CN113476735A - 一种空心微针阵列芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种空心微针阵列芯片及其制备方法，包括：基板，所述基板包括相对的正面和背面；微针，所述微针位于所述基板的正面，所述微针包括针尖、针孔和针面，所述针面向所述基板倾斜设定角度；沟槽，所述沟槽位于所述微针外周且半包裹所述微针；导流槽，所述导流槽位于所述基板的背面且与所述针孔连通。本发明通过在基板上设置沟槽和导流槽以及将针面向基板倾斜设定角度，能够实现微针的批量生产以及解决难以刺入皮肤或达到皮内深度的技术问题。

Description

一种空心微针阵列芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种空心微针阵列芯片及其制备方法。

背景技术

空心微针技术是一种不会引起疼痛的药物传输技术，具有一定的内部空间，可以用来填充有效药物分散体或溶液。它们的尖端上有孔，在插入皮肤时，药物直接沉积在表皮或上真皮层中，因其长度固定，注射深度精准，不会引起注射疼痛。

现阶段，空心微针的主要制作材料包括金属、硅、二氧化硅、玻璃、镍、钛及可生物降解的聚合物等。金属微针造价低廉，硬度较大，但很难达到微米级的针头长度，难以实现无痛注射。聚合物微针很难控制针尖尖度，强度较差，一定压力作用下会产生塑性变形，刺穿皮肤时会有困难。一些以硅材料制作的空心针孔直径不足，针高不够，针高均匀性不好。现代一些血液分析设备为了得到可靠的数据，需要至少5ul～50ul/小时的血液用于分析，为了达到足够的流量，需要针孔直径至少10-100um。

目前已知的硅基底微针的方法主要包括激光打孔，这种方法难以批量生产，并且对于激光器和硅基底的对准要求很高，良率不高；其他大多数微针且具有针尖尖度不高、高度不够、针面斜度不够、针尖均匀性不好等缺点，难以刺入皮肤或达到皮内深度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空心微针阵列芯片及其制备方法，至少能够解决微针难以批量生产以及难以刺入皮肤或达到皮内深度的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种空心微针阵列芯片，包括：

基板，所述基板包括相对的正面和背面；

微针，所述微针位于所述基板的正面，所述微针包括针尖、针孔和针面，所述针面向所述基板倾斜设定角度；

沟槽，所述沟槽位于所述微针外周且半包裹所述微针；

导流槽，所述导流槽位于所述基板的背面且与所述针孔连通。

可选地，由至少两个微针构成微针阵列，所述微针阵列为空心微针阵列，所述微针在所述基板上按设定间距进行排列。

可选地，所述两个相邻微针的针尖之间的间距为600um。

可选地，所述沟槽呈倒V型。

可选地，所述沟槽的深度是30～80um，宽度为50～100um。

可选地，所述导流槽呈圆形或椭圆形，所述导流槽的直径是100um，深度为100～200um。

可选地，所述微针的针孔的直径为10～100um，所述针孔距离针尖顶端的距离为40um。

可选地，所述微针的高度＞500um，宽度是200～420um。

可选地，所述针面与所述基板的倾斜角度为54.74°

可选地，所述基板的形状为长方体，所述基板的长为2300um，宽为900um，高为300um。

本发明还提供一种空心微针阵列芯片的制备方法，包括：

提供基板，所述基板包括相对的正面和背面；

在所述基板上形成微针，所述微针包括针尖、针孔和针面，所述针面向所述基板倾斜设定角度；

在所述基板的正面形成有沟槽，所述沟槽形成于所述微针外周且半包括所述微针；

在所述基板的背面形成有导流槽且与所述针孔连通。

可选地，形成所述基板之后，包括：

通过光刻和刻蚀工艺在所述基板的背面形成所述导流槽。

可选地，形成所述导流槽后，所述微针的形成方法包括：

在所述基板的背面通过沉积工艺形成掩膜层，刻蚀部分所述掩膜层形成第一凹槽；

在所述基板的正面通过光刻和刻蚀工艺形成第二凹槽和沟槽，所述第二凹槽和所述第一凹槽上下对应设置；

通过深反应离子刻蚀工艺刻蚀所述基板的背面，使所述第一凹槽和所述第二凹槽连通形成针孔；

形成所述针孔之后，形成保护层，所述保护层形成在所述基板的正面和背面以及所述针孔的内壁上；

通过硅各向异性湿法腐蚀出所述针尖和针面，所述针面向所述基板倾斜设定角度；

所述针尖、针面和针孔构成所述微针；

通过划片工艺将所述微针划片成微针阵列。

可选地，其特征在于，所述掩膜层的材料为SiO2，所述保护层的材料为Si3N4。

可选地，在形成第一凹槽之后且形成第二凹槽和沟槽之前，还包括，

在所述基板的正面形成光刻胶，通过光刻工艺在所述光刻胶上形成第二预留凹槽和预留沟槽；

形成第二凹槽和沟槽之后，去除所述光刻胶。

可选地，在形成保护层之后且形成针尖和针面之前，还包括，

去除所述基板正面的保护层，保留基板背面以及所述针孔的内壁的保护层；

形成所述针尖和针面之后，去除所述保护层。

可选地，去除所述保护层之后，还包括，通过高温工艺在所述基板的正面和背面以及所述针孔的内壁沉积一层保护膜。

可选地，所述保护膜的材料为SiO2。

可选地，所述针面与所述基板的倾斜角度为54.74°。

可选地，所述导流槽的形状为圆形或椭圆形。

本发明结构的有益效果在于：

本发明通过在基板上设置沟槽和导流槽以及将针面向基板倾斜设定角度，能够实现微针的批量生产、实现良好的针尖尖度以及解决难以刺入皮肤或达到皮内深度的技术问题。

进一步地，本发明将微针的高度设为大于500um，实现针孔直径和针尖高度的均匀性小于2％且针面与所述基板的倾斜角度为54.74°，实现针尖能够完全刺入皮肤或达到皮内深度。

进一步地，本发明的基板的背面设计的导流槽提高了流体管与空心微针阵列芯片之间的固定性和密封性，并且导流槽的设计提升了流体流量。

进一步地，本发明的结构尺寸小、精度高、流程简单、成本低，易于批量制造。

本发明方法的有益效果在于：

本发明通过在基板的背面形成导流槽以及在基板的正面形成沟槽和微针，简化了制作空心微针的工艺流程，实现批量生产，降低生产成本，通过本发明的制备方法能够制造出具有一定角度的斜面的针尖，实现了良好的针尖尖度以及针孔的均匀性，实现针尖能够完全刺入皮肤或达到皮内深度。

进一步地，本发明采用MEMS工艺技术，通过光刻和刻蚀工艺制作导流槽、沟槽和针孔，再通过湿法腐蚀出微针的高度＞500um，针面与所述基板的倾斜角度为54.74°，实现针尖能够完全刺入皮肤或达到皮内深度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1所提供的空心微针阵列芯片的立体结构示意图；

图2为本发明实施例1所提供的空心微针阵列芯片的立体结构示意图；

图3至图12为本发明实施例2所提供的空心微针阵列芯片的制作方法中不同步骤对应的结构示意图。

附图标记：10、基板；11、第一光刻胶；12、掩膜层；13、第二光刻胶；14、第一凹槽；15、第三光刻胶；16、第二凹槽；16a、第二预留凹槽；17a、预留沟槽；17、沟槽；18、针孔；19、保护层；20、针尖；21、针面；31、保护膜；30、导流槽。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的一种空心微针阵列芯片及其制备方法作进一步详细说明。根据下面的说明和附图，本发明的优点和特征将更清楚，然而，需说明的是，本发明技术方案的构思可按照多种不同的形式实施，并不局限于在此阐述的特定实施例。附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

在说明书和权利要求书中的术语“第一”“第二”等用于在类似要素之间进行区分，且未必是用于描述特定次序或时间顺序。要理解，在适当情况下，如此使用的这些术语可替换，例如可使得本文所述的本发明实施例能够以不同于本文所述的或所示的其他顺序来操作。类似的，如果本文所述的方法包括一系列步骤，且本文所呈现的这些步骤的顺序并非必须是可执行这些步骤的唯一顺序，且一些所述的步骤可被省略和/或一些本文未描述的其他步骤可被添加到该方法。若某附图中的构件与其他附图中的构件相同，虽然在所有附图中都可轻易辨认出这些构件，但为了使附图的说明更为清楚，本说明书不会将所有相同构件的标号标于每一图中。

实施例1

参考图1和图2，本实施例提供了一种空心微针阵列芯片，图1和图2示出了实施例1的一种空心微针阵列芯片结构示意图，请参考图1和图2，所述空心微针阵列芯片包括：

基板10，所述基板10包括相对的正面和背面；

微针，所述微针位于所述基板10的正面，所述微针包括针尖20、针孔18和针面21，所述针面21向所述基板10倾斜设定角度；

沟槽17，所述沟槽17位于所述微针外周且半包裹所述微针；

导流槽30，所述导流槽30位于所述基板10的背面且与所述针孔18连通。

基板10可以是本领域技术人员熟知的任意合适的衬底材料，例如硅、锗、硅锗、砷化镓、磷化铟等半导体衬底材料，本实施例采用晶相<100>的单晶硅片。

该芯片包含四个部分，由至少两个微针构成的微针阵列，基板10，沟槽17和导流槽30，所述微针在所述基板10上按设定间距进行排列，在本实施例中，所述两个相邻微针的针尖20之间的间距为600um。

在本实施例中，所述沟槽17呈倒V型，沟槽17位于所述微针外周且半包裹所述微针，所述沟槽17的深度是30～80um，宽度为50～100um，通过在基板10的正面设置沟槽17，可有助于针尖20完全刺入。

在本实施例中，所述导流槽30呈圆形或椭圆形，所述导流槽30的直径是100um，深度为100～200um；导流槽30位于所述基板10的背面，导流槽30与微针的针孔18连通，本发明通过在基板10的背面设计导流槽30，提高了流体管与空心微针阵列芯片之间的固定性和密封性，并且导流槽30的设计提升了流体流量。

所述微针包括针尖20、针孔18和针面21，所述针面21向所述基板10倾斜设定角度。

具体的，所述微针的针孔18的直径为10～100um，所述针孔18距离针尖20顶端的距离为40um；所述微针的高度＞500um，宽度是200～420um；所述针面21与所述基板10的倾斜角度为54.74°；本发明将微针的高度设为大于500um，实现了针孔18直径、针尖20高度以及微针的宽度的均匀性均小于2％且针面21与所述基板10的倾斜角度为54.74°，实现针尖20能够完全刺入皮肤或达到皮内深度。

在本实施例中，所述基板10的形状为长方体，所述基板10的长为2300um，宽为900um，高为300um。

本发明通过在基板10上设置沟槽17和导流槽30以及将针面21向基板10倾斜设定角度，能够实现微针的批量生产、实现良好的针尖20尖度以及解决难以刺入皮肤或达到皮内深度的技术问题；另外，本发明的结构尺寸小、精度高、流程简单、成本低，易于批量制造。

实施例2

本实施例2提供了一种空心微针阵列芯片的制备方法，包括以下步骤：

S01：提供基板10，所述基板10包括相对的正面和背面；

S02:在所述基板10上形成微针，所述微针包括针尖20、针孔18和针面21，所述针面21向所述基板10倾斜设定角度；

S03:在所述基板10的正面形成有沟槽17，所述沟槽17形成于所述微针外周且半包括所述微针；

S04:在所述基板10的背面形成有导流槽30且与所述针孔18连通。

需要说明的是，步骤S0N不代表先后顺序。

图3至图12是本实施例2各步骤对应的结构示意图。下面请参考图3至图12对空心微针阵列芯片的制备方法进行阐述。

参考图3，提供基板10，所述基板10包括相对的正面和背面。

基板10可以是本领域技术人员熟知的任意合适的衬底材料，例如硅、锗、硅锗、砷化镓、磷化铟等半导体衬底材料，本实施例采用晶相<100>的单晶硅片，硅片厚度依据要制备微针的高度选择，通过化学药品对硅片进行清洗。

参考图4，在所述基板10的背面形成有导流槽30。

所述导流槽30的形成方法包括：

在基板10的背面涂覆一层第一光刻胶11，并利用常规微电子工艺中的图形转移技术对光刻胶进行选择性的曝光和显影，从而基板10的背面形成光刻胶图形，如图4所示；以光刻胶作为掩蔽膜对基板10进行刻蚀，从而基板10的背面形成导流槽30。需要说明的是，光刻和刻蚀工艺为本技术领域的技术人员公知的技术，此处不再赘述。

在本实施例中，所述导流槽30呈圆形或椭圆形，所述导流槽30的直径是100um，深度为100～200um；导流槽30位于所述基板10的背面，导流槽30与后续形成的微针的针孔连通，本发明通过在基板10的背面设计导流槽30，提高了流体管与空心微针阵列芯片之间的固定性和密封性，并且导流槽30的设计提升了流体流量。

形成导流槽30后，去除第一光刻胶11。

去除第一光刻胶11可以采用等离子体工艺，当然也可以通过湿法去除，此处不做限定。

参考图5至图12，去除第一光刻胶后，在所述基板10上形成微针，所述微针包括针尖20、针孔18和针面21，所述针面21向所述基板10倾斜设定角度；在所述基板10的正面形成有沟槽17，所述沟槽17形成于所述微针外周且半包括所述微针。

所述微针的形成方法包括：

参考图5，在所述基板10的背面通过沉积工艺形成掩膜层12，刻蚀部分所述掩膜层12形成第一凹槽14。

掩膜层12的材料SiO2，主要用于后面刻蚀微针的针孔18，SiO2的沉积厚度根据微针的针孔18的刻蚀深度决定。

第一凹槽14的形成方法包括：

参考图6，形成掩膜层12之后，在所述掩膜层12上涂覆一层第二光刻胶13，通过光刻和刻蚀工艺，形成第一凹槽14。

本实施例中，所述第一凹槽14贯穿所述掩膜层12。

第一凹槽14用于后续形成微针的针孔。

刻蚀工艺可以为干法刻蚀或者湿法刻蚀，本实施例采用的是干法刻蚀工艺。

形成第一凹槽14后，去除第二光刻胶13，去除第二光刻胶13的方法参考前文所述，此处不再赘述。

参考图7和图8，在所述基板10的正面通过光刻和刻蚀工艺形成第二凹槽16和沟槽17，所述第二凹槽16和所述第一凹槽14上下对应设置。

在形成第一凹槽14之后且形成第二凹槽16和沟槽17之前，还包括，

在所述基板10的正面形成第三光刻胶15，通过光刻工艺在所述光刻胶上形成第二预留凹槽16a和预留沟槽17a；

通过刻蚀工艺形成第二凹槽16和沟槽17，之后，去除所述第三光刻胶15。

所述沟槽17呈倒V型，沟槽17位于后续形成的微针外周且半包裹后续形成的微针，所述沟槽17的深度是30～80um，宽度为50～100um，通过在基板10的正面设置沟槽17，可有助于针尖20完全刺入。

光刻工艺和刻蚀工艺为本技术领域的技术人员公知常识，此处不做赘述；去除第三光刻胶15的方法参考前文所述。

参考图9，通过深反应离子刻蚀工艺刻蚀所述基板10的背面，使所述第一凹槽14和所述第二凹槽16连通形成针孔18。

针孔18与导流槽30连通；

参考图10，形成所述针孔18之后，形成保护层19，所述保护层19形成在所述基板10的正面和背面以及所述针孔18的内壁上。

保护层19的材料为Si3N4，作为后续腐蚀微针的针尖20的保护层19。

参考图11和图12，通过硅各向异性湿法腐蚀出所述针尖20和针面21，所述针面21向所述基板10倾斜设定角度；所述针尖20、针面21和针孔18构成所述微针；通过划片工艺将所述微针划片成微针阵列。

具体的，所述微针的针孔18的直径为10～100um，所述针孔18距离针尖20顶端的距离为40um；所述微针的高度＞500um，宽度是200～420um；所述针面21与所述基板10的倾斜角度为54.74°；本发明将微针的高度设为大于500um，实现了针孔18直径、针尖20高度以及微针的宽度的均匀性均小于2％且针面21与所述基板10的倾斜角度为54.74°，实现针尖20能够完全刺入皮肤或达到皮内深度。

需要说明的是，在形成保护层19之后且形成针尖20和针面21之前，还包括，

去除所述基板10正面的保护层19，保留基板10背面以及所述针孔18的内壁的保护层19；

形成所述针尖20和针面21之后，去除所述保护层19。

具体地，利用KOH对硅各个晶面的腐蚀速率不同，腐蚀出针面斜度为54.74°，微针的高度依据KOH腐蚀时间决定；利用HF对Si3N4保护层19的腐蚀性，腐蚀出针尖20，移除微针的针孔18内壁及沟槽17内等余下的Si3N4保护层19。

继续参考图12，去除所述保护层19之后，还包括，通过高温工艺在所述基板10的正面和背面以及所述针孔18的内壁沉积一层保护膜31。

具体的，所述保护膜31的材料为SiO2；沉积SiO2的方式为低压化学气相沉积(LPCVD)或高温炉管热氧SiO2；另外，可以通过高温以增加针尖20的尖度，可通过在表面溅射金属提高针尖20硬度。

需要注意的是，本发明是通过采用MEMS工艺技术来完成整个制备过程。

本发明通过在基板10的背面形成导流槽30以及在基板10的正面形成沟槽17和微针，简化了制作空心微针的工艺流程，实现批量生产，降低生产成本，通过本发明的制备方法能够制造出具有一定角度的斜面的针尖20，实现了良好的针尖20尖度以及针孔18的均匀性，实现针尖20能够完全刺入皮肤或达到皮内深度。

进一步地，本发明采用MEMS工艺技术，通过光刻和刻蚀工艺制作导流槽30、沟槽17和针孔18，再通过湿法腐蚀出微针的高度＞500um，针面21与所述基板10的倾斜角度为54.74°，实现针尖20能够完全刺入皮肤或达到皮内深度。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (20)

1.一种空心微针阵列芯片，其特征在于，包括：

基板，所述基板包括相对的正面和背面；

微针，所述微针位于所述基板的正面，所述微针包括针尖、针孔和针面，所述针面向所述基板倾斜设定角度；

沟槽，所述沟槽位于所述微针外周且半包裹所述微针；

导流槽，所述导流槽位于所述基板的背面且与所述针孔连通。

2.根据权利要求1所述的空心微针阵列芯片，其特征在于，由至少两个微针构成微针阵列，所述微针在所述基板上按设定间距进行排列。

3.根据权利要求1所述的空心微针阵列芯片，其特征在于，所述两个相邻微针的针尖之间的间距为600um。

4.根据权利要求1所述的空心微针阵列芯片，其特征在于，所述沟槽呈倒V型。

5.根据权利要求1所述的空心微针阵列芯片，其特征在于，所述沟槽的深度是30～80um，宽度为50～100um。

6.根据权利要求1所述的空心微针阵列芯片，其特征在于，所述导流槽呈圆形或椭圆形，所述导流槽的直径是100um，深度为100～200um。

7.根据权利要求1所述的空心微针阵列芯片，其特征在于，所述微针的针孔的直径为10～100um，所述针孔距离针尖顶端的距离为40um。

8.根据权利要求1所述的空心微针阵列芯片，其特征在于，所述微针的高度＞500um，宽度是200～420um。

9.根据权利要求1所述的空心微针阵列芯片，其特征在于，所述针面与所述基板的倾斜角度为54.74°。

10.根据权利要求1所述的空心微针阵列芯片，其特征在于，所述基板的形状为长方体，所述基板的长为2300um，宽为900um，高为300um。

11.一种空心微针阵列芯片的制备方法，其特征在于，包括：

提供基板，所述基板包括相对的正面和背面；

在所述基板上形成微针，所述微针包括针尖、针孔和针面，所述针面向所述基板倾斜设定角度；

在所述基板的正面形成有沟槽，所述沟槽形成于所述微针外周且半包括所述微针；

在所述基板的背面形成有导流槽且与所述针孔连通。

12.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，形成所述基板之后，包括：

通过光刻和刻蚀工艺在所述基板的背面形成所述导流槽。

13.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，形成所述导流槽后，所述微针的形成方法包括：

在所述基板的背面通过沉积工艺形成掩膜层，刻蚀部分所述掩膜层形成第一凹槽；

在所述基板的正面通过光刻和刻蚀工艺形成第二凹槽和沟槽，所述第二凹槽和所述第一凹槽上下对应设置；

通过深反应离子刻蚀工艺刻蚀所述基板的背面，使所述第一凹槽和所述第二凹槽连通形成针孔；

形成所述针孔之后，形成保护层，所述保护层形成在所述基板的正面和背面以及所述针孔的内壁上；

通过硅各向异性湿法腐蚀出所述针尖和针面，所述针面向所述基板倾斜设定角度；

所述针尖、针面和针孔构成所述微针；

通过划片工艺将所述微针划片成微针阵列。

14.根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于，所述掩膜层的材料为SiO2，所述保护层的材料为Si3N4。

15.根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于，在形成第一凹槽之后且形成第二凹槽和沟槽之前，还包括，

在所述基板的正面形成光刻胶，通过光刻工艺在所述光刻胶上形成第二预留凹槽和预留沟槽；

形成第二凹槽和沟槽之后，去除所述光刻胶。

16.根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于，在形成保护层之后且形成针尖和针面之前，还包括，

去除所述基板正面的保护层，保留基板背面以及所述针孔的内壁的保护层；

形成所述针尖和针面之后，去除所述保护层。

17.根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于，去除所述保护层之后，还包括，通过高温工艺在所述基板的正面和背面以及所述针孔的内壁沉积一层保护膜。

18.根据权利要求17所述的制备方法，其特征在于，所述保护膜的材料为SiO2。

19.根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于，所述针面与所述基板的倾斜角度为54.74°。

20.根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于，所述导流槽的形状为圆形或椭圆形。

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