專利名稱：壓入式冷焊密封方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及用于將部件密封在一起的方法和裝置的領(lǐng)域，尤其是涉及用于裝置和/或可植入的醫(yī)用裝置的真空密封方法。
背景技術(shù)：
在許多應(yīng)用場合，有必要將兩個或多個部件連接、結(jié)合或者密封在一起。時常地，尤其是在醫(yī)用植入裝置中，這些密封件必須是不會引起生物排斥的和密不透氣的，比如，要能保護(hù)所儲存物質(zhì)的純度或質(zhì)量。
在申請?zhí)枮?,797,898、6,527,762、6,491,666和6,551,838的美國專利中描述了需要密封的裝置的實例，在此作為參考文獻(xiàn)引入。這些用于儲存物質(zhì)的可控釋放或暴露的裝置包括多個容納有儲存室容納物的儲存室。儲存室里可能容納有用于釋放的藥物成分、用于暴露的傳感器或兩者的結(jié)合。在構(gòu)造這些裝置時，經(jīng)常有必要對兩個或多個基片或其它部件進(jìn)行密封，這些基片或部件容納有儲存室和儲存室容納物，或者與裝置的運行有關(guān)聯(lián)的電子元件。
在現(xiàn)有技術(shù)中已知有各種密封方法，實例有在美國專利6,730,072中描述了使用聚合物襯墊和擋板，在美國專利6,827,250中描述了用于氣密性密封微型儲存室的各種技術(shù)，包括高溫激光或電阻焊接、低溫焊接、超聲波焊接和金屬壓入襯墊，以及公布號為2005/0050859 A1的美國專利申請中所描述的實例在此作為引用參考文獻(xiàn)。這些方法對所有的密封應(yīng)用場合可能不適合或不理想。
在外界環(huán)境的作用下，由于金屬表面被覆蓋有一層表面氧化層、有機(jī)雜質(zhì)層或者兩者都有，對金屬結(jié)合結(jié)構(gòu)的形成擔(dān)當(dāng)了屏障，因此當(dāng)被推向一起的時候金屬表面并不會顯著地結(jié)合。然而，兩個平坦的金屬表面在超過金屬屈服應(yīng)力的壓力作用下會引起表面變形，屏障被移除，露出了干凈的可以結(jié)合的金屬層。不過，兩個被擠壓在一起的平坦表面即便是有顯著的金屬變形，實際的結(jié)合區(qū)域也要明顯低于配合面區(qū)域，(參見“焊接研究增刊”，1975年9月，第302頁至310頁，Mohamed & Washburn；“焊接及鉸接過程”3.371J/13.391J“制造技術(shù)”，T.Eagar，麻省理工學(xué)院)。這種低結(jié)合區(qū)域的特性是因為兩種現(xiàn)象引起。首先，新露出金屬的表面部分對平坦表面的變形總量的作用并不強(qiáng)；其次，表面不平整也阻礙了表面的大部分區(qū)域的相互作用和結(jié)合。由于表面沒有完全結(jié)合，就可能存在泄漏通道，從而阻礙真空密封的形成。
Ferguson等人在1991年8月16日出版的“科學(xué)”雜志新系列第253期(總5021期)第776-778頁發(fā)表的“彈性支撐的薄金膜的接觸粘附在外界環(huán)境下的冷焊”中，披露了一種在外界環(huán)境下通過在塑性聚合物上面使薄金的金屬表面保持接觸來實現(xiàn)金對金的結(jié)合方式。然而，這種方式的結(jié)果是結(jié)合界面具有沒被結(jié)合在一起的雜質(zhì)的“島狀物”，這些島狀物可能會形成不間斷的泄露通道。
本發(fā)明意圖提供改進(jìn)的密封方法，用于為一系列材料在低溫條件下形成真空密封。本發(fā)明還意圖在一種相對簡單并且成本上有效的過程中，單獨地、氣密地密封在至少兩個基片之間緊密間隔的儲存室，特別是用于具有高可靠性的大規(guī)模生產(chǎn)中。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，壓入式冷焊方法和結(jié)構(gòu)是為了把至少兩個基片氣密性密封到一起而采用的。它能方便地提供一種真空密封而沒有熱量輸入到密封過程中來，在許多那種附加的熱量對緊靠著結(jié)合區(qū)域的裝置、組分或材料是有害的應(yīng)用場合下，這種密封是很令人滿意的。
在一首選實施方式中，此種方法包括，提供具有至少一個第一連接結(jié)構(gòu)的第一基片，該第一連接結(jié)構(gòu)由第一金屬組成的第一連接表面構(gòu)成；提供具有至少一個第二連接結(jié)構(gòu)的第二基片，該第二連接結(jié)構(gòu)由第二金屬組成的第二連接表面構(gòu)成；以及將前述的至少一個第一連接結(jié)構(gòu)和至少一個第二連接結(jié)構(gòu)壓到一起，使連接表面在一個或多個接觸面上局部地產(chǎn)生變形和剪切，總體上有效的在連接表面的第一金屬和第二金屬之間形成一種金屬對金屬的結(jié)合。在一個實施例中，本方法進(jìn)一步包括，在壓入步驟之前，將至少一個第一連接結(jié)構(gòu)對準(zhǔn)到至少一個第二連接結(jié)構(gòu)上，以致能將至少一個第一連接結(jié)構(gòu)的一個或多個重疊部分給予到至少一個第二連接結(jié)構(gòu)上，其中一個或多個重疊部分在壓入工藝中就產(chǎn)生了這些連接表面的一個或多個接觸面。在首選實施例中，這一個或多個重疊部分能有效地去除表面雜質(zhì)并能便利地在沒有熱量輸入的情況下在連接表面之間產(chǎn)生緊密接觸。在一特定實施例中，至少一個第一連接結(jié)構(gòu)是由至少一個舌狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成，并且至少一個第二連接結(jié)構(gòu)是由至少一個凹槽結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其中把至少一個第一連接結(jié)構(gòu)和至少一個第二連接結(jié)構(gòu)壓入到一起的步驟包括把至少一個舌狀結(jié)構(gòu)至少部分地壓入到至少一個凹槽結(jié)構(gòu)中。在一個實施例中，至少一個舌狀結(jié)構(gòu)具有一個從1微米到100微米的舌狀高度范圍，和從1微米到100微米的舌狀寬度范圍，以及至少一個凹槽結(jié)構(gòu)具有一個從1微米到100微米的凹槽深度范圍，和從1微米到100微米的凹槽寬度范圍。
各種不同結(jié)構(gòu)的材料可以組合使用，例如，該第一金屬、第二金屬或兩者一起都可由金或鉑組成。在其它的實施例中，第一金屬、第二金屬或兩者一起都可由從金、銦、鋁、銅、鉛、鋅、鎳、銀、鈀、鎘、鈦、鎢、錫及其結(jié)合所組成的金屬組群中選擇出來的一種金屬所組成。第一金屬和第二金屬可以是不同的金屬。第一基片、第二基片或兩者一起都可由硅、玻璃、陶瓷、聚合物、金屬或其結(jié)合所組成。第一連接結(jié)構(gòu)、第二連接結(jié)構(gòu)或兩者一起都可由從金屬、陶瓷、玻璃、硅及其結(jié)合所組成的組群中選擇出來的一種材料組成。在一個實施例中，第一連接結(jié)構(gòu)、第二連接結(jié)構(gòu)或兩者一起都可包括銦、鋁、金、鉻、鉑、銅、鎳、錫、其合金以及其組合。
在一實施例中，至少一個第一連接結(jié)構(gòu)是通過把至少一個預(yù)成型結(jié)構(gòu)結(jié)合到第一基片上而形成的。第一連接表面可以通過諸如電鍍工藝、蒸發(fā)作用、化學(xué)氣相沉積工藝、陰極濺鍍、電子束蒸發(fā)或濕性蝕刻工藝而形成。在一實施例中，第一連接結(jié)構(gòu)和第一連接表面是覆蓋在第一基片表面的至少一部分的金屬層。
在一實施例中，本方法可以進(jìn)一步包括在第一基片和第二基片之間提供一個或多個預(yù)成型件，其中，把至少一個第一連接結(jié)構(gòu)和至少一個第二連接結(jié)構(gòu)壓到一起的步驟進(jìn)一步包括在具有基片或連接表面的預(yù)成型件接觸面處使一個或多個預(yù)成型件產(chǎn)生變形和剪切。在一實施例中，預(yù)成型件由金屬、聚合物或者經(jīng)過金屬化處理的聚合物構(gòu)成。
在一實施例中，本方法進(jìn)一步包括在一個或多個接觸面處加熱連接表面。壓入步驟和加熱步驟可以基本上同時進(jìn)行。在一實施例中，連接表面是用微型加熱器來加熱。在另一實施例中，密封方法進(jìn)一步包括將超聲波能量運用到位于一個或多個界面處的接合表面中。
然而，在另外的實施例中，密封方法進(jìn)一步包括把第一基片和第二基片夾緊或焊接到一起。
在本方法的一個首選實施方式中，結(jié)合的基片包括限定在其中的至少一個空腔。在一個實施例中，該至少一個第一基片包括容納有儲存室容納物的多個不連續(xù)的儲存室，每一儲存室相互之間和與外界環(huán)境之間都是真空密封的。在一個實施例中，儲存室容納物包括生物傳感器或其它二級裝置。在另一個實施例中，儲存室容納物包含有藥物組分。依然是在另一個實施例中，儲存室容納物含有芳香劑或香味混合物、染料或其它著色劑、甜味劑、或調(diào)味劑。在一個實施例中，第一基片包含有一個空腔，在第一和第二連接結(jié)構(gòu)被壓到一起之前，第三基片位于該空腔中。第三基片可以包括諸如傳感器、微型機(jī)電加工系統(tǒng)裝置(MEMS device)或其組合。
在一個實施例中，工藝中的變形步驟是在真空或在一種惰性氣體環(huán)境下操作的，這相對于在大氣中進(jìn)行操作將有效地減少連接結(jié)構(gòu)的氧化。在一個實施例中，提供了一種將至少兩個基片真空密封在一起的方法，包括如下步驟提供了一個具有包含第一連接表面的至少一個第一連接結(jié)構(gòu)的第一基片，該第一連接表面由利用一薄層金屬來進(jìn)行金屬化處理的第一塑性(compliant)聚合物組成；提供了一個具有包含第二連接表面的至少一個第二連接結(jié)構(gòu)的第二基片，該第二連接表面由利用一薄層金屬來進(jìn)行金屬化處理的第二塑性聚合物組成；以及將該至少一個第一連接結(jié)構(gòu)和該至少一個第二連接結(jié)構(gòu)壓到一起使連接表面在一個或多個接觸面處產(chǎn)生局部的變形，以在總體效果上達(dá)到在第一和第二連接表面之間形成一種結(jié)合。在一個實施例中，第一或第二經(jīng)過金屬處理的聚合物或者兩者一起的金屬層是由金、鉑或者其結(jié)合所組成。
在另一方面，提供了一種容納裝置，其包括一個第一基片，具有一前側(cè)面和一后側(cè)面，并且包括至少一個由第一連接表面是第一金屬所組成的第一連接結(jié)構(gòu)；一個第二基片，具有至少一個由第二連接表面是第二金屬所組成的第二連接結(jié)構(gòu)；一個真空密封，在第一基片和第二基片之間形成并且連接第一基片和第二基片，其中該真空密封是通過在一個或多個接觸面上將第一連接表面壓入式冷焊到第二連接表面上而制成的；以及至少一個容納空間，其被限定在真空密封內(nèi)的第一基片和第二基片之間，使得該容納空間與外界環(huán)境真空密封開來。在一個實施例中，該至少一個容納空間包括多個不連續(xù)的儲存室，其位于被定位在前側(cè)面和后側(cè)面之間的該至少一個第一基片中。在各種實施方式中，該至少一個容納空間包括傳感器、微型機(jī)電系統(tǒng)裝置、藥物組分或其結(jié)合，容納在上述的容納空間里。在一種首選實施例中，該連接表面是在沒有熱量輸入的條件下通過形成金屬對金屬的結(jié)合而被連接在一起的。在一個實施例中，該至少一個第一連接結(jié)構(gòu)和該至少一個第二連接結(jié)構(gòu)包含一舌狀物和凹槽連接。
在各種實施方式中，第一金屬、第二金屬或兩者都可以是由金、鉑或其組合所構(gòu)成，并且基片可由從硅、金屬、陶瓷、聚合物、玻璃及其組合所組成的材料組群中挑選出來的一種材料構(gòu)成。在一種實施例中，預(yù)成型結(jié)構(gòu)是在第一和第二連接結(jié)構(gòu)之間被變形的。在另一種實施方式中，第一連接結(jié)構(gòu)或第二連接結(jié)構(gòu)包括微型加熱器。在鄰近微型加熱器處可以有選擇地設(shè)置一中間層。在一種實施例中，第一連接結(jié)構(gòu)或第二連接結(jié)構(gòu)可以包含一個通過外部感應(yīng)加熱器能有效加熱該結(jié)構(gòu)的磁性材料。
該裝置可以進(jìn)一步包括其它緊固方式，例如，可以包括一夾具來將基片連接在一起，或者可以采用焊接材料來將第一基片和第二基片緊固在一起。
在一種實施例中，第一基片進(jìn)一步包含多個與至少一個容納空間相連通的不連續(xù)開口，所述開口被多個不連續(xù)的儲存室蓋所封閉。在一種實施例中，儲存室蓋包含一金屬薄膜，并且該裝置包括用來選擇性地分解(disintegrating)儲存室蓋的裝置，諸如控制電路及電源等。
一方面，本發(fā)明提供了一種可植入的醫(yī)療裝置用來控制位于真空密封儲存室中容納物的暴露或釋放。在一種實施例中，該裝置包括一個第一基片；設(shè)置在第一基片中的多個不連續(xù)的儲存室，該儲存室具有第一開口和位于第一開口末梢的第二開口；位于儲存室內(nèi)的儲存室容納物，其中該儲存室容納物包括藥物或生物傳感器；用來封閉第一開口的多個不連續(xù)的儲存室蓋；用來有選擇地分解儲存室蓋的裝置；以及一個第二基片和一個密封及封閉第二開口的密封連接，其中該密封連接通過壓入式冷焊制成。在一種實施例中，該密封連接包含一舌狀物和凹槽接觸面。
另一方面，本發(fā)明還提供了一種電連接的方法，包括提供一個具有一個孔通過的第一非導(dǎo)電基片，其中限定所述孔的所述第一基片的內(nèi)表面包括一層第一導(dǎo)電材料；提供一個具有從所述第二基片表面延伸出的突出部件的第二非導(dǎo)電基片，其中所述部件是由一個第二導(dǎo)電材料所形成或所涂覆而成的；以及將所述第二基片的突出部件壓入到所述第一基片的孔中，來使第一和/或第二導(dǎo)電層產(chǎn)生局部變形和剪切，總體效果上在第一和第二導(dǎo)電層之間形成一種結(jié)合和電連接。


圖1是具有舌狀物和凹槽連接結(jié)構(gòu)設(shè)計的密封系統(tǒng)的一種實施例的剖視圖，其提供由壓入式冷焊工藝所形成的真空密封。
圖2是具有舌狀物和凹槽連接結(jié)構(gòu)設(shè)計的真空密封系統(tǒng)的另一種實施例的剖視圖，其提供了一種真空密封。左邊的圖示出在壓入式冷焊工藝之前的結(jié)構(gòu)，右邊的圖示出在壓入式冷焊工藝之后形成的密封圖3是掃描的電子顯微照片，示出用在圖2中所示的密封設(shè)計和壓入式冷焊工藝所形成的真空密封的剖視圖。
圖4是具有一連接結(jié)構(gòu)設(shè)計的真空密封系統(tǒng)的一種實施例的剖視圖，該連接結(jié)構(gòu)設(shè)計具有在每一連接結(jié)構(gòu)處的單個冷焊剪切層。
圖5是具有金屬預(yù)成型件的真空密封系統(tǒng)的一種實施例的剖視圖，該金屬預(yù)成型件能被壓入式冷焊在連接結(jié)構(gòu)之間。
圖6是具有金屬預(yù)成型件的真空密封系統(tǒng)的另一種實施例的剖視圖，該金屬預(yù)成型件能被壓入式冷焊在連接結(jié)構(gòu)之間。
圖7是連接結(jié)構(gòu)底部形狀幾何的五種不同實施例的平面圖。
圖8是連接結(jié)構(gòu)設(shè)計的六種不同實施例的平面圖和剖視圖，該連接結(jié)構(gòu)設(shè)計能被用在壓入式冷焊中來形成真空密封。
圖9是真空密封系統(tǒng)的四種實施例的剖視圖，該真空密封系統(tǒng)用圖8所示的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計的不同組合來形成。
圖10是真空密封系統(tǒng)的一種實施例的剖視圖和放大剖視圖，該真空密封系統(tǒng)具有一舌狀物和凹槽連接結(jié)構(gòu)設(shè)計。
圖11是真空密封系統(tǒng)的一種實施例的剖視圖，該真空密封系統(tǒng)具有加熱器和在加熱器上的中間層。
圖12是真空密封系統(tǒng)的一種實施例的剖視圖，該真空密封系統(tǒng)具有在連接結(jié)構(gòu)核心上的微型加熱器，該連接結(jié)構(gòu)核心包括基片材料和在微型加熱器上的中間層。
圖13是真空密封系統(tǒng)的一種實施例的剖視圖，該真空密封系統(tǒng)具有與連接表面材料直接接觸的微型加熱器。
圖14是真空密封系統(tǒng)的一種實施例的剖視圖，該真空密封系統(tǒng)具有在連接結(jié)構(gòu)核心上的微型加熱器，該連接結(jié)構(gòu)核心包括基片材料并與連接表面材料直接接觸。
圖15是具有鎳鈦諾夾具的真空密封系統(tǒng)的一種實施例的透視圖。
圖16A-C是真空密封系統(tǒng)的一種實施例的剖視圖，該真空密封系統(tǒng)具有焊接夾具，圖示出了裝配步驟。
圖17是真空密封系統(tǒng)的一種實施例的剖視圖，該真空密封系統(tǒng)具有一冷焊夾具和一壓入式密封材料。
圖18是包括一批儲存室的裝置的一種實施例的剖視圖，該儲存室通過舌狀物和凹槽連接結(jié)構(gòu)設(shè)計利用壓入式冷焊工藝來單獨地被真空密封。限定儲存室在其中的裝置的主體部分包括兩個基片部分，其也是通過舌狀物和凹槽連接設(shè)計利用壓入式冷焊工藝來真空密封在一起。
圖19是裝置的一種實施例的透視圖，其包括一批儲存室并具有利用壓入式冷焊工藝來單獨地真空密封儲存室的連接設(shè)計。
圖20是真空密封系統(tǒng)的三種實施例的剖視圖，該真空密封系統(tǒng)具有鍍了金屬連接表面的各種聚合物連接結(jié)構(gòu)。
圖21是多個儲存室容納裝置的一種實施例的剖視圖，示出通過壓入式冷焊工藝的儲存室的真空密封。
圖22是密封結(jié)構(gòu)的一種實施例的剖視圖，該密封結(jié)構(gòu)使用一結(jié)合“夾入(sandwich)”結(jié)構(gòu)來保護(hù)沒有承受到壓入結(jié)合力作用的中間基片。
圖23是在結(jié)合之前部件的一個實施例的剖視圖，該部件用于通過此處描述的壓入式冷焊而形成電連接。
圖24A-B是通過此處描述的壓入式冷焊而制成的電線連接的透視圖。圖24A示出連接前的部件，而圖24B示出連接后的裝配件。
圖25是在結(jié)合之前部件的一個實施例的透視圖和剖視圖，該部件用于通過壓入式冷焊而形成電連接。
圖26是通過壓入式冷焊而制成的電連接的一個實施例的透視圖，圖中示出材料迭放在孔和齒狀物之間。
圖27A-B是兩個硅基片的掃描電子顯微照片(SEMs)，該硅基片具有用于壓入式冷焊的微細(xì)加工的密封結(jié)構(gòu)特征。
具體實施例方式
本發(fā)明披露了通過壓入式冷焊來形成真空密封的方法和裝置。本發(fā)明的工藝和密封設(shè)計能夠方便地使裝置部件可靠地和有效地結(jié)合到一起，同時保護(hù)敏感裝置組件和容納物不受熱量和溶劑的影響。密封工藝包括將設(shè)有一個或多個連接密封表面的兩個基片壓入并冷焊到一起，在壓入步驟中，連接密封表面局部地產(chǎn)生變形和剪切從而促進(jìn)分子間的擴(kuò)散和結(jié)合。有利地，金屬密封表面的剪切和變形基本上擦去了存在于表面上的任何金屬氧化物、有機(jī)或無機(jī)雜質(zhì)，從而提供了原子級干凈的金屬表面以促進(jìn)在連接表面之間的金屬對金屬的結(jié)合，并因而提高了密封性。也就是說，冷焊制造了無雜質(zhì)并因而能自由結(jié)合的連接表面。在首選的冷焊工藝中，高于金屬屈服應(yīng)力的壓力引起連接結(jié)構(gòu)和連接表面產(chǎn)生變形。金屬變形達(dá)到兩個目的它在連接表面之間制造了緊密接觸，以及它還除去了表面的氧化物和其它雜質(zhì)，從而能產(chǎn)生金屬對金屬的結(jié)合。在金屬對金屬的結(jié)合是由冷焊所形成的實施例中，可以不必要使用額外的夾具。
一方面，本發(fā)明提供了將至少兩種基片真空密封在一起的一種方法，其中包括提供第一基片的步驟，該第一基片具有至少一個包括第一連接表面的第一連接結(jié)構(gòu)，該第一連接表面包括第一金屬；提供第二基片的步驟，該第二基片具有至少一個包括第二連接表面的第二連接結(jié)構(gòu)，該第二連接表面包括第二金屬；把這至少一個第一連接結(jié)構(gòu)和這至少一個第二連接結(jié)構(gòu)壓到一起，使連接表面在一個或多個接觸面上產(chǎn)生局部變形和剪切，總體效果上達(dá)到在連接表面的第一金屬和第二金屬之間形成一種金屬對金屬的結(jié)合。第一金屬和第二金屬可以相同或不同。它們可以是同種母體金屬的不同合金。即使是同樣的金屬，第一金屬和第二金屬可以具有不同的結(jié)構(gòu)形態(tài)，例如晶體結(jié)構(gòu)、顆粒結(jié)構(gòu)等等。合適的金屬表面材料包括但不限于銦、鋁、銅、鉛、鋅、鎳、銀、鈀、鎘、鈦、鎢、錫及其組合，首選的是金和鉑。第一基片、第二基片或兩者一起可以由各種材料成形，例如硅、玻璃、陶瓷、聚合物、金屬或其組合?；牧习ǖ幌抻谑ⅰ⑴鸸璨Ａ?、各種形態(tài)的氧化鋁、氮化硅及其組合。基片和至少一個第一連接結(jié)構(gòu)可以由同樣的或不同的材料構(gòu)成。連接結(jié)構(gòu)可以用現(xiàn)有技術(shù)中已知的各種工藝在基片里面/上面加工成形。比如包括對基片進(jìn)行深反應(yīng)離子蝕刻、鉆孔(如激光鉆孔)、研磨、微切削加工、微型機(jī)電加工處理或者超微細(xì)加工處理。第一連接結(jié)構(gòu)、第二連接結(jié)構(gòu)或兩者一起可以包括從金屬、陶瓷、玻璃、硅及其組合中挑選出來的材料?？赡艿倪B接結(jié)構(gòu)材料的實例包括金屬表面和上述金屬，例如銦、鋁、金、鉻、鉑、銅、鎳、錫及其合金，以及其組合，還包括各種形式的氧化鋁、石英、熔融石英、二氧化硅、氮化鋁、碳化硅和金剛石。連接結(jié)構(gòu)可以與基片一體成型或結(jié)合到基片上。在一個實施例中，連接結(jié)構(gòu)是通過把至少一個預(yù)成型結(jié)構(gòu)結(jié)合到其基片上來加工成形的。該預(yù)成型結(jié)構(gòu)可以通過例如電鍍、化學(xué)蒸汽沉積、陰極濺鍍、微型機(jī)電加工工藝、微切削加工、超微細(xì)加工工藝或陽極結(jié)合的方式來形成。該預(yù)成型結(jié)構(gòu)可以通過例如熱壓、低溫焊接或超聲波焊接的方式粘結(jié)到基片上。連接結(jié)構(gòu)和其連接表面可以由相同或不同的材料組成。
在一個實施例中，該方法進(jìn)一步包括在第一基片和第二基片之間提供一個或多個分開的的預(yù)成型件，其中將至少一個第一連接結(jié)構(gòu)和至少一個第二連接結(jié)構(gòu)壓到一起的步驟進(jìn)一步包括在有基片或連接表面的接觸面上使一個或多個預(yù)成型件產(chǎn)生變形和剪切。該預(yù)成型件可以通過例如超微細(xì)加工工藝、微型機(jī)電加工工藝、濕性蝕刻、激光微切削加工、沖壓、切割或微型鑄造的方式來形成，該預(yù)成型件可以包含金屬、聚合物或經(jīng)過金屬處理的聚合物。
在這些方法和密封設(shè)計的首選應(yīng)用中，真空密封用來密封微制造的裝置部件，尤其是可植入的醫(yī)療裝置。在一個首選實施例中，在一個裝置中使用現(xiàn)有的密封方法和連接結(jié)構(gòu)來個別地密封一批容納儲存室，和/或包裝用于操作該裝置的相關(guān)電子組件，這些儲存室裝有儲存室容納物，如用于受控釋放的藥物和/或生物傳感器。
一方面，本發(fā)明提供了一種合并有一個或多個這些真空密封的裝置。在一個實施例中，該裝置包含具有多個儲存室的第一基片，該第一基片可以包含兩個或多個薄片(wafers)或基片部分，每一個儲存室容納有一傳感器或藥物組分，在每一儲存室處包含有一個在該裝置的第一表面處的第一開口。第一開口通過儲存室蓋來封閉，該儲存室蓋能被有選擇地和活動地分解以控制儲存室容納物的釋放或暴露的時間和/或比率。在一實施例中儲存室進(jìn)一步包含位于第一開口末梢的第二開口，該開口是在將儲存室容納物裝入儲存室之后或同時被真空密封的。典型地，這種密封包括用一個或多個這里所描述的真空密封方法和連接結(jié)構(gòu)來將第一基片結(jié)合到第二基片上。可選地，該裝置進(jìn)一步包括被密封地結(jié)合到第一或第二基片的表面的一封裝結(jié)構(gòu)來保護(hù)電子組件，該電子組件與提供動力和控制儲存室蓋的拆卸以及任何基于儲存室的傳感器有關(guān)聯(lián)。封裝結(jié)構(gòu)和真空密封保護(hù)了電子組件和儲存室容納物不受環(huán)境影響。
這里所用的術(shù)語“環(huán)境”是指儲存室外部的環(huán)境，包括在移植場所處的生物流體和組織、在存儲過程中或在裝置的體外使用或體內(nèi)使用的過程中存在的空氣、流體及微粒。這里所使用的術(shù)語“冷焊”是指分子間的結(jié)合是在沒有應(yīng)用加熱、在通常低于40℃的外界環(huán)境下形成的。這里所使用的術(shù)語“真空密封”是指超過裝置的使用期限時防止不需要的化學(xué)制品的進(jìn)或出進(jìn)入到或形成裝置的一個或多個間隔室，尤其是裝置儲存室。為此目的，以一個低于1×10-9標(biāo)準(zhǔn)大氣壓×立方厘米/秒的速率傳送氦氣(He)的密封被稱為是真空密封。
除非有相反的意思被明確指出，在這里所使用的術(shù)語“包括”規(guī)定為開放式的、非限定性的用語。
裝置組件和材料真空密封包括第一基片，其具有至少一個有第一連接表面的第一連接結(jié)構(gòu)，和第二基片，其具有至少一個有第二連接表面的第二連接結(jié)構(gòu)，兩基片通過冷焊在一個或多個接觸面結(jié)合。在首選實施例中，該密封是具有生物適應(yīng)性的并且適合用于醫(yī)療移植。在一個實施例中，這兩個基片可以選擇性地包含一個或多個儲存室、傳感器、藥物和電子元件?；梢杂晒?、玻璃、耐熱玻璃、不銹鋼、鈦、氧化鋁、氮化硅和其它生物相容的陶瓷及其它金屬或聚合物所組成。在一個實施例中，硅基片可供用于近紅外線(NIR)到紅外線(IR)光譜中的光學(xué)探測器。能夠理解的是運用可見光、紫外線或其它波長光線的光譜(spectroscopic)方法可通過對基片材料的適當(dāng)選擇來實現(xiàn)。另外，基片可以由具有足夠高的楊氏模量和屈服應(yīng)力的聚合物構(gòu)成以在冷焊的過程中產(chǎn)生高的剪切力。
在每一個基片上的連接結(jié)構(gòu)(也稱“密封結(jié)構(gòu)特征”)可以是由與基片相同或不同的材料構(gòu)成，例如，如果連接結(jié)構(gòu)是被微切削加工到基片中的，那么連接結(jié)構(gòu)就可以由基片材料構(gòu)成。作為一種選擇，連接結(jié)構(gòu)可以是結(jié)合到基片上的預(yù)成型件，并由與基片不同的材料構(gòu)成，比如金屬、金屬合金或金屬的組合。在另一實施例中，超微細(xì)加工形成的鎳連接結(jié)構(gòu)先電鍍上一層金然后用焊接、銅焊或熱壓焊結(jié)合到經(jīng)過金屬化處理的基片上。超微細(xì)加工結(jié)構(gòu)可由與超微細(xì)加工工藝相容的任何金屬或金屬合金所構(gòu)成，而在另一個實施例中，連接結(jié)構(gòu)預(yù)成型件可以是用微型機(jī)電系統(tǒng)加工玻璃或硅而形成的。
連接結(jié)構(gòu)具有連接表面(也被稱為剪切層或結(jié)合表面)，該連接表面首選金屬并且可以選擇性地結(jié)合到其它連接表面。在一種在下文將做進(jìn)一步詳述的變換實施例中，連接表面可以是一塑性聚合物。將具有適宜的低塑性變形應(yīng)力的金屬用作連接表面。適宜性可由本領(lǐng)域的熟練人員所確定，比如基于能被適度地應(yīng)用來形成連接的特殊連接幾何和力的總量來確定。另外，沒有表面氧化物或沒有對母體金屬硬度來說相對高的氧化物的金屬更適合于用作連接表面，參見Tylecote在1954年3月出版的《英國焊接》雜志發(fā)表的“壓力焊接研究”和Mohamed及其他人在1975年9月出版的《焊接研究增刊》發(fā)表的“固體狀態(tài)壓力焊接機(jī)理”中第302頁到310頁。適宜的金屬(及其合金)的代表性例子包括金(Au)、銦(In)、鋁(Al)、銅(Cu)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、鎳(Ni)、銀(Ag)、鉑(Pt)、鈀(Pd)和鎘(Cd)。首選用于生物適應(yīng)性的連接表面金屬的代表性例子包括金和鉑。
第一連接表面可以由與第二連接表面相同的或不同的材料組成，該兩連接表面一起形成真空密封。例如，連接表面可以由與同一母體金屬相異的金屬或不同的合金所組成，如第一連接表面可以是金而第二連接表面可以是鉑。在一個實施例中，兩連接表面是由具有不同結(jié)構(gòu)形態(tài)的同一材料所構(gòu)成，例如，第一連接表面可以通過回收(recovery)、再結(jié)晶和晶粒生長的常規(guī)退火過程以來退火處理降低屈服應(yīng)力，而第二連接表面可以用小晶粒尺寸的方式來沉積，從而增加屈服應(yīng)力。
連接表面可以由與連接結(jié)構(gòu)相同或不同的材料所組成，這就允許在連接的制作方法方面有較大的自由度，以及對塑性變形的位置和范圍有更多的設(shè)計控制。例如，精確的連接結(jié)構(gòu)可在硅基片上微切削加工，并且可用確定的微型機(jī)電系統(tǒng)工藝步驟在那些結(jié)構(gòu)上來沉積連接表面材料。然而，要在氧化鋁基片中形成精確的連接結(jié)構(gòu)可能證明是困難的，并且可能需要替換的材料和制作方法。作為一個實例，對氧化鋁基片來說，連接結(jié)構(gòu)可以是與連接表面具有不同機(jī)械性能(如有更高的彈性和更高的屈服應(yīng)力)的沉積金屬或合金。在一個實施例中，連接結(jié)構(gòu)可以是電鍍的鎳、電鍍的金合金、電鍍的鉻結(jié)構(gòu)或電鍍的鉑結(jié)構(gòu)。因此，可以理解的是，連接結(jié)構(gòu)可以不需要作進(jìn)一步的處理，并且具有一個由與該連接結(jié)構(gòu)相同的材料所組成的連接表面，或者該連接結(jié)構(gòu)可以具有至少一個其它的經(jīng)過沉積、電鍍處理或成型在連接結(jié)構(gòu)表面上的材料以生成一個由與連接結(jié)構(gòu)材料不相同的材料所構(gòu)成的連接表面。連接結(jié)構(gòu)可以由一種單一的材料或幾種材料的組合所構(gòu)成。
制造真空密封的方法該真空密封通過壓入式冷焊得到。在一個實施例中，兩個基片由如下步驟被真空密封到一起提供一第一基片，其具有至少一個由金屬的第一連接表面構(gòu)成的第一連接結(jié)構(gòu)；提供一第二基片，其具有至少一個由金屬的第二連接表面構(gòu)成的第二連接結(jié)構(gòu)；把至少一個第一連接結(jié)構(gòu)和至少一個第二連接結(jié)構(gòu)壓到一起，以使金屬表面在一個或多個接觸面上產(chǎn)生局部變形和剪切，總體效果上達(dá)到在一個或多個接觸面處的連接表面之間形成一種持續(xù)的金屬對金屬的結(jié)合。
在一些實施例中，在結(jié)合過程期間可引入超聲波能量到真空密封連接中。然而并不受任何特殊作用機(jī)理的約束，可以認(rèn)為，通過擦去連接表面的雜質(zhì)和使表面粗糙變形以引起金屬對金屬的內(nèi)部擴(kuò)散，超聲波能量可以改善真空密封，因而在結(jié)合接觸面處有緊密接觸。
在結(jié)合機(jī)理不完全是冷焊的其它實施例中，通過增強(qiáng)分子擴(kuò)散和降低金屬的屈服應(yīng)力，加熱脈沖或溫度的略微增加可以有助于金屬的結(jié)合。例如，感應(yīng)式加熱可以用來局部地加熱連接表面金屬。如果在裝置中存在其它金屬并且是無磁性的，連接金屬可以通過在連接表面下合并一磁性材料來有選擇地被加熱。磁性材料的代表性例子包括鎳、鐵、鈷及其組合。作為選擇，連接結(jié)構(gòu)的表面形狀可以設(shè)計成選擇性地耦合(couple)一具有給定頻率的磁場(參見Cao等人在2002年6月2日-6日在美國南卡羅萊納州希爾頓黑德島舉行的“固態(tài)傳感器、激勵器和微系統(tǒng)研討會”上發(fā)表的“利用感應(yīng)加熱選擇和局部結(jié)合”。
通常，周圍環(huán)境可以用合成氣體、氮氣、真空或在形成真空結(jié)合時能將連接表面的氧化率和雜質(zhì)率減少到最低的一些其它環(huán)境來替代。
真空密封裝置和系統(tǒng)的說明性實施例對于一給定的載荷，連接結(jié)構(gòu)被設(shè)計成能有效地在連接表面上產(chǎn)生巨大的局部壓力和變形。圖1-6示出具有連接結(jié)構(gòu)的真空密封系統(tǒng)實施例的剖視圖，該連接結(jié)構(gòu)能有效地將基片上的壓縮力轉(zhuǎn)化成連接表面上的剪切力，從而將連接結(jié)構(gòu)冷焊到一起。連接結(jié)構(gòu)之間的相互干涉和重疊產(chǎn)生了剪切力，以致于當(dāng)連接結(jié)構(gòu)被壓到一起的時候，由于壓縮力而產(chǎn)生變形的金屬連接表面就有一個重疊部分。這兩個相互重疊的結(jié)構(gòu)的相對剪切消除了表面的不平整現(xiàn)象并且允許表面相互作用和結(jié)合。在某些實施例中，只有每個連接結(jié)構(gòu)的干涉部分才發(fā)生充分的變形。在另外的實施例中，由于用來形成連接的每一半的材料和相關(guān)性質(zhì)不同，形成真空密封的一對連接結(jié)構(gòu)中只有一個連接結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生充分的變形。
在圖1-6所示的連接結(jié)構(gòu)可以用常規(guī)的微型機(jī)電加工工藝制作，盡管例如這些結(jié)構(gòu)也應(yīng)該類似于大規(guī)模運行。圖1-6僅示出了在每一真空密封系統(tǒng)上的一套連接結(jié)構(gòu)，但在其它實施例中可包含多套連接結(jié)構(gòu)。另外，圖1-6中的連接結(jié)構(gòu)是用一種矩形截面來描述，但是其它的截面，比如三角形的、菱形的或半球形的連接結(jié)構(gòu)也可以被采用，取決于比如表面形狀限定的微細(xì)加工限制。舉例來說，在缺乏電鍍模具的情況下，可以通過將一連接結(jié)構(gòu)材料電鍍到一用照相平版印刷所確定的晶粒層上來產(chǎn)生半球形的連接結(jié)構(gòu)。在另一實施例中，反應(yīng)離子蝕刻法(RIE)可以用來從一個矩形硅結(jié)構(gòu)中形成一個球形的或圓形的連接結(jié)構(gòu)。而在另一個實施例中，光阻材料可被感光過度并且因此在發(fā)展形成一個菱形形狀的過程中被底切(undercut)，該菱形形狀能被用作電鍍連接結(jié)構(gòu)時用的模具。多層光阻材料可以被用來產(chǎn)生更復(fù)雜的表面形狀特征。
圖1示出了真空密封系統(tǒng)10的一種實施例的剖視圖，該系統(tǒng)具有可通過冷焊而被密封的“舌狀物和凹槽”連接結(jié)構(gòu)設(shè)計。真空密封系統(tǒng)10具有一個含有第一連接結(jié)構(gòu)16的第一基片12，每一個第一連接結(jié)構(gòu)具有第一連接表面18。第二基片14具有包括兩個連接結(jié)構(gòu)元件20a和20b的第二連接結(jié)構(gòu)，每一個第二連接結(jié)構(gòu)20a/20b具有第二連接表面22。第一連接結(jié)構(gòu)16產(chǎn)生一“舌狀物”，該舌狀物至少能部分安裝進(jìn)一個由兩個第二連接結(jié)構(gòu)20a/20b所產(chǎn)生的“凹槽”中。越過密封表面18的相反側(cè)所測得的舌狀物寬度要大于在第二連接結(jié)構(gòu)連接層22的凹槽中所提供的間隔。因此，當(dāng)這些連接結(jié)構(gòu)在冷焊過程中被壓到一起時，第一連接結(jié)構(gòu)連接層18和/或第二連接結(jié)構(gòu)連接層22就發(fā)生了變形，從而在連接表面18和22處沿著每一個連接結(jié)構(gòu)的所有頂角和側(cè)壁產(chǎn)生了剪切。
第一連接表面18和第二連接表面22可以由相同或不同的材料構(gòu)成。圖1示出了形成連接表面18和22的一層材料和形成各自的連接結(jié)構(gòu)16和20a/20b的一種不同的材料，在另一個實施例中，連接表面和/或連接結(jié)構(gòu)可以包括多層材料來細(xì)微調(diào)整機(jī)械性能或低冷焊結(jié)合性能。
圖2示出了使用冷焊的真空密封在形成前和形成后的一種真空密封系統(tǒng)30的另一種實施例的剖視圖。真空密封系統(tǒng)30具有第一基片32和第二基片34，第一基片32具有一含金屬連接表面38a/38b的第一連接結(jié)構(gòu)40，該第一連接結(jié)構(gòu)40是形成在第一基片32中的凹槽結(jié)構(gòu)的形式。第二基片34具有一個由與第二基片不同的材料所組成的第二連接結(jié)構(gòu)36，該第二連接結(jié)構(gòu)36有一個由與第二連接結(jié)構(gòu)相同的材料所組成的金屬連接表面42a/42b，該第二連接結(jié)構(gòu)36是舌狀物結(jié)構(gòu)的形式，該舌狀物可被部分裝進(jìn)第一連接結(jié)構(gòu)40的凹槽結(jié)構(gòu)中。
將壓入結(jié)合力應(yīng)用到第一基片32上來把這兩個基片冷焊到一起。由于壓入力的應(yīng)用，第二連接結(jié)構(gòu)36的舌狀物就被變形地壓入到第一連接結(jié)構(gòu)40的凹槽中。當(dāng)壓力施加到在第一連接結(jié)構(gòu)40和第二連接結(jié)構(gòu)36之間的干涉區(qū)域，導(dǎo)致壓力超過第二連接結(jié)構(gòu)36的屈服應(yīng)力時，變形就產(chǎn)生了。干涉或重疊也在連接表面38a/38b，42a/42b相接觸的接觸面上產(chǎn)生了剪切力。變形和剪切力的聯(lián)合作用就在連接表面38a和42a以及連接表面38b和42b之間形成了一種金屬對金屬的結(jié)合。因此，通過使用冷焊就形成了一個有效的真空密封。參見圖3中的例子。
可以理解的，在圖2中所示的連接結(jié)構(gòu)之間的重疊是為了說明性的目的并且可以大于或小于圖中所示，重疊部分越大，變形連接層并因而形成密封結(jié)合的所需壓入力就越大。
另外，可以理解的，在連接表面的局部變形是連接結(jié)構(gòu)和連接表面兩者的機(jī)械性能共同作用的結(jié)果。例如，在一個實施例中，一個包括固態(tài)金舌狀物的整個連接結(jié)構(gòu)可變形壓入到一個硅凹槽連接結(jié)構(gòu)中。在另一個實施例中，如果舌狀連接結(jié)構(gòu)是硅而連接表面是金，變形就局部發(fā)生在舌狀連接表面的側(cè)面和角落。
圖4示出了在每一個連接結(jié)構(gòu)具有一個冷焊剪切層的真空密封系統(tǒng)50的一個實施例的剖視圖。該真空密封系統(tǒng)50具有第一基片52和第二基片54。在該實施例中，第一連接表面58與第二連接表面62在一側(cè)重疊。在連接表面58和62的一邊而不是兩邊有重疊，可以允許形成真空密封所需的重疊的減少，而因為屈服應(yīng)力是以一較低的壓力所獲得，重疊的減少將減少通過冷焊形成真空密封所需的壓入力。在一個替換實施例中，連接結(jié)構(gòu)可以是三角形的或梯形的連接結(jié)構(gòu)橫截面形式以進(jìn)一步降低形成真空密封所需的剪切力。這種連接設(shè)計的一個缺點是只能產(chǎn)生一個密封周界(perimeter)，而對稱設(shè)計(如圖2)則有機(jī)會產(chǎn)生兩個密封周界。如在此描述的舌狀物和凹槽組合一樣的單一連接結(jié)構(gòu)通常被認(rèn)為具有兩個周界。多個密封周界可以方便地在提供了一種“自動防故障”真空密封的裝置上提供一個合意的冗余，其中一個或多個但小于全部的密封周界可能是不完善的或可能出故障的，但整體密封仍保持密閉。
圖5示出了使用冷焊的真空密封系統(tǒng)70的另一個實施例，示出了在施加壓入力之前的第一基片72和第二基片74。第一基片72具有包括一金屬連接表面78的第一連接結(jié)構(gòu)76a/76b，第一連接結(jié)構(gòu)76a/76b與具有金屬連接表面82的第二連接結(jié)構(gòu)80a/80b對準(zhǔn)。兩連接結(jié)構(gòu)76a/76b和80a/80b形成了一個夾住金屬預(yù)成型件84在其中的凹槽。當(dāng)?shù)谝换?2和第二基片74在冷焊過程中被壓到一起時，預(yù)成型件84就抵靠連接表面78和82而被變形和剪切，從而在預(yù)成型件和連接表面之間形成了金屬對金屬的結(jié)合。
預(yù)成型件84可以用超微細(xì)加工工藝、濕性蝕刻或激光微切削加工來成形。應(yīng)該理解的是，預(yù)成型件84的處理取決于加工工藝與預(yù)成型件所用材料的相容性。也應(yīng)該理解的是，預(yù)成型件的橫截面形狀可受限于所使用的制作方法。例如，超微細(xì)加工技術(shù)不能加工出如圖5所示的圓形橫截面，但是微型鑄造工藝就可以處理那樣的橫截面。
圖6示出了具有一個能在兩個連接結(jié)構(gòu)之間被冷焊的金屬預(yù)成型件的真空密封系統(tǒng)90的另一實施例的剖視圖。真空密封系統(tǒng)90具有第一基片92和第二基片94，第一基片92具有由在第一基片中形成的凹槽結(jié)構(gòu)所組成的第一連接結(jié)構(gòu)96，該第一連接結(jié)構(gòu)96具有第一金屬連接表面98。第二基片94具有第二連接結(jié)構(gòu)100，該第二連接結(jié)構(gòu)包括在基片中形成的凹槽結(jié)構(gòu)和第二金屬連接表面102。金屬預(yù)成型件104被夾住在第一連接結(jié)構(gòu)96和第二連接結(jié)構(gòu)100之間。預(yù)成型件104可以參照圖5中的預(yù)成型件84用與上述加工方法類似的方法而形成。當(dāng)?shù)谝换?2和第二基片94被壓到一起時，預(yù)成型件104就抵靠連接表面98和102而變形和剪切，以在預(yù)成型件和連接表面之間形成金屬對金屬的結(jié)合從而完成真空密封。
預(yù)成型件、陽性結(jié)構(gòu)特征(例如“舌狀物”或“齒狀物”)和凹槽的各種組合可以用在壓入式冷焊工藝中。在一個實施例中，在一個基片上的舌狀連接結(jié)構(gòu)和另一個基片上的凹槽連接結(jié)構(gòu)可以通過壓縮它們之間的一個預(yù)成型件來被冷焊到一起，其中，另一個基片具有比舌狀連接結(jié)構(gòu)的寬度要大的凹槽寬度。
預(yù)成型件的剖面幾何形狀可以是圓形、環(huán)面、矩形或其它合適的截面。
在所有上述實施例中，將結(jié)合基片之間的距離減到最小可能是令人滿意的?？梢酝ㄟ^使重疊最小化來完成這一調(diào)整，使得被變形到基片之間的間隔中的金屬量最小化。另外，在鄰近舌狀連接結(jié)構(gòu)處可生成凹槽以在基片表面下面為變形的金屬提供占據(jù)的容積。作為選擇，凹槽結(jié)構(gòu)可以有兩個不同的寬度，一較寬的開口和一較窄的遠(yuǎn)端，使得被較窄的凹槽所剪切的金屬順利進(jìn)入開口處較寬的凹槽中。
圖7示出了能夠通過用冷焊來形成真空密封的連接結(jié)構(gòu)底部形狀的各種實施例的頂視圖。用于連接結(jié)構(gòu)底部形狀的適合幾何形狀包括圓形110、橢圓形112、與直側(cè)壁相連的半球形114、具有內(nèi)圓角的正方形116以及六邊形118。連接結(jié)構(gòu)幾何形狀的其它實施例可以包括任何多邊形或者能夠產(chǎn)生封閉輪廓的任意路線。更適宜地，應(yīng)避免沿著連接結(jié)構(gòu)周界有銳角轉(zhuǎn)角，因為在這樣的轉(zhuǎn)角中很難形成真空密封。
圖8示出能夠用微型機(jī)電加工工藝制作的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計的各種實施例的頂視圖和剖視圖。這些實施例只具有一個設(shè)置在每個基片上的連接結(jié)構(gòu)，但其它實施例可以包括一批用作多重連接結(jié)構(gòu)裝置的外接定齒狀物或凹槽。在圖8中所描述的“舌狀物”和“凹槽”幾何形狀是矩形截面，但也可以使用其它的截面如三角形的或者半球形的幾何形狀，這取決于對截面幾何形狀限定的微切削加工限制。在其它實施例中，基片可以包含一批用于藥物容納物或傳感器的儲存室，每一個儲存室要求從其它儲存室以及外界環(huán)境中被真空密封開來。
連接結(jié)構(gòu)設(shè)計120和128的連接結(jié)構(gòu)124a/124b和132可以在金屬連接表面沉積步驟之后，分別使用一步和兩步深反應(yīng)蝕刻(DRIE)來分別被制作到硅基片122和130中。連接結(jié)構(gòu)132和124a/124b分別是用微型機(jī)電系統(tǒng)加工的舌狀物和凹槽連接的相等物。在將基片122冷焊到基片130的過程中，在連接結(jié)構(gòu)的元件124a和124b之間的凹槽轉(zhuǎn)角就在連接結(jié)構(gòu)132(齒狀物)的邊緣處和凹槽元件124a及124b的轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生了高的局部應(yīng)力。高應(yīng)力在金屬接觸面上引起塑性變形和剪切，這導(dǎo)致了在連接表面126和134之間的緊密接觸和結(jié)合。
通過使用研磨和插入式(plunge)放電加工(EDM)組合的步驟產(chǎn)生連接結(jié)構(gòu)，以及在需要時用電鍍步驟金屬化處理連接結(jié)構(gòu)，連接結(jié)構(gòu)設(shè)計的其它實施例就可以在金屬基片上產(chǎn)生。
連接結(jié)構(gòu)設(shè)計136合并有由低塑性變形應(yīng)力金屬如銦、鋁、金或銅所制成的舌狀連接結(jié)構(gòu)140。連接結(jié)構(gòu)設(shè)計136有一透明基片138。耐熱玻璃或類似的透明基片如藍(lán)寶石、其它玻璃化學(xué)品，允許真空密封的裝置中的容納物能被光學(xué)探測，以及在冷焊工藝中允許用來改進(jìn)校準(zhǔn)過程。用不同于基片138的材料制得的連接結(jié)構(gòu)140在形態(tài)上排除了在基片自身中形成特征的需要。另外，連接結(jié)構(gòu)設(shè)計136通過使用具有低塑性變形應(yīng)力的金屬而形成了比連接結(jié)構(gòu)設(shè)計128更容易變形的連接結(jié)構(gòu)140。因此，具有更大變形能力的連接結(jié)構(gòu)140可以改善冷焊所形成的真空密封。
連接結(jié)構(gòu)設(shè)計142圖示了一種軟的可變形金屬連接表面146被冷焊到連接結(jié)構(gòu)上，該連接結(jié)構(gòu)類似于連接結(jié)構(gòu)設(shè)計128、136、148和156的各自的連接結(jié)構(gòu)132、140、152和160a/160b。連接結(jié)構(gòu)設(shè)計142允許來自基片上突出的連接結(jié)構(gòu)的高局部應(yīng)力能夠在冷焊壓縮的過程中在金屬化處理過的連接表面146上產(chǎn)生凹槽。用作連接表面146的一種合適金屬的一個非限定例子是金。連接結(jié)構(gòu)設(shè)計142的有利之處在于大大減少了校準(zhǔn)問題。然而，連接結(jié)構(gòu)設(shè)計142可能相當(dāng)難進(jìn)行冷焊，因為平坦的連接表面146無法有效地將壓入力轉(zhuǎn)化成剪切變形。
連接結(jié)構(gòu)設(shè)計148具有連接結(jié)構(gòu)152，結(jié)合結(jié)構(gòu)152是由超過一種材料所構(gòu)成的一種混合連接結(jié)構(gòu)，兩者都是不同于基片150的材料。因為連接結(jié)構(gòu)152不是由基片150的材料形成，所以不用微切削加工基片150就可以完成對連接結(jié)構(gòu)152的變形特性進(jìn)行修正。另外，連接結(jié)構(gòu)152可以由鎳及其合金，或其它高楊氏模量和屈服應(yīng)力的材料所構(gòu)成，以增加連接結(jié)構(gòu)的硬度。連接結(jié)構(gòu)152隨后被噴濺涂覆上一晶粒層用于電鍍連接表面154，該晶粒層例如是銦或金。
作為選擇，連接結(jié)構(gòu)152可以由與連接表面154的材料不同的合金所組成。在一實施例中，通過在電鍍工藝中改變電鍍槽的組成，用來將連接結(jié)構(gòu)152沉積到基片150上的一種電鍍沉積工藝也可以用來沉積不同的合金作為連接表面154。例如，硬的金合金可以作為連接結(jié)構(gòu)152被最初電鍍，緊隨其后用較軟的純金作為連接表面154。
在不便于將一凹入結(jié)構(gòu)特征微切削加工到基片158中的情況下，結(jié)連接結(jié)構(gòu)設(shè)計156可以供凹槽連接結(jié)構(gòu)的形成之用。凹槽被兩個同心的突出連接結(jié)構(gòu)元件160a/160b所限定，并且可以參照上述連接結(jié)構(gòu)148和連接結(jié)構(gòu)152的工藝用類似的工藝來加工制得。圖9示出真空密封系統(tǒng)的各種實施例的剖視圖，該真空密封系統(tǒng)包含圖8所示連接結(jié)構(gòu)設(shè)計的各種組合。真空密封系統(tǒng)170是由連接結(jié)構(gòu)設(shè)計120與連接結(jié)構(gòu)設(shè)計128結(jié)合而成，真空密封系統(tǒng)172是由連接結(jié)構(gòu)設(shè)計120與連接結(jié)構(gòu)設(shè)計136結(jié)合而成，真空密封系統(tǒng)174是由連接結(jié)構(gòu)設(shè)計142與連接結(jié)構(gòu)設(shè)計128結(jié)合而成，真空密封系統(tǒng)176是由連接結(jié)構(gòu)設(shè)計142與連接結(jié)構(gòu)設(shè)計136結(jié)合而成。
尺寸圖10是具有舌狀物和凹槽連接結(jié)構(gòu)設(shè)計的真空密封系統(tǒng)180的一種實施例的剖視圖和放大剖視圖。連接結(jié)構(gòu)182a/182b和184通過深反應(yīng)蝕刻(DRIE)形成在硅基片中。連接結(jié)構(gòu)182a/182b和184的幾何尺寸包括凹槽深度186、凹槽寬度187、舌狀物寬度188和舌狀物高度190。優(yōu)選的是，這些幾何尺寸在約1微米到約100微米的范圍內(nèi)。將舌狀物和凹槽連接結(jié)構(gòu)184和182a/182b分別加工以產(chǎn)生一重疊(也被稱為“干涉”)，這種重疊超過了連接結(jié)構(gòu)的制造公差和裝配設(shè)備的精確公差，以確保連接表面在沿著真空密封周界的各方面都重疊。在首選實施例中，重疊的范圍在約1微米到約20微米，并且重疊小于舌狀物寬度188的四分之一。
在連接結(jié)構(gòu)表面是由與連接結(jié)構(gòu)材料不同的材料所構(gòu)成的，并且運用了鍍金屬法來形成連接表面的實施例中，經(jīng)過金屬化處理的連接表面的厚度在約0.1μm到約50μm之間。大約1μm的金屬厚度可以通過如蒸汽沉積的方式來形成。較大的金屬厚度可以通過如電鍍工藝的方式來形成。
具有脈沖加熱的熱壓結(jié)合在現(xiàn)有發(fā)明的一些實施例中，有選擇性的脈沖加熱可以用在熱壓結(jié)合中來形成真空密封。有選擇性的脈沖加熱可以通過微電阻(micro-resistive)加熱器來提供。在Lin等人申請的專利號為6,436,853的美國專利中描述了微電阻加熱器的實例。加熱器可以被合并在這里所描述的真空密封系統(tǒng)的任何一個實施例中。適當(dāng)?shù)募訜崞骺梢员环胖迷诰哂兄虚g層的加熱器和沒有中間層的加熱器這兩組中的一組中。
由于下面三種原因的任何組合，加熱器可能需要在加熱器和另一表面之間的一中間層(1)取決于所使用材料的電阻系數(shù)和要求的加熱量，加熱器材料可能需要與連接表面和/或基片電絕緣。(2)在這樣的實施例中可能需要中間層，即加熱器和鄰近的材料之間的熱膨脹系數(shù)(CTE)的差異足夠大以致于在真空密封中潛在地引入了不能被接受的應(yīng)力時。在加熱過程中，如果這些應(yīng)力超過了加熱器和鄰近材料之間的結(jié)合強(qiáng)度，或者如果這些應(yīng)力超過了在真空密封處的任何材料的極限抗張強(qiáng)度，這些應(yīng)力就通過引起在各種接觸面上的分層、裂紋或斷裂以自身顯示出來。(3)中間層可被要求用作擴(kuò)散式疊層以防止加熱器的電特性隨著重復(fù)的加熱循環(huán)而變化，或者減緩粘附層的擴(kuò)散。因此，中間層可被要求用于電絕緣、解決熱膨脹系數(shù)不匹配、作為式疊層或者用于這三種的任意組合，這取決于所使用的特定材料。
為了簡化起見，在加熱器和基片之間的中間層，或在材料接觸面的任何粘附層沒有被顯示在圖11-14中。只顯示了在加熱器和連接表面之間的中間層。
圖11示出了具有加熱器218的真空密封系統(tǒng)200的一種實施例的剖視圖。加熱器218設(shè)置在第二基片212上，中間層220設(shè)置在加熱器218的頂部。連接表面材料222從中間層220下面被加熱器218加熱。當(dāng)?shù)谝换?10與第二基片212被連接到一起，并且材料變形連同加熱器218的脈沖加熱在連接表面216和連接表面材料222之間形成了金屬對金屬的結(jié)合時就形成了真空密封。
圖12示出了具有加熱器234的真空密封系統(tǒng)230的另一種實施例。在圖12中，第二基片232材料與連接結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)核心233一樣，該結(jié)構(gòu)核心由結(jié)構(gòu)核心233、加熱器234、中間層236和連接表面材料238組成。相反，圖11所示的一種實施例中由加熱器218和中間層220形成連接結(jié)構(gòu)的核心。因此，圖12中第二基片232上的連接結(jié)構(gòu)可比圖11中第二基片212上的連接結(jié)構(gòu)具有更高的剛性。從而在熱壓結(jié)合過程中，連接表面更多的局部變形可能在真空密封系統(tǒng)230中發(fā)生。應(yīng)該理解的是，在連接結(jié)構(gòu)中增加的剛性也是取決于所選擇的特定材料。
圖13示出了具有與連接表面材料246相接觸的加熱器244的真空密封系統(tǒng)240的一種實施例，圖14示出了具有與連接表面材料256相接觸的加熱器254的真空密封系統(tǒng)250的另一種實施例。在圖14中，在第二基片252上的連接結(jié)構(gòu)核心由基片材料組成，并且可以是比圖13中第二基片242上的連接結(jié)構(gòu)更硬的連接結(jié)構(gòu)，第二基片242上的連接結(jié)構(gòu)不是由基片材料所組成。連接表面材料246和256可以首先由加熱器244和254在下面被加熱。在另一替換實施例中，連接表面材料可以由通過連接表面的電流直接被加熱。
應(yīng)該理解的是，圖11-14示出的實施例具有由不同材料組成的第一基片和第二基片。另外，第一基片的連接結(jié)構(gòu)可以由相同于或不同于第一基片的連接表面和第二基片的連接表面的材料所組成。而且，第一基片上的連接表面和第二基片上的連接表面可以由相同的或不同的材料所組成。第二基片的連接表面和加熱器可以由相同或不同的材料組成。另外，在脈沖加熱過程中結(jié)合表面可能會熔化，就正如在焊接工藝中的情況一樣。
冷焊所需機(jī)械力的最小化結(jié)合基片所需的機(jī)械力的最小化可降低損壞基片或基片涂層的風(fēng)險。所需機(jī)械力最小化可以通過各種方法來完成，這些方法包括各種連接結(jié)構(gòu)設(shè)計、連接表面材料的選擇、連接表面材料加工程序以及冷焊工藝參數(shù)。
例如，在密封特征之間的干涉或重疊的總量由連接結(jié)構(gòu)設(shè)計來控制。在相互配合的連接結(jié)構(gòu)之間的較大重疊或干涉需要較大的力來進(jìn)行冷焊，因為在冷焊工藝中有較大體積的金屬被變形。因此，為了使所需力最小化，就應(yīng)該將變形金屬的總量減到最少。這可以通過將連接表面的剪切層或接觸面最小化，以及也可通過將連接結(jié)構(gòu)之間的干涉總量最小化來實現(xiàn)。首選地，重疊部分僅稍微大于連接結(jié)構(gòu)公差、表面粗糙度和裝配設(shè)備精確度公差。另外，通過只產(chǎn)生一個剪切層(如圖2所示)，所需壓力能被極大地減少。
另外，連接結(jié)構(gòu)截面幾何形狀各種組合的使用可以用來優(yōu)化特定應(yīng)用下的真空密封。例如，矩形舌狀物連接結(jié)構(gòu)與梯形凹槽連接結(jié)構(gòu)連接在一起的組合能減少連接表面相接觸的面積，在這個實施例中，只有矩形連接結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角處才開始剪切，局部剪切的初始面積大大小于在一個具有矩形舌狀物連接結(jié)構(gòu)和矩形凹槽連接結(jié)構(gòu)的實施例中的局部剪切的初始面積。因此冷焊所需的力就降低了。
在另一個實施例中，如果只有矩形舌狀物連接結(jié)構(gòu)的一個轉(zhuǎn)角與傾斜的梯形凹槽連接結(jié)構(gòu)引發(fā)剪切力，則所需壓力就會被進(jìn)一步減少。在矩形舌狀物的一個轉(zhuǎn)角處引發(fā)的塑性變形所需的力只有在矩形舌狀物的兩個轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生同樣壓力所需的力的一半。
除了連接設(shè)計以外，連接表面材料成分和相關(guān)的物理性能會對形成真空密封所需的力有影響。例如，連接表面材料具有低的屈服應(yīng)力從而使該材料更容易產(chǎn)生變形和更容易露出干凈的可以結(jié)合的表面。具有低屈服應(yīng)力的合適的連接表面材料包括但不限于銦、鋁、金和錫。相反地，或者通過將應(yīng)變能增加到晶體結(jié)構(gòu)中，或者妨礙位錯可動性，雜質(zhì)將起著增加堿性金屬的屈服應(yīng)力的作用。因此，增加材料純度將減少屈服應(yīng)力。存在例外的是，第二種材料的加入會降低熔點，并因為環(huán)境溫度接近于熔點從而降低總的屈服應(yīng)力。
另一個影響冷焊所需壓力的物理性能是連接表面金屬氧化物的硬度。具有在氧化物硬度和母材金屬硬度之間的較高比例的金屬需要較少的變形來進(jìn)行冷焊，相反地，軟的金屬氧化物隨著母材金屬一起變形并且不容易開裂，因而保持了進(jìn)行冷焊結(jié)合的氧化物障礙。具有高的氧化物對母材金屬的硬度比率的金屬包括但不限于銦和鋁。因為金和鉑在環(huán)境條件下沒有氧化物，氧化物硬度對母材金屬硬度的比率就基本上不會影響冷焊這些金屬所需的力的總量。然而，金和鉑具有被吸附的有機(jī)雜質(zhì)層來擔(dān)當(dāng)冷焊結(jié)合的阻礙。
此外，連接表面金屬的晶粒結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)變會影響屈服強(qiáng)度。在多晶體金屬中，屈服應(yīng)力通常通過在Hall-Petch關(guān)系中按晶粒尺寸的平方根分之一的屈服應(yīng)力比例來描述。之所以存在這樣的關(guān)系是因為鄰近晶粒的晶體滑移面通常沒有排齊，因此需要附加的應(yīng)力以激活在鄰近的晶粒中的新滑移面。因此，通過減少晶粒的數(shù)量(例如增加晶粒尺寸)就能降低屈服應(yīng)力。對金屬退火處理可以通過增加晶粒尺寸和降低金屬中的預(yù)應(yīng)變來降低屈服應(yīng)力。退火也有其它的有利效果，比如從電鍍層中釋放出截留的氫。
最后，結(jié)合工藝會影響形成真空密封所需的力。另外，變形總量最小化將減少連接表面材料產(chǎn)生的應(yīng)變硬化的量。例如，因為總的變形量減少了，較短的連接結(jié)構(gòu)可以引起較少的應(yīng)變硬化。另外，冷焊工藝的時間和應(yīng)變率也對應(yīng)變硬化有影響。結(jié)合時間也會影響金屬相互擴(kuò)散的量。參見Takahashi和Matsusaka在2003年出版的雜志《粘結(jié)科技》17(3)第435-451頁發(fā)表的“純金電線到金屬基片的粘結(jié)結(jié)合”。
帶有壓入力的密封，將支撐力與壓入力對齊是合意的，目的是為了避免作用在基片之一上的懸臂型的力，該力可能導(dǎo)致一些基片材料裂開，在一個實施例中，這可以通過將不受壓入力作用的第一基片插入到例如通過這里所描述的冷焊隨后被密封到一起的至少兩個另外的基片結(jié)構(gòu)中來完成。在首選實施例中，兩個另外的基片結(jié)構(gòu)中的至少一個包含有適合于用作托架或其它支持第一基片的空腔或凹槽。這至少兩個另外的基片結(jié)構(gòu)具有能被壓入到一起以將第一基片夾持在限定在該至少兩個另外的基片結(jié)構(gòu)之間的空腔里的連接結(jié)構(gòu)。圖22示出了這種密封方法的一種實施例。密封裝置500包括其上制造有生物傳感器508的傳感器基片506，傳感器基片被安放在底部基片502中的空腔505里面。包括有儲存室蓋子/開口512的上部基片504通過在連接結(jié)構(gòu)510處施加壓入式冷焊工藝而被結(jié)合到底部基片502上。在另一個實施例中，第三基片或“傳感器”基片在其上有一個用來代替?zhèn)鞲衅鞯牟煌亩壯b置，例如，第三基片可以包括微型機(jī)電系統(tǒng)裝置如回轉(zhuǎn)儀、共鳴器等。此裝置能在真空下被密封。
墊圈壓入方法另一方面，壓入密封在沒有金屬對金屬結(jié)合的條件下形成。在此情形下，這些部件之間要求有持久的連接力來保持密封，這種連接力可以通過多種夾緊機(jī)構(gòu)來獲得。在一個實施例中，鎳鈦諾或其它形狀的記憶合金夾具被制作來在基片周圍提供松配合直到基片對齊，在此之后鎳鈦諾可被加熱到通過其相變點，引起其施加壓力到圖15所示的基片上。該相變溫度可以(通過改變形狀記憶合金的成分)控制。因此，裝置裝配能夠在次相變溫度進(jìn)行，然后裝配件被加熱到相變溫度，夾緊機(jī)構(gòu)就被激活了。
在另一實施例中，金屬或塑料夾具能彈性變形從而讓真空密封系統(tǒng)的基片可以被安裝到夾具的無應(yīng)力配置大大小于連接基片的地方。一旦連接基片在夾具之間對齊，夾具上所有的力可被移除以使其擠壓連接基片。其它緊固件包括螺釘、鉚釘、焊料、熱收縮聚合物、對置磁鐵以及類似物都可被制作來夾緊基片。在將連接副的附加尺寸最小化時，夾具應(yīng)能夠持久地施加作用力。
圖16A-C中示出了具有焊接夾具的真空密封系統(tǒng)270的一實施例。在圖16A中，真空密封系統(tǒng)270包含被粘附、電鍍或微切削加工到第二基片274上的支柱276。焊料278被模制(patterned)在支柱276的頂部。在第二基片274上的第二連接結(jié)構(gòu)280對準(zhǔn)重疊第一基片272上的凹槽連接結(jié)構(gòu)282。由金屬組成的襯墊284被沉積在第一基片272的頂部。含有加熱器288的加熱板286與在支柱276頂部的焊料278對準(zhǔn)并且重疊到第一基片272上的金屬襯墊284上。
如圖16B所示，加熱板286將第一和第二基片272和274壓到一起，在第一連接結(jié)構(gòu)280和重疊的凹槽連接結(jié)構(gòu)282之間產(chǎn)生密封。當(dāng)加熱板286壓下來時，加熱器288受脈沖作用使焊料278回流(reflow)，導(dǎo)致焊料回流到第一基片272上的金屬襯墊284上。一旦焊料278凝固，就可以移去加熱板286。圖16C示出了移去加熱板286以及形成焊接夾具和真空密封后的真空密封系統(tǒng)270。在一替換實施例(未示出)中，加熱板286可以涂有能經(jīng)受加熱器所用溫度，并且充當(dāng)用來將焊料278結(jié)合到其上的不良(poor)表面的材料，這取決于所使用的焊料。在這樣的一個實施例中，一旦焊料278凝固卻還沒有焊接結(jié)合到加熱器288上時，可以移去加熱板286。另外，在金屬襯墊284上的回流焊料278的厚度可以作調(diào)整，這取決于焊接夾具的期望強(qiáng)度。
也可以使用本發(fā)明的冷焊密封特征來形成用于壓入式真空密封的夾具。圖17示出了使用舌狀物和凹槽連接結(jié)構(gòu)設(shè)計來夾緊位于兩個基片292和294之間的壓入密封材料306，以及用來產(chǎn)生壓入式真空密封的真空密封系統(tǒng)290的一個實施例。第一連接結(jié)構(gòu)296a/296b由連接結(jié)構(gòu)設(shè)計的凹槽部分組成。連接結(jié)構(gòu)設(shè)計的舌狀物部分包含在第二基片294上的加熱器300、在加熱器上的中間層302以及在中間層上的連接表面材料304。壓入式密封材料306具有一圓形截面，并且被放置在位于基片邊緣的舌狀物和凹槽夾具之間的第二基片294上。通過使用熱壓結(jié)合、夾緊基片間的壓入式密封材料并形成真空密封的方式，第一基片292的凹槽連接結(jié)構(gòu)就被連接到第二基片294的舌狀物連接結(jié)構(gòu)上。應(yīng)當(dāng)明確的是，用于冷焊所描述的任何部件都可以用來形成冷焊夾具而不用附加熱量。冷焊夾具沒有封閉幾何形狀的要求，因為它主要的作用是將兩個基片夾到一起，而不是形成密封。
在另一個實施例中(未示出)，壓入式密封材料可以放置在第二基片邊緣上的第二基片上，并在舌狀物和凹槽夾具的外面。然而應(yīng)該理解的是，在基片材料上的應(yīng)力將依賴于壓入式密封材料的放置而有所不同。
依應(yīng)用場合而定，塑性聚合物可以取代上述實施例中的任何金屬連接結(jié)構(gòu)和連接表面。雖然用來密封塑性聚合物的密封機(jī)構(gòu)并沒有像冷焊一樣被限定，但把儲存室或空腔從鄰近的空腔或外部雜質(zhì)中用密封隔離開來的效果是一樣的。塑性聚合物為產(chǎn)生密封所需的壓力大大低于在冷焊工藝中產(chǎn)生塑性變形所需的壓力。在水滲透很嚴(yán)重的應(yīng)用場合下，用于密封的傳統(tǒng)上的塑性聚合物的選擇很少。然而在聚合物化學(xué)方面近些年的進(jìn)步已經(jīng)生產(chǎn)出的通過添加金屬或陶瓷微粒改進(jìn)的聚合物大大減少了水滲透。例如，通過添加碳納米粒子而作改進(jìn)的環(huán)氧樹脂據(jù)報導(dǎo)有一個比常規(guī)環(huán)氧樹脂低一個數(shù)量級的水滲透率。塑性聚合物密封要求選擇低楊氏模量的聚合物以及最小化的表面接觸面積，以提供使用低壓入力的密封。另外，增加被局限的連接結(jié)構(gòu)數(shù)量可產(chǎn)生起到顯著減慢通過密封的水滲透的小容器。
上述實施方式和例子可以用單一的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計或多個冗余的連接結(jié)構(gòu)來實施，以減輕可能會引起一個或多個冗余連接結(jié)構(gòu)泄漏的潛在制造缺陷。此外，多個連接表面起著增加密封路徑長度的作用并且因此增加了形成密封所需的力。冗余連接結(jié)構(gòu)的數(shù)量需要與基片材料的強(qiáng)度、冷焊它們所需的力以及任何經(jīng)過冷焊后保留在基片中的、包括任何夾緊機(jī)構(gòu)特征所施加的應(yīng)力在內(nèi)的殘余應(yīng)力相平衡。
真空密封裝置和方法的應(yīng)用冷焊技術(shù)在處理和可制造性方面都有大量的優(yōu)點。首先，密封特征適合于標(biāo)準(zhǔn)的微型機(jī)電加工系統(tǒng)工藝并能被整體(monolithically)合并入微型機(jī)電加工系統(tǒng)裝置中。第二，一批鄰近間隔的儲存室能同時被密封。實際上，裝置的全部薄片都可以在薄片與薄片結(jié)合的工藝中被同時密封。若干薄片可以相繼地或同時地將一個結(jié)合到另外的薄片的頂部，因而在內(nèi)部薄片的每一個表面上制造出冷焊。另外，主動裝置與被動裝置可由經(jīng)過密封特征下的引入裝置(feed-throughs)而整體集成在一起。最后，因為工藝中并不包含熱量，對溫度敏感的材料可以被封裝在儲存室容積里。對溫度敏感的材料可包括揮發(fā)性液體、有機(jī)化學(xué)藥物、藥物、爆炸性氣體、化學(xué)傳感器和敏感的電子元件。
圖18示出了將主動薄片和被動薄片冷焊到一起來形成一批被真空密封的裝置310的一個實施例。一批被真空密封的裝置310呈現(xiàn)出一個作為在同一薄片上的一批沖模的部分而被同時冷焊的沖模。第一主動層312由傳感器320、金的電子通路層322、電介質(zhì)層318以及舌狀物連接結(jié)構(gòu)324所組成。為簡化起見，省略掉主動層基片和任何電子通路層之間的電介質(zhì)。這些舌狀物連接結(jié)構(gòu)由金構(gòu)成并且被冷焊到一被動層314上，該被動層具有凹槽連接結(jié)構(gòu)，第一舌狀物連接結(jié)構(gòu)被壓入該凹槽連接結(jié)構(gòu)中。被動層314包含一鍍金屬層，該鍍金屬層具有第二物舌狀連接結(jié)構(gòu)326和與在第一主動層312上的傳感器320對準(zhǔn)的開口。第二舌狀物連接結(jié)構(gòu)326被冷焊到第二主動層316中的凹槽連接結(jié)構(gòu)中。第二主動層包含有與在第一主動層上的傳感器320對準(zhǔn)的開口。另外，第二主動層含有具有儲存室蓋328的鍍金屬層。因此，如圖18所示的一批被真空密封的裝置310將傳感器320彼此隔開，并與具有真空密封的環(huán)境隔開。然而，可以隨后旋開儲存室蓋子328來把傳感器320暴露在外界環(huán)境中。依賴于基片材料和制作限制，可以利用通道(vias)實現(xiàn)電連接到主動元件320。
圖19示出了具有第一主動層332、被動層334和第二主動層336的多儲存室藥物輸送晶片的一個實施例的透視圖。間隔示出了層332上連接結(jié)構(gòu)的層332和334是通過壓入式冷焊來被結(jié)合的(層334和336的結(jié)合不需要特殊技術(shù))。
在一個移植醫(yī)療傳感器的應(yīng)用場合，塑性聚合物可以被模制在每一基片上。聚合物可以用常規(guī)的微型機(jī)電加工技術(shù)諸如模具成型(如PDMS軟蝕刻技術(shù))、光蝕刻(如可光刻的硅樹脂)、立體蝕刻、選擇性激光燒結(jié)、噴墨打印、沉積和回流、或蝕刻(如O2等離子蝕刻)而被模制?？蛇x地，聚合物可以在放置其到相對的基片間之前而被模制和被金屬化處理。
圖20示出了具有包含沉積金屬連接表面348、352、368、372、383、388、392的各種聚合物連接結(jié)構(gòu)346、350、366、370、382的真空密封系統(tǒng)的各種實施例。在此情況下，金屬與金屬的結(jié)合不是由剪切變形所形成的，而是由在Ferguson等人所著的文章中詳述的機(jī)構(gòu)所形成。真空密封系統(tǒng)340使接觸面積和泄漏路徑長度最大化。真空密封系統(tǒng)360使接觸面積最小化從而在冷焊過程中移去表面雜質(zhì)時增加局部壓力。真空密封系統(tǒng)380包含一不是制作到基片上的聚合物預(yù)成型件382，該預(yù)成型件包括一經(jīng)過金屬化處理的表面383。真空密封系統(tǒng)380可以被稱為經(jīng)過金屬化處理的襯墊密封系統(tǒng)。
在某些實施例中，在將金屬與聚合物結(jié)合到一起的工藝中可以使用聲能(如超聲波能)或激光能。聲能或激光能可以被應(yīng)用到將金屬層/涂層結(jié)合到聚合物基片上的方法中，或者作為選擇，被應(yīng)用到將聚合物涂層/層結(jié)合到金屬基片上的方法中。在這些實施例中的聚合物材料的實例包括含氟聚合物，例如，膨體聚四氟乙烯(ePTFE)或者液晶聚合物。在一個實施例中，液晶聚合物基片(例如某種密封液晶聚酯纖維)被結(jié)合到另一個液晶聚合物基片上，或者其被金屬化處理而且該金屬化處理過的表面被結(jié)合到另一個液晶聚合物基片上或另一個經(jīng)金屬化處理過的表面上。
在進(jìn)一步的或替換的實施例中，描述在Cohn提出的公布號為2002/0179921 A1的美國專利申請中的密封概念適合于用在可植入的藥物輸送的真空密封中，或者是用于在這里所描述的和在申請?zhí)枮?,797,898、6,527,762、6,491,666、6,551,838專利中和在公布號為2004/0121486 A1、2004/0127942 A1及2004/0106953 A1的美國專利申請中所描述的分析物感應(yīng)。
這里所描述的裝置可以與包括可植入的醫(yī)療裝置或其它裝置在內(nèi)的多種裝置一起使用或者被裝入到這些裝置中去。實例包括藥物輸送裝置、診斷和感應(yīng)裝置，其中一些裝置被描述在這里作為參考文獻(xiàn)所引用的申請?zhí)枮?,797,898、6,551,838、6,527,762的美國專利以及公布號為2002/0099359、2003/0010808、2004/0121486的美國專利申請中。
圖21示出了在打開的儲存室用冷焊密封之前和之后的微芯片裝置的一個實施例的剖視圖。裝置基片402具有裝有儲存室容納物406的儲存室404。儲存室404通過儲存室蓋408在基片402的前側(cè)401上被封閉。基片402的后側(cè)表面在每一個儲存室404的每一側(cè)都有一個舌狀物連接結(jié)構(gòu)414。密封基片410被定位在裝置基片402的后側(cè)403上，在打開的儲存室404上方。密封基片410具有對準(zhǔn)舌狀物連接結(jié)構(gòu)414設(shè)置的凹槽連接結(jié)構(gòu)412a/412b。通過選擇合適的材料，密封基片可以透過從可見光到紅外線的光波長。通過這種方式，儲存室容納物就能被光探測。這兩個基片然后被連接到一起，并且在舌狀物和凹槽連接結(jié)構(gòu)414/412a和412b處的冷焊就形成了真空密封將單個的儲存室404彼此之間隔離，或與外界環(huán)境隔離。
在某些實施例中，這里所描述的被真空密封的裝置是另一個裝置的子部件，例如，它可以是進(jìn)一步包含可指示病人生理狀況的傳感器的可植入的藥物輸送裝置、用來對病人身體提供電刺激的電極、泵、導(dǎo)尿管及其組合的裝置的一部分。在這里作為參考文獻(xiàn)所引用的公布號為2004/0127942A1和2004/0106953 A1的美國專利申請以及專利號為6,491,666的美國專利中描述了這些例子中的一部分。
由壓入式冷焊制成的電通道和電線接頭另一方面，這里所描述的壓入式冷焊技術(shù)適合于在沒有加熱的情況下來形成高度可靠的、低電阻電連接。在一個實施例中，由壓入式冷焊所形成的結(jié)合結(jié)構(gòu)同時提供了一種機(jī)械固定方式和一種持續(xù)導(dǎo)電線路。
電通路連接600的一個實施例在圖23中示出。在第一基片618的第一表面604上的第一金屬層602被電連接到在第二基片609的表面608上的第二金屬層606上。沉積在第一基片上的密封結(jié)構(gòu)特征610的內(nèi)側(cè)上的金屬在第一金屬層602和第一連接表面612之間產(chǎn)生電接觸。通過在第二金屬層606上電鍍一齒狀物605可形成第二連接表面614。齒狀物的寬度超過了金屬化處理過的孔的寬度1-50μm。圖中所示的穿過基片604的密封結(jié)構(gòu)610的截面形狀是矩形，但它可以是能用微切削加工或微型機(jī)電加工工藝制作以最大限度的覆蓋沉積金屬，以及減少連接中的殘余應(yīng)力的其它任何形狀。當(dāng)連接表面612和614對準(zhǔn)，并且基片618和609被壓到一起時，連接接觸面上的剪切就使在兩個連接表面上的干凈金屬暴露出來，產(chǎn)生冷焊結(jié)合。因此而產(chǎn)生的結(jié)合在第一金屬層602和第二金屬層606之間形成了低電阻的電連接。
應(yīng)該理解的是，本技術(shù)并不限于特殊金屬、合金或形狀的電鍍凸起。在電鍍方向的該凸起截面可以是矩形(如圖示)、半球形、三角形、梯形等任何適合于來形成在此所述的冷焊結(jié)合的形狀。這里所描述的任何傳導(dǎo)材料可以被考慮用作連接材料，包括金屬或者具有合適的機(jī)械和電學(xué)性能的能夠通過彈性壓縮而不是冷焊就可以產(chǎn)生電連接的傳導(dǎo)聚合物。第二連接結(jié)構(gòu)可以具有一個與連接表面材料不同或相同的核心。這里所描述的用來產(chǎn)生冷焊連接的所有密封結(jié)構(gòu)特征都也可以用來形成電連接。
通過使用傳統(tǒng)的微型機(jī)電加工工藝和/或微切削加工以沉積和模制金屬以及形成穿過基片的通路，就可以在小區(qū)域里產(chǎn)生多個電連接。這里所描述的電連接結(jié)構(gòu)特征可以被包含在具有密封結(jié)構(gòu)特征的基片上，因而當(dāng)兩個相對的基片被壓到一起的時候電連接就與真空密封一起被同時形成。
在另一個實施例中，在第一連接表面612上具有傾斜的側(cè)壁可以有利于更容易地容納第一連接表面612的沉積物。而且，材料沉積可以發(fā)生在第一基片604的兩個側(cè)壁616和618上。這是一種確保能有適當(dāng)?shù)牟牧铣练e貫穿通道孔607的方法。
圖25和26進(jìn)一步示出了由壓入式冷焊所制成的電通道的可能實施例。
電線接頭700的一種實施例示出在圖24A-B中。傳導(dǎo)導(dǎo)線702a、702b各自分別被電連接到在基片706上的軌道704a、704b上。每一個傳導(dǎo)導(dǎo)線702a、702b具有比連接表面寬度708a、708b大的直徑，并且被對準(zhǔn)和壓到密封結(jié)構(gòu)特征710a、710b中。通過在基片706中蝕刻電纜槽以及然后在其中沉積金屬層704a、704b，可以形成密封結(jié)構(gòu)特征710a、710b。電纜槽一端較寬，這可以提供空間來適當(dāng)?shù)販p輕在傳導(dǎo)導(dǎo)線702a、702b中的壓力，該傳導(dǎo)導(dǎo)線702a、702b是用環(huán)氧樹脂、硅樹脂、焊料或其它聚合材料作成的。即便是使用較小的電纜槽區(qū)域產(chǎn)生冷焊到傳導(dǎo)導(dǎo)線，電纜槽的上述空間也可以使導(dǎo)線與基片706的頂部表面平行放置。
圖示的導(dǎo)線具有圓形的截面，然而，適合于形成如這里所描述的冷焊或壓入式密封的任何截面都可以使用。穿過基片710a、710b的密封結(jié)構(gòu)710a，710b的截面在圖中顯示的是矩形，但它可以是能夠用微切削加工工藝或微機(jī)電加工工藝制作以最大限度覆蓋沉積材料和減少連接中的殘余應(yīng)力的任何形狀截面。
在變換的實施例中，通過使用傳導(dǎo)導(dǎo)線和/或傳導(dǎo)層704a、704b的彈性性能而不是冷焊來產(chǎn)生壓緊配合或者摩擦配合俘獲(capture)，就可以形成電連接。傳導(dǎo)導(dǎo)線可以由單一的材料、多層不同的材料、和/或涂有電絕緣層來形成。局部的剪切會使絕緣層充分地變形從而使在下面的傳導(dǎo)導(dǎo)線露出，并且產(chǎn)生冷焊或壓入式的電連接。
在替換實施例中，非金屬導(dǎo)電材料，如浸銀聚合物，可以在上述的通道或線接頭中用來代替金屬層。在首選實施例中，組成的材料是生物相容的和生物穩(wěn)定的。
多蓋儲存室裝置的更多細(xì)節(jié)基片和儲存室在一個實施例中，容納裝置包含一主體部分，即一個基片，其包含用來容納以不透液或不透氣的方式被密封的儲存室容納物的一個或多個儲存室。這里所使用的術(shù)語“不透氣”是指能有效的將氦氣、水蒸氣和其它氣體擋在外面的密封/容納。這里所使用的術(shù)語“不透液”指的不是氣體密封，而是能有效的將液相中存在的溶解材料(如葡萄糖)擋在外面的密封/容納。基片可以是結(jié)構(gòu)體(如裝置的一部分)，儲存室在其中形成，例如基片含有被蝕刻的、被機(jī)械加工的或者被模具成型的儲存室。
在首選實施例中，儲存室是不連續(xù)的、不能變形的、并且橫過裝置主體的一個或多個表面(或其中的區(qū)域)被設(shè)置成一排。這里所使用的術(shù)語“儲存室”是指儲液器、空腔、或者適于儲存、容納以及釋放/露出一定精確數(shù)量的材料，例如藥物組分或二級裝置或子部件的凹孔。多孔材料的相互連通的孔不是儲存室。在一個實施例中，裝置包括位于橫過主體部分的至少一個表面的不連續(xù)的位置中的多個儲存室。在另一個實施例中，有單一的儲存室經(jīng)由每一儲存室基片部分；可選地，在單一裝置中可以一起使用兩個或多個這些基片部分。
使用現(xiàn)有技術(shù)中已知的任何合適的加工技術(shù)可以在結(jié)構(gòu)主體部分中制作儲存室。代表性的加工技術(shù)包括微型機(jī)電加工工藝、微細(xì)加工工藝或其它微切削加工工藝、各種鉆孔技術(shù)(例如，激光、機(jī)械和超聲波鉆孔)、以及增層或?qū)盈B技術(shù)例如LTCC(低溫共燒陶瓷)?？梢赃x擇地對儲存室的表面進(jìn)行精制或涂層來改變表面的一個或多個性能。這些性能的例子包括親水性/疏水性、潤濕性能(表面能、接觸角等)、表面粗糙度、電荷、釋放性能及類似的性能?？梢允褂矛F(xiàn)有技術(shù)中已知的微型機(jī)電加工方法、微模塑、微切削加工以及微細(xì)加工技術(shù)來從許多材料中制成基片/儲存室，現(xiàn)有技術(shù)中已知的許多其它方法也可以用來形成儲存室，例如，參見專利號為6,123,861和6,808,522的美國專利。也可以使用現(xiàn)有技術(shù)中已知的各種聚合物成型技術(shù)，如噴塑、熱壓模壓、擠壓以及類似的技術(shù)。
在各種實施例中，容納裝置的主體部分包含硅、金屬、陶瓷、聚合物或其組合。合適的基片材料例子包括金屬(如鈦、不銹鋼)、陶瓷(如氧化鋁、氮化硅)、半導(dǎo)體材料(如硅)、玻璃(如耐熱玻璃、硼磷硅玻璃)以及能降解的和不能降解的聚合物。在僅需要液體密封的地方，基片可以由聚合物材料加工形成，而不是由典型用于要求氣體密封的金屬或陶瓷材料加工形成。
在一個實施例中，每一儲存室是由(即被限定為)密封材料(如金屬、硅、玻璃、陶瓷)加工制成，并且被儲存室蓋真空密封。合意的是，基片材料是生物相容的并且適合于長期移植到病人體內(nèi)。在一首選實施例中，基片是由一種或多種密封材料制成。在使用前，基片或其中的部分可以被涂層、被封裝或相反地被包含在密封的生物相容的材料中(例如惰性陶瓷、鈦以及類似物)。不密封的材料可以全部被涂上一層密封材料，例如，聚合物基片可以有一層薄的金屬涂層。如果基片材料不是生物相容的，那么在使用前就可以被涂層、被封裝或相反地被包含在生物相容的材料之內(nèi)，例如聚(乙二醇)、類聚四氟乙烯材料、類金剛石碳、碳化硅、惰性陶瓷、氧化鋁、鈦以及類似物。在一個實施例中，基片是密封的，至少在儲存室裝置使用時間內(nèi)，不能滲透出所輸送的分子微粒以及不能滲透入周圍的氣體或流體(如水、血液、電解液或其它溶液)。
基片可以被加工成各種形狀或成型表面，例如，它可以有平坦的或彎曲的表面，其可成形為比如與連接物的表面相一致。在各種實施例中，基片或容納裝置以平面薄片、圓形的或卵形的盤、拉長的管子、球體或線的形式存在。基片可以是柔性的或剛性的。在各種實施例中，儲存室是不連續(xù)的、不能變形的、并且橫過可植入的醫(yī)療裝置的一個或多個表面(或其區(qū)域)被設(shè)置成一排。
基片可以僅由一層材料或者也可以由復(fù)合的或多層的材料組成，也就是由幾層結(jié)合在一起的相同或不同的基片材料所組成。例如公布號為2005/0149000的美國專利申請或?qū)＠枮?,527,762的美國專利中所描述的那樣，基片部分可以是硅或另一種微切削加工的基片，或者例如像硅和玻璃的微切削加工的基片的組合。在另一個實施例中，基片是由結(jié)合在一起的多重硅片所組成。然而在另一實施例中，基片包含低溫共燒陶瓷(LTCC)或其它陶瓷制品如氧化鋁。在一個實施例中，主體部分是微片裝置的支撐。在一個例子里，基片是由硅組成。
在一個實施例中，任一個或者兩個要被結(jié)合到一起的基片都可以由一種或多種玻璃所形成，這在需要觀察或測定包含在密封的基片之間(比如在空腔或儲存室內(nèi))的物體或材料的實施例中是特別有用的。也就是說，基片在這里起著不透水的觀察窗的作用。玻璃的代表性例子包括鋁硅酸鹽玻璃、硼硅酸鹽玻璃、結(jié)晶玻璃等等。
通過將多片或多層的基片材料結(jié)合或粘結(jié)在一起就可以增加總的基片厚度和儲存室體積。裝置的厚度會影響每一個儲存室的體積和/或會影響可以被裝在一個基片上的儲存室的最大數(shù)量?？赏ㄟ^選擇基片和儲存室的尺寸和數(shù)量來調(diào)節(jié)儲存室容納物的數(shù)量和體積，使其適應(yīng)特殊應(yīng)用、制造限制和/或總的裝置尺寸限制，以適合于優(yōu)先地采用最少的入侵程序移植到病人體內(nèi)。
在一個用平面?zhèn)鞲衅饔糜诳梢浦矀鞲衅鲬?yīng)用的首選實施例中，如上所述，基片首選地是相對較薄的結(jié)構(gòu)。
基片可以有一個、兩個、三個或更多的儲存室。在各種實施例中，將數(shù)十、數(shù)百、數(shù)千的儲存室橫跨基片排列。例如，可植入的藥物輸送裝置的一種實施例包括了250至750個儲存室，其中每一個儲存室都含有單劑量用于釋放的藥物。在一個信號傳感器實施例中，裝置中儲存室的數(shù)量是由各個傳感器的運行壽命來確定。例如，一年壽命的可植入的葡萄糖監(jiān)測裝置，其具有在暴露到人體后可以保持30天功能的單個傳感器，該裝置需要12個儲存室(假設(shè)每個儲存室一個傳感器)。在另一個傳感器實施例中，在傳感器表面和儲存室打開工具之間的距離被最小化了，首選的是接近于幾個微米。在這種情況下，儲存室的體積主要由傳感器的表面面積所決定。例如，典型的酶葡萄糖傳感器的電極會占據(jù)一個400μm×800μm的空間。
在一個實施例中，儲存室是微儲存室，“微儲存室”是一個適合于用來儲存和釋放/暴露微量的材料比如藥物組分的儲存室。在一個實施例中，微儲存室的體積等于或小于500μL(比如，小于250μL、小于100μL、小于50μL、小于25μL、小于10μL等等)，并且大于1nL左右(比如，大于5nL，大于10nL、大于25nL左右、大于50nL左右、大于1μL左右等等)。術(shù)語“微量”是指從1nL到500μL的體積。在一個實施例中，微量是在1nL和1μL之間。在另一個實施例中，微量是在10nL和500nL之間。仍是在另一個實施例中，微量是在1μL和500μL之間。選擇微儲存室的形狀和尺寸可以最大化或最小化在藥物材料(或傳感器或其它儲存室容納物)與微儲存室的周圍表面之間的接觸面積。
在一個實施例中，儲存室是在200微米厚的基片中加工成形的，并且具有1.5mm×0.83mm的尺寸，關(guān)于其為約250nL的體積，沒有計算被約20至約50微米厚的支撐結(jié)構(gòu)所占據(jù)的體積。
在另一個實施例中，儲存室是微儲存室，“微儲存室”是一個適合于用來儲存和釋放/暴露比微量大的一定量材料的儲存室。在一個實施例中，微儲存室的體積大于500μL(比如，大于600μL、大于750μL、大于900μL、大于1mL等等)，并且小于5mL(比如小于4mL、小于3mL、小于2mL、小于1mL等等)。
除非被明確地指出是限于微型或大型的體積/數(shù)量，術(shù)語“儲存室”意為包括這兩種。
在一個實施例中，本裝置含有微片化學(xué)輸送裝置。在另一個實施例中，本裝置包括聚合物薄片或裝置，其是由不被稱為“微片”的非硅基材料所組成的。在一個實施例中，本裝置由滲透泵組成，例如包括在商用裝置如VIADURTM的植入片(拜耳醫(yī)藥保健有限公司和Alza公司)中的DUROSTM的滲透泵技術(shù)(Alza公司)。
儲存室蓋支撐儲存室蓋支撐可由基片材料、結(jié)構(gòu)材料或涂層材料或其組合所構(gòu)成。包含基片材料的儲存室蓋支撐可以用與儲存室同樣的步驟加工成形。上述微型機(jī)電加工方法、微細(xì)加工技術(shù)、微模塑、微切削加工技術(shù)可以用來從多種基片材料中制作基片/儲存室、以及儲存室蓋支撐。包含結(jié)構(gòu)材料的儲存室蓋支撐也可以通過沉積到基片上的技術(shù)以及隨后采用微型機(jī)電加工方法、微細(xì)加工技術(shù)、微模塑、微切削加工技術(shù)來加工成形。由涂層材料成形的儲存室蓋支撐可以用已知的涂覆工藝和遮蔽膠帶、遮蔽板、有選擇的激光切除技術(shù)或其它可選擇的方法來加工成形。
儲存室可以具有幾個覆蓋儲存室容納物的各種不同構(gòu)造的儲存室蓋支撐。例如，一個儲存室蓋支撐可以從儲存室的一端跨越到相對一端；另一個儲存室蓋支撐可以橫過第一儲存室蓋支撐并且跨越儲存室的兩個其它側(cè)邊。在這樣的例子中，四個儲存室蓋支撐可以支持在儲存室上面。
在一個用于傳感器應(yīng)用的實施例中(例如葡萄糖傳感器)，(僅包括一個或包括兩個或多個儲存室的裝置的)儲存室有三個或多個儲存室開口及相應(yīng)的儲存室蓋。
支撐結(jié)構(gòu)的尺寸和幾何形狀可依賴于特定應(yīng)用場合下的特殊要求而有所變化。例如，支撐結(jié)構(gòu)的厚度、寬度和截面形狀(比如正方形的、矩形的、三角形的)要定制用于針對某個藥物組分或植入位置等的特殊的藥物釋放動力。
儲存室容納物儲存室容納物從根本上說是需要從儲存室外界環(huán)境中被隔離(或被保護(hù))的任何物體或材料，直到需要它的釋放或暴露的一選定時間點。在各種實施例中，儲存室容納物包含(一定量的)化學(xué)分子、二級裝置或其組合。
某些儲存室容納物，如催化劑或傳感器的適當(dāng)機(jī)能通常并不需要從儲存室中釋放；相反，在儲存室蓋被打開以后，隨著儲存室容納物被暴露到儲存室的外界環(huán)境中，儲存室容納物的預(yù)期作用比如催化作用或傳感作用就發(fā)生了。因此，催化劑分子或傳感器組件可以在打開的儲存室里面被釋放或保持不動。而其它的儲存室容納物比如藥物分子就可能經(jīng)常需要從儲存室中被釋放，目的是為了從裝置中通過并且被輸送體內(nèi)的位置上對病人施加治療影響。然而，可將藥物分子保持在儲存室內(nèi)用于某些體外的應(yīng)用。
在幾個實施例中，密封的儲存室所要求的密閉性，通常被定義為在特殊應(yīng)用場合的特殊分子(如氦或水)的最大允許傳輸率。也就是說，在裝置的不同應(yīng)用場合中儲存室是否被視作是密閉的取決于應(yīng)用場合的特殊要求。
化學(xué)分子儲存室容納物實質(zhì)上包括任何天然的或合成的、有機(jī)的或無機(jī)的分子或其混合物。這些分子基本上可以是任何形態(tài)，比如純固態(tài)或液態(tài)、凝膠或水凝膠、溶液、乳狀液、泥漿、凍干粉或懸浮液。這些主要的分子可以與其它材料相混合來控制或增強(qiáng)從打開的儲存室中釋放的比率和/或時間。
在一首選實施例中，儲存室容納物由藥物組分組成，藥物組分是由藥物組成的合成物。這里所使用的術(shù)語“藥物”包括任何治療的或預(yù)防的制劑(例如，一種活性的藥劑成分或者API)。在一個實施例中，藥物是以固態(tài)供應(yīng)，特別是為了在超過商業(yè)上及醫(yī)學(xué)上可用的時間時保持或延長藥物穩(wěn)定性的目的，比如儲存在藥物輸送裝置中直到藥物被服用的這段時間里。固態(tài)的藥物基體可以是純的形態(tài)或者是另一種材料的固體顆粒形態(tài)，藥物在該另一種材料中被包含、被懸浮或被分散。在一個實施例中，藥物是蛋白質(zhì)或肽，例子包括糖蛋白、酶(比如蛋白水解酶)、激素或其它抗體類似物(如抗VEGF抗體、腫瘤壞死因子抑制劑)、細(xì)胞因子(如α-、β-、或γ-干擾素)、白細(xì)胞間介素(如IL-2、IL-10)以及糖尿病/肥胖有關(guān)的療法(如胰島素、艾塞那肽、PYY、GLP-1及其類似物)。在一個裝置中的儲存室可包括有單一的藥物或兩個或多個藥物組分的組合。不同的組分可以在同樣的一個或多個儲存室里被儲存在一起和被釋放，或者它們可以在不同的儲存室里單獨被儲存和被釋放。
對于在生物體外的應(yīng)用，在要求一種或多種分子的少量(毫克或毫微克)的可控釋放處，例如在分析化學(xué)或醫(yī)療診斷學(xué)領(lǐng)域中，化學(xué)分子可以是寬范圍內(nèi)的任何分子。分子能有效用作PH緩沖劑、診斷試劑和在諸如聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)或其它核酸擴(kuò)增過程的復(fù)雜反應(yīng)中的試劑。在另外的實施例中，被釋放的分子是芳香劑或香水、染料或其它著色劑、甜味劑或其它濃縮的調(diào)味劑、或各種各樣的其它化合物。然而在其它實施例中，儲存室含有固定不動的分子，例如包括能參加到反應(yīng)中的所有化學(xué)物類，如試劑、催化劑(比如酶、金屬和沸石類)、蛋白質(zhì)(如抗體)、核酸、多糖、細(xì)胞和聚合物以及能夠用作診斷試劑的有機(jī)或無機(jī)分子。
可以將用于釋放的藥物或其它分子分散到基體材料上來控制釋放率。這個基體材料可以是如描述在專利號為5,797,898的美國專利中的“釋放系統(tǒng)”，其能提供一種方法來控制化學(xué)分子釋放率的降解、溶解或擴(kuò)散特性。在一個實施例中，在儲存室內(nèi)的藥物組分包含多層藥物和非藥物材料。在主動釋放結(jié)構(gòu)已經(jīng)暴露了儲存室容納物以后，由于非藥物層的介入。該多層結(jié)構(gòu)就提供了藥物釋放的多重脈沖。這樣一種策略可以用來獲得復(fù)雜的釋放輪廓，參見在這里作為文獻(xiàn)引證的公布號為2004/0247671 A1的美國專利申請。
二級裝置除非在其它地方明確指出，這里所用的術(shù)語“二級裝置”包括能夠被定位在儲存室里的任何裝置或其結(jié)合。在一個實施例中，二級裝置是傳感器或其傳感元件。這里所用的術(shù)語“傳感元件”包括用來測量或分析在某一處的化學(xué)的或離子種類、能量或一個或多個物理性能(如PH、壓力)的存在、缺失或變化的元件。傳感器的類型包括生物傳感器、化學(xué)傳感器、物理傳感器或光學(xué)傳感器。二級裝置被進(jìn)一步描述在專利號為6,551,838的美國專利中。在一個實施例中，傳感器是壓力傳感器，參見例如專利號為6,221,024和6,237,398的美國專利以及公布號為2004/0073137的美國專利申請。傳感元件的例子包括用來測量或分析在某一處的藥物、化學(xué)或離子種類、能量(或光)或一個或多個物理性能(如PH、壓力)的存在、缺失或變化的元件。還是在另一個實施例中，傳感器包括如那些用來化學(xué)探測的懸臂型的傳感器。例如，參見在這里作為文獻(xiàn)而被引證的公布號為2005/0005676的美國專利申請。
在一首選實施例中，提供裝置來植入患體(例如人或其他哺乳動物)中并且儲存室容納物包含至少一個能指示在患體中的生理條件的傳感器。例如，傳感器可以監(jiān)測存在于血液、血漿、間質(zhì)液、玻璃狀液或者患體的其它體液中的葡萄糖、尿素、鈣或荷爾蒙的濃度。
在一個實施例中，兩個結(jié)合在一起的基片包括至少一個空腔，其被限定在包含微型機(jī)電加工系統(tǒng)裝置的一個或兩個基片部分中。該微型機(jī)電加工系統(tǒng)裝置可以在第三基片上。在密封的空腔中的空間可以被抽空，或者含有惰性氣體或氣體混合物(如氮氣、氦氣)。微型機(jī)電加工系統(tǒng)裝置可以是現(xiàn)有技術(shù)中已知的一種例如壓力傳感器、加速計、回轉(zhuǎn)儀、共鳴器。在另一個實施例中，至少一個結(jié)合的基片是由玻璃加工成形的，并且空腔包含光學(xué)傳感器或能被光學(xué)測定的化合物。
為了接受和分析用位于主要裝置內(nèi)的二級裝置所獲得的數(shù)據(jù)存在著幾種選擇，該主要裝置可以是微片裝置或另外的裝置?？梢酝ㄟ^現(xiàn)場微處理器或遙控裝置來控制該主要裝置。生物傳感器信息提供輸入到控制器來自動地、人工介入或兩者結(jié)合的方式來測定激活的時間和類型。例如，通過裝置攜帶的(如包裝內(nèi)的)微處理器或狀態(tài)機(jī)可以來控制裝置的運行。從裝置輸出的信號在必要時通過合適的電路調(diào)節(jié)后可以通過微處理器而獲得。經(jīng)過分析和處理后，輸出信號可以被儲存在可寫的計算機(jī)存儲芯片，和/或被送到(如通過無線的方式)遠(yuǎn)離微芯片的遠(yuǎn)程位置。通過在本地的電池或遠(yuǎn)程的無線傳輸方式，就可以給微芯片系統(tǒng)供能。參見如公布號為2002/0072784的美國專利申請。
在一個實施例中，所要提供的裝置具有包含用于釋放的藥物分子和傳感器/傳感元件在內(nèi)的儲存室容納物。例如，傳感器或傳感元件可以被定位在儲存室里，或者被粘結(jié)到裝置基片上。傳感器與裝置之間可以在運行中比如通過微處理器來相互溝通，以控制或修改藥物釋放變量，包括劑量和頻率、釋放時間、釋放的有效率、藥物或藥物組合物的選擇以及其它類似的變量。傳感器或傳感元件探測(或不探測)在體內(nèi)植入的位置上的種類和性能，并且可進(jìn)一步傳遞信號到用來控制從裝置中釋放的微處理器上。這樣的信號可對藥物的釋放提供反饋和/或細(xì)微地控制藥物的釋放。在另外的實施例中，該裝置包括能夠探測和/或測量患者體內(nèi)的信號的一個或多個生物傳感器(可以被密封在儲存室中直到需要使用)。在一種變化中，可植入的醫(yī)療裝置包括由這里所描述的被密封的傳感器組成的儲存室，并且從傳感器來的信號被傳輸?shù)?通過許多方式，包括硬線或遙感勘測)隔開的藥物遞送裝置中，該藥物遞送裝置可以是耐磨的(如外用的)或內(nèi)部的泵，信號用在藥物劑量的控制中。
這里所用的術(shù)語“生物傳感器”包括能將主要的分析物的化學(xué)勢轉(zhuǎn)換成電信號(例如通過將機(jī)械能或熱能轉(zhuǎn)換成電信號)的傳感裝置，以及直接地或間接地測量電信號的電極。例如，生物傳感器可以測量在各種體內(nèi)位置的組織結(jié)構(gòu)上的固有電信號(心電圖EKG、腦電圖EEG或其它神經(jīng)信號)、壓力、溫度、PH值或機(jī)械載荷。通過例如微處理器/控制器，從生物傳感器來的電信號能隨后被測量，然后該電信號能將信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制器、另一個本地控制器或兩者一起。例如，該系統(tǒng)可以用來傳遞或記錄患者的生命體征的信息，或像藥物濃度之類的植入環(huán)境信息。
在首選實施例中，本裝置包含用于葡萄糖監(jiān)測和胰島素控制的一個或多個傳感器。從傳感器來的信息可以被用來主動地控制胰島素從同一個裝置或從各自分離的胰島素輸送裝置(例如，或者是裝在外面的常規(guī)的胰島素泵，或者是內(nèi)部植入的常規(guī)的胰島素泵)中釋放。真空密封的儲存室裝置以可植入的多重儲存室裝置的形式而被提供，該裝置儲存了一批葡萄糖傳感器并能傳送(通過線路或無線方式)葡萄糖讀數(shù)到手持的或裝定的葡萄糖儀表型裝置中去，這就允許患者能自己人工服用胰島素(比如通過注射)。其它實施例能檢測其它分析物并以類似的方式傳送其它類型的藥物。
儲存室蓋這里所用的術(shù)語“儲存室蓋”是指隔膜、薄膜或適合于用來將儲存室里的容納物從儲存室的外部環(huán)境中隔離出來的其它結(jié)構(gòu)，但其確定為在選定的時間被移去或分解以打開儲存室以及暴露其中的容納物。在首選實施例中，不連續(xù)的儲存室蓋完全覆蓋了儲存室開口的其中一個。在另一實施例中，不連續(xù)的儲存室蓋覆蓋了兩個或多個小于全部的儲存室開口。在首選的主動控制的裝置中，儲存室蓋包括響應(yīng)所應(yīng)用的激勵(例如電場或電流、磁場、PH值的變化或者通過熱的、化學(xué)的、電化學(xué)的或機(jī)械的方式)而能被分解或被浸透的任何材料。合適的儲存室蓋材料的例子包括金、鈦、鉑、錫、銀、銅、鋅、合金以及像金一硅和金一錫之類的低共熔混合物材料。在單個的裝置中可以存在任意結(jié)合的主動或被動阻擋層。
在一個實施例中，儲存室蓋是導(dǎo)電的并且無孔的。在首選實施例中，儲存室蓋是薄金屬膜的形式。在另一實施例中，儲存室蓋是有多層金屬層組成，如鉑/鈦/鉑的多層狀/片狀結(jié)構(gòu)。例如，頂部層和底部層可以被選來用作在儲存室蓋上(典型地僅是在儲存室蓋的一部分上)的粘附層，以確保蓋子既與在儲存室開口、儲存室蓋支撐周圍的基片區(qū)域又和絕緣覆蓋層粘附/結(jié)合在一起。一種情形中，結(jié)構(gòu)為鈦/鉑/鈦/鉑/鈦，其中頂部層和底部層作為粘附層，并且含鉑的層提供了額外的穩(wěn)定性/生物穩(wěn)定性以及對主要的中間鈦層的保護(hù)。這些層的厚度，比如對中間的鈦層來說可以是300納米，對每一個鉑層來說是40納米，以及對粘附鈦層來說是10至15納米。
用于分解或浸透儲存室蓋的控制裝置容納裝置包括促進(jìn)并控制儲存室開口的控制裝置，用于例如如這里所描述的在儲存室密封之后的一選定時間分解或浸透儲存室蓋?？刂蒲b置包含結(jié)構(gòu)元件和用于供能和控制儲存室容納物的開始釋放或暴露的時間的電子元件(例如，線路和電源)。
控制裝置有許多形式。在一實施例中，儲存室蓋由金屬膜和控制裝置組成，該金屬膜能通過如描述在公布號為2004/0121486 A1的美國專利申請中的電熱消融所分解；該控制裝置包括硬件、電子元件以及用來控制和從電源(比如電池、儲能電容器)傳送電能到選定的儲存室蓋來激活比如儲存室開口的軟件。例如，本裝置包括電源，用來施加貫穿電輸入導(dǎo)線、電輸出導(dǎo)線和被連接到其中的儲存室蓋的電流，以達(dá)到總體上能有效地分解儲存室蓋。在本地通過電池、電容器、(生物)燃料電池，或者遠(yuǎn)程地通過無線傳輸方式，電能可以被供給到多蓋儲存室系統(tǒng)的控制裝置中，如在公布號為2002/0072784的美國專利申請中所描述的。電容器可以在本地通過裝置攜帶的電池，或在遠(yuǎn)程通過如射頻信號或超聲波方式而被充電。
在一個實施例中，控制裝置包括輸入源、微處理器、計時器、多路信號分離器(或多路轉(zhuǎn)換器)。計時器和多路信號分離器(多路轉(zhuǎn)換器)電路可以在制作過程中被直接設(shè)計和安裝到基片的表面上。在另一實施例中，控制裝置的部分元件設(shè)置為隔離的元件，其可被限定到或被解除限定到裝置的儲存室部分。例如，控制器和/或電源可物理地從多蓋儲存室裝置上移除，但是可操作地連接到多蓋儲存室裝置和/或與之有信息傳遞。在一個實施例中，多蓋儲存室系統(tǒng)的運行通過在裝置中攜帶的(例如在植入裝置內(nèi)的)微處理器來控制。另一實施例中，使用了簡易的狀態(tài)機(jī)，因為它與微處理器相比要更簡單、更小、和/或耗電更少。
其它儲存室開口和釋放控制方法被描述在這里作為參考文獻(xiàn)而被引證的專利號為5,797,898、6,527,762和6,491,666的美國專利，公布號為2004/0121486、2002/0107470 A1、2002/0072784 A1、2002/0138067 A1、2002/0151776 A1、2002/0099359 A1、2002/0187260 A1和2003/0010808 A1的美國專利申請，以及公布號WO 2004/022033 A2、WO 2004/026281的PCT申請，和專利號為5,797,898、6,123,861和6,527,762的美國專利中。
多蓋儲存室系統(tǒng)/裝置的應(yīng)用這里所描述的多蓋儲存室釋放/暴露裝置和系統(tǒng)可以使用在非常多的場合。首選的應(yīng)用包括藥物、生物傳感器或其結(jié)合的有控制的傳輸。在一首選實施例中，該多蓋儲存室系統(tǒng)是可植入醫(yī)療裝置的一部分。這種可植入醫(yī)療裝置具有各種形式，并且可以被用在各種治療和/或診斷應(yīng)用場合。在一個實施例中，儲存室在長期的時間里儲存和釋放藥物組分。在另一個實施例中，儲存室儲存和包含傳感器來有選擇性的暴露，其中儲存室根據(jù)需要(例如取決于傳感器的污垢)或者按照預(yù)定的時間進(jìn)度指示而被打開。例如，儲存室可以包含壓力傳感器、化學(xué)傳感器或生物傳感器。在特殊實施例中，儲存室包含葡萄糖傳感器，其可以例如由被固定儲存室里的電極上的葡萄糖氧化酶所組成并被涂有一層或多層滲透/半滲透膜。因為在預(yù)期使用時間之前被暴露到環(huán)境中(如身體)酶會失去活性，密封的儲存室用以保護(hù)酶直到其被需要使用。
仍是在另外的實施例中，這里所描述的多蓋儲存室系統(tǒng)和裝置被裝入到多種其它裝置中。例如，被真空密封的儲存室可以被整體裝入到可植入醫(yī)療裝置的其它類型和設(shè)計中去，例如在公布號為2002/0111601的美國專利申請中所描述的導(dǎo)尿管和電極。在另外的實施例中，如專利號為6,491,666的美國專利所說明的，其可以被裝入到另一個醫(yī)療裝置中去，其中本裝置和系統(tǒng)釋放藥物到攜帶液中，隨后該攜帶液就流到所要求的施藥位置。被真空密封的儲存室也可以被裝入到藥物泵、呼吸器或其它肺部藥物輸送裝置中。
這里所描述的密封裝置也有眾多的在體外的和商業(yè)診斷中的應(yīng)用實例。這些裝置能夠輸送經(jīng)過精確計量的一定數(shù)量的分子，并因而用于在體外的應(yīng)用，例如分析化學(xué)和醫(yī)學(xué)診斷，以及例如將基因輸送到細(xì)胞培養(yǎng)物中的生物學(xué)應(yīng)用。仍是在其它非醫(yī)療應(yīng)用中，這些裝置可以用來控制芳香劑、染料或其它有用化學(xué)物的釋放。
還有其它應(yīng)用被描述在這里作為參考文獻(xiàn)而被引證的專利號為5,797,898、6,527,762、6,491,666和6,551,838的美國專利和公布號為2002/0183721、2003/0100865、2002/0099359、2004/0082937、2004/0127942、2004/0121486、2004/0106914和2004/0106953的美國專利申請中。
參考下面的非限制性例子可以更進(jìn)一步的理解本發(fā)明的實施例。
例1.舌狀物和凹槽真空密封真空密封可以使用舌狀物和凹槽連接設(shè)計而制成。該密封是通過壓入式冷焊工藝而形成的。圖3示出了該密封的掃描電子顯微攝影(SEM)。基片是硅(頂部)和氧化鋁(底部)。金屬為金(在硅上濺鍍、在氧化鋁上先濺鍍后電鍍)。這些部件被結(jié)合到一個型號為FC-150的倒裝晶片校準(zhǔn)器上，其為提供在x、y、z方向的精確校準(zhǔn)和傾斜、滾動和偏轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)。一旦這些部件被校準(zhǔn)后，F(xiàn)C-150倒裝晶片校準(zhǔn)器就將這些部件壓到一起，并形成了冷焊結(jié)合。例2.結(jié)構(gòu)特征尺寸和金屬厚度的變化對密封性的影響通過使用不同的結(jié)構(gòu)特征尺寸和金屬層厚度就可以制作幾種不同的連接設(shè)計。這些連接是壓入式冷焊的，并且根據(jù)部件的幾何結(jié)構(gòu)或者是采用染色滲透劑試驗或者是采用氦檢漏儀，使這些密封連接可以用于泄漏測試。如下面的表1所示，可以發(fā)現(xiàn)在所測試的范圍內(nèi)密封完整性與結(jié)構(gòu)特征尺寸和金的金屬層厚度無關(guān)。無法檢測到的泄漏率會低于檢漏儀下限或小于5e-11大氣壓×立方厘米/秒。
表1.各種連接密封-密封測試的比較

例3.具有單獨密封結(jié)構(gòu)特征的微細(xì)加工的空腔排列提供了具有補充空腔和密封結(jié)構(gòu)特征的兩個硅基片用于壓入式冷焊。該密封結(jié)構(gòu)特征包括被微細(xì)加工到一個基片上面/里面的凸起，以及與之相匹配的被微細(xì)加工到另一個基片上面/里面的凹槽。一淺的、寬的空腔形成在每一凹槽的內(nèi)部和每一凸起的內(nèi)部。圖27A-B顯示了最后結(jié)果的基片和密封結(jié)構(gòu)特征。
在此引證的出版物是作為參考文獻(xiàn)而用的，這里所描述的方法和裝置的改動和變化對本領(lǐng)域的熟練人員來說從前面詳細(xì)的描寫中是顯而易見的。這樣的改動和變化在從屬權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種將至少兩個基片真空密封到一起的方法，包括，提供第一基片，該第一基片具有包括第一金屬的第一連接表面構(gòu)成的至少一個第一連接結(jié)構(gòu)；提供第二基片，該第二基片具有包括第二金屬的第二連接表面構(gòu)成的至少一個第二連接結(jié)構(gòu)；和將所述至少一個第一連接結(jié)構(gòu)和至少一個第二連接結(jié)構(gòu)壓到一起，以使連接表面在一個或多個接觸面上局部地產(chǎn)生變形和剪切，總體效果上達(dá)到在連接表面的第一金屬和第二金屬之間形成一種金屬對金屬的結(jié)合。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括，在壓入步驟之前，將至少一個第一連接結(jié)構(gòu)對準(zhǔn)在至少一個第二連接結(jié)構(gòu)上，以致在至少一個第二連接結(jié)構(gòu)上給予至少一個第一連接結(jié)構(gòu)一個或多個重疊部分，其中，所述一個或多個重疊部分在壓入過程中產(chǎn)生連接表面的一個或多個接觸面。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述一個或多個重疊部分有效地去除表面雜質(zhì)，并在沒有熱量輸入的情況下在連接表面之間便利地產(chǎn)生緊密接觸。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一個第一連接結(jié)構(gòu)由至少一個舌狀物結(jié)構(gòu)構(gòu)成，并且至少一個第二連接結(jié)構(gòu)由至少一個凹槽結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其中將至少一個第一連接結(jié)構(gòu)和至少一個第二連接結(jié)構(gòu)壓入到一起的步驟包括將至少一個舌狀物結(jié)構(gòu)至少部分地壓入到至少一個凹槽結(jié)構(gòu)中。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述至少一個舌狀物結(jié)構(gòu)具有一個從1微米到100微米的舌狀物高度范圍，和從1微米到100微米的舌狀物寬度范圍，以及至少一個凹槽結(jié)構(gòu)具有一個從1微米到100微米的凹槽深度范圍，和從1微米到100微米的凹槽寬度范圍。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，第一金屬、第二金屬或兩者一起由金或鉑組成。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，第一金屬、第二金屬或兩者一起由從金、銦、鋁、銅、鉛、鋅、鎳、銀、鈀、鎘、鈦、鎢、錫及其結(jié)合所組成的金屬組群中選擇出來的一種金屬構(gòu)成。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，第一金屬和第二金屬是不同的金屬。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，第一基片、第二基片或兩者一起由硅、玻璃、陶瓷、聚合物、金屬或其結(jié)合所組成的材料組群中選擇出來的一種材料構(gòu)成。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，第一連接結(jié)構(gòu)、第二連接結(jié)構(gòu)或兩者一起由從金屬、陶瓷、玻璃、硅及其結(jié)合所組成的組群中選擇出來的一種材料構(gòu)成。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，第一連接結(jié)構(gòu)、第二連接結(jié)構(gòu)或兩者一起由從銦、鋁、金、鉻、鉑、銅、鎳、錫、其合金及其組合構(gòu)成。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，至少一個第一連接結(jié)構(gòu)是通過將至少一個預(yù)成型結(jié)構(gòu)結(jié)合到第一基片上而形成的。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，第一連接表面通過電鍍工藝、蒸發(fā)、化學(xué)氣相沉積工藝、陰極濺鍍、電子束蒸發(fā)或濕性蝕刻工藝而形成。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在第一基片和第二基片之間提供一個或多個預(yù)成型件，其中將至少一個第一連接結(jié)構(gòu)和至少一個第二連接結(jié)構(gòu)壓到一起的步驟進(jìn)一步包含在具基片或連接表面的預(yù)成型件接觸面處使一個或多個預(yù)成型件產(chǎn)生變形和剪切。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述預(yù)成型件由金屬、聚合物或者經(jīng)過金屬化處理的聚合物構(gòu)成。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，第一連接結(jié)構(gòu)和第一連接表面是覆蓋在第一基片的至少部分表面的一層金屬。
17.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在一個或多個接觸面處加熱連接表面。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，壓入步驟和加熱步驟基本上同時進(jìn)行。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，連接表面用微型加熱器加熱。
20.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括將超聲波能運用到在一個或多個接觸面處的連接表面中。
21.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括將第一基片和第二基片夾緊或焊接到一起。
22.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，結(jié)合在一起的基片包括限定在其中的至少一個空腔。
23.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該至少第一基片由含有儲存室容納物的多個不連續(xù)的儲存室組成，每一個儲存室彼此真空密封，以及與外界環(huán)境真空密封。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，儲存室容納物由生物傳感器或其它二級裝置組成。
25.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，儲存室容納物包含有藥物組分。
26.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，儲存室容納物含有芳香劑或香水化合物、染料或其它著色劑、甜味劑或調(diào)味劑。
27.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，變形步驟在真空或在一種惰性氣體環(huán)境下進(jìn)行操作，相對于在大氣中進(jìn)行操作有效減少了連接結(jié)構(gòu)的氧化。
28.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，第一基片含有一個空腔，在第一和第二連接結(jié)構(gòu)被壓到一起之前，該空腔中定位有第三基片。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，所述第三基片包括傳感器、微型機(jī)電加工系統(tǒng)或其組合。
30.一種將至少兩種基片真空密封在一起的方法，包括提供一個第一基片，該第一基片具有包含第一連接表面的至少一個第一連接結(jié)構(gòu)，該第一連接表面由利用一薄層金屬進(jìn)行過金屬化處理的第一塑性聚合物組成；提供一個第二基片，該第二基片具有包含第二連接表面的至少一個第二連接結(jié)構(gòu)，該第二連接表面由利用一薄層金屬進(jìn)行過金屬化處理的第二塑性聚合物組成；和將該至少一個第一連接結(jié)構(gòu)和該至少一個第二連接結(jié)構(gòu)壓到一起，以使連接表面在一個或多個接觸面處產(chǎn)生局部的變形，總體效果上達(dá)到在第一和第二連接表面之間形成一種結(jié)合。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，第一或第二經(jīng)過金屬處理的聚合物或者兩者一起的金屬層由金、鉑或者其結(jié)合所組成。
32.一種容納裝置，包括一個第一基片，其具有一前側(cè)面和一后側(cè)面，并且包括至少一種由第一連接表面是第一金屬所組成的第一連接結(jié)構(gòu)；一個第二基片，其具有至少一種由第二連接表面是第二金屬所組成的第二連接結(jié)構(gòu)；一個真空密封，其形成在第一基片和第二基片之間并且連接兩基片，其中該真空密封通過在一個或多個接觸面上壓入式冷焊第一連接表面到第二連接表面上而制成；和至少一個容納空間，其被限定在真空密封內(nèi)的第一基片和第二基片之間，使得該容納空間與外界環(huán)境真空密封。
33.如權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于，該至少一個容納空間由被定位在前側(cè)面和后側(cè)面之間的該至少一個第一基片中的多個不連續(xù)的儲存室構(gòu)成。
34.如權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于，該至少一個容納空間由傳感器、微型機(jī)電加工裝置或其結(jié)合所組成。
35.如權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于，該至少一個容納空間由藥物組分組成。
36.如權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于，該連接表面在沒有熱量輸入的條件下，通過形成金屬對金屬的結(jié)合而被連接在一起。
37.如權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于，該至少一個第一連接結(jié)構(gòu)和該至少一個第二連接結(jié)構(gòu)包含一舌狀物和凹槽連接。
38.如權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于，第一金屬、第二金屬或兩者由金、鉑或其組合構(gòu)成。
39.如權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于，基片由從硅、金屬、陶瓷、聚合物、玻璃及其組合所組成的材料組群中挑選出來的一種材料構(gòu)成。
40.如權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于，預(yù)成型結(jié)構(gòu)在第一和第二連接結(jié)構(gòu)之間變形。
41.如權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于，第一連接結(jié)構(gòu)或第二連接結(jié)構(gòu)由微型加熱器組成。
42.如權(quán)利要求41所述的裝置，進(jìn)一步包含鄰近微型加熱器的一中間層。
43.如權(quán)利要求41所述的裝置，其特征在于，第一連接結(jié)構(gòu)或第二連接結(jié)構(gòu)包含一個通過外部感應(yīng)加熱器有效加熱該結(jié)構(gòu)的磁性材料。
44.如權(quán)利要求32所述的裝置，進(jìn)一步包含一夾具，用來將基片連接在一起。
45.如權(quán)利要求32所述的裝置，進(jìn)一步包含一焊接材料，用來將第一基片和第二基片緊固在一起。
46.如權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于，第一基片進(jìn)一步包含多個與至少一個容納空間相通的不連續(xù)開口，所述的開口被多個不連續(xù)的儲存室蓋封閉。
47.如權(quán)利要求46所述的裝置，其特征在于，所述儲存室蓋包含一金屬薄膜，并且所述裝置包括用來選擇性的分解儲存室蓋的裝置。
48.一種用來控制位于真空密封儲存室中容納物的暴露或釋放的可植入的醫(yī)療裝置，包括一個第一基片；多個不連續(xù)的儲存室，其設(shè)置在第一基片中，該儲存室具有第一開口和位于第一開口末梢的第二開口；儲存室容納物，其位于儲存室內(nèi)，其中該儲存室容納物包括藥物或生物傳感器；多個不連續(xù)的儲存室蓋，用來封閉第一開口；用來有選擇地分解儲存室蓋的裝置；以及一個第二基片和一個密封和封閉第二開口的密封連接，其中該密封連接通過壓入式冷焊制成。
49.如權(quán)利要求48所述的裝置，其特征在于，該密封連接包含一舌狀物和凹槽接觸面。
50.一種形成電通道連接的方法，包括提供一個第一非導(dǎo)電基片，其具有一個通過其中的孔，其中限定所述孔的所述第一基片的內(nèi)表面包括一層第一導(dǎo)電材料；提供一個第二非導(dǎo)電基片，其具有從所述第二基片表面延伸出的突出部件，其中所述突出部件由一個第二導(dǎo)電材料形成或涂覆而成；以及將所述第二基片的突出部件壓入到所述第一基片的孔中，以使第一和/或第二導(dǎo)電層產(chǎn)生局部的變形和剪切，總體效果上在第一和第二導(dǎo)電層之間形成一種結(jié)合和電連接。
全文摘要
提供了壓入式冷焊方法、連接結(jié)構(gòu)和真空密封的容納裝置。所述方法包括提供第一基片，該第一基片具有包括第一金屬的第一連接表面構(gòu)成的至少一個第一連接結(jié)構(gòu)；提供第二基片，該第二基片具有包括第二金屬的第二連接表面構(gòu)成的至少一個第二連接結(jié)構(gòu)；將所述至少一個第一連接結(jié)構(gòu)和至少一個第二連接結(jié)構(gòu)壓到一起，以使連接表面在一個或多個接觸面上局部地產(chǎn)生變形和剪切，總體效果上達(dá)到在連接表面的第一金屬和第二金屬之間形成一種金屬對金屬的結(jié)合。連接表面處的重疊有效地移除了表面雜質(zhì)，并在沒有熱量輸入的情況下在連接表面之間便利地產(chǎn)生緊密接觸。真空密封裝置可包括藥物組分、生物傳感器或MEMS裝置。
文檔編號B81B7/00GK101080359SQ200580037866
公開日2007年11月28日 申請日期2005年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月4日
發(fā)明者喬納森·R.·科佩塔, 庫爾特·謝爾頓, 小諾曼·F.·謝潑德, 道格拉斯·B·斯內(nèi)爾, 凱瑟琳·M·B·圣蒂尼 申請人:微芯片公司