基于表面微细加工工艺的异平面空心微针及其制备方法

摘要

本发明公开一种基于表面微细加工工艺的异平面空心微针及其制备方法，所述方法采用基于湿法刻蚀工艺、UV-LIGA工艺和浇铸工艺，湿法刻蚀用于形成微针针尖结构，UV-LIGA用于实现微针针体部分，然后利用浇铸，形成一个内部中空的微针结构，从而实现出异平面空心微针。本发明利用特制模具浇铸而成，不需要昂贵的加工技术，能够实现快速复制及高速批量生产，而且湿法刻蚀和浇铸操作相对简单，整套工艺流程简单易行。

说明书

技术领域

本发明涉及一种空心微针，具体涉及一种基于表面微细加工工艺的异平面 空心微针及其制备方法。

背景技术

1999年Chun等人制成了能精确控制将生物物质注入到细胞中的二氧化硅微 针。2000年Steber等人制成了能与微针注射器连用的微针阵列。2003年Achim  Trautmann等人制成了含有贮液池和微管道的微针阵列。根据不同的制作工艺， 微针分为异平面和同平面微针，同平面微针的轴平行于基底，而异平面微针的 轴垂直与底面。相同面积情况下，异平面微针数远大于同平面微针数，所以大 多数微针都制成异平面微针。传统的异平面空心微针制备方法结合了深反应离 子刻蚀、各项同性刻蚀和各项异性刻蚀技术。

经对现有技术的文献检索发现，J.G.E Gaedeniers等在《Micro Electro  Mechanical Systems》(微机电系统)、2002年第15届IEEE国际会议上发表的 “Silicon micromachined hollow microneedles for transdermal liquid  transfer”(基于硅微加工的用于传输液体药物的空心微针)，该文介绍的制备 方法分为5个步骤：1、利用RIE在{100}硅片上生成深孔；2、利用RIE在背面 刻出相连的孔；3、采用LPCVD在硅表面沉积氮化硅；4、利用各向异性湿法刻 蚀制备出针尖尖端；5、去掉保护层。

沈修成等在《传感技术学报》2009年02期发表的“基于MEMS技术的异平面 空心金属微针”，该文介绍的制备方法有3个步骤：1、利用硅(100)面刻蚀技 术在硅片上刻蚀出倒四棱锥；2、采用电镀技术电镀出空心金属倒四棱锥；3、 从背面开出微流道并去除残余硅。

这2种制备方法存在几个缺点：1、步骤复杂繁琐；2、制造工艺涉及DRIE 和电镀技术，成本高昂；3、仅在硅上制作微针结构，微针高度受到极大限制； 4、不利于大批量生产。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种基于湿法刻蚀工艺和浇 铸工艺相结合的、相对简单易行的异平面空心微针及其制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明所述的基于表面微细加工工艺的异平面空心微针的制备方法，该方 法采用基于湿法刻蚀工艺、UV-LIGA工艺和浇铸工艺，湿法刻蚀用于形成微针针 尖结构，UV-LIGA用于实现微针针体部分，然后利用浇铸，形成一个内部中空的 微针结构，从而实现出异平面空心微针。

本发明上述方法包括如下步骤：

首先准备一块重掺杂p型抛光片作为衬底，在硅片上甩一层正胶并在上面 显影出方形图案；

然后利用湿法刻蚀工艺，去除暴露出来的氧化硅，得到氧化硅下层的方形 图案的硅；

再利用湿法刻蚀工艺，对暴露的硅进行各向异性刻蚀，在硅基体上得到四 棱锥结构；

接着再甩一层负胶，并显影出微针阴模具结构；

而后加载金属丝阵列，并用液态高分子材料对其进行浇铸；

最后脱模，释放出异平面空心微针结构。

所述金属丝阵列是根据所需的微针高度和尺寸而设计的具有设定力学强度 的金属丝阵列，以便产生微针的空心内腔。

所述液态高分子材料，采用的是生物友好型且容易降解的高分子材料。

本发明所述的基于表面微细加工工艺的异平面空心微针，包括具包括具有 四棱锥针尖结构，圆柱形针体结构以及空心圆柱形内腔结构，四棱锥针尖结构 位于圆柱形结构之上，空心圆柱形内腔结构贯穿整个针尖和针体部分。

所述具有四棱锥针尖结构，其倾斜角为54.7°。

现有的空心微针主要通过DRIE或电镀技术实现，成本高昂且微针高度受限。 而本发明提出的设计方案是利用特制模具浇铸而成，因此本发明与现有的空心 微针制备方法相比，不需要昂贵的加工技术，能够实现快速复制及高速批量生 产，而且湿法刻蚀和浇铸操作相对简单，整套工艺流程简单易行。

附图说明

图1为本发明实施例中异平面空心微针示意图。

图2为本发明实施例中制备方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图给发明的实施例作详细说明。本发明在以本发明技术方案为 前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护 范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图2所示，本实施例包括以下几个步骤：

第一步：准备一块晶向为<110>的p型掺硼抛光片4作为衬底。在其上甩一 层5μm厚的正胶2，并光刻显影，掩膜板为方形图案。

第二步：利用HF湿法刻蚀工艺去除正胶未覆盖处的氧化硅3。

第三步：将质量分数30％的KOH刻蚀第二步处理过后的硅片，得到倒置四棱 锥结构。

第四步：甩一层300μm厚的SU-8胶6，并光刻显影，掩膜板为圆形结构。

第五步：在得到的凹模具中加载钼丝阵列板5，该钼丝阵列通过对光刻胶进 行光刻显影电镀而得到，且进行过位置校对处理，加载时可以准确地将钼丝对 准步骤四中的凹模具，钼丝半径30μm，长度600μm。

第六步，最后浇铸聚苯乙烯(PS)7，PS凝固后，进行脱模处理。

如图1所示，本实施例得到的微针结构示意图，图中：微针分为上下2部 分，针尖和针体，针尖为四棱锥结构，倾斜角为54.7°，针体为圆柱形结构， 微针中空，空心部分平行于微针轴向。

实施例2

如图2所示，本实施例包括以下几个步骤：

第一步：准备一块晶向为<110>的p型掺硼抛光片4作为衬底。在其上甩一 层5μm厚的正胶2，并光刻显影，掩膜板为方形图案。

第二步：利用HF湿法刻蚀工艺去除正胶未覆盖处的氧化硅3。

第三步：将质量分数30％的KOH刻蚀第二步处理过后的硅片，得到倒置四棱 锥结构。

第四步：甩一层200μm厚的SU-8胶6，并光刻显影，掩膜板为圆形结构。

第五步：在得到的凹模具中加载钼丝阵列板5，该钼丝阵列通过对光刻胶进 行光刻显影电镀而得到，且进行过位置校对处理，加载时可以准确地将钼丝对 准步骤四中的凹模具，钼丝半径30μm，长度600μm。

第六步，最后浇铸熔融聚乳酸(PLA)7，PS凝固后，进行脱模处理。

如图1所示，本实施例得到的微针结构示意图，图中：微针分为上下2部 分，针尖和针体，针尖为四棱锥结构，倾斜角为54.7°，针体为圆柱形结构， 微针中空，空心部分平行于微针轴向。本实施例得到的微针跟实施例1相比， 高度变矮，力学强度增强。

以上为本发明的优选实施例，应当理解的是，本发明还有其他可实现的方 式，比如简单变换参数和选用的材料等，这些对于本领域的技术人员来说是很 容易实现的。

本发明是在基于湿法刻蚀工艺和浇铸工艺，不需要复杂昂贵的加工技术， 能够快速而又廉价的进行大批量复制，而且湿法刻蚀操作和浇铸操作相对简单， 整套工艺流程简单易行。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到 上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容 后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范 围应由所附的权利要求来限定。