JP5258245B2 - 生理的パラメータの測定用能動センサー、マイクロ電気機械システムまたは集積回路を内蔵した植え込み型生体適合性部品 - Google Patents

Description

本発明は、１９９３年６月１４日付けＥＣ評議会指令第９３／４２／ＣＥ号により定義された「能動型医療機器」に関し、より詳細には、１９９０年６月２０日付けＥＣ評議会指令第９０／３８５／ＣＥＥ号により定義される「能動植え込み型医療機器」に関する。

より詳細には、心臓活動を観察して表にし、そしてリズム障害が該装置により検知された場合には、心臓のペーシング、再同期、除細動および／または電気的除細動用パルスを出すことを目的とする装置がこの定義に含まれる。また、神経学的装置、医薬拡散ポンプ、人工内耳、植え込み型生物学的センサーなどや、ｐＨ測定機もしくは体内インピーダンス測定機（肺内外インピーダンスまたは心内インピーダンスなど）などが挙げられる。

能動植え込み型医療装置は、センサーを利用して信号を集め、多様な機能を制御する。特に、いくつかのセンサーをリードと一体化することができ、リード自体をパルス発生器のケースに接続することができる。このようなセンサーの典型的な例として、血圧センサーまたは心内膜リードの遠位端と同じ高さに取り付けられた心内膜加速度（ＥＡ）センサーが挙げられる。心内膜リードは心筋内に導入され、除細動器のペースメーカーのケースに接続される。

本発明は、より詳細には、人体に植え込み可能な生体適合性部品に関し、密閉カプセル化された能動素子を埋め込む。当該能動素子は、生理的パラメータを測定するセンサー、マイクロ電気機械システムまたは集積電子回路であってもよい。

本明細書において、以下では「能動素子」を「センサー」と呼ぶが、本発明は限定的方法で解釈されてはならず、当業者には、「センサー」にはセンサーそれ自体、すなわち、物理的パラメータの変化量の関数である電気信号または光信号を生成する信号変換機のみが含まれるのではなく、センサーの近くでセンサーに付随するか否かを問わず、増幅器、フィルターなどの能動電子回路またはマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）が含まれ、より一般的にはシリコンなどの材料もしくは半導体材料で作られた基板上に技術的に埋め込み可能な素子が含まれることが理解される。

植え込み型センサーは、特にセンサーが血液または他の体液に直接接触する場合や、とりわけその接触が非常に長時間または永久的な場合、すなわち心臓移植について言えば数年の期間の場合には、非常に厳格な要求に従う。

これらの要求は、好適には国際標準ＩＳＯ１０９９３シリーズで定められており、以下の二種類がある。

− 使用する材料の生体適合性、すなわち、一方でこれら材料は、周辺体組織および体液に対して完全に不活性（無害）のままでなければならず、他方では、これら組織または体液が材料の属性の腐食もしくは劣化を誘発してはならない。材料の属性は、周辺生体媒質との長期間の接触にもかかわらず、不変でなければならない。

− 密閉性、すなわち、センサーは、液体進入（圧迫）に耐えるだけでなく、気体の進入にも耐えなければならず、それには漏えい率を完全に制御し最小限化することを要する。

従来では、センサーを生体適合性材料内に入れ、または生体適合性材料で覆うことで十分であると考えられてきた。しかしながら、最近の標準では、いまや生体適合性被覆だけでなく、被覆される要素の生体適合性という二重のレベルでの保護を要求する。この目的は、例えば被覆物を介した拡散によるセンサーと周囲媒質間の間接接触の場合、または長期間経過後の被覆物の劣化、亀裂などの場合に、適切な保護を確保するということにある。

これらの非常に厳格な要求に従うために、通常チタニウムで作られる不活性金属ケース内にセンサーを埋め込むことが知られている。そのケースの上に溶接されたセラミックフィードスルーにより、ケース内部に入れられたセンサーと外部の間の電気的接続を確立して、内部リード導体への接続を確立することを可能とする。

この解決策は、上述した生体適合性及び密閉性の要求に適合する。しかしながら、このような解決策は、実施が容易ではない技術であり、部品に費用がかかり、かつ組立が困難であり、自動製造工程を実施するのが困難であるために、そしてもっと強い理由として、大量生産を可能とする集合加工を実施することが困難であるために、費用がかかる。さらに、この既知の技術は、ケースが好ましい大きさに小型化することができないので、部品が比較的大きな容積を有することになる。

また、特に非常に小さい直径のリード上に配置される小さな大きさのセンサーの必要性が存在し、増加している。これは、静脈網カテーテル法による植え込みに関する一般の慣行と適合する。

発明の目的および概要

それゆえ、本発明の目的は、チタニウムケースや電気的接続用フィードスルーを必要としないセンサー（または他の能動素子）を含み、この部品の植え込み可能な性質から生じる非常に厳格な要求、および体組織や血液などの体液との長期間の接触に耐える必要性に従った生体適合性および密閉性を提供する部品を提案することにある。

さらに、心臓植え込み型装置のケースのように、許容できる生体適合能力および密閉能力を非常に長い期間、典型的には数年間に亘って提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、植え込み型生体適合性部品などの製造費用を削減するが、信頼できる技術を実施し、集合加工による製造の可能性を提案することにある。

さらに本発明の他の目的は、改良小型化を提示し、好適には非常に小さな直径のリード上に、一つ以上の部品を設置することを可能とする植え込み型生体適合性部品を提案することにある。

本発明の一つの実施形態は、技術的な複雑さを過度に増加させることなく、非ガルバニ方法、一般的にはＲＦリンクを介して遠隔給電およびデータ交換を可能とする構成を有する植え込み型生体適合性部品を提案することにある。

米国特許第４，０２３，５６２号明細書は、蓋の下にカプセル化された基板に内蔵された圧力センサーを記載し、蓋は生体適合性により例えば診療中にカテーテル内への導入を可能とする容器を提供して、人体内の所定の位置における圧力を測定するようにする。しかしながら、この文献に記載される構成は、上記目的に適していない。特に、上記文献は、十分に長い期間に亘って生体適合性および密閉性を提供しないし、集合（大量）生産を可能としない。事実、この文献において、センサー端末との接触は、部品と同一平面の蓋の側に配置された金属パッドを通して行われ、電気的接続部は、横溝により確保され、また同一平面においてホウ素拡散と共に形成され、部品に伝導性を付与する。この技術では、低抵抗接触を得ることはできず、というのもホウ素拡散の抵抗は、特に金属抵抗よりも高いからである。さらに、この提案された技術は、もし横接触のせいで基礎基板および蓋を同時に切断することができないとすれば、同一シリコンウエハーの集合加工を可能としない。

加えて、基板および蓋のシリコンは、リンを添加されるが、これは長期間の生体適合性を提供せず、この部品は比較的短期間（数時間または長くても数日）の診療にのみ有用である。

米国特許出願第２００３／０２０９３５７号明細書は、基板上に部品を設置する技術を記載しており、その後、シリコン蓋で全体をカプセル化することが記載されている。ここで、基板の反対側を介して接触が行われ、その上でＭＥＭＳ部品が支持される。これを受けて、基板はＫＯＨエッチング加工により一方から他方へと深く切り出され、反対側にあるメタライゼーションまで切り出される。メタライゼーションにより獲得された穴全体を覆うことにより電気的接続部が得られる。

特に大規模のこれらの貫通孔のせいで、こうして得られた部品は体内に埋め込むために要求される密閉性を提供する可能性はない（すなわち、実際にこの文書により説明される利用ではない）。

さらに、基板上での部品の支持が必要であることにより、大きさおよび容積を増加させることに加えて、実質的に製造費用を削減する可能性のある集団加工が不可能となる。

したがって本発明は、人体内に植え込み可能で、生理的パラメータの測定用センサー型の能動素子、マイクロ電気機械システムまたは集積回路を組み込み密閉してカプセル化した生体適合性の部品を提案する。当該部品は以下を含む：すなわち、シリコンまたは石英で作られた基板であり、その面の一つに前記能動素子を内蔵し、同一基板の自由面上に形成される生体適合性金属パッドを備えた基礎基板を含む。前記パッドは基板上に内蔵された電気的接続部により能動素子に電気的に接続される。そして、シリコンまたは石英で作られ、能動素子を内蔵する面の側で、密閉する方法で基板を覆い、かつ周囲を閉鎖する蓋を含む。

有利には、この部品は基本的に能動素子と周辺外部とを隔離する金属ケースがなく、かつ能動素子への電気的接続のための絶縁フィードスルーがない。基板と蓋は、対向する面で互いに直接的に密閉することができ、または生体適合性材料で作られた密閉リングなどの生体適合性密閉材料を介在させることにより直接的に密閉することができる。後者の場合には、密閉リング材料は生体適合性ガラス、金属あるいは金属合金、好適には金またはパラジウムのいずれかが挙げられる。

金属パッドは、好適には金で被覆され、能動素子が無線周波数（ＲＦ）送信および／または遠隔給電を備える場合には、前記パッドの少なくとも一つの大きさおよび各形状が、適当なアンテナを形成するように選択される。

本発明の好適な実施形態において、蓋は薄膜包装型（ＴＦＰ）の技術により製造される。

基板および蓋用の材料は、好適にはホウ素添加シリコンである。

本発明の更なる特徴、利点および特色は、以下の発明の好適な実施形態の詳細な説明を考慮して、同一の参照番号が同一の要素を示す添付の図面を参照することにより当業者には明らかとなる。

発明の詳細

図１ないし５を参照して、本発明に係る部品を実現する好適な実施形態を説明する。図において、参照番号１０は一般的な方法で本発明の部品を示しており、当該部品は、好適にはシリコン、他の半導体材料もしくは石英で作られたセンサー１４などの能動素子を内蔵する基板１２を含む。このセンサーは、例えば、（ＳＡＷ型もしくはＢＡＷ型の）血圧センサーまたは（圧電型もしくはＭＥＭＳに基づく）加速度計であり、とりわけ心室尖に埋め込まれたリード線の先端部において心内膜加速度（ＥＡ)を測定することを目的とする。

好適には、基板１２は、極めて低い数値、概ね２００μｍまで減少することにより削減できる厚さを具備し、極めて小さな大きさの植え込み型リードを容易に包含する極めて薄い厚さを有する部品を提供する。

センサー１４を備えた電気的接続部は、部品の外側に現れるパッド１６を伝導することにより確保され、生体適合性を確保する被覆材、例えば金で被覆される。接続パッド１６は、図に示すように、センサー１４が内蔵される面に対向する基板１２の面上に設置される。その際、センサー１４に接触する導体１８との接続は、バイアス２０により確保され、例えば、基板１２を介してプラズマエッチングにより充填され、次に銅または他の適当な金属の電解析出物により充填される。そのような技術は例えば、米国特許出願公開第２００４／０２５９３２５号明細書に記載されており、参照することにより組み込まれ、さらに詳細に説明するために参照することができる。

基板１２は、センサー１４が設置された側で蓋２２により閉鎖する。蓋２２は、好適にはシリコンもしくは石英で作られ、図１のように、センサー１４に面する内側に凹部を備える。

図１に示す実施形態において、基板１２および蓋２２は接触面２６でそれぞれの面に向かい合って互いに直接密閉される。そのような直接的シリコン−シリコン密閉技術は、例えば米国特許第６，９７９，５９７号明細書で説明されており、参照することにより本発明に組み込まれ、以下のさらに詳細な説明のために参照することができる。

接触を実現するこの技術は、いくつかの主要な利点を示す。

第１に、金属の充填物のおかげで極めて低い抵抗で接触することができる。第２に、この金属充填物は、内部容積と、センサー１４を取り囲む空洞２４との間の優れた密閉性を確保し、その反対側で接続パッド１６を含む。第３に、これらの構成は生体適合的であり、集合加工を可能としながら、基板１２および蓋２２を同時に切断可能であることにより部品１０を個別化するようにする。

図２で示される実施形態において、基板１２および蓋２２は互いに直接的に密閉されてはいないが、代わりに、中間生体適合密閉材料、例えば生体適合金属もしくは金属合金、好適には金もしくはパラジウムを基礎として作られた密閉リング２８で密閉される。そのような技術は、例えば米国特許第６，１１８，１８１号明細書において説明され、参照することにより本発明に組み込まれ、さらに詳細に説明される。密閉リング２８の材料は、代わりに低い不純物率を有する適当なガラスであってもよい。

シリコンが基板１２および蓋２２用の材料として用いられる場合、そのようなシリコンは好適にはホウ素が添加され、この添加はシリコンの生体適合性を改善するという特性を有している。このことは、特に米国特許第６，９６８，７４３号明細書で説明されている。

図３に示す実施形態では、接触電極を形成するパッド１６が引き伸ばされ、適当な形態３０で構成されて、アンテナ（双極子、ループなど）を形成するようにし、センサー１４との非ガルバニック接触を確保することを可能とする。後者は次に、遠隔給電することができ、完全自立的能動部品を組み込んでおり、直接ワイヤー接続は存在しない。部品がＲＦ通信機能を実装する実施形態において、当該部品は、好適には植え込み型無線周波数識別装置（ＲＦＩＤ）を構成することができ、４０２−４０５ＭＨｚのＭＩＣＳ帯域（医療植え込み通信システム）もしくは医療装置に用いられる８６３−８７０ＭＨｚ、９０２−９２８および２．４ＧＨｚの標準一般ＩＳＭ帯域（産業、科学および医療）などの周波数範囲内で動作することができ、ＲＦテレメトリーにより能動素子１４の遠隔問合せを可能とする。

図４を参照すると、本発明に係る部品の製造に利用される「薄膜包装」（ＴＦＰ）型加工の異なる工程が示されている。センサー１４は次に、図１ないし３で示す実施形態のような支持された密閉蓋の代わりに、蒸着およびエッチング（エッチング加工）工程により直接基板上に形成された薄膜蓋により保護される。

ＴＦＰ加工（工程ａ）における第１工程は、基板１２上へのセンサー１４の設置を提供する。

次に（工程ｂ）、薄い厚さの第１犠牲層３２が、センサー１４から少し離れて、しかしセンサー１４の近くの基板上に局部的に蒸着される。次に、厚い厚さを有する他の犠牲層３４が、基板上に蒸着され（工程ｃ）、第１犠牲層３２の位置までセンサー１４を取り囲む。

続く工程（工程ｄ）では、フィルムまたは薄層３６を蒸着して閉鎖し、その結果、こうして組立てられた集合体内に部品の蓋を構成する。層３６内に犠牲層３２に面して開口部３８を設ける。薄い蓋３６を製造するために、種々の適当な材料を用いることができ、期待水準、例えばＰＥＣＶＤ（プラズマ化学気性成長法）技術により窒化膜を蒸着するレベルまで密閉性を確保する。

次の工程（工程ｅ）では、二つの犠牲層３２および３４を、開口部３８を介してエッチングすることにより取り除く。これにより、センサー１４の周りに開口部３８以外を層３６により閉鎖した自由内部容積４０が形成される。

次に開口部３８を誘電蒸着物４２により充填して（工程ｆ）、内部容積４０の密閉性を確保するようにする。

最後の工程（工程ｇ）は、センサー１４を取り囲む容積４０の周辺に開口部４４を設け、このセンサーへの電気的接続のための接触点にアクセスする（図示せず）ようにする。注意：この実施形態において、当該接触点は、接触点が対抗面上にある図１ないし３に示す実施形態とは対照的に、センサー１４を組みこむ面と同じ基板１２の面上に設けられる。

図５は、平面図において、本発明に係る部品１０の一例を示し、ソフト回路もしくはフレックス回路などの支持体４６に貼り付けられる。この支持体４６は、基板上に蒸着される配線５２を介してパッドに接続する接続領域４８を含む。当該パッド５０は、回路１０の同族接触パッド１６の近くに向かい合って配置され、これらは結合線５４を用いて接続される。こうして、当該回路の各接続パッド１６は領域４８の一つに電気的に接続され、領域４８はマイクロケーブル５６の先端と溶接することができ、遠隔装置と接続するようにする。

当業者には、本明細書で開示する実施形態以外の実施形態によっても本発明が実施可能であり、本明細書に記載の実施形態が説明の目的で開示され、限定することを目的としたものではないことが理解される。

基板および蓋が互いに直接密閉される、本発明に係る部品の略断面図を示す。 基板および蓋が密閉リングを介在させることにより溶接された図１の改良型を示す。 ＲＦ特性を内蔵した部品を構成する図２の改良型を示す。 本発明に係る部品を実現する「薄膜包装」（ＴＦＰ）加工による一連の工程を示す。 適当な接続部を備えた支持体上に取り付けられた本発明に係る部品の平面図を示す。

Claims (11)

1. 生理的パラメータの測定のためのセンサー、マイクロ電気機械システムおよび集積電子回路からなる群の中から選択される型の能動素子と、
   ホウ素添加シリコンで作られ第１面および第２面を具備し、前記能動素子が前記第１面上に内蔵される基礎基板と、
   外部環境に対して生体適合的であり、前記基板の前記第２面上に形成される金属パッドと、
   該基板上に内蔵されて前記パッドを能動素子に接続する電気的接続部と、
   前記金属パッドを前記能動集積素子と接触する導体に接続するバイアスであり、前記バイアスは基板を介して切り出されて金属で充填されるバイアスと、
   ホウ素添加シリコンで作られ、前記基板を密閉する方法で被覆し周囲を取り囲む蓋であり、前記蓋は能動素子を内蔵した前記第１面側に配置される蓋と；
   を含んだ人体内に植え込み可能な生体適合性部品であり、前記部品には基本的に前記能動素子と前記外部環境との隔離のための金属ケースがなく、能動素子に電気的接続をするための絶縁フィードスルーがないことを特徴とする植え込み型生体適合性部品。
2. 前記基板および蓋がそれぞれの面で向かい合って互いに直接的に密閉されることを特徴とする請求項１に記載の植え込み型生体適合性部品。
3. 基板面および蓋面の間に介在する生体適合性密閉材料をさらに含み、当該基板および蓋は前記生体適合性材料により互いに溶接されることを特徴とする請求項１に記載の植え込み型生体適合性部品。
4. 当該生体適合性密閉材料は、さらにガラスからなることを特徴とする請求項３に記載の植え込み型生体適合性部品。
5. 当該生体適合性密閉材料は、さらに金属、金属合金、金およびパラジウムの内一つからなることを特徴とする請求項３に記載の植え込み型生体適合性部品。
6. 前記金属パッドは、金により被覆されることを特徴とする請求項１に記載の植え込み型生体適合性部品。
7. 前記能動集積素子は、無線周波数（ＲＦ）回路を含み、前記金属パッドの少なくとも一つがＲＦ送信用アンテナを形成するような形状および大きさを備えることを特徴とする請求項１に記載の植え込み型生体適合性部品。
8. 前記ＲＦ回路は、遠隔的に給電され、少なくとも一つの金属パッドは遠隔給電を受け取るためのアンテナを形成するような形状および大きさを備えたことを特徴とする請求項７に記載の植え込み型生体適合性部品。
9. 当該能動素子は、遠隔給電回路をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の植え込み型生体適合性部品。
10. 当該蓋は、薄膜包装（ＴＦＰ）蓋をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の植え込み型生体適合性部品。
11. 当該蓋は、薄膜包装加工により製造された蓋をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の植え込み型生体適合性部品。

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