一种植入式器件及其封装方法与流程

本发明涉及微纳制造技术领域，具体涉及一种植入式器件及其封装方法。

背景技术：

封装技术在植入式器件技术领域中起着举足轻重的作用，甚至可以说，没有适当的封装技术，就不会有临床应用的植入式器件。在所有的植入式器件中，包括一大类具有可动结构的植入式器件，如机械量传感器、执行器等，因具有可动结构，使得这一大类植入式器件对于封装技术提出了更高的要求。

以植入式眼压传感器为例，其封装需要同时满足至少两个条件，其一是封装后的眼压传感器需满足高精度、小尺寸、高灵敏度等要求，其中，高精度和高灵敏度要求的主要保证条件在于在封装结构不能对传感器内起到传感作用的可动结构的运动产生较大影响，其二是眼压传感器的封装结构必须满足长期植入的稳定性要求(尤其是防止液体影响的长期稳定性)。

现有技术中，已有采用聚对二甲苯等微米厚度的聚合物材料进行植入式器件的封装，但由于聚合物材料的致密性差一些，要实现较好的防液体侵入效果需要较大的厚度，并且这种方法对大分子团状态的液体的防护效果较好，难以阻挡小分子状态的团液体的侵入。近年也有采用原子层沉积工艺制作纳米厚度的致密氧化物、氮化物、氟化物、金属、碳化物、硫化物等材料进行电子器件的防水封装，这种方法虽然对小分子状态的团液体的防护效果较好，但对大分子团状态的液体的防护效果不好，并且致密的氧化物等材料的杨氏模量和硬度较大，对带有可运动结构的微器件的性能具有较大的影响。

同时，由于在植入式器件在工作过程中会受到外界环境的温度、湿度、腐蚀气体、振动等因素的影响，因此如果不进行合适的封装和防护，将对器件的精度指标造成较大的影响。

因此，若能将上述两种封装方法相结合，分别发挥微米涂层和纳米涂层的优势，为植入式器件(尤其是具有可动结构的植入式器件，如植入式眼压传感器等)提供一种合适的封装结构和封装工艺，实现一种防护液体效果好、超薄尺寸、对器件性能影响小的新型植入式封装方法，同时使得在封装后不仅可弥补传感器中间隙、迟滞等缺陷，还能减小外界环境对传感器精度的影响，从而提高器件的精度，这对植入式器件的研究和应用都具有重要的意义。

技术实现要素：

基于上述现状，本发明的主要目的在于为植入式器件提供一种双层的封装方法，能够满足封装尺寸小和防止液体影响的长期稳定性两方面需求，同时可以提高器件的精度。

上述目的通过以下技术方案实现：

根据本发明的第一方面，一种植入式器件，用于植入生物体内，其中，所述植入式器件包括器件本体和设置在所述器件本体外围的封装结构，其中，所述封装结构包括包覆在所述器件本体上的第一保护层和位于所述第一保护层外围的第二保护层，并且其中，所述第一保护层和所述第二保护层中的一者为致密的纳米级防止液体影响的涂层，所述第一保护层和所述第二保护层中的另一者为微米级防止液体影响的涂层。

优选地，所述第一保护层为致密的纳米级防止液体影响的涂层，所述第二保护层为微米级防止液体影响的涂层。

优选地，所述致密的纳米级防止液体影响的涂层为原子层沉积层，或气相沉积层；

和/或，所述微米级防止液体影响的涂层为气相沉积层，或蒸镀沉积层，或溅射沉积层，或喷涂沉积层。

优选地，所述植入式器件为具有可动结构的植入式器件，优选为植入式压力敏感器件，更优选为植入式眼压传感器。

优选地，所述致密的纳米级防止液体影响的涂层的厚度在0.1～1000纳米之间，和/或，所述微米级防止液体影响的涂层的厚度在0.1～3000微米之间。

优选地，所述封装结构中，至少所述第二保护层由生物相容性材料形成。

根据本发明的第二方面，一种用于前面所述的植入式器件的封装方法，其包括步骤：

s40、在所述器件本体的外围形成所述第一保护层；

s50、在所述第一保护层的外围形成所述第二保护层。

优选地，所述植入式器件包括芯片和用于贴装所述芯片的基板，在步骤s40之前，还包括步骤：

s10、对所述芯片进行清洗；

s20、将清洗后的芯片贴于所述基板上；

s30、将所述芯片与所述基板进行引线键合，形成所述器件本体。

优选地，采用原子层沉积技术、或气相沉积技术在所述器件本体上形成所述致密的纳米级防止液体影响的涂层；

和/或，采用气相沉积技术、或蒸镀技术、或溅射技术、或喷涂技术形成所述微米级防止液体影响的涂层。

优选地，采用氧化物、氮化物、氟化物、金属、碳化物、硫化物、聚合物中的一种或多种形成所述致密的纳米级防止液体影响的涂层；

和/或，采用聚合物、氧化物、硫化物、氮化物、碳化物、陶瓷中的一种或多种形成所述微米级防止液体影响的涂层。

本发明的植入式器件及其封装方法能够同时满足器件封装尺寸小和防止液体影响的长期稳定性两方面需求，从而可满足器件长期植入并正常工作的要求。

特别地，本发明的植入式器件利用致密的纳米级防止液体影响的涂层(如原子层沉积层、气相沉积层)和微米级防止液体影响的涂层(诸如化学气相沉积层等)的协同作用，使相应的器件具有良好的防止液体影响的稳定性，其中微米级防止液体影响的涂层可防止液体的较大分子(如多于10个液体分子组成的大分子团)的侵蚀，致密的纳米级防止液体影响的涂层可防止气体分子或少于10个液体分子组成的小分子团的侵蚀，从而对植入式器件起到双重防止液体影响的保护，同时显著减小植入式器件的封装尺寸。

特别地，对于具有可动结构的植入式器件而言，本发明所提供的封装结构不仅可弥补传感器中间隙、迟滞等缺陷，还能隔绝外界环境中对传感器精度有影响的有害介质，从而提高了器件的精度。此外，本发明所提供的封装结构对其可动结构的运动影响很小，从而能够很大程度地保证器件的高灵敏度。

附图说明

以下将参照附图对根据本发明的植入式器件及其封装方法的优选实施方式进行描述。图中：

图1为本发明的一种优选实施方式的植入式器件的外形示意图，其中a区域做局部剖视处理；

图2为图1中a区域的局部放大示意图；

图3为本发明的一种优选实施方式的植入式器件的优选封装方法的流程图；

图4为本发明的一种优选实施方式中所涉及的芯片的外形示意图；

图5为图4的芯片贴于基板上的外形示意图；

图6为芯片与基板进行引线键合后形成的芯片基板组件的外形示意图；

图7为图6的芯片基板组件在形成第一保护层后的外形示意图，其中b区域做局部剖视处理；

图8为图7中b区域的局部放大示意图。

图中标号：10-芯片，20-基板，30、31、32、33-金属引线，40-第一保护层，50-第二保护层。

具体实施方式

为保证植入式器件防止液体影响的能力，同时提高器件精度，减小植入式器件尤其是具有可动结构的植入式器件的封装体积，本发明摈弃了现有技术中所采用的金属、陶瓷或玻璃等封装外壳，而代之以防止液体影响的保护层结构，由此形成全新的封装结构和封装方法。

根据本发明的第一方面，提供了一种植入式器件，其用于植入生物(例如人)体内。如图1和图2所示，所述植入式器件包括器件本体和设置在所述器件本体外围的封装结构。在图示的实施方式中，所述植入式器件包括芯片10和用于贴装所述芯片10的基板20，因而所述器件本体为芯片基板组件，即芯片10与基板20贴合组装后形成的组件。其中，所述封装结构包括包覆在所述器件本体上的第一保护层40和位于所述第一保护层40外围的第二保护层50，并且其中，所述第一保护层40和所述第二保护层50中的一者为致密的纳米级防止液体影响的涂层，另一者为微米级防止液体影响的涂层。优选地，第一保护层40为致密的纳米级防止液体影响的涂层，第二保护层50为微米级防止液体影响的涂层；或者，替代地，第一保护层40为微米级防止液体影响的涂层，第二保护层50为致密的纳米级防止液体影响的涂层。

现有技术中，用于生物医学装置的接触面的防止液体影响的生物相容涂层主要是聚合物涂层，其作用是改善相应的生物医学装置与生物体内器官的界面相容性。现有技术的涂层法之所以不能在长时间内保持器件的防止液体影响的效果的有效性，主要原因在于：目前的涂层法主要是采用单一的涂层作为器件的防护层，而单一的涂层由于其自身材料性能等限制，防护液体影响的效果有限。如单一的聚对二甲苯等微米级聚合物涂层对液体中的大分子的防护较好，但对液体中的小分子的防护较差；单一的纳米级氧化物等涂层虽然结构致密可以较好地防护液体中的小分子，但对液体中大分子的防护较差，并且由于其杨氏模量和硬度较高，对器件的敏感或运动部分的性能会有较大的影响。

然而，自然界(包括生物体内)的水往往并不是以单一水分子的形式存在的，而是由若干水分子通过氢键作用而聚合在一起形成水分子簇，俗称“水分子团”的形式存在。通常，由多于10个水分子组成的水分子团称为大分子团，其活性较差，无法突破上述聚合物涂层的保护，这种大分子团在生物体内大量存在，占生物体内的水的绝大多数；而由少于10个水分子组成的水分子团称为小分子团，其活性大、体积小，尽管在生物体内仅少量存在，但由于这些小分子团能够通过聚合物的多孔结构，经过长年累月地积累，会慢慢渗透到聚合物涂层的内部。因此，若将这种聚合物涂层直接应用到本发明的植入式器件，则由于缺少现有技术采用的封装外壳，一部分液体的小分子团会逐渐渗透到聚合物涂层的内部，当达到一定的量时，就会对器件造成损坏，例如损坏芯片的电路等，因而使得相应的植入式器件难以满足长期植入防止液体影响的稳定性要求。

本发明中的致密的纳米级防止液体影响的涂层为厚度在纳米级的致密涂层，其能够阻挡小分子团的渗透；微米级防止液体影响的涂层为厚度在微米级的防止液体影响的涂层，其致密度低于致密的纳米级防止液体影响的涂层，相对于小分子团的渗透的阻挡能力有限，但能够有效阻挡大分子团的渗透。此外，本发明中的封装结构不仅可弥补传感器中间隙、迟滞等缺陷，还能隔绝外界环境中对传感器精度有影响的有害介质，从而提高了器件的精度。

因此，本发明在器件本体的外围设置有第一保护层和第二保护层，并且在一种优选实施方式中，第一保护层是致密的纳米级防止液体影响的涂层，第二保护层是微米级防止液体影响的涂层，其中，微米级防止液体影响的涂层用于阻挡大分子团(绝大多数的水分子团为大分子团)的渗透，致密的纳米级防止液体影响的涂层用于阻挡小分子团的渗透，因此，在植入体内后的长期工作过程中，纵使有少量小分子团渗透到作为第一道防线的微米级防止液体影响的涂层的内部，但由于作为第二道防线的致密的纳米级防止液体影响的涂层的存在，这些小分子团将难以突破到芯片表面。

而在另一种优选实施方式中，第一保护层是微米级防止液体影响的涂层，第二保护层是致密的纳米级防止液体影响的涂层，其中，致密的纳米级防止液体影响的涂层在外围充当第一道防线，用于同时阻挡小分子团和大分子团的渗透，微米级涂层在内部充当第二道防线，用于在第一道防线局部失效的情况下继续阻挡大分子团的渗透，因此，在植入体内的长期工作过程中，如果外围的致密的纳米级防止液体影响的涂层经过长时间工作后发生局部失效，则由于微米级防止液体影响的涂层的存在，纵使有少量的小分子团有可能经局部失效处渗透至微米级防止液体影响的涂层处，也仍将需要较长的时间方有可能突破到芯片表面。特别需要说明的是，在本实施方式中，致密的纳米级防止液体影响的涂层在形成过程中能够渗透到微米级防止液体影响的涂层的微孔中，从而形成一种立体的第二保护层，此时，即使作为第一道防线的致密的纳米级防止液体影响的涂层表面上在局部发生失效，但小分子团实际上仍难以渗透到微米级防止液体影响的涂层的内部，植入式器件的长期工作稳定性和可靠性能够得到保证。

因此，本发明提出的这种植入式器件的封装结构能够经受住长期植入的防止液体影响的考验，从而满足稳定性要求。此外，本发明中的封装结构不仅可弥补传感器中间隙、迟滞等缺陷，还能隔绝外界环境中对传感器精度有影响的有害介质，从而提高了器件的精度。

另一方面，由于本发明提出的这种植入式器件的封装结构可以仅包括两层分别为微米级和纳米级的超薄涂层，因此相对于现有的采用外壳等植入式封装器件在尺寸上会显著减小，这对于植入式器件的应用非常重要。

由此可见，本发明的植入式器件能够同时满足封装尺寸小和防止液体影响的长期稳定性两方面需求，可满足各种植入式器件(尤其是具有可动结构的植入式器件，如压力敏感器件，特别是眼压传感器等)长期植入并正常工作的要求。

特别地，对于具有可动结构的植入式器件而言，其灵敏度取决于其可动结构动作时(例如压敏膜片发生变形时)的灵敏程度，显然，可动结构外部的封装不应阻碍可动结构自身的运动。本发明中，致密的纳米级防止液体影响的涂层和微米级防止液体影响的涂层可以直接涂覆在相应的可动结构的表面，由于这两个防止液体影响的涂层的厚度很薄，其对可动结构的动作的阻碍很小，因而只会对器件的灵敏度产生很小的影响。本发明的封装结构不仅可弥补传感器中间隙、迟滞等缺陷，还能隔绝外界环境中对传感器精度有影响的有害介质，从而提高了器件的精度。

优选地，本发明中，所述致密的纳米级防止液体影响的涂层可以为原子层沉积层、气相沉积层，但不限于原子层沉积层；所述微米级防止液体影响的涂层可以为化学气相沉积层，或蒸镀沉积层，或溅射沉积层，或喷涂沉积层，但不限于所列举的这几种沉积层。

原子层沉积技术是一种可以将物质以单原子膜形式一层一层地沉积在基底表面的方法。在原子层沉积过程中，新一层原子膜的化学反应是直接与之前一层相关联的，这种方式使每次反应只沉积一层原子。通过精确控制沉积涂层的厚度，便可以得到防止液体影响的符合要求的保护涂层。优选地，所述第一保护层40(优选为原子层沉积层)的厚度在0.1～1000纳米之间，更优选为0.5～400纳米，例如为300纳米。原子层沉积层的致密度能够很好地保证其对小分子团的阻挡。

优选地，形成所述致密的纳米级防止液体影响的涂层(优选为原子层沉积层)所用的材料可以是任何防止液体影响的材料，如氧化物，氮化物，氟化物，金属，碳化物，硫化物或它们的组合等。

优选地，形成所述微米级防止液体影响的涂层所用的材料可以是任何防止液体影响的材料，如聚合物，氧化物、硫化物、氮化物、碳化物、陶瓷或它们的组合等。

优选地，可采用不同的材料和/或不同的工艺形成所述致密的纳米级防止液体影响的涂层，同样，也可以采用不同的材料和/或不同的工艺形成所述微米级防止液体影响的涂层。以微米级防止液体影响的涂层为例，微米级防止液体影响的涂层自身在厚度方向上可以具有不同的材料和/或性能。例如，可以采用同一种材料、不同的工艺来形成该微米级防止液体影响的涂层，还可以采用不同材料、分别用不同的工艺来形成该微米级防止液体影响的涂层，或者还可以用不同的材料、同一种工艺来形成该微米级防止液体影响的涂层，从而充分利用不同材料和/或不同工艺方法的优势。

例如，在一个优选实施例中，可以先采用碳化硅沉积一层例如厚度为2微米的防止液体影响的涂层，再采用聚对二甲苯沉积一层例如厚度为2微米的防止液体影响的涂层，这两个防止液体影响的涂层共同构成本发明中所述的微米级防止液体影响的涂层。如此一来，既能提高防止液体影响的涂层的致密性和稳定性，又能利用聚对二甲苯的疏水性进一步提高涂层的防止液体影响的能力。

优选地，所述第二保护层50(优选为微米级防止液体影响的涂层，如化学气相沉积层、或蒸镀沉积层、或溅射沉积层)的厚度在0.1～3000微米之间，更优选在1～100微米之间，例如4微米。

如前所述，本发明的植入式器件可以是任何种类的植入式器件，优选的是具有可动结构的植入式器件。具体地，具有可动结构的植入式器件例如包括植入式机械量传感器和植入式执行器。

其中，机械量传感器例如包括压力传感器、触觉传感器、加速度传感器、陀螺仪(或称为角速度传感器)、流量传感器等，其工作时利用其可动结构将力学量转换为可动结构的应力、变形或者谐振频率等参数的改变，再将这些改变转换为电学量。例如，作为压力敏感器件的一种，压阻式压力传感器包括承载被测压力的硅膜片和膜片表面的压阻，硅膜片充当换能元件，在被测压力的作用下发生变形，产生应力和应变；而压阻将应变的变化转换为阻值的变化，通过电路测量电阻的变化实现对压力的测量。眼压传感器便属于压力敏感器件的一个典型种类。

其中，执行器也称为驱动器或致动器，例如微泵、微阀、微马达、微开关等，其工作时是将控制信号和能量转换为可动结构的可控运动和功率输出，从而使执行器在控制信号的作用下对外做功。

本发明的具有可动结构的植入式器件中，通过在器件本体上设置一体化的涂层，使封装后的机械量传感器或执行器的器件本体表面沉积上一层致密、轻薄、可靠的防止液体影响的涂层，封装涂层结构不仅能满足防止液体影响的能力，又不会影响传感器或执行器的指标(如灵敏度、稳定性等)。此外，还可弥补传感器中间隙、迟滞等缺陷，还能隔绝外界环境中对传感器精度有影响的有害介质，从而提高了器件的精度。

特别地，对于植入式眼压传感器而言，其理想的尺寸应该是在毫米量级以内。现有技术的封装方法得到的器件的尺寸一般都在毫米级及毫米级以上，主要原因是现有的封装结构尺寸过大，例如陶瓷或玻璃封装外壳过厚。而本发明的植入式眼压传感器的封装结构尺寸很小，例如仅借助于纳米级到微米级(如100纳米～4000微米)的涂层就能完成封装，满足长期植入的防止液体影响的能力，使得封装后的眼压传感器的总体尺寸几乎不变。

优选地，至少所述第二保护层50由生物相容性材料形成；进一步优选地，所述第一保护层40和所述第二保护层50均由生物相容性材料形成。从而，第二保护层50的外围无需再做生物相容性处理，以降低成本、缩短封装过程中所用的时间。

容易想到的是，在第二保护层50不采用生物相容性材料形成的前提下，也可以在封装结构的最外层(即第二保护层50的外围)再设置生物相容性材料涂层，以便满足植入生物体内的生物相容性要求。

综上，本发明的植入式器件利用致密的纳米级防止液体影响的涂层(如气相沉积层、原子层沉积层)和微米级防止液体影响的涂层(诸如化学气相沉积层等)的协同作用，使相应的植入式器件具有良好的防止液体影响的能力和体内植入的稳定性，其中微米级防止液体影响的涂层可防止液体分子(如多于10个水分子组成的大分子团)的侵蚀，致密的纳米级防止液体影响的涂层可防止水气分子或少于10个水分子组成的小分子团的侵蚀，从而对植入式器件起到双重防止液体影响的保护，同时显著减小植入式器件的封装尺寸。

根据本发明的第二方面，还提供了一种用于前面所述的植入式器件的封装方法，如图3所示，其包括步骤：

s40、在所述器件本体的外围形成第一保护层40，优选采用原子层沉积技术在所述器件本体上形成原子层沉积层，即致密的纳米级防止液体影响的涂层，得到如图7和图8所示的结构；

s50、在所述第一保护层40的外围形成第二保护层50，优选采用化学气相沉积技术、或蒸镀沉积技术、或溅射沉积技术、或喷涂技术等在所述第一保护层40的外围形成所述第二保护层50，即微米级防止液体影响的涂层，得到如图1和图2所示的结构。优选地，本步骤结束后便已完成对所述植入式器件的封装。

可见，本发明的封装方法主要通过原子层沉积和化学气相沉积(或蒸镀沉积、或溅射沉积、或喷涂等)两个步骤即可完成，相比于现有技术中采用玻璃、陶瓷、金属等封装外壳的封装方法，具有封装效率高、成本低、以及封装后尺寸小的优点。

示例性地，步骤s40中，可将植入式器件(如植入式眼压传感器)的器件本体放置在原子层沉积室内，将防止液体影响的涂层以单原子膜的形式一层一层地沉积在所述器件本体的表面上。

优选地，步骤s40中，可采用任何防止液体影响的材料，如氧化物、氮化物、氟化物、金属、碳化物、硫化物中的一种或多种(如前述材料的组合)形成所述第一保护层(如原子层沉积层)。

在原子层沉积的一个示例性实施方式中，例如可以采用氧化钽材料，例如将器件本体放置在原子层沉积室内，将氧化钽涂层以单原子膜的形式一层一层地沉积在器件本体的表面上，具体参数例如包括：3000个循环，厚度300nm，等等。

示例性地，步骤s50中，可以把一种或几种含有构成薄膜元素的化合物、单质气体等通入放置有步骤s40处理后的植入式器件(如植入式眼压传感器)的反应室，借助空间气相化学反应在植入式器件(如植入式眼压传感器)表面上沉积防止液体影响的薄膜。

优选地，步骤s50中，可采用任何防止液体影响的材料，如聚合物、氧化物、硫化物、氮化物、碳化物、陶瓷中的一种或多种(如前述材料的组合)形成所述第二保护层(如化学气相沉积层)。

在化学气相沉积的一个示例性实施方式中，例如可以采用聚对二甲苯材料，例如将器件本体放置在沉积室内，将聚对二甲苯涂层均匀地沉积在器件本体表面上(例如在第一保护层的外围)，具体参数例如包括：沉积温度为室温，厚度40微米，沉积时间约10小时，等等。

优选地，所述植入式器件包括芯片10和用于贴装所述芯片10的基板20，如图3所示，在步骤s40之前，还可包括步骤：

s10、清洗：即对所述芯片10进行清洗；

s20、贴片：即将清洗后的芯片10贴于基板20上，如图5所示；

s30、引线键合：即将所述芯片10与所述基板20进行引线键合，例如通过金属引线30、31、32、33实现引线键合，如图6所示，本步骤完成后即得到本发明所称的器件本体。

示例性地，芯片10的外形结构如图4所示。

其中，步骤s10的主要目的是将芯片10的表面清洗干净，例如，可以先将芯片浸入丙酮溶液中超声清洗数分钟至数十分钟(如20分钟)，之后再将芯片浸入异丙醇溶液中超声清洗数分钟至数十分钟(如20分钟)，或者直接用等离子清洗等方式进行清洗。

步骤s20中，优选可通过胶粘贴片、导电胶粘接、au－si合金共熔法、pb－sn合金贴片等方法将清洗后的芯片10贴于基板20上。

步骤s30中，优选采用金属丝将芯片10上的电极引线衬垫与基板20底座外引线衬垫连接在一起，通常可采用热压、热超声和超声等方法将芯片10和基板20做引线键合。

优选地，在步骤s30之后还可以包括涂胶保护的步骤：即在所述器件本体的至少各金属引线的外围涂布保护胶层，以保护芯片10及各金属引线30、31、32、33在测压过程中不受损坏。本步骤中所用的保护胶可以是任何合适的胶类材料或聚合物材料，如聚对二甲苯、硅酮、pet、pvc或它们的组合等。

综上，本发明采用直接对器件本体做表面处理的方式实现对植入式器件的封装，一方面可显著减小封装尺度和封装厚度，另一方面还减少了工艺步骤，并且同时还容易获得良好的生物兼容性和长期植入体内防止液体影响的稳定性，此外，对于内部带有可动部件的压力敏感等器件，超薄的涂层不会对灵敏度等传感器特性产生较大的影响，从而可满足器件(如眼压传感器)长期植入并正常工作的要求。此外，使得在封装后不仅可弥补传感器中间隙、迟滞等缺陷，还能隔绝外界环境中对传感器精度有影响的有害介质，从而提高了器件的精度。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加(比如由纳米级涂层和微米级涂层组合的两层以上的复合结构及其表面防护方法)。

应当理解，上述的实施方式仅是示例性的，而非限制性的，在不偏离本发明的基本原理的情况下，本领域的技术人员可以针对上述细节做出的各种明显的或等同的修改或替换，都将包含于本发明的权利要求范围内。