压入式冷焊密封方法和装置
| 专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; 实质审查; 驳回; |
| 专利有效性 | 无效专利 | 当前状态 | 驳回 |
| 申请号 | CN201510198785.2 | 申请日 | 2005-11-04 |
| 公开(公告)号 | CN104925744A | 公开(公告)日 | 2015-09-23 |
| 申请人 | 微芯片生物技术公司; | 申请人类型 | 企业 |
| 发明人 | 乔纳森·R.·科佩塔; 库尔特·谢尔顿; 小诺曼·F.·谢泼德; 道格拉斯·B·斯内尔; 凯瑟琳·M·B·圣蒂尼; | 第一发明人 | 乔纳森·R.·科佩塔 |
| 权利人 | 微芯片生物技术公司 | 权利人类型 | 企业 |
| 当前权利人 | 微芯片生物技术公司 | 当前权利人类型 | 企业 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份： | 城市 | 当前专利权人所在城市： |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：美国马萨诸塞 | 邮编 | 当前专利权人邮编： |
| 主IPC国际分类 | B81C1/00 | 所有IPC国际分类 | B81C1/00 ; H01L23/31 ; H01L23/10 ; B23K20/02 ; F16B4/00 ; F16B11/00 ; F16B5/08 ; A61K9/00 |
| 专利引用数量 | 5 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 23 | 专利文献类型 | A |
| 专利代理机构 | 北京市金杜律师事务所 | 专利代理人 | 苏娟; 徐年康; |
| 摘要 | 提供了压入式冷焊方法、连接结构和 真空 密封的容纳装置。所述方法包括提供第一基片，该第一基片具有包括第一金属的第一连接表面构成的至少一个第一连接结构；提供第二基片，该第二基片具有包括第二金属的第二连接表面构成的至少一个第二连接结构；将所述至少一个第一连接结构和至少一个第二连接结构压到一起，以使连接表面在一个或多个 接触 面上局部地产生 变形 和剪切，总体效果上达到在连接表面的第一金属和第二金属之间形成一种金属对金属的结合。连接表面处的重叠有效地移除了表面杂质，并在没有热量输入的情况下在连接表面之间便利地产生紧密接触。真空密封装置可包括药物组分、 生物 传感器 或MEMS装置。 | ||
| 权利要求 | 1.一种将至少两个基片真空密封到一起的方法，所述方法包括： |
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| 说明书全文 | 压入式冷焊密封方法和装置[0002] 参考相关申请 [0003] 本申请要求申请日为2004年11月4日申请号为60/625,053的美国临时申请为优先权，该申请整体作为参考文献在此被引入。 技术领域[0004] 本发明一般地涉及用于将部件密封在一起的方法和装置的领域，尤其是涉及用于装置和/或可植入的医用装置的真空密封方法。 背景技术[0006] 在申请号为5,797,898、6,527,762、6,491,666和6,551,838的美国专利中描述了需要密封的装置的实例，在此作为参考文献引入。这些用于储存物质的可控释放或暴露的装置包括多个容纳有储存室容纳物的储存室。储存室里可能容纳有用于释放的药物成分、用于暴露的传感器或两者的结合。在构造这些装置时，经常有必要对两个或多个基片或其它部件进行密封，这些基片或部件容纳有储存室和储存室容纳物，或者与装置的运行有关联的电子元件。 [0007] 在现有技术中已知有各种密封方法，实例有：在美国专利6,730,072中描述了使用聚合物衬垫和挡板，在美国专利6,827,250中描述了用于气密性密封微型储存室的各种技术，包括高温激光或电阻焊接、低温焊接、超声波焊接和金属压入衬垫，以及公布号为2005/0050859 A1的美国专利申请中所描述的实例在此作为引用参考文献。这些方法对所有的密封应用场合可能不适合或不理想。 [0008] 在外界环境的作用下，由于金属表面被覆盖有一层表面氧化层、有机杂质层或者两者都有，对金属结合结构的形成担当了屏障，因此当被推向一起的时候金属表面并不会显著地结合。然而，两个平坦的金属表面在超过金属屈服应力的压力作用下会引起表面变形，屏障被移除，露出了干净的可以结合的金属层。不过，两个被挤压在一起的平坦表面即便是有显著的金属变形，实际的结合区域也要明显低于配合面区域，(参见“焊接研究增刊”，1975年9月，第302页至310页，Mohamed&Washburn；“焊接及铰接过程”3.371J/13.391J“制造技术”，T.Eagar，麻省理工学院)。这种低结合区域的特性是因为两种现象引起。首先，新露出金属的表面部分对平坦表面的变形总量的作用并不强；其次，表面不平整也阻碍了表面的大部分区域的相互作用和结合。由于表面没有完全结合，就可能存在泄漏通道，从而阻碍真空密封的形成。 [0009] Ferguson等人在1991年8月16日出版的“科学”杂志新系列第253期(总5021期)第776-778页发表的“弹性支撑的薄金膜的接触粘附：在外界环境下的冷焊”中，披露了一种在外界环境下通过在塑性聚合物上面使薄金的金属表面保持接触来实现金对金的结合方式。然而，这种方式的结果是结合界面具有没被结合在一起的杂质的“岛状物”，这些岛状物可能会形成不间断的泄露通道。 [0010] 本发明意图提供改进的密封方法，用于为一系列材料在低温条件下形成真空密封。本发明还意图在一种相对简单并且成本上有效的过程中，单独地、气密地密封在至少两个基片之间紧密间隔的储存室，特别是用于具有高可靠性的大规模生产中。 发明内容[0011] 一方面，压入式冷焊方法和结构是为了把至少两个基片气密性密封到一起而采用的。它能方便地提供一种真空密封而没有热量输入到密封过程中来，在许多那种附加的热量对紧靠着结合区域的装置、组分或材料是有害的应用场合下，这种密封是很令人满意的。 [0012] 在一首选实施方式中，此种方法包括，提供具有至少一个第一连接结构的第一基片，该第一连接结构由第一金属组成的第一连接表面构成；提供具有至少一个第二连接结构的第二基片，该第二连接结构由第二金属组成的第二连接表面构成；以及将前述的至少一个第一连接结构和至少一个第二连接结构压到一起，使连接表面在一个或多个接触面上局部地产生变形和剪切，总体上有效的在连接表面的第一金属和第二金属之间形成一种金属对金属的结合。在一个实施例中，本方法进一步包括，在压入步骤之前，将至少一个第一连接结构对准到至少一个第二连接结构上，以致能将至少一个第一连接结构的一个或多个重叠部分给予到至少一个第二连接结构上，其中一个或多个重叠部分在压入工艺中就产生了这些连接表面的一个或多个接触面。在首选实施例中，这一个或多个重叠部分能有效地去除表面杂质并能便利地在没有热量输入的情况下在连接表面之间产生紧密接触。在一特定实施例中，至少一个第一连接结构是由至少一个舌状结构构成，并且至少一个第二连接结构是由至少一个凹槽结构构成，其中把至少一个第一连接结构和至少一个第二连接结构压入到一起的步骤包括把至少一个舌状结构至少部分地压入到至少一个凹槽结构中。在一个实施例中，至少一个舌状结构具有一个从1微米到100微米的舌状高度范围，和从1微米到100微米的舌状宽度范围，以及至少一个凹槽结构具有一个从1微米到100微米的凹槽深度范围，和从1微米到100微米的凹槽宽度范围。 [0013] 各种不同结构的材料可以组合使用，例如，该第一金属、第二金属或两者一起都可由金或铂组成。在其它的实施例中，第一金属、第二金属或两者一起都可由从金、铟、铝、铜、铅、锌、镍、银、钯、镉、钛、钨、锡及其结合所组成的金属组群中选择出来的一种金属所组成。第一金属和第二金属可以是不同的金属。第一基片、第二基片或两者一起都可由硅、玻璃、陶瓷、聚合物、金属或其结合所组成。第一连接结构、第二连接结构或两者一起都可由从金属、陶瓷、玻璃、硅及其结合所组成的组群中选择出来的一种材料组成。在一个实施例中，第一连接结构、第二连接结构或两者一起都可包括铟、铝、金、铬、铂、铜、镍、锡、其合金以及其组合。 [0014] 在一实施例中，至少一个第一连接结构是通过把至少一个预成型结构结合到第一基片上而形成的。第一连接表面可以通过诸如电镀工艺、蒸发作用、化学气相沉积工艺、阴极溅镀、电子束蒸发或湿性蚀刻工艺而形成。在一实施例中，第一连接结构和第一连接表面是覆盖在第一基片表面的至少一部分的金属层。 [0015] 在一实施例中，本方法可以进一步包括在第一基片和第二基片之间提供一个或多个预成型件，其中，把至少一个第一连接结构和至少一个第二连接结构压到一起的步骤进一步包括在具有基片或连接表面的预成型件接触面处使一个或多个预成型件产生变形和剪切。在一实施例中，预成型件由金属、聚合物或者经过金属化处理的聚合物构成。 [0016] 在一实施例中，本方法进一步包括在一个或多个接触面处加热连接表面。压入步骤和加热步骤可以基本上同时进行。在一实施例中，连接表面是用微型加热器来加热。在另一实施例中，密封方法进一步包括将超声波能量运用到位于一个或多个界面处的接合表面中。 [0017] 然而，在另外的实施例中，密封方法进一步包括把第一基片和第二基片夹紧或焊接到一起。 [0018] 在本方法的一个首选实施方式中，结合的基片包括限定在其中的至少一个空腔。在一个实施例中，该至少一个第一基片包括容纳有储存室容纳物的多个不连续的储存室，每一储存室相互之间和与外界环境之间都是真空密封的。在一个实施例中，储存室容纳物包括生物传感器或其它二级装置。在另一个实施例中，储存室容纳物包含有药物组分。依然是在另一个实施例中，储存室容纳物含有芳香剂或香味混合物、染料或其它着色剂、甜味剂、或调味剂。在一个实施例中，第一基片包含有一个空腔，在第一和第二连接结构被压到一起之前，第三基片位于该空腔中。第三基片可以包括诸如传感器、微型机电加工系统装置(MEMS device)或其组合。 [0019] 在一个实施例中，工艺中的变形步骤是在真空或在一种惰性气体环境下操作的，这相对于在大气中进行操作将有效地减少连接结构的氧化。 [0020] 在一个实施例中，提供了一种将至少两个基片真空密封在一起的方法，包括如下步骤：提供了一个具有包含第一连接表面的至少一个第一连接结构的第一基片，该第一连接表面由利用一薄层金属来进行金属化处理的第一塑性(compliant)聚合物组成；提供了一个具有包含第二连接表面的至少一个第二连接结构的第二基片，该第二连接表面由利用一薄层金属来进行金属化处理的第二塑性聚合物组成；以及将该至少一个第一连接结构和该至少一个第二连接结构压到一起使连接表面在一个或多个接触面处产生局部的变形，以在总体效果上达到在第一和第二连接表面之间形成一种结合。在一个实施例中，第一或第二经过金属处理的聚合物或者两者一起的金属层是由金、铂或者其结合所组成。 [0021] 在另一方面，提供了一种容纳装置，其包括：一个第一基片，具有一前侧面和一后侧面，并且包括至少一个由第一连接表面是第一金属所组成的第一连接结构；一个第二基片，具有至少一个由第二连接表面是第二金属所组成的第二连接结构；一个真空密封，在第一基片和第二基片之间形成并且连接第一基片和第二基片，其中该真空密封是通过在一个或多个接触面上将第一连接表面压入式冷焊到第二连接表面上而制成的；以及至少一个容纳空间，其被限定在真空密封内的第一基片和第二基片之间，使得该容纳空间与外界环境真空密封开来。在一个实施例中，该至少一个容纳空间包括多个不连续的储存室，其位于被定位在前侧面和后侧面之间的该至少一个第一基片中。在各种实施方式中，该至少一个容纳空间包括传感器、微型机电系统装置、药物组分或其结合，容纳在上述的容纳空间里。在一种首选实施例中，该连接表面是在没有热量输入的条件下通过形成金属对金属的结合而被连接在一起的。在一个实施例中，该至少一个第一连接结构和该至少一个第二连接结构包含一舌状物和凹槽连接。 [0022] 在各种实施方式中，第一金属、第二金属或两者都可以是由金、铂或其组合所构成，并且基片可由从硅、金属、陶瓷、聚合物、玻璃及其组合所组成的材料组群中挑选出来的一种材料构成。在一种实施例中，预成型结构是在第一和第二连接结构之间被变形的。在另一种实施方式中，第一连接结构或第二连接结构包括微型加热器。在邻近微型加热器处可以有选择地设置一中间层。在一种实施例中，第一连接结构或第二连接结构可以包含一个通过外部感应加热器能有效加热该结构的磁性材料。 [0023] 该装置可以进一步包括其它紧固方式，例如，可以包括一夹具来将基片连接在一起，或者可以采用焊接材料来将第一基片和第二基片紧固在一起。 [0024] 在一种实施例中，第一基片进一步包含多个与至少一个容纳空间相连通的不连续开口，所述开口被多个不连续的储存室盖所封闭。在一种实施例中，储存室盖包含一金属薄膜，并且该装置包括用来选择性地分解(disintegrating)储存室盖的装置，诸如控制电路及电源等。 [0025] 一方面，本发明提供了一种可植入的医疗装置用来控制位于真空密封储存室中容纳物的暴露或释放。在一种实施例中，该装置包括一个第一基片；设置在第一基片中的多个不连续的储存室，该储存室具有第一开口和位于第一开口末梢的第二开口；位于储存室内的储存室容纳物，其中该储存室容纳物包括药物或生物传感器；用来封闭第一开口的多个不连续的储存室盖；用来有选择地分解储存室盖的装置；以及一个第二基片和一个密封及封闭第二开口的密封连接，其中该密封连接通过压入式冷焊制成。在一种实施例中，该密封连接包含一舌状物和凹槽接触面。 [0026] 另一方面，本发明还提供了一种电连接的方法，包括：提供一个具有一个孔通过的第一非导电基片，其中限定所述孔的所述第一基片的内表面包括一层第一导电材料；提供一个具有从所述第二基片表面延伸出的突出部件的第二非导电基片，其中所述部件是由一个第二导电材料所形成或所涂覆而成的；以及将所述第二基片的突出部件压入到所述第一基片的孔中，来使第一和/或第二导电层产生局部变形和剪切，总体效果上在第一和第二导电层之间形成一种结合和电连接。附图说明 [0027] 图1是具有舌状物和凹槽连接结构设计的密封系统的一种实施例的剖视图，其提供由压入式冷焊工艺所形成的真空密封。 [0028] 图2是具有舌状物和凹槽连接结构设计的真空密封系统的另一种实施例的剖视图，其提供了一种真空密封。左边的图示出在压入式冷焊工艺之前的结构，右边的图示出在压入式冷焊工艺之后形成的密封。 [0029] 图3是扫描的电子显微照片，示出用在图2中所示的密封设计和压入式冷焊工艺所形成的真空密封的剖视图。 [0030] 图4是具有一连接结构设计的真空密封系统的一种实施例的剖视图，该连接结构设计具有在每一连接结构处的单个冷焊剪切层。 [0031] 图5是具有金属预成型件的真空密封系统的一种实施例的剖视图，该金属预成型件能被压入式冷焊在连接结构之间。 [0032] 图6是具有金属预成型件的真空密封系统的另一种实施例的剖视图，该金属预成型件能被压入式冷焊在连接结构之间。 [0033] 图7是连接结构底部形状几何的五种不同实施例的平面图。 [0034] 图8是连接结构设计的六种不同实施例的平面图和剖视图，该连接结构设计能被用在压入式冷焊中来形成真空密封。 [0035] 图9是真空密封系统的四种实施例的剖视图，该真空密封系统用图8所示的连接结构设计的不同组合来形成。 [0036] 图10是真空密封系统的一种实施例的剖视图和放大剖视图，该真空密封系统具有一舌状物和凹槽连接结构设计。 [0037] 图11是真空密封系统的一种实施例的剖视图，该真空密封系统具有加热器和在加热器上的中间层。 [0038] 图12是真空密封系统的一种实施例的剖视图，该真空密封系统具有在连接结构核心上的微型加热器，该连接结构核心包括基片材料和在微型加热器上的中间层。 [0039] 图13是真空密封系统的一种实施例的剖视图，该真空密封系统具有与连接表面材料直接接触的微型加热器。 [0040] 图14是真空密封系统的一种实施例的剖视图，该真空密封系统具有在连接结构核心上的微型加热器，该连接结构核心包括基片材料并与连接表面材料直接接触。 [0041] 图15是具有镍钛诺夹具的真空密封系统的一种实施例的透视图。 [0042] 图16A-C是真空密封系统的一种实施例的剖视图，该真空密封系统具有焊接夹具，图示出了装配步骤。 [0043] 图17是真空密封系统的一种实施例的剖视图，该真空密封系统具有一冷焊夹具和一压入式密封材料。 [0044] 图18是包括一批储存室的装置的一种实施例的剖视图，该储存室通过舌状物和凹槽连接结构设计利用压入式冷焊工艺来单独地被真空密封。限定储存室在其中的装置的主体部分包括两个基片部分，其也是通过舌状物和凹槽连接设计利用压入式冷焊工艺来真空密封在一起。 [0045] 图19是装置的一种实施例的透视图，其包括一批储存室并具有利用压入式冷焊工艺来单独地真空密封储存室的连接设计。 [0046] 图20是真空密封系统的三种实施例的剖视图，该真空密封系统具有镀了金属连接表面的各种聚合物连接结构。 [0047] 图21是多个储存室容纳装置的一种实施例的剖视图，示出通过压入式冷焊工艺的储存室的真空密封。 [0048] 图22是密封结构的一种实施例的剖视图，该密封结构使用一结合“夹入(sandwich)”结构来保护没有承受到压入结合力作用的中间基片。 [0049] 图23是在结合之前部件的一个实施例的剖视图，该部件用于通过此处描述的压入式冷焊而形成电连接。 [0050] 图24A-B是通过此处描述的压入式冷焊而制成的电线连接的透视图。图24A示出连接前的部件，而图24B示出连接后的装配件。 [0051] 图25是在结合之前部件的一个实施例的透视图和剖视图，该部件用于通过压入式冷焊而形成电连接。 [0052] 图26是通过压入式冷焊而制成的电连接的一个实施例的透视图，图中示出材料迭放在孔和齿状物之间。 [0053] 图27A-B是两个硅基片的扫描电子显微照片(SEMs)，该硅基片具有用于压入式冷焊的微细加工的密封结构特征。 具体实施方式[0054] 本发明披露了通过压入式冷焊来形成真空密封的方法和装置。本发明的工艺和密封设计能够方便地使装置部件可靠地和有效地结合到一起，同时保护敏感装置组件和容纳物不受热量和溶剂的影响。密封工艺包括将设有一个或多个连接密封表面的两个基片压入并冷焊到一起，在压入步骤中，连接密封表面局部地产生变形和剪切从而促进分子间的扩散和结合。有利地，金属密封表面的剪切和变形基本上擦去了存在于表面上的任何金属氧化物、有机或无机杂质，从而提供了原子级干净的金属表面以促进在连接表面之间的金属对金属的结合，并因而提高了密封性。也就是说，冷焊制造了无杂质并因而能自由结合的连接表面。在首选的冷焊工艺中，高于金属屈服应力的压力引起连接结构和连接表面产生变形。金属变形达到两个目的：它在连接表面之间制造了紧密接触，以及它还除去了表面的氧化物和其它杂质，从而能产生金属对金属的结合。在金属对金属的结合是由冷焊所形成的实施例中，可以不必要使用额外的夹具。 [0055] 一方面，本发明提供了将至少两种基片真空密封在一起的一种方法，其中包括：提供第一基片的步骤，该第一基片具有至少一个包括第一连接表面的第一连接结构，该第一连接表面包括第一金属；提供第二基片的步骤，该第二基片具有至少一个包括第二连接表面的第二连接结构，该第二连接表面包括第二金属；把这至少一个第一连接结构和这至少一个第二连接结构压到一起，使连接表面在一个或多个接触面上产生局部变形和剪切，总体效果上达到在连接表面的第一金属和第二金属之间形成一种金属对金属的结合。第一金属和第二金属可以相同或不同。它们可以是同种母体金属的不同合金。即使是同样的金属，第一金属和第二金属可以具有不同的结构形态，例如晶体结构、颗粒结构等等。合适的金属表面材料包括但不限于铟、铝、铜、铅、锌、镍、银、钯、镉、钛、钨、锡及其组合，首选的是金和铂。第一基片、第二基片或两者一起可以由各种材料成形，例如硅、玻璃、陶瓷、聚合物、金属或其组合。基片材料包括但不限于石英、硼硅玻璃、各种形态的氧化铝、氮化硅及其组合。基片和至少一个第一连接结构可以由同样的或不同的材料构成。连接结构可以用现有技术中已知的各种工艺在基片里面/上面加工成形。比如包括对基片进行深反应离子蚀刻、钻孔(如激光钻孔)、研磨、微切削加工、微型机电加工处理或者超微细加工处理。第一连接结构、第二连接结构或两者一起可以包括从金属、陶瓷、玻璃、硅及其组合中挑选出来的材料。 可能的连接结构材料的实例包括金属表面和上述金属，例如铟、铝、金、铬、铂、铜、镍、锡及其合金，以及其组合，还包括各种形式的氧化铝、石英、熔融石英、二氧化硅、氮化铝、碳化硅和金刚石。连接结构可以与基片一体成型或结合到基片上。在一个实施例中，连接结构是通过把至少一个预成型结构结合到其基片上来加工成形的。该预成型结构可以通过例如电镀、化学蒸汽沉积、阴极溅镀、微型机电加工工艺、微切削加工、超微细加工工艺或阳极结合的方式来形成。该预成型结构可以通过例如热压、低温焊接或超声波焊接的方式粘结到基片上。连接结构和其连接表面可以由相同或不同的材料组成。 [0056] 在一个实施例中，该方法进一步包括在第一基片和第二基片之间提供一个或多个分开的的预成型件，其中将至少一个第一连接结构和至少一个第二连接结构压到一起的步骤进一步包括在有基片或连接表面的接触面上使一个或多个预成型件产生变形和剪切。该预成型件可以通过例如超微细加工工艺、微型机电加工工艺、湿性蚀刻、激光微切削加工、冲压、切割或微型铸造的方式来形成，该预成型件可以包含金属、聚合物或经过金属处理的聚合物。 [0057] 在这些方法和密封设计的首选应用中，真空密封用来密封微制造的装置部件，尤其是可植入的医疗装置。在一个首选实施例中，在一个装置中使用现有的密封方法和连接结构来个别地密封一批容纳储存室，和/或包装用于操作该装置的相关电子组件，这些储存室装有储存室容纳物，如用于受控释放的药物和/或生物传感器。 [0058] 一方面，本发明提供了一种合并有一个或多个这些真空密封的装置。在一个实施例中，该装置包含具有多个储存室的第一基片，该第一基片可以包含两个或多个薄片(wafers)或基片部分，每一个储存室容纳有一传感器或药物组分，在每一储存室处包含有一个在该装置的第一表面处的第一开口。第一开口通过储存室盖来封闭，该储存室盖能被有选择地和活动地分解以控制储存室容纳物的释放或暴露的时间和/或比率。在一实施例中储存室进一步包含位于第一开口末梢的第二开口，该开口是在将储存室容纳物装入储存室之后或同时被真空密封的。典型地，这种密封包括用一个或多个这里所描述的真空密封方法和连接结构来将第一基片结合到第二基片上。可选地，该装置进一步包括被密封地结合到第一或第二基片的表面的一封装结构来保护电子组件，该电子组件与提供动力和控制储存室盖的拆卸以及任何基于储存室的传感器有关联。封装结构和真空密封保护了电子组件和储存室容纳物不受环境影响。 [0059] 这里所用的术语“环境”是指储存室外部的环境，包括在移植场所处的生物流体和组织、在存储过程中或在装置的体外使用或体内使用的过程中存在的空气、流体及微粒。这里所使用的术语“冷焊”是指分子间的结合是在没有应用加热、在通常低于40℃的外界环境下形成的。这里所使用的术语“真空密封”是指超过装置的使用期限时防止不需要的化学制品的进或出进入到或形成装置的一个或多个间隔室，尤其是装置储存室。为此目的，以一-9个低于1×10 标准大气压×立方厘米/秒的速率传送氦气(He)的密封被称为是真空密封。 [0060] 除非有相反的意思被明确指出，在这里所使用的术语“包括”规定为开放式的、非限定性的用语。 [0061] 装置组件和材料 [0062] 真空密封包括第一基片，其具有至少一个有第一连接表面的第一连接结构，和第二基片，其具有至少一个有第二连接表面的第二连接结构，两基片通过冷焊在一个或多个接触面结合。在首选实施例中，该密封是具有生物适应性的并且适合用于医疗移植。在一个实施例中，这两个基片可以选择性地包含一个或多个储存室、传感器、药物和电子元件。基片可以由硅、玻璃、耐热玻璃、不锈钢、钛、氧化铝、氮化硅和其它生物相容的陶瓷及其它金属或聚合物所组成。在一个实施例中，硅基片可供用于近红外线(NIR)到红外线(IR)光谱中的光学探测器。能够理解的是运用可见光、紫外线或其它波长光线的光谱(spectroscopic)方法可通过对基片材料的适当选择来实现。另外，基片可以由具有足够高的杨氏模量和屈服应力的聚合物构成以在冷焊的过程中产生高的剪切力。 [0063] 在每一个基片上的连接结构(也称“密封结构特征”)可以是由与基片相同或不同的材料构成，例如，如果连接结构是被微切削加工到基片中的，那么连接结构就可以由基片材料构成。作为一种选择，连接结构可以是结合到基片上的预成型件，并由与基片不同的材料构成，比如金属、金属合金或金属的组合。在另一实施例中，超微细加工形成的镍连接结构先电镀上一层金然后用焊接、铜焊或热压焊结合到经过金属化处理的基片上。超微细加工结构可由与超微细加工工艺相容的任何金属或金属合金所构成，而在另一个实施例中，连接结构预成型件可以是用微型机电系统加工玻璃或硅而形成的。 [0064] 连接结构具有连接表面(也被称为剪切层或结合表面)，该连接表面首选金属并且可以选择性地结合到其它连接表面。在一种在下文将做进一步详述的变换实施例中，连接表面可以是一塑性聚合物。将具有适宜的低塑性变形应力的金属用作连接表面。适宜性可由本领域的熟练人员所确定，比如基于能被适度地应用来形成连接的特殊连接几何和力的总量来确定。另外，没有表面氧化物或没有对母体金属硬度来说相对高的氧化物的金属更适合于用作连接表面，参见Tylecote在1954年3月出版的《英国焊接》杂志发表的“压力焊接研究”和Mohamed及其他人在1975年9月出版的《焊接研究增刊》发表的“固体状态压力焊接机理”中第302页到310页。适宜的金属(及其合金)的代表性例子包括金(Au)、铟(In)、铝(Al)、铜(Cu)、铅(Pb)、锌(Zn)、镍(Ni)、银(Ag)、铂(Pt)、钯(Pd)和镉(Cd)。首选用于生物适应性的连接表面金属的代表性例子包括金和铂。 [0065] 第一连接表面可以由与第二连接表面相同的或不同的材料组成，该两连接表面一起形成真空密封。例如，连接表面可以由与同一母体金属相异的金属或不同的合金所组成，如第一连接表面可以是金而第二连接表面可以是铂。在一个实施例中，两连接表面是由具有不同结构形态的同一材料所构成，例如，第一连接表面可以通过回收(recovery)、再结晶和晶粒生长的常规退火过程以来退火处理降低屈服应力，而第二连接表面可以用小晶粒尺寸的方式来沉积，从而增加屈服应力。 [0066] 连接表面可以由与连接结构相同或不同的材料所组成，这就允许在连接的制作方法方面有较大的自由度，以及对塑性变形的位置和范围有更多的设计控制。例如，精确的连接结构可在硅基片上微切削加工，并且可用确定的微型机电系统工艺步骤在那些结构上来沉积连接表面材料。然而，要在氧化铝基片中形成精确的连接结构可能证明是困难的，并且可能需要替换的材料和制作方法。作为一个实例，对氧化铝基片来说，连接结构可以是与连接表面具有不同机械性能(如有更高的弹性和更高的屈服应力)的沉积金属或合金。在一个实施例中，连接结构可以是电镀的镍、电镀的金合金、电镀的铬结构或电镀的铂结构。因此，可以理解的是，连接结构可以不需要作进一步的处理，并且具有一个由与该连接结构相同的材料所组成的连接表面，或者该连接结构可以具有至少一个其它的经过沉积、电镀处理或成型在连接结构表面上的材料以生成一个由与连接结构材料不相同的材料所构成的连接表面。连接结构可以由一种单一的材料或几种材料的组合所构成。 [0067] 制造真空密封的方法 [0068] 该真空密封通过压入式冷焊得到。在一个实施例中，两个基片由如下步骤被真空密封到一起：提供一第一基片，其具有至少一个由金属的第一连接表面构成的第一连接结构；提供一第二基片，其具有至少一个由金属的第二连接表面构成的第二连接结构；把至少一个第一连接结构和至少一个第二连接结构压到一起，以使金属表面在一个或多个接触面上产生局部变形和剪切，总体效果上达到在一个或多个接触面处的连接表面之间形成一种持续的金属对金属的结合。 [0069] 在一些实施例中，在结合过程期间可引入超声波能量到真空密封连接中。然而并不受任何特殊作用机理的约束，可以认为，通过擦去连接表面的杂质和使表面粗糙变形以引起金属对金属的内部扩散，超声波能量可以改善真空密封，因而在结合接触面处有紧密接触。 [0070] 在结合机理不完全是冷焊的其它实施例中，通过增强分子扩散和降低金属的屈服应力，加热脉冲或温度的略微增加可以有助于金属的结合。例如，感应式加热可以用来局部地加热连接表面金属。如果在装置中存在其它金属并且是无磁性的，连接金属可以通过在连接表面下合并一磁性材料来有选择地被加热。磁性材料的代表性例子包括镍、铁、钴及其组合。作为选择，连接结构的表面形状可以设计成选择性地耦合(couple)一具有给定频率的磁场(参见Cao等人在2002年6月2日-6日在美国南卡罗莱纳州希尔顿黑德岛举行的“固态传感器、激励器和微系统研讨会”上发表的“利用感应加热选择和局部结合”。 [0072] 真空密封装置和系统的说明性实施例 [0073] 对于一给定的载荷，连接结构被设计成能有效地在连接表面上产生巨大的局部压力和变形。图1-6示出具有连接结构的真空密封系统实施例的剖视图，该连接结构能有效地将基片上的压缩力转化成连接表面上的剪切力，从而将连接结构冷焊到一起。连接结构之间的相互干涉和重叠产生了剪切力，以致于当连接结构被压到一起的时候，由于压缩力而产生变形的金属连接表面就有一个重叠部分。这两个相互重叠的结构的相对剪切消除了表面的不平整现象并且允许表面相互作用和结合。在某些实施例中，只有每个连接结构的干涉部分才发生充分的变形。在另外的实施例中，由于用来形成连接的每一半的材料和相关性质不同，形成真空密封的一对连接结构中只有一个连接结构能产生充分的变形。 [0074] 在图1-6所示的连接结构可以用常规的微型机电加工工艺制作，尽管例如这些结构也应该类似于大规模运行。图1-6仅示出了在每一真空密封系统上的一套连接结构，但在其它实施例中可包含多套连接结构。另外，图1-6中的连接结构是用一种矩形截面来描述，但是其它的截面，比如三角形的、菱形的或半球形的连接结构也可以被采用，取决于比如表面形状限定的微细加工限制。举例来说，在缺乏电镀模具的情况下，可以通过将一连接结构材料电镀到一用照相平版印刷所确定的晶粒层上来产生半球形的连接结构。在另一实施例中，反应离子蚀刻法(RIE)可以用来从一个矩形硅结构中形成一个球形的或圆形的连接结构。而在另一个实施例中，光阻材料可被感光过度并且因此在发展形成一个菱形形状的过程中被底切(undercut)，该菱形形状能被用作电镀连接结构时用的模具。多层光阻材料可以被用来产生更复杂的表面形状特征。 [0075] 图1示出了真空密封系统10的一种实施例的剖视图，该系统具有可通过冷焊而被密封的“舌状物和凹槽”连接结构设计。真空密封系统10具有一个含有第一连接结构16的第一基片12，每一个第一连接结构具有第一连接表面18。第二基片14具有包括两个连接结构元件20a和20b的第二连接结构，每一个第二连接结构20a/20b具有第二连接表面22。第一连接结构16产生一“舌状物”，该舌状物至少能部分安装进一个由两个第二连接结构20a/20b所产生的“凹槽”中。越过密封表面18的相反侧所测得的舌状物宽度要大于在第二连接结构连接层22的凹槽中所提供的间隔。因此，当这些连接结构在冷焊过程中被压到一起时，第一连接结构连接层18和/或第二连接结构连接层22就发生了变形，从而在连接表面18和22处沿着每一个连接结构的所有顶角和侧壁产生了剪切。 [0076] 第一连接表面18和第二连接表面22可以由相同或不同的材料构成。图1示出了形成连接表面18和22的一层材料和形成各自的连接结构16和20a/20b的一种不同的材料，在另一个实施例中，连接表面和/或连接结构可以包括多层材料来细微调整机械性能或低冷焊结合性能。 [0077] 图2示出了使用冷焊的真空密封在形成前和形成后的一种真空密封系统30的另一种实施例的剖视图。真空密封系统30具有第一基片32和第二基片34，第一基片32具有一含金属连接表面38a/38b的第一连接结构40，该第一连接结构40是形成在第一基片32中的凹槽结构的形式。第二基片34具有一个由与第二基片不同的材料所组成的第二连接结构36，该第二连接结构36有一个由与第二连接结构相同的材料所组成的金属连接表面42a/42b，该第二连接结构36是舌状物结构的形式，该舌状物可被部分装进第一连接结构40的凹槽结构中。 [0078] 将压入结合力应用到第一基片32上来把这两个基片冷焊到一起。由于压入力的应用，第二连接结构36的舌状物就被变形地压入到第一连接结构40的凹槽中。当压力施加到在第一连接结构40和第二连接结构36之间的干涉区域，导致压力超过第二连接结构36的屈服应力时，变形就产生了。干涉或重叠也在连接表面38a/38b，42a/42b相接触的接触面上产生了剪切力。变形和剪切力的联合作用就在连接表面38a和42a以及连接表面38b和42b之间形成了一种金属对金属的结合。因此，通过使用冷焊就形成了一个有效的真空密封。参见图3中的例子。 [0079] 可以理解的，在图2中所示的连接结构之间的重叠是为了说明性的目的并且可以大于或小于图中所示，重叠部分越大，变形连接层并因而形成密封结合的所需压入力就越大。 [0080] 另外，可以理解的，在连接表面的局部变形是连接结构和连接表面两者的机械性能共同作用的结果。例如，在一个实施例中，一个包括固态金舌状物的整个连接结构可变形压入到一个硅凹槽连接结构中。在另一个实施例中，如果舌状连接结构是硅而连接表面是金，变形就局部发生在舌状连接表面的侧面和角落。 [0081] 图4示出了在每一个连接结构具有一个冷焊剪切层的真空密封系统50的一个实施例的剖视图。该真空密封系统50具有第一基片52和第二基片54。在该实施例中，第一连接表面58与第二连接表面62在一侧重叠。在连接表面58和62的一边而不是两边有重叠，可以允许形成真空密封所需的重叠的减少，而因为屈服应力是以一较低的压力所获得，重叠的减少将减少通过冷焊形成真空密封所需的压入力。在一个替换实施例中，连接结构可以是三角形的或梯形的连接结构横截面形式以进一步降低形成真空密封所需的剪切力。这种连接设计的一个缺点是只能产生一个密封周界(perimeter)，而对称设计(如图2)则有机会产生两个密封周界。如在此描述的舌状物和凹槽组合一样的单一连接结构通常被认为具有两个周界。多个密封周界可以方便地在提供了一种“自动防故障”真空密封的装置上提供一个合意的冗余，其中一个或多个但小于全部的密封周界可能是不完善的或可能出故障的，但整体密封仍保持密闭。 [0082] 图5示出了使用冷焊的真空密封系统70的另一个实施例，示出了在施加压入力之前的第一基片72和第二基片74。第一基片72具有包括一金属连接表面78的第一连接结构76a/76b，第一连接结构76a/76b与具有金属连接表面82的第二连接结构80a/80b对准。两连接结构76a/76b和80a/80b形成了一个夹住金属预成型件84在其中的凹槽。当第一基片72和第二基片74在冷焊过程中被压到一起时，预成型件84就抵靠连接表面78和82而被变形和剪切，从而在预成型件和连接表面之间形成了金属对金属的结合。 [0083] 预成型件84可以用超微细加工工艺、湿性蚀刻或激光微切削加工来成形。应该理解的是，预成型件84的处理取决于加工工艺与预成型件所用材料的相容性。也应该理解的是，预成型件的横截面形状可受限于所使用的制作方法。例如，超微细加工技术不能加工出如图5所示的圆形横截面，但是微型铸造工艺就可以处理那样的横截面。 [0084] 图6示出了具有一个能在两个连接结构之间被冷焊的金属预成型件的真空密封系统90的另一实施例的剖视图。真空密封系统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结构所组成的第一连接结构96，该第一连接结构96具有第一金属连接表面98。第二基片94具有第二连接结构100，该第二连接结构包括在基片中形成的凹槽结构和第二金属连接表面102。金属预成型件104被夹住在第一连接结构96和第二连接结构100之间。预成型件104可以参照图5中的预成型件84用与上述加工方法类似的方法而形成。当第一基片92和第二基片94被压到一起时，预成型件104就抵靠连接表面98和102而变形和剪切，以在预成型件和连接表面之间形成金属对金属的结合从而完成真空密封。 [0085] 预成型件、阳性结构特征(例如“舌状物”或“齿状物”)和凹槽的各种组合可以用在压入式冷焊工艺中。在一个实施例中，在一个基片上的舌状连接结构和另一个基片上的凹槽连接结构可以通过压缩它们之间的一个预成型件来被冷焊到一起，其中，另一个基片具有比舌状连接结构的宽度要大的凹槽宽度。 [0086] 预成型件的剖面几何形状可以是圆形、环面、矩形或其它合适的截面。 [0087] 在所有上述实施例中，将结合基片之间的距离减到最小可能是令人满意的。可以通过使重叠最小化来完成这一调整，使得被变形到基片之间的间隔中的金属量最小化。另外，在邻近舌状连接结构处可生成凹槽以在基片表面下面为变形的金属提供占据的容积。作为选择，凹槽结构可以有两个不同的宽度，一较宽的开口和一较窄的远端，使得被较窄的凹槽所剪切的金属顺利进入开口处较宽的凹槽中。 [0088] 图7示出了能够通过用冷焊来形成真空密封的连接结构底部形状的各种实施例的顶视图。用于连接结构底部形状的适合几何形状包括圆形110、椭圆形112、与直侧壁相连的半球形114、具有内圆角的正方形116以及六边形118。连接结构几何形状的其它实施例可以包括任何多边形或者能够产生封闭轮廓的任意路线。更适宜地，应避免沿着连接结构周界有锐角转角，因为在这样的转角中很难形成真空密封。 [0089] 图8示出能够用微型机电加工工艺制作的连接结构设计的各种实施例的顶视图和剖视图。这些实施例只具有一个设置在每个基片上的连接结构，但其它实施例可以包括一批用作多重连接结构装置的外接定齿状物或凹槽。在图8中所描述的“舌状物”和“凹槽”几何形状是矩形截面，但也可以使用其它的截面如三角形的或者半球形的几何形状，这取决于对截面几何形状限定的微切削加工限制。在其它实施例中，基片可以包含一批用于药物容纳物或传感器的储存室，每一个储存室要求从其它储存室以及外界环境中被真空密封开来。 [0090] 连接结构设计120和128的连接结构124a/124b和132可以在金属连接表面沉积步骤之后，分别使用一步和两步深反应蚀刻(DRIE)来分别被制作到硅基片122和130中。连接结构132和124a/124b分别是用微型机电系统加工的舌状物和凹槽连接的相等物。在将基片122冷焊到基片130的过程中，在连接结构的元件124a和124b之间的凹槽转角就在连接结构132(齿状物)的边缘处和凹槽元件124a及124b的转角处产生了高的局部应力。高应力在金属接触面上引起塑性变形和剪切，这导致了在连接表面126和134之间的紧密接触和结合。 [0091] 通过使用研磨和插入式(plunge)放电加工(EDM)组合的步骤产生连接结构，以及在需要时用电镀步骤金属化处理连接结构，连接结构设计的其它实施例就可以在金属基片上产生。 [0092] 连接结构设计136合并有由低塑性变形应力金属如铟、铝、金或铜所制成的舌状连接结构140。连接结构设计136有一透明基片138。耐热玻璃或类似的透明基片如蓝宝石、其它玻璃化学品，允许真空密封的装置中的容纳物能被光学探测，以及在冷焊工艺中允许用来改进校准过程。用不同于基片138的材料制得的连接结构140在形态上排除了在基片自身中形成特征的需要。另外，连接结构设计136通过使用具有低塑性变形应力的金属而形成了比连接结构设计128更容易变形的连接结构140。因此，具有更大变形能力的连接结构140可以改善冷焊所形成的真空密封。 [0093] 连接结构设计142图示了一种软的可变形金属连接表面146被冷焊到连接结构上，该连接结构类似于连接结构设计128、136、148和156的各自的连接结构132、140、152和160a/160b。连接结构设计142允许来自基片上突出的连接结构的高局部应力能够在冷焊压缩的过程中在金属化处理过的连接表面146上产生凹槽。用作连接表面146的一种合适金属的一个非限定例子是金。连接结构设计142的有利之处在于大大减少了校准问题。然而，连接结构设计142可能相当难进行冷焊，因为平坦的连接表面146无法有效地将压入力转化成剪切变形。 [0094] 连接结构设计148具有连接结构152，结合结构152是由超过一种材料所构成的一种混合连接结构，两者都是不同于基片150的材料。因为连接结构152不是由基片150的材料形成，所以不用微切削加工基片150就可以完成对连接结构152的变形特性进行修正。另外，连接结构152可以由镍及其合金，或其它高杨氏模量和屈服应力的材料所构成，以增加连接结构的硬度。连接结构152随后被喷溅涂覆上一晶粒层用于电镀连接表面154，该晶粒层例如是铟或金。 [0095] 作为选择，连接结构152可以由与连接表面154的材料不同的合金所组成。在一实施例中，通过在电镀工艺中改变电镀槽的组成，用来将连接结构152沉积到基片150上的一种电镀沉积工艺也可以用来沉积不同的合金作为连接表面154。例如，硬的金合金可以作为连接结构152被最初电镀，紧随其后用较软的纯金作为连接表面154。 [0096] 在不便于将一凹入结构特征微切削加工到基片158中的情况下，结连接结构设计156可以供凹槽连接结构的形成之用。凹槽被两个同心的突出连接结构元件160a/160b所限定，并且可以参照上述连接结构148和连接结构152的工艺用类似的工艺来加工制得。 图9示出真空密封系统的各种实施例的剖视图，该真空密封系统包含图8所示连接结构设计的各种组合。真空密封系统170是由连接结构设计120与连接结构设计128结合而成，真空密封系统172是由连接结构设计120与连接结构设计136结合而成，真空密封系统174是由连接结构设计142与连接结构设计128结合而成，真空密封系统176是由连接结构设计142与连接结构设计136结合而成。 [0097] 尺寸 [0098] 图10是具有舌状物和凹槽连接结构设计的真空密封系统180的一种实施例的剖视图和放大剖视图。连接结构182a/182b和184通过深反应蚀刻(DRIE)形成在硅基片中。连接结构182a/182b和184的几何尺寸包括凹槽深度186、凹槽宽度187、舌状物宽度188和舌状物高度190。优选的是，这些几何尺寸在约1微米到约100微米的范围内。将舌状物和凹槽连接结构184和182a/182b分别加工以产生一重叠(也被称为“干涉”)，这种重叠超过了连接结构的制造公差和装配设备的精确公差，以确保连接表面在沿着真空密封周界的各方面都重叠。在首选实施例中，重叠的范围在约1微米到约20微米，并且重叠小于舌状物宽度188的四分之一。 [0099] 在连接结构表面是由与连接结构材料不同的材料所构成的，并且运用了镀金属法来形成连接表面的实施例中，经过金属化处理的连接表面的厚度在约0.1μm到约50μm之间。大约1μm的金属厚度可以通过如蒸汽沉积的方式来形成。较大的金属厚度可以通过如电镀工艺的方式来形成。 [0100] 具有脉冲加热的热压结合 [0101] 在现有发明的一些实施例中，有选择性的脉冲加热可以用在热压结合中来形成真空密封。有选择性的脉冲加热可以通过微电阻(micro-resistive)加热器来提供。在Lin等人申请的专利号为6,436,853的美国专利中描述了微电阻加热器的实例。加热器可以被合并在这里所描述的真空密封系统的任何一个实施例中。适当的加热器可以被放置在具有中间层的加热器和没有中间层的加热器这两组中的一组中。 [0102] 由于下面三种原因的任何组合，加热器可能需要在加热器和另一表面之间的一中间层：(1)取决于所使用材料的电阻系数和要求的加热量，加热器材料可能需要与连接表面和/或基片电绝缘。(2)在这样的实施例中可能需要中间层，即加热器和邻近的材料之间的热膨胀系数(CTE)的差异足够大以致于在真空密封中潜在地引入了不能被接受的应力时。在加热过程中，如果这些应力超过了加热器和邻近材料之间的结合强度，或者如果这些应力超过了在真空密封处的任何材料的极限抗张强度，这些应力就通过引起在各种接触面上的分层、裂纹或断裂以自身显示出来。(3)中间层可被要求用作扩散式叠层以防止加热器的电特性随着重复的加热循环而变化，或者减缓粘附层的扩散。因此，中间层可被要求用于电绝缘、解决热膨胀系数不匹配、作为式叠层或者用于这三种的任意组合，这取决于所使用的特定材料。 [0103] 为了简化起见，在加热器和基片之间的中间层，或在材料接触面的任何粘附层没有被显示在图11-14中。只显示了在加热器和连接表面之间的中间层。 [0104] 图11示出了具有加热器218的真空密封系统200的一种实施例的剖视图。加热器218设置在第二基片212上，中间层220设置在加热器218的顶部。连接表面材料222从中间层220下面被加热器218加热。当第一基片210与第二基片212被连接到一起，并且材料变形连同加热器218的脉冲加热在连接表面216和连接表面材料222之间形成了金属对金属的结合时就形成了真空密封。 [0105] 图12示出了具有加热器234的真空密封系统230的另一种实施例。在图12中，第二基片232材料与连接结构的结构核心233一样，该结构核心由结构核心233、加热器234、中间层236和连接表面材料238组成。相反，图11所示的一种实施例中由加热器218和中间层220形成连接结构的核心。因此，图12中第二基片232上的连接结构可比图11中第二基片212上的连接结构具有更高的刚性。从而在热压结合过程中，连接表面更多的局部变形可能在真空密封系统230中发生。应该理解的是，在连接结构中增加的刚性也是取决于所选择的特定材料。 [0106] 图13示出了具有与连接表面材料246相接触的加热器244的真空密封系统240的一种实施例，图14示出了具有与连接表面材料256相接触的加热器254的真空密封系统250的另一种实施例。在图14中，在第二基片252上的连接结构核心由基片材料组成，并且可以是比图13中第二基片242上的连接结构更硬的连接结构，第二基片242上的连接结构不是由基片材料所组成。连接表面材料246和256可以首先由加热器244和254在下面被加热。在另一替换实施例中，连接表面材料可以由通过连接表面的电流直接被加热。 [0107] 应该理解的是，图11-14示出的实施例具有由不同材料组成的第一基片和第二基片。另外，第一基片的连接结构可以由相同于或不同于第一基片的连接表面和第二基片的连接表面的材料所组成。而且，第一基片上的连接表面和第二基片上的连接表面可以由相同的或不同的材料所组成。第二基片的连接表面和加热器可以由相同或不同的材料组成。另外，在脉冲加热过程中结合表面可能会熔化，就正如在焊接工艺中的情况一样。 [0108] 冷焊所需机械力的最小化 [0109] 结合基片所需的机械力的最小化可降低损坏基片或基片涂层的风险。所需机械力最小化可以通过各种方法来完成，这些方法包括各种连接结构设计、连接表面材料的选择、连接表面材料加工程序以及冷焊工艺参数。 [0110] 例如，在密封特征之间的干涉或重叠的总量由连接结构设计来控制。在相互配合的连接结构之间的较大重叠或干涉需要较大的力来进行冷焊，因为在冷焊工艺中有较大体积的金属被变形。因此，为了使所需力最小化，就应该将变形金属的总量减到最少。这可以通过将连接表面的剪切层或接触面最小化，以及也可通过将连接结构之间的干涉总量最小化来实现。首选地，重叠部分仅稍微大于连接结构公差、表面粗糙度和装配设备精确度公差。另外，通过只产生一个剪切层(如图2所示)，所需压力能被极大地减少。 [0111] 另外，连接结构截面几何形状各种组合的使用可以用来优化特定应用下的真空密封。例如，矩形舌状物连接结构与梯形凹槽连接结构连接在一起的组合能减少连接表面相接触的面积，在这个实施例中，只有矩形连接结构的转角处才开始剪切，局部剪切的初始面积大大小于在一个具有矩形舌状物连接结构和矩形凹槽连接结构的实施例中的局部剪切的初始面积。因此冷焊所需的力就降低了。 [0112] 在另一个实施例中，如果只有矩形舌状物连接结构的一个转角与倾斜的梯形凹槽连接结构引发剪切力，则所需压力就会被进一步减少。在矩形舌状物的一个转角处引发的塑性变形所需的力只有在矩形舌状物的两个转角处产生同样压力所需的力的一半。 [0113] 除了连接设计以外，连接表面材料成分和相关的物理性能会对形成真空密封所需的力有影响。例如，连接表面材料具有低的屈服应力从而使该材料更容易产生变形和更容易露出干净的可以结合的表面。具有低屈服应力的合适的连接表面材料包括但不限于铟、铝、金和锡。相反地，或者通过将应变能增加到晶体结构中，或者妨碍位错可动性，杂质将起着增加碱性金属的屈服应力的作用。因此，增加材料纯度将减少屈服应力。存在例外的是，第二种材料的加入会降低熔点，并因为环境温度接近于熔点从而降低总的屈服应力。 [0114] 另一个影响冷焊所需压力的物理性能是连接表面金属氧化物的硬度。具有在氧化物硬度和母材金属硬度之间的较高比例的金属需要较少的变形来进行冷焊，相反地，软的金属氧化物随着母材金属一起变形并且不容易开裂，因而保持了进行冷焊结合的氧化物障碍。具有高的氧化物对母材金属的硬度比率的金属包括但不限于铟和铝。因为金和铂在环境条件下没有氧化物，氧化物硬度对母材金属硬度的比率就基本上不会影响冷焊这些金属所需的力的总量。然而，金和铂具有被吸附的有机杂质层来担当冷焊结合的阻碍。 [0115] 此外，连接表面金属的晶粒结构和预应变会影响屈服强度。在多晶体金属中，屈服应力通常通过在Hall-Petch关系中按晶粒尺寸的平方根分之一的屈服应力比例来描述。之所以存在这样的关系是因为邻近晶粒的晶体滑移面通常没有排齐，因此需要附加的应力以激活在邻近的晶粒中的新滑移面。因此，通过减少晶粒的数量(例如增加晶粒尺寸)就能降低屈服应力。对金属退火处理可以通过增加晶粒尺寸和降低金属中的预应变来降低屈服应力。退火也有其它的有利效果，比如从电镀层中释放出截留的氢。 [0116] 最后，结合工艺会影响形成真空密封所需的力。另外，变形总量最小化将减少连接表面材料产生的应变硬化的量。例如，因为总的变形量减少了，较短的连接结构可以引起较少的应变硬化。另外，冷焊工艺的时间和应变率也对应变硬化有影响。结合时间也会影响金属相互扩散的量。参见Takahashi和Matsusaka在2003年出版的杂志《粘结科技》17(3)第435-451页发表的“纯金电线到金属基片的粘结结合”。 [0117] 带有压入力的密封，将支撑力与压入力对齐是合意的，目的是为了避免作用在基片之一上的悬臂型的力，该力可能导致一些基片材料裂开，在一个实施例中，这可以通过将不受压入力作用的第一基片插入到例如通过这里所描述的冷焊随后被密封到一起的至少两个另外的基片结构中来完成。在首选实施例中，两个另外的基片结构中的至少一个包含有适合于用作托架或其它支持第一基片的空腔或凹槽。这至少两个另外的基片结构具有能被压入到一起以将第一基片夹持在限定在该至少两个另外的基片结构之间的空腔里的连接结构。图22示出了这种密封方法的一种实施例。密封装置500包括其上制造有生物传感器508的传感器基片506，传感器基片被安放在底部基片502中的空腔505里面。包括有储存室盖子/开口512的上部基片504通过在连接结构510处施加压入式冷焊工艺而被结合到底部基片502上。在另一个实施例中，第三基片或“传感器”基片在其上有一个用来代替传感器的不同的二级装置，例如，第三基片可以包括微型机电系统装置如回转仪、共鸣器等。此装置能在真空下被密封。 [0119] 另一方面，压入密封在没有金属对金属结合的条件下形成。在此情形下，这些部件之间要求有持久的连接力来保持密封，这种连接力可以通过多种夹紧机构来获得。在一个实施例中，镍钛诺或其它形状的记忆合金夹具被制作来在基片周围提供松配合直到基片对齐，在此之后镍钛诺可被加热到通过其相变点，引起其施加压力到图15所示的基片上。该相变温度可以(通过改变形状记忆合金的成分)控制。因此，装置装配能够在次相变温度进行，然后装配件被加热到相变温度，夹紧机构就被激活了。 [0120] 在另一实施例中，金属或塑料夹具能弹性变形从而让真空密封系统的基片可以被安装到夹具的无应力配置大大小于连接基片的地方。一旦连接基片在夹具之间对齐，夹具上所有的力可被移除以使其挤压连接基片。其它紧固件包括螺钉、铆钉、焊料、热收缩聚合物、对置磁铁以及类似物都可被制作来夹紧基片。在将连接副的附加尺寸最小化时，夹具应能够持久地施加作用力。 [0121] 图16A-C中示出了具有焊接夹具的真空密封系统270的一实施例。在图16A中，真空密封系统270包含被粘附、电镀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的顶部。在第二基片274上的第二连接结构280对准重叠第一基片272上的凹槽连接结构282。由金属组成的衬垫284被沉积在第一基片272的顶部。含有加热器288的加热板286与在支柱276顶部的焊料278对准并且重叠到第一基片272上的金属衬垫284上。 [0122] 如图16B所示，加热板286将第一和第二基片272和274压到一起，在第一连接结构280和重叠的凹槽连接结构282之间产生密封。当加热板286压下来时，加热器288受脉冲作用使焊料278回流(reflow)，导致焊料回流到第一基片272上的金属衬垫284上。一旦焊料278凝固，就可以移去加热板286。图16C示出了移去加热板286以及形成焊接夹具和真空密封后的真空密封系统270。在一替换实施例(未示出)中，加热板286可以涂有能经受加热器所用温度，并且充当用来将焊料278结合到其上的不良(poor)表面的材料，这取决于所使用的焊料。在这样的一个实施例中，一旦焊料278凝固却还没有焊接结合到加热器288上时，可以移去加热板286。另外，在金属衬垫284上的回流焊料278的厚度可以作调整，这取决于焊接夹具的期望强度。 [0123] 也可以使用本发明的冷焊密封特征来形成用于压入式真空密封的夹具。图17示出了使用舌状物和凹槽连接结构设计来夹紧位于两个基片292和294之间的压入密封材料306，以及用来产生压入式真空密封的真空密封系统290的一个实施例。第一连接结构296a/296b由连接结构设计的凹槽部分组成。连接结构设计的舌状物部分包含在第二基片 294上的加热器300、在加热器上的中间层302以及在中间层上的连接表面材料304。压入式密封材料306具有一圆形截面，并且被放置在位于基片边缘的舌状物和凹槽夹具之间的第二基片294上。通过使用热压结合、夹紧基片间的压入式密封材料并形成真空密封的方式，第一基片292的凹槽连接结构就被连接到第二基片294的舌状物连接结构上。应当明确的是，用于冷焊所描述的任何部件都可以用来形成冷焊夹具而不用附加热量。冷焊夹具没有封闭几何形状的要求，因为它主要的作用是将两个基片夹到一起，而不是形成密封。 [0124] 在另一个实施例中(未示出)，压入式密封材料可以放置在第二基片边缘上的第二基片上，并在舌状物和凹槽夹具的外面。然而应该理解的是，在基片材料上的应力将依赖于压入式密封材料的放置而有所不同。 [0125] 依应用场合而定，塑性聚合物可以取代上述实施例中的任何金属连接结构和连接表面。虽然用来密封塑性聚合物的密封机构并没有像冷焊一样被限定，但把储存室或空腔从邻近的空腔或外部杂质中用密封隔离开来的效果是一样的。塑性聚合物为产生密封所需的压力大大低于在冷焊工艺中产生塑性变形所需的压力。在水渗透很严重的应用场合下，用于密封的传统上的塑性聚合物的选择很少。然而在聚合物化学方面近些年的进步已经生产出的通过添加金属或陶瓷微粒改进的聚合物大大减少了水渗透。例如，通过添加碳纳米粒子而作改进的环氧树脂据报导有一个比常规环氧树脂低一个数量级的水渗透率。塑性聚合物密封要求选择低杨氏模量的聚合物以及最小化的表面接触面积，以提供使用低压入力的密封。另外，增加被局限的连接结构数量可产生起到显著减慢通过密封的水渗透的小容器。 [0126] 上述实施方式和例子可以用单一的连接结构设计或多个冗余的连接结构来实施，以减轻可能会引起一个或多个冗余连接结构泄漏的潜在制造缺陷。此外，多个连接表面起着增加密封路径长度的作用并且因此增加了形成密封所需的力。冗余连接结构的数量需要与基片材料的强度、冷焊它们所需的力以及任何经过冷焊后保留在基片中的、包括任何夹紧机构特征所施加的应力在内的残余应力相平衡。 [0127] 真空密封装置和方法的应用 [0128] 冷焊技术在处理和可制造性方面都有大量的优点。首先，密封特征适合于标准的微型机电加工系统工艺并能被整体(monolithically)合并入微型机电加工系统装置中。第二，一批邻近间隔的储存室能同时被密封。实际上，装置的全部薄片都可以在薄片与薄片结合的工艺中被同时密封。若干薄片可以相继地或同时地将一个结合到另外的薄片的顶部，因而在内部薄片的每一个表面上制造出冷焊。另外，主动装置与被动装置可由经过密封特征下的引入装置(feed-throughs)而整体集成在一起。最后，因为工艺中并不包含热量，对温度敏感的材料可以被封装在储存室容积里。对温度敏感的材料可包括挥发性液体、有机化学药物、药物、爆炸性气体、化学传感器和敏感的电子元件。 [0129] 图18示出了将主动薄片和被动薄片冷焊到一起来形成一批被真空密封的装置310的一个实施例。一批被真空密封的装置310呈现出一个作为在同一薄片上的一批冲模的部分而被同时冷焊的冲模。第一主动层312由传感器320、金的电子通路层322、电介质层318以及舌状物连接结构324所组成。为简化起见，省略掉主动层基片和任何电子通路层之间的电介质。这些舌状物连接结构由金构成并且被冷焊到一被动层314上，该被动层具有凹槽连接结构，第一舌状物连接结构被压入该凹槽连接结构中。被动层314包含一镀金属层，该镀金属层具有第二物舌状连接结构326和与在第一主动层312上的传感器320对准的开口。第二舌状物连接结构326被冷焊到第二主动层316中的凹槽连接结构中。第二主动层包含有与在第一主动层上的传感器320对准的开口。另外，第二主动层含有具有储存室盖328的镀金属层。因此，如图18所示的一批被真空密封的装置310将传感器320彼此隔开，并与具有真空密封的环境隔开。然而，可以随后旋开储存室盖子328来把传感器 320暴露在外界环境中。依赖于基片材料和制作限制，可以利用通道(vias)实现电连接到主动元件320。 [0130] 图19示出了具有第一主动层332、被动层334和第二主动层336的多储存室药物输送晶片的一个实施例的透视图。间隔示出了层332上连接结构的层332和334是通过压入式冷焊来被结合的(层334和336的结合不需要特殊技术)。 [0131] 在一个移植医疗传感器的应用场合，塑性聚合物可以被模制在每一基片上。聚合物可以用常规的微型机电加工技术诸如模具成型(如PDMS软蚀刻技术)、光蚀刻(如可光刻的硅树脂)、立体蚀刻、选择性激光烧结、喷墨打印、沉积和回流、或蚀刻(如O2等离子蚀刻)而被模制。可选地，聚合物可以在放置其到相对的基片间之前而被模制和被金属化处理。 [0132] 图20示出了具有包含沉积金属连接表面348、352、368、372、383、388、392的各种聚合物连接结构346、350、366、370、382的真空密封系统的各种实施例。在此情况下，金属与金属的结合不是由剪切变形所形成的，而是由在Ferguson等人所著的文章中详述的机构所形成。真空密封系统340使接触面积和泄漏路径长度最大化。真空密封系统360使接触面积最小化从而在冷焊过程中移去表面杂质时增加局部压力。真空密封系统380包含一不是制作到基片上的聚合物预成型件382，该预成型件包括一经过金属化处理的表面383。真空密封系统380可以被称为经过金属化处理的衬垫密封系统。 [0133] 在某些实施例中，在将金属与聚合物结合到一起的工艺中可以使用声能(如超声波能)或激光能。声能或激光能可以被应用到将金属层/涂层结合到聚合物基片上的方法中，或者作为选择，被应用到将聚合物涂层/层结合到金属基片上的方法中。在这些实施例中的聚合物材料的实例包括含氟聚合物，例如，膨体聚四氟乙烯(ePTFE)或者液晶聚合物。在一个实施例中，液晶聚合物基片(例如某种密封液晶聚酯纤维)被结合到另一个液晶聚合物基片上，或者其被金属化处理而且该金属化处理过的表面被结合到另一个液晶聚合物基片上或另一个经金属化处理过的表面上。 [0134] 在进一步的或替换的实施例中，描述在Cohn提出的公布号为2002/0179921 A1的美国专利申请中的密封概念适合于用在可植入的药物输送的真空密封中，或者是用于在这里所描述的和在申请号为5,797,898、6,527,762、6,491,666、6,551,838专利中和在公布号为2004/0121486 A1、2004/0127942 A1及2004/0106953 A1的美国专利申请中所描述的分析物感应。 [0135] 这里所描述的装置可以与包括可植入的医疗装置或其它装置在内的多种装置一起使用或者被装入到这些装置中去。实例包括药物输送装置、诊断和感应装置，其中一些装置被描述在这里作为参考文献所引用的申请号为5,797,898、6,551,838、6,527,762的美国专利以及公布号为2002/0099359、2003/0010808、2004/0121486的美国专利申请中。 [0136] 图21示出了在打开的储存室用冷焊密封之前和之后的微芯片装置的一个实施例的剖视图。装置基片402具有装有储存室容纳物406的储存室404。储存室404通过储存室盖408在基片402的前侧401上被封闭。基片402的后侧表面在每一个储存室404的每一侧都有一个舌状物连接结构414。密封基片410被定位在装置基片402的后侧403上，在打开的储存室404上方。密封基片410具有对准舌状物连接结构414设置的凹槽连接结构412a/412b。通过选择合适的材料，密封基片可以透过从可见光到红外线的光波长。通过这种方式，储存室容纳物就能被光探测。这两个基片然后被连接到一起，并且在舌状物和凹槽连接结构414/412a和412b处的冷焊就形成了真空密封将单个的储存室404彼此之间隔离，或与外界环境隔离。 [0137] 在某些实施例中，这里所描述的被真空密封的装置是另一个装置的子部件，例如，它可以是进一步包含可指示病人生理状况的传感器的可植入的药物输送装置、用来对病人身体提供电刺激的电极、泵、导尿管及其组合的装置的一部分。在这里作为参考文献所引用的公布号为2004/0127942 A1和2004/0106953 A1的美国专利申请以及专利号为6,491,666的美国专利中描述了这些例子中的一部分。 [0138] 由压入式冷焊制成的电通道和电线接头 [0139] 另一方面，这里所描述的压入式冷焊技术适合于在没有加热的情况下来形成高度可靠的、低电阻电连接。在一个实施例中，由压入式冷焊所形成的结合结构同时提供了一种机械固定方式和一种持续导电线路。 [0140] 电通路连接600的一个实施例在图23中示出。在第一基片618的第一表面604上的第一金属层602被电连接到在第二基片609的表面608上的第二金属层606上。沉积在第一基片上的密封结构特征610的内侧上的金属在第一金属层602和第一连接表面612之间产生电接触。通过在第二金属层606上电镀一齿状物605可形成第二连接表面614。齿状物的宽度超过了金属化处理过的孔的宽度1-50μm。图中所示的穿过基片604的密封结构610的截面形状是矩形，但它可以是能用微切削加工或微型机电加工工艺制作以最大限度的覆盖沉积金属，以及减少连接中的残余应力的其它任何形状。当连接表面612和614对准，并且基片618和609被压到一起时，连接接触面上的剪切就使在两个连接表面上的干净金属暴露出来，产生冷焊结合。因此而产生的结合在第一金属层602和第二金属层606之间形成了低电阻的电连接。 [0141] 应该理解的是，本技术并不限于特殊金属、合金或形状的电镀凸起。在电镀方向的该凸起截面可以是矩形(如图示)、半球形、三角形、梯形等任何适合于来形成在此所述的冷焊结合的形状。这里所描述的任何传导材料可以被考虑用作连接材料，包括金属或者具有合适的机械和电学性能的能够通过弹性压缩而不是冷焊就可以产生电连接的传导聚合物。第二连接结构可以具有一个与连接表面材料不同或相同的核心。这里所描述的用来产生冷焊连接的所有密封结构特征都也可以用来形成电连接。 [0142] 通过使用传统的微型机电加工工艺和/或微切削加工以沉积和模制金属以及形成穿过基片的通路，就可以在小区域里产生多个电连接。这里所描述的电连接结构特征可以被包含在具有密封结构特征的基片上，因而当两个相对的基片被压到一起的时候电连接就与真空密封一起被同时形成。 [0143] 在另一个实施例中，在第一连接表面612上具有倾斜的侧壁可以有利于更容易地容纳第一连接表面612的沉积物。而且，材料沉积可以发生在第一基片604的两个侧壁616和618上。这是一种确保能有适当的材料沉积贯穿通道孔607的方法。 [0144] 图25和26进一步示出了由压入式冷焊所制成的电通道的可能实施例。 [0145] 电线接头700的一种实施例示出在图24A-B中。传导导线702a、702b各自分别被电连接到在基片706上的轨道704a、704b上。每一个传导导线702a、702b具有比连接表面宽度708a、708b大的直径，并且被对准和压到密封结构特征710a、710b中。通过在基片706中蚀刻电缆槽以及然后在其中沉积金属层704a、704b，可以形成密封结构特征710a、710b。电缆槽一端较宽，这可以提供空间来适当地减轻在传导导线702a、702b中的压力，该传导导线702a、702b是用环氧树脂、硅树脂、焊料或其它聚合材料作成的。即便是使用较小的电缆槽区域产生冷焊到传导导线，电缆槽的上述空间也可以使导线与基片706的顶部表面平行放置。 [0146] 图示的导线具有圆形的截面，然而，适合于形成如这里所描述的冷焊或压入式密封的任何截面都可以使用。穿过基片710a、710b的密封结构710a，710b的截面在图中显示的是矩形，但它可以是能够用微切削加工工艺或微机电加工工艺制作以最大限度覆盖沉积材料和减少连接中的残余应力的任何形状截面。 [0147] 在变换的实施例中，通过使用传导导线和/或传导层704a、704b的弹性性能而不是冷焊来产生压紧配合或者摩擦配合俘获(capture)，就可以形成电连接。传导导线可以由单一的材料、多层不同的材料、和/或涂有电绝缘层来形成。局部的剪切会使绝缘层充分地变形从而使在下面的传导导线露出，并且产生冷焊或压入式的电连接。 [0148] 在替换实施例中，非金属导电材料，如浸银聚合物，可以在上述的通道或线接头中用来代替金属层。在首选实施例中，组成的材料是生物相容的和生物稳定的。 [0149] 多盖储存室装置的更多细节 [0150] 基片和储存室 [0151] 在一个实施例中，容纳装置包含一主体部分，即一个基片，其包含用来容纳以不透液或不透气的方式被密封的储存室容纳物的一个或多个储存室。这里所使用的术语“不透气”是指能有效的将氦气、水蒸气和其它气体挡在外面的密封/容纳。这里所使用的术语“不透液”指的不是气体密封，而是能有效的将液相中存在的溶解材料(如葡萄糖)挡在外面的密封/容纳。基片可以是结构体(如装置的一部分)，储存室在其中形成，例如基片含有被蚀刻的、被机械加工的或者被模具成型的储存室。 [0152] 在首选实施例中，储存室是不连续的、不能变形的、并且横过装置主体的一个或多个表面(或其中的区域)被设置成一排。这里所使用的术语“储存室”是指储液器、空腔、或者适于储存、容纳以及释放/露出一定精确数量的材料，例如药物组分或二级装置或子部件的凹孔。多孔材料的相互连通的孔不是储存室。在一个实施例中，装置包括位于横过主体部分的至少一个表面的不连续的位置中的多个储存室。在另一个实施例中，有单一的储存室经由每一储存室基片部分；可选地，在单一装置中可以一起使用两个或多个这些基片部分。 [0153] 使用现有技术中已知的任何合适的加工技术可以在结构主体部分中制作储存室。代表性的加工技术包括微型机电加工工艺、微细加工工艺或其它微切削加工工艺、各种钻孔技术(例如，激光、机械和超声波钻孔)、以及增层或层叠技术例如LTCC(低温共烧陶瓷)。可以选择地对储存室的表面进行精制或涂层来改变表面的一个或多个性能。这些性能的例子包括亲水性/疏水性、润湿性能(表面能、接触角等)、表面粗糙度、电荷、释放性能及类似的性能。可以使用现有技术中已知的微型机电加工方法、微模塑、微切削加工以及微细加工技术来从许多材料中制成基片/储存室，现有技术中已知的许多其它方法也可以用来形成储存室，例如，参见专利号为6,123,861和6,808,522的美国专利。也可以使用现有技术中已知的各种聚合物成型技术，如喷塑、热压模压、挤压以及类似的技术。 [0154] 在各种实施例中，容纳装置的主体部分包含硅、金属、陶瓷、聚合物或其组合。合适的基片材料例子包括金属(如钛、不锈钢)、陶瓷(如氧化铝、氮化硅)、半导体材料(如硅)、玻璃(如耐热玻璃、硼磷硅玻璃)以及能降解的和不能降解的聚合物。在仅需要液体密封的地方，基片可以由聚合物材料加工形成，而不是由典型用于要求气体密封的金属或陶瓷材料加工形成。 [0155] 在一个实施例中，每一储存室是由(即被限定为)密封材料(如金属、硅、玻璃、陶瓷)加工制成，并且被储存室盖真空密封。合意的是，基片材料是生物相容的并且适合于长期移植到病人体内。在一首选实施例中，基片是由一种或多种密封材料制成。在使用前，基片或其中的部分可以被涂层、被封装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、钛以及类似物)。不密封的材料可以全部被涂上一层密封材料，例如，聚合物基片可以有一层薄的金属涂层。如果基片材料不是生物相容的，那么在使用前就可以被涂层、被封装或相反地被包含在生物相容的材料之内，例如聚(乙二醇)、类聚四氟乙烯材料、类金刚石碳、碳化硅、惰性陶瓷、氧化铝、钛以及类似物。在一个实施例中，基片是密封的，至少在储存室装置使用时间内，不能渗透出所输送的分子微粒以及不能渗透入周围的气体或流体(如水、血液、电解液或其它溶液)。 [0156] 基片可以被加工成各种形状或成型表面，例如，它可以有平坦的或弯曲的表面，其可成形为比如与连接物的表面相一致。在各种实施例中，基片或容纳装置以平面薄片、圆形的或卵形的盘、拉长的管子、球体或线的形式存在。基片可以是柔性的或刚性的。在各种实施例中，储存室是不连续的、不能变形的、并且横过可植入的医疗装置的一个或多个表面(或其区域)被设置成一排。 [0157] 基片可以仅由一层材料或者也可以由复合的或多层的材料组成，也就是由几层结合在一起的相同或不同的基片材料所组成。例如公布号为2005/0149000的美国专利申请或专利号为6,527,762的美国专利中所描述的那样，基片部分可以是硅或另一种微切削加工的基片，或者例如像硅和玻璃的微切削加工的基片的组合。在另一个实施例中，基片是由结合在一起的多重硅片所组成。然而在另一实施例中，基片包含低温共烧陶瓷(LTCC)或其它陶瓷制品如氧化铝。在一个实施例中，主体部分是微片装置的支撑。在一个例子里，基片是由硅组成。 [0158] 在一个实施例中，任一个或者两个要被结合到一起的基片都可以由一种或多种玻璃所形成，这在需要观察或测定包含在密封的基片之间(比如在空腔或储存室内)的物体或材料的实施例中是特别有用的。也就是说，基片在这里起着不透水的观察窗的作用。玻璃的代表性例子包括铝硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、结晶玻璃等等。 [0159] 通过将多片或多层的基片材料结合或粘结在一起就可以增加总的基片厚度和储存室体积。装置的厚度会影响每一个储存室的体积和/或会影响可以被装在一个基片上的储存室的最大数量。可通过选择基片和储存室的尺寸和数量来调节储存室容纳物的数量和体积，使其适应特殊应用、制造限制和/或总的装置尺寸限制，以适合于优先地采用最少的入侵程序移植到病人体内。 [0160] 在一个用平面传感器用于可移植传感器应用的首选实施例中，如上所述，基片首选地是相对较薄的结构。 [0161] 基片可以有一个、两个、三个或更多的储存室。在各种实施例中，将数十、数百、数千的储存室横跨基片排列。例如，可植入的药物输送装置的一种实施例包括了250至750个储存室，其中每一个储存室都含有单剂量用于释放的药物。在一个信号传感器实施例中，装置中储存室的数量是由各个传感器的运行寿命来确定。例如，一年寿命的可植入的葡萄糖监测装置，其具有在暴露到人体后可以保持30天功能的单个传感器，该装置需要12个储存室(假设每个储存室一个传感器)。在另一个传感器实施例中，在传感器表面和储存室打开工具之间的距离被最小化了，首选的是接近于几个微米。在这种情况下，储存室的体积主要由传感器的表面面积所决定。例如，典型的酶葡萄糖传感器的电极会占据一个400μm×800μm的空间。 [0162] 在一个实施例中，储存室是微储存室，“微储存室”是一个适合于用来储存和释放/暴露微量的材料比如药物组分的储存室。在一个实施例中，微储存室的体积等于或小于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)。术语“微量”是指从1nL到500μL的体积。在一个实施例中，微量是在1nL和1μL之间。在另一个实施例中，微量是在10nL和500nL之间。仍是在另一个实施例中，微量是在1μL和500μL之间。选择微储存室的形状和尺寸可以最大化或最小化在药物材料(或传感器或其它储存室容纳物)与微储存室的周围表面之间的接触面积。 [0163] 在一个实施例中，储存室是在200微米厚的基片中加工成形的，并且具有1.5mm×0.83mm的尺寸，关于其为约250nL的体积，没有计算被约20至约50微米厚的支撑结构所占据的体积。 [0164] 在另一个实施例中，储存室是微储存室，“微储存室”是一个适合于用来储存和释放/暴露比微量大的一定量材料的储存室。在一个实施例中，微储存室的体积大于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)。 [0165] 除非被明确地指出是限于微型或大型的体积/数量，术语“储存室”意为包括这两种。 [0166] 在一个实施例中，本装置含有微片化学输送装置。在另一个实施例中，本装置包括聚合物薄片或装置，其是由不被称为“微片”的非硅基材料所组成的。在一个实施例中，本装置由渗透泵组成，例如包括在商用装置如VIADURTM的植入片(拜耳医药保健有限公司和TMAlza公司)中的DUROS 的渗透泵技术(Alza公司)。 [0167] 储存室盖支撑 [0168] 储存室盖支撑可由基片材料、结构材料或涂层材料或其组合所构成。包含基片材料的储存室盖支撑可以用与储存室同样的步骤加工成形。上述微型机电加工方法、微细加工技术、微模塑、微切削加工技术可以用来从多种基片材料中制作基片/储存室、以及储存室盖支撑。包含结构材料的储存室盖支撑也可以通过沉积到基片上的技术以及随后采用微型机电加工方法、微细加工技术、微模塑、微切削加工技术来加工成形。由涂层材料成形的储存室盖支撑可以用已知的涂覆工艺和遮蔽胶带、遮蔽板、有选择的激光切除技术或其它可选择的方法来加工成形。 [0169] 储存室可以具有几个覆盖储存室容纳物的各种不同构造的储存室盖支撑。例如，一个储存室盖支撑可以从储存室的一端跨越到相对一端；另一个储存室盖支撑可以横过第一储存室盖支撑并且跨越储存室的两个其它侧边。在这样的例子中，四个储存室盖支撑可以支持在储存室上面。 [0170] 在一个用于传感器应用的实施例中(例如葡萄糖传感器)，(仅包括一个或包括两个或多个储存室的装置的)储存室有三个或多个储存室开口及相应的储存室盖。 [0171] 支撑结构的尺寸和几何形状可依赖于特定应用场合下的特殊要求而有所变化。例如，支撑结构的厚度、宽度和截面形状(比如正方形的、矩形的、三角形的)要定制用于针对某个药物组分或植入位置等的特殊的药物释放动力。 [0172] 储存室容纳物 [0173] 储存室容纳物从根本上说是需要从储存室外界环境中被隔离(或被保护)的任何物体或材料，直到需要它的释放或暴露的一选定时间点。在各种实施例中，储存室容纳物包含(一定量的)化学分子、二级装置或其组合。 [0174] 某些储存室容纳物，如催化剂或传感器的适当机能通常并不需要从储存室中释放；相反，在储存室盖被打开以后，随着储存室容纳物被暴露到储存室的外界环境中，储存室容纳物的预期作用比如催化作用或传感作用就发生了。因此，催化剂分子或传感器组件可以在打开的储存室里面被释放或保持不动。而其它的储存室容纳物比如药物分子就可能经常需要从储存室中被释放，目的是为了从装置中通过并且被输送体内的位置上对病人施加治疗影响。然而，可将药物分子保持在储存室内用于某些体外的应用。 [0175] 在几个实施例中，密封的储存室所要求的密闭性，通常被定义为在特殊应用场合的特殊分子(如氦或水)的最大允许传输率。也就是说，在装置的不同应用场合中储存室是否被视作是密闭的取决于应用场合的特殊要求。 [0176] 化学分子 [0177] 储存室容纳物实质上包括任何天然的或合成的、有机的或无机的分子或其混合物。这些分子基本上可以是任何形态，比如纯固态或液态、凝胶或水凝胶、溶液、乳状液、泥浆、冻干粉或悬浮液。这些主要的分子可以与其它材料相混合来控制或增强从打开的储存室中释放的比率和/或时间。 [0178] 在一首选实施例中，储存室容纳物由药物组分组成，药物组分是由药物组成的合成物。这里所使用的术语“药物”包括任何治疗的或预防的制剂(例如，一种活性的药剂成分或者API)。在一个实施例中，药物是以固态供应，特别是为了在超过商业上及医学上可用的时间时保持或延长药物稳定性的目的，比如储存在药物输送装置中直到药物被服用的这段时间里。固态的药物基体可以是纯的形态或者是另一种材料的固体颗粒形态，药物在该另一种材料中被包含、被悬浮或被分散。在一个实施例中，药物是蛋白质或肽，例子包括糖蛋白、酶(比如蛋白水解酶)、激素或其它抗体类似物(如抗VEGF抗体、肿瘤坏死因子抑制剂)、细胞因子(如α-、β-、或γ-干扰素)、白细胞间介素(如IL-2、IL-10)以及糖尿病/肥胖有关的疗法(如胰岛素、艾塞那肽、PYY、GLP-1及其类似物)。在一个装置中的储存室可包括有单一的药物或两个或多个药物组分的组合。不同的组分可以在同样的一个或多个储存室里被储存在一起和被释放，或者它们可以在不同的储存室里单独被储存和被释放。 [0179] 对于在生物体外的应用，在要求一种或多种分子的少量(毫克或毫微克)的可控释放处，例如在分析化学或医疗诊断学领域中，化学分子可以是宽范围内的任何分子。分子能有效用作PH缓冲剂、诊断试剂和在诸如聚合酶链式反应或其它核酸扩增过程的复杂反应中的试剂。在另外的实施例中，被释放的分子是芳香剂或香水、染料或其它着色剂、甜味剂或其它浓缩的调味剂、或各种各样的其它化合物。然而在其它实施例中，储存室含有固定不动的分子，例如包括能参加到反应中的所有化学物类，如试剂、催化剂(比如酶、金属和沸石类)、蛋白质(如抗体)、核酸、多糖、细胞和聚合物以及能够用作诊断试剂的有机或无机分子。 [0180] 可以将用于释放的药物或其它分子分散到基体材料上来控制释放率。这个基体材料可以是如描述在专利号为5,797,898的美国专利中的“释放系统”，其能提供一种方法来控制化学分子释放率的降解、溶解或扩散特性。在一个实施例中，在储存室内的药物组分包含多层药物和非药物材料。在主动释放结构已经暴露了储存室容纳物以后，由于非药物层的介入。该多层结构就提供了药物释放的多重脉冲。这样一种策略可以用来获得复杂的释放轮廓，参见在这里作为文献引证的公布号为2004/0247671 A1的美国专利申请。 [0181] 二级装置 [0182] 除非在其它地方明确指出，这里所用的术语“二级装置”包括能够被定位在储存室里的任何装置或其结合。在一个实施例中，二级装置是传感器或其传感元件。这里所用的术语“传感元件”包括用来测量或分析在某一处的化学的或离子种类、能量或一个或多个物理性能(如PH、压力)的存在、缺失或变化的元件。传感器的类型包括生物传感器、化学传感器、物理传感器或光学传感器。二级装置被进一步描述在专利号为6,551,838的美国专利中。在一个实施例中，传感器是压力传感器，参见例如专利号为6,221,024和6,237,398的美国专利以及公布号为2004/0073137的美国专利申请。传感元件的例子包括用来测量或分析在某一处的药物、化学或离子种类、能量(或光)或一个或多个物理性能(如PH、压力)的存在、缺失或变化的元件。还是在另一个实施例中，传感器包括如那些用来化学探测的悬臂型的传感器。例如，参见在这里作为文献而被引证的公布号为2005/0005676的美国专利申请。 [0183] 在一首选实施例中，提供装置来植入患体(例如人或其他哺乳动物)中并且储存室容纳物包含至少一个能指示在患体中的生理条件的传感器。例如，传感器可以监测存在于血液、血浆、间质液、玻璃状液或者患体的其它体液中的葡萄糖、尿素、钙或荷尔蒙的浓度。 [0184] 在一个实施例中，两个结合在一起的基片包括至少一个空腔，其被限定在包含微型机电加工系统装置的一个或两个基片部分中。该微型机电加工系统装置可以在第三基片上。在密封的空腔中的空间可以被抽空，或者含有惰性气体或气体混合物(如氮气、氦气)。微型机电加工系统装置可以是现有技术中已知的一种例如压力传感器、加速计、回转仪、共鸣器。在另一个实施例中，至少一个结合的基片是由玻璃加工成形的，并且空腔包含光学传感器或能被光学测定的化合物。 [0185] 为了接受和分析用位于主要装置内的二级装置所获得的数据存在着几种选择，该主要装置可以是微片装置或另外的装置。可以通过现场微处理器或遥控装置来控制该主要装置。生物传感器信息提供输入到控制器来自动地、人工介入或两者结合的方式来测定激活的时间和类型。例如，通过装置携带的(如包装内的)微处理器或状态机可以来控制装置的运行。从装置输出的信号在必要时通过合适的电路调节后可以通过微处理器而获得。经过分析和处理后，输出信号可以被储存在可写的计算机存储芯片，和/或被送到(如通过无线的方式)远离微芯片的远程位置。通过在本地的电池或远程的无线传输方式，就可以给微芯片系统供能。参见如公布号为2002/0072784的美国专利申请。 [0186] 在一个实施例中，所要提供的装置具有包含用于释放的药物分子和传感器/传感元件在内的储存室容纳物。例如，传感器或传感元件可以被定位在储存室里，或者被粘结到装置基片上。传感器与装置之间可以在运行中比如通过微处理器来相互沟通，以控制或修改药物释放变量，包括剂量和频率、释放时间、释放的有效率、药物或药物组合物的选择以及其它类似的变量。传感器或传感元件探测(或不探测)在体内植入的位置上的种类和性能，并且可进一步传递信号到用来控制从装置中释放的微处理器上。这样的信号可对药物的释放提供反馈和/或细微地控制药物的释放。在另外的实施例中，该装置包括能够探测和/或测量患者体内的信号的一个或多个生物传感器(可以被密封在储存室中直到需要使用)。在一种变化中，可植入的医疗装置包括由这里所描述的被密封的传感器组成的储存室，并且从传感器来的信号被传输到(通过许多方式，包括硬线或遥感勘测)隔开的药物递送装置中，该药物递送装置可以是耐磨的(如外用的)或内部的泵，信号用在药物剂量的控制中。 [0187] 这里所用的术语“生物传感器”包括能将主要的分析物的化学势转换成电信号(例如通过将机械能或热能转换成电信号)的传感装置，以及直接地或间接地测量电信号的电极。例如，生物传感器可以测量在各种体内位置的组织结构上的固有电信号(心电图EKG、脑电图EEG或其它神经信号)、压力、温度、PH值或机械载荷。通过例如微处理器/控制器，从生物传感器来的电信号能随后被测量，然后该电信号能将信息传输到远程控制器、另一个本地控制器或两者一起。例如，该系统可以用来传递或记录患者的生命体征的信息，或像药物浓度之类的植入环境信息。 [0188] 在首选实施例中，本装置包含用于葡萄糖监测和胰岛素控制的一个或多个传感器。从传感器来的信息可以被用来主动地控制胰岛素从同一个装置或从各自分离的胰岛素输送装置(例如，或者是装在外面的常规的胰岛素泵，或者是内部植入的常规的胰岛素泵)中释放。真空密封的储存室装置以可植入的多重储存室装置的形式而被提供，该装置储存了一批葡萄糖传感器并能传送(通过线路或无线方式)葡萄糖读数到手持的或装定的葡萄糖仪表型装置中去，这就允许患者能自己人工服用胰岛素(比如通过注射)。其它实施例能检测其它分析物并以类似的方式传送其它类型的药物。 [0189] 储存室盖 [0190] 这里所用的术语“储存室盖”是指隔膜、薄膜或适合于用来将储存室里的容纳物从储存室的外部环境中隔离出来的其它结构，但其确定为在选定的时间被移去或分解以打开储存室以及暴露其中的容纳物。在首选实施例中，不连续的储存室盖完全覆盖了储存室开口的其中一个。在另一实施例中，不连续的储存室盖覆盖了两个或多个小于全部的储存室开口。在首选的主动控制的装置中，储存室盖包括响应所应用的激励(例如电场或电流、磁场、PH值的变化或者通过热的、化学的、电化学的或机械的方式)而能被分解或被浸透的任何材料。合适的储存室盖材料的例子包括金、钛、铂、锡、银、铜、锌、合金以及像金-硅和金-锡之类的低共熔混合物材料。在单个的装置中可以存在任意结合的主动或被动阻挡层。 [0191] 在一个实施例中，储存室盖是导电的并且无孔的。在首选实施例中，储存室盖是薄金属膜的形式。在另一实施例中，储存室盖是有多层金属层组成，如铂/钛/铂的多层状/片状结构。例如，顶部层和底部层可以被选来用作在储存室盖上(典型地仅是在储存室盖的一部分上)的粘附层，以确保盖子既与在储存室开口、储存室盖支撑周围的基片区域又和绝缘覆盖层粘附/结合在一起。一种情形中，结构为钛/铂/钛/铂/钛，其中顶部层和底部层作为粘附层，并且含铂的层提供了额外的稳定性/生物稳定性以及对主要的中间钛层的保护。这些层的厚度，比如对中间的钛层来说可以是300纳米，对每一个铂层来说是40纳米，以及对粘附钛层来说是10至15纳米。 [0192] 用于分解或浸透储存室盖的控制装置 [0193] 容纳装置包括促进并控制储存室开口的控制装置，用于例如如这里所描述的在储存室密封之后的一选定时间分解或浸透储存室盖。控制装置包含结构元件和用于供能和控制储存室容纳物的开始释放或暴露的时间的电子元件(例如，线路和电源)。 [0194] 控制装置有许多形式。在一实施例中，储存室盖由金属膜和控制装置组成，该金属膜能通过如描述在公布号为2004/0121486 A1的美国专利申请中的电热消融所分解；该控制装置包括硬件、电子元件以及用来控制和从电源(比如电池、储能电容器)传送电能到选定的储存室盖来激活比如储存室开口的软件。例如，本装置包括电源，用来施加贯穿电输入导线、电输出导线和被连接到其中的储存室盖的电流，以达到总体上能有效地分解储存室盖。在本地通过电池、电容器、(生物)燃料电池，或者远程地通过无线传输方式，电能可以被供给到多盖储存室系统的控制装置中，如在公布号为2002/0072784的美国专利申请中所描述的。电容器可以在本地通过装置携带的电池，或在远程通过如射频信号或超声波方式而被充电。 [0195] 在一个实施例中，控制装置包括输入源、微处理器、计时器、多路信号分离器(或多路转换器)。计时器和多路信号分离器(多路转换器)电路可以在制作过程中被直接设计和安装到基片的表面上。在另一实施例中，控制装置的部分元件设置为隔离的元件，其可被限定到或被解除限定到装置的储存室部分。例如，控制器和/或电源可物理地从多盖储存室装置上移除，但是可操作地连接到多盖储存室装置和/或与之有信息传递。在一个实施例中，多盖储存室系统的运行通过在装置中携带的(例如在植入装置内的)微处理器来控制。另一实施例中，使用了简易的状态机，因为它与微处理器相比要更简单、更小、和/或耗电更少。 [0196] 其它储存室开口和释放控制方法被描述在这里作为参考文献而被引证的专利号为5,797,898、6,527,762和6,491,666的美国专利，公布号为2004/0121486、2002/0107470 A1、2002/0072784 A1、2002/0138067 A1、2002/0151776 A1、2002/0099359 A1、2002/0187260 A1和2003/0010808 A1的美国专利申请，以及公布号WO 2004/022033A2、WO 2004/026281的PCT申请，和专利号为5,797,898、6,123,861和6,527,762的美国专利中。 [0197] 多盖储存室系统/装置的应用 [0198] 这里所描述的多盖储存室释放/暴露装置和系统可以使用在非常多的场合。首选的应用包括药物、生物传感器或其结合的有控制的传输。在一首选实施例中，该多盖储存室系统是可植入医疗装置的一部分。这种可植入医疗装置具有各种形式，并且可以被用在各种治疗和/或诊断应用场合。在一个实施例中，储存室在长期的时间里储存和释放药物组分。在另一个实施例中，储存室储存和包含传感器来有选择性的暴露，其中储存室根据需要(例如取决于传感器的污垢)或者按照预定的时间进度指示而被打开。例如，储存室可以包含压力传感器、化学传感器或生物传感器。在特殊实施例中，储存室包含葡萄糖传感器，其可以例如由被固定储存室里的电极上的葡萄糖氧化酶所组成并被涂有一层或多层渗透/半渗透膜。因为在预期使用时间之前被暴露到环境中(如身体)酶会失去活性，密封的储存室用以保护酶直到其被需要使用。 [0199] 仍是在另外的实施例中，这里所描述的多盖储存室系统和装置被装入到多种其它装置中。例如，被真空密封的储存室可以被整体装入到可植入医疗装置的其它类型和设计中去，例如在公布号为2002/0111601的美国专利申请中所描述的导尿管和电极。在另外的实施例中，如专利号为6,491,666的美国专利所说明的，其可以被装入到另一个医疗装置中去，其中本装置和系统释放药物到携带液中，随后该携带液就流到所要求的施药位置。被真空密封的储存室也可以被装入到药物泵、呼吸器或其它肺部药物输送装置中。 [0200] 这里所描述的密封装置也有众多的在体外的和商业诊断中的应用实例。这些装置能够输送经过精确计量的一定数量的分子，并因而用于在体外的应用，例如分析化学和医学诊断，以及例如将基因输送到细胞培养物中的生物学应用。仍是在其它非医疗应用中，这些装置可以用来控制芳香剂、染料或其它有用化学物的释放。 [0201] 还有其它应用被描述在这里作为参考文献而被引证的专利号为5,797,898、6,527,762、6,491,666和6,551,838的美国专利和公布号为2002/0183721、2003/0100865、 2002/0099359、2004/0082937、2004/0127942、2004/0121486、2004/0106914 和 2004/0106953的美国专利申请中。 [0202] 参考下面的非限制性例子可以更进一步的理解本发明的实施例。 [0203] 例1.舌状物和凹槽真空密封 [0204] 真空密封可以使用舌状物和凹槽连接设计而制成。该密封是通过压入式冷焊工艺而形成的。图3示出了该密封的扫描电子显微摄影(SEM)。基片是硅(顶部)和氧化铝(底部)。金属为金(在硅上溅镀、在氧化铝上先溅镀后电镀)。这些部件被结合到一个型号为FC-150的倒装晶片校准器上，其为提供在x、y、z方向的精确校准和倾斜、滚动和偏转的机构。一旦这些部件被校准后，FC-150倒装晶片校准器就将这些部件压到一起，并形成了冷焊结合。 [0205] 例2.结构特征尺寸和金属厚度的变化对密封性的影响 [0206] 通过使用不同的结构特征尺寸和金属层厚度就可以制作几种不同的连接设计。这些连接是压入式冷焊的，并且根据部件的几何结构或者是采用染色渗透剂试验或者是采用氦检漏仪，使这些密封连接可以用于泄漏测试。如下面的表1所示，可以发现在所测试的范围内密封完整性与结构特征尺寸和金的金属层厚度无关。无法检测到的泄漏率会低于检漏仪下限或小于5e-11大气压×立方厘米/秒。 [0207] 表1.各种连接密封-密封测试的比较 [0208] [0209] 例3.具有单独密封结构特征的微细加工的空腔排列 [0210] 提供了具有补充空腔和密封结构特征的两个硅基片用于压入式冷焊。该密封结构特征包括被微细加工到一个基片上面/里面的凸起，以及与之相匹配的被微细加工到另一个基片上面/里面的凹槽。一浅的、宽的空腔形成在每一凹槽的内部和每一凸起的内部。图27A-B显示了最后结果的基片和密封结构特征。 |
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