CN105592884B - 柔性导电轨道装置和制造方法 - Google Patents

Abstract

柔性导电轨道装置具有预弯条件，在预弯条件中装置一般是平面的。导电轨道由金属层形成并且它们在上方和下方由绝缘体层覆盖。细长导电轨道一般是平面的但是垂直于一般平面而局部起皱。这使得能够实现改进的绑定性能，例如以使用导电轨道形成紧密的缠绕。

Description

柔性导电轨道装置和制造方法

技术领域

本发明涉及用于在远程位置之间传导信号或功率的导电轨道装置，并且所述导电轨道装置是柔性的使得其可以变形成期望的形状。该变形例如是所期望的使得轨道可以紧密缠绕载体使得它们占用最小量的空间。

本发明还涉及包括缠绕载体的导电轨道装置的导体装置。

本发明还涉及用于神经元的刺激或感测的可植入设备。

本发明还涉及形成导电轨道和导体装置的方法。

背景技术

紧密围绕载体的导电轨道的缠绕通过将它们临时或永久（可植入）插入在身体中而通常使用在可以用于身体（人类和/或动物）中的神经元信号的刺激和/或检测的医学设备中。例如要求导电轨道在身体内的传感器和/或刺激设备与身体外部的处理单元和电路之间中继信号。设备的可插入/可植入部分需要具有通常相当小的某些尺寸。尺寸取决于特定的实现。这样的实现的具体已知示例是耳蜗植入物，但是可以预想到诸如（深）脑部刺激设备或肌肉刺激设备之类的其它示例。当前发明可以用于所有这样的设备。

例如，人类耳朵的耳蜗包含对声音的感知至关重要的毛细胞。声音振动使耳蜗的某些结构扭曲，其进而使毛细胞扭曲。这发起毛细胞中的电学脉冲，其被递送至听觉神经的纤维并且最终递送至脑部。

人类听力损失的一些实例归因于毛细胞的广泛破坏。当这发生时，尽管耳蜗的结构可以以其它方式是基本上完整无缺的，并且听觉神经可以部分或完全完整无缺，但是听觉响应明显受损或不存在。

耳蜗植入物直接刺激内耳内部的听觉神经。在传统的耳蜗植入物系统中，麦克风从环境获取声音。然后，通过使用诸如快速傅里叶变换之类的各种滤波器组策略的语音处理器来对声音进行选择性滤波，以将信号划分成不同频带。一旦经处理，信号然后被发送至传送器，通过放置在外耳后方的磁体保持定位的线圈。该传送器通过电磁感应向内部设备发送经处理的信号。

嵌入在颅骨中、耳朵后方的是将信号转换成电学脉冲并且通过内部线缆将它们发送到电极的接收器。常规耳蜗植入物由多个铂电极或类似导电材料制成，连接到铂导线并且嵌入在硅树脂主体中。这些电极然后通过在电流路由到它们时生成电场来起作用以刺激听觉神经纤维。

已知的是，耳蜗植入物应当具有小的插入面积使得耳蜗植入物的安装不损坏耳蜗结构。尽管可能并不总是必要的，但是用于（深）脑部刺激或其它目的的植入物也可能受益于较小的插入面积。这对可插入设备（并且尤其针对耳蜗设备）的线缆尺寸施加约束。

一种已知的设计是基于长的电极条带，其然后缠绕载体以形成螺旋条带耳蜗植入物。这提供期望的管状形状以用于插入到耳蜗中。这种类型的装置的示例例如公开在US2012/0310258中。该电极设计包括导电和介电层，以提供不同电极线的隔离。电极设计提供对条带可以被缠绕的紧密程度的限制，并且这进而提供对管可以制作得多小并且因而对插入面积的限制。特别地，以过于小的弯曲半径弯曲条带可以导致形成结构的层中的一个或多个层的损坏。因而存在对于具有较小插入面积的改进的可插入/可植入设备的需要。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种关于前述问题的改进的可插入/可植入设备。

该问题通过如独立权利要求限定的本发明来解决。从属权利要求提供有利实施例。

通过提供垂直于轨道的一般平面的褶皱，装置的弯曲性能得以改进，使得可以形成比没有褶皱的情况下更紧密的弯曲。预弯条件是其中装置可以方便地制造而不必将其置于困难的（缠绕）条件中的无应力配置。因此，褶皱结构不在将会导致结构中的应力的制造之后形成，而是作为经制造的设计的一部分。

褶皱可以具有0.5到10μm的范围中的高度，更优选地1到2μm，并且它们可以具有5到50μm的范围中的间距，更优选地5到10μm。结构可以基于薄膜形成。膜的部分可以由诸如塑料之类的有机/聚合物材料制成。

导电轨道可以是细长的。长度可以从1cm变化到如所期望的那样长。典型长度范围在5和40cm之间、在10和40cm之间或在20和30cm之间延伸。导电轨道的集合可以包括10到30个轨道（例如16个轨道），具有0.2到1.0mm（例如0.6mm）的总体宽度。导线可以例如为17μm宽，具有17μm间隙。

第一和第二绝缘体层可以每一个包括邻近金属层的陶瓷子层和外部聚合物子层。因此，多个层可以用于提供期望的绝缘性质以及提供离子障壁。例如，下部的陶瓷层可以包括500nm LPCVD陶瓷层，金属层可以包括由250nm铂和顶部500nm PECVD陶瓷层包封在两侧上的2μm金层。陶瓷可以是SiN/TEOS。该结构可以包封在聚对二甲苯（例如5μm）中，如果需要的话，其是部分地开口的以用于电极暴露。

包括柔性导电轨道装置的导体装置由于通过其中的褶皱使得能够实现的导电轨道装置的较紧密的缠绕而可以具有较小的插入面积。因此，载体的横截面尺寸中的一个或多个（例如，如果其具有管状形状，则为直径）可以小于1 mm，或者如对于耳蜗设备优选地小于0.5 mm。载体可以根据期望具有数个形状。示例形状包括具有矩形、椭圆形或圆形横截面或甚至其它横截面的管状或柱状。优选地，横截面是椭圆形或圆形。载体可以在一个位置处具有比在另一位置上更小的横截面。因而其可以是锥形，或者具有不同但恒定直径的区段，其中最小尺寸可以小于1 mm或者甚至小于0.5 mm。可替换地，载体可以是具有在条延伸方向上延伸的略微圆化的边缘的条形。

柔性导电轨道装置可以以不同方式缠绕载体。其可以缠绕有垂直于载体延伸的方向而延伸的轨道。然而，优选地，其螺旋地缠绕载体（参见附图）。

以上描述的优点使得能够实现包括可以使用在耳蜗区域中的导体轨道的可插入或可植入设备。在不损失基于较小插入面积和/或设备可靠性的有利效果的情况下，这样的设备还可以使用在其它区域中，诸如例如（深）脑部刺激或肌肉神经刺激。

本发明的方法提供制造时的褶皱结构，而不是通过变形。可以使用诸如加热之类的物理方法来完成粘合层的移除，如果其为热学释放层的话。优选地，粘合层在溶剂中可溶解并且其移除通过溶剂中的溶解来完成。阶梯层可以包括一系列隆起，例如具有0.5到10μm的范围中的高度，更优选地1到2μm，以及在5到50μm的范围中的间距，更优选地5到10μm。

附图说明

现在将参照附图详细地描述本发明的示例，其中：

图1示出例如如可以使用在耳蜗植入物中的以螺旋缠绕管状支撑物的导电轨道装置；

图2示出横跨其长度的已知轨道装置的横截面；

图3示出沿其长度的已知轨道装置的横截面；

图4示出沿其长度的本发明的轨道装置的横截面；

图5a-5c示出依照本发明的方法的一个示例的第一制造步骤；

图6用于以透视图示出本发明的轨道装置的轨道的形状并且对应于图5a-5c的步骤结尾处的结构；

图7a-7d示出依照本发明的方法的示例的另外的制造步骤；

图8以平面视图示出本发明的轨道的第一示例；以及

图9以平面视图示出本发明的轨道的第二示例。

具体实施方式

本发明提供了一种具有预弯条件的柔性导电轨道装置，在预弯条件中装置一般是平面的。导电轨道由金属层形成并且它们在上方和下方被绝缘体层覆盖。细长导电轨道一般是平面的，但是垂直于一般平面而局部起皱。这使得能够实现改进的绑定性能，例如使用导电轨道形成紧密缠绕。

图1示出以螺旋缠绕具有带有横截面11的管状截面16的管状支撑物12的导电轨道装置10，例如如可以在耳蜗植入物中和在深脑部刺激植入物中使用的。轨道终止在电极装置14处以用于植入到耳蜗中，并且轨道装置的相对端耦合到传送器以用于向电极装置发送信号。传送器可以例如安装在患者内部，与用户佩戴的耳机无线感应通信，其响应于麦克风输入而生成所要求的信号。

图2示出横跨其长度的已知轨道装置的横截面。轨道形成为例如金或铂的平坦金属轨道20，上方和下方涂敷有绝缘体，诸如陶瓷层22（例如氮化硅或氧化硅），以及诸如聚对二甲苯或聚酰亚胺之类的聚合物保护层24。

图3示出沿其长度的已知轨道装置的横截面，并且示出轨道沿其长度是平坦的。

如果该装置过于剧烈地弯曲则其可能损坏。当执行图1中所示的缠绕时，弯曲发生在通过图3中的箭头示出的方向上。可以应用的曲率半径受到层的物理和机械性质限制。

图4示出沿其长度的本发明的轨道装置的横截面。

该装置同样一般是平面的，并且具有轨道上方和下方的相同绝缘和保护层。然而，轨道垂直于装置的一般平面而局部地起皱。

褶皱提供沿轨道长度的高度变化，并且这使得能够承受较高得弯曲力。作为结果，可以使用较小的弯曲半径。

设备制造有褶皱形状，而不是在平坦配置中的制造之后变形成该形状。这意味着褶皱形状是针对无应力的配置。这还意味着制造比在缠绕状态中时更简单（在平面状态中）。

褶皱例如可以具有0.5到10μm的范围中的高度，更优选地1到2μm。该高度在图4中示出为h，并且其例如为从褶皱底部处的给定层顶部到褶皱顶部处的该层顶部的高度中的改变。褶皱具有在5到50μm的范围中的间距，更优选地5到10μm。这在图4中示出为p。

总体长度可以例如在20cm到30cm的范围中。单个膜可以包含例如17μm宽、具有17μm间隙的16条导线。总体膜可以典型地为0.6mm宽。

本发明的导电轨道装置可以通过修改用于柔性导体的已知制造方法、通过提供各种层被沉积在其之上的波状轮廓的初始衬底来制造。

作为示例，Ke Wang等人在第31届IEEE EMBS年度国际会议，明尼阿波利斯，美国，2009年9月2日-6日中呈现的文章“Towards Circuit Integration on Fully FlexibleParylene Substrates”公开了一种用于制造微电极结构的方法，其中金属电极层具有上方和下方的氧化物层以及氧化物层上方和下方的聚对二甲苯层。在该过程中使用两个相对的牺牲衬底。如以下描述的那样修改的所公开的方法可以用于制造本发明的设备。其因而以其整体并入。

图5a-5c示出依照本发明的方法的一个示例的制造步骤的第一子集，其可以被视为对以上引用的Ke Wang等人的文章中所公开的过程的修改，特别地通过提供以下参照图5b描述的阶梯支撑层。

图5a示出诸如硅晶片之类的衬底50，在其之上提供蚀刻停止层52，诸如通过LPCVD沉积的氮化硅。

图5b示出提供在蚀刻停止层52之上的阶梯层54。这可以是诸如铝之类的金属层，但是可以使用其它材料。如以下将看到的，稍后蚀刻掉该层，因此其被选择成匹配所使用的蚀刻过程。

在所示的示例中，层54包括提供升高的隆起的分离岛。在一个示例中，隆起具有在0.5到10μm的范围中的高度，更优选地1到2μm，并且隆起具有在5到50μm的范围中的间距，更优选地5到10μm。隆起限定随后沉积的导体层中的褶皱。

在图5b中可以看到，岛具有倾斜边缘。在制备掩蔽光致抗蚀剂时可以在湿法化学蚀刻过程（PES蚀刻剂）中蚀刻铝。可替换地，可以在离子束蚀刻机中蚀刻金属薄膜，其中角度由最大溅射率的角度（其为材料性质）限定。

如图5c中所示，第一绝缘体层56形成在阶梯层上方，包括诸如氧化硅或氮化硅之类的陶瓷层或氧化物氮化物氧化物堆叠。金属层58形成在第一绝缘体层56之上并且图案化以形成细长导电轨道。金属可以是铂。

图6以透视图示出在过程的该点处的构造，以便更清楚地示出图案化的导体轨道的形状。为了改进的清楚性而省略绝缘体层56。如所示，细长导电轨道58一般是平面的，但是以对应于阶梯层的形状垂直于一般平面而局部地起皱。

图7a-7d示出接下来的制造步骤。

图7a示出在金属层之上添加第二绝缘体层60（同样地，陶瓷氧化物或氮化物或层的堆叠），随后添加诸如聚对二甲苯之类的聚合物绝缘保护层62。绝缘体层60,62可以被视为总体绝缘体装置的子层。绝缘体装置可以包括这些类型的层（即陶瓷和/或聚合物层）中的一个或另一个或二者。

在第一衬底20的相对侧上，使用可溶解粘合剂66将该阶段处的结构键合到第二衬底64。图7b示出自第二衬底64倒置的结构，然后提供支撑物。第一衬底50然后通过向下蚀刻到蚀刻停止层52来移除。

如图7c中所示，然后蚀刻掉蚀刻停止层和阶梯层。可选地，蚀刻停止层可以图案化，如果期望保留部分的话。可以例如使用湿法Al蚀刻。然后在第二绝缘体层56之上沉积第二聚合物层70。同样地，两个层56,70可以视为总体绝缘体装置的子层，其可以具有聚合物和陶瓷绝缘体子层中的一个或二者。

粘合剂66然后溶解以移除第二衬底64从而给出如图7d中所示的完成的产品。

导电轨道在高度上蜿蜒但是被绝缘装置完全覆盖以提供轨道之间的电学分离以及使得能够在缠绕时叠覆轨道。这使得能够实现降低的弯曲半径和改进的鲁棒性。该结构可以应对增加的扭曲和拉伸力。

导电轨道可以是笔直的，如图8中的平面视图中所示。然而，它们还可以在一般平面中蜿蜒，如图9中所示，其中虚线表示垂直褶皱中的阶梯。该结构有效地具有两个正交平面中的褶皱。这改进了正交方向上的弯曲行为，使得例如改进缠绕的管状设备的弯曲性能。

本发明可以应用于深脑部植入物和耳蜗植入物，如以上解释的。然而，本发明更一般地使得电极装置能够变形成期望的形状，其可以包括一些紧的弯曲和其它较不太紧的弯曲。本发明大体对可插入或可植入在人类或动物中的设备以及一般地对神经刺激应用感兴趣，其中一般存在对于小型化的期望。另一示例是脊椎植入物。

作为示例，导电轨道装置可以使用在如以其整体并入在当前说明书中的US 2012/0310258中描述的耳蜗设备中。该装置然后缠绕载体，如所描述的那样。根据本发明的设备可以具有多于一个区段16，每一个区段具有不同的横截面（参见图1以得到横截面和区段的含义）。可以添加辅助功能（信号源、处理器传感器等）以使设备完整化。可以通过合并导体轨道装置所需要的功能性来以类似的方式没有困难地制作其它可植入或可插入设备。

本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，通过研究附图、公开内容和随附权利要求，可以理解和实现对所公开的实施例的其它变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的仅有事实不指示这些措施的组合不能用于获益。权利要求中的任何参考标记不应当解释为限制范围。

Claims (20)

1.一种具有预弯条件的柔性导电轨道装置，所述预弯条件包括无应力配置，所述柔性导电轨道装置在所述无应力配置中被制造，其中在所述预弯条件中所述柔性导电轨道装置在第一平面中一般是平面的，并且包括：

由金属层（20）形成的导电轨道的集合；

导电轨道上方的第一绝缘体层（22）；以及

导电轨道下方的第二绝缘体层（22），

其中导电轨道在第一平面中延伸并且垂直于第一平面而局部起皱，从而形成褶皱。

2.如权利要求1中所要求保护的柔性导电轨道装置，其中褶皱具有0.5到10μm的范围中的高度（h）。

3.如权利要求2中所要求保护的柔性导电轨道装置，其中褶皱具有1到2μm的范围中的高度（h）。

4.如权利要求1-3中任一项所要求保护的柔性导电轨道装置，其中褶皱具有5到50μm的范围中的间距（p）。

5.如权利要求4中所要求保护的柔性导电轨道装置，其中褶皱具有5到10μm的范围中的间距（p）。

6.如权利要求1-3和5中任一项所要求保护的柔性导电轨道装置，其中导电轨道长度在10cm到40cm的范围中。

7.如权利要求1-3和5中任一项所要求保护的柔性导电轨道装置，其中导电轨道的集合包括10到30个轨道。

8.如权利要求1-3和5中任一项所要求保护的柔性导电轨道装置，其中导电轨道的集合具有0.2和1.0 mm之间的总体宽度。

9.如权利要求1-3和5中任一项所要求保护的柔性导电轨道装置，其中第一和第二绝缘体层中的每一个包括邻近金属层的陶瓷子层（22）和外部聚合物子层（24）。

10.一种导体装置，包括：

载体（12）；以及

缠绕载体的如权利要求1-9中任一项所要求保护的柔性导电轨道装置。

11.如权利要求10中所要求保护的导体装置，其中载体包括具有管状或柱状形状的区段。

12.如权利要求11中所要求保护的导体装置，其中在区段内的至少一个位置中，载体包括具有小于1mm或小于0.5mm的横截面直径的横截面。

13.如权利要求12中所要求保护的导体装置，其中横截面是圆形的并且横截面尺寸是直径。

14.一种用于感测和/或刺激神经元的设备，设备包括：

信号源；

传感器和/或刺激单元，以及

连接到信号源和传感器和/或刺激单元的、如权利要求10至13中的任一项所要求保护的导体装置。

15.如权利要求14中所要求保护的设备，其中传感器和/或刺激单元集成在柔性导体轨道装置中。

16.一种形成柔性导电轨道装置的方法，包括：

提供第一衬底（50）；

提供衬底之上的蚀刻停止层（52）；

提供蚀刻停止层之上的阶梯层（54）；

形成阶梯层上方的第一绝缘体层（56）；

形成第一绝缘体层之上的金属层（58）并且将其图案化以形成细长导电轨道；以及

形成金属层（58）之上的第二绝缘体层（60）；

在第二绝缘体层（60）上方，使用可溶解粘合剂将结构键合到第二衬底（64）；

蚀刻掉第一衬底至所述蚀刻停止层（52）；

蚀刻所述蚀刻停止层和阶梯层（54）；以及

溶解粘合剂以移除第二衬底（64），

其中细长导电轨道一般是平面的但是以对应于阶梯层的形状垂直于平面而局部起皱。

17.如权利要求16中所要求保护的方法，其中形成金属层之上的第二绝缘体层包括形成邻近金属层的陶瓷子层和外部聚合物子层，其中形成在阶梯层上方的第一绝缘体层包括陶瓷子层，并且所述方法还包括，在蚀刻所述蚀刻停止层和阶梯层之后，在第一绝缘体层（56）下方形成第二聚合物子层（70）。

18.如权利要求16或17中所要求保护的方法，其中阶梯层包括一系列隆起，所述隆起具有0.5到10μm的范围中的高度，并且隆起具有5到50μm的范围中的间距。

19.如权利要求18中所要求保护的方法，其中所述隆起具有1到2μm的范围中的高度，并且隆起具有5到10μm的范围中的间距。

20.如权利要求16或17所要求保护的方法，还包括围绕具有小于1mm或小于0.5mm的直径的管状载体螺旋地缠绕柔性导电轨道装置。