硅微针结构及制造方法与流程

1.本发明涉及微针，尤其涉及硅微针结构和相应的制造方法。


背景技术：

2.对于微针的广泛应用已有很多兴趣。作为空心金属针的替代品，空心微针有潜力提供广泛的优点，包括以下中的一个或多个：无痛或减少疼痛的穿透、增强安全性、可靠的皮内药物递送、更好控制的递送深度、减少弯曲和钝化、以及对于害怕针的患者降低针可视性。
3.由于硅的生物相容性和与mems中使用的技术类似的开发良好的、可扩展的制造技术的可用性，硅已被提出作为微针的材料。然而，许多提出的硅微针设计由于难以实现微针而未能实现商业成功，这种微针足够锋利以穿透皮肤，同时足够坚固以最小化插入期间的破裂风险。
4.纳诺帕斯技术有限公司(以色列)开发了一种特别有效的空心硅微针结构，并且可通过商品名商业地获得。该微针形成有垂直于衬底表面的直立壁、以及对应于与这些壁相交的(111)晶体平面的倾斜表面，从而从锐利的穿透尖端延伸到该衬底表面。该结构限定了从侧面观察时的大致三角形的微针形状，其提供了锐利的穿透尖端和坚固的针体的高效地有利的组合，该针体高效地抵抗断裂。这种针的示例示出在sem图像，如图5所再现。


技术实现要素：

5.本发明是一种硅微针结构和相应的制造方法。
6.根据本发明实施例的教导，提供了一种由单晶硅形成的微针结构，该微针结构包括：(a)具有主表面的衬底；(b)至少一个微针，所述至少一个微针与所述衬底一体地形成，以从所述主表面突出，所述至少一个微针包括：(i)在垂直于所述衬底的所述主表面的至少一个直立表面与对应于(111)晶体平面的倾斜表面之间的交接处形成的穿透尖端，(ii)由所述至少一个直立表面和所述倾斜表面的连续所界定的扩展部分，以及(iii)由所述至少一个直立表面和切平面的连续所界定的恒定截面部分，所述切平面从所述倾斜表面的边缘朝向并垂直于所述衬底的所述主表面延伸，其中所述倾斜表面的宽度从所述穿透尖端到所述边缘单调地增加。
7.根据本发明的实施例的另一特征，所述恒定截面部分从所述衬底的所述主表面延伸所述穿透尖端的高度的至少五分之一。
8.根据本发明的实施例的另一特征，所述穿透尖端距所述衬底的所述主表面的高度与邻接于所述主表面的所述微针的最大尺寸的比率至少为1.6。
9.根据本发明的实施例的另一特征，所述穿透尖端距所述衬底的所述主表面的高度与邻接于所述主表面的所述微针的最大尺寸的比率至少为1.7。
10.根据本发明的实施例的另一特征，所述穿透尖端距所述衬底的所述主表面的高度
为至少750微米，并且其中平行且邻接于所述主表面的所述微针的最大尺寸不大于500微米。
11.根据本发明的实施例的另一特征，所述穿透尖端距所述衬底的所述主表面的高度为至少800微米，并且其中平行且邻接于所述主表面的所述微针的最大尺寸不大于450微米。
12.根据本发明实施例的另一特征，通过所述微针的所述恒定截面部分并平行于所述衬底的所述主表面所截取的横截面具有垂直于所述切平面的长度尺寸和平行于所述切平面的宽度，所述长度比所述宽度大至少50％。
13.根据本发明实施例的另一特征，邻接于所述穿透尖端的所述至少一个直立表面包括第一平坦表面和第二平坦表面，所述第一平坦表面和所述第二平坦表面通过弧形表面平滑地连接，所述第一平坦表面和所述第二平坦表面对称地布置在穿过所述微针的中心平面的相对侧上，并且在所述第一平坦表面和所述第二平坦表面之间形成45度至75度之间的角度。
14.根据本发明实施例的另一特征，所述弧形表面具有10微米至40微米之间的曲率半径。
15.根据本发明实施例的另一特征，所述至少一个直立表面还包括对称地布置在所述中心平面的相对侧上的第三平坦表面和第四平坦表面，所述第三平坦表面和所述第四平坦表面之间形成5度至25度之间的角度。
16.根据本发明的实施例的另一特征，还提供了孔，所述孔从所述倾斜表面延伸穿过所述扩展部分、穿过所述恒定截面部分、以及穿过所述衬底，延伸至所述衬底的后表面。
17.根据本发明实施例的另一特征，所述切平面是所述衬底的边缘。
18.根据本发明实施例的另一特征，所述至少一个微针被实现为与所述衬底一体地形成的多个微针，所述多个微针具有共面的切平面。
19.根据本发明的实施例的教导，还提供了一种用于制造微针结构的方法，该方法包括以下步骤：(a)提供由单晶硅形成的微针装置前体，所述微针装置前体包括：(i)具有主表面的衬底，(ii)至少一个微针，所述至少一个微针与所述衬底一体地形成，以从所述主表面突出，所述至少一个微针包括：(a)在垂直于所述衬底的所述主表面的至少一个直立表面与对应于(111)晶体平面的倾斜表面之间的交接处形成的穿透尖端，以及(b)由所述至少一个直立表面和所述倾斜表面的连续所界定的扩展部分，所述倾斜表面延伸到所述衬底的所述主表面；以及(b)沿着切平面对所述微针装置前体进行切片，所述切平面垂直于所述衬底的所述主表面，并穿过所述微针的所述倾斜表面以及穿过所述衬底的至少一部分，以产生由所述至少一个直立表面和所述切平面的连续所界定的恒定截面部分，所述恒定截面部分从所述倾斜表面的边缘向所述衬底的所述主表面延伸。
20.根据本发明实施例的另一特征，执行所述切片，使得所述恒定截面部分从所述衬底的所述主表面延伸所述穿透尖端的高度的至少五分之一。
21.根据本发明的实施例的另一特征，执行切片，执行所述切片，使得所述穿透尖端距所述衬底的所述主表面的高度与邻接于所述主表面的所述微针的最大尺寸的比率至少为1.6。
22.根据本发明的实施例的另一特征，执行所述切片，使得所述穿透尖端距所述衬底
的所述主表面的高度与邻接于所述主表面的所述微针的最大尺寸的比率至少为1.7。
23.根据本发明实施例的另一特征，所述切片作为用于将所述衬底分离成多个芯片的切块工艺的一部分而执行，所述多个芯片各自包含微针结构。
24.根据本发明的实施例的另一特征，所述切片通过选自以下的工艺或工艺组合而执行：机械切割；激光切割；等离子切割；以及drie。
附图说明
25.在此仅以示例的方式参照附图描述本发明，其中：
26.图1a是根据本发明实施例的教导的微针结构、构造和操作的等距视图；
27.图1b、1d和1e分别是图1a的微针结构的侧视图、前视图和俯视图；
28.图1c是沿图1a的平面i-i截取的剖视图；
29.图1f是沿图1d的平面ii-ii截取的剖视图；
30.图2a和2b是类似于图1a和图1b的视图，分别为微针结构的变型实施方式；
31.图3是采用图1a的微针结构的微针适配器的示意性纵向轴向剖视图；
32.图4a示意性地示出了在制造图1a的微针结构期间的晶体硅晶片；
33.图4b和4c分别是由图4a的晶片形成的微针装置前体的等距视图和侧视图；
34.图4d是通过沿着切平面136切片图4c的微针装置前体而形成的微针结构的侧视图；以及
35.图5(如上所述)是纳诺帕斯技术有限公司制造的微针的扫描电子显微镜图像。
具体实施方式
36.本发明是一种硅微针结构和相应的制造方法。
37.根据本发明的硅微针结构的原理和操作可以参考附图和所附描述而更好地被理解。
38.通过介绍，已经发现上述纳诺帕斯技术有限公司的微针具有上述优点，因为上述微针结合了锐度与由在倾斜(111)表面和其它垂直表面之间形成的横向观察呈三角形的结构的坚固性。然而，所述倾斜(111)表面的固定几何形状施加了某些设计限制，这些限制不适合某些应用，特别是在需要相对高的微针的情况下。具体地，所述(111)平面形成良好限定角度tan-1
(√2)，其与衬底表面成54.7度。从而，传统微针的基部的最大尺寸随微针高度的函数而线性地增加，其中，所述最大尺寸对应于由穿透而引起的皮肤伤口的尺寸。对于较大的微针(例如，预期用于超过约750微米的穿透深度)，这可能导致不必要地大的皮肤伤口，具有相应的组织损伤，降低的穿透功效并增加注射后的泄漏倾向。这不仅对皮肤特别重要，而且对诸如眼睛的各种生物屏障也特别重要。本发明提供了对早期设计的修改，其保持了孔形状和位置的锐度、坚固性和设计灵活性的主要特征，而与外部结构轮廓无关，同时允许减小微针基部尺寸，并因此减少组织创伤，增加穿透功效并减少由微针穿透引起的泄漏。
39.现在参考附图，图1a-1f和图2a-2b示出了根据本发明实施例的原理所构造和操作的由单晶硅形成的微针结构的两个变型。所述微针结构包括具有主表面102的衬底100，至少一个微针104从主表面102突出，在该非限制性实例中，三个一体地形成的微针104从主表面102突出。每个微针104具有穿透尖端106，所述穿透尖端106形成在垂直于衬底的主表面
的至少一个直立表面108和倾斜平面110之间的交接处，所述倾斜平面110对应于(111)晶体平面(由米勒指数限定)。每个微针具有与图1d所示的高度h1相对应的扩展部分。所述扩展部分由至少一个直立表面108和倾斜表面110的连续而界定。对应于图1d中的高度h2的恒定截面部分由至少一个直立表面108和切平面112的连续而界定，其中所述切平面112从倾斜表面110的边缘114向衬底100的主表面102延伸并垂直于衬底100的主表面102。倾斜表面110的宽度w从穿透尖端106到边缘114单调地增加。
40.在该阶段，显然微针104的结构提供了极大的优点。具体地，所述微针的所述扩展部分提供了锐利的穿透尖端与坚固的针体相结合的特别有利的特性，而恒定截面部分的存在提供了附加的设计自由度，以针对给定微针高度减小微针的基部尺寸，从而增加穿透功效并限制穿透部位的皮肤创伤。
41.在某种意义上，本文所定义的微针结构可被认为提供了相比于现有纳诺帕斯微针设计所增加的纵横比。具体地，基于延伸到衬底的(111)平面的设计固有地受54.7度角到约1.4的纵横比的限制(其中术语“纵横比”用于指距衬底表面的微针总高度和与衬底表面邻接且平行测量的微针的最大尺寸之间的比率)。相反，本发明的各种特别优选的实施方式的纵横比至少为1.6，更优选为1.7。
42.由于该结构，本发明的微针可以有利地实现至少750微米的总的微针高度，同时保持平行于且相邻于所述主表面的微针的最大尺寸不超过约500微米，并且在某些特别优选的情况下，实现至少800微米的总的微针高度，同时保持平行于且相邻于所述主表面的微针的最大尺寸不超过450微米。
43.为了从微针的恒定截面部分获得最佳的益处，所述恒定截面部分优选地从所述衬底的所述主表面延伸高度h2，所述高度h2是所述穿透尖端的总高度h的至少约五分之一。
44.微针104的基部的优选但非限制性的形状可以由图1e的俯视图中最佳地看到，更详细地可以由图1f的放大截面图中看到。如这里所见，在通过所述微针的所述恒定截面部分且平行于所述衬底的所述主表面所截取的横截面中，垂直于切平面112的长度尺寸l优选地比平行于片平面112的宽度w大至少50％(即，至少1.5的长宽比)，并且最优选地具有在约1.8和约2.2之间的长宽比。
45.所述至少一个直立表面108优选地限定了微针横截面的轮廓，该轮廓关于中心平面对称，所述中心平面对应于图1a所示的横截面i-i。为了为穿透尖端提供特别优选的几何形状，所述至少一个直立表面108的相邻区域优选地包括第一平坦表面108a和第二平坦表面108b，所述第一平坦表面108a和所述第二平坦表面108b通过弧形表面108c平滑地连接，其中所述第一平坦表面108a和所述第二平坦表面108b对称地布置在对称的中心平面的相对侧上，并且所述第一平坦表面108a和所述第二平坦表面108b之间形成45度-75度之间的角度。所述弧形表面108c优选具有10微米至40微米之间的曲率半径。已发现这些参数与倾斜的平面110一起在足够的锐度之间提供特别有利的平衡，以实现有效的穿透，同时提供足够的坚固性，以在宽范围的操作条件下最小化尖端的断裂和磨损。
46.为了实现上述长宽比，所述至少一个直立表面优选地还包括至少一个第三平面108d和第四平面108e，所述第三平面108d和所述第四平面108e对称地布置在所述中心平面的相对侧上，并且所述第三平面108d和所述第四平面108e之间形成小于30度的角度，并且优选地形成在5度和25度之间的角度。为了避免沿着微针的侧面的任何明显的边缘，特别优
选的实施方式在此特征在于，一对附加的平面表面段108f通过圆形过渡区域108g连接到相邻表面。通过大半径弯曲连接部分(未示出)连接表面108a和108d以及表面108b和108e可以实现类似的效果。
47.当这里提到在两个本身不相交的表面之间形成的角度时，如果所述平面持续到它们相遇，则所述角度被认为是这些表面的平面之间的角度。
48.本发明主要涉及但不限于中空的微针结构，其适于将可流动组合物输送到皮肤中和/或用于从身体采样流体。为此，微针104优选地还包括孔116，所述孔116从倾斜表面110延伸穿过扩展部分、穿过恒定截面部分、以及穿过衬底100至所述衬底的后表面(参见图1c)。在这里所示的特别优选的实施方式中，孔116位于最接近穿透尖端106的倾斜表面110的一半，从而确保在穿透的早期阶段期间所述孔的开放区域在组织内的有效密封。在可选的实施方式(未示出)中，孔116可以具有细长的横截面形状，其延伸穿过倾斜表面110的长度的主要部分，当所述微针充分穿透组织以使所述组织穿过边缘114并围绕所述微针的所述恒定截面部分时，实现有效的密封。
49.虽然本文描述的所述微针结构可以在衬底表面上的任意位置实现，但是某些特别优选的实现方式具有与衬底的边缘相邻的微针。在这种情况下，根据一组特别优选的实施方式，切平面112与衬底100的边缘118共面。虽然本发明可以使用单个微针来实现，但是特别优选的实现方式，例如这里所示的那些，使用多个微针，通常如图所示成行(线性阵列)。因此，如这里所示的一个特别优选的实施例具有至少三个空心微针204，所述至少三个空心微针204处于与衬底100一体地形成的微针的线性阵列中，所有所述微针的切平面112彼此共面，并且与衬底100的边缘118共面。使用与最终衬底的边缘共面的切平面特别适合于这样的制造方法，其中在单个切割操作中形成切平面和衬底边缘，例如在切块工艺期间，在制造微针芯片期间。这将在下面进一步描述。
50.在所述微针结构中使用恒定截面部分提供了相当大的设计自由度，以实现不同高度的微针，同时单独选择期望的基部尺寸。作为非限制性实例，图1a-图1f的所述微针，可以有利地以750微米-850微米的总高度h、380微米-450微米的基部长度l、以及180微米-220微米的基部宽度w来实现。图2a和图2b的所述微针采用一个较长的恒定截面部分以及其它参数，这些参数与图1a-图1f中的参数大体相似，以实现900微米-1100微米的总高度h、380微米-450微米的基部长度l、以及180微米-220微米的基部宽度w的微针。在所有其它方面，图2a和图2b的所述微针结构在结构和功能上与图1a-图1f的所述微针结构相似。应当注意，本发明的所述微针不限于上述高度范围，并且所描述的结构的有利几何性质也可以在较小的微针中实现，通常从大约600微米高度向上；以及在较大的微针中实现，例如，高达1500微米，或者在一些情况下，高达2毫米高度或更高。
51.图3示意性地示出了作为装置的一部分的本发明的所述微针结构的典型使用模式。在此实例中，所述衬底100附接至注射适配器120，所述注射适配器120形成有阴鲁尔接口，用于与注射器或其它流体流动系统连接配合。流动通道122穿过适配器以将流体供应到衬底100的后表面，以便经由孔116输送。适配器120仅是所述微针结构的大量可能应用示例中的一个。其他非限制性实例包括集成有一次性预充式注射器的微针结构、集成有药物递送贴片和泵的微针、用于笔式注射系统的微针笔针头适配、自动注射系统、以及广泛的其他应用。
52.现在转至用于制造本发明的微针结构的方法，其本身也是根据本发明的一方面的方法的实施例，这可以有利地通过以下实现，首先生产制造具有倾斜表面110的延伸到衬底表面的微针，然后执行切割操作(也称为“切片”或“切块”)以产生切平面112并且优选地还有衬底边缘118，以提供所示的最终微针结构。
53.这里参照图4a-图4d示意性地说明整个生产制造过程。首先，通常通过诸如深度反应离子蚀刻(drie)的干蚀刻过程来处理单晶硅晶片130，以产生沟槽132和孔134，所述沟槽132在内侧对应于最终微针结构的直立表面108的期望形状，所述孔134对应于最终微针结构的孔116的位置和形状。这些图案通常是以间隔关系形成在晶片表面上的重复图案，通常每晶片具有数百或甚至数千个这样的配置。孔134的内深尺寸优选地大于沟槽132的宽度，从而drie处理使孔134达到比沟槽132更深的深度。这有助于完成通过晶片整个厚度的孔的长度(通常在处理的后期)，或者通过前侧drie处理本身，或者通过相应的drie处理或其它钻孔处理(例如，激光切割)，从而从晶片的背面形成互补的孔，以满足孔134。
54.然后用保护层涂覆沟槽132和孔134的内表面。然后进行各向异性湿法蚀刻。这使沟槽132以外的区域中的晶片顶部的暴露表面((100)“水平”平面)均匀地降低，以形成主表面102，同时侵蚀(111)平面上由沟槽132部分地外接的区域。一旦所述微针的期望高度h已经暴露，则去除所述保护层以露出微针装置前体，所述微针装置前体具有向下一直延伸到衬底的上表面的倾斜表面，如图4b的虚线结构以及图4c的侧视图所示。如前所述，示意性图示将该结构显示为具有一组微针的独立结构(free-standing structure)，但是更优选地直至该阶段该结构被制造为包括许多这种结构的延伸晶片的一部分。
55.然后通过沿着切平面136(图4c)切片微针装置前体来完成微针结构，其中，所述切平面136垂直于衬底100的主表面102，并穿过微针的倾斜表面以及穿过所述衬底，从而产生由至少一个直立表面108和切平面136的连续所界定的恒定截面部分，其中所述恒定截面部分从倾斜表面110的边缘114向衬底100的主表面102延伸。该切片步骤可以通过任何合适的切割技术来执行，包括机械切割或切块、等离子切割和激光切割。使用额外的干蚀刻(drie)步骤来形成切平面136的工艺也落入本发明的范围内，并且在微针将在与衬底的边缘间隔开的位置处形成的情况下可以是优选的。在某些特别优选的实施方式中，所述切片作为切块操作的一部分来执行，在切块操作中，整个晶片被分成多个衬底部分，每个衬底具有其自己的至少一个微针组，优选三个微针，如图所示。选择切片的位置以产生如上所述的比例、纵横比等的各种优选参数，例如具有从衬底的主表面延伸穿透尖端的高度的至少五分之一的恒定截面部分，并且具有至少1.6，更优选至少1.7的纵横比。
56.应当理解，以上描述仅用于作为示例，并且许多其它实施例在所附权利要求中限定的本发明的范围内是可能的。