專利名稱：植入式微型電滲流可控輸藥芯片及其制備方法
技術領域：
本發明涉及的是生物醫學工程領域，具體涉及微型機電系統(micro electro mechanical system,以下簡稱為MEMS)范疇內的植入式電滲流可控輸藥芯片及其制備方法。
背景技術：
藥物傳輸系統(Drug Delivery Systems, DDS)是指人們在防治疾病的過程中所采用的各種治療藥物的不同給藥形式。理想的藥物傳輸系統不僅應具有良好的生物相容性，較高的載藥率和包封率，良好的細胞或組織特異性——即靶向性；還應具有在達到目標病灶部位之前不釋放藥物分子，到達病灶部位后才以適當的速度釋放出藥物分子的特性。隨著MEMS技術的進步，具有不同功能的微型元器件和顯微機電元件能夠規模化生產。將MEMS同藥物傳遞系統結合，有助于改善現有多種藥物的臨床治療效果，并在新藥研發中扮演重要作用。MEMS用于藥物控釋系統主要包括藥物控釋芯片、滲透壓驅動微型藥物釋放系統、植入式智能藥物釋放系統、遙控透皮給藥系統、微型泵、納米微粒包和系統、微型注射針管陣列給藥系統、微型藥物輸液給藥裝置、體腔內微型監測器械、高溫微型閥、用于微液流標記的三維微陣列管道系統、皮下微型針刀等。其中，微型泵是藥物傳輸系統中十分重要的部分。N. A. A. Nisar, Banchong Mahaisavariya, Adisorn Tuantranont 等在〈〈Sensors and Actuators B)) 2007(130) p917 - 942 撰文"MEMS-based micropumps in drug delivery and biomedical applications, "C^T-MEMS^7^1 ' '} M 泵在藥物傳輸系統和生物醫學中的應用”)。文中提到，實現驅動流體的微型泵有各種驅動原理靜電機械式，氣壓式，記憶合金式，雙金屬層式，電磁式，相變式，壓電陶瓷式，電滲式等。其中，電滲式流體驅動因其具有不需要移動的機械部件，器件將不受摩擦而提高穩定性以及能源利用率等優勢，受到了各國學者的廣泛關注。目前，國內外已研制出許多電滲流芯片，主要應用于生物質的分離，利用電滲流現象驅動器件內微管道中的流體，以達到傳質的目的。但卻很少涉及電滲流在微量藥物的持續輸送方面的應用，原因主要是由于電滲流的輸出效率受電場強度的影響大，而一般電滲流芯片由于泳道長，需要施加高壓才能達到一定效果。同時，高壓產生的電流在芯片內形成并釋放出大量的焦耳熱，嚴重影響電滲效果， 所以必須采取降溫措施而使其不能長時間持續工作。此外，電滲過程中由于高壓會使泳道內的液體發生電解產生氣泡，也會嚴重影響器件的工作效果。目前利用極低電壓驅動的電滲流芯片主要采用交流(AC)電壓控制的方式。這種設計在泳道上依次排列許多平面的正負電極對，利用控制不同電極對泳道內流體實現接力式驅動。但該器件結構和控制都較復雜，并且驅動的電滲流不夠穩定，很難實現大規模生產和應用。
發明內容
本發明的目的在于克服現有植入式微型電滲流可控輸藥芯片技術的不足，提供一種植入式微型藥物輸送芯片及其制備方法，該芯片的生產工藝簡單，生產成本低，易于大規模生產。該芯片可實現極低電壓直流(DC)驅動，藥物輸出量微量、穩定、可控，不會產生液體電解和大量焦耳熱。為實現本發明目的，本發明的技術解決方案如下
一種植入式微型電滲流可控輸藥芯片，特點在于其構成包括主流道，在該主流道的兩端各連接一個電滲驅動單元陣列。所述的電滲驅動單元陣列是由2個以上單一的驅動單元串連構成，每個電滲驅動單元的結構是對稱的，在兩端設有流體的入口和出口，所述的入口連接前方來流方向的主通道，所述的出口連接后方出流的主通道，所述的主通道和電滲驅動單元的截面形狀均為矩形，在入口和出口處仿照圓形簡擴管和簡縮管呈45°夾角的流道寬度漸變區；所述的驅動單元的寬度大于主通道，以便具有更多的空間實現電滲驅動；在硅基驅動單元內部刻蝕出矩形分流道，在整個驅動單元內部刻蝕多個分流道以加強電滲流的強度；每個分流道的長度按照流道寬度漸變區的夾角設定，分流道之間柵欄的兩端與前后流道寬度漸變區的側壁保持相同距離；所述的流道寬度漸變區的側壁外側實施離子注入，使那一部分的硅材料成為導體，離子注入區與單元內部被刻蝕的部分保持微小的距離，目的是利用二氧化硅絕緣離子注入區與驅動單元內部的電解質溶液。所述的主流道呈折疊狀，主流道的長度由背壓與流阻的平衡決定經過理論推導計算出單一電滲驅動單元所產生的背壓與一定截面形狀主流道的沿程壓力損失，并按照背壓與總輸出量的關系設定主流道的長度，以達到背壓與流阻的平衡。所述的電滲驅動單元陣列是將單一驅動單元順著主流道的方向排列，驅動單元之間，即前驅動單元的出口與后驅動單元的入口之間的距離不超過5um，所有驅動單元串聯放置，在同一直線上的前后兩驅動單元，連接電源正極的離子注入區應該以相同的方向指向連接負極的區域，同一直線上放置2個以上單一的驅動單元，形成陣列后連接主流道，不同直線上驅動單元按對齊的原則布置，間隔距離為一個單一驅動單元兩個對稱軸上較長的跨度。上述的植入式微型電滲流可控輸藥芯片的制備方法，包括如下步驟
(1)把單晶硅兩面拋光，在硅片的一面氧化成二氧化硅層，硅在芯片的另一面甩膠光刻，所述的單晶硅厚度3 16um；
(2)光刻芯片，形成4個深溝道；
(3)氧化上表面，形成的二氧化硅層厚度應大于1.5um,同時所述的4個深溝道也利用氧化層的形成而填滿；
(4)刻蝕上表面氧化層，在被二氧化硅填滿的深溝道之間刻蝕出一定寬度的缺口；
(5)對所述的缺口所對應區域進行離子注入；
(6)上表面拋光并將二氧化硅層留至Ium厚；
(7)在上表面濺射鋁，厚度3lum，按照連接相同一個電極的布線方案刻蝕鋁；
(8)在上表面生長二氧化硅層，拋光磨平；
(9)對連接相反電極的離子注入區進行刻蝕，濺射鋁，按照布線方案刻蝕鋁，鋁層的平均厚度應大于4um ；
(10)在上表面生長二氧化硅層，使二氧化硅層的厚度能將埋入的鋁線全部包裹覆蓋，并且在鋁線周圍二氧化硅層最薄處也能起到良好的絕緣效果；
(11)在芯片的另一面甩膠，光刻出六個分流道的光刻膠圖形；
(12)深度光刻使形成六個分流道，除去光刻膠層，在上表面氧化形成二氧化硅層，最后封裝整個芯片。所述的步驟(1)中余下的單晶硅厚度為嘗16um，分流道的寬度為3um，間隔9um。在步驟(3)中的二氧化硅層厚為嘗1.5um，步驟(7)中濺射的鋁層厚嘗lum，步驟 (9)中濺射的鋁層平均厚度3 4um，在步驟(12)中的二氧化硅層厚為0. 5 um。步驟(5)中選取的注入離子為硼離子。所采用的封裝材料為玻璃薄膜。本發明的技術效果如下
本發明植入式微型電滲流可控輸藥芯片的結構不復雜，制備生產工藝簡單，生產成本低，易于大規模生產，本發明芯片可以實現極低電壓直流(DC)驅動，藥物輸出量微量、穩定、可控，不會產生液體電解和大量焦耳熱。
圖1為本發明的電滲驅動單元俯視圖。圖2為本發明的電滲驅動單元陣列與主流道俯視圖。圖3為本發明芯片的工藝流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了具體的實施方法，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。如圖1、2、3所示，本實施例主要對電滲驅動單元、主流道及驅動單元陣列和芯片器件制備的工藝流程進行說明。圖1為本發明的電滲驅動單元俯視圖，由圖可見，本發明的電滲驅動單元
(1)電滲驅動單元對稱，在兩端設有流體的入口和出口，一個連接前方來流方向的主通道，另一個連接后方出流的主通道。主通道和電滲驅動單元的截面形狀均為矩形。在入口和出口處仿照圓形簡括管和簡縮管呈45°夾角的流道寬度漸變區。(2)按上述設計理念連接兩端的流道漸變區，使驅動單元的寬度大于主通道以便具有更多的空間實現電滲驅動。在Mum深的硅基驅動單元內部刻蝕出3um寬的矩形分流道，在整個驅動單元內部共刻蝕六個分流道以加強電滲流的強度。每個分流道的長度按照流道寬度漸變區的夾角設定，分流道之間的柵欄的兩端與前后流道寬度漸變區的側壁保持相同距離。(3)在上述流道寬度漸變區的側壁外側實施離子注入，使那一部分的硅材料成為導體。離子注入區與單元內部被刻蝕的部分保持微小的距離，目的是利用二氧化硅絕緣離子注入區與驅動單元內部的電解質溶液。請參閱圖2，圖2為本發明的電滲驅動單元陣列與主流道俯視圖。由圖可見本發明植入式微型電滲流可控輸藥芯片，包括主流道，在該主流道的兩端各連接一個電滲驅動單元陣列。
(1)經過理論推導計算出單一電滲驅動單元所產生的背壓與一定截面形狀主流道的沿程壓力損失，并按照背壓與總輸出量的關系設定主流道的長度，以達到背壓與流阻的平衡，主流道呈折疊狀，連接兩端的驅動單元陣列。(2)將單一驅動單元順著主流道的方向排列，驅動單元之間，即前驅動單元的出口與后驅動單元的入口之間的距離不超過5um，所有驅動單元串聯放置，在同一直線上的前后兩驅動單元，連接電源正極的離子注入區應該以相同的方向指向連接負極的區域，同一直線上放置2個及2個以上單一的驅動單元，形成陣列后連接主流道。不同直線上驅動單元按對齊的原則布置，間隔距離為一個單一驅動單元兩個對稱軸上較長的跨度。圖3為本發明芯片的工藝流程圖。由圖可見，本實施例關于芯片的制造工藝步驟如下
(1)把單晶硅片兩面拋光，在硅片的一面采用熱粘合法氧化2um 二氧化硅層，并保證余
下的單晶硅厚度為24um。在芯片的另一面甩膠光刻，并在光刻膠層上刻上4個3 um寬的槽□。(2)用深反應離子刻蝕方法光刻芯片，形成4個Mum深，3um寬的深溝道。(3)氧化上表面，使形成1. 5um厚二氧化硅層，同時之前刻蝕的4個深溝道也利用氧化層的形成而填滿。(4)刻蝕上表面氧化層，在被二氧化硅填滿的深溝道之間用HF清洗，刻蝕出兩個 9um寬的缺口。(5)對前一步驟缺口所對應區域進行硼離子注入。(6)上表面拋光并將二氧化硅層留至Ium厚。(7 )在上表面濺射2um厚的鋁，按照連接相同一個電極的布線方案刻蝕鋁。(8)用PECVD (等離子體增強化學汽相沉積)技術在上表面生長二氧化硅層，拋光磨平，使上表面與埋入的鋁線(除了與離子注入區接觸的部分)之間間隔lum。(9)對連接相反電極的離子注入區進行刻蝕，濺射4um厚的鋁，按照布線方案刻蝕
ο(10)用PECVD技術在上表面生長二氧化硅層，使二氧化硅層的厚度能將埋入的鋁線全部包裹覆蓋，并且在鋁線周圍二氧化硅層最薄處也能起到良好的絕緣效果。(11)在芯片的另一面甩膠，光刻出六個寬4um，間隔2um的分流道的光刻膠圖形。(12)深度光刻使形成六個分流道，除去光膠層，在上表面氧化形成0. 5um厚的二氧化硅層，以用來產生電滲透現象。最后，用細的玻璃薄膜封裝整個芯片，這樣有利于誘導產生電滲透現象。本實施例生產工藝簡單，生產成本低，易于大規模生產。實驗表明，本發明芯片可以極低電壓直流(DC)驅動，藥物輸出量微量、穩定、可控，不會產生液體電解和大量焦耳熱。本發明提供的植入式微型電滲流可控輸藥芯片可廣泛用于藥物傳輸系統和生物醫學的研究中。
權利要求
1.一種植入式微型電滲流可控輸藥芯片，特征在于其構成包括主流道，在該主流道的兩端各連接一個電滲驅動單元陣列。
2.根據權利要求1所述的植入式微型電滲流可控輸藥芯片，其特征在于，所述的電滲驅動單元陣列是由2個以上單一的驅動單元串連構成，每個電滲驅動單元的結構是對稱的，在兩端設有流體的入口和出口，所述的入口連接前方來流方向的主通道，所述的出口連接后方出流的主通道，所述的主通道和電滲驅動單元的截面形狀均為矩形，在入口和出口處仿照圓形簡擴管和簡縮管呈45°夾角的流道寬度漸變區；所述的驅動單元的寬度大于主通道，以便具有更多的空間實現電滲驅動；在硅基驅動單元內部刻蝕出矩形分流道，在整個驅動單元內部刻蝕多個分流道以加強電滲流的強度；每個分流道的長度按照流道寬度漸變區的夾角設定，分流道之間的柵欄的兩端與前后流道寬度漸變區的側壁保持相同距離； 所述的流道寬度漸變區的側壁外側實施離子注入，使那一部分的硅材料成為導體，離子注入區與單元內部被刻蝕的部分保持微小的距離，目的是利用二氧化硅絕緣離子注入區與驅動單元內部的電解質溶液。
3.根據權利要求1或2所述的植入式微型電滲流可控輸藥芯片，其特征在于，所述的主流道呈折疊狀，主流道的長度由背壓與流阻的平衡決定，經過理論推導計算出單一電滲驅動單元所產生的背壓與一定截面形狀主流道的沿程壓力損失，并按照背壓與總輸出量的關系設定主流道的長度，以達到背壓與流阻的平衡。
4.根據權利要求3所述的植入式微型電滲流可控輸藥芯片，其特征在于，所述的電滲驅動單元陣列是將單一驅動單元順著主流道的方向排列，驅動單元之間，即前驅動單元的出口與后驅動單元的入口之間的距離不超過5um，所有驅動單元串聯放置，在同一直線上的前后兩驅動單元，連接電源正極的離子注入區應該以相同的方向指向連接負極的區域，同一直線上放置2個以上單一的驅動單元，形成陣列后連接主流道，不同直線上驅動單元按對齊的原則布置，間隔距離為一個單一驅動單元兩個對稱軸上較長的跨度。
5.權利要求4所述的植入式微型電滲流可控輸藥芯片的制備方法，其特征在于，該方法包括如下步驟(1)把單晶硅兩面拋光，在硅片的一面氧化成二氧化硅層，硅在芯片的另一面甩膠光刻，所述的單晶硅厚度3 16um；(2)光刻芯片，形成4個深溝道；(3)氧化上表面，形成的二氧化硅層厚度應大于1.5um,同時所述的4個深溝道也利用氧化層的形成而填滿；(4)刻蝕上表面氧化層，在被二氧化硅填滿的深溝道之間刻蝕出一定寬度的缺口；(5)對所述的缺口所對應區域進行離子注入；(6)上表面拋光并將二氧化硅層留至Ium厚；(7)在上表面濺射鋁，厚度3lum，按照連接相同一個電極的布線方案刻蝕鋁；(8)在上表面生長二氧化硅層，拋光磨平；(9)對連接相反電極的離子注入區進行刻蝕，濺射鋁，按照布線方案刻蝕鋁，鋁層的平均厚度應大于4um ；(10)在上表面生長二氧化硅層，使二氧化硅層的厚度能將埋入的鋁線全部包裹覆蓋， 并且在鋁線周圍二氧化硅層最薄處也能起到良好的絕緣效果；(11)在芯片的另一面甩膠，光刻出六個分流道的光刻膠圖形；(12)深度光刻使形成六個分流道，除去光刻膠層，在上表面氧化形成二氧化硅層，最后封裝整個芯片。
6.根據權利要求5所述的電滲流可控輸藥芯片加工方法，其特征在于，步驟(1)中余下的單晶硅厚度為嘗16um，分流道的寬度為3um，間隔9um。
7.根據權利要求5所述的電滲流可控輸藥芯片加工方法，其特征在于，在步驟(3)中的二氧化硅層厚為3 1.5um，步驟(7)中濺射的鋁層厚3 lum，步驟(9)中濺射的鋁層平均厚度 ^ 4um，在步驟(12)中的二氧化硅層厚為0. 5 um。
8.根據權利要求5所述的電滲流可控輸藥芯片加工方法，其特征在于，步驟(5)中選取的注入離子為硼離子。
9.根據權利要求5所述的電滲流可控輸藥芯片加工方法，其特征在于，采用的封裝材料為玻璃薄膜。
全文摘要
一種植入式微型電滲流可控輸藥芯片及其制備方法，其構成包括主流道，在該主流道的兩端各連接一個電滲驅動單元陣列。通過對電滲驅動單元、主流道及驅動單元陣列的設計，以及芯片加工工藝流程的確定，使得芯片的生產工藝簡單，生產成本低，易于大規模生產，所設計的芯片可以實現極低電壓直流(DC)驅動，藥物輸出量微量、穩定、可控，不會產生液體電解和大量焦耳熱。本發明提供的植入式微型電滲流可控輸藥芯片可廣泛用于藥物傳輸系統和生物醫學的研究中。
文檔編號A61N1/30GK102335479SQ20111029329
公開日2012年2月1日 申請日期2011年9月28日 優先權日2011年9月28日
發明者吳棟棟, 張文光, 胡牧風 申請人:上海交通大學