基于移动LIGA工艺的微针阵列的设计与制作

　　以德国为代表的 LIGA(德文 Lithograpie(光刻)、Galvanoformung(电铸)和 Abformung(铸塑)的缩写)技术是利用 X 光光刻技术，通过电铸成型和铸塑形成深层微结构的方法，自 20 世纪 80 年代由德国开发后得到了迅速发展.采用 LIGA 技术可以制作纵深比达 1 000 和高精度的三维微细结构，侧壁垂直度可达 89.9°以上，并且可以使用金属、无机非金属高分子等多种材料，在微机械、微系统集成等许多领域都显示出良好的应用前景.微针在微量样本的分析及微量药物的注射等各方面都发挥着重要作用，将为生物信号的分析、药物注射、微量样本分析以及疾病检测等提供新的手段.微针还为患者提供了无痛、高效、安全的医疗手段，更符合医学研究人性化的特点.微机电系统的发展使微针阵列可以穿透皮肤的角质层，又不触及到深层组织中的神经，从而形成一种渗透性好且无任何痛苦的新型透皮给药方式，这种给药方式的关键技术是微针阵列的加工[1-5].微针阵列技术在精确药物注射、临床监测、生化检测等领域有着广泛的发展前景[6-8].

　　笔者设计了一种基于移动 LIGA 工艺的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微针阵列,由一组等距分布的锥形实心或中空微针组成.微针针孔可在中心，也可偏在针头的一侧;微针针孔与基板底面贯通.采用移动LIGA 工艺制作的微针阵列，其针孔深宽比高，针锋尖锐，长度适中，对皮肤的破坏性小，可大大减轻患者注射时的痛苦.

　　1 移动 LIGA 曝光工艺

　　图 1 为采用移动 LIGA 微细加工技术制作微针阵列的原理示意.第 1 次移动曝光是为了得到如图 1(a)所示的 PMMA 结构.显影后光刻胶板上的微结构截面形状与光刻掩模板的形状很相似.原因是由于移动曝光(即光刻胶板与掩模板在曝光时相对运动)中 PMMA 所累积吸收的 X 射线能量(此能量分布在显影后决定三维 PMMA 微结构的形状)，是由 X射线光刻掩模板的吸收体开口大小(即掩模板的形状)决定的.X 射线光刻掩模板的黑色部分是金吸收体材料，它遮挡住 X 射线.由于掩模板图形最尖端部在移动时一直遮挡住 X 射线，而 PMMA 是正光刻胶，最尖端部由于在移动时一直未曝光而使 PMMA保留下来，所以掩模板最尖端部的针锋尖锐度决定了微针阵列的针锋尖锐度.第 2 次曝光采用的是同一X 射线光刻掩模板，只是旋转 90°再进行移动曝光，曝光条件与第 1 次完全相同，从而在显影后得到微针阵列结构，如图 1(b)所示.

　　2 设计与制作

　　图 2 是用图 1 所示的掩模板模拟得到的模拟微针，模拟软件采用 MATLAB 7.0.计算的主要参数如下：单个微针图形为等腰三角形，等腰三角形高为8 mm，宽为 20 μm;曝光波长为 0.5 nm;曝光剂量为0.06 A h;显影时间设定为 2 h.第 1 次同步辐射光刻制作 200~350 μm 高的断面为三角形的微结构;第2 次同步辐射光刻，PMMA 板旋转 90°，以同样的光刻条件再制作出 200~350 μm 高的微针阵列.因此，实 际 制 作 的 微 针 阵 列 从 针 尖 到 底 面 的 高 度 为350~700 μm.图 3 为带移动光刻胶台的曝光装置，采用该曝光装置可实现多次移动 X 射线曝光.曝光装置包括掩模板支架及驱动台、基板支架及驱动台;两个驱动台分别由马达驱动，计算机控制其分别作X、Y、Z 三维精密运动，X、Y、Z 方向的移动范围均为 50 mm，分辨率为50 nm.X 光波长为 0.15~ 0.95nm，X 光光刻主要工艺流程包括制备 X 光掩模板、洗净 PMMA 基板、X 光曝光和显影等几个步骤.利用日本立命馆大学的同步辐射光源的 LIGA 线进行二次移动式同步辐射光刻，移动速度是 2 mm/s.为了防止 X 光能量衰减和减少发热引起的掩模板形变，曝光在 0.1 MPa(1 at)的 He 气氛中进行.曝光剂量是0.06 A h.图 4 为曝光量为 0.06 A h 时，用三角形掩模板按上述方法制作的微针，显像液为 GG 显像液，显影温度为 37 ℃，显影时间为 2 h.