CN107585735B - 一种人工耳蜗电极及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种人工耳蜗及其制备方法，所述人工耳蜗电极设有屏蔽电极点之间串扰的结构，屏蔽电极点之间串扰的结构是指每一个电极点被地线包围，每个电极点之间互相屏蔽，每一个电极点和地线之间的电场均匀分布于该结构之间,保证了相邻电极点之间不会出现串扰。所述方法是在衬底上先做一层牺牲层，在其上旋涂一层聚合物，在聚合物上溅射一层金属为金属层，在制作这一层时将电极点的周围包围一圈，作为地线，最后再做一层聚合物做绝缘层，并将电极释放，最后用PDMS进行封装。本发明工艺简单易实现、易与微加工工艺相结合，减小电流的扩散，使得电场分布集中于电极点和地线之间，减小相邻电极点之间信号发生串扰，提高刺激区域的准确性。

Description

一种人工耳蜗电极及其制备方法

技术领域

本发明涉及植入式电极领域的一种基于MEMS技术领域的器件加工工艺，具体的，涉及一种人工耳蜗电极及其制备方法。

背景技术

耳朵是人类获取外界信息的一个重要器官，从结构上主要分为外耳，中耳和内耳，其中任一结构的病变都对导致耳聋现象，我国则更是耳聋患者大国，听力障碍给患者的正常生活造成了极大的不便，为此人工耳蜗技术越来越被科学家重视，越来越多的研究在此基础展开。

人工耳蜗是优于助听器的一种植入式设备，它的出现使得先天性耳聋的儿童以及中老年耳聋患者在一定程度上重新获得听力。听力产生的原理是声波从外耳经中耳到达耳蜗，将声信号转换为神经电信号传递至大脑的听觉中枢，大多数重度听力损伤病例的主要病因是上述耳蜗声电转换功能损伤。人工耳蜗正是跨越了这一转换过程，而直接用一定编码的电脉冲来刺激听觉神经。也就是说，人工耳蜗实现了模拟和替代了部分内耳的听觉功能。

目前人工耳蜗技术已经日趋成熟，在静态条件下或者安静条件下已经取得很好的成果，随着生物医学技术、仿生技术、电子技术等学科的进步和生活水平的提高，目前的技术已经不能满足患者，患者希望能够感知更丰富的声音世界，并且能接受对有音调的语音信号如汉语甚至语音信号的传递。因此，减小电流的扩散效应，减小电极点之间信号的串扰成为非常重要的一个环节。

电流的扩散效应是目前人工耳蜗面临的一个大问题，该效应会导致电极之间的相互干扰、引起信号失真并限制了可植入电极的数目，且由于电场之间的相互干扰导致电极分布不能过密，这严重影响了设计电极结构的布局，相邻电极点之间的串扰严重干扰了刺激的准确性，进而严重影响信号获取的准确性。

经检索，Jeong Hun Kim,Inho Song,Seung Min Lee等人在《An Electroplating-Free and Minimal Noise Polyimide Microelectrode for Recording Auditory EvokedPotentials From the Epicranius》(IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL ENGINEERING,VOL.60,NO.12,DECEMBER 2013)中描述了一种使用光敏型聚酰亚胺作为基底材料的16通道脑电极微电极阵列，描述了一种减小信号串扰的方法，在每两根导线之间布置一根地线，即一共16根导线和16根地线，但是该技术没有保证电极点在刺激时候相邻电极点之间信号串扰的问题，即不能保证精确的刺激和信号记录。

康晓洋等在《Sputtered iridium oxide modified flexible parylenemicroelectrodes array for electrical recording and stimulation of muscles》(Sensors and Actuators B 225(2016)267–278)中设计出一种电极点被8个参考电极点即地电极点包围，这种做法使得电极点附近电流密度最大，并且能够有效的将电流分布有效的控制在电极点和地电极点之间。但是由于8个电极点之间分布较开，不能很好的形成一个屏蔽作用。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种人工耳蜗电极及其制备方法，利用所设计的电极结构，屏蔽相邻电极点之间的信号串扰，减小电流的扩散效应，保证信号传递质量，提高刺激区域的准确性。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现：

根据本发明的一个方面，提供一种人工耳蜗电极，所述人工耳蜗电极设有屏蔽电极点之间串扰的结构；

所述屏蔽电极点之间串扰的结构，是指：每一个电极点被地线包围，每个电极点之间互相屏蔽，每一个电极点和地线之间的电场均匀分布于该结构之间。

更优选地，所述屏蔽电极点之间串扰的结构是指每一个电极点被一条地线包围结构所包裹。

更优选地，所述包围结构，长度与电极点的直径之比可调，以寻求一个最佳屏蔽点。比如，所述包围结构的长度与电极点的直径比大于等于1。

更优选地，所述的地线全部都连接在一起，形成一个空腔导体，腔内电场不影响外部电场。

根据本发明的另一个方面，提供一种上述人工耳蜗电极的制备方法，所述方法是在原始衬底上蒸发一层牺牲层，之后利用微加工工艺在牺牲层上做出聚合物—金属—聚合物结构；最后通过电化学方法进行电极释放并用聚合物进行封装。

具体地，所述方法包括以下步骤：

步骤1、在基底上制作一层金属作为牺牲层；

步骤2、在金属牺牲层上面旋涂一层聚合物作为衬底层；

步骤3、在聚合物衬底层上面溅射金属，并利用光刻、显影离子束刻蚀形成金属层，以形成每一个电极点被一个被地线包围的结构；

步骤4、在金属层上旋涂一层聚合物做绝缘层，得到基底上电极器件；

步骤5、将步骤4的电极器件从基底上释放下来；

步骤6、将步骤5的电极器件用聚合物进行封装。

优选地，步骤1中，所述基底为硅片、玻璃片、石英片中的任一种。

优选地，步骤1中，所述牺牲层的金属为Al，Au等金属，对于不同的牺牲层对应着不同的电极释放方式。

优选地，步骤2中，所述衬底层的聚合物为polyimide(聚酰亚胺)，或者parylene(聚对二甲苯)，形成的聚合物薄膜厚度根据实际需要而定。

优选地，步骤3中，所述溅射的金属为Cr/Au，或者Ti/Au；溅射的金属厚度为30-300nm。

优选地，步骤3中，所述的包围结构有两种封装方式，一种被绝缘层覆盖，一种直接裸露出来。

优选地，步骤4中，所述绝缘层的聚合物为polyimide(聚酰亚胺)，或者parylene(聚对二甲苯)。

优选地，步骤5中，使用NaCl溶液通过电化学方式释放电极，有利于电极器件释放之后保持表面平整不弯曲；或者浸泡在酸中进行释放。

优选地，步骤6中，所述聚合物为PDMS(聚二甲基硅氧烷)、环氧树脂、PI(聚酰亚胺)中的一种。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

目前人工耳蜗电极的电极点附近没有屏蔽电极点之间串扰的结构，而本发明采用上述方法解决了该问题。由于本发明在每一个电极点的周围包围了一层地线，并且所有地线都连接在一起，这样起到了一个很好的屏蔽作用，使得电流分布在电极点和地电极之间，极大的减少了相邻电极点之间的串扰，提高了刺激区域的准确性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1、图2为本发明一实施例的工艺流程图；

图3a、3b、3c为本发明一实施例的三种形状地线单个电极的放大图；

图中：1为地线，2为电极点，3为导线；d为电极点直径，D为包围结构长度；

图4a、4b、4c为本发明一实施例的三种电极前端结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1、2所示，一种人工耳蜗电极的制备方法，所述方法包括如下步骤：

第一步、将3英寸Si硅片放入恒温干燥箱，120℃恒温干燥30min，再通过电子束蒸发的方法，在Si硅片的上表面蒸发0.5到1微米的Al作为牺牲层；

第二步、在Al上通过旋涂光刻显影方式，形成6-11微米厚的PI薄膜作为衬底层；

第三步、在PI衬底层上溅射30/300nm的Cr/Au，并通过旋涂3微米的正胶，以及离子铣方式形成金属层，形成的电极点直径是200微米；且D₁/d₁＝3，在每一个电极点的周围形成圆形环状结构地线，使得该结构包裹住电极点，且该结构裸露出来；

第四步、在金属层上通过旋涂光刻显影方式，形成2-4微米厚的PI薄膜作为绝缘层；此步骤初步形成人工耳蜗电极，该电极位于Si硅片上；

第五步、将Si硅片置于2M的NaCl溶液中，外接阳极电压1V 20min、阴极连接到Pt电极上，并且使用磁性搅拌棒使NaCl溶液混合均匀，再将电压调至20V，约过1h将电极释放；

第六步、将第五步的电极器件用聚合物进行封装，所述聚合物为聚二甲基硅氧烷。

如图1、2所示，为本发明一实施例整体制作过程的工艺流程图，可以清晰看到整个电极的制备过程。所得到的人工耳蜗电极由三层材料构成，分别是底层PI作为衬底层，中间金属作为导电层，顶层PI作为绝缘层。

如图3a所示，为本发明一实施例中人工耳蜗电极的两个单个电极点的放大图，图中：地线1的线宽为20微米，所形成的电极点2的直径为200微米，导线3的线宽为10微米；该结构使得地线1包围住电极点2，从而减少了电流扩散效应。

如图4a所示，为本发明一实施例中人工耳蜗电极的前端结构示意图，该人工耳蜗电极的前端长30mm，共有25个电极点和25根地线构成。每个电极点之间互相屏蔽，每一个电极点和地线之间的电场均匀分布于环形结构之间。

实施例2

一种人工耳蜗电极的制备方法，所述方法包括如下步骤：

第一步、将3英寸石英片放入恒温干燥箱，120℃恒温干燥30min，再通过电子束蒸发的方法，在石英片的上表面蒸发0.5到1微米的Al作为牺牲层；

第二步、在Al上通过旋涂光刻显影方式，形成6-11微米厚的PI薄膜作为衬底层；

第三步、在PI衬底层上溅射30/300nm的Cr/Au，并通过旋涂3微米的正胶，以及离子铣方式形成金属层，形成的电极点直径是200微米；D₂/d₂＝3，在每一个电极点的周围形成矩形结构地线，使得该结构包裹住电极点，且该结构被绝缘材料覆盖，不露出来。

第四步、在金属层上通过旋涂光刻显影方式，形成2-4微米厚的PI薄膜作为绝缘层；此步骤初步形成人工耳蜗电极，该电极位于石英片上，包含多个电极点；

第五步、将石英片置于稀盐酸(浓盐酸：去离子水＝1:4)，酸蚀Al牺牲层，约过12h之后，电极会释放下来第六步、将第五步的电极器件用PDMS进行封装。

第六步、将第五步的电极器件用环氧树脂进行封装。

如图3b所示，为本发明一实施例中人工耳蜗电极的两个单个电极点的放大图，图中：地线1的线宽为20微米，所形成的电极点2的直径为200微米，导线3的线宽为10微米；该结构使得地线1包围住电极点2，从而减少了电流扩散效应。

如图4b所示，为本发明一实施例中人工耳蜗电极的前端结构示意图，该人工耳蜗电极的前端长30mm，共有25个电极点和25根地线构成。每个电极点之间互相屏蔽，每一个电极点和地线之间的电场均匀分布于矩形结构之间。

实施例3

一种人工耳蜗电极的制备方法，所述方法包括如下步骤：

第一步、将3英寸玻璃片放入恒温干燥箱，120℃恒温干燥30min，再通过离子束溅射的方法，在玻璃片的上表面溅射蒸发0.5到1微米的Cu作为牺牲层；

第二步、在Cu上通过化学气相沉积的方式，形成5-10微米厚的Parylene(聚对二甲苯)薄膜作为衬底层；

第三步、在Parylene(聚对二甲苯)衬底层上溅射30/300nm的Ti/Au，并通过旋涂3到5微米的负胶，通过lift-off工艺形成的电极点直径是200微米；且D₃/d₃＝2在每一个电极点的周围形成椭圆形结构地线，使得该结构包裹住电极点，且该结构裸露出来。

第四步、在金属层上通过化学气相沉积聚对二甲苯形成2-4微米厚的薄膜作为绝缘层；此步骤初步形成人工耳蜗电极，该电极位于玻璃片上；

第五步、将玻璃片置于2M的NaCl溶液中，外接阳极电压1V 20min、阴极连接到Pt电极上，并且使用磁性搅拌棒使NaCl溶液混合均匀，再将电压调至20V，约过1h将电极释放。

第六步、将第五步的电极器件用环氧树脂进行封装。

如图3c所示，为本发明一实施例中人工耳蜗电极的两个单个电极点的放大图，图中：地线1的线宽为20微米，所形成的电极点2的直径为200微米，导线3的线宽为10微米；该结构使得地线1包围住电极点2，从而减少了电流扩散效应。

如图4c所示，为本发明一实施例中人工耳蜗电极的前端结构示意图，该人工耳蜗电极的前端长30mm，共有25个电极点和25根地线构成。每个电极点之间互相屏蔽，每一个电极点和地线之间的电场均匀分布于椭圆形结构之间。

上述实施例具有工艺简单易实现、易于微加工工艺相结合、减小电流的扩散，使得电场分布集中于电极点和地线之间，减小相邻电极点之间信号发生串扰，提高刺激区域准确性等优点。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种人工耳蜗电极，其特征在于，所述人工耳蜗电极设有屏蔽电极点之间串扰的结构；

所述屏蔽电极点之间串扰的结构，是指：每一个电极点被地线包围，每个电极点之间互相屏蔽，每一个电极点和地线之间的电场均匀分布于该结构之间；

所述屏蔽电极点之间串扰的结构，是指：每一个电极点被一条地线包围结构所包裹；

所述地线全部都连接在一起，形成空腔导体，腔内电场不影响外部电场。

2.根据权利要求1所述的一种人工耳蜗电极，其特征在于，所述包围结构，长度与电极点的直径之比可调，以寻求一个最佳屏蔽点。

3.根据权利要求2所述的一种人工耳蜗电极，其特征在于，所述包围结构，长度与电极点的直径比大于等于1。

4.一种权利要求1-3任一项所述人工耳蜗电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、在基底上制作一层金属作为牺牲层；

步骤2、在金属牺牲层上面旋涂一层聚合物作为衬底层；

步骤3、在聚合物衬底层上面溅射金属，并利用光刻、显影离子束刻蚀形成金属层，以形成每一个电极点被一个被地线包围的结构；

步骤4、在金属层上旋涂一层聚合物做绝缘层，得到基底上电极器件；

步骤5、将步骤4的电极器件从基底上释放下来；

步骤6、将步骤5的电极器件用聚合物进行封装。

5.根据权利要求4所述的一种人工耳蜗电极的制备方法，其特征在于，步骤1中，具有如下一种或多种特征：

-所述基底为硅片、玻璃片、石英片中的任一种；

-所述牺牲层的金属为Al或Au。

6.根据权利要求5所述的一种人工耳蜗电极的制备方法，其特征在于，步骤3中，具有如下一种或多种特征：

-所述溅射的金属为Cr/Au或者Ti/Au；

-所述溅射的金属Cr/Au或者Ti/Au，厚度为30/300nm；

-所述包围的结构采用两种封装方式中任一种：一种被绝缘层覆盖，一种直接裸露出来。

7.根据权利要求4-6任一项所述的一种人工耳蜗电极的制备方法，其特征在于，步骤5中，将基底置于NaCl溶液中通过电化学方法释放，或浸泡在酸中进行释放。

8.根据权利要求4-6任一项所述的一种人工耳蜗电极的制备方法，其特征在于，步骤6中，所述聚合物为聚二甲基硅氧烷、环氧树脂、聚酰亚胺中的一种。