Advanced Implant Encapsulation Concept with Integrated Humidity-Monitoring Sensor

Subject of this work is the development of an advanced encapsulation concept for active implants which features an all-around enclosing humidity-monitoring sensor layer with a hermetic sealing. The encapsulation consists of functional thin-films deposited by CVD and ALD. Due to the high isotropy of these deposition methods, each layer encloses the surface of the substrate so that a miniaturised 3D encapsulation is achieved.
The substrate, a fully assembled implant, is coated with a 3 to 5 μm thick parylene F layer which isolates the electronic components and smooths sharp edges on the substrate as a preparation for following thin-film depositions. For the sensor layer, a sandwich type structure with resistive sensing mechanism is chosen. Two metal layers surround the humidity-sensitive film as electrodes. ALD composites of semiconducting ZnO and dielectric Al2O3 grains are developed as the sensitive film. For this purpose, the phenomenon of island growth at small numbers of deposition cycles is used.
Various ZnO to Al2O3 ratios are evaluated with test structures which are exposed to water droplets. Adsorption of water molecules at the grain boundaries leads to a significant decrease in total resistivity of the composite.
This sensitive behaviour is proven by measured current and respectively resistance changes of up to five orders of magnitude. Electrical connection between the electrode layers and respective contact pads on the substrate are attained through openings in the insulating parylene F and ALD composite layers. Local removal of these insulating films is achieved by laser ablation with a 355nm UV laser. A biocompatible and ceramic Ta2O5 film encloses the whole implant as final and hermetic layer of the encapsulation stack. Single developments of this work are presented and evaluated. Additionally, three-dimensional implementation of the concept is demonstrated with all-around encapsulated substrates which are tested both in the dry and immersed condition.
While undamaged encapsulations demonstrate constant resistance values, some structures with damaged encapsulations, such as scratches, reveal resistance decreases by 74% in case of immersion. Thus, even small defects in the hermetic sealing can be detected. The results of this work prove the feasibility of a hermetic implant encapsulation with humidity-detecting function as a self-monitoring feature.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Verkapselungskonzepts für aktive Implantate mit einer umschließenden, feuchteüberwachenden Sensorschicht mit hermetischer Versiegelung. Die Verkapselung besteht aus funktionalen dünnen Schichten, welche mittels CVD und ALD Verfahren abgeschieden werden. Durch die hohe Isotropie dieser Abscheideverfahren umschließt jede Schicht die Implantatoberfläche, sodass eine miniaturisierte 3D-Verkapselung erzielt wird.
Das Substrat, ein bestücktes Implantat, wird zunächst mit Parylene F beschichtet, welches die elektronischen Komponenten isoliert und scharfe Kanten des Substrats als Vorbereitung für weitere Dünnfilmabscheidungen ebnet. Für die Sensorschicht wird ein Sandwich-artiger Aufbau mit resistivem Sensormechanismus bevorzugt. Zwei Metalllagen umschließen die feuchteempfindliche Schicht und agieren als Elektroden. Sensitive ALD-Gemische mit halbleitenden ZnO und dielektrischen Al2O3-Körnern werden mithilfe des Inselwachstums bei wenigen ALD Zyklen entwickelt.
Diverse ZnO zu Al2O3 Verhältnisse werden mithilfe von Teststrukturen evaluiert, welche Wassertropfen ausgesetzt werden. Durch die Adsorption von Wassermolekülen an den Korngrenzen steigt die elektrische Leitfähigkeit des Gemisches, sodass Strom- bzw. Widerstandänderungen um fünf Größenordnungen messbar sind. Die elektrische Kontaktierung der Elektroden mit entsprechenden Pads auf dem Substrat erfolgt durch lokale Öffnungen in den isolierenden Parylene F und ALD Schichten. Diese Öffnungen werden durch ein Laser-Ablationsverfahren mit einem 355nm UV-Laser fabriziert. Ein biokompatibler und keramischer Ta2O5-Film umschließt das ganze Implantat und dient als finale und hermetische Schicht des Verkapselungsstapels.
Einzelne Entwicklungen dieser Arbeit sind präsentiert und evaluiert. Die 3D Implementierung des Konzepts wird mithilfe von rundum verkapselten Substraten demonstriert, welche im trockenen und im eingetauchten Zustand getestet werden. Während Widerstandswerte bei unbeschadeten Verkapselungen konstant bleiben, zeigen einige Strukturen mit kleinen Defekten in der Verkapselung, beispielsweise Kratzer, einen Widerstandsverlust um 74%, sobald sie eingetaucht werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit beweisen die Umsetzbarkeit einer hermetischen Implantat-Verkapselung mit feuchtigkeitsdetektierender Funktion für den Zweck einer Verkapselungsüberwachung.

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Dogan, Ö., 2019. Advanced Implant Encapsulation Concept with Integrated Humidity-Monitoring Sensor. https://doi.org/10.17185/duepublico/70711
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