EP3057499A1 - Microélectrodes à base de diamant structuré pour des applications d'interfaçage neuronal - Google Patents

Microélectrodes à base de diamant structuré pour des applications d'interfaçage neuronal

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Publication number
EP3057499A1
EP3057499A1 EP14798989.1A EP14798989A EP3057499A1 EP 3057499 A1 EP3057499 A1 EP 3057499A1 EP 14798989 A EP14798989 A EP 14798989A EP 3057499 A1 EP3057499 A1 EP 3057499A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
diamond
microelectrode
tubes
atoms
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP14798989.1A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Clément HEBERT
Emmanuel Scorsone
Jean-Paul Mazellier
Lionel Rousseau
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Publication of EP3057499A1 publication Critical patent/EP3057499A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
    • A61B5/25—Bioelectric electrodes therefor
    • A61B5/279—Bioelectric electrodes therefor specially adapted for particular uses
    • A61B5/291—Bioelectric electrodes therefor specially adapted for particular uses for electroencephalography [EEG]
    • A61B5/293—Invasive
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N1/00—Electrotherapy; Circuits therefor
    • A61N1/02—Details
    • A61N1/04—Electrodes
    • A61N1/05—Electrodes for implantation or insertion into the body, e.g. heart electrode
    • A61N1/0551—Spinal or peripheral nerve electrodes
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B2562/00—Details of sensors; Constructional details of sensor housings or probes; Accessories for sensors
    • A61B2562/12—Manufacturing methods specially adapted for producing sensors for in-vivo measurements
    • A61B2562/125—Manufacturing methods specially adapted for producing sensors for in-vivo measurements characterised by the manufacture of electrodes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/308—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells at least partially made of carbon
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/327—Biochemical electrodes, e.g. electrical or mechanical details for in vitro measurements
    • G01N27/3275—Sensing specific biomolecules, e.g. nucleic acid strands, based on an electrode surface reaction
    • G01N27/3278—Sensing specific biomolecules, e.g. nucleic acid strands, based on an electrode surface reaction involving nanosized elements, e.g. nanogaps or nanoparticles

Definitions

  • the present invention relates to microelectrodes and devices using these electrodes for neural interfacing applications as well as methods for making such electrodes and electrode devices.
  • These electrodes can be used both for neurostimulation or for the recording of electrical signals called "Action Potentials" (PA).
  • PA Electrosion Potentials
  • one or more electrical pulses are transmitted from the electrode to the neuronal cells in contact with or near the electrode. This often involves activating a deficient neurophysiological function via an implantable medical device.
  • Known examples of applications include cochlear implants, retinal implants, deep brain stimulation (Brain Stimulation), cortical implants.
  • electrical signals (PA) propagating through a neural network in contact with or near the electrodes, are measured.
  • the applications targeted here relate in particular to electrophysiological studies.
  • the devices used in these applications are known as multi-electrode networks ME A (in English Multi Electrodes Arrays), and can study ex-vivo in the laboratory electrical activity of neurons.
  • the electrodes used for neurostimulation must meet well-defined requirements.
  • the material constituting the electrode must be biocompatible.
  • the process of charge transfer must not generate tissue necrosis.
  • the charge transfer must be done capacitively or by a reversible faradic transfer involving redox species present on the surface of the electrode. This faradic charge transfer must of course not generate toxic species, gas bubbles or a significant variation in pH.
  • the charge injected from the electrode to the tissues must reach a density of typically several mC.cm -2 to be effective.
  • the electrode must be robust for implantation in vivo. good mechanical strength and chemical inertness to resist aging in contact with tissue and must maintain its surface state after implantation.
  • the electrodes must however have electrochemical properties close to those of the electrodes used for neurostimulation.
  • they In the case of their use for neuronal recording, they must also have a low electrochemical impedance, typically less than 300 kOhms in order to obtain sufficiently large signal to noise level ratios.
  • This impedance is strongly related to the diameter of the electrode.
  • the evolution of these systems pushes the use of electrodes having smaller diameters in order to obtain a better spatial resolution of the neuronal activities.
  • the reduction in diameter increases the impedance. To overcome this disadvantage, it is known to artificially increase the surface of the electrodes.
  • a condition for obtaining both sufficiently large charge densities for stimulation and / or low enough impedances for recording is therefore to work with electrodes having a large interface capacitance.
  • this charge density can be all the more important that the potential window of the electrode will be important. Indeed, the larger the potential window, the greater the load can be injected without dissociating the water present in the surrounding tissues.
  • the electrode materials most frequently used for the envisaged applications such as platinum and Ptlr alloys, iridium oxide, tantalum / Ta 2 O 5 , titanium nitride and PEDOT have performances reported in the article by S. F Cogan, entitled “Neural Stimulation and Recordings Electrodes", Annu. Rev. Eng. 2008.10 / 275-309, and summarized in Table 1 below.
  • Synthetic diamond that solves such a problem has also been considered as a potential electrode material for such applications. It is indeed a chemically and biologically inert material that is the current subject of many scientific research in the medical field and in particular that of implants and neuronal interrogation. So it seems very suitable for an implementation in vivo long term. It also has excellent electrochemical properties, in particular has a large potential window greater than 3 V in aqueous media potentially allowing a large charge injection without dissociation of the surrounding medium, high resistance to corrosion, as well as mechanical strength important compared to other materials used. These electrochemical properties also seem suitable for ex-vivo electrophysiological applications. Generally, diamond growth is on a substrate previously prepared to initiate growth by chemical vapor deposition in a plasma containing hydrogen and a carbon source.
  • the diamond films obtained after growth generally have a columnar or nanocrystalline polycrystalline form depending on the growth conditions.
  • the dopant used is generally boron which, from concentrations typically greater than 10 21 at.cm- 3, gives it a quasi-metallic conductivity with electrochemical properties that are generally the most efficient, ie boron-doped diamond or "BDD" diamond.
  • BDD diamond electrode MEA devices have been proposed for applications of medical implants or microelectrode arrays for electrophysiology and are described in the article by P. Bergonzo, et al., Entitled “3d mechanically flexible diamond microelectrode arrays for eye implant applications: The medinas project" IRBM, 45 (32): 91-94, 201 1, and the article by Michael W. Varney et al. ., entitled “Polycrystalline-diamond MEMS biosensors including neural microelectrode-arrays", Biosensors, 1: 1 18-1 13, 201 1.
  • BDD boron-doped polycrystalline diamond
  • Phosphate Buffered Saline phosphate buffered saline
  • the technical problem is to find a biocompatible microelectrode material that increases their interfacial capacity and reduces their electrochemical impedance when used for applications as mentioned above.
  • the subject of the invention is a microelectrode for neural interfacing applications comprising a stack of a first substrate layer made of a first biocompatible material, a second layer of hooked material in a second material to initiate the growth of synthetic diamond crystals, and a third layer of a third electrically conductive material, comprising polycrystalline diamond doped with atoms comprised in the group consisting of boron atoms, nitrogen atoms and phosphorus atoms,
  • the first, second and third layers having mutually parallel extension planes, characterized in that
  • the third material is a textured material which comprises a compact, brush-shaped assembly of hollow or solid tubes, each consisting at least of a radially outer circumferential layer of doped polycrystalline diamond deposited radially by growth at high temperature , the tubes each having a first end attached to the second layer and a second free end, intended to be the active part of the electrode,
  • the tubes being separated from each other by a void space at their first ends and projecting their second ends in a direction away from the first and second layers substantially normal to the extension plane of the second layer.
  • the microelectrode comprises one or more of the following characteristics, taken alone or in combination:
  • the tubes form a carpet in which all the tubes are substantially normal with respect to the plane of extension of the second layer and separated from one another regularly, or the tubes are grouped into bundles, separated from one another regularly and in which the second ends of the tubes of the same bundle approach or even touch;
  • each tube has a length of between 500 nm and 50 ⁇ m, and each tube has a section having a substantially constant diameter along its entire length, or each tube has a variable section which decreases from its first end to its second end;
  • the second material is a diamond hook material suitable for serving as diffusion barrier for a molten metal comprised in the assembly formed by nickel, cobalt, iron and alloys of nickel, iron, cobalt, and the like;
  • first material is a biocompatible material capable of withstanding the growth conditions of the diamond, either electrically insulating, for example in the group formed by Si0 2 , Si 3 N 4 , quartz, glass, GaN, or electrically conductive, for example included in the group formed by Pt, Ptlr, Ti, TiN, TiPt alloys, diamond doped with boron;
  • the second material is comprised of the group formed by titanium nitride TiN, undoped polycrystalline diamond, and polycrystalline diamond doped with atoms comprised in the group formed by boron atoms, the atoms of nitrogen and phosphorus atoms, preferably the boron doped polycrystalline diamond;
  • the method comprises a fourth layer made of a fourth material consisting of doped polycrystalline diamond, the fourth layer covering the entire third layer at the base of the tubes forming the second material;
  • the process comprises a fifth layer and a sixth layer
  • the fifth layer being in a fifth metallic material, forming a plug of the electric current of the third layer through the second layer when the latter is electrically conductive and / or the fourth layer, the fifth layer being disposed on or above the first layer, either below the second layer when the latter is conducting, or in contact and at the periphery of the second and fourth layers independently of the electrical conductivity of the second layer, the fifth layer having a contact zone, forming a terminal electrical output of the microelectrode and deported from the third layer along the extension plane of the second layer,
  • the sixth layer being a biocompatible layer of passivation of the fifth layer covering the whole of the fifth layer except for its contact zone forming the electrical output terminal of the microelectrode.
  • the invention also relates to a multi-electrode network for neural interfacing applications comprising a plurality of at least two microelectrodes defined above, developed and etched on a common stack of layers in a distribution pattern on a surface plane.
  • the invention also relates to a flexible implant for neural interfacing applications comprising:
  • the invention also relates to a method for manufacturing a microelectrode for neural interfacing applications comprising the steps of
  • a third step manufacture a third layer of a third electrically conductive material, comprising crystalline polycrystalline diamond doped by atoms comprised in the group consisting of boron atoms, nitrogen atoms and phosphorus atoms,
  • the first, second and third layers having parallel extension planes, characterized in that
  • the third material is a textured material which comprises a compact, brush-shaped assembly of hollow or solid tubes, each constituted at least by a radially outer peripheral layer, of doped polycrystalline diamond deposited radially by growth at high temperature, the tubes each having a first end attached to the second layer and a second free end, intended to be the active part of the electrode,
  • the tubes being separated from each other by a void space at their first ends and projecting their second ends in a direction away from the first and second layers substantially normal to the extension plane of the second layer.
  • the method of manufacturing a microelectrode comprises one or more of the following characteristics, taken alone or in combination:
  • the manufacturing process comprises the steps of growing carbon nanotubes (CNTs) on and from the second layer, and then
  • a sixth step depositing on the first layer (s) of undoped diamond with doped diamond-doped chemical vapor deposition by growing the doped diamond crystal until complete recovery of the carbon nanotubes and their partial etching or complete with radical hydrogen contained in the plasma;
  • a fourth layer of doped polycrystalline diamond is also formed so as to cover the entire third layer at the base of the tubes forming the second material;
  • the fourth step includes:
  • a seventh thin-layer deposition step of a metal comprised in the group consisting of nickel, iron, cobalt, and their alloys, in particular FeNi, FeCoNi, preferably nickel on the second layer, and then
  • the fifth step is implemented: or by a so-called "layer-by-layer” deposition consisting of successively depositing once or more times a layer of a positive or negative charge polyelectrolyte polymer followed by a layer of oppositely charged diamond nanoparticles, then immobilized on the carbon nanotubes by electrostatic attraction, the polymer being included in the group consisting of Poly- (daillyldimethylammonium chloride) (PDDAC), polystyrene sulfonate (PSS); or
  • the sixth step is carried out by a microwave assisted chemical vapor deposition (PAVCD), or by radio wave plasma (RFCVD), or by hot filament of a gaseous mixture comprising methane, dihydrogen and trimethyl an atom comprised in the group consisting of boron atoms, nitrogen atoms and phosphorus atoms;
  • PAVCD microwave assisted chemical vapor deposition
  • RFCVD radio wave plasma
  • hot filament of a gaseous mixture comprising methane, dihydrogen and trimethyl an atom comprised in the group consisting of boron atoms, nitrogen atoms and phosphorus atoms;
  • the second material is comprised in the group formed by titanium nitride TiN, undoped polycrystalline diamond, and polycrystalline diamond doped with atoms comprised in the group consisting of boron atoms, nitrogen and phosphorus atoms, preferably boron doped polycrystalline diamond;
  • the second material is doped polycrystalline diamond, and the second step is implemented first by spin coating undoped nano-diamond particles from an aqueous colloidal solution containing polyvinyl alcohol, then a plasma-assisted chemical vapor deposition containing methane, dihydrogen and trimethyl of the doping atom;
  • the process comprises:
  • a tenth step of deposition of a fifth layer structured by a photo-lithographic process, the fifth layer being in a fifth metallic material, forming a plug of the electric current of the third layer through the second layer when the latter is electrically conductive and / or the fourth layer, the fifth layer being disposed on the first layer, either below the second layer when the latter is conductive, or in contact and at the periphery of the second and fourth layers independently of the electrical conductivity of the second layer, the fifth layer having a contact zone, forming an electrical output terminal of the microelectrode and deported from the third layer along the extension plane of the first layer,
  • the first material is a biocompatible material capable of withstanding the growth conditions of the diamond, either electrically insulating, for example comprised in the group consisting of SiO 2 , Si 3 N 4 , quartz, glass, GaN, or electrically conductive for example in the group consisting of Pt, Ptlr, Ti, TiN, TiPt alloys, diamond doped with boron.
  • Figure 1 is a sectional view of a first embodiment of a microelectrode according to the invention
  • Figure 2 is a sectional view of a second embodiment of a microelectrode according to the invention.
  • Figure 3 is a view of the contacting of the microelectrode of Figure 1;
  • Figure 4 is a view of the contacting of the microelectrode of Figure 2;
  • Figures 5 and 6 are top views under a scanning electron microscope of the same forest of tubes of the active part of the microelectrodes of Figures 1 and 2 at different magnifications, respectively increasing,
  • Figures 7, 8 and 9 are top views under a scanning electron microscope of the same forest of tubes of the active part of a third embodiment of a microelectrode according to the invention at different magnifications, respectively increasing ;
  • Figure 10 is a general flow chart for manufacturing a microelectrode according to the invention, applicable to the manufacture of the microelectrodes of Figures 1-2 and 5-9;
  • Figure 1 1 is a view of a first embodiment of a multi-electrode network of the invention through the different states of the network during its manufacture;
  • Figure 12 is a view of a second embodiment of a multi-electrode network of the invention through the different states of the network during its manufacture;
  • Figure 13 is a view of a third embodiment of a multi-electrode network of the invention through the various states of the network during its manufacture;
  • Figure 14 is a view of a fourth embodiment of a multi-electrode network of the invention through the different states of the network during its manufacture.
  • a microelectrode 2 configured for neural interfacing applications, comprises a first substrate layer 4 made of a first material, a second layer 6 hooked into a second material to initiate growth. synthetic diamond crystals, a third layer 8 of a third material, a fourth layer 10 of a fourth material, a fifth layer 12 of a fifth material, and a sixth layer 14 of a sixth material.
  • the first, second, third layers 4, 6, 8 have mutually parallel extension planes.
  • the fifth layer 12 is disposed here between the first layer and the second hook layer of the third layer.
  • the fifth, second and third layers 12, 6, 8 share the same shape, here circular, as that of an active portion 16 of the microelectrode 2 intended to come into contact with the biological tissue.
  • the fifth layer 12 forms a plug of the third layer 8 through the second layer 6.
  • the fourth layer 10 has a contact zone 18, forming an electrical output terminal of the microelectrode 2 and remote from the third layer 8 along the extension plane 20 of the second layer 6.
  • the sixth passivation layer 14 covers the entire fifth layer 12 with the exception of its contact zone 18 and its portion covered by the second layer 6.
  • the first material is biocompatible and here electrically insulating.
  • the first material is a material comprised in the group consisting of Si0 2 , Si 3 N 4 , quartz, glass, GaN, and generally any other biocompatible material capable of withstanding the growth conditions of the diamond.
  • the third material electrically conductive, and constituting the active part of the microelectrode, is synthetic polycrystalline diamond, made electrically conductive by doping with atoms comprised in the group consisting of boron atoms, nitrogen atoms, and phosphorus atoms.
  • the second material is boron-doped synthetic-crystalline diamond (BDD).
  • the third material is also a textured material, i.e. having a structured surface, which comprises a compact brush-like assembly 22 of hollow or solid tubes 26 of nanometric to micrometric dimensions.
  • the tubes 26 are each formed at least on a peripheral outer layer of poly-cristaline diamond, here doped with boron, and each have a first end 28, fixed to the second layer 6, and a second free end 30.
  • the tubes 26 are separated from each other at their first ends 28 and project their second ends 30 in a direction of distance 32 from the first and second layers 4, 6, substantially vertical with respect to the extension plane 20 of the second layer 6.
  • the tubes 26 form a carpet in which all the tubes are substantially vertical and separated from each other in a regular manner.
  • Each tube 26 has substantially the same length, and each tube has a section having a substantially constant diameter along its entire length.
  • the diamond material is chosen for the third material because it has excellent chemical inertness and high stability, as well as interesting electrochemical properties. In addition, studies show that it is bio-inert and therefore constitutes an excellent material for the realization of implantable devices.
  • the second material is a material for hanging tubes 26 of the third material suitable for serving as diffusion barrier to a molten metal comprised in the assembly formed by nickel, cobalt, iron and nickel alloys, iron, cobalt .
  • the second material is electrically conductive and constitutes a collector of the electric current supplied by the third layer.
  • the second material when electrically conductive is titanium nitride TiN or polycrystalline diamond made electrically conductive by doping with atoms comprised in the group consisting of boron atoms, nitrogen atoms, and atoms. of phosphorus, and resulting from a conventional columnar growth from diamond grains on a smooth substrate.
  • the second material is boron-doped synthetic (BDD) polycrystalline diamond derived from conventional growth on a smooth substrate.
  • BDD boron-doped synthetic
  • the fourth material is made of conductive doped polycrystalline diamond which covers the entire second layer at the base of the tubes forming the second material.
  • the fifth material is generally one or more metals and is isolated from the electrolytic solution formed at the interface of the biological tissue by the electrically insulating sixth layer 14.
  • the sixth material is a passivation material, biocompatible and electrically insulating.
  • a second embodiment of the microelectrode 52 comprises the same elements as those described in the first embodiment of Figure 1 with the exception of the second layer 6 and the fifth layer 12, replaced by a different second and fifth layers, designated respectively by references 56 and 62.
  • the second material of the second layer 56 is here undoped and electrically insulating polycrystalline diamond, resulting from a conventional columnar growth from diamond grains on a smooth substrate.
  • the fifth metal layer 62 forms a plug of the electric current of the third layer 8 through the fourth layer 10 being disposed in contact and at the periphery of the second and fourth layers 56, 10.
  • the presence of the fourth layer 10 is necessary because of the electrical conductivity defect of the second layer 56 whose functions are limited to the attachment of the tubes of the third material and the diffusion barrier to a molten metal, included in FIG. the assembly formed by nickel, cobalt, iron and alloys of nickel, iron, cobalt, and acting as a catalyst in a step of manufacturing the third material.
  • the shapes seen from above of the sockets respectively formed by the fifth layers 12, 62 of the microelectrodes 2, 52 differ from each other in that the first fifth layer 12 in its current collection portion has the form of a solid disc, while the second fifth layer 52 has the shape of a ring matching and covering the contour of the second and fourth layers.
  • microelectrodes 2, 52 according to the invention, described in FIGS. 1 and 2 advantageously differ from the other conventional electrodes known to those skilled in the art, for the following reasons:
  • the microelectrodes 2, 52 retain a large potential window in aqueous media unlike other electrodes known to those skilled in the art, which allows to obtain significant charge densities without degrading the solvent in the environment of the electrode.
  • the hybrid microelectrodes 2, 52 have a double-layer electrical capacitance typically ten to five hundred times greater than that of the conventional BDD electrodes, which allows both to increase the charge density with respect to a conventional diamond electrode and also to significantly reduce the impedance of the electrode, particularly high in the case of conventional doped diamond. (iii) Unlike conventional electrode materials used in targeted applications, microelectrodes 2, 52 are extremely robust and stable.
  • microelectrodes 2, 52 composed in their active part only of inert carbon is expected to have a good acceptability of the tissues, in other words to be bio-inert, as has already been demonstrated in the case of classical unstructured doped diamond.
  • the top views of the doped diamond tubes observed at different magnifications show a first arrangement of the tubes according to the first and second embodiments of FIGS. 1 and 2, ie embodiments in which the tubes 26 are substantially vertical and separated from each other in a regular manner.
  • the tubes of the third layer designated respectively by the numerical reference 126 are grouped into “bundles” 128, called “bundles”, separated from each other in a regular manner and in which the second free ends 132 of the tubes 126 of the same bundle 128 approach or even touch.
  • Each tube 126 has a variable section which decreases from its first end, attached to the third layer, to its second free end 132.
  • the applications targeted by the invention generally consist in the use of MEA networks of microelectrodes as described above.
  • the electrodes networked on the same substrate will be electrically contacted individually.
  • a flexible implant for neural interfacing applications comprises an MEA network of at least two microelectrodes, developed and etched on a common layer stack in a distribution pattern on a flat surface, and an envelope matrix. .
  • the matrix made of a flexible polymer material of small thickness and of two-dimensional main extension, comprises a single layer sheet, and for each microelectrode, a single and different layer with two layers enveloping the microelectrode leaving exposed the second ends of its tubes and its contact area.
  • the bilayer leaflets enveloping the microelectrodes are joined in one piece by the single layer sheet, with or without a through hole.
  • a method of manufacturing a microelectrode 202 for neural interfacing applications as described above generally comprises a set of steps 204, 206, 208.
  • a first substrate layer made of a first biocompatible material, is provided.
  • the first material is a material, either electrically insulating included in the assembly formed by S1O2, Si 3 N 4 , quartz, glass, GaN, or electrically conductive included in the assembly formed by Pt, Ptlr, Ti , TiN, TiPt alloys, boron doped diamond, and generally any other biocompatible conductive material capable of withstanding the growth temperatures of the synthetic diamond.
  • the first material is supposed to be an electrical insulator.
  • a second layer of a second material is deposited to initiate the growth of synthetic diamond crystals.
  • the second material is comprised of TiN titanium nitride, undoped polycrystalline diamond, polycrystalline diamond doped with atoms comprised in the atomic group of boron, nitrogen atoms and phosphorus atoms and derived from conventional growth on a smooth substrate.
  • the second material is boron-doped (BDD) synthetic polycrystalline diamond derived from conventional growth on a smooth substrate.
  • This classic unstructured diamond layer will have a dual function. First, it will serve as a diffusion barrier for a metal catalyst used for the growth of carbon nanotubes (CNTs). Secondly, during diamond growth on the NTCs, unstructured third layer diamond and diamond pushing on the NTCs will "fuse", thus promoting better bonding of the second structured layer to the substrate.
  • CNTs carbon nanotubes
  • a third layer of a third, electrically conductive material is fabricated.
  • the third material consists of synthetic polycrystalline diamond, made electrically conductive by doping with atoms comprised in the group consisting of boron atoms, nitrogen atoms, and phosphorus atoms.
  • the third material is boron-doped synthetic-crystalline diamond (BDD).
  • the third material is a textured material that includes a compact, brush-like, hollow or solid tube of nanometric to micrometric dimensions.
  • the tubes consist of doped polycrystalline diamond, here doped with boron, and each have a first end, attached to the second layer, and a second free end, intended to form the active part of the microelectrode.
  • the tubes are separated from each other at their first ends and project their second ends in a direction away from the first and second layers, substantially vertical with respect to the extension plane of the first layer.
  • the first, second, third layers are deposited so that their extension planes are mutually parallel.
  • the third material is preferably manufactured using an original method of growing the diamond on a set of carbon nanotubes, sacrificial on at least part of their individual structure.
  • the third step 208 comprises the successive execution of a fourth step 210, a fifth step 212 and a sixth step 214.
  • the fourth step 210 consists in growing carbon NanoTubes (NTCs), sacrificial on at least part of their individual structure, on and from the second layer. Then in the fifth step 212, one or more first layers of undoped synthetic diamond nanoparticles are deposited on each of the carbon nanotubes (CNTs). Then, in the sixth step 214, by a doped diamond-doped plasma-assisted chemical vapor deposition method, is deposited on the first undoped diamond layer (s) by growing the doped diamond crystal to with complete recovery of the carbon nanotubes and the partial or complete etching of the latter by the radical hydrogen contained in the plasma.
  • NTCs carbon NanoTubes
  • the fourth step 210 comprises a seventh step 216, an eighth step 218 and a ninth step 220, executed successively.
  • a thin layer of a catalyst metal comprised in the assembly formed by nickel, iron, cobalt, and their alloys, especially FeNi, FeCoNi, and preferably nickel (Ni), is deposited on the second layer to obtain droplets on the substrate of nanometric size.
  • a catalyst metal is used to catalyze the growth of NTCs. Since the catalyst metal tends to diffuse into the substrate during annealing or during growth of NTCs, the second layer, deposited during the second step 206, acts as a diffusion barrier. As described above, a synthetic diamond layer is preferred because it further promotes adhesion of the third structured diamond layer.
  • the eighth step 218 consists of annealing the thin-layer deposited catalyst metal in the seventh step 216 to obtain nanometric-sized drops of metal regularly distributed over the second layer in a pattern corresponding to the shape of the active part of the microelectrode. .
  • the growth of the carbon nanotubes (CNTs) on and from the drops of the catalyst metal is carried out by a vapor deposition method. chemical (CVD).
  • the length of the CNTs may vary typically from 500 nm to 5 micrometers, and will preferably be between 1 and 2 micrometers. These NTCs will be of single-sheet or multi-sheet types.
  • the CNTs may be disoriented (spaghetti-shaped) or preferably vertically aligned on the substrate.
  • the fifth step 212 during which undoped diamond nanoparticles are deposited in turn on the CNTs is carried out for example according to one of the following three methods.
  • a "layer-by-layer” deposition is performed consisting of successively depositing a layer of a positive or negative charge polyelectrolyte polymer followed by a layer of oppositely charged diamond nanoparticles, then immobilized on the NTCs. by electrostatic attraction.
  • the polymers commonly used for this stain are Poly- (diallyldimethylammonium chloride) (PDDAC) or Polystyrene sulfonate (PSS). This stack of layers can be repeated several times in order to increase the particle density on the NTCs.
  • a deposit from an "inkjet" type printing system from a colloidal solution of undoped nanodiamond is carried out.
  • the NCTs can retain their original geometric appearance or agglomerate to form bundles (called “bundles").
  • the sixth step 214 is carried out by a microwave assisted chemical vapor deposition (PAVCD), or by radio wave plasma (RFCVD), or by hot filament of a gaseous mixture comprising methane, dihydrogen and trimethyl ether.
  • PAVCD microwave assisted chemical vapor deposition
  • RFCVD radio wave plasma
  • hot filament of a gaseous mixture comprising methane, dihydrogen and trimethyl ether when boron is used, under suitable conditions known to those skilled in the art. Growth of diamond doped, preferably with boron at a concentration typically between 10 21 and 5.10 21 at.cm- 3 will be continued until complete recovery and partial or complete disappearance of the NTCs which will be largely etched by hydrogen radical present in the plasma.
  • the PACVD method generally consists in growing diamond grains of nanometric size (2-100 nm) on a substrate placed in a PACVD growth reactor. typically operating at 800-4000 watts in a gaseous mixture comprising at least one mixture of methane and dihydrogen with a suitable proportion. During growth the temperature of the substrate is commonly between 400 and 900 degrees Celsius.
  • Diamond powder may be deposited on the substrate prior to the growth step, but there are also other possible surface treatments that can initiate diamond growth. During growth, the diamond grains will grow on the substrate in the CVD plasma until a continuous polycrystalline diamond film is obtained.
  • a source of atoms included among a source of boron atoms, a source of nitrogen atoms, a source of phosphorus atoms is generally introduced into the plasma during growth, for example in the case of boron in the form of diborane or trimethylboron gas. The dissociated boron in the plasma will then be incorporated in the diamond crystal or substitute for a carbon atom in the crystal.
  • An alternative of the invention will be to deposit this structured diamond layer on suitable supports to make electrodes for use in certain implantable medical devices.
  • implantable electrode systems to date eg cochlear implants
  • these electrodes may be, for example platinum discs, platinum iridium, etc.
  • the structured diamond material, ie the third layer can be deposited on such media to increase mechanical performance, electrochemical, and biocompatibility before mounting in the implantable devices.
  • the structured material obtained after diamond growth brings two important functions for the microelectrode: first of all it makes it possible to considerably increase the value of the electrical capacitance of the electrode, typically of a ratio ranging from 10 to 500. Moreover he increases the surface area of the electrode because unlike unstructured polycrystalline diamond, it has a roughness that contributes to reducing the total impedance of the electrode. Unlike other materials known to those skilled in the art, this material also has a large potential window, greater than or equal to 2.5 V in an aqueous medium, that is to say comparable to that of non-polycrystalline diamond. structure. It is also very chemically stable.
  • the rough diamond in the form of a forest of diamond pillars constitutes the active part of the microelectrode.
  • An electrical outlet serving as a connection between the active part of the microelectrode and an external terminal is required to be able to use the electrode correctly.
  • the socket is placed either between the second layer and the substrate, or at the periphery of and in contact with the third layer and a fourth layer.
  • the fourth layer is made necessary when the material of the second layer is an electrical insulator. It consists of doped polycrystalline diamond, made conductive and covers the entire third layer at the base of the tubes forming the third material.
  • the material of the electrical outlet is generally made of one or more metals or metal alloy, usually gold or platinum deposited on a metal acting as a layer of hooked on the substrate, eg chromium or titanium .
  • the electrical outlet is isolated from the electrolyte solution forming the interface with biological tissue, by a passivation layer made of a dielectric material such as silicon dioxide S1O2, silicon nitride Si 3 N 4, polymers such as SU8, Polyimide, Parylene.
  • a passivation layer made of a dielectric material such as silicon dioxide S1O2, silicon nitride Si 3 N 4, polymers such as SU8, Polyimide, Parylene.
  • the method 202 described in FIG. tenth step deposition of a fifth layer and an eleventh step of deposition of a passivation layer on the electrical outlet.
  • a fifth layer structured by a photo-lithographic process into a fifth metal material, is deposited so as to form a plug of the electric current of the third layer through the second layer when the latter is electrically conductive and / or the fourth layer.
  • the fifth layer is disposed on the first layer, either below the second layer when the latter is conducting, or independently of the electrical conductivity of the second layer in contact and at the periphery of the second and fourth layers.
  • the fifth layer comprises a contact zone, forming an electrical output terminal of the microelectrode and offset from the third layer along the extension plane of the first layer.
  • a sixth biocompatible passivation layer of the fifth layer is deposited so as to cover the entire fifth layer except for the contact area forming the electrical output terminal and the active surface of the fifth layer. 'electrode.
  • a first advantage of the invention is that these hybrid electrodes retain a large potential window in aqueous media comparable to that of ordinary BDD diamond electrodes, unlike other electrodes known to those skilled in the art. This makes it possible to obtain high charge densities of the order of 0.1 mC.cm -2 to 5 mC.cm -2 (at 100 mV.s -1 ) without degrading the solvent in the environment of the electrode. .
  • the electrode contrary this time to conventional electrodes BDD, the electrode has a double layer capacity typically greater than 200 pF.cm -2, that is to say, forty times greater than that of conventional BDD electrodes, which makes it possible to particular, to increase the charge density with respect to a diamond electrode.
  • This high capacity coupled with a greater roughness and thus a larger surface area specificity of the electrode also contributes to significantly reduce the impedance of the electrode, particularly high in the case of unstructured diamond (poly-crystalline as output from growth reactor), by a factor of 15 to 100 according to the text ration.
  • a first embodiment of a method of manufacturing a multi-electrode network MEA is described through different views each corresponding to a different phase of the state of the network in the manufacturing process.
  • a silica-type glass substrate 302 referred to in English as “fused silica” is used for the manufacture of the MEA network.
  • the electrodes are deposited on this electrically insulating substrate.
  • Any other insulating substrate eg Si / SiO 2 or Si / Si 3 N 4, quartz, etc.
  • good stability is meant a substrate that does not soften and / or deform under the effect of heat.
  • nano powder On this substrate 302, a deposit of diamond particles 304 ("nano powder") of nanometric dimension is deposited.
  • the nano diamond powder used will preferably be the so-called “detonation” powder, because of its small size (5 to 15 nanometers for the nano primary powder).
  • the nano powder can also be obtained by grinding coarser diamond powder.
  • the average diameter of interest of the nano diamond powder will typically be of the order of 1 to 100 nm.
  • the heart of the nano powder is composed of sp3 hybridized carbon.
  • the nano diamond powder can be used raw, or after purification in the case of the detonation powder. Here we use nano powder of average diameter 20 nm obtained by grinding.
  • diamond growth is initiated in a CVD growth reactor, in a plasma containing methane, hydrogen and trimethyl boron in appropriate proportions.
  • the pressure in the growth chamber is between 20 and 40 m bar.
  • the plasma is maintained from a microwave power source with a power of between 2 and 4 kW.
  • the temperature of the substrate is between 600 and 800 degrees Celsius.
  • a boron-doped diamond-shaped polycrystalline film 306 is then obtained with a thickness of typically between 100 nm and 1000 nm.
  • a structured nickel deposit 308 is made by photolithography using the method known as "lift-off" known to those skilled in the art. These nickel structures define where the structured diamond electrodes will later be.
  • This layer of nickel is then "dewaxed" by a heat treatment known to those skilled in the art in order to obtain nanometric structures of nickel 310 (droplets) which will be used to catalyze the growth of a forest of carbon nanotubes (NTCs). .
  • the substrate is then placed in a carbon nanotube growth reactor.
  • Vertically oriented nanotubes 312 are then manufactured by a method known to those skilled in the art.
  • the carbon nanotubes have a length of about 2 micrometers.
  • a nanodiamond layer 314 is deposited either on the entire substrate, by the "layer-by-layer” method described above, using PDDAC as hook polymer.
  • a new boron-doped diamond growth is carried out under the same conditions as above until a diamond layer of typically 500 nm is obtained on the carbon nanotubes.
  • the diamond structures 316 then in the definitive form of diamond pillar forest are protected by a metal mask or by a photoresist 318 again by a lithographic photo method known to those skilled in the art.
  • the unprotected diamond layer is etched by a method of ionic etching RIE (Reactive Ion Etching) until complete disappearance of the unprotected diamond layer.
  • the protective mask is removed by etching.
  • a metal contact socket 320 is then made on the pads.
  • the taking of contacts is made from a stack of Ti / Pt layers.
  • Ti is used here to promote the adhesion of Pt on the substrate.
  • These deposits will be structured by lithographic photo methods known to those skilled in the art.
  • a metal ring will be deposited at the periphery of the diamond electrodes to leave the center of the diamond electrode bare.
  • a so-called passivation layer 322 is finally deposited on the substrate leaving an uncoated area 324 on the microelectrode and on the contacts. It is this opening 324 that defines the active area of the electrode.
  • a second embodiment of a method of manufacturing a multi-electrode network MEA is described through different views each corresponding to a different phase of the state of the network in the manufacturing process.
  • a glass substrate 352 of "fused silica" type is once again used for the manufacture of the MEA network.
  • the microelectrodes will be deposited on this electrically insulating substrate.
  • any other insulating substrate eg Si / SiO 2 or Si / Si 3 N 4 , quartz, etc.
  • any other insulating substrate eg Si / SiO 2 or Si / Si 3 N 4 , quartz, etc.
  • a layer 354 of TiN is deposited locally at the future location of the microelectrodes.
  • a layer of nickel 356 is then dewaxed by heat treatment to obtain nano drops 358 of nickel.
  • NTCs 360 is carried out from the nano drops of nickel 356 on the layer 354 of TiN until a forest 362 of NTCs of lengths between 1 and 2 micrometers.
  • these diamond nanoparticles 364 are deposited locally on the NTCs 362 forests using an ink jet printing technique.
  • a growth of the diamond is initiated in a CVD growth reactor, in a plasma containing methane, hydrogen and trimethyl boron in appropriate proportions.
  • the pressure in the growth chamber is between 20 and 40 mbar.
  • the plasma is maintained from a microwave power source with a power of between 2 and 4 kW.
  • the temperature of the substrate is between 600 and 800 degrees Celsius.
  • a structured boron doped diamond polycrystalline film 366 is then obtained in place of the NTCs as in the preceding example.
  • a plug of metal contacts 368 is then made on the pads 364 formed by the etched layer, called second layer in Figures 1 and 2.
  • the contact 368 is made from a stack of Ti / Pt layers. Ti is used here to promote the adhesion of Pt on the substrate. These deposits will be structured by lithographic photo methods known to those skilled in the art. Here a metal ring will be deposited at the periphery of the diamond electrodes to leave the center of the diamond electrode bare.
  • a so-called passivation layer 372 is finally deposited on the substrate 352 and the metal contact plug 368 leaving a zone 374 not covered on the electrode and the contact socket 372. It is this opening 374 which defines the active zone of the electrode.
  • a third embodiment of a method of manufacturing a network of multiple electrodes is described through different views each corresponding to a different phase of the state of the network in the manufacturing process.
  • a second hook layer 502 made of BDD, a metal contact plug 504 which supports high temperatures and passivation 506 is produced.
  • the whole is encapsulated in a layer 508 of sacrificial metal which supports the temperature, does not catalyze not carbon nanotubes CNTs and does not promote growth CNTs.
  • a "lift-off" of nickel is carried out, followed by the growth of the carbon nanotubes NTCs and a diamond deposition deposit BDD on the carbon nanotubes NTCs.
  • the sacrificial metal is removed selectively, the opening of the passivation layer having been provided during the deposition of the passivation layer to clear the remote contact areas of the contact setting.
  • FIG. 14 a fourth embodiment of a method for manufacturing a network of multiple electrodes forming an implant flexible, is described through different views each corresponding to a different phase of the state of the network in the manufacturing process.
  • diamond electrode bases 504 are made from a previously oxidized silicon substrate 502, diamond electrode bases 504 are made. A nickel deposit 506 is made on these bases 504 of electrodes and a nickel dewetting step is performed. The growth of the nanotubes 508 (NTCs) is achieved and these nanotubes 508 are coated with diamond nanoparticles. Boron doped diamond (BDD) growth is performed to cover all the nanotubes and sacrifice them. Then, a layer 510 of Cr / Au metal is deposited to define the tracks 512, the output terminals 514 and to make contact on the diamond electrodes 516, a single track and a single terminal being shown in FIG.
  • NTCs nanotubes 508
  • BDD Boron doped diamond
  • nitride 518 for passivation is deposited on the substrate 502 and the engagement of the contacts 510, and opened locally to define the microelectrodes 516 and the output terminals 514. Then a polymer 520 is deposited on the front face 522 and opened locally to access the microelectrodes 516 and contact terminals or output 514. The front face 522 of the wafer is protected and an opening 524 on the rear face 526 is formed in the silicon substrate to the oxide layer 524. Then a second deposit 528 of polymer is performed on the rear face 526 open. It remains only to cut the shape of the implant, for example using a laser.

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Abstract

Une microélectrode (2) pour des applications d'interfaçage neuronal comprend une première couche de substrat (4), une deuxième couche d'accroché (6), et une troisième couche (8) formant la partie active de l'électrode (2) dont le matériau est constitué de diamant de synthèse rendu électriquement conducteur par dopage d'atomes pris parmi atomes de bore, d'azote de phosphore. Le matériau de la troisième couche (8) est un matériau texturé qui comprend un ensemble compact, en forme de brosse, de tubes (26) comportant chacun sous la forme d'au moins une couche externe périphérique du diamant poly-cristallin rendu électriquement conducteur par dopage. Les tubes (26) sont séparés entre eux au niveau de leurs premières extrémités fixées (28) et projettent leurs extrémités libres (30) en s'éloignant des première et deuxième couches (4, 6) dans une direction sensiblement verticale par rapport au plan d'extension (20) de la deuxième couche (6). Un procédé de fabrication de ladite microélectrode est également décrit.

Description

MICROELECTRODES A BASE DE DIAMANT STRUCTURE POUR DES APPLICATIONS D'INTERFAÇAGE NEURONAL.
La présente invention concerne des microélectrodes et des dispositifs utilisant ces électrodes pour des applications d'interfaçage neuronal ainsi que des procédés de fabrication de tels électrodes et dispositifs d'électrodes. Ces électrodes peuvent être utilisées à la fois pour la neurostimulation ou pour l'enregistrement de signaux électriques dénommés « Potentiels d'Action » (PA). Dans le premier cas, une ou plusieurs impulsions électriques sont transmises de l'électrode vers les cellules neuronales en contact ou à proximité de l'électrode. Il s'agit ici souvent d'activer une fonction neurophysiologique déficiente via un dispositif médical implantable. Des exemples connus d'applications sont notamment les implants cochléaires, les implants rétiniens, la stimulation cérébrale profonde (en anglais Deep Brain Stimulation), les implants corticaux. Dans le deuxième cas, des signaux électriques (PA), se propageant à travers un réseau neuronal en contact ou à proximité des électrodes, sont mesurés. Les applications visées ici concernent en particulier les études électro-physiologiques. Les dispositifs, utilisés dans ces applications, sont connus sous le nom de réseaux multi-électrodes ME A (en anglais Multi Electrodes Arrays), et permettent d'étudier ex-vivo en laboratoire l'activité électrique des neurones.
Les électrodes utilisées pour la neurostimulation doivent répondre à des exigences bien définies. Tout d'abord, le matériau constituant l'électrode doit être biocompatible. De plus, le processus de transfert de charge ne doit pas générer de nécrose des tissus. Ainsi le transfert de charge doit se faire de façon capacitive ou par un transfert faradique réversible impliquant des espèces redox présentes à la surface de l'électrode. Ce transfert de charges faradique ne doit bien sûr pas générer d'espèces toxiques, de bulles de gaz ou une variation significative de pH. Malgré ces contraintes, la charge injectée de l'électrode vers les tissus doit atteindre une densité de typiquement plusieurs mC.cm"2 pour être efficace. Enfin, l'électrode doit être robuste pour l'implantation in vivo. En particulier elle doit comporter une bonne résistance mécanique et une inertie chimique afin de résister au vieillissement au contact des tissus et doit conserver son état de surface après implantation.
Si la biocompatibilité est moins critique dans le cas des systèmes de MEA utilisées ex-vivo dans le domaine de l'électrophysiologie, les électrodes doivent cependant présenter des propriétés électrochimiques proches de celles des électrodes utilisées pour la neurostimulation. Dans le cas de leur utilisation pour l'enregistrement neuronal, elles doivent par ailleurs posséder une faible impédance électrochimique, typiquement inférieure à 300 kOhms afin d'obtenir des rapports de niveaux de signal à bruit suffisamment importants. Cette impédance est fortement liée au diamètre de l'électrode. L'évolution de ces systèmes pousse à l'utilisation d'électrodes ayant des diamètres de plus en plus petits afin d'obtenir une meilleure résolution spatiale des activités neuronales. Or, à structure d'électrode constante, la réduction de diamètre augmente l'impédance. Pour palier à cet inconvénient, il est connu d'augmenter artificiellement la surface des électrodes. Par ailleurs, lorsque de tels dispositifs MEA sont utilisés pour la neurostimulation, l'homme du métier est confronté au problème de dégradation graduelle de l'électrode lié au passage de courant à travers l'électrode. Cela est particulièrement critique dans le cas de systèmes comportant des électrodes sous forme de couches minces (d'épaisseur typiquement inférieure à 5 micromètres) car avec le temps il existe un risque important de la disparition complète du matériau d'électrode. Ainsi l'électro-physiologiste est parfois amené lors de l'utilisation d'électrodes métalliques à procéder à un électro-dépôt de métal pour régénérer les électrodes après quelques utilisations afin de pouvoir retrouver leurs performances initiales.
Une condition pour obtenir à la fois des densités de charges suffisamment importantes pour la stimulation et/ou des impédances suffisamment faibles pour l'enregistrement consiste donc à travailler avec des électrodes possédant une capacité d'interface importante. Dans le cas de la neurostimulation, cette densité de charge pourra être d'autant plus importante que la fenêtre de potentiel de l'électrode sera importante. En effet, plus la fenêtre de potentielle sera importante, plus une charge importante pourra être injectée sans dissocier l'eau présente dans les tissus avoisinants.
Les matériaux d'électrodes les plus fréquemment utilisés pour les applications envisagées tels que le platine et les alliages Ptlr, l'oxyde d'iridium, le Tantale/Ta205, le nitrure de titane et le PEDOT ont des performances, rapportées dans l'article de S. F Cogan, intitulé « Neural Stimulation and Recordings Electrodes », Annu. Rev. Eng. 2008.10/ 275-309, et résumées dans le tableau 1 ci-dessous.
Malheureusement tous ces matériaux présentent généralement un problème important de stabilité et parfois même de biocompatibilité.
Le diamant de synthèse qui permet de résoudre un tel problème a aussi été considéré comme un matériau d'électrode potentiel pour de telles applications. C'est en effet un matériau chimiquement et biologiquement inerte qui est l'objet actuel de nombreuses recherches scientifiques dans le domaine médical et en particulier celui des implants et de l'interrogation neuronale. Il semble donc très adapté pour une implantation in vivo long terme. Il possède également d'excellentes propriétés électrochimiques, en particulier présente une grande fenêtre de potentiel supérieur à 3 V en milieux aqueux permettant potentiellement une grande injection de charge sans dissociation du milieu environnant, une grande résistance à la corrosion, ainsi qu'une résistance mécanique importante comparée aux autres matériaux utilisés. Ces propriétés électrochimiques semblent aussi adaptées pour des applications électro-physiologiques ex- vivo. Généralement, la croissance du diamant se fait sur un substrat préalablement préparé pour initier la croissance par déposition par vapeur chimique dans un plasma contenant de l'hydrogène et une source de carbone. Les films de diamant obtenus après croissance ont généralement une forme poly-cristalline colonnaire ou nanocristalline en fonction des conditions de croissance. Le dopant utilisé est généralement le bore qui à partir de concentrations typiquement supérieures à 1021 at.cm"3 lui confère une conductivité quasi métallique avec des propriétés électrochimiques généralement les plus performantes. On parle alors de diamant dopé de bore ou diamant « BDD » (en anglais « Boron Doped Diamond »). Ainsi des dispositifs de MEA à base d'électrode diamant BDD ont été proposés pour des applications d'implants médicaux ou de réseaux de microélectrodes pour l'électrophysiologie et sont décrits dans l'article de P. Bergonzo, et al., intitulé « 3d shaped mechanically flexible diamond microelectrode arrays for eye implant applications : The médinas project » IRBM, 45(32) :91-94, 201 1 , et l'article de Michael W. Varney et al., intitulé « Polycrystalline-diamond MEMS biosensors including neural microelectrode-arrays », Biosensors, 1 :1 18-1 13, 201 1.
Cependant, le diamant poly-cristallin dopé de bore (BDD) issu d'une croissance colonnaire à partir de grains de diamant sur un substrat lisse ne possède pas les propriétés électrochimiques suffisantes pour être utilisé efficacement pour la stimulation ou l'enregistrement neuronal. En particulier, le diamant BDD possède une capacité électrochimique de double couche extrêmement faible de l'ordre de 5 pF.cm"2, ce qui limite significativement la densité de charge injectable malgré sa grande fenêtre de potentiel. De plus, les impédances des électrodes BDD, traditionnellement mesurées à 1 kHz sont relativement élevées, de l'ordre de 1 MOhm dans un milieu salin tamponné de phosphate (en anglais « Phosphate Buffered Saline ») pour des électrodes de 25 micromètres de diamètre par exemple. L'impédance de l'électrode est en partie dépendante de la surface spécifique de l'électrode.
Le problème technique est de trouver un matériau biocompatible de microélectrodes qui augmente leur capacité interfaciale et réduit leur impédance électrochimique lorsqu'elles sont utilisées pour des applications telles que citées précédemment.
A cette fin, l'invention a pour objet une microélectrode pour des applications d'interfaçage neuronal comprenant un empilement d'une première couche de substrat en un premier matériau biocompatible, une deuxième couche d'accroché en un deuxième matériau pour initier la croissance de cristaux de diamant de synthèse, et une troisième couche en un troisième matériau électriquement conducteur, comportant du diamant poly-cristallin dopé par des atomes compris dans l'ensemble formé par les atomes de bore, les atomes d'azote et les atomes de phosphore,
les première, deuxième, troisième couches ayant des plans d'extension mutuellement parallèles, caractérisée en ce que
le troisième matériau est un matériau texturé qui comprend un ensemble compact, en forme de brosse, de tubes creux ou pleins, constitués chacun au moins en une couche périphérique, radialement externe, de diamant poly-cristallin dopé, déposé radialement par croissance à haute température, les tubes ayant chacun une première extrémité fixée à la deuxième couche et une deuxième extrémité libre, destinée à être la partie active de l'électrode,
les tubes étant séparés entre eux par un espace vide au niveau de leurs premières extrémités et projetant leurs deuxièmes extrémités dans une direction d'éloignement des première et deuxième couches sensiblement normale par rapport au plan d'extension de la deuxième couche.
Suivant des modes particuliers de réalisation, la microélectrode comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison :
- les tubes forment un tapis dans lequel, soit tous les tubes sont sensiblement normaux par rapport au plan d'extension de la deuxième couche et séparés entre eux de manière régulière, soit les tubes sont regroupés en des fagots, séparés entre eux de manière régulière et dans lesquels les deuxième extrémités des tubes d'un même fagot se rapprochent, voire se touchent ;
.- chaque tube a une longueur comprise entre 500 nm et 50 μιη, et chaque tube a une section ayant un diamètre sensiblement constant sur toute sa longueur ou chaque tube a une section variable qui décroit depuis sa première extrémité jusqu'à sa deuxième extrémité ;
- le deuxième matériau est un matériau d'accroché du diamant convenant à servir de barrière de diffusion à un métal fondu compris dans l'ensemble formé par le nickel, le cobalt, le fer et les alliages de nickel, fer, cobalt, et le premier matériau est un matériau biocompatible pouvant résister aux conditions de croissance du diamant, soit électriquement isolant compris par exemple dans l'ensemble formé par Si02, Si3N4, le quartz, le verre, GaN, soit électriquement conducteur compris par exemple dans l'ensemble formé par le Pt, le Ptlr, le Ti, le TiN, les alliages TiPt, le diamant dopé de bore ;
- le deuxième matériau est compris l'ensemble formé par le nitrure de titane TiN , le diamant poly-cristallin non dopé, le diamant poly- cristallin dopé par des atomes compris dans l'ensemble formé par les atomes de bore, les atomes d'azote et les atomes de phosphore, de préférence le diamant poly-cristallin dopé de bore ;
- le procédé comprend une quatrième couche en un quatrième matériau constitué de diamant polycristallin dopé, la quatrième couche recouvrant la totalité de la troisième couche à la base des tubes formant le deuxième matériau ;
- le procédé comprend une cinquième couche et une sixième couche,
la cinquième couche étant en un cinquième matériau métallique, formant une prise du courant électrique de la troisième couche au travers de la deuxième couche lorsque cette dernière est électriquement conductrice et/ou de la quatrième couche, la cinquième couche étant disposée sur ou au dessus de la première couche, soit en dessous de la deuxième couche lorsque cette dernière est conductrice, soit en contact et en périphérie des deuxième et quatrième couches indépendamment de la conductivité électrique de la deuxième couche, la cinquième couche ayant une zone de contact, formant une borne électrique de sortie de la microélectrode et déportée de la troisième couche le long du plan d'extension de la deuxième couche,
la sixième couche étant une couche biocompatible de passivation de la cinquième couche recouvrant la totalité de la cinquième couche à l'exception de sa zone de contact formant la borne électrique de sortie de la microélectrode.
L'invention a également pour objet un réseau multi-électrodes pour des applications d'interfaçage neuronal comprenant une pluralité d'au moins deux microélectrodes définies ci-dessus, développées et gravés sur un empilement de couches commun selon un motif de répartition sur une surface plane.
L'invention a également pour objet un implant flexible pour des applications d'interfaçage neuronal comprenant :
- un réseau d'une multitude microélectrodes défini ci-dessus, et
- une matrice en un matériau polymère flexible de faible épaisseur d'extension principale bidimensionnelle comportant - un feuillet monocouche, et
pour chaque microélectrode, un feuillet unique et différent à deux couches enveloppant la microélectrode en laissant exposées les deuxièmes extrémités de ses tubes et sa zone de contact,
l'ensemble des feuillets étant réunis en une seule pièce par le feuillet monocouche, avec ou sans trou traversant.
L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une microélectrode pour des applications d'interfaçage neuronal comprenant les étapes consistant à
fournir dans une première étape une première couche de substrat diélectrique en un premier matériau biocompatible, puis
dans une deuxième étape déposer une deuxième couche d'accroché en un deuxième matériau pour initier la croissance de cristaux de diamant de synthèse,
dans une troisième étape fabriquer une troisième couche en un troisième matériau électriquement conducteur, comportant du diamant poly-cristallin cristallin dopé par des atomes compris dans l'ensemble formé par les atomes de bore, les atomes d'azote et les atomes de phosphore,
les première, deuxième, troisième couches ayant des plans d'extensions parallèles, caractérisé en ce que
le troisième matériau est un matériau texturé qui comprend un ensemble compact, en forme de brosse, de tubes creux ou pleins, constitués chacun au moins en une couche périphérique radialement externe, de diamant poly-cristallin dopé, déposée radialement par croissance à haute température, les tubes ayant chacun une première extrémité fixée à la deuxième couche et une deuxième extrémité libre, destinée à être la partie active de l'électrode,
les tubes étant séparés entre eux par un espace vide au niveau de leurs premières extrémités et projetant leurs deuxièmes extrémités dans une direction d'éloignement des première et deuxième couches sensiblement normale par rapport au plan d'extension de la deuxième couche.
Suivant des modes particuliers de réalisation, le procédé de fabrication d'une microélectrode comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison :
- le procédé de fabrication comprend les étapes consistant à faire croître des nanotubes de carbones (NTC) sur et à partir de la deuxième couche, puis
dans une cinquième étape, déposer une ou plusieurs premières couches de nanoparticules de diamant non dopé sur chacun des nanotubes de carbone, puis
dans une sixième étape, déposer sur la ou les premières couches de diamant non dopé par un dépôt de vapeur chimique assisté par plasma du diamant dopé en faisant croître le cristal de diamant dopé jusqu'à recouvrement complet des nanotubes de carbone et leur gravure partielle ou complète par de l'hydrogène radicalaire contenu dans le plasma ;
- au cours de la sixième étape une quatrième couche en du diamant polycristallin dopé est également formée de façon recouvrir la totalité de la troisième couche à la base des tubes formant le deuxième matériau ;
- la quatrième étape comprend :
une septième étape de dépôt en couche mince d'un métal compris dans l'ensemble formé par le nickel, le fer, le cobalt, et leurs alliages notamment FeNi, FeCoNi, de préférence le nickel sur la deuxième couche, puis
une huitième étape de démouillage par recuit du métal déposé en couche mince dans la septième étape pour obtenir des gouttes du métal régulièrement réparties sur la deuxième couche, puis
une neuvième étape dans laquelle on fait croître les nanotubes de carbones sur et à partir des gouttes du métal servant de catalyseur ;
- la cinquième étape est mise en œuvre : soit par un dépôt dit « couche par couche » consistant à déposer successivement un fois ou plusieurs fois une couche d'un polymère poly-électrolyte de charge positive ou négative suivi d'une couche de nanoparticules de diamant de charge opposée, alors immobilisée sur les nanotubes de carbone par attraction électrostatique, le polymère étant compris dans l'ensemble formé par le Poly-(daillyldimethylammonium chloride) (PDDAC), le polystyrène sulfonate (PSS) ; ou
soit par un dépôt par impression de type « jet d'encre » à partir d'une solution colloïdale de nano-diamant non dopé ; ou
soit par électrospray de nanoparticules de diamant ; et .
la sixième étape est mise en œuvre par un dépôt de vapeur chimique assisté par plasma microonde (PAVCD), ou par plasma à ondes radio (RFCVD), ou par filament chaud d'un mélange gazeux comprenant du méthane, du dihydrogène et du triméthyl d'un atome compris dans l'ensemble formé par les atomes de bore, les atomes d'azote et les atomes de phosphore ;
- le deuxième matériau est compris dans l'ensemble formé par le nitrure de titane TiN , le diamant poly-cristallin non dopé, le diamant poly- cristallin dopé par des atomes compris dans l'ensemble formé par les atomes de bore, les atomes d'azote et les atomes de phosphore, de préférence le diamant poly-cristallin dopé de bore ;
- le deuxième matériau est du diamant poly-cristallin dopé, et la deuxième étape est mise en œuvre d'abord par un dépôt à la tournette de particules de nano-diamant non dopé à partir d'une solution colloïdale aqueuse contenant du poly-vinyl alcool, puis un dépôt de vapeur chimique assisté par plasma contant du méthane, du dihydrogène et du triméthyl de l'atome dopant ;
- le procédé comprend :
une dixième étape de dépôt d'une cinquième couche, structurée par un procédé photo-lithographique, la cinquième couche étant en un cinquième matériau métallique, formant une prise du courant électrique de la troisième couche au travers de la deuxième couche lorsque cette dernière est électriquement conductrice et/ou de la quatrième couche, la cinquième couche étant disposée sur la première couche, soit en dessous de la deuxième couche lorsque cette dernière est conductrice, soit en contact et en périphérie des deuxième et quatrième couches indépendamment de la conductivité électrique de la deuxième couche, la cinquième couche ayant une zone de contact, formant une borne électrique de sortie de la microélectrode et déportée de la troisième couche le long du plan d'extension de la première couche,
une onzième étape de dépôt d'une sixième couche en un sixième matériau biocompatible et de passivation de la cinquième couche, la sixième couche recouvrant la totalité de la cinquième couche à l'exception de sa zone de contact formant la borne électrique de sortie de la microélectrode ;
- le premier matériau est un matériau biocompatible pouvant résister aux conditions de croissance du diamant, soit électriquement isolant compris par exemple dans l'ensemble formé par S1O2, Si3N4, le-quartz, le verre, le GaN, soit électriquement conducteur compris par exemple dans l'ensemble formé par le Pt, le Ptlr, le Ti, le TiN, les alliages TiPt, le diamant dopé de bore.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description de plusieurs formes de réalisation qui vont suivre, données uniquement d'exemples et faites en se référant aux dessins dans lesquels :
La Figure 1 est une vue en coupe d'un premier mode de réalisation d'une microélectrode selon l'invention ;
La Figure 2 est une vue en coupe d'un deuxième mode de réalisation d'une microélectrode selon l'invention ;
La Figure 3 est une vue de la prise de contacts de la microélectrode de la Figure 1 ;
La Figure 4 est une vue de la prise de contacts de la microélectrode de la Figure 2 ; Les Figures 5 et 6 sont des vues de dessus au microscope électronique à balayage d'une même forêt de tubes de la partie active des microélectrodes des Figures 1 et 2 à des grossissements différents, respectivement croissants,
Les Figures 7, 8 et 9 sont des vues de dessus au microscope électronique à balayage d'une même forêt de tubes de la partie active d'un troisième mode de réalisation d'une microélectrode selon l'invention à des grossissements différents, respectivement croissants ;
La Figure 10 est un ordinogramme général de fabrication d'une microélectrode selon l'invention, applicable à la fabrication des microélectrodes des Figures 1 -2 et 5-9 ;
La Figure 1 1 est une vue d'un premier mode de réalisation d'un réseau multi-électrodes de l'invention au travers des différents états du réseau au cours de sa fabrication ;
La Figure 12 est une vue d'un deuxième mode de réalisation d'un réseau multi-électrodes de l'invention au travers des différents états du réseau au cours de sa fabrication ;
La Figure 13 est une vue d'un troisième mode de réalisation d'un réseau multi-électrodes de l'invention au travers des différents états du réseau au cours de sa fabrication ;
La Figure 14 est une vue d'un quatrième mode de réalisation d'un réseau multi-électrodes de l'invention au travers des différents états du réseau au cours de sa fabrication.
Suivant la Figure 1 et une première forme de réalisation, une microélectrode 2, configurée pour des applications d'interfaçage neuronal comprend une première couche 4 de substrat en un premier matériau, une deuxième couche 6 d'accroché en un deuxième matériau pour initier la croissance de cristaux de diamant de synthèse, une troisième couche 8 en un troisième matériau, une quatrième couche 10 en un quatrième matériau, une cinquième couche 12 en un cinquième matériau, et une sixième couche 14 en un sixième matériau. Les première, deuxième, troisième couches 4, 6, 8 ont des plans d'extension mutuellement parallèles.
La cinquième couche 12 est disposée ici entre la première couche et la deuxième couche d'accroché de la troisième couche.
Les cinquième, deuxième et troisième couches 12, 6, 8 partagent la même forme, ici circulaire, que celle d'une partie active 16 de la microélectrode 2 destinée à entrer en contact avec le tissu biologique.
La cinquième couche 12 forme une prise de courant de la troisième couche 8 au travers de la deuxième couche 6. La quatrième couche 10 comporte une zone de contact 18, formant une borne électrique de sortie de la microélectrode 2 et déportée de la troisième 8 couche le long du plan d'extension 20 de la deuxième couche 6.
La sixième couche 14 de passivation recouvre la totalité de la cinquième couche 12 à l'exception de sa zone de contact 18 et de sa partie recouverte par la deuxième couche 6.
Le premier matériau est biocompatible et ici électriquement isolant. Le premier matériau est un matériau compris dans l'ensemble formé par Si02, Si3N4, le quartz, le verre, GaN, et de manière générale tout autre matériau biocompatible pouvant résister aux conditions de croissance du diamant.
Le troisième matériau, électriquement conducteur, et constituant la partie active de la microélectrode, est du diamant poly-cristallin de synthèse, rendu électriquement conducteur par dopage par des atomes compris dans l'ensemble formé des atomes de bore, des atomes d'azote, et des atomes de phosphore. Ici, de manière préférée, le deuxième matériau est du diamant poly-cristallin de synthèse dopé au bore (BDD).
Le troisième matériau est également un matériau texturé, c'est-à-dire ayant une surface structurée, qui comprend un ensemble compact 22, en forme de brosse, de tubes 26 creux ou pleins de dimensions nanométriques à micrométriques. Les tubes 26 sont constitués chacun au moins sur une couche externe périphérique en du diamant poly-cristaliin, ici dopé au bore, et possèdent chacun une première extrémité 28, fixée à la deuxième couche 6, et une deuxième extrémité libre 30.
Les tubes 26 sont séparés entre eux au niveau de leurs premières extrémités 28 et projettent leurs deuxièmes extrémités 30 dans une direction d'éloignement 32 des première et deuxième couches 4, 6, sensiblement verticale par rapport au plan d'extension 20 de la deuxième couche 6.
Ici, de manière particulière les tubes 26 forment un tapis dans lequel tous les tubes sont sensiblement verticaux et séparés entre eux de manière régulière. Chaque tube 26 a sensiblement la même longueur, et chaque tube comporte une section ayant un diamètre sensiblement constant sur toute sa longueur.
Le matériau diamant est choisi pour le troisième matériau car il possède une excellente inertie chimique et une grande stabilité, ainsi que des propriétés électrochimiques intéressantes. De plus des études montrent qu'il est bio-inerte et donc constitue un excellent matériau pour la réalisation de dispositifs implantables.
Lorsque le bore est utilisé comme dopant à une concentration typiquement comprise entre 1021 et 5.1021 at.cm"3, la conduction électrique est alors quasi-métallique et la qualité des électrodes en termes de performances électrochimiques est optimum.
La forme de la partie active de la microélectrode 2, c'est à dire du tapis de tubes formant la troisième couche, étant ici cylindrique, le diamètre de la troisième couche est compris entre 5 et 100 micromètres, et la hauteur de la deuxième couche est comprise entre 500 nm et 50 pm.
Le deuxième matériau est un matériau d'accroché des tubes 26 du troisième matériau approprié pour servir de barrière de diffusion à un métal fondu compris dans l'ensemble formé par le nickel, le cobalt, le fer et les alliages de nickel, fer, cobalt. Ici le deuxième matériau est électriquement conducteur et constitue un collecteur du courant électrique fourni par la troisième couche.
Le deuxième matériau lorsqu'il est électriquement conducteur est du nitrure de titane TiN ou du diamant poly-cristallin rendu électriquement 5 conducteur par dopage par des atomes compris dans l'ensemble formé des atomes de bore, des atomes d'azote, et des atomes de phosphore, et issu d'une croissance colonnaire classique à partir de grains de diamant sur un substrat lisse.
Ici, de manière préférée, le deuxième matériau est du diamant î o poly-cristallin de synthèse dopé au bore (BDD) et issu d'une croissance classique sur un substrat lisse.
Le quatrième matériau est constitué de diamant poly- cristallin dopé rendu conducteur qui recouvre la totalité de la deuxième couche à la base des tubes formant le deuxième matériau.
15 Le cinquième matériau est généralement constitué d'un ou plusieurs métaux et il est isolé de la solution électrolytique formée à l'interface du tissu biologique par la sixième couche 14 électriquement isolante.
Le sixième matériau est un matériau de passivation, biocompatible et électriquement isolant.
0 Suivant la Figure 2, une deuxième forme de réalisation de la microélectrode 52 comprend les mêmes éléments que ceux décrits dans le premier mode de réalisation de la Figure 1 à l'exception de la deuxième couche 6 et la cinquième couche 12, remplacées par une deuxième couche et une cinquième couche différentes, désignées respectivement par les5 références 56 et 62.
Le deuxième matériau de la deuxième couche 56 est ici du diamant poly-cristallin non dopé et électriquement isolant, issu d'une croissance colonnaire classique à partir de grains de diamant sur un substrat lisse.
0 La cinquième couche 62 métallique, forme une prise du courant électrique de la troisième couche 8 au travers de la quatrième couche 10 en étant disposée en contact et en périphérie des deuxième et quatrième couches 56, 10.
Ici, la présence de la quatrième couche 10 est nécessaire en raison du défaut de conductivité électrique de la deuxième couche 56 dont les fonctions sont limitées à l'accroche des tubes du troisième matériau et à la barrière de diffusion à un métal fondu, compris dans l'ensemble formé par le nickel, le cobalt, le fer et les alliages de nickel, fer, cobalt, et servant de catalyseur dans une étape de fabrication du troisième matériau.
Suivant les Figures 3 et 4, les formes vues de dessus des prises de courant formées respectivement par les cinquième couches 12, 62 des microélectrodes 2, 52 diffèrent entre elles en ce que la première cinquième couche 12 dans sa partie de collecte du courant a la forme d'un disque plein, tandis que la seconde cinquième couche 52 a la forme d'un anneau épousant et recouvrant le contour des deuxième et quatrième couches.
Les microélectrodes 2, 52 selon l'invention, décrites dans les Figures 1 et 2, diffèrent avantageusement des autres électrodes classiques connues de l'homme du métier, pour les raisons suivantes :
(i) Tout comme les électrodes classiques BDD, les microélectrodes 2, 52 conservent une grande fenêtre de potentiel en milieux aqueux contrairement aux autres électrodes connues de l'homme du métier, ce qui permet d'obtenir des densités de charges importantes sans dégrader le solvant dans l'environnement de l'électrode.
(ii) En plus de la grande fenêtre de potentiel et contrairement cette fois aux électrodes classiques BDD, les microélectrodes 2, 52 hybrides possèdent une capacité électrique de double couche typiquement dix à cinq cent fois supérieure à celle des électrodes classique BDD, ce qui permet à la fois d'augmenter la densité de charge par rapport à une électrode de diamant classique et aussi de réduire considérablement l'impédance de l'électrode, particulièrement élevée dans le cas du diamant dopé classique. (iii) Contrairement aux matériaux d'électrodes classiques utilisés dans les applications visées, les microélectrodes 2, 52 sont extrêmement robustes et stables.
(iv) Les microélectrodes 2, 52 composée dans leur partie active uniquement de carbone inerte est attendue d'avoir une bonne acceptabilité des tissues, en d'autres termes d'être bio-inertes, comme cela a déjà été démontré dans le cas du diamant dopé classique non structuré.
Suivant les Figures 5 et 6, les vues de dessus des tubes de diamant dopés observés à des grossissements différents montrent un premier agencement des tubes selon les premier et deuxième modes de réalisation des Figures 1 et 2, c'est à dire des modes de réalisation dans lesquels les tubes 26 sont sensiblement verticaux et séparés entre eux de manière régulière.
Suivant les Figures 7, 8, et 9 et un troisième mode de réalisation 102 de la microélectrode, dérivé des premier ou deuxième modes de réalisation décrits dans les Figures 1 à 5, les tubes de la troisième couche, désignés respectivement par la référence numérique 126, sont regroupés en des « fagots » 128, dénommés en anglais « bundles », séparés entre eux de manière régulière et dans lesquels les deuxièmes extrémités libres 132 des tubes 126 d'un même fagot 128 se rapprochent, voire se touchent.
Chaque tube 126 a une section variable qui décroit depuis sa première extrémité, fixée à la troisième couche, jusqu'à sa deuxième extrémité libre 132.
Les applications visées par l'invention consistent généralement en l'utilisation de réseaux MEA de microélectrodes telles que décrites ci-dessus. Les électrodes mises en réseau sur un même substrat seront électriquement contactées individuellement.
En particulier, pour les applications in-vivo, des implants souples peuvent être réalisé et configurés pour suivre les courbes des organes ou la déformation de ceux-ci. On peut citer par exemple les implants rétiniens qui sont introduit dans l'œil afin de stimuler les cellules de la rétine. De manière générale, un implant flexible pour des applications d'interfaçage neuronal comprend un réseau MEA d'au moins deux microélectrodes, développées et gravés sur un empilement de couches commun selon un motif de répartition sur une surface plane, et une matrice d'enveloppe.
La matrice, en un matériau polymère flexible de faible épaisseur et d'extension principale bidimensionnelle, comporte un feuillet monocouche, et pour chaque microélectrode, un feuillet unique et différent à deux couches enveloppant la microélectrode en laissant exposées les deuxièmes extrémités de ses tubes et sa zone de contact. Les feuillets bicouches enveloppant les microélectrodes sont réunis d'un seul tenant par le feuillet monocouche, avec ou sans trou traversant.
Suivant la Figure 10, un procédé de fabrication 202 d'une microélectrode pour des applications d'interfaçage neuronal telle que décrite ci-dessus comprend globalement un ensemble d'étapes 204, 206, 208.
Dans une première étape 204, une première couche de substrat, en un premier matériau biocompatible, est fournie.
Le premier matériau est un matériau, soit électriquement isolant compris dans l'ensemble formé par S1O2, Si3N4, le quartz, le verre, le GaN, soit électriquement conducteur compris dans l'ensemble formé par le Pt, le Ptlr, Ti, TiN, les alliages TiPt, le diamant dopé de bore, et de manière générale tout autre matériau conducteur biocompatible pouvant supporter les températures de croissance du diamant de synthèse.
Par exemple ici, le premier matériau est supposé être un isolant électrique.
Puis, dans une étape suivante 206, une deuxième couche en un deuxième matériau est déposée pour initier la croissance de cristaux de diamant de synthèse.
Le deuxième matériau est compris dans l'ensemble formé par le nitrure de titane TiN, le diamant poly-cristallin non dopé, le diamant poly- cristallin dopé par des atomes compris dans l'ensemble formé par les atomes de bore, les atomes d'azote et les atomes de phosphore et issu d'une croissance classique sur un substrat lisse.
Ici, de manière préférée, le deuxième matériau est du diamant poly-cristallin de synthèse, dopé au bore (BDD) et issu d'une croissance classique sur un substrat lisse.
Cette couche de diamant classique non structurée aura une double fonction. Premièrement elle fera office de barrière de diffusion pour un métal catalyseur utilisé pour la croissance de nanotubes de carbones (NTCs). Deuxièmement, pendant la croissance du diamant sur les NTCs, du diamant de la troisième couche non structurée et du diamant poussant sur les NTCs vont « fusionner », favorisant ainsi une meilleure accroche de la deuxième couche structurée sur le substrat.
Ensuite dans une troisième étape 208, une troisième couche en un troisième matériau, électriquement conducteur, est fabriquée. Le troisième matériau consiste en du diamant poly-cristallin de synthèse, rendu électriquement conducteur par dopage par des atomes compris dans l'ensemble formé des atomes de bore, des atomes d'azote, et des atomes de phosphore.
Lorsque le bore est utilisé par exemple comme dopant à une concentration typiquement comprise entre 1021 et 5.1021 at.cm 3, la conduction électrique est alors quasi-métallique et la qualité des électrodes en termes de performances électrochimiques est optimum.
Ici, de manière préférée, le troisième matériau est du diamant poly-cristallin de synthèse dopé au bore (BDD).
Le troisième matériau est un matériau texturé qui comprend un ensemble compact, en forme de brosse, de tubes creux ou pleins de dimensions nanométriques à micrométriques. Les tubes sont constitués en du diamant poly-cristallin dopé, ici dopé au bore, et possèdent chacun une première extrémité, fixée à la deuxième couche, et une deuxième extrémité libre, destinée à former la partir active de la microélectrode. Les tubes sont séparés entre eux au niveau de leurs premières extrémités et projettent leurs deuxièmes extrémités dans une direction d'éloignement des première et deuxième couches, sensiblement verticale par rapport au plan d'extension de la première couche.
Les première, deuxième, troisième couches sont déposées de sorte que leur plans d'extension soient mutuellement parallèles.
Le troisième matériau est fabriqué de manière préférée à l'aide d'une méthode originale consistant à faire croître le diamant sur un ensemble de nanotubes de carbones, sacrificiels sur une partie au moins de leur structure individuelle.
La troisième étape 208 comprend l'exécution successive d'une quatrième étape 210, d'une cinquième étape 212 et d'une sixième étape 214.
La quatrième étape 210 consiste à faire croître des NanoTubes de Carbones (NTCs), sacrificiels sur une partie au moins de leur structure individuelle, sur et à partir de la deuxième couche. Puis dans la cinquième étape 212, une ou plusieurs premières couches de nanoparticules de diamant de synthèse non dopé sont déposées sur chacun des nanotubes de carbone (NTCs). Ensuite, dans la sixième étape 214, par un procédé de dépôt de vapeur chimique assisté par plasma du diamant dopé, rendu conducteur par dopage, est déposé sur la ou les premières couches de diamant non dopé en faisant croître le cristal de diamant dopé jusqu'à recouvrement complet des nanotubes de carbone et la gravure partielle ou complète de ces derniers par l'hydrogène radicalaire contenu dans le plasma.
La quatrième étape 210 comprend une septième étape 216, une huitième étape 218 et une neuvième étape 220, exécutées successivement.
Dans la septième étape 216, une couche mince d'un métal catalyseur, compris dans l'ensemble formé par le nickel, le fer, le cobalt, et leurs alliages, notamment FeNi, FeCoNi, et de préférence le nickel (Ni), est déposée sur la deuxième couche pour obtenir sur le substrat des gouttelettes de taille nanométrique. Un tel dépôt est bien maîtrisé par l'homme du métier. Le métal catalyseur est utilisé pour catalyser la croissance de NTCs. Puisque le métal catalyseur a tendance à diffuser dans le substrat pendant le recuit ou pendant la croissance de NTCs, la deuxième couche, déposée au cours de la deuxième étape 206, fait office de barrière de diffusion. Comme décrit ci- dessus, une couche de diamant de synthèse est préférée parce qu'elle favorise par ailleurs l'adhésion de la troisième couche de diamant structurée.
La huitième étape 218 consiste à démouiller par recuit le métal catalyseur déposé en couche mince dans la septième étape 216 pour obtenir des gouttes du métal de taille nanométrique régulièrement réparties sur la deuxième couche selon un motif correspondant à la forme de la partie active de la microélectrode.
Une fois la couche de métal catalyseur déposée et démouillée sur le substrat, au cours de la neuvième étape 220 la croissance des nanotubes de carbones (NTCs) sur et à partir des gouttes du métal servant de catalyseur est réalisée par une méthode de dépôt de vapeur chimique (CVD). La longueur des NTCs pourra varier typiquement de 500 nm à 5 micromètres, et sera de préférence comprise entre 1 et 2 micromètres. Ces NTCs seront de types mono feuillets ou multi feuillets. Les NTC pourront être désorienté (en forme « spaghetti ») ou préférentiellement alignés verticalement sur le substrat.
Une fois les nanotubes de carbone NTCs déposés sur le substrat, la cinquième étape 212 au cours de laquelle des nanoparticules de diamant non dopés sont déposées à leur tour sur les NTCs, est réalisée par exemple selon l'une des trois méthodes suivantes.
Dans une première méthode, un dépôt « couche par couche » est réalisé consistant à déposer successivement une couche d'un polymère poly-électrolyte de charge positive ou négative suivie d'une couche de nanoparticules de diamant de charge opposée, alors immobilisée sur les NTCs par attraction électrostatique. Les polymères couramment utilisés pour cette tache sont le Poly-(diallyldimethylammonium chloride) (PDDAC) ou encore le Polystyrène sulfonate (PSS). Cette empilement de couches pourra être répété plusieurs fois afin d'augmenter la densité de particules sur les NTCs.
Dans une deuxième méthode, un dépôt à partir d'un système d'impression de type « jet d'encre » à partir d'une solution colloïdale de nanodiamant non dopé est réalisée.
Dans une troisième étape, un électrospray de nanoparticules de diamant est réalisé.
En fonction de la méthode et des conditions de dépôt, les NCTs pourront conserver leur aspect géométrique initial ou s'agglomérer pour former des fagots (dénommés en anglais « bundles ».
La sixième étape 214 est mise en œuvre par un dépôt de vapeur chimique assisté par plasma microonde (PAVCD), ou par plasma ondes radio (RFCVD), ou par filament chaud d'un mélange gazeux comprenant du méthane, du dihydrogène et du triméthyl de bore, lorsque du bore est utilisé, dans des conditions adéquates connues de l'homme du métier. La croissance de diamant dopé, préférentiellement par du bore à une concentration typiquement comprise entre 1021 et 5.1021 at.cm"3 sera poursuivie jusqu'à recouvrement complet et disparition partielle ou complète des NTCs qui seront en grande partie gravés par l'hydrogène radicalaire présent dans le plasma.
Dans toutes les mises en œuvre de la sixième étape 214, au minimum un ou plusieurs des feuillets les plus externes des NTCs sont sacrifiés.
Il est à remarquer qu'il existe plusieurs méthodes pour synthétiser du diamant, parmi lesquelles les méthodes de dépôt de vapeur chimique assisté par plasma micro-onde (PACVD étant l'acronyme de la dénomination anglaise Plasma Assisted Chemical Vapor Déposition) ou RF (en anglais Radio Frequency) ou par filament chaud sont les plus utilisées par les experts du domaine du diamant de synthèse. La méthode PACVD par exemple consiste généralement à faire croître des grains de diamant de taille nanométrique (2- 100 nm), sur un substrat placé dans un réacteur de croissance PACVD fonctionnant typiquement à 800-4000 watts dans un mélange gazeux comprenant au moins un mélange de méthane et de dihydrogène avec une proportion adéquate. Pendant la croissance la température du substrat est communément comprise entre 400 et 900 degrés Celsius. De la poudre de diamant peut être déposée sur le substrat avant l'étape de croissance, mais il existe aussi d'autres traitements de surfaces possibles qui peuvent initier une croissance de diamant. Pendant la croissance, les grains de diamant vont croître sur le substrat dans le plasma CVD jusqu'à l'obtention d'un film continu poly-cristallin de diamant. Pour doper le diamant, une source d'atomes comprise parmi une source d'atomes de bore, une source d'atomes d'azote, une source d'atomes de phosphore, est généralement introduite dans le plasma pendant la croissance, par exemple dans le cas du bore sous la forme de gaz diborane ou trimethylbore. Le bore dissocié dans le plasma va alors s'incorporer dans le cristal diamant ou se substituer à un atome de carbone dans le cristal.
Une variante de l'invention consistera à déposer cette couche de diamant structuré sur des supports appropriés pour fabriquer des électrodes utilisables dans certains dispositifs médicaux implantables. En effet beaucoup de systèmes d'électrodes implantables à ce jour (e.g. implants cochléaires) ne sont pas fabriqués en salle blanche par des techniques de micro fabrication mais plutôt par montage mécanique d'électrodes de formes diverses généralement plus grandes avec des dimensions typiques de l'ordre de quelques millimètres. Ces électrodes peuvent être par exemple des disques de platines, platine iridié, etc. Ainsi le matériau de diamant structuré, c'est-à dire la troisième couche, pourra être déposé sur de tels supports pour accroître les performances mécaniques, électrochimiques, et de biocompatibilité avant montage dans les dispositifs implantables.
Le matériau structuré obtenu après croissance du diamant apporte deux fonctions importantes pour la microélectrode : tout d'abord il permet d'augmenter considérablement la valeur de la capacité électrique de l'électrode, typiquement d'un rapport variant de 10 à 500. Par ailleurs il augmente la surface spécifique de l'électrode car contrairement au diamant polycristallin non structuré, il possède une rugosité qui contribue à diminuer l'impédance totale de l'électrode. Contrairement à d'autres matériaux connus de l'homme du métier, ce matériau possède aussi une grande fenêtre de potentiel, supérieure ou égale à 2,5 V en milieu aqueux, c'est-à-dire comparable à celle du diamant polycristallin non structuré. Il est aussi très stable chimiquement.
Comme déjà vu sur les Figures 1 à et 2 et 5 à 9, le diamant rugueux se présentant sous la forme d'une forêt de piliers de diamant constitue la partie active de la microélectrode. Une prise de courant électrique servant de connexion entre la partie active de la microélectrode et une borne externe est requise pour pouvoir utiliser l'électrode correctement.
Comme déjà vu sur les Figures 1 et 2, la prise de courant est placée soit entre la deuxième couche et le substrat, soit en périphérie de et en contact avec la troisième couche et une quatrième couche.
La quatrième couche est rendue nécessaire lorsque le matériau de la deuxième couche est un isolant électrique. Elle est constituée en du diamant polycristallin dopé, rendu conducteur et recouvre la totalité de la troisième couche à la base des tubes formant le troisième matériau.
Le matériau de la prise électrique est généralement constitué d'un ou plusieurs métaux ou alliage métallique, le plus souvent de l'or ou du platine déposé sur un métal faisant office de couche d'accroché sur le substrat, e.g. du chrome ou du titane.
En outre, la prise électrique est isolée de la solution électrolytique formant l'interface avec un tissu biologique, par une couche de passivation constituée d'un matériau diélectrique comme par exemple le dioxyde de silicium S1O2, le nitrure de silicium Si3N4, des polymères tels que SU8, le Polyimide, le Parylene.
Afin de réaliser la prise de courant et la couche de passivation, le procédé 202 décrit à la Figure 10 comprend en outre une dixième étape 222 de dépôt d'une cinquième couche et une onzième étape 224 de dépôt d'une couche de passivation sur la prise électrique.
Dans la dixième étape 222, une cinquième couche, structurée par un procédé photo-lithographique en un cinquième matériau métallique, est déposée de sorte à former une prise du courant électrique de la troisième couche au travers de la deuxième couche lorsque cette dernière est électriquement conductrice et/ou de la quatrième couche. La cinquième couche est disposée sur la première couche, soit en dessous de la deuxième couche lorsque cette dernière est conductrice, soit indépendamment de la conductivité électrique de la deuxième couche en contact et en périphérie des deuxième et quatrième couches. La cinquième couche comporte une zone de contact, formant une borne électrique de sortie de la microélectrode et déportée de la troisième couche le long du plan d'extension de la première couche.
Dans la onzième étape 224, une sixième couche biocompatible de passivation de la cinquième couche est déposée de sorte à recouvrir la totalité de la cinquième couche à l'exception de la zone de contact formant la borne électrique de sortie et de la surface active de l'électrode.
Ainsi, un premier avantage de l'invention est que ces électrodes hybrides conservent une grande fenêtre de potentiel en milieux aqueux comparable à celle des électrodes diamant BDD ordinaire, contrairement aux autres électrodes connues de l'homme du métier. Ceci permet d'obtenir des densités de charges importantes de l'ordre de 0,1 mC.cm"2 à 5 mC.cm"2 (à 100mV.s"1) sans dégrader le solvant dans l'environnement de l'électrode.
De plus, contrairement cette fois aux électrodes classiques BDD, l'électrode possède une capacité de double couche typiquement supérieure à 200 pF.cm"2 c'est-à-dire quarante fois supérieure à celle des électrodes BDD classiques, ce qui permet en particulier d'augmenter la densité de charge par rapport à une électrode diamant. Cette capacité élevée couplée à une plus grande rugosité et donc une plus grande surface spécifique de l'électrode contribue aussi à réduire considérablement l'impédance de l'électrode, particulièrement élevée dans le cas du diamant non structuré (poly-cristallin tel que sorti de réacteur de croissance), d'un facteur 15 à 100 selon la textu ration.
Suivant la Figure 1 1 , un premier mode de réalisation d'un procédé de fabrication d'un réseau multi-électrodes MEA est décrit au travers de vues différentes correspondant chacune à une phase différente de l'état du réseau dans le processus de fabrication.
Ici, un substrat de verre 302 de type silice fondue, dénommée en anglais « fused silica », est utilisé pour la fabrication du réseau MEA. Les électrodes sont déposées sur ce substrat électriquement isolant. Tout autre substrat isolant (eg. Si/SiQ2 ou SÏ/SÎ3N4, quartz, etc.) présentant une bonne stabilité aux températures de croissance du diamant de synthèse et des NTCs aurait pu être utilisé. Par « bonne stabilité » on entend un substrat qui ne ramollit pas et/ou ne se déforme pas sous l'effet de la chaleur.
Sur ce substrat 302, un dépôt de particules de diamant 304 (« nano poudre ») de dimension nanométrique est déposé. La nano poudre de diamant utilisée sera préférentiellement de la poudre dite « de détonation », du fait de sa petite taille (5 à 15 nanomètres pour la nano poudre primaire). Alternativement, la nano poudre peut être aussi obtenue par broyage de poudre de diamant de taille plus grossière. Le diamètre moyen d'intérêt de la nano poudre de diamant sera typiquement de l'ordre de 1 à 100 nm. Dans les deux cas, le cœur de la nano poudre est composé en grande majorité de carbone hybridé sp3. La nano poudre de diamant pourra être utilisée brute, ou après purification dans le cas de la poudre de détonation. Ici nous utilisons de la nano poudre de diamètre moyen 20 nm obtenue par broyage. Plusieurs méthodes de dépôts de ces particules sont connues de l'homme du métier, comme celle consistant à les déposer à la tou mette à partir d'une solution colloïdale aqueuse de particules contenant une proportion adéquate de polyvinyl alcool, ce qui est fait dans cet exemple. Une fois les particules de diamant déposées sur le substrat, une croissance du diamant est initiée dans un réacteur de croissance CVD, dans un plasma contenant du méthane, de l'hydrogène et du triméthyl bore en proportions adéquates. La pression dans la chambre de croissance est comprise entre 20 et 40 m Bar. Le plasma est maintenu à partir d'une source d'énergie microonde avec une puissance comprise entre 2 et 4 kW. Dans les conditions ci-dessus, la température du substrat est comprise entre 600 et 800 degrés Celsius. Un film poly-cristallin de diamant dopé au bore 306 est alors obtenu avec une épaisseur comprise entre typiquement 100 nm et 1000 nm.
Sur cette première couche de diamant poly-cristallin, un dépôt structuré de nickel 308 est réalisé par photolithographie à l'aide de la méthode dite de « lift-off » connue de l'homme du métier. Ces structures de nickel définissent les endroits où se trouveront plus tard les électrodes de diamant structuré.
Cette couche de nickel est ensuite « démouillée » par un traitement thermique connu de l'homme du métier afin d'obtenir des structures nanométriques de nickel 310 (gouttelettes) qui serviront à catalyser la croissance d'une forêt de nanotubes de carbone (NTCs).
Le substrat est ensuite placé dans un réacteur de croissance de nanotube de carbones. Des nanotubes 312 orientés verticalement sont alors fabriqués par une méthode connue de l'homme du métier. Ici les nanotubes de carbones ont une longueur de 2 micromètres environ.
Une fois la croissance des nanotubes de carbone est réalisée, une couche de nanodiamant 314 est déposée soit sur la totalité du substrat, par la méthode « couche par couche » décrite précédemment, en utilisant du PDDAC comme polymère d'accroché.
Une fois ce dépôt réalisé, une nouvelle croissance de diamant dopé au bore est réalisée dans les mêmes conditions que précédemment jusqu'à l'obtention d'une couche de diamant de typiquement 500 nm sur les nanotubes de carbones. Ensuite, les structures de diamant 316 se présentant alors sous la forme définitive de forêt de piliers de diamant sont protégées par un masque métallique ou par une résine photosensible 318 une nouvelle fois par une méthode photo lithographique connue de l'homme du métier. Puis la couche diamant non protégée est gravée par une méthode de type gravure ionique RIE (Reactive Ion Etching) jusqu'à disparition complète de la couche de diamant non protégée. Puis le masque de protection est enlevé par gravure.
Il est à remarquer que lors de l'étape de croissance des NTCs, il existe des conditions qui permettent de graver le diamant non recouvert de Ni (gravure par plasma NH3 qui est de base utilisé dans certains procédés de croissance de NTCs). Le diamant non recouvert de nickel est gravé, celui recouvert de nickel va servir de base de croissance pour les NTCs, ces derniers protégeant le diamant de la gravure durant leur croissance. Ceci évite les étapes de lithographie-gravure RIE mentionnée juste avant).
Une prise de contacts métalliques 320 est alors effectuée sur les plots. Ici la prise de contacts est réalisée à partir d'un empilement de couches Ti/Pt. Le Ti est utilisé ici pour favoriser l'adhésion du Pt sur le substrat. Ces dépôts seront structurés par des méthodes photo lithographiques connues de l'homme du métier. Ici un anneau de métal sera ainsi déposé à la périphérie des électrodes diamant pour laisser le centre de l'électrode en diamant nu.
Une couche dite de passivation 322 est finalement déposée sur le substrat en laissant une zone non recouverte 324 sur la microélectrode et sur les prises de contact. C'est cette ouverture 324 qui définit la zone active de l'électrode.
Suivant la Figure 12 un deuxième mode de réalisation d'un procédé de fabrication d'un réseau multi-électrodes MEA est décrit au travers de vues différentes correspondant chacune à une phase différente de l'état du réseau dans le processus de fabrication. Ici un substrat de verre 352 de type « fused silica » est une nouvelle fois utilisé pour la fabrication du réseau MEA. Les microélectrodes seront déposées sur ce substrat électriquement isolant. Comme dans l'exemple précédant, tout autre substrat isolant (eg. Si/Si02 ou Si/Si3N4, quartz, etc.) présentant une bonne stabilité aux températures de croissance du diamant de synthèse aurait pu être utilisé.
Sur ce substrat, une couche 354 de TiN est déposée localement à l'emplacement futur des microélectrodes. Sur ces structures de TiN est déposée une couche de nickel 356 qui est ensuite démouillée par traitement thermique pour obtenir des nano gouttes 358 de nickel.
Puis une croissance de NTCs 360 est réalisée à partir des nano gouttes de nickel 356 sur la couche 354 de TiN jusqu'à obtenir une forêt 362 de NTCs de longueurs comprise entre 1 et 2 micromètres.
Ensuite, à partir d'une solution colloïdale des nano particules 364 de diamant, ces nanoparticules de diamant 364 sont déposés localement sur les forêts 362 de NTCs à l'aide d'une technique d'impression de type jet d'encre.
Une fois les particules de diamant 364 déposées sur les NTCs, une croissance du diamant est initiée dans un réacteur de croissance CVD, dans un plasma contenant du méthane, de l'hydrogène et du triméthyl bore en proportions adéquates. La pression dans la chambre de croissance est comprise entre 20 et 40 mBar. Le plasma est maintenu à partir d'une source d'énergie microonde avec une puissance comprise entre 2 et 4 kW. Dans les conditions ci-dessus, la température du substrat est comprise entre 600 et 800 degrés Celsius. Un film polycristallin de diamant dopé au bore structuré 366 est alors obtenu à la place des NTCs comme dans l'exemple précédant.
Une prise de contacts métalliques 368 est alors effectuée sur les plots 364 formée par la couche gravée, dénommée deuxième couche dans les Figures 1 et 2. Ici la prise de contact 368 est réalisée à partir d'un empilement de couches Ti/Pt. Le Ti est utilisé ici pour favoriser l'adhésion du Pt sur le substrat. Ces dépôts seront structurés par des méthodes photo lithographiques connues de l'homme du métier. Ici un anneau de métal sera ainsi déposé à la périphérie des électrodes diamant pour laisser le centre de l'électrode en diamant nu.
Une couche dite de passivation 372 est finalement déposée sur le substrat 352 et la prise de contacts métalliques 368 en laissant une zone 374 non recouverte sur l'électrode et sur la prise 372 de contacts. C'est cette ouverture 374 qui définit la zone active de l'électrode.
Il est à remarquer que lorsque il est possible de déposer du TiN sur des disques en Pt ou en en Ptlr par la préparation d'un état de rugosité convenable pour la surface des disques, un procédé de réalisation d'un réseau multi-électrodes tel que décrit à la Figure 13 est envisageable.
Suivant la Figure 13 un troisième mode de réalisation d'un procédé de fabrication d'un réseau de multiples électrodes est décrit au travers de vues différentes correspondant chacune à une phase différente de l'état du réseau dans le processus de fabrication.
Tout d'abord sont réalisées une deuxième couche d'accroché 502 en BDD, une prise 504 de contacts métallique qui supporte les hautes températures et la passivation 506. Le tout est encapsulé dans une couche 508 de métal sacrificiel qui supporte la température, ne catalyse pas les nanotubes de carbone CNTs et ne favorise pas la croissance CNTs. Ensuite une lithographie d'ouverture permet de gravure de l'empilement formé par la couche de métal sacrificiel, la couche de passivation jusqu'à la deuxième couche en BDD. Un « lift-off » de nickel est réalisé, suivi de la croissance des nanotubes de carbones NTCs puis d'un dépôt de dépôt de diamant BDD sur les nanotubes de carbones NTCs. Le métal sacrificiel est retiré sélectivement, l'ouverture de la couche de passivation ayant été prévue lors du dépôt de la couche de passivation pour dégager les zones de contact déportées de la prise de contacts.
Suivant la Figure 14, un quatrième mode de réalisation d'un procédé de fabrication d'un réseau de multiples électrodes formant un implant souple, est décrit au travers de vues différentes correspondant chacune à une phase différente de l'état du réseau dans le processus de fabrication.
A partir d'un substrat de silicium préalablement oxydé 502, des bases 504 d'électrode en diamant sont réalisées. Un dépôt de nickel 506 est réalisé sur ces bases 504 d'électrodes puis une étape de démouillage du nickel est réalisée. La croissance des nanotubes 508 (NTCs) est réalisée et ces nanotubes 508 sont recouverts de nanoparticules de diamant. Une croissance de diamant dopé au bore (BDD) est effectuée afin de recouvrir tous les nanotubes et les sacrifier. Puis une couche 510 de métal Cr/Au est déposée pour définir les pistes 512, les bornes de sortie 514 et prendre le contact sur les électrodes 516 en diamant, une seule piste et une seule borne étant représentées sur la Figure 15. Une couche de nitrure 518 pour la passivation est déposée sur le substrat 502 et la prise de contacts 510, et ouverte localement pour définir les microélectrodes 516 et les bornes de sortie 514. Puis un polymère 520 est déposé sur la face avant 522 et ouvert localement pour accéder aux microélectrodes 516 et aux bornes de contact ou sortie 514. La face avant 522 de la plaquette est protégée et une ouverture 524 sur la face arrière 526 est réalisée dans le substrat de silicium jusqu'à la couche d'oxyde 524. Puis un second dépôt 528 de polymère est effectué sur la face arrière 526 ouverte. Il ne reste plus qu'à découper la forme de l'implant, par exemple à l'aide d'un laser.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Microélectrode pour des applications d'interfaçage neuronal
comprenant un empilement d'une première couche (4) de substrat en un premier matériau biocompatible, une deuxième couche d'accroché (6 ; 56) en un deuxième matériau pour initier la croissance de cristaux de diamant de synthèse, et une troisième couche (8) en un troisième matériau électriquement conducteur, comportant du diamant poly-cristallin dopé par des atomes compris dans l'ensemble formé par les atomes de bore, les atomes d'azote et les atomes de phosphore,
les première, deuxième, troisième couches (4, 6, 8) ayant des plans d'extension mutuellement parallèles, caractérisée en ce que
le troisième matériau est un matériau texturé qui comprend un ensemble compact, en forme de brosse, de tubes (26 ; 126) creux ou pleins, constitués chacun au moins en une couche périphérique, radialement externe, de diamant poly-cristallin dopé, déposée radialement par croissance à haute température, les tubes ayant chacun une première extrémité (28) fixée à la deuxième couche (6 ; 56) et une deuxième extrémité libre (30), destinée à être la partie active de l'électrode,
les tubes (26 ; 126) étant séparés entre eux par un espace vide au niveau de leurs premières extrémités (28) et projetant leurs deuxièmes extrémités (30) dans une direction (32) d'éloignement des première et deuxième couches (4, 6 ; 4, 56) sensiblement normale par rapport au plan d'extension (20) de la deuxième couche (6 ; 56).
2. Microélectrode selon la revendication 1 , caractérisée en ce que les tubes (26 ; 26) forment un tapis dans lequel, soit tous les tubes (26) sont sensiblement normaux par rapport au plan d'extension (20) de la deuxième couche (6 ; 56) et séparés entre eux de manière régulière, soit les tubes (126) sont regroupés en des fagots (128), séparés entre eux de manière régulière et dans lesquels les deuxième extrémités (132) des tubes (126) d'un même fagot (128) se rapprochent, voire se touchent.
3. Microélectrode selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, dans laquelle chaque tube (26 ; 126) a une longueur comprise entre 500 nm et 50 μιτι, et
chaque tube (26 ; 126) a une section ayant un diamètre sensiblement constant sur toute sa longueur ou chaque tube a une section variable qui décroit depuis sa première extrémité jusqu'à sa deuxième extrémité.
4. Microélectrode selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le deuxième matériau est un matériau d'accroché du diamant convenant à servir de barrière de diffusion à un métal fondu compris dans l'ensemble formé par le nickel, le cobalt, le fer et les alliages de nickel, fer, cobalt, et
le premier matériau est un matériau biocompatible pouvant résister aux conditions de croissance du diamant, soit électriquement isolant compris par exemple dans l'ensemble formé par Si02, Si3N4, le quartz, le verre, GaN, soit électriquement conducteur compris par exemple dans l'ensemble formé par le Pt, le Ptlr, le Ti, le ΤΊΝ, les alliages TiPt, le diamant dopé de bore.
5. Microélectrode selon la revendication 4, dans laquelle le deuxième matériau est compris l'ensemble formé par le nitrure de titane ΤΊΝ , le diamant poly-cristallin non dopé, le diamant poly-cristallin dopé par des atomes compris dans l'ensemble formé par les atomes de bore, les atomes d'azote et les atomes de phosphore, de préférence le diamant poly-cristallin dopé de bore.
6. Microélectrode selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant une quatrième couche (10) en un quatrième matériau constitué de diamant polycristallin dopé, la quatrième couche (10) recouvrant la totalité de la troisième couche (8) à la base des tubes (26 ; 126) formant le deuxième matériau.
7. Microélectrode selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant une cinquième couche (12) et une sixième couche (14), la cinquième couche (12) étant en un cinquième matériau métallique, formant une prise du courant électrique de la troisième couche au travers de la deuxième couche (6) lorsque cette dernière est électriquement conductrice et/ou de la quatrième couche (10), la cinquième couche (12) étant disposée sur ou au dessus de la première couche (4), soit en dessous de la deuxième couche (6) lorsque cette dernière est conductrice, soit en contact et en périphérie des deuxième et quatrième couches (56, 10) indépendamment de la conductivité électrique de la deuxième couche (56), la cinquième couche (12) ayant une zone de contact (18), formant une borne électrique de sortie de la microélectrode et déportée de la troisième couche (8) le long du plan d'extension (20) de la deuxième couche,
la sixième couche (14) étant une couche biocompatible de passivation de la cinquième couche (12) recouvrant la totalité de la cinquième couche (10) à l'exception de sa zone de contact (18) formant la borne électrique de sortie de la microélectrode.
8. Réseau d'une multitude microélectrodes pour des applications d'interfaçage neuronal comprenant une pluralité d'au moins deux microélectrodes définies selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, développées et gravés sur un empilement de couches commun selon un motif de répartition sur une surface plane.
9. Implant flexible pour des applications d'interfaçage neuronal comprenant :
un réseau d'une multitude microélectrodes défini selon la revendication 8 dans lequel, et
une matrice en un matériau polymère flexible de faible épaisseur d'extension principale bidimensionnelle comportant
un feuillet monocouche, et
pour chaque microélectrode, un feuillet unique et différent à deux couches enveloppant la microélectrode en laissant exposées les deuxièmes extrémités de ses tubes et sa zone de contact,
l'ensemble des feuillets étant réunis en une seule pièce par le feuillet monocouche, avec ou sans trou traversant.
10. Procédé de fabrication d'une microélectrode pour des applications d'interfaçage neuronal comprenant les étapes consistant à
fournir dans une première étape (204) une première couche de substrat diélectrique en un premier matériau biocompatible, puis
dans une deuxième étape (206) déposer une deuxième couche d'accroché en un deuxième matériau pour initier la croissance de cristaux de diamant de synthèse,
dans une troisième étape (208) fabriquer une troisième couche en un troisième matériau électriquement conducteur, comportant du diamant poly-cristallin cristallin dopé par des atomes compris dans l'ensemble formé par les atomes de bore, les atomes d'azote et les atomes de phosphore,
les première, deuxième, troisième couches ayant des plans d'extensions parallèles, caractérisé en ce que
le troisième matériau est un matériau texturé qui comprend un ensemble compact, en forme de brosse, de tubes creux ou pleins, constitués chacun au moins en une couche périphérique, radialement externe, de diamant poly-cristallin dopé, déposée radialement par croissance à haute température, les tubes ayant chacun une première extrémité fixée à la deuxième couche et une deuxième extrémité libre, destinée à être la partie active de l'électrode,
les tubes étant séparés entre eux par un espace vide au 5 niveau de leurs premières extrémités et projetant leurs deuxièmes extrémités dans une direction d'éloignement des première et deuxième couches sensiblement normale par rapport au plan d'extension de la deuxième couche. o
1 1 . Procédé de fabrication selon la revendication 10, dans lequel la troisième étape (208) comprend les étapes consistant à
dans une quatrième étape (210), faire croître des nanotubes de carbone (NTC) sur et à partir de la deuxième couche, puis
dans une cinquième étape (212), déposer une ou plusieurs premières 5 couches de nanoparticules de diamant non dopé sur chacun des nanotubes de carbone, puis
dans une sixième étape (214), déposer sur la ou les premières couches de diamant non dopé par un dépôt de vapeur chimique assisté par plasma du diamant dopé en faisant croître le cristal de diamant o dopé jusqu'à recouvrement complet des nanotubes de carbone et leur gravure partielle ou complète par de l'hydrogène radicalaire contenu dans le plasma.
12. Procédé de fabrication selon la revendication 10, dans 5 lequel au cours de la sixième étape (214) une quatrième couche en du diamant polycristallin dopé est également formée de façon recouvrir la totalité de la troisième couche à la base des tubes formant le deuxième matériau.
13. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 1 à 12, dans lequel
la quatrième étape (210) comprend : une septième étape (216) de dépôt en couche mince d'un métal compris dans l'ensemble formé par le nickel, le fer, le cobalt, et leurs alliages notamment FeNi, FeCoNi, de préférence le nickel sur la deuxième couche, puis
une huitième étape (218) de démouillage par recuit du métal déposé en couche mince dans la septième étape pour obtenir des gouttes du métal régulièrement réparties sur la deuxième couche, puis
une neuvième étape (220) dans laquelle on fait croître les nanotubes de carbones sur et à partir des gouttes du métal servant de catalyseur.
14. Procédé de fabrication selon l'une quelconques des revendications 1 1 à 13, dans lequel
la cinquième étape (212) est mise en œuvre :
soit par un dépôt dit « couche par couche » consistant à
déposer successivement un fois ou plusieurs fois une couche d'un polymère poly-électrolyte de charge positive ou négative suivi d'une couche de nanoparticules de diamant de charge opposée, alors immobilisée sur les nanotubes de carbone par attraction électrostatique, le polymère étant compris dans l'ensemble formé par le Poly-(diallyldimethylammonium chloride) (PDDAC), le polystyrène sulfonate (PSS) ; ou
soit par un dépôt par impression de type « jet d'encre » à partir d'une solution colloïdale de nano-diamant non dopé ; ou
soit par électrospray de nanoparticules de diamant ; et .
la sixième étape (214) est mise en œuvre par un dépôt de vapeur chimique assisté par plasma microonde (PAVCD), ou par plasma à ondes radio (RFCVD), ou par filament chaud d'un mélange gazeux comprenant du méthane, du dihydrogène et du triméthyl d'un atome compris dans l'ensemble formé par les atomes de bore, les atomes d'azote et les atomes de phosphore.
15. Procédé de fabrication selon l'une quelconques des revendications 1 1 à14, dans lequel
le deuxième matériau est compris dans l'ensemble formé par le nitrure de titane TiN , le diamant poly-cristallin non dopé, le diamant poly- cristallin dopé par des atomes compris dans l'ensemble formé par les atomes de bore, les atomes d'azote et les atomes de phosphore, de préférence le diamant poly-cristallin dopé de bore.
16. Procédé de fabrication selon la revendication 15, dans lequel :
le deuxième matériau est du diamant poly-cristallin dopé, et la deuxième étape (206) est mise en œuvre d'abord par un dépôt à la tournette de particules de nano-diamant non dopé à partir d'une solution colloïdale aqueuse contenant du poly-vinyl alcool, puis un dépôt de vapeur chimique assisté par plasma contant du méthane, du dihydrogène et du triméthyl de l'atome dopant.
17. Procédé de fabrication selon l'une quelconques des revendications 1 1 à 16, comprenant
une dixième étape (222) de dépôt d'une cinquième couche, structurée par un procédé photo-lithographique, la cinquième couche étant en un cinquième matériau métallique, formant une prise du courant électrique de la troisième couche au travers de la deuxième couche lorsque cette dernière est électriquement conductrice et/ou de la quatrième couche, la cinquième couche étant disposée sur la première couche, soit en dessous de la deuxième couche lorsque cette dernière est conductrice, soit en contact et en périphérie des deuxième et quatrième couches indépendamment de la conductivité électrique de la deuxième couche, la cinquième couche ayant une zone de contact, formant une borne électrique de sortie de la microélectrode et déportée de la troisième couche le long du plan d'extension de la première couche, une onzième étape (224) de dépôt d'une sixième couche en un sixième matériau biocompatible et de passivation de la cinquième couche, la sixième couche recouvrant la totalité de la cinquième couche à l'exception de sa zone de contact formant la borne électrique de sortie de la microélectrode.
18. Procédé de fabrication selon l'une quelconques des revendications 1 1 à 17, dans lequel :
le premier matériau est un matériau biocompatible pouvant résister aux conditions de croissance du diamant, soit électriquement isolant compris par exemple dans l'ensemble formé par Si02, Si3N4, le quartz, le verre, le GaN, soit électriquement conducteur compris par exemple dans l'ensemble formé par le Pt, le Ptlr, le Ti, le TiN, les alliages TiPt, le diamant dopé de bore.
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