JP2005509251A - 薄肉の可撓性導電体 - Google Patents

Abstract

蝸牛移植組織のような移植可能な装置に用いる薄肉の可撓性導電体を、可撓性の三次元構造面上に被覆された導電性の金属層を以って構成し、この導電体の電流容量を三次元構造面上にない同じ寸法の導電体の電流容量よりも大きくする。可撓性基板を、波形を有するような三次元面を形成するように処理し、この三次元面上に導電性の層を被覆する。

Description

本発明は、超小型の装置、特に移植可能な装置内に導電体を形成することに関するものである。

空間が限られている超小型の装置及び移植可能な装置においては、導電体は小さくて可撓性があり、しかも大きな電流を流すのに充分大きな断面を有する必要がある。
米国特許第５４０３７００号明細書は、ポリアミック酸の基板上に金属導電体を堆積し、この金属導電体上に分離絶縁層を堆積することにより形成した生体適合性のある薄膜電気部材を開示している。
米国特許第５８８８５７７号明細書は、カテーテルの可撓性を損なうことなくカテーテルの外側面に堆積した電極を開示している。
米国特許第５６３４４６２号明細書は、神経移植のための波形カフ電極を開示している。
米国特許第５７２００９９号明細書は、ホトリソグラフ処理を用い、犠牲層上に電極パッドを堆積し、このパッドにワイヤを付加し、これらパッドとワイヤとを坦持体中に埋め込み、犠牲層を除去することによって形成した移植可能な電極アセンブリに向けられたものである。

移植可能な装置、特に蝸牛移植組織では、移植可能な刺激器ユニットはしばしば、頭蓋骨の窪み内のような刺激する必要がある領域から離して配置されるとともに、刺激電極は、適切な刺激を与えるために蝸牛内に配置される。蝸牛内に配置された刺激電極（これら電極の個数は変更し得る）のそれぞれは、刺激器ユニット内に収納された電気回路に電気接続する必要がある。この電気的な接続は、従来はワイヤの形態でなされており、ワイヤの一方の端部を刺激器ユニットに溶接し、他方の端部を刺激電極に溶接して、これらワイヤの各々を一緒に束ねて刺激電極アレイを刺激器ユニットに接続するリード体を形成していた。

このような接続手段を提供する際に重要なことは、このようなリード体をできる限り薄肉で且つ可撓性のものとして、移植中の電極アレイの操作及び位置決めを容易なものとするとともに、患者の一生に亘る移植領域におけるいかなる幾何学的な変化にも順応するようにすることである。刺激電極の数、従って導電性ワイヤの数を増やすにつれて、電極アレイ及び接続リード体の寸法及び剛性が大きくなりすぎてしまう。さらに、蝸牛移植組織のような場合には、刺激電極のアレイを収容する蝸牛内の領域は極めて小さな寸法及び形状であり、刺激電極のアレイは、蝸牛の繊細な構造物に対しできる限り目立たない形状とする必要がある。この点について、導電性素子の全体的な寸法を減少させて刺激電極のアレイの寸法を小さくすることにより、このアレイを、人間の蝸牛のような小さな空間に挿入することができ、且つ可撓性で扱いの容易なものとする必要がある。しかし、導電性素子の寸法を低減させる必要がある一方で、導電性素子のインピーダンスを増大させないようにして有効な電気伝導が維持されるようにすることが重要である。従って、導電性素子のインピーダンスを大幅に増大させることなく、電流及び電圧を最小値に維持する導電体を提供することが必要とされている。本発明の目的は、インピーダンスを増大させることなく導電性素子の寸法を小さくすることにより、蝸牛移植組織中の導電体に対する要求を満足する可撓性の導電体を提供することにある。

発明の簡単な説明
この目的のために、本発明によれば、可撓性基板上に導電層より成る可撓性導電体を設けるに当たり、この導電層が三次元面を形成し、この導電体の電流容量が、三次元面上ない同じ寸法の導電体の電流容量に比べ大きくなるようにする。

この三次元形状は、所定の外形寸法に対して断面を最大にする波形形状、織目形状、又は蛇腹形状とすることができる。これらの形状の用語は、表面積を増大させるいかなる三次元表面効果をも意味するものである。これらの形状は、エンボス加工、波形成形又は型成形により達成しうる。三次元導電面は、任意の適切な表面堆積技術により可撓性基板の三次元面上に形成する。

本発明の他の観点では、可撓性基板上に導電層より成る可撓性導電体を設けるに当たり、この可撓性基板を三次元面を形成するように成形し、この基板の三次元面上に導電層を形成する。

可撓性基板は、導電体を囲む電気絶縁体として作用するシリコンとするのが好ましい。本発明の代表的な用途の例は蝸牛移植組織（人工耳）に対するものである。より具体的には、本発明は、移植された刺激器のハウジング内に収容された電子部品に、蝸牛移植組織の刺激パッドを接続する導電体に用いることができる。本発明の他の観点では、型成形した三次元構造面上に導電性金属層を堆積し、この導電性金属層の表面上に可撓性の電気絶縁性基板を被覆する導電体の形成方法を提供する。

この製造方法には、既知の金属堆積方法及びホトリソグラフ方法のいかなる組み合わせをも用いることができる。これらの方法は、自動製造に適合でき、その結果、必要とされる費用、製造時間及び技能を低減させることができる。

本発明は、以下の薄膜処理技術を選択して使用する製造技術を用いるのが好ましい。
・レーザーミクロ機械加工処理
・薄膜堆積技術（電気メッキ、無電解メッキ、スパッタリング、ＣＶＤ、ＰＶＤなど）
・型成形処理
・犠牲層の使用
・化学的／電気的溶解処理
・電気的剥離（デボンディング）処理
・リフトオフ層の使用
・液体窒素で冷却した可撓性基板の研摩処理
・レーザーパターン化処理

発明の詳細な説明
可撓性基板上に三次元構造の薄膜可撓性導電体を形成するための本発明により開発された技術は、以下の工程のうちの１つ以上の工程を含むものである。
工程１
レーザーミクロ機械加工処理、化学エッチング処理、プラズマエッチング処理又は他のリソグラフィックパターン化法を用いて、所望の導電体の寸法と等しい寸法の表面を有する型を機械加工し、必要に応じこのような表面を（基準の型表面に対して）凹状又は凸状とし、必要に応じ凹面又は凸面を織目形状又は波形にする。
工程２
所望に応じ、薄膜堆積技術を用いて型の上にシード層を堆積し、このシード層を電気メッキすることにより相補形の型を形成する。
工程３
所望に応じ、型にリフトオフ層（例えば粘着テープ）を被着し、レーザーパターン化処理により導電体領域のリフトオフ層を除去する。
工程４
所望に応じ、薄膜堆積技術を用いて型に薄膜犠牲層を被覆する。
工程５
所望に応じ、薄膜堆積技術を用いて型にプラチナの薄肉層を被覆する。
工程６
所望に応じ、レーザーパターン化処理、研摩処理、リフトオフ層の除去又は他の任意の手段を用いて、型から不所望なプラチナの薄肉層を除去することにより導電体を互いに電気的に分離する。
工程７
型を用いてシリコンゴムを型成形する。
工程８
機械的な力により、又は犠牲層の電気的/化学的溶解処理により、又は電気的剥離処理により、又は低温衝撃処理により、又は他の手段により、型成形したシリコンゴムを型から分離する。
工程９
所望に応じ、型成形したシリコンゴムに対してリフトオフ層（例えば粘着テープ）を被着し、レーザーパターン化処理により導電体領域のリフトオフ層を除去する。
工程１０
所望に応じ、薄膜堆積技術を用いて、型成形したシリコンゴムにプラチナの薄膜を被覆する。
工程１１
所望に応じ、研摩処理、レーザーパターン化処理、リフトオフ層の除去処理又は他の任意の手段を用いて、型成形したシリコンゴムから不所望なプラチナの薄肉層を除去することにより導電体を互いに電気的に分離する。
工程１２
他のシリコンの層を被着することにより電気的に分離した導電体をカプセル封止する。

従って、開発された技術は、他の多くの例を有するものであり、それぞれの例は、上述の工程を選択して用いることを特徴とする製造手順により規定されるものである。

以下の例は、開発した技術の多くの可能な好適例のうちの３つを示すものである。
例１ ダイレクト手法
ａ）エキシマレーザーを用いてミクロ機械加工を行い、波形凹面よりなるポリカーボネートの型を形成した。それぞれの波形凹面（底面）について、長さを２０ｃｍ（可撓性導電体の所望の長さ）とし、幅を４０ミクロン（可撓性導電体の所望の幅）として、深さを７０ミクロンとした。各波形凹面は、８つの三角形の波又は溝からなり、各波又は溝は５ミクロンの幅及び５ミクロンの深さとなっている。図１を参照されたい。
ｂ）上述したポリカーボネートの型の上に、物理気相堆積（ＰＶＤ）処理を用いてニッケルのシード層を堆積する。このニッケルシード層を電気メッキして相補形のニッケルの型を形成する。これら２つの型を熱処理技術を用いて分離させる。図２を参照されたい。
ｃ）このニッケルの型を用いてシリコンゴムのキャスティングを形成する。機械的な力によりニッケルの型からシリコンゴムのキャスティングを分離させる。このシリコンゴムのキャスティング上に、直流（ＤＣ）又は高周波（ＲＦ）マグネトロンスパッタリング処理或いは電子ビーム蒸着処理を用いてプラチナのシード層を堆積する。このプラチナのシード層を電気メッキして数ミクロンの厚さまでプラチナの層を形成する。図３を参照されたい。
ｄ）プラチナを被覆したシリコンゴムのキャスティングを液体窒素により冷却し、研摩して不所望なプラチナを除去するとともに導電体を互いに電気的に分離する。他のシリコンの層をこの上に被着して導電体をカプセル封止する。図４を参照されたい。
ｅ）プラチナの薄膜の厚さを２ミクロンとすると、波形凹面の領域における各導電体の断面積は約１７８平方ミクロンとなる。この値は現在必要とされている値に対して十分なものである。

例２ リフトオフ手法
ａ）エキシマレーザーを用いてミクロ機械加工を行い、波形の凸面よりなるポリカーボネートの型を形成した。それぞれの波形凸面（頂面）について、長さを２０ｍｍ（可撓性導電体の所望の長さ）とし、幅を４０ミクロン（可撓性導電体の所望の幅）として、波形凸面の隆起高さは７０ミクロンとした。各波形凸面は８つの三角形の波から構成され、各波の幅を５ミクロンとし深さを５ミクロンとした。図５を参照されたい。
ｂ）このポリカーボネートの型の上に、無電解メッキ処理を用いて接着力の弱いプラチナのシード層を堆積させる。このプラチナのシード層を電気メッキして数ミクロンの厚さまでプラチナの層を形成する。このプラチナの薄膜にシリコンの接着剤を被着する。プラチナを被覆した型の上にシリコンゴムを型成形する。図６を参照されたい。
ｃ）機械的な力により、ポリカーボネートの型から、プラチナの薄膜とともにシリコンのキャスティングを取り外す。プラチナにより被覆されているシリコンゴムのキャスティングを液体窒素により冷却し、研摩して不所望なプラチナを除去するとともに導電体を互いに電気的に分離する。他のシリコンの層をこの上に被着して導電体をカプセル封止する。図７を参照されたい。

例３ 犠牲層手法
ａ）エキシマレーザーを用いてミクロ機械加工を行い、波形の凹面より成るポリカーボネートの型を形成した。それぞれの波形凹面（底面）について、長さを２０ｍｍ（導電体の所望の長さ）とし、幅を４０ミクロン（導電体の所望の幅）とし、深さを７０ミクロンとした。各波形凹面は８つの三角形の波から成り、各波の幅は５ミクロンで深さは５ミクロンとした。図８を参照されたい。この方法は、波の高さを、導電体を一連のリブ又はリッジ上に位置させてある部分であるトレンチの深さにほぼ等しくする場合にも適用する。
ｂ）物理気相堆積（ＰＶＤ）処理を用いて、上述したポリカーボネートの型の上に銅のシード層を堆積させる。この銅のシード層を銅により電気メッキして相補形の銅の型を形成する。これら２つの型を熱処理技術を用いて分離させる。図９を参照されたい。
ｃ）この銅の型に数ミクロンの厚さのプラチナの層を電気メッキする。このプラチナの層にシリコンの接着剤を被着し、次にシリコンを型成形する。図１０を参照されたい。
ｄ）その後、銅を化学的又は電気的に溶解させ、プラチナが被覆されたシリコンキャスティングが残るようにする。プラチナが被覆されたシリコンキャスティングを液体窒素により冷却し、研摩して不所望なプラチナを除去し、導電体を互いに電気的に分離する。この上に他のシリコンの層を被着して導電体をカプセル封止する。図１１を参照されたい。

本発明の導電体は、刺激器ユニットから電極に電気的刺激を搬送する蝸牛移植組織（人工耳）やその他の装置のような移植可能な装置に用いるリード体に組み込むことができる。リード体は、人体と相性のよい可撓性の絶縁性材料、例えばシリコンゴムから形成する。リード中を複数の導電体素子が延在しており、これら導電体素子はリードの一方の端部で移植可能な刺激器ユニットに接続されている。刺激器ユニットは電気信号を発生し、この電気信号は導電体素子のいずれか１つにより伝達される。このリード体の他方の端部では、導電体素子が刺激電極に接続されており、この刺激電極の周囲の細胞に電気的な刺激の形態で電気信号を送ることができるようになっている。本発明により、導電体素子のインピーダンスを増大させることなく、リード体及びこれに関連する電極アレイの寸法を極めて小さくし得ることが分かる。また、いかなる個数の導電性素子をいかなる向きにも設けることができ、このことは本発明の範囲内のことである。さらに、リード体の断面形状を、例えば、円形、長方形、正方形又は長円形といったいかなる形状にもすることができ、このことも本発明の範囲に入ることである。

上述したところから明らかなように、本発明は移植可能な装置に用いる独特な導電体を提供するものである。当業者は、本発明により教示される概念に基づいて多くの異なる例を達成し得るものである。

図１は、機械加工したポリカーボネートの型の断面を示すものであり、工程１を説明するものである。 図２は、相補形のニッケルの型の断面を示すものであり、工程２を説明するものである。 図３は、プラチナを被覆したシリコンキャスティングの断面を示すものであり、工程７、８及び１０を説明するものである。 図４は、研摩及びカプセル封止処理後のプラチナ被覆シリコンキャスティングの断面を示すものであり、工程１１及び１２を説明するものである。 図５は、機械加工したポリカーボネートの型の断面を示すものであり、工程１の他の例を説明するものである。 図６は、プラチナを被覆したポリカーボネートの型の上に型成形したシリコンゴムの断面を示すものであり、工程５及び７を説明するものである。 図７は、研摩及びカプセル封止処理後のプラチナ被覆シリコンキャスティングの断面を示すものであり、工程８、１１及び１２を説明するものである。 図８は、機械加工したポリカーボネートの型の断面を示すものであり、工程１の更に他の例を説明するものである。 図９は、相補形の銅の型の断面を示すものであり、工程２の更に他の例を説明するものである。 図１０は、プラチナを被覆した銅の型の上に型成形したシリコンゴムの断面を示すものであり、工程５及び７の更に他の例を説明するものである。 図１１は、研摩及びカプセル封止処理後のプラチナ被覆シリコンキャスティングの断面を示すものであり、工程８、１１及び１２の更に他の例を説明するものである。

Claims (7)

1. 可撓性基板上の導電層より成る可撓性導電体であって、
   この導電層が三次元面を形成するように成形され、この導電体の電流容量が、三次元面上にない同じ寸法の導電体の電流容量に比べて大きくなっている可撓性導電体。
2. 可撓性基板上の導電層より成る可撓性導電体であって、
   この可撓性基板が三次元面を形成するように成形されており、この基板の三次元面上に導電層が形成されている可撓性導電体。
3. 可撓性基板上の導電層より成る薄肉の可撓性導電体を組み込んだ移植可能装置であって、
   この可撓性基板が三次元面を形成するように成形されており、この基板の三次元面上に導電層が堆積されている移植可能装置。
4. 請求項３に記載の移植可能装置において、
   前記可撓性基板が波形となっている移植可能装置。
5. 型成形した三次元構造面上に導電性金属層を堆積し、この導電性金属層の表面上に可撓性の電気絶縁性基板を被覆する導電体の形成方法。
6. 請求項５に記載の導電体の形成方法において、
   型成形した三次元構造面に、可撓性絶縁材料の層を被覆し、この層上に前記導電性金属層を堆積する導電体の形成方法。
7. 請求項５に記載の導電体の形成方法において、
   型成形した三次元構造面を波形にする導電体の形成方法。

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