CN112237682A - 一种微型高密度阵列自由曲面电极及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种微型高密度阵列自由曲面电极，包括基底和若干个电极柱；所述的基底包括焊接面和刺激面；所述的电极柱包括柱头和柱尾；所述的电极柱贯穿基底，柱尾与焊接面呈一个平面，柱头凸出于刺激面。常见的神经刺激电极其电极柱尾部往往设在基底内部，然后再从基底内部引出导线与刺激芯片连接。本发明采用的贯穿式电极结构相较现有结构，在制作上更加方便，适合大批量制作，而且电极柱的柱尾裸露在基底的焊接面，使得刺激芯片的管脚可以和电极柱直接连接，省去了导线，简化了制作工艺。

Description

一种微型高密度阵列自由曲面电极及其制造方法
技术领域
本发明属于生物医学设备技术领域，具体来说涉及一种微型高密度阵列自由曲面电极及其制造方法。
背景技术
植入式神经刺激器在医学上有着广泛的应用，如人工耳蜗、人工视觉恢复、脑深部电刺激系统等。微电极作为揭示神经系统工作机理、治疗神经疾病等方面的重要工具，越来越受到人们广泛的关注，已成为当前重要的研究方向。人们对微电极的应用，通常是将微电极植入动物或者患者体内，通过加载电信号来刺激或抑制神经活动，或者利用微电极将神经活动转换为电信号记录下来加以研究。由于作用目标的不同，各种基于微加工技术制作的微电极阵列得到了发展。其中，高密度、有序排列的三维微电极阵列可植入神经组织内，实现高密度的选择性刺激与记录，具有良好的应用前景。
当前，神经刺激器的微电极多采用柔性衬底的MEMS技术制作，再与刺激芯片通过导线连接，而当制作高密度微电极阵列时，随着刺激点数量的增加，连接微电极阵列内刺激点导线的数量不断上升，会导致布线宽度变大，手术植入开口需要增大，创伤面大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为克服上述问题，提供一种微型高密度阵列自由曲面电极及其制造方法。
本发明解决技术问题所采用的方案是：
一种微型高密度阵列自由曲面电极，包括基底和若干个电极柱；所述的基底包括焊接面和刺激面；所述的电极柱包括柱头和柱尾；所述的电极柱贯穿基底，柱尾与焊接面呈一个平面，柱头凸出于刺激面。常见的神经刺激电极其电极柱尾部往往设在基底内部，然后再从基底内部引出导线与刺激芯片连接。本发明采用的贯穿式电极结构相较现有结构，在制作上更加方便，适合大批量制作，而且电极柱的柱尾裸露在基底的焊接面，使得刺激芯片的管脚可以和电极柱直接连接，省去了导线，简化了制作工艺。
作为优选，所述的若干个电极柱阵列密度大于45Pin/mm2。高密度的电极柱阵列对于神经细胞较密的应用场合刺激效果更好，如视网膜神经刺激，高密度的电极柱阵列使得患者获得的视觉画面分辨率更高。
作为优选，还包括刺激芯片；所述的刺激芯片的管脚和所述的若干个电极柱的柱尾通过倒装焊一一连接。刺激芯片的管脚和电极柱直接通过倒装焊连接后，再将二者作为整体植入患者体内，这样在植入手术时，创口仅需满足刺激芯片与人体外界的通讯导线即可，不再受芯片和电极柱之间导线数量的影响，可以有效减小手术开口，降低手术难度，减少患者痛苦。
作为优选，所述的基底的刺激面与若干个电极柱的柱头所形成的曲面相同，且该曲面与待刺激的人体部位曲面相同。电极柱柱头与待刺激部位曲面相同，使得电极能够更好地与待刺激部位贴合，保证刺激信号稳定。
作为优选，所述的基底的材料可以是陶瓷、玻璃或其它绝缘且可由前驱材料烧结成型的材料。基底由于需要植入人体，因此选用的材料应当是绝缘且有较好的生物兼容性，同时采用可以烧结的材料，方便批量制作所需形状的基底。
一种微型高密度阵列自由曲面电极的制造方法，包括以下步骤：
S001、根据所需的基底的刺激面的形状，制作设有对应曲面槽的模具；
S002、在模具内填充可图形转移的有机物并且将端面抛平；
S003、根据所需的电极柱的阵列图案制作对应的掩膜板；
S004、将掩膜板置于已填充有机物的模具上方，并向下进行曝光处理；
S005、移除掩膜板，将模具浸入显影液中洗去多余的有机物，余下的有机物所呈的阵列即是电极柱所需的阵列；
S006、在模具中的有机物空隙中填充基底前驱材料并将模具端面的基底前驱材料抛光，露出有机物阵列；
S007、将带有有机物阵列和基底前驱材料的模具进行烧结，获得带有细孔的基底，且细孔的阵列与所需的电极柱的阵列相同；
S008、根据所需的若干个电极柱的柱头形成的曲面，制作对应的压具；
S009、在基底的每个细孔中放入电极柱胚体，电极柱胚体从焊接面放入，然后用压具对所有电极柱胚体加压，将所有电极柱胚体挤入细孔；
S010、电极柱胚体贯穿基底后，撤去压具，并对裸露焊接面外的电极柱胚体进行抛光，得到带有贯穿了电极柱的基底；
S011、将刺激芯片的管脚与电极柱的柱尾通过倒装焊一一连接，得到一种微型高密度阵列自由曲面电极。
通过以上步骤可以得到基底被电极柱贯穿的微型高密度阵列自由曲面电极，且该步骤即使在制造微小体积的物体时操作复杂性低，可批量、重复制造。
作为优选，所述有机物可以是正胶或者负胶；当选用正胶时，掩膜板应当是在所需阵列处透光，其余部分不透光；选用负胶时，掩膜板应当是在所需阵列处不透光，其余部分透光。通过对正胶或负胶的曝光处理，得到后续用于挤入电极柱的细孔。并且细孔所需的直径、数量、密度及排列方式都可以通过使用对应的掩膜板得到，掩膜板本身可重复使用，提高了制造效率。
作为优选，所述的压具设有与每个电极柱尾部一一对应的单独微小平面，这些单独微小平面所拟合形成的曲面与待刺激的人体部位曲面相同。压具表面拟合待刺激部位的曲面，使得电极柱胚体在制造时不需要根据待刺激部位的曲面而进行长短的调整，可以批量制造同一尺寸规格的电极柱胚体；而压具本身是可以反复使用的，从而提高制造效率。
作为优选，所述的电极柱胚体头部呈锥形，基底上的细孔直径小于电极柱胚体尾部的直径；对电极柱胚体加压挤入细孔时，还同时对电极柱胚体进行加热软化。这样在电极柱胚体挤入细孔后，整个基体具有更好的密封性，保证电极在人体内部正常工作，避免人体体液对电极柱柱尾的芯片等电子元器件产生影响。
作为优选，所述的模具可以同时设有多个对应曲面槽，所述的压具可以同时设有多个由单独微小平面所形成且与待刺激人体部位曲面相同的曲面。使得本发明的微型高密度阵列自由曲面电极可以批量制造，提高制作效率。
本发明提供一种微型高密度阵列自由曲面电极及其制造方法，主要优点在于：可以在确保导线宽度一定的情况下，提高刺激电极的密度，进而提高刺激效果，同时不会增加植入手术的难度和患者的痛苦。而且采用本发明的制造方法，克服了微型高密度阵列自由曲面电极体积小难以加工制造的难点，还提高了针对不同待刺激部位需制造不同形状微型高密度阵列自由曲面电极的生产效率，可批量、高效地制造微型高密度阵列自由曲面电极。且制造获得的微型高密度阵列自由曲面电极具有密封性好的优点。
附图说明
图1是本发明的一种应用于视网膜刺激的结构示意图；
图2是本发明制造时用掩膜板进行曝光处理的一种示意图；
图3是本发明制造时用压具将所有电极柱胚体挤入基底细孔一种示意图；
图4是本发明带有贯穿电极柱的基底的一种结构示意图；
其中：1-基底，2-电极柱，3-刺激芯片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
实施例1，如图1所示，一种微型高密度阵列自由曲面电极，应用于患有视网膜疾病(如黄斑病)的盲人眼球。微型高密度阵列自由曲面电极包括基底1和若干个电极柱2；基底1包括焊接面和刺激面；电极柱2包括柱头和柱尾；电极柱2贯穿基底1，柱尾与焊接面呈一个平面，柱头凸出于刺激面。微型高密度阵列自由曲面电极还包括刺激芯片3；刺激芯片3的管脚和所述的若干个电极柱2的柱尾通过倒装焊一一连接。基底1的刺激面与若干个电极柱2的柱头所形成的曲面相同，且该曲面与待刺激的视神经分布区曲面相同。
电极柱2的阵列密度大于45Pin/mm2，当基底1的面积为10mm2时，电极柱2的数量不小于450个，从而保证在植入体体积较小的情况下提供多通道刺激，对视神经的多通道刺激，提高盲人恢复视力的分辨率。且因为刺激芯片3的管脚和电极柱2的柱尾通过倒装焊直接一一连接，因此无须设置多根导线，整个装置只需有限的几根通讯导线与眼球外部的其它设备连接。既减小了植入体的体积和部件数量，又使得植入手术创口减小，难度降低，减小患者的痛苦。
实施例2，如图2-4所示，设计的微型高密度阵列自由曲面电极阵列剖面图形为半圆形。首先在模具内填充可以图形化的有机物(例如采用具备高深宽比光刻特性的光刻胶SU-8并将断面抛平，。然后将具有电极阵列孔位的掩膜板置于模具上方并对准。电极阵列具有微小精密的特性，电极柱胚体直径可以设置在10μm～500微米范围。
然后从掩膜板向下进行曝光处理。SU-8光刻胶是负胶，曝光部分发生光化学反应，使其不溶于显影液，未曝光部分可以溶液显影液。如果选用正胶填充模具，则只需使用反转的掩膜即可完成相同的图形化工艺。
曝光处理后将模具从光刻机上取下，浸入显影液中，洗去多余部分，显露出所需要的电极阵列。这一步，有机物微阵列成功的固定在了模具内。
然后对含有有机物微阵列的模具，填充陶瓷前驱材料，例如氧化铝、氧化锆粉末或其他材料。对填充有陶瓷前驱体的模具施加压力，将前驱体材料压实。
然后将前驱体材料压实后的模具端面抛光，使其露出有机物微阵列。将样品放入烧结炉进行烧结，并通入一定量氧气，有机物在高温高浓度氧气环境下会很快气化，最终获得具有微阵列细孔的基底1。
然后将烧结好的基底1从模具中取出。将电极柱胚体插入基底1的细孔中。电极柱胚体一般采用钛金属，也可采用其他生物兼容性好的材料。使用根据相应曲面设计的压具对电极柱胚体阵列施加压力。由于电极柱胚体末端尺寸要略大于细孔尺寸，需要对其加热使其软化，这样挤入细孔后，会具有更好的密封效果。将电极柱胚体通过压具全部挤入细孔，最终形成与基底1相似的曲面特征。
然后撤除压具，并将基底1端面级露在端面外的电极柱2柱尾抛光，获得带有贯穿电极柱2的基底1。
最后将刺激芯片3的管脚与电极柱2的柱尾通过倒装焊一一连接，得到一种微型高密度阵列自由曲面电极。
这种具有特定曲面的微电极阵列加工方法，可以多单元大批量加工。即使需要针对待刺激部位制造形状不同的微电极阵列，也只需要调整模具和压具，加工难度较大的电极柱胚体和制造方法本身不需要发生变化，大大提高了制造效率。

Claims (10)

1.一种微型高密度阵列自由曲面电极，其特征在于，包括基底(1)和若干个电极柱(2)；所述的基底(1)包括焊接面和刺激面；所述的电极柱(2)包括柱头和柱尾；所述的电极柱(2)贯穿基底(1)，柱尾与焊接面呈一个平面，柱头凸出于刺激面。
2.根据权利要求1所述的一种微型高密度阵列自由曲面电极，其特征在于，所述的若干个电极柱(2)阵列密度大于45Pin/mm2。
3.根据权利要求2所述的一种微型高密度阵列自由曲面电极，其特征在于，还包括刺激芯片(3)；所述的刺激芯片(3)的管脚和所述的若干个电极柱(2)的柱尾通过倒装焊一一连接。
4.根据权利要求3所述的一种微型高密度阵列自由曲面电极，其特征在于，所述的基底(1)的刺激面与若干个电极柱(2)的柱头所形成的曲面相同，且该曲面与待刺激的人体部位曲面相同。
5.根据权利要求4所述的一种微型高密度阵列自由曲面电极，其特征在于，所述的基底(1)的材料可以是陶瓷、玻璃或其它绝缘且可由前驱材料烧结成型的材料。
6.一种微型高密度阵列自由曲面电极的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S001、根据所需的基底(1)的刺激面的形状，制作设有对应曲面槽的模具；
S002、在模具内填充可图形转移的有机物并且将端面抛平；
S003、根据所需的电极柱(2)的阵列图案制作对应的掩膜板；
S004、将掩膜板置于已填充有机物的模具上方，并向下进行曝光处理；
S005、移除掩膜板，将模具浸入显影液中洗去多余的有机物，余下的有机物所呈的阵列即是电极柱(2)所需的阵列；
S006、在模具中的有机物空隙中填充基底前驱材料并将模具端面的基底前驱材料抛光，露出有机物阵列；
S007、将带有有机物阵列和基底前驱材料的模具进行烧结，获得带有细孔的基底(1)，且细孔的阵列与所需的电极柱(2)的阵列相同；
S008、根据所需的若干个电极柱(2)的柱头形成的曲面，制作对应的压具；
S009、在基底(1)的每个细孔中放入电极柱胚体，电极柱胚体从焊接面放入，然后用压具对所有电极柱胚体加压，将所有电极柱胚体挤入细孔；
S010、电极柱胚体贯穿基底(1)后，撤去压具，并对裸露焊接面外的电极柱胚体进行抛光，得到带有贯穿了电极柱(2)的基底(1)；
S011、将刺激芯片(3)的管脚与电极柱(2)的柱尾通过倒装焊一一连接，得到一种微型高密度阵列自由曲面电极。
7.根据权利要求6所述的一种微型高密度阵列自由曲面电极的制造方法，其特征在于，所述有机物可以是正胶或者负胶；当选用正胶时，掩膜板应当是在所需阵列处透光，其余部分不透光；选用负胶时，掩膜板应当是在所需阵列处不透光，其余部分透光。
8.根据权利要求7所述的一种微型高密度阵列自由曲面电极的制造方法，其特征在于，所述的压具设有与每个电极柱(2)尾部一一对应的单独微小平面，这些单独微小平面所拟合形成的曲面与待刺激的人体部位曲面相同。
9.根据权利要求8所述的一种微型高密度阵列自由曲面电极的制造方法，其特征在于，所述的电极柱胚体头部呈锥形，基底(1)上的细孔直径小于电极柱胚体尾部的直径；对电极柱胚体加压挤入细孔时，还同时对电极柱胚体进行加热软化。
10.根据权利要求9所述的一种微型高密度阵列自由曲面电极的制造方法，其特征在于，所述的模具可以同时设有多个对应曲面槽，所述的压具可以同时设有多个由单独微小平面所形成且与待刺激人体部位曲面相同的曲面。
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