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。微針有望作為標準注射針的替代和補充。微針具有幾十至幾百微米數(shù)量級的尺 寸。微針的細部如尖端具有例如幾微米至一個或多個納米的尺寸。作為它們相對小的尺寸 的結(jié)果，打算使微針基本上無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最小化，其結(jié)果是在注射 時皮膚變形盡可能小。通過對微針長度進行選擇，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)選同時使用許多微針用于 醫(yī)藥產(chǎn)品的注射。然而，實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心微針?？衫缡褂脤嵭奈⑨槍⑹┘拥结槺砻娴尼t(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。通過在基材表面內(nèi) 蝕刻出近似V形的狹槽(slot)來形成針。在該V形內(nèi)還蝕刻出孔洞(hole)。該V形可以 是滾圓的。然后通過給所述孔洞和狹槽提供保護層而將它們鈍化。在施加保護層之后，通 過選擇性各向異性蝕刻加工來蝕刻基材表面。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。接著是保護層的隨后去除，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)果是在將微針推進到皮膚中時損傷皮膚。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，微針的長度和銳度受制造方法限制。作為針的受限制的長度和/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，當使用液體時，其通過沒有刺入 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)，從尖端到軸的過渡部分相對陡，其結(jié)果 是當針刺入皮膚時所述過渡部分損傷皮膚。除上述外，所有至今已知的微針也實際上似乎具有至多與如Popper&Sons，Inc.， New York(USA)提供的標準30G注入針的銳度相當?shù)匿J度。然而，30G注入針的銳度不足以防治對皮膚的損傷。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” 并且可感覺到注射。注射后皮膚損傷、發(fā)紅和/或過敏。此外，對于在相對軟的皮膚例如人 的腋下皮膚或臉上使用時，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，該目的通過由單晶材料制造的面內(nèi)微針得以實現(xiàn)，所述微針包括-具有至少兩個壁的單晶材料軸，每個壁由該材料的相對緩慢蝕刻晶面形成；和-連接到所述軸的末端并且包含至少三個壁的尖端，每個壁由單晶材料的相對緩 慢蝕刻晶面形成。因此尖端通過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，達到原子數(shù)量級的曲率半徑。尖端的端部(晶 面會聚之處)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，微針完全可通過各向異性濕式蝕刻進行制造。最終加工例如研磨等是多余的。優(yōu)選地，單晶材料為硅，因為已存在硅的制造技術(shù)。此外，硅是可大量獲得的相對 廉價的半導(dǎo)體。在一個實施方案中，尖端的兩個壁由與軸的兩個壁相同的晶面形成。兩個晶面一 起形成沿尖端和軸的長度延伸的V形曲線。因此微針的軸和尖端都對皮膚具有切削作用。 因此將針推入到皮膚中的力較小并且將對皮膚的損傷限于尺寸對應(yīng)于微針圓周的切口。在另一個實施方案中，尖端的兩個壁(其由與軸的兩個壁相同的晶面形成)通過 相對緩慢蝕刻晶面形成。晶面以合適的銳角鄰接以獲得所需的切削作用。在又一個實施方案中，尖端的三個壁(其通過相對緩慢蝕刻晶面形成)由<111> 晶面形成。三個壁以原子級尖銳方式會聚在尖端的端部處。在該情況下，三個壁以約 70. 53°的內(nèi)角彼此鄰接。前述特性促成了尖端的銳度。當使用微針時，大致原子級平坦的 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溝槽。根據(jù)另一個方面，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或多個微針。一個或多個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，因為至多僅能夠使用單排微針。因為面內(nèi)微針可包含 軸，對其長度可任意選擇，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)點和特性，其中
5
圖Ia顯示了根據(jù)本發(fā)明的微針的實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)明的微針的另一個實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)明的微針的又一個實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)明的微針的又一個實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實施方案的連續(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，所述軸的相對端部具有加寬截面或基底16。參 見例如圖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，具有至少三個彼此鄰接的壁18、20、22。面 18 (正如同基底16的面24)對應(yīng)于基材表面且因此如實施方案中所描述是<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，可通過其輸送例如醫(yī)藥產(chǎn)品和液體?；?其面32與面M相對)的面32還形成基材表面的一部分。因此，面32為 <100>面。面25相對于面32成約54. 74°的內(nèi)角并且還相對于壁20、22的交線34成內(nèi)角。在圖加和2b中所示的另一個實施方案中，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。因為微針110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包含四個壁118、120、122和123。壁118和123對應(yīng)于基材 表面，并且在本實施方案中為<211>晶面。壁120、122為<111>晶面，其相對于壁118、123
成一定角度。尖端112包含三個鄰接壁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。因此可通過使用在表面上具有一定 晶體取向的基材作為起始材料對該角度進行選擇。為了可對其加以使用，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，所述軸的相對末端具有加寬截面或基底 216。參見例如圖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對應(yīng)于基材表面且因此在所描述的實施 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。該實施方案的優(yōu)點可能是該針就橫截面而言具有有利的圓周。其結(jié)果是，對于以 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，或者可通過M. J. De Boer, JOURNAL OFMICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS,VOL. 9,NO. LMARCH 2000的隱埋溝槽技術(shù)進行封閉。如果溝槽保持敞開，換言之， 如果狹槽不封閉，則溝槽沿縱向保持敞開。即使對于敞開溝槽，仍可將液體注入皮膚，這是 因為當將微針完全插入皮膚時皮膚封閉了溝槽。在圖如和4b中所示的另一個實施方案中，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包含四個壁418、420、422和423。壁418和423對應(yīng)于基材表面，并且在本 實施方案中為<110>晶面。在本實施方案中，壁420和422為緩慢蝕刻的<111>晶面。尖端412包含五個彼此鄰接的壁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。該實施方案的優(yōu)點可以是微針具有相對小的孔隙角，其結(jié)果是與具有相對大的角 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。因為上述微針是面內(nèi)針，參見圖7-10，本發(fā)明提供了一種同時使用任意數(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在每個需要微針的地方具有孔隙208。每個孔隙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，每個孔隙208可以安裝不同的微針，例如不同長度的微針。由于面內(nèi)微針可以包含軸，其長度可以任意選擇，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。熔合可通過加熱微針直到在其中設(shè)置微針的孔隙的周圍支架塑料局部熔 化來實現(xiàn)。然后通過讓各自的微針冷卻，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。通過不接觸地加熱微針，顯著簡化組裝并且使損傷的風(fēng)險最小化。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。為了詳細地描述所用術(shù)語，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，基材為圓盤或晶片。鋸解后在基材表面上產(chǎn)生的面決定了相 對于基材表面的晶體方向。因為基材表面由鋸解方向確定，所以相對于基材中的晶體方向 可以對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，或者簡單地稱作<100>硅或硅<100>來提及基材。然 而，還可以是任何其它任意晶面例如<211>或<310>。對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緩慢蝕刻晶面形成原子級平坦晶面。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)明的微針的原子級平坦的壁?；谋砻嫱ㄟ^機械和/或化學(xué)拋光進行精加工以確保一定的平坦性。該表面通常 不進行緩慢蝕刻，但是通過基材表面的精加工處理，后者通常平坦到原子級平坦，可接近至 少原子平坦性?？蓲伖饣牡捻敳亢偷撞總?cè)面。還由此標明(designate)基材并且還標明平坦度。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(兩維掩模設(shè)計)的硅開始，可獲得其它微針，參見例如圖加和2b。尖端的最小內(nèi) 角在該情形中可以較小，這是因為基材表面上的晶面(<211>)和相對緩慢蝕刻面(<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。在一個實施方案(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。 鈍化層是對基材材料例如硅的蝕刻劑具有抵抗性的保護層。鈍化層或保護層包含例如氮化 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)明的一個實施方 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，沿溝槽的縱 向形成狹槽，使得溝槽沿縱向敞開。然后其中引入微針的皮膚將溝槽封閉，其結(jié)果是可通過 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的頂部提供保護層。在該保護層中， 提供狹長孔隙(未示出)，該孔隙平行于隱埋溝槽30。在所述孔隙的位置處，基材沒有被覆 蓋。隨后，將基材300進行各向異性蝕刻。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。因為KOH進行蝕刻的 選擇性最大，所以其對于本發(fā)明是優(yōu)選的。蝕刻劑穿過保護層中的孔隙蝕刻掉硅，在該過程中相對緩慢蝕刻的<111>面變得 顯見。一旦達到基材其它側(cè)3 上的保護層則終止蝕刻步驟。<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被保護層其余部分形成的膜封閉，換言之，不是敞開的。在接下來的步驟中(圖7D、8D)，首先在基材300的頂部提供保護層。在該保護層 中，在隱埋溝槽30的另一側(cè)上接著井356提供狹長孔隙(未示出)。在該孔隙的位置，基材 未被覆蓋。隨后，將基材300進行各向異性蝕刻。蝕刻劑穿過保護層中的孔隙蝕刻掉硅，在該過程中相對緩慢蝕刻的<111>面變得 顯見。一旦達到基材其它側(cè)3 上的保護層則終止蝕刻步驟。<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被保護層其余部分形成的膜封閉，換言之，不是敞開的。在接下來的步驟中(圖7E、8E)，首先在基材的頂部提供保護層。在該保護層中，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進行覆蓋。隨后， 使用蝕刻劑(例如Κ0Η)穿過孔隙將基材硅進行各向異性蝕刻，在該過程中相對緩慢蝕刻的
9<111>晶面25變得顯見。在接下來的步驟中(圖7F，8F)，首先除去保護層的剩余部分。此外，在該過程中從 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。可例如通過蝕刻(圖Ia和Ib中所示的結(jié)果)、通過 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。對于蝕刻，首先在基材的頂部提供保護層。在該保護層中，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進行覆蓋。然后，使用蝕刻劑(例如 Κ0Η)穿過孔隙對基材的硅進行各向異性蝕刻，直到基底16保留下來。在圖9和10中顯示了根據(jù)本發(fā)明制造微針的另一個較簡單的方法。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。對基材30在所有側(cè)上提供保護層，其中在該 實施方案中，隱埋溝槽任一側(cè)上兩個孔隙保持敞開。所述孔隙被保護層的薄帶所隔開。所 述帶的寬度取決于用來限定該帶的光刻方法，為例如ι μ m-ioo μ m。隨后，將基材300進行各向異性蝕刻。蝕刻劑通過保護層中的兩個孔隙將硅蝕刻 掉，在該過程中緩慢蝕刻的<111>面變得顯見。一旦達到基材其它側(cè)3M上的保護層則終止 蝕刻步驟。<111>晶面20、350、352、3M—起在基材中形成狹長井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，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 細成為端部觀。所述交線和端部大致為原子級尖銳，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的整個長度延伸的 交線的小曲率半徑，微針的整個尖端切入到皮膚中。因此，與就微針所已知的情形相比，刺 入皮膚中需要更小的力。因為軸14還具有在交線處彼此鄰接的晶面的壁，該軸對皮膚也具 有切削作用。微針的壁18、20、22、23和25大約對應(yīng)于硅的晶面，并且可以是大致原子級平 坦的。原子級平坦的壁與較粗糙的壁相比對皮膚產(chǎn)生較小的摩擦，其結(jié)果是根據(jù)本發(fā)明的 微針經(jīng)歷來自皮膚的較小反作用力并且對皮膚損傷程度較小。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 蝕刻兩個井。然后，作為另外的中間步驟，蝕刻基材的另一個相對側(cè)。在該情形中，還在該其它側(cè)中以類似方式蝕刻兩個井，使得基材一側(cè)中的井對應(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 截面的微針為開始，其中軸包含兩個對應(yīng)于基材<110>側(cè)的側(cè)部。兩個其它側(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。可例如通過將微針浸沒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霧或噴霧進行施加。本發(fā)明不限于其上述實施方案，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-具有至少兩個壁的軸，每個壁由單晶材料的相對緩慢蝕刻晶面形成；和 -連接到所述軸的端部并包含至少三個壁的尖端，每個壁由單晶材料的相對緩慢蝕刻 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由與所述軸的兩個壁相同的晶 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壁相同的晶面形成的所述尖端的兩 個壁由相對緩慢蝕刻晶面形成。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的微針，其中所述尖端的3個壁由相對緩慢蝕刻晶面形成。
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由與所述軸的三個壁相 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壁以大致原子級尖銳的方式會聚在一端。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的微針，其中所述三個壁以70°量級的內(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的。
14.由單晶材料制造的微針，包含-包含至少三個壁的尖端，所述三個壁由單晶材料的相對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-其中由相對緩慢蝕刻晶面形成的尖端的3個壁是由硅的<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；-一個或多個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，其中所述一個或多個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)通過保護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)通過保護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)通過保護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)同時進行。
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壁的單晶材料軸，所述三個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壁的尖端，所述三個壁由材料晶面形成。所述材料優(yōu)選是硅。所述尖端的壁中的兩個由與所述軸的兩個壁相同的晶面形成。這兩個壁由晶面形成。優(yōu)選地，所述尖端的三個壁由晶面形成。
文檔編號A61M37/00GK102123759SQ200980128625
公開日2011年7月13日 申請日期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 申請人:U型針控股有限責(zé)任公司