Результат интеллектуальной деятельности: СТРУКТУРА НА ОСНОВЕ ГИБКИХ ТОКОПРОВОДЯЩИХ ДОРОЖЕК И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к структуре на основе токопроводящих дорожек для передачи сигналов или электропитания между удаленными местоположениями, которая является гибкой, чтобы ее можно было деформировать для придания нужной формы. Эта деформация желательна, например, чтобы дорожки можно было плотно намотать вокруг держателя, чтобы они занимали минимальное пространство.

Настоящее изобретение также относится к структуре на основе проводников, содержащей структуру на основе токопроводящих дорожек, намотанных вокруг держателя.

Настоящее изобретение также относится к имплантируемому устройству для стимуляции или обнаружения нейронов.

Настоящее изобретение дополнительно относится к способу формирования токопроводящих дорожек и структуре на основе проводников.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Плотная намотка токопроводящих дорожек вокруг держателя часто используется в медицинских устройствах, которые могут быть использованы для стимуляции и/или обнаружения сигналов нейронов в организме (человека и/или животного) посредством их введения в тело на временной или постоянной основе (имплантация). Токопроводящие дорожки нужны, например, для передачи сигналов между датчиком и/или устройством для стимуляции в организме и блоками обработки и электрическими схемами вне организма. Вводимая/имплантируемая часть устройства должна обладать некоторыми размерами, которые обычно достаточно малы. Размеры зависят от конкретного варианта осуществления. Конкретными известными примерами таких вариантов осуществления являются имплантаты улитки уха, но могут быть разработаны другие варианты, такие как устройства для стимуляции головного мозга (глубокие области) или устройства для стимуляции мышц. Настоящее изобретение может быть использовано для всех таких устройств.

Например, улитка уха человека содержит волосковые сенсорные клетки, которые существенны для восприятия звука. Звуковые вибрации деформируют некоторые структуры улитки уха, которые, в свою очередь, деформируют волосковые сенсорные клетки. При этом инициируются электрические импульсы в волосковых сенсорных клетках, которые передаются на волокна слухового нерва и, в конечном итоге, на головной мозг.

Некоторые случаи потери слуха у людей связаны с обширной деструкцией волосковых сенсорных клеток. Когда это происходит, хотя структуры улитки уха в остальном могут быть по существу не затронуты, и слуховой нерв может быть частично или полностью не затронут, слуховая реакция в значительной степени нарушена или отсутствует.

Имплантаты улитки уха непосредственно стимулируют слуховые нервы внутри внутреннего уха. В традиционной системе имплантата улитки уха микрофон принимает звук от внешнего окружения. Звук затем выборочно фильтруется процессором речевых сигналов с использованием различных стратегий наборов фильтров, таких как быстрое преобразование Фурье, чтобы разделить сигнал на различные полосы частот. После обработки сигнал затем передается на передающий датчик, катушку, удерживаемую в положении посредством магнита, расположенного позади внешнего уха. Этот передающий датчик передает обработанный сигнал на внутреннее устройство посредством электромагнитной индукции.

В череп позади уха внедряется приемник, который преобразует сигнал в электрические импульсы и посылает их по внутреннему кабелю на электроды. Обычные имплантаты улитки уха изготовлены из нескольких платиновых электродов или аналогичного проводящего материала, присоединенного к платиновой проволоке и заключенного в силиконовый корпус. Эти электроды затем действуют для стимуляции волокон слухового нерва посредством генерирования электрического поля, когда на них подается электрический ток.

Известно, что имплантат улитки уха должен обладать малой областью для введения, чтобы при установке имплантата улитки уха не были повреждены структуры улитки. Хотя это, возможно, и необязательно, имплантаты для стимуляции головного мозга (глубоких областей) или других целей по всей вероятности также выигрывают от меньшей области для введения. Это накладывает ограничения на размеры кабеля вводимого устройства и, в частности, на устройство улитки уха.

Одна из известных конструкций основана на длинной полоске электродов, которые затем наматывают вокруг держателя для формирования имплантата улитки уха со спиральной полоской. Это обеспечивает нужную трубчатую форму для введения в улитку уха. Пример этого типа схемы предложен в публикации US 2012/0310258. Конструкция электродов включает проводящие слои и слои диэлектрика, чтобы обеспечивать изоляцию различных линий электродов. Конструкция электродов обеспечивает предел того, насколько плотно может быть намотана полоска, и это, в свою очередь, обеспечивает предел того, насколько малой может быть изготовлена трубка и, таким образом, область для введения. В частности, изгибание полоски с радиусом изгиба, который слишком мал, может привести к повреждению одного или более слоев, формирующих эту структуру. Следовательно, существует потребность в улучшенном вводимом/имплантируемом устройстве с меньшей областью для введения.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является обеспечение улучшенного вводимого/имплантируемого устройства в отношении упомянутой выше проблемы.

Эта проблема решается настоящим изобретением, как определено в независимых пунктах формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения предусматривают предпочтительные варианты осуществления.

За счет обеспечения гофрированной структуры, перпендикулярной основной плоскости дорожек, характеристики изгибания структуры улучшаются, так что могут быть сформированы более плотные изгибы, чем без гофрирования. Состояние предварительного изгибания создает конструкцию без напряжения, в которой структура обычно может быть изготовлена без необходимости ее перевода в технически сложное (намотанное) состояние. Таким образом, гофрированная структура не формируется после изготовления, что могло бы вызвать в этой структуре напряжение, а вместо этого составляет часть изготовленной конструкции.

Гофрированная структура может обладать высотой гофра в диапазоне от 0,5 до 10 мкм, более предпочтительно от 1 до 2 мкм, и шаг гофрирования может составлять в диапазоне от 5 до 50 мкм, более предпочтительно от 5 до 10 мкм. Структура может быть сформирована на основе тонких пленок. Часть пленок может быть изготовлена из органических/полимерных материалов, таких как пластмассы.

Токопроводящие дорожки могут быть удлиненными. Длина может меняться от 1 см до любой нужной длины. Типичные диапазоны длины составляют от 5 до 40 см, от 10 до 40 см или от 20 до 30 см. Набор токопроводящих дорожек может содержать от 10 до 30 дорожек (например, 16 дорожек), с общей шириной от 0,2 до 1,0 мм (например, 0,6 мм). Проводники могут быть, например, шириной 17 мкм с зазором 17 мкм между ними.

Первый и второй слои изолятора каждый могут содержать керамический подслой, примыкающий к металлическому слою, и наружный полимерный подслой. Таким образом, может быть использовано несколько слоев для обеспечения нужных изолирующих свойств, а также для обеспечения ионного барьера. Например, нижний керамический слой может содержать слой керамики толщиной 500 нм, полученный осаждением из газовой фазы при низком давлении, слой металла может содержать слой золота толщиной 2 мкм, закрытый с обеих сторон слоем платины толщиной 250 нм и сверху слоем керамики толщиной 500 нм, полученной плазменным осаждением из паровой фазы. В качестве керамики может быть использован SiN/TEOS (тетраэтиленортосиликат). Эта структура может быть заключена в парилен (например, толщиной 5 мкм), который, если это необходимо, частично вскрыт, чтобы обнажить электроды.

Структура на основе проводников, включающая структуру на основе гибких токопроводящих дорожек, может обладать меньшей площадью для введения за счет более плотной намотки схемы токопроводящих дорожек, обеспечиваемой наличием в ней гофров. Таким образом, один или более размеров в сечении держателя (например, диаметр, если он обладает трубчатой формой) может быть меньше 1 мм или, что предпочтительно для устройств улитки уха, меньших 0,5 мм. Держатель может обладать различными формами в соответствии с необходимостью. Примеры формы включают трубчатую или цилиндрическую с прямоугольным, овальным или круглым сечением или даже другим сечением. Предпочтительно сечение является овальным или круглым. Держатель может обладать меньшим сечением в одном месте, чем в другом. Следовательно, он может быть коническим или обладать секциями разного, но постоянного диаметра, причем самый малый размер может быть меньше 1 мм или даже меньше 0,5 мм. В альтернативном варианте держатель может быть в форме прутка с несколько скругленными краями, продолжающимися в продольном направлении вдоль прутка.

Структура на основе гибких токопроводящих дорожек может быть намотана вокруг держателя различными способами. Она может быть намотана с дорожками, продолжающимися перпендикулярно направлению, в котором продолжается держатель. Однако предпочтительно она намотана по спирали вокруг держателя (см. чертежи).

Описанные выше преимущества обеспечивают вводимое или имплантируемое устройство, содержащее токопроводящую дорожку, которая может быть использована в области улитки уха. Без потери эффекта преимуществ на основе меньшей области введения и/или надежности устройства, такое устройство также может быть использовано в других областях, например, таких как стимуляция головного мозга (глубоких областей) или стимуляция нервов мышц.

Способ по настоящему изобретению обеспечивает гофрированную структуру при изготовлении, но не за счет деформации. Удаление адгезионного слоя может быть выполнено с использованием физических методов, таких как нагревание, если он представляет собой слой с термическим расцеплением. Предпочтительно адгезионный слой является растворимым в растворителе, и его удаление осуществляется растворением с помощью растворителя. Ступенчатый слой может содержать ряд гребней, например, с высотой в диапазоне от 0,5 до 10 мкм, более предпочтительно от 1 до 2 мкм, и шагом в диапазоне от 5 до 50 мкм, более предпочтительно от 5 до 10 мкм.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Далее подробно описаны примеры по настоящему изобретению со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:

на фиг. 1 показана структура на основе токопроводящих дорожек, намотанных по спирали вокруг трубчатой опоры, например, которая может быть использована в имплантатах улитки уха;

на фиг. 2 показано сечение известной структуры дорожек вдоль ее длины;

на фиг. 3 показано сечение известной структуры дорожек вдоль ее длины;

на фиг. 4 показано сечение структуры дорожек по настоящему изобретению вдоль ее длины;

на фиг. 5 показаны первые этапы изготовления одного примера способа по настоящему изобретению;

на фиг. 6 показана форма дорожек структуры на основе дорожек по настоящему изобретению на виде в перспективе в соответствии со структурой в конце этапов по фиг. 5;

на фиг. 7 показаны другие этапы изготовления примера способа по настоящему изобретению;

на фиг. 8 показан первый пример дорожек по настоящему изобретению на виде в плане; и

на фиг. 9 показан второй пример дорожек по настоящему изобретению на виде в плане.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

В настоящем изобретении предлагается структура на основе гибких токопроводящих дорожек с предварительным изгибанием, при котором структура в основном является плоскостной. Токопроводящие дорожки сформированы из слоя металла, и они покрыты сверху и снизу слоями изолятора. Удлиненные токопроводящие дорожки в основном плоские, но локально гофрированы перпендикулярно основной плоскости. Это обеспечивает улучшенные характеристики закрепления, например, для формирования плотной намотки с использованием токопроводящих дорожек.

На фиг. 1 показана структура на основе токопроводящих дорожек 10, намотанных по спирали вокруг трубчатой опоры 12 с трубчатой секцией 16 с сечением 11, например, которое может быть использовано в имплантатах улитки уха и в имплантатах для глубокой стимуляции головного мозга. Дорожки оканчиваются на структуре 14 электродов для имплантации в улитку уха, а противоположный конец структуры дорожек присоединяется к передающему датчику для передачи сигналов на структуру электродов. Передающий датчик может быть смонтирован, например, внутри тела пациента, с беспроводной индуктивной связью с вкладышем слухового аппарата, носимого пользователем, который генерирует требуемые сигналы в ответ на ввод микрофона.

На фиг. 2 показано сечение известной структуры дорожек вдоль ее длины. Дорожки сформированы в виде плоских металлических дорожек 20, например, из золота или платины, покрытых сверху и снизу изолятором, таким как слой 22 керамики (например, нитрид кремния или оксид кремния) и защитным слоем 24 полимера, такого как парилен или полиимид.

На фиг. 3 показано сечение известной структуры дорожек вдоль ее длины, и показана плоская дорожка вдоль ее длины.

Эта структура может быть повреждена, если она изгибается слишком резко. Изгибание происходит в направлении, показанном стрелкой на фиг. 3, при выполнении намотки, показанной на фиг. 1. Радиус кривизны, который может быть применен, ограничен физическими и механическими свойствами слоев.

На фиг. 4 показано сечение структуры дорожек по настоящему изобретению вдоль ее длины.

Эта структура также в основном плоская и обладает теми же изолирующими и защитными слоями поверх и под дорожками. Однако дорожки обладают локальными гофрами, перпендикулярными основной плоскости структуры.

Гофрирование обеспечивает изменение высоты вдоль длины дорожек, и это позволяет выдерживать большее усилие на изгиб. В результате может быть использован меньший радиус изгиба.

Устройство изготавливается гофрированным, а не деформированным по форме после изготовления в плоской конфигурации. Это означает, что гофрирование предусмотрено для конструкции без напряжения. Это также означает, что изготовление проще (в плоскостном состоянии), чем в намотанном состоянии.

Гофры могут обладать высотой, например, в диапазоне от 0,5 до 10 мкм, более предпочтительно от 1 до 2 мкм. Эта высота обозначена h на фиг. 4 и составляет, например, изменение по высоте от верха заданного слоя внизу гофры до верха этого слоя вверху гофры. Гофрирование обладает шагом в диапазоне от 5 до 50 мкм, более предпочтительно от 5 до 10 мкм. Он обозначен p на фиг. 4.

Общая длина может составлять, например, в диапазоне от 20 до 30 см. Одиночная пленка может содержать 16 проводов шириной, например, 17 мкм с зазором 17 мкм между ними. Вся пленка обычно может быть шириной 0,6 мм.

Структура на основе токопроводящих дорожек по настоящему изобретению может быть изготовлена путем изменения известного способа изготовления для гибких проводников за счет обеспечения отформованной исходной подложки, поверх которой осаждаются другие слои.

В качестве примера, в статье "Towards Circuit Integration on Fully Flexible Parylene Substrates" (Схемная интеграция на полностью гибких париленовых подложках), представленная на 31-й Ежегодной международной конференции IEEE EMBS, Миннеаполис, США, 2-6 сентября 2009, Ke Wang et. al., предлагается способ изготовления структуры микроэлектродов, в которой слой металлического электрода содержит слои оксидов сверху и снизу и слой парилена сверху и под слоями оксидов. В процессе используются две противоположных защитных подложки. Описанный способ, модифицированный, как указано далее, может быть использован для изготовления устройства по настоящему изобретению. Поэтому он включен в настоящий документ во всей полноте.

На фиг. 5 показан первый вспомогательный набор этапов изготовления в одном примере по настоящему изобретению, который можно считать модификацией способа, предложенного Ke Wang et. al. в упомянутой выше статье, в частности, путем обеспечения ступенчатого опорного слоя, описанного со ссылкой на фиг. 5b.

На фиг. 5a показана подложка 50, такая как кремниевая пластина, поверх которой предусмотрен протравливаемый запирающий слой 52, такой как нитрид кремния, осаждаемый посредством химического осаждения из паровой фазы при пониженном давлении.

На фиг. 5b показан ступенчатый слой 54, предусмотренный поверх протравливаемого запирающего слоя 52. Это может быть слой металла, такого как алюминий, но могут быть использованы другие материалы. Как будет показано далее, позже этот слой устраняют травлением, так что он выбирается в соответствии с используемыми способами травления.

В показанном примере слой 54 содержит отдельные островки, которые обеспечивают приподнятые гребни. В одном примере гребни обладают высотой в диапазоне от 0,5 до 10 мкм, более предпочтительно от 1 до 2 мкм, и гребни обладают шагом в диапазоне от 5 до 50 мкм, более предпочтительно от 5 до 10 мкм. Гребни образуют волнистость в осаждаемом впоследствии слое проводника.

Как показано на фиг. 5b, островки обладают краями с уклоном. Алюминий может быть протравлен способом жидкостного химического травления (травящее вещество - полиэфирсульфон) при подготовке маскирующего фоторезиста. В альтернативном варианте тонкая металлическая пленка может быть протравлена ионно-лучевым травлением, при этом угол определяется углом максимального выхода выбивания (который является свойством материала).

Как показано на фиг. 5c, первый слой 56 изолятора сформирован поверх ступенчатого слоя, содержащий слой керамики, такой как оксид кремния или нитрид кремния или многослойную структуру оксид-нитрид-оксид. Слой 58 металла сформирован поверх первого слоя 56 изолятора и выполнен по шаблону для формирования удлиненных токопроводящих дорожек. Металлом может быть платина.

На фиг. 6 конструкция показана на этом этапе способа на виде в перспективе, чтобы более четко показать форму токопроводящих дорожек, выполненных по шаблону. Для большей ясности слой 56 изолятора не показан. На чертеже удлиненные токопроводящие дорожки 58 в основном плоские, но локально образуют гофры, перпендикулярные основной плоскости, причем их форма соответствует ступенчатому слою.

На фиг. 7 показаны следующие этапы изготовления.

На фиг. 7a показано добавление второго слоя 60 изолятора поверх слоя металла (также оксидной или нитридной керамики или многослойной структуры слоев) после защитного слоя 62 изолирующего полимера, такого как парилен. Слои 60, 62 изолятора могут считаться вспомогательными слоями общей структуры изоляторов. Структура из изоляторов может содержать один или другой или оба типа этих слоев (т.е. слои керамики и/или полимера).

Структура на этом этапе присоединена ко второй подложке 64 с помощью растворимого адгезива 66 на противоположной стороне от первой подложки 20. На фиг. 7b эта структура показана перевернутой, поскольку вторая подложка 64 затем обеспечивает опору. Первую подложку 50 затем удаляют травлением до протравливаемого запирающего слоя 52.

Как показано на фиг. 7c, протравливаемый запирающий слой и ступенчатый слой полностью удаляют травлением. Необязательно протравливаемый запирающий слой может быть протравлен по шаблону, если нужно оставить его части. Например, можно использовать мокрое травление Al. Второй слой 70 полимера затем осаждают поверх второго слоя 56 изолятора. Кроме того, два слоя 56, 70 могут рассматриваться, как подслои общей структуры изоляторов, которая может обладать одним или обоими подслоями полимерного и керамического изоляторов.

Адгезив 66 затем растворяют для удаления второй подложки 64, что дает готовый продукт, как показано на фиг. 7d.

Токопроводящие дорожки отклонятся по высоте в виде меандра, но полностью покрыты изолирующей структурой для обеспечения электрического разделения дорожек, а также для обеспечения наложения дорожек при наматывании. Это позволяет получить уменьшенный радиус изгиба и повышенную прочность. Структура может выдерживать повышенное усилие на скручивание и удлинение.

Токопроводящие дорожки могут быть прямыми, как показано на виде в плане на фиг. 8. Однако они также могут отклоняться в виде меандра в общей плоскости, как показано на фиг. 9, на котором штриховые линии представляют ступеньки на перпендикулярных гофрах. Эта структура эффективно обладает гофрированием в двух ортогональных плоскостях. Это улучшает характеристики изгибания в ортогональном направлении, например, чтобы улучшать характеристики изгибания намотанного трубчатого устройства.

Настоящее изобретение может быть применено для глубоких имплантатов головного мозга и имплантатов улитки уха, как указано выше. Однако настоящее изобретение в основном позволяет деформировать структуру электродов до нужной формы, которая может включать некоторые туго стянутые изгибы и другие, менее туго стянутые изгибы. Настоящее изобретение в основном относится к устройствам, которые вводят или имплантируют в тело человека или животного, или для приложений нейростимуляции, когда в основном нужна миниатюризация. Другим примером являются спинальные имплантаты.

В качестве примера структура токопроводящих дорожек может быть использована в устройстве улитки уха, как предложено в публикации US 2012/0310258, которая во всей полноте включена в настоящее описание. Как указано, структура затем наматывается вокруг держателя. Устройство по настоящему изобретению может обладать более чем одной секцией 16 с разным сечением (см. фиг. 1 с обозначением сечения и секции). Для комплектации устройства могут быть добавлены вспомогательные функции (источник сигнала, датчики процессора и т.д.). Другие имплантируемые или вводимые устройства могут быть изготовлены без затруднений аналогичным образом путем введения функциональных возможностей, требуемых для структуры токопроводящих дорожек.

Для специалистов в этой области другие изменения описанных вариантов осуществления могут быть понятны и осуществлены при практическом применении заявленного изобретения, по изучению чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово "содержащий" не исключает других элементов или этапов, и формы единственного числа не исключают множественного числа. Простой факт, что некоторые величины упомянуты во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что комбинация этих величин не может быть использована для достижения преимущества. Никакие ссылочные обозначения в формуле изобретения не следует рассматривать, как ограничивающие объем изобретения.