專利名稱：形成微結(jié)構(gòu)的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明廣泛地涉及用于微成型微結(jié)構(gòu)陣列的方法和裝置。
技術(shù)背景微結(jié)構(gòu)例如微針被用于許多不同的技術(shù)領(lǐng)域。例如，由于皮下注射 和口服給藥的快速性、有效性和直接性，它們是將藥物施用給人體的最 常用的方法。這些方法的一些缺點包括初始峰值濃度、皮下注射引起的 外傷、口月艮施用藥物時藥物對消化道的損害、或在耙向器官外的身體其 他部分產(chǎn)生的并發(fā)癥。另一方面，作為皮下注射或靜脈輸液的替代方案， 透皮藥物遞送是一種對人體施用藥物的無痛途徑。這種替代的藥物遞送 途徑防止藥物在消化道中被破壞或被肝臟立即吸收。用于透皮藥物遞送的常規(guī)產(chǎn)品通常以可以粘貼到人體上的貼劑(patch)的形式出現(xiàn)，用 于長時間的藥物遞送而不限制患者的運(yùn)動.這些產(chǎn)品通常具有夾在防滲 背層和控制藥物遞送穩(wěn)態(tài)速率的膜面之間的藥物儲層。 一些現(xiàn)有的透皮 藥物遞送應(yīng)用包括用于防治暈動病的車萊菪堿、用于輔助戒煙的煙堿貼 劑、用于治療心絞痛的硝化甘油、和用于荷爾蒙替代的雌激素。通?？梢詫⑼钙に幬镞f送系統(tǒng)分為主動輸送系統(tǒng)和被動擴(kuò)散系統(tǒng)。 主動輸送系統(tǒng)結(jié)合外用方法例如離子電滲、電穿孔和超聲波以增加藥物 通過皮膚屏障轉(zhuǎn)移到人體中。這些方法通過電裝置或通過高頻電脈沖或 聲波的應(yīng)用增加藥物向皮膚的擴(kuò)散以改善藥物的吸收。由于高昂的設(shè)備 和運(yùn)行成本以及必須提供便攜的電氣設(shè)備的不方便性，用于實施上述方 法的常規(guī)裝置還沒取得商業(yè)成功。上述透皮貼劑是被動擴(kuò)散系統(tǒng)的例子，其功能基于化學(xué)品進(jìn)入和透 過皮膚的擴(kuò)散，并且所述透皮貼劑依賴于諸如皮膚的孔隙率、藥物分子 的大小和極性、穿過表皮角質(zhì)層(人體皮膚的最外層)的濃度梯度等參 數(shù)。常規(guī)透皮貼劑通常存在藥物從貼劑透過皮膚的低擴(kuò)散速率的缺點。提高擴(kuò)散速率的一種方法是通過破壞皮膚(表皮角質(zhì)層)來破壞擴(kuò) 散屏障。這可以通過使用實心的或空心的尖銳突起物例如微針陣列來刮
擦皮膚或者直接穿透皮膚來實現(xiàn)。這是一種用于克服或改善通常在透皮 藥物遞送中面臨的低擴(kuò)散問題的有效的和廉價的方法。
用于制造微針陣列的常規(guī)方法包括例如使用結(jié)合金屬淀積的硅襯 底和注射成型。該方法涉及高生產(chǎn)成本和長生產(chǎn)時間，并不適于大規(guī)模 生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種微成型微結(jié)構(gòu)陣列的方法，包括 使具有突起物陣列的沖頭向置于在沖頭和模具之間的材料板推進(jìn)，每個 突起物成形為使材料板變形為對應(yīng)的微結(jié)構(gòu)；提供用于固定所述材料板 位置的固定器；和利用位于沖頭上的突起物對材料板沖孔，以在材料板 上形成微結(jié)構(gòu)陣列。
所述微結(jié)構(gòu)可以是微針。
所述方法還包括在微成型過程中在各個微結(jié)構(gòu)區(qū)域中的材料板上 提供基本恒定的反作用支撐。
所述基本恒定的反作用支撐可以通過所述模具提供。
所述模具可以是可變形模具。
可以選擇所述沖頭的長徑比，使得對于給定厚度的材料板，在形成 微結(jié)構(gòu)過程中降低或避免材料板中的平面應(yīng)力。
每個微結(jié)構(gòu)可以形成有實心尖端。 每個微結(jié)構(gòu)可以在其尖端處形成有孔。
可以選擇沖頭的每個突起物的尖端曲率，使得對于給定厚度的材料 板，在微成型初期產(chǎn)生孔或裂縫，其中所述孔或裂縫在微成型過程中隨 后擴(kuò)張，并在每個微結(jié)構(gòu)的尖端處形成開口。
所述可變形模具可以由變形后部分或基本恢復(fù)的材料制造。
所述材料可以包括半結(jié)晶性聚合物材料。
所述可變形模具可以由選自以下的材料制造高密度聚乙烯
(HOPE)、聚丙烯(PP)、特氟隆(聚四氟乙烯，PTFE)和聚對苯二 甲酸乙二醇酯(PET)。所述方法還包括將固體潤滑劑應(yīng)用于所述沖頭。所述固體潤滑劑可以包括四面體無定形碳(Ta-C)涂層。所述方法還可包括在每個微結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面上涂覆以硬化所述微結(jié)構(gòu)。所述涂覆步驟可以包括電鍍過程。 所述電鍍過程可以包括鍍鎳。所述材料板可以是選自以下的金屬材料鋼、鋁1100和銅(99% )。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種用于微成型微結(jié)構(gòu)陣列的裝置， 其包括具有突起物陣列的沖頭；模具；和用于在微成型過程中回定所 述材料板位置的固定器，其中每個突起物成形為使材料板變形為對應(yīng)的 微結(jié)構(gòu)，并且其中利用所述突起物陣列對所述材料板沖孔以形成所述微 結(jié)構(gòu)陣列。所述微結(jié)構(gòu)可以是微針。在微成型過程中可以向各個微結(jié)構(gòu)區(qū)域中的材料板提供基本恒定 的反作用支撐。所述基本恒定的反作用支撐通過所述模具提供。所述模具可以是可變形模具?？梢赃x擇所述沖頭的長徑比，使得對于給定厚度的材料板，在形成 微結(jié)構(gòu)過程中降低或避免材料板中的平面應(yīng)力。每個微結(jié)構(gòu)可以形成有實心尖端。每個微結(jié)構(gòu)可以在其尖端處形成有孔?？梢赃x擇沖頭的每個突起物的尖端曲率，使得對于給定厚度的材料 板，在微成型初期產(chǎn)生孔或裂縫，其中所述孔或裂縫在微成型過程中隨
后擴(kuò)張，并在每個微結(jié)構(gòu)的尖端處形成開口。所述可變形模具可以由變形后部分或基本恢復(fù)的材料制造。 所述材料可以包括半結(jié)晶性聚合物材料。所述可變形模具可以由選自以下的材料制造高密度聚乙烯 (HOPE)、聚丙烯(PP)、特氟隆(聚四氟乙烯，PTFE)和聚對苯二 甲酸乙二醇酯(PET)?？梢詫⒐腆w潤滑劑應(yīng)用于所述沖頭。 所述固體潤滑劑可以包括Ta-C涂層。所述裝置還可包括用于在每個微結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面上進(jìn)行涂覆以硬化 所述微結(jié)構(gòu)的裝置。所述涂覆可以包括電鍍過程。所述電鍍過程包括鍍鎳。所述材料板可以是選自以下的金屬材料鋼、鋁1100和銅(99% )。


根據(jù)以下僅作為實施例的說明并結(jié)合附圖，本發(fā)明的實施方案將得 到更好的理解并且對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易顯而易見。圖l(a)示出根據(jù)一個實施方案的用于形成微針的裝置的分解透視圖；圖l(b)示出圖l(a)裝置的透視圖；圖2(a)示出根據(jù)另一個實施方案通過研磨制造的沖頭；圖2(b)示出多個圖2(a)的沖頭;圖2(c)示出根據(jù)另一個實施方案通過EDM制造的沖頭；圖2(d)示出根據(jù)另一個實施方案通過精確線切割制造的6x6沖頭陣列 的立體圖；圖2(e)示出圖2(d)中的沖頭陣列的側(cè)視圖3(a)-3(e)示出根據(jù)另一個實施方案通過微成型制造微針流程的示意 圖；圖4示出根據(jù)另一個實施方案的具有約1.2的長徑比的微針的掃描電子 顯微鏡(SEM)顯微圖；圖5是根據(jù)另一個實施方案的微針的SEM顯微圖；圖6(a) ~ 6(e)是根據(jù)另一個實施方案通過微成型制造微針流程的示意 圖；圖7(a) ~ 7(e)是根據(jù)另一個實施方案通過微成型制造微針流程的示意 圖；圖8(a)是根據(jù)另一個實施方案的微針的SEM顯微圖； 圖8(b)是圖8(a)中的微針的放大圖；圖9(a)是示出根據(jù)另一個實施方案形成的微針陣列的照片；圖9(b)是示出根據(jù)另一個實施方案形成的微針陣列的照片；圖10(a)和10(b)分別是示出根據(jù)另 一個實施方案的微針的透視圖和截面 圖的照片；圖ll(a)和ll(b)分別示出根據(jù)另一個實施方案的微針的透視圖和截面圖；圖12(a)和12(b)分別示出根據(jù)另一個實施方案的微針的透視圖和截面圖；圖13(a)和13(b)分別是根據(jù)另一個實施方案的微針的平面圖和等視軸圖 的照片；圖14(a)和14(b)示出通過長徑比為1到1.5的線切割沖頭陣列形成的示 例性微針陣列；圖15(a) 15(c)分別是示出根據(jù)另一個實施方案的完整微針、微針底部 和微針尖端(頂點)的橫截面的SEM顯微圖16(a)是根據(jù)另一個實施方案的微針的橫截面的SEM顯微圖；圖16(b)是根據(jù)另一個實施方案的微針的橫截面的SEM顯微圖；圖17(a) 17(c)是使用不同厚度的鋁板和沖頭幾何形狀制造的示例性空 心微針的SEM顯微圖；圖17(d)是圖19(c)的空心微針的等視圖；圖18(a) 18(d)示出根據(jù)另一個實施方案制造微針的過程的示意圖；圖19(a)示出根據(jù)圖18(a) 18(d)中的實施方案形成的微針陣列；圖20(a) 20(c)分別示出通過微成型制造的微針的三種失效模式，即帽 式、冠式和彈坑式。
具體實施方式
所描述的實施方案通常涉及利用微成型來制造微結(jié)構(gòu)，例如微針。 微針可以是陣列的形式并可以用于透皮藥物遞送系統(tǒng)，以將藥物施用給 活生物體或從活生物體中提取體液。微成型可以被定義為通過亞毫米范圍的至少兩維金屬成型來制造 部件或結(jié)構(gòu)。微成型通?？梢员豢醋饕?guī)?？s小的常規(guī)金屬成型方法，二 者可以通過四個主要部分來表征，即-涉及的材料、采用的工具、引入 的工藝和使用的設(shè)備。涉及的材料是重要的因素。與尺度縮小的常規(guī)金 屬成型有關(guān)的材料相關(guān)問題與微型化本身有密切的關(guān)系(a)微結(jié)構(gòu)例 如與工藝尺度無關(guān)；和(b)表面形態(tài)不變。這些因素導(dǎo)致所謂的尺寸 效應(yīng)，其中部件尺寸與微結(jié)構(gòu)參數(shù)如顆粒尺寸之比或表面隨微型化而變 化。所有這些因素阻止或阻礙在微成型領(lǐng)域中應(yīng)用常規(guī)金屬成型方法的 技術(shù)。微成型的技術(shù)啟示在于降低流動應(yīng)力、垂直平均各向異性和延展 性，逐漸降低可成形性極限。研究也已經(jīng)表明在用油潤滑的情況下摩擦 力隨微型化而增加。而在干成型情況下摩擦力與尺寸無關(guān)。用于微成型的裝置IO的示例性實施方案如圖l(a)和圖1(b)所示。圖 l(a)示出裝置10的分解透視圖。裝置10包括沖頭20、固定器30和模 具40。在本實施方案中，沖頭20、固定器30和模具40是圓柱形的。
但是應(yīng)該理解它們可以是任何其它形狀。圖1(b)示出當(dāng)沖頭20、固定器 30和模具40組合在一起時裝置10的截面透視圖。裝置10可以通過各 種方式操作，例如沖壓機(jī)或者甚至用手。作為替代方案，可以使用伺服 壓機(jī)來操作裝置10，從而以更精確的方式執(zhí)行制造程序。祠服壓機(jī)的示 例性操作范圍可以是沖頭負(fù)栽在5N 500N之間和沖頭速度為 O.lmm/s ~ 35mm/s。沖頭負(fù)栽和沖頭速度可以根據(jù)所需微針陣列的尺寸 而增加?？梢酝ㄟ^各種方法例如研磨、放電加工(EDM)或通過精確線切割 來制造沖頭20和模具30。模具30可以例如通過線切割來制造，以在模 具中形成通孔。另一方面，如果在模具中不需要通孔，則可以通過EDM 來制造模具。圖2(a)示出根據(jù)另一個實施方案通過研磨制造的具有圓錐狀突起物 225的沖頭220。觀察到?jīng)_頭200的表面光潔度對于一致性結(jié)果是令人 滿意的，所述表面光潔度強(qiáng)烈依賴于在微針(或微結(jié)構(gòu))形成之后沖頭的 回縮(retracting).例如，常規(guī)CNC研磨拋光獲得的表面粗糙度(表面 光潔度)滿足大多數(shù)具有較大尺度例如大于約500微米的應(yīng)用。對于形 成例如小于約IOO微米的結(jié)構(gòu)，觀察到所需的平均表面粗糙度小于約O.I 微米。此外，如果使用固體潤滑劑，則表面粗糙度要求可以放寬到小于 約0.5到0.1微米。在將沖頭220固定到?jīng)_頭固定器230之前，可以通 過分別研磨和修整每個沖頭220來獲得沖頭220的陣列，如圖2(b)所示。 在這個實施方案中，將四個沖頭220固定到?jīng)_頭固定器230，以形成沖 頭220的2x2陣列，圖2(c)示出根據(jù)另一個實施方案通過EDM制造的 沖頭250。觀察到由EDM制造的沖頭250的表面光潔度與研磨或精確 線切割相比是適中的。圖2(d)和2(e)分別示出根據(jù)另一個實施方案通過精確線切割制造的 6x6沖頭陣列260的立體圖和側(cè)視圖。利用三次(three passes)切割 制造沖頭265,并且每一個沖頭265的大致底部尺寸和高度分別是 0.25mm和0.75mm。根據(jù)所用金屬絲的半徑，線切割方法在沖頭265 的底部因而也就是微針的底部(在圖2(a) ~ 2(e)中未示出)賦予固有的有 限曲率。然而，在圖21(b)中可見，在所述微針的外側(cè)底部的這些周緣 (radius)通過避免尖銳邊緣而增強(qiáng)沖頭結(jié)構(gòu)。在示例性實施方案中， 沖頭(因此還有模具)具有允許沖頭在微成型期間回縮的錐形壁。此外，
由于沖裁(blanking)和刺穿過程伴隨成型一起發(fā)生，因此需要沖頭壁 具有一定錐度以使材料塑性變形并符合沖頭形狀。在上述實施方案中，沖頭具有基本圓形的橫截面。但是，也可以根 據(jù)應(yīng)用而具有多種形狀例如三角形、矩形或八邊形等。圖3(a) ~ 3(e)是根據(jù)另 一個示例性實施方案通過微成型制造微針的 流程示意圖。將金屬板340置于沖頭陣列320和固定模具330之間。將 固定器310置于金屬板340頂部以防止金屬板340在微成型期間移動和 防止金屬板340起皺?？赡苡斜匾獙⒔饘侔?40額外夾持到固定模具330 上，以進(jìn)一步限制金屬板340，從而防止扭曲和起皺?？梢杂山饘俨牧?例如鋼304、鋁1100和銅(99%)來制造金屬板340。金屬板340應(yīng)該充 分掩蓋并覆蓋受影響的區(qū)域(模具330的直徑)，使得金屬板340的最小 長度超過模具330直徑大約5倍。重錘350設(shè)置為以合適的速度落到?jīng)_頭陣列上，隨后在金屬板340 上形成微針345的陣列，如圖3(b)所示。在該實施方案中，沖頭320具 有錐形突起物325的陣列，并且模具330具有對應(yīng)于在沖頭320上的錐 形突起物325的負(fù)片圖案。形成的微針345的幾何形狀對應(yīng)于沖頭320 和模具330的幾何形狀。在金屬板340上形成微針345之后，沖頭320 通過重錘350縮回?？梢钥s回沖頭320，以使具有所形成的微針345陣 列的金屬板340保留在模具上，如圖3(c)所示。作為替代方案，可以縮 回沖頭320，以使固定器310和具有所形成的微針345陣列的金屬板340 保留在沖頭320上，如圖3(d)所示。最后，可以將所形成的微針345與 沖頭陣列320或固定模具330分開，這取決于設(shè)備的設(shè)計和變化(圖 3(e))。應(yīng)該注意的是對于較大的微針陣列可能需要較大的沖頭負(fù)載。觀 察到?jīng)_頭負(fù)載的增加幾乎與將形成的微針陣列中的微針數(shù)量成比例。摩擦力在沖頭回縮中起重要作用，因為在回縮行程期間可能會損壞 所形成的微針345。為了防止由于沖頭回縮引起的微針損壞，可以將潤 滑涂層涂覆至沖頭(未示出)。在另 一個示例性實施方案中，將固體潤滑劑例如Ta-C應(yīng)用于沖頭， 所述Ta-C是具有約2微米厚度的類金剛石碳涂層。圖4示出長徑比為 約1.2的微針410的掃描電子顯微鏡(SEM)顯微圖，所述微針410使用 約6mm厚的高密度聚乙烯(HOPE)墊作為模具(未示出)微成型在約0.15mm厚的鋁板(99%純度)上。沖頭(未示出)的底部直徑是lmm，而 其高度是約1.5mm，得到約1.5的長徑比(在圓整沖頭的尖端之后，實際 高度是約1.45mm)。圓整沖頭尖端能使獲得的實心微針沒有開口或者延 緩破裂和孔擴(kuò)張過程。圖5是根據(jù)另一個實施方案的微針510的SEM顯微圖，示出對于 微針510的底部周緣(radius)的反沖孔效應(yīng)，所述底部周緣被強(qiáng)力刮 損留下過蝕刻的效果。使用約0.15mm厚的鋁板(99%純)經(jīng)尺寸為底部 直徑約0.5mm和高度約lmm的沖頭(未示出)沖孔形成微針510。圍繞 微針510內(nèi)表面底部的帶是在研磨過程中生成和聚集的毛口狀的人工制 品。然后通過基本是錐形空腔的母沖頭(未示出)對所形成的微針510反 沖孔。反沖孔步驟顯著減小微針510的底部半徑，并因此導(dǎo)致微針510 具有大約1.4的長徑比。盡管尺寸顯著減小，但是微針510的厚度足夠 大，以在操作和皮膚穿透期間承受機(jī)械負(fù)載。這也說明微成型的微針如 何可以進(jìn)一步在其側(cè)面被圖案化以利于皮膚穿透。例如，可以在每一個 微針的外表面上形成或雕刻使微針尖銳的波紋狀細(xì)線或其它圖案以利 于皮膚穿透。圖6(a) ~ 6(e)是根據(jù)另 一個示例性實施方案通過微成型制造微針的 流程示意圖。在這個實施方案中，將圖3(a) 3(e)中的固定模具330替 換為可變形模具630?？勺冃文＞?30可以制造成由可變形軟材料制成 的板材形式，所述軟材料是例如半結(jié)晶性聚合物，如高密度聚乙烯 (HOPE)、聚丙烯(PP)、特氟隆(聚四氟乙烯，PTFE)和聚對苯二甲酸乙 二醇酯(PET)等，它們與無定形聚合物相比通常更堅固并且更加抗溶解 和受熱軟化。應(yīng)該理解的是用于可變形模具630的材料在被沖頭620穿 刺之后應(yīng)該部分或基本恢復(fù)，以使可變形模具630能夠重復(fù)使用。當(dāng)沖 頭620前進(jìn)時，可變形模具630允許材料連續(xù)流動，因此在微成型過程 期間通過拉伸防止微針645頸縮。與圖3(a) 3(e)中的固定模具330相 比，不需要在微成型之前在可變形模具630上形成沖頭620上的突起物 625形狀的負(fù)片 (negative of the shape )。可以用固體潤滑劑例如Ta-C涂覆沖頭620。將沖頭620下移并沖壓 位于可變形模具630上的金屬板640，如圖6(b)所示。同時，可變形模 具630被沖頭620穿刺并形成對應(yīng)于沖頭620上的突起物625形狀負(fù)片 的空腔635。當(dāng)獲得全部長度的微針645時，沖頭620停止運(yùn)動。類似 地，根據(jù)過程的設(shè)計和變化，可以將所形成的微針645與沖頭620或可 變形模具630分離。移出所形成的微針645的容易程度取決于成型壓力 和用于可變形模具630的聚合物材料以及金屬板640的特性。雖然空腔 635永久形成在可變形模具630中，但是空腔635充分收縮和恢復(fù)，以 使可變形模具630能夠重復(fù)使用。這歸因于用于可變形模具630的材料 的特性。圖7(a) ~ 7(e)是根據(jù)另一個示例性實施方案通過微成型制造微針的 流程示意圖。在這個實施方案中，用固體潤滑的沖頭720沖壓放置在聚 合物可變形模具730上的金屬板740。在獲得全部長度的微針745之后， 通過施加額外的壓力使沖頭720進(jìn)一步前進(jìn)以從殘余的金屬板740中切 割出所形成的微針陣列748，如圖7(c)和7(d)所示。所形成的微針陣列 748可附著于縮回的沖頭720(圖7(c))或者保留在可變形模具730上(圖 7(d))，這取決于過程的設(shè)計和變化，并因此移出得到如圖7(e)所示的微 針陣列748。觀察到模具在常規(guī)金屬成型中起兩個作用，即使坯體特別是在模具 肩部處變形為三維結(jié)構(gòu)，和/或在成型過程中在結(jié)構(gòu)的側(cè)體處作為"爽 板"以通過凝燙效應(yīng)確保精確減薄材料，這兩個作用通常不應(yīng)用于微成 型。觀察到微針的成型取決于沖頭的設(shè)計，特別是沖頭的長徑比和用于 形成微針的材料板的厚度。還觀察到在形成過程中，材料板上的反作用 支撐延緩微針的過早破壞。通常，觀察到與較厚的材料板相比，薄材料 板導(dǎo)致在微針外表面上與沖頭幾何形狀成形一致性得到改進(jìn)，盡管在微 成型期間，在沖頭和材料板之間的接觸面處，薄和厚材料板都嚴(yán)格地符 合沖頭的幾何形狀。通常，如果沖頭高度是材料板厚度的約5 10倍， 那么材料板被視為是薄的。在微成型期間，可以通過可變形模具630、 730提供對材料板的恒 定反作用支撐，例如圖6(a) 6(e)和7(a) ~ 7(e)中的示例性實施方案所描 述的。圖8(a)示出微針850的示例性實施方案的SEM顯微圖，所述微 針850使用長徑比約等于3的沖頭(未示出)并使用約0.2mm厚的鋁板 (IIOO)形成(不縮回沖頭)，圖8(b)是具有所示大致尺寸的微針850的放大 照片。可以在沖頭上涂覆固體潤滑劑，如類金剛石碳涂層，例如四面體 無定形碳涂層，以降低在沖頭縮回期間可能引起微針850損壞的摩擦力， 作為替代方案，可以改善沖頭的表面粗糙度，以減小沖頭和材料板之間
的摩擦力和接觸，并最小化該材料和沖頭之間的界面粘附力。在該示例性實施方案中，沖頭由硬工具鋼制造，并且用于形成微針850的板材料 由鋁制造。沖頭縮回時微針850破壞的 一個原因可能是在微成型期間材 料板經(jīng)歷高度變形。此外，使用可變形模具的優(yōu)點在于它可以在稍微升高的壓力例如成 型壓力的約10%~50%的壓力下被用作用于沖切目的的萬用模具。圖 9(a)和9(b)示出示例性微針陣列920、 930的照片，所述微針陣列使用可 變形聚合物模具(未示出)從約0.15mm厚的鋁板沖切出來并形成。觀察 到微針陣列920、 930表現(xiàn)出可變形模具比剛性模具優(yōu)越的性能，尤其 是當(dāng)需要具有復(fù)雜幾何形狀的所述單元模具的大陣列時，所述剛性模具 需要高制造成本。尺寸效應(yīng)源于當(dāng)按比例縮小工件時材料的微結(jié)構(gòu)沒有變化這一事 實。在樣品的不同位置處，即在經(jīng)歷大范圍拉伸的微針腰部(中間高度) 處和遠(yuǎn)離微針的沒有經(jīng)歷變形的底部區(qū)域處檢測用于微成型微針的板 料材微結(jié)構(gòu)。變形和未變形區(qū)域的顆粒尺寸的觀察結(jié)果指出可以進(jìn)行這 種變形而不引起材料微結(jié)構(gòu)的明顯改變，所述微結(jié)構(gòu)具有約十幾個納米 的典型平均顆粒尺寸。用于形成微針的材料厚度在獲得具有高長徑比的 微針中起到關(guān)鍵作用。例如，使用例如沖頭高度與材料厚度之比小于約 4的非常厚的材料板將不能形成界限明確的微針，或者使用與沖頭尺寸 相比過薄的板，例如沖頭高度與材料厚度之比大于約20的板，將導(dǎo)致 發(fā)生刺穿或沖裁過程時的平面應(yīng)力現(xiàn)象，從而僅形成孔洞而不是微針。 觀察到當(dāng)減小沖頭尺寸時，材料板的厚度也需要減小，但是這種尺度縮 減是線性的。觀察到存在最優(yōu)的材料厚度范圍，在其中具有特定幾何形 狀的沖頭利用可變形模具的支撐可以形成令人滿意的微針。圖10(a)、 10(b)、 ll(a)、 ll(b)、 12(a)和12(b)示出由約50微米厚的 鋁板得到的微針的示例性實施方案。圖10(a)和10(b)分別是示出微針 1020的透視圖和截面圖的照片，并且微針1020使用具有l(wèi)mm底部直 徑和l.5mm高(即長徑比為1.5)的沖頭(未示出)形成。觀察到微針l(UO 的壁厚1022減小到約大于初始板厚1024的一半。圖ll(a)和ll(b)分別 示出微針1120的透視圖和截面圖，微針1120由具有約為2的長徑比和 約lmm底部的沖頭(未示出)形成。在截面的底部處由于研磨形成毛口 狀的鰭1125。圖12(a)和12(b)分別示出微針1220的透視圖和截面圖，
微針1220由底部直徑約0.5mm和高度約lmm(即，長徑比約為2)的沖 頭(未示出)形成。微針1220的尖端(頂點)和平均壁厚分別大致在20~30 和15~30微米范圍內(nèi)。當(dāng)所形成的針的壁厚可以降到初始坯厚的二分之一至五分之一之 間的時候，為制造更小微針而要求更薄材料板對所形成的微針壁厚賦予 下限值，使得所述針不適于實用目的。如果所需的微針尺寸非常小，例 如底部尺寸小于約150微米，那么所需要的最優(yōu)材料厚度將非常薄。這 產(chǎn)生可能經(jīng)歷彎曲和變形的微針陣列的軟平臺(soft platform)。這種尺 寸和厚度的降低導(dǎo)致不可靠的薄弱微針。這個問題可以通過將例如鎳層 的材料層電鑄為微針以增加微針的總厚度由此加固微針來克服。作為替 代方案，可以對微針進(jìn)行陽極氧化以形成硬而脆的氧化鋁層。制造一組微針陣列的 一種方法可以是反復(fù)使用單個沖頭(未示出)分 別在材料板上形成陣列中的每一個針。圖13(a)和13(b)分別示出使用單 個沖頭(未示出)形成的微針陣列1320的示例性實施方案的平面圖和等 視軸圖的照片。觀察到在微針周圍沒有發(fā)生顯著變形，因此，相鄰的微 針1325可以彼此非常接近地形成。圖14(a)和14(b)示出通過長徑比范圍為1到1.5的線切割沖頭陣列 (未示出)形成的示例性微針陣列1420、 1430。三次線切割這些沖頭陣列 以確保令人滿意的表面光潔度，并用約2微米厚的固體潤滑劑涂覆這些 沖頭陣列。每一個微針1420、 1430分別具有約0.5mm的底部直徑和對 于2 x 2微針陣列1420為約0.5mm的微針高度(圖16(a))以及對于3 x 3 微針陣列1430為約0.75mm的微針高度。用于形成微針陣列1420、 1430 的鋁板(1100)厚度是約50微米的厚度。微針1425、 1435的最終壁厚是 為約8~20微米之間?？梢酝ㄟ^陽極氧化或用鎳或其它金屬/非金屬材 料包括例如聚合物材料電鍍/沉積微針1425、 1435的外表面來進(jìn)一步增 加最終壁厚。此外，可以用氧化鋁層來陽極氧化微針陣列1420、 1430 的兩面以硬化微針陣列1420、 1430。在45V恒定電壓下、在5%草酸中 陽極氧化微針陣列1420、 1430三分鐘之后(有效面積約10xl0mm2)， 微針1425、 1435的壁厚從約20微米增加到約30微米。圖15(a) ~ 15(c) 是根據(jù)另一個實施方案分別示出完整微針1550、微針1550底部部分和 微針1550尖端(頂點)橫截面的SEM顯微圖。示例性微針1550是3 x 3 微針陣列(未示出)的一部分。觀察到微針底部遭受最大變形，并且在微
成型后微針1550的尖端被最大移位(displace),
在另一個實施方案中，在基于比率1:4的高氯酸(30%)和甲醇(純) 的混合物中電解拋光約0.2mm的鋁板。施加12.5V的恒定電壓一段時 間以獲得期望厚度的鋁板。在電解拋光9和14分鐘之后分別獲得85微 米厚度和130微米厚度，其后對鋁板沖孔并陽極氧化，分別得到1.0和 0.6的長徑比，如圖16(a)和16(b)所示。觀察到在兩個示例性實施方案 中，示例性微針1620、 1630和微針陣列(未示出)的平臺足夠堅固以承受 皮膚穿透期間的操作力和扭曲力。應(yīng)該注意圖16(b)中的微針1630具有 比圖16(a)中的微針1620大得多的外部底部半徑。這是由于用于形成圖 16(b)中的微針1630的鋁板的更大厚度(即，130微米)并導(dǎo)致微針1630 的長徑比下降約40%。
可以使用與上述實施方案中描述的幾乎相同的實驗配置和材料來 制造實心的和空心的微針。通過控制沖頭尖端的銳度，可以制造實心微 針(在沖頭行程期間不產(chǎn)生孔洞)或空心微針(在沖頭行程期間在沖頭的 尖端處產(chǎn)生并擴(kuò)張孔洞)。制備實心和空心微針的唯一方法變化是沖頭 尖端的銳度。沖頭的尖端銳度嚴(yán)格取決于金屬板的相對厚度。因此，特 定的沖頭尖端對于相對厚的金屬板可能足夠鋒利，但對于具有較小厚度 的相同材料可能過鈍。相當(dāng)直接地假設(shè)在成型行程期間圓形尖端在材料 板上不產(chǎn)生破裂或損壞，由此形成實心微針。相反，空心微針需要銳利 的尖端以在成型行程初期產(chǎn)生孔或裂縫，其隨著沖頭的行程溫和擴(kuò)張， 從而在尖端處產(chǎn)生均勻的孔。這種孔產(chǎn)生和擴(kuò)張的機(jī)理與第三種破損模 式或彈坑模式一致。圖17(a) 17(c)是使用不同厚度鋁板和不同的沖頭 幾何形狀制造的示例性空心微針的SEM顯微圖。圖17(a)示出使用長徑 比為1.5的沖頭(未示出)和0.2mm厚的鋁板形成的空心微針陣列1750。 圖17(b)是具有50微米空心尖端1765的微針1760的平面圖。圖17(c) 和圖17(d)分別是用長徑比為2的沖頭(未示出)形成的空心微針1770的 平面圖和等視軸圖。
圖18(a) ~ 18(d)示出根據(jù)另 一個實施方案制造微針1850的過程的示 意圖。通過利用4x4沖頭陣列1820對50微米厚的鋁板1840沖孔得到 微針1850。通過電鍍方法例如鍍鎳為每一個微針1850的內(nèi)表面鍍覆。 然后用環(huán)氧樹脂1855涂覆突出表面1860，以防止在微針1850的外表面 上鍍鎳。然后在0.08A的恒定電流下，在氯化鎳溶液(工業(yè)級)中電鍍沖 孔微針陣列1840持續(xù)12小時，在微針1850的內(nèi)表面上形成鎳鍍層 1858,如圖18(c)和18(d)所示。圖19(a)示出根據(jù)圖18(a) 18(d)中的實 施方案形成的界限明確的微針陣列1920。微針陣列1920稍微向外彎曲 以利于皮膚刮擦。圖19(b)示出各種示例性的陽極氧化的微針陣列例如 1922,示出厚度差異，其中較暗的灰度表明增加的厚度。
圖20(a) ~ 20(c)分別示出通過微成型制造的微針的三種失效模式， 即帽式、冠式和彈坑式。失效模式的類型取決于在材料中發(fā)生頸縮的位 置(制造過度)。當(dāng)頸縮發(fā)生在成型微針的側(cè)壁處時產(chǎn)生帽式失效，并且 隨后裂縫周向傳播形成附著到圓錐形微針的半球狀蓋2010，如圖20(a) 所示。另一方面，冠狀失效是由于在遭受沖頭尖端(未示出)沖壓的區(qū)域 中產(chǎn)生的裂縫的輻射狀傳播所導(dǎo)致的，并且相關(guān)的材料板與沖頭尺寸 (底部直徑)相比通常足夠薄。對于發(fā)生冠狀失效的典型材料板厚度與沖 頭尺寸之比為約10或更大。當(dāng)裂縫傳播時，微針的碎裂面經(jīng)?；貛?， 形成有利于刮擦目的的鋒利邊緣2020(圖20(b))。最后，彈坑型失效是 孔擴(kuò)張過程，其中最初通過沖頭產(chǎn)生孔，隨后當(dāng)沖頭前進(jìn)時孔擴(kuò)張。這 種模式在微針的尖端處產(chǎn)生相對銳利和光滑的圓周2030，如圖20(c)所 示。彈坑式失效用于形成如前所示的空心微針。
在示例性實施方案中，微成型用于形成微針。應(yīng)當(dāng)理解在不同實施 方案中還可以制造其它形狀的微結(jié)構(gòu)。
使用微成型來制造微針實質(zhì)減少了該微針陣列的制造時間和成本， 因此使得這種技術(shù)在商業(yè)上可行。
此外，前述實施方案能夠微成型具有大范圍的長度和長徑比的空心 或?qū)嵭奈⒔Y(jié)構(gòu)，而這目前是某些技術(shù)例如硅技術(shù)的限制因素。例如，可 以通過增大沖頭錐度并結(jié)合使用合適厚度的金屬板來獲得具有各種長 徑比的微針。
微成型還能夠通過后制造過程例如成型、修整、雕刻、研磨、鉆孔、 電鑄等來制造具有復(fù)雜幾何形狀的微針陣列。
可以結(jié)合其它方法進(jìn)一步控制/優(yōu)化所形成的微針的機(jī)械性能或者 進(jìn)一 步改進(jìn)微針的幾何形狀。
本發(fā)明還可以應(yīng)用于其它微結(jié)構(gòu)，包括例如用于微系統(tǒng)技術(shù)
(micro-system technology ( MST ))的微元件以及電和電子模塊，所述 模塊包括用于IC栽板的針腳、微螺桿、扣件、框、彈簧、接觸元件例 如墊和針腳等。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解可以如具體實施方案所示對本發(fā)明作出大 量變化和/或修改而不背離廣泛限定的本發(fā)明精神或范圍。因此本發(fā)明 實施方案在所有方面均應(yīng)視為是說明性的而不是限制性的。
權(quán)利要求
1. 一種微成型微結(jié)構(gòu)陣列的方法，包括使具有突起物陣列的沖頭向置于所述沖頭和模具之間的材料板推 進(jìn)，每個突起物成形為使所述材料板變形為對應(yīng)的微結(jié)構(gòu)；提供用于固定所述材料板位置的固定器；和利用所述沖頭上的所述突起物對所述材料板沖孔，以在所述材料板 上形成所述微結(jié)構(gòu)陣列。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所述微結(jié)構(gòu)包括微針。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的方法，還包括在微成型過程中，在各個微 結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)的所述材料板上提供基本恒定的反作用支撐。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述基本恒定的反作用支撐通過所 述模具提供。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述模具是可變形模具。
6. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中選擇所述沖頭的長徑比， 使得對于所述給定厚度的材料板，在形成微結(jié)構(gòu)的過程中降低或避免所 述材料板中的平面應(yīng)力。
7. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中每個微結(jié)構(gòu)形成有實心。
8. 如權(quán)利要求1~5中任一項所述的方法，其中每個微結(jié)構(gòu)在其尖端處 形成有孑L.
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中選擇所述沖頭的每個突起物的尖端 曲率，使得對于給定厚度的所述材料板，在微成型初期產(chǎn)生孔或裂縫， 其中在微成型過程中所述孔或裂縫隨后擴(kuò)張，并在每個所述微結(jié)構(gòu)的尖 端處形成開口。
10. 如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述可變形模具由變形后至少部分 恢復(fù)的材料制造。
11. 如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述材料包括半結(jié)晶性聚合物材 料。
12. 如權(quán)利要求10或ll所述的方法，其中所述可變形模具由選自以下 的材料制造高密度聚乙烯(HOPE)、聚丙烯(PP)、特氟隆(聚四氟 乙烯，PTFE)和聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)。
13. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，還包括將固體潤滑劑應(yīng)用于 所述沖頭。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述固體潤滑劑包括Ta-C涂層。
15. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，還包括在每個所述微結(jié)構(gòu)的 內(nèi)表面上涂覆以硬化所述微結(jié)構(gòu)。
16. 如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述涂覆步驟包括電鍍過程。
17. 如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述電鍍過程包括鍍鎳。
18. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中所述材料板是選自以下 的金屬材料鋼、鋁1100和銅(99%)。
19. 一種用于微成型微結(jié)構(gòu)陣列的裝置，包括 具有突起物陣列的沖頭；模具；和用于在微成型過程中固定所述材料板位置的固定器， 其中每個突起物成形為使所述材料板變形為對應(yīng)的微結(jié)構(gòu)；并且其中利用所述突起物陣列對所述材料板沖孔，以形成所述微結(jié)構(gòu)陣列。
20. 如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述微結(jié)構(gòu)包括微針。
21. 如權(quán)利要求19或20所述的裝置，其中在微成型過程中，在各個微 結(jié)構(gòu)區(qū)域中的所述材料板上提供基本恒定的反作用支撐。
22. 如權(quán)利要求16所述的裝置，其中所述基本恒定的反作用支撐由所 述模具提供。
23. 如權(quán)利要求22所述的裝置，其中所述模具是可變形模具。
24. 如權(quán)利要求19~23中任一項所述的裝置，其中選擇所述沖頭的長 徑比，使得對于給定厚度的所述材料板，在形成所述微結(jié)構(gòu)的過程中降 低或避免所述材料板中的平面應(yīng)力。
25. 如權(quán)利要求19 23中任一項所述的裝置，其中每個微結(jié)構(gòu)形成有 實心尖端。
26. 權(quán)利要求19-23任一項的裝置，其中每個微結(jié)構(gòu)在其尖端處形成有 孔。
27. 如權(quán)利要求26所述的裝置，其中選擇所述沖頭的每個突起物的尖 端曲率，使得對于給定厚度的所述材料板，在微成型初期產(chǎn)生孔或裂縫， 其中在微成型過程中所述孔或裂縫隨后擴(kuò)張，并且在每個所述微結(jié)構(gòu)的 尖端處形成開口。
28. 如權(quán)利要求23所述的裝置，其中所述可變形模具由變形后至少部 分恢復(fù)的材料制造。
29. 如權(quán)利要求28所述的裝置，其中所述材料包括半結(jié)晶性聚合物材 料。
30. 如權(quán)利要求28或29所述的裝置，其中所述可變形模具由選自以下 的材料制造高密度聚乙烯(HOPE)、聚丙烯(PP)、特氟隆(聚四氟 乙烯，PTFE)和聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)。
31. 如權(quán)利要求19~30中任一項所述的裝置，其中將固體潤滑劑應(yīng)用 于所述沖頭。
32. 如權(quán)利要求31所述的裝置，其中所述固體潤滑劑包括Ta-C涂層。
33. 如權(quán)利要求19~32中任一項所述的裝置，還包括用于在每個所述 微結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面上進(jìn)行涂覆以硬化所述微結(jié)構(gòu)的裝置。
34. 如權(quán)利要求33所述的裝置，其中所述涂覆包括電鍍過程。
35. 如權(quán)利要求34所述的裝置，其中所述電鍍過程包括鍍鎳.
36. 如權(quán)利要求19~35中任一項所述的裝置，其中所述材料板是選自 以下的金屬材料鋼、鋁1100和銅(99%)。
全文摘要
一種微成型微結(jié)構(gòu)陣列的方法，包括使具有突起物陣列的沖頭向置于所述沖頭和模具之間的材料板推進(jìn)，每個突起物成形為使所述材料板變形為對應(yīng)的微結(jié)構(gòu)；提供用于固定所述材料板位置的固定器；和利用所述沖頭上的所述突起物對所述材料板沖孔，以在所述材料板上形成所述微結(jié)構(gòu)陣列。
文檔編號B26F1/24GK101124072SQ200480044768
公開日2008年2月13日 申請日期2004年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月26日
發(fā)明者克里斯蒂娜·坦·阮·林, 巴耶貝·卡伊什, 元 徐, 林志延 申請人:新加坡科技研究局