基于MEMS技术的人造视网膜传感器系统设计

　　0　引　言

　　目前,国内外对人造视网膜传感系统的研究都是基于电刺激视网膜,植入的刺激芯片为视网膜黄斑部位,刺激芯片面积为3mm×3mm左右,厚度小于50μm。根据刺激芯片植入位置区别,恢复视觉的电刺激方法有2种尝试性方式:一种方法称为视网膜外植入式,利用植入在视网膜表层的微电极阵列直接刺激神经节细胞的方法,外部光信号经过一定的信号处理而生成的电脉冲信号通过无线的方式被植入眼内的信号接收芯片接收,信号接收芯片将获取的电信号通过微线缆传送给刺激芯片,通过刺激芯片刺激视网膜组织获得视觉感知;另一种方法称为视网膜下植入法,利用微光电器件代替受损的视觉细胞,芯片的植入位置在视网膜结构中色素细胞和双极细胞之间,刺激部位是双极细胞,这种植入方式使得人眼自身视觉处理功能得以利用。在视网膜的电刺激实验中,要使被刺激的细胞产生动作电位,引发神经冲动,刺激电流必须要达到一定的大小才能

　　引起这个过程,这个最小的电流值通常叫做刺激阈值[1]。不同的植入芯片系统有不同的方式获得高于刺激阈值的刺激电流。基于该原理,国内外有众多的研究机构对人造视网膜传感系统进行了相关研究,临床实验已经成功使患者感知有无障碍物,甚至分辨简单的图形[1]。

　　视网膜上植入式没有利用到神经原有的信息处理功能,而视网膜下植入式则可以充分利用。本文以视网膜下植入芯片作为研究对象,对适用于该植入方式的微型植入传感器系统作了初步的研究,包括材料选择、模拟仿真、工艺设计及相关实验研究。

　　1　器件的材料选择

　　视网膜植入芯片必须满足人体长期植入条件,芯片在眼内微环境中要保证能长期正常工作,更为重要的是植入芯片及其材料不会对眼内微环境产生毒害,通常,需要用到生物兼容性材料对芯片进行封装保护[2],制作植入芯片用到的相关材料有金属, S,i SiO₂, Si₃N₄, Polyimide, Parylene2C等。其中,满足植入要求的普通金属有黄金、白金、铱,这些金属层能通过半导体薄膜工艺沉积并应用微加工技术形成所需要的图形;对衬底材料选用Polyimide,该聚合物很容易与半导体工艺集成;对于植入系统封装材料,采用Parylene2C,首先, Parylene2C在可见光的范围内吸收很少,因此,是透明无色的,不会影响光电功能单元对光线的吸收;而且, Parylene2C通过了VI类别的USP生物测试。采用双倍WI238人类肺组织细胞胚胎的培养实验,表明Parylene2C涂层与活性细胞高度兼容,只有轻微的细胞毒性,由于其聚合主体是完全由碳原子组成,故其在腐蚀性液体中不易分解,体外组织培养实验表明:人类细胞都容易在Parylene2C涂层表面增长一层薄的正常组织附着层。Parylene2C已经被用于心脏辅助器电子线路保护、骨针、脑部探针等医疗器械的保护。