一种单晶硅高通量微针结构的制作方法

本实用新型涉及医疗和美容器械、生物医药及微细加工技术领域，具体涉及一种单晶硅高通量微针结构。

背景技术：

传统给药方式是口服给药和静脉注射给药,它们是很方便的给药方式,可以满足大部分药液的需求。但是,这两种给药方式也有各自的缺点。口服给药由于要经过胃肠等消化道,经过新陈代谢作用,很多药液尤其是蛋白质类药液的药效降低；静脉注射给药不仅需要专业人员操作,而且会给病人造成疼痛感,不适用于长期连续给药。为了克服上述局限性,利用微机械加工(mems)技术制作的微针用于给药领域,开拓了一种新的给药方式——微针透皮给药,不仅可用于大分子蛋白质类药液给药,而且满足了无痛、微创、连续给药的需求。微针刺入皮肤，形成了真正的物理通道，适合大分子药液通过。虽然微针在皮肤造成了真正的物理通道，但由于微针尺寸比较小在微米级，对皮肤造成的损害很小。如果微针与微泵和微流控芯片等组成智能给药系统，那么就可以实时监测病人需要的药液量，实现实时连续给药。因此，相比其他给药方式，微针可以实现无痛、微创和连续给药。

从制作工艺上，微针可分为同平面微针和异平面微针两种。同平面微针的轴心平行于衬底表面，而异平面微针的轴心垂直于衬底表面。同平面微针的优点是形状容易精确控制，缺点是很难制作三维微针阵列，微针数目较少。异平面微针的优缺点恰恰相反，优点是微针数目较多，可以制作三维微针阵列；缺点是微针的高度受到限制，而且制作异平面微针的工艺比较复杂。从内部结构上，微针根据有无微流道可分为实心微针和通量微针。它们的给药方式各不相同：实心微针作为针头不能采用注射的方法给药，而是采用先扎后敷的方法，即先用微针刺穿皮肤角质层造成通道，然后敷以透皮药剂；也可以采用先敷后扎的给药方式，即将药液首先涂敷在皮肤上，然后微针刺入皮肤形成通道，使预先涂敷的药液通过通道渗透到皮下。对于通量微针，一般采用类似注射的方式给药，虽然这种注射装置比较复杂，但这种给药方式可以极大地提高透皮给药速率，也可以实现连续给药，例如，在针体上制作通孔，将微针刺入皮肤后，用推注的方式将药液从通孔内注射到皮下。相比于实心微针，这种微针注射效率高、药液渗透效果好，但缺点在于微针的针体上打孔后，会造成针头脆弱，容易折断在皮肤里，既无法完成药液注射，还会对人体造成侵入伤害。现有专利cn108310617a提供了一种可注射微针晶片套件，包括连接件和微针晶片，所述微针晶片包括基片和设于基片上的微针阵列，所述微针阵列包括均布于基片上若干微针，所述基片上设有穿插于微针阵列中的1个或多个微孔，所述基片上设有穿插于微针阵列中的微孔可以是锥形凸起针尖状，也可以是孔洞状，所述连接件包括管段和空腔段，所述空腔段的端部设有卡接微针晶片的凹槽，所述基片卡接于凹槽内，所述管段的内腔、空腔段的内腔以及微孔连通。现有专利cn101507857a公开了微针阵列芯片、经皮给药装置、经皮给药贴剂及制备方法，其中微针倾斜设定角度固定在基板上，针尖上表面为与基板平行或倾斜设定锐角的椭圆形平面，针尖经进一步处理而存在更多棱角，将金属丝棒或管沿一定角度穿透聚合物等非金属材料基板，然后对基板上的金属丝棒或管的断口进行研磨抛光；采用光刻与刻蚀工艺在一端断口附近形成光刻胶图形，随后对金属丝棒或管进行化学或电化学腐蚀形成针尖并去除光刻胶，所制作的实心微针阵列芯片表面可覆盖药物，所制作的空心微针阵列芯片可输运药液或抽取体液。

本实用新型提出的单晶硅高通量微针，相比目前常用的实心硅针和空心硅针而言，具有不断针、高通量的优点，在生物医学领域具有应用前景。

技术实现要素：

本实用新型为克服现有技术中的缺陷，提供了一种单晶硅高通量微针结构，采用成熟的硅基mems加工技术，用单晶硅材料制作微针芯片，并在芯片上微针以外区域制作通量槽，通过边刺边渗透的方法完成药液的注入。具体采用如下技术方案：

一种单晶硅高通量微针结构，包括单晶硅衬底、单晶硅微针针体阵列和通量孔，所述单晶硅微针针体阵列均匀分布在所述单晶硅衬底上表面，所述通量孔为单个或多个，贯穿设置于所述单晶硅衬底上，所述通量孔的形状为圆形、方形或多边形中的一种，所述通量孔和所述单晶硅微针针体阵列互不干涉。

具体地，所述通量孔的直径范围是20μm-500μm。

具体地，所述单晶硅微针针体阵列中的微针针体为实心针体，所述实心针体轴线与单晶硅衬底表面垂直。

具体地，所述实心针体为圆锥状或多棱锥状中。

具体地，所述单晶硅微针针体阵列排布方式为蜂窝型、方型或三角型中的一种。

具体地，所述蜂窝型微针针体阵列中的单个蜂窝型中设置一个通量孔。

具体地，所述三角型微针针体阵列中的单个三角型中设置一个通量孔。

具体地，所述实心针体为圆柱形，所述实心针体的上表面至少被切去一段圆弧面使其存在更多的棱角。

一种制备单晶硅高通量微针结构的方法至少包括以下步骤：

s1、将厚度为t1的单晶硅片正面记为硅片a面，背面记为硅片b面，于硅片b面涂布光刻胶，用紫外光刻的方法制作孔形窗口；

s2、用深硅干法刻蚀工艺对所述硅片b面进行刻蚀，在孔形窗口内形成深度为t2的孔状槽结构，t2≤t1，去除光刻胶；

s3、在所述硅片a面、硅片b面，以及所述孔状槽结构的内壁上生长抗蚀层；

s4、在所述硅片a面旋涂光刻胶，进行光刻，形成光刻胶掩膜；

s5、将所述硅片a面未覆盖光刻胶的区域内的抗蚀层去除，可采用湿法腐蚀的方法或者rie干法刻蚀的方法，然后去除光刻胶；

s6、将所述单晶硅片放入单晶硅各向异性腐蚀液中进行腐蚀，所述硅片a面在腐蚀过程中于正方形掩膜下方形成多面体棱台结构(大于8面)，并且逐渐向八面体棱台转变，待腐蚀深度t3大于等于所需微针高度并且棱台上表面缩小成尖顶时停止腐蚀，此时t2>t1-t3；

s7、将所述单晶硅片放入抗蚀层腐蚀液，去除单晶硅片上剩余的抗蚀层。

具体地，所述步骤s2中的孔状槽结构结构的直径范围是20μm-500μm。

具体地，所述步骤s3中的抗蚀层及其制作方法可用热氧化法在硅表面生长一定厚度的氧化硅，或者用低气压气相沉积(lpcvd)法在硅表面沉积一定厚度的氮化硅。

具体地，所述步骤s6中的单晶硅各向异性腐蚀液可用koh溶液或者tmah溶液。

本实用新型的有益效果是：

一、本实用新型提供的单晶硅异平面实心微针侧面截面为三角形(或者梯形)，

具有结构强度大、加工成本低、成品率高、一致性好的优点，并且在微针周

围分布有多个贯通孔，用于持续提供药液进行皮下渗透；

二、药液可以精确的涂敷在微针刺破表皮形成的渗透通道附近，提高药液的

使用效率；

三、用单晶硅材料制作微针芯片，并在芯片上微针以外区域制作通量槽，通

过边刺边渗透的方法完成药液的注入，相比目前常用的实心硅针和空心硅针

而言，具有不断针、高通量的优点。

附图说明

图1为本实用新型的立体结构示意图；

图2为本实用新型的剖面结构示意图；

图3显示为本实用新型的在(100)型硅片上制作单晶硅高通量微针结构的方法步骤s1-s7所呈现的结构示意图；

图3(a)显示为本实用新型的在(100)型硅片上制作单晶硅高通量微针结构的方法步骤s1所呈现的结构示意图；

图3(b)显示为本实用新型的在(100)型硅片上制作单晶硅高通量微针结构的方法步骤s2所呈现的结构示意图；

图3(c)显示为本实用新型的在(100)型硅片上制作单晶硅高通量微针结构的方法步骤s3所呈现的结构示意图；

图3(d)显示为本实用新型的在(100)型硅片上制作单晶硅高通量微针结构的方法步骤s4所呈现的结构示意图；

图3(e)显示为本实用新型的在(100)型硅片上制作单晶硅高通量微针结构的方法步骤s5所呈现的结构示意图；

图3(f)显示为本实用新型的在(100)型硅片上制作单晶硅高通量微针结构的方法步骤s6所呈现的结构示意图；

图3(g)显示为本实用新型的在(100)型硅片上制作单晶硅高通量微针结构的方法s7所呈现的结构示意图；

图3(h)显示为本实用新型的在(100)型硅片上制作单晶硅高通量微针结构的方法s8所呈现的结构示意图；

图4(a)-图4(c)为本实用新型的使用过程示意图。

附图标记：1-通量孔、2-微针针体阵列、101-(100)型硅片、102-第一光刻胶层、103-孔状槽结构、104-抗蚀层、105-第二光刻胶层、106-实心针体。

具体实施方式：

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例1

本实施例以制作高度为100-150μm、孔径为200-250μm的单晶硅高通量微针为例。如图1和图2所示，一种单晶硅高通量微针结构，包括单晶硅微针针体阵列2，多个通量孔1和(100)硅片101，所述单晶硅微针针体阵列2和所述通量孔1设置在所述(100)硅片101上，所述通量孔1的位置和所述单晶硅微针针体阵列2互补干涉，所述通量孔1的形状为圆形，所述微针针体阵列2中的微针针体为实心针体106，所述实心针体106轴线与(100)硅片101表面垂直，所述实心针体106为圆锥状。所述单晶硅微针针体阵列2为方型微针针体阵列。

在本实施例中，采用温度为60℃，浓度为48wt％的koh溶液作为(100)硅片101各向异性腐蚀液，制备方法如下：

s1：提供一(100)型双抛硅片101，本实施例中采用厚度为500μm的硅片，如图3(a)所示；

s2：于该硅片b面用传统旋涂的方法涂布第一光刻胶层102，涂胶厚度为10μm，用紫外光刻的方法制作孔形窗口，如图3(b)所示；

s3：用深硅干法刻蚀工艺对所述硅片b面进行刻蚀，在孔形窗口内形成深度为350-400μm的孔状槽结构103，去除第一光刻胶层102，如图3(c)所示；

s4：将所述硅片进行热氧化，于a面、b面，以及所述槽内壁上生长厚度为2μm的抗蚀层104，如图3(d)所示；

s5：在所述硅片a面旋涂第二光刻胶层105，进行光刻，形成光刻胶掩膜，掩模的中心位置距离b面孔轴心位置不小于150μm，如图3(e)所示；

s6：将所述硅片a面未覆盖光刻胶的区域内的抗蚀层104用rie等离子干法刻蚀的方法去除，然后去除第二光刻胶层105，如图3(f)所示；

s7：将所述硅片放入60℃、48wt％浓度的koh溶液中进行腐蚀，当腐蚀深度达到150μm时，所述硅片a面形成顶部为尖锥的实心针体106，底部暴露出b面的孔状槽结构103底，如图3(g)所示；

s8：将所述硅片放入boe溶液，去除硅片上剩余的抗蚀层104，将所述硅片101用120℃的浓硫酸溶液进行漂洗，去除残留的koh腐蚀液，最后用去离子水漂洗，去除所述硅片上的其它杂质，得到所需的高度为100-150μm左右的微针，微针周围分布有贯通的孔，如图3(h)所示。

实心针体106用于刺破皮肤表皮层，通量孔1用于从微针结构的背面注射药液，(100)型硅片101为以上结构的支座。如图4(a)-图4(c)其工作过程如下：

该微针结构安装在带储药囊的针管上，针管内的储药囊装有待注射的药液；

注射仪器驱动整个针管垂直于皮肤表面高频振动，在表皮上形成渗透通道；

在针管高频振动的同时，仪器驱动针管上的注射推杆向下运动，按一定的速率挤出药液，挤出的药液经过微针形成的渗透通道进入皮下。

实施例2

与实施例1相比，本实施例中所述单晶硅微针针体阵列2为蜂窝型微针针体阵列，所述蜂窝型微针针体阵列中的单个蜂窝型中设置一个通量孔1。此时，通量孔1附近的实心针体106较多，通量孔1可以设置的相对于实施例1更大，这样使得药液的渗透率更高。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。