技术领域
本发明涉及医疗器械、生物MEMS领域，具体涉及一种声电混合激励人工耳蜗植入体执行端，电极阵列、微驱动薄膜制备方法。
背景技术
人的耳蜗是一个蜗牛形状的听觉器官，它能够将声波转换为人脑可以识别的电信号。空气的震动或者声波被人的外耳廓收集放大，沿着外耳道达到鼓膜，并对鼓膜产生冲击震荡，鼓膜是一个有弹性的组织，它的震荡传递给了中耳道的听小骨链，将声波转化为机械能，通过锤骨、砧骨传递到镫骨，镫骨底板接收机械震动，敲击与之相连的内耳的卵圆窗，由此引起耳蜗内的外淋巴液的行波传递，伴随着声波的强度频率的变化，耳蜗中的前庭阶内的外淋巴液感受到的冲击压力也不一样，前庭阶内的淋巴液与鼓阶内的淋巴液通过蜗管顶的狭窄蜗孔相连，从而使得外淋巴液的流动有压力的变化，这些压力传递给了蜗管内的基底膜和内淋巴液，刺激基底膜上的Corti器内并使内毛细胞和外毛细胞产生相对的位移，毛细胞的钾钠离子通道开启而产生听觉感受器电位，这个动作电位被耳蜗螺旋神经节内的双极神经细胞传递，其发出的轴突形成人的耳蜗神经，传导的神经电信号最终被中枢系统识别为声音信息。
人耳的听力缺陷一般分为三类：传导性聋，感音神经性聋，混合性聋。其中传导性聋是由于外耳道、中耳病变引起的听力损失，一般可以通过药物、手术等手段治愈；感音神经性聋是指由于内耳毛细胞、听神经、听传导径路或各级神经元受损害导致的听力损失。助听器适用于轻度和中毒感音神经聋患者，人工耳蜗适用于重度感音神经聋患者；混合性聋则两者兼有。
随着20世纪末人工耳蜗技术的成熟，人工耳蜗的适用人群也在增加。感音神经性听力缺陷中，常见的一类患者仅有高频听力缺陷，称为高频陡降型听力缺陷型患者。低频声音提供声音的基础和结构，例如元音与音调，这部分声音信息决定了音调的识别与情绪的分辨；高频声音提供了声音更多重要的细节，有助于识别和区分字词并提高声音质量与清晰度，这部分声音对言语理解十分重要，尤其在嘈杂环境中。
越来越多高频听力缺失但低频听力尚存的患者成为人工耳蜗的佩戴者，但人工耳蜗的全长度电极阵列植入长期会造成尚存低频听力的损伤并最终完全丧失低频听力。另一方面， 助听器，一种基于对声音放大来帮助听力障碍患者听声的辅助设备，被证明无法恢复高频陡降型患者的高频听力。研究发现声电混合的激励方法(electrical and acoustic stimulation，EAS)是一种对于部分听力缺陷患者十分有效的助听方法。这种方法的基本原理是用缩短的人工耳蜗薄膜电极阵列电激励耳蜗中的高频段神经，从而避免过长的电极阵列损伤处于蜗顶部分的低频听力神经；同时利用助听器产生声激励耳蜗的低频听力神经。这种机制的优点是：尽量保存了未受损听力神经的功能，获得低频声音更高的还原度，减少了电极对残余听力神经的损害。基于上述研究，一种新的人工耳蜗，声电混合激励人工耳蜗，简称EAS设备被提出。具体来看，EAS设备适用的患者，其500Hz以下听力阈值应小于60dB，1500Hz以上听力阈值大于75dB，如图1所示。
声电混合激励人工耳蜗已经发展多年，现已成为三家主要人工耳蜗公司的产品的主要功能，如前文所述，其仍存在改进的空间，其中主要的问题之一，是“助听器与人工耳蜗分离”的设计，这种设计的主要问题是：作为患者，长期佩戴不便，尤其是需要佩戴耳机，长期佩戴十分影响舒适度。
发明内容
本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
为此，本发明的第一个目的在于提出一种声电混合激励人工耳蜗的植入体执行端。
本发明的第二个目的在于提出一种人工耳蜗薄膜电极阵列的制备方法。
本发明的第三个目的在于提出一种压电微驱动薄膜的制备方法。
本发明的第四个目的在于提出一种集成parylene薄膜电极阵列和PZT微驱动薄膜的方法。
本发明的第五个目的在于提出一种一次流片同晶圆加工parylene薄膜电极阵列和PZT微驱动薄膜的方法。
为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种声电混合激励人工耳蜗的植入体执行端，包括：人工耳蜗薄膜电极阵列，作为电激励源植入人工耳蜗的顶部；压电微驱动薄膜，作为声激励源位于所述人工耳蜗的底部；以及驱动电路，与所述人工耳蜗薄膜电极阵列和压电微驱动薄膜连接，用于接收体外声处理模块所输入的包含声音信息的信号并产生相应的驱动信号以驱动所述人工耳蜗薄膜电极阵列和所述压电微驱动薄膜。
根据本发明实施例的声电混合激励人工耳蜗的植入体执行端，利用压电薄膜微驱动器代替助听器的扬声器部分，完成声电混合激励人工耳蜗的两种激励源完全可植入化设计，减轻患者佩戴的不便。
另外，根据本发明上述实施例的声电混合激励人工耳蜗的植入体执行端，还可以具有 如下附加的技术特征：
进一步地，所述人工耳蜗薄膜电极阵列包括：parylene薄膜层；形成在所述parylene薄膜层之上的电极导线层；形成在电极导线层之上的parylene隔离层，其中，所述parylene隔离层设置有开口；通过所述开口引出的电极，其中，所述电极与所述电极导线层连接；以及覆盖于所述parylene薄膜层、所述电极导线层和所述隔离层之上的parylene封装层。
进一步地，所述压电微驱动薄膜包括：硅基底；位于所述硅基底之上的SiO2层；位于所述SiO2层之上的Si3N4层；位于所述Si3N4层之上的底电极；位于所述底电极之上的PZT薄膜层；位于所述PZT薄膜层之上的顶电极；以及覆盖于所述硅基底、所述SiO2层、所述Si3N4层、所述底电极层、所述PZT薄膜层和所述顶电极层之上的parylene封装层。
进一步地，所述人工耳蜗电极阵列和所述压电微驱动薄膜在同晶圆上通过一次流片加工集成器件。
进一步地，所述人工耳蜗薄膜电极阵列用于产生1kHz以上的听力，所述压电微驱动薄膜用于产生2kHz以下的听力。
为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种制备上述人工耳蜗薄膜电极阵列的方法，包括以下步骤：A1：在硅基底上沉积parylene薄膜层；A2：在所述parylene薄膜层之上沉积Au/Cr合金并剥离图案化作为电极导线层；A3：在所述电极导线层之上沉积parylene隔离层；A4：刻蚀所述parylene隔离层形成开口；A5：对所述开口沉积Pt/Ti合金并剥离图案化作为电极；A6：在所述parylene薄膜层、所述电极导线层和所述parylene隔离层之上沉积parylene封装层；A7：刻蚀所述parylene封装层以露出所述电极；以及A8：DRIE刻蚀硅基底。
为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种制备上述的压电微驱动薄膜的方法，包括以下步骤：B1：提供硅基底；B2：在所述硅基底之上形成SiO2层；B3：在所述SiO2层之上沉积Si3N4层；B4：在所述Si3N4层之上沉积Pt/Ti合金并剥离图案化作为底电极；B5：在所述Si3N4层和底电极之上形成PZT薄膜；B6：刻蚀所述PZT薄膜形成图案化表面；B7：沉积Au/Cr合金并剥离图案化作为顶电极；B8：对所述基底进行刻蚀形成预定形状；以及B9：在所述Si3N4层、所述底电极层、所述PZT薄膜层和所述顶电极层之上形成parylene封装层。
为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种集成parylene薄膜电极阵列和PZT微驱动薄膜的方法，包括以下步骤：C1：将上述实施例制备的压电微驱动薄膜与上述实施例制备的人工耳蜗薄膜电极阵列进行键合。
进一步地，所述键合的方式包括热压键合、紫外固化聚氨酯和环氧树脂胶合。
为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种一次流片同晶圆加工上述集成器件的 方法，包括以下步骤：S1：提供硅片；S2：对所述硅片进行高温氧化以在所述硅片表面形成SiO2层；S3：在所述SiO2层之上通过等离子体增强化学汽相沉积Si3N4层；S4：在Si3N4层之上进行金属离子束蒸发沉积Pt/Ti合金，并剥离图案化作为底电极；S5：对SiO2层、Si3N4层和底电极沉积PZT薄膜；S6：刻蚀PZT薄膜使其形成图案化结构；S7：沉积parylene层作为PZT隔离层与电极阵列基底；S8：刻蚀所述parylene层以在所述图案化结构上方形成开口；S9：在所述开口处沉积Au/Cr合金并剥离图案化作为PZT顶电极与电极阵列导线；S10：沉积parylene隔离层；S11：氧等离子刻蚀所述parylen隔离层露出所述PZT顶电极；S12：在露出电极的部位金属离子束蒸发沉积Pt/Ti合金；S13：沉积parylene封装层；S14：氧等离子刻蚀所述封装层露出电极部位并减薄PZT封装层；以及S15：离子反应刻蚀所述硅片，释放PZT薄膜结构和parylene薄膜电极阵列结构。
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是现有技术中声电混合激励人工耳蜗的适用对象示意图；
图2是本发明一个实施例的声电混合激励人工耳蜗的植入体执行端植入耳蜗位置的示意图；
图3是本发明一个实施例的声电混合激励人工耳蜗的植入体执行端的结构示意图；
图4是本发明一个实施例的parylene薄膜电极阵列的制备过程示意图；
图5是本发明一个实施例的PZT微驱动薄膜的制备过程示意图；
图6是一个实施例的PZT微驱动薄膜和parylene薄膜电极阵列的键合示意图；
图7是本发明一个实施例的一次流片同晶圆加工方法的过程示意图。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗 示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照下面的描述和附图，将是本领域技术人员能够清楚的理解本发明的实施例的内容。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
以下结合附图描述根据本发明实施例的声电混合激励人工耳蜗的植入体执行端。
请参考图2和图3，一种声电混合激励人工耳蜗的植入体执行端，包括人工耳蜗薄膜电极阵列1、压电微驱动薄膜2和驱动电路。本发明实施例的声电混合激励人工耳蜗的植入体执行端用于植入人耳蜗，同时完成声激励与电激励。
其中，人工耳蜗薄膜电极阵列1作为电激励源植入人工耳蜗的顶部。在本实施例中，人工耳蜗的顶部为靠近人工耳蜗中心方向的一端。在本发明的一个实施例中，人工耳蜗薄膜电极阵列1为parylene薄膜电极阵列1，植入耳蜗约360°位置，覆盖耳蜗大于1kHz听力区域。在本发明的一个示例中，parylene薄膜电极阵列1共16电极，采用bipolar模式对输出电极与回路电极进行布置。电极直径300μm，导线线宽30μm。薄膜电极阵列顶部可利用硅胶涂敷做柔性处理。
压电微驱动薄膜2作为声激励源位于人工耳蜗的底部。在本实施例中，人工耳蜗的底部为远离人工耳蜗中心方向的一端。在本发明的一个实施例中，压电微驱动薄膜2为PZT微驱动薄膜2，植入耳蜗蜗底，推动淋巴液直接产生小于2kHz听力。在本发明的一个示例中，PZT微驱动薄膜2采用平板电容结构(d31模式)，平面结构采用矩形，薄膜通过底部硅基底刻蚀产生悬浮结构释放。
驱动电路通过电器引脚3与parylene薄膜电极阵列1和PZT微驱动薄膜2连接，用于接收体外声处理模块所输入的包含声音信息的信号并产生相应的驱动信号以驱动parylene薄膜电极阵列1和PZT微驱动薄膜2。在本发明的一个示例中，患者在身体上佩戴声处理模块，声处理模块采集外界的声音信号后通过无线传输的方式传递给驱动电路，驱动电路 根据输入信号相应地驱动parylene薄膜电极阵列1和PZT微驱动薄膜2以进行电激励与声激励。
本发明实施例的声电混合激励人工耳蜗的植入体执行端，薄膜电极阵列代替硅胶圆截面电极阵列，厚度降低，减小植入损伤可能；通过植入PZT微驱动薄膜将助听器中所需佩戴的耳机移植入耳蜗，减轻佩戴不适；整个器件采用微加工技术批处理加工，加工效率提升，成本降低。
在本发明的一个实施例中，parylene薄膜电极阵列1的结构如图4(h)所示，包括parylene薄膜层、电极导线层、parylene隔离层、电极和parylene封装层。其中，电极导线层形成在parylene薄膜层之上，parylene隔离层形成在在电极导线层之上且parylene隔离层上刻蚀有开口，电极从开口出引出并于电极导线层连接，parylene封装层对器件进行封装。本发明实施例的parylene薄膜电极阵列1具有厚度薄，柔性高，透明，介电性优越，生物兼容性高等优势。
本发明的实施例针对上述parylene薄膜电极阵列1提出一种制备方法，具体包括以下步骤：
A1：在硅基底上沉积parylene薄膜层，如图4(a)所示。
A2:在parylene薄膜层之上沉积Au/Cr合金并剥离图案化作为电极导线层,如图4(b)所示。
A3：在电极导线层之上沉积parylene隔离层，如图4(c)所示。
A4：刻蚀parylene隔离层形成开口，如图4(d)所示。
A5：对开口沉积Pt/Ti合金并剥离图案化作为电极，如图4(e)所示。
A6：在parylene薄膜层、电极导线层和parylene隔离层之上沉积parylene封装层，如图4(f)所示。
A7：刻蚀parylene封装层以露出电极，如图4(g)所示。
A8：去除硅基底，如图4(h)所示。
本发明实施例的制备方法，具有批处理，加工效率高不涉及高温工艺的优点。
在本发明的一个实施例中，PZT微驱动薄膜2的结构如图5(i)所示，包括硅基底、位于硅基底之上的SiO2层、位于SiO2层之上的Si3N4层、位于Si3N4层之上的底电极、位于底电极之上的PZT薄膜层、位于PZT薄膜层之上的顶电极、覆盖于Si3N4层、底电极层、PZT薄膜层和顶电极层之上的parylene封装层。本发明实施例的PZT微驱动薄膜2具有体积小，线性好，频带宽的特点。
本发明的实施例还针对上述PZT微驱动薄膜2提出一种制备方法，具体包括以下步骤：
B1：提供硅基底1mm，如图5(a)所示。
B2：在硅基底之上高温氧化形成SiO2层，如图5(b)所示。
B3：在SiO2层之上等离子体增强化学汽相沉积Si3N4层，如图5(c)所示。
B4：在Si3N4层之上金属离子束蒸发沉积Pt/Ti合金并剥离图案化作为底电极，如图5(d)所示。
B5：在Si3N4层和底电极之上溶胶凝胶(Sol-Gel)工艺650℃形成PZT薄膜，如图5(e)所示。
B6：湿法刻蚀PZT薄膜形成图案化表面，如图5(f)所示。
B7：金属离子束蒸发沉积Au/Cr合金并剥离图案化作为顶电极，如图5(g)所示。
B8：对基底进行刻蚀形成预定形状，如图5(h)所示。
B9：在Si3N4层、底电极层、PZT薄膜层和顶电极层之上形成parylene封装层，如图5(i)所示。
本发明实施例的制备方法，具有成本低的优点。
本发明的实施例还提出一种集成parylene薄膜电极阵列和PZT微驱动薄膜的方法，包括以下步骤：
C1：将上述实施例制备的压电微驱动薄膜与上述实施例制备的人工耳蜗薄膜电极阵列进行键合。
具体地，请参考图6，PZT微驱动薄膜2的背面与parylene薄膜电极阵列1的正面直接键合。这种直接键合的工艺路线使两独立器件在设计与加工阶段相互独立，薄膜电极阵列能够具有更高的电极密度，PZT微驱动薄膜能够具有更大的平面尺寸，驱动能力更强。
在本发明的一个实施例中，在步骤C1以后还可以包括以下步骤：
C2：采用激光分离或离子反应分离压电微驱动薄膜的硅基底，两器件键合后再配合PZT与原基底的分离。
在本发明的一个实施例中，键合方式包括：热压键合、紫外固化聚氨酯和环氧树脂胶合。
在本发明的一个实施例中，parylene薄膜电极阵列1和PZT微驱动薄膜2通过一次流片加工集成器件。这种加工方法具有工艺效率高的优点。
具体地，一次流片加工集成方法包括以下步骤：
S1：硅片研磨置1mm，如图7(a)所示。
S2：对硅片进行高温氧化以在对片表面形成SiO2层，如图7(b)所示。
S3：等离子体增强化学汽相沉积Si3N4层，如图7(c)所示。
S4：在对Si3N4层之上进行金属离子束蒸发沉积Pt/Ti合金，并剥离图案化作为底电极，如图7(d)所示。
S5：对SiO2层、Si3N4层和底电极溶胶凝胶(Sol-Gel)工艺650℃沉积1μm PZT薄膜，如图7(e)所示。
S6：湿法刻蚀PZT薄膜使其形成图案化结构，如图7(f)所示。
S7：沉积第一层1.5μm parylene作为PZT隔离层与电极阵列基底，如图7(g)所示。
S8：氧等离子刻蚀parylene层露出PZT顶电极部位，如图7(h)所示。
S9：金属离子束蒸发沉积Au/Cr合金1μm并剥离图案化作为PZT顶电极与电极阵列导线，如图7(i)所示。
S10：沉积第二层1μm的parylene作为隔离层，如图7(j)所示。
S11：氧等离子刻蚀隔离层露出电极部位，如图7(k)所示。
S12：在露出电极的部位金属离子束蒸发沉积Pt/Ti合金,如图7(l)所示。
S13：沉积第三层1μm的parylene作为封装层，如图7(m)所示。
S14：氧等离子刻蚀封装层露出电极部位并减薄PZT封装层，如图7(n)所示。
S15：深度离子反应刻蚀氧化硅、氮化硅、硅基底，释放PZT薄膜结构、parylene薄膜电极阵列结构，如图7(o)所示。
另外，本发明实施例的耳蜗的植入体执行端和电极阵列、微驱动薄膜制备方法。的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。
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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。