CN107635621B - 具有分流电阻器的光敏像素 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光敏植入物，其包括至少一个像素(10)，该至少一个像素(10)具有至少一个二极管(12、12')、刺激电极(14)、对电极(18)以及电阻器(16)，其中，所述电阻器(16)的电阻是根据电阻、刺激电极(14)的大小和二极管(12、12')的大小的预定关系来选择的。此外，本发明涉及一种提供这种植入物的方法。

Description

具有分流电阻器的光敏像素
本发明涉及具有至少一个光敏像素的光敏植入物。
植入***是已知的，其有助于为例如因诸如色素性视网膜炎的退行性疾病而失明的患者恢复至少一部分视力。通过利用可以绕过视网膜的退化组织且仍可以直接刺激视网膜的事实，可以利用植入物至少在一定程度上使视力恢复。能够通过植入***来提供这种电刺激。这种***通常包括放置在患者眼睛前方的特殊护目镜以及包括多个电极的植入物，特别是视网膜下植入物。
在护目镜中通常提供摄像头。摄像头适于捕获患者前方的场景。该捕获的场景从视觉信息转换为预定的IR光脉冲信号。植入物适于接收这些IR光脉冲，并且作为响应，植入物基于由摄像头接收到的场景内容而被刺激。然后植入物将光转化为刺激视网膜中的剩余细胞的电流。
为此，植入物包括像素阵列，其中每个像素包括一个或多个二极管区域、刺激电极和对电极。刺激电极通常布置在像素的中心。在像素的各个二极管之间以及在像素之间提供凹槽，以便使这些特定区域彼此隔离。在二极管和电极之间提供电连接以使部件互相连接。
如果IR脉冲被引导到像素，更确切地说，像素的光敏区域，则响应于其，光电二极管电路产生电脉冲。
Wang等(光电视网膜假体：植入物制造和性能(Photovoltaic retinalprosthesis:implant fabrication and performance)；J Neural Eng.2012年八月；9(4))描述了添加分流电阻器有助于加速刺激波形的放电阶段。Loudin等(IEEE生物医学电路与***会刊；第5卷)建议在视网膜假体中使用用于光电二极管电路的分流电阻器。同样地，Mandel等(由光电视网膜假体引起的皮质反应表现出与视觉诱发电位类似(Corticalresponses elicited by photovoltaic sub-retinal prostheses exhibitsimilarities to visally evoke potentials)；自然通讯)和Boinagrov等(用于神经刺激的光电像素：电路模型和性能(Photovoltaic Pixels for Neural Stimulation:CircuitModels and Performance)；IEEE)提到借助于光电像素的视网膜下阵列来光学激活神经刺激。Mathieson等(具有高像素密度的光电视网膜假体(Photovoltaic retinal prosthesiswith high pixel density)；自然光子学)也描述了具有视网膜下光电二极管阵列的视网膜假体***。
为了可靠地刺激剩余细胞，一方面，电流密度，即电荷，应该尽可能的高以便充分刺激剩余细胞，所述电荷实际上为在预定时间内每电磁脉冲(例如每IR脉冲)每相传送的电荷。另一方面，电流密度不应太高。否则，可能会发生组织损伤或电极损坏。此外，单个电极上的电压不应超过水解极限，否则周围的水将会离解。并且，对周围组织的潜在损伤以及电极失效也可能是其后果。此外，施加到植入物的电极的电压理想地应该在刺激脉冲之后并且在任何后续脉冲之前降回到零伏，以允许平衡由植入物施加的正电荷和负电荷。否则，电极可能传送一些残留的直流(DC)电流，其可能损伤周围的组织以及电极本身。因此，现有技术的***不能提供高电荷和/或允许满足电荷平衡。可以发现现有技术***的另外的缺点在于，植入物像素中的二极管的光敏区域通常未理想地与该像素的电极的大小和容量匹配。
因此，本发明的目的是提供一种植入物，其克服了现有技术***的至少一个缺点，同时允许增强电荷传送。
特别地，本发明的目的是提供一种植入物，其对于光敏和电极大小具有优化的结构，以便增强电荷传送。
还已知，根据本发明的具有电极阵列的植入物包括电极，即刺激电极或工作电极，以及对电极(也称为反电极)，其中附加电阻器设置在电极之间的电路中。该附加电阻器也可以称为分流电阻器。分流电阻器允许使在IR脉冲的第一相期间传送的电荷被快速地放电并且允许控制该电荷，其实际被传送到组织。如果分流电阻器具有高电阻，或者如果没有分流电阻器，则在脉冲的第一相期间传送的电荷可能不会快速地放电。因此，增加了电压下降到零的时间。可能地，在另一脉冲之前，不能快速充分地平衡电荷。因此，分流电阻器的高电阻可能会限制可用于下一个脉冲的电容，并且因此处于稳定状态的传送电荷会被减少。
另一方面，分流电阻器的低电阻会允许电荷快速、充分地放电，但是在分流电阻器中会损失相当大部分的光生电荷，并且传送到组织的电荷会减少。
因此，本发明的具体目的是为电极和二极管选择的具体设计提供理想尺寸的分流电阻器。
根据本发明，利用根据独立权利要求1的装置来解决所述问题。从属权利要求的主题是有利的扩展。此外，通过根据权利要求16所述的方法来解决所述问题。
根据本发明的光敏植入物包括至少一个像素，其具有至少一个二极管、刺激电极、对电极以及设置在所述刺激电极和所述对电极之间的电阻器。其中的电阻器优选地与像素的二极管或多个二极管并联电连接。电阻器的电阻是根据电阻、刺激电极的大小和至少一个二极管的大小的预定关系来确定的。
对于本发明，将光敏植入物称为本发明的最优选实施例。在替选实施例中，表示植入物的结构可以被设置为承载至少一个二极管、刺激电极、对电极以及电阻器的衬底，而该衬底未被植入。在这样的实施例中，二极管或多个二极管的光生电荷可以激发刺激电极，以便产生具有高度限定的场分布的电场。例如，这允许从身体外部刺激组织或刺激与组织分离的其他结构。
通过根据电阻器的电阻与刺激电极的大小和至少一个二极管的大小的关系来关联电阻器的电阻，发明人能够提供一种植入物，其中分流电阻器最优地适于提供最大电荷，同时，实现可靠的电荷平衡。由于可预测的分流电阻器值取决于电极大小和二极管大小，因此这可以允许提供适用于多个参数的植入物。
此处的像素大小应理解为两个相邻像素之间的间距。在本申请的上下文中，像素、电极或二极管等的“大小”可以指允许表征该部件的尺寸相对于彼此或绝对数的任何度量。在更具体的实施例中，根据本发明的任何一个部件的大小可以例如由该部件的表面积、可见面积、有效面积或其他来表示。
虽然根据本发明的优选实施例的本发明涉及其中设置有分流电阻器的植入物，但以电极和二极管相应大小的具体的、预定的关系来提供电极和二极管的发明构思也可以应用于那些在像素中没有设置分流电阻器(即，具有无穷大电阻的电阻器)的情况。
如已经指出的，电极、二极管或电阻器的电阻的大小的选择会受到几个因素的影响。然而，对于适用于(优选地最佳适用于)电荷输入的电极大小，具有该名义上最优电极大小的电极的电荷密度可以超过电极退化和/或组织损伤的值。在本发明的一些实施例中，电极大小因此可以高达另外的最优电极大小的两倍。增大的电极大小可以降低电荷密度，并且从而能够有助于降低损坏组织或电极的风险。
应当理解，根据本发明的包含刺激电极的光敏植入物适用于刺激生物细胞或组织。特别地，可以实现对神经细胞(例如神经元)或身体的各种组织的刺激。为此，光敏植入物可以植入到组织中。植入物的电极，特别是刺激电极可以被布置和定位为使得刺激电极上的电脉冲可以刺激周围组织中的一个或更多个细胞。电极也可以设置为使得它们直接接触植入物周围组织的一个或更多个细胞。
在这方面，基本上，植入物可以刺激任何神经组织、神经或细胞。特别地，植入物可以是视网膜植入物、大脑植入物、心脏植入物或用于任何其他可以被电刺激的活组织(诸如耳朵(特别是内耳)或肌肉的活组织)的植入物。根据本发明，当光敏像素区域检测到足够的光刺激时，根据本发明的像素在刺激电极上，即像素的二极管或多个二极管上，产生电荷。因此，假如可以实现至少一个二极管的光激励，并且从而可以实现刺激电极与该二极管连接，则组织的任何位置都可以适于接收植入物。
由光穿过像素上的二极管而产生的这种激励可以由外部光源，即设置有植入物的身体之外的光源来施加。替选地，光源可以由来自设置有植入物的身体内的另外的植入物或另外的器件提供。特别地，红外光或光脉冲可以用于照亮像素的光敏区域。这种IR光也可以适用于，例如，从待刺激的器官或活组织的外部穿透若干层组织，特别是携带植入物的患者的皮肤或另外的组织层。
根据本发明的扩展，刺激电极的大小和二极管的大小分别由刺激电极的面积和二极管的面积来表示。这意味着分流电阻器的电阻取决于刺激电极的面积和二极管的面积二者，特别取决于刺激电极的面积和二极管的面积的关系。这可以允许对通常用于电极和二极管的实际尺寸和几何结构进行更好的测量。尤其，二极管的面积优选地是指二极管区域的光敏部分的面积，即有效二极管面积。类似地，电极的面积优选地是指有效电极面积。因此，根据本发明，一个或更多个二极管、电极和/或整个像素也可以具有非对称形状或任意形状。
在本发明的另一扩展中，在一个像素中，设置了多个二极管，诸如两个二极管或三个二极管。与电极大小和电阻器的电阻有关系的二极管大小有利地是指有效二极管大小。该有效二极管大小可以优选地被限定为总二极管大小除以像素中的二极管数量的比值。因此，有效二极管大小是像素内的平均二极管大小的度量。在像素上的多个二极管具有相同或相似大小的情况下，该限定是特别合适的。这通常能够更好地表征像素或植入物的结构参数。在一些实施例中，像素包含多于一个的二极管，其中相应地，像素的各个二极管在大小上可以相等或至少相似。然而，像素的各个二极管在大小上也可以不同，或至少一个二极管在大小上与剩余的二极管不同。这可以允许对植入物的电属性进行更精细的调谐，并且因此可以使植入物具有更好的性能。特别地，在这种情况下，对有效二极管大小的其他定义，诸如二极管(特别是串联的二极管)中最小二极管的大小，或者诸如关于像素上的二极管位置和二极管形状的加权平均值，或类似物，也是可以的。
通过将二极管或多个二极管和电极的实际几何结构，即像素的实际几何结构看作一个整体，可以做出更精确的性能预测并提供更适合的电阻器。这可以进一步增强植入物的功能。
在一些实施例中，电极面积可以达到100000μm2，或甚至更高。在一些实施例中，电极面积可以在5μm2与10μm2之间。在更优选的实施例中，电极面积为20μm2或更大，更优选为50μm2或更高，特别是100μm2或更高。在甚至更优选的实施例中，电极面积在100μm2与10000μm2之间。最优选地，电极面积在大约500μm2与3300μm2之间。较小的电极大小可以允许接触组织或个体细胞的较小的区域。增大的电极面积可以允许更容易的制造。包括面积为5μm2的电极的像素可以例如具有大约20μm2的总像素面积。相应地，独立于像素的绝对大小，在一些实施例中，电极大小可以在像素大小的2％到50％之间，优选在5％到20％之间，更优选地在10％到15％之间。在具体实施例中，电极大小可以为像素大小的12.5％。尤其，上述限制也适用于特定的情况，其中大小分别表示电极的面积和像素的面积。
相应地，二极管面积可以达到100000μm2。在具体实施例中，二极管可以具有50μm2与100000μm2之间的面积。在一些实施例中，二极管面积高于100μm2，优选地等于或高于200μm2。在本发明的优选实施例中，二极管面积在500μm2与10000μm2之间。
应当注意，在本发明的保护范围内，二极管和电极的大小，即面积可以广泛地变化。电极或二极管的大小的上限可以由根据本发明的植入物待植入到的眼睛的生理条件来设定。类似地，电极或二极管的大小，即面积的下限可以通过技术极限(即生产几平方微米或更小数量级的可靠结构)来设定。
在本发明的实施例中，电阻器的电阻的预定关系通过二极管大小与电极大小的关系根据以下关系式来确定：
R～Dm·E (等式1)
其中，R为分流电阻器的电阻，单位[kOhm]，D为二极管大小，单位[μm]，E为电极大小，单位[μm]，m为指数。
在本发明的优选实施例中，根据等式(1)的上述关系式可以通过根据等式(2)的关系式来更详细的表示：
Figure BDA0001464296060000061
[kOhm]＝[kOhm·μm-2(n+1)]·[(μm2)n]·[μm2] (等式2a)
其中，R为分流电阻器的电阻，单位[kOhm]，Earea为电极的有效电极面积，单位[μm2]，Darea为二极管的有效二极管面积，单位[μm2]，n以及上述等式(1)中的m为指数，以及a为常数。
应当注意，参数a和n的量纲与上述等式(2a)所建议的相应像素、像素阵列和植入物的物理参数的量纲一致。在等式(2)的情况下，指数n是无量纲的。然而，应当理解，本方法不是像素或像素属性的数学描述。相反，上述等式(1)和等式(2)允许将植入物限定为具有具有特定技术特性的像素或像素阵列，该技术特性可以由上述参数最好地反映。这包括取决于指数n的大小的常数a可以具有非整数量纲。到目前为止，发明人不能对这种现象做出令人满意的物理解释。然而，这并不影响用于限定本发明即植入物的参数的适用性，特别是至少一个像素或整个像素阵列的技术特性。
指数n和常数a通常确定二极管大小、电极大小和电阻之间的相互关系。本发明的发明人发现，根据这些参数设计的装置对于大量可能的其他任意参数集来说是有利的，其中每个所述参数确定像素大小、二极管大小和电阻器的电阻的参数集。因此，实现具有根据本发明的关系的像素的植入物可以更好地适用于并且针对具体应用。因此可以提高各个植入物的性能。特别地，显示根据本发明所限定的参数的技术特征的像素和像素阵列，可以特别良好地适用于植入物，优选视网膜植入物中的应用，以刺激生物细胞或组织。
该确定的关系甚至提供了一种预测最优分流电阻器的方法，并因此促进了植入物的生产。
在本发明的一些实施例中，可以选择电极大小，使得对于预定的总光敏二极管面积，总光敏二极管面积和电极面积之间的比值在0.1到10之间，优选在1到9之间，最优选地在3到6之间。
根据本发明的植入物的这样的像素结构是特别有利的，因为它们可以提供最大电荷密度，同时在电荷平衡方面不会降低电极的性能。
在本发明的一些实施例中，选择电极大小，使得对于预定的光敏二极管面积，在光敏二极管面积和电极面积之间的关系中，常数a选自区间[3·105；2·106]。优选地，常数a选自区间[7·105；1.5·106]。最优选地，常数a满足a＝106。
在一些实施例中，选择电极大小，使得对于预定的光敏二极管面积，在光敏二极管面积和电极面积之间的关系中，指数n选自区间[-1.5，-2]。更优选地，指数n选自区间[-1.75；-1.85]。最优选地，n满足n＝-1.81。
在本发明的特定实施例中，指数n满足n＝-1.81，并且常数a选自区间[3·105；2·106]，优选地选自区间[7·105；1.5·106]。
在本发明的另一特定实施例中，常数a满足a＝106，并且指数n选自区间[-1.5；-2]，优选地选自区间[-1.75；-1.85]。
参数的这种选择可以允许适用于各种应用的促进的生产过程。
在满足植入物的多种要求，诸如电荷注入和电荷平衡方面，具有以常数a和/或指数n的这种值表征的分流电阻器的植入物是有利的。迄今为止的尝试最多只是针对这些参数中的一个来增强植入物的特性。因此目前为止，还没有可以进行多参数评估的度量。因此，本发明可以提供装置，其为当与活组织连接时具有增强的功能的植入物。
如本领域技术人员已知的，大小和电阻的精确值仍然具有公差。这是因为对于本发明的范围不可行的另外的参数，可能需要关于植入物的最终结构的进一步的折中。因此，本发明的上述有利的扩展提供了一系列可接受的电阻值，以解决本发明的问题。这意味着对于任何参数集，即二极管大小和电极大小，电阻器的一系列可接受的电阻值在本发明的范围内是可接受的。
根据本发明的另一扩展，围绕刺激电极布置对电极。另外或替选地，可以围绕至少一个二极管布置对电极。本发明上下文中的术语“围绕...布置”应理解为使得对电极具有横向尺寸，并且在该横向尺寸上，包围，优选地完全包围由刺激电极或由至少一个二极管限定的区域。在设置有多个二极管的情况下，可以围绕一个或所有二极管来布置对电极。通过这种布置，可以利用由刺激电极产生的电场的均匀场分布来建立改进的光检测和刺激过程。也可以仅部分地围绕像素或光敏区域或刺激电极来布置对电极。
根据本发明的实施例的植入物可以包括多个像素。该多个像素可以以像素阵列来布置，特别是以最优使用植入物的衬底上可用的空间的方式来布置。这通常通过提供六边形形状的各个像素来实现，使得一个像素与六个另外的周围像素相邻。以这种方式，可以提供具有增大的分辨率的植入物。在每个像素周缘是环形六边形网格的情况下，对电极的宽度的范围可以例如从像素大小的1％到30％，优选地，从5μm到25μm。
尤其，在根据本发明的实施例中，光电二极管能够以阳极或阴极极性连接到有源电极和对电极。
在优选实施例中，光敏植入物是视网膜下植入物。这允许将植入物植入到患者的眼睛内，即视网膜下，以绕过视网膜的任何受损组织。因此，电脉冲可以紧邻仍然在视网膜中起作用的敏感神经细胞产生。替选地，植入物可以是视网膜植入物。
本发明的另一方面涉及一种用于生产这种光敏植入物的方法。该方法包括至少如下步骤：提供衬底，在衬底上设置像素结构。该像素结构包括至少电极、二极管和电阻器。电阻器的电阻是根据电阻、刺激电极的大小和二极管的大小的预定关系来选择的。为了提供用于植入在视网膜或不同组织内或上的植入物，例如，可以在衬底上设置多个像素组成的像素阵列。可以类似于可用于半导体生产的技术来进行生产。
该方法还可以包括在像素和/或像素阵列上提供至少一个或更多个凹槽。可以设置凹槽以使像素和/或像素阵列的特定区域彼此电绝缘，例如，可以在设置在一个像素上的不同二极管之间设置凹槽。此外，可以设置凹槽以使刺激电极或一个或更多个二极管与围绕像素的对电极电绝缘。还可以设置凹槽，以使像素阵列的一个或更多个区域与像素阵列的其他区域或与中心设置的对电极电绝缘。
在生产期间，可以根据上述考量来选择植入物的参数和参数集。
如前所述，刺激电极的大小和二极管的大小分别由刺激电极的面积和二极管的面积来表示。这意味着分流电阻器的电阻取决于刺激电极的面积和二极管的面积二者，特别地，取决于刺激电极的面积和二极管的面积的关系。这可以允许对通常用于电极和二极管的实际尺寸和几何结构进行更好的测量。尤其，二极管的面积优选地是指二极管区域的光敏部分的面积，即有效二极管面积。类似地，电极的面积优选地是指有效电极面积。因此，根据本发明，一个或更多个二极管、电极和/或整个像素也可以具有非对称形状或任意形状。
优选地，与电极大小和电阻器的电阻有关系的二极管大小有利地是指有效二极管大小。该有效二极管大小可以优选地被限定为总二极管大小除以像素中二极管的数量的比值。因此，有效二极管大小是像素内的平均二极管大小的度量。在像素上的多个二极管具有相同或相似大小的情况下，该限定是特别合适的。
在本发明方法的实施例中，电阻器的电阻的预定关系通过二极管大小与电极大小的关系根据以下关系式来确定：
R～Dm·E (等式1)
其中，R为分流电阻器的电阻，单位[kOhm]，D为二极管大小，单位[μm]，E为电极大小，单位[μm]，以及m为指数。
优选地，根据等式(1)的上述关系式可以通过根据等式(2)的关系式来更详细的表示：
Figure BDA0001464296060000101
[kOhm]＝[kOhm·μm-2(n+1)]·[(μm2)n]·[μm2] (等式2a)
其中，R为分流电阻器的电阻，单位[kOhm]，Earea为电极的有效电极面积，单位[μm2]，Darea为二极管的有效二极管面积，单位[μm2]，n以及上述等式(1)中的m为指数，以及a为常数。
在本发明方法的一些实施例中，选择电极大小，使得对于预定的光敏二极管面积，在光敏二极管面积和电极面积之间的关系中，常数a选自区间[3·105；2·106]。优选地，常数a选自区间[7·105；1.5·106]。最优选地，常数a满足a＝106。
在本发明方法的一些实施例中，选择电极大小，使得对于预定的光敏二极管面积，在光敏二极管面积和电极面积之间的关系中，指数n选自区间[-1.5；-2]。更优选地，指数n选自区间[-1.75；-1.85]。最优选地，n满足n＝-1.81。
在本发明方法的特定实施例中，指数n满足n＝-1.81，并且常数a选自区间[3·105；2·106]，优选地选自区间[7·105；1.5·106]。
在本发明方法的另一特定实施例中，常数a满足a＝106，并且指数n选自区间[-1.5；-2]，优选地选自区间[-1.75；-1.85]。
在本发明方法的一些实施例中，电极面积可以达到100000μm2，或甚至更高。在一些实施例中，电极面积可以在5μm2与10μm2之间。在更优选的实施例，电极面积为20μm2或更大，更优选为50μm2或更高，特别是100μm2或更高。在甚至更优选的实施例中，电极面积在100μm2与10000μm2之间。最优选地，电极面积在大约500μm2与3300μm2之间。较小的电极大小可以允许接触组织或个体细胞的较小的区域。
相应地，二极管面积可以达到100000μm2。在具体实施例中，二极管可以具有50μm2与100000μm2之间的面积。在一些实施例中，二极管面积高于100μm2，优选地等于或高于200μm2。在本发明的优选实施例中，二极管面积在500μm2与10000μm2之间。
参照附图在以下的描述中将会发现本发明的另外的细节、优选实施例和优点，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的具有电极的光敏像素的示例；
图2是根据本发明的实施例的具有两个相邻像素的半导体结构的示意性横截面图；
图3示出了根据本发明的实施例的电极阵列；
图4是具有接线电路的示意图的图1的光敏像素的透视图；
图5是表示刺激脉冲的图；
图6至图10示出了根据本发明的实施例的不同约束参数a和n的图。
图1示出了根据本发明的实施例的光敏像素10。光敏像素10，在下文中称为像素，包括光敏二极管12、中心电极14和电阻器16。在像素的外周缘处，设置对电极18，其通常也称为反电极。对电极18能够布置在每个像素上，例如在每个像素的周缘处，如图1所示。这意味着，反电极是局部的，并且位于像素阵列的不同中心电极之间。这通常也被称为“双极”配置。
对于这种双极布置，可以有两种配置。反电极可以彼此分离。这意味着，在这种情况下的像素是彼此完全独立的。替选地，各个像素的所有反电极可以连接在一起，以便有效地产生一种网格状结构。该结构可以，例如具有可以遍布在整个像素阵列之上的六边形图案。
作为另一替选配置，中心反电极可以被布置为与中心电极分离。特别地，这种中心反电极可以设置在植入物上的偏远位置处。这种配置也可以被称为单极配置。应当注意，反电极不一定必须在植入物的几何中心。此外，多个这样的中心电极可以分布在植入物或像素阵列之上。
如图1所示的实施例中的像素10具有大致对称的六边形形状。在与该六边形的每一侧边相邻之处可以设置另外的像素。在图3中示出了像素阵列的一个实施例的示例，该像素阵列在本发明的上下文中也被称为电极阵列。在替选实施例中，各个像素的形状也可以不同。例如，像素可以具有八边形或矩形形状。在不脱离本发明保护范围的情况下，像素也可以具有圆形或菱形形状或任何其他、甚至任意形状。
各个像素通过凹槽20彼此分离。凹槽20包括电绝缘材料。各个像素1优选地彼此电绝缘。在根据图1的实施例中，对电极18布置在围绕像素1的周缘的凹槽20上。
在图1所示的实施例中，像素10还包括两个二极管12、12'。二极管12、12'布置为内接在六边形像素形状的区域内。优选地，二极管12、12'对称布置。在二极管12、12'之间设置绝缘凹槽20'。二极管12、12'之间的绝缘凹槽20'具有与绝缘凹槽20相同的特性。因此，二极管12、12'基本上彼此电绝缘。应当理解，尽管凹槽布置在像素内，即光敏元件的衬底内，但仍然可以通过电触头来建立由凹槽20、20'分离和绝缘的对象之间的电接触。在根据图1的实施例中，例如，通过电触头22来连接二极管。如将关于图4进一步详细描述的，以这种方式，在根据图1的实施例中，二极管相对于彼此串联连接。
二极管12、12'在根据图1的实施例的投影视图中表示像素的光敏区域。在该实施例中，二极管12、12'的表面区域，即光敏区域基本上是围绕像素10的对称轴(未示出)对称的。在其他实施例中，二极管的数量可以是不同的。特别地，可以仅设置一个二极管。这允许增加像素的光敏区域，因为不需要设置凹槽20'来分离像素10内的各个二极管。在另外的实施例中，可以在一个像素中设置三个二极管或三个以上的二极管。如果在像素10中设置多于两个的二极管，则各个二极管也可以彼此串联连接，如上述已经针对双二极管像素所讨论的。
如果需要增加作为接收信号的响应的电压，则可以为一个像素设置多个二极管，例如两个或三个二极管。因此，二极管可以串联连接，其中N个二极管的电压是仅由一个二极管产生的电压的N倍大。另一方面，二极管数量的增加意味着每个像素中每个二极管可以收集更少的光。与仅具有一个或几个二极管相比，当具有多个二极管时，串联连接的这些二极管中的每个二极管所产生的电流可以显著地降低。通常，一个二极管的电流是具有N个二极管的电路中的电流的N倍大。因此，这是一个选择性问题，哪个参数(即电流或电压)对于个别应用来说是更期望的。在神经刺激的具体情况下，所需的刺激参数可以取决于待激励的组织和各个神经细胞、植入物的位置以及甚至患者的个体情况，可能是年龄、疾病状态以及一般生理状况。
在像素10的中心设置电极14。由于其中心位置，该电极14也被称为中心电极。此外，由于该电极通常用于进行刺激，因此该电极也被称为刺激电极。所示实施例中的刺激电极14被设置为具有圆形形状。电极也可以具有不同的形状，诸如模仿反映像素10的轮廓的反电极18或凹槽20的形状的形状。当前示出的实施例选择圆形形状，使得来自刺激电极14的电场可以是均匀的。取决于目标应用，所述形状还可以包括允许不太均匀的、局部增强的电场分布的形状。
根据本发明的一些实施例，像素10的电极14应适用于刺激周围组织，优选神经组织，特别是活体内的视网膜的神经组织。通常，电极包括铂、氧化铱和/或氮化钛。替选地，铱、铂铱、掺杂金刚石或类金刚石碳或PEDOT:PSS或其他已知材料可以用作电极材料。特别地，电极材料的优选结构可以是高度多孔结构，诸如多孔结构或分形TiN结构或铂结构。这样的结构是已知的，并且被描述为例如“黑铂”或“多孔铂”。电极的厚度可以从约100nm到3μm变化。然而，也可以使电极厚度在10μm范围内或低于100nm。
在如图1所示的实施例中，反电极18被设置为围绕像素并沿着像素周缘的轮廓的细长电极。在替选实施例中，反电极还可以包括围绕像素10并围绕刺激电极14规则或任意分布的多个电极。特别地，这可以施加在电极阵列1的周缘部分处。
此外，电阻器16布置在刺激电极14和对电极18之间。特别地，如图2更详细地示出的，电阻器16(也称为分流电阻器)可以设置在像素10的两个二极管12、12'之间的凹槽上。
图2示出了电极阵列1的一部分的截面侧视图，示出了两个相邻的像素10、10'。像素10、10'对应于根据图1所示的实施例的具有两个二极管12、12'的像素。类似地，也可以为单二极管像素或三二极管像素提供与图1所示的双二极管像素相同的层结构。此处，电阻器16设置在像素的表面上。根据本发明的实施例，电阻器16是像素10的表面上的导体。在一些实施例中，该导体可以由掺杂硅制成或包括掺杂硅，特别地由轻掺杂硅制成或包括轻掺杂硅。在图3中可以看到，阵列1设置在衬底2上。
图3示出了像素阵列，即电极阵列1。电极阵列1包括多个像素10。电极阵列1中的像素的大小可以不同，并因此能够被调整以用于不同的应用。
图4示出了根据本发明的实施例的像素10的示意性透视图。如图所示的像素10将反电极20展示为一种六边形细长电极。刺激电极14是圆形电极。如果施加了电压，即当刺激电极产生电脉冲时，产生图4中的电场线15所表示的电场。根据刺激脉冲的细节，诸如强度、持续极性等，该电场邻近范围内的细胞最终可以被刺激。也可以以组织(即组织内的细胞)可以直接接触电极的方式将电极放置在组织中。
图4的像素10也设置有串联连接的两个二极管12、12'。电阻器16(即分流电阻器)与二极管12、12'并联连接。以这种方式，可以建立具有可靠的电荷平衡和刺激参数的电路。
图5示出了像素上的光脉冲100以及源自于其的刺激脉冲110的示例。通常，像素上的光脉冲是红外光脉冲。红外光的波长可以从750nm至3000nm，优选在800nm到1000nm之间，最优选地在830nm到915nm之间。光脉冲通常为矩形脉冲。还可以采用另外的光脉冲形状，诸如锯齿形或光强度的非线性上升和/或下降。一旦一个或更多个光敏二极管检测到光，就会产生电流120。光脉冲施加越长，获得的刺激电极14的电压110就越高。分别对于阳极或阴极而言，随着有效电极上的电压110在正或负的范围内增加，对电极130的电压相反地在负或正的区域内增加。
在光刺激停止之后，电流120下降，并且刺激电极的电压和反电极上的电压降低。然而，需要时间来均衡电压，这主要取决于分流电阻器16的电阻。在根据图5的示例中，在光脉冲停止之后，电压降低为零仅大约26ms。直到那时才可以由相应的像素施加下一个具有满电容的刺激脉冲。
电阻器16的电阻显著地影响像素的功能和性能。如果二极管中的一个接收到光脉冲，即在光敏区域上接收到光脉冲，则该光脉冲被转化为电脉冲。电信号被传送到刺激电极14。理想情况下，为了增加刺激功效，应该最大化光脉冲每相传送的电荷。另一方面，电荷密度不能太高，以防止组织损伤。因此，通常选择在0.35mC/cm2与1.5mC/cm2之间的电荷密度，典型地选择1mC/cm2的电荷密度。此外，电荷必须足够快地放电，使得在下一个脉冲之前，所施加的电压可以理想地一直下降到零以平衡电荷。这需要低值电阻器。另一方面，低值电阻器减少最终可以用于电信号产生的光生电荷。
本发明人能够说明分流电阻器的理想值与刺激区域和光敏区域的面积成比例。为了限定本发明，可以包括满足以下等式(1)的所要求保护的本发明的实施例。
R～Dm·E (等式1)
其中，R为分流电阻器16的电阻，D为二极管大小，E为电极大小，m为指数。
在本发明的优选实施例中，上述关系式也可以通过根据等式(2)的关系式来描述：
Figure BDA0001464296060000161
其中，R为分流电阻器16的电阻，单位kOhm，Earea为电极14的有效电极面积，单位μm2，Darea为二极管12的有效二极管面积，单位μm2，n为指数，a为常数。这意味着电阻器16的电阻源自于电极大小和二极管大小。特别地，根据这些实施例，电阻器16的电阻源自于电极面积和二极管面积(优选为有效二极管面积)。如果二极管12、12'具有相似的大小，则如根据本发明所限定的有效二极管面积为二极管12、12'中每一个二极管的光敏面积。也可以是像素10中的二极管12、12'的光敏面积的最小值。
在下文中，将根据上述限定来概述本发明的最优选实施例。对于本领域技术人员明显的是，包含分流电阻器的电阻、电极大小以及二极管大小和二极管数量的各个参数集可以满足关于本发明所示出的要求。
本领域技术人员将进一步认识到，本申请相对于参数的绝对或相对关系、或关于参数本身的值而提供的所有值都会受到统计误差和/或设计约束和变化的影响。因此，所提供的值应被认为表示至少在该所提供的值的大约+/-25％范围内的值，或至少在+/-10μm范围内的值，其中所述值是指大小。例如，大小为100μm的三二极管像素允许电极大小的最优值为大约从15μm至30μm。
对于分流电阻器的值而言，值可以更显着地变化，例如，从所表示值的10％直到最优值的十倍，优选地从所表示值的50％直到所表示值的5倍。对于本领域技术人员明显的是，对于给定的参数集，其是值的组合(即二极管的大小和数量、电极大小和电阻)，其限定根据本发明的像素或像素阵列。
如将通过各个参数集的示例所示的，可以通过根据关系式-1.5<n<-2的指数n来最好地描述本发明的发现。在本发明的更优选的实施例中，在-1.65<n<-1.95之间，特别地在-1.75<n<-1.85之间选择指数。特别地，指数n可以为n＝-1.81。
根据本发明，对于电极和二极管的相应面积(单位μm2)，表1和表2提供了简要的优选参数集。考虑相应面积的方法允许考虑像素、二极管和电极的几乎任意形状。
对于表1和表2中列出的参数集，确定了对于n＝-1.81的优选指数n，常数a优选在3·105<a<2·106之间。更优选地，常数a在7·105<a<1.5·106之间。甚至更优选地，常数a在7.5·105<a<1.25·106之间。常数a可以例如为a＝106±20％。最优选地，在这种设置中，常数a为a＝106±10％。应该注意，单位为[μm]的像素大小是表征像素的常用度量。在电极大小(面积)、二极管大小(面积)和电阻器的电阻方面，像素大小本身不考虑用于限定像素的各个特性。还应当理解，所提供的示例仅例示通过电阻器16的电阻、电极14的大小和一个或更多个二极管12、12'的大小来限定像素或像素阵列的发明构思。具体示例不限于权利要求书中所阐述的主题。
针对以大约5mW/mm2的功率和大约4ms的光脉冲持续时间施加的光，对具有根据表1所示出的参数集的像素结构的电极阵列进行优化。
Figure BDA0001464296060000171
表1：针对5mW/mm2的光功率和4ms的光脉冲而优化的分流电阻器的电阻
针对以大约3mW/mm2的功率和大约4ms的光脉冲持续时间施加的光，对具有根据表2所示的像素结构的电极阵列进行优化。
Figure BDA0001464296060000181
表2：针对3mW/mm2的光功率和4ms的光脉冲而优化的分流电阻器的电阻
表3示出了像素的参数集，其被确定是多种可能的配置中特别有利的选择。针对以大约5mW/mm2的功率和大约4ms的光脉冲持续时间施加的光，对表3所示出的参数集进行优化。
Figure BDA0001464296060000182
表3：优选的针对5mW/mm2的光功率和4ms的光脉冲而优化的分流电阻器的电阻
图6示出了在双对数图上显示的并以“x”标记的像素阵列的像素的这样的参数配置的图，这样的参数配置通常是合理的并在技术上是可行的。在该图中，X轴表示二极管的大小(这里为面积)，例如有效二极管面积。该图的Y轴示出了从如上述限定的等式(2)得出的分流电阻器值除以电极面积的对应关系。在图6中由“+”标记的参数坐标表示根据本发明的发明性的考虑因素来约束的参数集。
这些约束可以例如要求电极能够以特定的电荷密度来提供特定的电荷。特别地，该电荷密度可以大约为0.35mC/cm2。电荷密度的上限优选为1mC/cm2。电荷密度可以高达1.5mC/cm2。此外，这些约束可以要求响应于刺激脉冲，可以不超过电极14和对电极18之间的最大电压。特别地，电压可以旨在保持在水的水解电压以下。作为针对根据图6至图10的示例性实施例而考虑的一个示例，最大电压可以被限制为大约0.8V。另一方面，根据这些实施例，针对特定的光照参数，由电极提供的最小电压被认为小于0.1V。此外，在一些实施例中，这些约束可以要求电阻器16的电阻允许足够快的电荷平衡，优选地对应于反映随时间而不平衡的电荷的、小于0.1μA的剩余DC电流，同时最大化可用于刺激的电荷。减少剩余DC电流，从而电荷平衡电极，可以允许对组织的更受控的刺激，并因此增加像素或像素阵列的可靠性。
如上所述，可以由上述等式(2)来描述根据本发明实施例的显示这些参数集的像素和像素阵列。在图6的示例性实施例中，指数n为n＝-1.81。图6中的点划线和虚线分别表示等式(2)中常数a的上限和下限，其中常数a分别为3·105和2·106。当根据下面的等式(3)重新排列时，这些线表示由等式(2)限定的直线：
R/Earea＝a·Dn area (等式3)
该限定以相同的方式适用于下面讨论的图7至图10。
图7示出了本发明的另外的优选实施例的参数。这些参数集在图7中用黑色圆点(·)表示。作为比较，图7还显示了那些通常作为合理的理论配置是可得到的配置。根据图7的实施例的上限和下限可以分别由a＝7·105和a＝1.5·106来限定。
图8示出了与图7相同的图，其中没有显示出所有可能的参数集，但添加了针对最优选实施例的参数集的接近优选中心值的直线。该直线由常数a＝106和指数n＝-1.81来限定。应当注意，在图6至图10所示的对数图上，在不脱离本发明的发明构思和范围的情况下，10％至50％数量级的常见误差可以被认为是偏离该优选中心值。
图9类似于图6至图8，示出了理论上可以考虑的那些技术实现的图。此外，如图7和图8所示，图9示出了用黑色圆点(·)表示的根据本发明的最优选实施例。然而，图9中所显示的线表示针对不同的指数n的、由上述等式(3)限定的线的上限和下限。图9中参数集的上限和下限的指数分别由n＝-1.5和n＝-2来限定。
类似于图9的图，图10示出了具有由不同的指数n所产生的临界线的图。此处，上限由指数n＝-1.75来限定，下限由指数n＝-1.85来限定。
应当注意，根据上述示例的上限和下限显示了可能的参数集的范围的边界。也就是说，落在由表示上下值的线所界定的那些区域之间的任何参数集都应被认为是用于提供具有增强特性的像素或像素阵列的本发明构思的一部分。还应注意，对于本领域技术人员来说，考虑任何这样的参数组合不是显而易见的选择，因为这是发明人通过关联相应的电极、二极管和电阻的大小，才提供了具有多参数适应性的像素和像素阵列。

Claims (46)

1.一种光敏植入物，其包括至少一个像素(10)，所述至少一个像素(10)具有至少一个二极管(12、12')、刺激电极(14)、对电极(18)以及电阻器(16)，其中所述电阻器(16)的电阻是根据电阻、所述刺激电极(14)的大小和所述二极管(12、12')的大小的预定关系来选择的，其中，所述电阻器的电阻如下确定：
R～Dm·E
其中，R为电阻器的电阻，D为二极管大小，E为电极大小，以及m为指数。
2.根据权利要求1所述的光敏植入物，其中，所述刺激电极(14)的大小和所述二极管(12、12')的大小分别被表示为所述刺激电极(14)的面积和所述二极管(12、12')的面积。
3.根据权利要求1或2所述的光敏植入物，其中，所述二极管(12、12')大小是由所述像素中的总二极管大小和二极管(12、12')数量的比值表示的有效二极管大小。
4.根据权利要求1或2所述的光敏植入物，其中，所述电阻器(16)的电阻由以下公式确定：
R＝a·(Darea∧n)·Earea
其中：
R为所述电阻器(16)的电阻；
Earea为所述电极(14)面积；
Darea为有效二极管(12、12')面积；
n为指数，以及
a为常数。
5.根据权利要求4所述的光敏植入物，其中，所述电极(14)面积被选择为使得对于任何预定的光敏二极管(12、12')面积，所述常数a选自区间[3·105；2·106]。
6.根据权利要求4所述的光敏植入物，其中，所述电极(14)面积被选择为使得对于任何预定的光敏二极管(12、2')面积，所述指数n选自区间[-1.5；-2]。
7.根据权利要求4所述的光敏植入物，其中，所述指数n满足n＝-1.81，并且其中所述常数a选自区间[3·105；2·106]。
8.根据权利要求4所述的光敏植入物，其中，所述常数a满足a＝106，并且其中所述指数n选自区间[-1.5；-2]。
9.根据权利要求1或2所述的光敏植入物，其中，围绕所述刺激电极(14)和/或围绕所述至少一个二极管(12、12')布置所述对电极(18)。
10.根据权利要求1或2所述的光敏植入物，其中，所述植入物包括布置在像素阵列(1)中的多个像素(10、10')。
11.根据权利要求1或2所述的光敏植入物，其中，所述至少一个像素具有六边形形状。
12.根据权利要求1或2所述的光敏植入物，其中，所述刺激电极具有圆形形状。
13.根据权利要求1或2所述的光敏植入物，其中，至少一个像素中的所述电极面积小于100000μm2。
14.根据权利要求1或2所述的光敏植入物，其中，所述二极管面积小于100000μm2。
15.根据权利要求1或2所述的光敏植入物，其中，所述植入物为视网膜下植入物。
16.根据权利要求1或2所述的光敏植入物，其中，所述二极管(12、12')大小是由所述像素中的总二极管面积和二极管(12、12')数量的比值表示的有效二极管大小。
17.根据权利要求4所述的光敏植入物，其中，所述电极(14)面积被选择为使得对于任何预定的光敏二极管(12、12')面积，所述常数a选自区间[7·105；1,5·106]。
18.根据权利要求4所述的光敏植入物，其中，所述电极(14)面积被选择为使得对于任何预定的光敏二极管(12、12')面积，所述常数a满足a＝106。
19.根据权利要求4所述的光敏植入物，其中，所述电极(14)面积被选择为使得对于任何预定的光敏二极管(12、2')面积，所述指数n选自区间[-1.75；-1.85]。
20.根据权利要求4所述的光敏植入物，其中，所述电极(14)面积被选择为使得对于任何预定的光敏二极管(12、2')面积，所述指数n满足n＝-1.81。
21.根据权利要求4所述的光敏植入物，其中，所述指数n满足n＝-1.81，并且其中所述常数a选自区间[7·105；1.5·106]。
22.根据权利要求4所述的光敏植入物，其中，所述常数a满足a＝106，并且其中所述指数n选自区间[-1.75；-1.85]。
23.根据权利要求1或2所述的光敏植入物，其中，至少一个像素中的所述电极面积在100μm2与10000μm2之间。
24.根据权利要求1或2所述的光敏植入物，其中，至少一个像素中的所述电极面积在500μm2与3300μm2之间。
25.根据权利要求1或2所述的光敏植入物，其中，所述二极管面积在50μm2与100000μm2之间。
26.根据权利要求1或2所述的光敏植入物，其中，所述二极管面积在500μm2与10000μm2之间。
27.一种用于生产根据前述权利要求1至26之一所述的光敏植入物的方法，包括以下步骤：
-提供衬底(2)，
-在所述衬底(2)上设置像素结构(10)，其包括至少一个电极(14)、二极管(12、12')和电阻器(16)，其中所述电阻器(16)的电阻是根据电阻、所述刺激电极(14)的大小和所述二极管(12、12')的大小的预定关系来选择的。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述刺激电极(14)的大小和所述二极管(12、12')的大小分别被表示为所述刺激电极(14)的面积和所述二极管(12、12')的面积，并且其中所述二极管(12、12')大小是由所述像素中的总二极管大小和二极管(12、12')的数量的比值表示的有效二极管大小。
29.根据权利要求27或28所述的方法，其中，所述电阻器(16)的电阻由以下公式确定：
R＝a·(Darea∧n)·Earea
其中：
R为所述电阻器(16)的电阻；
Earea为所述电极(14)面积；
Darea为有效二极管(12、12')面积；
n为指数，以及
a为常数。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述电极(14)面积被选择为使得对于任何预定的光敏二极管(12、12')面积，所述常数a选自区间[3·105；2·106]。
31.根据权利要求29所述的方法，其中，所述电极(14)面积被选择为使得对于任何预定的光敏二极管(12、12')面积，所述指数n选自区间[-1.5；-2]。
32.根据权利要求29所述的方法，其中，所述指数n满足n＝-1.81，并且其中所述常数a选自区间[3·105；2·106]。
33.根据权利要求29所述的方法，其中，所述常数a满足a＝106，并且其中所述指数n选自区间[-1.5；-2]。
34.根据权利要求27或28所述的方法，其中，至少一个像素中的所述电极面积小于100000μm2。
35.根据权利要求27或28所述的方法，其中，所述二极管面积小于100000μm2。
36.根据权利要求27所述的方法，其中，所述刺激电极(14)的大小和所述二极管(12、12')的大小分别被表示为所述刺激电极(14)的面积和所述二极管(12、12')的面积，并且其中所述二极管(12、12')大小是由所述像素中的总二极管面积和二极管(12、12')的数量的比值表示的有效二极管大小。
37.根据权利要求29所述的方法，其中，所述电极(14)面积被选择为使得对于任何预定的光敏二极管(12、12')面积，所述常数a选自区间[7·105；1.5·106]。
38.根据权利要求29所述的方法，其中，所述电极(14)面积被选择为使得对于任何预定的光敏二极管(12、12')面积，所述常数a满足a＝106。
39.根据权利要求29所述的方法，其中，所述电极(14)面积被选择为使得对于任何预定的光敏二极管(12、12')面积，所述指数n选自区间[-1.75；-1.85]。
40.根据权利要求29所述的方法，其中，所述电极(14)面积被选择为使得对于任何预定的光敏二极管(12、12')面积，所述指数n满足n＝-1.81。
41.根据权利要求29所述的方法，其中，所述指数n满足n＝-1.81，并且其中所述常数a选自区间[7·105；1.5·106]。
42.根据权利要求29所述的方法，其中，所述常数a满足a＝106，并且其中所述指数n选自区间[-1.75；-1.85]。
43.根据权利要求27或28所述的方法，其中，至少一个像素中的所述电极面积在100μm2与10000μm2之间。
44.根据权利要求27或28所述的方法，其中，至少一个像素中的所述电极面积在500μm2到3300μm2之间。
45.根据权利要求27或28所述的方法，其中，所述二极管面积在50μm2与100000μm2之间。
46.根据权利要求27或28所述的方法，其中，所述二极管面积在500μm2与10000μm2之间。
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