CN104307098B - 微针给药装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种微针给药装置及其制造方法。所述微针给药装置包括：微针基板，具有相对的第一表面和第二表面，包括第一表面上的实心微针的阵列以及贯穿第一基板从第二表面延伸至第二表面的微孔的阵列；药物腔体，包括在第一表面暴露的内部空间和与内部空间的底部相对的第二表面，其中微针基板的第二表面与药物腔体的第一表面结合，从而封闭内部空间；以及压电元件，与药物腔体的第二表面结合，其中，微针基板与药物腔体组成MEMS传感器。该微针给药装置使用实心微针，可以连续高效率工作，并且利用MEMS传感器实现精确的定量控制。

Description

微针给药装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及药物输送装置和方法，具体地，涉及微针给药装置及其制造方法。

背景技术

药物进入人体的主要输送方式包括注射和口服。近年来，微针给药方式越来越吸引人们的关注。微针一种类似注射针头的微米级空心或实心针，用单晶硅材料、金属或高分子聚合物制作而成，直径在30～80μm，长度100-1000μm。它可以恰好穿过角质层而不触及痛觉神经，在起到促渗作用的同时又不引起痛感和皮肤损伤。

另一种无痛给药的现有技术是微喷给药，其中采用微机电系统(MEMS)技术，将单晶硅材质加工成纳米喷泵。由一体化压电元件或外接泵提供压力，在电信号的激励下可精确定量喷出微量的液体。药物通过粘膜或者透过皮肤吸收进入人体。

然而，在使用实心微针时，预先在针头上敷药再借助微针穿透表皮给药。在使用一次之后或者弃去、或者消毒后再次敷药使用，非常繁琐操作不便，无法实现连续可控的给药。

在使用空心微针时，虽然可以达到定量注射、多次使用的目的，但将微小的针头(直径30-80微米)加工为空心针管本身工艺难度较高，良品率低。由于针头非常细微，空心结构容易折断、堵塞，造成需要频繁更换。

在使用微喷给药时，只能够将药液喷射到指定位置，用于口腔或皮肤的外用药，药物仍然需要通过粘膜或者透过皮肤吸收，药物吸收速率远远低于注射或微针透皮给药。

因此，期望进一步改进无痛给药装置的使用寿命和药物吸收效率。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种可以定量控制、连续且高效率工作的微针给药装置及其制造方法。

根据本发明的一方面，提供一种微针给药装置，包括：微针基板，具有相对的第一表面和第二表面，包括第一表面上的实心微针的阵列以及贯穿第一基板从第二表面延伸至第二表面的微孔的阵列；药物腔体，包括在第一表面暴露的内部空间和与内部空间的底部相对的第二表面，其中微针基板的第二表面与药物腔体的第一表面结合，从而封闭内部空间；以及压电元件，与药物腔体的第二表面结合，其中，微针基板与药物腔体组成MEMS传感器。

优选地，所述微针给药装置还包括在微针基板的第二表面形成的MEMS传感器的固定极板，以及在药物腔体的内部空间的底部形成的MEMS传感器的可动极板。

优选地，药物腔体的底部包括中间部分以及围绕中间部分的周边部分，并且所述中间部分的厚度大于所述周边部分的厚度。

优选地，所述可动极板形成在药物腔体的底部的中间部分上。

优选地，所述微针给药装置还包括分别覆盖所述固定极板和可动极板的第一和第二绝缘层。

优选地，所述微针给药装置还包括在药物腔体的内部空间的侧壁的顶部表面形成的第一焊盘和第二焊盘、以及从第一焊盘延伸至固定极板的第一导线和第二导线、以及从第二焊盘延伸至可动极板的第三导线。

优选地，第一导线从第一焊盘延伸至内部空间的侧壁边缘，第二导线在微针基板的第二表面从其边缘延伸至固定极板。

优选地，所述微针给药装置还包括在药物腔体的侧壁上形成的与内部空间连通的管道，用于与外部的药囊连接。

根据本发明的另一方面，提供一种制造微针给药装置的方法，包括：在第一基板上形成实心微针的阵列；在第一基板的第一表面上形成微孔的阵列；在第一基板的第二表面上形成延伸至固定极板和第二导线；在第二基板的第一表面中形成药物腔体的内部空间；在药物腔体上形成可动极板、第一焊盘和第二焊盘、以及形成从第一焊盘向内部延伸的第一导线和从第二焊盘向内延伸至可动极板的第三导线；将微针基板的第二表面与药物腔体的第一表面相结合；以及将压电元件与药物腔体的第二表面相结合。

根据本发明的实施例的微针给药装置包括在微针基板上形成的实心针和微孔。实心针起到穿透表皮的功能，微孔提供药物从微针基板背面到达微针的通道，从而可以形成综合微针和微喷特点的给药装置。

优选地，所述方法还包括在第一基板的第二表面形成第一绝缘层，以覆盖第二导线位于内部空间中的部分和固定极板；以及在药物腔体的内部空间中形成第二绝缘层，以覆盖第三导线位于内部空间中的部分和可动极板。

由MEMS加工单晶硅材质而成纳米喷泵，由一体化压电元件或外接泵提供压力，在电信号的激励下可精确定量喷出微量的液体。

实心微针与微喷纳米孔径加工技术结合，产生空心微针透皮给药的效果：在实心针头对表皮进行穿孔后，微喷孔将药液喷出到穿孔区域和微针头上，随后微针再次进行穿孔，大大增加了药物的透皮效果。同时由于实心微针结构强度高不易损坏，喷孔位于微针底部并不像空心针头那样需要刺入皮肤内，也不易堵塞，所以避免了实心微针要反复敷药、空心微针损坏率高的问题。而微喷式微针的生产难度和成本仅略高于实心微针，大大低于空心微针。

创新性的利用压电元件300的形变特性，解决了在极微小的微针头部产生足够的脉冲压强，使药物能够均匀分布在透皮部位并迅速进入微针造成的微孔：以往的微针给药系统多半使用蠕动泵等设备实现输送药液的目的，但如要达到注射所需压力，泵体会比较大，体积和重量不适合病人随身携带，无法实现慢性病人如糖尿病的随时给药需求。本项目创新性的将压电元件300应用于微针针头部分，产生稳定、可控的喷射压力，完全能够满足药液注射需求，从而使整体设备有望减小到随身携带不影响活动的水平。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1为根据本发明的实施例的微针给药装置的立体透视图；

图2为根据本发明的实施例的微针给药装置中的微针基板的另一个方向的立体透视图；以及

图3为根据本发明的实施例制造微针给药装置的方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。

为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。

图1为根据本发明的实施例的微针给药装置的立体透视图。图2为根据本发明的实施例的微针给药装置中的微针基板的另一个方向的立体透视图。

微针给药装置包括堆叠在一起的微针基板100、药物腔体200和压电元件300。尽管为了清楚起见，在图中将三者分离示出，但应当理解，在实际使用时通过键合或粘接将三者结合在一起。在优选的实例中，微针基板100和药物腔体200均由硅组成，并且通过键合结合在一起，压电元件300由压电陶瓷组成，并且通过粘接与药物腔体200结合在一起。

微针基板100包括支撑基板110、在支撑基板110中形成的微孔120的阵列、以及在支撑基板110的表面上形成的实心微针130的阵列。在优选的实例中，每一个实心微针130与一个或多个微孔120相邻。微孔120提供了从微针基板100的背面到达正面的药物通道。在本文中，微针基板100的正面是形成实心微针130的第一表面，微针基板100的背面是与第一表面相对的表面。进一步地，已经到达微针基板100正面的药物附着在微孔120附近的实心针130上，借助实心针130穿透表皮给药。

在药物腔体200的第一表面中形成凹陷的内部空间，药物腔体200的第二表面平整。微针基板100覆盖在药物腔体200的第一表面上，封闭药物腔体200的内部空间，用于容纳液态药物。药物腔体200的侧壁可以形成与内部空间连通的管道230。管道230与外部的药囊连接，从而可以实现连续给药。

压电元件300接触药物腔体200的第二表面。压电元件300将机械作用力(例如，压力)传递到该表面，使得药物腔体200的内部空间体积变化，从而起到泵送药物的作用。同时，压电元件200的机械作用还传送至微针基板100使其位移从而穿透皮肤给药。

根据药量的需求以及药物腔体200的大小，使用粘合的工艺将一块圆片形，或圆环形，或方片形的压电元件300封装在药物腔体200的背面，利用压电元件300的形变和频率特性特性形成了一个微量泵，它的作用是将药囊里的液体药物吸入空腔，再用推力将药物体推到带有微针的表面，解决了在极微小的微针头部产生足够的脉冲压强。压电元件300的振动的另一个关键的作用是使针随之上下移动让刺穿的皮肤角质层产生微小的空隙，可以使药物能够均匀分布在透皮部位并迅速进入微针在皮肤上造成的微孔。药囊是使用一种软材料制成，在必要的情况下加上微小的压力可帮助微量泵将药物导入空腔，也可避免将药物倒流到药囊里去。

压电元件300的驱动电路采用自激励振荡电路，由于微泵在工作时的负荷不断变化，使用压电元件300为振荡源可跟随共振频率的变化保持最大振幅。药量也可根据加在压电元件300上的电压的高低和工作时间进行调节。

在压电元件300致动时，为了检测泵送药物剂量，可以进一步检测药物腔体200内部空间的体积变化。因此，将微针基板100和药物腔体200形成MEMS传感器。具体地，在微针基板100的背面通过溅射或喷镀形成金属层，作为固定极板140，以及在药物腔体200的底部通过溅射或喷镀形成金属层，作为可动极板220。固定极板140和可动极板220彼此相对。

在药物腔体200的第一表面的一部分(例如，内部空间的一个侧壁的顶部表面)形成第一焊盘160和第二焊盘260。第一导线150从第一焊盘160向内部延伸，进一步地，与在微针基板100的背面形成的第二导线180接触。第二导线180延伸至固定极板140，从而实现第一焊盘160与固定极板140之间的电连接。第三导线250从第二焊盘260向内延伸至药物腔体200的内部空间，直至可动极板220，从而实现第二焊盘260与可动极板220之间的电连接。

优选地，在固定极板140、可动极板220、第二导线180位于内部空间的部分、以及第三导线250位于内部空间的部分上覆盖绝缘层(例如，氧化硅)，以免液态药物使得固定极板140和可动极板220之间短接。

在药物腔体200的体积变化时，可动极板220相对于固定极板140的位置也发生变化。通过检测固定极板140和可动极板220之间的电容，可以检测药物腔体200内部空间的体积变化。

MEMS传感器是由可动极板220和固定极板140组成的两个可变电容。简单的来看，可以认为是平板电容。平板电容公式为

$C=\frac{\mathrm{\ϵ}\·S}{\mathrm{\δ}}---\left(1.1\right)$

式中：C：两极板所具有的电容；

ε：两极板间介质的介电常数；

S：两极板相对有效面积；

δ：两极板的间隙。

由(1.1)式可知，改变电容C的方法有三种：其一是两极板间的间隙改变Δδ；其二为形成电容的有效面积改变ΔS；其三是两极板间介质的介电常数改变Δε。三种方法中的任何一种变化都将产生电容值的变化ΔC而构成电容变换器。

在本发明中采用的是变间隙法，采用MEMS工艺制作MEMS传感器，由硅晶体构成容器的一个可动极板；在玻璃材料上用溅射或喷镀方法构成另一个固定极板。在外加压力的作用下，引起可动中心极板的变形移动，使得两极板的间隙改变Δδ，从而电容值发生变化。通过检测电容值的变化来检测外加压力的大小。在小位移下，外加压力和Δδ成比例关系，可见电容C与输入压力成线性关系。这是比较理想的情况，考虑杂散电容的影响，一般不是线性。对硅芯片，极板电容比较小，一般为几十个皮法，杂散电容的影响不可忽略。

针对MEMS传感器的优化设计，可以采用ANSYS分析软件对MEMS传感器进行建模和分析，模拟和计算敏感芯片在工作状态下的应力特性和敏感电容特性。根据分析结果和设计要求，优化关键的结构控制参数。根据分析的结果就可以计算出器件的电容变化量及最大应力，进而调整传感器芯片的结构参数，优化传感器的性能。在优选的实施例中，如图1所示，药物腔体200的底部周边部分厚度小于中间部分厚度，从而改善挠度分布和应力分布。可动极板220位于中间部分上。该设计可以提高MEMS传感器的灵敏度和线性。

图3为根据本发明的实施例制造微针给药装置的方法的流程图。

在步骤S01中，在第一基板(例如体硅)上形成实心微针130的阵列。例如，在该步骤中，在第一基板的一个表面上形成硬掩模(例如氧化硅掩模)。该硬掩模遮挡将形成实心微针的部分，并且暴露实心微针之间的部分。经由硬掩模，通过各向异性蚀刻形成微柱。然后去除硬掩模，通过各向同性的湿法蚀刻使得微柱的上部形成锥状，从而形成实心微针130。

在步骤S02中，在第一基板的第一表面(正面)上形成微孔120的阵列。例如，在该步骤中，在第一基板的一个表面上形成硬掩模(例如氧化硅掩模)。该硬掩模暴露将形成微孔的部分，并且遮挡微孔之间的部分。经由硬掩模，通过各向异性蚀刻形成微孔120。然后，去除硬掩模。

替代地，在上述步骤中，可以通过激光加工直接形成微孔120的阵列。

在步骤S03中，在第一基板的第二表面(背面)上形成固定极板140和第二导线180。例如，在该步骤中，通过溅射或喷镀，在第一基板的第二表面形成金属层。然后，通过包括光刻和蚀刻的图案化工艺，将金属层形成固定极板140和第二导线180。由此，形成微针基板100。

在步骤S04中，在第二基板(例如体硅)的第一表面中通过蚀刻形成药物腔体200的内部空间。例如，在该步骤中，在第二基板的第一表面上形成硬掩模(例如氧化硅掩模)。该硬掩模暴露将形成内部空间的部分，并且遮挡将形成内部空间侧壁的部分。经由硬掩模，通过各向异性蚀刻形成药物腔体200的内部空间。然后，去除硬掩模。

如上所述，优选地，药物腔体200的内部空间的底部优选包括厚度较小的周边部分和厚度较大的中间部分。可以通过两个步骤的蚀刻分别形成药物腔体200的内部空间的底部形状。

在步骤S05中，在药物腔体200的内部空间的侧壁上形成第一焊盘160和第二焊盘260，在药物腔体200的底部形成可动极板220，以及形成从第一焊盘160向内部延伸的第一导线150和从第二焊盘260向内延伸至可动极板220的第三导线250。例如，在该步骤中，通过溅射或喷镀，在第二基板的第一表面形成金属层。然后，通过包括光刻和蚀刻的图案化工艺，将金属层形成第一焊盘160和第二焊盘260、可动极板220、第一导线150和第三导线250。

在步骤S06中，例如通过键合，将微针基板100的第二表面与药物腔体200的第一表面相结合，从而封闭药物腔体200.

在步骤S07中，例如通过粘接，将压电元件300与药物腔体200的第二表面相结合。

优选地，在第一基板的第二表面形成第一绝缘层，以覆盖第二导线位于内部空间中的部分和固定极板；以及在药物腔体的内部空间中形成第二绝缘层，以覆盖第三导线位于内部空间中的部分和可动极板。

在上述制造微针给药装置的方法中，在步骤S04中应当精确限定药物腔体200的内部空间，以保证在压电元件300致动时给药量的精确控制以及MEMS传感器的性能一致性。

本发明人利用MEMS加工工艺过程来控制间隙的生成，间隙的蚀刻是在同样的条件下同时进行的，保证了间隙的一致性。针对膜片的腐蚀，团队自行研制了专用的MEMS化学腐蚀装置，该设备可以对腐蚀过程中的腐蚀浓度、腐蚀温度、腐蚀时间进行计算机监控，保证了最终的腐蚀精度可以控制在2um之内，同时极大的提高了生产的效率。

由于设计方案的特殊性，本发明人利用MEMS加工工艺过程来控制间隙的生成，间隙的蚀刻是在同样的条件下同时进行的，保证了间隙的一致性。同时在器件的装配过程中，采用了键合工艺，由于是硬性连接，对极板间隙不会产生装配误差。该方法充分利用了MEMS工艺技术的精确加工优势，降低了工艺难度，具有相当的优势。具体操作上从两个方面入手：

a)提高测量腐蚀深度的精度，采用轮廓仪来进行测试，其分辨率可达到0.01um；为了提高腐蚀间隙的控制检测，在在设计上增加了容腔间隙深度的测试台阶，方便了台阶的测试。

b)已经知道腐蚀液腐蚀速率与腐蚀温度的关系、腐蚀液腐蚀速率和腐蚀液浓度的关系，通过适当降低腐蚀温度、增加时间检测点，可以控制腐蚀深度逐渐逼近需要的腐蚀深度。

通过实验表明：每一片的腐蚀深度有一定的差异，在实际应用过程中，间隙的控制是针对每一片的腐蚀速率进行具体控制，最终间隙偏差可以控制在0.5um以内，同芯体两侧的间隙偏差0.1um以内。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (9)

1.一种微针给药装置，包括：

微针基板，具有相对的第一表面和第二表面，包括第一表面上的实心微针的阵列以及贯穿第一基板从第二表面延伸至第二表面的微孔的阵列；

药物腔体，包括在第一表面暴露的内部空间和与内部空间的底部相对的第二表面，其中微针基板的第二表面与药物腔体的第一表面结合，从而封闭内部空间；以及

压电元件，与药物腔体的第二表面结合，

其中，微针基板与药物腔体组成MEMS传感器，所述MEMS传感器包括在微针基板的第二表面形成的固定极板，以及在药物腔体的内部空间的底部形成可动极板。

2.根据权利要求1所述的微针给药装置，其中，药物腔体的底部包括中间部分以及围绕中间部分的周边部分，并且所述中间部分的厚度大于所述周边部分的厚度。

3.根据权利要求2所述的微针给药装置，其中，所述可动极板形成在药物腔体的底部的中间部分上。

4.根据权利要求1所述的微针给药装置，其中，还包括分别覆盖所述固定极板和可动极板的第一和第二绝缘层。

5.根据权利要求1所述的微针给药装置，还包括在药物腔体的内部空间的侧壁的顶部表面形成的第一焊盘和第二焊盘、以及从第一焊盘延伸至固定极板的第一导线和第二导线、以及从第二焊盘延伸至可动极板的第三导线。

6.根据权利要求5所述的微针给药装置，其中，第一导线从第一焊盘延伸至内部空间的侧壁边缘，第二导线在微针基板的第二表面从其边缘延伸至固定极板。

7.根据权利要求1所述的微针给药装置，还包括在药物腔体的侧壁上形成的与内部空间连通的管道，用于与外部的药囊连接。

8.一种制造微针给药装置的方法，包括：

在第一基板上形成实心微针的阵列；

在第一基板的第一表面上形成微孔的阵列；

在第一基板的第二表面上形成延伸至固定极板和第二导线；

在第二基板的第一表面中形成药物腔体的内部空间；

在药物腔体上形成可动极板、第一焊盘和第二焊盘、以及形成从第一焊盘向内部延伸的第一导线和从第二焊盘向内延伸至可动极板的第三导线；

将微针基板的第二表面与药物腔体的第一表面相结合；以及

将压电元件与药物腔体的第二表面相结合。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括在第一基板的第二表面形成第一绝缘层，以覆盖第二导线位于内部空间中的部分和固定极板；以及在药物腔体的内部空间中形成第二绝缘层，以覆盖第三导线位于内部空间中的部分和可动极板。