一种可应用于人工耳蜗的MEMS薄膜电极阵列及加工方法与流程

本发明涉及医疗器械、生物mems(micro-electromechanicalsystems，微机电系统)、人工耳蜗电极阵列技术领域，特别涉及一种可应用于人工耳蜗的mems薄膜电极阵列及加工方法。

背景技术：

听力缺陷是一类常见疾病，对于中重度感音性神经聋患者，负责将淋巴液的机械运动转化为电信号的毛细胞损伤。人工耳蜗通过对相应部位神经直接施以电激励，代替毛细胞的功能从而实现恢复患者的听觉功能。传统的人工耳蜗主要包含两个部件：第一个部分是体外的声处理模块，完成声音的采集、处理并向植入部分传递能量与控制信号，包括麦克风、数字信号处理器、功率放大器、射频发射器、天线、电源等，分别位于耳后，皮下等部位。第二个部分是植入系统，人工耳蜗的电极阵列，作为人工耳蜗的执行端，完成能量与控制信号的接收，电极多路选择与电激励的施加。系统包括天线、射频接收器、密封的控制电路、电极阵列等。

人的耳蜗基底膜具有频率拓扑分布，即不同的基底膜部位，分布着感知不同频率声信号的神经，故通过分布在不同区域的多通道电极激励，能够实现声音频率的分离，这也是人工耳蜗电极阵列的工作原理。

人工耳蜗的电极阵列应具备足够的柔性，并满足植入位置，即通过圆窗植入耳蜗鼓阶的结构尺寸约束。电极点采用非刺入型的设计以保护耳蜗的基底膜。理论上，具有更多通道和电极数的电极阵列，能够提供更高的频率分辨率。当前商业人工耳蜗电极阵列采用缠绕导线设计，电极阵列截面为圆形，采用硅胶作为载体，铂依合金作为导线，铂作为电极。

相关技术中，人工耳蜗电极阵列，因为缠绕式导线的设计，其横截面直径相对较大，电极的个数受限，所带来的不足在于电极的密度不足，所能提供的激励分辨率不足，植入过程中更可能造成组织损伤；同时，电极阵列涉及较多的手工加工操作，成本较高。

随着微加工技术的发展，mems器件不断涌现并应用在各个领域。在生物mems领域，mems微电极的出现为诸多神经电信号的交互场景提供了接口。mems微电极具备尺寸小、电极密度高的特点，mems微电极阵列多采用薄膜结构，柔性较高，其即可应用于电激励环境，也可应用于电信号采集，应用价值广泛。

mems电极设计发展过程中，对于人工耳蜗电极阵列的mems器件设计，例如：硅基人工耳蜗电极阵列，但其硅基底刚度较大，不易于植入；基于聚对二甲苯材料的柔性电极阵列，工艺涉及到二次金属剥离(钛与铂)以及三次聚对二甲苯沉积；基于聚二甲基硅氧烷(pdms)聚合物材料，但工艺工程中涉及将液态金属注射到柔性聚合物薄膜通孔等手工操作。

此外mems薄膜电极阵列也广泛应用于其他医疗领域如脑电检测，视网膜检测以及皮肤刺激与检测。例如：已有柔性视网膜微电极采用了单层聚对二甲苯作为基底，具有圆形凸起的电极形貌，其工艺中涉及电镀工艺将引线平面与聚对二甲苯平面取平，工艺复杂度高，单层聚对二甲苯也缺乏隔离层；此外，还有研究利用硅作为电极凸起的底模，是一种硬质微针设计，更适用于刺入式接触场景。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种可应用于人工耳蜗的mems薄膜电极阵列，引入mems微加工技术，提升了电极阵列的电极密度，比现有人工耳蜗电极阵列加工方法更低成本而更高效。

为了实现上述目的，本发明一方面公开了一种可应用于人工耳蜗的mems薄膜电极阵列，包括：采用直线型结构，薄膜平面内电极形状为圆形，垂直于平面方向电极具有凸起形状；薄膜电极阵列内电极的尺寸根据人工耳蜗激励电流要求与电极材料电荷密度安全值设计，其中，电极中心间距≥150μm，每个电极暴露面积直径≥70μm。

另外，根据本发明上述实施例的可应用于人工耳蜗的mems薄膜电极阵列还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，制作所述薄膜电极阵列的材料包括：基底和隔离层的制作材料包括聚对二甲苯，粘附层的制作材料包括金属钛，引线和激励电极的制作材料包括金属铂。

进一步地，薄膜电极阵列的厚度为5～20μm，所述薄膜电极阵列的电极具有三维凸台形貌，凸起高度在1～15μm范围

本发明的另一个目的在于提出一种可应用于人工耳蜗的mems薄膜电极阵列的加工方法。

为了实现上述目的，本发明另一方面公开了一种可应用于人工耳蜗的mems薄膜电极阵列的加工方法，所述薄膜电极阵列为包括上述任一项实施例所述的可应用于人工耳蜗的mems薄膜电极阵列，包括：s1：对硅片进行标准清洗，溅射铝作为牺牲层材料；s2：在所述铝上旋涂正性光刻胶并光刻；s3：沉积第一层聚对二甲苯；s4：在所述第一层聚对二甲苯上利用负胶剥离工艺图形化金属层。s5：沉积第二层聚对二甲苯；s6：在所述第二层聚对二甲苯上旋涂正性光刻胶并光刻。s7：利用氧等离子去胶机刻蚀，直至在电极部位铂完全暴露；s8：旋涂厚正性光刻胶并光刻；s9：利用氧等离子体刻蚀机刻蚀，直至器件边缘外的铝牺牲层完全暴露；s10：进行去胶与释放，形成薄膜电极阵列。

本发明实施例的可应用于人工耳蜗的mems薄膜电极阵列的加工方法，电极通过光刻胶作为模子，以低成本和高工艺稳定性的方式形成三维凸台形貌，采用新的金属加工方式，通过一步剥离方式，形成引线与电极。采用新的器件释放方式，降低了释放工艺复杂性，增加了工艺成品率。

另外，根据本发明上述实施例的可应用于人工耳蜗的mems薄膜电极阵列的加工方法还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，在步骤s2中，通过以光刻胶作为模子，并利用聚对二甲苯良好的保角沉积特点，在模子上形成凸台形貌。

进一步地，在步骤s4中，通过负胶剥离，形成钛/铂金属层，薄膜电极阵列最小线宽和走线间距为15μm。

进一步地，在步骤s6至s9中，采用两步光刻完成对聚对二甲苯的刻蚀，分别暴露电极位置与器件边缘，在第二次光刻后图形化器件边缘过程中，光刻胶起到在刻蚀与释放过程中保护电极材料的作用。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的可应用于人工耳蜗的mems薄膜电极阵列的结构图；

图2是根据本发明一个实施例的可应用于人工耳蜗的mems薄膜电极阵列的工艺流程图；

图3是根据本发明一个实施例的可应用于人工耳蜗的mems薄膜电极阵列的工艺流程说明图；

图4是根据本发明一个实施例的可应用于人工耳蜗的mems薄膜电极阵列的器件实物图；

图5是根据本发明一个实施例的可应用于人工耳蜗的mems薄膜电极阵列的扫描电镜图；

图6是根据本发明一个实施例的电极的扫描电镜图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

以下结合附图描述根据本发明实施例的可应用于人工耳蜗的mems薄膜电极阵列及加工方法。

图1是根据本发明一个实施例的可应用于人工耳蜗的mems薄膜电极阵列的结构图。

如图1所示，根据本发明一个实施例的可应用于人工耳蜗的mems薄膜电极阵列，包括：再结合图5所示，薄膜电极阵列采用直线型结构，再结合图6所示，薄膜平面内电极形状为圆形，垂直于平面方向电极具有凸起形状。薄膜电极阵列内电极的尺寸根据人工耳蜗激励电流要求与电极材料电荷密度安全值设计，其中，结合图1(c)所示，电极中心间距≥150μm，每个电极暴露面积直径≥70μm。

在一些实施例中，结合图1(c)所示，制作薄膜电极阵列的材料包括：基底和隔离层的制作材料包括聚对二甲苯(parylene)，例如c型聚对二甲苯(parylenec)，粘附层的制作材料包括金属钛(titantum，ti)，引线和激励电极的制作材料包括金属铂(platinum，pt)。其具有良好的生物兼容性以及安全的电荷密度上限。

再结合图1(a)和图4所示，聚对二甲苯薄膜电极阵列长度可以为16mm，在耳蜗中大致转角可以为360°。电极阵列的顶部横截面宽度可以为0.7mm，底部横截面宽度可以为1.2mm。电极阵列可以分布16个电极，不同的电极设计参数中，电极导线宽度≥15μm，导线间距≥15μm。

在一些实施例中，薄膜电极阵列的厚度为5～20μm，所述薄膜电极阵列的的电极具有三维凸台形貌，凸起高度在1～15μm范围。

结合图2和图3所示，加工薄膜电极阵列的工艺，其中，薄膜电极阵列为包括上述任一项实施例所述的基于mems微加工的薄膜电极阵列，包括：

s1：对硅片进行标准清洗，溅射铝作为牺牲层材料。

作为一个示例，结合图2(a)所示，器件加工首先对四寸硅片进行标准清洗，然后在其正面溅射500nm铝作为牺牲层材料。500nm的厚度可保证铝的表面平整度也易于最终器件释放时腐蚀液对牺牲层材料的钻蚀。

s2：在铝上旋涂正性光刻胶并光刻。

具体来说，在步骤s2中，通过以光刻胶作为模子，并利用聚对二甲苯良好的保角沉积特点，在模子上形成凸台形貌。

作为一个示例，结合图2(b)和图2(c)所示，热板110℃烘干3mins，在铝上旋涂2.2μm(700rpm，9s/2000rpm，40s)正性光刻胶，其中，正性光刻胶的型号可以为az601，曝光，显影，氮气枪吹干，热板110℃后烘5mins作为电极的模子。

s3：沉积第一层聚对二甲苯。

作为一个示例，如图2(d)所示，将硅片置于pds2010(specialtycoatingsystem,indianapolis,in,u.s)设备真空腔内，沉积5μmc型聚对二甲苯作为器件的基底层。

s4：在所述第一层聚对二甲苯上利用负胶剥离工艺图形化金属层。

在一些实施例中，在步骤s4中，通过负胶剥离，形成钛/铂金属层，薄膜电极阵列最小线宽和走线间距为15μm。

作为一个示例，如图2(e)、图2(f)、图2(g)、图2(h)所示，热板110℃烘干3mins，在第一层聚对二甲苯上旋涂2.7μm(700rpm，9s/3000rpm40s)负性光刻胶，可以为nr9-3000py，前烘110℃1min30s，曝光，中烘110℃1min45s，显影，氮气枪吹干，不后烘，利用氧等离子去胶机打胶30s(500w，50sccm)，溅射钛20nm，铂200nm，之后在rr41剥离液浸泡20mins完成金属剥离。

s5：沉积第二层聚对二甲苯。

作为一个示例，如图2(i)所示，利用氧等离子去胶机打胶30s(500w，50sccm)并尽快将硅片再次置于pds2010设备真空腔内，沉积1μmc型聚对二甲苯作为器件的隔离层。

s6：在第二层聚对二甲苯上旋涂正性光刻胶并光刻。

作为一个示例，如图2(j)、图2(k)所示，热板110℃烘干3mins，旋涂正性光刻胶az6012.2μm(700rpm，9s/2000rpm，40s)，曝光，显影，氮气枪吹干，热板110℃后烘5mins。

s7：利用氧等离子去胶机刻蚀，直至在电极部位铂完全暴露。

作为一个示例，如图2(l)所示，利用氧等离子去胶机刻蚀聚对二甲苯20mins(500w，50sccm)，直至在电极部位铂金属完全暴露，刻蚀完成后无需去胶。

s8：旋涂厚正性光刻胶并光刻。

作为一个示例，如图2(m)、图2(n)所示，热板110℃烘干3mins，旋涂正性光刻胶az462013.5μm(700rpm，9s/3000rpm，40s，两次旋涂，前烘温度为95℃，时间为9mins/12mins)，曝光，显影，110℃热板后烘10mins。

s9：利用氧等离子体刻蚀机刻蚀，直至器件边缘外的铝牺牲层完全暴露。

作为一个示例，如图2(o)所示，利用inductivelycoupledplasma(icp)氧等离子体刻蚀机刻蚀聚对二甲苯5次，每次2mins(400w/200w,20sccm1pa)。直至器件边缘外的铝牺牲层完全暴露。

特别指出的是，所在步骤s6至s9中，采用两步光刻完成对聚对二甲苯的刻蚀，分别暴露电极位置与器件边缘，在第二次光刻后图形化器件边缘过程中，光刻胶起到在刻蚀与释放过程中保护电极材料的作用。具体来说，工艺流程中对聚对二甲苯的刻蚀分两步进行，如图2(o)所示，电极表面的光刻胶能避免将金属表面长时间暴露在氧等离子环境中，避免潜在的离子冲击对电极材料的破坏，同时，如图2(p)所示，光刻胶能在释放器件时，能保护电极表面，并且在释放的同时溶解。整体来开，这种设计虽然增加了工艺步骤，但却提高了工艺稳定性与成品率。

s10：进行去胶与释放，形成薄膜电极阵列。

作为一个示例，如图2(p)所示，将硅片至于剥离液中20mins，器件脱落后，利用防酸镊子，夹取器件尾部并置于去离子水中清洗，清洗后的器件电极暴露面朝上，置于滤纸晾干。

进一步地，释放后的器件，置于无氧环境烘箱150℃热烘12h，增强聚对二甲苯层之间的粘附性，并固化器件结构。

相对于传统人工耳蜗电极阵列，本发明实施例的可应用于人工耳蜗的mems薄膜电极阵列的加工方法，提升了工艺效率，降低了工艺成本。此外相比其他薄膜电极工艺，本设计的电极通过光刻胶作为模子，以低成本和高工艺稳定性的方式形成三维凸台形貌，采用新的金属加工方式，通过一步剥离方式，形成引线与电极，采用新的器件释放方式，降低了释放工艺复杂性，增加了工艺成品率。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。