一种人工视网膜神经电极、封装结构及其制备方法与流程

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1.本发明主要涉及视觉假体技术领域，具体涉及一种人工视网膜神经电极、封装结构及其制备方法。

背景技术：

2.人工视网膜技术属于功能电刺激的一种。它利用大多数盲人往往只有视觉通路的一部分发生病变，而其余部分神经组织的结构和功能尚完好的特点，对视觉通路的完好部位施加特定的人工电刺激，来兴奋神经细胞，模拟自然光刺激的效果，使盲人产生视觉感受。
3.人工视网膜系统包括一个位于病人体外的视频采集设备(通常为小型摄像机)，视频处理模块，电刺激编码模块和植入到眼内的多电极阵列(multielectrode array)。人工视网膜的工作原理与人工耳蜗相似。由视频采集设备采集到的实时视频图像经过处理，转化为驱动多电极阵列的信号。多电极阵列对视觉神经组织施加一定幅度、波形和频率的电流刺激，兴奋视觉神经元，从而使病人产生视觉感受。单个电极的定点电刺激所产生的视觉感受叫做光幻视(phosphene)。据病人描述，光幻视是点状或其他简单形状的小光斑，亮度、颜、大小等由于电刺激参数等因素的影响而变化。所以视觉假体所产生的视觉感受是由一系列类孤立的光点所组成的像素化的图像。植入眼内的电极阵列对体液中的水汽和氧气特别敏感，因此需要对其进行良好封装以保证器件的性能和使用寿命。
4.目前市场上比较成熟的硬质封装方式(采用塑料、金属、陶瓷或硅基底直接封装的方式)，无法保证电子器件长期处于无水环境，需要具有力学支撑性能、生物兼容性能的密闭腔体，从而使得植入式封装成本极为昂贵，约占医学植入器件成本的30％以上，而且随着社会的迅速发展以及人类对未来技术的要求，植入式封装衬底通道数的需要会越来越多，越来越密集，传统硬质封装工艺和方法很难在小体积的植入要求下进行高密度电子器件的封装，因此很大程度的限制了植入体器件的功能实现。
5.柔性封装方式以高分子封装和薄膜封装为主，由于质轻，高强度，耐高温，体积小等优势被广泛应用在发光二极管液晶显示屏(led)封装等领域。为了有效降低医学植入器件封装成本，满足小体积、高密度封装要求，提高器件植入寿命，有必要为医学植入器件提供一种可行的柔性封装方案。例如，现有技术中提供了一种具有封装层的医学植入器件，包括器件本体，以及用于封装所述器件本体的封装层，所述封装层包括层叠设置的至少一层有机薄膜层和至少一层无机薄膜层，所述封装层的最里层为有机薄膜层或无机薄膜层，所述封装层的最外层为有机薄膜层或无机薄膜层，所述有机薄膜层为派瑞林薄膜或聚酰亚胺树脂薄膜，所述无机薄膜层为具有生物相容性的无机薄膜。该器件的封装层具有良好的生物兼容性能，能很好地隔离人体内体液的水氧气环境，提高器件寿命，可有效解决传统医学植入器件封装的问题。但是，由于植入式电极阵列小型化的要求，而电极必需裸露才能传导刺激信号，因此封装面积和电极总面积之间存在此消彼长的矛盾。出于刺激效果考虑，人们希望增加电极总面积，从而减少封装面积。由于封装面积位于阵列边缘，过窄的封装面积
(如小于1mm宽度)，易造成封装层从近电极端开口处翘裂，引发气液渗漏至电极内部和基板(如图1所示)，为阻止因边缘效应造成的封装层翘裂所引起的组织液渗透。

技术实现要素：

6.本发明目的在于提供一种人工视网膜神经电极、封装结构及其制备方法，以实现提高微纳米尺度分辨率电极阵列的密封性和稳定性，阻止因边缘效应造成的封装层翘裂所引起的组织液渗透。
7.为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
8.本发明第一方面提供一种人工视网膜神经电极的制备方法，包括以下步骤：预备硅片，并在所述硅片的一侧表面的边缘上刻蚀出孔，获得边缘刻蚀出孔的硅片；在所述边缘刻蚀出孔的硅片上具有孔的一侧溅射一层钼金属层，随后在所述钼金属层之上制备铜锌锡硫层，再在所述铜锌锡硫层之上沉积硫化镉层，随后在所述硫化镉层之上沉积氧化铟锡层，最后通过光刻图形转移的方式对所述硫化镉层和氧化铟锡层进行像素化，得到人工视网膜神经电极。
9.进一步的，在所述在所述边缘刻蚀出孔的硅片上具有孔的一侧溅射一层钼金属层的步骤中，具体包括：将固定在工件架的所述边缘刻蚀出孔的硅片稳固放置在真空室中，工件架可旋转，先开启机械泵抽取低真空，进而开启分子泵抽取高真空，当炉腔内真空到达3.0
×
10-5
torr时开始对所述硅片具有孔的一侧沉积钼金属层薄膜；其中，溅射靶材选用纯度为99.95％的金属钼，溅射系统的初始真空度为3.0
×
10-5
torr，薄膜沉积时真空维持在1.0
×
10-3
torr，溅射气体为99.999％的高纯氩气，溅射的钼金属层厚度为200nm。
10.进一步的，在所述预备硅片，并在所述硅片的一侧表面的边缘上刻蚀出孔的步骤中，具体包括：预备硅片；在所述硅片上制备二氧化硅硬掩膜，得到具有硬掩膜的硅片；对所述具有硬掩膜的硅片上的二氧化硅硬掩膜位置处进行光刻图形化处理，得到光刻图形化后的硅片；对所述光刻图形化后的硅片上的二氧化硅硬掩膜位置处进行硬掩膜图形化处理，以形成硬掩膜开口，得到硬掩膜图形化的硅片；对所述硬掩膜图形化的硅片进行刻蚀，以去除表面硬掩膜，获得边缘刻蚀出孔的硅片。
11.进一步的，在所述随后在所述钼金属层之上制备铜锌锡硫层，再在所述铜锌锡硫层之上沉积硫化镉层的步骤中，具体包括：升温至500℃后，对硫裂解源进行蒸发，以离子计测量硫分压并确保压力保持在(2～3)
×
10-3
pa；以50k/min的速率将所述硅片加热至550℃，并在此温度下保持10min，然后同时打开硫化锌、锡、铜源，持续16min；随后将所述硅片以15k/min的速度冷却至200℃，然后关闭硫源，自然冷却至室温，形成p型铜锌锡硫层；再采用化学水浴法在铜锌锡硫吸收层表面沉积硫化镉层，在水温为75℃恒温条件下沉积时间15min，获得厚度为50nm～80nm的硫化镉薄膜。
12.进一步的，在所述随后在所述硫化镉层之上沉积氧化铟锡层的步骤中，具体包括：利用溅射法在硫化镉层上沉积氧化铟锡层，获得厚度为250nm～300nm的氧化铟锡层；其中，操作参数为：本底真空度《1.0
×
10-3
pa，溅射气体为氩气，氧化铟锡层的工作真空度为0.5pa，射频溅射功率为40w，溅射时间为35min。
13.进一步的，在所述最后通过光刻图形转移的方式对所述硫化镉层和氧化铟锡层进行像素化的步骤之后，还包括：利用真空蒸镀法对所述边缘刻蚀出孔的硅片上具有孔的一
侧表面进行镀金处理；其中，所述镀金处理的操作参数为：真空度小于1
×
10-4
pa，蒸发速率为沉积厚度为500nm～800nm。
14.进一步的，在预备硅片的步骤中，还包括对硅片进行清洗；其中，对硅片进行清洗具体包括以下步骤：将硅片放在成分比硫酸：双氧水＝4:1的混合溶液里清洗5min后，再用去离子水冲洗5次；将硅片放入氨水:双氧水:去离子水＝1:1:5的混合溶液里清洗5min后，再用去离子水冲洗5次；再将硅片放入盐酸:双氧水:去离子水＝1:1:4的混合溶液里清洗5min后，再用去离子水冲洗5次；最后以转速为2000rmp、时间为min的操作参数对硅片进行甩干处理，得到清洗后的硅片。
15.本发明第二方面提供一种人工视网膜神经电极，根据上述的人工视网膜神经电极的制备方法所制得的人工视网膜神经电极。
16.本发明第三方面提供一种人工视网膜神经电极封装结构，其特征在于，包括如上述的人工视网膜神经电极。
17.本发明第四方面提供一种人工视网膜神经电极封装结构的制备方法，包括：采用化学气相沉积的方式在如上述的人工视网膜神经电极的表面制备一层派瑞林有机薄膜层；再利用反应离子刻蚀的方式对所述人工视网膜神经电极进行开口，以仅暴露电极表面，而保持电极的边缘刻蚀出孔处及其他部分仍被有机薄膜层牢固封装，得到人工视网膜神经电极封装结构。
18.与现有技术相比，本发明提供的技术方案至少具有以下优点：
19.本发明拟利用微纳加工技术来增强柔性封装层的气密性，并在电极阵列的制备过程中前置考虑后续封装中的问题，通过在硅片边缘刻蚀小孔的方式，以使表面封装膜通过小孔抓紧电极阵列边缘，进而使得柔性封装层和硅基板以梳尺结构牢固结合，有效防止了派瑞林由于粘附性减弱导致边缘翘起的现象，从而隔离人体内体液的水氧气环境，增强柔性封装层的气密性，提高器件寿命。
附图说明
20.一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
21.图1为现有技术中因派瑞林边缘翘起而导致封装失败的示意图；
22.图2为本发明提供的人工视网膜神经电极的制备方法中对硅片边缘刻蚀的示意图；
23.图3为本发明提供的人工视网膜神经电极的制备方法的流程示意图；
24.图4为本发明提供的人工视网膜神经电极的制备方法中封装及电极开口的的示意图。
具体实施方式
25.由现有技术可知，目前市场上采用的较为成熟的封装方式为硬质封装，难以阻止组织液侵入电子器件，同时成本较高，且限制了衬底的通道数量的问题。而利用有机和无机薄膜层进行的柔性封装虽然能够有效的解决上述问题，但柔性封装在为裸露电极表面而对封装层进行开口的过程中，由于封装面积小，粘附性减弱，易出现封装层边缘翘起的现象，
使得组织液沿翘起边缘渗漏至电极内部和基板，致使封装失败，器件长期处于液体环境，大大缩短器件寿命。
26.为了解决上述问题，本发明拟利用微纳加工技术来增强柔性封装层的气密性，并在电极阵列的制备过程中前置考虑后续封装中的问题，通过在硅片边缘刻蚀小孔的方式，解决派瑞林薄膜边缘由于粘附性减弱导致翘起的问题，从而隔离人体内体液的水氧气环境，提高器件寿命。
27.本发明第一方面提供一种人工视网膜神经电极的制备方法，包括以下步骤：预备硅片，并在所述硅片的一侧表面的边缘上刻蚀出孔，获得边缘刻蚀出孔的硅片；在所述边缘刻蚀出孔的硅片上具有孔的一侧溅射一层钼金属层，随后在所述钼金属层之上制备铜锌锡硫层，再在所述铜锌锡硫层之上沉积硫化镉层，随后在所述硫化镉层之上沉积氧化铟锡层，最后通过光刻图形转移的方式对所述硫化镉层和氧化铟锡层进行像素化，得到人工视网膜神经电极。
28.本发明利用具有光伏特性的铜锌锡硫(czts)薄膜电池作为人工视网膜电极的光电转化层。czts薄膜电池的结构一般为mo-czts-cds-ito。采用溅射法制备钼(mo)作为背接触电极，是由于钼的高温稳定性好，可满足吸收层的高温制备条件。钼电极之上是铜锌锡硫吸收层，通过金属元素的高温共蒸发获得，其厚度一般为1.5μm。其上以采用化学浴沉积方法(cbd)获得硫化镉(cds)，作为器件的缓冲层。n型的硫化镉与p型吸收层形成pn结，二者不仅晶格比较匹配，能带也匹配。当出现正的导带带阶时，硫化镉能抑制界面处的载流子复合。最上层的透明导电层氧化铟锡(ito)起到透光和收集电子的作用。
29.本发明第二方面提供一种人工视网膜神经电极，根据上述的人工视网膜神经电极的制备方法所制得的人工视网膜神经电极。
30.本发明第三方面提供一种人工视网膜神经电极封装结构，其特征在于，包括如上述的人工视网膜神经电极。
31.本发明第四方面提供一种人工视网膜神经电极封装结构的制备方法，包括：采用化学气相沉积的方式在如上述的人工视网膜神经电极的表面制备一层派瑞林有机薄膜层；再利用反应离子刻蚀的方式对所述人工视网膜神经电极进行开口，以仅暴露电极表面，而保持电极的边缘刻蚀出孔处及其他部分仍被有机薄膜层牢固封装，得到人工视网膜神经电极封装结构。
32.下面通过具体实施例和附图来进行更详细的说明。
33.一、硅片刻蚀过程，本发明包括以下步骤，如图2所示：
34.1.硅片清洗：将硅片进行标准rca清洗。1)将硅片放在硫酸：双氧水＝4:1的混合溶液里清洗5min，后用去离子水冲洗5次；2)将硅片放入氨水:双氧水:去离子水＝1:1:5的混合溶液里清洗5min，去离子水冲洗5次；3)再将硅片放入盐酸:双氧水:去离子水＝1:1:4的混合溶液里清洗5min，去离子水冲洗5次；4)2000rmp甩干5min。
35.2.制备二氧化硅硬掩膜：设置工艺参数为：温度300℃，气压1400mtorr，rf功率300w，sih4流量1800sccm，n2o流量1700sccm，工艺时间670s。采用等离子体增强化学气相沉积(pecvd)设备在硅片正面沉积3μm厚度的二氧化硅，作为后续深硅刻蚀释放的硬掩膜。
36.3.光刻图形化：1)甩胶：以1200rpm的转速在二氧化硅正面旋涂一层厚度为2.8μm的az5214光刻胶；2)前烘：将硅片放在120℃的热板上烘焙2min；3)光刻：使用光刻机完成光
刻胶的图形化曝光，紫外光强度为6.5mw/cm2，曝光时间4.5s；4)显影：用显影液洗去曝光位置的光刻胶，完成光刻胶的图形化。
37.4.硬掩膜图形化：使用刻蚀机对二氧化硅硬掩膜进行刻蚀，实现硬掩膜的图形化。参数设置为：cf4流量5sccm，c4f8流量11sccm，he流量24sccm，工艺压力3mtorr，射频线圈功率1000w，平板电极功率130w，平板电极温度35℃，工艺时间28min。硬掩膜开口宽度2.5μm。
38.5.硅片刻蚀：使用刻蚀设备，采用表1所示的工艺参数，对步骤4处理后的硅片进行刻蚀。刻蚀后去除表面硬掩膜，获得边缘刻蚀过后的硅片。
39.表1硅片边缘刻蚀过程参数表
[0040][0041]
二、电极制备过程，本发明包括以下步骤，如图3所示：
[0042]
1.溅射一层厚度为200nm的钼金属层：溅射靶材选用纯度为99.95％的金属钼。溅射系统的初始真空度为3.0
×
10-5
torr，薄膜沉积时真空维持在1.0
×
10-3
torr，溅射气体为99.999％的高纯氩气。将固定在工件架的试验样品稳固放置在真空室中，工件架可旋转。先开启机械泵抽取低真空，进而开启分子泵抽取高真空，当炉腔内真空到达3.0
×
10-5
torr时开始沉积薄膜。沉积完成后，待炉腔内温度降至室温时将样品取出。
[0043]
2.铜锌锡硫层的制备，具体包括三步：
[0044]
1)升温至500℃对硫(s)裂解源进行蒸发。在整个沉积过程中，用离子计测量硫分压，使其保持在(2～3)
×
10-3
pa。
[0045]
2)以50k/min的速率将基板加热至550℃，并在此温度下保持10min，然后同时打开硫化锌(zns)、锡(sn)、铜(cu)源，持续16min。
[0046]
3)随后，将基板以15k/min的速度冷却至200℃，然后关闭硫源，自然冷却至室温，形成p型铜锌锡硫(cu2znsns4)层
[0047]
3.沉积形成n型硫化镉层：采用化学水浴法在铜锌锡硫吸收层表面沉积硫化镉层，在水温为75℃恒温条件下沉积时间15min，获得厚度为50nm～80nm的硫化镉薄膜。
[0048]
4.溅射透明导电层：利用溅射法在硫化镉层上沉积氧化铟锡(ito)层，工艺参数为：本底真空度《1.0
×
10-3
pa，溅射气体为氩气，氧化铟锡层的工作真空度为0.5pa，射频溅射功率为40w，溅射时间为35min，其厚度为250nm～300nm；
[0049]
5.像素化：通过光刻图形转移对上述器件硫化镉层和透明导电层进行像素化，电极图案有掩膜版决定。
[0050]
6.表面镀金:利用真空蒸镀技术在表面镀金，真空度小于1
×
10-4
pa，蒸发速率为沉积厚度为500nm～800nm。
[0051]
三、封装及电极开口，本发明包括以下步骤，如图4所示：：
[0052]
1.沉积派瑞林层：采用化学气相沉积的方式在上述器件表面制备厚度为30μm的有机薄膜层，然后180℃进行退火处理30min；所述有机薄膜层为派瑞林薄膜；
[0053]
2.反应离子刻蚀对电极进行开口，刻蚀部位不包括(一)中的硅片刻蚀孔洞处，仅暴露电极表面。由于上一步中派瑞林封装材料进入了深硅刻蚀孔洞中，增强了材料的粘附性，可以有效防止派瑞林薄膜边缘翘起的现象。
[0054]
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本技术的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本技术的精神和范围。任何本领域技术人员，在不脱离本技术的精神和范围内，均可作各自更动与修改，因此本技术的保护范围应当以权利要求限定的范围为准。

技术特征：

1.一种人工视网膜神经电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：预备硅片，并在所述硅片的一侧表面的边缘上刻蚀出孔，获得边缘刻蚀出孔的硅片；在所述边缘刻蚀出孔的硅片上具有孔的一侧溅射一层钼金属层，随后在所述钼金属层之上制备铜锌锡硫层，再在所述铜锌锡硫层之上沉积硫化镉层，随后在所述硫化镉层之上沉积氧化铟锡层，最后通过光刻图形转移的方式对所述硫化镉层和氧化铟锡层进行像素化，得到人工视网膜神经电极。2.根据权利要求1所述的人工视网膜神经电极的制备方法，其特征在于，在所述在所述边缘刻蚀出孔的硅片上具有孔的一侧溅射一层钼金属层的步骤中，具体包括：将固定在工件架的所述边缘刻蚀出孔的硅片稳固放置在真空室中，工件架可旋转，先开启机械泵抽取低真空，进而开启分子泵抽取高真空，当炉腔内真空到达3.0
×
10-5
torr时开始对所述硅片具有孔的一侧沉积钼金属层薄膜；其中，溅射靶材选用纯度为99.95％的金属钼，溅射系统的初始真空度为3.0
×
10-5
torr，薄膜沉积时真空维持在1.0
×
10-3
torr，溅射气体为99.999％的高纯氩气，溅射的钼金属层厚度为200nm。3.根据权利要求1所述的人工视网膜神经电极的制备方法，其特征在于，在所述预备硅片，并在所述硅片的一侧表面的边缘上刻蚀出孔的步骤中，具体包括：预备硅片；在所述硅片上制备二氧化硅硬掩膜，得到具有硬掩膜的硅片；对所述具有硬掩膜的硅片上的二氧化硅硬掩膜位置处进行光刻图形化处理，得到光刻图形化后的硅片；对所述光刻图形化后的硅片上的二氧化硅硬掩膜位置处进行硬掩膜图形化处理，以形成硬掩膜开口，得到硬掩膜图形化的硅片；对所述硬掩膜图形化的硅片进行刻蚀，以去除表面硬掩膜，获得边缘刻蚀出孔的硅片。4.根据权利要求1所述的人工视网膜神经电极的制备方法，其特征在于，在所述随后在所述钼金属层之上制备铜锌锡硫层，再在所述铜锌锡硫层之上沉积硫化镉层的步骤中，具体包括：升温至500℃后，对硫裂解源进行蒸发，以离子计测量硫分压并确保压力保持在(2～3)
×
10-3
pa；以50k/min的速率将所述硅片加热至550℃，并在此温度下保持10min，然后同时打开硫化锌、锡、铜源，持续16min；随后将所述硅片以15k/min的速度冷却至200℃，然后关闭硫源，自然冷却至室温，形成p型铜锌锡硫层；再采用化学水浴法在铜锌锡硫吸收层表面沉积硫化镉层，在水温为75℃恒温条件下沉积时间15min，获得厚度为50nm～80nm的硫化镉薄膜。5.根据权利要求1所述的人工视网膜神经电极的制备方法，其特征在于，在所述随后在所述硫化镉层之上沉积氧化铟锡层的步骤中，具体包括：利用溅射法在硫化镉层上沉积氧化铟锡层，获得厚度为250nm～300nm的氧化铟锡层；其中，操作参数为：本底真空度<1.0
×
10-3
pa，溅射气体为氩气，氧化铟锡层的工作真空度为0.5pa，射频溅射功率为40w，溅射时间为35min。
6.根据权利要求1所述的人工视网膜神经电极的制备方法，其特征在于，在所述最后通过光刻图形转移的方式对所述硫化镉层和氧化铟锡层进行像素化的步骤之后，还包括：利用真空蒸镀法对所述边缘刻蚀出孔的硅片上具有孔的一侧表面进行镀金处理；其中，所述镀金处理的操作参数为：真空度小于1
×
10-4
pa，蒸发速率为沉积厚度为500nm～800nm。7.根据权利要求1所述的人工视网膜神经电极的制备方法，其特征在于，在预备硅片的步骤中，还包括对硅片进行清洗；其中，对硅片进行清洗具体包括以下步骤：将硅片放在成分比硫酸：双氧水＝4:1的混合溶液里清洗5min后，再用去离子水冲洗5次；将硅片放入氨水:双氧水:去离子水＝1:1:5的混合溶液里清洗5min后，再用去离子水冲洗5次；再将硅片放入盐酸:双氧水:去离子水＝1:1:4的混合溶液里清洗5min后，再用去离子水冲洗5次；最后以转速为2000rmp、时间为min的操作参数对硅片进行甩干处理，得到清洗后的硅片。8.一种人工视网膜神经电极，其特征在于，根据权利要求1至7中任一项所述的人工视网膜神经电极的制备方法所制得的人工视网膜神经电极。9.一种人工视网膜神经电极封装结构，其特征在于，包括如权利要求8所述的人工视网膜神经电极。10.一种人工视网膜神经电极封装结构的制备方法，其特征在于，包括：采用化学气相沉积的方式在如权利要求8所述的人工视网膜神经电极的表面制备一层派瑞林有机薄膜层；再利用反应离子刻蚀的方式对所述人工视网膜神经电极进行开口，以仅暴露电极表面，而保持电极的边缘刻蚀出孔处及其他部分仍被有机薄膜层牢固封装，得到人工视网膜神经电极封装结构。

技术总结

本发明涉及视觉假体技术领域，特别涉及一种人工视网膜神经电极、封装结构及其制备方法。该方法包括以下步骤：预备硅片，并在所述硅片的一侧表面的边缘上刻蚀出孔，获得边缘刻蚀出孔的硅片；在所述边缘刻蚀出孔的硅片上具有孔的一侧溅射一层钼金属层，随后在所述钼金属层之上制备铜锌锡硫层，再在所述铜锌锡硫层之上沉积硫化镉层，随后在所述硫化镉层之上沉积氧化铟锡层，通过光刻图形转移的方式对所述硫化镉层和氧化铟锡层进行像素化，得到人工视网膜神经电极。本发明通过在硅片边缘刻蚀小孔的方式，以使表面封装膜通过小孔抓紧电极阵列边缘，进而使得柔性封装层和硅基板以梳尺结构牢固结合，有效防止了派瑞林由于粘附性减弱导致边缘翘起的现象。边缘翘起的现象。边缘翘起的现象。