JP2009254901A - フレキシブル神経プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】 フレキシブルな基板を備え、３次元的な神経組織の計測を可能とする多チャンネル型フレキシブル神経プローブおよびその製法を提供すること。
【解決手段】 本発明の多チャンネル型フレキシブル神経プローブは、フレキシブルな絶縁基板１１に挟持された複数本のプローブ電極１２と、これらの電極１２にそれぞれ接続され、同じくフレキシブルな絶縁基板１１−１に挟持された電気的配線１６とを備え、前記複数本のプローブ電極１２は、それぞれ、ほぼ平行に配置された複数のプローブ導体１３〜１５により構成され、これらの各プローブ導体１３〜１５には、前記プローブ電極の異なる高さ位置において記録パッド１３−１、１４−１、１５−１が設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は生体内の神経系を流れる微弱電気信号の計測や神経系への微弱電気信号入力を行うプローブに関し、特にフレキシブルな基板を用いた多チャンネルのプローブに関するものである。

脳や神経束のような柔軟な生体組織に電極針を挿入し、神経系の情報の計測や神経系への情報入力を行うプローブは、米国ユタ大学のＲ．Ａ．Normanにより発表されている（非特許文献１参照）。この神経電極はシリコン基板上に多数のシリコン製の電極針が一体に植設されたもので、外観が剣山に類似しているため、ユタ剣山型電極として知られている。また、米国ミシガン大学のK.D.Wiseによっても、シリコン基板に基板とは別に設けられた多数のプローブを組み合わせた剣山電極が発表されている（非特許文献２参照）。

また、複数のフレキシブルな電極針を有するプローブも公表されている（非特許文献３参照）。

ＩＥＥＥ トランザクションズ オン バイオメディカル エンジニアリング 第３８巻、第８号 １９９１年 （第７５８−７６８頁、 第７図） ＩＥＥＥ トランザクションズ オン バイオメディカル エンジニアリング 第４１巻、第１２号 １９９４年 （第１１３６−１１４６頁、 第２図） ＩＥＥＥ プロシーディング オブ ザ １４ス インターナショナルコンファレンス オン マイクロ エレクトロ メカニカル システムズ（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ １４ｔｈ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｍｉｃｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ） 予稿（第２１６−２１９頁、 第４図）

しかしながら、これらのプローブはシリコン等の固い材料で構成された基板に同じくシリコン等の固い材料で構成された電極針が植設されているため、脳や神経束などの柔軟な生体組織に電極針を刺入し埋め込んだ場合、生体部位の形状に整合できずまたその動きに追従できないため、電極針の計測点と対象神経組織との位置合わせが困難であるばかりでなく、生体組織を損傷し、あるいは長期にわたり安定な計測や刺激ができないという問題があった。

また、フレキシブルな電極を有するプローブは、３次元的な計測ができないという問題があった。

さらにまた、従来のプローブには、電極針先端部に複数個の計測点を配置して神経組織内の三次元的な計測や刺激を可能とするものも知られているが、その製造方法が煩雑であり、工業的な生産に適していなかった。

したがって本発明は、上記従来の神経電極の問題点を改良し、フレキシブルな基板を備え、３次元的な神経組織の計測を可能とするとともに、その製造が容易な多チャンネル型フレキシブル神経プローブを提供することを目的とするものである。

本発明の多チャンネル型フレキシブル神経プローブは、パリレンからなるフレキシブルな絶縁基板に挟持されたプローブ電極と、このプローブ電極に接続され、同じくパリレンからなるフレキシブルな絶縁基板に挟持された電気的配線とを備え、前記プローブ電極は、複数のプローブ導体により構成され、これらの各プローブ導体には、前記プローブ電極に沿った、異なる位置に記録パッドが設けられていることを特徴とするものである。

また、本発明の多チャンネル型フレキシブル神経プローブにおいては、前記記録パッドは、前記プローブ導体を挟持する絶縁基板に形成されたスルーホールにより前記各プローブ導体の一部を露出することにより形成されていることを特徴とするものである。

さらに、本発明の多チャンネル型フレキシブル神経プローブにおいては、前記プローブ電極は、前記電気的配線を挟持する絶縁基板面に対して所定の角度で立設されていることを特徴とするものである。

さらに、本発明の多チャンネル型フレキシブル神経プローブにおいては、前記プローブ電極は、前記フレキシブルな絶縁基板上に、複数本設けられていることを特徴とするものである。

本発明によれば、フレキシブルな基板を備え、３次元的な神経組織の計測を可能とする製造容易な多チャンネル型フレキシブル神経プローブを提供することができる。

本発明の多チャンネル型フレキシブル神経プローブの要部構造を示す斜視図である。 図２は図１の一部を拡大して示す平面図である。 図１に示す多チャンネル型フレキシブル神経プローブの製造方法を示す工程図である。 図１に示す多チャンネル型フレキシブル神経プローブの製造方法を示す工程図である。 図１に示す多チャンネル型フレキシブル神経プローブの製造方法を示す工程図であり、どうず（ｈ）は、磁界Ｈの強さを変化させたときのプローブ電極の曲げ角度の変化を測定した結果を示すグラフである。 製造された多チャンネル型フレキシブル神経プローブの全体の構成を示す斜視図である。 図１に示す多チャンネル型フレキシブル神経プローブの他の製造方法を示す工程図である。

以下本発明の多チャンネル型フレキシブル神経プローブの実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は本発明の多チャンネル型フレキシブル神経プローブの要部構造を示す斜視図であり、図２はその一部を拡大して示す平面図である。図１に示すように、帯状のフレキシブルな絶縁基板１１の端部に基板面に垂直な方向に複数本たとえば６本の板状のプローブ電極１２が形成されている。フレキシブルな絶縁基板１１は例えば厚さが１０ミクロン程度のポリイミド薄膜により構成されている。板状のプローブ電極１２は図２に示されるように、先端が尖った細長い板状のフレキシブルな絶縁基板１１−１内に、その長手方向に沿って３本の配線導体１３、１４、１５がほぼ平行に配置されている。ここで、フレキシブルな絶縁基板１１−１は、絶縁基板１１の一部を切離することにより形成している。そして、３本のプローブ導体１３、１４、１５は、板状のプローブ電極１２の長手方向に沿って平行に配置され、それらの先端が異なる位置において終端している。そして、それぞれの先端部には生体中の神経情報を授受するための記録パッド１３−１、１４−１、１５−１が形成されている。これらの記録パッド１３−１、１４−１、１５−１は、絶縁基板１１−１を構成するポリイミド薄膜に形成された微小なスルーホールであり、これらのスルーホールを介して３本のプローブ導体１３、１４、１５の一部が露出されている。また、３本のプローブ導体１３、１４、１５にはそれぞれ電気的配線１６が接続され、これらの配線１６は帯状のフレキシブルな絶縁基板１１上において前記プローブ１２が形成されている端部と反対側の端部に向かって延長されている。

このように本発明の一実施形態に係る多チャンネル型フレキシブル神経プローブは、フレキシブルな絶縁基板１１上に複数本のプローブ１２が垂直方向に形成されるとともに、各プローブ１２はその長手方向において異なる高さの位置に複数の信号検出・記録用の記録パッド１３−１、１４−１、１５−１が形成されている。このため、この多チャンネル型フレキシブル神経プローブを生体の測定部位に刺し込むことにより、プローブ電極１２が設けられている基板１１全体を生体の表面形状に沿って密着させることができるとともに、生体の動きに応じてプローブ電極１２を変形させることができるため、プローブの位置を常に測定しようとする神経組織の位置に合致させることができる。また、このような多チャンネル型フレキシブル神経プローブによれば、生体の２次元的な神経情報の測定ができるほか、生体の異なる位置および深さにおける神経情報の測定が可能であり、いわゆる３次元の神経情報の測定が可能となる。

図３乃至図５は上記多チャンネル型フレキシブル神経プローブの製造方法を示す工程図である。まず、図３（ａ）に示すように、半導体基板であるＳｉ基板２１を用意する。このＳｉ基板２１は厚さが約２００〜２５０μｍの全体として長方形の基板を用いるが、図３乃至図５では長さ方向の一端部のみを示している。このＳｉ基板２１の表面に、厚さ約３μｍの磁性材料であるＮｉ層２２が電着により先端が尖った細長い電極針の形状にパターニング形成される。次に、図３（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板２１の表面全面に、ポリイミド樹脂がスピンコーティングにより塗布される。塗布されたポリイミド樹脂が乾燥し、厚さ約１０μｍの第１層ポリイミド樹脂層２３が形成される。このポリイミド樹脂層２３の表面全面にチタン（Ｔｉ）およびアルミ（Ａｌ）が真空蒸着により順次積層され、金属層２４が形成される。これらの金属層２４はウェットエッチングによりパターニングされ、６本のプローブ電極１２およびこれらに接続される電気的配線１６が形成される。ここで、６本のプローブ電極１２のそれぞれは、図２に示したように、３本のプローブ導体１３、１４、１５により構成されている。このようにして形成された６本のプローブ電極１２およびこれらに接続される電気的配線１６の表面を含むＳｉ基板２１の表面全面には、図３（ｃ）に示すように、第２層ポリイミド樹脂層２３´が、同じく約１０μｍの厚さに再びスピンコーティングにより塗布形成される。

次いで図４（ｄ）に示すように、酸素（Ｏ_２）プラズマエッチングにより、第１層および第２層ポリイミド樹脂層２３、２３´が所定の形状にパターニングされる。すなわち、６本のプローブ電極１２およびこれらに接続される電気的配線１６が形成される部分以外の第１層および第２層ポリイミド樹脂層２３、２３´が除去されるとともに、６本のプローブ電極１２の周囲のポリイミド樹脂層２３、２３´に、根元の部分を除いて切込みが形成される。また、同じく酸素プラズマにより、６本のプローブ電極１２のそれぞれを構成する３本のパッド導体１３、１４、１５の先端部にスルーホール２５が形成される。これらのスルーホール２５は、図２に示した各記録パッド１３−１、１４−１、１５−１に相当する位置のポリイミド樹脂２３´に形成される。これらのスルーホール２５は、生体中にプローブ電極１２が刺し込まれたときに、生体内の神経系に各プローブ導体１３、１４、１５が接触するために形成されている。

この酸素プラズマエッチングプロセスにおいては、図示しないが、金属層２４を覆う第２層ポリイミド樹脂２３´の表面に配置されたアルミ層がマスクとして用いられる。すなわち、このマスクは第２層ポリイミド樹脂２３´の表面全面に真空蒸着されたアルミ層をフォトリソグラフィによってパターニングすることによって形成される。このマスクパターンは、第１層および第２層ポリイミド樹脂層２３、２３´を除去する部分に窓を形成したもので、この窓を介して酸素プラズマが照射されエッチングが行われる。このアルミ層はＨ_３ＰＯ_４、ＨＮＯ_３、ＣＨ_３ＣＯＯＨおよびＨ_２Ｏを１０：１：１：２の割合で含むエッチング液により除去される。このエッチング液はチタン層を損傷しないため、このエッチングによりプローブ導体１３、１４、１５およびこれらに接続される電気的配線１６を構成する金属層２４を構成するアルミ層が除去されることはない。

次に、図４（ｅ）に示すように、ディープ・リアクティブ・イオン・エッチング（ＤＲＩＥ）によりポリイミド樹脂２３により被覆されていない両側部分を含む全てのＳｉ基板２１が除去される。ＤＲＩＥはＳｉ基板２１の裏面から約２０μｍの厚さでエッチングし、その後表面側からエッチングする。次いでＳｉ基板２１は図４（ｆ）に示すように、その裏側からＸｅＦ_２ガスを用いた等方性エッチングにより除去される。この結果、プローブ電極１２およびこれらに接続される電気的配線１６がポリイミド樹脂２３、２３´によりサンドイッチされた平面構造のプローブが形成される。すなわち、ポリイミド樹脂２３、２３´はプローブ電極１２およびこれらに接続される電気的配線１６をその表裏面から挟持し、フレキシブルな絶縁基板２６を構成する。

このように構成された平面構造のプローブにその面に対して垂直方向の磁界Ｈを印加すると、６本のプローブ電極１２の裏面に形成された磁性材料であるＮｉ層２２が磁力を受け、図５（ｇ）に示すように、６本のプローブ電極１２は一斉に絶縁基板２６上に直立する。

図５（ｈ）は、磁界Ｈの強さを変化させたときのプローブ電極１２の曲げ角度の変化を測定した結果を示すグラフである。同図から約４００ｍＴの磁界印加により、ほぼ９０度に曲げられることが分かる。

図６はこのようにして製造された多チャンネル型フレキシブル神経プローブの全体の構成を示す斜視図である。この多チャンネル型フレキシブル神経プローブは、６本のプローブ電極１２とこれらに接続される電気的配線１６がポリイミド樹脂２３、２３´によりサンドイッチされた細長い帯状に形成される。そして電気的配線１６はプローブ電極１２と反対側に設けられたほぼ長方形の端子パッド部２７に接続される。この端子パッド部２７は６本のプローブ電極１２のそれぞれに３個設けられ、全体で１８個の記録パッドのそれぞれに対応して１８個の端子パッド２７−１、２７−２、…、２７−１８が設けられ、対応する記録パッドと端子パッドとが電気的配線１６により相互に接続されている。各端子パッド２７−１、２７−２、…、２７−１８には、この多チャンネル型フレキシブル神経プローブと情報を授受するための他の各種電子機器（図示せず）からの配線が半田付け等により接続される。

このようにして製造された多チャンネル型フレキシブル神経プローブの寸法は、プローブ電極１２および電気的配線１６部分が、たとえば、幅が約１．５ｍｍ、長さが約２．０ｃｍであり、端子パッド部２７は、幅が約１ｃｍで長さが約０．５ｃｍである。

以上説明した多チャンネル型フレキシブル神経プローブの製造方法によれば、半導体基板を用い、半導体製造技術により製造できるため、微細構造のプローブを複雑な手作業を要することなく製造することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、多チャンネル型フレキシブル神経プローブの全体あるいは各部の寸法、あるいは、プローブ電極、プローブ導体の本数は一例であり、必要に応じて種々の寸法あるいは本数に形成できることは言うまでもない。

また、フレキシブルな絶縁基板としてポリイミド樹脂２３、２３´を用いたが、他の高分子材料を用いてもよい。例えば、パリレン（parylene）のような透明ポリマーを用いることにより、プローブを生体内に刺入する際に、生体内部の細胞などを見ながら刺入することができる。また、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）あるいは厚膜レジストＳＵ−８（商品名）を用いることも可能である。

パリレンはポリパラキシレンの通称である。パリレンコーティングは、反応性ガスの重合によって行われるため、薄膜の厚さをコントロールできる。さらに、気体であるため、圧力が一定にかかり、均一な薄膜を形成することができる。また、パリレンは生体適合性がよく、絶縁性があり、さらに薄膜にすると柔軟性があるという特徴を有する。また、このパリレン薄膜は、透明で、撥水性、ガスバリア性、耐薬品性、熱安定性にも優れている。このため、神経電極の絶縁膜として適切な材料である。

図７は絶縁基板としてパリレンを用いた場合の多チャンネル型フレキシブル神経プローブの製造方法の概要を示す断面図である。同図（a）に示すように、シリコン基板６１上にフォトレジスト６２、パリレン層６３、アルミニウム層６４をコーティングにより積層形成し、同図（ｂ）に示すように、アルミニウム層６４をパターニングして電極パッドと配線を形成する。

ここで、パリレン層６３は、パリレン蒸着装置により、蒸着により形成する。この装置は、気化室、熱分解室、蒸着室およびバキュームポンプを備え、バキュームポンプにより、気体が気化室、熱分解室、蒸着室へと送られる。まず、パラキシレンから生成したジパラキシレンを気化室に導入して過熱することにより気化させる。この気体は熱分解室に送られて熱分解されて、反応性の高いラジカルパラキシレンモノマーができる。この気体は蒸着室へ移動し、シリコン基板６１上に吸着、重合することにより、高分子量のパリレン薄膜が形成される。

次いで、同図（ｃ）に示すように、パリレン層６３´を全体にコートし絶縁層とする。次に、同図（ｄ）に示すように、銅（Ｃｕ）層６５を全面にコートし、ウェットエッチングによりパターニングしてマスクを形成する。そして、同図（ｅ）に示すように、このマスクを介して酸素プラズマ処理により、プローブ電極の周辺輪郭６６および記録パッド部６７のパリレン層６３、６３´を除去する。次いで、同図（ｆ）に示すように、フォトレジスト６２をアセトンによりエッチングすることにより、シリコン基板６１をパリレン層６３から剥離する。また、パリレン層６３が除去された記録パッド部６７にニッケル等の金属導体６８をメッキする。そして同図（ｇ）に示すように、パリレン層６３、６３´でサンドイッチされたアルミニウム層６４からなるプローブ導体を折り曲げてプローブ電極部を形成する。

上述した実施形態においては、図７（a）に示すように、シリコン基板６１上にフォトレジスト６２、パリレン層６３、アルミニウム層６４をコーティングにより積層形成したが、フォトレジスト６２を介することなく、シリコン基板６１上に直接、パリレン層６３、アルミニウム層６４をコーティングにより積層形成してもよい。すなわち、上記の実施形態においては、フォトレジスト６２は、シリコン基板６１をパリレン層６３から剥離するために設けられたが、シリコン基板６１上に直接形成したパリレン層６３をその柔軟性を利用して機械的に引っ張ることにより、剥離することができる。なお、この場合、シリコン基板６１表面に、例えばInternational Products Corporation社製のmicro-90のような界面活性剤を予め塗布し、その上にパリレン層６３、アルミニウム層６４をコーティングにより積層形成することにより、シリコン基板６１とパリレン層６３との密着性が低下して剥離が非常に容易になる。しかし、シリコン基板６１とパリレン層６３との密着性が過度に低下すると、パリレン層６３上に電極パッドの製造工程中にパリレン層６３がシリコン基板６１から剥がれてしまうという問題が生ずる。そこでシリコン基板６１表面に熱酸化膜を形成し、その上にパリレン層６３、アルミニウム層６４をコーティングにより積層形成することにより、上記の問題を防止するとともに、パリレン積層体の製造後に積層体に亀裂を生ずることなくシリコン基板６１から剥離することが可能である。

また、上述した実施形態においては、プローブおよび配線材料としてアルミを用いたが、この代わりに導電性ポリマーあるいはポリシリコンを用いることも可能である。

１１ 絶縁基板
１２ プローブ電極
１３〜１５ プローブ導体
１３−１、１４−１、１５−１ 記録パッド
１６ 電気的配線
２１ Ｓｉ基板
２２ Ｎｉ層
２３ 第１層ポリイミド樹脂層
２３´ 第２層ポリイミド樹脂層
２４ 金属層
２５ スルーホール
２６ フレキシブルな絶縁基板
２７ 端子パッド部

Claims (4)

1. パリレンからなるフレキシブルな絶縁基板に挟持されたプローブ電極と、このプローブ電極に接続され、同じくパリレンからなるフレキシブルな絶縁基板に挟持された電気的配線とを備え、前記プローブ電極は、複数のプローブ導体により構成され、これらの各プローブ導体には、前記プローブ電極に沿った、異なる位置に記録パッドが設けられていることを特徴とする多チャンネル型フレキシブル神経プローブ。
2. 前記記録パッドは、前記プローブ導体を挟持する絶縁基板に形成されたスルーホールにより前記各プローブ導体の一部を露出することにより形成されていることを特徴とする請求項１記載の多チャンネル型フレキシブル神経プローブ。
3. 前記プローブ電極は、前記電気的配線を挟持する絶縁基板面に対して所定の角度で立設されていることを特徴とする請求項１記載の多チャンネル型フレキシブル神経プローブ。
4. 前記プローブ電極は、前記フレキシブルな絶縁基板上に、複数本設けられていることを特徴とする請求項３記載の多チャンネル型フレキシブル神経プローブ。

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