CN104140075B - 在柔性衬底表面制作硬质微针阵列的方法 - Google Patents

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Abstract

一种在柔性衬底表面制作硬质微针阵列的方法，包括：在一硅片上生长一层第一Parylene薄膜后旋涂一层柔性聚合物层，加热固化；将其揭下；在与第一Parylene薄膜接触的那一面的柔性聚合物层上生长一层第二Parylene薄膜后旋涂一层聚二甲基硅氧烷层，加热固化；在一金属或半导体材料上双面生长一层二氧化硅薄膜；将二氧化硅薄膜与PDMS层键合在一起；将其揭下；在二氧化硅薄膜上旋涂一层均匀的光刻胶，光刻；得到柔性衬底的硬质微柱阵列，形成基片；面旋涂光刻胶后，将基片放在腐蚀液中，将基片上的硬质微柱阵列腐蚀出针尖形状，完成制备。本发明大大提高了微针使用时的舒适度，降低了硬质微针折断的风险，提高了微针阵列的使用寿命。

Description

在柔性衬底表面制作硬质微针阵列的方法
技术领域
本发明涉及微加工制造技术，具体涉及一种在柔性衬底表面制作硬质微针阵列的方法，用来实现柔性贴片式医疗器件的加工。
背景技术
近年来，随着微机电(MEMS)技术的发展，微针阵列在经皮给药、微创取样、电生理信号检测以及生化检测方面有着越来越广泛的应用，制造微针阵列的工艺也在应用中不断改进。
直接在硅片上制作的微针阵列，针体和衬底的材料全部都是硅。硅基底比较硬，不能很好地贴合皮肤表面，并且在刺入过程中，容易引起患者的疼痛。随后又发展出了聚合物微针，如PMMA、SU-8和PET等材料。2013年，Po-ChunWang等人报道了一种基于SU8聚合物的中空微针阵列(Po-ChunWang，Seung-JoonPaik，ShuodanChen，SwaminathanRajaraman，Seong-HyokKim，andMarkG.Allen.JOURNALOFMICROELECTROMECHANICALSYSTEMS，VOL.22，NO.5，OCTOBER2013)。这种微针是聚合物制作的，但微针强度相对较弱，刺入人体皮肤需要较大的力。同时，SU8形成的衬底几乎没有柔性。基于柔性聚合物衬底材料的硬质微针阵列，其柔性衬底可以很好的贴合人体皮肤的自然弯曲形状，与人体皮肤的弹性模量更加匹配，使得键合在其上的微针在刺入人体时可以很好地贴合在皮肤表面，减少患者的疼痛，另外硬质针体可以较容易地刺穿角质层，从而可以很好的应用于经皮给药、微创取样、电生理信号检测以及生化检测。目前对于基于柔性衬底的硬质微针阵列的制作方法，针体都是通过物理固定的方法镶嵌在柔性衬底内部。比如2009年，清华大学岳瑞峰、王燕提出了一种用于贴片给药的基于柔性衬底的金属微针阵列(专利公开号CN101618250A)，其中金属微针阵列根部直接镶嵌在柔性材料内，虽然其微针可以以15°-90°角度固定在柔性衬底上，但是微针是通过将针体根部插入柔性衬底上固定的。微针与局部衬底之间的角度，正如其所描述的，是预先固定好的，其柔性主要体现在衬底上，微针相对柔性衬底之间不能灵活摆动。此外，2011年，裴为华，王宇等人提出了一种用于提取人体肌电信号的柔性衬底的硅微针阵列(专利公开号CN102499667A)。在其制作方法的描述中，硅微针阵列根部也同样是通过物理黏附镶嵌在柔性衬底内部。这种根部镶嵌在柔性衬底内部的柔性微针阵列需要具有较大的衬底厚度，从而可为微针提供足够的包裹力，这种厚度的需求在一定程度上限制了衬底柔性的发挥；同时硬质微针根部镶嵌在柔性衬底中，微针相对衬底材料的摆动较为困难。这样微针相对衬底的倾斜势必引起衬底材料的弯曲，反之亦然，衬底材料的弯曲也会引起微针方向的改变。这样当微针植入皮肤中时，由于运动引发柔性基底发生曲率变化时，硬质微针会在皮肤中有一个横向的运动，容易引起皮肤不适或造成微针断裂。针对这种情况，本发明提出了一种采用直接键合方法在柔性衬底表面制备硬质微针阵列的方法，摆脱了柔性微针阵列对衬底厚度的要求，可以制备出具有更好柔性的微针阵列；同时表面键合的方式使得微针可以相对衬底做大幅度的摆动，大大提高了微针使用时的舒适度，降低了硬质微针折断的风险。
发明内容
现有制备柔性微针阵列方法是将微针根部镶嵌在柔性衬底中，这种方法存在衬底厚、微针与柔性衬底锚点不稳定、容易脱落以及微针阵列整体柔性受限等不足。
本发明的主要目的在于提供一种在柔性衬底表面制作硬质微针阵列的方法，其是微针的根部直接键合在柔性衬底表面的微针阵列，微针可以相对衬底做大幅度的摆动，大大提高了微针使用时的舒适度，降低了硬质微针折断的风险，提高了微针阵列的使用寿命。
为达到上述目的，本发明提供一种在柔性衬底表面制作硬质微针阵列的方法，包括如下步骤：
步骤1：在一硅片上生长一层第一Parylene薄膜；
步骤2：在第一Parylene薄膜的表面旋涂一层柔性聚合物层，加热固化；
步骤3：将柔性聚合物层从第一Parylene薄膜表面揭下；
步骤4：在与第一Parylene薄膜接触的那一面的柔性聚合物层上生长一层第二Parylene薄膜；
步骤5：在生长有第二Parylene薄膜的柔性聚合物层上旋涂一层聚二甲基硅氧烷层，加热固化；
步骤6：在一金属或半导体材料上双面生长一层二氧化硅薄膜；
步骤7：将二氧化硅薄膜与PDMS层同时用氧等离子体处理后，键合在一起；
步骤8：将PDMS层从第二Parylene薄膜表面揭下；
步骤9：在金属或半导体材料未用于键合的一面的二氧化硅薄膜上旋涂一层均匀的光刻胶，通过光刻形成圆形光刻胶阵列；
步骤10：刻蚀二氧化硅薄膜与金属或半导体材料，刻蚀深度到达PDMS层的表面，得到柔性衬底的硬质微柱阵列，形成基片；
步骤11：在PDMS层表面旋涂一层光刻胶，然后将基片放在腐蚀液中，将基片上的硬质微柱阵列腐蚀出针尖形状，完成制备。
从上述技术方案可以看出，本发明采用的是将硬质微针根部二氧化硅层直接键合到柔性聚合物PDMS衬底上的方式。键合形成的硅氧键有很好的生物兼容性，不会在刺入人体皮肤过程中对人体造成损害。这种硬质微针阵列可以在柔性衬底上大幅度弯曲而不会折断，具有非常好的柔韧性，因此微针阵列在剌入患者皮肤过程中不容易折断，从而可以使得微针阵列在经皮给药、微创取样、电生理信号检测以及生化检测方面得到更加广泛的应用。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：
图1是本发明的工艺步骤流程图；
图2是本发明的工艺步骤示意图；
图3是本发明提供的直接键合在柔性衬底表面的硬质微针阵列的结构示意图以及微针阵列在柔性衬底表面摆动时的示意图。
具体实施方式
如图1所示，图1为本发明提供的制作直接键合在柔性衬底上的硬质微针阵列的工艺步骤流程图。
如图2所示，图2为本发明提供的制作直接键合在柔性衬底上的硬质微针阵列的工艺步骤示意图，该方法包括以下步骤：
步骤1：在一500微米厚的硅片20上生长一层1微米厚的第一Parylene薄膜201(参阅图2a)，以降低硅片与聚二甲基硅氧烷(PDMS)层的粘附性，从而使得PDMS层更容易从硅片表面揭下；
步骤2：在第一Parylene薄膜201的表面旋涂一层第一PDMS层202(参阅图2b)，加热固化；
步骤3：将第一PDMS层202从第一Parylene薄膜201表面揭下(参阅图2c)；
步骤4：在与第一Parylene薄膜201接触的那一面的柔性聚合物层202上生长一层第二Parylene薄膜203(参阅图2d)，以降低聚二甲基硅氧烷(PDMS)层之间的粘附性，从而使得第二PDMS层更容易从第一PDMS层表面揭下；
步骤5：在生长有第二Parylene薄膜203的第一PDMS层202上旋涂一层厚度为100到500微米的第二PDMS层204(参阅图2e)，加热固化；
步骤6：在一200微米厚的双面抛光的硅片21上双面生长一层二氧化硅薄膜211(参阅图2f)；
步骤7：将二氧化硅薄膜211与第二PDMS层204同时用氧等离子体处理后(其中氧气流量为1.5l/min，射频功率120w，处理时间为20s)，键合在一起(参阅图2g)；
步骤8：将第二PDMS层204从第二Parylene薄膜203表面揭下(参阅图2h)；
步骤9：在硅片21未用于键合的一面的二氧化硅薄膜211上旋涂一层厚度为均匀的光刻胶，通过光刻形成圆形光刻胶阵列212(参阅图2i)；
步骤10：刻蚀二氧化硅薄膜211与硅片21，刻蚀深度到达第二PDMS层204的表面，得到柔性衬底的硬质微柱阵列22(参阅图2j)，形成基片；
步骤11：在第二PDMS层204表面旋涂一层光刻胶，然后将基片放在腐蚀液中，将基片上的硬质微柱阵列22腐蚀出针尖形状(参阅图2k)，完成制备。
如图3所示，图3为按照本发明方法设计出的直接键合在柔性衬底表面的硬质微针阵列的结构示意图以及微针阵列在柔性衬底表面摆动时的示意图，包括：
一层柔性聚合物衬底，该柔性衬底贴合在皮肤表面时，可以产生弹性形变，从而可以更紧密的贴合皮肤，不会使人体感到不适，而且也不易在使用过程中脱落。
直接键合在柔性衬底层上的硬质微针阵列，键合形成的硅氧键有很好的生物兼容性，不会在刺入人体皮肤过程中对人体造成损害。同时在刺入皮肤过程中，硬质微针阵列可以很容易的剌穿人体皮肤高阻抗的角质层，并且可以任意角度摆动，此外，阵列式的微针可以分担外力作用，因此不易折断，从而延长微针的使用寿命。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种在柔性衬底表面制作硬质微针阵列的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在一硅片上生长一层第一Parylene薄膜；
步骤2：在第一Parylene薄膜的表面旋涂一层柔性聚合物层，加热固化；
步骤3：将柔性聚合物层从第一Parylene薄膜表面揭下；
步骤4：在与第一Parylene薄膜接触的那一面的柔性聚合物层上生长一层第二Parylene薄膜；
步骤5：在生长有第二Parylene薄膜的柔性聚合物层上旋涂一层聚二甲基硅氧烷层，加热固化；
步骤6：在一金属或半导体材料上双面生长一层二氧化硅薄膜；
步骤7：将二氧化硅薄膜与聚二甲基硅氧烷层同时用氧等离子体处理后，键合在一起；
步骤8：将聚二甲基硅氧烷层从第二Parylene薄膜表面揭下；
步骤9：在金属或半导体材料未用于键合的一面的二氧化硅薄膜上旋涂一层均匀的光刻胶，通过光刻形成圆形光刻胶阵列；
步骤10：刻蚀二氧化硅薄膜与金属或半导体材料，刻蚀深度到达聚二甲基硅氧烷层的表面，得到柔性衬底的硬质微柱阵列，形成基片；
步骤11：在聚二甲基硅氧烷层表面旋涂一层光刻胶，然后将基片放在腐蚀液中，将基片上的硬质微柱阵列腐蚀出针尖形状，完成制备。
2.如权利要求1所述的在柔性衬底表面制作硬质微针阵列的方法，其中聚二甲基硅氧烷层的厚度为100-500微米。
3.如权利要求1所述的在柔性衬底表面制作硬质微针阵列的方法，其中金属或半导体材料的厚度为100-200微米。
4.如权利要求1所述的在柔性衬底表面制作硬质微针阵列的方法，其中步骤7中键合时氧气流量为1.5l/min，射频功率为120w，处理时间为20s。
5.如权利要求1所述的在柔性衬底表面制作硬质微针阵列的方法，其中第一柔性聚合物层的材料是聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷层、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚甲基丙烯酸甲酯。
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