这个问题可以通过将例如镍层 的材料层电铸为微针以增加微针的总厚度由此加固微针来克服。作为替 代方案，可以对微针进行阳极氧化以形成硬而脆的氧化铝层。制造一组微针阵列的 一种方法可以是反复使用单个冲头(未示出)分 别在材料板上形成阵列中的每一个针。图13(a)和13(b)分别示出使用单 个冲头(未示出)形成的微针阵列1320的示例性实施方案的平面图和等 视轴图的照片。观察到在微针周围没有发生显著变形，因此，相邻的微 针1325可以彼此非常接近地形成。图14(a)和14(b)示出通过长径比范围为1到1.5的线切割沖头阵列 (未示出)形成的示例性微针阵列1420、 1430。三次线切割这些冲头阵列 以确保令人满意的表面光洁度，并用约2微米厚的固体润滑剂涂覆这些 冲头阵列。每一个微针1420、 1430分别具有约0.5mm的底部直径和对 于2 x 2微针阵列1420为约0.5mm的微针高度(图16(a))以及对于3 x 3 微针阵列1430为约0.75mm的微针高度。用于形成微针阵列1420、 1430 的铝板(1100)厚度是约50微米的厚度。微针1425、 1435的最终壁厚是 为约8~20微米之间。可以通过阳极氧化或用镍或其它金属/非金属材 料包括例如聚合物材料电镀/沉积微针1425、 1435的外表面来进一步增 加最终壁厚。此外，可以用氧化铝层来阳极氧化微针阵列1420、 1430 的两面以硬化微针阵列1420、 1430。在45V恒定电压下、在5%草酸中 阳极氧化微针阵列1420、 1430三分钟之后(有效面积约10xl0mm2)， 微针1425、 1435的壁厚从约20微米增加到约30微米。图15(a) ~ 15(c) 是根据另一个实施方案分别示出完整微针1550、微针1550底部部分和 微针1550尖端(顶点)横截面的SEM显微图。示例性微针1550是3 x 3 微针阵列(未示出)的一部分。观察到微针底部遭受最大变形，并且在微
成型后微针1550的尖端被最大移位(displace),
在另一个实施方案中，在基于比率1:4的高氯酸(30%)和甲醇(纯) 的混合物中电解抛光约0.2mm的铝板。施加12.5V的恒定电压一段时 间以获得期望厚度的铝板。在电解抛光9和14分钟之后分别获得85微 米厚度和130微米厚度，其后对铝板沖孔并阳极氧化，分别得到1.0和 0.6的长径比，如图16(a)和16(b)所示。观察到在两个示例性实施方案 中，示例性微针1620、 1630和微针阵列(未示出)的平台足够坚固以承受 皮肤穿透期间的操作力和扭曲力。应该注意图16(b)中的微针1630具有 比图16(a)中的微针1620大得多的外部底部半径。这是由于用于形成图 16(b)中的微针1630的铝板的更大厚度(即，130微米)并导致微针1630 的长径比下降约40%。
可以使用与上述实施方案中描述的几乎相同的实验配置和材料来 制造实心的和空心的微针。通过控制冲头尖端的锐度，可以制造实心微 针(在冲头行程期间不产生孔洞)或空心微针(在沖头行程期间在冲头的 尖端处产生并扩张孔洞)。制备实心和空心微针的唯一方法变化是沖头 尖端的锐度。冲头的尖端锐度严格取决于金属板的相对厚度。因此，特 定的冲头尖端对于相对厚的金属板可能足够锋利，但对于具有较小厚度 的相同材料可能过钝。相当直接地假设在成型行程期间圆形尖端在材料 板上不产生破裂或损坏，由此形成实心微针。相反，空心微针需要锐利 的尖端以在成型行程初期产生孔或裂缝，其随着冲头的行程温和扩张， 从而在尖端处产生均匀的孔。这种孔产生和扩张的机理与第三种破损模 式或弹坑模式一致。图17(a) 17(c)是使用不同厚度铝板和不同的沖头 几何形状制造的示例性空心微针的SEM显微图。图17(a)示出使用长径 比为1.5的冲头(未示出)和0.2mm厚的铝板形成的空心微针阵列1750。 图17(b)是具有50微米空心尖端1765的微针1760的平面图。图17(c) 和图17(d)分别是用长径比为2的冲头(未示出)形成的空心微针1770的 平面图和等视轴图。
图18(a) ~ 18(d)示出根据另 一个实施方案制造微针1850的过程的示 意图。通过利用4x4冲头阵列1820对50微米厚的铝板1840冲孔得到 微针1850。通过电镀方法例如镀镍为每一个微针1850的内表面镀覆。 然后用环氧树脂1855涂覆突出表面1860，以防止在微针1850的外表面 上镀镍。然后在0.08A的恒定电流下，在氯化镍溶液(工业级)中电镀沖 孔微针阵列1840持续12小时，在微针1850的内表面上形成镍镀层 1858,如图18(c)和18(d)所示。图19(a)示出根据图18(a) 18(d)中的实 施方案形成的界限明确的微针阵列1920。微针阵列1920稍微向外弯曲 以利于皮肤刮擦。图19(b)示出各种示例性的阳极氧化的微针阵列例如 1922,示出厚度差异，其中较暗的灰度表明增加的厚度。
图20(a) ~ 20(c)分别示出通过微成型制造的微针的三种失效模式， 即帽式、冠式和弹坑式。失效模式的类型取决于在材料中发生颈缩的位 置(制造过度)。当颈缩发生在成型微针的侧壁处时产生帽式失效，并且 随后裂缝周向传播形成附着到圆锥形微针的半球状盖2010，如图20(a) 所示。另一方面，冠状失效是由于在遭受冲头尖端(未示出)沖压的区域 中产生的裂缝的辐射状传播所导致的，并且相关的材料板与冲头尺寸 (底部直径)相比通常足够薄。对于发生冠状失效的典型材料板厚度与冲 头尺寸之比为约10或更大。当裂缝传播时，微针的碎裂面经常回巻， 形成有利于刮擦目的的锋利边缘2020(图20(b))。最后，弹坑型失效是 孔扩张过程，其中最初通过冲头产生孔，随后当冲头前进时孔扩张。这 种模式在微针的尖端处产生相对锐利和光滑的圆周2030，如图20(c)所 示。弹坑式失效用于形成如前所示的空心微针。
在示例性实施方案中，微成型用于形成微针。应当理解在不同实施 方案中还可以制造其它形状的微结构。
使用微成型来制造微针实质减少了该微针阵列的制造时间和成本， 因此使得这种技术在商业上可行。
此外，前述实施方案能够微成型具有大范围的长度和长径比的空心 或实心微结构，而这目前是某些技术例如硅技术的限制因素。例如，可 以通过增大冲头锥度并结合使用合适厚度的金属板来获得具有各种长 径比的微针。
微成型还能够通过后制造过程例如成型、修整、雕刻、研磨、钻孔、 电铸等来制造具有复杂几何形状的微针阵列。
可以结合其它方法进一步控制/优化所形成的微针的机械性能或者 进一 步改进微针的几何形状。
本发明还可以应用于其它微结构，包括例如用于微系统技术
(micro-system technology ( MST ))的微元件以及电和电子模块，所述 模块包括用于IC栽板的针脚、微螺杆、扣件、框、弹簧、接触元件例 如垫和针脚等。
本领域技术人员将理解可以如具体实施方案所示对本发明作出大 量变化和/或修改而不背离广泛限定的本发明精神或范围。因此本发明 实施方案在所有方面均应视为是说明性的而不是限制性的。
权利要求
1. 一种微成型微结构阵列的方法，包括使具有突起物阵列的冲头向置于所述冲头和模具之间的材料板推 进，每个突起物成形为使所述材料板变形为对应的微结构；提供用于固定所述材料板位置的固定器；和利用所述冲头上的所述突起物对所述材料板沖孔，以在所述材料板 上形成所述微结构阵列。
2. 如权利要求l所述的方法，其中所述微结构包括微针。
3. 如权利要求1或2所述的方法，还包括在微成型过程中，在各个微 结构区域内的所述材料板上提供基本恒定的反作用支撑。
4. 如权利要求3所述的方法，其中所述基本恒定的反作用支撑通过所 述模具提供。
5. 如权利要求4所述的方法，其中所述模具是可变形模具。
6. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其中选择所述冲头的长径比， 使得对于所述给定厚度的材料板，在形成微结构的过程中降低或避免所 述材料板中的平面应力。
7. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其中每个微结构形成有实心。
8. 如权利要求1~5中任一项所述的方法，其中每个微结构在其尖端处 形成有孑L.
9. 如权利要求8所述的方法，其中选择所述冲头的每个突起物的尖端 曲率，使得对于给定厚度的所述材料板，在微成型初期产生孔或裂缝， 其中在微成型过程中所述孔或裂缝随后扩张，并在每个所述微结构的尖 端处形成开口。
10. 如权利要求5所述的方法，其中所述可变形模具由变形后至少部分 恢复的材料制造。
11. 如权利要求10所述的方法，其中所述材料包括半结晶性聚合物材 料。
12. 如权利要求10或ll所述的方法，其中所述可变形模具由选自以下 的材料制造高密度聚乙烯(HOPE)、聚丙烯(PP)、特氟隆(聚四氟 乙烯，PTFE)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。
13. 如前述权利要求中任一项所述的方法，还包括将固体润滑剂应用于 所述冲头。
14. 如权利要求13所述的方法，其中所述固体润滑剂包括Ta-C涂层。
15. 如前述权利要求中任一项所述的方法，还包括在每个所述微结构的 内表面上涂覆以硬化所述微结构。
16. 如权利要求15所述的方法，其中所述涂覆步骤包括电镀过程。
17. 如权利要求16所述的方法，其中所述电镀过程包括镀镍。
18. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述材料板是选自以下 的金属材料钢、铝1100和铜(99%)。
19. 一种用于微成型微结构阵列的装置，包括 具有突起物阵列的冲头；模具；和用于在微成型过程中固定所述材料板位置的固定器， 其中每个突起物成形为使所述材料板变形为对应的微结构；并且其中利用所述突起物阵列对所述材料板冲孔，以形成所述微结构阵列。
20. 如权利要求19所述的方法，其中所述微结构包括微针。
21. 如权利要求19或20所述的装置，其中在微成型过程中，在各个微 结构区域中的所述材料板上提供基本恒定的反作用支撑。
22. 如权利要求16所述的装置，其中所述基本恒定的反作用支撑由所 述模具提供。
23. 如权利要求22所述的装置，其中所述模具是可变形模具。
24. 如权利要求19~23中任一项所述的装置，其中选择所述冲头的长 径比，使得对于给定厚度的所述材料板，在形成所述微结构的过程中降 低或避免所述材料板中的平面应力。
25. 如权利要求19 23中任一项所述的装置，其中每个微结构形成有 实心尖端。
26. 权利要求19-23任一项的装置，其中每个微结构在其尖端处形成有 孔。
27. 如权利要求26所述的装置，其中选择所述冲头的每个突起物的尖 端曲率，使得对于给定厚度的所述材料板，在微成型初期产生孔或裂缝， 其中在微成型过程中所述孔或裂缝随后扩张，并且在每个所述微结构的 尖端处形成开口。
28. 如权利要求23所述的装置，其中所述可变形模具由变形后至少部 分恢复的材料制造。
29. 如权利要求28所述的装置，其中所述材料包括半结晶性聚合物材 料。
30. 如权利要求28或29所述的装置，其中所述可变形模具由选自以下 的材料制造高密度聚乙烯(HOPE)、聚丙烯(PP)、特氟隆(聚四氟 乙烯，PTFE)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。
31. 如权利要求19~30中任一项所述的装置，其中将固体润滑剂应用 于所述冲头。
32. 如权利要求31所述的装置，其中所述固体润滑剂包括Ta-C涂层。
33. 如权利要求19~32中任一项所述的装置，还包括用于在每个所述 微结构的内表面上进行涂覆以硬化所述微结构的装置。
34. 如权利要求33所述的装置，其中所述涂覆包括电镀过程。
35. 如权利要求34所述的装置，其中所述电镀过程包括镀镍.
36. 如权利要求19~35中任一项所述的装置，其中所述材料板是选自 以下的金属材料钢、铝1100和铜(99%)。
全文摘要
一种微成型微结构阵列的方法，包括使具有突起物阵列的冲头向置于所述冲头和模具之间的材料板推进，每个突起物成形为使所述材料板变形为对应的微结构；提供用于固定所述材料板位置的固定器；和利用所述冲头上的所述突起物对所述材料板冲孔，以在所述材料板上形成所述微结构阵列。
文档编号B26F1/24GK101124072SQ200480044768
公开日2008年2月13日 申请日期2004年11月26日 优先权日2004年11月26日
发明者克里斯蒂娜·坦·阮·林, 巴耶贝·卡伊什, 元 徐, 林志延 申请人:新加坡科技研究局