JP5075016B2 - 刺入型柔軟神経電極およびその作製方法 - Google Patents
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Description
Khalil Najafi, Jin Ji, Kensall D.Wise, "Scaling Limitations of Silicon Multichannel Recording Probes", IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL ENGINEERING, JANUARY 1990, VOL.37, No.1, p.1-11 Carolos Gonzalez, Manuel Rodriguez, "A flexible perforated microelectrode array probe for action potential recording in nerve and muscle tissues", Journal of Neuroscience Methods, 1997, 72, p189-195
(1)作製工程が複雑で作製が容易ではない
図6A〜Cに従来の作製工程を示す。この工程は基板に各種材料の積層、エッチング等を行うことを通じ、最終的にS120に示すような、金属からなる電極配線13が同一材料による2層の絶縁体(第1絶縁体11及び第2絶縁体12)に挟まれた完成物を得るまでを例にとったものであるが、図6からわかるように作製工程が非常に複雑であり作製は容易ではない。これは、電極を露出させるとともに電極を挟持する柔軟絶縁材料を所定の形状に形成するためには、プラズマエッチングやリアクティブイオンエッチング等のドライエッチングを行う工程(S108〜S119)が不可欠なためである。基板に各種材料の積層、エッチング等を行うことを通じて電極配線が2層の同一材料の絶縁体により挟まれた完成物を形成する場合、例えば、図7(a)の断面図に示すような状態(S107後の状態に対応)から、図7(b)の断面図に示すような外形でかつ電極14が露出している状態(S119後の状態に対応)に成型するにあたっては、同一材料による第1絶縁層11と第2絶縁層12に2つの膜厚x、yのエッチングを行う必要があるが、プラズマエッチングやリアクティブイオンエッチング等のドライエッチングでは、一度の工程で同一材料を異なる膜厚にドライエッチングすることが原理上できない。具体的には、第2絶縁層12から電極14を露出させるために除去すべき膜厚yと、両絶縁層の外形を所定の形状に形成するために除去すべき膜厚xとが異なるため、一度の工程でドライエッチングすることはできない。そのため、同一材料を異なる厚みにドライエッチングするためには複数回に分けたドライエッチング工程を経ることが不可欠であった。
従来の刺入型柔軟神経電極の製造工程では、ドライエッチング処理による影響でアライメントマークが変形し、その結果として生じるアライメント誤差が複数回のエッチング処理により累積的に増加するため、安定した微細加工が困難であった。
パリレンやポリイミド等の柔軟絶縁材料を用いて電極を露出させるとともに刺入型柔軟神経電極を所定の形状に形成するためには、上記(1)で説明したようにドライエッチング工程が不可欠である。しかし、ドライエッチング工程に必要なエッチング装置とそれらの維持費は高価であり、廉価に作製することが困難であった。
上記(1)で説明したように、従来の作製方法では同一材料を異なる膜厚に加工するためには作製工程が複雑になることから、刺入型柔軟神経電極を任意の形状に形成すること、例えば、電極部及び配線部を多層化することは実際のところ困難である。そのため、電極のチャンネル数を多くしたい場合には刺入型柔軟神経電極の面積を大きくせざるを得なかった。
従来の刺入型柔軟神経電極は、柔らかい脳組織の動きに追従できずに、生体組織を損傷させたり、計測または刺激対象である神経を死滅させたり、更には、計測または刺激可能範囲外への移動が誘引されることにより、安定した計測や刺激を行うことが困難であった。
従来の刺入型神経電極に用いられてきたシリコン、パリレン、ポリイミド等の絶縁材料は、その絶縁材料の硬さ如何にかかわらず細胞接着性が低く、生体の異物反応を促進するため、脳に留置した電極周囲に生じる瘢痕と炎症を軽減することが困難であった。
従来の刺入型柔軟神経電極は、刺入と留置により損傷した脳組織を回復させる機構を有していない。
本発明の刺入型柔軟神経電極10の実施例について、上面図を図1(a)に、b−b断面図を図1(b)に、c−c断面図を図1(c)に示す。本発明の刺入型柔軟神経電極10は、第1絶縁層11と、第2絶縁層12と、それぞれ電極部14と配線部15とからなる複数の電極配線13と、複数の貫通穴16と、から構成される。
図2A、図2Bに本発明の刺入型柔軟神経電極10の作製工程を、図3にこのような作製工程を経て完成した刺入型柔軟神経電極10の電極部14の直径と電極インピーダンスとの関係をそれぞれ示す。以下、図2に従い作製工程を説明する。なお、図2は感光素材がネガタイプである場合で記しているが状況に応じポジタイプを用いても構わない。
S2:第1絶縁層11の外形形状が描画されたマスク27を用いて第1絶縁層11を露光・現像し、第1絶縁層11の形状を成型
S3:表面全面に金属層22を形成
S4:表面全面にフォトレジスト層23を形成
S5:電極配線13の形状が描画されたマスク24を用いてフォトレジスト層23を露光・現像
S6:露光・現像により残存させたフォトレジスト層23により金属層22をエッチングして電極配線13の形状を成型
S7:フォトレジスト層23を除去
S8:表面全面に第2絶縁層12を形成
S9:第2絶縁層12の所定の形状が描画されたマスク29を用いて第2絶縁層12を露光・現像し、第2絶縁層12の形状を成型
S10:基板21から完成物を剥離
上記の刺入型柔軟神経電極作製方法を用いることによって、複数の刺入型柔軟神経電極を一体的にかつ立体的に形成することも可能となる。図4にその一例である3次元計測用多チャンネル刺入型柔軟神経電極30を示す。まず、図4(a)に示すように複数の刺入型柔軟神経電極10をそれぞれ、一端が解放された状態、他端が共通の基体部31に連結された状態で、交互に対向するように、平面的にかつ一体的に形成する。そして、図4(b)に示すように基体部31の余白部位を折り曲げることにより、複数の刺入型柔軟神経電極10が一体的に立ち上がり、3次元に電極が配置された3次元計測用多チャンネル刺入型柔軟神経電極30を形成することができる。このような構成の多チャンネル刺入型柔軟神経電極により、3次元空間における計測が可能となるとともに、各刺入型柔軟神経電極の付け根が繋がっていることから、それぞれがばらばらになることなく、予定された配置及び電極間隔における計測を行うことが可能となる。
第1実施形態においては、電極部を含む電極配線が1層の場合について実施形態を明らかにしたが、感光性の柔軟絶縁材料を用いることにより、工程が大幅に減少し、またアライメントマーク変形による誤差の問題も考慮する必要がなくなることから、従来の方法では難しかった電極配線の多層化も容易に実現することができる。厚さが許容できる範囲内で多層化を行うことで、複数の電極配線の配線部の輻輳による面積増大を抑制することができるため、単位面積あたりの電極数を増やすことができ、同じ電極数であれば面積を小さくすることができる。そして、厚さとのトータルで容積を小さくできれば、脳組織への侵襲ダメージを従来のものより軽減することができる。なお、多層化しても、第1絶縁層以外は薄膜であり、測定・刺激対象と電極との密着性は高いため、測定や刺激への影響はほとんど無視できる。
図5に電極配線が1層の刺入型柔軟神経電極を2層にする工程の例を示す。3層以上についても同様の工程を繰り返すことで実現可能である。以下、図5に従い電極配線が2層の刺入型柔軟神経電極50の作製工程を説明する。
S52:表面全面にフォトレジスト層52を形成
S53:2層目の電極配線53及び1層目の電極部14の所定の形状が描画されたマスク54を用い、フォトレジスト層52を露光・現像
S54:残存させたフォトレジスト層52により金属層51をエッチングし、2層目の電極配線53を形成
S55:全面に2層目の第2絶縁層55を形成
S56:2層目の第2絶縁層55の所定の形状(外形及び2層目の電極部57)が描画されたマスク56を用い、2層目の第2絶縁層55を露光・現像
Claims (5)
- 感光性の柔軟絶縁材料からなる第1絶縁層と、
感光性の柔軟絶縁材料からなる第2絶縁層と、
上記第1絶縁層上に形成され、上記第2絶縁層に覆われた複数の電極配線と、
から構成され、
それぞれの上記電極配線は、上記第2絶縁層から露出している電極部と露出していない配線部とからなり、
上記第1絶縁層と上記第2絶縁層は、外形の長手方向の一端が先細り形状であり、表面が親水性に改質され、複数の上記電極配線が存在しない部分に複数の共通の貫通穴を有する
刺入型柔軟神経電極。 - 請求項1に記載の刺入型柔軟神経電極において、
上記複数の電極配線が多層化されていることを特徴とする刺入型柔軟神経電極。 - 請求項1または2に記載の刺入型柔軟神経電極を作製する刺入型柔軟神経電極作製方法であって、
基板上に感光性の第1絶縁層を形成する第1絶縁層形成ステップと、
上記第1絶縁層の所定の形状が描画されたマスクを用いて、第1絶縁層を露光・現像して第1絶縁層を所定の形状に加工する第1絶縁層加工ステップと、
第1絶縁層加工ステップで形成された表面全体に金属層を形成する金属層形成ステップと、
金属層形成ステップで形成された表面全体にフォトレジスト層を形成するフォトレジスト層形成ステップと、
上記電極配線の所定の形状が描画されたマスクを用いて上記フォトレジスト層を露光・現像する電極配線描画ステップと、
電極配線描画ステップで露光・現像された上記フォトレジスト層により上記金属層をエッチングして電極配線の所定の形状に加工する電極配線加工ステップと、
上記フォトレジスト層を除去するフォトレジスト除去ステップと、
上記各ステップにより形成された表面全体に感光性の第2絶縁層を形成する第2絶縁層形成ステップと、
上記第2絶縁層の所定の形状が描画されたマスクを用いて、第2絶縁層を露光・現像して第2絶縁層を所定の形状に加工する第2絶縁層加工ステップと、
上記各ステップの実行により形成された請求項1または2に記載の刺入型柔軟神経電極を上記基板から剥離する基板剥離ステップと、
を実行する刺入型柔軟神経電極作製方法。 - 請求項3に記載の刺入型柔軟神経電極作製方法を用いて、複数の刺入型柔軟神経電極を、一端が解放され他端が共通の基体部に連結された状態で、平面的にかつ一体的に形成する基体形成ステップと、
上記基体部を折り曲げて、複数の刺入型柔軟神経電極を当該基体部から起こす立体化ステップと、
を実行する刺入型柔軟神経電極作製方法。 - 請求項3に記載の刺入型柔軟神経電極作製方法において、
上記第2絶縁層加工ステップと上記基板剥離ステップとの間に、上記電極配線の所望の階層数分、上記金属層形成ステップから上記第2絶縁層加工ステップまでの各ステップを各層所定の形状で繰り返し実行することを特徴とする刺入型柔軟神経電極作製方法。
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