JP2018538698A - 密な間隔の貫入電極のアレイ - Google Patents

密な間隔の貫入電極のアレイ Download PDF

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Abstract

本開示は、密な間隔の貫入電極のアレイを記載する。いくつかの実施形態において、アレイの電極は50μm未満の間隔があけられている。本開示はまた、密な間隔の貫入電極のアレイを製造するための方法を記載する。いくつかの実施形態において、アレイの電極の各列が同一面上で製造された後、電極の他の列に結合されてアレイを形成する。

Description

関連出願
本出願は、2015年12月10日に出願された「CLOSELY SPACED ARRAY OF PENETRATING ELECTRODES」と題する米国特許仮出願第62/265,697号への優先権を主張する。同出願の内容全体が参照により本出願の開示に組み入れられる。
開示の背景
電極を標的組織に埋め込んで、標的組織から記録し、標的組織を刺激することができる。たとえば、深部電極を末梢神経または脳組織に埋め込むことができる。電極によって記録される電気信号は、神経学的疾患の診断および治療に役立つことができる。
開示の概要
本開示の1つの局面にしたがって、電極アレイは複数の電極シャンクを含む。各シャンクは、第一の金属層に画定された導電性コアを含む。シャンクは約10μm〜約50μmのピッチを有する。電極アレイはまた、第一の金属層の少なくとも一部分を封入する絶縁層を含む。電極が、複数の電極シャンクのそれぞれに、絶縁層に通して画定された第一の窓によって画定されている。コンタクトパッドが、複数の電極シャンクのそれぞれに、絶縁層に通し画定された第二の窓によって画定されている。電極アレイはまた、キャリア基板を含む。複数の電極シャンクは、複数の電極シャンクがキャリア基板から外方かつキャリア基板に対して平行に延びるようにキャリア基板の表面に結合されている。
いくつかの実施形態において、電極アレイはまた、第一の複数の電極シャンクに結合された第二の複数の電極シャンクを含む。第二の複数の電極シャンクのそれぞれは、コンタクトパッドが第二の複数の電極シャンクのそれぞれに画定されるオフセット部を含むことができる。
いくつかの実施形態において、複数の電極シャンクのそれぞれは約5μm〜約100μmの幅または約5μm〜約15μmの幅を有する。いくつかの実施形態において、電極アレイは約2個〜約32個の電極シャンクを含む。
いくつかの実施形態において、複数の電極シャンクのそれぞれに画定された各電極は、それぞれの電極シャンクの先端から異なる距離のところに画定されている。いくつかの実施形態において、キャリア基板の少なくとも一部分は可撓性である。特定の実施形態において、第一の金属層は白金イリジウム箔を含む。箔は厚さ約10μm〜約40μmであることができる。いくつかの実施形態において、複数の電極シャンクのそれぞれは銅コアを含む。いくつかの実施形態において、複数の電極シャンクのそれぞれのコンタクトパッドは、ワイヤボンディングによってキャリア基板のトレースに電気的に結合されている。
本開示のもう1つの局面にしたがって、電極を製造する方法は、第一の金属層に第一の複数の電極シャンクを形成する工程を含む。複数の電極シャンクのそれぞれの間のピッチは約10μm〜約50μmである。方法はまた、第一の複数の電極シャンクのそれぞれの少なくとも一部分を絶縁材料に封入する工程を含む。第一の複数の電極シャンクのそれぞれを封入する絶縁材料を通過する窓を画定する。方法はまた、複数の電極シャンクが、複数の電極シャンクが結合されるキャリア基板から外方かつキャリア基板に対して平行に延びるように、第一の複数の電極シャンクをキャリア基板に結合する工程を含む。
いくつかの実施形態において、方法はまた、複数の電極シャンクの一部分を封入する前に、第一の金属層の少なくとも一部分上に金層を付着させる工程を含む。
方法はまた、付着された金層の上で第一の複数の電極シャンクのそれぞれを封入する絶縁材料を通過する第二の窓を画定する工程を含むことができる。いくつかの実施形態において、窓は、絶縁材料をレーザーアブレーションすることによって画定される。
いくつかの実施形態において、方法は、第一の複数の電極シャンクのそれぞれをキャリア基板の電気トレースにワイヤボンディングする工程を含む。いくつかの実施形態において、第一の金属層は白金イリジウム箔を含む。
いくつかの実施形態において、方法は、第一の複数の電極シャンクをキャリア基板に結合した後、第一の複数の電極シャンクのそれぞれを単体化する工程を含む。
いくつかの実施形態において、方法はまた、パターニングされた第一の複数の電極シャンクを第一の剥離層から剥離させる工程およびパターニングされた第一の複数の電極シャンクを第二の剥離層に結合する工程を含み、パターニングされた第一の複数の電極シャンクのそれぞれの一部分が第二の剥離層の縁を越えて延びる。
いくつかの実施形態において、方法はまた、第一の金属層の一部分上に銅層を付着させる工程および銅層を第二の金属層で封入する工程を含む。いくつかの実施形態において、絶縁材料は、化学蒸着によって複数の電極シャンクの一部分上に付着させる。
本開示のもう1つの局面にしたがって、電極を製造する方法は、第一の金属層を犠牲層上に付着させる工程を含む。第一の金属層は第一の複数の電極シャンクの面を画定する。複数の電極シャンクのそれぞれの間のピッチは約10μm〜約50μmである。方法はまた、第一の犠牲金属層を第一の金属層および犠牲層の少なくとも一部分上に付着させる工程、次いで第一の犠牲金属層および第一の金属層を平坦化して第一の層を形成する工程を含む。方法はまた、第二の金属層を第一の層上に付着させる工程を含む。第二の金属層は、第一の複数の電極シャンクのそれぞれの壁を画定する。次いで、第二の犠牲金属層を第二の金属層および第一の層の少なくとも一部分上に付着させる。第二の犠牲金属層および第二の金属層を平坦化して第二の層を形成する。方法はまた、第三の金属層を第二の層上に付着させる工程を含む。第三の金属層は第一の複数の電極シャンクのそれぞれの第二の面を画定する。次に、第三の犠牲金属層を第三の金属層および第二の層の少なくとも一部分上に付着させる。第三の犠牲金属層および第三の金属層を平坦化して第三の層を形成する。最後に、第一、第二および第三の犠牲金属層の少なくとも一部分を溶解させる。
いくつかの実施形態において、第一、第二および第三の犠牲金属層は銅を含み、第一、第二および第三の金属層はパラジウムを含む。
当業者は、本明細書に記載される図面が例示目的のためだけのものであることを理解するであろう。いくつかの例においては、記載される実施形態の理解を容易にするために、記載される実施形態の様々な局面が誇張または拡大されて示されることもあることが理解されよう。図中、類似の参照符号は概して、様々な図面を通して類似の特徴、機能的に類似した要素および／または構造的に類似した要素を指す。図面は必ずしも一定の拡大縮小率ではなく、むしろ教示の原理を説明することに重点が置かれている。図面は、本教示の範囲を任意のやり方で限定することを意図したものではない。システムおよび方法は、以下の図面を参照しながら以下の例示的説明を読むことにより、より良く理解され得る。
例示的な貫入電極アレイによって組織を刺激し、モニターするための例示的システムを示す。 図1に示すシステムに使用するための例示的な貫入電極アレイを示す。 図1に示すシステムで使用するための例示的な貫入電極アレイを製造するための例示的方法のフローチャートを示す。 図3に示す方法を使用して例示的な貫入電極アレイを製造する様々な工程における一連の断面図および/または平面図を示す。 図3に示す方法を使用して例示的な貫入電極アレイを製造する様々な工程における一連の断面図および/または平面図を示す。 図3に示す方法を使用して例示的な貫入電極アレイを製造する様々な工程における一連の断面図および/または平面図を示す。 図3に示す方法を使用して例示的な貫入電極アレイを製造する様々な工程における一連の断面図および/または平面図を示す。 図3に示す方法を使用して例示的な貫入電極アレイを製造する様々な工程における一連の断面図および/または平面図を示す。 図3に示す方法を使用して例示的な貫入電極アレイを製造する様々な工程における一連の断面図および/または平面図を示す。 図3に示す方法を使用して例示的な貫入電極アレイを製造する様々な工程における一連の断面図および/または平面図を示す。 図3に示す方法を使用して例示的な貫入電極アレイを製造する様々な工程における一連の断面図および/または平面図を示す。 図3に示す方法を使用して例示的な貫入電極アレイを製造する様々な工程における一連の断面図および/または平面図を示す。 図3に示す方法において金属層をパターニングするためのもう1つの例示的方法を示す。 図14A〜14Gは、図3に示す方法において金属層をパターニングするためのもう1つの例示的方法を示す。 図14A〜14Gは、図3に示す方法において金属層をパターニングするためのもう1つの例示的方法を示す。
詳細な説明
上記で導入し、以下さらに詳細に説明する様々な概念は、任意の特定の具現化方法に限定されないため、数多くのやり方のいずれででも実現され得る。具体的な実施形態および適用の例が主に例示目的のために提供される。
図1は、例示的な貫入電極アレイ102によって組織を刺激し、モニターするための例示的システム100を示す。システム100は、標的組織104とも呼ばれる神経104に挿入される貫入電極アレイ102を含む。電極アレイ102は、神経104に貫入する複数の電極シャンク106を含む。電極アレイ102は、コントローラ110に結合され、コントローラ110によって制御される。コントローラ110は、電源112によって給電され、電極スティミュレータ・レコーダ（ESR116）を制御するマイクロプロセッサ114を含む。ESR116によって記録されたデータは、後で転送および分析するためにメモリ120に記憶されることができる。
システム100のコントローラ110は、電極アレイ102を介して組織104の刺激およびモニターを制御する。いくつかの実施形態において、コントローラ110は、標的組織104の近くに長期的に埋め込まれるように構成されている気密封止装置である。他の実施形態において、コントローラ110は、患者の外部に存在し、ワイヤレスに通信する、または電極アレイ102への有線接続を介して通信するハンドヘルド型装置またはコンピュータである。コントローラ110は、ESR116の機能を制御する1つまたは複数のマイクロプロセッサ114を含む。マイクロプロセッサ114は、任意のタイプのシングルもしくはマルチコアプロセッサであることもできるし、または専用論理回路、たとえばFPGA（フィールドプログラマブルゲートアレイ）またはASIC（特定用途向け集積回路）であることもできる。いくつかの実施形態において、コントローラ110は、分析のためにデータを他の装置に出力する。コントローラ110は、ワイヤレスに、または有線接続を介してその他の装置と通信することができる。
コントローラ110のESR116は、複数の電極シャンク106のそれぞれに沿って配置された電極を介して組織104を刺激するために使用される電気刺激を生成する。たとえば、ESR116は、電気パルスまたは波を生成することができ、刺激の周波数、パルス幅、信号形状（たとえば方形波か正弦波か）、振幅またはさらなる性質、たとえばどの電極が刺激電極として作用し、どの電極が記録電極として作用するかの選択を制御することができる。ESR116は、約10Hz〜約25kHz、約10Hz〜約10kHz、約100Hz〜約1kHzまたは約100Hz〜約500Hzの周波数で刺激信号を生成することができる。ESR116はまた、組織104から計測された電気的活動を、メモリ120に記憶することができるデジタル信号へと変換する1つまたは複数のアナログ・デジタル変換器（ADC）を含む。ESR116のADCは、複数の電極シャンク106に沿って配置された電極で計測される信号を約10Hz〜約10kHz、約10Hz〜約5kHz、約10Hz〜約1kHz、約50Hz〜約500Hzまたは約50Hz〜約250Hzの周波数でサンプリングすることができる。
システム100のコントローラ110はまた、電源112を含む。コントローラ110が患者に埋め込まれる場合、電源112は電池である。コントローラ110が患者に対して外部にある実施形態においては、電源112は電池であることもできるし、またはコントローラ110がAC電源（たとえば壁コンセント）に差し込まれてもよい。いくつかの実施形態において、電源112の電池は充電式である。たとえば、コントローラ110は、コントローラ110が患者に埋め込まれた後に電池がワイヤレスに充電されることを可能にする複数の誘導コイルを含むことができる。
さらに図1を参照すると、システム100はまた、電極アレイ102を含む。電極アレイ102は、図2〜図14Gに関連してさらに説明されるが、概観として、電極アレイ102は複数の電極シャンク106を含む。各電極シャンク106に沿って電極が配置されている。いくつかの実施形態において、電極アレイ102は、一列の整列した電極シャンク106を含む。他の実施形態において、電極アレイ102は、三次元電極アレイを形成するように整列した複数列の電極シャンク106を含む。いくつかの実施形態において、電極シャンク106間のピッチは50μm未満である。いくつかの実施形態において、電極シャンク106の列は、「同一面上」に製造された後、互いに積み重ねられて三次元の電極アレイを形成する。いくつかの実施形態においては、小さなピッチサイズ（たとえば、50μm未満のピッチ）が、末梢神経における記録および刺激を可能にする。多くの場合、末梢神経は100μm未満の直径を有する。加えて、末梢神経はしばしば、神経体内に軸索の束を含む。小さなピッチサイズは、複数の電極を神経に挿入するだけでなく、電極を神経内の各軸索の束に配置することを可能にする。
図2は、システム100に使用するための例示的な電極アレイ102を示す。電極アレイ102は電極シャンク106を含む。各電極シャンク106は、電極シャンク106の先端から所定の距離202のところに電極200を含む。各電極シャンク106のベースがコンタクトパッド204を含む。電極シャンク106はキャリア基板210に結合されている。各電極シャンク106は、コンタクトパッド204をトレース206にワイヤボンディングするワイヤ208によってキャリア基板210のトレース206に結合されている。いくつかの実施形態において、製造プロセス中、各電極シャンク106が共通のベース212に結合される。ひとたび共通のベース212および電極シャンク106がキャリア基板210に結合されたならば、電極シャンク106は、電極シャンク106を共通のベース212に接続する各電極シャンク106の部分をアブレーションすることによって単体化される。図2に示すように、共通のベース212は、電極シャンク106から切り離された後も、キャリア基板210に結合したまま残ることができる。
電極アレイ102は複数の電極シャンク106を含む。図示するように、電極アレイ102は、5つの電極シャンク106の列を含む。他の実施形態において、電極シャンク106の各列は、約2〜約128個、約2〜約64個、約2〜約32個または約8〜約16個のシャンク106を含むことができる。各電極シャンク106の長さ214は、キャリア基板210の端部から電極シャンク106の先端までで計測して、約50μm〜約2000μm、約250μm〜約2000μm、約500μm〜約2000μm、約1000μm〜約2000μmまたは約1500μm〜約2000μmである。
各電極シャンク106の幅216は、約5μm〜約100μm、約20μm〜約80μmまたは約40μm〜60μmである。いくつかの実施形態において、各電極シャンク106の厚さは、約5μm〜約50μm、約10μm〜約40μmまたは約15μm〜約30μmである。図示するように、各電極シャンク106は尖った先端を含む。他の実施形態において、先端は、鈍い、または丸みのある形状を含むことができる。
いくつかの実施形態において、各電極シャンクの間のピッチは、約10μm〜約500μm、約10μm〜約400μm、約10μm〜約300μm、約10μm〜約200μm、約10μm〜約100μm、約10μm〜約50μmまたは約10μm〜約25μmである。いくつかの実施形態において、電極アレイ102が複数列の電極シャンク106を含む場合、電極シャンク106の複数列のピッチは各列内の電極シャンク106のピッチと同様である。他の実施形態において、電極シャンク106の列間のピッチは各列内の電極シャンク106間のピッチよりも大きい、または小さい。
いくつかの実施形態において、電極シャンク106の1つまたは複数は、電極アレイ102のその他の電極シャンク106と比較して異なる幅、厚さまたは長さを有する。たとえば、中央の電極シャンク106がもっとも長く、中央の電極シャンク106に隣接する2つの電極シャンク106がわずかに短く、外側2つの電極シャンク106がもっとも短くてもよい。いくつかの実施形態において、電極シャンク106は異なる先端形状を含むことができる。たとえば、もっとも長い電極シャンク106は尖った先端を含むことができ、その他の電極シャンク106は鈍い先端を含むことができる。
電極アレイ102の各電極シャンク106は少なくとも1つの電極200を含む。いくつかの実施形態において、電極シャンク106は導電性コアを含む。たとえば、電極シャンク106は白金イリジウムコアを含むことができる。電極シャンク106のコアは絶縁材料で封入されている。いくつかの実施形態において、電極200は、電極シャンク106のコアを環境に暴露する、絶縁材料を通過する窓によって画定される。電極200を画定する窓は、円形、長方形であることもできるし、電極シャンク106の周囲を巻くバンドを含むこともできる。いくつかの実施形態においては、電極シャンク106の先端から絶縁材料が除去されて、電極シャンク106の先端に電極を画定する。
各電極200は、その電極シャンク106の先端から所定の距離202のところにある。いくつかの実施形態において、図2に示すように、距離202は電極シャンク106ごとに異なる。他の実施形態において、電極200とその電極シャンク106の先端との間の距離202は各電極シャンク106に対して同じである。
各電極シャンク106のベースはコンタクトパッド204を含む。コンタクトパッド204は、電極シャンク106の導電性コアを介して電極200と電気的に連絡している。コンタクトパッド204は、電極シャンク106の導電性コアを露出させる、電極シャンク106の絶縁材料を通過する窓によって画定される。いくつかの実施形態において、コンタクトパッド204を形成するために露出する導電性コアの区域は、コンタクトパッド204へのワイヤボンディングを可能にするために金属で被覆される。たとえば、金の層が、コンタクトパッド204になる導電性コアの領域にスパッタリングされてもよい。
電極アレイ102のキャリア基板210は、各電極シャンク106（およびその上に画定された電極200）への電気接続を可能にし、また、電極シャンク106のための支持を提供する。いくつかの実施形態において、キャリア基板210はシリコンベースまたはポリイミドベースのキャリア基板である。キャリア基板210は、機械的に剛性の層であることができる。たとえば、キャリア基板210は、メタライズされるのに十分、かつワイヤボンディングおよび、いくつかの実施形態においては、はんだリフロー処理に耐えるのに十分な機械的剛性を有することができる。たとえば、キャリア基板210は、E. I. Du Pont de Nemours and Companyから市販されているKapton（商標）；ポリイミドによって被覆されたシリコン基板；メタライズされたアルミナまたは他のセラミック；二酸化ケイ素のような高温誘電体で被覆されたシリコン；ベンゾシクロブテン（BCB）；Dow Chemicalによって市販されているIntervia（商標）、多層共焼成セラミックまたは印刷回路積層材料、たとえばガラス繊維強化エポキシまたはビスマレイミド−トリアジン（BT）樹脂）を含むことができる。いくつかの実施形態において、キャリア基板210は剛性であり、他の実施形態において、キャリア基板210は可撓性である。キャリア基板210は複数のトレース206を含む。キャリア基板210の各トレース206は、電極シャンク106のコンタクトパッド204にワイヤボンディングされている。コンタクトパッド204にワイヤボンディングする端部とは反対側のトレース206の端部はコネクタで終端して、電極アレイ102をコントローラ110に電気的に結合することを可能にすることができる。たとえば、トレースは、たとえば、Omnetics Connector Corporation（Minneapolis MN）から市販されているNano Series Connector（商標）で終端することができる。
図3は、電極アレイを製造する例示的方法300のフローチャートを示す。たとえば、方法300は、図1および2に関連して上述した電極アレイ102を製造するために使用され得る。方法300は、金属層を剥離層に結合する工程（工程302）を含む。金属層をパターニングして複数の電極シャンクを形成する（工程304）。パターニングされた金属層を第一の剥離層から剥離させ、第二の剥離層に結合する（工程306）。次いで、金属層を絶縁材料に封入する（工程308）。電極およびコンタクトパッドを画定する窓を絶縁層に通して画定する（工程310）。封入された金属層を第二の剥離層から剥離させ、キャリア基板に結合する（工程312）。各電極シャンクを単体化する（工程314）。
図4A〜10Dは、方法300にしたがって電極アレイを製造する様々な工程における一連の断面図および平面図を示す。図4A、5A、6Aおよび7Aに示す断面図は、それぞれ図4B、5B、6Bおよび7BのA−A’線から見たものである。図4A〜10Dにおいて、類似の参照符号が類似の要素を指す。
図2、3、4Aおよび4Bを参照すると、電極アレイ102を製造する方法300は、金属層を剥離層に結合する工程（工程302）を含む。図4Aおよび4Bに示すように、金属層402が剥離層404に結合されている。第二の金属層406が第一の金属層402の少なくとも一部分に付着されている。
いくつかの実施形態において、第一の金属層402は、剥離層404に結合される箔である。箔は、白金イリジウム、金、パラジウムおよび他の導電性かつ生体適合性金属を含むことができる。いくつかの実施形態において、箔は、約2μm〜約50μm、約10μm〜約40μmまたは約20μm〜約30μmの厚さを有する。いくつかの実施形態において、箔の厚さは、箔が、標的組織に挿入されたとき、実質的に変形しないように十分な構造剛性を有するように選択される。
剥離層404は、金属層402を下にある基板から切り離すことを可能にする犠牲層である。いくつかの実施形態において、剥離層404は熱剥離テープまたは紫外線剥離テープである。使用される剥離層のタイプに依存して、テープが加熱される、または紫外線に暴露されると、テープ内の発泡剤が活性化し、膨張して、金属層を下にある基板から剥離させる。いくつかの実施形態において、剥離層は、金属層402を下にある基板から剥離させるために溶解またはアブレーションされるポリイミド、ポリアミド、フルオロポリマー、ベンゾシクロブテン、ポリフェニルキノキシレン、パリレン、ポリノルボルネン、ポリビニルアセテートまたはポリビニルエチレンを含む犠牲材料である。
いくつかの実施形態において、第二の金属層406が第一の金属層402上に付着される。いくつかの実施形態において、第二の金属層406は第一の金属層402の一部分だけに付着される。たとえば、図4Bに示すように、第二の金属層406は、第一の金属層402の一部分にかかるバンドとして付着される。いくつかの実施形態において、第二の金属層406の一部分がコンタクトパッド204を形成する。したがって、第二の金属層406の材料は、ワイヤボンディング手順に適合するように選択され得る。たとえば、第二の金属層406は金を含むことができる。金（または第二の金属層406の他の金属）の層は、約100オングストローム〜約500オングストローム、約200オングストローム〜400オングストロームまたは約200オングストローム〜約300オングストロームの厚さまで、第一の金属層302上にスパッタリングされ得る。いくつかの実施形態においては、マスクを使用して、第二の金属層406が付着されるところを限定する。
図2、3、5Aおよび5Bを参照すると、方法300は、金属層402（または金属層402および406）をパターニングして複数の電極シャンクを形成する工程（工程304）を含む。図示するように、金属層402および406は、5つの電極シャンク408を画定するようにパターニングされている。いくつかの実施形態においては、約2〜約128個、約2〜64個、約2〜32個または約8〜約16個のシャンク408が金属層にパターニングされる。いくつかの実施形態において、金属層402および406はレーザーアブレーションまたは化学もしくはプラズマエッチングされて電極シャンクを形成する。上記のように、パターニングされた金属層は、図2に関連して上述した電極シャンク106の導電性コアを形成する。
図3を参照すると、方法300はまた、パターニングされた金属層を剥離層から剥離させ、パターニングされた金属層を第二の剥離層に結合する工程（工程306）を含む。上記のように、剥離層は、剥離物質、たとえば所定の温度、紫外線または化学物質に暴露されたとき、金属層を下にある基板から剥離させるように構成されている。したがって、パターニングされた金属層を第一の剥離層404から剥離させるために、第一の剥離層404を剥離物質に暴露する。ひとたび第一の剥離層404から剥離すると、パターニングされた金属層は第二の剥離層に結合される。
第二の剥離層に結合されると、電極シャンク408の少なくとも一部分は、第二の剥離層の端部を越えて延びるように配置される。たとえば、各電極シャンク408の一部分が第二の剥離層から張り出して、電極シャンク408の下側を絶縁材料で被覆することができるようになる。
図3、6Aおよび6Bを参照すると、方法300は、金属層を絶縁材料で封入する工程（工程308）を含む。図示するように、各電極シャンク408の一部分が第二の剥離層411の端部を越えて延びる。絶縁材料412が金属層402および406の上に付着されている。図6Bは、第二の剥離層410を越えて延びる電極シャンク408の部分が支持されておらず、このことが絶縁層を電極シャンク408の各面に同時に付着させることを可能にすることを示す。いくつかの実施形態において、絶縁材料412は、蒸着によって適用されるコンフォーマルコーティングである。絶縁材料412は、電極アレイのその他の構成要素と適合性である温度でピンホールフリーの膜として付着させることができる生体適合性の絶縁体であることができる。いくつかの実施形態において、絶縁材料412は、低温化学蒸着（CVD）、物理蒸着（PVD）、原子層堆積（ALD）またはゾルゲル法によって付着されるパリレンC（または他の蒸着フルオロポリマー）、シリコーンまたはセラミック材料、たとえばアルミナまたは二酸化ケイ素である。いくつかの実施形態において、絶縁材料412は、約1μm〜約10μm、約2μm〜約8μmまたは約4μm〜約6μmの厚さになるように適用される。
図3、7Aおよび7Bを参照すると、方法300は、電極およびコンタクトパッドを絶縁層に通して画定する工程（工程310）を含む。電極414およびコンタクトパッド416は、絶縁材料412の一部分を除去して、絶縁材料412の下の金属層を露出させることによって画定される。たとえば、絶縁材料412をYAGレーザによってレーザアブレーションして金属層402または406を露出させることができる。レーザは、下にある金属層402または406を損傷することなく絶縁層412をアブレーションする波長を有するように構成される。
図2、3および8を参照すると、方法はまた、封入された金属層を第二の剥離層から剥離させ、封入された金属層をキャリア基板に結合する工程（工程312）を含む。図8は、キャリア基板418に結合された封入された金属層を示す。封入された金属層は、各電極シャンク408の一部分がキャリア基板418の端部を越えて延びるように、キャリア基板418の主面に対して平行に結合されている。キャリア基板418は、図2に関連して説明したキャリア基板210に類似している。封入された金属層は、接着剤、たとえば、ワイヤボンディングおよびリフローに耐えるのに十分に高いガラス転移温度（たとえば100℃超）を有するエポキシによってキャリア基板418に結合される。いくつかの実施形態において、シャンクを被覆する絶縁体をアブレーションしてシャンクの金属層を露出させて、接着剤が結合するための適合性の表面を提供する。いくつかの実施形態において、シャンクは、はんだまたは金属共晶系、たとえばAu/Snを使用して結合される。
キャリア基板418は、各電極414をキャリア基板418上のコネクタに結合するための多数のトレース420を含む。いくつかの実施形態において、キャリア基板418は電極シャンク408ごとに1つのトレース420を含み、各電極シャンク408を個々のトレース402に電気的に結合することができるようになっている。他の実施形態において、キャリア基板418は、電極シャンク408よりも少ないトレース420を含み、複数の電極シャンク408を各トレース402に電気的に結合することができるようになっている。
図3および9を参照すると、各電極シャンクを単体化する（工程314）。上記図に示すように、各電極シャンク408は共通のベース422を介して互いに結合されている。いくつかの実施形態において、各電極シャンク408が共通のベース422に結合している状態で各電極シャンク408を製造することは、製造上の複雑さを減少させる。理由は、共通のベース422が、電極シャンク408がキャリア基板418上に配置されている間に電極シャンク408に支持および剛性を提供するからである。ひとたびキャリア基板418に結合されると、共通のベース422を各電極シャンク408から切り離して電極シャンク408を単体化する。電極シャンク408は、共通のベース422に接続する各電極シャンク408の部分をレーザアブレーションまたはマイクロマシニングすることによって単体化することができる。いくつかの実施形態においては、単体化の前に各電極シャンク408の下部および共通のベース422がキャリア基板218に結合しているため、単体化の後も、共通のベース422はキャリア基板418に結合したままである。電極シャンク408が単体化された後、コンタクトパッド416は、たとえばワイヤボンディングによってトレース420に電気的に結合される。
上記のように、いくつかの実施形態において、複数列の電極シャンクを互いに積み重ねることによって三次元電極アレイが形成される。図10〜図12は、複数列の電極シャンクを互いに積み重ねる例示的方法を示す。図10は、図8に示したものと類似のキャリア基板418に結合された封入された金属層を示す。スペーシング材422が電極シャンク408の上部に結合されている。スペーシング材422は、電極シャンク408の列の間に間隔を提供する。いくつかの実施形態において、スペーシング材422は、約10μm〜約500μm、約10μm〜約400μm、約10μm〜約300μm、約10μm〜約200μm、約10μm〜約100μm、約10μm〜約50μmまたは約10μm〜約25μmの厚さを有する。スペーシング材422は、各電極シャンクを封入する非導電性材料、たとえば絶縁材料を含む。図示するように、スペーシング材422は、電極シャンク408およびキャリア基板418のベースに結合された別個の構成要素である。他の実施形態において、スペーシング材422は、封入された金属層の構成要素である。たとえば、電極シャンクの各列の間に間隔を設けるために、封入材料412のさらなる層を各電極シャンク408の一部分上にパターニングすることができる。
図11は、キャリア基板に結合された第二の封入された金属層の平面図を示す。第二の封入された金属層424は、図3A〜7Bに関連して説明した方法と同様に製造される。第二の封入された金属層424の電極シャンクは、第一の封入された金属層の電極シャンク408と整合される。第二の封入された金属層424の各電極シャンクは、第二の封入された金属層424のコンタクトパッド428を第一の封入された金属層のコンタクトパッド416からオフセットさせるオフセット部426を含む。ひとたび第二の封入された金属層424がスペーシング材422に結合されたならば、キャリア基板418の上に延びる第二の封入された金属層424の部分（たとえば、共通のベース430およびコンタクトパッド428に近い電極シャンクの部分）は、キャリア基板418の方向に曲げられ、キャリア基板418に結合される。
図12は、キャリア基板に結合された第一および第二の封入された金属層の平面図を示す。ひとたび封入金属層がキャリア基板418に結合されると、共通のベース422および430が各電極シャンクから切り離されて電極シャンクが単体化される。電極シャンクは、共通のベースに接続する各電極シャンクの部分をレーザーアブレーションまたはマイクロマシニングすることによって単体化することができる。電極シャンクが単体化された後、コンタクトパッド416および428は、たとえばワイヤボンディングによってトレース420に電気的に結合される。
また、図3を参照しながら、図13A〜13Dは、方法300の金属層をパターニングする工程（工程304）を実行するためのもう1つの例示的方法を示す。図13Aは、方法300の工程304の金属層をパターニングする第一段階の断面図を示す。第一の金属層502を、電気めっきまたはスパッタリングにより、剥離層504に付着させる。いくつかの実施形態において、第一の金属層は白金、パラジウム、ステンレス鋼および白金イリジウムを含む。
図13Bは、方法300の工程304の金属層をパターニングする第二段階の断面図を示す。第二段階において、第二の金属層508を第一の金属層502の上に付着させる。第二の金属層508は複数の金属突出部510を含む。いくつかの実施形態において、第二の金属層508の金属は銅である。いくつかの実施形態において、銅コアは、電極シャンクが固体白金である場合と比較して、電極シャンクのインピーダンスを減少させる。
図13Cは、方法300の工程304の金属層をパターニングする第三段階の断面図を示す。第三段階において、第三の金属層516を第二の金属層508に結合する。たとえば、第一の金属層502および第二の金属層508の上に第三の金属層516をスパッタリングまたは電気めっきすることによって。第三の金属層516が第二の金属層510の突出部510を封入する。いくつかの実施形態において、第三の金属層は第一の金属層502と同じ材料を含む。
図13Dは、方法300の工程304の金属層をパターニングする第四段階の断面図を示す。第一の金属層502および第三の金属層516を、上記電極シャンクを形成するようにパターニングする。いくつかの実施形態において、第一の金属層502および第三の金属層516は、レーザアブレーションを使用してパターニングされる、または化学もしくプラズマエッチングされる。
いくつかの実施形態においては、図13A〜13Dに示す段階を繰り返すことにより、積み重ねられた複数列の電極シャンク520を製造する。たとえば、図13Dに示す電極シャンク520の上に電極シャンクの第二の列を製造するために、犠牲層を第三の金属層516に適用する。次いで、図13A〜13Dに示す工程を繰り返して、金属突出部518の上に付着された犠牲層の上に電極シャンクの新たな列を創製する。ひとたび図13A〜13Dに示す段階を使用して金属層をパターニングしたならば、方法300を工程306から継続する。
また、図3を参照しながら、図14A〜14Gは、方法300の金属層を形成する工程（工程304）を実施するためのもう1つの例示的方法を示す。いくつかの実施形態においては、金属層を、付加製造法、たとえばMicrofabbrica Inc.（本拠地Van Nuys, CA）から市販されているMICA Freeform法によってパターニングする。
図14Aは、方法300の工程304の金属層をパターニングする第一段階の断面図を示す。第一の金属層600を犠牲層602の上に付着させる。いくつかの実施形態において、第一の金属層の形状はフォトリソグラフィによって画定される。たとえば、第一の金属層600のパターンをフォトレジスト上に転写する。次いで、第一の金属層600の金属を、フォトレジスト内に形成されたキャビティ内に電気めっきすることができる。その後、フォトレジストを溶解させて第一の金属層600を残すことができる。
図14Bは、方法300の工程304の金属層をパターニングする第二段階の断面図を示す。ひとたびフォトレジストを溶解させたならば、犠牲金属604を第一の金属層600の上に付着させる。いくつかの実施形態において、犠牲金属604は銅である。犠牲金属604を、第一の金属層600に達するまで平坦化して、第一の金属層600の上部を露出させ、第二の金属層のための平坦面を創製する。
図14Cは、方法300の工程304の金属層をパターニングする第三段階の断面図を示す。図14Aに関連して説明した方法と同様の方法で、第二金属層606を第一の金属層600の上に付着させる。いくつかの実施形態において、第二の金属層606は、電極シャンクの側壁を画定する。
図14Dは、方法300の工程304の金属層をパターニングする第四段階の断面図を示す。犠牲金属604のもう1つの層を第二の金属層606上に付着させる。犠牲金属604を、第二の金属層606に達するまで平坦化して、第一の金属層606の上部を露出させ、第三の金属層のための平坦面を創製する。
図14Eは、方法300の工程304の金属層をパターニングする第五段階の断面図を示す。図14Aに関連して説明した方法と同様の方法で、第三の金属層608を第二の金属層606の上に付着させる。いくつかの実施形態において、第三の金属層606は電極シャンクの上壁を画定する。
いくつかの実施形態において、図14A〜14Eに関連して説明した段階を繰り返して複数列の電極シャンクを創製する。図14Fは、二列の電極シャンクを有する電極アレイの断面図を示す。いくつかの実施形態においては、二列の電極シャンクの間に間隔を創出するために、複数層の犠牲金属604を付着させる。
図14Gは、方法300の工程304の金属層をパターニングする最終段階の断面図を示す。最終段階において、犠牲金属604を化学的にエッチングして除去する。犠牲金属コア610コアが第一、第二および第三の金属層によって完全に封入されているため、犠牲金属コア610（たとえば銅コア）が各電極シャンクの中心内に残り、それが、化学エッチングが犠牲金属コア610に達することを防ぐ。いくつかの実施形態において、犠牲金属コア610は、電極シャンクのインピーダンスおよび抵抗を減少させる。
開示されたシステムおよび方法は、それらの精神または本質的特徴を逸脱することなく、他の具体的な形態に具現化され得る。したがって、前記実施形態は、すべての点において、本発明を限定するものではなく、例示的であるとみなされる。

Claims (26)

  1. 複数の電極シャンクであって、該複数の電極シャンクのそれぞれが、第一の金属層に画定された導電性コアを含み、該複数の電極シャンクのそれぞれの間に約10μm〜約50μmのピッチを有する、複数の電極シャンク；
    該第一の金属層の少なくとも一部分を封入する絶縁層；
    該絶縁層に通して画定された第一の窓によって、該複数の電極シャンクのそれぞれに画定された電極；
    該絶縁層に通して画定された第二の窓によって、該複数の電極シャンクのそれぞれに画定されたコンタクトパッド；および
    キャリア基板であって、該複数の電極シャンクが、該キャリア基板から外方かつ該キャリア基板に対して平行に延びるように該キャリア基板の表面に結合されている、キャリヤ基板
    を含む、電極アレイ。
  2. 第一の複数の電極シャンクに結合された第二の複数の電極シャンクをさらに含む、請求項1記載の電極アレイ。
  3. 第二の複数の電極シャンクのそれぞれが、コンタクトパッドが該第二の複数の電極シャンクのそれぞれに画定されるオフセット部を含む、請求項2記載の電極アレイ。
  4. 複数の電極シャンクのそれぞれが約5μm〜約100μmの幅である、請求項1記載の電極アレイ。
  5. 複数の電極シャンクのそれぞれが約5μm〜約15μmの幅である、請求項1記載の電極アレイ。
  6. 複数の電極シャンクが約2個〜約32個の電極シャンクを含む、請求項1記載の電極アレイ。
  7. 複数の電極シャンクのそれぞれに画定された各電極が、それぞれの電極シャンクの先端から異なる距離のところに画定されている、請求項1記載の電極アレイ。
  8. キャリア基板の少なくとも一部分が可撓性である、請求項1記載の電極アレイ。
  9. 第一の金属層が白金イリジウム箔を含む、請求項1記載の電極アレイ。
  10. 箔が厚さ約10μm〜約40μmである、請求項9記載の電極アレイ。
  11. 複数の電極シャンクのそれぞれが銅コアをさらに含む、請求項1記載の電極アレイ。
  12. 複数の電極シャンクのそれぞれのコンタクトパッドが、ワイヤボンディングによってキャリア基板のトレースに電気的に結合されている、請求項1記載の電極アレイ。
  13. 第一の金属層に第一の複数の電極シャンクを形成する工程であって、該複数の電極シャンクのそれぞれの間のピッチが約10μm〜約50μmである、工程；
    該第一の複数の電極シャンクのそれぞれの少なくとも一部分を絶縁材料に封入する工程；
    該第一の複数の電極シャンクのそれぞれを封入する該絶縁材料を通過する窓を画定する工程；
    該複数の電極シャンクが、該複数の電極シャンクが結合される該キャリア基板から外方かつ該キャリア基板に対して平行に延びるように、該第一の複数の電極シャンクをキャリア基板に結合する工程
    を含む、電極を製造する方法。
  14. 複数の電極シャンクの一部分を封入する前に、第一の金属層の少なくとも一部分上に金層を付着させる工程をさらに含む、請求項13記載の方法。
  15. 付着された金層の上で第一の複数の電極シャンクのそれぞれを封入する絶縁材料を通過する第二の窓を画定する工程をさらに含む、請求項14記載の方法。
  16. 第一の複数の電極シャンクのそれぞれをキャリア基板の電気トレースにワイヤボンディングする工程をさらに含む、請求項13記載の方法。
  17. 絶縁材料をレーザーアブレーションすることによって該絶縁材料を通過する窓を画定する工程をさらに含む、請求項13記載の方法。
  18. 第一の複数の電極シャンクをキャリア基板に結合した後、該第一の複数の電極シャンクのそれぞれを単体化する工程をさらに含む、請求項13記載の方法。
  19. 第一の金属層が白金イリジウム箔を含む、請求項13記載の方法。
  20. 第一の金属層をパターニングの前に第一の剥離層に結合する工程；
    パターニングされた第一の複数の電極シャンクを該第一の剥離層から剥離させる工程；および
    該パターニングされた第一の複数の電極シャンクを第二の剥離層に結合する工程
    をさらに含み、該パターニングされた第一の複数の電極シャンクのそれぞれの一部分が該第二の剥離層の縁を越えて延びる、請求項13記載の方法。
  21. 第一の金属層の一部分上に銅層を付着させる工程をさらに含む、請求項13記載の方法。
  22. 銅層を第二の金属層で封入する工程をさらに含む、請求項21記載の方法。
  23. 絶縁材料を化学蒸着によって複数の電極シャンクの一部分上に付着させる工程をさらに含む、請求項13記載の方法。
  24. 第一の金属層を犠牲層上に付着させる工程であって、該第一の金属層が第一の複数の電極シャンクの面を画定し、該複数の電極シャンクのそれぞれの間のピッチが約10μm〜約50μmである、工程；
    第一の犠牲金属層を該第一の金属層および該犠牲層の少なくとも一部分上に付着させる工程；
    該第一の犠牲金属層および該第一の金属層を平坦化して第一の層を形成する工程；
    該第一の複数の電極シャンクのそれぞれの壁を画定する第二の金属層を、該第一の層上に付着させる工程；
    第二の犠牲金属層を該第二の金属層および第一の層の少なくとも一部分上に付着させる工程；
    該第二の犠牲金属層および該第二の金属層を平坦化して第二の層を形成する工程；
    該第一の複数の電極シャンクのそれぞれの第二の面を画定する第三の金属層を、該第二の層上に付着させる工程；
    第三の金属犠牲層を該第三の金属層および第二の層の少なくとも一部分上に付着させる工程；
    該第三の犠牲金属層および該第三の金属層を平坦化して第三の層を形成する工程；および
    該第一、第二および第三の犠牲金属層の少なくとも一部分を溶解させる工程
    を含む、電極を製造する方法。
  25. 第一、第二および第三の犠牲金属層が銅を含む、請求項24記載の方法。
  26. 第一、第二および第三の金属層がパラジウムを含む、請求項24記載の方法。
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