JP6495258B2 - 可撓性導体トラックアレンジメント及び製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、所望の形状へと変形され得るように可撓性である、遠隔地間で信号又は電力を伝導するための導体トラックアレンジメントに関する。この変形は、例えば、トラックが最小限の量の空間を占めるように、担体の周りにトラックが密着して巻かれ得るために望ましい。

また、本発明は、担体の周りに巻かれた導体トラックアレンジメントを含む導体アレンジメントに関する。

また、本発明は、ニューロンの刺激又は感知のための埋込み可能な装置に関する。

更に、本発明は、導体トラック及び導体アレンジメントを形成する方法に関する。

担体の周りに導体トラックを密着して巻くことは、導体トラックを（人間及び／又は動物の）体内に一時的又は永続的に挿入すること（埋込み型）による、体内でのニューロン信号の刺激及び／又は検知のために用いられ得る医療装置において、よく用いられている。導体トラックは、例えば、体内にある感知及び／又は刺激装置と、体外にある処理ユニット及び回路との間で、信号を中継するために必要とされる。装置の挿入可能な／埋込み可能な部分は、通常、かなり小さな特定の寸法を有する必要がある。寸法は、個別の実現形態に依存する。斯様な実現形態の具体的な既知の例は蝸牛埋込み（人工内耳）であるが、脳（深部）刺激装置又は筋肉刺激装置等の他の実現形態も考えられる。本発明は、全ての斯様な装置のために用いられ得る。

例えば、人間の耳の蝸牛は、音の知覚に不可欠な有毛細胞を含む。音の振動が蝸牛の特定の構造物を撓ませ、これが今度は有毛細胞を撓ませる。これは、有毛細胞における電気インパルスを開始させ、電気インパルスは聴神経の線維に伝達され、最終的には脳に伝達される。

人間の聴力喪失の一部の例は、有毛細胞の大規模な破壊に起因する。この破壊が起こるとき、その他の点では蝸牛の構造物は実質的に損傷がなく、聴神経は部分的に又は全く損傷がないにもかかわらず、聴覚反応は著しく低下するか、又は失われる。

蝸牛埋込み（蝸牛インプラント）は、内耳の内部の聴神経を直接刺激する。従来の蝸牛埋込みシステムでは、マイクロフォンが環境から音を取得する。次いで音は、信号を様々な周波数帯域へと分割するために、高速フーリエ変換等の様々なフィルタバンク戦略を用いて、スピーチプロセッサによって選択的にフィルタリングされる。信号は処理されると、次いで、外耳の後ろに設置された磁石によって定位置に保持されるコイルである送信器へと送信される。この送信器は、処理された信号を電磁誘導によって体内の装置に送信する。

受信器は、耳の後ろで頭蓋骨に埋め込まれ、信号を電気インパルスへと変換し、電気インパルスを内部ケーブルを通じて電極に送信する。従来の蝸牛埋込みは、複数の白金電極又は類似の導電性材料で作られ、これが白金線に接続され、シリコーン体に埋め込まれる。次いでこれらの電極は、電流が電極を経由するときに電界を生成することによって、聴神経繊維を刺激する機能を果たす。

蝸牛埋込みの設置が蝸牛構造体を損傷しないように、蝸牛埋込みは小さな挿入領域を有するべきであることが知られている。おそらく常に必要とは限らないが、脳（深部）刺激又は他の目的のための埋込みも、より小さな挿入領域から恩恵を受ける見込みがある。これは、挿入可能な装置の、特に蝸牛装置のためのケーブル寸法に制約を課す。

１つの既知のデザインは、電極の長いストリップに基づき、このとき当該ストリップは、螺旋状ストリップの蝸牛埋込みを形成するように担体の周りに巻かれる。これは、蝸牛内への挿入のための所望の管形状を提供する。このタイプのアレンジメントの例は、例えば米国特許出願公開第２０１２／０３１０２５８号に開示されている。電極デザインは、導体層と、別々の電極ラインの絶縁を提供するための誘電体層とを含む。電極デザインは、ストリップがどれだけ密着して巻かれ得るかに対する制限を与え、これは、今度は、管がどれだけ小さく作られ得るかに対する、ひいては挿入領域に対する制限を与える。特に、小さすぎる曲げ半径でストリップを曲げることは、構造体を形成する１以上の層の損傷の原因となる恐れがある。したがって、より小さな挿入領域を有する、改善された挿入可能な／埋込み可能な装置の必要性がある。

本発明の目的は、前述の問題に関して改善された挿入可能な／埋込み可能な装置を提供することである。

課題は、独立請求項によって規定される本発明によって解決される。従属請求項は、有利な実施形態を提供する。

トラックの略平面に対して垂直な波形を提供することによって、アレンジメントの曲げ性能は改善され、したがって波形のない場合よりも、よりきつい曲げが形成され得る。予め曲げた状態は、アレンジメントを扱いにくい（巻かれた）状態に置く必要なしに、アレンジメントが好都合に製造され得る、非応力形態である。したがって、波形の構造体は、構造体において応力を引き起こすものである製造後に形成されるのではなく、製造されるデザインの一部である。

波形は、０．５μｍ〜１０μｍ、より好ましくは１μｍ〜２μｍの範囲内の高さを有し、５μｍ〜５０μｍ、より好ましくは５μｍ〜１０μｍの範囲内のピッチを有する。構造体は、薄膜に基づいて形成される。膜の一部はプラスチック等の有機／ポリマ材料で作られる。

導体トラックは細長い。長さは、１ｃｍから望ましいだけの長さまで幅がある。典型的な長さ範囲は、５ｃｍ〜４０ｃｍの間、１０ｃｍ〜４０ｃｍの間、又は２０ｃｍ〜３０ｃｍの間に及ぶ。導体トラックのセットは、（例えば１６トラックといった）１０トラック〜３０トラックを含み、（例えば０．６ｍｍといった）０．２ｍｍ〜１．０ｍｍの全幅を有する。ワイヤは、例えば１７μｍ幅であり、１７μｍ間隔を有する。

第１の絶縁体層及び第２の絶縁体層は各々、金属層に隣接するセラミックのサブ層と、外側のポリマのサブ層とを含む。したがって、複数の層は、所望の絶縁特性を提供するためだけでなく、イオンバリアを提供するためにも用いられ得る。例えば、下方のセラミック層は５００ｎｍのＬＰＣＶＤセラミック層を含み、金属層は両側を２５０ｎｍの白金によって、上部を５００ｎｍのＰＥＣＶＤセラミック層によって封止される２μｍの金層を含む。セラミックは、ＳｉＮ／ＴＥＯＳによってもよい。構造体は、必要な場合には電極の暴露のために部分的に開放される（例えば５μｍといった）パリレンに封入される。

可撓性導体トラックアレンジメントを含む導体アレンジメントは、可撓性導体トラックアレンジメントにおける波形によって可能とされる導体トラックアレンジメントのより密着した巻きのおかげで、より小さな挿入領域を有し得る。したがって、（例えば、担体が管形状である場合の直径といった）担体の１以上の断面寸法は、１ｍｍ未満であるか、又は蝸牛装置のために好ましいように０．５ｍｍ未満である。担体は、所望により多数の形状を有してよい。形状の例は、長方形、楕円形、円形の断面又は他の断面さえ有する管状又は円筒状を含む。好ましくは、断面は楕円形又は円形である。担体は、ある場所で別の場所よりも小さな断面を有してもよい。したがって、担体は円錐状であるか、又は最小寸法が１ｍｍ未満又は０．５ｍｍ未満でさえある、様々であるが一定の直径の複数の区間を有してもよい。代替的に、担体は、棒の延在方向に延在する幾分丸みを帯びた縁を有する棒形状であってもよい。

可撓性導体トラックアレンジメントは、様々な態様で担体の周りに巻かれる。可撓性導体トラックアレンジメントは、担体が延在する方向に対して垂直に延在するトラックで巻かれる。しかしながら、好ましくは、可撓性導体トラックアレンジメントは、担体の周りに螺旋状に巻かれる（図参照）。

上述の利点は、蝸牛領域で用いられ得る、導体トラックを含む挿入可能な又は埋込み可能な装置を可能にする。斯様な装置は、より小さな挿入領域に基づく有利な効果及び／又は装置の信頼性を失うことなく、例えば脳（深部）刺激又は筋肉神経刺激等の他の分野でも用いられ得る。

本発明の方法は、変形によってよりもむしろ製造において、波形の構造体を提供する。接着剤層が熱剥離層である場合、接着剤層の除去は、加熱等の物理的方法を用いて行われてもよい。好ましくは、接着剤層は溶剤中で溶解し、接着剤層の除去は溶剤中での溶解によって行われる。段状の層は、例えば０．５μｍ〜１０μｍ、より好ましくは１μｍ〜２μｍの範囲内の高さと、５μｍ〜５０μｍ、より好ましくは５μｍ〜１０μｍの範囲内のピッチとを有する、一連の隆起部を含む。

本発明の実施例は、添付の図面を参照して詳細に説明される。

例えば蝸牛埋込みで用いられるような、管状支持体の周りに螺旋状に巻かれる導体トラックアレンジメントを示す。 既知のトラックアレンジメントの、当該アレンジメントの長さと交差する断面を示す。 既知のトラックアレンジメントの、当該アレンジメントの長さに沿った断面を示す。 本発明のトラックアレンジメントの、当該アレンジメントの長さに沿った断面を示す。 本発明による方法の一実施例の第１の製造ステップを示す。 図５のステップの終了後の構造体に対応する、本発明のトラックアレンジメントのトラックの形状を斜視図で示すために用いられる。 本発明による方法の実施例の更なる製造ステップを示す。 本発明のトラックの第１の実施例を平面図で示す。 本発明のトラックの第２の実施例を平面図で示す。

本発明は、アレンジメントが略平面であるが予め曲げた状態を有する、可撓性導体トラックアレンジメントを提供する。導体トラックは、金属層から形成され、上下を絶縁体層によって覆われている。細長い導体トラックは略平面であるが、当該略平面に対して垂直に局所的に波形とされる。これは、例えば導体トラックを用いて密着巻きを形成するための、改善された巻き性能を可能にする。

図１は、例えば蝸牛埋込みや脳深部刺激埋込みにおいて用いられ得るような、断面１１を有する管状区間１６を有する管状支持体１２の周りに、螺旋状に巻かれた導体トラックアレンジメント１０を示す。トラックは、蝸牛内への埋込みのための電極アレンジメント１４で終点となり、トラックアレンジメントの反対端は、信号を電極アレンジメントに送信するための送信器に結合する。送信器は例えば患者の体内に取り付けられ、マイクロフォン入力に応じて必要な信号を生成する、ユーザによって着用されるイヤピースと無線誘導通信する。

図２は、既知のトラックアレンジメントの、当該アレンジメントの長さと交差する断面を示す。トラックは、例えば金又は白金の平坦な金属トラック２０として形成され、上下を（例えば窒化ケイ素又は酸化ケイ素といった）セラミック層２２等の絶縁体と、パリレン又はポリイミド等のポリマ保護層２４とで被覆される。

図３は、既知のトラックアレンジメントの、当該アレンジメントの長さに沿った断面を示し、トラックは当該トラックの長さに沿って平坦であることを示す。

このアレンジメントは、あまりに急激に曲げられた場合に損傷される恐れがある。図１に示される巻きを実行するときに、図３における矢印で示される方向に曲げが起こる。適用され得る曲率半径は、層の物理的特性及び機械的特性によって制限される。

図４は、本発明のトラックアレンジメントの、当該アレンジメントの長さに沿った断面を示す。

アレンジメントは、やはり略平面であり、トラックの上下に同様の絶縁層と保護層とを有する。しかしながら、トラックは、アレンジメントの略平面に対して垂直に局所的に波形とされる。

波形は、トラックの長さに沿って高さのバリエーションを提供し、これは、より高い曲げ力に耐えられることを可能にする。結果として、より小さな曲げ半径が用いられ得る。

装置は、平面形態における製造後に波形状へと変形されるよりもむしろ、波形状を有して製造される。これは、波形状が非応力形態に関するものであることを意味する。また、これは、（平面状態における）製造が、巻かれた状態で製造するときよりも単純であることを意味する。

波形は、例えば０．５μｍ〜１０μｍ、より好ましくは１μｍ〜２μｍの範囲内の高さを有する。この高さは、図４においてｈとして示され、例えば、所与の層の波形の底部での最上部から、所与の層の波形の頂部での最上部までの、高さにおける変化である。波形は、５μｍ〜５０μｍ、より好ましくは５μｍ〜１０μｍの範囲内のピッチを有する。これは、図４においてｐとして示される。

全長は、例えば２０ｃｍ〜３０ｃｍの範囲内である。単一の膜が、例えば１７μｍ幅で、１７μｍ間隔を有する、１６本のワイヤを含む。膜全体は、典型的には０．６ｍｍ幅である。

本発明の導体トラックアレンジメントは、上に様々な層が堆積される輪郭の付いた初期基板を提供することによる、可撓性導体のための既知の製造方法を修正することによって製造される。

例として、第３１回ＩＥＥＥ ＥＭＢＳの年次国際会議（Minneapolis, USA, September 2-6, 2009）において提示されたKe Wang等の論文「Towards Circuit Integration on Fully Flexible Parylene Substrates」は、金属電極層が上下に酸化物層を有し、当該酸化物層の上下にパリレン層を有するマイクロ電極構造体を製造するための方法を開示している。工程において、２つの対向する犠牲基板が用いられる。以下に説明されるとおり修正された開示されている当該方法が、本発明の装置を製造するのに用いられる。したがって、この論文は参照により本明細書に全体が組み込まれる。

図５は、本発明による方法の一実施例の製造ステップの第１のサブセットを示し、特に、図５ｂを参照して下記に説明される段状の支持層を提供することによって、上記で参照されたKe Wang等の論文において開示される工程に対する修正であるものとしてみなされる。

図５ａは、シリコンウェハ等の基板５０を示し、基板５０の上に、ＬＰＣＶＤによって堆積された窒化ケイ素等のエッチング停止層５２が提供される。

図５ｂは、エッチング停止層５２の上に提供される段状の層５４を示す。この段状の層５４はアルミニウム等の金属層であるが、他の材料が用いられてもよい。下記で分かるように、この層は後でエッチング除去されるので、段状の層５４は、用いられるエッチング工程に適合するように選択される。

示される実施例では、層５４は、一段高い隆起部を提供する離間した島部を含む。一実施例では、隆起部は０．５μｍ〜１０μｍ、より好ましくは１μｍ〜２μｍの範囲内の高さを有し、また、隆起部は５μｍ〜５０μｍ、より好ましくは５μｍ〜１０μｍの範囲内のピッチを有する。隆起部は、その後に堆積される導体層における波形を規定する。

図５ｂにおいて、島部は傾斜した縁を有することが分かる。アルミニウムは、マスクするフォトレジストが準備されるとき、ウェットケミカルエッチング工程（ＰＥＳエッチング液）においてエッチングされ得る。代替的に、金属薄膜は、イオンビームエッチャにおいてエッチングされてもよく、角度は（材料特性である）最大スパッタ収率の角度によって規定される。

図５ｃにおいて示されるように、段状の層の上側に、酸化ケイ素若しくは窒化ケイ素、又は酸化物‐窒化物‐酸化物（ＯＮＯ）スタック等のセラミック層を含む第１の絶縁体層５６が形成される。第１の絶縁体層５６の上に金属層５８が形成され、金属層５８は細長い導体トラックを形成するようにパターン形成される。金属は白金である。

図６は、パターン形成された導体トラックの形状をより明確に示すために、この工程の時点での構造を斜視図で示す。絶縁体層５６は、明瞭性を高めるために省略されている。示されるように、細長い導体トラック５８は略平面であるが、段状の層に対応する形状を有して、略平面に対して垂直に局所的に波形とされる。

図７は、続行する製造ステップを示す。

図７ａは、金属層の上への第２の絶縁体層６０（やはり、酸化ケイ素若しくは窒化ケイ素、又は層のスタック）の追加を示し、この後にパリレン等のポリマ絶縁保護層６２が続く。絶縁体層６０、６２は、絶縁体アレンジメント全体のサブ層としてみなされる。絶縁体アレンジメントは、これらのタイプの層のどちらか一方又は両方（すなわち、セラミック層及び／又はポリマ層）を含んでよい。

構造体はこの段階で、溶解性接着剤６６を用いて、第１の基板５０の反対側で第２の基板６４に接着される。このとき第２の基板６４が支持を提供するので、図７ｂは逆さにされた構造体を示す。次いで第１の基板５０は、エッチング停止層５２のところまでのエッチングによって除去される。

図７ｃにおいて示されるように、次いでエッチング停止層と段状の層とがエッチング除去される。オプションで、エッチング停止層は、一部分が残ることが望ましい場合、パターン形成されてもよい。例えば、ウェットＡｌエッチングが用いられる。次いで第１の絶縁体層５６の上に第２のポリマ層７０が堆積される。やはり、２つの層５６、７０は、絶縁体アレンジメント全体のサブ層としてみなされ、ポリマ絶縁体のサブ層及びセラミック絶縁体のサブ層の一方又は両方を有してよい。

次いで第２の基板６４を除去するために接着剤６６が溶解され、図７ｄに示されるような完成した製品がもたらされる。

導体トラックは、高さにおいて蛇行するが、絶縁アレンジメントによって完全に覆われて、トラック間の電気的離間だけでなく、巻かれるときのトラックの有効な重なりを提供する。これは、低減された曲げ半径及び改善されたロバスト性を可能にする。構造体は、更なる捻り力及び伸長力に対処することができる。

導体トラックは、図８において平面図で示されるような直線状である。しかしながら、導体トラックは、図９に示されるように略平面においても蛇行してよく、ここで点線は垂直な波形における段を示す。この構造体は、２つの直交する平面において効率的に波形を有する。これは、直交方向における曲げの動作を改善し、したがって、例えば、巻かれた管状の装置の曲げ性能が改善される。

本発明は、上述のように、脳深部埋込みや蝸牛埋込みに適用され得る。しかしながら、本発明は、より一般的に、電極アレンジメントが、何らかのきつい曲げ及びそれ程きつくない他の曲げを含む所望の形状へと変形されることを可能にする。本発明は、人間又は動物内に挿入可能な又は埋込み可能な装置に対し、また、一般的に小型化の要求がある神経刺激のアプリケーション一般に対し、広く関心が持たれる。別の実施例は、脊椎埋込みである。

一実施例として、導体トラックアレンジメントは、本明細書に全体が組み込まれる米国特許出願公開第２０１２／０３１０２５８号に説明されるような蝸牛装置において用いられ得る。このときアレンジメントは、説明されるように担体の周りに巻かれる。本発明による装置は、各々が様々な断面を有する２以上の区間１６を有する（断面及び区間の意味に関しては図１を参照されたい）。完成した装置に補助的な機能（信号源、プロセッサセンサ等）が加えられてもよい。必要とされる機能性を導体トラックアレンジメントに組み込むことによって、他の埋込み可能又は挿入可能な装置が困難を伴うことなく同様に作られ得る。

当業者によって、特許請求された発明を実施するにあたり、図面、明細書、及び添付の請求項の研究から、開示された実施形態の他のバリエーションが理解され達成されることができる。請求項で、「含む」の文言は他の要素又はステップを除外するものではなく、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は複数を除外するものではない。特定の手段が、相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組合せを有利に使用できないことを意味するわけではない。請求項のいかなる参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (15)

1. 金属層から形成される導体トラックのセットと、
   前記導体トラックの上側の第１の絶縁体層と、
   前記導体トラックの下側の第２の絶縁体層と、
   を含む可撓性導体トラックアレンジメントであって、前記可撓性導体トラックアレンジメントは、当該可撓性導体トラックアレンジメントが非応力形態を有する予め曲げた状態に製造されている、当該予め曲げた状態を有し、前記予め曲げた状態では、第１平面内で略平面であり、
   前記導体トラックは、前記第１平面内に延在し、前記第１平面に対して垂直に局所的に波形とされ、
   前記第１の絶縁体層及び前記第２の絶縁体層は各々、前記金属層に隣接するセラミックのサブ層と、外側のポリマのサブ層とを含む、
   可撓性導体トラックアレンジメント。
2. 前記波形は、０．５μｍ〜１０μｍの範囲内の高さを有する、請求項１に記載の可撓性導体トラックアレンジメント。
3. 前記波形は、５μｍ〜５０μｍの範囲内のピッチを有する、請求項１又は２に記載の可撓性導体トラックアレンジメント。
4. 前記導体トラックの長さは１０ｃｍ〜４０ｃｍの範囲内である、請求項１乃至３の何れか一項に記載の可撓性導体トラックアレンジメント。
5. 前記導体トラックのセットは、１０トラック〜３０トラックを含む、請求項１乃至４の何れか一項に記載の可撓性導体トラックアレンジメント。
6. 前記導体トラックのセットは、０．２ｍｍ〜１．０ｍｍの間の全幅を有する、請求項１乃至５の何れか一項に記載の可撓性導体トラックアレンジメント。
7. 担体と、
   前記担体の周りに巻かれる、請求項１乃至６の何れか一項に記載の可撓性導体トラックアレンジメントと、
   を含む、導体アレンジメント。
8. 前記担体は、管形状又は円筒形状を有する区間を含む、請求項７に記載の導体アレンジメント。
9. 前記区間内の少なくとも１つの場所において、前記担体は、１ｍｍ未満又は０．５ｍｍ未満の断面寸法を有する断面を含む、請求項８に記載の導体アレンジメント。
10. 前記断面は円形であり、前記断面寸法は直径である、請求項９に記載の導体アレンジメント。
11. 信号源と、
    センサ及び／又は刺激ユニットと、
    前記信号源と、前記センサ及び／又は刺激ユニットとに接続される、請求項７乃至１０の何れか一項に記載の導体アレンジメントと、
    を含む、ニューロンを感知及び／又は刺激するための装置。
12. 前記センサ及び／又は刺激ユニットは、前記可撓性導体トラックアレンジメントに組み込まれる、請求項１１に記載の装置。
13. 第１の基板を提供するステップと、
    前記基板の上にエッチング停止層を提供するステップと、
    前記エッチング停止層の上に段状の層を提供するステップと、
    前記段状の層の上側に第１の絶縁体層を形成するステップと、
    前記第１の絶縁体層の上に金属層を形成し、細長い導体トラックを形成するように当該金属層をパターン形成するステップと、
    前記金属層の上に第２の絶縁体層を形成するステップと、
    溶解性接着剤を用いて、構造体を前記第１の基板の反対側で第２の基板に接着するステップと、
    前記第１の基板を前記エッチング停止層までエッチング除去するステップと、
    前記エッチング停止層と前記段状の層とをエッチング除去するステップと、
    前記第２の基板を除去するために前記接着剤を溶解するステップと、
    を含み、
    前記第２の絶縁体層を形成するステップは、前記金属層に隣接するセラミックのサブ層と、外側のポリマのサブ層とを形成するステップを含み、前記段状の層の上側に形成される前記第１の絶縁体層はセラミックのサブ層を含み、前記第１の基板をエッチング除去する前記ステップの後に、外側のポリマのサブ層を形成するステップを更に含み、
    前記細長い導体トラックは略平面であるが、前記段状の層に対応する形状を有して、前記略平面に対して垂直に局所的に波形とされる、
    可撓性導体トラックアレンジメントを形成する方法。
14. 前記段状の層は、０．５μｍ〜１０μｍの範囲内の高さを有する一連の隆起部を含み、前記隆起部は５μｍ〜５０μｍの範囲内のピッチを有する、請求項１３に記載の方法。
15. １ｍｍ未満又は０．５ｍｍ未満の直径を有する管状の担体の周りに、前記可撓性導体トラックアレンジメントを螺旋状に巻くステップを更に含む、請求項１３又は１４に記載の方法。

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